浅谈稳健性产品设计

刘振

摘要：文章介绍了稳健性设计的基本原理、典型方法和特性，再结合田口质量的产品稳健性分析，可以发现稳健性对于产品质量的控制是非常有效的，证明了该方法可以提高质量、降低成本，具有很高的实用价值。

关键词：稳健性设计；质量控制；田口质量

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）07-

产品设计是决定产品的第一也是最重要的环节。产品设计带来的质量问题如果不及时处理，会引起连锁反应，其解决需要的时间和费用很高。在设计过程中考虑得全面、合理、仔细能够有效地降低成本，减少质量问题发生。通过稳健性设计不仅能够提高质量，还能使产品特性对不可控因素的敏感性降低。

1 稳健性产品设计技术

1.1 稳健性设计的基本原理

产品的质量在其生命周期内会被各种因素影响，这些影响具有不确定性，会导致产品的质量特性波动。直接消除干扰因素，虽然可以解决问题但是实现难度过大、成本过高。可以尽量降低干扰因素，使质量与因素之间关联变弱，对干扰变得不敏感，这就是稳健性设计的原理。

1.2 稳健性设计典型方法

稳健性来源于控制理论中的鲁棒性，是指变量对因素发生微小差变的不敏感性。如何定量地度量设计的稳健性是稳健性设计的基础。可行稳健性是指产品性能质量在印象因素作用下稳定在所允许的范围内的能力；敏感稳健性是指产品性能质量在噪声因素作用下保持稳定的能力。稳健性的指标有质量损失函数、信噪比、质量信息熵等。经过长期研究和应用，稳健性设计的技术取得了很大的进展，出现了多种稳健性设计方法。马义中通过熵和协方差矩阵的关系，建立多元质量特性的信噪比计算公式来度量产品质量特性的整体波动，为了克服质量特性协方差不能直接反映质量特性的波动关系，利用信息熵概念度量稳健设计中多元质量特性的整体波动。比较常用的如下：

1.2.1 田口方法。田口方法以正交试验设计为基础，将产品的设计分为系统设计、参数设计和容差设计三个阶段，最后通过正交试验设计确定参数值可以到达的最佳水平组合。该方法为稳健性设计提供了理论基础，但是必须事先确定方案的大致范围，局限性强，需要进一步研究。

1.2.2 双响应面法。双响应面法可以将噪声因素和设计变量结合，综合考虑其对产品质量的影响。适用于噪声因素非正太分布，求解误差小，但是对试验数据敏感，模型拟合较为困难。

1.2.3 随机模型法。随机模型将设计变量和噪声的随机性作为重点考虑对象，将稳健设计引入到有随机因素的工程中。该方法不要求变量为正太分布，实用价值很高，但是建模和计算较为困难。

1.2.4 灵敏度法。为了保证产品对设计变量和噪声因素的影响达到最小，将设计函数、设计变量和噪声因素的非线性效应作为主要研究对象。该方法可以快速确定需要调节的范围，可以结合其他稳健性设计方法，但是主要应用于质量指标问题。

1.3 稳健性设计特点

1.3.1 稳健性设计可以将噪声因素分为可控与不可控因素，利用模型尽可能地消除干扰因素，提高质量。

1.3.2 产品的平均特性可以由内表可查，稳健性由外表考察，采用先进的方法可以在尽可能少的试验中获取大量信息。

1.3.3 稳健性产品设计与工业各个环节一起考虑，将其中的干扰都计算到数学模型中，所以其抗干扰的能力很强。

1.3.4 稳健性产品设计考虑到系统的非线性特性，可以在有效控制成本的前提下，生产出较高质量的产品。

1.3.5 该技术需要对技术人员进行专业的培训，才能迅速转化为成果。

1.3.6 已经研发出响应的平台及软件，在计算时辅助下大大提升了工作效率。

1.3.7 适用性强，可以应用到各个领域中，不断地提高产品质量。

2 基于田口质量的产品稳健性设计分析

对于定制生成方式，需要将客户的定制转化各种模块化的配合，然后通过选择模块来实现产品的选择。将田口质量法与模块化结合，可以减少产品由于质量波动造成的损失。

2.1 定制产品的多元损失函数

假设产品的质量特性为y，目标值为，合理偏差为。质量特性的类型可以分为望目、望大、望小三种。望目特性：希望特性值存在一个目标值，并希望实际的特性值围绕目标波动，且波动越小越好。望小特性：希望特性和波动越小越好，如零件磨损等。望大特性：希望特性和波动越大越好，如机器效率、零件寿命等。产品质量损失函数为：

（1）

式中：反映了质量波动程度，k为比例常数，k的值与望目、望大、望小三种特性相关。该公式说明当质量特性在合理的偏差范围中波动时，虽然产品合格但是仍然会给用户产生一定程度的损失。

2.2 定制产品的稳健性表达

因为噪声的影响，产品的质量具有一定的随机性，因此稳健性必须考虑。这里根据产品的质量特性引入了信噪比的概念，通过信噪比来度量产品质量特性的稳健性。

其中作为产品稳健性的度量指标，其值越大，产品越趋于稳健，损失就越小。因此根据不同的质量特性可以对赋予不同权重。

2.3 定制产品的稳健选配模型

根据数学模型，模块实例选配的步骤如下：

2.3.1 分析产品质量特点，判断其类型。

2.3.2 根据模块实例的统计数据，计算各种质量特性的信噪比。

2.3.3 计算质量特性权重。

2.3.4 确定各质量特性类型，并计算产品质量特性。

2.3.5 分析产品封闭环，计算配合偏差。

2.3.6 最优化求解，选择最佳方案。

3 实际应用

对于出头弹簧参数设置，可以采用稳健性设计原理。已知数据：F=4N，力臂L=24mm，则力矩M=4×24=96N·mm。满足力矩的参数不是唯一的，不同的弹簧钢丝直径、中径、圈数都会对结果产生不同的作用。这里要选择最佳信噪比、灵敏度的方案，通过分析找出稳定和调整因素。弹簧设计时质量特性的数学模型：Φ，其中d为直径，D为中径，n为有效圈数，Φ为旋转角度，如表1

所示：

所以可以确定最佳参数为：d=1.2mm、D=7.2mm、n=2.9圈、Φ=34°。

田口方法是质量高、可靠性高、效率高的设计方法，随着广泛的应用，效果会越来越好。实践表明稳健性是产品设计和选择的第一准则，田口方法可以很好地实现产品的稳健性。

4 结语

稳健性产品设计可以提高产品的设计质量，是一种快速、经济的获取提高产品质量的可行性解决方案。因此研究稳健性产品设计，并将其各个领域全面推广是非常必要的。

参考文献

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[3] 马义中，徐济超.多指标稳健设计质量特性的度量[J].系统工程，1998，16（6）：34-37.

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（责任编辑：吴 涛）