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摘要： 针对传统的柔顺机构产品开发过程中容易忽略概念缺陷，以原有的质量为基础进行改进，无法解决源头质量问题的不足，提出六西格玛系统化的设计方法，运用六西格玛的流程设计方法对柔顺机构进行改进，考虑柔顺机构的综合性能，将六西格玛设计中的DMADV作为柔顺机构的设计模式，对界定、测量、分析、设计、验证阶段进行展开分析，确定改进方案，提升柔顺机构综合性能，提高工作效率和可靠性。最后以环形柔性铰链为研究对象，验证本文方法的可行性，该方法为不同类型的柔顺机构进行改进设计提供一条有效途径。
Abstract： Considering the defect of the concept is easily neglected in traditional development process based on the original quality for compliant mechanism， the source the quality problem couldn"t be solved， Six Sigma systematic design method is proposed to improve the compliant mechanism. This paper uses Six Sigma （DMADV） as design patterns basic on the performance of compliant mechanism， analyzing the design phases， such as define， measure， analyze， design and verify. The implementation scheme is determined. The comprehensive performance，efficiency and reliability for compliant mechanisms are improved. Finally， the feasibility of this method is verified by the research object of circular flexure hinge. The method provides an effective way to improve the design for different types of compliant mechanism.
关键词： 柔顺机构；六西格玛；流程；DMADV
Key words： compliant mechanism；Six Sigma；process；DMADV
中图分类号：TH112 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）22-0215-04
0 引言
柔顺机构作为新型运动机构，与传统刚性机构相比具有许多优点，如机构轻量化，缩短安装时间，降低摩擦磨损，节约维护成本等[1]，因此柔顺机构广泛应用于航空航天、精密仪器和电子工程等领域。然而根据用户反馈的信息，柔顺机构在实际运用中具有不同程度的使用缺陷，传统的柔顺机构产品开发过程中容易忽略概念缺陷，出现质量问题之后再对柔顺机构进行改善，导致巨大的经济损失，而传统的改进方式是以原有的质量为基础，这种改进是无法解决源头质量的根本问题。因此必须对柔顺机构进行系统化的设计，六西格玛系统化的设计方法正是从源头设计到最终的验证设计。
本文通过结合六西格玛方法与柔顺机构产品特性，运用六西格玛设计方法对柔顺机构进行优化设计，提出基于六西格玛流程设计的柔顺机构优化设计的方法，通过六西格玛流程设计，提升柔顺机构综合性能，提高工作效率和可靠性。最后以环形柔性铰链为研究对象，结合蒙特卡洛模拟抽样技术和6σ质量管理理论，验证本文方法的可行性。
1 六西格玛设计理论
六西格玛是提高企业生产水平，改善服务质量和优化产品性能的一种质量管理方法[2-3]。六西格玛理论在各领域中运用和拓展转化为工程实践，在实践中其设计理论逐步完善，内容不断丰富。六西格玛设计方法提供了严格的业务流程设计与科学的改进方法，可以分为两种设计手段，六西格玛改进和六西格玛设计。
1.1 六西格玛改进（DMAIC）
