面向再制造的金属切削机床设计方案评价研究

邢冠梅

（兰州理工大学技术工程学院，甘肃兰州 730300）

0 引言

随着智能制造2025 的持续推进，我国制造业得到快速发展。结合实际情况，我国大部分制造业均存在着服役年龄超过10 年的传统金属切削机床。这些金属切削机床已经超过了机床的使用保质期，需要进行报废处理。这就出现了处理难题，金属切削机床再制造作为有效解决这个难题的方法，已经逐步成为目前行业关注的重点内容。为能够有效解决机床回收处理问题，在设计阶段就要充分考虑金属切削机床再制造相关内容，进而提出相应的综合决策设计方案，确保金属切削机床报废再制造的实际效果。

1 面向再制造的金属切削机床设计方案评价过程

1.1 模糊程度分析法与模糊分层TOPSIS 法

金属切削机床设计方案评价模型中的评价方法主要由模糊程度分析法和模糊分层TOPSIS 法组成。在实际评价过程中，需要结合金属切削机床再制造制造流程，合理确定指标体系评价内容。即在评价前，需要分析研究金属切削机床在不同阶段中实际权重要求，进而确定金属切削机床在不同阶段的评价指标。然后以模糊程度分析法来分别判断分析金属切削机床在不同阶段评价的相对权重。在实际研究过程中，模糊程度分析法的主要分析来源是层次分析法。通常是通过估算分析的方式来判断金属切削机床不同阶段评价的相对权重，进而解决权重分析中多目标的问题。

目前，模糊分层TOPSIS 法多用于对设计方案的品种和评价分析。通过模糊分层TOPSIS 法可促使所有设计方案中，具有积极性意义的设计方案可以实现利益标准最大化，成本标准最小化的效果；反之，对于具有负面意义的设计方案，其将会出现利益标准最小化，成本标准最大化的情况，如此便可以分析判断出积极方案。但是结合实际情况来看，TOPSIS 法无法有效处理专家建议在整个评价体系中产生的不确定性和不准确性问题。为能够避免出现此问题，众多专家学者提出了模糊分层TOPSIS 法。促使在进行设计方案最优选择过程层可以将评价指标进行分层处理，解决TOPSIS 法无法有效处理专家建议在整个评价体系中产生的不确定性和不准确性问题，同时能够使研究结果更容易实施。

1.2 金属切削机床评价指标构建

面向再制造的金属切削机床设计方案，不仅要有效保障金属切削机床在实际制造和使用过程中的经济效益和实际功能基础，还需要在全生命周期过程中充分考虑金属切削机床报废后的再制造相关内容。结合上述要求，需要在金属切削机床设计过程中引入机床报废后再制造设计中的相关指标内容，进而合理构建出金属切削机床全生命周期设计方案评价指标体系。然后使用科学有效的综合评价方法，更为精确有效的综合评价分析设计方案。由于金属切削机床设计方案建模评价中会涉及到多目标、多层次的综合系统性评价内容，因此在进行综合评价体系构建时，还需构建具有多层次、有代表性的综合指标体系。

针对上述指标选取要求，在进行评价分析前，研究者将会充分征询行业专家学者以及相关设计人员、工作人员的实际建议。完成相应的评价指标的确定和甄选，确保所选择的评价指标最具代表性和层次性。另外，由于研究甄选出的评价指标均来自于行业内专家学者以及相关设计人员和工作人员。因此，这些评价指标也具有良好的代表性和权威性，可以有效避免研究中出现主观性评价问题，确保评价结构的客观性和有效性[1]。具体评价指标体系见表1。

1.3 金属切削机床设计方案评价方法

由于表1 中的各项指标同样都难以进行有效量化分析，具有一定的不确定性。故在实际应用前，需要通过量化工具进行预分析处理。在实际研究过程中，本文选择模糊程度分析法，对这些评价指标进行两两对比。最终从相应的三角模糊比较矩阵中获取到较为明确，且可以应用到实际分析过程的优先向量。

结合表2 中的内容，通过M1，M3，M5，M7，M9分别表示同样重要、相对重要、比较重要、特别重要、极为重要等影响程度标准。M2，M4，M6，M8则分别是以上影响程度的中间值，然后以此为基础，对表1 中各阶段存在的不同评价指标进行模糊程度分析[2]，获取的各指标的实际模糊程度值分别为：Mgi1，Mgi2，Mgi3…，Mgim，（i=1，2，3，…，n），式中，所有Mgij，（j=1，2，3，…，n）均为三角模糊数。这些三角模糊数据的总和相对于每个阶段的指标被定义为：

