徐雪萌，王志山，李 碩

（1. 河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450007；2. 河南城建學(xué)院 測繪與城市空間信息學(xué)院，河南 平頂山 467036）

0 引言

畢業(yè)設(shè)計是本科教學(xué)計劃中最重要的工程實踐能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)，是人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要體現(xiàn)，對畢業(yè)要求達(dá)成形成強(qiáng)有力的支撐[1-3]。方案設(shè)計及論證選擇是機(jī)械類畢業(yè)設(shè)計課題實施過程中的關(guān)鍵步驟，是學(xué)生開展畢業(yè)設(shè)計工作的“指揮棒”，為后續(xù)的圖紙繪制、設(shè)計說明書撰寫奠定基礎(chǔ)，集中體現(xiàn)了學(xué)生創(chuàng)新型思維。通過設(shè)計方案、比較及選擇方案，達(dá)到培養(yǎng)解決復(fù)雜工程技術(shù)問題的能力。

多年畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)工作中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對自己提出的多個設(shè)計方案選擇缺乏工程設(shè)計意識，方案優(yōu)選時論證不全面、重點不突出、理由不充分，沒有明確的論證方法與模式，選擇方案隨意性較大，這與工程設(shè)計嚴(yán)謹(jǐn)性不符，與實際生產(chǎn)中對設(shè)計方案的評價方法與模式脫節(jié)。為提高學(xué)生畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量，培養(yǎng)其形成良好工程設(shè)計素養(yǎng)，有必要引導(dǎo)學(xué)生對設(shè)計方案進(jìn)行科學(xué)、合理的論證與評價。

本文基于AHP 法，建立了機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計方案評價模型，該模型以工作性能、經(jīng)濟(jì)性能、可靠性能為評價的3 個準(zhǔn)則層，每個準(zhǔn)則層下設(shè)計3 個子準(zhǔn)則層，科學(xué)、全面評價機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計方案。該模型開發(fā)通過Visual Studio 2012 MFC 編程，采用基于對話框、流文件讀寫技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫及功能模塊設(shè)計。

1 機(jī)械類畢業(yè)設(shè)計課題特點

1.1 真題真做

機(jī)械類畢業(yè)設(shè)計課題，小到裝置設(shè)計，大到整機(jī)設(shè)計，絕大多數(shù)涉及機(jī)構(gòu)的設(shè)計，體現(xiàn)機(jī)械學(xué)科特點。近年來，在“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等大背景下，中國制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展迎來一個新時代，新工科建設(shè)為機(jī)械類專業(yè)的人才培養(yǎng)提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，企業(yè)和高校的合作更加緊密。對河南工業(yè)大學(xué)近3 年畢業(yè)設(shè)計題目調(diào)研，70%的畢業(yè)設(shè)計課題與教師的科研一致，有的甚至是企業(yè)急需解決的問題，學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計培養(yǎng)環(huán)節(jié)做到真題真做，教師也是按照實際工程項目的實操進(jìn)行指導(dǎo)，因此要求設(shè)計各環(huán)節(jié)內(nèi)容正確、方法科學(xué)、過程嚴(yán)謹(jǐn)。

1.2 設(shè)計方案的多樣性

機(jī)械設(shè)計中設(shè)計方案的多樣性表現(xiàn)在2 個方面：①某種功能的機(jī)構(gòu)設(shè)計可以有多種方案，如采用機(jī)械或氣動、液壓等不同的方式實現(xiàn)，機(jī)械又可以用不同機(jī)構(gòu)實現(xiàn)同一功能。②現(xiàn)代機(jī)械呈現(xiàn)大型化、高速化以獲得規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，具有機(jī)構(gòu)多、自動化程度高的特征。若多種機(jī)構(gòu)集成在同一臺機(jī)器上，出現(xiàn)機(jī)構(gòu)方案組合問題，如2 個執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，每個執(zhí)行機(jī)構(gòu)有2種設(shè)計方案，經(jīng)組合后便產(chǎn)生4 種設(shè)計方案，多方案性在整機(jī)和生產(chǎn)線設(shè)計方案中尤為突出。

