邢冠梅

（蘭州理工大學(xué)技術(shù)工程學(xué)院，甘肅蘭州 730300）

0 引言

隨著智能制造2025 的持續(xù)推進(jìn)，我國制造業(yè)得到快速發(fā)展。結(jié)合實際情況，我國大部分制造業(yè)均存在著服役年齡超過10 年的傳統(tǒng)金屬切削機(jī)床。這些金屬切削機(jī)床已經(jīng)超過了機(jī)床的使用保質(zhì)期，需要進(jìn)行報廢處理。這就出現(xiàn)了處理難題，金屬切削機(jī)床再制造作為有效解決這個難題的方法，已經(jīng)逐步成為目前行業(yè)關(guān)注的重點內(nèi)容。為能夠有效解決機(jī)床回收處理問題，在設(shè)計階段就要充分考慮金屬切削機(jī)床再制造相關(guān)內(nèi)容，進(jìn)而提出相應(yīng)的綜合決策設(shè)計方案，確保金屬切削機(jī)床報廢再制造的實際效果。

1 面向再制造的金屬切削機(jī)床設(shè)計方案評價過程

1.1 模糊程度分析法與模糊分層TOPSIS 法

金屬切削機(jī)床設(shè)計方案評價模型中的評價方法主要由模糊程度分析法和模糊分層TOPSIS 法組成。在實際評價過程中，需要結(jié)合金屬切削機(jī)床再制造制造流程，合理確定指標(biāo)體系評價內(nèi)容。即在評價前，需要分析研究金屬切削機(jī)床在不同階段中實際權(quán)重要求，進(jìn)而確定金屬切削機(jī)床在不同階段的評價指標(biāo)。然后以模糊程度分析法來分別判斷分析金屬切削機(jī)床在不同階段評價的相對權(quán)重。在實際研究過程中，模糊程度分析法的主要分析來源是層次分析法。通常是通過估算分析的方式來判斷金屬切削機(jī)床不同階段評價的相對權(quán)重，進(jìn)而解決權(quán)重分析中多目標(biāo)的問題。

目前，模糊分層TOPSIS 法多用于對設(shè)計方案的品種和評價分析。通過模糊分層TOPSIS 法可促使所有設(shè)計方案中，具有積極性意義的設(shè)計方案可以實現(xiàn)利益標(biāo)準(zhǔn)最大化，成本標(biāo)準(zhǔn)最小化的效果；反之，對于具有負(fù)面意義的設(shè)計方案，其將會出現(xiàn)利益標(biāo)準(zhǔn)最小化，成本標(biāo)準(zhǔn)最大化的情況，如此便可以分析判斷出積極方案。但是結(jié)合實際情況來看，TOPSIS 法無法有效處理專家建議在整個評價體系中產(chǎn)生的不確定性和不準(zhǔn)確性問題。為能夠避免出現(xiàn)此問題，眾多專家學(xué)者提出了模糊分層TOPSIS 法。促使在進(jìn)行設(shè)計方案最優(yōu)選擇過程層可以將評價指標(biāo)進(jìn)行分層處理，解決TOPSIS 法無法有效處理專家建議在整個評價體系中產(chǎn)生的不確定性和不準(zhǔn)確性問題，同時能夠使研究結(jié)果更容易實施。

1.2 金屬切削機(jī)床評價指標(biāo)構(gòu)建

面向再制造的金屬切削機(jī)床設(shè)計方案，不僅要有效保障金屬切削機(jī)床在實際制造和使用過程中的經(jīng)濟(jì)效益和實際功能基礎(chǔ)，還需要在全生命周期過程中充分考慮金屬切削機(jī)床報廢后的再制造相關(guān)內(nèi)容。結(jié)合上述要求，需要在金屬切削機(jī)床設(shè)計過程中引入機(jī)床報廢后再制造設(shè)計中的相關(guān)指標(biāo)內(nèi)容，進(jìn)而合理構(gòu)建出金屬切削機(jī)床全生命周期設(shè)計方案評價指標(biāo)體系。然后使用科學(xué)有效的綜合評價方法，更為精確有效的綜合評價分析設(shè)計方案。由于金屬切削機(jī)床設(shè)計方案建模評價中會涉及到多目標(biāo)、多層次的綜合系統(tǒng)性評價內(nèi)容，因此在進(jìn)行綜合評價體系構(gòu)建時，還需構(gòu)建具有多層次、有代表性的綜合指標(biāo)體系。

