機械類畢業設計課題方案設計評價系統分析與實現

徐雪萌，王志山，李 碩

（1. 河南工業大學 機電工程學院，河南 鄭州 450007；2. 河南城建學院 測繪與城市空間信息學院，河南 平頂山 467036）

0 引言

畢業設計是本科教學計劃中最重要的工程實踐能力培養環節，是人才培養質量的重要體現，對畢業要求達成形成強有力的支撐[1-3]。方案設計及論證選擇是機械類畢業設計課題實施過程中的關鍵步驟，是學生開展畢業設計工作的“指揮棒”，為后續的圖紙繪制、設計說明書撰寫奠定基礎，集中體現了學生創新型思維。通過設計方案、比較及選擇方案，達到培養解決復雜工程技術問題的能力。

多年畢業設計指導工作中發現，學生對自己提出的多個設計方案選擇缺乏工程設計意識，方案優選時論證不全面、重點不突出、理由不充分，沒有明確的論證方法與模式，選擇方案隨意性較大，這與工程設計嚴謹性不符，與實際生產中對設計方案的評價方法與模式脫節。為提高學生畢業設計質量，培養其形成良好工程設計素養，有必要引導學生對設計方案進行科學、合理的論證與評價。

本文基于AHP 法，建立了機械產品設計方案評價模型，該模型以工作性能、經濟性能、可靠性能為評價的3 個準則層，每個準則層下設計3 個子準則層，科學、全面評價機械產品設計方案。該模型開發通過Visual Studio 2012 MFC 編程，采用基于對話框、流文件讀寫技術，實現數據庫及功能模塊設計。

1 機械類畢業設計課題特點

1.1 真題真做

機械類畢業設計課題，小到裝置設計，大到整機設計，絕大多數涉及機構的設計，體現機械學科特點。近年來，在“中國制造2025”“互聯網+”等大背景下，中國制造業創新發展迎來一個新時代，新工科建設為機械類專業的人才培養提供了新的機遇和挑戰，企業和高校的合作更加緊密。對河南工業大學近3 年畢業設計題目調研，70%的畢業設計課題與教師的科研一致，有的甚至是企業急需解決的問題，學生在畢業設計培養環節做到真題真做，教師也是按照實際工程項目的實操進行指導，因此要求設計各環節內容正確、方法科學、過程嚴謹。

1.2 設計方案的多樣性

機械設計中設計方案的多樣性表現在2 個方面：①某種功能的機構設計可以有多種方案，如采用機械或氣動、液壓等不同的方式實現，機械又可以用不同機構實現同一功能。②現代機械呈現大型化、高速化以獲得規模經濟效益，具有機構多、自動化程度高的特征。若多種機構集成在同一臺機器上，出現機構方案組合問題，如2 個執行機構中，每個執行機構有2種設計方案，經組合后便產生4 種設計方案，多方案性在整機和生產線設計方案中尤為突出。

1.3 方案評價標準多樣性

機械產品設計方案評價指標較多，站在不同的角度使用不同的指標來評價。方案設計者會從生產效率、技術適應性、自動化程度等方面評價；制造者會從加工成本、維修成本等方面評價；終端用戶經常用設備穩定性、可操作性、運行成本等指標來評價。

2 基于AHP 法評價分析與過程

AHP 法是定性與定量分析相結合的系統分析方法，可以把復雜的問題分解成組成要素并形成層次結構，經兩兩比較判斷確定要素的重要性，最終形成層次結構判斷矩陣，以各層組合權重值形成最終判斷[4-6]。

2.1 評價模型建立

為方便學生對設計方案自我評價，選擇出最優的畢業設計課題技術方案，筆者結合機械產品設計的共性，在對機械產品生產企業深入調研的基礎上，利用AHP法建立機械產品設計方案的評價層次結構模型[7-9]。從設備的工作性能X1、經濟性能X2、可靠性能X3等 3個方面建立設計方案評價體系。技術適用性Y1、生產能力Y2、自動化程度Y3是對工作性X1的細分；加工成本Y4、運行成本Y5、維修成本Y6是對經濟性X2的細分；穩定性Y7、安全性Y8、可操作性Y9是對可靠性X3的細分。建立3 個準則層、9 個子準則層評價目標模型，如圖1 所示。

