（机械设计及理论专业论文）面向关键质量特性的大型注塑装备保质设计技术及其应用研究.pdf

摘要 摘要 针对大型注塑装备全寿命周期各阶段关键质量特性具有多层次性、多尺度性、多耦合 性、多不确定性的特点，本文提出了面向关键质量特性的大型注塑装备保质设计方法，将 关键质量特性保证措施与产品设计过程有机地结合，综合考虑产品全寿命周期的关键质量 特性，对面向概念方案的大型注塑装备设计意图驱动质量特性偏好决策方法、面向动态分 配的大型注塑装备多部件寿命均衡规划方法、面向多元波动的大型注塑装备关键质量特性 稳健设计方法、面向使用维护的大型注塑装备混合策略维修方案设计规划方法和面向报废 回收的大型注塑装备绿色指数多准则优化方法进行了深入研究，依托国家自然科学基金资 助项目，结合实施企业的具体工程应用将上述方法应用于产品设计开发中，取得了良好的 工程应用效果。 论文的主要工作如下： 第一章综述了大型注塑装备的结构和设计发展趋势，阐述了关键质量特性的内涵和保 质设计研究现状，分析了现有大型注塑装备的保质设计方法不足，给出了面向关键质量特 性的大型注塑装备保质设计的主要思想和研究背景。 第二章分析了产品概念方案中产品设计意图的表达，引入物元理论对设计意图进行形 式化描述，为机械产品的设计意图表达提供了统一的形式化描述方式。提出了一种基于二 元语义的设计意图驱动的产品关键质量特性偏好决策方法，为设计意图驱动的产品关键质 量特性优化提供可靠的分析依据。 第三章面向动态分配提出了以有效工作寿命度量多种预防性维护措施下机械产品关 键零部件工作寿命的寿命均衡规划方法。针对产品关键零部件的失效率不一致，导致关键 零部件的工作寿命不均衡的问题，构建了机械产品多部件寿命均衡数学模型，通过有限时 间区间的机械产品预防性维护优化方案，在机械产品关键零部件发生故障之前实施预防性 维护措施减少或消除关键零部件故障的发生，使得机械产品各关键部件的工作寿命趋于均 衡，同时满足机械产品可靠性指标与机械产品维护费用指标。 第四章面向多元波动提出了基于最小灵敏域估计的产品关键质量特性稳健设计方法。 针对产品设计参数发生变差，导致产品关键质量特性的最优化解变为违反约束条件的问 题，定义了产品关键质量特性灵敏域，对产品关键质量特性的稳健性进行度量，建立了基 于最小灵敏域估计的产品关键质量特性稳健优化数学模型，提出了多目标产品关键质量特 性稳健优化设计流程。在满足产品关键质量特性设计要求的前提下，优化产品关键质量特 i i i 浙江大学博士学位论文 性同时提高产品关键质量特性对设计参数变差的稳健性。 第五章面向使用维护提出了基于维修效率策略和维修成本策略的混合策略大型注塑 装备维修方案设计方法。针对机械产品使用维护阶段关键零部件尤其易损件的维修关键质 量特性，构建了基于维修效率策略和维修成本策略的混合策略复杂机械产品维修性能优化 数学模型，以维修效率和维修成本度量机械产品的维修性能。采用基于改进的强度p a r e t o 进化算法的复杂机械产品的维修性能设计流程，根据维修性能优化数学模型，求得了多目 标维修性能优化问题的p a r e t o 最优解集，并优选出最优解，在优化产品维修效率的同时优 化产品维修成本。 第六章面向报废回收提出了报废回收阶段的产品绿色质量指数多准则优化分析方法。 从零部件的拆解、零部件的重用加工污染、零部件的回收处理环境影响等多个方面多角度 综合考虑对产品设计方案的影响，建立了基于改进产品拆解约束图的机械产品多元拆解模 型表达方法，提出了面向报废回收的产品绿色质量指数多准则优化分析方法，构建了基于 产品回收拆解效率因子、产品回收拆解作业收益因子和产品回收拆解作业环境影响因子的 综合绿色质量指数的复杂机械产品设计方案绿色质量指数多准则优化模型。 第七章结合企业工程项目需求和本文研究成果，开发了面向关键质量特性的h t - s i p 大型注塑机保质设计系统，以工程实践验证了所提理论和方法的正确性和可行性。 第八章总结了本文的主要研究内容和成果，并展望了今后的研究工作。 关键词： 大型注塑装备；关键质量特性；保质设计；绿色设计；设计意图；多准则优化；二元 语义 i v a b s t r a c t t od e a lw i t hm u l t i - s c a l e ，c o l l a b o r a t i o n ，c o u p l i n g ，u n c e r t a i n t ye t a lp r o b l e m si nt h eq u a l i t y c o n t r o lp r o c e s so fl a r g es c a l ei n j e c t i o nm o u l d i n ge q u i p m e n t ，an e wt e c h n o l o g yo fd e s i g nf o r q u a l i t yo fl a r g es c a l ei n j e c t i o nm o u l d i n ge q u i p m e n to r i e n t e dt ok e yq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c si s p r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ea