王鵬家，彭寶營，李方振，吳偉，劉永賢

(1.北京信息科技大學(xué)機電工程學(xué)院，北京100192；2.寧夏理工學(xué)院機械工程學(xué)院，寧夏石嘴山753000；3.東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，遼寧沈陽110819)

0 前言

數(shù)控機床作為裝備制造業(yè)的“工作母機”，提高其設(shè)計效率與設(shè)計水平，對我國的經(jīng)濟建設(shè)、國防安全和社會穩(wěn)定有重要的意義[1]。另外，隨著制造業(yè)中環(huán)境污染和資源短缺問題的日益嚴重，綠色設(shè)計思想也愈來愈受到重視。目前，在機械產(chǎn)品的快速設(shè)計及綠色設(shè)計方面，國內(nèi)外均做了一些研究。周立新等[2]為解決機械產(chǎn)品綠色設(shè)計中材料選擇的多目標決策問題，提出了一種將模糊層次分析法與熵權(quán)理想點法集成的求解模型。韓珍玉[3]建立了基于LCA的機械產(chǎn)品綠色設(shè)計中材料選擇評價指標體系，并確定了最優(yōu)材料方案。付巖等人[4]提出一種支持方案生成的功能-結(jié)構(gòu)-材料-工藝的綠色設(shè)計模型，以設(shè)計方案環(huán)境影響最小為目標，生成綠色性能最優(yōu)的設(shè)計方案。WANG等[5]提出了基于灰色粗糙模型的分析方法，將需求轉(zhuǎn)化為數(shù)控機床產(chǎn)品的技術(shù)特性。王黎明等[6]將綠色需求分析映射到產(chǎn)品全生命周期綠色特征，建立了以綠色需求滿意度最大為目標的優(yōu)化模型。上述研究大都針對技術(shù)特征或綠色特征單獨進行研究，對于綜合技術(shù)與綠色特征的研究較少。

因此，本文作者對機床全生命周期的技術(shù)需求及綠色需求進行獲取、分析及處理，利用質(zhì)量屋構(gòu)建了產(chǎn)品設(shè)計規(guī)劃模型和綠色機床產(chǎn)品性能優(yōu)化決策模型，并在此方法的基礎(chǔ)上開發(fā)了相應(yīng)的優(yōu)化決策系統(tǒng)，實現(xiàn)了在固定投入資金及設(shè)計周期下，快速確定出能使客戶滿意度達到最大值的相應(yīng)技術(shù)及綠色特征，為機床產(chǎn)品綠色設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 基于QFD的綠色機床產(chǎn)品規(guī)劃

基于質(zhì)量功能展開(Quality Function Deployment，QFD)的綠色機床產(chǎn)品規(guī)劃模型由需求的獲取及分析、QFD的建立、QFD的決策3部分組成。

1.1 客戶主要技術(shù)需求與綠色需求的獲取

對于綠色機床產(chǎn)品，除了滿足它實現(xiàn)主要功能的基本性能需求之外，還需在設(shè)計階段，對產(chǎn)品全生命周期各階段的綠色需求進行獲取、分析及處理。獲取的手段通常有客戶調(diào)查、競爭公司產(chǎn)品和公司內(nèi)部信息主動分析、查閱相關(guān)法律法規(guī)等[6]。另外，應(yīng)對產(chǎn)品全生命周期所有參與方，如使用方、制造方、維護方和回收方等涉及的需求信息(如可拆卸性、可靠性、回收性、資源消耗、碳排放量等)進行全面的收集[7-8]。

1.2 基于技術(shù)與綠色特征的產(chǎn)品全生命周期設(shè)計

在對客戶需求進行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)集合理論，將產(chǎn)品全生命周期過程中的主要技術(shù)及與環(huán)境相關(guān)的信息，包括技術(shù)、資源、能源及環(huán)境進行綜合，可描述為

TG={TGT,TGG,TGV}

(1)

式中：TGT表示產(chǎn)品生命周期的各個階段；TGG表示其主要技術(shù)及與環(huán)境相關(guān)的信息；TGV表示特征的取值，其類型有定性與定量2種，定性值按5個等級對它進行描述。

