田口式健壯設(shè)計在繼電器簧片設(shè)計中的應(yīng)用

劉振照

(廈門宏發(fā)電聲股份有限公司，福建廈門，361021)

1 引言

在當今技術(shù)飛速發(fā)展的時代，對電磁繼電器的要求主要是環(huán)保、小型化、低功耗、高可靠性等高質(zhì)量以及低成本化。同時，也要求各廠商能夠迅速提供滿足市場需要的產(chǎn)品。因此，在短期內(nèi)開發(fā)高性能、高工藝性的產(chǎn)品尤為重要，特別是設(shè)計健壯的產(chǎn)品，即受生產(chǎn)工藝變差影響小的產(chǎn)品更是關(guān)鍵點。田口式健壯設(shè)計在工業(yè)發(fā)達國家如日本、美國等眾多行業(yè)中得到較多應(yīng)用，并由ASI(美國供應(yīng)商協(xié)會)大力推廣，取得了顯著成果，但在中國尤其是繼電器行業(yè)較少見到成功應(yīng)用的案例。本文就田口式健壯設(shè)計在繼電器簧片設(shè)計中的應(yīng)用做一探索。

2 目前繼電器設(shè)計方法的現(xiàn)狀

2.1 繼電器設(shè)計的關(guān)鍵點

繼電器由電磁系統(tǒng)構(gòu)成的“驅(qū)動系統(tǒng)”及觸點和簧片構(gòu)成的“接觸系統(tǒng)”組成，見圖1所示。繼電器的性能需要滿足很多條件，比如為了達到動作參數(shù)的穩(wěn)定性與產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝性的提高，磁路系統(tǒng)產(chǎn)生的吸力與觸點簧片產(chǎn)生的反力即吸反力匹配要恰當?shù)取?/p>

2.2 現(xiàn)有繼電器簧片設(shè)計方法

一直以來，繼電器的設(shè)計主要是通過搭建物理樣機采用試錯法進行設(shè)計，設(shè)計好壞往往取決于經(jīng)驗和對過去的產(chǎn)品熟悉程度。這種靠搭建物理樣機的試錯法需要花費較多時間和資源，而且基本上無法一次滿足所有性能，往往還需要重復(fù)多次。

近年來，隨著計算機仿真技術(shù)的進步，簧片應(yīng)力仿真分析也大量運用繼電器的開發(fā)中，且仿真精度也得到了大幅提升。但是，這也僅是將制造實物樣機換成計算機模擬仿真樣機，是否短期內(nèi)獲得設(shè)計恰當?shù)幕善Y(jié)構(gòu)還是取決設(shè)計人員的經(jīng)驗水平。同時，該種方法也僅用于確定零件的形狀尺寸，而沒有考慮到生產(chǎn)過程中的零部件尺寸的散差的穩(wěn)定性，因而依然無法把握生產(chǎn)中需要管理的重要尺寸，設(shè)計者依然是設(shè)定較小公差，造成了部分零部件精度要求過高，導(dǎo)致產(chǎn)品成本過高。

3 田口式健壯設(shè)計方法

本文擬采用的田口式健壯設(shè)計方法，是建立在本公司高精度的CAE簧片應(yīng)力仿真分析基礎(chǔ)上，通過導(dǎo)入田口式健壯設(shè)計方法達成的，高精度模擬仿真分析和田口式健壯設(shè)計方法二者結(jié)合，既可以減小零部件散差帶來的簧片反力性能散差的同時，也可以直接得到滿足設(shè)計目標值的簧片結(jié)構(gòu)。以下以我司某款繼電器的簧片結(jié)構(gòu)(圖2)為例，概要說明田口式健壯設(shè)計在繼電器導(dǎo)電簧片設(shè)計中的應(yīng)用，通過對簧片結(jié)構(gòu)進行分析，找出影響產(chǎn)品性能的關(guān)鍵尺寸，為生產(chǎn)控制提供依據(jù)。

3.1 田口式健壯設(shè)計的基礎(chǔ)

