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反求工程与现代设计 |
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作者：北京理工大学 刘影 万耀青 杭九全 |
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1 反求工程出现和发展的时代背景
二次大战中，几十个国家卷入战祸，饱受战争创伤。特别是战败国，在二战结束后，急于恢复和振兴经济。日本在60年代初提出科技立国方针：“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”，其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最突出。为要国产化的改进，迫切需要对别国产品进行消化、吸收、改进和挖潜。这就是反求设计（Inverse Design）或反求工程（Inverse Engineering），这两者是同一内涵，仅是不同国家的不同提法。发展到现在，己成为世界各国在发展经济中不可缺少的手段或重要对策，反求工程的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良好基础。
实际上，任何产品问世，包括创新、改进和仿制的，都蕴含着对已有科学、技术的继承和应用借鉴。因而反求思维在工程中的应用已源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究，则是60年代初出现的。
市场经济竞争机制已渗透到各个领域，如何发展科技和经济，世界各国都在研究对策。从共性特征可概括为4个方面对策：(1）大力提倡创造性。包括新的思维方式、新原理、新理论、新方案、新结构、新技术、新材料、新工艺、新仪器等等。对于发展一个国家的国民经济来说，创造性是永恒主题。（2）研究和应用新的设计理论、方法去改造和完善传统的方法，使能既快又好地设计出新型产品。(3）把计算机应用广泛地引入产品设计、开发的全过程（预测、决策、管理、设计制造、试验、销售服务等）中，以期达到这些过程的一体化、智能化和自动化。（4）研究和应用反求工程，使能在高的起点去创造新产品。
2 反求工程的含义
反求工程是综合性很强的术语，它是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有新产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计的设计，这就是反求工程的含义，特别强调再创造是反求的灵魂。
2．1 正设计与反设计
人们通称的设计，一般均指正设计。它是对一个事物真相事先并不知道，通过设计师的创造性劳动，变为人类需求的喜爱的产品。为此，首先要根据市场需求，提出目标和技术要求，进行功能设计，创造新方案，经过一系列的设计活动，变为产品。概括地说，正设计是由未知到已知、由想象到现实的过程，其示意图如图1。
图1 正设计过程示意图
反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、国产化的可能性等等，要回溯这些信息的科学依据，即充分消化和吸收，而更重要本质是在此基础上要改进、挖潜进行再创造。反求的目标如仅限于仿制，是最原始、低级的模仿，其质量和生命周期不会有竞争力，更严重的是侵权行为，要受产权保护制裁。图2为反设计过程示意图。
如果说正设计的关键要解答“怎么做?”，即设计任务提出后，怎样实现和达到预定目标，那么反求的关键要解答“为什么要这样做?”，即已知目标后，要探索和掌握这种目标的设计者是如何一步一步实现的，反求别人脑袋里是怎样想、怎样做的，要摸清设计意图、所用技术、关键和设计理论与方法。从这个意义上说，正设计是主动的创造，而反求是先被动后主动的创造，别有一番难度。故反求并非正设计的简单逆过程，因为一个先进成熟的产品，凝集着设计者的智慧和技术，要去吃透、消化，包含很多复杂内容。往往吃透别人的技术比自己创造还难，这是因为：（1）先进产品中总有“绝招”、“诀窍”和关键技术，我们并不掌握；（2）别人的思维不会告诉你，要想“钻进别人脑袋里去挖出来”，要花艰苦劳动。多年来我国测绘仿制的产品，大多数达不到原产品的水平，涉及原因、内容和技术是多方面的，正说明发展反求工程的研究和应用是多么重要。
