基于AHP的数控机床设计模糊评价方法研究.pdf

2 0 1 4年 1月 第 4 2卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I C S J a n ． 2 0l 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 1 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 4 4 基于 A H P的数控机床设计模糊评价方法研究 戚彬 ，孙晓明 1 ．山东理工大学农业工程学院，山东淄博 2 5 5 0 4 9 ； 2 ．西北工业大学机电学院，陕西西安 7 1 0 0 7 2 摘要针对数控机床工业设计过程 ， 提出一种基于层次分析法的模糊评价方法，通过分解评价指标和确定评价指标权 重，建立了模糊评价体系和评价模型；利用专家系统将此模糊评价体系应用于两套数控机床设计方案的评价中，得到两套 方案在该指标体系中的详细对比结果 ，为方案的评价和后续改进提供决策支持。 关键词层次分析法 ；数控机床；工业设计；模糊评价 中图分类号 G 6 4 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 1 6 5 4 S t u d y o n F u z z y Ev a l u a t i o n M e t h o d f o r NC M a c h i n e T o o l Ba s e d o n AHP Q I B i n ， S U N X i a o mi n g 1 ． S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y 。Z i b o S h a n d o n g 2 5 5 0 4 9 ，C h i n a ； 2 ． No r t h w e s t e r n P o l y t e e h n i e a l Un i v e r s i t y ，Xi ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 7 2，C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e i n d u s t r i a l d e s i g n p r o c e s s f o r NC ma c h i n e t o o l ，a f u z z y e v a l u a t i o n me t h o d b a s e d o n a n aly t i c h i e r a r c h y p r o c e s s w a s p r o p o s e d ．T h e f u z z y e v a l u a t i o n s y s t e m w a s p r e s e n t e d i n w h i c h e v a l u a t i n g t a r g e t w a s d e c o mp o s e d a n d e v a l u a t i n g we i g h t w a s c a l c u l a t e d ．U s i n g t h e e x p e r t s ’s e o l e ， t h e f u z z y s y s t e m w a s a p p l i e d t o c o n t r a s t t w o N C ma c h i n e p r o j e c t s ．T h e d e t a i l e d r e s u l t s t h a t p r o v e d i n t h e f u z z y e v a l u a t i o n s y s t e m c a n g u i d e t h e d e t e r mi n a t i o n o f p r o j e c t d e s i g n ． Ke y wo r d s A n My t i c h i e r a r c h y p r o c e s s ；NC ma c h i n e t o o l ；I n d u s t r i al d e s i g n ；F u z z y e v a l u a t i o n 产品形态设计对 于提升产 品档次 、满足产 品精 神 功能以及增加产品市场份额有重要作用，因此形态设 计是产品工业设计要解决的主要问题⋯。