第八章+反求工程与创新设计

第八章反求工程与创新设计一、反求工程把别人的先进科技成果加以引进，消化吸收，改进提高，或进行创新设计，近而发展自己的新技术、开发新产品，是发展民族经济的捷径。称这一过程为反求工程。第一节反求设计概述二、反求工程的过程1、产品的引进过程2、引进技术的应用过程3、引进技术的消化过程4、引进技术的反求过程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，再根据现代设计理论与方法，对原产品进行仿造设计、改进设计或创新设计。三、反求设计1、仿造设计：完全按照引进产品进行设计，制造的产品与引入产品完全相同。一些技术力量和经济力量比较薄弱的厂家、且引进产品相对先进时，常常采用仿造设计的方法。反求设计一般有三种形式2、改进设计：在对原产品分析研究的基础上，进行局部的改造性设计，其性能与特征基本上同原产品，但局部性能有所改善。我国的大部分厂家都采取了这种反求设计。3、创新设计：以原产品为基础，充分运用创新的设计思维与创新技法，设计、制造出优于原产品的新产品。反求工程中的创新设计是我国及其他发展中国家目前大力提倡的方法。创新有两种方式:

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、影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。四、反求设计是创新的重要方法五、反求设计与知识产权1、引入的产品要通过正当途径

购买专利、产品等。2、获得一定程度的授权如购买产品后仿造、销售会造成侵权3、保护自己通过反求设计后所获得的成果第二节技术引进与反求设计

一、技术引进的基本原则1、待引进的技术项目首先要是国内或本单位的急需关键技术2、待引进的技术必须是科技含量高的先进技术3、有技术和经济实力，能把引进的技术产品化4、引进技术转换的产品要能产生良好的社会经济效益二、引进技术的模式引进技术的模式一般有两种：即产品引进和技术资料的引进。技术引进（软件引进）产品引进（硬件引进）

引进整机引进部件引进零件生产图样专利文献

产品说明书

三、技术引进与反求设计1、引进设备直接为生产服务2、引进产品与仿造3、引进产品与改进4、引进产品与创新设计四、反求设计的共性问题

1、探索原产品的设计思想2、探索原产品的原理方案设计3、研究产品的结构设计4、对产品的零件公差与配合公差进行分析5、对产品中零件的材料进行分析6、对产品的工作性能进行分析7、对产品的造型进行分析8、产品的维护与管理第三节已知机械设备的反求设计

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，能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量与分析，能够获得非常重要的尺寸设计资料。一、机械设备反求设计的特点4、反求目的是反求仿制时，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一般过程

引进技术功能分析与测试原理方案分析

设备分解

零件测绘

绘制草图设计方案的反求装配工艺反求机械功能的反求

制造工艺的反求尺寸、公差、材料反求

反求设计

制造样机样机实验

评价三、功能反求一、功能分解及功能树功能树参见下图功能：指机械产品具有的转化能量、物料或信息的特性总功能子功能功能元子功能----关键功能（重点）辅助功能

总功能子功能1子功能2子功能3子功能j功能元2功能元n功能元1功能元1功能元2功能元n功能元1功能元2功能元n功能元1功能元2功能元n走纸轮走纸传动机构1、步进电机色带色带传动机构2、直流电机导轨4、打印头绳索传动机构直流伺服电机针式打印机功能子功能1：由走纸机构实现，由步进电机驱动的齿轮系统组成，其功能目标为实现走纸运动。子功能2：由色带机构实现，由直流电机和齿轮摆杆系统组成，其功能目标为实现色带的往复移动，使色带均匀消耗。针式打印机功能介绍子功能3：由字车机构实现，带有编码器的直流伺服电机和钢丝绳轮在导轨上拖动字车，其功能目标为实现字车的往复移动。子功能4：由打印头机构实现，打印钢针由安装在螺旋管线圈内的电磁铁驱动，其功能目标为实现打印刚针的往复移动。子功能5：各子功能的协调工作由控制系统完成。各不同作用的子功能在微机的指令下协调工作，完成文字或图形的打印。走纸运动子功能1色带运动子功能2字车运动子功能3钢针运动子功能4控制系统子功能5纸厚调整子功能7纸宽调整子功能6指示系统子功能8打印总功能步进电机直流电机直流伺服电机电磁铁绳索传动功能元驱动功能元齿轮传动功能元驱动功能元带传动功能元齿轮传动功能元驱动功能元