針對上述指標(biāo)選取要求，在進(jìn)行評價分析前，研究者將會充分征詢行業(yè)專家學(xué)者以及相關(guān)設(shè)計人員、工作人員的實際建議。完成相應(yīng)的評價指標(biāo)的確定和甄選，確保所選擇的評價指標(biāo)最具代表性和層次性。另外，由于研究甄選出的評價指標(biāo)均來自于行業(yè)內(nèi)專家學(xué)者以及相關(guān)設(shè)計人員和工作人員。因此，這些評價指標(biāo)也具有良好的代表性和權(quán)威性，可以有效避免研究中出現(xiàn)主觀性評價問題，確保評價結(jié)構(gòu)的客觀性和有效性[1]。具體評價指標(biāo)體系見表1。

1.3 金屬切削機(jī)床設(shè)計方案評價方法

由于表1 中的各項指標(biāo)同樣都難以進(jìn)行有效量化分析，具有一定的不確定性。故在實際應(yīng)用前，需要通過量化工具進(jìn)行預(yù)分析處理。在實際研究過程中，本文選擇模糊程度分析法，對這些評價指標(biāo)進(jìn)行兩兩對比。最終從相應(yīng)的三角模糊比較矩陣中獲取到較為明確，且可以應(yīng)用到實際分析過程的優(yōu)先向量。

結(jié)合表2 中的內(nèi)容，通過M1，M3，M5，M7，M9分別表示同樣重要、相對重要、比較重要、特別重要、極為重要等影響程度標(biāo)準(zhǔn)。M2，M4，M6，M8則分別是以上影響程度的中間值，然后以此為基礎(chǔ)，對表1 中各階段存在的不同評價指標(biāo)進(jìn)行模糊程度分析[2]，獲取的各指標(biāo)的實際模糊程度值分別為：Mgi1，Mgi2，Mgi3…，Mgim，（i=1，2，3，…，n），式中，所有Mgij，（j=1，2，3，…，n）均為三角模糊數(shù)。這些三角模糊數(shù)據(jù)的總和相對于每個階段的指標(biāo)被定義為：

表1 金屬切削機(jī)床設(shè)計方案評價

表2 模糊語義評級

公式（1）和公式（2）中，若M1＞M2，則可以將模糊綜合值定義為：

在公式（3）中，當(dāng)x＞y，uM1（x）=uM2（y）=1 時，V（M1＞M2），且M1和M2兩者均是凸模糊數(shù)，如此可以推導(dǎo)出：

公式（4）中d 點的縱坐標(biāo)，需要用公式（5）進(jìn)行計算求導(dǎo)：

結(jié)合上述公式，要將M1和M2進(jìn)行比較分析，還需要明確V（M1＞M2）和V（M1≥M2）兩者的值。若是一個凸模糊數(shù)大于k個凸模糊數(shù)Mi=（i=1，2，3，…，k）的可能度計算需要依據(jù)公式（6）進(jìn)行[3]。

基于上述公式，則可以將各指標(biāo)權(quán)重確定如下：

式（7）中，Xi，（1，2，3，…，n）為不同階段的各評價指標(biāo)，對上述公式進(jìn)行歸一化處理后，可得到各指標(biāo)的實際權(quán)重公式：

在研究中采用模糊語義評價的原因，主要是為了降低專家評價中存在的主觀模糊性內(nèi)容。因此，在進(jìn)行實際研究過程中，想要獲取最終評價，還需要將獲取到的模糊集合進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而獲取到相應(yīng)的具體值[4]。目前，常用的解模糊方法為最大均值法、重心法和面積均值法等。結(jié)合現(xiàn)有研究成果來看，重心法具有簡單實用等優(yōu)點，方便進(jìn)行實際研究。因此，本文研究選用重心法作為解模糊方法，公式（9）如下：

評價分析面向再制造的金屬切削機(jī)床設(shè)計方案時，需要將表1 中的評價指標(biāo)構(gòu)建相應(yīng)的模糊決策矩陣Ds。假設(shè)設(shè)計方案為Ak（k=1，2，…i），且在n 個設(shè)計方案中，均需要充分考慮不同階段的評價指標(biāo)。每個階段具有Ni個評價指標(biāo)，則可以確定所有評價指標(biāo)總數(shù)為，進(jìn)而可以獲取到以下模糊決策矩陣：

