第7章反求工程设计

Reverse Engineering Design第第7章章 反求工程设计反求工程设计是一种十分有用的是一种十分有用的现代设计方法现代设计方法。它是针对它是针对的系列的系列分析方法分析方法和和应用技术应用技术的综合的一项新技术。的综合的一项新技术。主要介绍了主要介绍了：反求工程与反求设计的概念及特点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相似理论及相似设计方法简介 反求工程的原理与方法反求工程的原理与方法7.1 概述概述7.1.1 反求工程与反求设计的概念反求工程与反求设计的概念（Reverse Engineering，简称，简称RE）也称也称逆向工程逆向工程，它是针对它是针对消化吸收先进技术消化吸收先进技术的的系列分析方法系列分析方法和和应用技术应用技术的综合的一的综合的一项项。这一新技术这一新技术，它以，它以现代设计理论方法现代设计理论方法、生产工程学生产工程学、材料科学材料科学为基础，运用各类专业人员为基础，运用各类专业人员工程设计的经验工程设计的经验、知识知识和和创新思维创新思维，对，对其已有其已有新技术新技术进行进行解剖解剖、深化深化和和再创造再创造，而应用于，而应用于产品开发产品开发和和仿真仿真制造制造的一种的一种。为此而发展出的。为此而发展出的反求工程设计反求工程设计（或（或称称反求设计反求设计），也就成为一种十分有用的），也就成为一种十分有用的现代设计方法和技术现代设计方法和技术。在在机械设计领域机械设计领域中，中，就是在就是在没有图纸没有图纸或或图纸不完图纸不完全全以及没有以及没有CAD模型模型的情况下，按照已有的情况下，按照已有零件的模型零件的模型（称为（称为零件原零件原形形），利用），利用各种数字化技术各种数字化技术及及CAD技术技术重新重新CAD模模型型的过程。的过程。包括包括设计反求设计反求、工艺反求工艺反求、材料反求材料反求和和管理反求管理反求等各等各个方面。它以个方面。它以的的实物实物、软件软件（图样图样、程序程序、技术文件技术文件等）等）或或影像影像（图片图片、照片照片等）作为研究对象，应用等）作为研究对象，应用现代设计现代设计的理论方法、的理论方法、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，探索掌握其索掌握其关键技术关键技术，进而开发出，进而开发出。是：是：首先进行首先进行；然后进行然后进行。进行进行时，针对时，针对反求对象的不同形式反求对象的不同形式实物实物、软件软件或或影像影像，应采用不同的方法。，应采用不同的方法。(1)对对的反求，可用的反求，可用实测手段实测手段获得所需参数和性获得所需参数和性能、材料、尺寸等。能、材料、尺寸等。(2)对对（如（如图样图样）的反求，可直接分析了解产品和各部件）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。试验。(3)对对（如（如图片图片、照片照片）的反求，可用）的反求，可用透视法透视法与与解析法解析法求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。出几个绝对尺寸，推算其它尺寸。(4)对对的反求，则都需要通过的反求，则都需要通过试制试制和和试验试验的方法才的方法才能解决。在以上充分分析的基础上，才能进行不同的能解决。在以上充分分析的基础上，才能进行不同的。作为一种作为一种的工作方式，的工作方式，与传统的产品与传统的产品不同，它是根据不同，它是根据已经存在的产品已经存在的产品或或零件原型零件原型来构造来构造产品产品的工程设计模型的工程设计模型或或概念模型概念模型，在此基础上对，在此基础上对已有产品已有产品进行进行解剖解剖、深深化化和和再创造再创造，是对，是对已有设计的再设计已有设计的再设计。传统的产品传统的产品开发过程开发过程遵从遵从（或（或正向设计正向设计）的思维进行，）的思维进行，是从收集是从收集市场需求信息市场需求信息着手，按照着手，按照“产品功能描述产品功能描述（产品规格及预（产品规格及预期目标）、期目标）、产品概念设计产品概念设计、产品总体设计产品总体设计及及详细的零部件设计详细的零部件设计、制制定生产工艺流程定生产工艺流程、设计制造工夹具设计制造工夹具、模具等工装模具等工装、零部加工及装配零部加工及装配、产品检验及性能测试产品检验及性能测试”这样的步骤开展工作，是这样的步骤开展工作，是从从未知到已知未知到已知、从、从抽象到具体的过程抽象到具体的过程。而而则是按照则是按照产品引进产品引进、消化消化、吸收吸收与与创新创新的思路，以的思路，以“实物实物、原理原理、功能功能、三维重构再设计三维重构再设计”框架模型为工作过程，其框架模型为工作过程，其中，最主要的任务是将中，最主要的任务是将原始物理模型原始物理模型转化为转化为工程设计概念工程设计概念或或CAD模模型型。一方面为提高工程设计、加工、分析的质量和效率提供。