圖1 機械產品設計方案評價模型

2.2 建立判斷矩陣

根據層分析法理論，在建立評價層次模型的基礎上，用1~9 標度法，建立準則層和子準則層判斷矩陣，并計算權重。為避免學生判斷的隨意性及片面性，判斷矩陣中各評價指標的標度采納校內專家和生產一線工程師的建議，得到準則層及子準則層的判斷矩陣和權重系數ω，見表1—2。

表1 準則層判斷矩陣

表2 子準則層判斷矩陣

2.3 方案的相對評價

學生對自己設計的n方案9 個子準則層指標進行自評和互評[10-11]，用打分的方式進行，分數取值從0~1，如表3 所示。ai j（i取值1~3，j取值1~n）是對子準則層Y1、Y2、Y3評判，如a1n為第n個方案的技術適應性得分，a2n為第n個方案生產能力得分，a3n為第n個方案自動化程度得分。同理，bi j、ci j分別對子準則層Y4、Y5、Y6及Y7、Y8、Y9的評分。打分操作簡單易行，學生也可以通過此步操作了解機械產品設計時要考慮的因素，潛移默化中培養學生工程素養。

表3 設計方案的評分表

2.4 運算評價

根據方案評價矩陣和子準則層的權重系數，可以得到各個方案相對于3 個一級準則的評價結果矩陣，如：工作性能X1、濟性能X2、可靠性能X3的評價結果矩陣如下：

將X1、X2、X3進行歸一化處理得綜上所述，可以得到n種方案的最終的評價矩陣F=然后將F進行歸一化處理，得出n種方案的綜合權重為依據層次分析法理論，綜合權重值最大者為最優方案。

3 系統開發

3.1 功能模塊設計

為簡化設計、方便使用，設計方案評價系統功能模塊主要包括用戶信息管理、評價指標管理、評價矩陣運算、評價結果管理等4 大模塊組成[13-14]，如圖 2所示，各模塊的功能下。

圖2 評價系統功能模塊設置

（1）用戶信息輸入管理模塊：主要完成系統用戶的信息管理、身份分類、權限控制與登錄驗證等。學生登錄時，輸入自己身份信息和畢業設計課題名稱信息，在方案數下拉菜單中，選擇本次評價的方案數。

（2）評價指標管理模塊：用于維護評價指標體系9 個二級指標分類輸入。學生畢業設計方案數一般不超過 5 個，因此評價區方案數設置為 1~5，常用為2~4。

（3）綜合評價運算模塊：此模塊要完成2 輪矩陣運算，首先以各方案二級評價指標體系為數據基礎，與對應二級指標權重進行矩陣運算，得到各方案一級指標歸一化值。然后綜合一級指標權重再次進行矩陣運算，以判斷矩陣法為計算核心，計算各方案綜合權重。最后進行方案優劣排序。

（4）評價后信息處理模塊：將上述3 個模塊信息保存，生成評價表，以供教師或他人評閱。

3.2 評價系統實現

根據層分析法理論，在建立評價層次的基礎上能對設計方案進行評價，為了能將本文提出的評價辦法應用到實際教學工作中，需要開發適當的軟件系統來實施該體系。以Microsoft Visual Studio 2012 為開發環境，以Visual C++2012 為開發語言[15]，利用對話框技術、流數據讀取存儲技術開發了基于本文理論體系、針對機械類專業畢業生方案評價過程的軟件系統。

3.2.1 設置、顯示對話框

在Windows 環境中，對話框和控件是用戶和系統通信的基本工具。對話框是一個窗口，每個控件也是某種專用的窗口。在本評價系統開發中，在 Visual Studio 2012 環境中，選用MFC 程序，創建基于對話框的程序。編程中采用了模態對話框，在同一對話框窗口中實現學生信息、設計方案評價信息、評價及保存信息等功能。共設計了28 個靜態控件，提供標題或說明性信息；設計了60 個編輯控件，用于輸入、輸出相關信息；設計了3 個按鈕控件，用以實現評價計算、保存和退出。對需要輸入信息的編輯框，根據輸入內容，選擇Add Member Variables，選擇變量類型為Value類，具體變量類型選為數值型和CString 字符串類型。創建了對話框、添加了控件，按下Ctrl+T 組合鍵測試對話框。

