實驗設(shè)計論文 王剛.doc

( 2012-2013 學(xué)年 第二學(xué)期)重慶理工大學(xué)研究生課程論文課程論文題目：正交設(shè)計在機械行業(yè)中的應(yīng)用課程名稱實驗設(shè)計課程類別學(xué)位課 非學(xué)位課任課教師張曉宇老師所在學(xué)院重慶汽車學(xué)院學(xué)科專業(yè)車輛工程姓名王剛學(xué)號50128523405提交日期2013 /6 /17注意事項：1、以上各項由研究生認(rèn)真填寫；2、研究生課程論文應(yīng)符合一般學(xué)術(shù)規(guī)范，具有一定學(xué)術(shù)價值，嚴(yán)禁網(wǎng)上下載或抄襲；凡檢查或抽查不合格者，一律取消該門課程成績和學(xué)分，并按有關(guān)規(guī)定追究相關(guān)人員責(zé)任；3、論文得分由批閱教師填寫（見封底），并簽字確認(rèn)；批閱教師應(yīng)根據(jù)作業(yè)質(zhì)量客觀、公正的在文后簽寫批閱意見；4、原則上要求所有課程論文均須用a4紙打印，加裝本封面封底，左側(cè)裝訂；5、課程論文由各學(xué)院（部）統(tǒng)一保存，以備查用。4、卷紙不夠?qū)懀闪砀郊?。正交設(shè)計在機械行業(yè)中的應(yīng)用姓名：王剛 學(xué)號：50128523405摘 要：正交設(shè)計廣泛應(yīng)用于機械、電子、生物、化學(xué)、物理等人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域。實驗設(shè)計水平的高低影響到實驗效果的真實程度，進(jìn)而影響到產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)加工等各部分。本文在理解實驗設(shè)計這門課程的理論基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的了解該學(xué)科中正交設(shè)計法在機械行業(yè)中的廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞：實驗設(shè)計；設(shè)計水平；機械；正交設(shè)計abstract：orthogonal design is widely used in machinery, electronics, biology, chemistry, physics, and other various fields of peoples daily life. level of experimental design affect the truth of experimental results, which affect the product design, production, processing and etc. parts. based on the understanding of experimental design based on the theory of this course, the further understanding of the discipline of uniform design and orthogonal design method is widely used in machinery industry.keywords: design of experiment; the design level; machinery; orthogonal design引言實驗設(shè)計就是對實驗進(jìn)行科學(xué)合理的安排，以取得最理想的實驗效果。實驗設(shè)計包括建立與研究假說有關(guān)的統(tǒng)計假說、確定實驗中使用的實驗處理（自變量）和必須控制的多余條件（額外變量）、確定實驗中需要的實驗單元（被試）的數(shù)量及被試抽樣的總體、確定將實驗條件分配給被試的方法、確定實驗中每個被試要記載的測量（因變量）和使用的統(tǒng)計分析等幾個活動。在實驗設(shè)計這門課程的學(xué)習(xí)中，有許多實驗設(shè)計方法，有比較實驗與方差實驗、單因素優(yōu)化實驗設(shè)計、多因素優(yōu)化實驗設(shè)計、正交設(shè)計、均勻設(shè)計、容差設(shè)計、可靠性設(shè)計等。具體選擇哪種實驗設(shè)計方法要根據(jù)具體的適用條件。