第八章反求設計與創新

反求設計是以先進技術或產品的實物、軟件（圖紙、程序、技術文件等）、影像（照片、廣告等）作為研究對象，應用現代設計理論方法學、生產工程學、材料學等有關專業知識進行系統深入的分析與探索，并掌握其關鍵技術，進而開發出先進產品。運用反求技術，可以縮短新產品開發的時間，提高新產品開發的成功率，是創新設計的一種有效方法。第八章反求設計與創新反求設計是以先進技1反求設計與創新8.1概述8.2反求設計的內容與過程反求設計與創新8.1概述28.1.1反求問題的提出實際上，任何新產品的問世都蘊含著對已有科學、技術的繼承和借鑒。反求思維的方法在工程上的應用已經源遠流長。只是作為反求設計或反求工程的術語提出來，以及作為一門學問進行專門研究，則是出現于20世紀中期。8.1.1反求問題的提出3

當時日本作為第二次世界大戰的戰敗國，戰后，急于恢復與發展。他們提出的口號是：“一代引進，二代國產化，三代改進出口，四代占領國際市場”。三洋電機開發洗衣機的過程就是一個很好的實例。1952年夏，三洋電機當時的社長井植歲男看到了洗衣機市場存在巨大的潛力，決定開始研制洗衣機。他們購買了各種不同品牌的洗衣機，并將其送至干部的家中，公司也放滿了各式各樣的洗衣機。公司讓員工們反復研究琢磨、試驗、比較和分析，充分總結和剖析各類洗衣機的優缺點、安全性能、方便程度以及價格水平等，找出了一種比較滿意的方案，試制了一臺樣機。正準備投入市場時，他們又發現了英國胡佛公司最新推出的渦輪噴流式洗衣機。這種渦輪噴流式洗衣機的性能比原先的攪拌式洗衣機有了很大的提高。三洋公司的管理者深深懂得，后開發的產品，如果在性能上沒有明顯優于已經上市的同類產品，那么你不僅應當預計到在今后的競爭中必然遭受失敗的后果，甚至一開始就應當考慮是否投產的問題。于是三洋公司果斷地放棄了已投入幾千萬元研制出的即將成批生產的洗衣機，開始對胡佛公司的渦輪噴流式洗衣機進行全面解剖和改進。于1953年春研制出日本第一臺噴流式洗衣機。這種性能優異、價格只及傳統攪拌式洗衣機一半的新產品，一上市便引起轟動，不僅帶來巨大的經濟效益，而且使三洋公司在洗衣機行業站穩了腳跟。當時日本作為第二次世界大戰的戰敗國，戰后，4

為實現國產化的改進，并最終占領國際市場，就迫切需要對別國的產品進行消化、吸收、改進和挖潛，這也就形成了反求設計或反求工程的發展機制。成功地運用反求工程，使日本節約了65％的研究時間和90％的研究經費。到上世紀70年代，日本的工業已經達到歐美發達國家水平。因為研究和應用反求設計或反求工程可以有效回避研究開發探索的風險，實現在高起點去創新產品，因此重視和研究反求工程的國家很多。中國作為一個發展中的國家，科技水平相對落后，投入大量資金去研究工業發達國家已經推向市場的產品是完全沒有必要的。這不僅是資金浪費的問題，也會拖延發展經濟的時間或機會。因此深入研究反求設計或反求工程，在不斷引進新產品或新技術的基礎上開發自己的新產品，最終推向國際市場是很有必要的。為實現國產化的改進，并最終占領國際市場，就5

