基于ISIGHT的汽車面板注塑工藝的穩(wěn)健設(shè)計(jì)與優(yōu)化

魏笑笑

（西安郵電大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，陜西　西安　710121）

工程技術(shù)

基于ISIGHT的汽車面板注塑工藝的穩(wěn)健設(shè)計(jì)與優(yōu)化

魏笑笑

（西安郵電大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，陜西西安710121）

利用ISIGHT集成軟件平臺(tái)，以某汽車企業(yè)產(chǎn)品為例，分析其可以控制的因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量特性輸出的影響，通過對(duì)可控因素輸入的設(shè)計(jì)調(diào)整，使產(chǎn)品質(zhì)量特性輸出接近于設(shè)定目標(biāo)，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到穩(wěn)健設(shè)計(jì)要求。

產(chǎn)品質(zhì)量；穩(wěn)健設(shè)計(jì)；可控變量

引言

產(chǎn)品質(zhì)量是企業(yè)存亡的關(guān)鍵，其中一個(gè)核心的技術(shù)就是穩(wěn)健設(shè)計(jì)技術(shù)。穩(wěn)健設(shè)計(jì)技術(shù)是由日本的田口玄一博士在20世紀(jì)70年代提出的，博士認(rèn)為控制產(chǎn)品質(zhì)量最有效的方法就是控制設(shè)計(jì)，從而把質(zhì)量管理提前到設(shè)計(jì)階段［1］。設(shè)計(jì)是產(chǎn)品在開發(fā)階段的首要任務(wù)，是影響產(chǎn)品質(zhì)量最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，開發(fā)階段的質(zhì)量問題占到了整個(gè)過程的一半以上。因此，只有質(zhì)量控制從傳統(tǒng)生產(chǎn)制造轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)，才能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)健性［2］。

國內(nèi)外實(shí)踐充分表明，穩(wěn)健性產(chǎn)品技術(shù)適用于許多行業(yè)，并且值得推廣應(yīng)用。它一方面提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，另一方面有效地降低了生產(chǎn)成本。與發(fā)達(dá)國家相比，我國制造企業(yè)存在許多問題，成本居高不下，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，生產(chǎn)效率低下，科技創(chuàng)新不足。因此，穩(wěn)健性技術(shù)的發(fā)展對(duì)我國產(chǎn)品質(zhì)量方面具有重大的意義。本課題研究的意義在于利用穩(wěn)健設(shè)計(jì)的方法與理論，利用ISIGHT集成軟件平臺(tái)找到最優(yōu)的可控因素組合使產(chǎn)品對(duì)外界的干擾抵制最強(qiáng)，使產(chǎn)品質(zhì)量特性輸出接近于設(shè)定目標(biāo)，從而使產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到穩(wěn)健設(shè)計(jì)要求。

1　穩(wěn)健設(shè)計(jì)在產(chǎn)品質(zhì)量改善的應(yīng)用分析

穩(wěn)健性產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一種在低成本情況下提高產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要新技術(shù)。與國內(nèi)產(chǎn)品開發(fā)中采用傳統(tǒng)的方法相比，在技術(shù)上是一個(gè)飛躍，它的基本原理就是通過優(yōu)化可控因素的組合來使產(chǎn)品或過程的質(zhì)量特性對(duì)外界因素的影響降低，使產(chǎn)品干擾抵制力最強(qiáng)，以此來使產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)、生產(chǎn)成本達(dá)到最低（見表1所示）。

表1　穩(wěn)健設(shè)計(jì)典型方法

田口博士為了定量描述產(chǎn)品質(zhì)量損失，提出了“質(zhì)量損失函數(shù)”的概念，將“信噪比”（輸入信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度之比）這個(gè)概念引入到正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，用它來模擬噪聲因素對(duì)質(zhì)量特性的影響［3］。在田口穩(wěn)健設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品質(zhì)量是由質(zhì)量特性偏離目標(biāo)值的程度來決定，通常分為望目特性、望大特性、望小特性（見下頁表2所示）。

表2　靜態(tài)特性評(píng)價(jià)指標(biāo)

參數(shù)設(shè)計(jì)是田口穩(wěn)健設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，它的工具是前述的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和信噪比［4］。參數(shù)設(shè)計(jì)的工作步驟可按圖1的框圖進(jìn)行。

圖1　田口參數(shù)設(shè)計(jì)流程圖

2　模型建立

ISIGHT是一個(gè)基于參數(shù)的多學(xué)科優(yōu)化平臺(tái)，可以幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)多個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估和研究，從而大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，顯著地提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，相較于其他軟件優(yōu)越性明顯。本文以汽車零部件生產(chǎn)制造商生產(chǎn)汽車面板為例，采用穩(wěn)健設(shè)計(jì)技術(shù)來改善汽車面板質(zhì)量問題。

該汽車面板采用模具注塑法工藝生產(chǎn)，待注塑并冷卻后，存在大量零件收縮的質(zhì)量問題如圖2所示（實(shí)線部分表示鑄型腔尺寸，虛線表示零件尺寸）所謂零件收縮，是指零件達(dá)到周圍環(huán)境溫度后的尺寸與鑄模型腔尺寸之間的差異。該質(zhì)量特性參數(shù)受許多工藝參數(shù)和環(huán)境變量的影響。

經(jīng)過技術(shù)人員的測(cè)試，該注塑工序受下列因素的影響：不同的供應(yīng)商、冷卻時(shí)間、融化溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、填充時(shí)間、填充壓力、噴嘴直徑、模子壁的溫度、小球尺寸的內(nèi)在變異、小球的研磨度?？梢詫⑸鲜龉に噮?shù)進(jìn)行分類，根據(jù)田口參數(shù)設(shè)計(jì)基本思想，可以得到如下的分類，如圖3所示：

