正交試驗(yàn)法在直流微電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
劉妍華，劉阿寧，李博(航天科技集團(tuán)公司四院401所，西安710025)
摘要：針對(duì)多岡素、有誤差、周期長(zhǎng)的試驗(yàn)，正交試驗(yàn)法是一種行之有效的試驗(yàn)安排方法。將正交試驗(yàn)法應(yīng)用于微電機(jī)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，不僅可以減少試驗(yàn)次數(shù)，縮短試驗(yàn)刷期，而且大大節(jié)約了試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，提高了電機(jī)設(shè)計(jì)質(zhì)量。通過(guò)實(shí)例說(shuō)明了正交試驗(yàn)法在微電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用：
關(guān)鍵詞：正交試驗(yàn)法；微電機(jī)；設(shè)計(jì)
0 引 言
試驗(yàn)是人們探索和認(rèn)識(shí)事物可觀規(guī)律的一種基本手段和方法，但試驗(yàn)安排是否合理得當(dāng)，效果大不相同。如何以盡可能少的試驗(yàn)次數(shù)涵蓋盡可能多的試驗(yàn)參數(shù)及水平，獲得足夠有效的數(shù)據(jù)，并分析得出比較可靠的結(jié)論，就是試驗(yàn)設(shè)計(jì)所需要解決的問(wèn)題，而正交試驗(yàn)法正是這樣一種行之有效的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。對(duì)于多因素、有誤差、周期長(zhǎng)的試驗(yàn)而言，正交試驗(yàn)法可以合理安排試驗(yàn)，以較少的試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹ａ槍?duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的三次設(shè)計(jì)思想，即系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)和容差設(shè)計(jì)，正交試驗(yàn)方法被應(yīng)用于產(chǎn)品研制設(shè)計(jì)階段對(duì)參數(shù)的合理選擇，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高提供了一套理論和方法。
空心杯直流永磁電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)涵蓋了電磁設(shè)計(jì)、機(jī)械尺寸等六個(gè)方面76個(gè)參數(shù)，同時(shí)根據(jù)實(shí)際工藝水平現(xiàn)狀的不同，每個(gè)重要參數(shù)又有很多可供選擇的水平，所以電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)確認(rèn)及質(zhì)量改進(jìn)是一種典型的多因素、多水平過(guò)程 完成電動(dòng)機(jī)初步設(shè)計(jì)后，將正交試驗(yàn)法應(yīng)用于某幾個(gè)重要參數(shù)的水平選擇中，不儀減少l『試驗(yàn)次數(shù)，縮短了試驗(yàn)周期，而且提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，大大縮短了人力財(cái)力支出。
1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本方法對(duì)于多因素、多水平、周期長(zhǎng)的試驗(yàn)，希望解決以下幾個(gè)問(wèn)題：
①每個(gè)因素取什么水平?②各個(gè)因素按什么樣的水平搭配起來(lái)可使最終得到的技術(shù)指標(biāo)較好?
為降低試驗(yàn)成本，合理安排試驗(yàn)，以較少的試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康模赏ㄟ^(guò)正交試驗(yàn)法來(lái)設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本步驟如下：
1)分析問(wèn)題，明確試驗(yàn)?zāi)康模?)確定因子水平表；3)選正交表，進(jìn)行表頭設(shè)計(jì)；4)制定試驗(yàn)計(jì)劃表；5)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果；6)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出因子的主次關(guān)系和較優(yōu)水平組合。
對(duì)于解決實(shí)際問(wèn)題來(lái)說(shuō)，正交試驗(yàn)主要是掌握正交表的運(yùn)用方法。正交表是一種規(guī)格化的表格，各種各樣常用的正交表都已被構(gòu)造出來(lái)了。正交表中的列代表因子數(shù)，每列的數(shù)字代表水平符號(hào)；行代表試驗(yàn)次數(shù)，每一行中的水平組合代表一種試驗(yàn)條件。以四因子三水平的試驗(yàn)為例，應(yīng)用19（3°)正交表，如下表所示：
表中，A、B、c、D代表四個(gè)因素，每個(gè)因素分別有 l,2,3三種水平，從表中可以看出：
1)在任意一列，每個(gè)因素的各個(gè)水平出現(xiàn)的次數(shù)相等。如上表中，A．B．C．D四個(gè)因子的1．2、3三個(gè)水平在對(duì)應(yīng)列中均出現(xiàn)了三次； 2)對(duì)任意一列的任一水平，其他列自列的1．2．3水平與該列該水平在同一-一行相遇的次數(shù)相同。如表中，針對(duì)A因子的1水平，它與B、c、D因子的1、2．3水平分別相遇的次數(shù)均為1次，同樣，對(duì)于A因子的2水平，它與B．C．D因子的1、2．3水平分別相遇的次數(shù)也均為1次。
