机械创新设计之反求工程与创新设计

第八章反求工程与创新设计

第一节反求工程概述

把别的国家的科技成果加以引进，消化吸收，改进提高，再进行创新设计，进而发展自己的新技术，是发展民族经济的捷径。称这一过程为反求工程（或逆向工程）。

在20世纪中后期，世界各国基于引进技术的为反求工程的应用已非常广泛，总结了许多应用反求工程进行技术创新的经验，其中以日本的技术引进与创新最为突出。在二战结束后，日本在经济上落后二、三十年。为恢复和振兴经济，日本在20世纪60年代提出科技立国方针：“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”于是日本在消化、吸收引进技术的基础上，采用移植、组合、改进等方法开发出许多创新产品，其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最突出。美国人发明的晶体管技术原来仅用于军事领域。但日本S0NY公司买回晶体管专利技术后，进行反求研究，移植于民用领域，开发出晶体管收音机，占领国际市场。

日本东洋工业公司1961年从西德引进了一种旋转活塞发动机，经过运转实验后，发现活塞表面容易产生振纹失效，于是由此研究发明出理想的润滑耐磨材料、密封材料及非破坏检验法（ＮＤＩ）克服了振纹。此后，日本的旋转活塞发动机质量超过西德，并畅销全球。

日本战后的“吸收性战略”获得了巨大的成功，1945~1970年，日本用60亿美元引进先进技术，并投资150亿美元进行消化吸收，取得约26000项技术成果。成功的技术引进使日本节省了约9/10的研究费用，节省了2/3的研究时间。反求工程的基于引进技术的反求工程一般要经历以下过程：（1）引进技术的应用过程学会引进产品或生产设备的技术操作和维修，做到“知其然”。（2）引进技术的消化过程对引进产品或生产设备的设计原理、结构、材料、制造工艺、管理方法等项内容进行深入的分析研究，做到“知其所以然”。大量采用为日本的经济振兴，进而创造和开发各种新产品奠定了很好的基础。（3）引进技术的创新过程在上述基础上，消化、综合引进的技术，采众家之长，进行创新设计，这一过程是反求工程最重要的环节，也是利用反求工程进行创新设计的最后结果阶段。反求设计的过程就是从认识产品到再现产品，进而再创新性的开发产品的过程，反求设计已成为世界各国发展科学技术，开发新产品的重要设计方法之一

反求设计中应注意的问题（1）探索原产品的设计思想是产品改进设计的前提。（2）探索原产品的原理方案设计各种产品都是按一定的要求设计的，而满足一定要求的产品，可能有多种不同的形式。所以产品的功能目标是产品设计的核心问题。不同的功能目标可引出不同的原理方案（3）研究产品的结构设计产品中零、部件的具体结构是产品功能目标的保证，对产品的性能、成本、寿命、可靠性有着极大的影响（5）对产品的零件公差与配合公差进行分析公差问题的分析是反求设计中的难点之一。（6）对产品中零件的材料进行分析（7）对产品的工作性能进行分析通过分析产品的运动特性、动力特性及其工作特性，了解产品的设计方法，提出改进措施。（8）对产品的造型进行分析（9）对产品的维护与管理进行分析反求工程与科学技术的发展

在当今世界上，只有科学技术才能兴国。由于各国科学技术发展的不平衡，经济发展速度的差距很大。引进发达国家的先进技术为已用，是发展本国经济的最佳途径。

我国是一个发展中的国家，科学技术相对落后，投入大量资金去研究发达国家已推向市场的产品或技术是安全没有必要的。这不仅浪费资金，也拖延发展经济的时间。而且涉及到发展经济的科学技术领域非常广泛，我国也缺少巨额资金去进行大面积的科技研究。因此，引进发达国家先进的科学技术或先进的产品，然后进行反求设计，仿造或创新设计更新的产品，是发展中国家发展国民经济的必由之路。

反求设计是创新的重要方法

一般情况下，有两种创新方式。第一种是从无到有，完全凭借基本知识、思维、灵感与丰富的经验。第二种是从有到新。借助已有的产品、图样、音像等已存在的可感观的实物，创新出更先进、更完美的产品。反求设计就属于第二种创新方式。

