基于模糊综合评判的机床设备选型研究.pdf

第 7期 2 0 1 2年 7月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l a r M a c h i ne To o l Au t o ma t i c M a n uf a c t ur i ng Te c hn i q ue No． 7 J u1 ．2 01 2 文 章编 号 1 0 0 12 2 6 5 2 0 1 2 0 70 1 0 90 4 基于模糊综合评判的机床设备选型研究 木 米 长富 ， 田建平 ， 杨 海栗。 1 ． 四川理 工 学院 机 械 工程 学院 ， 四川自贡 6 4 3 0 0 0 ； ，黄彦 ， 田梦雯 2 ． 中 国石 油 西南油 气分公 司 ， 重庆 6 3 5 1 0 0 摘 要 针 对 影响 C A P P系统机床 设 备选 型 的 多 因素及 其 模 糊 性 ， 提 出在 层 次 分析 法 的 基础 上 采 用模 糊 综合 评 判 ， 构 建 系统机 床 设备 选 型 的模 糊 评判 模 型 。通 过 对 影响 机床 选 型 因素 的 综合 分 析 ， 建 立 各 因素之 间的模 糊 关 系， 较 好地 解 决 了 多 因素 的量 化 问题 ， 确保 了机床 设 备 选 型 结 果 的唯 一性 。通 过在 原型 系统上 运行 ， 采 用该 方法 能较 好 解 决机 床 设 备 选 型 问题 ， 保 证 了 C A P P系统 运行 的 可 靠性 与 实用性 。 关键 词 模 糊综 合评 判 ； C AP P； 机床 选 型 ； 模 糊 关 系 中图分类 号 T H1 3 3 ． 3 3 ； T P 3 9 1 ． 7 2 文献标 识码 A n a c h i ne TO O I Se l e c t i o n Bas e d o n Fuz z y Compr e h e ns i ve Ev a l u a t i o n MI Ch a n g f u ，TI AN J i a n p i n g ，YANG Ha i l i ，HUANG Ya n ，TI AN Me n g we n 1 ． S c h o o l o f Me c h a i a i c a l E n g i n e e r i n g ，S i c h u a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e En g i n e e r i n g ，Z i g o n g S i c h u a n 6 4 3 0 0 0，C h i n a ；2 ． P e t r o l C h i n a S o u t h we s t Oi l a n d G a s F i e l d C o mp a n y，C h o n g q i n g 6 3 5 1 0 0，C h i n a Abs t r ac tFu z z y c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n wh i c h b a s e d o n An a l yt i c Hi e r a r c h y Pr o c e s s h a s b e e n pr o po s e d f o r mu l t i v a r i a t e a n d i t s f u z z i n e s s o f m a c h i ne t oo l s e l e c t i o n i n CAP P s y s t e m ，wh i c h f u z z y e v a l ua t i n g roo d- e l h a s b e e n b ui l t ．