劉振照
(廈門宏發(fā)電聲股份有限公司,福建廈門,361021)
在當(dāng)今技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代,對(duì)電磁繼電器的要求主要是環(huán)保、小型化、低功耗、高可靠性等高質(zhì)量以及低成本化。同時(shí),也要求各廠商能夠迅速提供滿足市場(chǎng)需要的產(chǎn)品。因此,在短期內(nèi)開發(fā)高性能、高工藝性的產(chǎn)品尤為重要,特別是設(shè)計(jì)健壯的產(chǎn)品,即受生產(chǎn)工藝變差影響小的產(chǎn)品更是關(guān)鍵點(diǎn)。田口式健壯設(shè)計(jì)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家如日本、美國(guó)等眾多行業(yè)中得到較多應(yīng)用,并由ASI(美國(guó)供應(yīng)商協(xié)會(huì))大力推廣,取得了顯著成果,但在中國(guó)尤其是繼電器行業(yè)較少見到成功應(yīng)用的案例。本文就田口式健壯設(shè)計(jì)在繼電器簧片設(shè)計(jì)中的應(yīng)用做一探索。
繼電器由電磁系統(tǒng)構(gòu)成的“驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”及觸點(diǎn)和簧片構(gòu)成的“接觸系統(tǒng)”組成,見圖1所示。繼電器的性能需要滿足很多條件,比如為了達(dá)到動(dòng)作參數(shù)的穩(wěn)定性與產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝性的提高,磁路系統(tǒng)產(chǎn)生的吸力與觸點(diǎn)簧片產(chǎn)生的反力即吸反力匹配要恰當(dāng)?shù)取?/p>
一直以來,繼電器的設(shè)計(jì)主要是通過搭建物理樣機(jī)采用試錯(cuò)法進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)好壞往往取決于經(jīng)驗(yàn)和對(duì)過去的產(chǎn)品熟悉程度。這種靠搭建物理樣機(jī)的試錯(cuò)法需要花費(fèi)較多時(shí)間和資源,而且基本上無法一次滿足所有性能,往往還需要重復(fù)多次。
近年來,隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的進(jìn)步,簧片應(yīng)力仿真分析也大量運(yùn)用繼電器的開發(fā)中,且仿真精度也得到了大幅提升。但是,這也僅是將制造實(shí)物樣機(jī)換成計(jì)算機(jī)模擬仿真樣機(jī),是否短期內(nèi)獲得設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)幕善Y(jié)構(gòu)還是取決設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)水平。同時(shí),該種方法也僅用于確定零件的形狀尺寸,而沒有考慮到生產(chǎn)過程中的零部件尺寸的散差的穩(wěn)定性,因而依然無法把握生產(chǎn)中需要管理的重要尺寸,設(shè)計(jì)者依然是設(shè)定較小公差,造成了部分零部件精度要求過高,導(dǎo)致產(chǎn)品成本過高。
本文擬采用的田口式健壯設(shè)計(jì)方法,是建立在本公司高精度的CAE簧片應(yīng)力仿真分析基礎(chǔ)上,通過導(dǎo)入田口式健壯設(shè)計(jì)方法達(dá)成的,高精度模擬仿真分析和田口式健壯設(shè)計(jì)方法二者結(jié)合,既可以減小零部件散差帶來的簧片反力性能散差的同時(shí),也可以直接得到滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值的簧片結(jié)構(gòu)。以下以我司某款繼電器的簧片結(jié)構(gòu)(圖2)為例,概要說明田口式健壯設(shè)計(jì)在繼電器導(dǎo)電簧片設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,通過對(duì)簧片結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,找出影響產(chǎn)品性能的關(guān)鍵尺寸,為生產(chǎn)控制提供依據(jù)。
田口式健壯設(shè)計(jì)的原理,是利用了存在于產(chǎn)品或制造系統(tǒng)中的兩個(gè)性質(zhì):
a)利用品質(zhì)特性與控制因子之間的非線性關(guān)系去降低內(nèi)部干擾因子的影響;
b)利用干擾因子與控制因子之間的交互作用,降低來自外部干擾因子或測(cè)量因子的影響。
在繼電器反力分析中,其常見反力曲線如圖1所示。在該反力曲線圖中,K2斜率受因素影響最多,且該斜率直接影響繼電器吸反力配合。本文對(duì)K2相關(guān)的控制因子和干擾因子進(jìn)行分析,得出影響K2的關(guān)鍵控制因子。
圖1 簧片反力曲線示意圖
圖2 簧片結(jié)構(gòu)及尺寸
對(duì)于簧片反力斜率K2,過大過小都不利于繼電器性能的穩(wěn)定,對(duì)于固定一款繼電器,其值存在一個(gè)最佳值,所以其理想機(jī)能為Y=m,屬于靜態(tài)望目特性。
首先,建立直交表,采用零件公差作為干擾因子。根據(jù)圖紙,選擇控制因子及其水平如表1,選擇干擾因子及其水平如表2。在存在較多干擾因子(本例中有8個(gè))的情況下,將所有干擾因子擬合成N1、N2兩個(gè)水平的一個(gè)干擾因子。其中,N1導(dǎo)致品質(zhì)特性(即K2)減小、N2導(dǎo)致品質(zhì)特性(即K2)增大,可減小實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集工作量,提高工作效率。
表1 控制因子及其水平值
表2 干擾因子及其水平
建立L18直交表,利用CAE仿真軟件ansys分析,收集數(shù)據(jù),根據(jù)望目特性類型要求,進(jìn)行計(jì)算,得出SN比值和品質(zhì)特性,具體見表4,并繪制SN比效應(yīng)圖和品質(zhì)特性值效應(yīng)圖,具體見圖3、圖4。根據(jù)效應(yīng)圖,將控制因子分類(見表3),把對(duì)這個(gè)對(duì)穩(wěn)定性影響大的因素固定在SN比的高水準(zhǔn)上,通過調(diào)整僅對(duì)品質(zhì)特性的有影響的控制因子,就可以使簧片K2滿足設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)值。在這里,將A、C、D、F、G固定在SN比的高的水平上,通過調(diào)整控制因子B簧片K2滿足設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)值。
圖3 SN比效應(yīng)圖
圖4 品質(zhì)特性值效應(yīng)圖
表3 控制因子分類
表4 SN 比值和品質(zhì)特性
通過將田口式健壯設(shè)計(jì)應(yīng)用于繼電器導(dǎo)電簧片設(shè)計(jì)中,在消除了設(shè)計(jì)階段的多次試錯(cuò)的同時(shí),也提高了產(chǎn)品的健壯性,即減少了生產(chǎn)過程中零件散差的影響,使產(chǎn)品免校正率達(dá)到95%,另外也開發(fā)固化了可以處理實(shí)驗(yàn)后數(shù)值的應(yīng)用軟件,建立了繼電器簧片設(shè)計(jì)流程體系。下一步,將擴(kuò)大田口式健壯設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍,比如將其應(yīng)于繼電器磁路系統(tǒng)的設(shè)計(jì),進(jìn)一步完善快速滿足市場(chǎng)需要的商品開發(fā)的應(yīng)對(duì)體制。
[1] 吳玉印.田口式的穩(wěn)健性設(shè)計(jì)[M].北京:兵器出版社,1997.
[2] 李輝煌.田口方法--質(zhì)量設(shè)計(jì)的原理與實(shí)務(wù)[M].臺(tái)灣:高立圖書有限公司,2004(修訂二版).
[3] 中村正則.關(guān)于高頻繼電器的特性阻抗設(shè)計(jì)的研究[J]OMRON TECHNICS Vo140 No.4 2000.p279 ~282.