旋压成形多楔带轮稳健优化设计Word文档格式.docx
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稳健设计是使产品的性能对在制造期间的变异或使用环境的变异不敏感,并使产品在其寿命周期内,不管其参数、结构发生漂移或老化(在一定范围内)都能持续满意地工作的一种设计方法。
用这种方法所设计的产品,在各种因素的干扰下能保证质量稳定.并可用廉价的零部件进行组装因此.稳健设计是一种赋予产品稳定性好、性能高、低成本的设计;
是性能、质量和成本综合的功能优化设计方法。
1.3稳健设计方法
近年来,稳健设计方法作为一种保证产品质量的有效设计方法,已经在电子、机械等诸多领域得到重视和应用。
目前的稳健设计方法大体上可分成两类:
第一类以经验或半经验设计为基础,如田口方法、响应面法、双响应面法、广义模型法等,属传统的稳健设计方法;
第二类与优化技术相结合,主要有容差模型法、容差多面体法、随机模型法、灵敏度法、基于成本一质量模型的混合稳健设计等,称现代稳健优化设计方法。
田口方法又称三次设计法或基于损失模型法。
田口方法以正交试验设计为基础,强调产品的设计都必须经过系统设计、参数设计和容差设计三个阶段。
为计算上的方便.田口将损失函数模型转化为信噪比指标,然后再通过正交试验设计来确定参数值的最佳水平组合。
此法的优点是设计变量可以是连续变量、离散变量甚至非数值型变量;
优化过程对模型的连续性和可微性等数学性态要求不高,从而可求解相当复杂的模型;
通过正交表的统计分析,可以定量地了解各设计参数对目标性能的影响。
缺点是事先必须要知道最优解的大致范围和水平,即对优化时的初始点要求较高,否则就需要通过多轮的正交试验
求解,从而明显降低效率。
2.稳健设计步骤
2.1系统设计
建立可控与不可控因素对产品质量影响的质质量设计模型,该模型应能充分显示出各个功能因素的变差对产品质量特性的影响。
2.2参数设计
对稳健设计模型进行试验设计和数值计算,获取质量特性的可靠分析数据。
2.3容差设计
寻找稳健设计的解或最优解,获得稳健产品的设计方案,即容差设计。
在系统设计阶段,首先根据产品所需功能确定产品的基本结构、确定零部件的材料、制造工艺等,此阶段也可称之为方案设计、概念设计。
参数设计是三次设计法的核心内容。
在该阶段首先将关键的设计变量和噪声参数分为几个水平值,然后利用正交试验得到设计变量、噪声参数与质量特性之间的关系,以质量损失函数或信噪比的大小来度量产品质量特性的稳定性,从而寻求最佳的设计参数组合。
容差设计主要用来调整产品质量与产品成本之间的关系,确定关键零件的容差范围。
如果在参数设计后能够达到减小产品质量波动的目的则一般不再进行容差设计。
损失模型法的优点是:
设计变量可以是连续变量、离散变量甚至非数值型变量;
优化过程对模型的连续性和可微性等数学要求不高,从中可以分析相当当复杂的模型:
通过正交表的统计分析,可以定量地了解各设计参数对产品质量特性的影响。
3正交试验法
在旋压成形工艺中,稳健设计可使所应用的参数组合方案达到最优,通过改变方案实现不大范围变动生产成本的前提下提高生产效率以及生产质量的效果。
在旋压成形工艺分析中,由于系统设计确定于实际生产条件,所以在稳健设计的应用上着重于参数设计。
旋压成形工艺参数包括了工艺参数,模具参数以及坯料参数,而稳健设计的采用的参数分析方法为正交试验法。
3.1实验因素与水平的确定及指标选择
旋压成形工艺参数包括了工艺参数,模具参数以及坯料参数,通过对坯料旋压成形,画出其过程的因果图进行分析得:
由于坯料的材料已经确定,所以可以将坯料参数作为旋压成形的正交试验中的质量指标参数,工艺参数以及模具参数作为试验因素,坯料参数见表1。
