反求工程出現(xiàn)和發(fā)展的時代背景.doc

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反求工程出現(xiàn)和發(fā)展的時代背景 二次大戰(zhàn)中，幾十個國家卷入戰(zhàn)禍，飽受戰(zhàn)爭創(chuàng)傷。特別是戰(zhàn)敗國，在二戰(zhàn)結(jié)束后，急于恢復(fù)和振興經(jīng)濟。日本在60年代初提出科技立國方針：“一代引進，二代國產(chǎn)化，三代改進出口，四代占領(lǐng)國際市場”，其中在汽車、電子、光學(xué)設(shè)備和家電等行業(yè)上最突出。為要國產(chǎn)化的改進，迫切需要對別國產(chǎn)品進行消化、吸收、改進和挖潛。這就是反求設(shè)計（Inverse Design）或反求工程（Inverse　Engineering），這兩者是同一內(nèi)涵，僅是不同國家的不同提法。發(fā)展到現(xiàn)在，己成為世界各國在發(fā)展經(jīng)濟中不可缺少的手段或重要對策，反求工程的大量采用為日本的經(jīng)濟振興、進而創(chuàng)造和開發(fā)各種新產(chǎn)品奠定了良好基礎(chǔ)。 實際上，任何產(chǎn)品問世，包括創(chuàng)新、改進和仿制的，都蘊含著對已有科學(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)用已源遠流長，而提出這種術(shù)語并作為一門學(xué)問去研究，則是60年代初出現(xiàn)的。 市場經(jīng)濟競爭機制已滲透到各個領(lǐng)域，如何發(fā)展科技和經(jīng)濟，世界各國都在研究對策。從共性特征可概括為4個方面對策：(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。對于發(fā)展一個國家的國民經(jīng)濟來說，創(chuàng)造性是永恒主題。（2）研究和應(yīng)用新的設(shè)計理論、方法去改造和完善傳統(tǒng)的方法，使能既快又好地設(shè)計出新型產(chǎn)品。(3）把計算機應(yīng)用廣泛地引入產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)的全過程（預(yù)測、決策、管理、設(shè)計制造、試驗、銷售服務(wù)等）中，以期達到這些過程的一體化、智能化和自動化。（4）研究和應(yīng)用反求工程，使能在高的起點去創(chuàng)造新產(chǎn)品。 2　反求工程的含義 反求工程是綜合性很強的術(shù)語，它是以設(shè)計方法學(xué)為指導(dǎo)，以現(xiàn)代設(shè)計理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)，運用各種專業(yè)人員的工程設(shè)計經(jīng)驗、知識和創(chuàng)新思維，對已有新產(chǎn)品進行解剖、深化和再創(chuàng)造，是已有設(shè)計的設(shè)計，這就是反求工程的含義，特別強調(diào)再創(chuàng)造是反求的靈魂。 2．1　正設(shè)計與反設(shè)計 人們通稱的設(shè)計，一般均指正設(shè)計。它是對一個事物真相事先并不知道，通過設(shè)計師的創(chuàng)造性勞動，變?yōu)槿祟愋枨蟮南矏鄣漠a(chǎn)品。為此，首先要根據(jù)市場需求，提出目標和技術(shù)要求，進行功能設(shè)計，創(chuàng)造新方案，經(jīng)過一系列的設(shè)計活動，變?yōu)楫a(chǎn)品。概括地說，正設(shè)計是由未知到已知、由想象到現(xiàn)實的過程，其示意圖如圖1。 圖1　正設(shè)計過程示意圖 反設(shè)計是從已知事物的有關(guān)信息（包括硬件、軟件、照片、廣告、情報等）去尋求這些信息的科學(xué)性、技術(shù)性，先進性、經(jīng)濟性、合理性、國產(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、挖潛進行再創(chuàng)造。反求的目標如僅限于仿制，是最原始、低級的模仿，其質(zhì)量和生命周期不會有競爭力，更嚴重的是侵權(quán)行為，要受產(chǎn)權(quán)保護制裁。圖2為反設(shè)計過程示意圖。 如果說正設(shè)計的關(guān)鍵要解答“怎么做?”，即設(shè)計任務(wù)提出后，怎樣實現(xiàn)和達到預(yù)定目標，那么反求的關(guān)鍵要解答“為什么要這樣做?”，即已知目標后，要探索和掌握這種目標的設(shè)計者是如何一步一步實現(xiàn)的，反求別人腦袋里是怎樣想、怎樣做的，要摸清設(shè)計意圖、所用技術(shù)、關(guān)鍵和設(shè)計理論與方法。從這個意義上說，正設(shè)計是主動的創(chuàng)造，而反求是先被動后主動的創(chuàng)造，別有一番難度。故反求并非正設(shè)計的簡單逆過程，因為一個先進成熟的產(chǎn)品，凝集著設(shè)計者的智慧和技術(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，這是因為：（1）先進產(chǎn)品中總有“絕招”、“訣竅”和關(guān)鍵技術(shù)，我們并不掌握；（2）別人的思維不會告訴你，要想“鉆進別人腦袋里去挖出來”，要花艱苦勞動。