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1、第第8 8章章 反求设计与创新反求设计与创新8.1 概述概述8.2 反求设计内容及过程反求设计内容及过程8.3 反求实例分析反求实例分析 BUCT 机械创新设计机械创新设计8.1 8.1 概述概述反求概念反求概念：以先进产品的实物、图纸或技术文件作为研究对象，应用先进设计理论、测试技术、生产工程学、材料学等知识，对其进行系统的研究、分析，掌握其关键技术，从而开发出更先进的同类产品的过程为反求工程或反求设计。反求问题的提出：反求问题的提出：从古至今；二战后的日本（45-70年用60亿美元引进先进技术，150亿美元消化吸收，取得26000项技术成果，节约了9/10研究费用和2/3研究时间，索尼的晶
2、体管，本田的摩托车）；各国（70%以上的技术来之外国）；我国从20世纪60年代初开始。BUCT 机械创新设计机械创新设计已知事物已知事物（产品、软件、（产品、软件、影像）影像）分析、研究分析、研究事物真相事物真相改进改进创新创新产生产生新产品新产品 反求设计的含义反求设计的含义BUCT 机械创新设计机械创新设计实物反求实物反求：内容内容：整机反求、部件反求、零件反求；特点：特点：形象直观、可直接测量、有可比性、反求周期短；过程：过程：一般先是进行试车试车，对实验中的静态和动态数据进行科学处理，对实验中出现的故障进行纪录；然后分析分析功能原理，画出草图，装配示意图，机构运动简图，搞清设计思想、原
3、理及性能；接着要进行分解分解，注意观察判断零件与整机的关系，零件结构形状对整机工作性能的影响，某些结构是否具有是意义等；最后要测求测求各零部件的结构、尺寸、材料、加工工艺、精度等。BUCT 机械创新设计机械创新设计 反求对象反求对象 软件反求软件反求内容：内容：图纸、技术资料、产品样本、说明书等。特点：特点：已知产品的功能原理，结构组成，比较详细地了解零件的材料、尺寸、精度。过程：过程：论证论证（引进必要性和可行性）分析分析（原理方案、技术条件）换算换算（标准的换算和材料牌号的代换）计算计算和模拟实验模拟实验BUCT 机械创新设计机械创新设计 影像反求影像反求内容：内容：照片、图片、影视画面特
4、点：特点：易获取，但信息量少，反求难度大过程：过程：利用外型判断传动形式、结构形状等 利用色彩判断材料 利用透视和对比的原理判断尺寸大小等BUCT 机械创新设计机械创新设计 影像反求实例：影像反求实例：国外某杂志介绍一种结构小巧的“省力扳手”增力十几倍，用这种扳手给汽车换轮胎拧螺母，妇女、少年都能操作。根据其照片分析，其输入、输出轴同轴，且均为圆形外廓，判断它采用的是行星轮系，以大传动比减速增矩。在此基础上设计出“省力矩扳手”，效果很好。日本专家曾依据大庆油田的一张照片估算出炼油塔的容积和生产规模，其参照物是油塔上的金属爬梯。一般高大建筑物金属爬梯宽为400-600mm，高约为n*300mm(
5、n为台阶数)。BUCT 机械创新设计机械创新设计依靠信息情报为支撑依照知识产权的各类规定反求特点起点高，风险低BUCT 机械创新设计机械创新设计依赖多种学科知识为基础8.2 反求内容与过程反求内容与过程一、反求内容一、反求内容1.1.设计思想的反求设计思想的反求2.2.功能原理的反求功能原理的反求 3.3.结构形状与尺寸参数的反求结构形状与尺寸参数的反求4.4.材料的反求材料的反求 5.5.关关键键技技术术的反求的反求 BUCT 机械创新设计机械创新设计1、设计思想的反求设计思想设计者的灵魂 产品开发的必要性 产品造型的特殊性 产品的结构特点日：索尼公司的随身听572种BUCT 机械创新设计机
