田口式健壯設計在繼電器簧片設計中的應用

劉振照

(廈門宏發(fā)電聲股份有限公司，福建廈門，361021)

1 引言

在當今技術飛速發(fā)展的時代，對電磁繼電器的要求主要是環(huán)保、小型化、低功耗、高可靠性等高質量以及低成本化。同時，也要求各廠商能夠迅速提供滿足市場需要的產品。因此，在短期內開發(fā)高性能、高工藝性的產品尤為重要，特別是設計健壯的產品，即受生產工藝變差影響小的產品更是關鍵點。田口式健壯設計在工業(yè)發(fā)達國家如日本、美國等眾多行業(yè)中得到較多應用，并由ASI(美國供應商協(xié)會)大力推廣，取得了顯著成果，但在中國尤其是繼電器行業(yè)較少見到成功應用的案例。本文就田口式健壯設計在繼電器簧片設計中的應用做一探索。

2 目前繼電器設計方法的現(xiàn)狀

2.1 繼電器設計的關鍵點

繼電器由電磁系統(tǒng)構成的“驅動系統(tǒng)”及觸點和簧片構成的“接觸系統(tǒng)”組成，見圖1所示。繼電器的性能需要滿足很多條件，比如為了達到動作參數的穩(wěn)定性與產品的生產工藝性的提高，磁路系統(tǒng)產生的吸力與觸點簧片產生的反力即吸反力匹配要恰當等。

2.2 現(xiàn)有繼電器簧片設計方法

一直以來，繼電器的設計主要是通過搭建物理樣機采用試錯法進行設計，設計好壞往往取決于經驗和對過去的產品熟悉程度。這種靠搭建物理樣機的試錯法需要花費較多時間和資源，而且基本上無法一次滿足所有性能，往往還需要重復多次。

近年來，隨著計算機仿真技術的進步，簧片應力仿真分析也大量運用繼電器的開發(fā)中，且仿真精度也得到了大幅提升。但是，這也僅是將制造實物樣機換成計算機模擬仿真樣機，是否短期內獲得設計恰當的簧片結構還是取決設計人員的經驗水平。同時，該種方法也僅用于確定零件的形狀尺寸，而沒有考慮到生產過程中的零部件尺寸的散差的穩(wěn)定性，因而依然無法把握生產中需要管理的重要尺寸，設計者依然是設定較小公差，造成了部分零部件精度要求過高，導致產品成本過高。

3 田口式健壯設計方法

本文擬采用的田口式健壯設計方法，是建立在本公司高精度的CAE簧片應力仿真分析基礎上，通過導入田口式健壯設計方法達成的，高精度模擬仿真分析和田口式健壯設計方法二者結合，既可以減小零部件散差帶來的簧片反力性能散差的同時，也可以直接得到滿足設計目標值的簧片結構。以下以我司某款繼電器的簧片結構(圖2)為例，概要說明田口式健壯設計在繼電器導電簧片設計中的應用，通過對簧片結構進行分析，找出影響產品性能的關鍵尺寸，為生產控制提供依據。

3.1 田口式健壯設計的基礎

田口式健壯設計的原理，是利用了存在于產品或制造系統(tǒng)中的兩個性質:

a)利用品質特性與控制因子之間的非線性關系去降低內部干擾因子的影響;

b)利用干擾因子與控制因子之間的交互作用，降低來自外部干擾因子或測量因子的影響。

3.2 分析對象

在繼電器反力分析中，其常見反力曲線如圖1所示。在該反力曲線圖中，K2斜率受因素影響最多，且該斜率直接影響繼電器吸反力配合。本文對K2相關的控制因子和干擾因子進行分析，得出影響K2的關鍵控制因子。

圖1 簧片反力曲線示意圖

圖2 簧片結構及尺寸

3.3 理想機能

對于簧片反力斜率K2，過大過小都不利于繼電器性能的穩(wěn)定，對于固定一款繼電器，其值存在一個最佳值，所以其理想機能為Y=m，屬于靜態(tài)望目特性。

3.4 控制因子、干擾因子及變動水平

首先，建立直交表，采用零件公差作為干擾因子。根據圖紙，選擇控制因子及其水平如表1，選擇干擾因子及其水平如表2。在存在較多干擾因子(本例中有8個)的情況下，將所有干擾因子擬合成N1、N2兩個水平的一個干擾因子。其中，N1導致品質特性(即K2)減小、N2導致品質特性(即K2)增大，可減小實驗數據收集工作量，提高工作效率。

表1 控制因子及其水平值

表2 干擾因子及其水平

3.5 實驗數據收集、分析及結果研讀

建立L18直交表，利用CAE仿真軟件ansys分析，收集數據，根據望目特性類型要求，進行計算，得出SN比值和品質特性，具體見表4，并繪制SN比效應圖和品質特性值效應圖，具體見圖3、圖4。根據效應圖，將控制因子分類(見表3)，把對這個對穩(wěn)定性影響大的因素固定在SN比的高水準上，通過調整僅對品質特性的有影響的控制因子，就可以使簧片K2滿足設計要求的目標值。在這里，將A、C、D、F、G固定在SN比的高的水平上，通過調整控制因子B簧片K2滿足設計要求的目標值。

圖3 SN比效應圖

圖4 品質特性值效應圖

表3 控制因子分類

表4 SN 比值和品質特性

4 結束語

通過將田口式健壯設計應用于繼電器導電簧片設計中，在消除了設計階段的多次試錯的同時，也提高了產品的健壯性，即減少了生產過程中零件散差的影響，使產品免校正率達到95%，另外也開發(fā)固化了可以處理實驗后數值的應用軟件，建立了繼電器簧片設計流程體系。下一步，將擴大田口式健壯設計的應用范圍，比如將其應于繼電器磁路系統(tǒng)的設計，進一步完善快速滿足市場需要的商品開發(fā)的應對體制。

［1］ 吳玉印.田口式的穩(wěn)健性設計［M］.北京:兵器出版社，1997.

［2］ 李輝煌.田口方法－－質量設計的原理與實務［M］.臺灣:高立圖書有限公司，2004(修訂二版).

［3］ 中村正則.關于高頻繼電器的特性阻抗設計的研究［J］OMRON TECHNICS Vo140 No.4 2000.p279 ～282.