基于上述研究，圖1所示為所建的基于主要技術(shù)特征及綠色特征的產(chǎn)品設(shè)計方案表達模型。

圖1 基于主要技術(shù)及綠色特征 的產(chǎn)品設(shè)計方案表達模型Fig.1 Expression model of product design scheme based on the main technology and green features

1.3 基于主要技術(shù)與綠色特征的QFD建立

在主要技術(shù)需求與綠色需求的驅(qū)動下，利用QFD實現(xiàn)需求與它相應(yīng)特征之間的映射。其中特征由產(chǎn)品生命周期，包括產(chǎn)品設(shè)計制造、產(chǎn)品使用維護以及產(chǎn)品回收處理等3個階段的信息組成。其中，建立兩兩對比的需求與技術(shù)及綠色特征間的關(guān)系矩陣是其核心內(nèi)容。基于主要技術(shù)及綠色特征的產(chǎn)品設(shè)計規(guī)劃模型如圖2所示。

圖2 基于主要技術(shù)及綠色特征的產(chǎn)品設(shè)計規(guī)劃模型Fig.2 Planning model of product design based on the main technology and green features

1.4 基于層析分析法的權(quán)重確定

由于客戶對每項需求的關(guān)心度不同，通常需計算其權(quán)重。層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)因在定性與定量決策方面十分簡潔且實用[9-10]，故用它進行權(quán)重的確定。該方法很成熟，故在此僅做簡略介紹，其計算流程如圖3所示。

圖3 基于AHP的權(quán)重計算流程Fig.3 Calculation process of weights based on AHP

其中，主要步驟的計算公式如下：

(1)矩陣特征向量di和權(quán)重ωi的計算

(2)

(3)

式中：矩陣為n×n階，aii=1，aji=1/aij，aij>0，i,j=1,2,…,n。

(2)檢驗矩陣的一致性

(4)

CI=(λmax-n/(n-1

(5)

CR=CI/RI

(6)

式中：λmax為最大特征根；CI為一致性指標；RI為平均一致性指標，可查表獲得；CR為一致性比率，其值小于0.1則認為合理，否則需對矩陣進行調(diào)整。

(3)計算層次總排序

(7)

假設(shè)需求有L、M、N三層，則式(7)中，mj為M層需求的重要度；nij為N層需求對M層需求的重要度；Ni為N層需求對L層的總權(quán)重排序。

2 優(yōu)化決策模型的建立及系統(tǒng)開發(fā)

通過QFD方法中質(zhì)量屋關(guān)系矩陣的建立，得到了客戶需求與產(chǎn)品主要技術(shù)特征及綠色特征間的函數(shù)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建以客戶滿意度為目標函數(shù)、設(shè)計周期與投入資金為約束條件的優(yōu)化決策模型，并利用MATLAB GUI開發(fā)了相應(yīng)的計算機輔助優(yōu)化決策系統(tǒng)。

2.1 目標函數(shù)及約束條件

在進行優(yōu)化決策時，以設(shè)計周期及投入資金為約束條件，以技術(shù)特征及綠色特征為決策變量，將客戶滿意度作為優(yōu)化目標，完成對機床產(chǎn)品設(shè)計方案的規(guī)劃與決策。綜上，建立的優(yōu)化決策模型如下：

(8)

(9)

(10)

nj=0，1

(11)

(12)

(13)

為方便所建模型的求解，引入決策態(tài)度因子ε將區(qū)間估計轉(zhuǎn)化為點估計。以設(shè)計周期為例：

(14)

(15)

2.2 機床產(chǎn)品性能優(yōu)化決策系統(tǒng)

為提高所提方法的實用性，使制造企業(yè)快速地做出決策，采用MATLAB為工具軟件，開發(fā)了綠色機床產(chǎn)品性能優(yōu)化決策系統(tǒng)，見圖4。

圖4 綠色機床產(chǎn)品性能優(yōu)化決策系統(tǒng)Fig.4 Performance optimization decision system for green machine tool product

3 實例

機床產(chǎn)品作為工作母機，普遍存在可靠性低、能耗高、材料消耗大等問題，因此文中以某數(shù)控車床為例對所提出方法及所建立的系統(tǒng)在產(chǎn)品性能優(yōu)化決策中的實用性及有效性進行驗證。

