關于機械設計中健壯設計的應用

（1河南職業技術學院;2鄭州信息科技職業學院，鄭州 450008）

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

關鍵詞：機械設計;健壯設計;應用

0 引言

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

1 健壯設計

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

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

2 健壯設計基本理論

2.1 質量特性

質量是產品外在表現的一類特性，也是健壯設計的目的之一。根據實際情況而言，質量特性可以分為三個層面。首先是望目特性，這是指消費者對產品持有的期望特性目標，即消費者希望產品能夠達到層次或水平。望目特性的真實值和目標值應該保持較小的差距，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 導致質量波動的因素

產品是存在質量波動的，而導致質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品質量影響因素，比如表面精度等;二是標識因素，主要是指產品使用環境和條件的影響因素，比如溫度、電流等;三是組別因素，主要是指產品在不同生產線上進行生產而出現的質量波動，比如加工設備差異、人員差異等;四是信號因素，主要是指在不同的輸入信號下，產品會表現出不同的性能，一般和輸出為線性關系;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品出現質量波動，這些因素主要包括了外部擾動、內部擾動等。

2.3 信噪比

信噪比設計的基本數學計算公式為：，其是田口玄一所提出的，式中η代表信噪比，是質量特性均值，是誤差方差。根據實際情況而言，誤差方差越接近目標值，質量特性均值越小，產品的真實質量就越好。但是，值在產品的制造過程中會出現一定程度的偏離，其偏離度計算可以根據公式：Y=/進行，式中Y代表了值發生的偏離度。此外，還應該在三次設計時對產品質量穩定性進行評價，相應評價公式為：/=2/2，式中/代表了評價指標。如果值不產生變化，那么的值越小，的值就越大，也就表示產品的質量波動特性越小。

3 機械設計中健壯設計的應用探究

3.1 確定影響因素和信噪比

在機械設計中，運用健壯設計先將產品橫向劃分為一系列較小的部分，再縱向對各部分的影響因素進行逐一確定。承載構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;轉換機械和運動機械的信噪比主要體現為狀態變量波動和輸出運動狀態變量的比值;動力裝置的信噪比主要表現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 系統模型

在明確影響因素和信噪比之后，應該進行系統模型建立。根據相關工作經驗，可以建立系統通用模型：Yi=fi（A，B，C），式中Yi是系統模型的輸出特性，角標i代表了模型系統的級數。如果i值為一，則說明系統是單目標系統，如果i值大于1，則說明系統是多目標系統。A是產品設計參數，屬于可控因素范疇，包括了長度、寬度等;B是環境因素，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種因素下的函數關系。

3.3 多目標系統

對于多目標系統來說，通常是使用加權法實現健壯設計。所謂加權法就是在第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式中是多目標系統中的加權系數。

3.4 三次設計

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

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點蝕、變形和斷齒的情況，且集中發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，這是機械設計導致的缺陷。通過健壯設計，可以有兩種設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。通過改變拓撲結構，將分別驅動改為集中驅動，加大溫度系數、沖擊系數以及誤差系數，有效強化了齒輪各方面性能。

4 結束語

健壯設計可以從多個方面優化產品質量特性、提升產品各項性能、強化其穩定性。除此之外，通過健壯設計，可以優化機械設計各個環節的工作，在最大程度上降低設計成本，促進機械設計發展進步。

參考文獻：

[1]劉振照.田口式健壯設計在繼電器簧片設計中的應用[J].機電元件，2014（05）.

[2]李宏華，楊良明.淺談機械設計中的現代設計的應用[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，主要從事機械設計制造及數控技術方面的工作。