機(jī)床造型設(shè)計(jì)可制造性評(píng)價(jià)的AHP模型及其應(yīng)用

趙瑋宇，李永堂

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

摘要：機(jī)床區(qū)別于其他機(jī)械的主要特征之一是“精密”，其外觀形象同樣需具備該特征，也決定了機(jī)床造型應(yīng)該更加重視其可制造性，主要體現(xiàn)在表面質(zhì)感、體面轉(zhuǎn)折、線型細(xì)部等的加工精度方面?；诖酥攸c(diǎn)構(gòu)建了結(jié)合機(jī)床造型及其可制造性兩方面的多層次、多屬性評(píng)價(jià)模型，并采用層次分析法對(duì)Z28k冷滾壓機(jī)造型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了評(píng)價(jià)，給出了方案的評(píng)價(jià)結(jié)果，驗(yàn)證了評(píng)價(jià)指標(biāo)的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：機(jī)床；造型評(píng)價(jià)；可制造性評(píng)價(jià)；AHP

收稿日期：2015-01-04

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475316)

作者簡(jiǎn)介：趙瑋宇(1988-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榫艹尚渭靶鹿に嚨难芯浚?/p>

中圖分類號(hào)：TB472；TG502 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

在機(jī)床市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天。國際名牌機(jī)床不光品質(zhì)卓越，功能完善，其外形造型較國內(nèi)機(jī)床更為美觀時(shí)尚。因此國內(nèi)機(jī)床企業(yè)不僅要在機(jī)床的功能、結(jié)構(gòu)和工藝方面進(jìn)行研發(fā)，更要對(duì)其外觀加以改進(jìn)設(shè)計(jì)，以有效提高產(chǎn)品附加值，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。但是在外觀設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)人員對(duì)制造方面因素往往考慮不足，因而常常在加工方面出現(xiàn)問題。這就要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段初期對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，即可制造性評(píng)價(jià)?？芍圃煨栽u(píng)價(jià)的主要工作是在給定的設(shè)計(jì)信息和制造資源的條件下，確定設(shè)計(jì)方案的可制造程度。如果設(shè)計(jì)方案不可制造，找出引起問題的設(shè)計(jì)原因并修改其不合理處。

1產(chǎn)品可制造性及評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1產(chǎn)品可制造性

產(chǎn)品可制造性與設(shè)計(jì)及其制造等多領(lǐng)域的問題相關(guān)。清華大學(xué)宋玉銀等把可制造性定義為：可制造性是對(duì)給定制造資源，滿足用戶要求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)制造資源的一種優(yōu)化[1]。

廣義上說，所謂產(chǎn)品的可制造性指的是在性能標(biāo)準(zhǔn)以及資源制約下，評(píng)定產(chǎn)品制造質(zhì)量的綜合性指標(biāo)。在這種觀點(diǎn)下，有著好的可制造性的產(chǎn)品相比其他產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)擁有低成本，工藝性強(qiáng)和易裝配操作等特點(diǎn)?？芍圃煨陨婕暗囊匕ㄖ圃斐杀?、加工工藝性和裝配工藝性等。在不同領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用過程中，產(chǎn)品可制造特點(diǎn)也各不相同。

1.2評(píng)價(jià)指標(biāo)

由于方案設(shè)計(jì)過程涉及因素錯(cuò)綜復(fù)雜，在方案設(shè)計(jì)論證階段，對(duì)方案的評(píng)價(jià)十分必要。因此建立系統(tǒng)化的多目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)意義重大。

按照決策過程，將各種因素按彼此間關(guān)系進(jìn)行分解，構(gòu)建出層次化的分析模型。這樣的過程將設(shè)計(jì)目標(biāo)分解成一系列具體的分目標(biāo)——評(píng)價(jià)指標(biāo)，以便實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。評(píng)價(jià)指標(biāo)是評(píng)價(jià)問題的全面反映，應(yīng)該容易理解、描述準(zhǔn)確、體現(xiàn)公正和易于擴(kuò)展。

主要針對(duì)機(jī)床產(chǎn)品的外觀概念設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。針對(duì)機(jī)床產(chǎn)品特性，評(píng)價(jià)過程不僅要對(duì)機(jī)床外觀造型方面進(jìn)行基于工業(yè)設(shè)計(jì)知識(shí)的評(píng)估，還要結(jié)合可制造性知識(shí)判斷設(shè)計(jì)是否滿足功能要求及基于現(xiàn)有的條件下的實(shí)現(xiàn)程度等。從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)。評(píng)價(jià)體系如圖1所示。

圖1　機(jī)床外觀可制造性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(1)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：經(jīng)濟(jì)指標(biāo)環(huán)繞產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)效益評(píng)議，其中包括方案所涉及的成本和利潤等[2]。這里的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括有：材料費(fèi)用和生產(chǎn)費(fèi)用。同時(shí)還要考慮生產(chǎn)用時(shí)與產(chǎn)出的關(guān)系，即生產(chǎn)效率。