1.3 方案評價標(biāo)準(zhǔn)多樣性

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計方案評價指標(biāo)較多，站在不同的角度使用不同的指標(biāo)來評價。方案設(shè)計者會從生產(chǎn)效率、技術(shù)適應(yīng)性、自動化程度等方面評價；制造者會從加工成本、維修成本等方面評價；終端用戶經(jīng)常用設(shè)備穩(wěn)定性、可操作性、運行成本等指標(biāo)來評價。

2 基于AHP 法評價分析與過程

AHP 法是定性與定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法，可以把復(fù)雜的問題分解成組成要素并形成層次結(jié)構(gòu)，經(jīng)兩兩比較判斷確定要素的重要性，最終形成層次結(jié)構(gòu)判斷矩陣，以各層組合權(quán)重值形成最終判斷[4-6]。

2.1 評價模型建立

為方便學(xué)生對設(shè)計方案自我評價，選擇出最優(yōu)的畢業(yè)設(shè)計課題技術(shù)方案，筆者結(jié)合機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計的共性，在對機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)深入調(diào)研的基礎(chǔ)上，利用AHP法建立機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計方案的評價層次結(jié)構(gòu)模型[7-9]。從設(shè)備的工作性能X1、經(jīng)濟(jì)性能X2、可靠性能X3等 3個方面建立設(shè)計方案評價體系。技術(shù)適用性Y1、生產(chǎn)能力Y2、自動化程度Y3是對工作性X1的細(xì)分；加工成本Y4、運行成本Y5、維修成本Y6是對經(jīng)濟(jì)性X2的細(xì)分；穩(wěn)定性Y7、安全性Y8、可操作性Y9是對可靠性X3的細(xì)分。建立3 個準(zhǔn)則層、9 個子準(zhǔn)則層評價目標(biāo)模型，如圖1 所示。

圖1 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計方案評價模型

2.2 建立判斷矩陣

根據(jù)層分析法理論，在建立評價層次模型的基礎(chǔ)上，用1~9 標(biāo)度法，建立準(zhǔn)則層和子準(zhǔn)則層判斷矩陣，并計算權(quán)重。為避免學(xué)生判斷的隨意性及片面性，判斷矩陣中各評價指標(biāo)的標(biāo)度采納校內(nèi)專家和生產(chǎn)一線工程師的建議，得到準(zhǔn)則層及子準(zhǔn)則層的判斷矩陣和權(quán)重系數(shù)ω，見表1—2。

表1 準(zhǔn)則層判斷矩陣

表2 子準(zhǔn)則層判斷矩陣

2.3 方案的相對評價

學(xué)生對自己設(shè)計的n方案9 個子準(zhǔn)則層指標(biāo)進(jìn)行自評和互評[10-11]，用打分的方式進(jìn)行，分?jǐn)?shù)取值從0~1，如表3 所示。ai j（i取值1~3，j取值1~n）是對子準(zhǔn)則層Y1、Y2、Y3評判，如a1n為第n個方案的技術(shù)適應(yīng)性得分，a2n為第n個方案生產(chǎn)能力得分，a3n為第n個方案自動化程度得分。同理，bi j、ci j分別對子準(zhǔn)則層Y4、Y5、Y6及Y7、Y8、Y9的評分。打分操作簡單易行，學(xué)生也可以通過此步操作了解機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計時要考慮的因素，潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)。

表3 設(shè)計方案的評分表

2.4 運算評價

根據(jù)方案評價矩陣和子準(zhǔn)則層的權(quán)重系數(shù)，可以得到各個方案相對于3 個一級準(zhǔn)則的評價結(jié)果矩陣，如：工作性能X1、濟(jì)性能X2、可靠性能X3的評價結(jié)果矩陣如下：

將X1、X2、X3進(jìn)行歸一化處理得綜上所述，可以得到n種方案的最終的評價矩陣F=然后將F進(jìn)行歸一化處理，得出n種方案的綜合權(quán)重為依據(jù)層次分析法理論，綜合權(quán)重值最大者為最優(yōu)方案。

3 系統(tǒng)開發(fā)

