田口方法在主轴系统参数设计优化组合方面的应用

梁 迪, 孟 伟

(沈阳大学 机械工程学院, 辽宁 沈阳 110044)



田口方法在主轴系统参数设计优化组合方面的应用

梁 迪, 孟 伟

(沈阳大学 机械工程学院, 辽宁 沈阳 110044)

结合主轴系统参数设计领域的应用实例,首先确定影响主轴系统传动稳定性的有关参数,然后运用田口方法以及Minitab软件进行多因子正交试验,根据实验数据进行信噪比分析、方差分析,得到主轴设计参数不同水平的最优组合.实例分析结果表明,田口方法对于改善主轴系统传动稳定性效果显著.

主轴系统; 传动稳定性; 田口方法; 参数设计; Minitab; 信噪比

现代工业工程是以大规模工业生产为背景,在生产制造管理和系统工程等学科的基础上逐步形成和发展起来的一门工程学科,它可以应用于服务、制造、食品、医疗等各个领域,对生产、管理以及服务过程进行优化设计和改善.如王彬等人运用工业工程中的人因工程学知识对大学校园的交通状况进行优化设计[1]取得了很好的成效.除人因工程学之外,质量管理和控制也属于现代工业工程的范畴.其中日本田口玄一博士创立的田口方法就是一种质量工程管理方法,普遍运用于汽车业、机械制造业、电子产业等多门类领域,运用此方法可以改善产品的质量,其核心内容被日本视为“国宝”.在国内,田口方法在高校以及国防科技工业有较多的理论研究,如潘尔顺,徐小芸的田口方法在冲压仿真建模参数优化中的应用研究[2];田口方法在国外汽车制造业运用最广,而且取得的成果显著,如美国汽车业巨头福特和通用公司都将田口方法应用到实践中,为公司降低了成本,生产的汽车性能增强.田口方法将质量控制分为线外质量控制和线内质量控制,所谓线外控制就是产品设计阶段和制造设计阶段的质量控制活动.线内质量控制即实际生产阶段的质量控制活动.本文就将田口方法的这种线外质量控制思想运用到主轴系统的设计阶段.

1 田口方法

1.1 基本思想

与传统的质量定义不同,田口玄一博士将产品的质量定义为[3]:产品出厂后避免对社会造成损失的特性,可用“质量损失”来对产品质量进行定量.田口方法通过调整设计参数,使产品的功能、性能对偏差的起因不敏感,以提高产品自身的抗干扰能力.为了定量描述产品质量损失,田口提出了“质量损失函数[4]”的概念,并以信噪比来衡量设计参数的稳健程度.

1.2 参数设计

在系统结构确定后进行参数设计,利用正交实验和方差分析的方法寻求全部参数的最佳组合.所谓最佳组合,指引入信躁比评价指标,通过稳定性设计使产品的可靠性、抗干扰性、稳定性、匀一性增强(设计要求在广泛或恶劣的使用环境、长期的使用时间,产品及元部件仍能正常实现目标机能),引入灵敏度评价指标使系统偏差小.

1.3 信噪比

为了对所选设备的质量特征进行量化,引入了信噪比(输入信号强度与噪声强度之比)的概念.信噪比有三种形式,分别是望目特性[5]信噪比、望小特性[6]的信噪比、望大特性的信噪比.

1.4 因子分类

可控因子----在生产中水平可由试验者选择或控制的因子称为可控因子.

噪声因子----在生产及试验中水平不能被试验者控制或很难控制或要花费高昂的代价才能控制的因子称为噪声因子.

2 实例验证

本文针对MX公司某新型数控机床零件加工中出现的主轴系统传动不稳定、有噪声,且零件次品率增加的问题进行研究,通过运用田口方法确定影响主轴系统传动稳定性因素的最佳组合,从而使主轴系统的抗振性和稳定性增强,提高了零件加工合格率.

2.1 影响因子确定

经产品设计部门、生产运作部门、设备管理部门的专家运用头脑风暴法,确定了主要影响主轴系统传动稳定性的因素如下.

(1) 可控因子.a为轴承的支承刚度(N/m).轴承支承刚度增大会使主轴系统的稳定性增强.

b为轴承的支承类型.主轴支承类型是指轴承的布置位置,主轴支承的类型会影响主轴系统的稳定性和抗振性.本文选用三支承类型,此支承类型有三种支承方式.第一种支承方式为前中后三组轴承,每组两个轴承,中间支承轴承和后支承轴承距离较近的排列方式;第二种支承方式为一组选用单独轴承支承,后一组选择三个轴承支承;第三种支承方式为前中后三组轴承,每组两个轴承,中间支承轴承和前支承轴承的距离较近的排列方式.三种支承类型的简图分别如图1～图3所示.

图1 第一种支承方式

图2 第二种支承方式

图3 第三种支承方式

c为轴承跨距(mm).轴承跨距是指两组轴承的间距,即图1～图3中标注的距离c,本文只考虑前后轴承的跨距,一般情况下随着跨距的增大可以获得更高的工作转速,使主轴系统运转更安全,但跨距过大会影响主轴的柔性.

d为预紧力(N).预紧力是指采用适当的方法使轴承滚动体和内外套圈之间产生一定的预变形,目的是增加轴承刚度,提高轴的旋转精度,降低轴的振动和噪声.

e为主轴内径(mm).高速主轴的内径成阶梯状,改变主轴内径会影响主轴的刚度.

