基于模糊概率及虚拟现实技术的稳健设计方法的研究及应用
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摘要
本文论述了稳健设计方法的基本原理，研究了应用基于模糊概率及虚拟现实技术的稳健设计方法进行产品设计的一般过程，分别运用实例详细演示了在模糊概率分析法，并结合数字计算机的强大优势的基础上传统的稳健设计方法和现代稳健设计方法的具体应用，得出了可靠的、符合工程实际的设计结果。
本文共分为四个部分，即序言、基于试验设计的稳健设计、基于工程模型的稳健设计、结论。
在第一部分的序言中，较为详细地阐述了稳健设计法的提出背景、由来、目前的研究状况及发展趋势、稳健设计要实现的目的及实现方法、稳健设计的原理、稳健设计的分类、稳健设计的意义、常用稳健设计的优缺点并提出了对传统稳健设计法中存在的缺点进行改进的方法和措施。
在第二部分的基于试验设计的稳健设计中，先对传统的稳健设计，即三次设计(功能设计、参数设计及容差设计)的设计过程及原理进行了分析，指出了传统稳健设计法中的不足，即没有充分利用数字计算机的强大优势；对于多因素多指标的设计，试验周期长、计算复杂等造成设计周期长、成本高、效率低等缺点提出了改进的措施，即将虚拟现实技术应用于传统的稳健设计中，通过模糊数学的方法(模糊综合评判)来处理设计中的多指标问题，使设计达到事半功倍的效果。文中还通过一个典型的例子详细说明了改进后的三次设计法的具体设计过程。设计的过程及结果表明：改进后的三次设计及其计算过程大大简化，缩短了设计周期，提高了设计效率，降低了设计成本，提高了设计的精度。
在第三部分的基于工程模型的稳健设计中，详细论述了面向产品质量的稳健设计的原理及含义、给出了应用基于工程模型的稳健设计进行产品设计的一般数学模型及其求解的一般过程。并用一个实例详细说明了基于工程模型的稳健设计的一般设计过程，文中为叙述方便，仍以系统设计、参数设计及容差设计三个基本步骤进行；通过计算机仿真来求解系统设计中得出的数学模型，得出设计变量使输出特性对不可控因素最不敏感的最优解，完成参数设计阶段的设计过程；为均衡产品质量与成本之间的关系，文中还进行了容差设计，容差设计仍然采用计算机仿真的方式进行，让设计变量在最大的容许范围内波动，通过统计分析的方法计算各因素对产品输出特性的影响，通过调整参数的容差来消除系统误差，并
中文提要
基于模糊概率及虚拟现实技术的稳健设计方法的研究及其应用
使输出特性的波动尽可能小，从而得到均衡产品质量与产品成本的参数最大容差，
设计出了质量高而成本低的产品，最后文中通过模糊概率的分析方法对设计结果
进行了可靠性分析，结果表明设计的结果是可靠的，产品的优质率也是很高的。
文中最后一部分是本论文的结论。这部分总结了基于模糊概率及虚拟现实技
术的稳健设计方法的在产品设计中高效、稳健的特点，也指出了本研究的不足及
需要再进一步研究的内容。
This paper came up with a new kind of design method on the basis of the traditional robust design, the robust design based on fuzzy probability and virtual reality technology, which can cover the whole life of the products, and has many merits, such as simple designing process, high efficiency, short design period and high reliability of the design accuracy and design result.
There detailed two aspects, namely, improving the traditional robust design and the modem robust design.
In the improvement of the traditional robust design, there made full use of the powerful dominant of digital computers, that is to say, using virtual reality technology to proceed test design, effectively upgrading design accuracy and shortening the design period; managed many targets by fuzzy comprehensive judgment, satisfying the facts of engineering more exactly. On the other hand, there gave a typical example, the design of triode amplification circuit, to explain the common designing process of this design method.
The modern robust design detailed the robust design based on engineering model, which explained the specific design process, the whole process from founding system model to solving it. It obtained the optimum combination of parameters and the maximum manufacturing errors, using fuzzy comprehensive judgment to dispose the problem of many targets, handling the design results by fuzzy probability to increase the reliability of the design. In the end, there supplied an example, the optimization design of a long distance hydraulic cylinder to interpret the specific design process, achieving its optimum combination and the maximum manufacturing errors, and verifying the practicability of the design results by the method of fuzzy probability analysis.