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充足的信息信息，另一方面则为充分利用先进的，另一方面则为充分利用先进的CAD/CAE/CAM技术对已有的技术对已有的产品进行产品进行再创新工程服务再创新工程服务。与与过程两者比较，过程两者比较，最本质的区别最本质的区别在于：在于：是由是由抽象的较高层次概念抽象的较高层次概念或或独立实现的设计独立实现的设计过渡到设过渡到设计的物理实现，从设计概念至计的物理实现，从设计概念至CAD模型具有一个明确的过程。模型具有一个明确的过程。而而是基于是基于一个实物原型一个实物原型来构造来构造它的设计概念它的设计概念，并且通，并且通过对重构模型特征参数的过对重构模型特征参数的调整调整和和修改修改来达到对来达到对复制复制和创新，以满足产品更新换代和创新设计的要求。和创新，以满足产品更新换代和创新设计的要求。在在中，由离散的数字化点到中，由离散的数字化点到CAD模型的建立是一个复模型的建立是一个复杂的设计推理和数据加工过程。一般产品的杂的设计推理和数据加工过程。一般产品的与与的的基本过程如的的基本过程如图图7-1所示。所示。图图7-1 一般产品的正向设计与反求工程设计的基本过程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一般产品正向设计过程(b)反求工程设计过程反求工程设计过程 经过多年来的应用实践表明，经过多年来的应用实践表明，具有具有:(1)可以使企业可以使企业，大大缩短产品的设计、开发及上，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。险。(2)单件、小批量、形状不规则的单件、小批量、形状不规则的零件的制造零件的制造，特别是，特别是模模具的制造具的制造。(3)对于设计与制造技术相对落后的国家和地区，对于设计与制造技术相对落后的国家和地区，是是快快速速，提高提高。7.1.2 反求工程的特点反求工程的特点基于基于产品的技术引进产品的技术引进涉及产品的涉及产品的消化消化、吸收吸收、仿制仿制、改进改进、生生产经营管理产经营管理和和市场营销市场营销等多个方面，它们组成了等多个方面，它们组成了一个完整的系统一个完整的系统。就是对就是对这个系统这个系统进行分析和研究的进行分析和研究的一门专门技术一门专门技术。因此，因此，可大致分为可大致分为：通过对通过对所需复制零件所需复制零件进行全面的进行全面的功能分析功能分析及其及其加工方法分析加工方法分析，由，由设计人员确定出设计人员确定出零件的技术指标零件的技术指标以及以及零件中各几何元素拓扑关系零件中各几何元素拓扑关系，掌，掌握该零件的握该零件的关键技术关键技术。认识阶段的工作认识阶段的工作是整个是整个成功与否的关键。成功与否的关键。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是指从零件测量规划的制定一直到零件CAD模型的重模型的重构，这个阶段主要完成的工作有测量规划、测量数据、数据处理及修构，这个阶段主要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、零件正、曲面重构、零件CAD模型生成。模型生成。这个阶段的工作这个阶段的工作是根据零件的加工方法不同，制定是根据零件的加工方法不同，制定出相应的加出相应的加工工艺工工艺。例如，例如，有的零件有的零件CAD模型模型可直接通过快速原型制造得到样件原可直接通过快速原型制造得到样件原型；型；有的有的CAD模型模型可直接经可直接经CAM软件生成软件生成NC数控代码，到加工中数控代码，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(如如汽车覆盖件汽车覆盖件)，利用成形模具进行批量生产等等。，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。重新进行再设计和再加工、检验，直到合格为止。可称为可称为反求工程的下游应用阶段反求工程的下游应用阶段，由于零件加工，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制造的手段具有多样性，与不同加工方法相对应的集成反求工程系反求工程系统统是不同的。是不同的。作为一种现代设计方法和理念，已在工程中得到较好应作为一种现代设计方法和理念，已在工程中得到较好应用，目前主要表现在用，目前主要表现在以下方面以下方面：(1)在缺乏在缺乏二维设计图纸二维设计图纸或者或者原始设计参数原始设计参数情况下，需要将情况下，需要将实物零实物零件件转化为转化为计算机表达的计算机表达的CAD模型模型，以便充分利用现有的计算机辅助分，以便充分利用现有的计算机辅助分析析(CAE)、计算机辅助制造、计算机辅助制造(CAM)等先进技术，进行等先进技术，进行。