面向綠色制造的電火花加工工藝綜合評(píng)價(jià)體系和方法研究

王賢琳，王飛，邱爽，李俊

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430081)

0 前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，資源環(huán)境問(wèn)題日益突出，面對(duì)資源、環(huán)境和發(fā)展之間的矛盾，人們不得不重新審視，總結(jié)傳統(tǒng)模式的缺陷，積極努力探索發(fā)展新道路。綠色制造正是順應(yīng)了時(shí)代的發(fā)展，自綠色制造提出以來(lái)受到我國(guó)高度重視，相繼出現(xiàn)了各種與綠色制造相關(guān)的理論，同時(shí)國(guó)家863和國(guó)家自然科學(xué)基金等對(duì)綠色制造的支持促進(jìn)了綠色制造的發(fā)展。由于綠色制造理論的發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)，綠色制造工藝評(píng)價(jià)無(wú)論是數(shù)據(jù)采集還是評(píng)價(jià)方法都還未形成一套完整的體系。對(duì)具體的工藝評(píng)價(jià)理論更需要去探索。

近年來(lái)，在電火花加工理論方面。劉暢等人［1］通過(guò)提出一種線性規(guī)劃算法，來(lái)對(duì)加工速度進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)。葛紅光等［2］通過(guò)研制電源脈沖發(fā)生裝置來(lái)提高加工過(guò)程的穩(wěn)定性和加工質(zhì)量。馮源等人［3］通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)45鋼表面沉積WC-8Co涂層工藝參數(shù)進(jìn)行研究，得到最佳工藝參數(shù)。伍曉榕等［4］通過(guò)運(yùn)用Dematel-Vkor法來(lái)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行綠色決策。陳日等人［5］通過(guò)利用ANSYS軟件進(jìn)行模擬仿真單脈沖放電過(guò)程。周林等人［6］通過(guò)數(shù)控程序法來(lái)補(bǔ)償電火花加工過(guò)程中得電極損耗。趙建社等［7］通過(guò)對(duì)電火花加工電極的設(shè)計(jì)提出了一種新方法。茍剛等人［8］通過(guò)運(yùn)用遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)電火花加工效果進(jìn)行預(yù)測(cè)。這些，都分別在加工速度、穩(wěn)定性、加工質(zhì)量、工藝參數(shù)、電極等方面進(jìn)行了研究但很少有對(duì)電火花加工工藝進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。在評(píng)價(jià)方面，張華等人［9］針對(duì)機(jī)械加工工藝建立清單分析評(píng)價(jià)指標(biāo)，并用組合評(píng)價(jià)方法來(lái)分析。彭軍等人［10］建立綠色產(chǎn)品制造工藝評(píng)價(jià)體系并運(yùn)用AHM與模糊綜合評(píng)價(jià)法來(lái)求解。這些都從機(jī)械加工、綠色產(chǎn)品為研究對(duì)象，而且他們很少考慮指標(biāo)之間的相互影響關(guān)系。

鑒于此，文中以電火花加工工藝為研究對(duì)象通過(guò)建立面向綠色制造的電火花加工工藝綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并使用DEMANTEL-TOPSIS評(píng)價(jià)方法對(duì)5個(gè)綠色制造特性指標(biāo)(時(shí)間、質(zhì)量、成本、資源和環(huán)境)等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而使得評(píng)價(jià)更具全面、客觀、合理。

1 面向綠色制造的電火花加工工藝綜合評(píng)價(jià)體系

為了對(duì)電火花加工工藝進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，就要設(shè)計(jì)一個(gè)全面完整科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。所以，文中以綠色制造五大特性評(píng)價(jià)指標(biāo)作為構(gòu)架，在其基礎(chǔ)上考慮到電火花加工的復(fù)雜性并兼顧特殊性，通過(guò)傳統(tǒng)電火花加工評(píng)價(jià)指標(biāo)［11］及借鑒其他相關(guān)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，建立了面向綠色制造的電火花加工工藝綜合評(píng)價(jià)體系，如圖1所示。該體系特點(diǎn):(1)考慮到指標(biāo)之間的影響從而使評(píng)價(jià)更具合理性。(2)該體系是對(duì)電火花加工整體綜合評(píng)價(jià)，具體加工工藝評(píng)價(jià)時(shí)(如線切割加工、成型加工等)，可根據(jù)具體情況對(duì)其進(jìn)行修改。

圖1 面向綠色制造的電火花加工工藝綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 面向綠色制造的電火花加工工藝評(píng)價(jià)建模

