反求工程出現(xiàn)和發(fā)展的時(shí)代背景.doc

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反求工程出現(xiàn)和發(fā)展的時(shí)代背景 二次大戰(zhàn)中，幾十個(gè)國(guó)家卷入戰(zhàn)禍，飽受戰(zhàn)爭(zhēng)創(chuàng)傷。特別是戰(zhàn)敗國(guó)，在二戰(zhàn)結(jié)束后，急于恢復(fù)和振興經(jīng)濟(jì)。日本在60年代初提出科技立國(guó)方針：“一代引進(jìn)，二代國(guó)產(chǎn)化，三代改進(jìn)出口，四代占領(lǐng)國(guó)際市場(chǎng)”，其中在汽車(chē)、電子、光學(xué)設(shè)備和家電等行業(yè)上最突出。為要國(guó)產(chǎn)化的改進(jìn)，迫切需要對(duì)別國(guó)產(chǎn)品進(jìn)行消化、吸收、改進(jìn)和挖潛。這就是反求設(shè)計(jì)（Inverse Design）或反求工程（Inverse　Engineering），這兩者是同一內(nèi)涵，僅是不同國(guó)家的不同提法。發(fā)展到現(xiàn)在，己成為世界各國(guó)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)中不可缺少的手段或重要對(duì)策，反求工程的大量采用為日本的經(jīng)濟(jì)振興、進(jìn)而創(chuàng)造和開(kāi)發(fā)各種新產(chǎn)品奠定了良好基礎(chǔ)。 實(shí)際上，任何產(chǎn)品問(wèn)世，包括創(chuàng)新、改進(jìn)和仿制的，都蘊(yùn)含著對(duì)已有科學(xué)、技術(shù)的繼承和應(yīng)用借鑒。因而反求思維在工程中的應(yīng)用已源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，而提出這種術(shù)語(yǔ)并作為一門(mén)學(xué)問(wèn)去研究，則是60年代初出現(xiàn)的。 市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制已滲透到各個(gè)領(lǐng)域，如何發(fā)展科技和經(jīng)濟(jì)，世界各國(guó)都在研究對(duì)策。從共性特征可概括為4個(gè)方面對(duì)策：(1）大力提倡創(chuàng)造性。包括新的思維方式、新原理、新理論、新方案、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)、新材料、新工藝、新儀器等等。對(duì)于發(fā)展一個(gè)國(guó)家的國(guó)民經(jīng)濟(jì)來(lái)說(shuō)，創(chuàng)造性是永恒主題。（2）研究和應(yīng)用新的設(shè)計(jì)理論、方法去改造和完善傳統(tǒng)的方法，使能既快又好地設(shè)計(jì)出新型產(chǎn)品。(3）把計(jì)算機(jī)應(yīng)用廣泛地引入產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)的全過(guò)程（預(yù)測(cè)、決策、管理、設(shè)計(jì)制造、試驗(yàn)、銷(xiāo)售服務(wù)等）中，以期達(dá)到這些過(guò)程的一體化、智能化和自動(dòng)化。（4）研究和應(yīng)用反求工程，使能在高的起點(diǎn)去創(chuàng)造新產(chǎn)品。 2　反求工程的含義 反求工程是綜合性很強(qiáng)的術(shù)語(yǔ)，它是以設(shè)計(jì)方法學(xué)為指導(dǎo)，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用各種專(zhuān)業(yè)人員的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和創(chuàng)新思維，對(duì)已有新產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造，是已有設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)，這就是反求工程的含義，特別強(qiáng)調(diào)再創(chuàng)造是反求的靈魂。 2．1　正設(shè)計(jì)與反設(shè)計(jì) 人們通稱的設(shè)計(jì)，一般均指正設(shè)計(jì)。它是對(duì)一個(gè)事物真相事先并不知道，通過(guò)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造性勞動(dòng)，變?yōu)槿祟?lèi)需求的喜愛(ài)的產(chǎn)品。