(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接造型。设计时往往需要首先制作黏土或油泥的比例模型比例模型，然后进行，然后进行各种实验各种实验，如风洞实验、水池实验等，如风洞实验、水池实验等，就需要使用，就需要使用反反求工程技术求工程技术将其转化为将其转化为。(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，方可得到最终符合要求的模具。通过反复试冲和修改模具型面，方可得到最终符合要求的模具。反求反求工程工程便成为便成为制造制造-检验检验-修正修正-建模建模-制造制造这一环节中重要的这一环节中重要的快速建模手段快速建模手段。7.1.3 反求工程设计的应用反求工程设计的应用(4)在在生物医学工程领域生物医学工程领域，采用，采用反求工程技术反求工程技术，摆脱原来的以手，摆脱原来的以手工或者按标准制定为主的工或者按标准制定为主的落后制造方法落后制造方法。通过。通过定制人工关节定制人工关节和和人工人工骨骼骨骼，保证重构的人工骨骼在植入人体后无不良影响。，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，根据如在牙齿矫正中，根据个人制作牙模个人制作牙模，然后转化为，然后转化为CAD模型模型，经过有限元计算矫正方案，大大提高矫正成功率和效率。经过有限元计算矫正方案，大大提高矫正成功率和效率。通过建立通过建立数字化人体几何模型数字化人体几何模型，可以根据个人定制特种服装，可以根据个人定制特种服装，如宇航服、头盔等。如宇航服、头盔等。(5)应用应用反求工程技术反求工程技术，还可以对，还可以对工艺品、文物等进行复制工艺品、文物等进行复制，可，可以方便的生成基于实物模型的计算机动画等。以方便的生成基于实物模型的计算机动画等。广义上的广义上的是从是从已知事物的有关信息已知事物的有关信息（包括（包括硬件硬件、软软件件、照片照片、广告广告、情报情报等）去寻求这些信息的科学性、技术性、先进等）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这些信息的科学依据据，即要充分，即要充分消化消化和和吸收吸收，不仅如此，更要在此基础上进行，不仅如此，更要在此基础上进行改进改进、挖挖潜潜和和再创造再创造。因此，概括起来因此，概括起来工程设计的基本内容工程设计的基本内容主要包括主要包括：产品设计意产品设计意图与原理的反求图与原理的反求、几何形状与结构反求几何形状与结构反求、材料反求材料反求、制造工艺反求制造工艺反求、管理反求管理反求等方面。等方面。其其既包含了人们习以为常的既包含了人们习以为常的实物原型实物原型，也包括了，也包括了软件软件与与影像影像等对象。等对象。7.2 反求工程设计的基本内容及原理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反求工程设计的基本内容及类型所谓所谓，它是在已有实物的条件下，通过试验、测绘和详，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。细分析，提出再创造的关键。功能反求功能反求、性能反求性能反求以及以及方方案案、结构结构、材质材质、精度精度、使用规范等众多方面的反求使用规范等众多方面的反求。根据根据反求对象反求对象的不同，的不同，可分为可分为以下三种以下三种：反求对象是反求对象是整台机器整台机器或或设备设备。如一部汽车，一架飞。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。一设备等。反求对象是反求对象是组成机器的部件组成机器的部件。这类部件是由一组协。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。的阀泵、机床的尾架、床头箱等。反求对象是反求对象是组成机器的基本单元组成机器的基本单元。1.实物反求实物反求进行进行时的时的一般进程一般进程为：为：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、管理水平和发展趋势，以确定是否具备引进的技术水平，生产水平、管理水平和发展趋势，以确定是否具备引进的条件。条件。与此同时，进行与此同时，进行的项目分析、产品水平、市场预测、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，写出可行性分析可行性分析报告报告。对反求实物进行对反求实物进行功能分析功能分析，找出，找出相应的功能载体相应的功能载体和和工作原理工作原理。实物性能实物性能包括整机性能、运转性能、动态性能、寿命、可靠性包括整机性能、运转性能、动态性能、寿命、可靠性等。测试时应把等。测试时应把实际测试实际测试与与理论计算理论计算结合起来。结合起来。