3.1 功能模塊設(shè)計

為簡化設(shè)計、方便使用，設(shè)計方案評價系統(tǒng)功能模塊主要包括用戶信息管理、評價指標(biāo)管理、評價矩陣運算、評價結(jié)果管理等4 大模塊組成[13-14]，如圖 2所示，各模塊的功能下。

圖2 評價系統(tǒng)功能模塊設(shè)置

（1）用戶信息輸入管理模塊：主要完成系統(tǒng)用戶的信息管理、身份分類、權(quán)限控制與登錄驗證等。學(xué)生登錄時，輸入自己身份信息和畢業(yè)設(shè)計課題名稱信息，在方案數(shù)下拉菜單中，選擇本次評價的方案數(shù)。

（2）評價指標(biāo)管理模塊：用于維護(hù)評價指標(biāo)體系9 個二級指標(biāo)分類輸入。學(xué)生畢業(yè)設(shè)計方案數(shù)一般不超過 5 個，因此評價區(qū)方案數(shù)設(shè)置為 1~5，常用為2~4。

（3）綜合評價運算模塊：此模塊要完成2 輪矩陣運算，首先以各方案二級評價指標(biāo)體系為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，與對應(yīng)二級指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行矩陣運算，得到各方案一級指標(biāo)歸一化值。然后綜合一級指標(biāo)權(quán)重再次進(jìn)行矩陣運算，以判斷矩陣法為計算核心，計算各方案綜合權(quán)重。最后進(jìn)行方案優(yōu)劣排序。

（4）評價后信息處理模塊：將上述3 個模塊信息保存，生成評價表，以供教師或他人評閱。

3.2 評價系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)層分析法理論，在建立評價層次的基礎(chǔ)上能對設(shè)計方案進(jìn)行評價，為了能將本文提出的評價辦法應(yīng)用到實際教學(xué)工作中，需要開發(fā)適當(dāng)?shù)能浖到y(tǒng)來實施該體系。以Microsoft Visual Studio 2012 為開發(fā)環(huán)境，以Visual C++2012 為開發(fā)語言[15]，利用對話框技術(shù)、流數(shù)據(jù)讀取存儲技術(shù)開發(fā)了基于本文理論體系、針對機(jī)械類專業(yè)畢業(yè)生方案評價過程的軟件系統(tǒng)。

3.2.1 設(shè)置、顯示對話框

在Windows 環(huán)境中，對話框和控件是用戶和系統(tǒng)通信的基本工具。對話框是一個窗口，每個控件也是某種專用的窗口。在本評價系統(tǒng)開發(fā)中，在 Visual Studio 2012 環(huán)境中，選用MFC 程序，創(chuàng)建基于對話框的程序。編程中采用了模態(tài)對話框，在同一對話框窗口中實現(xiàn)學(xué)生信息、設(shè)計方案評價信息、評價及保存信息等功能。共設(shè)計了28 個靜態(tài)控件，提供標(biāo)題或說明性信息；設(shè)計了60 個編輯控件，用于輸入、輸出相關(guān)信息；設(shè)計了3 個按鈕控件，用以實現(xiàn)評價計算、保存和退出。對需要輸入信息的編輯框，根據(jù)輸入內(nèi)容，選擇Add Member Variables，選擇變量類型為Value類，具體變量類型選為數(shù)值型和CString 字符串類型。創(chuàng)建了對話框、添加了控件，按下Ctrl+T 組合鍵測試對話框。

3.2.2 處理對話框中控件

利用類向?qū)lass Wizard 建立對話框類對象。選擇學(xué)年、專業(yè)、姓名、畢業(yè)設(shè)計課題等編輯控件對應(yīng)CString 字符串類型。按照一名學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計方案數(shù)不超過5 個，每個方案9 項評價要素，設(shè)立45 個編輯控件用以輸入評價要素。分別為這45 個編輯控件設(shè)定float 型數(shù)據(jù)。

