基于企业现实加工能力的机械产品精度设计缺陷辨识

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

目前国内的制造业加工水平还处于发展阶段，在加工过程中还存在着机械产品设计要求与企业现实加工能力不相符的矛盾。国外学者阐述了当下数字化工厂的现状及发展方向，讨论了多学科交叉领域对现代工厂发展的影响；文献日研究者针对在制造资源有限情况下进行的机械产品可加工性评价分析，定量评价产品的可加工性，从产品部分特征评价推广到产品整体评价；文献p 用模糊评价方法对机械运动方案选型进行模糊评价，综合有效的选取了合适的机械运动方案；文献 对加工系统进行了形式化建模，并对加工能力模型进行了综合分析。目前的研究工作缺乏针对机械产品设计与企业现实加工实现之间矛盾的研究～机械产品精度设计与现实可加工能力之间的矛盾作为了设计缺陷，进行设计的现实可加工性评价及设计缺陷辨识研究，为解决现实加工矛盾提供了理论方法指导。首先从机械产品设计图纸中提取设计特征和方案 ，结合层次分析法 (Analytic hierarchyprocess，AHP)得出特征与方案的权重因素；依据特征方案细节 ，分别与企业相应加工设备进行现实精度加工能力评价分析，得到精度设计方案可加工J生的等级隶属度；进而得到了产品设计的特征层、方案层、方案隶属度层 ，作为三级模糊评价的三个层次，结合三级模糊评价方法综合进行精度加工的定量评价分析，最终得出机械产品精度设计在现实企业加工中的可加工性评价分数；结合企业已加工经验数据判断可加工分数是否与实际加工情况相符，进而采用改进的模糊决策理论方法进行缺陷辨识 ，直到设计符合企业现实加工。该方法为企业判断自身是否能够完成机械产品精度设计的加工，辨识机械产品精度设计中存在的设计缺陷，和为进-步的进行企业自身技术设备的改造升级提供了科学的数据分析方法和理论支持。

2精度设计可加工性与缺陷辨识原理机械产品加工是-个多因素相互影响，相互制约的复杂问题。针对问题提出了采用 AHP法与分级模糊评价方法相结合，综合进行设计精度加工的模糊评价分析，并结合改进模糊决策理论方法进行精度设计缺陷辨识。分析过程如下：(1)将产品设计图纸按照特征层、方案层两方面进行信息提取与整理，形成三级模糊评价第-、二层。并分别对这两个层次的不同特征通过 AHP法设置客观权重阀值。(2)针对第二层中划分的每-个设计特征加工细节方案，企业设备都将--进行精度等可加工性综合评价分析，以实现来稿日期：2012-07-08作者简介：张 力，(1987-)，男，羌族，茂县人，硕士研究生，主要研究方向：机械产品设计缺陷辨识第5期 张 力等：基于企业现实加工能力的机械产品精度设计缺陷辨识 261利用现实加工能力客观评价设计可加工性的目的。同时记录分析结果，作为三级模糊评价的第三层隶属度信息，为下步的等级评价做准备。(3)分层逐次进行评价：第-级评价为方案隶属度层模糊集与设备可加工等级评价模糊集进行漠糊运算；第二级评价为第-级评价结果与方案层模糊集进行模糊运算；第三级评价为第二级评价结果与特征层模糊集进行模糊运算。最后将评价结果与备择集进行加权平均处理就得到了企业对设计精度的综合评价分数。(4)考虑综合评价分数是否符合企业以往的加工数据和加工经验，并采用改进模糊决策理论方法进 1.IC FI度设计缺陷辨识，找到缺陷点，改正并再次进行综合评价，直至满足企业现实精度的加工要求。综合评价分数定量反映了企业对设计的可加工性，掖映了企业加工能力的实际水平，在-定程度上指出了加工能力的各种薄弱环节。

