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1、第7章 反求工程设计, Reverse Engineering Design,第7章 反求工程设计,内容简介,反求工程设计是一种十分有用的现代设计方法。它是针对消化吸收先进技术的系列分析方法和应用技术的综合的一项新技术。 本章主要介绍了如下方面内容：, 反求工程与反求设计的概念及特点 反求工程设计的基本内容及原理 相似理论及相似设计方法简介 反求工程的原理与方法,7.1 概述,7.1.1 反求工程与反求设计的概念,反求工程（Reverse Engineering，简称RE） 也称逆向工程，它是针对消化吸收先进技术的系列分析方法和应用技术的综合的一项新技术。 这一新技术，它以现代设计理论方法、生
2、产工程学、材料科学为基础，运用各类专业人员工程设计的经验、知识和创新思维，对其已有新技术进行解剖、深化和再创造，而应用于产品开发和仿真制造的一种并行设计开发技术。为此而发展出的反求工程设计（或称反求设计），也就成为一种十分有用的现代设计方法和技术。 在机械设计领域中，反求工程设计就是在没有图纸或图纸不完全以及没有CAD模型的情况下，按照已有零件的模型（称为零件原形），利用各种数字化技术及CAD技术重新构造原形CAD模型的过程。,反求工程包括设计反求、工艺反求、材料反求和管理反求等各个方面。它以先进产品的实物、软件（图样、程序、技术文件等）或影像（图片、照片等）作为研究对象，应用现代设计的理论方
3、法、生产工程学、材料科学和有关专业知识，进行系统地分析研究，探索掌握其关键技术，进而开发出同类的新产品。 反求工程的次序是： 首先进行反求分析； 然后进行反求设计。 进行反求分析时，针对反求对象的不同形式实物、软件或影像，应采用不同的方法。 (1)对实物为机器设备的反求，可用实测手段获得所需参数和性能、材料、尺寸等。,(2)对软件（如图样）的反求，可直接分析了解产品和各部件的尺寸、结构和材料，但掌握使用性能和工艺，则要通过试制和试验。 (3)对影像（如图片、照片）的反求，可用透视法与解析法求出主要尺寸间的大小相对关系，用机器与人或已知参照物对比，出几个绝对尺寸，推算其它尺寸。 (4)对材料和工
4、艺的反求，则都需要通过试制和试验的方法才能解决。在以上充分分析的基础上，才能进行不同的反求设计。,作为一种逆向思维的工作方式，反求工程技术与传统的产品正向设计方法不同，它是根据已经存在的产品或零件原型来构造产品的工程设计模型或概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造，是对已有设计的再设计。 传统的产品开发过程遵从正向工程（或正向设计）的思维进行，是从收集市场需求信息着手，按照“产品功能描述（产品规格及预期目标）、产品概念设计、产品总体设计及详细的零部件设计、制定生产工艺流程、设计制造工夹具、模具等工装、零部加工及装配、产品检验及性能测试” 这样的步骤开展工作，是从未知到已知、从抽象
5、到具体的过程。,而反求工程则是按照产品引进、消化、吸收与创新的思路，以“实物、原理、功能、三维重构再设计” 框架模型为工作过程，其中，最主要的任务是将原始物理模型转化为工程设计概念或CAD模型。一方面为提高工程设计、加工、分析的质量和效率提供充足的信息，另一方面则为充分利用先进的CAD/CAE/CAM技术对已有的产品进行再创新工程服务。,正向工程与反求工程过程两者比较，最本质的区别在于： 正向工程是由抽象的较高层次概念或独立实现的设计过渡到设计的物理实现，从设计概念至CAD模型具有一个明确的过程。 而反求工程是基于一个实物原型来构造它的设计概念，并且通过对重构模型特征参数的调整和修改来达到对实
