淺談穩(wěn)健設(shè)計方法與原理

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淺談穩(wěn)健設(shè)計方法與原理

黃瑜1王宇2

西華大學(xué)機械工程學(xué)院 四川成都 610039

[摘要]穩(wěn)健設(shè)計是通過調(diào)整設(shè)計變量及控制其容差使可控因素和不可控因素當與設(shè)計值發(fā)生變差時仍能保證產(chǎn)品質(zhì)量的一種工程方法。換句話說，即使在各種因素的干擾下，所作出設(shè)計的產(chǎn)品質(zhì)量依舊保持穩(wěn)定，或者用很廉價的零部件來組裝出質(zhì)量好，性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，則認為該產(chǎn)品的設(shè)計是穩(wěn)健的。穩(wěn)健設(shè)計已經(jīng)成為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計的重要指標。

[關(guān)鍵詞]曲柄滑塊；穩(wěn)健設(shè)計；機械設(shè)計

1.引言

穩(wěn)健設(shè)計是通過對設(shè)計變量進行調(diào)整和對容差進行有效控制以使影響產(chǎn)品的各種因素（可控與不可控）在設(shè)計的結(jié)果變化時任然能任然能保證產(chǎn)品的質(zhì)量的一種方法。換句話說，即使在各種因素的干擾下，所作出設(shè)計的產(chǎn)品質(zhì)量依舊保持穩(wěn)定，或者用很廉價的零部件來組裝出質(zhì)量好，性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，則認為該產(chǎn)品的設(shè)計是穩(wěn)健的。產(chǎn)品的穩(wěn)健性已經(jīng)成為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的重要指標。

穩(wěn)健設(shè)計方法是一種可以極大降低生產(chǎn)成本的質(zhì)量工程方法，其是以把穩(wěn)健性作為產(chǎn)品設(shè)計的目標，以盡量減弱大量下游生產(chǎn)或使用中的不確定因素；設(shè)計原理是通過改變影響產(chǎn)品質(zhì)量因素的可控因素的水平。使不確定因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響減到最小[1]。在產(chǎn)品設(shè)計之初考慮NT噪聲因素的影響，所以產(chǎn)品設(shè)計幾乎不需要考慮額外的余量或者是采用高質(zhì)量的零部件對噪聲因素的影響進行補償。穩(wěn)健設(shè)計是由日本學(xué)者田口博士提出。20世紀80年代，日本學(xué)者田口在以試驗設(shè)計和信噪比的理論基礎(chǔ)上，創(chuàng)立了以提高和改進產(chǎn)品質(zhì)量的田口穩(wěn)健設(shè)計方法，國內(nèi)稱為三次設(shè)計方法，即任何一個產(chǎn)品的設(shè)計都要經(jīng)過以下三個階段，即系統(tǒng)設(shè)計、參數(shù)設(shè)計、容差設(shè)計，其中參數(shù)設(shè)計是田口穩(wěn)健設(shè)計方法的核心內(nèi)容。田口創(chuàng)立的穩(wěn)健設(shè)計方法對美國的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計有較大影響，隨后其創(chuàng)立的穩(wěn)健設(shè)計方法在被歐美等發(fā)達國家廣泛應(yīng)用。

2.傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的基本理論

優(yōu)化設(shè)計是伴隨計算機技術(shù)發(fā)展起來的新興學(xué)科,它是以數(shù)學(xué)理論以及計算機程序設(shè)計為基礎(chǔ)的,利用計算機強大數(shù)值計算能力,對設(shè)計的目標建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)描述，并通過編程的手段，對設(shè)計參數(shù)從一種數(shù)種優(yōu)選出最好的一組或是最適合的一組值，或者通過相關(guān)算法通過優(yōu)化的辦法得到最滿意的結(jié)果。以使期望達到的目標最優(yōu)。這種方法對比于通過利用解析求解的辦法有很大的優(yōu)勢，因為解析解并不總是能夠被找到，或者比較難以找到，通過計算機數(shù)值求解的辦法則可以解決這一難題。優(yōu)化設(shè)計給工程設(shè)計人員帶來了很大的便利，使得工程設(shè)計的效率極大的提高，而且設(shè)計的質(zhì)量也得到的很大的改善[3]。

優(yōu)化設(shè)計主要包括一下兩個方面:一是如何將設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為反映問題實質(zhì)便于計算機描述的數(shù)學(xué)模型,建立數(shù)學(xué)模型包括:選擇作為設(shè)計變量的參數(shù),同時建立目標函數(shù)和約束條件。設(shè)計問題所要求的最優(yōu)指標和設(shè)計變量間對應(yīng)函數(shù)關(guān)系被稱為目標函數(shù),約束條件則反映的是設(shè)計變量取得范圍以及相互之間的關(guān)系;二是如何求出該數(shù)學(xué)模型最優(yōu)解:這個問題可以歸結(jié)為，給滿足相應(yīng)約束的情況下求目標函數(shù)極值問題。而對應(yīng)于機械的優(yōu)化設(shè)計，就是在特定載荷或具體工作環(huán)境條件下,同時要求滿足機械的形態(tài)要求、幾何尺寸要求或其它因素要求的情況下,同時根據(jù)要求確定機械系統(tǒng)的優(yōu)化對象,選取優(yōu)化設(shè)計變量,建立機械產(chǎn)品目標函數(shù)和約束條件,并通過相關(guān)算法使目標函數(shù)獲得最優(yōu)值一種現(xiàn)代設(shè)計方法,目前機械優(yōu)化設(shè)計已廣泛應(yīng)用于航天、航空和國防等各部門。