田口式健壯設(shè)計的原理，是利用了存在于產(chǎn)品或制造系統(tǒng)中的兩個性質(zhì):

a)利用品質(zhì)特性與控制因子之間的非線性關(guān)系去降低內(nèi)部干擾因子的影響;

b)利用干擾因子與控制因子之間的交互作用，降低來自外部干擾因子或測量因子的影響。

3.2 分析對象

在繼電器反力分析中，其常見反力曲線如圖1所示。在該反力曲線圖中，K2斜率受因素影響最多，且該斜率直接影響繼電器吸反力配合。本文對K2相關(guān)的控制因子和干擾因子進行分析，得出影響K2的關(guān)鍵控制因子。

圖1 簧片反力曲線示意圖

圖2 簧片結(jié)構(gòu)及尺寸

3.3 理想機能

對于簧片反力斜率K2，過大過小都不利于繼電器性能的穩(wěn)定，對于固定一款繼電器，其值存在一個最佳值，所以其理想機能為Y=m，屬于靜態(tài)望目特性。

3.4 控制因子、干擾因子及變動水平

首先，建立直交表，采用零件公差作為干擾因子。根據(jù)圖紙，選擇控制因子及其水平如表1，選擇干擾因子及其水平如表2。在存在較多干擾因子(本例中有8個)的情況下，將所有干擾因子擬合成N1、N2兩個水平的一個干擾因子。其中，N1導(dǎo)致品質(zhì)特性(即K2)減小、N2導(dǎo)致品質(zhì)特性(即K2)增大，可減小實驗數(shù)據(jù)收集工作量，提高工作效率。

表1 控制因子及其水平值

表2 干擾因子及其水平

3.5 實驗數(shù)據(jù)收集、分析及結(jié)果研讀

建立L18直交表，利用CAE仿真軟件ansys分析，收集數(shù)據(jù)，根據(jù)望目特性類型要求，進行計算，得出SN比值和品質(zhì)特性，具體見表4，并繪制SN比效應(yīng)圖和品質(zhì)特性值效應(yīng)圖，具體見圖3、圖4。根據(jù)效應(yīng)圖，將控制因子分類(見表3)，把對這個對穩(wěn)定性影響大的因素固定在SN比的高水準上，通過調(diào)整僅對品質(zhì)特性的有影響的控制因子，就可以使簧片K2滿足設(shè)計要求的目標值。在這里，將A、C、D、F、G固定在SN比的高的水平上，通過調(diào)整控制因子B簧片K2滿足設(shè)計要求的目標值。

圖3 SN比效應(yīng)圖

圖4 品質(zhì)特性值效應(yīng)圖

表3 控制因子分類

表4 SN 比值和品質(zhì)特性

4 結(jié)束語

通過將田口式健壯設(shè)計應(yīng)用于繼電器導(dǎo)電簧片設(shè)計中，在消除了設(shè)計階段的多次試錯的同時，也提高了產(chǎn)品的健壯性，即減少了生產(chǎn)過程中零件散差的影響，使產(chǎn)品免校正率達到95%，另外也開發(fā)固化了可以處理實驗后數(shù)值的應(yīng)用軟件，建立了繼電器簧片設(shè)計流程體系。下一步，將擴大田口式健壯設(shè)計的應(yīng)用范圍，比如將其應(yīng)于繼電器磁路系統(tǒng)的設(shè)計，進一步完善快速滿足市場需要的商品開發(fā)的應(yīng)對體制。

［1］ 吳玉印.田口式的穩(wěn)健性設(shè)計［M］.北京:兵器出版社，1997.

［2］ 李輝煌.田口方法－－質(zhì)量設(shè)計的原理與實務(wù)［M］.臺灣:高立圖書有限公司，2004(修訂二版).

［3］ 中村正則.關(guān)于高頻繼電器的特性阻抗設(shè)計的研究［J］OMRON TECHNICS Vo140 No.4 2000.p279 ～282.