為此，首先要根據(jù)市場(chǎng)需求，提出目標(biāo)和技術(shù)要求，進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，創(chuàng)造新方案，經(jīng)過(guò)一系列的設(shè)計(jì)活動(dòng)，變?yōu)楫a(chǎn)品。概括地說(shuō)，正設(shè)計(jì)是由未知到已知、由想象到現(xiàn)實(shí)的過(guò)程，其示意圖如圖1。 圖1　正設(shè)計(jì)過(guò)程示意圖 反設(shè)計(jì)是從已知事物的有關(guān)信息（包括硬件、軟件、照片、廣告、情報(bào)等）去尋求這些信息的科學(xué)性、技術(shù)性，先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、合理性、國(guó)產(chǎn)化的可能性等等，要回溯這些信息的科學(xué)依據(jù)，即充分消化和吸收，而更重要本質(zhì)是在此基礎(chǔ)上要改進(jìn)、挖潛進(jìn)行再創(chuàng)造。反求的目標(biāo)如僅限于仿制，是最原始、低級(jí)的模仿，其質(zhì)量和生命周期不會(huì)有競(jìng)爭(zhēng)力，更嚴(yán)重的是侵權(quán)行為，要受產(chǎn)權(quán)保護(hù)制裁。圖2為反設(shè)計(jì)過(guò)程示意圖。 如果說(shuō)正設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要解答“怎么做?”，即設(shè)計(jì)任務(wù)提出后，怎樣實(shí)現(xiàn)和達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，那么反求的關(guān)鍵要解答“為什么要這樣做?”，即已知目標(biāo)后，要探索和掌握這種目標(biāo)的設(shè)計(jì)者是如何一步一步實(shí)現(xiàn)的，反求別人腦袋里是怎樣想、怎樣做的，要摸清設(shè)計(jì)意圖、所用技術(shù)、關(guān)鍵和設(shè)計(jì)理論與方法。從這個(gè)意義上說(shuō)，正設(shè)計(jì)是主動(dòng)的創(chuàng)造，而反求是先被動(dòng)后主動(dòng)的創(chuàng)造，別有一番難度。故反求并非正設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單逆過(guò)程，因?yàn)橐粋€(gè)先進(jìn)成熟的產(chǎn)品，凝集著設(shè)計(jì)者的智慧和技術(shù)，要去吃透、消化，包含很多復(fù)雜內(nèi)容。往往吃透別人的技術(shù)比自己創(chuàng)造還難，這是因?yàn)椋海?）先進(jìn)產(chǎn)品中總有“絕招”、“訣竅”和關(guān)鍵技術(shù)，我們并不掌握；（2）別人的思維不會(huì)告訴你，要想“鉆進(jìn)別人腦袋里去挖出來(lái)”，要花艱苦勞動(dòng)。多年來(lái)我國(guó)測(cè)繪仿制的產(chǎn)品，大多數(shù)達(dá)不到原產(chǎn)品的水平，涉及原因、內(nèi)容和技術(shù)是多方面的，正說(shuō)明發(fā)展反求工程的研究和應(yīng)用是多么重要。 圖2　反設(shè)計(jì)過(guò)程示意圖 正設(shè)計(jì)和反設(shè)計(jì)既有區(qū)別又相輔相成，具有豐富正設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和水平的人，可以顯著提高反求水平；反設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)可以促進(jìn)正設(shè)計(jì)的水平。但缺乏正設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)者，反設(shè)計(jì)中也不能充分消化吸收。作為一個(gè)國(guó)家來(lái)說(shuō)，吃透別人的技術(shù)僅僅是第一步，在此基礎(chǔ)上結(jié)合國(guó)情進(jìn)行再創(chuàng)造，變成有自主權(quán)和競(jìng)爭(zhēng)力的新產(chǎn)品，才是反求工程的完整意義和目的。 2．2　反求工程與知識(shí)產(chǎn)權(quán) 任何一項(xiàng)新技術(shù)、新產(chǎn)品，應(yīng)該受到有關(guān)保護(hù)法（如專(zhuān)利法、知識(shí)產(chǎn)權(quán)法、商標(biāo)法等）的法律保護(hù)，這是國(guó)際性的共同行為規(guī)范，這才能引導(dǎo)正常的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和貿(mào)易。