s s u r a n c em e a s u r e so fk e yq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o d u c t d e s i g np r o c e s sa r ei n t e g r a t e do f t h en e wt e c h n o l o g y , w h i c hi sm a i n l yc o n s i s t e do fa ne x t r a c t i o n m e t h o do fq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c sf o rl a r g es c a l ei n j e c t i o nm o l d i n ge q u i p m e n tb a s e do nd e s i g n i n t e n t i o n ，m u l t i c o m p o n e n t sl i f eb a l a n c e dp l a n n i n ga p p r o a c hf o rl a r g es c a l ei n j e c t i o nm o l d i n g e q u i p m e n t ，t h er o b u s tp r o g r a m m i n go fl a r g es c a l ei n j e c t i o nm o l d i n ge q u i p m e n t ，r e p a i r a b l e d e s i g nf o rl a r g es c a l ei n j e c t i o nm o l d i n ge q u i p m e n tb a s e do nm i x e ds t r a t e g ya n dt h eg r e e n m u l t i c r i t e r i ao p t i m i z a t i o nf o rp r o d u c td e s i g no fl a r g es c a l ei n j e c t i o nm o l d i n ge q u i p m e n ta tt h e e n do fl i f e f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c t i v ea p p l i c a t i o n so np r a c t i c a lp r o j e c t sp r o v e da d v a n c e m e n t a n dv a l i d i t ya sw e l l t h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： c h a p t e r1g i v e st h er e v i e w so fd e s i g nf o rq u a l i t ya n dl a r g es c a l ei n j e c t i o nm o l d i n ge q u i p m e n t d e s i g n t h ec o n n o t a t i o na n d c u r r e n tr e s e a r c ho fd e s i g nf o rq u a l i t ya r ed i s c u s s e da sw e l l b a s e d o nt h ea n a l y z i n gt h ed e f i c i e n c i e si ne x i s t i n gm e t h o do fd e s i g nf o rq u a l i t yo fl a r g es c a l ei n j e c t i o n m o l d i n ge q u i p m e n t , t h em a i ni d e a sa n d r e s e a r c hb a c k g r o u n do fd e s i g nf o rq u a l i t yo fl a r g es c a l e i n j e c t i o nm o l d i n ge q u i p m e n t o r i e n t e dt ok e yq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c sa r eg i v e n c h a p t e r2a n a l y z e st h er e s e a r c ho fd e s i g ni n t e t i o na b o u tp r o d u c t , d i s c u s s e s t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fq u a l i t yc o n c e p t i o nf o rc o m p l e xm e c h a n i c a lp r o d u c t s ，p r o p o