用于最优化一个断路器机构的系统和方法

摘要

一个实现具有多个子过程的一个设计过程的系统，其中每个子过程都具有多个子步骤。该系统包含一个独立的应用，用于实现该设计过程。一系列独立的子应用中的每一个都实现该设计过程的一个子过程。一条通信路径用于在该设计过程和每个子过程应用之间进行通信。该通信路径还用于在每一个所述多个子过程之间进行通信。该设计过程和子过程可以访问一个包含多个可执行应用的应用库以访问和执行多个应用工具。

说明书

发明背景技术

本发明涉及一种用于实现六西格马设计(DFSS)过程的系统。对于任何应用(商业、制造业、服务业等)来说，西格马值用来表明变化性。一个西格马质量等级表明一个过程执行的效果。西格马值越高，输出值越好。西格马测量过程进行无故障工作的能力，其中的故障和用户不满意的意义是一样的。利用六西格马，通常的测量指标是每单元多少故障，其中单元实际上能够是任何东西——一个组件、一个喷气发动机的一个标准件、一个管理程序等。该西格马值表明多长时间故障可能发生一次。随着西格马的增加，用户满意度上升，同时其他度量值(例如成本和周期)也在改善。

该六西格马方法已经被实现用于专门的应用诸如半导体制造业。然而，这些专门应用的一个缺点是：缺少灵活性以允许该现有的实现应用于其他应用，诸如具有多重操作的一个产品的制造，其中每个操作都会影响另一个操作的性能。

此外，这种操作的性能有时候是用户敏感的，而且有时候一个操作性能的提高是以牺牲另一个操作的性能为代价的。

发明概述

本发明的一个示例性实施例是一个用于实现一个六西格马设计过程的系统，该过程具有多个子过程，而且每个子过程都具有多个子步骤。该系统包含一个独立的主应用，用于实现六西格马设计过程。一系列独立的子过程应用中的每一个都实现该六西格马设计过程的一个子过程。

附图简要说明

图1和图2是用于说明该断路器机构最优化过程的流程图，该过程可以通过本发明来实现；

图3是用于实现六西格马设计过程的系统的框图；

图4是使用图3中所示的六西格马设计过程的一个系统的框图；以及

图5是一个实验设计过程的框图。

发明详细说明

利用六-西格马技术，为在不同工作方式下的一个断路器机构开发了一系列传递函数。然后同时求解这些系列方程式以提供一个最优的断路器机构设计。

断路器机构能在几种不同的方式中进行操作。例如，开/关、关/开、跳闸以及复位仅仅是一个断路器机构预先要求的几个操作方式。在设计该机构时，工程师不得不权衡许多不同用户的要求以获得期望的性能。

许多时候这些要求是互相矛盾的，例如，如果用户要求一个高承受等级，但是仍然期望低手柄力，一种用以在一个断路器机构中增加承受力的方法是增加接触压力，然而，这要求一个更强的机构弹簧，这反过来会增加断路器的手柄力。因此，为了增加该承受等级(一个期望的结果)，需要的闭合力也增加了(一个不希望的结果)。

相应的，为了满足一个用户的期望性能，另一个用户要求可能就得不到满足。因此，为了提供一个最佳设计，每个相关函数的工作参数必须是联立的。

现在参考图1，流程图10说明了该即时应用的最优化过程。在一个示例中，第一步骤12识别将要被该即时应用过程优化的机构动作。

在一个示例中，步骤12发现四个动作要被优化：(1)断路器机构从一个断路位置到一个接通位置的闭合；(2)断路器机构从一个接通位置到一个断路位置的开启；(3)断路器跳闸操作；以及(4)断路器复位操作。当然，如同一个应用可以要求的那样，要考虑到要被优化的动作数目可以变化。

第二步骤14识别每个要被优化动作的期望输出参数。

例如，闭合的输出参数是E_闭合、扭矩_闭合以及力_手柄。对于开启来说期望的参数是力_手柄，而对于跳闸来说期望的参数是打开时间_接触臂。对于复位来说，期望的参数是力_手柄以及锁存器啮合力_锁存器。因此，必须确定这些输出参数中每一个的期望值。