反求工程絕不等于偷技術(shù)，它是在科技道德和法律制約下，從學(xué)術(shù)、工程、技術(shù)方面來(lái)促進(jìn)科技的發(fā)展。這是因?yàn)椋? （1）任何產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)，總要借鑒、繼承已有的知識(shí)和技術(shù)，市場(chǎng)上的產(chǎn)品總要被別人借鑒，關(guān)鍵要?jiǎng)澢瀹a(chǎn)權(quán)的界限。 （2）青出于藍(lán)而勝于藍(lán)是發(fā)展規(guī)律，通過(guò)反求來(lái)發(fā)展新產(chǎn)品，起點(diǎn)高，周期短，成效快，決非照抄照搬。 (3）科學(xué)的反求，有助于促進(jìn)技術(shù)革新，擴(kuò)大眼界，有助于盡快培養(yǎng)新人。 但應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，作為一個(gè)國(guó)家、民族，為發(fā)展科技和振興經(jīng)濟(jì)，不能全靠反求來(lái)生存；鼓勵(lì)獨(dú)立的創(chuàng)造性永遠(yuǎn)是主旋律或主題。 3　反求對(duì)象的類(lèi)別 從工程技術(shù)角度看，反求對(duì)象可概括為實(shí)物反求、軟件反求和影像反求三類(lèi)。 3．1　實(shí)物反求 顧名思義，它是在已有實(shí)物條件下，通過(guò)試驗(yàn)、測(cè)繪和詳細(xì)分折，提出再創(chuàng)造的關(guān)鍵。其中包括功能反求、性能反求、方案、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、精度、使用規(guī)范等眾多方面的反求。實(shí)物反求對(duì)象可以是整機(jī)、部件組件和零件。 作者經(jīng)歷過(guò)多種產(chǎn)品的反求，以下幾點(diǎn)可供借鑒。 3.1.1　試驗(yàn)方案和試驗(yàn)方法 實(shí)物反求，首先要在未解體前進(jìn)行功能、性能等全面試驗(yàn)考核，測(cè)試其各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)。為此，應(yīng)解決以下幾項(xiàng)內(nèi)容： (1）根據(jù)樣本、使用說(shuō)明書(shū)，摸清有哪些功能指標(biāo)； (2）為要進(jìn)行試驗(yàn)，制定試驗(yàn)條件和試驗(yàn)規(guī)范； (3）選擇和完善試驗(yàn)臺(tái)及相應(yīng)測(cè)試儀表及精度； (4）對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)處理，其中有靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)； (5）試驗(yàn)中出現(xiàn)故障現(xiàn)象的記錄，為進(jìn)一步分析提供依據(jù)。 總之，通過(guò)試驗(yàn)，要客觀捕捉和反映原機(jī)的真實(shí)面貌，總結(jié)其優(yōu)點(diǎn)和不足。對(duì)有些樣機(jī)，不僅要作臺(tái)架試驗(yàn)，必要時(shí)還要作野外行走試驗(yàn)。 3．1．2　測(cè)繪中的幾項(xiàng)關(guān)鍵 (1)尺寸、精度問(wèn)題。一般樣機(jī)都要經(jīng)出廠磨合試驗(yàn)和性能試驗(yàn)，這樣，其尺寸、形狀、表面等精度會(huì)有變化，要反求其公差和表面精度； （2)曲線和曲面擬合問(wèn)題。有些零件或組件，盡管可測(cè)出其特征點(diǎn)，但難以勾畫(huà)出其形狀（例如三維曲面），這就要用三坐標(biāo)測(cè)量和CAD中曲面造型等技術(shù)去解決（見(jiàn)下面軟件反求）； (3）無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題。對(duì)樣機(jī)的零件測(cè)繪不允許有損傷，要能恢復(fù)原狀。例如：有些零件表面有耐磨、耐蝕或美觀性等很薄涂層；材質(zhì)成分和硬度；內(nèi)表面難以測(cè)量的尺寸和形狀等等，就必須用無(wú)損檢測(cè)，一般可用激光技術(shù)、材料轉(zhuǎn)移的光譜技術(shù)、三維全息照相顯示技術(shù)等等。 （4)測(cè)繪后對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題的分析和反設(shè)計(jì)問(wèn)題。