(2)技術(shù)指標(biāo)：技術(shù)評(píng)價(jià)是評(píng)判設(shè)計(jì)方案對(duì)要求和技術(shù)功能要求的滿足水平。主要評(píng)價(jià)方案總體布局是否合理，結(jié)構(gòu)是否緊湊?；诂F(xiàn)有資源進(jìn)行產(chǎn)品可加工工藝性、可加工性、結(jié)構(gòu)工藝性分析。

加工工藝性：這里針對(duì)設(shè)計(jì)方案中涉及到的特征及零件的加工方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。主要考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)形態(tài)與所選材質(zhì)固有屬性之間的匹配度問題，即設(shè)計(jì)方案中的涉及到材料以及相應(yīng)的加工方法能否在現(xiàn)實(shí)加工條件下生產(chǎn)出來，同時(shí)還包括人機(jī)尺寸與加工工藝協(xié)調(diào)性。同時(shí)還需考慮尺寸精度要求合理度。以及類似方案的加工方法能否在現(xiàn)有方案中得到繼承。工藝?yán)^承性評(píng)估將對(duì)產(chǎn)品系列化、零件標(biāo)準(zhǔn)化和工具標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

可加工性：現(xiàn)有的外觀覆蓋件加工方法多為壓力加工、鑄造加工和焊接加工?？杉庸ば栽u(píng)價(jià)指標(biāo)用以分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所涉及到的零件與特征對(duì)以上加工方法的適用度[3]。判斷方案中曲面獲取可行性和曲率可制造性。另外還需考慮加工技術(shù)以及資源的約束性。

結(jié)構(gòu)工藝性分析：評(píng)估機(jī)床功能結(jié)構(gòu)要求與設(shè)計(jì)方案中的匹配度。機(jī)床結(jié)構(gòu)與加工方法、方案中涉及的曲面造型的加工工藝性等在現(xiàn)有的條件下的實(shí)現(xiàn)程度，以及模塊化程度、功能結(jié)構(gòu)、裝配模式等。由于機(jī)床產(chǎn)品具有通用特性，因此還需要評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案中的結(jié)構(gòu)及特征能否在其他相似機(jī)床上得以延伸和繼承。

(3)外觀造型因素 外觀造型因素是外觀設(shè)計(jì)的主體。外觀造型設(shè)計(jì)需要遵循的工業(yè)設(shè)計(jì)原則與要求進(jìn)行分析。評(píng)估造型方案在形態(tài)上對(duì)美感，風(fēng)格的表達(dá)程度，以及宜人性的實(shí)現(xiàn)。評(píng)價(jià)指標(biāo)：結(jié)構(gòu)創(chuàng)新引起的美感提升、形態(tài)與風(fēng)格的創(chuàng)新、新結(jié)構(gòu)對(duì)性能的提高。

2評(píng)價(jià)方法

在整體評(píng)價(jià)過程中，各指標(biāo)所體現(xiàn)出的重要程度有所不同，也就是各項(xiàng)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重。在評(píng)價(jià)過程中表現(xiàn)為各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)。

層次分析法(AHP)是一種能反映出決策者的主觀意向，通用性良好的分析方法。因此這里將采用層次分析法來決策權(quán)重。以下對(duì)層次分析評(píng)價(jià)方法予以說明。

層次分析法的基本步驟為：

(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型

由決策的各要素對(duì)象之間的隸屬關(guān)系繪出遞階層次結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

(2)構(gòu)造各層次中所有判斷矩陣

在確定各層次中各因素對(duì)相應(yīng)的上層某因素的影響程度時(shí)，通過采用一致矩陣法來減少本層次中各因素由于性質(zhì)不同所帶來的比較困難。其過程是將同層次中的因素進(jìn)行兩兩相互比較，然后建立出相應(yīng)的判讀矩陣。對(duì)比時(shí)采用相對(duì)標(biāo)度法，判斷矩陣元素a、ij標(biāo)度方法由表1得出：

圖2　遞階層次結(jié)構(gòu)圖

表1　判斷矩陣標(biāo)度定義

(3)層次單排序并做一致性檢驗(yàn)。

所謂層次單排序是指針對(duì)上一層某元素而言，對(duì)本層次各因素進(jìn)行重要性比較[4]。

對(duì)每個(gè)成對(duì)比較矩陣計(jì)算最大特征值及其對(duì)應(yīng)的特征值λmax，然后利用公式(1):

(1)

計(jì)算出一致性指標(biāo)CI(consistencyindex)，由平均隨機(jī)一致性指標(biāo)表得一致性指標(biāo)RI，最后通過公式(2)計(jì)算出一致性比率CR.

