实验设计论文 王刚.docx
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实验设计论文王刚
（2012-2013学年第二学期）
重庆理工大学研究生课程论文
课程论文题目：
正交设计在机械行业中的应用
课程名称
实验设计
课程类别
□学位课□非学位课
任课教师
张晓宇老师
所在学院
重庆汽车学院
学科专业
车辆工程
姓名
王刚
学号
50128523405
提交日期
2013/6/17
注意事项：
1、以上各项由研究生认真填写；
2、研究生课程论文应符合一般学术规范，具有一定学术价值，严禁网上下载或抄袭；凡检查或抽查不合格者，一律取消该门课程成绩和学分，并按有关规定追究相关人员责任；
3、论文得分由批阅教师填写（见封底），并签字确认；批阅教师应根据作业质量客观、公正的在文后签写批阅意见；
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5、课程论文由各学院（部）统一保存，以备查用。
4、卷纸不够写，可另附纸。
正交设计在机械行业中的应用
姓名：
王刚学号：
50128523405
摘要：
正交设计广泛应用于机械、电子、生物、化学、物理等人们日常生活的各个领域。
实验设计水平的高低影响到实验效果的真实程度，进而影响到产品设计生产加工等各部分。
本文在理解《实验设计》这门课程的理论基础上，进一步的了解该学科中正交设计法在机械行业中的广泛应用。
关键词：
实验设计；设计水平；机械；正交设计
Abstract：
Orthogonaldesigniswidelyusedinmachinery,electronics,biology,chemistry,physics,andothervariousfieldsofPeople'sDailylife.Levelofexperimentaldesignaffectthetruthofexperimentalresults,whichaffecttheproductdesign,production,processingandetc.Parts.Basedontheunderstandingof"experimentaldesign"basedonthetheoryofthiscourse,thefurtherunderstandingofthedisciplineofuniformdesignandorthogonaldesignmethodiswidelyusedinmachineryindustry.
Keywords:
designofexperiment;Thedesignlevel;Machinery;Orthogonaldesign
引言
实验设计就是对实验进行科学合理的安排，以取得最理想的实验效果。
实验设计包括建立与研究假说有关的统计假说、确定实验中使用的实验处理（自变量）和必须控制的多余条件（额外变量）、确定实验中需要的实验单元（被试）的数量及被试抽样的总体、确定将实验条件分配给被试的方法、确定实验中每个被试要记载的测量（因变量）和使用的统计分析等几个活动。
在实验设计这门课程的学习中，有许多实验设计方法，有比较实验与方差实验、单因素优化实验设计、多因素优化实验设计、正交设计、均匀设计、容差设计、可靠性设计等。
具体选择哪种实验设计方法要根据具体的适用条件。
1国内外对实验设计的研究发展
二十世纪三十年代以来，实验设计在日本、美国得到了普遍的推广应用，实验设计在现在统计学中形成了一个重要的分支，内容极为丰富。
它在现代化大生产中的产品开发、设计、生产中的质量过程控制中起了很大作用。
二战后，日本就是运用实验设计使得该国的工业高速发展。
我国在七十年代也逐步推广这种管理技术，目前我国掌握实验设计技术的人不多，这是由于实验设计课程在我国还远未普及。
每个未来的和现在的工程师都掌握实验设计技术是国际发展趋势。
随着科学技术的进步、计算机和应用软件的广泛应用，实验所得实验数据的统计分析变得很容易了，例如运用Excel软件可以对基本数据进行分析。
所以对于问题的实验设计，关键是选用正确的分析方法，对输出结果做正确的解释。
2正交设计的基本介绍
2.1正交设计
正交试验的提出：
考虑兼顾全面试验法和简单比较法的优点，利用根据数学原理制作好的规格化表——正交表来设计试验不失为一种上策。
用正交表来安排试验及分析试验结果，这种方法叫做正交试验法。
事实上，正交最优化方法的优点不仅表现在试验的设计上，更表现在对试验结果的处理上。
正交试验法优点：
（1）试验点代表性强，试验次数少。
（2）不需做重复试验，就可以估计试验误差。
（3）可以分清因素的主次。
（4）可以使用数理统计的方法处理试验结果，提出展望好条件。
正交试验（表）法的特点：
（1）均衡分散性——代表性。
（2）整齐可比性——可以用数理统计方法对试验结果进行处理。
正交表符号的意义：
3正交设计在机械行业中的运用
正交试验作为多因素多水平试验法在内燃机中得到广泛的应用。
但正交试验法有其局限性，它只能用于因素较多而水平较少的试验中，若水平数较多，根据“整齐可比”的特点，试验数是水平数的平方，则需要安排大量的试验。
3.1.单指标正交试验设计
对零件镗孔质量不稳，内径偏差大，需改进工艺操作，确定因素的主次影响程度，探求好的工艺程序。