Th r o u g h t he s y n t h e t i c a n a l ys i s o f t h e f a c t o r s wh i c h i n flu e n c e on ma c h i n e t o o l s e l e c t i o n， f u z z y r e l a t i o n b e t we e n t h e e ffe c t i n g f a c t o r s i s s e t u p， mu l t i va r i a t e q u a nt i t a t i v e p r o b l e ms we r e s o l v e d we l l ，t h e u ni q ue n e s s o f ma c h i n e t o o l s e l e c t i o n i s e n s u r e d． Th i s me t ho d s o l v e d t h e pr o b l e m o f m a c hi n e t o ol s e l e c t i o n b e t t e r a n d e ns ur e d t h e r e l i a b i l i t y a v a i l a b i l i t y b y r un n i n g o n t h e p r o t o t y p e s y s t e m ． Ke y wor ds f u z z y c o mp r e h e n s i v e e va l u a t i o n；CAP P；ma c h i n e t oo l s e l e c t i o n；f u z z y r e l a t i o ns h i p 0 引 言 机 床设备 选 型主要 受 工 件材 料 、 工 件 结 构 、 加 工 表面 的几 何 形 状 、 加 T 精 度 、 热 处 理 、 表 面 质 量 及 加 工成 本等 工艺 特征 信 息 的影 响 。这 些 信息 参 数 之 间 的关 系错 综复 杂 ， 相 互 影 响 ， 需 在 C A P P系 统 中开 发 基 于工艺 特 征 的 机 床 设 备 管 理 模 块 ， 对机 床 设 备 信 息进 行管 理 、 查 询 ， 并根 据 加 工精 度 、 热 处 理 、 几 何 形 状等 工艺 特 征 ， 对 各 工 序 智 能 的选 出合 适 的 机 床 设 备 。 目前 ， 机 床 设 备选 型 方 法 主 要 采 用 模 糊 综 合 评 判 、 遗传 算 法 、 神 经 网络 、 灰 度 关 联 等 ⋯ 。其 中模 糊 综合评判具有以很少 的评判对象模糊推理得到精确 结 果 的优点 。本文 意 在 利用 层 次分 析 法 建立 影 响 机 床选 型 因素 的基 础 上 ， 综 合 运 用 多 层 次 模 糊 评 判 进 行 知识表 达 ， 该 方 法 利 用 模 糊 隶 属 度 理 论 把 定 性 指 标 合理 的定 量化 。 1 机床设 备信 息建模 机床设备特征信息模型主要由静态信息和动态 信 息组 成 ， 可 以分 为 五大类 1 管理 属性信 息 主要包 括与设 备 资 源管 理 相 关 的信 息 ， 如 设备 编 号 、 设 备 型 号 、 设备 类 型 、 生 产 厂 家 、 所属 车 间等 ； 2 结 构 特征信 息 主要 描述 设 备加 工 能力 有 关 的设 备 结 构 参 数 ， 如精 度 参 数 、 工 作 台 参数 、 刀 库 以 及其它技术参数信息等 ； 3 加工 零件 范 围信 息 主 要是 指 与可 加工 零 件 收稿 日期 2 0 1 1 1 21 7 基金项 目 四川 省 教育 厅 项 目 1 0 Z C 0 8 2 ； 过 程 装备 与 控制 工 程 四 川 省高 校 重 点 实 验室 G K Y Y 2 0 1 1 0 3 ； 校 级研 究 生 创 新基 金 项 目 2 0 1 0 0 0 4 作者简介 米长富 1 9 8 7 一 ， 男 ， 内蒙占赤峰 人 ， 四川 理 工学 院机 械工程 学院硕 士研究生 ， 主要从 事集成 制造技 术方 面的研究 ， Em a i l re e f 0 8 1 4 】 6 3 ． c o rn； 通 讯作者 田建平 1 9 6 5 一 ， 男 ， 四川 自贡人 ， 四川理 工学院机械工程学院教授 ， E ma i l ti p 8 9 3 1 2 6 ． 12 0 ／1 1 。 