反求工程设计的内容和方法

（1）反求工程设计类型

广义上的反求工程设计是从已知事物的不完全信息，去寻求这些信息的可利用价值，然后加以充分利用，还要在此基础上进行改进和再创造。概括地说，反求工程设计主要包括：设计意图与原理的反求；几何形状与结构的反求；材料反求；制造工艺反求；管理反求；实物反求，也包括软件反求和影像反求等。

1）实物反求。所谓实物反求是指在已有实物的条件下，通过试验、测绘和详细分析，找出再创造的关键。其中包括功能反求、性能反求以及方案、结构、材质、精度、使用规范等多方面的反求。按反求对象的不同，可分为：

整机反求：反求对象是整台机器或设备，如汽车、机床等。

部件反求：反求对象是组成机器的部件，如泵、阀、机床的床头箱等。

零件反求：反求对象是组成机器的基本单元，如轴、法兰盘等。

进行实物反求设计的一般进程为：

①工作准备。需要了解国内外同类产品的结构、性能参数、产品系列化、生产水平、管理水平和发展趋势，以确定引进与消化吸收产品的可行性。同时，进行反求工程设计的项目分析，产品水平、市场预测、顾客要求、发展前景、经济效益等方面的分析研究。

②功能分析。对反求实物进行功能分析，找出相应和的功能载体和工作原理。

③反求实物性能测试。包括：整机性能、运转性能、动态性能、寿命等。在测试时，辅以必要的计算分析。

④反求实物分解。分解前，要充分考虑到如何才能将实物恢复成原样。这时，应注意：进行详细记录总体尺寸、安装尺寸、运动极限尺寸等；尽可能不拆或少拆；不拆不可拆卸联接；注意零件的相对位置和相互作用；记录拆卸顺序，并逐一将零件编号、加标识；在拆卸过程中，逐步绘制并修正装配示意图。

⑤测绘零件，完成零件工作图。应注意仅测一个零件是无法确定其尺寸公差和几何公差的，确定公差的过程是一个靠知识和经验的分析判断过程，例如推断其公差等级。

2）软件反求。产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、有关规范、标准、管理规章、质量管理体系手册等均属于技术软件。软件反求的特点如下：

①抽象性。技术软件不是实物，只能提供抽象的信息，需要发挥人们的想象力。

②科学性。软件反求要求人们从各种技术信息中，去伪存真，从低级到高级，逐步探索，反求出设计对象的技术奥秘，获取有用的技术信息。

③技术性。软件反求大部分工作是一个分析、计算的逻辑思维过程，也是一个从抽象思维到形象思维的不断反复的过程。因此，它具有高度的技术性。

④综合性。软件反求要求综合运用决策理论、模糊理论、相似理论、计算机技术等多学科的知识，是一门综合性很强的技术。

⑤创造性。软件反求是一个创造、创新的过程，应充分发挥人的创造性和集体智慧，大胆开发，大胆创新。

软件反求设计的一般进程：

①工作准备。与实物反求设计相似。

②反求原理方案。分析现有的软件资料，探求其成品的功能和性能是否达到顾客要求，其原理方案的科学性，技术、经济方面的可行性，使用维护的宜人性，零部件加工与装配的工艺性，外观造型的艺术性。

③反求结构方案。分析资料，探求其结构要素的新颖性、新材料、新工艺的特点，先进技术的运用，创造性地满足其结构设计原理。

④产品的使用、维护和管理的反求。根据其结构、材料、工艺等，分析其在使用中可能发生的故障，来编制使用说明书，并安排相应的维护和管理。

⑤产品的综合性能测定及评价。提出评价产品性能所需的测试项目及合理的测试方法。

3）影像反求。既无实物，又无技术软件，仅有产品的相片、图片、广告介绍、参观印象和影视画面时，要从中去构思现象来反求，称影像反求。这是难度最大的反求工作。影像反求本身就是创新过程，目前尚未形成成熟的技术。这就需要利用透视变换和透视投影，来形成不同的透视图，从外形、尺寸、比例和专业知识去琢磨其功能和性能，进而分析可能的结构。影像反求的一般进程为：

