淺談穩健設計方法與原理

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淺談穩健設計方法與原理

黃瑜1王宇2

西華大學機械工程學院 四川成都 610039

[摘要]穩健設計是通過調整設計變量及控制其容差使可控因素和不可控因素當與設計值發生變差時仍能保證產品質量的一種工程方法。換句話說，即使在各種因素的干擾下，所作出設計的產品質量依舊保持穩定，或者用很廉價的零部件來組裝出質量好，性能穩定的產品，則認為該產品的設計是穩健的。穩健設計已經成為現代產品設計的重要指標。

[關鍵詞]曲柄滑塊；穩健設計；機械設計

1.引言

穩健設計是通過對設計變量進行調整和對容差進行有效控制以使影響產品的各種因素（可控與不可控）在設計的結果變化時任然能任然能保證產品的質量的一種方法。換句話說，即使在各種因素的干擾下，所作出設計的產品質量依舊保持穩定，或者用很廉價的零部件來組裝出質量好，性能穩定的產品，則認為該產品的設計是穩健的。產品的穩健性已經成為現代產品設計中的重要指標。

穩健設計方法是一種可以極大降低生產成本的質量工程方法，其是以把穩健性作為產品設計的目標，以盡量減弱大量下游生產或使用中的不確定因素；設計原理是通過改變影響產品質量因素的可控因素的水平。使不確定因素對產品質量的影響減到最小[1]。在產品設計之初考慮NT噪聲因素的影響，所以產品設計幾乎不需要考慮額外的余量或者是采用高質量的零部件對噪聲因素的影響進行補償。穩健設計是由日本學者田口博士提出。20世紀80年代，日本學者田口在以試驗設計和信噪比的理論基礎上，創立了以提高和改進產品質量的田口穩健設計方法，國內稱為三次設計方法，即任何一個產品的設計都要經過以下三個階段，即系統設計、參數設計、容差設計，其中參數設計是田口穩健設計方法的核心內容。田口創立的穩健設計方法對美國的工業產品設計有較大影響，隨后其創立的穩健設計方法在被歐美等發達國家廣泛應用。

2.傳統優化設計的基本理論

優化設計是伴隨計算機技術發展起來的新興學科,它是以數學理論以及計算機程序設計為基礎的,利用計算機強大數值計算能力,對設計的目標建立相應的數學描述，并通過編程的手段，對設計參數從一種數種優選出最好的一組或是最適合的一組值，或者通過相關算法通過優化的辦法得到最滿意的結果。以使期望達到的目標最優。這種方法對比于通過利用解析求解的辦法有很大的優勢，因為解析解并不總是能夠被找到，或者比較難以找到，通過計算機數值求解的辦法則可以解決這一難題。優化設計給工程設計人員帶來了很大的便利，使得工程設計的效率極大的提高，而且設計的質量也得到的很大的改善[3]。

優化設計主要包括一下兩個方面:一是如何將設計問題轉化為反映問題實質便于計算機描述的數學模型,建立數學模型包括:選擇作為設計變量的參數,同時建立目標函數和約束條件。設計問題所要求的最優指標和設計變量間對應函數關系被稱為目標函數,約束條件則反映的是設計變量取得范圍以及相互之間的關系;二是如何求出該數學模型最優解:這個問題可以歸結為，給滿足相應約束的情況下求目標函數極值問題。而對應于機械的優化設計，就是在特定載荷或具體工作環境條件下,同時要求滿足機械的形態要求、幾何尺寸要求或其它因素要求的情況下,同時根據要求確定機械系統的優化對象,選取優化設計變量,建立機械產品目標函數和約束條件,并通過相關算法使目標函數獲得最優值一種現代設計方法,目前機械優化設計已廣泛應用于航天、航空和國防等各部門。

3.穩健設計基本原理與基本方法

產品的穩健性就是指產品所具有的質量特性對設計參數誤差的波動所帶來的影響不明顯，所以穩健性產品，其對制造工藝和制造環境等各種因素影響不敏感。產品經過穩健性設計這一環節，對材料和制造工藝的要求就會降低，從而開發產品的周期就會縮短，產品的質量得到提高，產品的生產成本也會有一定的降低。

在穩健性優化設計中，我們通常利用質量特性值與目標值的接近程度來衡量產品質量的好壞。質量特性接近目標響應值多，表明產品質量好；偏離目標響應值多，說明質量越差。假設產品質量特性為y，目標值為y0，計算的過程中考慮到隨機性，如果利用產品質量的評價損失進行計算，則：

如果使產品的質量水平高而且穩定，那就必須使產品的質量損失減小。也就是說，產品質量指標的絕對偏差要減小，產品質量波動也要同時減小。因此，在實際的工程應用中，一般穩健性設計一般滿足以下兩個要求：

達到其最小值。這兩個設計要求在穩健設計中都是比較重要的。常規的優化設計中所用的參數一般都采用平均值，這里的參數包括材料參數和工藝參數。由于這些參數及制造工藝都會存在一定的誤差，包括系統誤差、測量誤差等。通過確定性優化設計得到的最優參數組合具有一定的偶然性，而且確定性優化得到的最優解通常會落在約束條件的邊界上，實際產品生產中，各個工藝參數是會發生波動的，像刀具磨損、測量誤差等。這些不確定性因素可能會導致在最優解時得到的產品質量性能超過邊界條件。在很多情況下，通過傳統優化設計得到的最優解，它的可靠度只能達到其設計值的一半。在穩健性優化設計中，通過利用優化數學模型并且在在其中增加目標及設計變量的均值（μ）、方差（σ）。這樣處理的好處是，我們不僅可以求得目標函數的最優解，而且也同時降低了其對設計變量波動的敏感性。

目前，常用的穩健性優化設計方法主要有以下幾種：田口穩健性設計方法、基于雙響應面的穩健性設計方法以及 穩健性設計方法。最早的穩健性設計方法被認為是由日本的田口玄一博士提出的田口穩健性設計方法。它是一種低成本、高效益的方法，強調提高產品的質量不僅僅是要通過檢驗，更重要的是要通過設計。其基本思想是把產品的穩健性設計到產品和制造過程中，通過控制源頭質量來抵御大量的下游生產或顧客使用中的噪聲或者是不可控因素等的干擾，田口方法的優點是：提倡利用廉價的元部件來生產出高質量的產品，使用領先的試驗技術來使設計試驗費用降低。田口穩健性設計方法具有其明顯的優點，而且其設計方法相對較為簡單實用，所以在很多行業已經得到了大量的應用和廣泛的認可。盡管如此，這一方法還是存在著一定的不足和缺陷。田口方法主要是采用信噪比和兩步優化方法進行求解，因此在運用時最優解的大致范圍及水平就必須事先知道，也就是說，這種方法對優化時的初始點要求特別高，如果不采用這種方法的話，就需要通過多輪的正交試驗來進行求解，但這樣會明顯的降低它的效率。

4.結論

本文首先闡述了傳統的優化設計思想與原理。同時提出了他的一個局限性。在這個基礎上引入穩健設計的概念闡述了穩健設計的產生于基本原理。闡明了其所適應的范圍等。

參考文獻

[1]李泳鮮,孟慶國,姬振豫,機械穩健設計的研究概況與趨勢.工程設計學報,1999

[2]胡笛川.機械優化設計.內蒙古科技與經濟,2006

[3]王國強.機械優化設計[M].機械工業出版社,2009年09月

黃瑜，男，1991.11.18，西華大學機械電子工程。

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