邢冠梅

（蘭州理工大學技術(shù)工程學院，甘肅蘭州 730300）

0 引言

隨著智能制造2025 的持續(xù)推進，我國制造業(yè)得到快速發(fā)展。結(jié)合實際情況，我國大部分制造業(yè)均存在著服役年齡超過10 年的傳統(tǒng)金屬切削機床。這些金屬切削機床已經(jīng)超過了機床的使用保質(zhì)期，需要進行報廢處理。這就出現(xiàn)了處理難題，金屬切削機床再制造作為有效解決這個難題的方法，已經(jīng)逐步成為目前行業(yè)關(guān)注的重點內(nèi)容。為能夠有效解決機床回收處理問題，在設計階段就要充分考慮金屬切削機床再制造相關(guān)內(nèi)容，進而提出相應的綜合決策設計方案，確保金屬切削機床報廢再制造的實際效果。

1 面向再制造的金屬切削機床設計方案評價過程

1.1 模糊程度分析法與模糊分層TOPSIS 法

金屬切削機床設計方案評價模型中的評價方法主要由模糊程度分析法和模糊分層TOPSIS 法組成。在實際評價過程中，需要結(jié)合金屬切削機床再制造制造流程，合理確定指標體系評價內(nèi)容。即在評價前，需要分析研究金屬切削機床在不同階段中實際權(quán)重要求，進而確定金屬切削機床在不同階段的評價指標。然后以模糊程度分析法來分別判斷分析金屬切削機床在不同階段評價的相對權(quán)重。在實際研究過程中，模糊程度分析法的主要分析來源是層次分析法。通常是通過估算分析的方式來判斷金屬切削機床不同階段評價的相對權(quán)重，進而解決權(quán)重分析中多目標的問題。

目前，模糊分層TOPSIS 法多用于對設計方案的品種和評價分析。通過模糊分層TOPSIS 法可促使所有設計方案中，具有積極性意義的設計方案可以實現(xiàn)利益標準最大化，成本標準最小化的效果；反之，對于具有負面意義的設計方案，其將會出現(xiàn)利益標準最小化，成本標準最大化的情況，如此便可以分析判斷出積極方案。但是結(jié)合實際情況來看，TOPSIS 法無法有效處理專家建議在整個評價體系中產(chǎn)生的不確定性和不準確性問題。為能夠避免出現(xiàn)此問題，眾多專家學者提出了模糊分層TOPSIS 法。促使在進行設計方案最優(yōu)選擇過程層可以將評價指標進行分層處理，解決TOPSIS 法無法有效處理專家建議在整個評價體系中產(chǎn)生的不確定性和不準確性問題，同時能夠使研究結(jié)果更容易實施。

1.2 金屬切削機床評價指標構(gòu)建

面向再制造的金屬切削機床設計方案，不僅要有效保障金屬切削機床在實際制造和使用過程中的經(jīng)濟效益和實際功能基礎，還需要在全生命周期過程中充分考慮金屬切削機床報廢后的再制造相關(guān)內(nèi)容。結(jié)合上述要求，需要在金屬切削機床設計過程中引入機床報廢后再制造設計中的相關(guān)指標內(nèi)容，進而合理構(gòu)建出金屬切削機床全生命周期設計方案評價指標體系。然后使用科學有效的綜合評價方法，更為精確有效的綜合評價分析設計方案。由于金屬切削機床設計方案建模評價中會涉及到多目標、多層次的綜合系統(tǒng)性評價內(nèi)容，因此在進行綜合評價體系構(gòu)建時，還需構(gòu)建具有多層次、有代表性的綜合指標體系。

針對上述指標選取要求，在進行評價分析前，研究者將會充分征詢行業(yè)專家學者以及相關(guān)設計人員、工作人員的實際建議。完成相應的評價指標的確定和甄選，確保所選擇的評價指標最具代表性和層次性。另外，由于研究甄選出的評價指標均來自于行業(yè)內(nèi)專家學者以及相關(guān)設計人員和工作人員。因此，這些評價指標也具有良好的代表性和權(quán)威性，可以有效避免研究中出現(xiàn)主觀性評價問題，確保評價結(jié)構(gòu)的客觀性和有效性[1]。具體評價指標體系見表1。

1.3 金屬切削機床設計方案評價方法

由于表1 中的各項指標同樣都難以進行有效量化分析，具有一定的不確定性。故在實際應用前，需要通過量化工具進行預分析處理。在實際研究過程中，本文選擇模糊程度分析法，對這些評價指標進行兩兩對比。最終從相應的三角模糊比較矩陣中獲取到較為明確，且可以應用到實際分析過程的優(yōu)先向量。

結(jié)合表2 中的內(nèi)容，通過M1，M3，M5，M7，M9分別表示同樣重要、相對重要、比較重要、特別重要、極為重要等影響程度標準。M2，M4，M6，M8則分別是以上影響程度的中間值，然后以此為基礎，對表1 中各階段存在的不同評價指標進行模糊程度分析[2]，獲取的各指標的實際模糊程度值分別為：Mgi1，Mgi2，Mgi3…，Mgim，（i=1，2，3，…，n），式中，所有Mgij，（j=1，2，3，…，n）均為三角模糊數(shù)。這些三角模糊數(shù)據(jù)的總和相對于每個階段的指標被定義為：