功能元的求解是功能分析与设计的重点和难点，也是反求设计中的创新突破点。

对于机械产品而言，其功能元一般由动力功能元、传动功能元、工作功能元、控制功能元和辅助功能元组成。可按各功能元所具有的作用和功能目标分别求解。功能元的求解按原动机转换能量的方式可分为三大类。

第一类有三相交流异步电动机、单相交流异步电动机、直流电动机、步进电动机、伺服电动机等，它们都是把电能转化为机械能的机器。第二类有柴油机、汽油机、蒸汽机、燃汽轮机原子能发动机等，它们都是通过燃煤、油、铀获得热能再转化为机械能的机器。

（1）动力功能元：为系统提供工作动力第三类有水轮机、风力机、潮汐发动机、地热发动机、太阳能发动机等，它们都是把自然力转化为机械能的机器

弹簧力、重力、电磁力、记忆合金的热变形力都可以提供驱动力，但已不属于原动机的范畴（3）工作功能元：工作功能元直接完成某项工作，可从工作执行机构目录中选择。在功能分析与设计过程中。工作功能元的求解是创新的重点内容。（2）传动功能元：传动功能元用于变换运动方式或变换速度，可从传动机构目录中选择。（4）控制功能元：机械设备中的控制方法很多，有机械控制、电气控制、液压控制、气动控制及综合控制。其中以电气控制应用最为广泛。控制系统在机械中的作用越来越突出，传统的手工操作正在被自动化的控制手段所代替，而且向智能化方向发展。

1、系统原理方案的形态学矩阵将求解后的功能元合理组合，可以得到多个系统原理方案解。各功能元的合理组合可通过形态学矩阵来实现。系统原理方案的形态学矩阵如下

四、系统原理方案的反求功能元求解功能元1234．．．n

F1F2F4F3．．．FnL11L12Ln2L21L31L41Ln1L22L42L32L13L23L33Ln3L43L14L1nL24L2nL34L3nL44L4nLn4Lnn．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．系统原理方案的形态学矩阵

从上表中每项功能元的解中取出一项进行组合，均可获得一组系统解。设计人员可按指标评价原则从中选出合理的解。为第i个方案中第j项的评价指标。加权系数矩阵为：G=系统方案的评价方法设评价指标矩阵为：

每个方案的总评价值的计算公式为：H=

总评价值H越大越好。例:如某机械产品有三种反求方案，即i=13。评价指标采用10分制。其数值列于评价指标矩阵中。，工艺性指标为，机构繁简指标为，经济性指标为，寿命指标为工作性能指标为，动力性能指标为，机械效率指标为加权系数矩阵分别为：三种方案的评价总值分别为：

=6.9

=6.85

=8.7

第三种方案的评价总值最高，应为最佳解。明确设计任务求解最佳方案求解总功能求解子功能求解功能元求解系统方案

黑箱法

功能树

创新法

形态矩阵评价法则

.3、系统原理方案的反求设计功能分析与系统原理方案的反求设计过程

图示的抽油机中，四杆机构为工作执行机构功能元的求解与优化将是抽油机创新的重要环节CBECBAD

连杆在一个运动循环中都受拉力，如果用柔性构件代替原来的刚性构件，取消油梁和驴头，则可创新设计出如下所示的采用绳索滑轮式的无油梁抽油机。ECBA图示为的无油梁式抽油机的结构图