8.1.2反求設計的含義人們通常所指的設計是正設計，是由未知到已知和由想象到現實的過程。當然這一過程也需要運用類比、移植等創新技法，但產品的概念是新穎的，是獨創的。反求設計則不然，雖然為反設計，但絕不是正設計的簡單逆過程。因為針對的是別人已知和現實的產品，而不是自己的，所以也不是全知的。是一個雖然知其然，但不知其所以然的問題。因為一個先進成熟的產品凝聚著原創者長時間的思考與實踐、研究與探索，要理解、吃透原創者的技術與思想，在某種程度上比自己創造難度還要大。因此反求設計絕不是簡單仿造的意思，是需要進行專門分析與研究的問題。其含義可用圖8－1所示框圖描述。8.1.2反求設計的含義6大商所指數產品研發情況概述78.1.3反求設計的研究對象從工程技術角度分析，反求設計的研究對象一般分為三類。它們分別是實物反求、軟件反求和圖片反求。反求對象應該是比較先進的技術或產品；也可能是自然界的產物，例如反求人體結構進行再植手術等。8.1.3反求設計的研究對象81．實物反求實物反求是指在已有產品實物的條件下，通過試驗、測繪、分析，確定其關鍵技術，再創造出新產品的過程。反求的產品實物可以是整機、部件或零件。反求的內容包括產品的功能、原理方案、結構性能、材料、精度等。2．軟件反求在軟件反求過程中，產品樣本、技術文件、設計說明書、使用說明書、設計圖紙以及有關規范和標準等均為軟件。反求工作的內容主要有，深刻理解圖樣與技術要求；選擇合適的材料、工藝過程與熱處理方法；試制樣機并進行性能測試；最后創新出新產品。3．影像反求在影像反求過程中，產品的圖片、照片、廣告介紹，以及參觀印象或影視畫面等均屬于影像。這是反求對象中信息量最少、難度最大，但也最富有創新性的反求設計。反求工作主要是依據影像提供的產品外形、尺寸、比例，運用透視變換與投影以及各種專業知識進行琢磨、分析、領會其功能、性能、結構特點等，然后進行從原理方案、構型綜合、直到完成產品的創新。1．實物反求98.2反求設計的內容與過程8.2.1反求設計的主要內容1．設計思想的反求反求設計的最重要內容是探求設計者的設計思想。設計思想是設計者的靈魂，設計者會挖掘個人的所有知識與經驗用來開發新產品，是設計者本人或設計小組全體成員智慧的結晶。設計思想主要應包括設計產品開發的必要性與適應性，產品是在何種條件下產生的，為什么要研制開發這種產品；產品造型的特殊性，這種造型會產生何種效應與影響，是單純為操作者提供方便，還是具有某種特殊功能；產品的結構特點，有些什么與眾不同的特點，進而分析這些特殊結構的特殊原因，以及會造成的結果等。設計思想的反求是貫穿反求全過程的工作，在反求設計中的每一步驟都不要忘記揣摩設計者的意圖。8.2反求設計的內容與過程8.2.1反求設計的主要10例如，為降低產品成本，以及方便使用與攜帶，產品的小型化則成為設計者的指導思想；為滿足不同用戶要求各異的特點，推出衍生性產品也成為設計者的指導思想。如日本索尼公司創造的隨身聽系列產品，在不改變主要技術原理和產品元件的條件下，只是通過改變局部輔助功能，而推出兒童用的小巧型、運動使用的防振型、海灘娛樂使用的防水型等。從20世紀80年代初到90年代初，索尼公司僅在美國市場就推出了572種隨身聽產品。

