浅谈稳健设计方法与原理



浅谈稳健设计方法与原理

黄瑜1王宇2

西华大学机械工程学院 四川成都 610039

[摘要]稳健设计是通过调整设计变量及控制其容差使可控因素和不可控因素当与设计值发生变差时仍能保证产品质量的一种工程方法。换句话说，即使在各种因素的干扰下，所作出设计的产品质量依旧保持稳定，或者用很廉价的零部件来组装出质量好，性能稳定的产品，则认为该产品的设计是稳健的。稳健设计已经成为现代产品设计的重要指标。

[关键词]曲柄滑块；稳健设计；机械设计

1.引言

稳健设计是通过对设计变量进行调整和对容差进行有效控制以使影响产品的各种因素（可控与不可控）在设计的结果变化时任然能任然能保证产品的质量的一种方法。换句话说，即使在各种因素的干扰下，所作出设计的产品质量依旧保持稳定，或者用很廉价的零部件来组装出质量好，性能稳定的产品，则认为该产品的设计是稳健的。产品的稳健性已经成为现代产品设计中的重要指标。

稳健设计方法是一种可以极大降低生产成本的质量工程方法，其是以把稳健性作为产品设计的目标，以尽量减弱大量下游生产或使用中的不确定因素；设计原理是通过改变影响产品质量因素的可控因素的水平。使不确定因素对产品质量的影响减到最小[1]。在产品设计之初考虑NT噪声因素的影响，所以产品设计几乎不需要考虑额外的余量或者是采用高质量的零部件对噪声因素的影响进行补偿。稳健设计是由日本学者田口博士提出。20世纪80年代，日本学者田口在以试验设计和信噪比的理论基础上，创立了以提高和改进产品质量的田口稳健设计方法，国内称为三次设计方法，即任何一个产品的设计都要经过以下三个阶段，即系统设计、参数设计、容差设计，其中参数设计是田口稳健设计方法的核心内容。田口创立的稳健设计方法对美国的工业产品设计有较大影响，随后其创立的稳健设计方法在被欧美等发达国家广泛应用。

2.传统优化设计的基本理论

优化设计是伴随计算机技术发展起来的新兴学科,它是以数学理论以及计算机程序设计为基础的,利用计算机强大数值计算能力,对设计的目标建立相应的数学描述，并通过编程的手段，对设计参数从一种数种优选出最好的一组或是最适合的一组值，或者通过相关算法通过优化的办法得到最满意的结果。以使期望达到的目标最优。这种方法对比于通过利用解析求解的办法有很大的优势，因为解析解并不总是能够被找到，或者比较难以找到，通过计算机数值求解的办法则可以解决这一难题。优化设计给工程设计人员带来了很大的便利，使得工程设计的效率极大的提高，而且设计的质量也得到的很大的改善[3]。

优化设计主要包括一下两个方面:一是如何将设计问题转化为反映问题实质便于计算机描述的数学模型,建立数学模型包括:选择作为设计变量的参数,同时建立目标函数和约束条件。设计问题所要求的最优指标和设计变量间对应函数关系被称为目标函数,约束条件则反映的是设计变量取得范围以及相互之间的关系;二是如何求出该数学模型最优解:这个问题可以归结为，给满足相应约束的情况下求目标函数极值问题。而对应于机械的优化设计，就是在特定载荷或具体工作环境条件下,同时要求满足机械的形态要求、几何尺寸要求或其它因素要求的情况下,同时根据要求确定机械系统的优化对象,选取优化设计变量,建立机械产品目标函数和约束条件,并通过相关算法使目标函数获得最优值一种现代设计方法,目前机械优化设计已广泛应用于航天、航空和国防等各部门。

3.稳健设计基本原理与基本方法

产品的稳健性就是指产品所具有的质量特性对设计参数误差的波动所带来的影响不明显，所以稳健性产品，其对制造工艺和制造环境等各种因素影响不敏感。产品经过稳健性设计这一环节，对材料和制造工艺的要求就会降低，从而开发产品的周期就会缩短，产品的质量得到提高，产品的生产成本也会有一定的降低。

在稳健性优化设计中，我们通常利用质量特性值与目标值的接近程度来衡量产品质量的好坏。质量特性接近目标响应值多，表明产品质量好；偏离目标响应值多，说明质量越差。假设产品质量特性为y，目标值为y0，计算的过程中考虑到随机性，如果利用产品质量的评价损失进行计算，则：

如果使产品的质量水平高而且稳定，那就必须使产品的质量损失减小。也就是说，产品质量指标的绝对偏差要减小，产品质量波动也要同时减小。因此，在实际的工程应用中，一般稳健性设计一般满足以下两个要求：

达到其最小值。这两个设计要求在稳健设计中都是比较重要的。常规的优化设计中所用的参数一般都采用平均值，这里的参数包括材料参数和工艺参数。由于这些参数及制造工艺都会存在一定的误差，包括系统误差、测量误差等。通过确定性优化设计得到的最优参数组合具有一定的偶然性，而且确定性优化得到的最优解通常会落在约束条件的边界上，实际产品生产中，各个工艺参数是会发生波动的，像刀具磨损、测量误差等。这些不确定性因素可能会导致在最优解时得到的产品质量性能超过边界条件。在很多情况下，通过传统优化设计得到的最优解，它的可靠度只能达到其设计值的一半。在稳健性优化设计中，通过利用优化数学模型并且在在其中增加目标及设计变量的均值（μ）、方差（σ）。这样处理的好处是，我们不仅可以求得目标函数的最优解，而且也同时降低了其对设计变量波动的敏感性。

目前，常用的稳健性优化设计方法主要有以下几种：田口稳健性设计方法、基于双响应面的稳健性设计方法以及 稳健性设计方法。最早的稳健性设计方法被认为是由日本的田口玄一博士提出的田口稳健性设计方法。它是一种低成本、高效益的方法，强调提高产品的质量不仅仅是要通过检验，更重要的是要通过设计。其基本思想是把产品的稳健性设计到产品和制造过程中，通过控制源头质量来抵御大量的下游生产或顾客使用中的噪声或者是不可控因素等的干扰，田口方法的优点是：提倡利用廉价的元部件来生产出高质量的产品，使用领先的试验技术来使设计试验费用降低。田口稳健性设计方法具有其明显的优点，而且其设计方法相对较为简单实用，所以在很多行业已经得到了大量的应用和广泛的认可。尽管如此，这一方法还是存在着一定的不足和缺陷。田口方法主要是采用信噪比和两步优化方法进行求解，因此在运用时最优解的大致范围及水平就必须事先知道，也就是说，这种方法对优化时的初始点要求特别高，如果不采用这种方法的话，就需要通过多轮的正交试验来进行求解，但这样会明显的降低它的效率。

4.结论

本文首先阐述了传统的优化设计思想与原理。同时提出了他的一个局限性。在这个基础上引入稳健设计的概念阐述了稳健设计的产生于基本原理。阐明了其所适应的范围等。

参考文献

[1]李泳鲜,孟庆国,姬振豫,机械稳健设计的研究概况与趋势.工程设计学报,1999

[2]胡笛川.机械优化设计.内蒙古科技与经济,2006

[3]王国强.机械优化设计[M].机械工业出版社,2009年09月

黄瑜，男，1991.11.18，西华大学机械电子工程。

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