劉振

摘要：文章介紹了穩(wěn)健性設計的基本原理、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，具有很高的實用價值。

關鍵詞：穩(wěn)健性設計；質(zhì)量控制；田口質(zhì)量

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）07-

產(chǎn)品設計是決定產(chǎn)品的第一也是最重要的環(huán)節(jié)。產(chǎn)品設計帶來的質(zhì)量問題如果不及時處理，會引起連鎖反應，其解決需要的時間和費用很高。在設計過程中考慮得全面、合理、仔細能夠有效地降低成本，減少質(zhì)量問題發(fā)生。通過穩(wěn)健性設計不僅能夠提高質(zhì)量，還能使產(chǎn)品特性對不可控因素的敏感性降低。

1 穩(wěn)健性產(chǎn)品設計技術

1.1 穩(wěn)健性設計的基本原理

產(chǎn)品的質(zhì)量在其生命周期內(nèi)會被各種因素影響，這些影響具有不確定性，會導致產(chǎn)品的質(zhì)量特性波動。直接消除干擾因素，雖然可以解決問題但是實現(xiàn)難度過大、成本過高?？梢员M量降低干擾因素，使質(zhì)量與因素之間關聯(lián)變?nèi)?，對干擾變得不敏感，這就是穩(wěn)健性設計的原理。

1.2 穩(wěn)健性設計典型方法

穩(wěn)健性來源于控制理論中的魯棒性，是指變量對因素發(fā)生微小差變的不敏感性。如何定量地度量設計的穩(wěn)健性是穩(wěn)健性設計的基礎?？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)健性的指標有質(zhì)量損失函數(shù)、信噪比、質(zhì)量信息熵等。經(jīng)過長期研究和應用，穩(wěn)健性設計的技術取得了很大的進展，出現(xiàn)了多種穩(wěn)健性設計方法。馬義中通過熵和協(xié)方差矩陣的關系，建立多元質(zhì)量特性的信噪比計算公式來度量產(chǎn)品質(zhì)量特性的整體波動，為了克服質(zhì)量特性協(xié)方差不能直接反映質(zhì)量特性的波動關系，利用信息熵概念度量穩(wěn)健設計中多元質(zhì)量特性的整體波動。比較常用的如下：

1.2.1 田口方法。田口方法以正交試驗設計為基礎，將產(chǎn)品的設計分為系統(tǒng)設計、參數(shù)設計和容差設計三個階段，最后通過正交試驗設計確定參數(shù)值可以到達的最佳水平組合。該方法為穩(wěn)健性設計提供了理論基礎，但是必須事先確定方案的大致范圍，局限性強，需要進一步研究。

1.2.2 雙響應面法。雙響應面法可以將噪聲因素和設計變量結(jié)合，綜合考慮其對產(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，但是對試驗數(shù)據(jù)敏感，模型擬合較為困難。

1.2.3 隨機模型法。隨機模型將設計變量和噪聲的隨機性作為重點考慮對象，將穩(wěn)健設計引入到有隨機因素的工程中。該方法不要求變量為正太分布，實用價值很高，但是建模和計算較為困難。

1.2.4 靈敏度法。為了保證產(chǎn)品對設計變量和噪聲因素的影響達到最小，將設計函數(shù)、設計變量和噪聲因素的非線性效應作為主要研究對象。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)健性設計方法，但是主要應用于質(zhì)量指標問題。

1.3 穩(wěn)健性設計特點

1.3.1 穩(wěn)健性設計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，采用先進的方法可以在盡可能少的試驗中獲取大量信息。

1.3.3 穩(wěn)健性產(chǎn)品設計與工業(yè)各個環(huán)節(jié)一起考慮，將其中的干擾都計算到數(shù)學模型中，所以其抗干擾的能力很強。

1.3.4 穩(wěn)健性產(chǎn)品設計考慮到系統(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 該技術需要對技術人員進行專業(yè)的培訓，才能迅速轉(zhuǎn)化為成果。

1.3.6 已經(jīng)研發(fā)出響應的平臺及軟件，在計算時輔助下大大提升了工作效率。

1.3.7 適用性強，可以應用到各個領域中，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)健性設計分析

對于定制生成方式，需要將客戶的定制轉(zhuǎn)化各種模塊化的配合，然后通過選擇模塊來實現(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)量波動造成的損失。

2.1 定制產(chǎn)品的多元損失函數(shù)

假設產(chǎn)品的質(zhì)量特性為y，目標值為，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目標值，并希望實際的特性值圍繞目標波動，且波動越小越好。望小特性：希望特性和波動越小越好，如零件磨損等。望大特性：希望特性和波動越大越好，如機器效率、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。該公式說明當質(zhì)量特性在合理的偏差范圍中波動時，雖然產(chǎn)品合格但是仍然會給用戶產(chǎn)生一定程度的損失。

2.2 定制產(chǎn)品的穩(wěn)健性表達

因為噪聲的影響，產(chǎn)品的質(zhì)量具有一定的隨機性，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，通過信噪比來度量產(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，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)學模型，模塊實例選配的步驟如下：

2.3.1 分析產(chǎn)品質(zhì)量特點，判斷其類型。

2.3.2 根據(jù)模塊實例的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算各種質(zhì)量特性的信噪比。

2.3.3 計算質(zhì)量特性權(quán)重。

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

2.3.5 分析產(chǎn)品封閉環(huán)，計算配合偏差。

2.3.6 最優(yōu)化求解，選擇最佳方案。

3 實際應用

對于出頭彈簧參數(shù)設置，可以采用穩(wěn)健性設計原理。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)都會對結(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，通過分析找出穩(wěn)定和調(diào)整因素。彈簧設計時質(zhì)量特性的數(shù)學模型：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、效率高的設計方法，隨著廣泛的應用，效果會越來越好。實踐表明穩(wěn)健性是產(chǎn)品設計和選擇的第一準則，田口方法可以很好地實現(xiàn)產(chǎn)品的穩(wěn)健性。

4 結(jié)語

穩(wěn)健性產(chǎn)品設計可以提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量，是一種快速、經(jīng)濟的獲取提高產(chǎn)品質(zhì)量的可行性解決方案。因此研究穩(wěn)健性產(chǎn)品設計，并將其各個領域全面推廣是非常必要的。

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（責任編輯：吳 濤）