基于可拓理論的重型機床再制造方案評價方法*

杜彥斌 李成成

(重慶工商大學制造裝備機構(gòu)設計與控制重慶市重點實驗室，重慶 400067)

重型機床是大型機械裝備的工作母機，主要應用于船舶、工程機械、軌道交通、能源裝備(風電設備、水電設備、核電裝備等)、石油化工設備等機械裝備行業(yè)，是國之重器[1]。我國重型機床裝備行業(yè)發(fā)展迅速，為國家支柱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了關鍵設備與制造能力，目前保有量預計40萬臺以上，尤其是上世紀我國從國外進口大量的重型機床裝備及生產(chǎn)線，這些重型機床裝備大多處于超期服役狀態(tài)，性能退化嚴重，電氣控制及自動化水平落后，數(shù)控化率低，已成為制約我國制造業(yè)智能制造、綠色制造轉(zhuǎn)型的瓶頸，迫切需要實施再制造與技術(shù)升級[2]。

目前，重型機床再制造已成為我國機床行業(yè)的重要組成部分，迄今已完成了數(shù)以萬計的老舊機床性能恢復與升級，成為了重型機床制造的補充，解決了制造業(yè)裝備制造能力不足的問題[3]。目前，《高端智能再制造行動計劃(2018-2020年)》中將重型機床再制造列為重點支持領域。由于重型機床附加值高、再制造難度大，對再制造方案的可行性要求極高，否則再制造實施失敗將造成嚴重的損失[4]。目前，國內(nèi)外存在很多關于可再制造性及再制造方案可行性分析的研究[5]，如：文獻[6]從技術(shù)性、經(jīng)濟性、資源性和環(huán)境性4個方面建立了可再制造性評價指標體系，并利用雙層模糊綜合評判方法建立了一種可再制造性多目標綜合評價方法；文獻[7]基于產(chǎn)品CAD模型提取的設計特征與信息(如物料清單、配合特征、尺寸和公差特征、刀具與附件等信息)，建立了涵蓋可拆解性、產(chǎn)品復雜性、可回收性等指標的可再制造性評價模型，并開發(fā)了支持軟件；文獻[8]建立了重型機床基礎件再制造評價指標體系，并形成了指標值求解方法，進而提出了一種重型機床基礎件可再制造性評價方法；文獻[9]建立了包括經(jīng)濟性、技術(shù)性、資源性、環(huán)境性的機床再制造方案綜合評價指標體系，形成了一種基于熵權(quán)與層次分析法的機床再制造方案綜合評價方法。經(jīng)綜述分析，大多數(shù)相關文獻側(cè)重于新產(chǎn)品開發(fā)階段的可再制造性分析，而關于再制造方案評價的研究側(cè)重于中小型機床或零部件，而且主要從經(jīng)濟、技術(shù)、資源、環(huán)境的宏觀指標角度出發(fā)，對于部分指標的量化還不夠科學合理。

針對重型機床再制造方案評價問題，本文擬引入可拓理論，構(gòu)建重型機床再制造方案評價指標體系，進而形成一種基于可拓理論的重型機床再制造方案評價方法，可為重型機床再制造的方案決策提供指導與支持。

1 重型機床再制造方案評價指標體系的構(gòu)建與量化

重型機床再制造方案的確定，對于再制造機床的功能、性能、質(zhì)量及可靠性等均具有重要影響。在滿足用戶要求的前提下，如何形成具有最高性價比的再制造重型機床，是再設計階段需要重點解決的決策問題。由于重型機床結(jié)構(gòu)的特殊性，其主體機械結(jié)構(gòu)尤其是大件結(jié)構(gòu)(如床身、工作臺等)長期以來無太大變化，而且這些鑄造結(jié)構(gòu)件經(jīng)歷長期自然時效，殘余應力已完全消除，精度穩(wěn)定性更高。這些因素，使得重型機床再制造價值巨大，資源循環(huán)利用率較高，技術(shù)可行性較高。基于此，在重型機床再制造方案評價與決策過程中，主要側(cè)重于再制造機床的技術(shù)性能以及再制造成本，而忽略技術(shù)可行性、資源環(huán)境可行性(文獻[9]中將其作為評價指標)，所建立的重型機床再制造評價指標體系如圖1所示。

1.1 經(jīng)濟性指標

重型機床重量大，重達30 t以上，甚至上百噸，耗費大量的鋼鐵資源；價值很高，單臺價值數(shù)百萬元，甚至幾千萬元；交貨期長，一般要半年，甚至一年以上。重型機床再制造可恢復老舊機床的功能并實現(xiàn)性能升級，資源循環(huán)利用率達80%以上(按重量計)，再制造周期一般為3～6個月，再制造成本一般為新機床成本的1/3～2/3。由于重型機床的價值巨大，再制造方案設計過程中需要從再制造成本、再制造時間等角度對其經(jīng)濟性進行評價。