3.2.2 處理對話框中控件

利用類向導Class Wizard 建立對話框類對象。選擇學年、專業、姓名、畢業設計課題等編輯控件對應CString 字符串類型。按照一名學生的畢業設計方案數不超過5 個，每個方案9 項評價要素，設立45 個編輯控件用以輸入評價要素。分別為這45 個編輯控件設定float 型數據。

在使用軟件時，學生根據自己的方案數目，將評價要素依次填入對應編輯控件，檢查之后即可點擊“計算各個方案評價”按鈕進行評價。在程序內部，要為該按鈕添加處理函數OnClickedButton1()，以便進行計算。計算后利用 UpdateData(FALSE)，根據各變量的值更新相應的控件，將各方案計算結果顯示在對應編輯控件中。將每個學生的方案評價進行排序，并將排序情況顯示在排序框中，用戶可以看到方案得分及排序情況，以便進行選擇和決策。

為記錄學生畢業設計的方案及評價情況，本軟件采用C++流數據技術，將學生信息、方案評價信息存儲為TXT 格式磁盤文件[16]。首先定義對象：ofstream OutPutRecord；打開文件 OutPutRecord.open(_T("Ping JiaBiao.txt"),ios::out| ios::app)；其中 PingJiaBiao.txt 為得到的文本文件，ios::out 以輸出方式打開文件，如果已有此名字的文件，則將其原內容全部清除；ios::app以輸出方式打開文件，寫入的數據始終添加在文件末尾，這樣只要使用了同一個軟件包 PingJiaBiao.txt 學生的信息都能被收集記錄在所述文本文件中。

為使輸出的評價表整齊美觀，利用字符串類CString 類對象的相應運算符 GetLength()來計算姓名和畢業設計課題名稱的長度[17]。姓名和畢業設計課題名稱是 CString 型的數據，首先將姓名的輸出寬度控制在4 個漢字寬度，畢業設計課題名稱控制在22 個漢字寬度，從而控制每一行的輸出長度和位置。具體語句格式為：CString strBlank=“ ”，包含兩個空格，根據姓名和課題的字符串長度，計算出需要輸出 strBlank的數量，使用循環語句控制輸出不同數目的“OutPutRecord<

圖3 畢業設計方案評價表輸出格式

3.3 應用

某同學畢業設計課題為給袋式包裝機執行裝置設計，主要設計包裝機取袋、供袋裝置，實現將袋庫中的包裝袋取出并供送至充填工位功能。為此分別設計了2 種取袋裝置和2 種供袋裝置，如圖4—7 所示，關于裝置工作原理不在此贅述。經組合得到4 種設計方案，如表 4 所示，使用該系統完成 4 種方案評優選擇。

表4 設計方案表

圖4 氣缸取袋

圖5 鏈傳動取袋

圖6 連桿供袋

圖7 凸輪供袋

錄入相關用戶信息、評價信息并計算，得到的評價結果如圖 8 所示，可看出 4 種方案中 2 為最優方案。評價結果生成txt 文件，如圖 9 所示，供保存、提交。方案2 得到企業認可，并開發了相關設備市場推廣使用。

圖8 方案評價信息及結果

圖9 畢業設計課題方案評價統計表

4 結語

以層次分析法為核心，設計開發了機械類畢業設計課題方案論證評價系統。在構建評價模型的基礎上，運用VC++ MFC 對話框技術、流數據技術，形成可以實際使用的評價軟件，實現定量評價、簡表記錄，以便大學生通過此系統對自己設計的方案進行科學評價并選優。目前，該系統已經投入使用，操作方便，取得較好效果。本系統也可為實際生產方案的評價提供參考。