基于層次分析法的數(shù)控機(jī)床精度評價系統(tǒng)

孫惠娟

摘要：機(jī)床精度問題是機(jī)床設(shè)計廠家和用戶普通關(guān)心的問題，針對機(jī)床的精度評價問題，利用層次分析法對實驗對象機(jī)床進(jìn)行了測評指標(biāo)集的設(shè)計，構(gòu)建機(jī)床精度評價指標(biāo)體系，并根據(jù)用戶的需求開發(fā)了數(shù)控機(jī)床精度評價原型系統(tǒng)，為數(shù)控機(jī)床精度的保持和提高奠定了理論與實踐的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：層次分析法；數(shù)控機(jī)床；精度

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）31-0066-03

數(shù)控機(jī)床的各項誤差對機(jī)床的加工精度有不同程度的影響，通過對各種誤差源進(jìn)行檢測得到機(jī)床的各項誤差值。根據(jù)機(jī)床當(dāng)前測得的各項誤差，如何來判斷機(jī)床當(dāng)前的整體精度與可加工能力，則需要對機(jī)床的整體精度進(jìn)行綜合評價，判斷機(jī)床目前的整體精度狀況，然后再進(jìn)行逐層分析，找出哪些部件的誤差對機(jī)床整體精度影響較為明顯，判斷在目前的精度狀況下機(jī)床的可加工能力及精度未來的變化趨勢。因此，利用機(jī)床的各項誤差指標(biāo)進(jìn)行機(jī)床的整體精度評價的過程是一個由下到上、由局部到整體的過程。本文基于層次分析法的模糊綜合評判對機(jī)床精度進(jìn)行評價，根據(jù)用戶需求開發(fā)基于J2EE平臺的數(shù)控機(jī)床精度評價系統(tǒng)，實現(xiàn)對實驗對象機(jī)床的精度進(jìn)行評價與分析。

1 層次分析評判法

機(jī)床的精度屬于多目標(biāo)決策問題，可運用多目標(biāo)多屬性的方案評價與決策方法對機(jī)床進(jìn)行評價和決策來確定機(jī)床精度狀態(tài)。采用層次分析法確定評價指標(biāo)權(quán)重，將評判的主要因素按屬性分為若干層，首先在每一層內(nèi)部進(jìn)行綜合評判，在對各層的評判結(jié)果進(jìn)行層次間的高一層次的綜合評判，同時運用模糊綜合評判方法，求解機(jī)床精度評判模型，通過比較其綜合精度，對機(jī)床精度進(jìn)行評價。

層次分析法是一種定量與定性相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法，不僅能夠有效地對人們的主觀判斷做客觀描述，而且簡潔、適用，在對定性事件進(jìn)行定量分析和模糊評價中，該方法應(yīng)用比較廣泛[1-4]。

層次分析法的主要步驟[5]如下：

1） 對構(gòu)成評價系統(tǒng)的目的、評價指標(biāo)等要素建立多級評價結(jié)構(gòu)模型。

2） 對同一級的評價要素以上一級的要素為指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，并根據(jù)評價尺度確定其相對重要度，由此建立各個判斷矩陣。

3） 計算各級判斷矩陣的特征向量，確定各要素的相對重要度。

4） 最后計算綜合重要度，對各種方案要素進(jìn)行排序，從而為決策提供依據(jù)。

利用基于層次分析法對數(shù)控機(jī)床精度進(jìn)行評價的具體過程參見論文[6]。

2 精度指標(biāo)評價體系設(shè)計

利用層次分析法進(jìn)行機(jī)床精度評價的第一步是建立多級評價結(jié)構(gòu)模型，其中精度評價指標(biāo)的選取尤為重要，所選取的指標(biāo)既要盡可能全面，又要使精度指標(biāo)的數(shù)據(jù)容易獲取。本文運用層次分析法思想建立了如圖1所示的評價指標(biāo)體系，體系分三個層次，第一層為總目標(biāo)因素集[U=U1，U2，U3，U4]；