6、械创新设计2、功能原理的反求 总功能 分功能子功能功能元3、结构形状与尺寸参数的反求 规则形状 不规则形状 内部，看不见的结构形状BUCT 机械创新设计机械创新设计误差分析：用数学解析式表示为：误差分析：用数学解析式表示为：一般取各项误差的均方根作为反求误差。即：一般取各项误差的均方根作为反求误差。即：BUCT 机械创新设计机械创新设计对于规则形状的零件也可根据概率统计原理，即零件尺寸的制造误差与测量误差的概率分布服从正态分布规律，尺寸误差位于公差中值的概率最大。对于一些重要的配合尺寸，首先应判别是基孔制还是基轴制配合。基孔制配合的孔的上偏差为正值，下偏差为零；而基轴制配合的轴的上偏差为零，下
7、偏差为负值。如图8-3所示。BUCT 机械创新设计机械创新设计基孔制：孔的原始尺寸孔的测量尺寸轴的原始尺寸孔的测量尺寸孔的测量尺寸-原始尺寸1/2孔公差（IT11级）基轴制：轴的原始尺寸轴的测量尺寸孔的原始尺寸轴的测量尺寸原始尺寸-轴的测量尺寸1/2轴公差（IT11级）BUCT 机械创新设计机械创新设计 健身器的反求设计：图健身器的反求设计：图a a是健身器扫描数据点晕，图是健身器扫描数据点晕，图b b为重构为重构曲面线框图，图曲面线框图，图c c为重构曲面光照图，图为重构曲面光照图，图d d为重构曲面为重构曲面NCNC加工加工轨迹。轨迹。BUCT 机械创新设计机械创新设计4、材料的反求 材料
8、成分化学成分（火花、音质、原子发射光谱分析、红外线光谱分析等）材料组织结构结构组织情况（显微观察，计算机描述）材料力学性能强度、硬度、刚度等（应变仪、硬度计等）材料的工艺成型方法（铸锻、挤压、切削等）BUCT 机械创新设计机械创新设计n关键功能关键功能n关键原理关键原理n关键结构关键结构n关键材料关键材料采用非同一般的技术手段，以达到同产品难采用非同一般的技术手段，以达到同产品难以达到的技术水平，体现特色，提高竞争以达到的技术水平，体现特色，提高竞争能力，这些技术统称为关键性技术。能力，这些技术统称为关键性技术。5、关键技术的反求、关键技术的反求BUCT 机械创新设计机械创新设计 关键功能关键
9、功能:分析产品的各项功能时，要抓住关键功能，因为关键功能的解决对产品的水平与特色起决定性作用。例如在机电假手的研究中，发现手指开合机构按常规运动速度(5rad/s)运动，指端捏紧力只能达到5N左右，连系鞋带的力量都不够。若要是捏紧力提高到50N，在一定功率下运动速度需要降低为原来的1/10（角速度为0.5 5rad/s）。设计中要求手指以一定的速度接近目标，并迅速转换为提高捏紧力，只有解决了速度转化这个关键功能，人工假手才有价值。BUCT 机械创新设计机械创新设计 关键原理：关键原理：产品的同一功能可以采用不同的工作原理，某些产品会在工作原理上实现关键技术的特色。例如新型的可控离合器采用电流变
10、体胶体悬浮液系统，(Electro-Rheological Fiuld)通过电流变体在不同电压下粘稠度的变化，在两轴间起离合作用，结构简单，可控性能好。BUCT 机械创新设计机械创新设计 关键结构：关键结构：某些产品巧妙的结构形成关键性技术 例如汽轮机转子的叶片并非径向安装，而是沿蒸汽推力Ft的方向与径向倾斜一个角度，这样当转子运转时，叶片离心力Fc对根部的弯矩与工作推力的弯矩方向相反，使叶片根部应力降低，这是一种自平衡结构。BUCT 机械创新设计机械创新设计 关键材料：关键材料：某些产品中采用一些特殊材料形成关键性技术形状记忆合金Ni-Ti合金，Cu-Ti合金和Fe-Ti合金等具有记忆形状的
