支持工藝設計的制造質量影響因素關系網(wǎng)多色集合模型*

徐顯龍，同淑榮，于廣偉

(1.西安工業(yè)大學機電學院，西安 710032;2.西北工業(yè)大學 管理學院，西安 710072)

支持工藝設計的制造質量影響因素關系網(wǎng)多色集合模型*

徐顯龍1，同淑榮2，于廣偉1

(1.西安工業(yè)大學機電學院，西安 710032;2.西北工業(yè)大學 管理學院，西安 710072)

為了保證產品工藝設計方案在制造過程中順利實現(xiàn)，提出將制造質量影響因素信息反饋到工藝設計過程，分析了制造影響因素信息對工藝設計的支持，建立了支持工藝設計的制造質量影響因素關系網(wǎng)。利用多色集合理論，能清楚表達集合統(tǒng)一顏色與集合元素之間關系的特點，建立了制造質量影響因素關系網(wǎng)的多色集合數(shù)學模型;基于此模型，設計了面向給定加工要求的多個可行工藝設計方案選擇的流程和算法;并以齒輪中的齒形加工過程為實例，建立齒形加工過程元素的多色集合和多色圖，給出了可行齒形加工方案選擇過程。

工藝設計;制造質量;多色集合;齒形加工

0 引言

工藝設計是連接產品設計與生產制造之間的橋梁，是生產技術準備工作的第一步，它在很大程度上決定了產品加工的質量、成本和效率等［1］。一般地，在工藝設計時需要考慮企業(yè)實際制造情況，迅速準確地提供反映企業(yè)實際制造能力與水平信息可以幫助工藝設計人員更好地設計出產品的制造工藝。

在傳統(tǒng)的制造過程質量控制中，質量檢驗數(shù)據(jù)僅用于分析產品質量及造成質量波動的原因，這些原因包括:人、機器、材料、方法和環(huán)境(Man，Machine，Material，Method and Environment，4M1E)。然而，產品質量問題有時是因為工藝設計的路線不合理、不可行引起的，其重要原因是工藝設計人員對企業(yè)實際制造過程的知識掌握不夠，在工藝設計時對制造過程的質量控制實際能力考慮不充分等。因此，有必要將制造過程的質量控制信息反饋給工藝設計人員，以幫助他們根據(jù)制造過程質量控制的實際狀況與能力，設計出合理的、可行的產品制造工藝，避免工藝設計與生產制造之間的脫節(jié)。因而，制造過程造成質量波動的4M1E就是可以用于支持工藝設計的重要信息，它既包含了表征產品結構、精度和技術要求的信息，又包含了制造過程的質量控制實際狀況和能力信息，研究這些制造信息與工藝設計決策之間的關系，并將這些信息轉換為工藝設計人員需求的知識，可以幫助他們設計的產品制造工藝容易在制造過程中實現(xiàn)［2］。

當前，將知識管理、數(shù)據(jù)挖掘等理論與方法應用于支持工藝設計決策信息的表示與處理等方面也有大量的研究，如面向制造設計環(huán)境下的并行工藝設計技術［3］;關系圖用在裝配序列信息表示［4］;CAPP多工藝設計方案的模糊綜合評價等［5-7］。由于制造過程中的質量波動因素之間存在著復雜的層次與交互關系，它們與工藝設計決策之間也存在復雜的交互關系，需要一種工具直觀、簡潔地描述這種關系。俄羅斯巴浦洛夫(V.V.Pavlov)教授提出的多色集合理論能清楚表達集合統(tǒng)一顏色與集合元素及其元素顏色之間關系［8］。為此，本文將制造質量波動因素看成一個集合，將工藝設計的加工要求看成是集合統(tǒng)一顏色，而將其中的單個波動因素中每個具體對象看成是集合中的元素，則可用多色集合方法，構造與表示工藝設計決策與制造質量影響因素之間的關系，實現(xiàn)這些信息形式化的數(shù)學描述。在此基礎上，用數(shù)學算法選擇出滿足給定加工要求的多個可行工藝設計方案，并運用模糊綜合評判方法對多個可行工藝設計方案優(yōu)選。

1 制造質量影響因素對工藝設計的支持

在制造過程中會產生大量的有關產品及其制造過程的信息，這些信息能夠反映企業(yè)制造過程的質量控制實際狀況和能力，它包括表征制造質量的對象信息、制造質量影響因素信息以及制造質量檢驗信息。傳統(tǒng)的質量控制中，通過統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等方法分析處理這些信息，找出引起制造質量波動的因素即4M1E，并對這些因素進行有效控制達到保證制造質量的目的。然而，這些制造信息的用途遠不止于此，由于它們反映了制造過程是否能夠實現(xiàn)工藝設計人員的意圖，將這些信息進行處理后，能夠為工藝設計提供輔助決策依據(jù)。工藝設計人員在確定工藝路線、工序內容等決策時，若能充分考慮制造信息，就能保證工藝設計的質量目標在制造過程中順利實現(xiàn)，達到工藝設計與制造質量目標的一致性。制造質量影響因素信息對工藝設計的支持如圖1所示。