第二層為二級目標(biāo)因素集[Ui]，

其中[U1=U11，U12，U13，U14，U15，U16]，

[U2=U21，U22，U23]，

[U3=U31，U32，U33，U34，U35]，

[U4=U41，U42，U43]。

第三層為三級目標(biāo)因素集[Uij]，

其中[U11=U111，U112，U113，U114，U115]，

[U12=U121，U122，U123，U124，U125]，

[U13=U131，U132，U133，U134，U135]，

[U14=U141，U142]，

[U15=U151，U152]，

[U16=U161，U162，U163，U164，U165]。

3 基于J2EE的數(shù)控機(jī)床精度測評系統(tǒng)

3.1 開發(fā)及運行環(huán)境

本系統(tǒng)使用J2EE作為開發(fā)平臺，采用Myeclipse8.0+Tomcat5.5進(jìn)行整體設(shè)計。服務(wù)器端采用Java編寫，可直接應(yīng)用于各種不同的服務(wù)器平臺之上。數(shù)據(jù)庫采用Oracle9i作為數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)。系統(tǒng)環(huán)境基于微軟Windows XP/Server 2003，系統(tǒng)架構(gòu)采用WEB方式（B/S架構(gòu)）開發(fā)，集成平臺核心框架與各子系統(tǒng)采用基于XML Web Services技術(shù)的松散集成方式。系統(tǒng)采用MVC架構(gòu)設(shè)計，進(jìn)一步明晰各層次關(guān)系，增強(qiáng)構(gòu)件可重用度，提高開發(fā)效率。

圖2所示為系統(tǒng)的架構(gòu)圖。該結(jié)構(gòu)基于組件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，與平臺無關(guān)。業(yè)務(wù)邏輯被封裝成可復(fù)用的組件，J2EE服務(wù)器以容器的形式為所有的組件類型提供后臺服務(wù)。

3.2 數(shù)控機(jī)床精度測評系統(tǒng)主要功能

如圖3所示，數(shù)控機(jī)床精度測評系統(tǒng)主要分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)瀏覽與修改模塊、精度數(shù)據(jù)獲取模塊、判斷矩陣修改模塊、機(jī)床精度評價模塊、測評結(jié)果顯示模塊五大功能模塊。其中：1）信息瀏覽模塊主要對系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽，還包括對機(jī)床信息、檢測工具信息、精度指標(biāo)信息和精度數(shù)據(jù)信息進(jìn)行添加、刪除和修改等功能；2）精度數(shù)據(jù)獲取模塊主要有生成精度數(shù)據(jù)模版、上傳精度數(shù)據(jù)文件、錄入精度數(shù)據(jù)等功能；3）判定矩陣修改模塊可實現(xiàn)對判定矩陣的查詢及修改功能，該模塊還提供了精度評價指標(biāo)判定矩陣的修改功能；4）精度測評功能模塊主要完成對機(jī)床精度數(shù)據(jù)的評價。利用精度數(shù)據(jù)獲取子模塊，用戶能夠?qū)z測的精度數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。該模塊還可根據(jù)獲取的精度數(shù)據(jù)和所選的精度指標(biāo)項，對機(jī)床的當(dāng)前精度（包括單項精度和綜合精度）按照給定的算法進(jìn)行評價，并給出評價結(jié)果；5）結(jié)果顯示功能模塊能夠根據(jù)用戶的需要，導(dǎo)出各個時間節(jié)點的各種精度測評報告、精度對比分析報告和精度改進(jìn)建議報告，以PDF、Excel等滿足用戶需要的多種文件格式輸出，并可在軟件操作界面對所評價的結(jié)果以及歷史數(shù)據(jù)以圖形化方式顯示。