在使用軟件時，學(xué)生根據(jù)自己的方案數(shù)目，將評價要素依次填入對應(yīng)編輯控件，檢查之后即可點擊“計算各個方案評價”按鈕進(jìn)行評價。在程序內(nèi)部，要為該按鈕添加處理函數(shù)OnClickedButton1()，以便進(jìn)行計算。計算后利用 UpdateData(FALSE)，根據(jù)各變量的值更新相應(yīng)的控件，將各方案計算結(jié)果顯示在對應(yīng)編輯控件中。將每個學(xué)生的方案評價進(jìn)行排序，并將排序情況顯示在排序框中，用戶可以看到方案得分及排序情況，以便進(jìn)行選擇和決策。

為記錄學(xué)生畢業(yè)設(shè)計的方案及評價情況，本軟件采用C++流數(shù)據(jù)技術(shù)，將學(xué)生信息、方案評價信息存儲為TXT 格式磁盤文件[16]。首先定義對象：ofstream OutPutRecord；打開文件 OutPutRecord.open(_T("Ping JiaBiao.txt"),ios::out| ios::app)；其中 PingJiaBiao.txt 為得到的文本文件，ios::out 以輸出方式打開文件，如果已有此名字的文件，則將其原內(nèi)容全部清除；ios::app以輸出方式打開文件，寫入的數(shù)據(jù)始終添加在文件末尾，這樣只要使用了同一個軟件包 PingJiaBiao.txt 學(xué)生的信息都能被收集記錄在所述文本文件中。

為使輸出的評價表整齊美觀，利用字符串類CString 類對象的相應(yīng)運算符 GetLength()來計算姓名和畢業(yè)設(shè)計課題名稱的長度[17]。姓名和畢業(yè)設(shè)計課題名稱是 CString 型的數(shù)據(jù)，首先將姓名的輸出寬度控制在4 個漢字寬度，畢業(yè)設(shè)計課題名稱控制在22 個漢字寬度，從而控制每一行的輸出長度和位置。具體語句格式為：CString strBlank=“ ”，包含兩個空格，根據(jù)姓名和課題的字符串長度，計算出需要輸出 strBlank的數(shù)量，使用循環(huán)語句控制輸出不同數(shù)目的“OutPutRecord<

圖3 畢業(yè)設(shè)計方案評價表輸出格式

3.3 應(yīng)用

某同學(xué)畢業(yè)設(shè)計課題為給袋式包裝機(jī)執(zhí)行裝置設(shè)計，主要設(shè)計包裝機(jī)取袋、供袋裝置，實現(xiàn)將袋庫中的包裝袋取出并供送至充填工位功能。為此分別設(shè)計了2 種取袋裝置和2 種供袋裝置，如圖4—7 所示，關(guān)于裝置工作原理不在此贅述。經(jīng)組合得到4 種設(shè)計方案，如表 4 所示，使用該系統(tǒng)完成 4 種方案評優(yōu)選擇。

表4 設(shè)計方案表

圖4 氣缸取袋

圖5 鏈傳動取袋

圖6 連桿供袋

圖7 凸輪供袋

錄入相關(guān)用戶信息、評價信息并計算，得到的評價結(jié)果如圖 8 所示，可看出 4 種方案中 2 為最優(yōu)方案。評價結(jié)果生成txt 文件，如圖 9 所示，供保存、提交。方案2 得到企業(yè)認(rèn)可，并開發(fā)了相關(guān)設(shè)備市場推廣使用。

圖8 方案評價信息及結(jié)果

圖9 畢業(yè)設(shè)計課題方案評價統(tǒng)計表

4 結(jié)語

以層次分析法為核心，設(shè)計開發(fā)了機(jī)械類畢業(yè)設(shè)計課題方案論證評價系統(tǒng)。在構(gòu)建評價模型的基礎(chǔ)上，運用VC++ MFC 對話框技術(shù)、流數(shù)據(jù)技術(shù)，形成可以實際使用的評價軟件，實現(xiàn)定量評價、簡表記錄，以便大學(xué)生通過此系統(tǒng)對自己設(shè)計的方案進(jìn)行科學(xué)評價并選優(yōu)。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，操作方便，取得較好效果。本系統(tǒng)也可為實際生產(chǎn)方案的評價提供參考。