①工作准备。与实物反求设计相似。

②确定基本尺寸。根据影像形成原理分析，确定影像中能反映的各种尺寸，在掌握透视变换和透视投影的基础上，根据影像资料做出透视图，从而初定外形尺寸、部件尺寸和一切能观察到的尺寸和外部特征。

③功能原理分析。根据外部尺寸和结构特征，分析产品的功能原理、总布置、性能参数和传动控制方案，初步确定功能载体和工作原理。

④结构分析。根据设计人员的知识和经验，确定具体结构。结构影像资料分析判断所用的材料，进行强度、刚度稳定性的分析计算。做出反求方案设计，进行评审。

⑤技术设计。结构评审确定的方案，完成技术设计。(www.xing528.com)

（2）反求过程设计的主要内容 可以将反求工程设计看做一个系统。输入—处理—输出是这个系统的三要素，再加上反馈就构成了一个完备的系统工程的框架。反馈是输入经过处理后将其结果再送回到输入，并对再输入产生修正影响的过程。它架起了原因和结果之间的沟通渠道。反馈的处理方法是反求。反求工程设计的主要步骤为：数据采样；数据分析；设计恢复及修补；原始部件的分解；模型信息处理机CAD模型的建立；部件装配；产品功能模拟；再设计等。具体地说，反求工程设计的类型包括：设计反求、工艺反求、材料反求、管理反求等多个方面。由于这是十分复杂的技术工程，因而需要具有多学科的知识和丰富的实践经验才能完成。

1）设计反求。反求设计是对已有的产品或技术进行分析研究，掌握其功能原理、零部件的设计参数、材料、结构、尺寸、关键技术等指标，去探求这些信息的科学性、技术性、先进性、经济性、合理性等，并充分消化和吸收。然后，在此基础上，再根据现代设计的理论和方法，对原产品进行仿造设计、改进设计和创新设计。具体作法可按客观条件，采用测绘仿制、开发设计和变异设计，研制出既达到或超过原产品水平，又符合市场需求的新产品。反求对象分析可从产品设计、加工、使用的寿命周期等方面逐渐深入进行。反求设计强调剖析原产品，在“求”上狠下功夫，理解原设计的精华，力求在更高的起点上，设计出具有更强竞争力的产品来。反求设计通常可分为反求对象分析和反求创新两个阶段。

①反求对象分析阶段。主要是通过对原产品的剖析，寻找其关键技术及技术缺陷，吸取其精华，为改进或创新设计找出方向。这是一个最重要的阶段。

②反求创新设计阶段。在分析的基础上，可进行测绘仿制、开发设计或变异设计。对功能结构、工作原理等重大改变属于创新设计；而对机构、结构、参数、材料等改进，则属于变异设计。

反求对象分析阶段的工作内容包括：

①反求对象设计指导思想的分析。产品设计的指导思想决定了产品的设计方案。例如，以前大都从完善和扩大功能、降低成本出发，而现在则更多地考虑在满足功能要求的前提下，力求造型精美、舒适。如计算机的鼠标不仅发展了光电滚轮式，其外形越来越美观、小巧，且导线可缠绕在鼠标槽内，USB接头可内置，贮存非常方便；汽车的靠背椅可调节角度和前后位置等。

②反求对象功能原理方案。这是反求技术的精髓所在。因为只有充分理解和掌握其原理方案，才有可能在此基础上，提出高于原产品的原理方案，做出好的反求设计来。

③反求对象材料的分析。机械零件材料及热处理方法的选择，关系到零件的强度、抗冲击性、耐磨性、可靠性、寿命等性能指标。材料分析包括成分、微观组织结构、性能及其检测方法。搞清这些，才能选用适当牌号的材料及热处理方法。对引进产品，常需选用代用材料。

