基于模糊層次分析法的多工藝方案評價*

鄭耀輝，胡付紅，王明海，王曉燕

(沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室，沈陽　110136)

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基于模糊層次分析法的多工藝方案評價*

鄭耀輝，胡付紅，王明海，王曉燕

(沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室，沈陽110136)

針對傳統(tǒng)工藝方案選擇主要依靠單因素和經(jīng)驗，導(dǎo)致工藝方案優(yōu)選可信度和準確性降低的問題；分析了影響工藝方案選擇的約束因素，建立了一種兩級結(jié)構(gòu)的多目標工藝方案優(yōu)選模型，以加工時間、加工成本、加工質(zhì)量、環(huán)境影響為主要優(yōu)化指標；提出并設(shè)計了基于模糊層次分析法(FAHP)進行求解工藝方案優(yōu)選的層次分析模型算法。由于各評價指標之間單位和量綱不同，導(dǎo)致各評價指標之間存在不可公度性問題，提出了采用隸屬度函數(shù)進行數(shù)據(jù)標準化處理。結(jié)合某航空制造企業(yè)葉片機械加工工藝方案優(yōu)選的案例，驗證了所提方法的可行性和有效性。

模糊層次分析法；多工藝方案優(yōu)選；判斷矩陣；最佳工藝方案

0　引言

在制造企業(yè)零件生產(chǎn)加工中，一方面由于零件工藝設(shè)計原則的復(fù)雜性和加工方法的多樣性；另一方面由于制造資源的動態(tài)性和多樣性。因此，企業(yè)在設(shè)計零件加工工藝方案時，往往會產(chǎn)生幾種不同的加工工藝方案[1-2]。傳統(tǒng)的機械加工工藝方案優(yōu)選主要依靠單因素和經(jīng)驗，不能綜合考慮各種影響因素對加工工藝方案選擇的影響，往往會出現(xiàn)片面的加工工藝方案評價結(jié)果[3-5]。論文對影響加工工藝方案優(yōu)選的因素進行了綜合考慮，建立了包括加工時間T、加工成本C、加工質(zhì)量Q、環(huán)境影響E四個優(yōu)化目標在內(nèi)的工藝方案優(yōu)選綜合評價指標體系，在層次分析法(AHP)[6-10]的基礎(chǔ)上提出并設(shè)計了基于三角模糊數(shù)的FAHP用于求解加工工藝方案優(yōu)選層次分析模型的算法。最后，〗通過對某航空制造企業(yè)發(fā)動機葉片機械加工工藝方案優(yōu)選的案例驗證了該方法的可行性和有效性。

1　模糊層次分析法(FAHP)

lii=0.5,mii=0.5,uii=0.5,?i

(1)

lij+uji=1,mij+mji=1,uij+lji=1,i≠j,?i,j

(2)

為評價優(yōu)選出最佳加工工藝方案以指導(dǎo)實際生產(chǎn)制造工作，在充分調(diào)研制造企業(yè)的基礎(chǔ)上，建立了工藝方案優(yōu)選的綜合評價指標體系，提出并設(shè)計了基于FAHP用于加工工藝方案優(yōu)選的評價算法。零件加工工藝方案優(yōu)選的具體步驟如下：

(1)工藝方案優(yōu)選綜合評價指標體系的建立

首先構(gòu)建加工工藝方案優(yōu)選的綜合評價指標體系。現(xiàn)代切削加工工藝中，加工工藝方案在保證零件加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，還要充分考慮其綠色性。基于此，工藝方案優(yōu)選目標體系把零件加工時間、加工成本、加工質(zhì)量、環(huán)境影響作為重要因素加以綜合考慮。影響工藝方案選擇的四個優(yōu)化層指標之間存在著密切聯(lián)系，共同構(gòu)成了工藝方案優(yōu)選的綜合評價指標體系，如圖1所示。

