机械设计方法论述

机械设计方法论述——反求设计我现在都不知道机械有那些设计方法，所以只是从网上找了些资料，然后自己筛选了一下，认为该方法还是比较先进的。它在很多方面都有着先进理念的体现和拓宽。这是一个目前世界各国广泛采用的吸取别国先进经验而我国起步较晚的方法。下面是对该方法的论述：反求设计（也称逆向设计）是设计人员以先进设备的软件（图样、程序、技术文件）、影像（图片、照片等）和实物作为研究对象，应用现代设计理论方法、人机工程学等有关专业知识，进行系统的分析和研究，进而开发出同类的先进产品的过程。机械设备反求设计的特点：●具有形象直观的实物，有利于形象思维；●可对产品或设备的性能、材料等项内容直接进行测试与分析，以获得详细的设计资料；●可对产品或设备的尺寸直接进行测试与分析，以获得重要的尺寸设计资料；●目的是反求仿制时，缩短了设计周期，提高了产品的生产起点与速度；●仿制产品与引进产品有可比性，有利于提高产品的质量；●在仿制的基础上加以改进和创新，为开发新产品提供了有利条件一、对反求对象的分析在进行，首先要对反求设计的对象（全文简称反求对象）进行分析。㈠对反求对象的设计指导思想和功能原理的分析产品的设计指导思想决定了产品的设计方案，深入分析并掌握产品的设计指导思想是分析了解整个产品设计的前提。充分了解反求对象的功能有助于对产品原理方案的分析、理解和掌握，且有可能在进行反求设计时得到基于原产品而又高于原产品的原理方案。㈡对反求对象材料的分析对反求对象材料的分析包括了材料成分的分析、材料组织结构的分析和材料的性能检测几大部分在对反求对象进行材料分析时，要充分考虑到材料表面的改性处理技术。㈢对反求对象的工艺和装配的分析反求设计和反求工艺是相互联系的，缺一不可。在缺乏制造原型产品的先进设备与先进工艺方法和未掌握某些技术技巧的情况下，对反求对象进行工艺分析通常采用以下几种常用的方法。⑴采用反判法编制工艺规程。以零件的技术要求如尺寸精度、形位公差、表面质量等为依据，查明设计基准，分析关键工艺，优选加工工艺方案，并依次由后向前递推加工工序，编制工艺规程。⑵改进工艺方案，保证引进技术的原设计要求。在保证引进技术的设计要求和功能的前提条件下，局部地改进某些实现较为困难的工艺方案。⑶用曲线对应法反求工艺参数。先将需分析的产品的性能指标或工艺参数建立第一参照系，以实际条件建立第二参照系，根据已知点或某些特殊点把工艺参数及其有关的量与性能的关系拟合出一条曲线，并按曲线的规律适当拓宽，从曲线中找出相对于第一参照系性能指标的工艺参数，即是需求的工艺参数。⑷材料国产化，局部改进原型结构以适应工艺水平。由于材料以及工艺对加工方法的选择起决定性作用，所以，在无法保证使用原产品的制造材料时，或在使用原产品的制造材料后，工艺水平不能满足要求的情况下，可以使用国产化材料，以适应当前的工艺水平。对反求对象进行装配分析，应主要考虑：用什么装配工艺来保证产品的性能要求，能否将原产品的若干个零件组合成一个部件，如何提高装配速度等。㈣对反求对象精度的分析产品的精度直接影响到产品的性能，对反求对象精度的分析包括了对反求对象形体尺寸的确定、精度的分配等内容。在确定形体尺寸时，根据反求对象软件、影像或实物的不同，所选用的反求方法也有所不同。若是实物反求，则可通过常用的测量设备（如万能量具、投影仪、坐标机等）对产品直接进行测量，以确定形体尺寸；若是软件反求和影像反求，则可采用参照物对比法，利用透视成像的原理和作图技术并结合人机工程学和相关的专业知识，通过分析计算来确定形体尺寸。