由于改变了油梁式抽油机的工作执行机构的种类，也改变了该机械系统的原理方案。通过对比分析，可知这种无油梁式抽油机的原理方案是合理的。测绘之前，要对待反求的设备进行分解，以便进行尺寸测量、材质分析。分解时要注意以下原则。五、机械设备的分解与装配工艺的反求1、机械设备的分解原则

（1）遵循“能恢复原机”的原则进行拆机。也就是说，拆完后能按原样装配完毕。（2）遵循按“整机-部件-零件”分解原则进行拆机（3）分解的零、部件按机器的组成进行分类编号，并有专人保管（4）拆后不易复位的零件（如游标、度盘等部件）、过盈配合的零件或有些特殊的组件可不进行分解。如图所示的组合蜗轮中采用铸铁轮芯2和铜制蜗轮圈1之间的装配，可不分解（5）分解过程中要有分解记录2、装配工艺的反求

六、制造工艺的反求正确分解过程的逆解，均可作为该类产品的装配工艺过程。1、掌握典型零件的加工方法2、零件工艺反求的一般方法七、材料的反求

机械零件材料的选择与热处理方法直接影响到零件的强度、刚度、寿命、可靠性等指标，材料的选择是机械设计中的重要问题。1、材料的成份分析（1）火花鉴别法：（2）音质判别法：根据敲击材料声音的清脆不同，判别材料的成份。铸铁音质哑，钢材的音质脆、余音长。（3）原子发射光谱分析法：可通过几毫克～几十毫克的粉末对材料进行定量分析。（4）红外光谱分析法：该方法多用于橡胶、塑料等非金属材料的成份分析。（5）化学成份分析法：该方法是金属材料的常用定量分析法。可根据分析结果从有关手册上查取材料的牌号。（6）微探针分析法：该方法是最近发展起来的材料表面成份的分析方法、利用电子探针、离子探针等仪器对材料的表面进行定性分析或定量分析。2、材料的组织结构分析材料的组织结构分析是指材料的宏观组织结构和微观组织结构。进行材料的宏观组织结构分析时，可用放大镜观察材料的晶粒大小、淬火硬层的分布、缩孔的缺陷等情况。利用显微镜可观察材料的微观组织结构。3、材料的工艺分析材料的工艺分析是指材料的成型方法。铸造、锻压、挤压、烧结、焊接、机加工以及热处理等是最常见的工艺。反求时，可根据对机械零件的分析情况进行反求处理。4、材料的硬度分析可通过硬度计测定材料的表面硬度，并根据硬度或表面处理的厚度判别材料的表面处理方法一般情况下，利用喷丸、滚压等表面形变硬化手段形成的硬化层约为0.15～0.3mm。利用高频感应加热淬火形成的硬化层约为0.2～1.5mm。利用渗碳淬火形成的硬化层约为0.8～1.5mm。利用氰化处理（碳氮共渗）形成的硬化层约为0.5～0.8mm。详细情况可查阅有关手册。八、公差的反求1、零、部件的测绘分析2、零件测绘的一般方法（1）选择测量基准机械零件有两种尺寸。即表示零件基本形体相对位置的定位尺寸和表示零件基本形体大小的形状尺寸，定位尺寸确定后才能确定形体尺寸。一般可选择零件的底面、端面、中心线、轴线、或对称面为尺寸测量基准。

（2）关键零件的尺寸要进行多次测量，取其平均值为测量尺寸。（3）对配合尺寸、定位尺寸等功能性尺寸要测量到小数点后三位数字，没有公差的非功能性尺寸，仅测量到小数点后一位数字即可。

