馮金廣，程改蘭（河南職業(yè)技術(shù)學院；鄭州信息科技職業(yè)學院，鄭州 450008）

關(guān)于機械設(shè)計中健壯設(shè)計的應(yīng)用

馮金廣1，程改蘭2
（1河南職業(yè)技術(shù)學院；2鄭州信息科技職業(yè)學院，鄭州 450008）

摘 要：機械設(shè)計對于許多行業(yè)來講都是極其重要的，尤其是對于制造業(yè)而言，機械設(shè)計對產(chǎn)品的質(zhì)量、功能和安全都具有直接聯(lián)系。但是，單純通過機械設(shè)計得出的產(chǎn)品可能存在一定的性能缺陷。在這種情況下，健壯設(shè)計被逐漸運用到機械設(shè)計當中。本文對健壯設(shè)計進行了簡單介紹，深入分析了健壯設(shè)計在機械設(shè)計中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計；健壯設(shè)計；應(yīng)用

0 引言

對于機械設(shè)計而言，保證產(chǎn)品質(zhì)量和性能是最為根本的任務(wù)。但是對于某些產(chǎn)品的設(shè)計，單純的機械設(shè)計無法完全達到預期要求，需要輔以健壯設(shè)計來強化產(chǎn)品性能和質(zhì)量。

1 健壯設(shè)計

健壯設(shè)計提出的目的在于削弱產(chǎn)品存在的質(zhì)量波動，強化產(chǎn)品抗干擾能力。健壯設(shè)計主要包括了三個環(huán)節(jié)，分別是參數(shù)設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計和容差設(shè)計。從這三個方面入手進行優(yōu)化設(shè)計，就可以大幅提升產(chǎn)品的質(zhì)量及性能特征，強化其抗干擾能力，降低對影響因素的靈敏度。

通過健壯設(shè)計得出的產(chǎn)品不但能夠保證較高的質(zhì)量，穩(wěn)定性也十分可觀，還可以降低在使用過程中的各類成本。健壯設(shè)計充分利用了信噪比的基本設(shè)計思想，深入利用了非線性效應(yīng)，在正交設(shè)計理論的指導下，得出最佳設(shè)計參數(shù)。

2 健壯設(shè)計基本理論

2.1 質(zhì)量特性

質(zhì)量是產(chǎn)品外在表現(xiàn)的一類特性，也是健壯設(shè)計的目的之一。根據(jù)實際情況而言，質(zhì)量特性可以分為三個層面。首先是望目特性，這是指消費者對產(chǎn)品持有的期望特性目標，即消費者希望產(chǎn)品能夠達到層次或水平。望目特性的真實值和目標值應(yīng)該保持較小的差距，以便消費者接受。其次為望大特性，這是指對產(chǎn)品某方面的性能值期望越大越好，比如壽命、強度等。最后為望小特性，即指對產(chǎn)品某方面的性能值期望越小越好，比如磨損、振動、噪音等。

2.2 導致質(zhì)量波動的因素

產(chǎn)品是存在質(zhì)量波動的，而導致質(zhì)量波動的因素主要有五類。一是可控因素，主要是指可以進行控制的產(chǎn)品質(zhì)量影響因素，比如表面精度等；二是標識因素，主要是指產(chǎn)品使用環(huán)境和條件的影響因素，比如溫度、電流等；三是組別因素，主要是指產(chǎn)品在不同生產(chǎn)線上進行生產(chǎn)而出現(xiàn)的質(zhì)量波動，比如加工設(shè)備差異、人員差異等；四是信號因素，主要是指在不同的輸入信號下，產(chǎn)品會表現(xiàn)出不同的性能，一般和輸出為線性關(guān)系；五是誤差因素，出上述因素之外，還存在一些其他因素會導致產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量波動，這些因素主要包括了外部擾動、內(nèi)部擾動等。