分解工作分解工作必须保障必须保障能恢复原机能恢复原机。不可拆连接一般不分解，尽量不。不可拆连接一般不分解，尽量不解剖或少解剖。解剖或少解剖。一般先拍照并绘制一般先拍照并绘制外廓图外廓图，注明，注明总体尺寸总体尺寸、安装尺寸安装尺寸和和运动极限运动极限尺寸尺寸等，然后将等，然后将机器分解成各个部件机器分解成各个部件。拆卸前拆卸前，先画出装配结构示意图，在拆卸过程中不断修正，注先画出装配结构示意图，在拆卸过程中不断修正，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。管。完成完成零件工作图零件工作图，部件装配图部件装配图和和机器总装图机器总装图。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标准、管理规范和质量保证手册等均称为。软件反求设计软件反求设计具有具有以下特点以下特点：不是实物，只是一些抽象的文字、公式、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，数据、图样等，需要发挥人们的想像力。因此，是是一个处一个处理抽象信息的过程。理抽象信息的过程。要求人们从各种技术信息中，去伪存真，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。我所用的技术信息。软件反求软件反求大部分工作是一个分析、计算的逻辑思维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，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，具有高度的技术性。具有高度的技术性。2.软件反求软件反求要求综合运用决策理论、模糊理论、相似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。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。还是一个创造、创新的过程。软件反求设还是一个创造、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。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。：(1)，包括对引进对象作市场调研及技术先进性、可，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；操作性论证等；(2)，并非所有技术软件都能反求成，并非所有技术软件都能反求成功；功；(3)；(4)；(5)；(6)及及。是：是：与实物反求设计相似。与实物反求设计相似。分析引进的软件资料，探求其成品的工作可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。工与装配的工艺性、外观造型的艺术性等。分析资料，探求其结构要素的新颖性，新材分析资料，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。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。既无既无实物实物，又无，又无技术软件技术软件、仅有、仅有产品相片产品相片、图片图片、广告介绍广告介绍、参参观印象观印象和和影视画面影视画面等，要从中等，要从中去构思去构思、想象想象，称，称。这。这是是反求对象反求对象中难度最大的反求工作。中难度最大的反求工作。本身就是本身就是。目前目前还未形成成熟的技术还未形成成熟的技术，一般要利用，一般要利用透视变换透视变换和和透视投影透视投影，形，形成成不同透视图不同透视图，从外形、尺寸、比例和专业知识，去琢磨其功能和性，从外形、尺寸、比例和专业知识，去琢磨其功能和性能，进而分析其能，进而分析其内部可能的结构内部可能的结构。3.影像反求影像反求为：为：与实物反求设计相似。与实物反求设计相似。根据根据影像形成原理影像形成原理分析确定分析确定影像中能反映的各影像中能反映的各种尺寸种尺寸。影像多数为透视图影像多数为透视图，在掌握透视变换和透视投影的基础上，根据，在掌握透视变换和透视投影的基础上，根据影像资料作出透视图，从而初定产品的外形尺寸、部件尺寸和一切能影像资料作出透视图，从而初定产品的外形尺寸、部件尺寸和一切能观察到的尺寸和外部特征。观察到的尺寸和外部特征。根据外部尺寸和结构特征，分析产品的功能原根据外部尺寸和结构特征，分析产品的功能原理、总体布局、性能参数、传动控制方案等，初步确定功能载体和工理、总体布局、性能参数、传动控制方案等，初步确定功能载体和工作原理。作原理。根据技术人员的知识和经验，确定根据技术人员的知识和经验，确定具体结构具体结构。观察。观察图片等影像资料分辨材料。进行强度、刚度、稳定性等的图片等影像资料分辨材料。进行强度、刚度、稳定性等的分析计算分析计算。