圖1　零件加工工藝方案優(yōu)選綜合評價指標體系

表1　模糊標度值及其含義

(3)評價指標數(shù)據(jù)標準化處理及線性加權(quán)模糊綜合評價

基于各項評價指標包含多種單位和量綱，并且對不能直接進行定量描述的評價指標，不能直接進行它們之間的比較計算。對于定量評價指標可以采用成本型計算公式，如表2所示。

對于定性評價指標，評價的隸屬度可分為{很差、差、一般、好、很好}五級，量化為評估值為{0.2,0.4,0.6,0.8,1},采用專家評價加權(quán)計算獲得。定性評價指標隸屬函數(shù)的計算方法如表3所示。

表2　各種定量評價指標的隸屬度計算公式及變量說明

表3　各種定性評價指標的隸屬度計算公式及變量說明

最后將最底層各評價指標相對目標層指標的綜合權(quán)重和最底層各指標的隸屬度值通過線性加權(quán)的方法獲得綜合評價值，按照最大隸屬度值原則，為決策者做出合理的抉擇。

2　實例驗證

以某航空發(fā)動機制造企業(yè)的***型號模鍛鈦合金壓氣機轉(zhuǎn)子葉片機械加工工藝路線優(yōu)選為例，來驗證基于三角模糊數(shù)的FAHP用于工藝方案優(yōu)選的可行性和有效性。葉片零件各加工工序、每道工序所能選擇的加工方法、制造特征的精度等級和表面粗糙度及其對應(yīng)的加工設(shè)備如表4所示。由于文章篇幅所限，只以該葉片零件部分工序為例進行說明[13]。

表4　葉片零件的部分主要工序劃分、加工方法、

由于該葉片加工方法的多樣性和制造資源的動態(tài)性使得該葉片零件獲得四條可選加工工藝方案。即：方案1:10→7→14→13；方案2:10→7→14→15；方案3:12→7→14→13；方案4:12→7→14→15。本文采用基于三角模糊數(shù)的FAHP評價優(yōu)選出該葉片機械加工最佳工藝路線。具體步驟如下：

步驟1：通過對該葉片各機械加工工藝方案實驗結(jié)果的對比，得出各工藝方案定量評價指標的檢測結(jié)果如表5所示。

表5　四種工藝方案的定量評價指標檢測結(jié)果

對于定性評價指標空氣污染E14、液體污染E15、清潔程度E16則利用表3所示的隸屬函數(shù)確定其隸屬度。評價等級劃分為{很差、差、一般、好、很好}五級，量化為評估值為{0.2,0.4,0.6,0.8,1}，請五個專家進行等級評價，專家的相對權(quán)重為{0.2,0.5,0.3,0.4,0.6}，則專家的評價等級及隸屬值如表6所示。

表6　4種工藝方案的定性評價指標專家的評價等級及隸屬值

通過對定性定量評價指標進行無量綱化處理，就得到了各工藝方案參數(shù)的隸屬度矩陣R16×4。

步驟2：請經(jīng)驗豐富的三位主觀評價工程師，由主觀評價工程師根據(jù)表1的模糊標度，構(gòu)造各評價指標兩兩比較的三角模糊數(shù)互補判斷矩陣。以目標層葉片零件最優(yōu)加工工藝方案A為例進行說明，假設(shè)三位專家的權(quán)重分別為{2,1,3}，通過加權(quán)平均得到專家評判三角模糊數(shù)互補判斷矩陣如表7所示。

表7　葉片零件最優(yōu)加工工藝方案

通過利用置信度排序方法對專家評判三角模糊數(shù)互補判斷矩陣進行相應(yīng)的計算處理，得到優(yōu)化層指標加工時間T、加工成本C、加工質(zhì)量Q、環(huán)境影響E相對于目標層葉片零件最優(yōu)加工工藝方案A評價指標的權(quán)重為：WA=(0.2101,0.3714,0.2891,0.1294)，同理可求得各評價指標權(quán)重。因此，得出最底層各評價指標相對于目標層指標的相對權(quán)重，計算方法和結(jié)果如表8所示。