表1因素分析表
因素
质量
指标
工艺参数
模具参数
正、反旋压
转速
进给率
进给速度
减薄率
凹模
摩擦力
间隙值
壁厚差
√
直线度
成形齿深差
尺寸精度
表面粗糙度
质量指标参数的选择:
根据以上表格数据整理分析得出,因为成形齿深差的因素有转速,进给率,进给速度,减薄率,凹模摩擦力,凹模摩擦力,即对旋压成形过程中的影响效果于上表的质量指标参数中最广最大,选择成形齿深差为质量指标参数。
试验因素的选择:
由于稳健优化设计的初衷为在尽量不改变生产成本以及生产条件下优化生产效果,所以应优先选择可控性较高的因素,相对于模具参数,工艺参数的可控性以及调整的方便程度是比较高的,所以从中选择了转速,进给率,进给速度这三个因素作为试验因素。
表2因素水平表
因素
水平
A
B
C
1
2
3
3.2拟定正交试验表
(1)正交试验表的方案选择
由于质量指标参数为旋压力,试验因素分别为转速,进给率,进给速度三个因素,由《试验与设计》中得知,比较适合用于三个因素的常用正交表有
以及
。
从试验方便程度考虑,可采用每个因素拥有两种水平的试验方法,即选择
正交表,从试验结果分析角度考虑,可采用每个因素拥有三种水平的试验方法,即选择
正交表。
(2)方案分析
方案一的试验次数为4次,而且每个因素只有两个不同水平,而方案二试验次数为9次,每个因素有三个不同水平。
所以,采用方案一可节省较多试验的耗时与结果分析时间,有利于增加重复试验次数,使试验效果得到更好的验证;
而方案二由于每个因素有三个不同水平,在试验结果的分析上,可采用折线图进行进一步的直观分析,使试验效果应用与实际生产中更加的贴切,能够更好的优化参数方案。
综上所述,应选择方案二作为试验方案。
最终正交试验表格为方案二表格。
表3
正交试验表
因素
试验号
进给率A
mm/r
进给速度B
mm/min
转速C
r/min
成形齿高差
mm
1.59
1.64
1.63
4
5
1.62
6
1.57
7
1.60
8
1.66
9
1.61
试验结果分析
k1
4.86
4.83
4.82
-
k2
4.92
4.89
k3
4.87
4.81
4.85
极差
0.02
0.04
0.03
最优方案
3.3正交试验表结果分析
设进给率为因素A,进给速度为因素B,转速为因素C,各水平数据如表5-3。
从极差上分析得,B因素对试验结果影响最大,C其次,A最小,所以最优方案为:
.
3.4最终优化方案选择
为验证由正交试验表得出的方案结果的准确性,将通过正交试验方差分析法以及折线图分析法验证其准确性。
(1)正交方差分析
计算总离差的平方和以及误差
总离差的平方和:
反映了试验结果的总差异,它越大,说明各次试验的差距就越大。
试验误差总离差的平方和是所有试验结果在不同水平下的指标值与该水平下的均值之间的差的平方和。
它是由随机误差引起的,故也叫误差的差方和。
=1.20,
=
注:
为因素离差平方和,
为交互作用离差平方和,此处为0。
因素离差平方和的计算:
对于单个因素来说,所有试验次数的平均值计见公式5-2
,即其因素的离差和为:
据表2数据,得:
=1.25,即
=-0.05;
=0.94,即
=0.31;
=1.03,即
=0.12。
分析结果得出,B因素对试验影响最大,C其次,A最小,与试验表分析结果相符合。
(2)折线图分析
图3因素A折线图图4因素B折线图
图5因素C折线图
从图3、4、5中可知B因素的三个水平极差波动是最大的,而A是最小的,符合正交试验表试验得出的优化方案。
最终优化方案为:
,其中,
,
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- 成形 多楔带轮 稳健 优化 设计