由于已存在真实的东西，人的设计方式是从形象思维开始的，用抽象思维去思考。这种思维方式符合大部分人所习惯的形象—抽象—形象的思维方式。由于对实物有了进一步的了解，并以此为参考，发扬其优点，克服其缺点，再凭借基本知识、思维、洞察力、灵感与丰富的经验，为创新设计提供了良好的环境。反求设计与知识产权在从事反求设计时，一定要懂知识产权，不要侵害别人的专利权、著作仅、商标权等受保护的知识产权。同时也要注意保护自己所创新部分的知识产权。一定要处理好引入技术与反求设计的知识产权关系。第二节已知机械设备的反求与创新设计

因存在具体的机器实物，又称实物的反求设计。硬件的反求设计，是反求工程中最常用的设计方法。一、机械设备反求设计的种类与特点1．机械设备反求设计的种类（1）整机的反求如一台发动机、一台机车（2）部件反求如机床中的主轴箱、后桥、液力变矩器飞机的起落架等，一般是关键部件（3）零件反求如凸轮轴、后桥中的圆锥齿轮2．机械设备反求设计的特点（1）具有形象直观的实物，有利于形象思维。（2）可对产品或设备的性能、材料等项内容直接进行测试与分析，以获得详细的设计资料。（3）可对产品或设备的尺寸直接进行测试与分析，以获得重要的尺寸设计资料。（4）目的是反求仿制时，缩短了设计周期，提高了产品的生产起点与速度。（5）仿制产品与引进产品有可比性，有利于提高产品的质量。（6）在仿制的基础上加以改进和创新，为开发新产品提供了有利条件。二、机械设备反求设计的过程反求设计分为两个阶段：反求阶段再设计阶段反求阶段：通过对原有产品的剖析，知其所以然。吸取其技术精华、关键技术，达到为我所用。分析原有产品的技术矛盾，为改进或创新提出方向。再设计阶段：进行二次设计，开发出同类型的创新产品机械设备反求设计一般要经历如图所示的流程。三、零零、部部件的的测绘绘与分分析在进行行测绘绘之前前，应应备齐齐、读读懂有有关资资料，，为反反求设设计作作前期期准备备工作作。曲柄摇摇杆机机构——完成成驴头头的往往复摆摆动，，实现现抽油油的目目的。。减速箱箱实现现减速速的目目的带传动动起减减速和和过载载保护护的作作用。。驴头做做成圆圆弧状状，是是保证证井绳绳的直直线运运动在进行行零、、部件件的测测绘之之前，，首先先要明明确待待反求求设备备中各各零、、部件的的功能能。如如图所所示的的抽油油机进进行反反求设设计。。1．机机械设设备的的分解解原则则1）遵遵循““能恢恢复原原机””的原原则进进行拆拆机。。2）分分解的的零、、部件件按机机器的的组成成进行行编号号，并并有专专人保保管。。3）拆拆后不不易复复位的的零件件（如如游标标、度度盘等等部件件）、、过盈盈配合合的零零件或或有些些特殊殊的组组件可可不进进行分分解。。4）分分解过过程中中要有有分解解记录录，尤尤其是是那些些难拆拆的和和有装装拆技技巧的的零件件的分分解过过程要要记下下。2．测测绘的的一般般方法法被测零零件的的形状状千差差万别别，但但按其其在机机械中中所起起的作作用可可分为为联接接、紧紧固零零件、、传动动零件件、密密封件件和箱箱壳类类零件件等。。在测测绘时时要标标明是是否为为标准准件。。测绘之之前，，要对对样机机进行行分解解，以以便测测量测绘时时要基基本按按比例例画出出零件件草图图，然然后标标注测测量尺尺寸。。在进进行尺尺寸测测量时时要注注意以以下问问题：：1）选选择测测量基基准。。机械械零件件有两两种尺尺寸。。表示零零件基基本形形体相相对位位置的的定位位尺寸寸表示零零件基基本形形体大大小的的形状状尺寸寸定位尺尺寸确确定后后才能能确定定形体体尺寸寸。尺寸基基准一一般为为底面端面中心线线轴线对称面面2）关关键零零件的的尺寸寸要进进行多多次测测量，，取其其平均均值为为测量量尺寸寸。