随着科技的 迅猛发展 ，产品形态依附于功能的趋势越来越弱，如 何满足客户的精神需求和个性表现，是当前设计领域 研究的热点问题。数控机床具有高精度、高效率、自 动化 和能适应多 品种小批量 生产的特点 ，控制 系统可 靠性的提高 ，为数控机床外型的独特风格特点的形成 提供了技术条件 。 1 数控机床造型设计研究 在数控机床造型研究方面，桑书林 提出了数控 机床人机工程设计的原则 ，蔡鸿明等 以专家系统原 理为骨架 ，构造了一种充分融合工业设计知识的设计 评价系统，谭征宇等 对数控机床造型风格意象认知 进行 了研究 ，赵道致等 将质量功能展开 Q F D 模型和优化决策模型应用到机床造型再设计中，朱上 上等 提出了面向人机工程的意象尺度评价研究方 法和约束机制，赵江洪等 以意象尺度及其相关评价 方法为基础，对数控机床进行了关于产品造型的形象 信息建模 ，张军等人 借助 口语分析等针对设计过程 的认知试验研究方法，提出了协同机床工业设计过程 的知识应用和转化模型。这些学者从人机工程 、意象 感知、网络协同等方面研究 了数控机床的造型特点 和设计方法，在评价决策方面的研究主要还是以质 量 功能屋 Q F D和语 义差 异法 s n 为主 。以往 从不同侧面、用不同方法来评价数控机床的各种性 能 ，但很少涉及数控机床综合评价体系和评价方法 的研 究 。 2 模糊评价模型 2 ． 1 模糊层 次分析法 1 9 6 5年著名的美 国工程控制和系统论专家、加 利福尼亚大学教授 L A Z A D E H发表了著名的论 文 “ 模糊集合” ，给出了模糊性现象的定量描述和分析 运算的方法。应用模糊评判法首先要确定评价参数， 不同参数在评价中所起的作用也不相同，需要分别确 定各参数的权重因子大小。随后要根据不同参数的特 收稿 日期 2 0 1 21 2 2 8 作者简介戚彬 1 9 8 O 一 ，男，博士研究生，讲师，从事产品创新设计、计算机辅助工业设计等领域研究。E ma i l b i l l b o x 0 6 2 6 1 6 3 ． c o rn。 1 6 6 机床与液压 第 4 2卷 点给出拟合隶属函数，结合评价标准，经模糊变换 给出隶属度值，完成模糊综合评价 。 层次分析法是美国运筹学家，匹兹堡大学的 A L S A A T Y教授 叫 于2 0世纪 7 0年代提出的一种定性分 析和定量分析相结合的系统分析方法。通过两两比较 因素 或 目标、准则 、方案 的相对重要性 ，构造 上层某要素对下层相关元素的权重判断矩阵，以给出 相关元素对某要素的相对重要序列。 层次分析法通过明确问题 、建立层次分析结构模 型、构造判断矩阵、层次单排序和层次总排序5 个步 骤计算各层次构成要素对于总 目标的组合权重，从 而得出不同可行方案的综合评价值 ，为选择最优方 案提供依据。A H P通过元素的两两比较构造判断矩 阵，一致性检验方面有一定 的难度 ，而模糊层次分 析法 F A H P 通过元素两两比较构造模糊一致判 断矩阵 ，再由模糊一致矩阵求各元素的相对重要性 权 重 ⋯ 。 2 ． 2 模 糊评 价模 型 基于模糊层次分析法的数控机床工业设计评价流 程 图 ，如图 l 所示 。 数控机床造型设计方案 分解造型特征获取指标信息 建立造 型综合评价指标体系 建立指标权重判断矩阵 计算各指标组合权重 建立隶属函数 ，计算隶属度 Y J 投产 图 1 基于 F A H P的数控机床工业设计评价流程图 3 综合指标体 系建立 3 ． 1 评价指标分解 由于数控机床设计涉及的因素包括人机、色彩、 形态 、装饰之外 ，还包括社会 、经济等评价因素 ，是 感性和理性的统一，宜采用多层次、多目标分类评价 模型。参照通用的造型评价标准，研究的评价指标体 系采用3层结构，运用 A H P法对评价 目标细化 、逐 层分解 ，得到数控机床造型设计方案评价指标体系图 见图 2。 形态属性 。 色彩属性 人机 属性 安全 性 涂装属性 环境属性 经济属性 舒适性 材料轻量化 I 工 艺合 理 性 图2 数控机床工业设计评价体系图 3 ． 