第二节 反求设计的思路与内容反求设计分为两个阶段：反求分析阶段与再设计阶段反求分析阶段：包括宏观分析和详细分析，通过对原有产品的剖析、寻找原产品的技术缺陷、吸取其技术精华、关键技术，为改进或创新设计提出方向。再设计阶段：是一个创新设计阶段，包括变异设计和开发设计。在对原产品进行反求分析的基础上，开发出符合市场需求的新产品的过程，称为“再设计”。变异设计就是在现有的产品基础上对参数、机构、结构、材料等改进设计，或进行产品的系列化设计。开发设计就是在分析原有的产品基础上，抓住功能的本质，从原理方案开始进行创新设计。反求设计的过程如图6-2所示。2 \. v7 P1 e; b4 t8 s/ M6 N
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一、宏观分析机电产品作为一个系统（如图6-3所示），在对它作分析时就应该以该系统整体效益为目标，以寻求解决特定问题的最优策略为重点，运用定性和定量分析方法，最终获得反求设计对象的最佳切入点。因此，在对反求对象作分析时应注意下面几个方面：
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1．系统整体性 系统中的各个分系统，都具有其特定的功能和目标，只有各系统协调一致，才能达到系统的整体目标。如果只研究改善某些局部问题，而忽略其他分系统的影响，将可能影响整个系统的整体效益。4 Z1 P* J* x2 S* k. Z6 s4 u" D
: v I5 u7 f7 s. o8 p: M/ i1 H2．针对性 系统分析应有针对性，寻求解决特定问题的最优方案。& Q G- F0 S5 J
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3．定量性 解决问题，不应单凭主观臆断、经验和直觉。在许多复杂情况下，必须以相对可靠的数字资料为分析依据，保证结果的客观性。
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机电产品系统是以一定技术手段来实现社会特定需求的技术系统。技术系统相当于一个转换装置，将输入量转换为输出量。输入量和输出量一般表现为能量、物料和信息三种形式。那么这三种形式在系统中如何变化是在对反求对象进行宏观分析时必须搞清楚的。, C; j% T6 i, }! O# V# [
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结合到反求对象在生产实践的操作、使用与维修情况，分析它的结构、技术性能、技术特点，尤其是要发现产品、设备的不足之处。比如，能量方面：产品中能量如何传递、测试的效率怎样、动力源是否可用其它动力替代等；物料方面：零部件的形状、材料、性态等对系统的影响；信息控制方面：机器系统操作是否方便，结合到有关测量数据判断控制系统是否灵敏等。
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7 s+ |# y, k& x* u4 l2 U在宏观分析时，除了要考虑机器系统内部联系，还要分析系统与周围环境的密切联系。与技术系统发生相互作用和联系的全部外部条件的总和，称为环境，主要是指与分析对象有直接关系的事物。环境与系统之间的相互约束条件有：
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生产条件的约束：生产设备、生产工艺、人员技能等； z3 E1 _8 y" n
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经济条件约束：开发成本、销售价格等；0 c" w: [# f; B# S- J1 |
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使用环境的约束：工作环境的温度、湿度，空气尘埃等；
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4 s0 B+ u2 o4 A) H0 o产品系统对环境的影响：机械系统的振动、噪声、粉尘、污水等；
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g) x$ W: O- y* L% X被加工对象的变化对系统的影响：比如被加工对象化学成分的细微变化等。
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反求设计中的宏观分析将为后续的产品分析、设计确定切入点，为关键技术的研究、设计指明方向。" S8 N" K5 Y# X) @
$ h: \! H4 |$ \2 U: ?% r比如，某企业计划开发新一代的包装机械。那么企业设计工程师就必须对现有产品进行宏观分析，现有产品就包括他们自有的产品和国际最先进的包装机械产品，掌握该类产品的国际发展趋势。分析之后，他们认为包装机械行业将向机电化、智能化、自动化控制方向发展。因此确定了以包装工业中急需的量大面广的成套技术装备为重点，增加品种；以微电子和计算机技术为先导，促进机械技术和电子技术的结合，推动包装装备机电一体化，进而向包装机械智能化迈进的产品开发方向。* K" j; I U" V4 t1 H. Q' v