(1)再制造成本指標c1

重型機床再制造成本Cr包括再制造過程的工時費用、外購件成本以及材料消耗費用等。重型機床再制造方案評價需要考慮再制造成本與新機床價格之間的關系，再制造成本指標c1的評價值可采用公式(1)進行量化計算。

(1)

其中：Cn表示同種性能的重型機床新品的價格。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，當c1小于40%時，用戶對于實施再制造具有較高的傾向性；而當c1大于60%時，用戶對于實施再制造的傾向性逐漸降低。

(2)再制造時間c2

由于重型機床損傷程度的不確定性，導致再制造工藝過程及交貨期存在不確定性。而重型機床一般是用戶企業(yè)的關主設備，交貨期的延遲將造成重大損失。因此，再制造方案設計決策中需要考慮再制造過程花費的時間，應該在用戶可承受范圍內(nèi)。再制造時間指標c2的評價值可采用公式(2)進行量化計算。

(2)

其中：TE表示用戶期望交貨期(由于重型機床大多屬于用戶的瓶頸裝備，為避免停工損失，用戶一般期望交貨期越短越好)，Tr表示重型機床再制造需要花費的時間。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，當再制造時間小于用戶期望交貨期時，用戶對于實施再制造的期望性較大；而當再制造時間滿足不了用戶期望交貨期時，用戶對于實施再制造的期望性逐漸減低。

1.2 技術(shù)性能指標

(1)精度c3

重型機床再制造驗收一般按照新機床出廠標準進行驗收，并主要從幾何精度、工作精度、定位精度和重復定位精度等方面進行精度驗收。再制造方案設計階段，所確定的該類別機床的出廠檢驗項目所對應的精度指標值為O={o1,o2,…,oG}，其中g(shù)=1,2,…,G；G為精度檢驗項目數(shù)。依據(jù)參考文獻[9]，將各項指標值進行對比分析，并將精度等級評語集設定為{很好,好,一般,差,很差}，對應數(shù)值為{1,0.8,0.6,0.4,0.2}；經(jīng)綜合評價，各項評價值為L={l1,l2,…,lG}；重型機床精度指標的評價值c3可采用公式(3)進行量化計算。

(3)

其中：ωg表示各項評價精度項目的權(quán)重。

(2)可靠性c4

可靠性是重型機床獲取用戶認可的關鍵因素，而其中最重要的參數(shù)是MTBF(即平均故障間隔時間)。重型機床的停機及故障，會給用戶企業(yè)帶來極大損失，這就要求再制造重型機床的MTBF要盡可能地達到新機床水平?？煽啃灾笜说脑u價值c4可采用公式(4)進行量化計算。

(4)

其中：MTBFr表示再制造重型機床設計過程確定的MTBF值，MTBFN表示同種性能新機床的MTBF值。

(3)加工效率c5

重型機床主要針對大型工件的加工，加工周期長；重型機床再制造可實現(xiàn)原有老舊機床裝備的性能提升，提高加工效率。加工效率的評價值c5可通過公式(5)來量化計算。

(5)

其中：tr、tf分別表示再制造重型機床、原機床加工同一工件，分別需要花費的時間。經(jīng)過再制造后，相比于原機床，加工效率可提高，加工時間可縮短。

(4)工藝適應性(工藝范圍)c6

通過安裝專用工裝夾具，可擴大再制造重型機床的工藝范圍，但帶來了成本的增加。工藝適應性c6可通過專家評判法來量化計算：當再制造重型機床工藝范圍擴大，可完成的工序及工件種類顯著增加，則c6可設定為“優(yōu)”，評價值為(0.90,1.00]；當再制造重型機床工藝范圍適當擴大，可完成的工序及工件種類有所增加，則c6可設定為“良”，評價值為(0.80,0.90]；當再制造重型機床工藝范圍有所擴大，但結(jié)構(gòu)復雜性提高，則c6設定為“中”，評價值為(0.70,0.80]；當再制造重型機床工藝范圍未擴大，則c6設定為“及格”，評價值為(0.60,0.70]；當再制造重型機床工藝范圍變窄，即降級使用，則c6設定為“不及格”，評價值為(0,0.60]。