(2)

當(dāng)CR<0.10時(shí)，認(rèn)為以上構(gòu)建出的判斷矩陣的一致性是可以接受的。

(4)計(jì)算總排序權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn)。

計(jì)算某個(gè)層次中的全部因素對(duì)最高層總排序的相對(duì)重要性的權(quán)值，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算各要素對(duì)系統(tǒng)總目標(biāo)的合成權(quán)重，最后對(duì)方案層各方案做出決策。

3實(shí)例

以Z28k數(shù)控冷滾壓機(jī)造型概念設(shè)計(jì)為實(shí)例，由相關(guān)人士對(duì)其造型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)定，通過層次分析軟件進(jìn)行分析。

在概念設(shè)計(jì)過程中，客戶需求并不是一個(gè)單一具體概念。而是由多種不同形式的模糊性需求所組成的集合。當(dāng)模糊性需求映射到產(chǎn)品功能原理設(shè)計(jì)域時(shí)，其目標(biāo)又是一個(gè)由多個(gè)解組成的復(fù)雜集合。同時(shí)，功能原理設(shè)計(jì)域和設(shè)計(jì)方案域之間也是通過這種映射方式相聯(lián)系的[3]。因此，設(shè)計(jì)需求集產(chǎn)生不同的產(chǎn)品功能原理組合集，進(jìn)而產(chǎn)生不同的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方案集，使得設(shè)計(jì)方案多樣化。在此，筆者列舉三種不同的外觀設(shè)計(jì)方案加以分析。

三種方案不僅在造型因素方面有所區(qū)別，在可制造性方面同樣存在差異。如圖3所示，方案1選用金屬材質(zhì)，形態(tài)設(shè)計(jì)上運(yùn)用了斜面和圓角元素。在經(jīng)濟(jì)性方面要評(píng)估此方案選用的金屬材料費(fèi)用、加工費(fèi)用及生產(chǎn)效率。在技術(shù)指標(biāo)方面需要評(píng)價(jià)方案中運(yùn)用到的斜面和圓角特征元素是在現(xiàn)有條件下的可加工性、對(duì)主流加工方式的適應(yīng)程度。另外，還需要判斷設(shè)計(jì)中的帶有相應(yīng)特征的零件在是否滿足機(jī)床的特點(diǎn)，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能否在相近的機(jī)床外觀設(shè)計(jì)中得以延續(xù)使用。方案2和方案3同樣需要進(jìn)行以上分析和比較。由此繪制層次結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。

繪制出層次結(jié)構(gòu)模型之后，由相對(duì)標(biāo)度法對(duì)各層次中的各個(gè)因素分別兩兩比較，確定判斷矩陣。判斷矩陣構(gòu)建過程如圖4所示。

構(gòu)建出判斷矩陣后，其一致性在合理范圍內(nèi)。最后由層次分析原則可確定出權(quán)重分布圖(圖5)，得出分析結(jié)果(圖6)。

4結(jié)論

結(jié)合產(chǎn)品可制造性知識(shí)建立出機(jī)床外觀的可制造性評(píng)價(jià)指標(biāo)，使外觀造型設(shè)計(jì)與加工制造相互聯(lián)系，形成具有內(nèi)在結(jié)構(gòu)的有機(jī)整體。結(jié)合層次分析法，以Z28k數(shù)控冷滾壓機(jī)造型設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)實(shí)例驗(yàn)證了評(píng)價(jià)指標(biāo)的可行性和有效性。本文所提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)踐操作性較強(qiáng)，符合概念設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)的特點(diǎn)，并行之有效。具有很好的應(yīng)用前景。

圖3　層次結(jié)構(gòu)模型

圖4　判斷矩陣

圖5　權(quán)重分布

圖6　總分析結(jié)果

參考文獻(xiàn)：

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[3]劉國昌，茍秉宸.產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)可制造性評(píng)價(jià)方法研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2013，49(5)：55-58.

[4]李政鵬.大體積混凝土溫控防裂相關(guān)問題研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2012.

AHP Model of Manufacturability Evaluation of Machine Design

and Its Application

ZHAO Wei-yu，LI Yong-tang

(School of Material Science and Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，

Taiyuan 030024，China)

Abstract：Precision is one of the principal features which distinguish machine tools from other machinery.The appearance of machine tools not only has the same characteristics，but also should be paid more attention to its manufacturability.It mainly reflected in the surface texture，decent twist and linear details，which belong to the machining accuracy aspect.Combining the machine tool modelling and manufacturability，the multi-level and multi-attribute evaluation model was built based on above analysis，and was used to evaluate the designing schemes of Z28k cold rolling machine moulding though analytic hierarchy process(AHP)，and the evaluation results are also given.It is proved that the evaluation index system proposed in this study is effective and feasible through example analysis.

Key words：machine tools，model evaluation，manufacturability evaluation，AHP