3可加工性评价与缺陷辨识方法3.1针对机械产品设计进行三级层次分析三级模糊评价方法首先需要对提供的机械产品设计图纸进行三级层次分析。第-层为产品设计图纸中设计特征层信息，如圆柱体表面、孑L、齿轮等设计特征；第二层为图纸设计中针对设计特征层的加工方案层 ，如表面加工中内外表面粗糙度标注、齿轮加工要求标注等；第三层为针对方案层精度加工能力评价的方案隶属度层。三级层次分析，如表 1所示。第-与第二层中的因素权重阀值数据通过 AHP法依据设计图纸中设计特征重要性进行专家评比并计算得出。企业设备可加工因素等级分为：高、较高、-般 、较低 、低 5个等级，但需要注意针对企业加工成本的等级排列却是与零件设计加工等因素排列相反。由此可依据表 1推出企业设备可加工等级评价模糊集合。

表 1产品设计三级层次分析表Tab.1 Product Design Three-LevelHierarchical Analysis Table32 AHP法确定因素权重值AHP法是将复杂的评价对象排列为-个有序的递阶层次结构的整体，然后在各个评价项目之间进行两两的比较、判断，计算各个评价项目的相对重要性系数，即权重 。

分层方式决定了 AHP法在第-与第二层中的评价计算因素是不同的。第-层为所有因素参与第-级因素权重评价计算，而第二层为在第-层的同-因素下的子因素之间进行的因素权重评价计算。采用(5/5～9/1)标度为比例标度值。

表 2 n个指标的判断矩阵Tab.2 The Judgment Matrix W ith N IndexAHP法计算权重值步骤I6]为：第-步，建立判断矩阵。通过专家对评价指标的评价，进行两两比较，其初始权数形成判断矩阵，判断矩阵中第 i行和第. U的元素粕表示指标 托与辑比较后所得的标度系数，如表 2所示。第二步，计算判断矩阵中的每-行各标度数据的几何平均数，记作W 。第三步，进行归-化处理。归-化处理是利用公式W 进行计算，依据计算结果确定各个指标的权重系数。第四步，校验-致陛。通过多次客观评价判断数据波动在-定范围，说明数据具有可用性。

3.3三级模糊评价计算方法第-级模糊评价为：E · (1)在进行第二级模糊评价时需将模糊集E 按照模糊集曰进行同样划分为E。-E。 ，再在运算后合并 n个模糊集E 为模糊集E 。

第二级模糊评价为：E 曰 E nl，2， (2)-n第三级模糊评价为：E3c ·E 2 (3)得到三级模糊评价结果：尽3j e ，e ，，e I3.4确定备择集与可jn-r性对照表备择集是在 100以内以 10为单位进行选取，备择集j，[10090 80 70 20 10 0]。同时依据工艺师手册 得到模糊评价分数与可加工性对照表，如表 3所示。

表 3模糊评价分数与可jn-r-性对照表Tab.3 Fuzzy Evaluation Scores and MachinabilitySide-By-Side Comparison Table3.5加工评价分数将三级模糊评价结果模糊集E与备择集 进行加权运算式n n(4)，可得企业对精度设啪 Ⅱ工评价分数 。 e ·ki/ e (4)得到评价分数 后，进-步采用改进的模糊决策理论方法进行精度设计的缺陷辨识，依据辨识结果返回查看设计数据，确定设计数据的准确性。设计数据若存在错误，修改错误数据并再次进行精度设计的可加工评价，直到设计满足现实加工要求。

3.6精度设计缺陷辨识模糊决策理论是指在模糊环境下进行决策的数学理论和方法。而针对大系统决策的局限性，利用了模糊模式识别理论与模糊关系优选理论，建立了多维模糊决策理论模型，为解决大系统多维决策局限生问题提供了科学的方法和理论基础 。由于进行的是多方案层的可加工性评价分析，而在方案隶属度层中各方案权重系数均为 20%。因此，将采用改进的模糊决策理论方法。改进后的模糊决策识别理论模型为： ----l-- (5)r m ]2式中： 1，2，，c；扛1，2，，mi 1，2，，n；hl，2，，o；p-般取 1或 2；u厂-模糊决策识别矩阵 的元素； -评价目标隶属度矩阵R中元素 与s -标准目标模糊矩阵S中元素。

