綠色制造背景下機床夾具的選擇評價

趙靖，陳建，陽復建，陶廣福

(桂林航天工業學院，廣西桂林 541004)

0 前言

在環境危機與資源危機的雙重沖擊下，綠色制造作為一種綜合考慮環境影響和資源效率的現代制造模式備受人們關注。綠色制造的主要目的是使產品在整個制造生命周期中，對環境的影響盡可能地小，對資源的消耗盡可能地少，從而實現制造領域的穩定可持續發展。曹華軍等對綠色制造的研究現狀進行了總結，并對綠色制造未來的發展戰略進行了描述；李聯輝等對綠色制造背景下的產品加工工藝規劃方案評估方法進行了研究； WANG等對綠色制造背景下的AISI1045鋼的磨削工藝進行了評價，并提出優化方案。另外，綠色制造中的機床、刀具、切削等的綠色化，也引起了相關學者和專家的廣泛關注。

機床夾具是制造業加工過程中的重要組成部分，也是機械制造加工系統中的重要工藝設備，其綠色化水平直接影響著整個制造過程的綠色化程度。機床夾具有提高生產效率、保證加工質量、降低操作者勞動強度、保證加工生產安全等重要作用。由此，正確地對其進行選擇和使用是制造業得以良性發展的重要環節。而機床夾具的選擇是一個復雜的系統過程，需要將不同種夾具方案進行對比、分析和評價；并且，制造業種類繁多，不同類型的制造企業在進行機床夾具的選擇時，會有不同的選擇標準、期望和偏好。但是目前關于機床夾具選擇決策方面的探討較為少見，且很少有研究者關注選擇方的期望和偏好方面的因素。基于此，為了更好地解決制造型企業對機床夾具的選擇問題，本文作者通過建立機床夾具的評價指標體系，運用相應算法、模型求解其客觀價值，并在此基礎之上考慮選擇方對各項指標的期望和偏好，最終求得機床夾具的綜合價值，為制造企業的決策提供參考。

1 評價指標體系的建立

1.1 評價指標選取的原則

由上文所述，在對機床夾具進行選擇時，需要有合理的指標對其進行評價，因此，評價指標的選取具有舉足輕重的地位和作用。基于前人的研究，通過整理與總結得出機床夾具評價指標選取的準則如下：

(1)全面性。為了做出科學合理的選擇，需要對機床夾具進行較為全面的描述，因此評價指標要具有全面性。

(2)可操作性。在評價選擇時，需有相應的數據收集與處理，所以評價指標應該具有可操作性。

(3)可比性。為了能夠從若干個備選對象中選擇最佳，評價指標還應該具有可比性，可以使備選對象相互之間進行比較。

1.2 評價指標體系的構建

基于以上評價指標選取原則，充分考慮進行機床夾具選擇時的相關影響因素，根據QoS評價技術，建立機床夾具評價指標體系如圖1所示。

圖1 機床夾具評價指標體系

不同指標具有不同的屬性趨勢，可以分為正向型和負向型兩種。正向型指標的值越大越好，負向型指標的值越小越好。從選擇方的角度，文中對評價指標體系中各指標的分類如表1所示。

表1 評價指標的分類

以上評價指標中，尺寸精度、位置精度、表面粗糙度、傳動介質污染、粉塵污染為語言變量，文中采用表2所示的語言評價集及評分集。

表2 語言評價集

1.3 問題的描述

定義1 機床夾具的評價模型為

={,,,,,,,,,,,}。

定義2 機床夾具集為

={,,…,}。

定義3 根據評價指標體系，機床夾具的指標屬性集為

定義4 選擇方對各指標的期望模型為

={,,,,,,,,,,,}

定義5 選擇方對各指標的偏好模型為

本文作者要解決的問題是：選擇方如何根據機床夾具的指標屬性集，以及自身的選擇期望和偏好，從中選擇最優。

2 機床夾具的選擇

2.1 客觀價值的求解

熵權法是一種確定指標客觀權重的有效方法。一般地，將評價對象或評價方案集記為{}(=1,2,…,)，指標屬性集記為{}(=1,2,…,)，評價對象或方案的第項指標的指標值記為，則有如下指標屬性集：

然后依次采用如下步驟求解各指標的客觀權重。

步驟1，指標屬性集的規范化處理。由于指標分為正向型指標和負向型指標，需要對其進行規范化處理。

(1)

(2)

式中：，max、，min分別代表指標屬性集中第列指標屬性值的最大值與最小值。正向型指標采用式(1)進行規范化處理，負向型指標采用式(2)進行規范化處理。

步驟2,對規范化處理后的矩陣=()×，令

(3)

步驟3，根據式(4)計算指標的信息熵值：

(4)

式中：當=0時，ln=0，則有0≤≤1。

步驟4，計算各指標屬性的變異程度系數

=1-=1,2,…,

(5)