六西格玛改进对象是现有的流程或产品，利用科学的改进手段使得现有流程更加规范，让产品满足顾客需求。六西格玛改进流程由界定（Define）、测量（Measure）、分析（Analyze）、改进（Improve）和控制（Control）五个严格步骤构成。在DMAIC设计流程中，确定顾客关键需求或改进的产品，为了进一步进行分析，需将其量化，通过对现有过程的测量，确定输入与输出，利用现有的数据分析关键影响因素，利用一定的技术手段优化过程输出，寻找最优方案，并将改进后的过程程序化。六西格玛改进作为最初的六西格玛管理思想，在设计过程中存在的缺点也呈现出来，受加工条件和实际工作环境等多个因素的限制，所采用的改进措施得到的效果并不显著，无法满足用户需求。为解决此问题，必须重新设计过程本身或产品，因此产生六西格玛设计。
1.2 六西格玛设计（DFSS）
六西格玛设计基于已有的开发流程、面向质量与可靠性的精细化和规范化设计，通过对流程本身进行重新设计和对产品的突破性改进来满足用户需求。六西格玛设计结合顾客需求，对过程进行设计，对产品进行开发，已经取得了丰硕成果[4-6]。六西格玛设计发展至今，其设计流程并无统一的规定[7-8]，常用的几种代表性的模式包括DMADV模式、IDDOV模式、DMEDI模式、DCCDI模式[9]。
这些设计模式中DMADV是六西格玛设计的最主要的设计模式。DMADV设计模式中共有五个阶段，DMA三个阶段为最后DV两阶段做准备，以达到较好的改善效果[10]。综合考虑柔顺机构性能特点，本文选取DMADV作为柔顺机构设计模式。
2 基于DMADV模式的柔顺机构优化设计
DMADV设计模式是将整个项目过程进行详细的划分，划分阶段分为五个阶段，分别为界定阶段、测量阶段、分析阶段、设计阶段和验证阶段。
2.1 界定阶段
界定阶段作为DMADV设计模式中第一阶段，是六西格玛设计成功与否最关键的阶段。界定阶段确定产品类型、用户对产品关键性的需求，并识别改进的过程，将改进项目定在合理范围内。对该阶段的设计流程进行展开，不同的用户群体对柔顺机构产品要求不同，因此需将用户进行分类，通过对不同的用户群体进行调查，确定用户对柔顺机构产品的品质需求。柔顺机构产品种类非常多，根据用途的和顾客需求差异而不同，进行设计时由实际情况而定。然后根据用户的反馈的信息，对反馈结果进行分析，利用质量展开功能将用户的需求转化为技术特性，确定柔顺机构关键质量特性，最后使用SIPOC等相关工具绘制流程图。
质量特性除了由用户提供，可通过分析产品性能而确定。柔顺机构是通过形变传递能量和力，对柔度特性要求非常高，同时在外界变幅载荷下容易产生疲劳；固有频率越大，可以防止共振现象而导致性能波动；灵敏度与加工的精度相关；柔顺机构通常应用于精密仪器中，减少其质量可以降低成本；柔顺机构反复工作从而产生的疲劳损伤影响可靠性和使用寿命，增加材料的强度可以有效降低疲劳损伤。综上所述，针对几类典型柔顺机构，如图1所示，列出部分质量特性作为参考：柔度、固有频率、灵敏度、重量、疲劳寿命、材料强度。不同类型柔顺机构产品质量特性根据其实际工作情况而定。
2.2 测量阶段
完成柔顺机构设计的界定阶段，确定柔顺机构产品质量特性，在测量阶段对各质量特性进行细分，运用质量展开功能确定关键质量特性与设计参数之间的关系，为接下来的分析阶段使用的数据的准确性提供保障，具体开展过程如下。
首先通过一定的分析方法，如KANO分析法、Klevin法等，对已确定的柔顺机构质量特性进行分类，并将其量化，采集不同质量特性的数据，柔顺机构的数据来源有仿真、实验和用户提供，对数据进行整理分析，研究关键质量特性与设计参数的规律，确定基本模型。最后，为了判断测量系统的准度性，需对影响系统性能的波动源进行统计分析。测量阶段确定了需要改善的项目，解决方案由后续三个阶段提供。
2.3 分析阶段
分析阶段可以是对设计进行分解，确定总体方案，以便下一个阶段确定最优设计方案[11]。也可以是对设计进行详细的分析，运用TRIZ理论、评估方法等设计工具，确定总体的设计方案，对总体方案进行权衡和分析。为了进一步解释分析阶段的工作，以柔顺机构微位移为例来进行说明。此例中设计目标为柔顺机构的微位移，为了满足微位移最大化，将考虑柔顺机构的多个设计参数，如结构尺寸、材料属性、工作环境的温度、载荷的类型、操作者的规范性、实验设备的精确度等等，分析阶段就是运用工程知识和各方面的工具，将设计参数进行优化调整，得出柔顺机构微位移满足最大值的条件下的参数组合，确定最佳设计方案。
