關(guān)于機(jī)械設(shè)計(jì)中健壯設(shè)計(jì)的應(yīng)用

（1河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院;2鄭州信息科技職業(yè)學(xué)院，鄭州 450008）

摘 要：機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)于許多行業(yè)來講都是極其重要的，尤其是對(duì)于制造業(yè)而言，機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、功能和安全都具有直接聯(lián)系。但是，單純通過機(jī)械設(shè)計(jì)得出的產(chǎn)品可能存在一定的性能缺陷。在這種情況下，健壯設(shè)計(jì)被逐漸運(yùn)用到機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中。本文對(duì)健壯設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡單介紹，深入分析了健壯設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì);健壯設(shè)計(jì);應(yīng)用

0 引言

對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)而言，保證產(chǎn)品質(zhì)量和性能是最為根本的任務(wù)。但是對(duì)于某些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，單純的機(jī)械設(shè)計(jì)無法完全達(dá)到預(yù)期要求，需要輔以健壯設(shè)計(jì)來強(qiáng)化產(chǎn)品性能和質(zhì)量。

1 健壯設(shè)計(jì)

健壯設(shè)計(jì)提出的目的在于削弱產(chǎn)品存在的質(zhì)量波動(dòng)，強(qiáng)化產(chǎn)品抗干擾能力。健壯設(shè)計(jì)主要包括了三個(gè)環(huán)節(jié)，分別是參數(shù)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和容差設(shè)計(jì)。從這三個(gè)方面入手進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，就可以大幅提升產(chǎn)品的質(zhì)量及性能特征，強(qiáng)化其抗干擾能力，降低對(duì)影響因素的靈敏度。

通過健壯設(shè)計(jì)得出的產(chǎn)品不但能夠保證較高的質(zhì)量，穩(wěn)定性也十分可觀，還可以降低在使用過程中的各類成本。健壯設(shè)計(jì)充分利用了信噪比的基本設(shè)計(jì)思想，深入利用了非線性效應(yīng)，在正交設(shè)計(jì)理論的指導(dǎo)下，得出最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

2 健壯設(shè)計(jì)基本理論

2.1 質(zhì)量特性

質(zhì)量是產(chǎn)品外在表現(xiàn)的一類特性，也是健壯設(shè)計(jì)的目的之一。根據(jù)實(shí)際情況而言，質(zhì)量特性可以分為三個(gè)層面。首先是望目特性，這是指消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品持有的期望特性目標(biāo)，即消費(fèi)者希望產(chǎn)品能夠達(dá)到層次或水平。望目特性的真實(shí)值和目標(biāo)值應(yīng)該保持較小的差距，以便消費(fèi)者接受。其次為望大特性，這是指對(duì)產(chǎn)品某方面的性能值期望越大越好，比如壽命、強(qiáng)度等。最后為望小特性，即指對(duì)產(chǎn)品某方面的性能值期望越小越好，比如磨損、振動(dòng)、噪音等。

2.2 導(dǎo)致質(zhì)量波動(dòng)的因素

產(chǎn)品是存在質(zhì)量波動(dòng)的，而導(dǎo)致質(zhì)量波動(dòng)的因素主要有五類。一是可控因素，主要是指可以進(jìn)行控制的產(chǎn)品質(zhì)量影響因素，比如表面精度等;二是標(biāo)識(shí)因素，主要是指產(chǎn)品使用環(huán)境和條件的影響因素，比如溫度、電流等;三是組別因素，主要是指產(chǎn)品在不同生產(chǎn)線上進(jìn)行生產(chǎn)而出現(xiàn)的質(zhì)量波動(dòng)，比如加工設(shè)備差異、人員差異等;四是信號(hào)因素，主要是指在不同的輸入信號(hào)下，產(chǎn)品會(huì)表現(xiàn)出不同的性能，一般和輸出為線性關(guān)系;五是誤差因素，出上述因素之外，還存在一些其他因素會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量波動(dòng)，這些因素主要包括了外部擾動(dòng)、內(nèi)部擾動(dòng)等。

2.3 信噪比

信噪比設(shè)計(jì)的基本數(shù)學(xué)計(jì)算公式為：，其是田口玄一所提出的，式中η代表信噪比，是質(zhì)量特性均值，是誤差方差。根據(jù)實(shí)際情況而言，誤差方差越接近目標(biāo)值，質(zhì)量特性均值越小，產(chǎn)品的真實(shí)質(zhì)量就越好。但是，值在產(chǎn)品的制造過程中會(huì)出現(xiàn)一定程度的偏離，其偏離度計(jì)算可以根據(jù)公式：Y=/進(jìn)行，式中Y代表了值發(fā)生的偏離度。此外，還應(yīng)該在三次設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，相應(yīng)評(píng)價(jià)公式為：/=2/2，式中/代表了評(píng)價(jià)指標(biāo)。如果值不產(chǎn)生變化，那么的值越小，的值就越大，也就表示產(chǎn)品的質(zhì)量波動(dòng)特性越小。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)中健壯設(shè)計(jì)的應(yīng)用探究