l 1 0 组合机 床 与 自动化 加 工技术 第 7期 有关 的信息集合 ， 包 括可加 工零件类 型、 可加工材 料 、 可加工 工 艺类 型等 ； 4 经济 属 性 信 息 主 要 包 括 台 时费 用 、 维护 费 用 和人 工费用 等 5 状态信息 主要描述与实际生产相关 的设 备 状 态信 息 ，包括 任务 列表 、 无故 障运行 时 间等 。 在 建立 机 床设 备模 型 的 基 础 上 ， 基 于 成 组 编 码 技术 ， 从设备特征信息模型的角度 ， 建立一套适用于 机床设备的编码体系。考虑到编码体系的实用性以 及 编码 能够 直 观 的描 述 设 备 类 型 、 设 备 编 码 体 系 采 用混 合结构 ， 这 种 编 码 结 构 具 有 树 式 结 构 和 链 式 结 构 的共同优点 ， 能较好地满足系统对设备类型、 主要 特征 等信 息 的 描 述 需 要 。其 中类 型 码 采 用 树 状 结 构 ， 特征码 和辅 助码 采 用链 式 结 构 ， 在模 糊 综 合评 判 中构 成评语 集 。 2 模糊综合评判 的机床设备选型 2 ． 1 模糊 综合 评判模 型 模糊 综合 评判 技术 是 指 利用 模 糊集 理 论 进 行评 判的一种方法。该方法应用模糊关系合成原理 ， 从 多个因素对被评判事物隶属度等级状况进行综合性 评 判 。其特 点 是 模 拟 人 类 思 维 的 主动 性 和模 糊 性 ， 运用模糊数学知识对诸多不确定性 因素进行综合评 判 ， 做出精确判 断。机床选型模糊综合评判模型 如图 1所示 ， 其中“ 因素集” 是评判对象性质的集合 ， “ 权重 集 ” 表达 了因 素在评 判集 中轻重 的矩 阵 ， “ 评 判 集 ” 由评判 结果 组成 的集 合 。 图 1 机 床 选 型 模 糊 评 判 模 型 2 ． 2模 糊选 型评 判分 层体 系结构 运 用 层 次 分 析 法 A n a l y t i c H i e r a r c h y P r o c e s s ， A H P 将 一个 决策 问题 ， 分成有序 的层次后 ， 对每个 上层元素 ， 考虑与其有逻辑关系的下层元素 ， 并在他 们之间进行 比较判断 ， 结果 以定量数字给出， 并表示 在一个矩阵中 。通过确定每一层次中各元素的相 对权 重值 ， 进行 层 次 的综 合 ， 进 而给 出 对 目标 层 而 言 的方案层的总体排序权重。采用该方法可较有效地 处理 C A P P系统 中各 工序 机床 设 备 的 选 型 。机 床 选 型 的模 糊知识 表 示 如 图 2所 示 ， 机 床选 型评 判 分 层 体 系结 构 表述 了机 床选 型 因素 在模 糊综 合评 判 模 型 中的关 系 。 机 床 选 择 方 案 评 价 体 系 夹 尺 工 精 度 生 产 效 益 设备 状态 备欠负荷工 目标层 准则层 U I P 指标层 U 机 床 1 _ 机 床 机 f 床 } l 方案层 图 2机 床 选 型 评 判 分 层 体 系结 构 通 过分析 影 响机 床 选 择 的 因 素有 很 多 ， 正 确 地 选 择机 床应该 考 虑 以下 四大 主要 因素 1 机床 的主要规格尺寸应与加工零件 的外形 尺寸相适应 ， 使设备 得到合 理使用 ， 提高设备 利用 率 。 2 机床的精度与零件加工精度相适应 ， 零件 的 加工精度要求高 ， 那么机床的精度也应相应的提高。 3 机床的生产效率与零件的生产纲领相适应 ， 单件 小批 量 生 产 选用 通 用 机 床 ， 大 批 大 量 生 产选 用 专用机床或数控机床。 4 设 备 状 态 ， 根 据设 备 的状 态 选 择 机 床 ， 在 状 态 发生 变化 时 ， 动 态调 整 工序 ， 有 效地 避 免 拖延 生 产 周期现 象 ， 提 高工 厂柔性 制造 能力 。 2 ． 3模 糊综 合评 判 本 文采 用基 于模糊 综 合 评判 的方 法进 行 机 床 选 型 ， 运用层次分析法确定各因素的权重， 建立专家知 识库 。将 给定 的 因素 集 作 划 分 ， 再 在 每层 因 素 间 多 次使 用模 糊 评 判 模 型 。根 据 模 糊 综 合 评 判 ， 影 响 机 床选 型 的指标层 构成第 一层 影 响因素集 ， 准则 层构 成 第二层 影 响因素集 U ／ P[ 3 - 4 3 。对应 的评语 集 设 有 m个评语 V{ 。 ， ， ⋯ l 。