測(cè)繪完后要完整變成圖紙，需各種標(biāo)注和根據(jù)對(duì)零件工作特性提出技術(shù)要求；特殊的形狀曲線［2］（例如高次方凸輪輪廓、各種過(guò)渡曲線等）應(yīng)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)反求其科學(xué)依據(jù)；箱體等結(jié)構(gòu)復(fù)雜件應(yīng)采用有限元法去反求其強(qiáng)度和剛度等。 測(cè)繪后的反求是試驗(yàn)反求后的進(jìn)一步深化，能否消化、摸底，提出改進(jìn)挖潛和再創(chuàng)造的途徑，是這階段的關(guān)鍵，有眾多內(nèi)容要做，而且不同對(duì)象尚有其特殊個(gè)性，這里僅列出機(jī)械產(chǎn)品中的一些問(wèn)題。 3.2　軟件反求 產(chǎn)品樣本、技術(shù)文件、設(shè)計(jì)書(shū)、使用說(shuō)明書(shū)、圖紙、有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、管理規(guī)范和質(zhì)量保證手冊(cè)等均稱為技術(shù)軟件。軟件反求中有三類(lèi)情況：一是既有實(shí)物，又有全套技術(shù)軟件；二是有實(shí)物而無(wú)技術(shù)軟件；三是無(wú)實(shí)物，僅有全套或部分技術(shù)軟件。每類(lèi)反求各有特點(diǎn)和難點(diǎn)，這里僅就以下問(wèn)題作介紹。 3．2.1　利用CAD技術(shù)對(duì)復(fù)雜曲面的反求 有很多復(fù)雜曲線、曲面，可以測(cè)出其特征點(diǎn)，但很難靠人工繪圖方法，去擬合和拼接出原來(lái)的曲面，例如液力變矩器、渦輪增壓器的三維曲面，汽車(chē)車(chē)身外形曲面等等?，F(xiàn)代科技的發(fā)展，有條件去精確測(cè)量和反求。 （1)利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x與CAD軟件進(jìn)行反求 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x在設(shè)定基準(zhǔn)下可以測(cè)出所需要的全部三維點(diǎn)坐標(biāo)，是表面數(shù)字化過(guò)程，如何利用這些數(shù)值信息構(gòu)成曲面，需利用CAD軟件中曲面重構(gòu)處理。目前商品化CAD軟件中，已有為反求工程的應(yīng)用模塊，例如Pro／Engineering、Unigraph、Cimatron等，將測(cè)量數(shù)據(jù)按其格式輸入后，即可生成各種曲面，山東工程學(xué)院汽車(chē)工程系亦已研制成這類(lèi)軟件，并在汽車(chē)外形設(shè)計(jì)和反求中應(yīng)用。但三維曲面的光順問(wèn)題還未妥善解決，一般按人為方法去處理，但還有一定誤差。其運(yùn)行示意過(guò)程如圖3。 圖3　三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x與CAD結(jié)合示意圖 進(jìn)一步發(fā)展，是將CAD所得信息與CAM連接，直接利用計(jì)算機(jī)輔助制造加工出產(chǎn)品。 （2）利用特殊材料對(duì)反求樣品進(jìn)行復(fù)制 利用環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)材料熔化后涂在樣件表面，冷卻后即變成樣件制造的陰模，直接生成樣件，不經(jīng)過(guò)表面數(shù)字化過(guò)程。但這僅僅是復(fù)制，未進(jìn)行技術(shù)性的反求。 3.3　影像反求 既無(wú)實(shí)物，又無(wú)技術(shù)軟件，僅有產(chǎn)品相片、圖片、廣告介紹、參觀印象和影視畫(huà)面等，要從中去構(gòu)思、想象來(lái)反求，稱影像反求，這是反求對(duì)象中難度最大的。影像反求本身就是創(chuàng)新過(guò)程。目前還未形成成熟的技術(shù)，一般要利用透視變換和透視投影，形成不同透視圖，從外形、尺寸、比例和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，去琢磨其功能和性能，進(jìn)而分析其內(nèi)部可能的結(jié)構(gòu)。 4　現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法促進(jìn)反求工程的發(fā)展和深化 現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法包括通用的（不針對(duì)具體工程專(zhuān)業(yè)）和專(zhuān)用的（針對(duì)工程專(zhuān)業(yè)）的兩大范疇?？