This paper is divided into four parts:
The foreword: mainly the development process, the merits and demerits of the ordinary robust design.
The development of the traditional robust design: the common design process of the traditional method and the developed method, exampling the merit of the developed method
comparing with the traditional one.
The modern robust design: by an example of a mechanical design, detailing the specific process of this design method, illustrating the merits of this method, and verifying the validity of the result.
The final part is the conclusion. This section generalized the whole paper, and assigned the subsequent research content.
本文共分为四个部分，即序言、基于试验设计的稳健设计、基于工程模型的稳健设计、结论。
在第一部分的序言中，较为详细地阐述了稳健设计法的提出背景、由来、目前的研究状况及发展趋势、稳健设计要实现的目的及实现方法、稳健设计的原理、稳健设计的分类、稳健设计的意义、常用稳健设计的优缺点并提出了对传统稳健设计法中存在的缺点进行改进的方法和措施。
在第二部分的基于试验设计的稳健设计中，先对传统的稳健设计，即三次设计(功能设计、参数设计及容差设计)的设计过程及原理进行了分析，指出了传统稳健设计法中的不足，即没有充分利用数字计算机的强大优势；对于多因素多指标的设计，试验周期长、计算复杂等造成设计周期长、成本高、效率低等缺点提出了改进的措施，即将虚拟现实技术应用于传统的稳健设计中，通过模糊数学的方法(模糊综合评判)来处理设计中的多指标问题，使设计达到事半功倍的效果。文中还通过一个典型的例子详细说明了改进后的三次设计法的具体设计过程。设计的过程及结果表明：改进后的三次设计及其计算过程大大简化，缩短了设计周期，提高了设计效率，降低了设计成本，提高了设计的精度。
在第三部分的基于工程模型的稳健设计中，详细论述了面向产品质量的稳健设计的原理及含义、给出了应用基于工程模型的稳健设计进行产品设计的一般数学模型及其求解的一般过程。并用一个实例详细说明了基于工程模型的稳健设计的一般设计过程，文中为叙述方便，仍以系统设计、参数设计及容差设计三个基本步骤进行；通过计算机仿真来求解系统设计中得出的数学模型，得出设计变量使输出特性对不可控因素最不敏感的最优解，完成参数设计阶段的设计过程；为均衡产品质量与成本之间的关系，文中还进行了容差设计，容差设计仍然采用计算机仿真的方式进行，让设计变量在最大的容许范围内波动，通过统计分析的方法计算各因素对产品输出特性的影响，通过调整参数的容差来消除系统误差，并
中文提要
基于模糊概率及虚拟现实技术的稳健设计方法的研究及其应用
使输出特性的波动尽可能小，从而得到均衡产品质量与产品成本的参数最大容差，
设计出了质量高而成本低的产品，最后文中通过模糊概率的分析方法对设计结果
进行了可靠性分析，结果表明设计的结果是可靠的，产品的优质率也是很高的。
文中最后一部分是本论文的结论。这部分总结了基于模糊概率及虚拟现实技
术的稳健设计方法的在产品设计中高效、稳健的特点，也指出了本研究的不足及
需要再进一步研究的内容。
This paper came up with a new kind of design method on the basis of the traditional robust design, the robust design based on fuzzy probability and virtual reality technology, which can cover the whole life of the products, and has many merits, such as simple designing process, high efficiency, short design period and high reliability of the design accuracy and design result.
There detailed two aspects, namely, improving the traditional robust design and the modem robust design.
In the improvement of the traditional robust design, there made full use of the powerful dominant of digital computers, that is to say, using virtual reality technology to proceed test design, effectively upgrading design accuracy and shortening the design period; managed many targets by fuzzy comprehensive judgment, satisfying the facts of engineering more exactly. On the other hand, there gave a typical example, the design of triode amplification circuit, to explain the common designing process of this design method.
The modern robust design detailed the robust design based on engineering model, which explained the specific design process, the whole process from founding system model to solving it. It obtained the optimum combination of parameters and the maximum manufacturing errors, using fuzzy comprehensive judgment to dispose the problem of many targets, handling the design results by fuzzy probability to increase the reliability of the design. In the end, there supplied an example, the optimization design of a long distance hydraulic cylinder to interpret the specific design process, achieving its optimum combination and the maximum manufacturing errors, and verifying the practicability of the design results by the method of fuzzy probability analysis.