3.穩(wěn)健設(shè)計基本原理與基本方法

產(chǎn)品的穩(wěn)健性就是指產(chǎn)品所具有的質(zhì)量特性對設(shè)計參數(shù)誤差的波動所帶來的影響不明顯，所以穩(wěn)健性產(chǎn)品，其對制造工藝和制造環(huán)境等各種因素影響不敏感。產(chǎn)品經(jīng)過穩(wěn)健性設(shè)計這一環(huán)節(jié)，對材料和制造工藝的要求就會降低，從而開發(fā)產(chǎn)品的周期就會縮短，產(chǎn)品的質(zhì)量得到提高，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本也會有一定的降低。

在穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計中，我們通常利用質(zhì)量特性值與目標值的接近程度來衡量產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。質(zhì)量特性接近目標響應(yīng)值多，表明產(chǎn)品質(zhì)量好；偏離目標響應(yīng)值多，說明質(zhì)量越差。假設(shè)產(chǎn)品質(zhì)量特性為y，目標值為y0，計算的過程中考慮到隨機性，如果利用產(chǎn)品質(zhì)量的評價損失進行計算，則：

如果使產(chǎn)品的質(zhì)量水平高而且穩(wěn)定，那就必須使產(chǎn)品的質(zhì)量損失減小。也就是說，產(chǎn)品質(zhì)量指標的絕對偏差要減小，產(chǎn)品質(zhì)量波動也要同時減小。因此，在實際的工程應(yīng)用中，一般穩(wěn)健性設(shè)計一般滿足以下兩個要求：

達到其最小值。這兩個設(shè)計要求在穩(wěn)健設(shè)計中都是比較重要的。常規(guī)的優(yōu)化設(shè)計中所用的參數(shù)一般都采用平均值，這里的參數(shù)包括材料參數(shù)和工藝參數(shù)。由于這些參數(shù)及制造工藝都會存在一定的誤差，包括系統(tǒng)誤差、測量誤差等。通過確定性優(yōu)化設(shè)計得到的最優(yōu)參數(shù)組合具有一定的偶然性，而且確定性優(yōu)化得到的最優(yōu)解通常會落在約束條件的邊界上，實際產(chǎn)品生產(chǎn)中，各個工藝參數(shù)是會發(fā)生波動的，像刀具磨損、測量誤差等。這些不確定性因素可能會導(dǎo)致在最優(yōu)解時得到的產(chǎn)品質(zhì)量性能超過邊界條件。在很多情況下，通過傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計得到的最優(yōu)解，它的可靠度只能達到其設(shè)計值的一半。在穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計中，通過利用優(yōu)化數(shù)學(xué)模型并且在在其中增加目標及設(shè)計變量的均值（μ）、方差（σ）。這樣處理的好處是，我們不僅可以求得目標函數(shù)的最優(yōu)解，而且也同時降低了其對設(shè)計變量波動的敏感性。

目前，常用的穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計方法主要有以下幾種：田口穩(wěn)健性設(shè)計方法、基于雙響應(yīng)面的穩(wěn)健性設(shè)計方法以及 穩(wěn)健性設(shè)計方法。最早的穩(wěn)健性設(shè)計方法被認為是由日本的田口玄一博士提出的田口穩(wěn)健性設(shè)計方法。它是一種低成本、高效益的方法，強調(diào)提高產(chǎn)品的質(zhì)量不僅僅是要通過檢驗，更重要的是要通過設(shè)計。其基本思想是把產(chǎn)品的穩(wěn)健性設(shè)計到產(chǎn)品和制造過程中，通過控制源頭質(zhì)量來抵御大量的下游生產(chǎn)或顧客使用中的噪聲或者是不可控因素等的干擾，田口方法的優(yōu)點是：提倡利用廉價的元部件來生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，使用領(lǐng)先的試驗技術(shù)來使設(shè)計試驗費用降低。田口穩(wěn)健性設(shè)計方法具有其明顯的優(yōu)點，而且其設(shè)計方法相對較為簡單實用，所以在很多行業(yè)已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用和廣泛的認可。盡管如此，這一方法還是存在著一定的不足和缺陷。田口方法主要是采用信噪比和兩步優(yōu)化方法進行求解，因此在運用時最優(yōu)解的大致范圍及水平就必須事先知道，也就是說，這種方法對優(yōu)化時的初始點要求特別高，如果不采用這種方法的話，就需要通過多輪的正交試驗來進行求解，但這樣會明顯的降低它的效率。

4.結(jié)論

本文首先闡述了傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計思想與原理。同時提出了他的一個局限性。在這個基礎(chǔ)上引入穩(wěn)健設(shè)計的概念闡述了穩(wěn)健設(shè)計的產(chǎn)生于基本原理。闡明了其所適應(yīng)的范圍等。

參考文獻

[1]李泳鮮,孟慶國,姬振豫,機械穩(wěn)健設(shè)計的研究概況與趨勢.工程設(shè)計學(xué)報,1999

[2]胡笛川.機械優(yōu)化設(shè)計.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟,2006

[3]王國強.機械優(yōu)化設(shè)計[M].機械工業(yè)出版社,2009年09月

黃瑜，男，1991.11.18，西華大學(xué)機械電子工程。

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