6、物原型的产品复制和创新，以满足产品更新换代和创新设计的要求。,在反求工程中，由离散的数字化点到CAD模型的建立是一个复杂的设计推理和数据加工过程。一般产品的正向设计与反求工程设计的的基本过程如图7-1所示。,图7-1 一般产品的正向设计与反求工程设计的基本过程,(a)一般产品正向设计过程,(b) 反求工程设计过程,经过多年来的应用实践表明，反求工程具有如下特点: (1)可以使企业快速响应市场，大大缩短产品的设计、开发及上市周期，加快产品的更新换代速度，降低企业开发新产品的成本与风险。 (2)适合于单件、小批量、形状不规则的零件的制造，特别是模具的制造。 (3)对于设计与制造技术相对落后的国家和
7、地区，反求工程是快速改变其落后状况，提高设计与制造水平的好方法。,7.1.2 反求工程的特点,基于产品的技术引进涉及产品的消化、吸收、仿制、改进、生产经营管理和市场营销等多个方面，它们组成了一个完整的系统。反求工程就是对这个系统进行分析和研究的一门专门技术。,因此，整个反求工程技术可大致分为如下三个阶段： (1)认识阶段 通过对所需复制零件进行全面的功能分析及其加工方法分析，由设计人员确定出零件的技术指标以及零件中各几何元素拓扑关系，掌握该零件的关键技术。 认识阶段的工作是整个反求工程成功与否的关键。 (2)再设计阶段 再设计阶段是指从零件测量规划的制定一直到零件CAD模型的重构，这个阶段主要
8、完成的工作有测量规划、测量数据、数据处理及修正、曲面重构、零件CAD模型生成。,(3)加工制造及功能检验阶段 这个阶段的工作是根据零件的加工方法不同，制定出相应的加工工艺。 例如，有的零件CAD模型可直接通过快速原型制造得到样件原型；有的CAD模型可直接经CAM软件生成NC数控代码，到加工中心或其它数控设备上加工出该零件；有的需要采用冲压成形工艺(如汽车覆盖件)，利用成形模具进行批量生产等等。 最后，还要对加工出的零件功能进行检验，如果不合格，则要重新进行再设计和再加工、检验，直到合格为止。 加工制造阶段可称为反求工程的下游应用阶段，由于零件加工制造的手段具有多样性，与不同加工方法相对应的集成
9、反求工程系统是不同的。,反求工程作为一种现代设计方法和理念，已在工程中得到较好应用，目前主要表现在以下方面： (1)在缺乏二维设计图纸或者原始设计参数情况下，需要将实物零件转化为计算机表达的CAD模型，以便充分利用现有的计算机辅助分析(CAE)、计算机辅助制造(CAM)等先进技术，进行再创新设计。 (2)有些零件有较高的美学、空气动力学要求，难以在计算机上直接造型。设计时往往需要首先制作黏土或油泥的比例模型，然后进行各种实验，如风洞实验、水池实验等，一旦外形确定，就需要使用反求工程技术将其转化为CAD模型。 (3)一些零件可能需要经过多次修改，如在模具制造中，经常需要通过反复试冲和修改模具型面
10、，方可得到最终符合要求的模具。反求工程便成为制造-检验-修正-建模-制造这一环节中重要的快速建模手段。,7.1.3 反求工程设计的应用,(4)在生物医学工程领域，采用反求工程技术，摆脱原来的以手工或者按标准制定为主的落后制造方法。通过定制人工关节和人工骨骼，保证重构的人工骨骼在植入人体后无不良影响。 如在牙齿矫正中，根据个人制作牙模，然后转化为CAD模型，经过有限元计算矫正方案，大大提高矫正成功率和效率。 通过建立数字化人体几何模型，可以根据个人定制特种服装，如宇航服、头盔等。 (5)应用反求工程技术，还可以对工艺品、文物等进行复制，可以方便的生成基于实物模型的计算机动画等。,广义上的反求工程
11、设计是从已知事物的有关信息（包括硬件、软件、照片、广告、情报等）去寻求这些信息的科学性、技术性、先进性、经济性、合理性、国产化的可能性等，要回溯这些信息的科学依据，即要充分消化和吸收，不仅如此，更要在此基础上进行改进、挖潜和再创造。 因此，概括起来反求工程设计的基本内容主要包括：产品设计意图与原理的反求、几何形状与结构反求、材料反求、制造工艺反求、管理反求等方面。 其反求对象既包含了人们习以为常的实物原型，也包括了软件与影像等对象。,7.2 反求工程设计的基本内容及原理,7.2.1 反求工程设计的基本内容及类型,所谓实物反求，它是在已有实物的条件下，通过试验、测绘和详细分析，提出再创造的关键。