2评 价指 标权 重 专家对 ， ，⋯，u 进行 重要性 的两 两 比 对 ，得到模糊一致矩阵R r ⋯ 有 m个方案需 要制定评价指标，目的是要确定这 m个方案关于该 决策准则的决策权重。 1 模糊判断矩阵建立 两两比较专家意见构成的判断矩阵 ，采用模糊三 角数整合专家意见，可以在专家意见的基础上建立一 个客观的模糊判断矩阵。 R ⋯ 其中 为三角模糊数，可通过如 下方法确定r [ ， ， ] ， ≤卢 ≤7 ，且 ，卢 “ ，’ ， ∈ [ 1 ／ 9 ，1 ] u [ 1 ，9 ] ，其 中， ra i n r ， 』 B 为各个专家权重采用加权几何平均数 ， m a x 。 2 模糊权重向量确定 对模糊一致矩阵R ⋯用列 向量几何平 均法，确定出相应的模糊权重向量 对任意的．『 1 ， 2 ， ⋯， m，计算 ， r r 2 『 ， ⋯ ，r ，其中 表示模糊三角数之间的乘积，进 一 步将 标准化为 ∞ ∞ ， o ] ／ 1 c r 2 ⋯ o r J1 ， 2 ， ⋯ ， m 1 3 单准则权重决策分析 令 0 ∈ [ 0，1 ] ，假设 ，∞ ，t O ， 一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一～一一一一一一一一 数 控 机 床 工 业 设 计 评 价 体 系 u 第 1 期 戚彬 等基于 A H P的数控机床设计模糊评价方法研究 1 6 7 0 叫 一 0 0 一∞ Y 0 2 0 ， A ∞ 0 1一A 0 式 2 中A为 决 策 者对 权 重 的乐 观 系 数，将 0 ，A 规范化 ，得到归一化权重向量 W i 0 ， A ∞ ， A ／ 8 ， A 3 决策权重取决于 0和 A两个参数。0 反映权重关 于专家决策意见 的变动程度 ，0 0时 ，综合权重包 含了所有专家的决策权重信息 ，决策变动幅度最大； 0 1时，综合权重包含了所有专家最少的决策权重 信息。实际操作过程中，如果专家组对问题的共识性 较高，选用较大的0 值 ，否则选择较小的 0 值。A是 整合决策权重参数 ，当 A 0时，专家意见都取权重 上限；当 A1 时，专家都采取保守态度 ，取各 自权 重 的下限。 3 ． 3模糊 评语 集合 1 制定评价主层级指标集 U { U ，U 2 ，⋯， } ，相应的权重集合 { ∞ ，∞ ，⋯，∞ } ， i 1 ，2 ，3 ， 4 ，5 ，6 ，7 表示指标 在 中的比 重， ∑ 1 。 f 1 2 制定评 价子层 级 指标集 U 豳 一 图3 数控机床设计方案对比 根据指标体系图和数控机床的特点，请工业设计 领域和数控机床行业的5位专家对数控机床设计方案 进行打分评价。方案 1和方案 2的专家评分矩 阵如 下 E1 E2 取其平均数 ，则两个方案的评价分值为 1 【 3 ． 6 3 ． 8 3 ． 6 3 3 3 2 ． 6 】 ， 2 U 2 ， [ 3 ．6 2 ． 4 3 ． 4 3 ． 6 1 ． 8 3 ． 2 2 ． 6】 ⋯ ， } ，相 应 的 权 重集 合 { ，∞ ，⋯， } ，其中 ∞ i 1 ，2 ，3 ， 4，5 ，6 ，7 ； 1 ，2 ， ⋯ ， n 表示指标U k 在U 中的比 重， ∑ 1 。 3 采用四级评语等级进行打分，评语集为 V { 优 ， 良 ， 中 ， 差 } 。 3 ． 4评 价 矩 阵 从 到 的模糊判断矩阵为 R 4 式中对专家评价结果进行统计整理，可以得到 r 材} i 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ， 7 ； 1 ， 2 ，3 ，4 ； 1 ，2 ，⋯，n 5 4案例应用 以为某企业提供的2套数控机床产品设计方案为 例 如图 3 ，从 形态 、色彩 、人机、材质、涂装 、 环境 、经济 7个主层次评价指标体系进行方案评价。 假定决策参数 0 0 ． 5 ，A 0 ． 8 ，由式 3 可以 计算得到决策归一化权重向量为 W [ 0 ． 1 4 4，0 ． 1 5 2 ，0 ． 1 5 5 ，0 ． 1 3 2 ，0 ． 1 4 1 ， 0 ． 1 2 5 ，0 ． 