图2 反设计过程示意图
正设计和反设计既有区别又相辅相成，具有丰富正设计经验和水平的人，可以显著提高反求水平；反设计的成功经验可以促进正设计的水平。但缺乏正设计经验者，反设计中也不能充分消化吸收。作为一个国家来说，吃透别人的技术仅仅是第一步，在此基础上结合国情进行再创造，变成有自主权和竞争力的新产品，才是反求工程的完整意义和目的。
2．2 反求工程与知识产权
任何一项新技术、新产品，应该受到有关保护法（如专利法、知识产权法、商标法等）的法律保护，这是国际性的共同行为规范，这才能引导正常的市场竞争和贸易。反求工程绝不等于偷技术，它是在科技道德和法律制约下，从学术、工程、技术方面来促进科技的发展。这是因为：
（1）任何产品的设计、开发，总要借鉴、继承已有的知识和技术，市场上的产品总要被别人借鉴，关键要划清产权的界限。
（2）青出于蓝而胜于蓝是发展规律，通过反求来发展新产品，起点高，周期短，成效快，决非照抄照搬。
(3）科学的反求，有助于促进技术革新，扩大眼界，有助于尽快培养新人。
但应该强调，作为一个国家、民族，为发展科技和振兴经济，不能全靠反求来生存；鼓励独立的创造性永远是主旋律或主题。
3 反求对象的类别
从工程技术角度看，反求对象可概括为实物反求、软件反求和影像反求三类。
3．1 实物反求
顾名思义，它是在已有实物条件下，通过试验、测绘和详细分折，提出再创造的关键。其中包括功能反求、性能反求、方案、结构、材质、精度、使用规范等众多方面的反求。实物反求对象可以是整机、部件组件和零件。
作者经历过多种产品的反求，以下几点可供借鉴。
3.1.1 试验方案和试验方法
实物反求，首先要在未解体前进行功能、性能等全面试验考核，测试其各项功能和性能指标。为此，应解决以下几项内容：
(1）根据样本、使用说明书，摸清有哪些功能指标；
(2）为要进行试验，制定试验条件和试验规范；
(3）选择和完善试验台及相应测试仪表及精度；
(4）对试验结果的科学处理，其中有静态数据和动态数据；
(5）试验中出现故障现象的记录，为进一步分析提供依据。
总之，通过试验，要客观捕捉和反映原机的真实面貌，总结其优点和不足。对有些样机，不仅要作台架试验，必要时还要作野外行走试验。
3．1．2 测绘中的几项关键
(1)尺寸、精度问题。一般样机都要经出厂磨合试验和性能试验，这样，其尺寸、形状、表面等精度会有变化，要反求其公差和表面精度；
（2)曲线和曲面拟合问题。有些零件或组件，尽管可测出其特征点，但难以勾画出其形状（例如三维曲面），这就要用三坐标测量和CAD中曲面造型等技术去解决（见下面软件反求）；
(3）无损检测问题。对样机的零件测绘不允许有损伤，要能恢复原状。例如：有些零件表面有耐磨、耐蚀或美观性等很薄涂层；材质成分和硬度；内表面难以测量的尺寸和形状等等，就必须用无损检测，一般可用激光技术、材料转移的光谱技术、三维全息照相显示技术等等。
（4)测绘后对关键问题的分析和反设计问题。测绘完后要完整变成图纸，需各种标注和根据对零件工作特性提出技术要求；特殊的形状曲线［2］（例如高次方凸轮轮廓、各种过渡曲线等）应通过优化设计反求其科学依据；箱体等结构复杂件应采用有限元法去反求其强度和刚度等。
测绘后的反求是试验反求后的进一步深化，能否消化、摸底，提出改进挖潜和再创造的途径，是这阶段的关键，有众多内容要做，而且不同对象尚有其特殊个性，这里仅列出机械产品中的一些问题。
3.2 软件反求
产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件反求中有三类情况：一是既有实物，又有全套技术软件；二是有实物而无技术软件；三是无实物，仅有全套或部分技术软件。每类反求各有特点和难点，这里仅就以下问题作介绍。
3．2.1 利用CAD技术对复杂曲面的反求