例如，為降低產品成本，以及方便使用與攜112．功能原理的反求功能原理的反求也是一個分析過程。對于一個已知產品，其總功能是已知的，但深入分析其組成結構時，會發現產品的各組成部分的分功能，乃至功能元并非全了解，因此很有必要首先分析組成產品各部分存在的意義。其次應深入分析實現這一功能的工作原理，是簡單的機械效應，或是氣動與液壓的效應，還是電磁等效應；是采用了分割，還是合并原理等。掌握了功能原理，就可以變被動為主動，開發出實現同樣功能的不同原理解，也就實現了從反求到創新的過程。2．功能原理的反求123．結構形狀與尺寸參數的反求結構形狀與尺寸參數的反求既是一個分析過程，也是一個實際測繪過程。反求活動中包含有實物測量、數據處理、誤差分析等內容。對于實物反求，可以比較容易的獲得產品某部分的實際結構形狀，這將有利于反求工作的進行。一般情況，零件形狀可以劃分為規則的（如平面、圓柱、圓孔、凸臺、導軌等），以及不規則的形狀（如凸輪、葉輪、自由曲面等）。根據形狀的復雜程度，可以采用不同的測量手段、獲取數據的方法，以及誤差的分析方法。對于不規則形狀零件的反求，首先要建立零件的測量坐標系。測量時測點的位置在均勻分布的基礎上，再按曲率特性補充測點，使測量路徑既容易形成，又考慮到加工難度隨曲率變化的規律。目前用于工業測量的方法有坐標測量儀、激光測量儀、工業CT、逐層切削照相測量等。若采用測量機或激光掃描等采樣設備時，還要注意測頭的方位。3．結構形狀與尺寸參數的反求13數據的處理主要是指對不同測量方法所獲得的結果進行整理，檢查。剔除廢點數據，增加必要的補償點，對測量數據進行平滑處理以消除噪聲信號及其他干擾因素造成的抖動。然后對數據采用一定的方法進行擬合，并生成光滑的曲線輸出。或產生NC軌跡，直接加工。誤差分析是指對反求所獲得的尺寸與參數和原始零件的尺寸與參數之間存在的誤差進行分析。這些誤差包括測量誤差、數據整理時造成的計算誤差、原始零件在制造過程中產生的不可避免的制造誤差、原始零件在使用過程中的磨損或破損誤差。為了提高反求精度，可采取各種措施，如提高測量精度、提高擬合計算精度等。圖8－2所示為一健身器的反求設計。圖（a）是健身器掃描數據點暈，圖（b）為重構曲面線框圖，圖（c）為重構曲面光照圖，圖（d）為重構曲面NC加工軌跡。數據的處理主要是指對不同測量方法所獲得14大商所指數產品研發情況概述15有時無法獲得產品某一部分，而且是關鍵部分的真實面目，若強行破壞會造成經濟損失，這時就可以采用工業CT與分析相結合的手段。工業CT成本較高，精度較低，但不損傷實物。有了CT的大概圖像，再從原理角度詳細分析可能的結構形狀。或者可以根據遮蓋物的外形分析內部看不見的物體可能的結構形式，再構造其結構形狀。對于規則形狀零件的反求，首先要選擇測量基準。一般可選擇零件的底面、端面、中心線、軸線或對稱面為測量基準。在測量時，一般取不同的角度或方位多次測量同一尺寸，然后取其平均值。

有時無法獲得產品某一部分，而且是關鍵部16

對于規則形狀零件的尺寸也可根據概率統計原理（即零件尺寸的制造誤差與測量誤差的概率分布服從正態分布規律，尺寸誤差位于公差中值的概率最大）來確定。對于一些重要的配合尺寸，首先應判別是基孔制還是基軸制配合。基孔制配合的孔的上偏差為正值，下偏差為零；而基軸制配合的軸的上偏差為零，下偏差為負值。對影像、圖片的反求，只能根據透視原理、色彩、參照物對比等效果所獲得的信息，再通過功能原理的分析進行推理，構造產品的結構形狀。例如，根據國外某雜志介紹的省力矩扳手的圓盤外形，以及輸入輸出同軸特點進行分析，認為可能是采用行星齒輪傳動，以大減速比實現增矩的效果。按此設想進行設計，果然效果很好。