s e st h ec o n c e p to fd e s i g ni n t e t i o n m a t t e r - e l e m e n tf o rc o m p l e xm e c h a n i c a lp r o d u c t s ，g i v e st h ee x p r e s s i o nm e t h o do fd e s i g n i n t e t i o nm a t t e r - e l e m e n t ，a n dc o n s t r u c t st h em u l t i d i m e n s i o n a ld e s i g ni n t e t i o nm a t t e r - e l e m e n t m o d e lb yt r a n s l a t e di n t oe q u i v a l e n t2 - t u p l et y p e a n dt h e ne x t e n s i o ne v a l u a t i n gm e t h o do f m u l t i d i m e n s i o n a ld e s i g ni n t e t i o nm a t t e r - e l e m e n tf o rc o m p l e xm e c h a n i c a lp r o d u c t si sp u t f o r w a r d t h ei n s t a n c eo fm o d e lc o n s t r u c t i o na n dq u a l i t ye v a l u a t i n gf o rl a r g es c a l ei n j e c t i o n m o l d i n ge q u i p m e n ti sg i v e nt oi l l u s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo f t h em e t h o d s c h a p t e r3p r o p o s e sac o m p o n e n t sl i f ee q u i l i b r i u mp l a n n i n go p t i m i z a t i o nm e t h o d b a s e do nt h e a n a l y s i sa n dm e a s u r e m e n to fd y n a m i ce f f e c t i v ew o r k i n g - a g eo fc o m p o n e n t b a s e do nt h e v 浙江大学博士学位论文 m a t h e m a t i c a lm o d e lo fp r o d u c tq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c sr o b u s to p t i m i z a t i o nd e s i g nt h ep a r e t os e t f o rt h em u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e mi so b t a i n e d t h eo p t i m a lp r e v e n t i v em a i n t e n a n c e s c h e d u l e so p t i m i z et h el i f eo fc o m p o n e n t st ob et h es a m ea st h ed e s i g nr e q u i r e db yr e p l a c i n go r m a i n t a i n i n gt h ec o m p o n e n t sb e f o r e i tf a i l e d i tm i n i m i z e st h et o t a lc o s to fp r e v e n t i v e m a i n t e n a n c es c h e d u l ea n dt h es y s t e mf a i l u r er a t e so ft h em e c h a n i c a lp r o d u c t t h ee f f i c i e n c ya n d e f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o da r ei l l u s t r a t e db yc o m p o n e n t sl i f ee q u i l i b r i u mp l a n n i n go f m o l d e dp a r to f l a r g es c a l ei n j e c t i o nm o l d i n ge q u i p m e n t c h a p t e r4p r o p o s e st h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fp