④反求对象工艺分析。反求产品设计能否实现，与工艺有密切的联系，分析加工过程和关键工艺十分必要。在此基础上提出改进工艺方案，并选择工艺参数，确定新设计产品的制造工艺方法。反求工艺常用方法有：反判法编制工艺规程；改进工艺方案；曲线对应法反求工艺参数；局部改进结构以适应工艺水平等。

反求设计应注意的问题主要为：

①探索原产品的设计思想。探索原产品的设计思想是改进的前提。如为提高可靠性进行的冗余设计、计算机产品升级换代的核心CPU芯片等。了解原产品的设计思想后，可按认知规律，提前设计出新一代同类产品。

②探索原产品的原理方案设计。产品的功能目标是设计的核心问题。探索原产品的功能结构和原理方案，可以从中了解功能目标的确定原则，有助于改进产品设计。

③研究产品的结构设计。产品中的零部件的具体结构，是实现功能目标的保证。它对性能、成本、可靠性、寿命等有着重大影响，是实现设计目标的基础。

④对零部件关系测绘或设计。这是反求设计中工作量最大的部分。可用各种现代设计方法，对零部件尺寸进行强度、刚度计算和设计。

⑤对产品的零件公差及配合公差进行分析。由于即使进行了测绘，也只能得到尺寸，而得不到公差配合，特别是几何公差。因此，这也是反求设计中的难点之一。如何合理设计其几何精度，分配尺寸链各环节的精度，确定几何公差，对装配精度、整机性能有很大影响。

⑥分析原产品零件的材料。通过外观比较、重量测量、硬度测量、化学分析、光谱分析、金相分析等手段，对材料的理化性能及热处理性能进行了解。据此选择相应的材料牌号。

⑦对原产品的工作性能进行分析。主要是了解其运动特性、动力特性及工作特性（如循环周期，极限位置、可承受的最极端的工作状况等），并在此基础上，提出改进措施。

⑧对原产品的造型及色彩进行分析。从美学、顾客心理、商品价值等方面，考虑造型设计和色彩设计。

⑨对原产品的维护和管理进行分析。分析如何进行合理的维护和管理，特别是了解哪些是易损件，有助于维修和考虑怎样提高其使用寿命。

图4-19 反求设计的基本过程

反求设计的基本过程如图4-19所示。

2）材料反求。材料反求分析包括：化学成分测定、材料组织结构、材料硬度的分析。

①化学成分测定法有：火花鉴别法（从火花中，可看出含碳量、合金元素等）；音质判别法（根据敲击声的清脆不同，可判别材料成分）；化学分析法（用于定量分析材料的化学成分）；原子吸收光谱分析法（通过粉末对材料进行定量分析）；直读光谱分析法（用直读光谱仪，可直接得到材料成分）；红外光谱分析法（多用于非金属材料）；微探针法（用离子探针、电子探针等对材料的表面成分进行分析）。

②材料组织结构分析。可用放大镜观察材料的晶体大小、硬化层的分布、缩孔等宏观组织结构，用金相显微镜可观察普通微观组织结构（如珠光体和马氏体等），而用电子显微镜则可观察到细微观组织结构（如抗疲劳的韧窝）。作者在研究如何提高链条疲劳寿命时，就是通过电子显微镜断口分析看到，没有韧窝组织的链板的断口属于晶间开裂，疲劳强度很低。

③材料硬度的分析。用一般布洛维硬度计可测出整体（或芯部）硬度，而表面硬度则需要用表面硬度计测定。通过这两个硬度值及硬化层厚度，结合材料牌号，可分析出热处理及表面处理方法。

3）工艺反求。对无法一次成形（如冲压）的产品，必须根据最终的产品形状和不同的成形条件，探求其成形工艺、毛坯、半成品的过程，称为工艺反求。

许多先进产品的关键技术在于先进的工艺。因此，分析产品的加工过程和关键工艺相当重要。在工艺反求的基础上，结合国内的制造工艺水平，改进工艺方案，选择合理的工艺参数，确定新产品的制造工艺方法。在这个过程中，很可能需要开发新工艺。