機床造型設(shè)計可制造性評價的AHP模型及其應(yīng)用

機床造型設(shè)計可制造性評價的AHP模型及其應(yīng)用

趙瑋宇，李永堂

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

摘要：機床區(qū)別于其他機械的主要特征之一是“精密”，其外觀形象同樣需具備該特征，也決定了機床造型應(yīng)該更加重視其可制造性，主要體現(xiàn)在表面質(zhì)感、體面轉(zhuǎn)折、線型細(xì)部等的加工精度方面?；诖酥攸c構(gòu)建了結(jié)合機床造型及其可制造性兩方面的多層次、多屬性評價模型，并采用層次分析法對Z28k冷滾壓機造型設(shè)計方案進(jìn)行了評價，給出了方案的評價結(jié)果，驗證了評價指標(biāo)的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：機床；造型評價；可制造性評價；AHP

收稿日期：2015-01-04

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51475316)

作者簡介：趙瑋宇(1988-)，女，碩士研究生，主要研究方向為精密成形及新工藝的研究；

中圖分類號：TB472；TG502 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

在機床市場競爭日益激烈的今天。國際名牌機床不光品質(zhì)卓越，功能完善，其外形造型較國內(nèi)機床更為美觀時尚。因此國內(nèi)機床企業(yè)不僅要在機床的功能、結(jié)構(gòu)和工藝方面進(jìn)行研發(fā)，更要對其外觀加以改進(jìn)設(shè)計，以有效提高產(chǎn)品附加值，提高市場競爭力。但是在外觀設(shè)計方面，設(shè)計人員對制造方面因素往往考慮不足，因而常常在加工方面出現(xiàn)問題。這就要求設(shè)計人員在設(shè)計階段初期對產(chǎn)品設(shè)計方案進(jìn)行評價，即可制造性評價?？芍圃煨栽u價的主要工作是在給定的設(shè)計信息和制造資源的條件下，確定設(shè)計方案的可制造程度。如果設(shè)計方案不可制造，找出引起問題的設(shè)計原因并修改其不合理處。

1產(chǎn)品可制造性及評價指標(biāo)

1.1產(chǎn)品可制造性

產(chǎn)品可制造性與設(shè)計及其制造等多領(lǐng)域的問題相關(guān)。清華大學(xué)宋玉銀等把可制造性定義為：可制造性是對給定制造資源，滿足用戶要求的產(chǎn)品設(shè)計對制造資源的一種優(yōu)化[1]。

廣義上說，所謂產(chǎn)品的可制造性指的是在性能標(biāo)準(zhǔn)以及資源制約下，評定產(chǎn)品制造質(zhì)量的綜合性指標(biāo)。在這種觀點下，有著好的可制造性的產(chǎn)品相比其他產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)擁有低成本，工藝性強和易裝配操作等特點?？芍圃煨陨婕暗囊匕ㄖ圃斐杀?、加工工藝性和裝配工藝性等。在不同領(lǐng)域的實際應(yīng)用過程中，產(chǎn)品可制造特點也各不相同。

1.2評價指標(biāo)

由于方案設(shè)計過程涉及因素錯綜復(fù)雜，在方案設(shè)計論證階段，對方案的評價十分必要。因此建立系統(tǒng)化的多目標(biāo)評價指標(biāo)系統(tǒng)意義重大。

按照決策過程，將各種因素按彼此間關(guān)系進(jìn)行分解，構(gòu)建出層次化的分析模型。這樣的過程將設(shè)計目標(biāo)分解成一系列具體的分目標(biāo)——評價指標(biāo)，以便實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。評價指標(biāo)是評價問題的全面反映，應(yīng)該容易理解、描述準(zhǔn)確、體現(xiàn)公正和易于擴(kuò)展。

主要針對機床產(chǎn)品的外觀概念設(shè)計進(jìn)行評價。針對機床產(chǎn)品特性，評價過程不僅要對機床外觀造型方面進(jìn)行基于工業(yè)設(shè)計知識的評估，還要結(jié)合可制造性知識判斷設(shè)計是否滿足功能要求及基于現(xiàn)有的條件下的實現(xiàn)程度等。從而指導(dǎo)設(shè)計。評價體系如圖1所示。

圖1　機床外觀可制造性評價指標(biāo)體系

(1)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：經(jīng)濟(jì)指標(biāo)環(huán)繞產(chǎn)品設(shè)計規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)效益評議，其中包括方案所涉及的成本和利潤等[2]。這里的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括有：材料費用和生產(chǎn)費用。同時還要考慮生產(chǎn)用時與產(chǎn)出的關(guān)系，即生產(chǎn)效率。