3）对对配合合尺寸寸、定定位尺尺寸等等功能能性尺尺寸要要测量量到小小数点点后三三位数数字，，没有有公差差的非非功能能性尺尺寸，，仅测测量到到小数数点后后一位位数字字即可可。4）测测量具具有复复杂形形面的的零件件时（（如汽汽轮机机叶片片、凸凸轮廓廓线等等），，要边边测量量、边边画放放大图图，以以检查查测量量中出出现的的问题题，及及时修修正测测量结结果。。5）有有些不不能直直接测测量到到的尺尺寸，，要根根据产产品性性能、、技术术要求求、工工作范范围等等条件件，通通过分分析计计算求求出来来。从实测测尺寸寸推论论出原原设计计尺寸寸：设设所测测零件件尺寸寸均为为合格格尺寸寸实测值值一定定是图图样上上规定定的公公差范范围内内的某某一数数值，，即实测值值=基基本尺尺寸±±制造造误差差±测测量误误差又根据据概率率统计计原理理，零零件尺尺寸的的制造造误差差与测测量误误差的的概率率分布布服从从正态态分布布规律律，尺尺寸误误差位位于公公差中中值的的概率率最大大。3．实实测尺尺寸数数据的的处理理制造误误差与与测量量误差差之和和应小小于或或等于于给定定的公公差，，实测测值应应在最最大极极限尺尺寸和和最小小极限限尺寸寸之间间。对于一一些重重要的的配合合尺寸寸，还还要把把实测测尺寸寸分解解为基基本尺尺寸和和公差差值。。在确确定基基本尺尺寸时时，首首先判判别是是基孔孔制配配合还还是基基轴制制配合合，基基孔制制配合合的孔孔的上上偏差差为正正值。。下偏偏差为为零，，基轴轴制配配合的的轴的的上偏偏差为为零。。下偏偏差为为负值值。假如实实测尺尺寸为为基本本尺寸寸与公公差中中值之之和，，则孔孔或轴轴的基基本尺尺寸应应满足足下面面不等等式：：在处理理基本本尺寸寸小数数点后后面两两位的的尾数数时，，可按按国际际数字字修约约规则则“四四舍六六入五五单双双”的的原则则处理理尾数数。逢逢四则则舍，，逢六六则进进，遇遇五以以保证证偶数数的原原则决决定舍舍进。。例有有一实实测尺尺寸为为73.52mm，，采用用基孔孔制。。问：：基本本尺寸寸为多多少？？基孔制制：孔的基基本尺尺寸<孔的的实测测尺寸寸轴的基基本尺尺寸<孔的的实测测尺寸寸孔的实实测值值-基基本尺尺寸≤≤1/2孔孔公差差（IT11级级）基轴制制：轴的基基本尺尺寸>轴的的实测测尺寸寸孔的基基本尺尺寸>轴的的实测测尺寸寸基本尺尺寸-轴的的实测测值≤≤1/2轴轴公差差（IT11级级）根据““四舍舍六入入五单单双””的原原则，，取基基本尺尺寸为为73.5mm。由由不等等式，，可有有73.5<73.5273.52-73.5=0.02<1/2孔公公差（（IT11的孔孔公差差为0.11mm））1/2孔公公差=1/2××0.11=0.055这说明明将其其圆整整到73.5是是正确确的。。四、公公差的的反求求设计计与创创新反求设设计中中，因因为零零件的的公差差是不不可能能测量量的。。尺寸寸公差差只能能通过过反求求设计计来解解决。。1．配配合公公差的的反求求设计计实测值值是知知道的的，基基本尺尺寸可可以计计算出出来，，由二二者的的差值值查阅阅公差差表。。选择择配合合精度度，按按二者者差值值小于于或等等于所所对应应公差差的一一半的的原则则，最最后决决定出出公差差的精精度等等级和和对应应的公公差值值。基孔制制：孔孔的的实测测值-基本本尺寸寸≤1/2孔公公差（（IT11级））基轴制制：基基本本尺寸寸-轴轴的实实测值值≤1/2轴公公差（（IT11级））对样机机的实实测结结果选选择形形位公公差时时，要要注意意以下下原则则：1）确确定同同一要要素上上的形形位公公差时时，形形状公公差值值应小小于位位置公公差值值。要要分清清二者者的关关系。。如要要求两两平面面平行行时，，其平平面度度公差差值要要小于于平行行度公公差值值。2）圆圆柱类类零件件的形形状公公差值值在一一般情情况下下应小小于其其尺寸寸公差差值。。