多年來我國測繪仿制的產(chǎn)品，大多數(shù)達不到原產(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)計過程示意圖 正設(shè)計和反設(shè)計既有區(qū)別又相輔相成，具有豐富正設(shè)計經(jīng)驗和水平的人，可以顯著提高反求水平；反設(shè)計的成功經(jīng)驗可以促進正設(shè)計的水平。但缺乏正設(shè)計經(jīng)驗者，反設(shè)計中也不能充分消化吸收。作為一個國家來說，吃透別人的技術(shù)僅僅是第一步，在此基礎(chǔ)上結(jié)合國情進行再創(chuàng)造，變成有自主權(quán)和競爭力的新產(chǎn)品，才是反求工程的完整意義和目的。 2．2　反求工程與知識產(chǎn)權(quán) 任何一項新技術(shù)、新產(chǎn)品，應(yīng)該受到有關(guān)保護法（如專利法、知識產(chǎn)權(quán)法、商標法等）的法律保護，這是國際性的共同行為規(guī)范，這才能引導(dǎo)正常的市場競爭和貿(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)方面來促進科技的發(fā)展。這是因為： （1）任何產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)，總要借鑒、繼承已有的知識和技術(shù)，市場上的產(chǎn)品總要被別人借鑒，關(guān)鍵要劃清產(chǎn)權(quán)的界限。 （2）青出于藍而勝于藍是發(fā)展規(guī)律，通過反求來發(fā)展新產(chǎn)品，起點高，周期短，成效快，決非照抄照搬。 (3）科學(xué)的反求，有助于促進技術(shù)革新，擴大眼界，有助于盡快培養(yǎng)新人。 但應(yīng)該強調(diào)，作為一個國家、民族，為發(fā)展科技和振興經(jīng)濟，不能全靠反求來生存；鼓勵獨立的創(chuàng)造性永遠是主旋律或主題。 3　反求對象的類別 從工程技術(shù)角度看，反求對象可概括為實物反求、軟件反求和影像反求三類。 3．1　實物反求 顧名思義，它是在已有實物條件下，通過試驗、測繪和詳細分折，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。實物反求對象可以是整機、部件組件和零件。 作者經(jīng)歷過多種產(chǎn)品的反求，以下幾點可供借鑒。 3.1.1　試驗方案和試驗方法 實物反求，首先要在未解體前進行功能、性能等全面試驗考核，測試其各項功能和性能指標。為此，應(yīng)解決以下幾項內(nèi)容： (1）根據(jù)樣本、使用說明書，摸清有哪些功能指標； (2）為要進行試驗，制定試驗條件和試驗規(guī)范； (3）選擇和完善試驗臺及相應(yīng)測試儀表及精度； (4）對試驗結(jié)果的科學(xué)處理，其中有靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)； (5）試驗中出現(xiàn)故障現(xiàn)象的記錄，為進一步分析提供依據(jù)。 總之，通過試驗，要客觀捕捉和反映原機的真實面貌，總結(jié)其優(yōu)點和不足。對有些樣機，不僅要作臺架試驗，必要時還要作野外行走試驗。 3．1．2　測繪中的幾項關(guān)鍵 (1)尺寸、精度問題。一般樣機都要經(jīng)出廠磨合試驗和性能試驗，這樣，其尺寸、形狀、表面等精度會有變化，要反求其公差和表面精度； （2)曲線和曲面擬合問題。有些零件或組件，盡管可測出其特征點，但難以勾畫出其形狀（例如三維曲面），這就要用三坐標測量和CAD中曲面造型等技術(shù)去解決（見下面軟件反求）； (3）無損檢測問題。對樣機的零件測繪不允許有損傷，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)表面難以測量的尺寸和形狀等等，就必須用無損檢測，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)測繪后對關(guān)鍵問題的分析和反設(shè)計問題。測繪完后要完整變成圖紙，需各種標注和根據(jù)對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、各種過渡曲線等）應(yīng)通過優(yōu)化設(shè)計反求其科學(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度和剛度等。 測繪后的反求是試驗反求后的進一步深化，能否消化、摸底，提出改進挖潛和再創(chuàng)造的途徑，是這階段的關(guān)鍵，有眾多內(nèi)容要做，而且不同對象尚有其特殊個性，這里僅列出機械產(chǎn)品中的一些問題。 3.2　軟件反求 產(chǎn)品樣本、技術(shù)文件、設(shè)計書、使用說明書、圖紙、有關(guān)規(guī)范和標準、管理規(guī)范和質(zhì)量保證手冊等均稱為技術(shù)軟件。軟件反求中有三類情況：一是既有實物，又有全套技術(shù)軟件；二是有實物而無技術(shù)軟件；三是無實物，僅有全套或部分技術(shù)軟件。