机械类毕业设计课题方案设计评价系统分析与实现

徐雪萌，王志山，李 硕

（1. 河南工业大学 机电工程学院，河南 郑州 450007；2. 河南城建学院 测绘与城市空间信息学院，河南 平顶山 467036）

0 引言

毕业设计是本科教学计划中最重要的工程实践能力培养环节，是人才培养质量的重要体现，对毕业要求达成形成强有力的支撑[1-3]。方案设计及论证选择是机械类毕业设计课题实施过程中的关键步骤，是学生开展毕业设计工作的“指挥棒”，为后续的图纸绘制、设计说明书撰写奠定基础，集中体现了学生创新型思维。通过设计方案、比较及选择方案，达到培养解决复杂工程技术问题的能力。

多年毕业设计指导工作中发现，学生对自己提出的多个设计方案选择缺乏工程设计意识，方案优选时论证不全面、重点不突出、理由不充分，没有明确的论证方法与模式，选择方案随意性较大，这与工程设计严谨性不符，与实际生产中对设计方案的评价方法与模式脱节。为提高学生毕业设计质量，培养其形成良好工程设计素养，有必要引导学生对设计方案进行科学、合理的论证与评价。

本文基于AHP 法，建立了机械产品设计方案评价模型，该模型以工作性能、经济性能、可靠性能为评价的3 个准则层，每个准则层下设计3 个子准则层，科学、全面评价机械产品设计方案。该模型开发通过Visual Studio 2012 MFC 编程，采用基于对话框、流文件读写技术，实现数据库及功能模块设计。

1 机械类毕业设计课题特点

1.1 真题真做

机械类毕业设计课题，小到装置设计，大到整机设计，绝大多数涉及机构的设计，体现机械学科特点。近年来，在“中国制造2025”“互联网+”等大背景下，中国制造业创新发展迎来一个新时代，新工科建设为机械类专业的人才培养提供了新的机遇和挑战，企业和高校的合作更加紧密。对河南工业大学近3 年毕业设计题目调研，70%的毕业设计课题与教师的科研一致，有的甚至是企业急需解决的问题，学生在毕业设计培养环节做到真题真做，教师也是按照实际工程项目的实操进行指导，因此要求设计各环节内容正确、方法科学、过程严谨。

1.2 设计方案的多样性

机械设计中设计方案的多样性表现在2 个方面：①某种功能的机构设计可以有多种方案，如采用机械或气动、液压等不同的方式实现，机械又可以用不同机构实现同一功能。②现代机械呈现大型化、高速化以获得规模经济效益，具有机构多、自动化程度高的特征。若多种机构集成在同一台机器上，出现机构方案组合问题，如2 个执行机构中，每个执行机构有2种设计方案，经组合后便产生4 种设计方案，多方案性在整机和生产线设计方案中尤为突出。

1.3 方案评价标准多样性

机械产品设计方案评价指标较多，站在不同的角度使用不同的指标来评价。方案设计者会从生产效率、技术适应性、自动化程度等方面评价；制造者会从加工成本、维修成本等方面评价；终端用户经常用设备稳定性、可操作性、运行成本等指标来评价。

2 基于AHP 法评价分析与过程

AHP 法是定性与定量分析相结合的系统分析方法，可以把复杂的问题分解成组成要素并形成层次结构，经两两比较判断确定要素的重要性，最终形成层次结构判断矩阵，以各层组合权重值形成最终判断[4-6]。

2.1 评价模型建立

为方便学生对设计方案自我评价，选择出最优的毕业设计课题技术方案，笔者结合机械产品设计的共性，在对机械产品生产企业深入调研的基础上，利用AHP法建立机械产品设计方案的评价层次结构模型[7-9]。从设备的工作性能X1、经济性能X2、可靠性能X3等 3个方面建立设计方案评价体系。技术适用性Y1、生产能力Y2、自动化程度Y3是对工作性X1的细分；加工成本Y4、运行成本Y5、维修成本Y6是对经济性X2的细分；稳定性Y7、安全性Y8、可操作性Y9是对可靠性X3的细分。建立3 个准则层、9 个子准则层评价目标模型，如图1 所示。