(5)宜人性c7

重型機床的宜人性主要考慮其安全性、可維護性、操作舒適性、顯示/控制設備合理性等指標。宜人性c7主要通過專家模糊評判法的方式進行評定，并將評語設定為[宜人性非常好；宜人性較好；宜人性一般；宜人性尚可；宜人性差]五個等級，分別對應評價值[0.9-1；0.8-0.9；0.7-0.8；0.6-0.7；0-0.6]。

2 基于可拓理論的重型機床再制造方案評價模型

2.1 物元模型的建立

(1)經(jīng)典域的確定[10]

假設重型機床再制造方案優(yōu)化決策具有n個(n=7)評價指標，即c1,c2,c3,…,cn，將機床再制造方案優(yōu)化決策分為m個水平等級，則可得經(jīng)典物元模型為：

開展此項工作前要讓人們深入了解此類疾病的傳播途徑，最大限度地提升人們的思想意識，進而提升預防的力度。結(jié)合牲畜飼養(yǎng)狀況對完善的消毒工作制度進行構(gòu)建，牛場的設計要將國家動物衛(wèi)生防疫方面的要求作為根本依據(jù)，將消毒池和消毒間設置在門口；推行封閉式的飼養(yǎng)管理模式，確保飼養(yǎng)人員工作服的清潔，車輛以及行人等不可隨意進出飼養(yǎng)場內(nèi)部；牲畜飼養(yǎng)間保證每周最少徹底消毒1次，可采用2%福爾馬林溶液、20%的石灰乳、1%或3%的石炭酸溶液、3%的漂白粉溶液或苛性鈉溶液進行消毒，消毒效果比較理想。

(6)

其中：Rj為重型機床再制造方案評價第j等級的物元模型，j=1,2，…,m；Nj為機床再制造方案評價第j個評價等級；C是重型機床再制造方案評價指標體系；Vj為評價指標C的取值范圍，其中j等級下指標ci對應的取值范圍為vji，即。

設定重型機床再制造方案評價共有5個(m=5)等級，即N1=Ⅰ級(優(yōu))，N2=Ⅱ級(良好)，N3=Ⅲ級(中)，N4=Ⅳ級(合格)，N5=V級(不合格)。各個等級對應的評價指標界限值如表1所示(閾值的確定隨著技術(shù)發(fā)展可動態(tài)變化，表1僅為參考值)。

表1 重型機床再制造方案評價各等級對應評價指標界限值

等級分類再制造成本c1再制造時間c2精度c3可靠性c4加工效率c5工藝適應性c6宜人性c7Ⅰ級(0,0.40](0.95,1.00](0.90,1.00](0.90,1.00](0,0.60](0.90,1.00](0.90,1.00]Ⅱ級(0.40,0.50](0.90,0.95](0.80,0.90](0.80,0.90](0.60,0.70](0.80,0.90](0.80,0.90]Ⅲ級(0.50,0.60][0.85,0.90)(0.70,0.80](0.70,0.80](0.70,0.80](0.70,0.80](0.70,0.80]Ⅳ級(0.60,0.70][0.80,0.85)(0.60,0.70](0.60,0.70](0.80,0.90](0.60,0.70](0.60,0.70]Ⅴ級(0.70,1.00][0,0.80)(0,0.60](0,0.60](0.90,1.00](0,0.60](0,0.60]

(2)節(jié)域(Rp)的確定

重型機床再制造方案評價的各個指標的值域稱為節(jié)域(Rp)，如式(7)所示。

(7)

其中：P是指全部評價等級；vpi是指P在評價指標ci中的取值范圍，也就是。

(3)待評物元的確定

對于待評價的重型機床再制造方案，所形成的指標評價信息可用物元模型(8)來表示。

(8)

其中：vi是重型機床再制造方案k關于ci的量值，也就是k方案的評價指標值。

2.2 計算待評再制造方案關于各等級的關聯(lián)度

設k方案和各個評價等級Nj(j=1,2,…,m)關于評價指標ci的距是ρ(vki,vji)，k方案和節(jié)域P關于評價指標ci的距是ρ(vki,vpi)，可得重型機床再制造方案的評價指標ci關于第j個等級的關聯(lián)函數(shù)為[10]：

(9)

進一步計算，可得到k方案關于各個評價等級Nj的綜合關聯(lián)度為：

(10)

其中：ωi為重型機床再制造方案評價指標ci的權(quán)重系數(shù)，可通過層次分析法等方法確定[11]。

3 案例應用

某水電設備制造企業(yè)在役的SKODA普通重型臥式車床，主要用于水電設備大型構(gòu)件的加工。該重型臥車經(jīng)歷數(shù)十年的服役，其機械部分磨損嚴重，幾何精度超差嚴重(床身導軌和大、小拖板磨損嚴重，車頭主軸軸向竄動過大，大、小中心架精度差)，電氣控制系統(tǒng)技術(shù)落后，目前已不能滿足企業(yè)轉(zhuǎn)型升級需求，加工精度不滿足企業(yè)新產(chǎn)品的加工要求(車削內(nèi)外圓表面粗糙度只能達到Ra6.3 μm)，迫切需要實施再制造。

