田口式健壮设计在继电器簧片设计中的应用

刘振照

(厦门宏发电声股份有限公司，福建厦门，361021)

1 引言

在当今技术飞速发展的时代，对电磁继电器的要求主要是环保、小型化、低功耗、高可靠性等高质量以及低成本化。同时，也要求各厂商能够迅速提供满足市场需要的产品。因此，在短期内开发高性能、高工艺性的产品尤为重要，特别是设计健壮的产品，即受生产工艺变差影响小的产品更是关键点。田口式健壮设计在工业发达国家如日本、美国等众多行业中得到较多应用，并由ASI(美国供应商协会)大力推广，取得了显著成果，但在中国尤其是继电器行业较少见到成功应用的案例。本文就田口式健壮设计在继电器簧片设计中的应用做一探索。

2 目前继电器设计方法的现状

2.1 继电器设计的关键点

继电器由电磁系统构成的“驱动系统”及触点和簧片构成的“接触系统”组成，见图1所示。继电器的性能需要满足很多条件，比如为了达到动作参数的稳定性与产品的生产工艺性的提高，磁路系统产生的吸力与触点簧片产生的反力即吸反力匹配要恰当等。

2.2 现有继电器簧片设计方法

一直以来，继电器的设计主要是通过搭建物理样机采用试错法进行设计，设计好坏往往取决于经验和对过去的产品熟悉程度。这种靠搭建物理样机的试错法需要花费较多时间和资源，而且基本上无法一次满足所有性能，往往还需要重复多次。

近年来，随着计算机仿真技术的进步，簧片应力仿真分析也大量运用继电器的开发中，且仿真精度也得到了大幅提升。但是，这也仅是将制造实物样机换成计算机模拟仿真样机，是否短期内获得设计恰当的簧片结构还是取决设计人员的经验水平。同时，该种方法也仅用于确定零件的形状尺寸，而没有考虑到生产过程中的零部件尺寸的散差的稳定性，因而依然无法把握生产中需要管理的重要尺寸，设计者依然是设定较小公差，造成了部分零部件精度要求过高，导致产品成本过高。

3 田口式健壮设计方法

本文拟采用的田口式健壮设计方法，是建立在本公司高精度的CAE簧片应力仿真分析基础上，通过导入田口式健壮设计方法达成的，高精度模拟仿真分析和田口式健壮设计方法二者结合，既可以减小零部件散差带来的簧片反力性能散差的同时，也可以直接得到满足设计目标值的簧片结构。以下以我司某款继电器的簧片结构(图2)为例，概要说明田口式健壮设计在继电器导电簧片设计中的应用，通过对簧片结构进行分析，找出影响产品性能的关键尺寸，为生产控制提供依据。

3.1 田口式健壮设计的基础

田口式健壮设计的原理，是利用了存在于产品或制造系统中的两个性质:

a)利用品质特性与控制因子之间的非线性关系去降低内部干扰因子的影响;

b)利用干扰因子与控制因子之间的交互作用，降低来自外部干扰因子或测量因子的影响。

3.2 分析对象

在继电器反力分析中，其常见反力曲线如图1所示。在该反力曲线图中，K2斜率受因素影响最多，且该斜率直接影响继电器吸反力配合。本文对K2相关的控制因子和干扰因子进行分析，得出影响K2的关键控制因子。

图1 簧片反力曲线示意图

图2 簧片结构及尺寸

3.3 理想机能

对于簧片反力斜率K2，过大过小都不利于继电器性能的稳定，对于固定一款继电器，其值存在一个最佳值，所以其理想机能为Y=m，属于静态望目特性。

3.4 控制因子、干扰因子及变动水平

首先，建立直交表，采用零件公差作为干扰因子。根据图纸，选择控制因子及其水平如表1，选择干扰因子及其水平如表2。在存在较多干扰因子(本例中有8个)的情况下，将所有干扰因子拟合成N1、N2两个水平的一个干扰因子。其中，N1导致品质特性(即K2)减小、N2导致品质特性(即K2)增大，可减小实验数据收集工作量，提高工作效率。

表1 控制因子及其水平值

表2 干扰因子及其水平

3.5 实验数据收集、分析及结果研读

建立L18直交表，利用CAE仿真软件ansys分析，收集数据，根据望目特性类型要求，进行计算，得出SN比值和品质特性，具体见表4，并绘制SN比效应图和品质特性值效应图，具体见图3、图4。根据效应图，将控制因子分类(见表3)，把对这个对稳定性影响大的因素固定在SN比的高水准上，通过调整仅对品质特性的有影响的控制因子，就可以使簧片K2满足设计要求的目标值。在这里，将A、C、D、F、G固定在SN比的高的水平上，通过调整控制因子B簧片K2满足设计要求的目标值。

图3 SN比效应图

图4 品质特性值效应图

表3 控制因子分类

表4 SN 比值和品质特性

4 结束语

通过将田口式健壮设计应用于继电器导电簧片设计中，在消除了设计阶段的多次试错的同时，也提高了产品的健壮性，即减少了生产过程中零件散差的影响，使产品免校正率达到95%，另外也开发固化了可以处理实验后数值的应用软件，建立了继电器簧片设计流程体系。下一步，将扩大田口式健壮设计的应用范围，比如将其应于继电器磁路系统的设计，进一步完善快速满足市场需要的商品开发的应对体制。

［1］ 吴玉印.田口式的稳健性设计［M］.北京:兵器出版社，1997.

［2］ 李辉煌.田口方法－－质量设计的原理与实务［M］.台湾:高立图书有限公司，2004(修订二版).

［3］ 中村正则.关于高频继电器的特性阻抗设计的研究［J］OMRON TECHNICS Vo140 No.4 2000.p279 ～282.