主轴系统传动的稳定性属于主轴系统动力学特性,为研究方便本文给出了简化后的高速主轴系统示意图,见图4.

图4 主轴系统简化图

(2) 噪声因子.M为主轴材料;N为加工主轴机床刀尖的压力波动(MPa);Q为切削液类型.由于这三个因素在生产中不易控制,或者需要花费大量财力才能控制好,所以这三个因素被选作噪声因子.

2.2 正交试验

(1) 确定因子水平,见表1和表2.

表1 可控因子不同水平的取值

表2 噪声因子不同水平的取值

(2) 制定正交表,见表3.

表3 正交表的外表

首先利用Minitab软件创建正交表,然后生产部门根据正交表里不同水平的27种组合进行现场试验,生产数控机床,观察检验这些机床主轴系统的运转情况以及由这些数控机床加工出的零件的合格情况,并记录零件的合格率.最后运用Minitab软件实施正交试验,试验结果如表4.

2.3 信噪比分析

由图5可知预紧力对质量特性影响最大, 轴承的支承刚度取第2水平较好, 轴承的支承类型取第3水平较好, 轴承跨距取第3水平较好, 预紧力取第2水平较好, 主轴内径取第1水平较好.

表4 由Minitab创建的正交实验表

图5 因子对信噪比的主效应图

2.4 方差分析[7]

(1) 质量特性均值的方差分析

因子的平方和计算公式:

(1)

因子的自由度计算公式:

(2)

因子的变异数计算公式:

(3)

a因子的平方和:

由表4的最后一列数据计算出a因子三个水平的均值的平均值和所有均值的平均值分别为92.17、93.79、91.97、92.64.

(93.79-92.64)2+(91.97-92.64)2]=

17.91.

a因子的自由度DOFa=la-1=2;

a因子的变异数VARa=SSa/DOFa=8.954;

a因子残差的平方和SSerror=34.117;(Minitab得出)

a因子残差自由度DOFerror=n-1-∑DOF=27-1-2×5=16;

a因子残差变异数VARerror=SSerror/DOFerror=2.132;

a因子变异数比值F=VARa/VARerror=4.2.

同理可计算其他因子并得出质量特性均值的方差分析和噪声比的方差分析,分别见表5和表6.

表5 均值的方差分析

表6 信噪比的方差分析

由表5可知因子a、d、e的P<0.05,所以这三个因子对特性值均值是显著的.

由表6可知因子a、d、e的P<0.05,所以对于噪声比是显著的.

(2) 确定水平组合

由方差分析可知因子a、d、e对噪声比和质量特性均值都有明显影响,所以这三个因子是重要因子.由于b、c因子对信噪比和均值影响均不太明显,属于次要因子,说明轴承支承类型和轴承跨距不是影响主轴系统动态特性的主要参数,但前后轴承跨距过大会对主轴的柔性造成影响,因此c取较低水平c2,a、b、d、e因子根据信噪比反应图5取a2、b3、d2、e1,最后确定各因子水平组合为a2、b3、c2、d2、e1.

3 结 论

本文针对MX公司生产的数控机床加工零件不合格问题进行深入研究,经研究发现机床主轴系统参数设计的不合理,使主轴系统传动不稳定,抗振性较弱,致使加工出来的零件精度不高,合格率较低.本文首先运用头脑风暴法,确定了影响主轴系统动态特性的主要参数及其水平.接着利用田口方法以及Minitab软件进行了正交试验、信噪比分析、方差分析,最终确定了主轴系统设计参数的最佳组合,后经生产部门以此最优参数组合进行生产试验.结果显示,较之前相比机床加工零件的合格率由原来的88.66%提高到95.85%,生产效率也提高了10%.

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【责任编辑: 赵 炬】

Application of Taguchi Method in Optimal Combination of Parameters Design of Main Spindle System

Liang Di, Meng Wei

(SchoolofMechanicalEngineering,ShenyangUniversity,Shenyang110044,China)

Combinedwiththeapplicationcaseinthefieldofparameterdesignofthemainspindlesystem,firstly,therelevantparametersthataffectedthestabilityofthetransmissionofthemainspindlesystemweredetermined,andthentheTaguchimethodandMinitabsoftwarewereusedtoimplementtheorthogonaltestformultiplefactors.Accordingtotheexperimentaldata,theanalysisofsignaltonoiseratioandtheanalysisofvariancewereperformedandtheoptimalcombinationofdesignparameterswithdifferentlevelsofthespindlesystemwasobtained.CaseanalysisshowedthattheTaguchimethodhadasignificanteffectonimprovingthetransmissionstabilityofthemainspindlesystem.

mainspindlesystem;transmissionstability;Taguchimethod;parameterdesign;Minitab;signaltonoiseratio

2016-05-05

梁 迪(1971-),女,湖南长沙人,沈阳大学副教授,博士研究生.

2095-5456(2016)05-0405-05

TG 502.14

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