3）形形位公公差值值与尺尺寸公公差值值相适适应。。4）形形位公公差值值与表表面粗粗糙度度相适适应。。粗糙糙度很很大，，一般般无形形位公公差要要求。。5）选选择形形位公公差时时，要要考虑虑到加加工方方法。。2．形形位公公差的的反求求设计计3．表表面粗粗糙度度的确确定机械零零件的的表面面粗糙糙度可可用粗粗糙度度仪较较准确确地测测量出出来，，再根根据零零件的的功能能、实实测值值、加加工方方法，，参照照国家家标准准，选选择出出合理理的表表面粗粗糙度度。五、机机械零零件材材料的的反求求设计计与创创新1．材材料的的成分分分析析1）火火花鉴鉴别法法2）音音质判判别法法3）原原子发发射光光谱分分析法法4）红红外光光谱分分析法法该该方方法多多用于于橡胶胶、塑塑料等等非金金属材材料的的成分分分析析。5）化化学成成分分分析法法该该方方法是是金属属材料料的常常用定定量分分析法法。6）微微探针针分析析法利利用电电子探探针、、离子子探针针等仪仪器对对材料料的表表面进进行定定性分分析或或定量量分析析。2．材材料的的组织织结构构分析析材料的的组织织结构构分析析是指指材料料的宏宏观组组织结结构和和微观观组织织结构构。宏宏观组组织结结构分分析时时，可可用放放大镜镜观察察材料料的晶晶粒大大小、、淬火火硬层层的分分布、、缩孔孔的缺缺陷等等情况况。利利用显显微镜镜可观观察材材料的的微观观组织织结构构。3．材材料的的工艺艺分析析材料的的工艺艺分析析是指指材料料的成成形方方法。。铸造造、锻锻压、、挤压压、烧烧结、、焊接接、机机加工工以及及热处处理等等是最最常见见的工工艺。。反求求时，，可酌酌情处处理。。4．材材料的的硬度度分析析可通过过硬度度计测测定材材料的的表面面硬度度，并并根据据硬度度或表表面处处理的的厚度度判别别材料料的表表面处处理方方法。。硬化化层约约为0.15~0.3mm。。高频频淬火火。硬硬化层层约为为0.2~1.5mm。。渗碳碳淬火火硬化化层约约为0.8~1.5mm。碳碳氮共共渗硬硬化层层约为为0.5~0.8mm。。详细细情况况可查查阅有有关手手册。。通过对对材料料的分分析，，结合合我国国国产产材料料的具具体性性能，，选择择合适适的代代用品品。例：对进进口汽车车发动机机活塞销销的材料料与工艺艺进行反反求图8-5a所示示的活塞塞销材料料为20Cr。。其内外外孔表面面均进行行了渗碳碳淬火，，外表面面的渗碳碳层厚为为0.8mm，，硬度为为60HRC。。内表面面的渗碳碳层厚为为0.3mm。。活塞销销的内表表面无机机加工痕痕迹，说说明该活活塞销是是冷挤压压成形的的。活塞塞销的内内表面中中部有环环状痕迹迹，说明明是由上上下两个个冲头同同时挤压压成形的的。图8-5b所示为为挤压加加工活塞塞销示意意图。该活塞的的加工艺艺过程如如下：冷挤压成成型—渗渗碳—淬淬火—低低温回火火—磨削削加工——成品六、关键键零件的的反求设设计与创创新任何机器器中都会会有一些些关键零零件，是是生产商商要控制制的技术术。这些些零件是是反求的的重点，，也是难难点、高高速机械械中的轴轴承、重重型减速速器中的的齿轮等等都是反反求设计计中的关关键零件件。七、机构构系统的的反求与与创新根据工作作要求设设计出机机构系统统的简图图，然后后选择材材料，根根据强度度、刚度度、制造造工艺等等要求进进行结构构设计，，画出总总装图、、零件图图，这一一过程为为正设计计，而根根据已有有的设备备，画出出其机构构系统的的运动简简图，对对其进行行运动分分析、动动力分析析及性能能分析，，并根据据分析结结果改进进机构系系统的运运动简图图，称之之为反设设计，机机构系统统的反求求是反求求设计中中的重要要创新手手段。一般情况况下，产产品的反反求设计计策略有有：1）功能能不变，，降低成成本。2）增加加功能，，降低成成本。3）增加加功能，，成本不不变。