(2)技術(shù)指標(biāo)：技術(shù)評價是評判設(shè)計方案對要求和技術(shù)功能要求的滿足水平。主要評價方案總體布局是否合理，結(jié)構(gòu)是否緊湊。基于現(xiàn)有資源進(jìn)行產(chǎn)品可加工工藝性、可加工性、結(jié)構(gòu)工藝性分析。

加工工藝性：這里針對設(shè)計方案中涉及到的特征及零件的加工方法進(jìn)行評價。主要考慮產(chǎn)品設(shè)計形態(tài)與所選材質(zhì)固有屬性之間的匹配度問題，即設(shè)計方案中的涉及到材料以及相應(yīng)的加工方法能否在現(xiàn)實加工條件下生產(chǎn)出來，同時還包括人機尺寸與加工工藝協(xié)調(diào)性。同時還需考慮尺寸精度要求合理度。以及類似方案的加工方法能否在現(xiàn)有方案中得到繼承。工藝?yán)^承性評估將對產(chǎn)品系列化、零件標(biāo)準(zhǔn)化和工具標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)進(jìn)行評價。

可加工性：現(xiàn)有的外觀覆蓋件加工方法多為壓力加工、鑄造加工和焊接加工。可加工性評價指標(biāo)用以分析產(chǎn)品設(shè)計中所涉及到的零件與特征對以上加工方法的適用度[3]。判斷方案中曲面獲取可行性和曲率可制造性。另外還需考慮加工技術(shù)以及資源的約束性。

結(jié)構(gòu)工藝性分析：評估機床功能結(jié)構(gòu)要求與設(shè)計方案中的匹配度。機床結(jié)構(gòu)與加工方法、方案中涉及的曲面造型的加工工藝性等在現(xiàn)有的條件下的實現(xiàn)程度，以及模塊化程度、功能結(jié)構(gòu)、裝配模式等。由于機床產(chǎn)品具有通用特性，因此還需要評價設(shè)計方案中的結(jié)構(gòu)及特征能否在其他相似機床上得以延伸和繼承。

(3)外觀造型因素 外觀造型因素是外觀設(shè)計的主體。外觀造型設(shè)計需要遵循的工業(yè)設(shè)計原則與要求進(jìn)行分析。評估造型方案在形態(tài)上對美感，風(fēng)格的表達(dá)程度，以及宜人性的實現(xiàn)。評價指標(biāo)：結(jié)構(gòu)創(chuàng)新引起的美感提升、形態(tài)與風(fēng)格的創(chuàng)新、新結(jié)構(gòu)對性能的提高。

2評價方法

在整體評價過程中，各指標(biāo)所體現(xiàn)出的重要程度有所不同，也就是各項指標(biāo)的相對權(quán)重。在評價過程中表現(xiàn)為各項評價指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)。

層次分析法(AHP)是一種能反映出決策者的主觀意向，通用性良好的分析方法。因此這里將采用層次分析法來決策權(quán)重。以下對層次分析評價方法予以說明。

層次分析法的基本步驟為：

(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型

由決策的各要素對象之間的隸屬關(guān)系繪出遞階層次結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

(2)構(gòu)造各層次中所有判斷矩陣

在確定各層次中各因素對相應(yīng)的上層某因素的影響程度時，通過采用一致矩陣法來減少本層次中各因素由于性質(zhì)不同所帶來的比較困難。其過程是將同層次中的因素進(jìn)行兩兩相互比較，然后建立出相應(yīng)的判讀矩陣。對比時采用相對標(biāo)度法，判斷矩陣元素a、ij標(biāo)度方法由表1得出：

圖2　遞階層次結(jié)構(gòu)圖

表1　判斷矩陣標(biāo)度定義

(3)層次單排序并做一致性檢驗。

所謂層次單排序是指針對上一層某元素而言，對本層次各因素進(jìn)行重要性比較[4]。

對每個成對比較矩陣計算最大特征值及其對應(yīng)的特征值λmax，然后利用公式(1):

(1)

計算出一致性指標(biāo)CI(consistencyindex)，由平均隨機一致性指標(biāo)表得一致性指標(biāo)RI，最后通過公式(2)計算出一致性比率CR.