总体上讲，设计阶段对产品的设计目标进行展开分析，采用数据统计分析、比较试验和仿真分析等方法，细化到产品的设计参数，找出较好的设计方向。
2.4 设计阶段
分析阶段确定最佳设计方案和设计方向，为生产和管制提供一定的依据，也为设计阶段减少了工作量。将不同的设计目标优化方案进行汇总，并对各方案进行对比和分析，确定设计目标相关的参数公差，而柔顺机构则需要对其结构尺寸进行公差设计，在实际加工中对公差进行合理分配。对柔顺机构产品进行可靠性分析，增加柔顺机构产品的可靠度。运用管理思想，通过FMEA和风险矩阵对柔顺机构设计方案进行分析与评估，建立风险规避计划，将潜在风险降到最低。记录设计阶段的操作流程和注意事项，为同系列设计提供参考，有利于经验的传承。最后，将柔顺机构六西格玛设计中的分析阶段和设计阶段所做的优化改善归纳到设计失效模式及效应分析中（DFMEA）。以上四阶段的工作表明设计和改善已全部完成，为了检验改善效果，必须对改善方案进行验证。
2.5 验证阶段
验证阶段检验改善后的设计效果是否达到设计要求，是否满足用户的要求，验证步骤分为三步。
第一步，检验数据反映柔顺机构的真实性，找出异常数据并将其剔除，检验和处理之后仍然没有达到设计目标，多次重复DMAD流程，直到数据符合要求为止。
第二步，判断数据是否符合正态分布，若不符合，增加数据的量确保数据符合正态分布[12]。
第三步，完成以上工作，将柔顺机构进行小量加工，并按照验证方案进行实验验证，若实验条件有限则可进行仿真验证。
验证结果达到设计要求，用户对改善结果满意，将设计方案生成程序文件，同时制定控制计划。
3 基于6σ的环形柔顺铰链优化设计
为验证上述提出的六西格玛的流程设计方法的正确性，本文以环形柔性铰链为研究分析对象，如图2所示，其结构尺寸如图3所示。
在界定阶段，根据对环形柔性铰链的实际工程应用，用户期望其固有频率尽可能的大，以便抵抗外界激励的振动而引起的共振导致铰链的断裂，从而造成设备以及由该铰链构成的组件失效，为此提高环形柔性铰链的固有频率是体现其价值的基础。
明确用户需求后完成测量阶段工作为下一步分析阶段奠定基础。在测量阶段需完成的工作为对环形铰链的相关尺寸数据和固有频率的测量。
实际工程案例结构参数如下：R=20mm，r=11mm，t=2mm，h=14mm，L=20mm，其中t为铰链的厚度。选取材料为铍青铜，则E=2.2GPa，μ=0.34，考虑机构变形在弹性范围内，取施加转矩T=0.05N·m，通过ANSYS建立有限元分析模型，对其固有频率进行数值模拟分析，如图4所示。
为制定环形柔性铰链最佳结构参数以提高柔性铰链的可靠性，增强环形柔性铰链工程实用价值，提高试验效率降低成本避免重复的试验，进行各项试验设计就显得尤其重要，本文采用试验设计方法为正交试验设计，各试验方案所对应的固有频率响应值由模拟仿真得到。
测量阶段完成了尺寸结构参数的试验设计及固有频率的数值模拟仿真工作，将进行分析及设计工作。本文采用蒙特卡洛模拟抽样技术结合6σ质量管理理论，在上述工作完成的基础上，进性1000次蒙特卡洛抽样，然后采用6σ质量管理理论进行设计，结果如图5所示，确定最终设计结果如表2所示。
设计结果表明，环形柔性铰链的固有频率由初始552.82Hz增加到591.55Hz，有效增加抵抗外界振动引起的共振效应，提高环形柔性铰链的实际工程价值，另外，环形柔性铰链由初始的4.5σ水平提高到5.7σ水平，大大的降低了因外界不确定性噪声因素所引起的波动，提高环形柔性铰链的可靠性。表明本文提出方法的有效性和实用性。
4 结论
本文以柔顺机构为分析对象，以用户需求为设计目标，运用六西格玛流程设计方法，确定柔顺机构优化设计方案，建立设计失效模式及效应分析，完成改善工作；采用六西格玛流程设计方法具有普遍适用性，可以对不同类型的柔顺机构进行改进设计，为柔顺机构优化设计提供一条有效途径，对优化柔顺机构具有直接的现实指导意义。
以环形柔性铰链为实例，验证本文提出的六西格玛的流程设计方法的正确性和有效性，提高环形柔性铰链的固有频率，增强外界不确定性噪声因素影响的抗干扰能力，所提出得方法能够应用到所有的柔顺机构优化设计中，具有可推广性和较大的工程实用价值。
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