通過客戶需求的獲取及分析處理，在安全穩(wěn)定性能方面(記為RT)得到了精度高、可靠性好、壽命長3項技術(shù)需求，分別記為RT1-RT3；以及在綠色環(huán)保性能方面(記為RG)得到了便于拆卸、振動噪聲低、資源消耗少、節(jié)能、低碳和便于回收6項綠色需求，分別記為RG1-RG6。對應(yīng)于這些需求的特征包括：X軸定位精度、Z軸定位精度、工件表面粗糙度、整機質(zhì)量、鑄鐵含量、模塊化度、振動、噪聲、能耗、碳排放量、日常維護以及材料回收性12項主要技術(shù)及綠色特征，分別記為TG1-TG12，其中TG6、TG7以及TG12為定性特征，其他9項為定量特征。圖5所示為所建的某數(shù)控車床基于主要技術(shù)特征及綠色特征的產(chǎn)品設(shè)計規(guī)劃模型，圖中日常維護度量單位h/a指年維護所用小時數(shù)。

圖5 某數(shù)控車床基于主要技術(shù)及綠色特征的產(chǎn)品設(shè)計規(guī)劃模型Fig.5 Planning model of product design for a CNC lathe based on the main technical and green features

假設(shè)安全穩(wěn)定性能與綠色環(huán)保性能同等重要，在計算客戶需求權(quán)重方面，RT的判斷矩陣及RT1-RT3的權(quán)重如表1所示，RG的判斷矩陣及RG1-RG6的權(quán)重如表2所示，得到的綠色機床產(chǎn)品客戶需求綜合權(quán)重，即總排序如表3所示。

表1 RT的判斷矩陣及RT1-RT3的權(quán)重Tab.1 Judgment matrix of RT and weights of RT1-RT3

表2 RG的判斷矩陣及RG1-RG6的權(quán)重Tab.2 Judgment matrix of RG and weights of RG1-RG6

表3 綠色機床產(chǎn)品客戶需求綜合權(quán)重

假設(shè)設(shè)計投入資金為36萬元，設(shè)計周期為9個月，優(yōu)化模型中投入資金的區(qū)間估計如表4所示，設(shè)計周期的區(qū)間估計如表5所示。

表4 投入資金的區(qū)間估計Tab.4 Interval estimation of cost input

表5 設(shè)計周期的區(qū)間估計Tab.5 Interval estimation of design cycle

通過所開發(fā)的綠色機床產(chǎn)品性能優(yōu)化決策系統(tǒng)計算，可得到優(yōu)化配置結(jié)果：TG1=1，TG2=1，TG3=1，TG4=0，TG5=0，TG6=1，TG7=1，TG8=1，TG9=1，TG10=1，TG11=1，TG12=0?？梢?，在固定投入資金以及設(shè)計周期下，應(yīng)對機床的TG1-TG3以及TG6-TG11特征進行保證，可使客戶滿意度達到0.821 5，而TG4、TG5以及TG12對客戶滿意度影響不大。如增加資金及設(shè)計周期的投入，可考慮對床身、底座等部位的材料進行更新，來進一步提高客戶滿意度，但應(yīng)考慮替代材料的減振性。

4 結(jié)束語

(1)基于對機床全生命周期的技術(shù)需求及綠色需求進行獲取、分析及處理，利用QFD方法有效地實現(xiàn)了需求與特征之間的映射，采用AHP實現(xiàn)了定性與定量需求間的決策及需求權(quán)重的確定。

(2)建立的綠色機床產(chǎn)品性能優(yōu)化決策模型，可實現(xiàn)在固定投入資金及設(shè)計周期下，確定出能使客戶滿意度達到最大值的相應(yīng)技術(shù)及綠色特征。

(3)利用MATLAB GUI開發(fā)的綠色機床產(chǎn)品性能優(yōu)化決策系統(tǒng)，解決了許多研究理論無法實際應(yīng)用到企業(yè)的現(xiàn)狀。在實例應(yīng)用中，準確、快捷地得出了最佳設(shè)計規(guī)劃方案，在滿足機床產(chǎn)品主要功能及主要技術(shù)性能的同時，既保證了產(chǎn)品的綠色特征，又實現(xiàn)了客戶最大滿意度的目標，可提高產(chǎn)品的市場以及企業(yè)的競爭力。