11、特点。将合金加工成一定形状，在高温下进行热处理，该合金就能记住自己的形状。在自动关窗装置，人造卫星天线展开装置都采用了形状记忆合金，利用其自动恢复原加工形状的特点，大大简化了机构。BUCT 机械创新设计机械创新设计 压电纤维压电纤维 BUCT 机械创新设计机械创新设计造型精美宜人造型精美宜人：小型化，提高产品舒适程度1.分析探索产品设计的指导思想：探索产品设计的指导思想：设计的指导思想可以理解为是产品设计的目的，产品使用所产生的效果。一般设计指导思想遵循：实用实用：使用、维修、保养方便，功能安全可靠，成本低功能可扩展功能可扩展：超前设计，预留功能产品的可持续性产品的可持续性：强调节能、环保，产
12、品可回收、可再利用二、反求过程二、反求过程BUCT 机械创新设计机械创新设计 IBMIBM计算机中所有塑料制品都采用同样的材料，并压计算机中所有塑料制品都采用同样的材料，并压有识别标志，主要思想是便于回收。有识别标志，主要思想是便于回收。设计指导思想实例：设计指导思想实例：设计指导思想实例：设计指导思想实例：某公司开发的低噪声电机，其中消噪器在机壳内测某公司开发的低噪声电机，其中消噪器在机壳内测定并产生音频，与电机产生的噪声相位差定并产生音频，与电机产生的噪声相位差180180，而将其部分的抵消，可减少而将其部分的抵消，可减少50%50%的噪声。的噪声。马自达公司设计的微型轿车，质量马自达公司
13、设计的微型轿车，质量70 70 英镑，时速英镑，时速1212英里英里/小时，其转向器、三个活动轮，发动机可折叠小时，其转向器、三个活动轮，发动机可折叠放入金属箱（兼作汽车底板），解决令人头疼的停车放入金属箱（兼作汽车底板），解决令人头疼的停车问题。问题。BUCT 机械创新设计机械创新设计分析产品中的环境特点：分析产品中的环境特点：潮湿、高温、多琛、放射性等2.2.分析产品的功能原理分析产品的功能原理因为机电产品的功能一般体现为能量、物料、信息的变化，以及系统与周围环境的关系。所以分析产品时，要首先对能量、物料、信息、环境这四个方面分析其工作原理与特点。分析产品中的动力源分析产品中的动力源：动力
14、源的个数，动力源以何种能量形式体现，能量的传递方式是什么；分析产品中的传动系统执行系统：分析产品中的传动系统执行系统：传动的方式、原理、特点；执行系统的工作方式、原理、特点；物料的性能、特点；以及它们之间的联系。分析产品中的测量、控制系统：分析产品中的测量、控制系统：系统中有关信息的测量，控制方式；反馈方式。BUCT 机械创新设计机械创新设计测量零部件的结构尺寸：测量零部件的结构尺寸：要选好基准面（底面、端面、中心线、轴线）；重要尺寸（性能尺寸、配合尺寸、定位尺寸、功能尺寸等）要保留毫米以下二至三位小数，并测量几次再取其平均值；异型面（汽轮机叶片、凸轮轮廓等）要用三坐标测量仪进行，并采用曲面或
15、曲线拟合技术；考虑到制造的误差、使用的磨损，建立一个较好的复员公式3.分析零部件的结构形状，确定结构尺寸分析零部件的结构形状，确定结构尺寸分析零部件的结构形状：分析零部件的结构形状：零部件是功能的载体，其结构应满足功能要求，通过分析其结构特点，可以反求出产品的性能与特色。分析各零部件之间的联系：分析各零部件之间的联系：在机器中任何零件都不是孤立的，通常各零件之间成链状、树状或网状联接。搞清它们之间的关系有助于尺寸、公差、精度等反求。BUCT 机械创新设计机械创新设计装配工艺主要指：装配工艺主要指：可装配性，可拆卸性，装配精度，尺寸链分析。保证装配精度的方法有：完全互换法，不完全互换法，分组互换