作出作出，进行，进行。根据评审方案，完成根据评审方案，完成技术设计技术设计。在上述在上述这几类反求方式这几类反求方式中，中，己经形成了一套较为完善的己经形成了一套较为完善的体系，其中体系，其中在在RE技术中具有十分重要的地位和作技术中具有十分重要的地位和作用，也是目前有关用，也是目前有关反求工程反求工程研究中的主要部分。研究中的主要部分。7.2.2 反求工程设计的基本原理反求工程设计的基本原理主要通过主要通过来实现：来实现：数据采样数据采样数据分析数据分析数据数据恢复及修补恢复及修补原始部件的分解原始部件的分解模型信息处理模型信息处理及及CAD模型的建立模型的建立部部件装配件装配产品功能模拟产品功能模拟再设计再设计等步骤。等步骤。是是反求工程反求工程的最基本的、必不可少的步骤，它从已有的的最基本的、必不可少的步骤，它从已有的实物实物获取获取产品数据产品数据通常采用通常采用三维激光扫描仪三维激光扫描仪、三维数字化仪三维数字化仪、物体多物体多角度照片角度照片等数字化方法来快速、准确地等数字化方法来快速、准确地获取数据获取数据。如果能够得到如果能够得到产品的设计数据产品的设计数据，当然可以使用。当得到了较完整，当然可以使用。当得到了较完整的采样数据以后，必须通过的采样数据以后，必须通过三维图形处理技术三维图形处理技术将将采样数据采样数据以以三维图形三维图形的方式显示出来，以得到直观简略的的方式显示出来，以得到直观简略的。当得到当得到采样数据采样数据并已经显示成图形以后，就可以分析并已经显示成图形以后，就可以分析原来物体的原来物体的结构结构。物体结构物体结构包括物体的包括物体的逻辑结构逻辑结构、物体的功能结构物体的功能结构，物体包含哪些，物体包含哪些标准件，材料构成，物体表面颜色分布，各个部件的几何尺寸，不同标准件，材料构成，物体表面颜色分布，各个部件的几何尺寸，不同部件之间的装配方式及不同部件之间的几何尺寸约束等。为此，要建部件之间的装配方式及不同部件之间的几何尺寸约束等。为此，要建立立产品几何特征识别产品几何特征识别及及产品组件结构的自动识别分解产品组件结构的自动识别分解或或交互识别分解交互识别分解系统系统。具有视觉识别区分实物的特征和特征数据的分类处理功具有视觉识别区分实物的特征和特征数据的分类处理功能，材质颜色分解提取功能、根据标准零件模型库将整个物体大致分能，材质颜色分解提取功能、根据标准零件模型库将整个物体大致分解为几个不同的部分。解为几个不同的部分。在采样过程中，物体的某些细节的丢失是不可避免的，通过对在采样过程中，物体的某些细节的丢失是不可避免的，通过对采样数据采样数据的的三维显示三维显示及及结构分析结构分析，能够发现，能够发现哪些数据可能被丢失了哪些数据可能被丢失了，因此，因此，数据修复数据修复是反求工程的一个必不可少的步骤。是反求工程的一个必不可少的步骤。主要包括主要包括部件数据恢复部件数据恢复及及表面数据恢复表面数据恢复。表面数据恢复表面数据恢复主要涉及碎片整合及空洞填补，一般可采用主要涉及碎片整合及空洞填补，一般可采用NURBS曲面片来实现表面数据的恢复。曲面片来实现表面数据的恢复。一个更好的方法是采用基于三角面片的多分辨曲面模型能便于一个更好的方法是采用基于三角面片的多分辨曲面模型能便于曲面的局部修改曲面的局部修改。在数据修复过程中，。在数据修复过程中，局部修改局部修改以消除明显的误差以消除明显的误差是必不可少的。是必不可少的。反求工程反求工程要解决的要解决的关键问题关键问题是一个是一个设计方案设计方案能不能最终变成产能不能最终变成产品，而通常的产品是由不同的部件组装而成的。品，而通常的产品是由不同的部件组装而成的。是将一个物体分解成若干个标准部件的过程。是将一个物体分解成若干个标准部件的过程。在在分解过程分解过程中，必须区分每一部件的尺寸位置，不同部件之间中，必须区分每一部件的尺寸位置，不同部件之间的连接关系及连接方式，以及物体表面该如何分割。的连接关系及连接方式，以及物体表面该如何分割。这一步骤这一步骤首先通过首先通过数据分析步骤数据分析步骤获得获得物体的大体结构模型物体的大体结构模型，再，再通过人机交互的方法进行精确的分解、尺寸标注、链接定义等。通过人机交互的方法进行精确的分解、尺寸标注、链接定义等。通过以上步骤，已经得到了通过以上步骤，已经得到了构成物体的基本部件的逻辑结构构成物体的基本部件的逻辑结构及及物物体的基本几何数据体的基本几何数据，在此基础上，可以构造，在此基础上，可以构造物体的三维物体的三维CAD模型模型，这个模型这个模型是最基本的创新设计模型平台。是最基本的创新设计模型平台。在此基本平台上，设计人员可在此基本平台上，设计人员可交互构造特征线交互构造特征线，自动识别产品过，自动识别产品过渡圆角、尖边等待征；提供多种物体表面（平面及渡圆角、尖边等待征；提供多种物体表面（平面及NURBS曲面组成）曲面组成）编辑技术，研究曲面整体变形技术，实现编辑技术，研究曲面整体变形技术，实现模型的动态修改模型的动态修改。