3.1 重型臥車再制造方案確定

對該重型臥車機械結(jié)構(gòu)進行分析：該重型臥車主軸為滾動軸承結(jié)構(gòu)，直流電動機驅(qū)動；床身有4條導軌，床身寬3 150 mm；機床有一個刀架，包括：大拖板，中拖板，小拖板回轉(zhuǎn)座，小拖板，刀臺拖板；刀架大拖板縱向移動進給為電動機→拖板箱→齒輪/齒條驅(qū)動，中拖板橫向移動進給為電動機→拖板箱→梯形絲杠/螺母副驅(qū)動；尾座由上下體組成。

針對該機床目前存在的問題，需要對該重型臥車實施再制造，并形成再制造方案：恢復該重型臥車的出廠精度；修復該重型臥車的床身、刀架大拖板/中拖板、小拖板及刀臺拖板、尾座以及大(小)中心架，恢復其幾何精度及配合精度；更換主軸軸承、頂尖主軸軸承、中心架滾輪軸承；保留主軸驅(qū)動直流電動機及調(diào)速器；采用西門子SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)對刀架進行數(shù)控技術(shù)改造(半閉環(huán))；更新主軸箱液壓潤滑系統(tǒng)、溜板箱進給潤滑系統(tǒng)、尾座液壓潤滑系統(tǒng)，改善機床冷卻潤滑條件；再設計機床的電氣原理圖；重新制造電器柜，并按要求配置電氣元器件；更換機床的操作面板，便于工人操作；更換線纜及電氣走線形式。

3.2 再制造方案評價

對該重型臥車的再制造方案進行分析，并依據(jù)本文所確定的指標量化方法，可得到表2所示結(jié)果。

表2 重型臥車再制造方案評價指標值確定

序號指標指標值計算過程1再制造成本c10.37Cr預估168萬元;Cn預估450萬元;c1=0.372再制造時間c20.80TE預估120天;Tr預估150天;c2=0.803精度c31按照GB/T 23569—2009標準進行檢驗,可達到出廠標準,c3=14可靠性c40.90MTBFr預估450 h;MTBFN預估500 h;c4=0.905加工效率c50.67經(jīng)估算,c5=tr/tf=0.676工藝適應性c60.86再制造重型臥車工藝范圍適當?shù)臄U大,評定c6=0.867宜人性c70.93增加了安全防護措施,操作更加人性化,c7=0.93

由評價結(jié)果，可得到重型臥車再制造方案的物元模型為：

(11)

利用層次分析法可得到各個評價指標的權(quán)重為(0.263,0.141,0.167,0.177,0.106,0.087,0.060)，進一步利用公式(9)和(10)，可得到該重型臥車再制造方案關于各個等級的綜合關聯(lián)度如表3所示。

表3 綜合關聯(lián)度

序號等級分類綜合關聯(lián)度1Ⅰ級-0.0322Ⅱ級-0.2063Ⅲ級-0.4264Ⅳ級-0.5085Ⅴ級-0.574

由分析結(jié)果可得，根據(jù)最大隸屬度原則，該重型臥車再制造方案評價結(jié)果為Ⅰ級(優(yōu))，具有較高的性價比，可獲取較高的收益。

4 結(jié)語

再制造可實現(xiàn)老舊重型機床殘留價值的高附加值重用，成本低，周期短，經(jīng)濟及社會效益顯著。針對直接影響再制造成本、再制造效率以及再制造機床性能的再制造方案決策問題，引入可拓理論，形成了一種基于可拓理論的重型機床再制造方案評價方法。

(1)從重型機床再制造的性價比出發(fā)，建立了包含經(jīng)濟性、技術(shù)性能兩方面的重型機床再制造方案評價方法，可為方案評價與決策提供方法與工具支持，有助于重型機床再制造行業(yè)的規(guī)范化發(fā)展。

(2)所形成的重型機床再制造方案評價方法在某重型臥式車床再制造方案決策過程中，所制定的再制造方案具有可行性，而經(jīng)過實踐驗證，證明評價方法具有可行性，并與實際情況相符。

(3)所建立的指標體系及評價方法，在評價指標的確定與量化方法方面還存在不合理、數(shù)據(jù)難以獲取等問題，在下一步的研究中，將結(jié)合更多的重型機床再制造工程案例，對相應的指標量化方法進行修訂完善。