图1 机械产品设计方案评价模型

2.2 建立判断矩阵

根据层分析法理论，在建立评价层次模型的基础上，用1~9 标度法，建立准则层和子准则层判断矩阵，并计算权重。为避免学生判断的随意性及片面性，判断矩阵中各评价指标的标度采纳校内专家和生产一线工程师的建议，得到准则层及子准则层的判断矩阵和权重系数ω，见表1—2。

表1 准则层判断矩阵

表2 子准则层判断矩阵

2.3 方案的相对评价

学生对自己设计的n方案9 个子准则层指标进行自评和互评[10-11]，用打分的方式进行，分数取值从0~1，如表3 所示。ai j（i取值1~3，j取值1~n）是对子准则层Y1、Y2、Y3评判，如a1n为第n个方案的技术适应性得分，a2n为第n个方案生产能力得分，a3n为第n个方案自动化程度得分。同理，bi j、ci j分别对子准则层Y4、Y5、Y6及Y7、Y8、Y9的评分。打分操作简单易行，学生也可以通过此步操作了解机械产品设计时要考虑的因素，潜移默化中培养学生工程素养。

表3 设计方案的评分表

2.4 运算评价

根据方案评价矩阵和子准则层的权重系数，可以得到各个方案相对于3 个一级准则的评价结果矩阵，如：工作性能X1、济性能X2、可靠性能X3的评价结果矩阵如下：

将X1、X2、X3进行归一化处理得综上所述，可以得到n种方案的最终的评价矩阵F=然后将F进行归一化处理，得出n种方案的综合权重为依据层次分析法理论，综合权重值最大者为最优方案。

3 系统开发

3.1 功能模块设计

为简化设计、方便使用，设计方案评价系统功能模块主要包括用户信息管理、评价指标管理、评价矩阵运算、评价结果管理等4 大模块组成[13-14]，如图 2所示，各模块的功能下。

图2 评价系统功能模块设置

（1）用户信息输入管理模块：主要完成系统用户的信息管理、身份分类、权限控制与登录验证等。学生登录时，输入自己身份信息和毕业设计课题名称信息，在方案数下拉菜单中，选择本次评价的方案数。

（2）评价指标管理模块：用于维护评价指标体系9 个二级指标分类输入。学生毕业设计方案数一般不超过 5 个，因此评价区方案数设置为 1~5，常用为2~4。

（3）综合评价运算模块：此模块要完成2 轮矩阵运算，首先以各方案二级评价指标体系为数据基础，与对应二级指标权重进行矩阵运算，得到各方案一级指标归一化值。然后综合一级指标权重再次进行矩阵运算，以判断矩阵法为计算核心，计算各方案综合权重。最后进行方案优劣排序。

（4）评价后信息处理模块：将上述3 个模块信息保存，生成评价表，以供教师或他人评阅。

3.2 评价系统实现

根据层分析法理论，在建立评价层次的基础上能对设计方案进行评价，为了能将本文提出的评价办法应用到实际教学工作中，需要开发适当的软件系统来实施该体系。以Microsoft Visual Studio 2012 为开发环境，以Visual C++2012 为开发语言[15]，利用对话框技术、流数据读取存储技术开发了基于本文理论体系、针对机械类专业毕业生方案评价过程的软件系统。