r o d u c tq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c sr o b u s t o p t i m i z a t i o nd e s i g n b a s e do nm i n i m u ms e n s i t i v i t yr e g i o ne s t i m a t i o n am u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o na p p r o a c hu s i n gg e n e r a l i z e dd i f f e r e n t i a le v o l u t i o na l g o r i t h mi sp u tf o r w a r do nt h e f o u n d a t i o no ft h ea n a l y s i sa n dm e a s u r i n go fp r o d u c tq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c ss e n s i t i v i t yr e g i o n t h ea p p r o a c ho b t a i n e dt h em u l t i - o b j e c t i v er o b u s tp a r e t oo p t i m u ms o l u t i o n sw h i c ha l es a t i s f i e d w i t ht h e d e s i g nr e q u i r e m e n t sa n di n s e n s i t i v et op a r a m e t e rv a r i a t i o n s t h ee f f i c i e n c y a n d e f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o di si l l u s t r a t e db yt h ep r o d u c tq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c sr o b u s t o p t i m i z a t i o nd e s i g no fl a r g es c a l ei n j e c t i o nm o l d i n ge q u i p m e n t c h a p t e r5p r o p o s e st h em a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e db a s e do nm i x e ds t r a t e g yw h i c h c o n s i s t e do fm a i n t e n a n c es t r a t e g yo fm i n i m u mi d l er a t ea n dm i n i m u mc o s t so fs e r v i c e o p e r a t i o n s a no p t i m i z a t i o np r o c e s su s i n gs t r e n g t hp a r e t oe v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m2 + ( s p e a 2 + ) i sp u tf o r w a r do nt h ef o u n d a t i o no ft h ea n a l y s i sa n dm e a s u r i n go ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f m a i n t e n a n c ea n dr e p a i r s b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp r o d u c to p t i m i z a t i o nd e s i g nf o r m a i n t e n a n c ea n dr e p a i r s ，t h ep a r e t os e tf o rt h em u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e mi so b t a i n e d t h em u l t i - o b j e c t i v ep a r e t o - o p t i m a ls o l u t i o n sa r ef a c i l i t a t i n gs e r v i c eo p e r a t i o n s t h ee f f i c i e n c y a n de f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o di si l l u s t r a t e db yt h ep