3.1.1.确定因素与水平
相关的主要因素有四个，每一个因素的水平3个：
刀具数量与布局
A
2把
3把
4把
切削速度
B
30r/min
38r/min
56r/min
走刀量
C
0.6mm/r
0.7mm/r
0.47mm/r
刀具种类
D
常规刀
I型刀
II型刀
列出因素水平表：
水平因素
A（刀具数）
B（切削速度r/min）
（走刀量mm/r）
D（刀具种类（型））
1
2
30
0.6
常规
2
3
38
0.7
I
3
4
56
0.47
II
3.1.2.选择正交表
本试验为4因素3水平，选择
。
3.1.3.确定试验方案
表头行为因素，水平按水平表“对号入座”。
指标为内孔偏差量。
试验方案表
因素
A
B
C
D
偏差量
试验号列号
1
2
3
4
（mm）
1
1（2把）
1（30）
1（0.6）
1（常规）
0.39
2
1
2（38）
2（0.7）
2（I）
0.145
3
1
3（56）
3（0.47）
3（II）
0.310
4
2（3把）
1
2
3
0.285
5
2
2
3
1
0.335
6
2
3
1
2
0.35
7
3（4把）
1
3
2
0.285
8
3
2
1
3
0.05
9
3
3
2
1
0.315
K1（水平1三次偏差和）
0.845
0.96
0.79
1.04
K2（水平2三次偏差和）
0.97
0.53
0.745
0.78
K3（水平3三次偏差和）
0.65
0.975
0.93
0.645
K1=k1/3
0.282
0.32
0.263
0.347
K2=k2/3
0.323
0.176
0.248
0.26
K3=k3/3
0.217
0.325
0.31
0.215
极差R
0.106
0.149
-0.062
0.132
3.1.4.试验结果分析：
（1）直观分析。
差组合最好，偏差量为0.050mm。
（2）计算分析，每一列水平相关的结果进行累加
，
，
，
，
，
，
同理可计算
。
并且分别求出其平均值，并计算平均值的极差（最大的数－最小的数＝R）。
画出趋势图（指标－因素关系）
可以看出：
a.刀具数量越多，偏差量越小，4把刀为最好，可考虑刀具再多的情况。
b.切削速度以38r/min偏差最小。
c.走刀量为0.7mm/r偏差量最小（表中试验结果为0.6mm/r偏差小）。
可考虑走刀量再增大情况。
d.以II型刀具为最好。
另外，从极差看因素的作用：
极差大――说明因素对指标的影响大，常为主要因素
极差小――说明因素对指标的影响小，常为次要因素
因此，本例中主次次序：
BDAC（转速、刀型、刀数量、走刀量）
3.2.多指标正交试验设计
柱塞组合件收口强度稳定性试验
.（下图所示），组合件须承受900公斤以上的拉脱力。
某公司在生产中存在柱塞组合件拉脱力波动大的问题，希望通过试验，找出较优方案，使拉脱力稳定在900Kg以上。
该案例试验目的是使拉脱力被选为指标，且指标越大越好。
指标：
拉脱力
轴向油隙
，转角
。
因素：
、高度
、倒角
、收口压力
等四个因素。
水平：
各因素均取三个。
选用4因素3水平正交表
，然后对号入座。
每个试验条件做7次，每次试验对三个指标测定并取其平均值。
计算分析试验数据，并选取最优生产条件。
3.2.1
试验方案及试验结果分析
说明：
1.
、
、
为7次试验的平均。
2.如
完全为简化计算，不影响结果的趋势分析。
3.2.2.综合平衡选优
对因素B（高度L）：
轴向游隙小，转角为大角度，应选
，但主要考虑拉脱力，故选
（拉脱力最大）。
对因素C（倒角）：
明显
，拉脱力大，游隙小，转角大。
对因素D（收口压力）：
应选
，游隙小，转角
与
差不多，拉脱力
最高
对因素A（直径）：
对三个指标来说均是次要因素，从转角大一点，游隙小些的角度，选
3.2.3.综合平衡后：
选
为最优生产条件。
通过正交实验法找到的较优方案，往往都不是试验中最好的方案（案例试验中最好的方案是第8号试验A3、B2、C1、D3），但我们的目的不是要在已做的9次试验中选好的方案，而是要找到所有搭配中最好的方案。
这样才有意义。
（1）因子和指标的关系
我们希望看到因子变化时，指标的变化趋势，这样可以用作图来描述。
如下图所示因子和指标的关系：
（2）验证试验
目的：
考察较优方案的再现性。
方法：
将通过数据分析多得到的较优方案与已做过的（9次）试验中最好者同时验证，以确定其中的优劣。
上述案例中将数据分析多得到较优方案A1、B2、C1、D3与9次试验中第八号试验A3、B2、C1、D3两个方案同时验证。
在实验后找出稳定的较优方案，通常要对这个较优方案进行小批生产考验，最终纳入技术文件，才算完成一项正交试验的全部过程。
4总结
我所研究的方向是汽车转向和悬架的机构设计研究，目前还没有进入到论文的核心部分。
就我个人的理解来看，试验设计在机构学当中也有很大的应用。
在机械结构分析、机构设计中已经应用广泛。
我现在在帮导师做转向试验台，这必然要应用到实验设计基本知识，再加上我做论文的部分就是机构的设计研究，这必然要应用到实验设计的基本方法。
在此感谢张老师耐心的教导。
参考文献
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