對于規則形狀零件的尺寸也可根據概率統計原17

4．材料的反求材料的反求包括材料成分的反求、材料組織結構的反求、材料的力學性能反求以及材料的工藝反求。材料的成分是指材料的化學成分。金屬材料常用的最簡單反求方法有火花鑒別和音質鑒別。前者是將材料與砂輪磨削后產生的火花形狀鑒別材料的成分，后者是根據敲擊材料的聲音頻率判斷材料的成分。比較準確的材料成分反求有原子發射光譜分析法、微探針分析法等，以及對非金屬材料反求采用的紅外光譜分析法。材料的組織結構是指材料的化學成分及結構組織情況，可用顯微鏡觀察，然后通過計算機描述。材料的工藝反求是指材料的成形方法，包括鑄造、鍛壓、擠壓、燒結、各種機加工以及各種熱處理等。材料的力學性能反求可以通過各種測試儀器，如應力應變儀、硬度計等進行測量，通過對材料各種力學性能的測試還可以反求出材料的熱處理方法，以及材料的主要成分。通過對材料一系列性能的反求，可以反求出原始的材料，或反求出原始材料的相關力學特性，這些將成為反求設計選擇材料或代用材料的依據。

4．材料的反求185．關鍵技術的反求關鍵技術是指那些能夠實現同類產品難以達到的技術水平、模仿難度較大，且具有一定競爭力的技術。關鍵技術是反求設計的重點，也是難點。關鍵技術包括關鍵功能、關鍵原理、關鍵結構和關鍵材料。在乳狀物料包裝機的反求設計中，發現在物料輸送機構的側面并聯了一個氣泵機構，經過分析與多次試驗確定了該氣泵的功能是斷料。雖然物料的輸送量有計量機構專門控制，但物料的流動性與黏聚性在一定程度上影響了包裝的質量。有了這樣一個斷料的功能大大提高了物料分裝的準確性。

5．關鍵技術的反求19

在分析研制篩分垃圾的振動篩的工作原理與結構時，發現其篩箱被分成上下兩部分，并且兩部分之間安裝有槽鋼，槽鋼與上下篩箱之間安裝若干橡膠塊（橡膠塊數量可調）；上下篩箱又被若干個小鋼板固聯在一起，而被分割的每塊篩網兩端分別被聯接在篩箱與槽鋼上。經研究認為它是運用了雙質體振動原理，加強了篩網的抖動，其用心完全在于防止具有黏濕性的垃圾粘在篩網上而影響篩分效率。這樣一些關鍵的原理與結構使其不僅篩分效率提高，而且壽命也大大提高。見圖8－4。在一些產品中采用了關鍵的材料，使其形成關鍵的技術。例如壓電纖維這種材料具有將振動、壓力、彎曲變形能轉化為電流的功能。若將壓電纖維材料用于網球拍中，便可減少擊球后球拍柄上產生的振動，從而減少了對運動員手臂的壓力。若將其用在滑雪板上，可以讓滑雪板邊緣緊貼雪地，從而減少振動。如圖8-5所示。在分析研制篩分垃圾的振動篩的工作原理與20大商所指數產品研發情況概述218.2.2反求設計的主要過程1．實物（整機）反求實物反求形象直觀，可面對產品進行分析、測試、運行，以獲得詳細的設計資料。同時還具有參照性、可比性，有利于改進產品，開發新產品。其反求過程如下所述：（1）分析分析是指對原始產品的功能特點、原理方案、結構構型、工藝過程、產品的造型特色等宏觀內容的分析。

8.2.2反求設計的主要過程22

功能分析是要分析產品的主要功能、分功能和輔助功能。并按照體現機電產品功能的能量、物料、信息，以及與超系統的關系進行分析。例如分析產品共有幾個動力源，屬于何種動力源，這些動力源的技術參數分別是多少，如功率多大，轉矩多大，又是如何將動力分配給各子系統的。物料包括產品本身的實物組合形式，以及制品的形式。分別分析它們對產品功能的影響情況，哪些有利于產品功能的發揮，產生有利因素影響的原因是什么。信息主要指傳感與控制系統，分析它們對功能發揮所起的作用。超系統主要指產品存在的環境、使用者或操作者。分析產品對環境的影響，以及環境對產品的影響。分析產品的可操作性及適應性。

功能分析是要分析產品的主要功能、分功23原理方案分析是要分析總功能及每項分功能各自采用什么樣的工作原理，實現同樣功能的還可能有的工作原理是什么，比較它的優越性和特色。