3.3 數(shù)控機(jī)床精度測評流程

對數(shù)控機(jī)床精度進(jìn)行評價的流程如圖4所示。進(jìn)入精度測評模塊后首先選擇所評價的對象機(jī)床，評價記錄的時間為系統(tǒng)當(dāng)前的時間。針對當(dāng)前選擇的機(jī)床確定要評價的精度指標(biāo)項，可以選擇任意多項精度指標(biāo)進(jìn)行評價，如果選擇單項精度指標(biāo)進(jìn)行評價，則未選中的精度指標(biāo)項其權(quán)重系數(shù)可設(shè)為接近于0的數(shù)，然后利用1～9標(biāo)定法確定各層相鄰兩個指標(biāo)項之間的重要性，建立整個評價體系中各層的判斷矩陣。對于已經(jīng)確定的判斷矩陣求解其最大特征值并進(jìn)行歸一化處理，得到各層的權(quán)重系數(shù)。由專家組、相關(guān)工程人員對低層精度指標(biāo)進(jìn)行評價，并對評價結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計和整理得到底層的評價矩陣。在確定了各層的權(quán)重系數(shù)和評價矩陣后，從低層開始逐層計算各層的評價結(jié)果向量，在對上一層進(jìn)行評價時，其評價矩陣直接利用下層的評價矩陣進(jìn)行計算，依此法逐層進(jìn)行評價，最終得到最高層的評價結(jié)果向量。本文所開發(fā)的精度測評系統(tǒng)，可將每次評價的結(jié)果存儲在數(shù)據(jù)庫中，方便以后查詢和對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，預(yù)測機(jī)床的精度發(fā)展趨勢。

3.4 數(shù)控機(jī)床精度測評典型模塊運行實例

1） 測評系統(tǒng)主界面

成功登錄系統(tǒng)后即進(jìn)入如圖5所示的系統(tǒng)主界面，主界面左側(cè)的目錄是測評系統(tǒng)的主要功能模塊，點擊某項功能，其主要功能模塊界面可在右側(cè)主頁面中展現(xiàn)。

2） 精度指標(biāo)瀏覽與修改界面

如圖6和圖7所示為精度指標(biāo)項的信息瀏覽和修改界面，通過精度指標(biāo)修改界面可以實現(xiàn)對所評機(jī)床的精度指標(biāo)項進(jìn)行添加、刪除和修改等操作。

4） 精度獲取界面

如圖8所示，用戶可以根據(jù)需要選擇合適的方式對精度數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。上傳的文件類型默認(rèn)為Excel格式。在進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳時，可以根據(jù)檢測模式的不同，生成不同的模板數(shù)據(jù)，用戶只需要在該模板中填入數(shù)據(jù)，再選擇上傳即可存入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)表中。

5） 精度測評界面

精度評價時，首先選擇對象機(jī)床，然后確定機(jī)床精度測評的項目，即單項精度或綜合精度。綜合精度評價時的界面如圖9所示，綜合精度評價時用戶可以選擇任意多項評價指標(biāo)。精度評價完成后，測評結(jié)果將以PDF文件的格式保存到指定的目錄下。

6） 精度測評結(jié)果查看

測評報告模塊可以根據(jù)時間節(jié)點查看前期測評結(jié)果。圖10為機(jī)床綜合精度測評結(jié)果，用戶可以打開相應(yīng)的測評報告。同時用戶還可以在此界面上查看某臺機(jī)床特定時間的評價報告、精度對比分析報告和精度改進(jìn)建議報告等。

4 結(jié)論

本文介紹了利用層次分析法對數(shù)控機(jī)床精度進(jìn)行評價的主要步驟，并根據(jù)用戶的實際需要，開發(fā)了數(shù)控機(jī)床精度測評原型系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可方便地對機(jī)床當(dāng)前的整體精度與進(jìn)行綜合評價，為數(shù)控機(jī)床的日常維護(hù)保養(yǎng)及加工質(zhì)量的提高機(jī)床提供了依據(jù)。

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