淺談穩(wěn)健性產(chǎn)品設(shè)計(jì)

劉振

摘要：文章介紹了穩(wěn)健性設(shè)計(jì)的基本原理、典型方法和特性，再結(jié)合田口質(zhì)量的產(chǎn)品穩(wěn)健性分析，可以發(fā)現(xiàn)穩(wěn)健性對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量的控制是非常有效的，證明了該方法可以提高質(zhì)量、降低成本，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)健性設(shè)計(jì)；質(zhì)量控制；田口質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）07-

產(chǎn)品設(shè)計(jì)是決定產(chǎn)品的第一也是最重要的環(huán)節(jié)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來(lái)的質(zhì)量問(wèn)題如果不及時(shí)處理，會(huì)引起連鎖反應(yīng)，其解決需要的時(shí)間和費(fèi)用很高。在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮得全面、合理、仔細(xì)能夠有效地降低成本，減少質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生。通過(guò)穩(wěn)健性設(shè)計(jì)不僅能夠提高質(zhì)量，還能使產(chǎn)品特性對(duì)不可控因素的敏感性降低。

1 穩(wěn)健性產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)

1.1 穩(wěn)健性設(shè)計(jì)的基本原理

產(chǎn)品的質(zhì)量在其生命周期內(nèi)會(huì)被各種因素影響，這些影響具有不確定性，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量特性波動(dòng)。直接消除干擾因素，雖然可以解決問(wèn)題但是實(shí)現(xiàn)難度過(guò)大、成本過(guò)高?？梢员M量降低干擾因素，使質(zhì)量與因素之間關(guān)聯(lián)變?nèi)?，?duì)干擾變得不敏感，這就是穩(wěn)健性設(shè)計(jì)的原理。

1.2 穩(wěn)健性設(shè)計(jì)典型方法

穩(wěn)健性來(lái)源于控制理論中的魯棒性，是指變量對(duì)因素發(fā)生微小差變的不敏感性。如何定量地度量設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性是穩(wěn)健性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)?？尚蟹€(wěn)健性是指產(chǎn)品性能質(zhì)量在印象因素作用下穩(wěn)定在所允許的范圍內(nèi)的能力；敏感穩(wěn)健性是指產(chǎn)品性能質(zhì)量在噪聲因素作用下保持穩(wěn)定的能力。穩(wěn)健性的指標(biāo)有質(zhì)量損失函數(shù)、信噪比、質(zhì)量信息熵等。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究和應(yīng)用，穩(wěn)健性設(shè)計(jì)的技術(shù)取得了很大的進(jìn)展，出現(xiàn)了多種穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法。馬義中通過(guò)熵和協(xié)方差矩陣的關(guān)系，建立多元質(zhì)量特性的信噪比計(jì)算公式來(lái)度量產(chǎn)品質(zhì)量特性的整體波動(dòng)，為了克服質(zhì)量特性協(xié)方差不能直接反映質(zhì)量特性的波動(dòng)關(guān)系，利用信息熵概念度量穩(wěn)健設(shè)計(jì)中多元質(zhì)量特性的整體波動(dòng)。比較常用的如下：

1.2.1 田口方法。田口方法以正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)和容差設(shè)計(jì)三個(gè)階段，最后通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)確定參數(shù)值可以到達(dá)的最佳水平組合。該方法為穩(wěn)健性設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，但是必須事先確定方案的大致范圍，局限性強(qiáng)，需要進(jìn)一步研究。

1.2.2 雙響應(yīng)面法。雙響應(yīng)面法可以將噪聲因素和設(shè)計(jì)變量結(jié)合，綜合考慮其對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。適用于噪聲因素非正太分布，求解誤差小，但是對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)敏感，模型擬合較為困難。

1.2.3 隨機(jī)模型法。隨機(jī)模型將設(shè)計(jì)變量和噪聲的隨機(jī)性作為重點(diǎn)考慮對(duì)象，將穩(wěn)健設(shè)計(jì)引入到有隨機(jī)因素的工程中。該方法不要求變量為正太分布，實(shí)用價(jià)值很高，但是建模和計(jì)算較為困難。

1.2.4 靈敏度法。為了保證產(chǎn)品對(duì)設(shè)計(jì)變量和噪聲因素的影響達(dá)到最小，將設(shè)計(jì)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量和噪聲因素的非線性效應(yīng)作為主要研究對(duì)象。該方法可以快速確定需要調(diào)節(jié)的范圍，可以結(jié)合其他穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法，但是主要應(yīng)用于質(zhì)量指標(biāo)問(wèn)題。

1.3 穩(wěn)健性設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.3.1 穩(wěn)健性設(shè)計(jì)可以將噪聲因素分為可控與不可控因素，利用模型盡可能地消除干擾因素，提高質(zhì)量。

1.3.2 產(chǎn)品的平均特性可以由內(nèi)表可查，穩(wěn)健性由外表考察，采用先進(jìn)的方法可以在盡可能少的試驗(yàn)中獲取大量信息。

1.3.3 穩(wěn)健性產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)一起考慮，將其中的干擾都計(jì)算到數(shù)學(xué)模型中，所以其抗干擾的能力很強(qiáng)。

1.3.4 穩(wěn)健性產(chǎn)品設(shè)計(jì)考慮到系統(tǒng)的非線性特性，可以在有效控制成本的前提下，生產(chǎn)出較高質(zhì)量的產(chǎn)品。

