吳蕓++李占超
摘 要:夾具的概念設(shè)計是夾具設(shè)計過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),引入模糊層次分析法對夾具概念設(shè)計的可行性方案進(jìn)行優(yōu)化處理,以經(jīng)濟(jì)效益、生產(chǎn)率和精度作為夾具概念設(shè)計優(yōu)化評判的指標(biāo)。實例分析表明,模糊層次分析法能夠確定夾具概念設(shè)計的綜合最優(yōu)方案,并提高了夾具概念設(shè)計優(yōu)化中定性與定量分析的準(zhǔn)確性和合理性。
關(guān)鍵詞:夾具 概念設(shè)計 模糊層次分析法 優(yōu)化
中圖分類號:TG751 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2014)10(a)-0063-02
Pahl和Beitz把機(jī)械設(shè)計分為明確任務(wù)、概念設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和施工設(shè)計等四個階段[1]。夾具的概念設(shè)計是實現(xiàn)夾具設(shè)計自動化和柔性化中最為關(guān)鍵的技術(shù)[2],是從更高層次上、從更廣范圍內(nèi)對夾具進(jìn)行規(guī)劃,有利于得出最優(yōu)的設(shè)計方案,產(chǎn)生更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。然而,當(dāng)前夾具自動設(shè)計系統(tǒng)的研究開發(fā)工作主要集中在夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計層面上,對夾具概念設(shè)計的研究還相對較少[3-6],特別是對夾具概念設(shè)計優(yōu)化的研究還有待深入。因此,該文探討采用模糊層次分析的方法對夾具概念設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化處理,在滿足各種技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的可能存在的各種方案中,尋找并最終確定夾具概念設(shè)計的綜合最優(yōu)方案。
1 模糊層次分析法的基本原理
層次分析法是一種將定性分析和定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法[7],該方法的基本步驟可歸納為三步:(1)構(gòu)建層次分析結(jié)構(gòu)模型;(2)構(gòu)造判斷矩陣;(3)計算權(quán)重并做一致性檢驗。其中,構(gòu)建判斷矩陣是層次分析法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而分析發(fā)現(xiàn),層次分析法中的判斷矩陣存在以下難點[8]:(1)判斷矩陣的一致性檢驗非常復(fù)雜且困難;(2)當(dāng)判斷矩陣不具有一致性時,需要調(diào)整判斷矩陣中的元素,使其具有一致性;(3)判斷矩陣一致性的檢驗標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為,缺乏科學(xué)有效的證明。
而模糊層次分析法是采用模糊一致關(guān)系來實現(xiàn)模糊推導(dǎo),使用模糊一致矩陣實現(xiàn)動態(tài)自適應(yīng),模糊層次分析法提高了定性與定量分析的準(zhǔn)確性和合理性,解決了解的收斂速度及精度問題。模糊層次分析法的基本思想和步驟同層次分析法基本一致,主要區(qū)別在于[9]:(1)建立的判斷矩陣不同;(2)求判斷矩陣中各元素的相對重要性的權(quán)重的方法不同。
在建立模糊一致判斷矩陣時,設(shè)存在指標(biāo)因素集,若矩陣滿足≤≤1、以及,其中,則稱為模糊互補(bǔ)判斷矩陣。其中,表示指標(biāo)因素比重要的隸屬度,越大,表示比越重要。若模糊互補(bǔ)判斷矩陣,對于,存在,則模糊互補(bǔ)判斷矩陣為模糊一致判斷矩陣。同時,若,則為模糊一致判斷矩陣,其中為模糊互補(bǔ)判斷矩陣的權(quán)重向量。為了使任意兩個方案關(guān)于某準(zhǔn)則的相對重要程度得到定量描述,可采用0.1~0.9標(biāo)度法給予數(shù)量標(biāo)度。
在建立了模糊一致判斷矩陣后,由模糊一致判斷矩陣求元素的權(quán)重時,若是模糊一致判斷矩陣,則指標(biāo)因子的權(quán)重為:
(1)
當(dāng)取時將顯著地體現(xiàn)指標(biāo)因子之間的重要程度。
若是模糊互補(bǔ)判斷矩陣,是的權(quán)重向量,則滿足:
(2)
同時,假設(shè)由專家給出模糊互補(bǔ)判斷矩陣,則合成的矩陣求得的權(quán)重向量為,滿足:
(3)
2 夾具概念設(shè)計優(yōu)化的基本思路
基于模糊層次分析法的主要思想,該文建立夾具概念設(shè)計優(yōu)化綜合評價模型,其具體步驟為:
首先,確定夾具概念設(shè)計優(yōu)化綜合評價模型的評價指標(biāo)集。該文結(jié)合夾具概念設(shè)計優(yōu)化的特點,本著科學(xué)性、動態(tài)性、層次性和實用性的原則,構(gòu)造了夾具概念設(shè)計優(yōu)化的遞階層次模型,所確立的三個指標(biāo)分別是經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)、生產(chǎn)率指標(biāo)和精度指標(biāo),通過具體的原則或因素來控制。本文所構(gòu)造的夾具概念設(shè)計優(yōu)化的遞階層次模型如圖1所示。
其次,需要確定評價指標(biāo)的權(quán)重集,通過建立因素和因素類兩個方面的權(quán)重集,分別計算每一類中各個因素的權(quán)重以及各類因素的權(quán)重。
最后,確定夾具概念設(shè)計優(yōu)化的備擇集。備擇集是各種可能的評價結(jié)果的集合,在模糊層次分析法中,備擇集只有一個,與因素的分類無關(guān)。本文中夾具概念設(shè)計優(yōu)化評價的備擇集可采用“優(yōu)秀、良好、中等、合格、不合格”的五級評語。
3 實例分析
本實例對由多色集合理論[10]進(jìn)行夾具的概念設(shè)計所得到的可行性方案進(jìn)行優(yōu)化,可行性方案共有六種,每個方案由不同的零件組成,這六種方案分別為:其中,B1-盤,B2-支架A,B3-支架B,B4-套,B5-壓板A,B6-壓板B,B7-銷,B8-V型鐵,B9-平衡鐵A,B10-平衡鐵B,B11-罩,B12-網(wǎng)。方案和方案的示意圖見圖2和圖3。下面對這些可行性方案進(jìn)行優(yōu)化分析。
首先,根據(jù)專家問卷調(diào)查,獲取多組優(yōu)化指標(biāo)(經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)、生產(chǎn)率指標(biāo)、質(zhì)量指標(biāo))的模糊互補(bǔ)判斷矩陣,例如某一專家對三種優(yōu)化指標(biāo)的模糊互補(bǔ)判斷矩陣為:
根據(jù)所有的模糊互補(bǔ)判斷矩陣,得到的合成矩陣為:
由式(2)和式(3),求得經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)、生產(chǎn)率指標(biāo)和質(zhì)量指標(biāo)的權(quán)重為:
選取備擇集{優(yōu)秀,良好,中等,合格,不合格},分別根據(jù)方案1~方案6的具體情況和相關(guān)資料,結(jié)合各項指標(biāo),通過專家打分進(jìn)行評判。例如對于方案1,在經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)、生產(chǎn)率指標(biāo)和質(zhì)量指標(biāo)各評價因素下,專家給出的初級評價矩陣為:
由此,可得到方案1的評價集為:
該評價結(jié)果表明,對于方案1,評價為“優(yōu)秀”等級的占28.41%,評價為“良好”等級的占38.41%,評價為“中等”等級的占26.59%,評價為“合格”等級的占6.59%,沒有專家認(rèn)為該方案“不合格”。根據(jù)最大隸屬度原則,可以認(rèn)定專家對該方案的評價等級為“良好”。
與此類似,可以得到其它五種方案的模糊層次分析法的評價結(jié)果見表1。根據(jù)對各個方案的評價等級以及各個等級的隸屬度,這六種方案的相對優(yōu)良排序為:。endprint
4 結(jié)語
夾具的概念設(shè)計是夾具設(shè)計過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),該文探討采用模糊層次分析的方法對夾具概念設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化處理,選取經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)、生產(chǎn)率指標(biāo)和精度指標(biāo)作為夾具概念設(shè)計優(yōu)化評判的指標(biāo),尋找并最終確定夾具概念設(shè)計的綜合最優(yōu)方案,模糊層次分析法的選用,提高了夾具概念設(shè)計優(yōu)化中定性與定量分析的準(zhǔn)確性和合理性。
參考文獻(xiàn)
[1] Pahl G,et al.Engineering Design[M].London:The Design Council,1984.
[2] Yon-Chun Chou,R.A.Srinivas, Sujit Saraf.Automatic Design of Machining Fixture Conceptual Design[J].Manufacturing Technology,1994,9:3-12.
[3] Li Zhongbin,Xu Lida. Polychromatic Sets and Its Application in Simulating Complex Objects and Systems [J].The International Journal of Computers and Operations Research,2003,30(6):851-860.
[4] 陳薇,沈曉紅.夾具概念設(shè)計中的幾何分析[J].機(jī)械工程師,2002(2):31-33.
[5] 楊志宏,黃克正.夾具原始概念模型的創(chuàng)建方法研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2003,22(6):1043-1045.