通过分别建 立综合评 判 矩阵 R， 根据 影 响因素 的权 重集 A， 进 行模 糊 评判 ， 最终构成评判集 】 ， 。其中权重集 A反映了诸多评判 因素对机床选型影响重要程度 的集合 ， 由专家组评 判 打分 确定权 重 的隶 属度 。建 立 的评判 矩 阵在 程 序 中 由数 组形 式表 达后 封 装在 程 序 中 ， 通 过 自动 判 断 、 对 比选择合适的数值进行模糊运算。 由于因素集分 成两级 ， 相应地评判集 也分成两 级， 一级评判集为 ， 二级评判集为 。权 重集各个 因素 的权重 和为 1 。权重 集分 为两 级 ， 分别 为 A， 。 由图2机床选型评判分层体系结构的模糊综合 评判 模型表 达式 一 一 一一一一一一一一一一 一 一一 一一一一 一一 一 一 一一一一一一一～一一 一 一一 一一一一 一～ 2 0 1 2年 7月 米长富， 等基于模糊综合评判的机床设备选型研究 。 l l 2 2 其 中 第一层影响因素 V A V 第二层 影 响 因素 U ／ P Y A 候 选结 果 中 ， 数值 最 大 的对 应 最 佳 的选 择 方 案 ， 即 M a x y 。这样 根据 隶 属 函数 的最 大 原 则 Ma x Y l 和系数 加 权 ， 可 确 定 各 指 标 的隶 属 度 。对 所 有 因素 依权 数 的大小 均衡 兼 顾 ， 相 比其 它 合 成 运算 的模 型 ， 具 有一 定 的优 越性 ， 结 果 更 符合 实 际 的机床 选 型 ， 且 保 证 了选型 的唯 一性 。 3机床设 备选 型系统 3 ． 1 C A P P原 型 系统 总体 框 架 系统 由功 能模 块 层 、 通 信 接 口层 和 共 享 信 息 层 三层 组 成 ， 如 图 3所 示 。 1 功能模 块层 该层 与程 序 结 构 中 的应 用 层 相 对 应 ， 包 含 了应 用 层 中所涉及 的 与用 户 交互 的功 能模 块 。包 括 机 床 设备 系 统信 息管理 模 块 、 机 床设 备 选择 模 块 、 切 削 参 数推 荐模 块 、 切削 参数 优 化模 块 ， 以及 系 统支 撑 数 据 设置模块 。这些功能模块所需的信息及运行结果信 息通过通信接 口实现与共享信息层问的信息共享与 传递 。 其中系统信息管理模块 负责机 床信息、 刀具 信 息 、 工件材 料信 息 、 工艺 特 征 信息 的添 加 、 删 除 、 信 息 编辑 等工 作 ； 根 据 用 户 输 入 的 关 键 词 ， 进 行 机 床 信 息 、 刀具信 息 、 工件材 料信 息 的查询 。 设备 选择模 块分 为 单条 件 智 能选 择 设 备 和 综合 多 因素智 能选择 设 备 。单 条件 选 择设 备 是 根 据 加工 精 度 进行智 能选 择 。单 条 件选 择 设 备 可输 入 加 工精 度 尺 寸 和形位 精度 等级 及 表 面粗 糙度 等 级 。综合 多 因素智 能选 刀是 根据 加 工 工序 、 加工 精 度 、 热 处 理 等工 艺特征 进行 选择 。 2 通信 接 口层 该层 是系统 各功 能模 块 与 共 享信 息 层 之 间信 息 传递的途径。所有 的共享信 息都采用数据库存储 ， 系统 信息通 过 ． N E T提 供 的 A D O ． N E T和 O r a c l e数据 提 供程 序进 行 数 据 交 互 ， 与 其 它 系 统 的信 息 交 互 除 以上方法外 ， 还通过． N E T提供的 We b S e r v i c e实现 。 3 共享信息层 系统 与其它 外界 系 统 的共 享 数据 以及 系 统 内部 的共享信息集合。包括刀具信息、 机床信息 、 工件材 料信息、 工艺特征信息 ， 完成系统功能所需要的支撑 信息等。这些信息存储 于 O r a c l e数据库 中， 供其它 能l 模l 系 统 信 息 管 理L 一 块l l } 圈 AD0． NE T o r a c l e 数据库． We b S e r v i c e ≤ ≤ I 工 艺 特I I工 艺 知 l I机 床 信l l工 艺 装 备i l材 料 信 I 1加 工 方l I机 床 选 择 冒 l 征 库 I l 识 库l l 息 库I I 信 息 库 I l 息 库I l 法 库l l 规 则 库 悬 ／ 、 ／ 、～一 圈 3 系统 总 体 结 构 框 架 3 ． 