16、法，修配法和调整法等。4.4.分析加工、装配工艺，确定精度：分析加工、装配工艺，确定精度：许多先进产品的关键技术是先进的工艺，并且工艺中的奥秘不易掌握和破解，因此分析产品的加工过程和关键工艺十分必要。加工工艺主要包括：加工工艺主要包括：零件的尺寸公差；粗糙度，材料及热处理；以及加工方法等。加工方法又分为：铸造、锻造、焊接等热加工，以及切削加工。切削加工又分为：车、铣、刨、磨、钻、镗、抛光、研磨、挤压等。BUCT 机械创新设计机械创新设计5.5.分析材料性能，确定材料分析材料性能，确定材料分析材料成份分析材料成份：火花鉴别；音质鉴别；原子发射光谱；红外光谱等材料组织结构材料组织结构：显微镜材料工
17、艺分析材料工艺分析：分析成型方法（铸、锻、挤压、机加工等）材料硬度分析材料硬度分析：硬度计等通过材料分析进行材料代用，考虑资源及成本，选择合通过材料分析进行材料代用，考虑资源及成本，选择合适的国产材料适的国产材料BUCT 机械创新设计机械创新设计6.分析工作性能及维护与管理产品的主要工作性能如强度、刚度、精度、寿命等要进行试验测定，掌握其设计规范；产品的维护与管理主要指，产品的使用性能，维护性能，如润滑剂的选择与润滑方式；外观的造型、色彩等。BUCT 机械创新设计机械创新设计8.3 反求实例分析反求实例分析*拟仿设计：拟仿设计：基本模仿原设计，无大变动，属最低水平基本模仿原设计，无大变动，属最
18、低水平 *变异设计：变异设计：在原产品的基础上对结构、材料及参数进行了局部的在原产品的基础上对结构、材料及参数进行了局部的改进设计改进设计*开发设计：开发设计：在分析原有产品的基础上，抓住其功能本质，从原理在分析原有产品的基础上，抓住其功能本质，从原理方案开始进行创新设计方案开始进行创新设计 反求设计一般应取得以下的效果：反求设计一般应取得以下的效果：“功能不变、降低成本；增加功能、成本不变；增加功能、降低成功能不变、降低成本；增加功能、成本不变；增加功能、降低成本本”BUCT 机械创新设计机械创新设计计算机辅助反求设计计算机辅助反求设计数据测量数据测量三坐标测量仪、坐标扫描仪、激光扫描仪测量
19、事物的表面形状和尺寸，将物理模型转化为测量数据点。数据处理数据处理编译处理、坐标变换、加密精化数据输出数据输出曲线拟合、CAD几何模型、NC轨迹、刀具轨迹加工等BUCT 机械创新设计机械创新设计v 反求设计案例反求设计案例减速器装置的反求设计减速器装置的反求设计1、原产品分析、原产品分析：反求对象：反求对象：德国某公司AF系列电机减速器，装配简图1张设计特点：设计特点：电机通过三级斜齿轮减速，输出转速较低，转矩较大；结构紧凑，采用锥形转子电机，停车可自动制动；齿轮全部采用硬齿面，传递载荷大；齿轮与轴之间采用过盈配合，减少轴向固定元件；产品系列化，有五种机座号，有23种传动比，能适应较宽的工作范