表1 金属切削机床设计方案评价

表2 模糊语义评级

公式（1）和公式（2）中，若M1＞M2，则可以将模糊综合值定义为：

在公式（3）中，当x＞y，uM1（x）=uM2（y）=1 时，V（M1＞M2），且M1和M2两者均是凸模糊数，如此可以推导出：

公式（4）中d 点的纵坐标，需要用公式（5）进行计算求导：

结合上述公式，要将M1和M2进行比较分析，还需要明确V（M1＞M2）和V（M1≥M2）两者的值。若是一个凸模糊数大于k个凸模糊数Mi=（i=1，2，3，…，k）的可能度计算需要依据公式（6）进行[3]。

基于上述公式，则可以将各指标权重确定如下：

式（7）中，Xi，（1，2，3，…，n）为不同阶段的各评价指标，对上述公式进行归一化处理后，可得到各指标的实际权重公式：

在研究中采用模糊语义评价的原因，主要是为了降低专家评价中存在的主观模糊性内容。因此，在进行实际研究过程中，想要获取最终评价，还需要将获取到的模糊集合进行转化，从而获取到相应的具体值[4]。目前，常用的解模糊方法为最大均值法、重心法和面积均值法等。结合现有研究成果来看，重心法具有简单实用等优点，方便进行实际研究。因此，本文研究选用重心法作为解模糊方法，公式（9）如下：

评价分析面向再制造的金属切削机床设计方案时，需要将表1 中的评价指标构建相应的模糊决策矩阵Ds。假设设计方案为Ak（k=1，2，…i），且在n 个设计方案中，均需要充分考虑不同阶段的评价指标。每个阶段具有Ni个评价指标，则可以确定所有评价指标总数为，进而可以获取到以下模糊决策矩阵：

在模糊决策矩阵中，Xkij是第k 个设计方案中第i 个决策阶段中的第j 个评价指标的值，即设计方案Ak关于评价指标Cij的模糊评价得分。通常来说，所有评价指标主要分为成本和效益两方面内容。为增强设计方案的经济效益，需要最大限度控制成本相关指标，提高经济效益相关指标[5]。在分析前，还需要对设计方案评价决策矩阵进行归一化处理，以便于后续研究过程中获取到相应的无量纲矩阵，进而方便进行分析比较，模糊归一化决策矩阵见式（10）。

公式Vkij=rkij⊗Wij◦Wij主要用于研究每个评价指标的最终权重，如此可以推导出式（11）。

然后对正理想解决方法的距离d+和负理想解决方法的距离d-进行分别推导：

对上述公式进行计算求解，可以推导出式（13），式中hk即是所有设计方案中最优方案。

2 案例分析

随着智能制造2025 战略的不断推进，目前我国已经进入到传统金属切削机床报废的高峰时段。为检验本文提出的最优设计方案评价措施的有效性，以某地区某机床制造企业为例，分析金属切削机床再制造的相关影响因素。然后以此为基础，提出3种面向再制造的金属切削机床设计方案，进而从3 种设计方案中，选择出最优方案。

（1）方案一。为确保金属切削机床再制造设计以及基本功能能够满足诸多方面的实际使用要求，方案结合模块化设计理念。将面向再制造的金属切削机床设计方案划分为再制造修复模块、基本功能模块以及选配功能模块等三大模块。其中，再制造修复模块主要包括金属切削机床的导轨、床身、床脚、床头箱、床鞍等部分；基本功能模块主要包括金属切削机床的传动系统、电气系统和安全防护系统等子系统内容；选配功能模块主要包括金属切削机床的自动润滑模块、机床的自动上下料装置模块和刀库系统模块等。在金属切削机床使用后期，为确保机床再制造的实际效果以及满足后续使用需求，可以根据现有科技手段，对金属切削机床进行有效改造升级。

（2）方案二。在进行金属切削机床设计时，可以将金属切削机床整体分为机床动力模块、润滑和冷却系统模块、液压系统模块以及切削系统等四大模块等内容。然后基于“高内聚、低耦合”的模块化设计理念，将四大模块进行分别设计制造，最后组装。在金属切削机床使用后期，需要对金属切削机床极易出现故障的模块进行修复、升级及更换。

（3）方案三。基于标准化制造理念，将金属切削机床的所有关键性零部件均采用标准化设计，促使金属切削机床在使用后期出现故障后，可以实现对零件的低成本更换处理。

将3 种方式中的各阶段指标代入到上述计算过程中，最终可以获取到3 种方案对比结果：h1=0.56＞h2=0.50＞h3=0.37。

由此可知，在3 种设计方案中，方案一的设计为最优设计。因此，在实际设计过程中应采用方案一的设计内容。

3 结论

基于再制造角度，提出相应的设计方案评价方法。在方法确定过程中采用模糊程度分析法与模糊分层TOPSIS 法，有效避免专家评价过程中存在的主观评价因素，增加金属切削机床设计方案评估的有效性，同时增强评价的客观性和权威性，为选择相关设计方案提供有效参考。