1 國內(nèi)外對實驗設(shè)計的研究發(fā)展二十世紀(jì)三十年代以來，實驗設(shè)計在日本、美國得到了普遍的推廣應(yīng)用，實驗設(shè)計在現(xiàn)在統(tǒng)計學(xué)中形成了一個重要的分支，內(nèi)容極為豐富。它在現(xiàn)代化大生產(chǎn)中的產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)中的質(zhì)量過程控制中起了很大作用。二戰(zhàn)后，日本就是運用實驗設(shè)計使得該國的工業(yè)高速發(fā)展。我國在七十年代也逐步推廣這種管理技術(shù)，目前我國掌握實驗設(shè)計技術(shù)的人不多，這是由于實驗設(shè)計課程在我國還遠(yuǎn)未普及。每個未來的和現(xiàn)在的工程師都掌握實驗設(shè)計技術(shù)是國際發(fā)展趨勢。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、計算機和應(yīng)用軟件的廣泛應(yīng)用，實驗所得實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析變得很容易了，例如運用excel軟件可以對基本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。所以對于問題的實驗設(shè)計，關(guān)鍵是選用正確的分析方法，對輸出結(jié)果做正確的解釋。2 正交設(shè)計的基本介紹2.1正交設(shè)計 正交試驗的提出：考慮兼顧全面試驗法和簡單比較法的優(yōu)點，利用根據(jù)數(shù)學(xué)原理制作好的規(guī)格化表正交表來設(shè)計試驗不失為一種上策。用正交表來安排試驗及分析試驗結(jié)果，這種方法叫做正交試驗法。事實上，正交最優(yōu)化方法的優(yōu)點不僅表現(xiàn)在試驗的設(shè)計上，更表現(xiàn)在對試驗結(jié)果的處理上。正交試驗法優(yōu)點： （1）試驗點代表性強，試驗次數(shù)少。 （2）不需做重復(fù)試驗，就可以估計試驗誤差。 （3）可以分清因素的主次。 （4）可以使用數(shù)理統(tǒng)計的方法處理試驗結(jié)果，提出展望好條件。正交試驗（表）法的特點： （1）均衡分散性代表性。 （2）整齊可比性可以用數(shù)理統(tǒng)計方法對試驗結(jié)果進(jìn)行處理。正交表符號的意義：3 正交設(shè)計在機械行業(yè)中的運用 正交試驗作為多因素多水平試驗法在內(nèi)燃機中得到廣泛的應(yīng)用。但正交試驗法有其局限性，它只能用于因素較多而水平較少的試驗中，若水平數(shù)較多，根據(jù)“整齊可比”的特點，試驗數(shù)是水平數(shù)的平方，則需要安排大量的試驗。3.1.單指標(biāo)正交試驗設(shè)計 對零件鏜孔質(zhì)量不穩(wěn)，內(nèi)徑偏差大，需改進(jìn)工藝操作，確定因素的主次影響程度，探求好的工藝程序。3.1.1.確定因素與水平 相關(guān)的主要因素有四個，每一個因素的水平3個：刀具數(shù)量與布局a 2把3把4把切削速度b30r/min38r/min56r/min走刀量c0.6mm/r0.7mm/r 0.47mm/r刀具種類d常規(guī)刀i型刀ii型刀列出因素水平表：水平 因素a(刀具數(shù))b(切削速度r/min)(走刀量mm/r)d(刀具種類(型)12300.6常規(guī)23380.7i34560.47ii3.1.2.選擇正交表 本試驗為4因素3水平，選擇。 3.1.3.確定試驗方案 表頭行為因素，水平按水平表“對號入座”。指標(biāo)為內(nèi)孔偏差量。 試驗方案表 因素abcd偏差量試驗號 列號1234(mm)11(2把)1(30)1(0.6)1(常規(guī))0.39212(38)2(0.7)2(i)0.145313(56)3(0.47)3(ii)0.31042(3把)1230.285522310.335623120.3573(4把)1320.285832130.05933210.315k1(水平1三次偏差和)0.8450.960.791.04k2(水平2三次偏差和)0.970.530.7450.78k3(水平3三次偏差和)0.650.9750.930.645k1=k1/30.2820.320.2630.347k2=k2/30.3230.1760.2480.26k3=k3/30.2170.3250.310.215 極差r0.1060.149-0.0620.1323.1.4.