r o d u c to p t i m i z a t i o nd e s i g nf o r m a i n t e n a n c ea n dr e p a i r so f l a r g es c a l ei n j e c t i o nm o l d i n ge q u i p m e n t c h a p t e r6p r o p o s e sam a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e db a s e do ns y n t h e s i sk e y - g r e e n q u a l i t y i n d e xw h i c hi sc o m p o s e do ft h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c y , t h ee c o n o m i cc o s t sa n dt h ee n v i r o n m e n t a l i m p a c tb yt h em e a s u r e m e n ta n da n a l y s i so fe o lp r o c e s s i n g a no p t i m i z a t i o np r o c e s si sp u t f o r w a r do nt h ef o u n d a t i o no ft h ea n a l y s i sa n dm e a s u r i n go ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fe o l p r o c e s s i n g b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp r o d u c to p t i m i z a t i o nd e s i g n f o re o l p r o c e s s i n g ，t h ep a r e t os e tf o rt h em u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e mi so b t a i n e du s i n gt h e v i m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m t h em u l t i o b j e c t i v ep a r e t o - o p t i m a l s o l u t i o n sa r c f a c i l i t a t i n go p e r a t i o n so ft h ee o lp h a s e t h ee f f i c i e n c ya n de f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e d m e t h o di si l l u s t r a t e db yt h eg r e e nm u l t i - c r i t e r i ao p t i m i z a t i o nf o rp r o d u c td e s i g np r o j e c to fl a r g e s c a l ei n j e c t i o nm o l d i n ge q u i p m e n t c h a p t e r7d e v e l o p st h el a r g es c a l ei n j e c t i o nm o u l d i n ge q u i p m e n td e s i g ns y s t e m ( t h - s m ) o r i e n t e dq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c sw i t ht h ep r o j e c tr e q u i r e m e n ta n dr e s e a r c hr e s u l t s ，w h i c hs h o w s t h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h en e wt h e o r ya n dm e t h o dp r o p o s e di nt h ed i s s e r t a t i o n c h a p t e r8s u m m a r i z e st h ek e yr e s e a r c hc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t s ，a n dg i v e n sc o n c l u s i o n s a l o n gw i t hr e c o m m e n d a t i o n s f o rf u t u r er e s e a r c h k e y w o r d s ：l a r g es c a l ei n j e c t i o nm o u l d i n ge q u i p m e n t ；k e yq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c s ；d e s i g nf o r q u a l i t y ；g r e e nd e s i g n ；d e s i g ni n t e n t i o n ；m u l t i - c r i t e r i ao p t i m i z a t i o n ；t w o - t u p l el i n g u i s t i c v 致谢 致谢 本文是在谭建荣教授的精心指导下完成的。