上述兩個(gè)性質(zhì)被稱為正交表的整齊可比性性質(zhì)，也就是正交表的正交性性質(zhì)、正是基于這些性質(zhì)，才有可能使試驗(yàn)次數(shù)減少。凡是正交表均具備這兩個(gè)性質(zhì)，在一張正交表中，行與行或列與列之間交換，不會(huì)改變正交表的這兩個(gè)性質(zhì)，也不會(huì)影響試驗(yàn)的最終結(jié)果。
設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)自己的需要確定因子及水平數(shù)，并選定正交表，正交表中行的數(shù)值即代表了不同的因子水平組合方式，可按照這樣的組合方式安排試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，最后根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果選擇所需的****因子水平組合，確定設(shè)計(jì)參數(shù)。
2正交試驗(yàn)在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)中的應(yīng)用舉例36SYK空心杯電樞永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)要求輸出力矩大、轉(zhuǎn)速高、性能要求較高，在研制生產(chǎn)時(shí)存在著很大的難度：針對(duì)該產(chǎn)品在c組檢驗(yàn)中出現(xiàn)的高溫篩選試驗(yàn)空載電流過(guò)大、合格率較低的問(wèn)題，經(jīng)分析后認(rèn)為主要原因是電樞杯與機(jī)殼相蹭所致電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
如圖1所示，當(dāng)機(jī)殼內(nèi)徑過(guò)小、電樞杯外徑過(guò)大時(shí)，因熱脹冷縮現(xiàn)象的存在，在高溫情況下易出現(xiàn)電樞杯與機(jī)殼相蹭，而導(dǎo)致空載電流過(guò)大。但如果一味增加機(jī)殼內(nèi)徑值，則會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)氣隙磁通降低，從而造成電動(dòng)機(jī)整體性能降低，并且受工藝條件的限制，電樞杯的外徑值也不能一再降低。故此，應(yīng)通過(guò)確定合適的機(jī)殼內(nèi)徑及電樞杯外徑值。
在此，僅以此為例簡(jiǎn)單介紹正交試驗(yàn)在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)中的應(yīng)用：
將機(jī)殼內(nèi)徑及電樞杯外徑作為兩個(gè)可控因素，通過(guò)理論計(jì)算后對(duì)每個(gè)可控因素確定了三個(gè)可允許的水平值，進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)：因子水平表如表2所示．
選用新工藝封固的電樞杯，按可控因素的不同水平值，每一水平值裝配10臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)高溫試驗(yàn)合格電動(dòng)機(jī)頻數(shù)。因?yàn)闄C(jī)殼內(nèi)徑與電樞杯外徑兩個(gè)可控因素彼此獨(dú)立，無(wú)關(guān)聯(lián)關(guān)系，可參考Lψ(3)正交表格式安排試驗(yàn)設(shè)計(jì)。
 
從正交試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)可控因素A(機(jī)殼內(nèi)徑)水平值為2(28 5 mm)和3(29 0 mm)、可控因素B(電樞杯外徑)水平值為1(27 0 mm)和2(27．2 mm)時(shí)，電動(dòng)機(jī)高溫篩選合格率可達(dá)到100％。結(jié)合生產(chǎn)工藝的可實(shí)施性綜合考慮，最終確定機(jī)殼內(nèi)徑為28 5 mm、電樞杯外徑為27．2 mm。
該試驗(yàn)結(jié)論已應(yīng)用到了36sYK電動(dòng)機(jī)后續(xù)產(chǎn)品的生產(chǎn)中，并取得了一定效果。
3結(jié)論
以上示例僅僅是對(duì)正交試驗(yàn)應(yīng)用方法的簡(jiǎn)單示意，兇為示例中可控因素只有兩個(gè)，所以正交試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)并沒(méi)有得到充分體現(xiàn)。如針對(duì)四因素、_二水平的試驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，全部試驗(yàn)項(xiàng)目為3=81次，但是，用正交試驗(yàn)法安排試驗(yàn)時(shí)，利用L(3)正交表，僅需完成9次試驗(yàn)即可達(dá)到滿意的試驗(yàn)效果，大大減少了試驗(yàn)次數(shù)。
正交試驗(yàn)法的應(yīng)用是非常靈活方便的，在實(shí)際應(yīng)用中，如首批試驗(yàn)未能出現(xiàn)****組合，還應(yīng)該作補(bǔ)充試驗(yàn)加以驗(yàn)證。如驗(yàn)證結(jié)果與實(shí)際有明顯的差異，則表明問(wèn)題較復(fù)雜，還應(yīng)該以試驗(yàn)中的****結(jié)果、次好結(jié)果為基本依據(jù)，并找出試驗(yàn)誤差較大的原因所在，加以克服：正交試驗(yàn)還包括擬水平設(shè)計(jì)、擬因子設(shè)計(jì)、直和法、分割法設(shè)計(jì)等許多方法，總之正交試驗(yàn)法作為一種簡(jiǎn)單易、、行之有效的試驗(yàn)方法，隨著對(duì)正交試驗(yàn)法的學(xué)習(xí)與掌握，它在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用會(huì)愈來(lái)愈廣泛。 |