試驗結(jié)果分析： （1）直觀分析。差組合最好，偏差量為0.050mm。 （2）計算分析，每一列水平相關(guān)的結(jié)果進(jìn)行累加， ， ， 同理可計算。并且分別求出其平均值，并計算平均值的極差(最大的數(shù)最小的數(shù)r)。畫出趨勢圖(指標(biāo)因素關(guān)系)可以看出：a. 刀具數(shù)量越多，偏差量越小，4把刀為最好，可考慮刀具再多的情況。b. 切削速度以38r/min偏差最小。c. 走刀量為0.7mm/r偏差量最小（表中試驗結(jié)果為0.6mm/r偏差?。?。可考慮走刀量再增大情況。d. 以ii型刀具為最好。另外，從極差看因素的作用：極差大說明因素對指標(biāo)的影響大，常為主要因素極差小說明因素對指標(biāo)的影響小，常為次要因素因此，本例中主次次序：bdac（轉(zhuǎn)速、刀型、刀數(shù)量、走刀量）3.2.多指標(biāo)正交試驗設(shè)計柱塞組合件收口強度穩(wěn)定性試驗.（下圖所示），組合件須承受900公斤以上的拉脫力。 某公司在生產(chǎn)中存在柱塞組合件拉脫力波動大的問題，希望通過試驗，找出較優(yōu)方案，使拉脫力穩(wěn)定在900kg以上。該案例試驗?zāi)康氖鞘估摿Ρ贿x為指標(biāo)，且指標(biāo)越大越好。指標(biāo)：拉脫力, 軸向油隙，轉(zhuǎn)角。因素：、高度、倒角、收口壓力等四個因素。水平：各因素均取三個。選用4因素3水平正交表，然后對號入座。每個試驗條件做7次，每次試驗對三個指標(biāo)測定并取其平均值。計算分析試驗數(shù)據(jù)，并選取最優(yōu)生產(chǎn)條件。3.2.1 試驗方案及試驗結(jié)果分析 試 驗 方 案 試 驗 結(jié) 果 因素abc倒角d收口壓力拉脫力(n)軸向游隙轉(zhuǎn)角試驗號列號123411111-302025.5212223648542123-15.5621.55223151128-1062312-12526.573132-682818.58321391520.5933211956-4.5拉4-382013.3t=88.5t=390t=94.5脫11.559.313.2-11力148-3.727.161097.123.738.16軸31.61832.368向537636.633.6游45.3366128.3隙21.35828.739.7轉(zhuǎn)1421.817.53.612.6-3.55.314.6角4.8213.28.713.169.1725.312.211說明：1. 、為7次試驗的平均。 2. 如完全為簡化 計算，不影響結(jié)果的趨勢分析。3.2.2.綜合平衡選優(yōu)對因素b（高度l）：軸向游隙小，轉(zhuǎn)角為大角度，應(yīng)選，但主要考慮拉脫力，故選（拉脫力最大）。對因素c（倒角）： 明顯，拉脫力大，游隙小，轉(zhuǎn)角大。對因素d（收口壓力）：應(yīng)選，游隙小，轉(zhuǎn)角與差不多，拉脫力最高對因素a（直徑）： 對三個指標(biāo)來說均是次要因素，從轉(zhuǎn)角大一點，游隙小些的角度，選 3.2.3.綜合平衡后：選為最優(yōu)生產(chǎn)條件。通過正交實驗法找到的較優(yōu)方案，往往都不是試驗中最好的方案（案例試驗中最好的方案是第8號試驗a3、b2、c1、d3），但我們的目的不是要在已做的9次試驗中選好的方案，而是要找到所有搭配中最好的方案。這樣才有意義。（1） 因子和指標(biāo)的關(guān)系我們希望看到因子變化時，指標(biāo)的變化趨勢，這樣可以用作圖來描述。如下圖所示因子和指標(biāo)的關(guān)系：（2） 驗證試驗?zāi)康模嚎疾燧^優(yōu)方案的再現(xiàn)性。方法：將通過數(shù)據(jù)分析多得到的較優(yōu)方案與已做過的（9次）試驗中最好者同時驗證，以確定其中的優(yōu)劣。上述案例中將數(shù)據(jù)分析多得到較優(yōu)方案a1、b2、c1、d3與9次試驗中第八號試驗a3、b2、c1、d3兩個方案同時驗證。在實驗后找出穩(wěn)定的較優(yōu)方案，通常要對這個較優(yōu)方案進(jìn)行小批生產(chǎn)考驗，最終納入技術(shù)文件，才算完成一項正交試驗的全部過程。4 總結(jié)我所研究的方向是汽車轉(zhuǎn)向和懸架的機構(gòu)設(shè)計研究，目前還沒有進(jìn)入到論文的核心部分。就我個人的理解來看，試驗設(shè)計在機構(gòu)學(xué)當(dāng)中也有很大的應(yīng)用。