为了使构成为了使构成物体的标推零件物体的标推零件不至于无限膨胀，一种创新设计过不至于无限膨胀，一种创新设计过程是在首先分析所涉及的程是在首先分析所涉及的各类产品结构各类产品结构的基础上，研究的基础上，研究产品的基本产品的基本组成单元组成单元，包括，包括它们的形状尺寸它们的形状尺寸，建立，建立标准件库标准件库。有了有了标淮件库标淮件库以后，以后，产品设计过程产品设计过程就可简化为将已有的物体分就可简化为将已有的物体分解至最小单元，然后用解至最小单元，然后用标准部件标准部件来替换这些来替换这些基本单元基本单元。为了对设计进行修改，只需要在计算机虚拟环境中对为了对设计进行修改，只需要在计算机虚拟环境中对物体进行物体进行重新组装重新组装，在保证物体功能的前提下，更换一些标准部件。由于不，在保证物体功能的前提下，更换一些标准部件。由于不同的部件尺寸可能不同，可以对同的部件尺寸可能不同，可以对物体的结构物体的结构及及外形外形做有限的调整。做有限的调整。为能判断通过以上步骤设计的为能判断通过以上步骤设计的产品能否满足设计的要求产品能否满足设计的要求，一种，一种较好的办法是在较好的办法是在虚拟装配虚拟装配完成以后，在完成以后，在虚拟环境虚拟环境中对中对产品的各项功产品的各项功能进行模拟能进行模拟。在这个过程中，可以事先建立在这个过程中，可以事先建立产品评价系统产品评价系统，让计算机自动判，让计算机自动判断断产品设计的优劣产品设计的优劣；或通过交互方式，以设计师的经验，通过观察；或通过交互方式，以设计师的经验，通过观察局部细节，可以判别物体的尺寸大小是否协调，物体的表面是否光局部细节，可以判别物体的尺寸大小是否协调，物体的表面是否光顺，以及物体表面的颜色纹理顺，以及物体表面的颜色纹理是否满足设计的要求是否满足设计的要求。是是设计新的产品设计新的产品，通过，通过以上步骤以上步骤获取的产品获取的产品的的几何数据几何数据及产品的功能、结构知识，基本上及产品的功能、结构知识，基本上再现再现。为了在此基础上为了在此基础上，设计人员可以在一个包含，设计人员可以在一个包含产品反产品反求工程求工程及及创新设计软件环境创新设计软件环境中，对中，对原有的模型原有的模型进行适当的调整修改。进行适当的调整修改。这些修改主要包括功能上的、布局上的，以及外形方面的修改。在修这些修改主要包括功能上的、布局上的，以及外形方面的修改。在修改过程中加入改过程中加入设计人员新的设计思想设计人员新的设计思想，以完成，以完成新的设计方案新的设计方案。生成的。生成的产品模型产品模型以标准接口同其他通用软件进行以标准接口同其他通用软件进行信息交换信息交换。7.3 相似理论及相似设计方法简介相似理论及相似设计方法简介（略略）反求设计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，去理、零部件的设计参数、材料、结构、尺寸、关键技术等指标，去寻求这些信息的科学性、技术性，先进性、经济性、合理性等，并寻求这些信息的科学性、技术性，先进性、经济性、合理性等，并且充分消化和吸收；然后在此基础上，再根据现代设计理论方法，且充分消化和吸收；然后在此基础上，再根据现代设计理论方法，对对、或或。在在反求设计阶段反求设计阶段，对，对原产品原产品进行反求分析的基础上，可进行测进行反求分析的基础上，可进行测绘仿制、开发设计和变异设计，研制出绘仿制、开发设计和变异设计，研制出符合市场需求的符合市场需求的。7.4 反求工程的原理与方法反求工程的原理与方法包括包括设计反求设计反求、工艺反求工艺反求、材料反求材料反求、管理反求管理反求等多等多个方面，这是一项十分复杂的个方面，这是一项十分复杂的技术工程技术工程，它涉及到众多的科学技术，它涉及到众多的科学技术知识。本节将知识。本节将有关问题有关问题进行简要介绍。进行简要介绍。7.4.1 设计反求设计反求可根据产品设计、加工、使用的寿命周期等方面可根据产品设计、加工、使用的寿命周期等方面逐项深入进行。逐项深入进行。反求设计反求设计强调剖析原产品在强调剖析原产品在“”上狠下功夫，理上狠下功夫，理解解原设计的精华原设计的精华；再设计时在改进与创新，力图在较高起点上设计；再设计时在改进与创新，力图在较高起点上设计出出竞争力更强的创新产品竞争力更强的创新产品。据资料统计，据资料统计，都都来自国外来自国外，所以通过，所以通过反求反求工程工程掌握这些技术是十分必要的，因为在掌握这些技术是十分必要的，因为在反求的基础反求的基础上进行再设计，上进行再设计，起点高，更容易得到起点高，更容易得到创新的产品创新的产品。反求设计反求设计已成为世界各国发展科学技术、开发新产品的已成为世界各国发展科学技术、开发新产品的重要设重要设计方法计方法之一。之一。通常可分为通常可分为：反求对象分析阶段反求对象分析阶段和和反求创新反求创新设计阶段设计阶段。主要是通过对主要是通过对原有产品原有产品的剖析、寻找的剖析、寻找原产品原产品的技术缺陷、吸取的技术缺陷、吸取其技术精华、关键技术，为改进或创新设计提出方向。