（4）测量具有复杂形面的零件时（如汽轮机叶片、凸轮廓线等），要边测量、边画放大图，以检查测量中出现的问题，及时修正测量结果。（5）有些不能直接测量到的尺寸，要根据产品性能、技术要求、工作范围等条件，通过分析计算求出来。实测尺寸不等于原设计尺寸，需要从实测尺寸推论出原设计尺寸。假设所测的零件尺寸均为合格的尺寸，实测值一定是图样上规定的公差范围内的某一数值。即：实测值=基本尺寸制造误差测量误差

3、实测尺寸数据的处理4、基本尺寸与公差的处理对于一些重要的配合尺寸，还要把实测尺寸分解为基本尺寸和公差值。在确定基本尺寸时。首先判别是基孔制配合还是基轴制配合，基孔制配合的孔的上偏差为正值，下偏差为零。而基轴制配合轴的上偏差为零，下偏差为负值。IT/2基孔制基轴制假如实测尺寸为基本尺寸与公差中值之和，则孔或轴的基本尺寸应满足下面不等式：+EI-eies=0IT/2孔公差带轴公差带孔公差带EI=0轴公差带0基孔制：孔的基本尺寸

孔的实测尺寸轴的基本尺寸

孔的实测尺寸孔的实测值

基本尺寸

1/2孔公差（IT11级）

基轴制：轴的基本尺寸

轴的实测尺寸孔的基本尺寸

轴的实测尺寸基本尺寸

轴的实测值

1/2轴公差（IT11级）

在处理基本尺寸小数点后面两位的尾数时，可按国际数字修约规则“四舍六入五单双”的原则处理尾数。逢四则舍，逢六则进，遇五以保证偶数的原则决定舍进。5、配合公差的反求设计由前式可知：采用基孔制：孔的实测值

基本尺寸

1/2孔公差（IT11级）采用基轴制：基本尺寸

轴的实测值

1/2轴公差（IT11级）6、形位公差的反求设计根据实测结果选择形位公差时，要注意以下原则。（1）确定同一要素上的形位公差时，形状公差值应小于位置公差值。要分清二者的关系。如要求两平面平行时，其平面度公差值要小于平行度公差值。（4）形位公差值与表面粗糙度相适应。粗糙度很大，一般无形位公差要求。（5）选择形位公差时，要考虑到加工方法最后根据零件的功能、实测尺寸、加工方法，参照国家标准，选择出合理的形位公差。（2）圆柱类零件的形状公差值在一般情况下应小于其尺寸公差值。（3）形位公差值与尺寸公差值相适应。7、表面粗糙度的确定机械零件的表面粗糙度可用粗糙度仪较准确的测量出来，再根据零件的功能、实测值、加工方法，参照国家标准，选择出合理的表面粗糙度九、关键零件的反求设计与创新1、曲线类零件的反求2、曲面类零件的反求十、机构系统原理方案的反求与创新进行机构系统的反求时，要注意产品的设计策略反求。一般情况下，产品的反求设计策略有：

1、功能不变，降低成本。

2、增加功能，降低成本。

3、增加功能，成本不变。

4、减少功能、降低更多的成本。

5、增加功能，增加成本。第四节技术资料的反求设计一、技术资料反求设计的特点1、技术资料的反求设计具有抽象性2、技术资料反求设计具有高度的智力性3、技术资料反求设计具有高度的科学性4、技术资料反求设计具有很强的综合性5、技术资料反求设计具有一定的创造性二、技术资料反求设计的一般过程1、引进技术资料进行反求设计必要性的论证2、引进技术资料进行反求设计成功的可能性论证3、分析原理方案的可行性、技术条件的合理性4、分析零、部件设计的正确性、可加工性。5、分析整机的操作、维修是否安全与方便。6、分析整机综合性能的优劣。三、产品图样的反求设计1、引入产品图样的目的2、设备图样的反求设计过程1）读懂图样和技术要求。2）用国产材料代替原材料，选择适当的工艺过程和热处理方式，并据此进行强度计算等技术设计。3）按我国国家标准重新绘制生产图样和提出具体的技术要求。4）试制样机并进行性能测试。5）投入批