2．1 DEMATEL權(quán)重法

DEMATEL(Decision Making Trial and Evaluation Laboratory)，全稱為“決策實(shí)驗(yàn)和評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)法”，是一種用來(lái)篩選復(fù)雜的系統(tǒng)的主要要素，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析的過(guò)程而提出的方法論。這種方法是充分利用專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)來(lái)處理復(fù)雜的問(wèn)題，尤其對(duì)那些要素關(guān)系不確定的系統(tǒng)更為有效。通過(guò)分析系統(tǒng)中各要素之間的邏輯關(guān)系與直接影響關(guān)系，計(jì)算出每個(gè)因素對(duì)其他因素的影響程度以及被影響度，從而計(jì)算出每個(gè)因素的中心度與原因度，可以判斷要素之間關(guān)系的有無(wú)及其強(qiáng)弱評(píng)價(jià)。目前，該方法已經(jīng)成功應(yīng)用于企業(yè)創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)、綠色產(chǎn)品評(píng)價(jià)等多個(gè)領(lǐng)域中［12-13］。針對(duì)評(píng)價(jià)體系中各要素之間的影響關(guān)系，文中提出采用DEMATEL法來(lái)確定權(quán)重。

DEMATEL的實(shí)施步驟:

(1)確定要素間的直接影響程度。首先確定要素間的影響關(guān)系:0表示兩要素間沒(méi)影響;表示兩要素間影響小;2表示兩要素間影響中;3表示兩要素間影響大。然后，通過(guò)專家調(diào)查法進(jìn)行元素間比較，記要素i對(duì)要素j的影響在矩陣中用xij表示。

(2)構(gòu)建直接影響矩陣D。直接影響矩陣D={xij}n×n，其中n為要素的個(gè)數(shù)

(3)計(jì)算規(guī)范化直接影響矩陣X。X=λ×D，其中

(4)確定綜合影響矩陣T即［tij］n×n，其中tij表示綜合影響矩陣中第i行第j列的元素。(5)計(jì)算各要素的中心度與原因度。記r為綜合影響矩陣行和，c為綜合影響矩陣列和，即

(6)計(jì)算權(quán)重wi。因?yàn)橐陨隙际强紤]過(guò)各要素直接的相互影響，因此用中心度和原因度來(lái)綜合確定權(quán)重也是考慮了各要素間相互影響，權(quán)重算法如下:

2．2 基于DEMATEL-TOPSIS綠色電火花加工工藝綜合評(píng)價(jià)

TOPSIS法是有限方案多目標(biāo)決策的綜合評(píng)價(jià)方法之一，它能充分利用原始數(shù)據(jù)的信息，所以能充分反映各個(gè)方案之間的差距、客觀真實(shí)的反映實(shí)際情況。具有真實(shí)、直觀、可靠的優(yōu)點(diǎn)，而且其對(duì)樣本資料無(wú)特殊要求［14］。為了考慮到評(píng)價(jià)因素間的互相影響，一方面采用DEMATEL權(quán)重法融入到TOPSIS評(píng)價(jià)方法中，另一方面運(yùn)用一種改進(jìn)TOPSIS算法從而進(jìn)行DEMATEL-TOPSIS綜合評(píng)價(jià)。

12）腳手板操作面的端頭處綁兩道防護(hù)欄桿，建筑物頂部腳手架要高出屋面1.0m，高出部分要綁兩道護(hù)身欄，并立掛安全網(wǎng)。

首先建立面向綠色制造的電火花加工工藝綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)集:A={C1，C2，…，Cn}，同時(shí)建立方案集:P={P1，P2，…，Pm}，方案集P對(duì)指標(biāo)集A的指標(biāo)值記為zij(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)，記P對(duì)A的初始指標(biāo)矩陣Z=(zij)m×n。具體步驟如下:

(1)將初始指標(biāo)矩陣化為標(biāo)準(zhǔn)化矩陣R=(rij)m×n。具體做法如下

對(duì)于效益型指標(biāo)

(2)理想解與負(fù)理想解:顯然，對(duì)于矩陣R，因?yàn)槎冀y(tǒng)一為效益型指標(biāo)，故理想解Rj+=(1，1，…，1)，負(fù)理想解=(0，0，…，0)。

(3)確定權(quán)重w1，w2，…，wn。通過(guò)DEMATEL法求出。

(4)計(jì)算各方案理想解和負(fù)理想解的加權(quán)距離平方和［14］。

(5)根據(jù)加權(quán)距離平方和fi(w)，排序得到最優(yōu)方案。

3 基于DEMATEL-TOPSIS綠色電火花加工工藝綜合評(píng)價(jià)流程

圖2 基于DEMATEL-TOPSIS綠色電火花加工工藝綜合評(píng)價(jià)流程

4 基于DEMATEL-TOPSIS方法的應(yīng)用

電火花加工工藝中，成型加工工藝占有相當(dāng)?shù)谋戎?，而電極材料的選擇又是成型加工工藝規(guī)程中必不可少的一環(huán)，本文以某模具廠在電火花加工中針對(duì)5種不同電極材料的選擇進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，以此來(lái)驗(yàn)證DEMATEL-TOPSIS法評(píng)價(jià)模型的可行性。其綠色電火花加工工藝評(píng)價(jià)分析表如表1。

表1 綠色電火花加工工藝評(píng)價(jià)分析表

評(píng)價(jià)過(guò)程如下:

(1)通過(guò)專家調(diào)查表對(duì)15位專家進(jìn)行調(diào)查最終結(jié)果取人數(shù)最多的那個(gè)，人數(shù)相等時(shí)取相關(guān)關(guān)系大的那個(gè)，調(diào)查表及最終結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 最終評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)關(guān)系專家調(diào)查表結(jié)果

(2)通過(guò)表2得到直接影響矩陣D，算出直接影響矩陣的行和{35，34，32，45，37，43，38，47，40，42，39，37，43，42，35，41，42，42，12，10，9}，列和{40，34，39，35，38，41，37，42，40，37，40，40，41，41，39，43，39，40，14，14，11}得到最大值為47，再按照DEMATEL法的步驟(3)—(5)，通過(guò)一系列的計(jì)算，最后計(jì)算綜合影響矩陣的行和與列和矩陣r={ri}={4．120 6，4．011 5，3．747 4，5．102 7，4．230 5，4．903 1，4．398 8，5．296 2，4．787 2，4．891 3，4．428 0，4．296 5，4．828 2，4．757 5，4．145 5，4．802 5，4．765 1，4．770 1，1．340 4，0．880 2，1．018 3}T

c={cj}={4．625 6，3．965 3，4．497 1，4．166 3，4．349 5，4．787 8，4．314 7，4．691 5，4．644 8，4．308 557，4．723 7，4．629 4，4．735 6，4．623 2，4．298 2，4．965 9，4．380 1，4．597，1．470 9，1．624 1，1．122 3}

(3)令i=j，由式(4)計(jì)算中心度m1=r1+c1=4．120 6+4．625 6=8．746 2，式(5)n1=r1-c1=4．120 6-4．625 6=-0．505 0，其余以此類推，評(píng)價(jià)指標(biāo)的中心度、原因度見(jiàn)表3。

(4)按公式(6)計(jì)算權(quán)重，如表3所示。從表中可以看出在質(zhì)量屬性指標(biāo)里面權(quán)重最大的是生產(chǎn)性時(shí)間指標(biāo)，說(shuō)明生產(chǎn)性時(shí)間影響度相對(duì)比較而言比其他時(shí)間對(duì)工藝綜合評(píng)價(jià)影響較大，同理，在環(huán)境指標(biāo)中工作液指標(biāo)權(quán)重大，表明其對(duì)評(píng)價(jià)影響大。其他屬性指標(biāo)以此類推。噪聲、輻射和其他等指標(biāo)相對(duì)影響較小。因此要優(yōu)先從生產(chǎn)性時(shí)間、電極損耗、電介質(zhì)耗量等方面進(jìn)行改善以提高綠色電火花加工綜合評(píng)價(jià)的綠色性。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的中心度、原因度和權(quán)重

(5)收集原始數(shù)據(jù)并整理，具體如表4所示，顯然C4，C5，C6作為效益型指標(biāo)處理，其它作為成本型指標(biāo)處理。這些指標(biāo)構(gòu)成初始指標(biāo)矩陣X=(xij)5×21。

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)

(6)將式C4，C5，C6列的數(shù)據(jù)代入式(7)和其余列的數(shù)據(jù)代入式(8)得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣R5×21。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 xij經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后得標(biāo)準(zhǔn)化矩陣R5×21

(7)通過(guò)表5數(shù)據(jù)結(jié)合評(píng)價(jià)過(guò)程第四步驟中所求得的權(quán)重由式(9)得

f(wi)=(0．010 1，0．029 3，0．026 8，0．160，0．021 0)

工藝方案的排序?yàn)閒(w1)＜f(w4)＜f(w5)＜f(w3)＜f(w2)，因此選擇第2組工藝方案綜合評(píng)價(jià)最好，第2組工藝方案為最優(yōu)方案。

5 結(jié)論

(1)考慮到電火花加工工藝的復(fù)雜性和特殊性以及指標(biāo)間相互影響從而建立面向綠色制造的電火花加工工藝綜合評(píng)價(jià)體系，使得評(píng)價(jià)更科學(xué)、更合理。豐富了綠色制造評(píng)價(jià)體系的內(nèi)涵。

(2)針對(duì)面向綠色制造的電火花加工工藝綜合評(píng)價(jià)體系中指標(biāo)影響的特點(diǎn)，采用DEMATEL權(quán)重法，得出生產(chǎn)性時(shí)間、電極損耗、電介質(zhì)耗量等指標(biāo)因素對(duì)評(píng)價(jià)影響較大，而噪聲、輻射和其他等項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)影響較小。通過(guò)DEMATEL-TOPSIS法對(duì)各組工藝方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)得出第2組工藝方案最好，驗(yàn)證了該方法的可行性。

(3)對(duì)電火花加工工藝的評(píng)價(jià)，僅做了初步的研究，無(wú)論是指標(biāo)體系還是評(píng)價(jià)方法，需要深入的開展研究。

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