4）减少少功能，，降低更更多的成成本。5）增加加功能，，增加成成本。以油田抽抽油机为为例说明明机构系系统的反反求设计计。如图为为20世世纪50年代前前苏联的的油田抽抽油机机机构运动动简图。。图示为受受力分析析示意图图。既然然连杆在在一个运运动循环环中都受受拉力，，如果用用柔性构构件代替替原来的的刚性构构件，取取消油梁梁和驴头头，则可可创新设设计出图图8-7所示的的采用绳绳索滑轮轮式的无无游梁抽抽油机机机构简图图。美国Jerden公司司创新设设计出的的低矮型型抽油机机即属这这一类型型。无游游梁式抽抽油机具具有结构构简单、、重量轻轻、成本本低、调调节冲程程方便等等优点。。图示为无无游梁式式抽油机机机构简简图，图图8-8为其结结构简图图。第三节已已知知技术资资料的反反求与创创新设计计常把引进进的机械械设备等等实物叫叫作硬件件引进，，与产品品生产有有关的技技术图样样、产品品样本、、专利文文献、影影视图片片、设计计说明书书、操作作说明书书、操作作说明、、维修手手册等技技术文件件的引进进称为软软件引进进。一、技术术资料反反求设计计的特点点技术资料料反求设设计的特特点。（1）技技术资料料反求设设计的抽抽象性引引进进的技术术资料不不是实物物，可见见性差，，不如实实物形象象直观。。因此，，技术资资料反求求设计的的过程是是一个处处理抽象象信息的的过程。。（2）技技术资料料反求设设计的智智力性按按技技术资料料反求设设计的过过程是用用逻辑思思维分析析技术资资料，最最后返回回到设计计出新产产品的形形象思维维。具有有高度的的智力性性。（3）技技术资料料反求设设计的科科学性从从技技术资料料的各种种信息载载体中提提取信号号，经过过科学的的分析和和反求，，去仿存存真，由由低级到到高级。。逐步破破译出反反求对象象的技术术秘密，，从而得得到接近近客观的的真值。。（4）要要综合运运用相似似理论、、优化理理论、模模糊理论论、决策策理论、、预测理理论、计计算机技技术等多多学科的的知识。。（5）技技术资料料反求设设计的创创造性本本身身就是一一种创造造、创新新的过程程二、技术术资料反反求设计计的一般般过程1）论证证对引进进技术资资料进行行反求设设计的必必要性。。2）根据据引进技技术资料料，论证证进行反反求设计计成功的的可能性性。3）分析析原理方方案的可可行性、、技术条条件的合合理性。。4）分析析零、部部件设计计的正确确性、可可加工性性。5）分析析整机的的操作、、维修是是否安全全与方便便。6）分析析整机综综合性能能的优劣劣。以下介绍绍几种常常用的软软件反求求设计方方法。三、图片片资料的的反求设设计（1）图图片资料料反求设设计的关关键技术术对对图片等等资料进进行分析析是最主主要的关关键技术术：主要要有透视视变换原原理与技技术、透透视投影影原理与与技术、、阴影、、色彩与与三维信信息等技技术。（2）图图片资料料反求设设计的步步骤1）收集集影像资资料。2）根据据影像资资料进行行原理方方案分析析，结构构分析。。3）原理理方案的的反求设设计与评评估。4）技术术设计的的反求设设计。5）技术术性能与与经济性性的评估估。图8-9为拉丝丝模抛光光机外形形的透视视图和分分解后的的透视图图。传动动形式如如图8-10所所示。专利产品品具有新新颖性、、实用性性，对专专利进行行深入的的分析研研究。实实行反求求设计，，已成为为人们开开发新产产品的一一条途径径。专利技术术含说明明书摘要要（应用用场合、、技术特特性、经经济性、、构成等等）、说说明书（（主要是是专利产产品的组组成原理理）、权权利要求求书（说说明要保保护的内内容）以以及附图图。对专专利文献献的反求求设计主主要依据据这些内内容。利用专利利文献进进行反求求设计时时，要注注意以下下问题：：1）根据据说明书书摘要判判断该专专利的实实用性和和新