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淺談穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法與原理

黃瑜1王宇2

西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 四川成都 610039

[摘要]穩(wěn)健設(shè)計(jì)是通過調(diào)整設(shè)計(jì)變量及控制其容差使可控因素和不可控因素當(dāng)與設(shè)計(jì)值發(fā)生變差時(shí)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(jì)的產(chǎn)品質(zhì)量依舊保持穩(wěn)定，或者用很廉價(jià)的零部件來組裝出質(zhì)量好，性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，則認(rèn)為該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是穩(wěn)健的。穩(wěn)健設(shè)計(jì)已經(jīng)成為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。

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

1.引言

穩(wěn)健設(shè)計(jì)是通過對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行調(diào)整和對(duì)容差進(jìn)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(jì)的結(jié)果變化時(shí)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(jì)的產(chǎn)品質(zhì)量依舊保持穩(wěn)定，或者用很廉價(jià)的零部件來組裝出質(zhì)量好，性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，則認(rèn)為該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(jì)中的重要指標(biāo)。

穩(wěn)健設(shè)計(jì)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(jì)的目標(biāo)，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(jì)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(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響減到最小[1]。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初考慮NT噪聲因素的影響，所以產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(duì)噪聲因素的影響進(jìn)行補(bǔ)償。穩(wěn)健設(shè)計(jì)是由日本學(xué)者田口博士提出。20世紀(jì)80年代，日本學(xué)者田口在以試驗(yàn)設(shè)計(jì)和信噪比的理論基礎(chǔ)上，創(chuàng)立了以提高和改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的田口穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，國(guó)內(nèi)稱為三次設(shè)計(jì)方法，即任何一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都要經(jīng)過以下三個(gè)階段，即系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)、容差設(shè)計(jì)，其中參數(shù)設(shè)計(jì)是田口穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法的核心內(nèi)容。田口創(chuàng)立的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法對(duì)美國(guó)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)有較大影響，隨后其創(chuàng)立的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法在被歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用。

2.傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本理論

優(yōu)化設(shè)計(jì)是伴隨計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的,利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大數(shù)值計(jì)算能力,對(duì)設(shè)計(jì)的目標(biāo)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)描述，并通過編程的手段，對(duì)設(shè)計(jì)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(dá)到的目標(biāo)最優(yōu)。這種方法對(duì)比于通過利用解析求解的辦法有很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榻馕鼋獠⒉豢偸悄軌虮徽业剑蛘弑容^難以找到，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值求解的辦法則可以解決這一難題。優(yōu)化設(shè)計(jì)給工程設(shè)計(jì)人員帶來了很大的便利，使得工程設(shè)計(jì)的效率極大的提高，而且設(shè)計(jì)的質(zhì)量也得到的很大的改善[3]。

優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括一下兩個(gè)方面:一是如何將設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為反映問題實(shí)質(zhì)便于計(jì)算機(jī)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(jì)變量的參數(shù),同時(shí)建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件。設(shè)計(jì)問題所要求的最優(yōu)指標(biāo)和設(shè)計(jì)變量間對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系被稱為目標(biāo)函數(shù),約束條件則反映的是設(shè)計(jì)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(gè)問題可以歸結(jié)為，給滿足相應(yīng)約束的情況下求目標(biāo)函數(shù)極值問題。而對(duì)應(yīng)于機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是在特定載荷或具體工作環(huán)境條件下,同時(shí)要求滿足機(jī)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(shí)根據(jù)要求確定機(jī)械系統(tǒng)的優(yōu)化對(duì)象,選取優(yōu)化設(shè)計(jì)變量,建立機(jī)械產(chǎn)品目標(biāo)函數(shù)和約束條件,并通過相關(guān)算法使目標(biāo)函數(shù)獲得最優(yōu)值一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法,目前機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)已廣泛應(yīng)用于航天、航空和國(guó)防等各部門。

3.穩(wěn)健設(shè)計(jì)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(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)誤差的波動(dòng)所帶來的影響不明顯，所以穩(wěn)健性產(chǎn)品，其對(duì)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(jì)這一環(huán)節(jié)，對(duì)材料和制造工藝的要求就會(huì)降低，從而開發(fā)產(chǎn)品的周期就會(huì)縮短，產(chǎn)品的質(zhì)量得到提高，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本也會(huì)有一定的降低。

在穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計(jì)中，我們通常利用質(zhì)量特性值與目標(biāo)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(biāo)響應(yīng)值多，表明產(chǎn)品質(zhì)量好；偏離目標(biāo)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(biāo)值為y0，計(jì)算的過程中考慮到隨機(jī)性，如果利用產(chǎn)品質(zhì)量的評(píng)價(jià)損失進(jìn)行計(jì)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(biāo)的絕對(duì)偏差要減小，產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)也要同時(shí)減小。因此，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，一般穩(wěn)健性設(shè)計(jì)一般滿足以下兩個(gè)要求：

達(dá)到其最小值。這兩個(gè)設(shè)計(jì)要求在穩(wěn)健設(shè)計(jì)中都是比較重要的。常規(guī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(huì)存在一定的誤差，包括系統(tǒng)誤差、測(cè)量誤差等。通過確定性優(yōu)化設(shè)計(jì)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(huì)落在約束條件的邊界上，實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)中，各個(gè)工藝參數(shù)是會(huì)發(fā)生波動(dòng)的，像刀具磨損、測(cè)量誤差等。這些不確定性因素可能會(huì)導(dǎo)致在最優(yōu)解時(shí)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(jì)得到的最優(yōu)解，它的可靠度只能達(dá)到其設(shè)計(jì)值的一半。在穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計(jì)中，通過利用優(yōu)化數(shù)學(xué)模型并且在在其中增加目標(biāo)及設(shè)計(jì)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(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，而且也同時(shí)降低了其對(duì)設(shè)計(jì)變量波動(dòng)的敏感性。

目前，常用的穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要有以下幾種：田口穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法、基于雙響應(yīng)面的穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法以及 穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法。最早的穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法被認(rèn)為是由日本的田口玄一博士提出的田口穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法。它是一種低成本、高效益的方法，強(qiáng)調(diào)提高產(chǎn)品的質(zhì)量不僅僅是要通過檢驗(yàn)，更重要的是要通過設(shè)計(jì)。其基本思想是把產(chǎn)品的穩(wěn)健性設(shè)計(jì)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(diǎn)是：提倡利用廉價(jià)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(yàn)技術(shù)來使設(shè)計(jì)試驗(yàn)費(fèi)用降低。田口穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法具有其明顯的優(yōu)點(diǎn)，而且其設(shè)計(jì)方法相對(duì)較為簡(jiǎn)單實(shí)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(rèn)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(jìn)行求解，因此在運(yùn)用時(shí)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(duì)優(yōu)化時(shí)的初始點(diǎn)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(yàn)來進(jìn)行求解，但這樣會(huì)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(jì)思想與原理。同時(shí)提出了他的一個(gè)局限性。在這個(gè)基礎(chǔ)上引入穩(wěn)健設(shè)計(jì)的概念闡述了穩(wěn)健設(shè)計(jì)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(xiàn)

[1]李泳鮮,孟慶國(guó),姬振豫,機(jī)械穩(wěn)健設(shè)計(jì)的研究概況與趨勢(shì).工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),1999

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

[3]王國(guó)強(qiáng).機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2009年09月

黃瑜，男，1991.11.18，西華大學(xué)機(jī)械電子工程。

作者簡(jiǎn)介