結構構型分析則主要分析外觀構造與形狀、色彩。外形構造和諧、配色恰當的產品會具有較大的吸引力。

工藝過程分析主要是分析產品的工作流程，并與同類產品進行比較其復雜性，以及流程的長短，資源的利用等。

原理方案分析是要分析總功能及每24（2）測試測試是指開車運行，并在運行中進行有關性能的測試，即對產品質量有影響的關鍵性能進行測試。例如功能測試，即是否能完成應具備的各種功能；原理方案測試，即判斷分析時所反求的原理是否正確；振動測試，即測試機器運行時的振動情況；還有諸如啟動時間、噪聲、運行速度等性能的測試。然后對試驗的數據進行科學處理，記錄試驗的故障現象，為進一步反求提供依據。（2）測試25（3）分解分解是指對原始產品的解體、拆卸。在有條件的情況下最好能對反求的原始產品進行分解，其主要目的是進一步探索產品的工作原理、結構特性及零部件的特殊結構等。但分解時要遵循一定的原則，應在能恢復原機的原則下進行分解，分解的零部件要按機器的組成進行編號記錄；拆后不易復位的，如過盈配合的零部件，特殊組件等不可分解。（3）分解26（4）測繪測繪主要是對零部件的測量與繪制。測繪前首先要分清標準件與非標準件，分清規則形狀零件與不規則形狀零件，分清重要零件與一般零件。對于重要的、形狀又不規則的零件應采用三坐標儀等高精度儀器進行測量，并借助計算機進行曲線擬合與數據整理并輸出。對有配合的零件要注意公差的反求與表面精度的反求。測量后的繪制需要對零件的工作特性與技術要求進行標注，特殊的情況還應進行優化設計，或采用有限元等分析方法反求零件的強度與剛度等。（4）測繪27（5）改進與創新在反求已知產品的基礎上進行設計的形式有三種，它們是：模仿設計、改進設計和創新設計。模仿設計沒有太大的實際意義；改進設計是在分析原有產品的基礎上對原產品的某些結構、參數、材料等進行部分的改進性設計；創新設計就是在分析原產品的基礎上，抓住功能的本質，從原理方案開始進行創新設計。在進行改進與創新時必須注意新產品與原產品的功能與成本的關系比較。應該使新產品相對于原產品保持：功能不變，降低成本；增加功能，降低成本；或增加功能，成本不變。（5）改進與創新282．軟件反求在軟件反求過程中，產品樣本、技術文件、設計書、使用說明、圖紙、有關規范和標準、安裝說明、管理規范等均為可用的技術軟件。軟件反求有兩種情況，一種是既有技術軟件，又有產品實物；另一種沒有產品實物，只有技術軟件。對于后一種，由于沒有實物，所以對產品的功能實現，原理方案實施過程中可能存在的問題都是未知的，反求時首先應論證必要性與可行性。然后通過軟件資料進行功能、原理、結構尺寸的分析。搞清楚產品的功能目標，工作原理，結構特性。對國外資料還要進行某些標準的轉換，材料牌號的代換等。為了使反求設計順利進行，一般先從樣機開始設計，或利用計算機進行虛擬設計，以免造成不必要的浪費與失敗。2．軟件反求293．影像反求根據照片、圖片、影視畫面、宣傳廣告等資料進行反求設計為影像反求。這種反求的特點是信息量少，反求難度大，要求設計者具有較豐富的設計與實踐經驗。這種反求設計的基本過程是，首先要收集相關資料，同類產品的資料，用于設計時進行對比與參照。其次是利用產品的外形結構特點、透視變換原理、三維信息技術、圖像掃描技術、色彩判斷等手段，反求產品的結構形狀、尺寸大小、工作原理以及材料等。例如，觀察是否具備管道供氣或供油系統來判斷是否為氣液傳動；通過觀察機器外形分析其傳動系統是齒輪傳動，還是蝸桿傳動；根據圖片的色彩以及結構的細節，能夠分析其材料是金屬材料，還是非金屬材料等。專利是一種比較特殊的影像材料。專利一般包括說明書（發明背景、內容