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摘要：机械设计是机械制造行业的关键环节，其决定了相关产品的功能、质量和安全性等。但是，进行单纯的机械设计，所得出的产品可能由于制造工艺或一些其他原因，导致部分功能弱化，无法达到预期。为此，健壮设计的概念被逐渐提出。本文从健壮设计的基本内涵入手，逐一分析健壮设计在机械设计中的实际应用，以期提升机械设计相关工作的成效。
关键词：机械设计 健壮设计 应用
健壮设计的目的在于提高产品本身的性能、 降低相关成本和增强产品运行过程的稳定性。其立足于经济效益，通过管理技术和质量设计，对产品的质量、性能和成本进行了优化。健壮设计符合市场规律和机械设计基本要求，应该在机械设计中广泛应用。一、健壮设计的内涵简述
健壮设计是为了提升产品抗干扰的能力，以减少产品的质量波动。该设计从参数设计、系统设计和容差设计三个层面入手，强化产品抗干扰性能，放大产品的质量特征，使其对影响因素的敏感度降至最低。通过健壮设计得到的产品，不仅能够保证高的质量，更能保证质量的稳定性，降低在产品使用中的各项成本。健壮设计灵活地运用了信噪比设计思想，将系统或产品中的非线性效应进行了充分利用，并结合正交设计理论，获取最佳的设计参数。二、健壮设计基本原理分析
（一）产品质量特性
健壮设计的根本就是提升产品质量， 产品质量特性根据消费者期望可以分为三个方面。第一个方面为望目特性，即消费者对产品某部存在一个期望的质量特性目标值， 实际产品的质量特性与该目标值之间的差异越小越好。比如产品零部件的质量、尺寸等。第二个方面为望小特性，即消费者对产品某部质量特性值期望其越小越好，比如产品零部件的磨损、 运行过程中的振动噪音等。 第三个方面为望大特性，即消费者对产品某部质量特性值期望其越大越好， 比如产品的使用寿命，零部件强度等。
（二）质量波动的影响因素
造成质量波动的因素主要有五点，第一是可控因素，即可以进行选择控制的产品因素，如表面粗糙度。第二是标示因素，即产品的使用条件和外部环境，如电压、电流等。第三是信号因素，即改变产品输入以实现某些需求，一般跟输出成线性关系。第四是区组因素，相关设计会因为实际生产的差别出现质量波动，如加工者不同、加工设备不同等。第五是误差因素，误差因素是上述因素之外的其他影响因素，主要可以分为内部干扰、外部干扰和相互干扰。
（三）信噪比设计
三、健壮设计在机械设计中的应用分析
（一）确定信噪比和影响因素
在机械设计中应用健壮设计，首先需要确定各项设计参数。具体来说， 可以横向将产品分为动力能量转换机械、 运动传递与转换机械、承载构件，再纵向确定各项影响因素。输出特性Y i 在动力能量转换机械部分来说主要体现在输出功率和效率， 在运动传递与转换机械部分来说体现在速度、加速度、运动位移和运动轨迹，在承载构件部分来说体现在强度、刚度、应力和形变等方面。信噪比在动力能量转换机械部分来说，其主要体现在输出功率与功率波动的比值，以及效率和效率波动的比值；在运动传递与转换机械部分来说，其主要体现在输出运动状态变量与状态变量波动的比值；在承载构件部分来说，其主要体现在强度与强度波动的比值， 以及承载能力与承载能力波动的比值。除此之外，其他可控因素、标示因素、信号因素和误差因素等，都在产品各部分能够得到具体体现，进而得到确定。
（二）建立系统模型
在确定各项信噪比和各项影响因素之后，需要进行系统模型建立。通过机械设计基本理论、机械学、技术手册以及材料手册等专业参考资料，再结合实际工作经验，一般可以建立起通用型系统模型：Y i =f i （A，B，C)，式中Y i 为系统输出特性值，角标i为目标系统级数，取值为1时为单目标系统， 取值大于1时为多目标系统； A为设计参数，属于可控因素，A可以为A 1 ，A 2 ，A 3 ······A k ；B为环境应力，包括了温度、载荷和气压等，属于标示因素；C为各种误差因素，C可以为C1，C2，C3······Ck；f i 为输出特性Y i 与第i种各项因素的函数关系。
（三）多目标系统的健壮设计
（四）三次设计中的健壮设计
三次设计的核心思想是在产品设计阶段就进行质量控制， 以期利用最小的成本和工序制造出符合消费者需求的产品， 降低产品周期内的各种损失。在此理论下的设计步骤主要分为系统设计、参数设计和公差设计三步，其重点在于参数设计，即健壮设计。具体来说，系统设计是对产品的整体结构功能进行设计， 等同于传统的概念设计和结构设计；参数设计可以通过实用性较强的廉价元件组装出高质量产品，其实质是通过原件参数水平和产品输出特性之间的非线性效应，来实现健壮设计。其目标有二，一是提高产品质量，减小质量波动、增强产品质量稳定性以及强化产品抗干扰能力； 二是降低产品设计制造成本。具体实现程序是通过正交实验法寻求元件之间的最优组合，再通过信噪比设计寻求最佳产品输出特性参数。 公差设计主要是确定各项参数的误差范围，在允许范围内尽量减小成本。
结束语：
健壮设计能够切实强化机械设计中存在的薄弱环节， 从多个方面加强产品的外在质量特性，提升产品内在性能，增强其在产品周期的稳定性。不仅如此，健壮设计在强化产品的同时，还通过优化各项环节及配置，最大程度上缩减了相关成本。
参考文献：
[1]曲利新.健壮设计在空间电子设备中的应用[J].环境技术，2013（z1）
[2]刘振照.田口式健壮设计在继电器簧片设计中的应用[J].机电元件，2014（05）
[3]李宏华，杨良明.浅谈机械设计中的现代设计的应用[J].中国机械，2014（21）
论文作者:彭春
论文发表刊物:《科技中国》2016年4期
论文发表时间:2016/6/23
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