20、围。BUCT 机械创新设计机械创新设计机座号中心距AF05AF06AF08AF010AF012a105125160200250a13341516481.6a241516481.6120a3657492120151AF系列电机减速器中心距系列电机减速器中心距BUCT 机械创新设计机械创新设计存在问题：存在问题：参数不合理，三级齿轮强度不匹配；模块化设计不突出；硬齿面工艺对我国中小企业有待探索。2、二次设计、二次设计：BUCT 机械创新设计机械创新设计优化参数：优化参数：中心距皆为优先数，有六种，且每种后面两级与高一级前两级中心距一致；各中心距传动比有22种，可组成132种规格。承载能力比原设计提
21、高20%。机座号中心距0102030405a105125160200250a140506380100a2506380100125a36380100125160模块系列化设计：模块系列化设计：建立齿轮，轴轴承，密封件等功能模块，尽量通用。如齿轮经优化设计统一取螺旋角为15，齿款系数为0.4，模数，齿数，变位系数等也尽量取一致。最后通用化率为83.56%。硬齿面齿轮工艺的探索：硬齿面齿轮工艺的探索：利用CS系列研合剂对硬齿面齿轮进行负载对研跑合，齿面接触斑点由30%提高到接近100%，各项精度体高一级，齿轮噪声下降。并且找到了一种不经磨削工艺也能保证硬齿面加工精度的一种途径。建立了计算机辅助管理系
22、统：建立了计算机辅助管理系统：几分钟内就可按用户要求利用模块组装成所需的传动装置。BUCT 机械创新设计机械创新设计抽油机的反求抽油机的反求BUCT 机械创新设计机械创新设计 BUCT 机械创新设计机械创新设计 原始机构原始机构绣花机的反求绣花机的反求BUCT 机械创新设计机械创新设计BUCT 机械创新设计机械创新设计BUCT 机械创新设计机械创新设计 新机构新机构BUCT 机械创新设计机械创新设计BUCT 机械创新设计机械创新设计震动筛 BUCT 机械创新设计机械创新设计精度反求精度反求实实例例超越离合器(如图8 81616所示)具有高速、无级、平稳等优点,被广泛用于纺织、印刷等各类机械。楔
23、角a是超越离合器的最基本参数之一,影响离合器的性能和寿命。楔角过大不能保证正常工作,过小则无法解楔,即在外力矩为零时不能自动脱开。作为超越离合器的关键零件,内星轮的结构参数对楔角的影响很大,且由于高速运转而极易磨损,反求时其精度设计问题不容忽视。按照一般手册规定,内星轮平面到中心的距离S 采用基轴制,这样的公差值布置方向使楔角增大,将有可能超出许用的最大楔角。经过精度分析以后,采用K6 6 公差带可使楔角在许用的6 67 7的范围。并且公差确定后经校核在极限偏差下,当滚子处于极限位置时,仍与外圈有一定间隙。这样即使在同轴度误差较大时也不会发生咬死现象。图8-16 超越离合器图8-16 超越离合
24、器图象资料的反求设计实例图象资料的反求设计实例 20世纪80年代，国内某大学与工厂合作，根据国外拉丝模抛光机产品说明书上的图片进行反求设计。反求时，先对产品图片进行投影处理，其拉丝模抛光机的外型和分解透视图如图8-17所示。产品说明书中给出了相关的运动参数，拉丝模的回转速度为850rmin，抛光丝的往复移动速度为1001000 mmin，据此反求出箱体内的传动系统如图8-18所示。拉丝模的回转运动通过异步电动机和一级带传动来实现。传动比按电动机速度与拉丝模的回转速度的比值选择。抛光丝的往复移动通过曲柄滑块机构和带传动的串联来实现，选择直流调速电动机调速。这样反求设计的拉丝模抛光机不仅达到了国外同类产品的水平，其价格也仅为进口价格的三分之一。拉丝模抛光机的外形 1异步电动机 2带传动 3工件定位板 4工件 5抛光丝夹头6导轨 7往复架 8直流调速电动机 9带传动 10曲柄 11连杆拉丝模抛光机的传动系统