2机床 设备选 型流 程 程序在 完成工 序推理 以及设 计工 步等操 作之 后 ， 即通过 机 床 设 备 选 型 模 块 对 生 成 的工 艺 过 程 卡 及工序卡 ， 调用该模块选择机床设备 1 系统 根 据 工 艺 工 序 提 供 的零 件 尺 寸 、 精 度 、 生 产纲 领等 信 息 确 定 合 适 本 工序 使用 的 机 床 集 ， 初 选 去 除最不适 合 的机 床 ， 减 少 系统匹 配计算 的次 数 。 2 根据零件指标层的信息与数据库存储 的相 应 信息 进行 比对 ， 对 照 已经 建 立 的规 则 集 ， 取得 相 应 的评判 系数 。 3 模糊计算 ， 按照模糊综合评判模型进行推理 ， 待所有机床的评判结果计算完成后 ， 取最大值 ， 得到机 床设备 的最优选择 结果 。设备选 型流程如 图 4 。 C A P P 系统 、 工序推理 、 塑盐 生 生 设备选择模块 获取权重集 1 、 2 按 照规则集 ，取得评判集 模糊推理计算排 序并显示最优结果 l 修 图 4设 备 选 择 模 块 流 程 图 4系统 实 现 C A P P系统 在 V C ． N e t 2 0 0 5编 程 工具 下 开 发 ， 利 用 P r o ／ E提供的 P r o ／ T o o l k i t 二次开发包 ， 以同步模式 生成 C A P P ． d l l 文 件 。系 统 利 用 A D O A c t i v e X D a t a O b j e c t s 技术访 问预先创 建 好 的 O r a c l e数 据 库 ， 程 序 自动完 成 检索 、 添加新 数据 ， 删 除数 据等基 本操作 。 1 1 2 组合机 床与 自动化 加 工技术 第 7期 C A P P系统 自动生成 工 艺过 程 卡后 ， 用 户 双 击某 条工 序 ， 进 人工 序 卡进 行 工序 内容详 细 设计 ， 点 击 需 要选择机床的某工步 ， 系统界面高亮显示此条 目， 然 后调用机床选型模块 ， 进行模糊综合评判 ， 得到满意 的机床后， 返 回 C A P P系统修改工艺文件机床栏 目； 若 没有选 择 到 合 适 的机 床 ， 即工 序 或 工 步 出现 逻辑 错误 ， 则提示修改工艺 ， 再次调用机床选型模块直至 选 到合 适 的 机 床 为 止 。机 床 设 备 选 择 模 块 、 工 艺 资 源选择模块 以及工艺参数计算模块可并行完成 ； 在 确 认所 有 的工 序 文 件 正确 以后 连 接 E x c e l 电子 表 格 输出工艺资源文件， 如图 5所示。 图 5 设 备模糊选择结 果 5 结束语 本 文介 绍 了模 糊 综 合 评 判 技 术 ， 分 析 了影 响 设 备 选型 的 因素 ， 应 用 层 次 分 析 法论 述 了它 们 之 间 的 权 重关 系 ， 建立 了机床 设备 选型 的模糊 数学 模 型。 在此基 础上 介绍设 备 选 型系 统 的框 架构 成 以及 运 行 流程 ， 应 用 O r a c l e 建 立 机床 设 备 数据 库 ， 在 P r o ／ E上 进行二 次 开发并 成 功开 发设 备 选 型模 块 。系统 工 作 状态 良好 ， 运行可 靠 ， 推理 结 果 可行 度 高 。在计 算 机 辅助 工艺 生成 中 ， 具有 较好 的应用 价值 。 [ 参 考文献 ] [ 1 ]袁跃龙 ， 杨胜强 ， 李 文辉 ． 基 于模糊综 合评 判的滚磨 工艺 设备选择研究 [ J ] ．机械工程与 自动化 ， 2 0 0 9 ， 1 2 6 1 0 8 1 1 0． [ 2 ]秦宝荣 ， 柯文 ， 王宁生．基于模糊综合评判 的机床选 择分 层决策方法[ J ] ．中国机械工程 2 0 0 3 ， 1 4 3 2 1 6 2 1 9 ． [ 3 ]邵新宇 ， 李培根 ．机床 设备选 择的 多级模 糊综合 评判模 型 [ J ] ． 华 中理 工大学学报 ， 2 0 0 0 ， 2 8 1 0 I 一3 ． [ 4 ]杨晓红 ， 刘 建伟．模糊 综合 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