第二章 产品质量稳健设计理论体系.doc

第二章 稳健优化设计理论体系 传统机械设计往往以许用应力（这里所说的应力是一个广义的概念，不仅指机械应力，还包括载荷、变形、温度、磨损、电流、电压等）或安全系数来判断零部件性能是否满足要求，是否失效，这种计算方法的基本出发点是认为材料的极限应力、作用于零件上的载荷以及零件的尺寸等参数都是定值，然而实际上任何一种产品都有一些因素影响，因此决定产品质量性能的各个参数都是随机的、不确定的值，具有相当的分散性。设计师为了安全，往往采用较大的安全系数，导致零件尺寸过大，造成了设计的冗余。同时，在产品制造过程中虽有许多方法可以减小质量的变差，以达到提高产品质量的目的。但是这些方法往往对减小变差没有什么效果，同时也使整个产品的开发成本增加。为了弥补传统方法的不足，真正的保证质量，稳健设计方法应运而生。稳健设计的目的就是在产品设计过程中，有意识的考虑产品在随后的制造、使用过程中由于环境等因素引起的变差，充分考虑设计数据的离散性和随机性，减少质量的波动，提高产品可靠性和性能稳健性，保证产品的质量性能，同时减少成本，缩短开发周期，提高用户满意度的一种方法。本章主要介绍稳健设计的基本原理及质量信息的稳健性指标，讨论了质量信息的获取方法，提出了产品现代稳健优化设计的抽象模型。 2.1现代稳健优化设计基本原理[4] 2.1.1 功能参数分类 在产品质量设计过程中，对产品质量特性（输出特性）有影响的因素，我们称为功能因素，这些因素主要来自于设计、制造和使用三个方面。但是实际上由于这些功能因素具有一定的随机性，使得产品的质量特性变得很不稳定，从而发生波动。 从设计角度看，可将这些功能因素分为两类：可控因素（Control Factor）和不可控因素（Noise Factor）。顾名思义，可控因素是指在设计过程中可以控制的参数，即通常所说的设计变量，如零部件的几何尺寸、间隙等。在设计时所确定的名义值由于制造条件、工艺方法的差异会产生一定的变差，因此在设计时要确定其变差的范围，即确定其容差。有时还需要确定变差的概率分布类型和分布的特性参数。 不可控因素是指在设计中难于控制的因素、不可能控制或控制代价很高的因素，如环境因素中的温度、湿度，以及情绪等人为因素，其基本特征具有不确定性（随机性和模糊性）。通常设计师只能按它们的一个“概略”值来设计，而在制造和使用中其值必定会发生一定的变差，又称这类因素为噪声因素，根据对产品质量特性产生波动的原因，又可分为外噪声、内噪声和物间噪声。外噪声是指那些由于产品使用环境或运行因素的差异或变化而影响产品质量特性稳定性的因素。通常对产品影响最多的因素大都属于外噪声，如温度、湿度、操作人员等；内噪声是指产品在存放和使用过程中，随时间的推移而直接影响的产品质量特性的功能因素，比如材料老化、失效、磨损等；物间噪声是指在相同生产条件下生产制造出来的一批产品，由于机器、材料、加工方法、工人、测量和环境的微小变化，引起产品之间质量特性值参差不齐的因素，如制造参数、材料性能的波动、加工方法、加工环境的改变等。 可控因素和不可控因素同时存在，共同影响产品的质量特性，影响着输出响应。一般认为可控因素的影响形成系统误差，具有一定的方向性，而不可控因素的影响造成随机误差，使产品的性能出现波动。其中，不可控因素通常是造成产品功能特性偏离的主导因素，它是产品生命周期中不可避免的因素，不可控因素与可控因素相互作用，至使产品特性偏离目标值并造成质量损失。直接寻找改变产品特性的噪声因素并控制这些因素是代价昂贵的或是不现实的，应当通过控制可控因素的水平和配合，使产品和工艺对噪声因素的敏感程度降低，从而使噪声因素对产品质量的影响作用减少或去除，从而实现提高产品质量的目的。 2.1.2稳健优化设计的一般模型 产品稳健设计数学模型的基本要素包括：信号因素（输入），设计变量（可控因素），噪声因素和质量特性（输出因素），如图2-1所示。此图解设计模型表明，产品输出必须有相应的输入以及对输出的功能因素和的控制。由上面分析可知，和是一些随机变量，具有不确定性和模糊性，因此输出响应在这些因素变差的影响下会产生一定的波动，并且也具有一定的随机特性。 图2-1 产品质量设计图解模型 在传统产品开发过程中，对于产品质量的波动，往往是通过在线检测的手段来减少波动，这种控制波动的方法在批量生产时就会导致较大的产品质量缺陷，同时产品成本也较高。那么怎样才能真正的达到降低这些因素影响，使产品特性对这些因素的变化不十分敏感的目的呢？为了满足这个要求，在产品设计阶段就要采用面向产品质量的提高性能稳健性的方法，这种方法称为稳健设计（Robust Design）。稳健设计就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发生变差时仍能保证产品质量的一种工程方法。即稳健性产品对于制造工