第三步骤16识别那些将会影响步骤14的输出变量的输入变量。再次，识别用于闭合、开启、跳闸以及复位的输入变量。基于这个信息，多个步骤18创建分别用于闭合、开启、跳闸以及复位的试验设计(DOE)表格。

一旦完成之后，其它多个步骤20通过对应于闭合、开启、跳闸以及复位的整个试验设计表格的值来执行一个机构模拟。

多个步骤22中的每一个都为每个输入变量(步骤16)执行一个多项式拟合，从而为每个闭合、开启、跳闸以及复位输入变量形成一个传递函数。每个步骤22的结果都被输入到步骤24里，在此确定每个传递函数将如何被最优化(即最大化、额定化以及最小化)。此外，为每个参数设定目标，并按优先次序列出传递函数。

步骤26同时求解所有的传递函数以确定最优机构参数。步骤26包含子步骤28-32。步骤28联立求这些传递函数。一旦完成后，由步骤30为每个变量做一个初始估计，并且最后的步骤32使用一个计算机算法或程序诸如Multi.xls或一个类似程序来求解这些方程式。

现在最后的步骤32根据在步骤14中识别的期望输出参数，提供了一个断路器机构设计的性能。现在分析这个输出以符合一个期望的范围，而且如果是可接受的，就重复该过程。

该即时应用的分析过程涉及用于为某个断路器机构的参数提供处理的一个多维最优化问题的特征化和解决方案。这样的参数包括且不局限于下列参数：手柄力；闭合能；扭矩；锁存器力；接触臂速度；以及跳闸时间。这些参数被标识为CTQ或质量决定值。这些CTQ的内在质量及相关性要求对该CTQ同时优化，以提供一个理想的最终设计。

在一个示例中，通过利用一个动态模拟器软件包Working Model，来执行一系列具有参数影响每一个CTQ的分析全阶乘试验设计(DOE)。在一个示例中，具有六个CTQ。当然，可以期望该即时应用的方法可以被应用到除断路器设计之外、具有一个更高或者更低数量CTQ的应用中。

由此引起的的方差分析(ANOVA)产生六个传递函数，然后它们被简化为其中仅包括较大量级灵敏系数的“简化模型”。

然后经由多重响应优化工具MULTIR.xls将这六个方程式最优化为目标值。相应地，把各种可能的局部最优化解从表面值转换为自然(实际)值，以在设计规范中使用。

步骤12和14为每个模式(开启、闭合、跳闸、以及复位)定义了输出参数。为每个输出(步骤16)确定影响这些参数的变量，并且执行一系列的DOE筛选以消除任何对输出参数不重要的变量(步骤18-22)。一旦这些变量最后确定了，就为每个机构操作方式执行一个全阶乘模拟DOE。DOE技术的使用是特别重要的，因为它考虑了这些变量之间的第二和第三(有时是第四)阶交互作用。

为了这个设计起见，就编写了一个脚本，以允许在该动态模拟器和一个Excel格式的DOE表格之间的通讯。从Excel表格中获得这些值，运行该模拟，而且输出自动地传回到Excel。以这种方式，以一个自动化方式执行大量DOE运行。

利用一个统计分析、诸如Minitab来分析从该DOE产生的数据以确定传递函数系数。一旦产生了传递函数，通过利用蒙特卡洛(MonteCarlo)技术就能够确定每个参数的变化性。然后最终的方程式就被求解了。

现在参考图3，流程图100说明了利用该即时应用的一个示例就可以实现的一个六西格马设计(DFSS)过程。

图3的整个DFSS过程能够被分成四个子过程，用识别、设计、优化和确认表示。每个子过程使用多个子步骤。识别子过程包含子步骤102和104，它们分别被称作识别用户/产品要求以及识别技术要求(CTQ变量)和范围。这些子过程涉及图1的步骤12及14。