每類反求各有特點和難點，這里僅就以下問題作介紹。 3．2.1　利用CAD技術(shù)對復(fù)雜曲面的反求 有很多復(fù)雜曲線、曲面，可以測出其特征點，但很難靠人工繪圖方法，去擬合和拼接出原來的曲面，例如液力變矩器、渦輪增壓器的三維曲面，汽車車身外形曲面等等?，F(xiàn)代科技的發(fā)展，有條件去精確測量和反求。 （1)利用三坐標測量儀與CAD軟件進行反求 三坐標測量儀在設(shè)定基準下可以測出所需要的全部三維點坐標，是表面數(shù)字化過程，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)院汽車工程系亦已研制成這類軟件，并在汽車外形設(shè)計和反求中應(yīng)用。但三維曲面的光順問題還未妥善解決，一般按人為方法去處理，但還有一定誤差。其運行示意過程如圖3。 圖3　三坐標測量儀與CAD結(jié)合示意圖 進一步發(fā)展，是將CAD所得信息與CAM連接，直接利用計算機輔助制造加工出產(chǎn)品。 （2）利用特殊材料對反求樣品進行復(fù)制 利用環(huán)氧樹脂類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)過表面數(shù)字化過程。但這僅僅是復(fù)制，未進行技術(shù)性的反求。 3.3　影像反求 既無實物，又無技術(shù)軟件，僅有產(chǎn)品相片、圖片、廣告介紹、參觀印象和影視畫面等，要從中去構(gòu)思、想象來反求，稱影像反求，這是反求對象中難度最大的。影像反求本身就是創(chuàng)新過程。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、比例和專業(yè)知識，去琢磨其功能和性能，進而分析其內(nèi)部可能的結(jié)構(gòu)。 4　現(xiàn)代設(shè)計理論和方法促進反求工程的發(fā)展和深化 現(xiàn)代設(shè)計理論和方法包括通用的（不針對具體工程專業(yè)）和專用的（針對工程專業(yè)）的兩大范疇?？萍及l(fā)展日新月異，如果說早期的反求活動偏于模仿性、經(jīng)驗性、粗略近似的技術(shù)活動，用傳統(tǒng)的、常規(guī)的方法基本可以勝任，那么對現(xiàn)代產(chǎn)品中高新技術(shù)和復(fù)雜多樣的技術(shù)就無能為力。例如用斷裂力學(xué)設(shè)計的產(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；引進產(chǎn)品某些零件壽命可精確地給出多少小時多少分，如不掌握疲勞和可靠性設(shè)計方法就會是個謎，等等。 反求工程包含的內(nèi)容和知識面很廣，不同專業(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、工藝過程、油品、試驗和檢測、使用規(guī)范、維修、運輸、可靠性、經(jīng)濟性、貯存等等都要尋究“為什么”的答案，要找出其先進科學(xué)的和落后不足的細節(jié)。引進產(chǎn)品不一定都先進，盲目吸收掩蓋了落后，不適合國情是虛假的先進，最后都要吃大虧，都不是真正的反求的目標。反求過程中，如何用現(xiàn)代設(shè)計理論、方法和技術(shù)去尋求符合國情的適用技術(shù)，是提高國產(chǎn)化零件質(zhì)量的核心問題。尋找適用技術(shù)就是再創(chuàng)造，一旦突破，成效顯著，有時可使產(chǎn)品上水平、上檔次。 順便指出，開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)達國家重視反求，正在發(fā)展中國家更要重視和掌握這種藝術(shù)和技術(shù)。要完成一項反求任務(wù)，進而再創(chuàng)造，需學(xué)習(xí)和掌握眾多知識和經(jīng)驗，促使人們不斷去探討“為什么這樣做”，進而深化提高到“應(yīng)該怎樣做”。特別是中外合資和技術(shù)引進后的國產(chǎn)化，有大量反求工作。國產(chǎn)化就要創(chuàng)新，反求本質(zhì)就是再創(chuàng)造，沒有相應(yīng)技術(shù)的人才就很難勝任。 5　應(yīng)用展望 反求工程是一門開拓性、綜合性和實用性很強的技術(shù)。盡管國內(nèi)外已有大量成功經(jīng)驗，但目前還很少有這方面系統(tǒng)的論著，大多散見在各個行業(yè)的案例或設(shè)計資料中，很多企業(yè)也不愿將其反求技術(shù)公開。 應(yīng)該看到，反求工程有其獨特的共性技術(shù)和內(nèi)容，還是一門新興的交叉學(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。在工程專業(yè)領(lǐng)域，需有設(shè)計、制造、試驗、使用、維修、檢測等方面知識；在現(xiàn)代設(shè)計法領(lǐng)域，應(yīng)有系統(tǒng)設(shè)計、優(yōu)化、有限元、價值工程、可靠性、工業(yè)設(shè)計、創(chuàng)新技法等知識；在計算機方面，需有硬件和軟件的基本知識；等等?？傊?，現(xiàn)行產(chǎn)品中的各種復(fù)雜、高新技術(shù)，在反求工程中都會遇到如何消化吸收問題。