1 5 1 ] 0和 A的值由决策者指定，对于固定的 0 ，决策 权重 O J 是 A的单调递增线性 函数 ；同样的，对于固 定的 A ，决策权重 是 0的单调递增线性函数。 同理，可以得到子层级各评价体系指标的权重 ， 如表 1 所示。 表 1 数控 机床 工业设计评价体 系指标权重 表 U1 U U3 f U4 U s l U6 l U f 1 0 ． 3 1 2 0 ． 2 8 7 0 ． 2 5 4 0 ． 3 2 5 0 ． 4 01 0 ． 3 8 2 0 ． 2 9 6 0 ． 3 2 3 0 ． 3 0 2 0 ． 3 8 7 0 ． 3 5 8 0 ． 2 7 4 0 ． 3 3 8 0 ． 4 3 8 0 ． 3 6 5 0 ． 4 1 1 0 ． 3 5 9 0 ． 3 1 7 0 ． 3 2 5 0 ． 2 8 0 0 ． 2 6 6 综合评价结果可知数控机床设计方案 1的色彩 属性各项指标和涂装属性各项指标明显高于方案 2 ； 形态属性指标 、材质属性指标和环境属性指标评价 中，两套方案得分基本相当；而在人机属性指标和经 济属性指标中，两套方案 的得分分布离散度比较高， 说明专家对这两项指标评价分歧意见较大。数据分布 图如图 4所示 。 3 4 2 2 2 3 3 3 2 2 3 4 3 3 2 3 4 3 3 3 4 3 3 3 2 2 1 2 2 2 3 3 4 3 3 3 4 4 3 4 4 3 4 4 3 3 4 4 3 3 4 4 4 3 4 2 3 2 2 3 4 3 4 3 4 4 3 4 3 4 1 6 8 机床与液压 第 4 2卷 0 ． 2 5 0． 2 套 0 ．1 5 斟 _ 森0 ． O ． O 5 O 入． ∥ 案 l 2 ◆ ◆ I ■■ 2 3 形态 属 性 人机 属性 涂装 属 性 经 济 属性 色彩属性 材质属性 环境属性 图4 数控机床设计评价体系对 比图 5结论 将模糊理论与层次分析法相结合，通过评价指标 体系分解和评价指标权重计算建立了评价矩阵，建立 了数控机床工业设计评价体系，构建了模糊层次分析 评价数学模型 ，并将此模型应用于实际的数控机床设 计案例评价中，对于企业的设计方案评价具有一定的 指导作用。 参考文献 【 1 】陆长德． 现代设计新法 工业设计[ M] ． 西安 西北工业 大学出版社， 1 9 9 6 1 3 ． 【 2 】桑书林． 数控机床造型设计特点分析[ J ] ． 机床与液压， 1 9 9 8 4 3 84 2． 【 3 】 蔡鸿明， 陆长德 ， 何卫平 ， 等． 机床工业设计模糊评价系 统的构造研究与实现[ J ] ． 计算机辅助设计与图形学学 报 ， 1 9 9 9 ， 1 1 3 2 7 2～ 2 7 5 ． 【 4 】 谭征宇， 赵江洪， 孙守迁． 基于意象尺度的数控机床造型 风格意象认知研究 [ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 6 ， 1 7 5 5 1 9 5 2 8 ． 【 5 】赵道致， 王敏， 于爱兵． 基于 Q F D的机床造型再设计决 策研究[ J ] ． 机械设计， 2 0 0 8 ， 2 5 1 6 7， 6 1 ． 【 6 】 朱上上， 罗仕鉴 ， 赵江洪． 基于人机工程的数控机床造型 风格意象尺度研究 [ J ] ． 计算机辅助设计 与图形学学 报， 2 0 0 0 ， 1 2 1 1 8 7 3 8 7 5 ． 【 7 】 赵江洪， 张军， 孙宗禹． 基于 I n t e r n e t 的计算机辅助数控 机床工业设计研究 [ J ] ． 湖南大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 2 ， 2 9 5 5 5 6 0 ． 【 8 】 张军， 赵江洪， 孙宗禹． 网络协同数控机床工业设计系统 中的知识获取与应用研究[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 4 ， 4 0 6 1 4 91 5 4 ． 【 9 】肖 位枢． 模糊数学基础及应用[ M] ． 北京 航空工业出版 社 ， 1 9 9 2 ． 【 l 0 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