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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)結束后，急于恢復和振興經濟。日本在60年代初提出科技立國方針：“一代引進，二代國產化，三代改進出口，四代占領國際市場”，其中在汽車、電子、光學設備和家電等行業(yè)上最突出。為要國產化的改進，迫切需要對別國產品進行消化、吸收、改進和挖潛。這就是反求設計（Inverse Design）或反求工程（Inverse　Engineering），這兩者是同一內涵，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濟振興、進而創(chuàng)造和開發(fā)各種新產品奠定了良好基礎。 實際上，任何產品問世，包括創(chuàng)新、改進和仿制的，都蘊含著對已有科學、技術的繼承和應用借鑒。因而反求思維在工程中的應用已源遠流長，而提出這種術語并作為一門學問去研究，則是60年代初出現(xiàn)的。 市場經濟競爭機制已滲透到各個領域，如何發(fā)展科技和經濟，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、新結構、新技術、新材料、新工藝、新儀器等等。對于發(fā)展一個國家的國民經濟來說，創(chuàng)造性是永恒主題。（2）研究和應用新的設計理論、方法去改造和完善傳統(tǒng)的方法，使能既快又好地設計出新型產品。(3）把計算機應用廣泛地引入產品設計、開發(fā)的全過程（預測、決策、管理、設計制造、試驗、銷售服務等）中，以期達到這些過程的一體化、智能化和自動化。（4）研究和應用反求工程，使能在高的起點去創(chuàng)造新產品。 2　反求工程的含義 反求工程是綜合性很強的術語，它是以設計方法學為指導，以現(xiàn)代設計理論、方法、技術為基礎，運用各種專業(yè)人員的工程設計經驗、知識和創(chuàng)新思維，對已有新產品進行解剖、深化和再創(chuàng)造，是已有設計的設計，這就是反求工程的含義，特別強調再創(chuàng)造是反求的靈魂。 2．1　正設計與反設計 人們通稱的設計，一般均指正設計。它是對一個事物真相事先并不知道，通過設計師的創(chuàng)造性勞動，變?yōu)槿祟愋枨蟮南矏鄣漠a品。為此，首先要根據市場需求，提出目標和技術要求，進行功能設計，創(chuàng)造新方案，經過一系列的設計活動，變?yōu)楫a品。概括地說，正設計是由未知到已知、由想象到現(xiàn)實的過程，其示意圖如圖1。 圖1　正設計過程示意圖 反設計是從已知事物的有關信息（包括硬件、軟件、照片、廣告、情報等）去尋求這些信息的科學性、技術性，先進性、經濟性、合理性、國產化的可能性等等，要回溯這些信息的科學依據，即充分消化和吸收，而更重要本質是在此基礎上要改進、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，其質量和生命周期不會有競爭力，更嚴重的是侵權行為，要受產權保護制裁。圖2為反設計過程示意圖。 如果說正設計的關鍵要解答“怎么做?”，即設計任務提出后，怎樣實現(xiàn)和達到預定目標，那么反求的關鍵要解答“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，要摸清設計意圖、所用技術、關鍵和設計理論與方法。從這個意義上說，正設計是主動的創(chuàng)造，而反求是先被動后主動的創(chuàng)造，別有一番難度。故反求并非正設計的簡單逆過程，因為一個先進成熟的產品，凝集著設計者的智慧和技術，要去吃透、消化，包含很多復雜內容。往往吃透別人的技術比自己創(chuàng)造還難，這是因為：（1）先進產品中總有“絕招”、“訣竅”和關鍵技術，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品，大多數(shù)達不到原產品的水平，涉及原因、內容和技術是多方面的，正說明發(fā)展反求工程的研究和應用是多么重要。 圖2　反設計過程示意圖 正設計和反設計既有區(qū)別又相輔相成，具有豐富正設計經驗和水平的人，可以顯著提高反求水平；反設計的成功經驗可以促進正設計的水平。但缺乏正設計經驗者，反設計中也不能充分消化吸收。作為一個國家來說，吃透別人的技術僅僅是第一步，在此基礎上結合國情進行再創(chuàng)造，變成有自主權和競爭力的新產品，才是反求工程的完整意義和目的。 2．2　反求工程與知識產權 任何一項新技術、新產品，應該受到有關保護法（如專利法、知識產權法、商標法等）的法律保護，這是國際性的共同行為規(guī)范，這才能引導正常的市場競爭和貿易。反求工程絕不等于偷技術，它是在科技道德和法律制約下，從學術、工程、技術方面來促進科技的發(fā)展。這是因為： （1）任何產品的設計、開發(fā)，總要借鑒、繼承已有的知識和技術，市場上的產品總要被別人借鑒，關鍵要劃清產權的界限。 （2）青出于藍而勝于藍是發(fā)展規(guī)律，通過反求來發(fā)展新產品，起點高，周期短，成效快，決非照抄照搬。 (3）科學的反求，有助于促進技術革新，擴大眼界，有助于盡快培養(yǎng)新人。 但應該強調，作為一個國家、民族，為發(fā)展科技和振興經濟，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)造的關鍵。其中包括功能反求、性能反求、方案、結構、材質、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。 作者經歷過多種產品的反求，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，應解決以下幾項內容： (1）根據樣本、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測試儀表及精度； (4）對試驗結果的科學處理，其中有靜態(tài)數(shù)據和動態(tài)數(shù)據； (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。 