萍及l(fā)展日新月異，如果說(shuō)早期的反求活動(dòng)偏于模仿性、經(jīng)驗(yàn)性、粗略近似的技術(shù)活動(dòng)，用傳統(tǒng)的、常規(guī)的方法基本可以勝任，那么對(duì)現(xiàn)代產(chǎn)品中高新技術(shù)和復(fù)雜多樣的技術(shù)就無(wú)能為力。例如用斷裂力學(xué)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，使用中出現(xiàn)裂紋是正常的，要想用經(jīng)典力學(xué)去反求是無(wú)法解釋的；高次方組合曲線或曲面的零件斷面，不掌握優(yōu)化技術(shù)就難以消化；引進(jìn)產(chǎn)品某些零件壽命可精確地給出多少小時(shí)多少分，如不掌握疲勞和可靠性設(shè)計(jì)方法就會(huì)是個(gè)謎，等等。 反求工程包含的內(nèi)容和知識(shí)面很廣，不同專(zhuān)業(yè)產(chǎn)品又有不同領(lǐng)域。諸如原理、方案、功能、性能、參數(shù)、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、表面狀況、精度和公差、工藝過(guò)程、油品、試驗(yàn)和檢測(cè)、使用規(guī)范、維修、運(yùn)輸、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、貯存等等都要尋究“為什么”的答案，要找出其先進(jìn)科學(xué)的和落后不足的細(xì)節(jié)。引進(jìn)產(chǎn)品不一定都先進(jìn)，盲目吸收掩蓋了落后，不適合國(guó)情是虛假的先進(jìn)，最后都要吃大虧，都不是真正的反求的目標(biāo)。反求過(guò)程中，如何用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法和技術(shù)去尋求符合國(guó)情的適用技術(shù)，是提高國(guó)產(chǎn)化零件質(zhì)量的核心問(wèn)題。尋找適用技術(shù)就是再創(chuàng)造，一旦突破，成效顯著，有時(shí)可使產(chǎn)品上水平、上檔次。 順便指出，開(kāi)展反求工程的研究和應(yīng)用，有助于人才培養(yǎng)。人們需要通過(guò)學(xué)習(xí)、創(chuàng)造、發(fā)明去發(fā)現(xiàn)新事物，而反求本身既是學(xué)習(xí)又可盡快掌握高新技術(shù)，縮小差距。發(fā)達(dá)國(guó)家重視反求，正在發(fā)展中國(guó)家更要重視和掌握這種藝術(shù)和技術(shù)。要完成一項(xiàng)反求任務(wù)，進(jìn)而再創(chuàng)造，需學(xué)習(xí)和掌握眾多知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，促使人們不斷去探討“為什么這樣做”，進(jìn)而深化提高到“應(yīng)該怎樣做”。特別是中外合資和技術(shù)引進(jìn)后的國(guó)產(chǎn)化，有大量反求工作。國(guó)產(chǎn)化就要?jiǎng)?chuàng)新，反求本質(zhì)就是再創(chuàng)造，沒(méi)有相應(yīng)技術(shù)的人才就很難勝任。 5　應(yīng)用展望 反求工程是一門(mén)開(kāi)拓性、綜合性和實(shí)用性很強(qiáng)的技術(shù)。盡管?chē)?guó)內(nèi)外已有大量成功經(jīng)驗(yàn)，但目前還很少有這方面系統(tǒng)的論著，大多散見(jiàn)在各個(gè)行業(yè)的案例或設(shè)計(jì)資料中，很多企業(yè)也不愿將其反求技術(shù)公開(kāi)。 應(yīng)該看到，反求工程有其獨(dú)特的共性技術(shù)和內(nèi)容，還是一門(mén)新興的交叉學(xué)科分支，正如高新技術(shù)層出不窮，解密技術(shù)亦要相應(yīng)發(fā)展。在工程專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，需有設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、使用、維修、檢測(cè)等方面知識(shí)；在現(xiàn)代設(shè)計(jì)法領(lǐng)域，應(yīng)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化、有限元、價(jià)值工程、可靠性、工業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新技法等知識(shí)；在計(jì)算機(jī)方面，需有硬件和軟件的基本知識(shí)；等等?？傊F(xiàn)行產(chǎn)品中的各種復(fù)雜、高新技術(shù)，在反求工程中都會(huì)遇到如何消化吸收問(wèn)題。