其技术精华、关键技术，为改进或创新设计提出方向。是在对是在对原产品进行反求分析原产品进行反求分析的基础上，可进行的基础上，可进行测绘仿制测绘仿制、开发开发设计设计和和变异设计变异设计，研制出符合市场需求的，研制出符合市场需求的新产品新产品。就是在分析原有产品的基础上，抓住功能的本质，从就是在分析原有产品的基础上，抓住功能的本质，从原理方案原理方案开始进行开始进行创新设计创新设计；则是在现有产品的基础上，对参数、机构、结构、材则是在现有产品的基础上，对参数、机构、结构、材料等进行料等进行改进设计改进设计，或对，或对产品进行系列化设计产品进行系列化设计。一般可根据产品设计、加工、使用的寿命周期等一般可根据产品设计、加工、使用的寿命周期等方面逐项深入进行，方面逐项深入进行，包括以下方面包括以下方面：该思想该思想决定了产品的设计方案，不同时期的产品在决定了产品的设计方案，不同时期的产品在设计指导思设计指导思想想方而是不同的。比如在早期人们往往是从完善功能、扩展功能、方而是不同的。比如在早期人们往往是从完善功能、扩展功能、降低成木方而开发产品。而当今在降低成木方而开发产品。而当今在保证功能的前提保证功能的前提下，下，产品的精美产品的精美造型造型、工作生活的舒适性工作生活的舒适性等方而上升为主要矛盾：如计算机键盘、等方而上升为主要矛盾：如计算机键盘、鼠标必须使操作人员手用舒适；汽车座椅能够缓解驾驶员的疲劳等。鼠标必须使操作人员手用舒适；汽车座椅能够缓解驾驶员的疲劳等。充分了解充分了解反求对象的功能反求对象的功能有助于对有助于对产品原理方案产品原理方案的的分析分析、理解理解和和掌握掌握，也才有可能在进行，也才有可能在进行反求设计反求设计时，得到时，得到基于原产品基于原产品又又高于原高于原产品产品的的，这是，这是反求工程技术的精髓反求工程技术的精髓所在。所在。反求设计反求设计和和反求工艺反求工艺是相互联系、缺一不可的。是相互联系、缺一不可的。分析分析产品的加工过程产品的加工过程和和关键工艺关键工艺十分必要。在此基础上改进工十分必要。在此基础上改进工艺方案，或选择合理工艺参数，确定艺方案，或选择合理工艺参数，确定新设计产品新设计产品的制造工艺方法。的制造工艺方法。通常通常采用的方法采用的方法有：有：编制工艺规程；改进工艺方案，保编制工艺规程；改进工艺方案，保证原设计的要求；证原设计的要求；反求工艺参数；局部改进原型结构以反求工艺参数；局部改进原型结构以适应工艺水平等。适应工艺水平等。机械零件材料机械零件材料及及热处理方法热处理方法的选择，将直接影响零件的强度、的选择，将直接影响零件的强度、寿命、可靠性等性能指标。寿命、可靠性等性能指标。包括材料成分、材料组织结包括材料成分、材料组织结构和材料的性能检测等几大部分。构和材料的性能检测等几大部分。通过通过材料分析材料分析，来确定，来确定材料的牌号材料的牌号及及热处理方式热处理方式。有时需通过。有时需通过材料分析，寻找材料代用品，如用合适的国产材料代替进口材料。材料分析，寻找材料代用品，如用合适的国产材料代替进口材料。设计中应注意的问题设计中应注意的问题，主要如下：，主要如下：探索探索原产品设计的指导思想原产品设计的指导思想是产品改进设计的前提。如某减速是产品改进设计的前提。如某减速器有两个输入轴，一个用电动机驱动，而另一个则考虑到停电时用器有两个输入轴，一个用电动机驱动，而另一个则考虑到停电时用柴油机驱动。其设计的指导思想一定是应用在非常重要的场合。奔柴油机驱动。其设计的指导思想一定是应用在非常重要的场合。奔腾计算机腾计算机I型的主机电源较大，其设计的指导思想是该机升级时仅型的主机电源较大，其设计的指导思想是该机升级时仅更换更换 CPU 芯片即可。了解原产品的设计思想后，可按认知规律，芯片即可。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。提前设计出新一代同类产品。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，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。所以可能有多种不同的形式。所以产品的功能目标产品的功能目标是产品设计的核心问是产品设计的核心问题。题。不同的功能目标不同的功能目标可引导出可引导出不同的原理方案不同的原理方案。探索探索原产品的原产品的原理方案设计原理方案设计，可以了解，可以了解功能目标的确定原则功能目标的确定原则，这对产品的这对产品的改进设计改进设计有极大的帮助。有极大的帮助。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。性能、成本、寿命、可靠性有着极大的影响。对产品的零、部件对产品的零、部件进行测绘进行测绘是是反求设计反求设计中工作量很大的一部分中工作量很大的一部分工作。