在进行精度的分配时，根据产品的精度指标及总的技术条件、产品的工作原理图，并且综合考虑生产技术水平、产品生产的经济性和国家技术标准等，按以下步骤进行：明确产品的精度指标；综合考虑理论误差和原理误差，进行产品工作原理设计和安排总体布局；在完成草图设计后，找出全部的误差源，进行总的精度计算；编写技术设计说明书，确定精度；在产品的研制、生产的全过程中，根据实际生产情况，对所作的精度分配进行调整、修改。㈤对反求对象造型的分析产品造型设计是产品设计与艺术设计相结合的综合性技术。其主要目的是运用工业美学、产品造型原理、人机工程学原理等对产品的外形造型、色彩设计等进行分析，以提高产品的外观质量和舒适方便程度。例如，在数控系统的设计中，就要充分考虑到数控系统的显示器的布局问题，图形和汉字显示问题，数控系统操作面板的造型和色彩问题，各个功能操作按键的造型、色彩、布局及操作的方便性问题等等。㈥对反求对象系列化与模块化的分析分析反求对象时，要考虑到所引进的产品是否已经系列化，是否为系列型谱中的一个，在系列型谱中是否具有代表性，产品的模块化程度如何等具体问题，使得在设计制造时少走弯路，提高产品质量，降低成本，生产出多品种、多规格、通用化较强的产品，从而提高产品的市场竞争力。二、反求设计的研究内容与方法㈠软件反求设计法软件反求设计法是以产品的样本资料、产品标准、产品规范以及与设计、研制、生产制造有关的技术资料和技术文件等为研究对象的反求工程技术。软件反求设计的目的是通过对所引进的如上所述的技术软件的分析、研究，提高本国在该产品技术上的设计、生产制造能力。软件反求设计的设计步骤为：分析需求，明确反求设计的目的；对所进行分析的产品进行功能上和结构上的分析；分析并验证产品的性能参数；调研国内外同类产品，并从中吸收有益的成分；撰写反求设计论证书。㈡影像反求设计法影像反求设计是以产品照片、图片、影视画面等参考资料为对象来进行分析设计的。在运用影像反求设计的方法进行分析、设计时，由于研究对象主要是产品的外观图片、画面、影像等，很难甚至无法了解到产品的内部结构。为此，在进行设计时，要求工程技术人员必须掌握相应的理论和分析方法，如中心投影规律，透视变换和透视投影，透视图的形成原理、色彩、阴影等相关知识。影像反求设计法的设计步骤：广泛地收集参考资料；多方面分析、研究参考资料；设计产品的方案；评价方案；设计反求技术。㈢实物反求设计法实物反求设计法的研究对象为引进的比较先进的设备或产品实物，其目的是通过对产品的设计原理、结构、材料、工艺装配等进行分析研究，研制开发出与被分析产品功能、结构等方面相似的产品。实物反求设计是一个认识产品—再现产品—超越原产品的过程。实物反求可分为对整个设备的反求（即整机反求）、对组成机器的部件的反求（即部件反求）和对机器零件的反求（即零件反求）三个组成部分。实物反求设计法一般是通过三坐标测量机或激光扫描机等先进的数据采集设备获取复杂零件的三维数据点，然后利用反求软件进行数据点处理，实现由点—线—面的CAD三维模型设计。所以，软件反求设计法主要包含两项内容，一是实物模型表面数据点的获取，即数字化技术，二是曲面造型技术。㈣零部件测绘前的准备和设备的分解原则在进行测绘之前，应备齐、读懂有关资料，为反求设计做前期准备工作，如产品说明书、维修手册、同类产品样本及产品广告等还要收集与测绘有关的资料，如机器的装配与分解方法，零件的公差及测量，典型零件（齿轮、轴承、螺纹、花键、弹簧等）的画法，标准件的有关资料，制图及国家标准等资料在进行零部件的测绘之前，首先要明确待反求设备中各零部件的功能这是测绘过程中进行分析的不可缺少的内容测绘之前，要对样机进行分解，以便进行尺寸测量分解实物时要注意以下原则：①遵循“能恢复原机”的原则进行拆机也就是说，拆完后能按原样装配②分解