圖1 制造質量影響因素信息對工藝設計的支持

如圖1所示，在工藝設計中擬定工藝路線時，它需要加工方法的制造信息的支持，包括同類或相似零件采用的加工方法，以及這些不同的加工方法在制造過程中的加工結果，加工結果主要是指零件的生產質量、合格率和加工過程中出現(xiàn)的問題等。若擬定工藝路線時考慮了加工方法的制造信息，則能更好地保證工藝方案的可行性。

設計人員在做出面向制造的工藝設計決策時，需要參考同類或相似產品的加工方法信息和質量檢驗信息，同時還需要考慮到企業(yè)實際制造過程中影響制造質量的因素信息。產品的加工方法信息和質量檢驗信息與工藝設計之間關系比較簡單、直接，這些信息可以直接或是經(jīng)過簡單地分析處理后，為工藝設計人員提供參考;但是制造質量影響因素信息與工藝設計之間存在著復雜的、間接的層次和交互關系，對這些因素信息需要經(jīng)過一定的分析處理與利用后，才能夠為工藝設計人員提供輔助支持。

2 基于多色集合的制造質量影響因素關系網(wǎng)模型

2.1 支持工藝設計的制造質量影響因素關系網(wǎng)

工藝設計人員根據(jù)詳細設計階段確定的零件加工要求，如精度等級、是否需要淬硬、生產類型等，從已有同類或相似零件的加工方法知識庫中，選擇出能夠滿足給定加工要求的加工方法。其中，每種加工方法中涉及到的五類制造質量影響因素的所有具體對象都與該加工方法能夠實現(xiàn)的所有加工要求有關，或是說任一加工要求都與能夠實現(xiàn)該要求的所有加工方法中涉及到的五類制造質量影響因素的所有具體對象都有關。支持工藝設計的制造質量影響因素關系網(wǎng)，如圖2所示。

圖2 支持工藝設計的制造質量影響因素關系網(wǎng)

若使用傳統(tǒng)集合論、圖論等方法來表示這種網(wǎng)絡關系時，當需要反映工藝設計與制造質量影響因素信息之間的關系時，不僅需要對工藝設計的加工要求和制造質量影響因素信息建立集合或關系圖，而且，還必須再單獨建立集合或關系圖來描述它們之間的關系。這種表示方法比較繁瑣，而且不直觀。多色集合理論能清楚表達一個集合的統(tǒng)一顏色與集合元素之間關系，如果將制造質量影響因素信息或工藝設計加工要求各自看成一個集合，而將其中的單個因素具體對象信息或工藝設計加工要求看成是集合中的元素，則可用多色集合方法構造與表示工藝設計與制造質量影響因素信息之間關系，實現(xiàn)這些信息形式化的數(shù)學描述。

2.2 多色集合概念

多色集合核心思想是使用形式相同數(shù)學模型來仿真不同對象。其特點之一是能夠描述集合本身及其組成元素的性質，以及集合本身性質與其組成元素及性質之間的相互關系。

普通集合A的元素是多色集合的元素。多色集合組成元素和集合整體能夠同時被涂上不同的顏色，用以表示組成元素的性質及其研究對象。與集合A整體相對應的顏色集合稱為多色集合的統(tǒng)一著色，記為F(A)，與集合A每一個組成元素ai∈A相對應的顏色集合稱為元素ai的個人顏色，記為F(ai)。Fj(A)和Fj(ai)分別稱為多色集合的統(tǒng)一顏色和元素ai的個人顏色，它們分別對應對象A和元素ai的第j個性質。

多色集合由6個成分所確定，可以表示為:

其中，A×F(a)為個人著色布爾矩陣，A×F(A)為元素和統(tǒng)一顏色之間的相關關系布爾矩陣，A×A(F)為體元素和統(tǒng)一顏色之間的相關關系布爾矩陣。此外，F(xiàn)(a)×F(A)為個人顏色與統(tǒng)一顏色之間相關關系布爾矩陣［8］。

2.3 制造質量影響因素關系網(wǎng)多色集合模型

2.3.1 多色集合元素

多色集合的元素包括五類元素，即設備類元素、工序類元素、人員類元素、材料類元素和環(huán)境類元素，假定設備類元素有m個、工序類元素有n個、人員類元素有p個、材料類元素有q個、環(huán)境類元素有k個，則多色集合的元素記作:

2.3.2 多色集合的統(tǒng)一著色

工藝設計的加工要求通常包括精度等級、是否需要淬硬、生產方式等，所以多色集合的統(tǒng)一顏色包括三類顏色，即精度等級類顏色、是否需要淬硬類顏色和生產方式類顏色，假定精度等級類顏色有u個、是否需要淬硬類顏色有2個、生產方式類顏色有w個，則多色集合的統(tǒng)一顏色記作:

2.3.3 多色集合元素和統(tǒng)一顏色之間關系的布爾矩陣

多色集合的元素和統(tǒng)一著色的顏色的相互關系可以用布爾矩陣來表示:

其中，i∈［1，m+n+p+q+k］，j∈［1，u+v+w］，在這個矩陣中，如果元素ai參與多色集合統(tǒng)一顏色Fj的實現(xiàn)，則說明元素ai和多色集合統(tǒng)一顏色Fj有關系;反之，則沒有關系。記作:

3 制造質量影響因素關系網(wǎng)多色集合模型的應用

根據(jù)制造質量影響因素信息的多色集合模型(圍道矩陣)和多色圖，通過如圖3所示的流程［2］，可選擇出能夠實現(xiàn)給定加工要求(指定圍道)的多個可行的工藝設計方案。

具體步驟如下:

(1)從第一行開始，研究圍道矩陣T×F(T)的第K順序行;

(2)對于 F(ti)K－1和 F(tK)，按下式計算 F(ti)K:

(3)看F(ti)K能實現(xiàn)怎樣的圍道，如果F(A)?F(ti)K，若tK是當前路徑的最后一個算子，則轉至第(4)步，否則返回到第(2)步;如果 F(A)?F(ti)K，說明當前路徑不能實現(xiàn)指定圍道，返回到第(1)步進行下一路徑計算。

圖3 可行工藝設計方案的選擇流程

(4)說明當前路徑包含的所有算子經(jīng)過合取計算后能實現(xiàn)的圍道為F(ti)K，而且:

說明當前路徑是能夠實現(xiàn)給定要求(指定圍道)的設計方案，則將該路徑包含在可行設計方案中。

經(jīng)過上述算法，能夠根據(jù)制造質量影響因素信息的多色集合模型(圍道矩陣)和多色圖中選擇出實現(xiàn)給定要求(指定圍道)的多個可行設計方案。在此基礎上，根據(jù)制造質量影響因素信息，運用模糊綜合評判方法對多個可行設計方案進行優(yōu)選。

4 實例分析

4.1 齒形加工過程的關系網(wǎng)多色集合模型

齒輪工藝設計中，齒形加工方案的確定主要取決于齒輪詳細設計階段所確定的精度等級、熱處理方法等，不同的精度等級和是否需要熱處理都會影響齒形加工方案的選擇。在齒形加工過程中，設備、工藝、材料、人員以及環(huán)境等制造質量影響因素信息都會影響能實現(xiàn)給定加工要求的齒形加工方案在制造過程中的可行性。材料一般都選40Cr，環(huán)境因素相對穩(wěn)定，故重點研究設備、工藝、人員的因素信息與齒形加工方案選擇之間關系。

將齒形加工過程中的制造質量影響因素信息視為多色集合的個人元素，因材料一般都選40Cr，環(huán)境因素相對穩(wěn)定。因而將它分為三類:一類是工藝類個人元素:t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8、t9分表代表銑齒工序、滾齒工序、插齒工序、齒端加工工序、剃齒工序、齒面淬硬工序、修正內孔工序、珩齒工序和磨齒工序;二是設備類個人元素:t10、t11、t12、t13、t14、t15分表代表銑齒機、滾齒機、插齒機、剃齒機、珩齒機和磨齒機;三是人員類個人元素:t16、t17、t18、t19、t20、t21分表代表銑齒人員、滾齒人員、插齒人員、剃齒人員、珩齒人員和磨齒人員。

齒形加工加工要求主要有精度等級和是否需要淬硬，可以將齒形加工過程的統(tǒng)一顏色分為兩類:一是精度等級:F1、F2、F3分別代表8級及8級以下精度、6～7級精度、5級及5級精度以上;二是是否需要淬硬:F4代表需要淬硬，F(xiàn)5代表不需要淬硬。

建立齒形加工過程的統(tǒng)一顏色與個人元素之間的布爾矩陣，如圖4所示;根據(jù)齒形加工過程各元素之間的聯(lián)系，建立齒形加工過程元素的多色圖，如圖5所示。

圖4 齒形加工過程元素的多色集合T×F(T)

4.2 齒形加工過程的關系網(wǎng)多色集合模型應用

如果對于給定加工精度等級在6～7級以下的需要淬硬的齒輪，可以通過如下步驟進行面向制造質量的齒形加工方案的選擇:

(1)確定圍道組成的初始矩陣F(A)，記作:F(A)=(01010)。

(2)根據(jù)圖4和圖5齒形加工過程元素的多色集合和多色圖，用圖3中選擇實現(xiàn)指定圍道的可行設計方案的流程，可以選擇出滿足圍道F(A)的四種可行齒形加工方案，如下:

第 1 種可行方案為:t2→t4→t5→t6→t7→t8，即滾齒→齒端加工→剃齒→齒面淬硬→修正內孔→珩齒;

圖5 齒形加工過程元素的多色圖

第 2 種可行方案為:t3→t4→t5→t6→t7→t8，即插齒→齒端加工→剃齒→齒面淬硬→修正內孔→珩齒;

第3種可行方案為:t2→t4→t6→t7→t9，即滾齒→齒端加工→齒面淬硬→修正內孔→磨齒;

第4種可行方案為:t3→t4→t6→t7→t9，即插齒→齒端加工→齒面淬硬→修正內孔→磨齒。

在此基礎上，根據(jù)能夠反映企業(yè)實際制造質量控制能力與水平的制造質量影響因素信息，運用模糊綜合評判的方法對這四種可行齒形加工方案進行優(yōu)選。

5 結束語

反映制造過程質量控制水平與能力信息是工藝設計需要信息的重要組成部分，它關系到設計的制造工藝能否順利在制造過程中實現(xiàn)。分析制造質量影響因素信息對工藝設計支持的基礎上，構造了支持工藝設計的制造質量影響因素信息關系網(wǎng);建立了制造質量影響因素信息關系網(wǎng)的多色集合模型;基于此模型，設計了面向給定加工要求的可行工藝設計方案選擇的流程和算法;并以齒形加工過程為實例，分析了多個可行齒形工藝設計方案的選擇過程。該方法能從制造過程中質量控制角度，確保制造出的產品符合給定的工藝設計要求。

［1］徐顯龍，同淑榮，孫宜然，等.支持保質設計的制造質量信息模型［J］.制造業(yè)自動化，2008，30(7):14－17.

［2］同淑榮.徐顯龍.基于多色集合理論的制造質量影響因素關系網(wǎng)模型［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2009，15(7):1292－1298.

［3］狄瑞坤，唐任仲.面向制造設計環(huán)境下的并行工藝設計技術研究［J］.浙江大學學報(工學版)，2002，36(3):265－268.

［4］白芳妮，李磊，魏生民.裝配序列生成中裝配信息的表示方法研究［J］.中國機械工程，2002，12(14):1209－1211.

［5］程光耀，孫厚芳，雷賀功，等.CAPP多工藝設計方案的模糊綜合評價［J］.北京理工大學學報，2004，24(3):197－200.

［6］AHMED S，WALLACE K M.Understanding the knowledge needs of novice designers in the aerospace industry［J］.Design Studies，2004，25(2):155 －173.

［7］SZYKMAN S，SRIRAM R D，REGLIW C.The role of knowledge in next－generation product development systems［J］.Journal of Computing and Information Science in Engineering，2001，1(1):3 －11.

［8］李宗斌.先進制造中多色集合理論的研究及應用［M］.北京:中國水利水電出版社，知識產權出版社，2005.

(編輯 趙蓉)

Polychromatic Sets Model of Relationships Network of Factors Influencing Manufacturing Quality for Process Design

XU Xian-long1，TONG Shu-rong2，YU Guang-wei1
(1.School of Mechatronics，Xi’an Technological University，Xi’an 710032，China;2.School of Management，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)

To realize product process planning in manufacturing processes,factors influencing manufacturing quality are turned back to process design.Process design provided by factors influencing manufacturing quality is analyzed,and a relationship network among quality influence factors supporting process design decisions is presented.The polychromatic sets mathematical model of quality influence factors and their relationships is established by using polychromatic sets which can provide a precise expression of the relationships between the unified color ofa set and each element in the set.A flow and algorithm of selecting all feasible process planning are proposed.Finally,a case of gear process planning is given,and a polychromatic sets and a polychromatic diagram of quality influence factors in gear manufacturing process are set up.Also the selection of feasible gear process planning is illustrated in detail.

process design;manufacturing quality;polychromatic sets;gear processing

TH16;TG65

A

1001－2265(2011)06－0102－05

2010－12－23

國家自然科學基金資助項目(70771091);陜西省教育廳專項科研計劃項目(2010JK610);西安工業(yè)大學校長科研基金資助項目(XAGDXJJ1005)

徐顯龍(1978—)，男，陜西武功人，西安工業(yè)大學機電學院講師，博士，主要從事產品并行設計、質量管理、物流管理的研究，(E－mail)xxl_2@xatu.edu.cn。