(2)

當(dāng)CR<0.10時，認(rèn)為以上構(gòu)建出的判斷矩陣的一致性是可以接受的。

(4)計算總排序權(quán)向量并做一致性檢驗。

計算某個層次中的全部因素對最高層總排序的相對重要性的權(quán)值，進(jìn)行一致性檢驗，計算各要素對系統(tǒng)總目標(biāo)的合成權(quán)重，最后對方案層各方案做出決策。

3實例

以Z28k數(shù)控冷滾壓機造型概念設(shè)計為實例，由相關(guān)人士對其造型設(shè)計方案進(jìn)行評定，通過層次分析軟件進(jìn)行分析。

在概念設(shè)計過程中，客戶需求并不是一個單一具體概念。而是由多種不同形式的模糊性需求所組成的集合。當(dāng)模糊性需求映射到產(chǎn)品功能原理設(shè)計域時，其目標(biāo)又是一個由多個解組成的復(fù)雜集合。同時，功能原理設(shè)計域和設(shè)計方案域之間也是通過這種映射方式相聯(lián)系的[3]。因此，設(shè)計需求集產(chǎn)生不同的產(chǎn)品功能原理組合集，進(jìn)而產(chǎn)生不同的產(chǎn)品概念設(shè)計方案集，使得設(shè)計方案多樣化。在此，筆者列舉三種不同的外觀設(shè)計方案加以分析。

三種方案不僅在造型因素方面有所區(qū)別，在可制造性方面同樣存在差異。如圖3所示，方案1選用金屬材質(zhì)，形態(tài)設(shè)計上運用了斜面和圓角元素。在經(jīng)濟(jì)性方面要評估此方案選用的金屬材料費用、加工費用及生產(chǎn)效率。在技術(shù)指標(biāo)方面需要評價方案中運用到的斜面和圓角特征元素是在現(xiàn)有條件下的可加工性、對主流加工方式的適應(yīng)程度。另外，還需要判斷設(shè)計中的帶有相應(yīng)特征的零件在是否滿足機床的特點，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計能否在相近的機床外觀設(shè)計中得以延續(xù)使用。方案2和方案3同樣需要進(jìn)行以上分析和比較。由此繪制層次結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。

繪制出層次結(jié)構(gòu)模型之后，由相對標(biāo)度法對各層次中的各個因素分別兩兩比較，確定判斷矩陣。判斷矩陣構(gòu)建過程如圖4所示。

構(gòu)建出判斷矩陣后，其一致性在合理范圍內(nèi)。最后由層次分析原則可確定出權(quán)重分布圖(圖5)，得出分析結(jié)果(圖6)。

4結(jié)論

結(jié)合產(chǎn)品可制造性知識建立出機床外觀的可制造性評價指標(biāo)，使外觀造型設(shè)計與加工制造相互聯(lián)系，形成具有內(nèi)在結(jié)構(gòu)的有機整體。結(jié)合層次分析法，以Z28k數(shù)控冷滾壓機造型設(shè)計評價實例驗證了評價指標(biāo)的可行性和有效性。本文所提出的評價指標(biāo)實踐操作性較強，符合概念設(shè)計評價的特點，并行之有效。具有很好的應(yīng)用前景。

圖3　層次結(jié)構(gòu)模型

圖4　判斷矩陣

圖5　權(quán)重分布

圖6　總分析結(jié)果

參考文獻(xiàn)：

[1]宋玉銀，肖亦暉，成曄，等.產(chǎn)品可制造性及評價方法的研究[J].清華大學(xué)學(xué)報，1998，38(7)：111-114.

[2]程美.注塑產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計的可制造性設(shè)計與評價[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2007，19(10)：263-264.

[3]劉國昌，茍秉宸.產(chǎn)品概念設(shè)計可制造性評價方法研究[J].計算機工程與應(yīng)用，2013，49(5)：55-58.

[4]李政鵬.大體積混凝土溫控防裂相關(guān)問題研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2012.

AHP Model of Manufacturability Evaluation of Machine Design

and Its Application

ZHAO Wei-yu，LI Yong-tang

(School of Material Science and Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，

Taiyuan 030024，China)

Abstract：Precision is one of the principal features which distinguish machine tools from other machinery.The appearance of machine tools not only has the same characteristics，but also should be paid more attention to its manufacturability.It mainly reflected in the surface texture，decent twist and linear details，which belong to the machining accuracy aspect.Combining the machine tool modelling and manufacturability，the multi-level and multi-attribute evaluation model was built based on above analysis，and was used to evaluate the designing schemes of Z28k cold rolling machine moulding though analytic hierarchy process(AHP)，and the evaluation results are also given.It is proved that the evaluation index system proposed in this study is effective and feasible through example analysis.

Key words：machine tools，model evaluation，manufacturability evaluation，AHP