3.2.1 设置、显示对话框

在Windows 环境中，对话框和控件是用户和系统通信的基本工具。对话框是一个窗口，每个控件也是某种专用的窗口。在本评价系统开发中，在 Visual Studio 2012 环境中，选用MFC 程序，创建基于对话框的程序。编程中采用了模态对话框，在同一对话框窗口中实现学生信息、设计方案评价信息、评价及保存信息等功能。共设计了28 个静态控件，提供标题或说明性信息；设计了60 个编辑控件，用于输入、输出相关信息；设计了3 个按钮控件，用以实现评价计算、保存和退出。对需要输入信息的编辑框，根据输入内容，选择Add Member Variables，选择变量类型为Value类，具体变量类型选为数值型和CString 字符串类型。创建了对话框、添加了控件，按下Ctrl+T 组合键测试对话框。

3.2.2 处理对话框中控件

利用类向导Class Wizard 建立对话框类对象。选择学年、专业、姓名、毕业设计课题等编辑控件对应CString 字符串类型。按照一名学生的毕业设计方案数不超过5 个，每个方案9 项评价要素，设立45 个编辑控件用以输入评价要素。分别为这45 个编辑控件设定float 型数据。

在使用软件时，学生根据自己的方案数目，将评价要素依次填入对应编辑控件，检查之后即可点击“计算各个方案评价”按钮进行评价。在程序内部，要为该按钮添加处理函数OnClickedButton1()，以便进行计算。计算后利用 UpdateData(FALSE)，根据各变量的值更新相应的控件，将各方案计算结果显示在对应编辑控件中。将每个学生的方案评价进行排序，并将排序情况显示在排序框中，用户可以看到方案得分及排序情况，以便进行选择和决策。

为记录学生毕业设计的方案及评价情况，本软件采用C++流数据技术，将学生信息、方案评价信息存储为TXT 格式磁盘文件[16]。首先定义对象：ofstream OutPutRecord；打开文件 OutPutRecord.open(_T("Ping JiaBiao.txt"),ios::out| ios::app)；其中 PingJiaBiao.txt 为得到的文本文件，ios::out 以输出方式打开文件，如果已有此名字的文件，则将其原内容全部清除；ios::app以输出方式打开文件，写入的数据始终添加在文件末尾，这样只要使用了同一个软件包 PingJiaBiao.txt 学生的信息都能被收集记录在所述文本文件中。

为使输出的评价表整齐美观，利用字符串类CString 类对象的相应运算符 GetLength()来计算姓名和毕业设计课题名称的长度[17]。姓名和毕业设计课题名称是 CString 型的数据，首先将姓名的输出宽度控制在4 个汉字宽度，毕业设计课题名称控制在22 个汉字宽度，从而控制每一行的输出长度和位置。具体语句格式为：CString strBlank=“ ”，包含两个空格，根据姓名和课题的字符串长度，计算出需要输出 strBlank的数量，使用循环语句控制输出不同数目的“OutPutRecord<

图3 毕业设计方案评价表输出格式

3.3 应用

某同学毕业设计课题为给袋式包装机执行装置设计，主要设计包装机取袋、供袋装置，实现将袋库中的包装袋取出并供送至充填工位功能。为此分别设计了2 种取袋装置和2 种供袋装置，如图4—7 所示，关于装置工作原理不在此赘述。经组合得到4 种设计方案，如表 4 所示，使用该系统完成 4 种方案评优选择。

表4 设计方案表

图4 气缸取袋

图5 链传动取袋

图6 连杆供袋

图7 凸轮供袋

录入相关用户信息、评价信息并计算，得到的评价结果如图 8 所示，可看出 4 种方案中 2 为最优方案。评价结果生成txt 文件，如图 9 所示，供保存、提交。方案2 得到企业认可，并开发了相关设备市场推广使用。

图8 方案评价信息及结果

图9 毕业设计课题方案评价统计表

4 结语

以层次分析法为核心，设计开发了机械类毕业设计课题方案论证评价系统。在构建评价模型的基础上，运用VC++ MFC 对话框技术、流数据技术，形成可以实际使用的评价软件，实现定量评价、简表记录，以便大学生通过此系统对自己设计的方案进行科学评价并选优。目前，该系统已经投入使用，操作方便，取得较好效果。本系统也可为实际生产方案的评价提供参考。