總之，通過試驗，要客觀捕捉和反映原機的真實面貌，總結其優(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　測繪中的幾項關鍵 (1)尺寸、精度問題。一般樣機都要經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；材質成分和硬度；內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、材料轉移的光譜技術、三維全息照相顯示技術等等。 （4)測繪后對關鍵問題的分析和反設計問題。測繪完后要完整變成圖紙，需各種標注和根據對零件工作特性提出技術要求；特殊的形狀曲線［2］（例如高次方凸輪輪廓、各種過渡曲線等）應通過優(yōu)化設計反求其科學依據；箱體等結構復雜件應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，是這階段的關鍵，有眾多內容要做，而且不同對象尚有其特殊個性，這里僅列出機械產品中的一些問題。 3.2　軟件反求 產品樣本、技術文件、設計書、使用說明書、圖紙、有關規(guī)范和標準、管理規(guī)范和質量保證手冊等均稱為技術軟件。軟件反求中有三類情況：一是既有實物，又有全套技術軟件；二是有實物而無技術軟件；三是無實物，僅有全套或部分技術軟件。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技術對復雜曲面的反求 有很多復雜曲線、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)值信息構成曲面，需利用CAD軟件中曲面重構處理。目前商品化CAD軟件中，已有為反求工程的應用模塊，例如Pro／Engineering、Unigraph、Cimatron等，將測量數(shù)據按其格式輸入后，即可生成各種曲面，山東工程學院汽車工程系亦已研制成這類軟件，并在汽車外形設計和反求中應用。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品。 （2）利用特殊材料對反求樣品進行復制 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，不經過表面數(shù)字化過程。但這僅僅是復制，未進行技術性的反求。 3.3　影像反求 既無實物，又無技術軟件，僅有產品相片、圖片、廣告介紹、參觀印象和影視畫面等，要從中去構思、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，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，進而分析其內部可能的結構。 4　現(xiàn)代設計理論和方法促進反求工程的發(fā)展和深化 現(xiàn)代設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。科技發(fā)展日新月異，如果說早期的反求活動偏于模仿性、經驗性、粗略近似的技術活動，用傳統(tǒng)的、常規(guī)的方法基本可以勝任，那么對現(xiàn)代產品中高新技術和復雜多樣的技術就無能為力。例如用斷裂力學設計的產品，使用中出現(xiàn)裂紋是正常的，要想用經典力學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)化技術就難以消化；引進產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計方法就會是個謎，等等。 反求工程包含的內容和知識面很廣，不同專業(yè)產品又有不同領域。諸如原理、方案、功能、性能、參數(shù)、材質、結構、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、經濟性、貯存等等都要尋究“為什么”的答案，要找出其先進科學的和落后不足的細節(jié)。引進產品不一定都先進，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)代設計理論、方法和技術去尋求符合國情的適用技術，是提高國產化零件質量的核心問題。尋找適用技術就是再創(chuàng)造，一旦突破，成效顯著，有時可使產品上水平、上檔次。 順便指出，開展反求工程的研究和應用，有助于人才培養(yǎng)。人們需要通過學習、創(chuàng)造、發(fā)明去發(fā)現(xiàn)新事物，而反求本身既是學習又可盡快掌握高新技術，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和技術。要完成一項反求任務，進而再創(chuàng)造，需學習和掌握眾多知識和經驗，促使人們不斷去探討“為什么這樣做”，進而深化提高到“應該怎樣做”。特別是中外合資和技術引進后的國產化，有大量反求工作。國產化就要創(chuàng)新，反求本質就是再創(chuàng)造，沒有相應技術的人才就很難勝任。 5　應用展望 反求工程是一門開拓性、綜合性和實用性很強的技術。盡管國內外已有大量成功經驗，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)的案例或設計資料中，很多企業(yè)也不愿將其反求技術公開。 應該看到，反求工程有其獨特的共性技術和內容，還是一門新興的交叉學科分支，正如高新技術層出不窮，解密技術亦要相應發(fā)展。在工程專業(yè)領域，需有設計、制造、試驗、使用、維修、檢測等方面知識；在現(xiàn)代設計法領域，應有系統(tǒng)設計、優(yōu)化、有限元、價值工程、可靠性、工業(yè)設計、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)行產品中的各種復雜、高新技術，在反求工程中都會遇到如何消化吸收問題。