几年来，从如何作文献阅读报告到学术讨 论，从如何挖掘深层次问题到解决问题，谭老师作了全面、具体的指导，对我的科研能力 培养帮助很大谭老师忘我的工作热情、百折不挠的进取精神、积极乐观的人生态度给了 我深刻的影响；谭老师渊博的学识、严谨的治学态度以及对学术前沿的探索精神和把握能 力，使我终生受益。师从谭建荣教授是我学术科研的希望与动力，是我人生中最值得庆幸 的事情。在攻读博士的这几年中，一直得到谭老师的栽培与期望，使自己对于学术研究从 被动到主动，从浮躁到安定，逐渐成熟起来。我深深体会到，在科学上没有平坦的大道， 只有不畏艰险沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。在此向谭老师致以最深 的敬意和衷心的感谢，诚挚祝愿谭老师工作顺利、身体安康、阖家幸福! 衷心感谢浙江大学工程及计算机图形学研究所的张树有教授，陆国栋教授、施岳定教 授、刘振宇教授、冯毅雄副教授、伊国栋副教授和董进老师等对我学业上的关心、支持和 帮助。 感谢研究所的裘乐淼老师、徐敬华老师、车君华博士、谢清博士、傅云博士、任彬博 士后等对我科研工作的支持和帮助。 感谢同窗李中凯、魏拮、王云、丁力平、安相华、魏巍、林晓华、龚勋、施健、罗成 对、倪小兵、宋轩、鞠永兵、杨坤等，以及我的室友应征、王国栋和郑华文，在六年硕博 研究生的学 - - j 生活中，与他们共同度过的快乐时光，以及浙江大学海纳百川的人文情怀， 给我留下了美好的回忆。衷心感谢浙江大学工程及计算机图形学研究所的各位老师及所有 博士生和硕士生的支持与合作。 深深感谢我的爱人刘郑一女士多年来的陪伴与付出，她对我的激励、宽容和信任使我 有勇气面对学业上的困难，在未来的日子中，执子之手，与子偕老。感谢在学术道路上培 育我多年的恩师们。感谢养育并寄厚望于我的父母，我的岳父母，他们对我的长期培养、 殷切期望和无私奉献，无以为报。在完成博士学位论文之际，谨以此文献给他们。 感谢所有关心和支持过我的亲人、师长、同学和朋友们! 龠一聪谨致 二零一一年七月 浙大求是园 1 绪论 1 绪论 摘要- 介绍了大型注塑装备结构和设计发展趋势，概速了关键质量特性的内涵与保质设计理 论，在综述了面向关键质量特性的保质设计技术研究进展基础上，分析了现有大型注塑装备 的保质设计技术的不足，论述了面向关键质量特性的大型注塑装备保质设计的主要思想，并 介绍了本文的研究背景和组织思路 1 1 引言 塑料加工业是世界上增长速度最快的工业之一，其加工方法包括挤出成型、注塑成型、 压塑成型、吹塑成型等。注塑成型是其中最重要的一种加工方法，利用注射装置将注射机 简中预先已经均匀塑化的热塑性或热固性塑料，高压高速注入到闭合的模具型腔中，经保 压、冷却等加工工序后，制成与模具型腔相同的塑料制品，可实现对形状复杂的制品实现 一次成型，具有生产效率高、加工尺寸精度高、能够大批量生产等特点，尤其大型注塑装 备对各种聚合物的加工制造适应范围广，可快速便捷更换注射生产模具，生产效率和自动 化程度高i 悻世煌2 0 0 f l 。因此，大型注塑装备被广泛用于家用电器、通讯器材，航空航天，仪 器仪表、国防电子、医疗、建筑、农业及生活日用品等各个行业，是集机械、电子、液压 一体的制造业大型重要装备。 目前，大型注塑装备的先进设计制造技术主要集中在德国、日本、美国等西方国家， 大型注塑装备以大型注塑机、精密注塑机等高技术含量、高附加值的机型为主【黄元昌2 0 1 0 1 。 与西方工业发达国家相比，虽然国内注望机生产企业有了一定的大型注塑装备的先进设计 制造技术积累，龙头企业如宁波海天集团部分设备产品已经达到国外八十年代后期和九十 年代初期的水平，但我国注塑装备制造厂家整体以中小型为多，产品以中低档、通用型注 塑机产品居多【科2 0 1 0 】注塑机产品存在着产品附加值低、产品品种单一、产品能耗高、产 品控制水平差、产品质量性能不稳定等缺点，导致我国大型注塑机、精密注塑机等大型注 塑装备常年依赖进口【中聚2 0 1 0 1 。 近年来，随着国家对科技投入的加大，大量针对注塑装备研究的开展，我国在注塑装 备的先进设计制造技术上有了一定的进步，但是国内的研究大多针对注塑装备中机械、电 子电气控制、液压控制、加工制造材料工艺等单个方面，尤其没有形成针对大型注塑装备 中机电液多质量特性、全寿命周期的研究体系，从而无法从整体上弥补与国外注塑装备理 论研究和实际产品间的差距。而与一般注塑装备相比，大型注塑装备研制周期时间长、制 浙江大学博士学位论文 造成本昂贵、更新换代慢、寿命周期长，制造过程中设计变更频繁，使用过程中故障频发， 产品整体质量水平、可靠性和安全性等对产品的质量、寿命和使用成本影响非常大的关键 质量特性控制问题长期难于解决。 