在機械結(jié)構(gòu)分析、機構(gòu)設(shè)計中已經(jīng)應(yīng)用廣泛。我現(xiàn)在在幫導(dǎo)師做轉(zhuǎn)向試驗臺，這必然要應(yīng)用到實驗設(shè)計基本知識，再加上我做論文的部分就是機構(gòu)的設(shè)計研究，這必然要應(yīng)用到實驗設(shè)計的基本方法。在此感謝張老師耐心的教導(dǎo)。參考文獻(xiàn)1 劉達(dá)民,程巖.應(yīng)用統(tǒng)計.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.2 方開泰.均勻設(shè)計與均勻設(shè)計表.北京：科學(xué)出版社，19943 劉文卿.實驗設(shè)計.北京：清華大學(xué)出版社，20054 g. gary wang, zuomin dong and peter aitchison. adaptive response sueface method - a global optimization scheme for computation-intensive design problems j. journal of engineering optimization, 2001:707-7345 陸劍中,孫家寧.金屬切削原理與刀具.北京:機械工業(yè)出版社,1998.6 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不影響學(xué)習(xí)：大學(xué)戀愛可以說是一種必要的經(jīng)歷，學(xué)習(xí)是大學(xué)的基本和主要任務(wù)，這兩者之間有錯綜復(fù)雜的關(guān)系，有的學(xué)生因為愛情，過分的忽視了學(xué)習(xí)，把感情放在第一位；學(xué)習(xí)的時候就認(rèn)真的去學(xué)，不要去想愛情中的事，談戀愛的時候用心去談，也可以交流下學(xué)習(xí)，互相鼓勵，共同進(jìn)步。2. 有足夠的精力：大學(xué)生活，說忙也會很忙，但說輕松也是相對會輕松的！大學(xué)生戀愛必須合理安排自身的精力，忙于學(xué)習(xí)的同時不能因為感情的事情分心，不能在學(xué)習(xí)期間，放棄學(xué)習(xí)而去談感情，把握合理的精力，分配好學(xué)習(xí)和感情。3、 有合理的時間；大學(xué)時間可以分為學(xué)習(xí)和生活時間，合理把握好學(xué)習(xí)時間和生活時間的“度”很重要；學(xué)習(xí)的時候，不能分配學(xué)習(xí)時間去安排兩人的在一起的事情，應(yīng)該以學(xué)習(xí)為第一；生活時間，兩人可以相互談?wù)剳賽?，用心去談，也可以交流下學(xué)習(xí)，互相鼓勵，共同進(jìn)步。5、大學(xué)生對愛情需要認(rèn)識與理解，主要涉及到以下幾個方面：（1） 明確學(xué)生的主要任務(wù)“放棄時間的人，時間也會放棄他。”大學(xué)時代是吸納知識、增長才干的時期。作為當(dāng)代大學(xué)生，要認(rèn)識到現(xiàn)在的任務(wù)是學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)做人、學(xué)習(xí)知識、學(xué)習(xí)為人民服務(wù)的本領(lǐng)。在校大學(xué)生要集中精力，投入到學(xué)習(xí)和社會實踐中，而不是因把過多的精力、時間用于談情說愛浪費寶貴的青春年華。因此，明確自己的目標(biāo)，規(guī)劃自己的學(xué)習(xí)道路，合理分配好學(xué)習(xí)和戀愛的地位。（2） 樹林正確的戀愛觀提倡志同道合、有默契、相互喜歡的愛情：在戀人的選擇上最重要的條件應(yīng)該是志同道合，思想品德、事業(yè)理想和生活情趣等大體一致。擺正愛情與學(xué)習(xí)、事業(yè)的關(guān)系：大學(xué)生應(yīng)該把學(xué)習(xí)、事業(yè)放在首位，擺正愛情與學(xué)習(xí)、事業(yè)的關(guān)系，不能把寶貴的大學(xué)時間，鍛煉自身的時間都用于談情說有愛而放松了學(xué)習(xí)。 相互理解、相互信任，是一份責(zé)任和奉獻(xiàn)。愛情是奉獻(xiàn)而不時索取，是擁有而不是占有。身邊的人與事時刻為我們敲響警鐘，不再讓悲劇重演。生命只有一次，不會重來，大學(xué)生一定要樹立正確的愛情觀。（3） 發(fā)展健康的戀愛行為 在當(dāng)今大學(xué)校園，情侶成雙入對已