This paper is divided into four parts:
The foreword: mainly the development process, the merits and demerits of the ordinary robust design.
The development of the traditional robust design: the common design process of the traditional method and the developed method, exampling the merit of the developed method
comparing with the traditional one.
The modern robust design: by an example of a mechanical design, detailing the specific process of this design method, illustrating the merits of this method, and verifying the validity of the result.
The final part is the conclusion. This section generalized the whole paper, and assigned the subsequent research content.
引文
[1]陈立周编，《稳健设计》，北京．机械工业出版社，1999
[2]黄洪钟，《模糊设计》，北京．机械工业出版社，1999
[3][加拿大]J．N．希德尔著，陈立周等译，《工程概率设计原理与应用》，科学出版社，1989
[4]周概容，《概率论与数理统计》，北京．高等教育出版社，1984
[5]金良超，《正交设计与多指标分析》，中国铁道出版社，1988
[6]章渭基 秦士嘉 韩之俊 冯祥源，《质量控制》，科学出版社，1988韩之俊，《三次设计》，北京．机械工业出版社，1992
[7]田口玄一，兵器工业质量管理协会译，《开发、设计阶段的质量工程学》，北京，兵器工业出版社，1990
[8]北京大学数学力学系统概率统计组，《正交设计法》，北京，化学工业出版社，1979．7
[9]中国科学院数学研究所数理统计组，《正交试验法》，北京，人民教育出版社，1975．12
[10]温德成于涛，《产品最佳质量水平理论质疑》，世界标准化与质量管理，第一期，P10—12
[11]郭惠昕，《产品质量的模糊稳健设计方法》，机械设计与制造工程，2001，第30卷，第5期，P18—20
[12]陈立周 翁海珊，《工程稳健优化设计》，机械设计，1998，No．8，P6—9
[13]刘玉敏 郭纯，《多指标稳健设计的一般模型及其实现过程》，河南科学，1995，第13卷，第4期，P295—301
[14]陈立周 翁海珊，《概率优化设计的一种新计算方法》，机械工程学报，1998，第34卷，第5期，P7—11
[15]陈立周 于晓红 翁海珊，《基于随机优化的工程稳健设计》，北京科技大学学报，1999，第21卷，第1期，P57—59
[16]机电一体化技术手册编委会，《机电一体化技术手册》，机械工业出版社，1999．9
[17]梁恩主 梁恩维，《Protel 99 SE电路设计与仿真应用》[M]，北京：清华大学出
版社．2002(1)
[18] Phadke M S. Quality Engineering Using Robust Design[J]. Prentic-Hall International Inc.1989.
[19] Leon R.V, Shoemaker A.C, Kacker R.N. Performance measure in dependent of adjustment: An explanation and extension of Taguchi signal to noise ratio[J]. Technometrics, 1987,29(3)
[20] Box, G.E.P. Signal-to-noise ratio. Performance criteria, and transformations(with discussion)[J], Technometrics, 1988,30(1)
[21] Buck RJ. Wynn H P. Optimization Strategies in Robust Engineering Eng[J]. International, 1993(9).
[22] Zhdeh L A. Outline of new approach to analysis of complex systems and decision process[J]. IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics,1973,SMC-3(1).
[23] Parkinson A.Sorensen C.Pourhassan N.A General Approach for Robust Design.Trans,of the asme,J.of Mech.Design, 1993.
[24] Kusiak A. And Feng E.X. Robust Tolerance Design for Quality. Journal of Eng. For Industry. 1996.
[25] Sung H.Park. Robust Design and Analysis for Quality Engineering. Chapman & Hall. London, 1996.
[26] Buck R J. Wynn H P. Optimization Strategies in Robust Engineering Design and Computer Aied Design. Quality and Reliability Eng. International, 1993.9
[27] King J J. The Robust Method-A New Way to Engineer. Electronic Design, March 1995
[28] Goli T N. Taguchi Methods: Some Technical, Cultural and Pedagogical Perspective. Quality and Reliability Eng. International, 1993.9
[29] Otto K N, Antosson E K. Extension to the Taguchi Method of Product Design. Tran. Of the ASME,Joumal of Mech. Design,1993
[30] Rajasekera J.R and Fang S.C. A New Approach to Tolerance Allocation in Design Cost Analysis. Eng.Opt. 1995
[31] Lai K.Chan and Peter H.Xiao. Combined Robust Design. Quality Eng. 1995
[32] Michael W, Siddall J N. THE Optimization Problem with Optimal Tolerance Assignment and Full Acceptance. Trans. of the ASME, J. of Mech. Design,1981
[33] Cao Yanlong,Yang Jiangxin,Wu Zhaotong,Wu Liqun. Robust tolerance design method based on manufacturing environment. Mechanical Engineering. V14.n2. Jan 25.2003.