设计子过程包含子步骤106-112，它们分别被称作：公式化概念设计；识别潜在危险；为每个CTQ识别设计参数；查找决定性的设计参数以及它们对CTQ的影响(传递函数)。这些子步骤涉及图1的步骤16。

优化子过程包含子步骤114-126。步骤120和122涉及图2的步骤24。

确认子过程包含子步骤128-134，它们涉及图1和2的步骤18、20、22、以及26-32。图3所示的DFSS过程可用于改进设计一个产品或程序的过程。本发明还可以应用于其它的六西格马过程，诸如用于改进过程(诸如制造过程或商务过程)的测量、分析、改进和控制(MAIC)过程。本发明是一个用于实现六西格马过程设计的系统并且可以和其他六西格马过程或类似的过程一起使用。

图4是用于实现本发明一个示例中的一个DFSS过程的一个系统的框图。为了以一种通用方式实现该DFSS过程，使用了多个独立的应用200、202、204、206以及208。每个应用都是独立的，而且能够不与其他应用相互作用而执行或修改。每个应用都能够被独立地保存并再使用，而且能够经过一个通信路径212和其他应用通信。如同以下将更详细地描述那样，每个应用也能够访问(经由通信路径212)保存在一个工具库210中的多个工具。

主应用200控制图1-3中所示的整个DFSS过程的实现。该主过程应用200能够启动每个子过程应用202、204、206、及208。识别子过程应用202实现图1-3中所示的步骤102-104。设计子过程应用204实现图1-3中所示的步骤106-112。优化子过程应用206实现图1-3中所示的步骤114-126。确认子过程应用208实现图1-3中所示的步骤128-134。该主过程应用200和子过程应用202-208被设计为能经过通信路径212进行相互通信。该主应用200和子过程应用202-208还可以经由通信路径212访问在工具库210中的工具。该通信路径212将该系统的所有组件相互连接，而且允许用户独立地访问仅仅一个特定任务所需要的部分。在工具库210中的工具还可以通过通信路径212访问其他工具。可以理解：图4是一个示例，而且可以使用其他的配置。例如，独立应用的数目和种类是可以变化的。

该主过程应用200和子过程应用202-208能够访问和执行包含在一个工具库210中的工具。工具库210包含各种在实现该DFSS过程中有用的工具。工具库210包含通用的工程工具诸如ANSYS(有限元工具)、Minitab(通用的统计工具)、Working Model(通用的刚体动态模拟器)和Saber(电/电子工具)，以及统计工具和方法诸如质量函数展开(QFD)、故障模式和影响分析(FMEA)、试验设计(DOE)、蒙特卡罗(MC)以及许多其它工具。QFD工具帮助用户选择质量决定性(CTQ)变量。FMEA工具允许用户执行一个故障模式和影响分析以识别与一个给定设计有关的主要问题和危险。每个应用还包含一个自动试验能力，允许用户以人工方式或者自动方式输入数据。该自动方式允许容易的集成各种工程工具，还允许用户使重复过程和任务自动化。

图5说明了DOE过程。举例来说，该DOE工具能够从图3中的步骤110开始运行以筛选设计参数，或是从步骤114开始。相应地，一个个体执行应用200-208中的一个，并且访问在工具库210中的DOE工具。图5显示了DOE过程。第一步选择质量决定性(CTQ)参数。该CTQ识别为满足用户要求应该存在的产品特征。识别多个对CTQ有影响的关键控制参数(KCP)。然后选定设计并运行实验。分析这些结果，并且重复该过程直到获得一个令人满意的结果为止。DOE过程本身是一个过程，并且能够具有子过程、子步骤等。它还可以经由通信路径212访问在工具库210中的其它工具。在该工具库210中的其它工具也具有类似的特性。以一种类似的方式访问和执行在该工具库中的其它工具。

工具库210还可以包含由一个用户或一组用户开发的自定义工具，它包含质量函数展开工具、用于产生试验设计的设计生成工具、用于产生传递函数的响应曲面工具、用于优化过程的优化工具、以及用于每单元缺陷数计算的记分卡。