有很多复杂曲线、曲面，可以测出其特征点，但很难靠人工绘图方法，去拟合和拼接出原来的曲面，例如液力变矩器、涡轮增压器的三维曲面，汽车车身外形曲面等等。现代科技的发展，有条件去精确测量和反求。
（1)利用三坐标测量仪与CAD软件进行反求
三坐标测量仪在设定基准下可以测出所需要的全部三维点坐标，是表面数字化过程，如何利用这些数值信息构成曲面，需利用CAD软件中曲面重构处理。目前商品化CAD软件中，已有为反求工程的应用模块，例如Pro／Engineering、Unigraph、Cimatron等，将测量数据按其格式输入后，即可生成各种曲面，山东工程学院汽车工程系亦已研制成这类软件，并在汽车外形设计和反求中应用。但三维曲面的光顺问题还未妥善解决，一般按人为方法去处理，但还有一定误差。其运行示意过程如图3。
图3 三坐标测量仪与CAD结合示意图
进一步发展，是将CAD所得信息与CAM连接，直接利用计算机辅助制造加工出产品。
（2）利用特殊材料对反求样品进行复制
利用环氧树脂类材料熔化后涂在样件表面，冷却后即变成样件制造的阴模，直接生成样件，不经过表面数字化过程。但这仅仅是复制，未进行技术性的反求。
3.3 影像反求
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。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。
4 现代设计理论和方法促进反求工程的发展和深化
现代设计理论和方法包括通用的（不针对具体工程专业）和专用的（针对工程专业）的两大范畴。科技发展日新月异，如果说早期的反求活动偏于模仿性、经验性、粗略近似的技术活动，用传统的、常规的方法基本可以胜任，那么对现代产品中高新技术和复杂多样的技术就无能为力。例如用断裂力学设计的产品，使用中出现裂纹是正常的，要想用经典力学去反求是无法解释的；高次方组合曲线或曲面的零件断面，不掌握优化技术就难以消化；引进产品某些零件寿命可精确地给出多少小时多少分，如不掌握疲劳和可靠性设计方法就会是个谜，等等。
反求工程包含的内容和知识面很广，不同专业产品又有不同领域。诸如原理、方案、功能、性能、参数、材质、结构、表面状况、精度和公差、工艺过程、油品、试验和检测、使用规范、维修、运输、可靠性、经济性、贮存等等都要寻究“为什么”的答案，要找出其先进科学的和落后不足的细节。引进产品不一定都先进，盲目吸收掩盖了落后，不适合国情是虚假的先进，最后都要吃大亏，都不是真正的反求的目标。反求过程中，如何用现代设计理论、方法和技术去寻求符合国情的适用技术，是提高国产化零件质量的核心问题。寻找适用技术就是再创造，一旦突破，成效显著，有时可使产品上水平、上档次。
顺便指出，开展反求工程的研究和应用，有助于人才培养。人们需要通过学习、创造、发明去发现新事物，而反求本身既是学习又可尽快掌握高新技术，缩小差距。发达国家重视反求，正在发展中国家更要重视和掌握这种艺术和技术。要完成一项反求任务，进而再创造，需学习和掌握众多知识和经验，促使人们不断去探讨“为什么这样做”，进而深化提高到“应该怎样做”。特别是中外合资和技术引进后的国产化，有大量反求工作。国产化就要创新，反求本质就是再创造，没有相应技术的人才就很难胜任。
5 应用展望
反求工程是一门开拓性、综合性和实用性很强的技术。尽管国内外已有大量成功经验，但目前还很少有这方面系统的论著，大多散见在各个行业的案例或设计资料中，很多企业也不愿将其反求技术公开。
应该看到，反求工程有其独特的共性技术和内容，还是一门新兴的交叉学科分支，正如高新技术层出不穷，解密技术亦要相应发展。在工程专业领域，需有设计、制造、试验、使用、维修、检测等方面知识；在现代设计法领域，应有系统设计、优化、有限元、价值工程、可靠性、工业设计、创新技法等知识；在计算机方面，需有硬件和软件的基本知识；等等。总之，现行产品中的各种复杂、高新技术，在反求工程中都会遇到如何消化吸收问题。
(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(7/6/2004) |
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