的零部件按机器的组成进行编号，并有专人保管③拆后不易复位的零件（如游标、度盘等部件）、过盈配合的零件或有些特殊的组件可不进行分解④分解过程中要有分解记录要特别注意记录那些难拆的零件和有装拆技巧的零件的分解过程，以减少恢复原机的困难㈤机械零件材料的反求设计与创新机械零件材料的选择与热处理方法直接影响到零件的强度、刚度、寿命、可靠性等指标，材料的选择是机械设计中的重要问题①材料的成分分析：是指确定材料中的化学成分在对材料的整体、局部1表面进行定性分析或定量分析时，可通过火花鉴别法、音质判别法、原子发射光谱分析法、红外光谱分析法、化学成分分析法、微探针分析法等手段对材料的表面进行定性分析或定量分析②材料的组织结构分析：是指材料的宏观组织结构和微观组织结构进行材料的宏观组织结构分析时，可用放大镜观察材料的晶粒大小、淬火硬层的分布、缩孔的缺陷等情况利用显微镜可观察材料的微观组织结构③材料的工艺分析：是指材料的成型方法，铸造、锻压、挤压、烧结、焊接、机加工以及热处理等是最常见的工艺反求时，可酌情处理④材料的硬度分析：可通过硬度计测定材料的表面硬度，并根据硬度或表面处理的厚度判别材料的表面处理方法㈥关键零件的反求设计与创新因为机械是可见的实物，容易仿造，所以任何机器中都会有一些关键零件，也就是生产商要控制的技术这些零件是反求的重点，也是难点在进行反求设计时，要找出这些关键零件如发动机中的凸轮轴、纺织机械中的打纬凸轮、高速机械中的轴承、重型减速器中的齿轮等都是反求设计中的关键零件特别是高速凸轮的反求，要把实测的凸轮廓线坐标值拟合为若干段光滑曲线，而且要利其运动规律相一致，难度很大因此，发动机厂家都把凸轮作为发动机的垄断技术对机械中关键零件的反求成功，技术上就有突破，就会有创新不同的机械设备，其关键零件不同关键零件的确定，要视具体情况一般情况下，关键零件的反求都需要较深的专门知识和技术㈦机构系统的反求与创新根据工作要求设计出机构系统的简图，然后选择材料，根据强度、刚度、制造工艺等要求进行结构设计，画出总装图、零件图，这一过程为正设计而根据已有的设备，画出其机构系统的运动简图，对其进行运动分析、动力分析及性能分析，并根据分析结果改进机构系统的运动简图，称之为反设计机构系统的反求设计就属此类它是反求设计中的重要创新手段进行机构系统的反求时，要注意产品的设计策略反求一般情况下，可借助价值工程中提高价值的5个基本途径作为产品的反求设计策略有：①功能不变，降低成本；②增加功能，降低成本；③增加功能，成本不变；④减少功能，降低更多的成本；⑤增加功能，增加成本其中第二条最为理想，但有困难，只有依赖新技术、新材料、新工艺的突破例如，大规模的集成电路的研制成功，计算机产品的功能越来越强大，而价格却在下三、结语机械设备等具体实物的反求设计是目前世界各国广泛采用的吸取别国先进经验的方法，我国起步较晚因此，在进行某一产品的反求设计时，要广范收集国内外同类产品的设计生产、使用等方面的资料，进行分析对比，找出其优点和不足之处，取优去劣，写出进行反求设计的可行性报告，再开始工作。反求技术与NC加工技术相结合称之为反求工程。目前常用的方法是实物反求设计法即针对现有工件（样品或模型）利用3D数字化测量仪器准确、快速地量取轮廓坐标值，并加以建构曲面，对曲面进行编辑、修改后，传到CAD/CAM系统，再由CAM所产生刀具的NC加工路径送至CNC加工制作所需模具，或者送到快速成型机（RapidPrototyping）将样品模型制作出来。反求工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业信息传递的重要而简洁的途径之一。