因此，本文针对大型注塑装备等大型复杂机械产品进行多质量特性，全寿命周期的系 统化研究，围绕大型复杂机械产品全寿命周期各个阶段不同关键质量特性，结合保质设计、 绿色设计思想，从产品设计、维修、故障预防等多角度综合研究大型复杂机械产品的质量 控制理论和方法，应用于大型注塑装备的产品设计。 1 2 大型注塑装备结构与设计发展趋势 大型注塑装备被广泛应用于塑料包装、日用塑料、汽车建材、家用电器、国防军事等 领域，一台通用的大型注塑装备主要包括注射装置、合模装置、机身、液压传动装置、加 热装置、冷却装置、加料装置和电气控制系统等阵世煌2 0 0 6 1 。注射装置主要起到使热塑性或 热固性塑料均匀地加热塑化成熔融状态，以一定的压力和速度将一定量的熔料注射到模腔 内的作用。注射装置具有良好的塑化性能，精确的剂量性能，能够在注射时对熔料提供足 够的注射压力和注射速度。注射装置主要由塑化部件、计量部件螺杆传动部件、注射和 移动油缸等关键零部件组成。合模装置主要起到保证成型模具可靠的闭合和实现模具启闭 动作的作用，即进入模腔中的熔料在注射过程中还具有一定的压力，合模装置提供模具足 够的合模力，防止熔料的压力作用过大使模具被打开，造成塑料制成品发生溢边现象或导 致油缸液压系统精度降低，合模装置是使塑料制品成型的关键工作零部件。合模装置主要 由模板、拉杆、合模机构、制品顶出部件和安全门等关键零部件组成。液压传动装置和电 气控制系统主要起到使大型注塑装备按照注塑工艺过程预定的注塑压力、注塑速度、注塑 温度和注塑时间等注塑工艺过程要求和注塑工艺工作程序正常运行的作用。液压传动装置 主要由动力油泵、比例压力控制阀、比例流量速度控制阀、液压方向阀、液压管路、油缸 等关键零部件组成。电气控制系统主要由注塑动力控制、注塑动作程序和注塑加热控制等 关键零部件组成【扬卫民2 0 0 8 】【王兴天2 0 0 5 1 。 根据大型注塑装备注射装置和合模装置的排列方式，可以分为立式注射成型机、卧式 注射成型机、角式注射成型机、多模转盘式注射成型机【扬卫民2 0 0 引。卧式注射成型机是大型 注塑装备中较为常见普通的一种，同其他几种形式的注射成型机相比，卧式注射成型机具 有以下特点：机身矮，方便人员操作和维修养护；整机重心低，安装较平稳，运行稳定； 2 1 绪论 产品顶出后可利用重力作用自动下落，易于实现自动化操作。典型的卧式注射成型机结构 如图1 1 所示。 1 机身2 油泵用电机3 合模油缸4 固定板5 合模机构6 拉杆7 活动模板8 固定板 9 塑化机筒l o 料斗1 1 减速箱1 2 电动机1 3 注射油缸1 4 计量装置1 5 移动油缸1 6 操作台 图1 - 1 典型的卧式注射成型机结构示意图 随着近年来大型注塑装备设计研究的深入，大型注塑装备计算机辅助设计工具的日趋 完善，大型注塑装备产品模块化和标准化程度得到了很大提高，大型注塑装备的设计效率 与设计质量也稳步上升，大型注塑装备设计呈现以下几个设计发展趋势【鬃基黑2 0 0 6 ( 1 ) 多关键质量特性 在大型注塑装备设计过程中，通常需要几项关键质量特性( 关键质量设计指标) 同时 达到最优值，即大型注塑装备设计除了满足普通功能设计需求，如制造成本、工作寿命、 技术性能、产品质量以外，还需要满足生产能力、产品能耗、制品或半成品质量等工作效 能。因此，在大型注塑装备设计过程中涉及多个关键质量特性设计目标，大型注塑装备设 计模型包含有多个关键质量特性设计目标函数且要求同时达到最优值，使大型注塑装备设 计效果最佳。 ( 2 ) 全寿命周期 在大型注塑装备设计过程中，需要根据顾客需求驱动注塑机产品开发，综合考虑影响 注塑机产品全寿命周期的众多因素，如产品功能、所选材料、制造过程、可加工性、可装 配性、可拆解性、可靠性和绿色性等，对该设计进行评价和优化，解决注塑机产品全寿命 周期内设计过程、生产过程、使用过程和报废过程中所有可能产生的矛盾和冲突，减少全 寿命周期各阶段发现设计尤其关键质量特性设计不合理需重新设计、重新生产等问题 ( 3 ) 多设计参数 大型注塑装备对热望性或热固性塑料进行加工、注塑成型，为了达到预定的工艺要求， 主要关键工作部件需要设计成复杂的几何形状( 例如螺杆、喷嘴等关键零部件) ，使得关 3 浙江大学博士学位论文 键工作部件的几何结构多参数这些设计参数既与关键工作部件的载荷承受能力和有效工 作寿命有关，又直接影响到大型注塑装备的产品生产能力、生产功耗以及塑料加工制品的 质量。因此形成了大型注塑装备多设计参数的特点。 ( 4 ) 多维数学模型 机械优化设计的数学模型包括目标函数和约束条件函数。在对工作部件进行优化设计 时，均须同时考虑一般机械设计的原则( 承载条件、制造工艺条件) 和物料加工成型工艺 条件的制约，从而形成约束条件多的特点又由于设计参数多，不但使目标函数的维数增 加，还令约束条件函数的维数增加，使得数学模型具有多维性。 ( 5 ) 多非线性关系 在大型注塑装备设计过程中，各个质量特性之间不是完全独立的，可能存在耦合关系， 甚至可能存在冲突现象。在满足工作部件的载荷承受能力和工作寿命的同时，也要满足设 备的工作效能，而后者涉及到热塑性或热固性塑料的加工能力、流变性能。因此，在大型 注塑装备设计过程中多个设计参数之间关系复杂，存在相互关联、相互耦合和相互冲突等 多种复杂关系，导致关键质量特性设计参数与关键质量特性设计目标函数、约束条件函数 间呈现非线性关系。 