2.3 信噪比

3 機械設(shè)計中健壯設(shè)計的應(yīng)用探究

3.1 確定影響因素和信噪比

在機械設(shè)計中，運用健壯設(shè)計先將產(chǎn)品橫向劃分為一系列較小的部分，再縱向?qū)Ω鞑糠值挠绊懸蛩剡M行逐一確定。承載構(gòu)建的信噪比可以通過強度和強度波動的比值，承載力和承載波動的比值得以體現(xiàn)；轉(zhuǎn)換機械和運動機械的信噪比主要體現(xiàn)為狀態(tài)變量波動和輸出運動狀態(tài)變量的比值；動力裝置的信噪比主要表現(xiàn)在輸出功率和功率波動之間的比值，效率和效率波動的比值。

3.2 系統(tǒng)模型

在明確影響因素和信噪比之后，應(yīng)該進行系統(tǒng)模型建立。根據(jù)相關(guān)工作經(jīng)驗，可以建立系統(tǒng)通用模型：Yi=fi（A，B，C），式中Yi是系統(tǒng)模型的輸出特性，角標i代表了模型系統(tǒng)的級數(shù)。如果i值為一，則說明系統(tǒng)是單目標系統(tǒng)，如果i值大于1，則說明系統(tǒng)是多目標系統(tǒng)。A是產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)，屬于可控因素范疇，包括了長度、寬度等；B是環(huán)境因素，屬于標識因素范疇，主要包括了氣壓、載荷和溫度等；C是誤差因素，可以為C1、C2、C3·····Ci等；fi代表了輸出特性Yi的第i種因素下的函數(shù)關(guān)系。

3.3 多目標系統(tǒng)

對于多目標系統(tǒng)來說，通常是使用加權(quán)法實現(xiàn)健壯設(shè)計。所謂加權(quán)法就是在第i種目標特性之下，通過不同目標特性下的信噪比對同一實驗方案進行驗證。因此，在多目標系統(tǒng)中，就可以把各級信噪比進行疊加，進而求出總信噪比，具體的疊加公式為：ai式中是多目標系統(tǒng)中的加權(quán)系數(shù)。

3.4 三次設(shè)計

三次設(shè)計的重點在于從設(shè)計階段對產(chǎn)品質(zhì)量進行控制，在最小的成本和最少的工序下制造出滿足設(shè)計要求的產(chǎn)品。在這一理論下，可以按照系統(tǒng)設(shè)計、參數(shù)設(shè)計和公差設(shè)計三步進行，而重點就是參數(shù)設(shè)計，也就是健壯設(shè)計。參數(shù)設(shè)計就是通過具有良好實用性的廉價元件，制造出高質(zhì)量的產(chǎn)品。其基本實質(zhì)就是根據(jù)產(chǎn)品輸出特性和元件參數(shù)水平之間的非線性關(guān)系實現(xiàn)線性設(shè)計。

3.5 實例分析

板坯橫移車在使用過程中，減速器齒輪容易出現(xiàn)點蝕、變形和斷齒的情況，且集中發(fā)生在第一軸和第二軸上。引起這一問題的主要原因在于齒輪承載力不足，這是機械設(shè)計導致的缺陷。通過健壯設(shè)計，可以有兩種設(shè)計思路解決這一問題：一是把噪聲變異對性能的影響降至最低；二是將可控因素變異對性能的影響降至最低。通過改變拓撲結(jié)構(gòu)，將分別驅(qū)動改為集中驅(qū)動，加大溫度系數(shù)、沖擊系數(shù)以及誤差系數(shù)，有效強化了齒輪各方面性能。

4 結(jié)束語

健壯設(shè)計可以從多個方面優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量特性、提升產(chǎn)品各項性能、強化其穩(wěn)定性。除此之外，通過健壯設(shè)計，可以優(yōu)化機械設(shè)計各個環(huán)節(jié)的工作，在最大程度上降低設(shè)計成本，促進機械設(shè)計發(fā)展進步。

參考文獻：

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[2]李宏華，楊良明.淺談機械設(shè)計中的現(xiàn)代設(shè)計的應(yīng)用[J].中國機械,2014（21）.

作者簡介：馮金廣（1983-），男，河南駐馬店人，工程碩士，主要從事機械設(shè)計制造及數(shù)控技術(shù)方面的工作。