表8　層次總排序合成方法及結(jié)果

步驟3：利用模糊綜合評價法計算葉片機械加工工藝方案的綜合評價值。

航空發(fā)動機葉片四種機械加工工藝方案的綜合評價值為：

C= WZ×R16×4=(0.2533,0.2799,0.2583,0.2577)

最終結(jié)果為：按照最大隸屬度原則，對于葉片機械加工工藝方案優(yōu)選而言，工藝方案的優(yōu)化排序為：工藝方案2>工藝方案3>工藝方案4>工藝方案1，即經(jīng)過綜合評價排序后工藝方案2為葉片機械加工最佳加工工藝方案路線。在某航空發(fā)動機制造企業(yè)的葉片實際生產(chǎn)加工中，論文所優(yōu)選出的工藝路線為企業(yè)取得了較好的效益，因此驗證了所提方法的可行性和有效性。

3　結(jié)論

在現(xiàn)代切削加工工藝中，機械加工工藝方案的合理選擇是保證葉片加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的有力保障，論文分析了影響工藝方案選擇的約束因素，建立了一種兩級結(jié)構(gòu)的多目標優(yōu)選模型，包括加工時間、加工成本、加工質(zhì)量以及環(huán)境影響四個優(yōu)化目標。提出并設(shè)計了基于FAHP用于加工工藝方案的優(yōu)選算法。通過對航空發(fā)動機葉片機械加工工藝方案優(yōu)選案例的分析研究，解決了傳統(tǒng)選擇工藝方案僅憑單因素及經(jīng)驗的缺陷，從而為技術(shù)工作人員優(yōu)選工藝方案提供了技術(shù)支持。實踐證明，基于模糊層次分析法所建立的評價模型和算法用于航空發(fā)動機葉片機械加工工藝方案優(yōu)選是可行的和有效的。

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(編輯李秀敏)

EvaluationofMulti-processPlansBasedonFuzzyAnalyticHierarchyProcess

ZHENGYao-hui,HUFu-hong,WANGMing-hai,WANGXiao-yan

(KeyLaboratoryofFundamentalScienceforNationalDefenseofAeronauticalDigitalManufacturingProcess,ShenyangAerospaceUniversity,Shenyang110136,China)

Inviewofthetraditionalcraftplanoptimizationreliesmainlyonthesinglefactorandexperience,leadstoreducethecredibilityandaccuracyofprocessplanoptimizationselection.Theconstraintfactorsofprocessplanoptimizationselectionisanalyzedandmulti-objectsprocessplanoptimizationselectionmodelofatwo-stagestructureisbuilt.Thefiveoptimizationobjectsincludeprocessingtime、processingcost、processingqualityandenvironmentimpact.Thealgorithmofsolvingprocessplanoptimizationselectionhierarchicalmodelisputforwardanddesignedbasingonfuzzyanalytichierarchyprocess(FAHP).Whilestandardizingdatamembershipdegreeisadoptedtofinishit.Finally,anaircraftenginebladewasdevelopedtoillustratethefeasibilityandvalidityoftheproposedalgorithm.

fuzzyanalytichierarchyprocess(FAHP);multi-processplanoptimizationselection;judgmentmatrix;thebestprocessplan

1001-2265(2016)08-0145-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.039

2015-09-14；

2015-10-13

航空科學(xué)基金項目支持(2013ZE54002)

鄭耀輝(1975—)，男，遼寧鐵嶺人，沈陽航空航天大學(xué)副教授，研究方向為精密高效數(shù)控加工技術(shù)，(E-mail)zhengyh214@sau.edu.cn；

胡付紅(1989—)，男，濟南人，沈陽航空航天大學(xué)碩士研究生，研究方向為精密、超精密加工技術(shù)，(E-mail)hfh891116@126.com。

TH162;TG65

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