[34] Bevrani, Hassan, Mitani, Yasunori, Tsuji kiichiro. IECON Proceeding. V1. 2002.
[35] Arvidsson, Martin. Robust design experimentation and dispersion effects. Doktorsavhandlingar vid Chalmers Tekniska Hogskola. N1935.2003.
[36] Bates R.A, Wynn M.P. Tolerancing and Optimization for Model-Based Robust Engineering Design. Quality and Reliability Engineering International, 1996
[37] 程卫国 冯峰 王雪梅 刘艺，《MATLAB 5.3精要、编程及高级应用》，北京：机械工业出版社，2000．4
[38] 苏金明 阮沈勇，《MATLAB 6.1实用指南》(上、下)，北京：电子工业出版社，2002．1
[39] 陈立周，《基于质量—成本模型的稳健优化设计．面向21世纪的工程设计》，北京，人民交通出版社，1998
[40] 潘德惠，《数学模型的统计方法》，沈阳，辽宁科技出版社，1986
[41] 阮培均 钟声 吴学忠，《模糊概率应用于玉米区试品种综合评价的研究》，实验研究，第三期2001．
[42] 郭惠昕，《圆柱面过盈联接的模糊稳健优化设计》，机械设计，第一期，2002．1
[43] 孟庆国，《基于三次设计和模糊理论的机械稳健设计》，机械设计与制造，NO．4，2000．8
[44] 张弘 刘绍裕，《机械产品质量和可靠性综合评价的拟模糊概率法》，机械设计，NO．1 1991
[45] 刘久富 王宁生 丁宗红 王凤岐，《三次设计的扩展介绍与探讨》，工业工程，Vol．5，No．1，2002．1
[46] 廖林清 俞宁，《机械系统面向制造过程的稳健优化设计方法》，重庆工业管理学院学报，第13卷，第4期，1999．8
[47] 李泳鲜 孟庆国 姬振豫，《三次设计中望目特性信噪声比的讨论与改进》，机械设计，No．1，2001．1
[48] 雷天觉，《液压工程手册》，机械工业出版社，1990．4
[2]黄洪钟，《模糊设计》，北京．机械工业出版社，1999
[3][加拿大]J．N．希德尔著，陈立周等译，《工程概率设计原理与应用》，科学出版社，1989
[4]周概容，《概率论与数理统计》，北京．高等教育出版社，1984
[5]金良超，《正交设计与多指标分析》，中国铁道出版社，1988
[6]章渭基 秦士嘉 韩之俊 冯祥源，《质量控制》，科学出版社，1988韩之俊，《三次设计》，北京．机械工业出版社，1992
[7]田口玄一，兵器工业质量管理协会译，《开发、设计阶段的质量工程学》，北京，兵器工业出版社，1990
[8]北京大学数学力学系统概率统计组，《正交设计法》，北京，化学工业出版社，1979．7
[9]中国科学院数学研究所数理统计组，《正交试验法》，北京，人民教育出版社，1975．12
[10]温德成于涛，《产品最佳质量水平理论质疑》，世界标准化与质量管理，第一期，P10—12
[11]郭惠昕，《产品质量的模糊稳健设计方法》，机械设计与制造工程，2001，第30卷，第5期，P18—20
[12]陈立周 翁海珊，《工程稳健优化设计》，机械设计，1998，No．8，P6—9
[13]刘玉敏 郭纯，《多指标稳健设计的一般模型及其实现过程》，河南科学，1995，第13卷，第4期，P295—301
[14]陈立周 翁海珊，《概率优化设计的一种新计算方法》，机械工程学报，1998，第34卷，第5期，P7—11
[15]陈立周 于晓红 翁海珊，《基于随机优化的工程稳健设计》，北京科技大学学报，1999，第21卷，第1期，P57—59
[16]机电一体化技术手册编委会，《机电一体化技术手册》，机械工业出版社，1999．9
[17]梁恩主 梁恩维，《Protel 99 SE电路设计与仿真应用》[M]，北京：清华大学出
版社．2002(1)
[18] Phadke M S. Quality Engineering Using Robust Design[J]. Prentic-Hall International Inc.1989.