[6] 狄運祥,劉璇.夾具概念設(shè)計的研究[J].機(jī)械工程師,2002(1):55-58.
[7] 許樹伯.層次分析法原理[M].天津:天津出版社,1988.
[8] 陶余玲.如何構(gòu)造模糊層次分析法中的模糊一致判斷矩陣[J].四川師范學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2003(3).
[9] 王恒.基于模糊層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)分析法的高校教師評價研究[D].山東大學(xué),2011.
[10] 姜莉莉,習(xí)小英,李敏,等.基于多色集合理論的夾具概念設(shè)計研究[J].中國機(jī)械工程,2006,17(8):832-836.endprint
4 結(jié)語
夾具的概念設(shè)計是夾具設(shè)計過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),該文探討采用模糊層次分析的方法對夾具概念設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化處理,選取經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)、生產(chǎn)率指標(biāo)和精度指標(biāo)作為夾具概念設(shè)計優(yōu)化評判的指標(biāo),尋找并最終確定夾具概念設(shè)計的綜合最優(yōu)方案,模糊層次分析法的選用,提高了夾具概念設(shè)計優(yōu)化中定性與定量分析的準(zhǔn)確性和合理性。
參考文獻(xiàn)
[1] Pahl G,et al.Engineering Design[M].London:The Design Council,1984.
[2] Yon-Chun Chou,R.A.Srinivas, Sujit Saraf.Automatic Design of Machining Fixture Conceptual Design[J].Manufacturing Technology,1994,9:3-12.
[3] Li Zhongbin,Xu Lida. Polychromatic Sets and Its Application in Simulating Complex Objects and Systems [J].The International Journal of Computers and Operations Research,2003,30(6):851-860.
[4] 陳薇,沈曉紅.夾具概念設(shè)計中的幾何分析[J].機(jī)械工程師,2002(2):31-33.
[5] 楊志宏,黃克正.夾具原始概念模型的創(chuàng)建方法研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2003,22(6):1043-1045.
[6] 狄運祥,劉璇.夾具概念設(shè)計的研究[J].機(jī)械工程師,2002(1):55-58.
[7] 許樹伯.層次分析法原理[M].天津:天津出版社,1988.
[8] 陶余玲.如何構(gòu)造模糊層次分析法中的模糊一致判斷矩陣[J].四川師范學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2003(3).
[9] 王恒.基于模糊層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)分析法的高校教師評價研究[D].山東大學(xué),2011.
[10] 姜莉莉,習(xí)小英,李敏,等.基于多色集合理論的夾具概念設(shè)計研究[J].中國機(jī)械工程,2006,17(8):832-836.endprint
4 結(jié)語
夾具的概念設(shè)計是夾具設(shè)計過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),該文探討采用模糊層次分析的方法對夾具概念設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化處理,選取經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)、生產(chǎn)率指標(biāo)和精度指標(biāo)作為夾具概念設(shè)計優(yōu)化評判的指標(biāo),尋找并最終確定夾具概念設(shè)計的綜合最優(yōu)方案,模糊層次分析法的選用,提高了夾具概念設(shè)計優(yōu)化中定性與定量分析的準(zhǔn)確性和合理性。
參考文獻(xiàn)
[1] Pahl G,et al.Engineering Design[M].London:The Design Council,1984.
[2] Yon-Chun Chou,R.A.Srinivas, Sujit Saraf.Automatic Design of Machining Fixture Conceptual Design[J].Manufacturing Technology,1994,9:3-12.
[3] Li Zhongbin,Xu Lida. Polychromatic Sets and Its Application in Simulating Complex Objects and Systems [J].The International Journal of Computers and Operations Research,2003,30(6):851-860.
[4] 陳薇,沈曉紅.夾具概念設(shè)計中的幾何分析[J].機(jī)械工程師,2002(2):31-33.
[5] 楊志宏,黃克正.夾具原始概念模型的創(chuàng)建方法研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2003,22(6):1043-1045.
[6] 狄運祥,劉璇.夾具概念設(shè)計的研究[J].機(jī)械工程師,2002(1):55-58.
[7] 許樹伯.層次分析法原理[M].天津:天津出版社,1988.
[8] 陶余玲.如何構(gòu)造模糊層次分析法中的模糊一致判斷矩陣[J].四川師范學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2003(3).
[9] 王恒.基于模糊層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)分析法的高校教師評價研究[D].山東大學(xué),2011.
[10] 姜莉莉,習(xí)小英,李敏,等.基于多色集合理論的夾具概念設(shè)計研究[J].中國機(jī)械工程,2006,17(8):832-836.endprint