1.3.5 該技術(shù)需要對(duì)技術(shù)人員進(jìn)行專業(yè)的培訓(xùn)，才能迅速轉(zhuǎn)化為成果。

1.3.6 已經(jīng)研發(fā)出響應(yīng)的平臺(tái)及軟件，在計(jì)算時(shí)輔助下大大提升了工作效率。

1.3.7 適用性強(qiáng)，可以應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，不斷地提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2 基于田口質(zhì)量的產(chǎn)品穩(wěn)健性設(shè)計(jì)分析

對(duì)于定制生成方式，需要將客戶的定制轉(zhuǎn)化各種模塊化的配合，然后通過(guò)選擇模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的選擇。將田口質(zhì)量法與模塊化結(jié)合，可以減少產(chǎn)品由于質(zhì)量波動(dòng)造成的損失。

2.1 定制產(chǎn)品的多元損失函數(shù)

假設(shè)產(chǎn)品的質(zhì)量特性為y，目標(biāo)值為，合理偏差為。質(zhì)量特性的類型可以分為望目、望大、望小三種。望目特性：希望特性值存在一個(gè)目標(biāo)值，并希望實(shí)際的特性值圍繞目標(biāo)波動(dòng)，且波動(dòng)越小越好。望小特性：希望特性和波動(dòng)越小越好，如零件磨損等。望大特性：希望特性和波動(dòng)越大越好，如機(jī)器效率、零件壽命等。產(chǎn)品質(zhì)量損失函數(shù)為：

（1）

式中：反映了質(zhì)量波動(dòng)程度，k為比例常數(shù)，k的值與望目、望大、望小三種特性相關(guān)。該公式說(shuō)明當(dāng)質(zhì)量特性在合理的偏差范圍中波動(dòng)時(shí)，雖然產(chǎn)品合格但是仍然會(huì)給用戶產(chǎn)生一定程度的損失。

2.2 定制產(chǎn)品的穩(wěn)健性表達(dá)

因?yàn)樵肼暤挠绊?，產(chǎn)品的質(zhì)量具有一定的隨機(jī)性，因此穩(wěn)健性必須考慮。這里根據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量特性引入了信噪比的概念，通過(guò)信噪比來(lái)度量產(chǎn)品質(zhì)量特性的穩(wěn)健性。

其中作為產(chǎn)品穩(wěn)健性的度量指標(biāo)，其值越大，產(chǎn)品越趨于穩(wěn)健，損失就越小。因此根據(jù)不同的質(zhì)量特性可以對(duì)賦予不同權(quán)重。

2.3 定制產(chǎn)品的穩(wěn)健選配模型

根據(jù)數(shù)學(xué)模型，模塊實(shí)例選配的步驟如下：

2.3.1 分析產(chǎn)品質(zhì)量特點(diǎn)，判斷其類型。

2.3.2 根據(jù)模塊實(shí)例的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算各種質(zhì)量特性的信噪比。

2.3.3 計(jì)算質(zhì)量特性權(quán)重。

2.3.4 確定各質(zhì)量特性類型，并計(jì)算產(chǎn)品質(zhì)量特性。

2.3.5 分析產(chǎn)品封閉環(huán)，計(jì)算配合偏差。

2.3.6 最優(yōu)化求解，選擇最佳方案。

3 實(shí)際應(yīng)用

對(duì)于出頭彈簧參數(shù)設(shè)置，可以采用穩(wěn)健性設(shè)計(jì)原理。已知數(shù)據(jù)：F=4N，力臂L=24mm，則力矩M=4×24=96N·mm。滿足力矩的參數(shù)不是唯一的，不同的彈簧鋼絲直徑、中徑、圈數(shù)都會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生不同的作用。這里要選擇最佳信噪比、靈敏度的方案，通過(guò)分析找出穩(wěn)定和調(diào)整因素。彈簧設(shè)計(jì)時(shí)質(zhì)量特性的數(shù)學(xué)模型：Φ，其中d為直徑，D為中徑，n為有效圈數(shù)，Φ為旋轉(zhuǎn)角度，如表1

所示：

所以可以確定最佳參數(shù)為：d=1.2mm、D=7.2mm、n=2.9圈、Φ=34°。

田口方法是質(zhì)量高、可靠性高、效率高的設(shè)計(jì)方法，隨著廣泛的應(yīng)用，效果會(huì)越來(lái)越好。實(shí)踐表明穩(wěn)健性是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和選擇的第一準(zhǔn)則，田口方法可以很好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的穩(wěn)健性。

4 結(jié)語(yǔ)

穩(wěn)健性產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，是一種快速、經(jīng)濟(jì)的獲取提高產(chǎn)品質(zhì)量的可行性解決方案。因此研究穩(wěn)健性產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并將其各個(gè)領(lǐng)域全面推廣是非常必要的。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃自興，韓壽祖，邵丹雄，等.穩(wěn)健性產(chǎn)品設(shè)計(jì)探討[J].石油商技，2002，（3）：1-5.

[2] 陳立周.穩(wěn)健設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3] 馬義中，徐濟(jì)超.多指標(biāo)穩(wěn)健設(shè)計(jì)質(zhì)量特性的度量[J].系統(tǒng)工程，1998，16（6）：34-37.

[4] 馬義中，趙逢禹.多元質(zhì)量特性的穩(wěn)健設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2005，27（9）：1580-1582.

（責(zé)任編輯：吳 濤）