[19] Leon R.V, Shoemaker A.C, Kacker R.N. Performance measure in dependent of adjustment: An explanation and extension of Taguchi signal to noise ratio[J]. Technometrics, 1987,29(3)
[20] Box, G.E.P. Signal-to-noise ratio. Performance criteria, and transformations(with discussion)[J], Technometrics, 1988,30(1)
[21] Buck RJ. Wynn H P. Optimization Strategies in Robust Engineering Eng[J]. International, 1993(9).
[22] Zhdeh L A. Outline of new approach to analysis of complex systems and decision process[J]. IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics,1973,SMC-3(1).
[23] Parkinson A.Sorensen C.Pourhassan N.A General Approach for Robust Design.Trans,of the asme,J.of Mech.Design, 1993.
[24] Kusiak A. And Feng E.X. Robust Tolerance Design for Quality. Journal of Eng. For Industry. 1996.
[25] Sung H.Park. Robust Design and Analysis for Quality Engineering. Chapman & Hall. London, 1996.
[26] Buck R J. Wynn H P. Optimization Strategies in Robust Engineering Design and Computer Aied Design. Quality and Reliability Eng. International, 1993.9
[27] King J J. The Robust Method-A New Way to Engineer. Electronic Design, March 1995
[28] Goli T N. Taguchi Methods: Some Technical, Cultural and Pedagogical Perspective. Quality and Reliability Eng. International, 1993.9
[29] Otto K N, Antosson E K. Extension to the Taguchi Method of Product Design. Tran. Of the ASME,Joumal of Mech. Design,1993
[30] Rajasekera J.R and Fang S.C. A New Approach to Tolerance Allocation in Design Cost Analysis. Eng.Opt. 1995
[31] Lai K.Chan and Peter H.Xiao. Combined Robust Design. Quality Eng. 1995
[32] Michael W, Siddall J N. THE Optimization Problem with Optimal Tolerance Assignment and Full Acceptance. Trans. of the ASME, J. of Mech. Design,1981
[33] Cao Yanlong,Yang Jiangxin,Wu Zhaotong,Wu Liqun. Robust tolerance design method based on manufacturing environment. Mechanical Engineering. V14.n2. Jan 25.2003.
[34] Bevrani, Hassan, Mitani, Yasunori, Tsuji kiichiro. IECON Proceeding. V1. 2002.
[35] Arvidsson, Martin. Robust design experimentation and dispersion effects. Doktorsavhandlingar vid Chalmers Tekniska Hogskola. N1935.2003.
[36] Bates R.A, Wynn M.P. Tolerancing and Optimization for Model-Based Robust Engineering Design. Quality and Reliability Engineering International, 1996
[37] 程卫国 冯峰 王雪梅 刘艺，《MATLAB 5.3精要、编程及高级应用》，北京：机械工业出版社，2000．4
[38] 苏金明 阮沈勇，《MATLAB 6.1实用指南》(上、下)，北京：电子工业出版社，2002．1
[39] 陈立周，《基于质量—成本模型的稳健优化设计．面向21世纪的工程设计》，北京，人民交通出版社，1998
[40] 潘德惠，《数学模型的统计方法》，沈阳，辽宁科技出版社，1986
[41] 阮培均 钟声 吴学忠，《模糊概率应用于玉米区试品种综合评价的研究》，实验研究，第三期2001．
[42] 郭惠昕，《圆柱面过盈联接的模糊稳健优化设计》，机械设计，第一期，2002．1
[43] 孟庆国，《基于三次设计和模糊理论的机械稳健设计》，机械设计与制造，NO．4，2000．8
[44] 张弘 刘绍裕，《机械产品质量和可靠性综合评价的拟模糊概率法》，机械设计，NO．1 1991
[45] 刘久富 王宁生 丁宗红 王凤岐，《三次设计的扩展介绍与探讨》，工业工程，Vol．5，No．1，2002．1
[46] 廖林清 俞宁，《机械系统面向制造过程的稳健优化设计方法》，重庆工业管理学院学报，第13卷，第4期，1999．8
[47] 李泳鲜 孟庆国 姬振豫，《三次设计中望目特性信噪声比的讨论与改进》，机械设计，No．1，2001．1
[48] 雷天觉，《液压工程手册》，机械工业出版社，1990．4