3.1 確定影響因素和信噪比

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，運(yùn)用健壯設(shè)計(jì)先將產(chǎn)品橫向劃分為一系列較小的部分，再縱向?qū)Ω鞑糠值挠绊懸蛩剡M(jìn)行逐一確定。承載構(gòu)建的信噪比可以通過強(qiáng)度和強(qiáng)度波動(dòng)的比值，承載力和承載波動(dòng)的比值得以體現(xiàn);轉(zhuǎn)換機(jī)械和運(yùn)動(dòng)機(jī)械的信噪比主要體現(xiàn)為狀態(tài)變量波動(dòng)和輸出運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變量的比值;動(dòng)力裝置的信噪比主要表現(xiàn)在輸出功率和功率波動(dòng)之間的比值，效率和效率波動(dòng)的比值。

3.2 系統(tǒng)模型

在明確影響因素和信噪比之后，應(yīng)該進(jìn)行系統(tǒng)模型建立。根據(jù)相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，可以建立系統(tǒng)通用模型：Yi=fi（A，B，C），式中Yi是系統(tǒng)模型的輸出特性，角標(biāo)i代表了模型系統(tǒng)的級(jí)數(shù)。如果i值為一，則說明系統(tǒng)是單目標(biāo)系統(tǒng)，如果i值大于1，則說明系統(tǒng)是多目標(biāo)系統(tǒng)。A是產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)，屬于可控因素范疇，包括了長度、寬度等;B是環(huán)境因素，屬于標(biāo)識(shí)因素范疇，主要包括了氣壓、載荷和溫度等;C是誤差因素，可以為C1、C2、C3·····Ci等;fi代表了輸出特性Yi的第i種因素下的函數(shù)關(guān)系。

3.3 多目標(biāo)系統(tǒng)

對(duì)于多目標(biāo)系統(tǒng)來說，通常是使用加權(quán)法實(shí)現(xiàn)健壯設(shè)計(jì)。所謂加權(quán)法就是在第i種目標(biāo)特性之下，通過不同目標(biāo)特性下的信噪比對(duì)同一實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證。因此，在多目標(biāo)系統(tǒng)中，就可以把各級(jí)信噪比進(jìn)行疊加，進(jìn)而求出總信噪比，具體的疊加公式為：。ai式中是多目標(biāo)系統(tǒng)中的加權(quán)系數(shù)。

3.4 三次設(shè)計(jì)

三次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于從設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行控制，在最小的成本和最少的工序下制造出滿足設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品。在這一理論下，可以按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)和公差設(shè)計(jì)三步進(jìn)行，而重點(diǎn)就是參數(shù)設(shè)計(jì)，也就是健壯設(shè)計(jì)。參數(shù)設(shè)計(jì)就是通過具有良好實(shí)用性的廉價(jià)元件，制造出高質(zhì)量的產(chǎn)品。其基本實(shí)質(zhì)就是根據(jù)產(chǎn)品輸出特性和元件參數(shù)水平之間的非線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)線性設(shè)計(jì)。

3.5 實(shí)例分析

板坯橫移車在使用過程中，減速器齒輪容易出現(xiàn)點(diǎn)蝕、變形和斷齒的情況，且集中發(fā)生在第一軸和第二軸上。引起這一問題的主要原因在于齒輪承載力不足，這是機(jī)械設(shè)計(jì)導(dǎo)致的缺陷。通過健壯設(shè)計(jì)，可以有兩種設(shè)計(jì)思路解決這一問題：一是把噪聲變異對(duì)性能的影響降至最低;二是將可控因素變異對(duì)性能的影響降至最低。通過改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將分別驅(qū)動(dòng)改為集中驅(qū)動(dòng)，加大溫度系數(shù)、沖擊系數(shù)以及誤差系數(shù)，有效強(qiáng)化了齒輪各方面性能。

4 結(jié)束語

健壯設(shè)計(jì)可以從多個(gè)方面優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量特性、提升產(chǎn)品各項(xiàng)性能、強(qiáng)化其穩(wěn)定性。除此之外，通過健壯設(shè)計(jì)，可以優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)的工作，在最大程度上降低設(shè)計(jì)成本，促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：馮金廣（1983-），男，河南駐馬店人，工程碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造及數(shù)控技術(shù)方面的工作。