表1 金屬切削機床設計方案評價

表2 模糊語義評級

公式（1）和公式（2）中，若M1＞M2，則可以將模糊綜合值定義為：

在公式（3）中，當x＞y，uM1（x）=uM2（y）=1 時，V（M1＞M2），且M1和M2兩者均是凸模糊數(shù)，如此可以推導出：

公式（4）中d 點的縱坐標，需要用公式（5）進行計算求導：

結(jié)合上述公式，要將M1和M2進行比較分析，還需要明確V（M1＞M2）和V（M1≥M2）兩者的值。若是一個凸模糊數(shù)大于k個凸模糊數(shù)Mi=（i=1，2，3，…，k）的可能度計算需要依據(jù)公式（6）進行[3]。

基于上述公式，則可以將各指標權(quán)重確定如下：

式（7）中，Xi，（1，2，3，…，n）為不同階段的各評價指標，對上述公式進行歸一化處理后，可得到各指標的實際權(quán)重公式：

在研究中采用模糊語義評價的原因，主要是為了降低專家評價中存在的主觀模糊性內(nèi)容。因此，在進行實際研究過程中，想要獲取最終評價，還需要將獲取到的模糊集合進行轉(zhuǎn)化，從而獲取到相應的具體值[4]。目前，常用的解模糊方法為最大均值法、重心法和面積均值法等。結(jié)合現(xiàn)有研究成果來看，重心法具有簡單實用等優(yōu)點，方便進行實際研究。因此，本文研究選用重心法作為解模糊方法，公式（9）如下：

評價分析面向再制造的金屬切削機床設計方案時，需要將表1 中的評價指標構(gòu)建相應的模糊決策矩陣Ds。假設設計方案為Ak（k=1，2，…i），且在n 個設計方案中，均需要充分考慮不同階段的評價指標。每個階段具有Ni個評價指標，則可以確定所有評價指標總數(shù)為，進而可以獲取到以下模糊決策矩陣：

在模糊決策矩陣中，Xkij是第k 個設計方案中第i 個決策階段中的第j 個評價指標的值，即設計方案Ak關(guān)于評價指標Cij的模糊評價得分。通常來說，所有評價指標主要分為成本和效益兩方面內(nèi)容。為增強設計方案的經(jīng)濟效益，需要最大限度控制成本相關(guān)指標，提高經(jīng)濟效益相關(guān)指標[5]。在分析前，還需要對設計方案評價決策矩陣進行歸一化處理，以便于后續(xù)研究過程中獲取到相應的無量綱矩陣，進而方便進行分析比較，模糊歸一化決策矩陣見式（10）。

公式Vkij=rkij?Wij?Wij主要用于研究每個評價指標的最終權(quán)重，如此可以推導出式（11）。

然后對正理想解決方法的距離d+和負理想解決方法的距離d-進行分別推導：

對上述公式進行計算求解，可以推導出式（13），式中hk即是所有設計方案中最優(yōu)方案。

2 案例分析

隨著智能制造2025 戰(zhàn)略的不斷推進，目前我國已經(jīng)進入到傳統(tǒng)金屬切削機床報廢的高峰時段。為檢驗本文提出的最優(yōu)設計方案評價措施的有效性，以某地區(qū)某機床制造企業(yè)為例，分析金屬切削機床再制造的相關(guān)影響因素。然后以此為基礎，提出3種面向再制造的金屬切削機床設計方案，進而從3 種設計方案中，選擇出最優(yōu)方案。

（1）方案一。為確保金屬切削機床再制造設計以及基本功能能夠滿足諸多方面的實際使用要求，方案結(jié)合模塊化設計理念。將面向再制造的金屬切削機床設計方案劃分為再制造修復模塊、基本功能模塊以及選配功能模塊等三大模塊。其中，再制造修復模塊主要包括金屬切削機床的導軌、床身、床腳、床頭箱、床鞍等部分；基本功能模塊主要包括金屬切削機床的傳動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和安全防護系統(tǒng)等子系統(tǒng)內(nèi)容；選配功能模塊主要包括金屬切削機床的自動潤滑模塊、機床的自動上下料裝置模塊和刀庫系統(tǒng)模塊等。在金屬切削機床使用后期，為確保機床再制造的實際效果以及滿足后續(xù)使用需求，可以根據(jù)現(xiàn)有科技手段，對金屬切削機床進行有效改造升級。

（2）方案二。在進行金屬切削機床設計時，可以將金屬切削機床整體分為機床動力模塊、潤滑和冷卻系統(tǒng)模塊、液壓系統(tǒng)模塊以及切削系統(tǒng)等四大模塊等內(nèi)容。然后基于“高內(nèi)聚、低耦合”的模塊化設計理念，將四大模塊進行分別設計制造，最后組裝。在金屬切削機床使用后期，需要對金屬切削機床極易出現(xiàn)故障的模塊進行修復、升級及更換。

（3）方案三?；跇藴驶圃炖砟?，將金屬切削機床的所有關(guān)鍵性零部件均采用標準化設計，促使金屬切削機床在使用后期出現(xiàn)故障后，可以實現(xiàn)對零件的低成本更換處理。

將3 種方式中的各階段指標代入到上述計算過程中，最終可以獲取到3 種方案對比結(jié)果：h1=0.56＞h2=0.50＞h3=0.37。

由此可知，在3 種設計方案中，方案一的設計為最優(yōu)設計。因此，在實際設計過程中應采用方案一的設計內(nèi)容。

3 結(jié)論

基于再制造角度，提出相應的設計方案評價方法。在方法確定過程中采用模糊程度分析法與模糊分層TOPSIS 法，有效避免專家評價過程中存在的主觀評價因素，增加金屬切削機床設計方案評估的有效性，同時增強評價的客觀性和權(quán)威性，為選擇相關(guān)設計方案提供有效參考。