在模糊決策矩陣中，Xkij是第k 個設(shè)計方案中第i 個決策階段中的第j 個評價指標(biāo)的值，即設(shè)計方案Ak關(guān)于評價指標(biāo)Cij的模糊評價得分。通常來說，所有評價指標(biāo)主要分為成本和效益兩方面內(nèi)容。為增強(qiáng)設(shè)計方案的經(jīng)濟(jì)效益，需要最大限度控制成本相關(guān)指標(biāo)，提高經(jīng)濟(jì)效益相關(guān)指標(biāo)[5]。在分析前，還需要對設(shè)計方案評價決策矩陣進(jìn)行歸一化處理，以便于后續(xù)研究過程中獲取到相應(yīng)的無量綱矩陣，進(jìn)而方便進(jìn)行分析比較，模糊歸一化決策矩陣見式（10）。

公式Vkij=rkij?Wij?Wij主要用于研究每個評價指標(biāo)的最終權(quán)重，如此可以推導(dǎo)出式（11）。

然后對正理想解決方法的距離d+和負(fù)理想解決方法的距離d-進(jìn)行分別推導(dǎo)：

對上述公式進(jìn)行計算求解，可以推導(dǎo)出式（13），式中hk即是所有設(shè)計方案中最優(yōu)方案。

2 案例分析

隨著智能制造2025 戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，目前我國已經(jīng)進(jìn)入到傳統(tǒng)金屬切削機(jī)床報廢的高峰時段。為檢驗本文提出的最優(yōu)設(shè)計方案評價措施的有效性，以某地區(qū)某機(jī)床制造企業(yè)為例，分析金屬切削機(jī)床再制造的相關(guān)影響因素。然后以此為基礎(chǔ)，提出3種面向再制造的金屬切削機(jī)床設(shè)計方案，進(jìn)而從3 種設(shè)計方案中，選擇出最優(yōu)方案。

（1）方案一。為確保金屬切削機(jī)床再制造設(shè)計以及基本功能能夠滿足諸多方面的實際使用要求，方案結(jié)合模塊化設(shè)計理念。將面向再制造的金屬切削機(jī)床設(shè)計方案劃分為再制造修復(fù)模塊、基本功能模塊以及選配功能模塊等三大模塊。其中，再制造修復(fù)模塊主要包括金屬切削機(jī)床的導(dǎo)軌、床身、床腳、床頭箱、床鞍等部分；基本功能模塊主要包括金屬切削機(jī)床的傳動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和安全防護(hù)系統(tǒng)等子系統(tǒng)內(nèi)容；選配功能模塊主要包括金屬切削機(jī)床的自動潤滑模塊、機(jī)床的自動上下料裝置模塊和刀庫系統(tǒng)模塊等。在金屬切削機(jī)床使用后期，為確保機(jī)床再制造的實際效果以及滿足后續(xù)使用需求，可以根據(jù)現(xiàn)有科技手段，對金屬切削機(jī)床進(jìn)行有效改造升級。

（2）方案二。在進(jìn)行金屬切削機(jī)床設(shè)計時，可以將金屬切削機(jī)床整體分為機(jī)床動力模塊、潤滑和冷卻系統(tǒng)模塊、液壓系統(tǒng)模塊以及切削系統(tǒng)等四大模塊等內(nèi)容。然后基于“高內(nèi)聚、低耦合”的模塊化設(shè)計理念，將四大模塊進(jìn)行分別設(shè)計制造，最后組裝。在金屬切削機(jī)床使用后期，需要對金屬切削機(jī)床極易出現(xiàn)故障的模塊進(jìn)行修復(fù)、升級及更換。

（3）方案三。基于標(biāo)準(zhǔn)化制造理念，將金屬切削機(jī)床的所有關(guān)鍵性零部件均采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，促使金屬切削機(jī)床在使用后期出現(xiàn)故障后，可以實現(xiàn)對零件的低成本更換處理。

將3 種方式中的各階段指標(biāo)代入到上述計算過程中，最終可以獲取到3 種方案對比結(jié)果：h1=0.56＞h2=0.50＞h3=0.37。

由此可知，在3 種設(shè)計方案中，方案一的設(shè)計為最優(yōu)設(shè)計。因此，在實際設(shè)計過程中應(yīng)采用方案一的設(shè)計內(nèi)容。

3 結(jié)論

基于再制造角度，提出相應(yīng)的設(shè)計方案評價方法。在方法確定過程中采用模糊程度分析法與模糊分層TOPSIS 法，有效避免專家評價過程中存在的主觀評價因素，增加金屬切削機(jī)床設(shè)計方案評估的有效性，同時增強(qiáng)評價的客觀性和權(quán)威性，為選擇相關(guān)設(shè)計方案提供有效參考。