通过包含对由一个特定用户生成的自定义设计的访问，该DOE工具和/或过程被增强了。该工具能够为一个特定用户进行定制，例如通过包含由一个特定用户生成的自定义设计的访问(图1和2)来增强该DOE工具。该DOE工具的另外优点包含：对一个Microsoft Access数据库(包含300多个试验设计)的访问，以及为大参数量而设计。此外，该数据库提供了对特殊用途设计诸如混合等级和最优设计(例如D-optimal)的访问。

用于高级回归技术的工具也可以被包含在工具库210中。这些技术通过为混淆提供自动检测、为最大值R²(或调整的R²或其它任何类似的拟合质量的统计或测量)提供一个检索算法，来帮助用户确定传递函数。

为了允许和各种工具进行通讯，每个应用200-208都具有一个转换器，以允许它和各种外部工具(诸如ANSYS、Saber、Excel等商业应用)进行通信并执行它们。该转换器为该应用提供了一个标准通信接口，以允许该系统的其它组件以一种标准化的方式访问该特定应用的函数。此外，Java程序设计语言和平台用来实现每个应用200-208。在Java程序设计语言中使用的面向对象编程(OOP)方法允许容易的实现该DFSS过程。Java程序设计语言对于不同平台(PC、UNIX、等等)的可移植性允许该软件在不同的操作系统下运行。为了容易实现，整个过程以一种OOP数据结构的形式建模。图形用户接口(GUI)也以Java程序设计语言实现，以允许每个应用和其它工具、诸如工程工具和统计工具进行通讯。经由Java程序设计语言向OLE和DDE服务器提供与Microsoft对象链接与嵌入(OLE)和动态数据交换(DDE)的通信。例如，如同在本发明中，在一个脚本中使用了DDE以便在电子表格和动态模拟器之间交换数据。该系统具有一个开放式体系结构允许用户编写他们自己的转换器。因此，本系统能够支持其它的通信方法(除了OLE等)。

用于实现DFSS过程的每个应用200-208都具有两个主要组件。该应用的第一个组件是一个结构化设计，为过程和方法建模。该应用的第二个组件是一个非结构化的设计，它起到一个文档编制区域的作用，用于让设计者通过输入笔记、注解等为他们的过程和方法编写文档。在该文档编制区域内的信息可以存档以作日后参考。每个应用也可以包含一个顾问以帮助用户做出有根据的选择和判断。每个应用都可以包含一个数据库，用于为与该应用有关的信息编写文档。

本发明提供了DFSS过程的一个通用实现。本发明的通用特性使得它很容易应用于其它的工程和质量过程诸如系统工程、容差分析等。面向对象编程和转换器的使用允许每个应用能经过多种平台和多种工具通信。

本发明能够以用于实践那些过程的计算机实现过程和装置的形式体现出来。本发明还能够以包含指令的计算机程序代码形式体现出来，该代码被包含在有形介质，诸如软盘、CD-ROM、硬盘、或其它任何计算机可读存储介质中，其中，当该计算机程序代码被载入到一台计算机执行中并由其执行时，该计算机就变成用于实践本发明的一个装置。本发明还能够以计算机程序代码的形式体现出来，例如，该代码或者是保存在一个存储介质中、由一台计算机载入及/或执行，或者是经由某些传输介质、诸如经过电线或电缆传输、通过光纤传输、或经由电磁辐射传输，其中，当该计算机程序代码被载入到一台计算机中并由其执行时，该计算机就变成用于实践本发明的一个装置。当在一个通用的微处理器上实现时，该计算机程序代码段配置该微处理器以创建特定的逻辑电路。

虽然已经参考一个最佳实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员可以理解：在没有背离本发明范围的情况下，可以进行各种变化，而且可以为它的元件进行等效替代。此外，在不背离它的实质范围的情况下，可以进行许多修改，从而为本发明的示教采用一个特定情况或资料。因此，本发明不局限于作为用于实现这个发明的最佳方式而公开的具体实施例，但是本发明将包含属于附加权利要求书范围以内的所有实施例。