1 3 面向关键质量特性的保质设计研究概述 1 3 1 关键质量特性的内涵 产品质量是一组产品所具备的技术或固有物理化学特性满足要求的程度，它由产品质 量的适用和产品质量的符合两个方面组成【林志航2 0 0 5 1 。产品质量的适用是指产品所具备的技 术或固有物理化学特性满足顾客需求或产品设计意图的程度；产品质量的符合是指产品所 具备的技术或固有物理化学特性符合标准要求的程度。产品质量的适用程度决定了产品质 量的符合程度，产品质量的符合程度体现了产品质量的适用程度，产品质量的符合程度只 有在产品质量的适用程度前提下才有价值。产品概念设计阶段、详细设计阶段主要决定了 产品质量的适用程度，加工制造阶段、使用维护阶段主要决定了产品质量的符合程度。 质量特性是产品质量的载体，i s 0 9 0 0 0 标准将量特性( q u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c s ，q c s ) 的概念定义为，是有关要求的产品、过程或体系的固有特性f r e i d 2 0 0 3 1 。质量特性具有多维度 和自进化的特点。多维度体现在产品的质量特性由多种参数和多个数量组成。依据客户、 设计人员和制造企业对产品质量特性认知与度量水平不同，质量特性可以定义为一个三元 4 l 绪论 组 q d ，妒，掣) ，其中，q d ( q u a l i t yd i m e n s i o n a l i t y ，q d ) 为质量特性维度是反映用户需 求、q e ( q u a l i t ye s s e n t i a l ，q e ) 为质量特性要素是反映企业评价与竞争要求、q a ( q u a l i t y a t t r i b u t e ，q a ) 为质量特性属性是反映工程师设计要求，质量特性维度、质量特性要素、 质量特性属性三者共同构成了产品质量特性的多维度【何盏海2 0 0 7 质量特性的自进化体现为 在产品各级质量特性信息相互传递和反馈过程中，质量特性从各层次反映了对产品质量的 认知与需求，例如功能性、可靠性、安全性、耐用性、可维护性、经济性、环保性及美感 性等。产品质量特性和产品设计过程紧密关联，从产品的设计信息中构建产品质量特性， 实现质量特性维度、质量特性要素到质量特性属性等不同属性的质量需求的依次转化，明 确产品保质设计质量目标 关键质量特性是影响和决定产品质量的关键的少数质量特性，主要包括产品的可靠 性、经济性、绿色性、稳定性等产品的主要性能技术指标及其技术参数，尤其大型注塑装 备因为具有独特的复杂性功能物理结构，所以其关键质量特性的内涵已远远超越了普通机 械产品关键质量特性的内涵。一方面，大型注塑装备自身在客户需求、结构组成、开发技 术、制造过程、项目管理等方面均具有复杂性，产品设计周期长，涉及机械、电气、液压 等多个专业领域范围广、学科多，主要性能技术指标间耦合关系复杂；另一方面，大型注 塑装备的关键质量特性概念随着数字化设计、网络化制造、云计算等科学技术的进步，在 传统的概念基础上有了进一步扩充完善。因此，关键质量特性可以定义为是产品质量的基 本单位，是产品质量重要载体，极大地影响了产品的顾客满意度、产品功能和性能技术指 标的满足程度等，通过关键质量特性控制管理，可以减少潜在的质量问题、降低失效成本， 从而大大提高产品质量。 1 3 2 产品保质设计的概述 随着现代工业生产的不断发展，产品的功能结构日趋复杂，产品质量成为企业生存发 展的关键因素。随着保质设计、可靠性设计、稳健设计、价值工程等先进的质量设计技术 方法的出现，质量控制实施的阶段和方法由传统的在产品生产、使用阶段，通过减少发生 加工问题的可能性以提高产品质量的以纠正、控制为主的方法，发展为质量驱动的产品设 计，从产品质量的源头，在产品寿命周期的产品设计阶段加强产品设计的质量控制，从制 造过程质量控制向前推进到设计过程质量控制的预防性控制方法 保质设计( d e s i g nf o rq u a l i t y ，d f q ) 产生于2 0 世纪8 0 年代末，是面向质量的产品 浙江大学博士学位论文 设计方法学m o f u p1 9 9 2 b o o k e r2 0 0 3 】【昊昭啊2 0 0 4 1 【蜃桂江2 0 0 5 1 。保质设计在产品设计阶段，运用现代先 进的设计技术和工具，将质量保证措施与产品设计过程有机地融合在一起，将产品质量需 求和产品质量特征融合到设计过程中，通过产品设计过程中全面分析产品的质量需求，并 向产品全寿命周期各阶段加以规划，实现顾客需求驱动产品开发；在设计过程中综合考虑 产品功能、所选材料，制造过程、可加工性、可装配性、可测试性和可靠性等影响产品全 寿命周期的质量特性因素，对产品设计进行评价与优化；在产品设计过程中对产品加工制 造过程、使用维护过程、报废回收过程中可能发生的质量问题进行预测，进而提出相应矛 盾冲突的预防与解决措施，减少在产品全寿命周期其他过程中发现设计不合理需重新设 计、重新生产的发生，以缩短产品开发时间，有效降低失效成本，实现产品质量的保证。 1 3 3 面向关键质量特性的保质设计研究现状 保质设计以在产品设计阶段发现并解决质量问题源为指导思想，以较低的设计成本确 保稳定、可靠的产品质量和