12、其中包括：功能反求、性能反求以及方案、结构、材质、精度、使用规范等众多方面的反求。 根据反求对象的不同，实物反求可分为以下三种： (1)整机反求：反求对象是整台机器或设备。如一部汽车，一架飞机，一台机床，也可以是汽车或飞机的一台发动机，成套设备中的某一设备等。 (2)部件反求：反求对象是组成机器的部件。这类部件是由一组协同工作的零件所组成的独立制造或独立装配的组合体。如机器设备上的阀泵、机床的尾架、床头箱等。 (3)零件反求：反求对象是组成机器的基本单元。,1. 实物反求,进行实物反求设计时的一般进程为： (1)工作准备 需广泛了解国际国内同类产品的结构、性能参数、产品系列的技术水平，生产水平
13、、管理水平和发展趋势，以确定是否具备引进的条件。 与此同时，进行反求工程设计的项目分析、产品水平、市场预测、用户要求、发展前景、经济效益等方面的分析研究，写出可行性分析报告。 (2)功能分析 对反求实物进行功能分析，找出相应的功能载体和工作原理。 (3)反求实物性能测试 实物性能包括整机性能、运转性能、动态性能、寿命、可靠性等。测试时应把实际测试与理论计算结合起来。,(4)反求实物分解 分解工作必须保障能恢复原机。不可拆连接一般不分解，尽量不解剖或少解剖。 一般先拍照并绘制外廓图，注明总体尺寸、安装尺寸和运动极限尺寸等，然后将机器分解成各个部件。 拆卸前，先画出装配结构示意图，在拆卸过程中不断
14、修正，注意零件的作用和相互关系。再将部件分解为零件，归类记数，编号保管。 (5)测绘零件 完成零件工作图，部件装配图和机器总装图。,产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。 软件反求设计具有以下特点： (1)抽象性。技术软件不是实物，只是一些抽象的文字、公式、数据、图样等，需要发挥人们的想像力。因此，软件反求是一个处理抽象信息的过程。 (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，获取可为我所用的技术信息。 (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
15、是一个从抽象思维到形象思维的不断反复的过程，因此，软件反求具有高度的技术性。,2. 软件反求,(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、计算机技术等多门学科的知识，是一门综合性很强的技术。 (5)创造性。软件反求还是一个创造、创新的过程。软件反求设计应充分发挥人的创造性及集体的智慧，大胆开发，大胆创新。,软件反求的一般过程如下： (1) 必要性论证，包括对引进对象作市场调研及技术先进性、可操作性论证等； (2) 软件反求成功的可能性论证，并非所有技术软件都能反求成功； (3) 原理、方案、技术条件反求设计； (4) 零、部件结构、工艺反求设计； (5) 产品的使用、维护、
16、管理反求； (6) 产品综合性能测定及评价。,软件反求工程设计的一般进程是： (1)工作准备。与实物反求设计相似。 (2) 反求原理方案。分析引进的软件资料，探求其成品的工作可靠性和能否达到技术要求。其原理方案的科学性。技术、经济方面的可行性、生产率的合理性与先进性、使用维护的宜人性、零部件的加工与装配的工艺性、外观造型的艺术性等。 (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，先进技术的应用，创造性地满足其结构设计原理。,既无实物，又无技术软件、仅有产品相片、图片、广告介绍、参观印象和影视画面等，要从中去构思、想象来反求，称影像反求。这是反求对象中难度最大的反求工作。 影像反求本身就是创新过程。 目前还未形成成熟的技术，一般要利用透视变换和透视投影，形成不同透视图，从外形、尺寸、比例和专业知识，去琢磨其功能和性能，进而分析其内部可能的结构。,3. 影像反求,影像反求设计的一般进程为： (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