Y5 R+ A1 ~/ w8 I7 G二、详细分析根据宏观分析提出的研究方向，对产品的设计、加工、使用的寿命等内容逐项深入研究，掌握产品的功能原理、参数、尺寸、材料和结构，特别是对关键技术的研究及发现现有产品中存在的问题。一般在实践实践中，可从下面各方面来进行分析。' O/ q$ G' y/ Q) R
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1．产品设计的指导思想分析
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了解产品设计的指导思想是分析产品设计的重要前提。不同时期的产品在设计指导思想方面是不同的，并与社会的发展及科技发展水平密切相关。. ^& ^. P( Q4 L" Q( L3 k2 }
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比如在早期人们往往是从完善功能、扩展功能、降低成本方面开发产品，但随着社会的发展，人民生活水平的提高，在保证功能的前提下，产品的精美造型、工作生活的舒适性等方面上升为主要矛盾：冰箱要求能美化人们家居生活或能满足人们的健康需求，计算机键盘、鼠标必须使操作人员手位舒适，汽车座椅设计能够缓解驾驶员的疲劳等。3 g7 Y5 y# L% @3 v' y$ p* `0 N8 {
2 |! m+ K6 {+ C1 S$ |又比如，为贯彻可持续发展战略，满足人们产品的节能、保护环境等要求，工程师们提出了绿色设计的指导思想。绿色设计（Green Design）就是从产品的设计、加工、装配、使用、报废整个生命周期充分考虑产品的环境属性（可回收性、可拆卸性、可维修性、重复利用性等），防止影响环境的噪声或废弃物产生，使零件或材料在产品达到寿命周期时以最高附加值回收并重复利用。从绿色设计的指导思想出发，许多产品在选择材料时注意选择无毒、无污染、废弃物排放量小的材料（避免含铅、镍、汞等）并减少材料种类。IBM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，便于回收；用精模压铸保持表面精度；采用弹性联接结构，替代金属铰链；为此，材料和零件成本大大降低。无氟冰箱、无烟抽油烟机也是应健康、环保要求而生。
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2 N3 j: Y* F& D5 P" Z w3 N在另外一些场合，降低噪声变得非常重要，成了产品设计中的主要矛盾。比如，家庭用空调，降低噪声始终都是人们的追求；又比如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180°而将其部分抵消，可减少约50%的噪声。它用于炉灶排风扇上，提高效率37%，噪声下降15dB。
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3 H" T; u8 g: S! z5 E' |2．原理方案分析
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) y# e6 r# w4 W7 L2 {各种产品是针对其功能要求进行设计的，而实现相同功能的原理方案上多种多样的。了解现有原理方案的工作原理和机构组成，探索其构思过程和特点，变异出许多实现同样功能新的原理解法，并在此基础上进行优化。0 ^1 C/ e1 n3 z( u4 B, d$ [) U
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对于一些产品，工作原理是该产品的关键技术，可参见前面有关章节。
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3．零、部件结构分析
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9 D- e) ]5 g7 l) b正如前面章节所述，结构设计不仅仅是原理方案的具体化过程，还必须要考虑许多细节，而细节的总和就是质量。因此，零、部件结构分析时除了要考虑提高产品性能（提高强度、刚度、精度、寿命，减少磨损，降低噪声等），还要考虑工艺、装配、美观、成本、安全、环保等诸多方面的要求和限制。具体可参见前面有关章节。
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4．零、部件形体尺寸分析
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不同的反求对象，零、部件尺寸分析方法有所不同。对于实物或图纸，测量分析零部件形体尺寸；对于照片、图像，可通过透视法求得尺寸之间的比例，再按参照物确定各尺寸。; V) s1 L! ?; v" G6 u
