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反求工程与现代设计
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)
文章内容仅供参考 (投稿) (7/6/2004)
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