圖2　汽車面板輪廓

圖3　構(gòu)建p圖

從圖中可知共8個(gè)因子，其中第1個(gè)因子2個(gè)水平；后7個(gè)因子3個(gè)水平，則全部可能實(shí)驗(yàn)組合4，374，如此之多實(shí)驗(yàn)，一為實(shí)驗(yàn)資源不容許，二是實(shí)驗(yàn)時(shí)間不允許，所以有必要借助實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

3　基于ISIGHT的仿真分析

以ISIGHT為平臺(tái)，集成一個(gè)計(jì)算器軟件，進(jìn)行因子的最優(yōu)組合計(jì)算，使收縮率在一個(gè)合理范圍之內(nèi)。優(yōu)化集成平臺(tái)如圖4所示：

圖4　優(yōu)化集成平臺(tái)

設(shè)置各個(gè)因子已知數(shù)據(jù)和水平，創(chuàng)建內(nèi)表和外表，內(nèi)外表建立起來，接下來就應(yīng)按照實(shí)驗(yàn)組合對(duì)各因素水平的配合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的組合共有18× 4=72個(gè)，結(jié)果如下頁表3所示。

表3　實(shí)驗(yàn)的組合

根據(jù)望目特性中信噪比計(jì)算公式得到計(jì)算結(jié)果（見表4）。同時(shí)也可以得到其均值響應(yīng)表和S/N響應(yīng)表，分別如下頁表5和表6所示。

表4　信噪比計(jì)算結(jié)果

表5　均值響應(yīng)表

表6　S/N響應(yīng)表

最后根據(jù)S/N值和均值響應(yīng)確定因子設(shè)置。尋找那些因子對(duì)應(yīng)的均值delta排序較大，S/N排序較小；選擇最優(yōu)設(shè)置以滿足目標(biāo)：均值越接近于目標(biāo)值越好。在余下的因子中，尋找較高S/N排序的因子。對(duì)于那些具有較低均值delta排序和較低S/N排序的因子，所作選擇也許比較容易實(shí)現(xiàn)健壯。

由第1步可以得到推薦的設(shè)置結(jié)果為：B-2，H-2，F(xiàn)-2；由第2步可以得到推薦的設(shè)置結(jié)果為：D-1，F(xiàn)-1，A-1，E-3，G-1；由第3步可以得到推薦的設(shè)置結(jié)果為：C-2。通過計(jì)算可以得到如下結(jié)果：S/N=28.711，Mean=0.441 667，此結(jié)果的均值響應(yīng)偏離較大，考慮到E因素所選水平的均值偏離較大，故將E由水平3調(diào)整為水平1，得到新的結(jié)果為：S/N=24.984，Mean=0.407 5，新的設(shè)置改善較為明顯，通過這樣的分析，就可以最終將可控因子的水平組合確定下來，即：

A-1，B-2，C-2，D-1，E-1，F(xiàn)-2，G-1，H-2

該案例利用穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)，然后重新輸入經(jīng)過改善后的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，從而有效地改善該制造企業(yè)目前的生產(chǎn)過程，提高了汽車面板的質(zhì)量，使面板的收縮率控制在合理范圍內(nèi)，提高了企業(yè)的生產(chǎn)能力。

4　結(jié)語

本文從介紹穩(wěn)健設(shè)計(jì)的理論和方法入手，以某企業(yè)為例說明了穩(wěn)健設(shè)計(jì)在企業(yè)中的控制流程并做出了改善，基于ISIGHT平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)證明了穩(wěn)健設(shè)計(jì)的改善效果。穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法是一種在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段調(diào)節(jié)可控因素來提高產(chǎn)品質(zhì)量的方法［5］，本文研究的是通過單一目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法和靜態(tài)特性的穩(wěn)健設(shè)計(jì)來提高產(chǎn)品質(zhì)量，然而多目標(biāo)和動(dòng)態(tài)特性的研究顯得更為復(fù)雜，可以在下一步更深層次地研究。

［1］賴宇陽.ISIGHT參數(shù)優(yōu)化理論與實(shí)例詳解［M］.北京:北京航空航天出版社，2012.

［2］蘆新春，孔慧敏.基于ISIGH的螺旋輸送機(jī)6σ質(zhì)量優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2015（1）:67-70.

［3］陳建江，鐘毅芳，肖人彬.基于正交試驗(yàn)的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及其工程應(yīng)用［J］.中國機(jī)械工程，2004（4）:283-286.

［4］孫靖民.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

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

（編輯：賈娟）

Robust Design Optim ization of Injection Molding Process of Qutomobiles Panel Based on ISIGHT Platform

Wei Xiaoxiao
（School of Econom ics and Management，Xi'an University of Posts and Telecommunications，Xi'an Shaanxi710121）

On the basis of the ISIGHT integrated software platform，this paper analyzes the controllable factors input effects on the quality of the products output characteristics.With an automobile enterprise products as an example，this paper adjusts the design of controllable input factors，and makes the product quality characteristics output close to goal setting，and so the quality of the products reach robust design requirements.

the quality of the product；robustdesign；controllable factor

U463

A

2095-0748（2016）11-0016-04

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.11.07

2016-04-29

西安市科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：CX1255（2）），西安郵電大學(xué)青年基金項(xiàng)目（編號(hào)：104-0484），論文獲得西安郵電大學(xué)西郵新星團(tuán)隊(duì)資助（SupportedbyNew StarTeamof Xi'an University of Posts&Telecommunications）

魏笑笑（1979-），女，湖南益陽人，副教授，博士研究生，主要研究方向?yàn)樾畔①Y源管理、信息系統(tǒng)。