关于机械设计中健壮设计的应用

2015-11-08冯金广程改兰河南职业技术学院郑州信息科技职业学院郑州450008

山东工业技术 2015年17期

冯金广，程改兰（河南职业技术学院；郑州信息科技职业学院，郑州 450008）

关于机械设计中健壮设计的应用

冯金广1，程改兰2
（1河南职业技术学院；2郑州信息科技职业学院，郑州 450008）

摘要：机械设计对于许多行业来讲都是极其重要的，尤其是对于制造业而言，机械设计对产品的质量、功能和安全都具有直接联系。但是，单纯通过机械设计得出的产品可能存在一定的性能缺陷。在这种情况下，健壮设计被逐渐运用到机械设计当中。本文对健壮设计进行了简单介绍，深入分析了健壮设计在机械设计中的应用。

关键词：机械设计；健壮设计；应用

0 引言

对于机械设计而言，保证产品质量和性能是最为根本的任务。但是对于某些产品的设计，单纯的机械设计无法完全达到预期要求，需要辅以健壮设计来强化产品性能和质量。

1 健壮设计

健壮设计提出的目的在于削弱产品存在的质量波动，强化产品抗干扰能力。健壮设计主要包括了三个环节，分别是参数设计、系统设计和容差设计。从这三个方面入手进行优化设计，就可以大幅提升产品的质量及性能特征，强化其抗干扰能力，降低对影响因素的灵敏度。

通过健壮设计得出的产品不但能够保证较高的质量，稳定性也十分可观，还可以降低在使用过程中的各类成本。健壮设计充分利用了信噪比的基本设计思想，深入利用了非线性效应，在正交设计理论的指导下，得出最佳设计参数。

2 健壮设计基本理论

2.1 质量特性

质量是产品外在表现的一类特性，也是健壮设计的目的之一。根据实际情况而言，质量特性可以分为三个层面。首先是望目特性，这是指消费者对产品持有的期望特性目标，即消费者希望产品能够达到层次或水平。望目特性的真实值和目标值应该保持较小的差距，以便消费者接受。其次为望大特性，这是指对产品某方面的性能值期望越大越好，比如寿命、强度等。最后为望小特性，即指对产品某方面的性能值期望越小越好，比如磨损、振动、噪音等。

2.2 导致质量波动的因素

产品是存在质量波动的，而导致质量波动的因素主要有五类。一是可控因素，主要是指可以进行控制的产品质量影响因素，比如表面精度等；二是标识因素，主要是指产品使用环境和条件的影响因素，比如温度、电流等；三是组别因素，主要是指产品在不同生产线上进行生产而出现的质量波动，比如加工设备差异、人员差异等；四是信号因素，主要是指在不同的输入信号下，产品会表现出不同的性能，一般和输出为线性关系；五是误差因素，出上述因素之外，还存在一些其他因素会导致产品出现质量波动，这些因素主要包括了外部扰动、内部扰动等。

2.3 信噪比

3 机械设计中健壮设计的应用探究

3.1 确定影响因素和信噪比

在机械设计中，运用健壮设计先将产品横向划分为一系列较小的部分，再纵向对各部分的影响因素进行逐一确定。承载构建的信噪比可以通过强度和强度波动的比值，承载力和承载波动的比值得以体现；转换机械和运动机械的信噪比主要体现为状态变量波动和输出运动状态变量的比值；动力装置的信噪比主要表现在输出功率和功率波动之间的比值，效率和效率波动的比值。

3.2 系统模型

在明确影响因素和信噪比之后，应该进行系统模型建立。根据相关工作经验，可以建立系统通用模型：Yi=fi（A，B，C），式中Yi是系统模型的输出特性，角标i代表了模型系统的级数。如果i值为一，则说明系统是单目标系统，如果i值大于1，则说明系统是多目标系统。A是产品设计参数，属于可控因素范畴，包括了长度、宽度等；B是环境因素，属于标识因素范畴，主要包括了气压、载荷和温度等；C是误差因素，可以为C1、C2、C3·····Ci等；fi代表了输出特性Yi的第i种因素下的函数关系。

3.3 多目标系统

对于多目标系统来说，通常是使用加权法实现健壮设计。所谓加权法就是在第i种目标特性之下，通过不同目标特性下的信噪比对同一实验方案进行验证。因此，在多目标系统中，就可以把各级信噪比进行叠加，进而求出总信噪比，具体的叠加公式为：ai式中是多目标系统中的加权系数。

3.4 三次设计

三次设计的重点在于从设计阶段对产品质量进行控制，在最小的成本和最少的工序下制造出满足设计要求的产品。在这一理论下，可以按照系统设计、参数设计和公差设计三步进行，而重点就是参数设计，也就是健壮设计。参数设计就是通过具有良好实用性的廉价元件，制造出高质量的产品。其基本实质就是根据产品输出特性和元件参数水平之间的非线性关系实现线性设计。

3.5 实例分析

板坯横移车在使用过程中，减速器齿轮容易出现点蚀、变形和断齿的情况，且集中发生在第一轴和第二轴上。引起这一问题的主要原因在于齿轮承载力不足，这是机械设计导致的缺陷。通过健壮设计，可以有两种设计思路解决这一问题：一是把噪声变异对性能的影响降至最低；二是将可控因素变异对性能的影响降至最低。通过改变拓扑结构，将分别驱动改为集中驱动，加大温度系数、冲击系数以及误差系数，有效强化了齿轮各方面性能。