步驟5，求解各指標的熵權，即客觀權重

(6)

求解出各指標的客觀權重之后，根據式(7)求得機床夾具的客觀價值OV(Objective Value)

(7)

2.2 偏好符合度的求解

機床夾具的偏好符合度PF(Preference Fitness)是指其與選擇方的期望和偏好之間的貼合程度。求解時，引入激勵-懲罰函數，對滿足或超出選擇方期望的指標賦一個激勵因子，對不滿足或低于選擇方期望的指標賦一個懲罰因子。

對于正向型指標，當=,max時，取激勵因子=1，即機床夾具集中對應指標值最大者獲得最大激勵因子；當=,min時，取=-1，即機床夾具集中對應指標值最小者獲得最大懲罰因子；當=時，取=0，即對應指標值與期望值相等者既不激勵也不懲罰；處于期望值與最大值、期望值與最小值之間的指標屬性值，根據其與期望值和最大、最小值之間的距離獲得不同程度的激勵因子和懲罰因子。

同理，對于負向型指標，當=,min時，取激勵因子=1，即機床夾具集中對應指標值最小者獲得最大激勵因子；當=,max時，取=-1，即機床夾具集中對應指標值最大者獲得最大懲罰因子；當=時，取=0，即對應指標值與期望值相等者既不激勵也不懲罰；同樣地，處于期望值與最小值、期望值與最大值之間的指標屬性值，根據其與期望值和最小、最大值之間的距離獲得不同程度的激勵因子和懲罰因子。

其具體求解如下:

對于正向型指標:

(8)

對于負向型指標:

(9)

求得所有指標值的激勵因子和懲罰因子后，結合選擇方的偏好，由式(10)計算機床夾具的偏好符合度PF,

(10)

2.3 綜合價值的求解與選擇

機床夾具的綜合價值CV(Comprehensive Value)是指在對其客觀價值、偏好符合度進行權衡分析之后，綜合得出其對于選擇方而言的價值。運用式(11)來計算：

CV,=OV,+PF,

(11)

其中：∈[0,1](+=1)，表示機床夾具的客觀價值、偏好符合度在其綜合價值中的比重系數，代表各方面在綜合評價中的重要程度。

通過以上方法求解機床夾具的綜合價值之后，其綜合價值最大者為被選中對象。

3 應用實例

某汽車制造企業H要制造一批減速器，為了提高制造效率和生產質量，并較好地保護環境，企業H欲向外界購進一批機床夾具。現有5種可供選擇的機床夾具方案，根據供應商家的具體供給資料、電話咨詢、網絡搜索以及相關專家的評價判斷，得到5種機床夾具方案的具體指標信息如表3所示。

表3 機床夾具的指標信息

已知H的選擇期望模型和偏好模型分別為

={18,90,很好,好,好,400,70,30,3,一般,800,小}

={0120,0060,0110,0080,0070,0080,0080,0060,0020,0060,0110,0150}

此時，對于H如何從中做出最佳決策選擇，做以下具體分析。

3.1 客觀價值的求解

根據語言評價集及對應的評分集，確定相應指標的得分，并根據各指標屬性類型由式(1)、(2)進行規范化處理得表4。

表4 規范化處理后機床夾具的指標信息

由式(3)—(6)確定各評價指標的客觀權重向量為

由式(7)得各機床夾具備選方案的客觀價值如表5所示。

表5 機床夾具客觀價值

3.2 偏好符合度的求解

根據企業H的期望模型，由式(8)、(9)對各方案相關指標進行計算，求得激勵-懲罰因子如表6所示。

表6 激勵-懲罰因子

結合H的偏好模型，由式(10)求得各機床夾具備選方案的偏好符合度如表7所示。

表7 機床夾具偏好符合度

3.3 綜合價值的求解與選擇

文中取=07、=0.3，由式(11)得各備選方案的綜合價值如表8所示。

表8 機床夾具的綜合價值

由此可知，機床夾具方案的綜合價值最大，企業H應該選擇該種機床夾具。

4 總結

機床夾具是制造系統中重要的工藝設備，綠色制造背景下對制造企業機床夾具的優化選擇進行研究具有重要意義。本文作者建立機床夾具評價指標體系并對其進行評價選擇時，充分考慮到了時間、質量、成本、資源消耗、環境影響5個維度，運用熵權法，結合各備選機床夾具的具體指標信息值，求得其客觀價值；依據選擇方的選擇期望和偏好，對機床夾具的偏好符合度進行求解；然后以二者為基礎，根據比重系數計算出機床夾具的綜合價值，進而對其進行選擇；最后通過實例，對選擇方法的有效性和實用性進行了論述。該方法思路清晰，評價指標體系模型也較易構建，可以較好地解決綠色制造背景下機床夾具的選擇問題，且選擇過程中兼顧到了選擇方的期望和偏好方面的因素，可在一定程度上保證選擇方的滿意度，具有較強的實用價值。