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对于具有复杂曲线曲面的零件，则要采用一些先进的测绘手段及测绘仪器（比如三坐标测量机）方可实现。" n6 G8 N; P, d+ Y" L
; T7 e3 n% O# i7 `, g9 Z5．精度分析
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2 |: [. V6 r& u: p' a. L. C精度是衡量反求对象性能的重要指标之一，也直接影响产品的成本。零件尺寸易于获得，但尺寸精度却难以确定，这也是反求设计中的难点之一。合理分析设计零件精度及其分配关系，对提高产品的装配精度、机械性能，降低产品成本至关重要。- M" z, \; p5 V1 `" N+ q: X
, c1 n! G, }, a; H6．材料分析- n1 U& P; x1 J+ G
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机械零件材料及热处理方法的选择将直接影响零件的强度、刚度、寿命、可靠性等性能指标。因此在一些产品中材料及热处理方式的选择显得非常重要，并可能成为该产品的关键技术。* e3 i! k9 y O! u3 X/ |
0 r1 I3 q7 Q4 [: t4 M一般采用表面观测、化学分析、金相检验等方式确定材料的化学成分、组织结构和表面处理情况，并通过物理试验测定材料的各种物理性能和主要的力学性能，确定材料牌号及热处理方式。有时需通过材料分析进行材料代用，代用的原则是首先满足力学、物理性能，其次满足化学成分的要求，并参照其他同类产品，确定代用材料的牌号及技术条件。( S5 h& d' O4 q& h% |
2 D6 |1 d9 u6 [: I6 Q. w- v比如，1983年，中原油田从美国引进英格索兰公司的注水泵，用于高压注水。使用中发现，材料为42CrMo的泵头在水压大于36MPa工作时寿命急剧下降，发生开裂失效。经分析是由于油田污水腐蚀引起裂纹所致。于是从强度、耐腐蚀性和韧性三方面综合考虑，用耐腐蚀、高强度的低碳马氏体不锈钢OCr13Ni6Mo作为泵体材料，解决了高压注水泵的关键问题。
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0 ^1 ~. g0 y9 g [" a5 f& _; \/ I7．工艺分析. b/ s: p1 |/ c1 q5 d# S# B6 V
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许多先进设备的关键技术是先进的工艺，分析产品的加工过程和关键工艺十分必要。在此基础上改进工艺方案，或选择合理工艺参数，确定新设计产品的制造工艺方法。
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% O& [% G- b& A# b0 i8．外观造型分析+ a; x6 g& d/ F
. B" m2 j! y( e1 R7 K+ D: J在市场经济条件下，产品的外观造型在商品竞争中起着重要的作用。在对产品作观造型分析时，应从产品的美学原则、用户的需求心理及商品价值等角度来分析。比如，美学原理包括合理的尺度、比例，造型上的对称与均衡、稳定与轻巧、统一与变化、节奏与韵律等。此外，色彩也能美化产品并引起感情效果。对有关产品色调的选择与配色、色彩的对比与调和等方面作相应分析，有利于了解它的设计风格。2 J. d' R, G! ?" V7 }! S
2 l3 @; x% F0 m6 ~3 H$ ~3 B9．工作性能分析
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运用各种测试手段，仔细分析产品的运动特性、动力特性、工作特性等，掌握原产品的设计方法和设计规范，并提出改进措施。( _8 R7 Z7 @. `2 X
2 A3 n. m7 h9 @% Q% s比如，某机床厂与法国Vernier公司合作，开发生产DB420型工作台不升降铣键床。在测试了原铣键床的部件几何精度，机床静刚度，主传动效率，主轴部件热变形、温升，并进行切削振动，激振，噪声等试验之后，抓住了刚度和热变形的主要矛盾。主要矛盾的解决，使新产品工作性能得到了很大改善。& a) b' L) ^! j9 @) G8 c1 ~" v
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10．其他
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对产品的管理、使用、维护、包装技术等的分析也很重要。管理的好坏直接影响产品效能的发挥。0 r3 b, t% V5 _! ]. j9 o& ]
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比如，分析了解重要零、部件及易损零、部件就有助于产品的维修、改进设计和创新设计。 |
发表于 2006-11-8 21:46
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