用现代设计方法对所求的零件进行分析，进而确定反求时的工作。用现代设计方法对所求的零件进行分析，进而确定反求时的设计方法。设计方法。公差问题的分析公差问题的分析是是反求设计反求设计中的难点之一。中的难点之一。通过测量，只能得到零件的加工尺寸，不能获得几何精度的分通过测量，只能得到零件的加工尺寸，不能获得几何精度的分配。合理设计其配。合理设计其几何精度几何精度、对提高产品的、对提高产品的装配精度装配精度和和机械性能机械性能至关至关重要。重要。通过零件的外观比较、重量测量、硬度测量、化学分析、光谱通过零件的外观比较、重量测量、硬度测量、化学分析、光谱分析、金相分析等手段，对材料的物理、化学成分、热处理进行鉴分析、金相分析等手段，对材料的物理、化学成分、热处理进行鉴定。参照同类产品的材料牌号，选择满足力学性能相化学性能要求定。参照同类产品的材料牌号，选择满足力学性能相化学性能要求的国产材料代用。的国产材料代用。通过分析通过分析产品的运动特性产品的运动特性、动力特性动力特性及其及其工作特性工作特性，了解产品，了解产品的设计方法，提出改进措施。的设计方法，提出改进措施。从美学原则、顾客需求心理、商品价值等角度进行从美学原则、顾客需求心理、商品价值等角度进行构型设计构型设计和和色彩设计色彩设计。分析产品的维护与管理分析产品的维护与管理方式，了解重要零部件及易方式，了解重要零部件及易损的零部件，有助于维修、损的零部件，有助于维修、改进设计和创新设计。改进设计和创新设计。综上所述，综上所述，的的如如图图7-4所示。所示。图图7-4 反求设计的一般过程反求设计的一般过程包括包括材料成分反求分析材料成分反求分析、材料组织结构反求分析材料组织结构反求分析、材材料硬度反求分析料硬度反求分析等方面等方面。可以通过可以通过：火花鉴别法火花鉴别法，根据材料与砂轮磨削后产生的火花判别材料的成分；，根据材料与砂轮磨削后产生的火花判别材料的成分；音质判别法音质判别法，根据敲击材料声音的清脆不同，判别材料的成分；，根据敲击材料声音的清脆不同，判别材料的成分；原于发射光谱分析法原于发射光谱分析法，通过几至几十毫克的粉末对材料成分进行，通过几至几十毫克的粉末对材料成分进行定量分析；定量分析；红外光谱分析法红外光谱分析法，多用于橡胶、塑料等非金属材料的成分分析；，多用于橡胶、塑料等非金属材料的成分分析；化学成分分析法化学成分分析法，用于定量分析金属材料成分；，用于定量分析金属材料成分；7.4.2 材料反求材料反求微探针分析法微探针分析法，材料表面成分的分析方法，利用电子探针、，材料表面成分的分析方法，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。离子探针等仪器对材料的表面进行定性分析或定量分析。材料材料的的组织结构分析组织结构分析包括包括材料的宏观组织结构分析材料的宏观组织结构分析和和微观组织微观组织结构分析。结构分析。可用可用放大镜放大镜观察材料的晶较大小、淬火硬层的分布、缩孔缺陷观察材料的晶较大小、淬火硬层的分布、缩孔缺陷等宏观组织结构；利用等宏观组织结构；利用显微镜显微镜观察材料的微观组织结构。观察材料的微观组织结构。材料材料的的硬度分析硬度分析一般是通过一般是通过硬度计硬度计测定测定材料的表面硬度材料的表面硬度，然后，然后根据根据硬度硬度或或表面处理的厚度表面处理的厚度判别判别材料的表面处理方法材料的表面处理方法。所谓所谓，就是对于，就是对于无法一次成形的板料无法一次成形的板料或或体积成形产品体积成形产品，必须根据，必须根据最终的产品形状最终的产品形状和和不同的成形条件不同的成形条件，设计出相应的，设计出相应的中间中间工序件工序件和和毛坯形状毛坯形状，由于整个设计过程与，由于整个设计过程与成形工艺成形工艺密切相关，则把密切相关，则把这一过程称为这一过程称为。许多许多先进设备的先进设备的关键技术关键技术常常体现在常常体现在先进的工艺先进的工艺，因此分析，因此分析产产品的加工过程品的加工过程和和关键工艺关键工艺十分必要。十分必要。在在的基础上，结合企业的实际制造工艺水平，改的基础上，结合企业的实际制造工艺水平，改进工艺方案，或选择合理工艺参数，确定进工艺方案，或选择合理工艺参数，确定制造工艺方法制造工艺方法。比如，比如，生产的生产的电气元件接线盒电气元件接线盒中，大批电缆支中，大批电缆支架所用的锌铅镁架所用的锌铅镁合金螺冒顶部合金螺冒顶部有宽缝，只有局部螺纹。为抵抗螺钉有宽缝，只有局部螺纹。为抵抗螺钉使支架螺孔两侧分开的力，螺母外部为方形，放在模压的塑料外壳使支架螺孔两侧分开的力，螺母外部为方形，放在模压的塑料外壳中。中。7.4.3 工艺反求工艺反求经过经过分析发现分析发现，之所以，之所以是因为采用压铸工是因为采用压铸工艺制造内螺纹孔。因为压铸工艺艺制造内螺纹孔。因为压铸工艺1分钟可以生产分钟可以生产100个零件，精度达个零件，精度达30，模具寿命，模具寿命100万次，可大大提高生产效率，降低成本。万次，可大大提高生产效率，降低成本。m