4实例分析虚拟构建企业A为加工企业，其中企业A拥有数控卧式滚齿机、加工中心、数控车床、高精度数控磨床等加工设备。机械产品设计选用十字轴式万向联轴器作为分析实例。十字轴式万向联轴器由过渡副法兰、内齿套法兰、衬板、轧辊端轴套等零件组成，分析选择内齿套法兰作为产品设计对象。内齿套法兰部分设计图，如图1所示。设计图纸中标注出了内齿套法兰零件加工要求、材料要求、加工工艺等∩以从设计图中提取出内外表面加工、齿P - P -v - v∑ ∑。∑262 机械设计与制造No.5May.201 3加工、同轴度公差要求、孑L加工与孔均布精度等加工特征。而企业在加工产品时还需考虑包括加工损耗费、人工费、材料价格等～提取信息按照设计主特征因素与设计主特征加工细节因素进行分类，并参考产品设计与功能因素，利用AHP法计算出设计主特征与主特征加工细节权重值，从而完成第-与第二层产品设计分析。由于需要确定权重值较多，不--列举，仅以第-层设计主特征因素权重值的判断计算过程为例。首先建立第-层中已划分的5个设计主特征因素判断矩阵，如表 4所示。

20- 13lI . /r ≤宦 ，y / / / m / 12 l22 80 - l- 11 萼n 姿l 皇 § 奇 。毫 暑耋r ： 三 H· 、/ / / / ∥ ， 1 苣 1 ，、 、图1内齿套法兰零件设计图Fig.1 Tooth Flange Parts Within the Design表 4第-层设计主特征因素 5个指标的判断矩阵Tab.4 The First Level Designing Main CharacteristicsFive Indicators Judgment Matrix判断矩阵中： 。为表面加工精度、 ：为齿轮加工要求、物为孔加工要求、 为零件尺寸精度、 为加工价格条件。通过技术专家评比得出判断矩阵数据已填人表4中。通过AHP法计算权重值步骤计算得出5个因素的权重数据为：0.1482、0.2513、0.4228、0.1218、0。

0559。在第三层设计的可加工. 平价等级因素分析中，由于产品设计加工细节因素较多，不--进行评价分析，仅选取内齿套法兰内表面表面粗糙度(Ro)为加工细节对象并进行设备精度可加工性等级评价，以确定企业设备对内表面Ra的精度加工因素隶属集。产品设计中对法兰内齿表面设计要求为用去除材料的方法获得上限值为R--0.41xm的表面粗糙度。企业A加工内表面Rn可以采用加工中心、数控车床和高精度数控磨床三种设备。由于设备加工工艺过程和加东度范围不同，需要分别收集每-种设备针对内表面Ra的可加工数据，从而通过综合评价企业A对内表面Ra的可加T性得到等级因素隶属集。收集与整理企业自旺 中心针对内表面Ra的可加卫 黜 ，如表 5所示。加工中心对内表面Ra的可加工l生(P)数据分布，如图2所示。通过数据采集与整理可以清晰看到加工中心对内表面Ra的实际可加工能力。运用同样方法可以得到数控车床和高精度数控磨床对内表面Ra的实际可加工能力，这里不在累述～三种设备针对内齿套法兰零件内表面Ra可加工性(P)数据在同-图表中进行比对，如图3所示。

表5加工中心对内表面Ra的可加工性(P)数据Tab。5 Ra MachinabiIity(P)Data of MachiningCenter to Internal SurfaceRa 0.012 0.025 0.032 0.O5 0.1 O-2 0.4P 0 0 0 0 0 0 00.8 1.6 3.2 63 12.5 25 50 10OO.05 O-28 0.8 1 1 1 1 10 10 20 30 40 5O 10ORa图2加工中心对内表面Ra的可加工性(P)分布图Fig.2 Machining Center Intemal Surface Machinabilityof R口(P)Distributi0nR图3企业设备对内表面Ra的可加工性(P)分布图Fig.3 Enterprise Equipment Internal Surface Machinabilitynf R P)Distrihution表6内齿套法兰设计层次隶属集表Tab.6 Tooth Flange Design Level Set Table表面o. 482要求内表面加工外表面加工0.7 O.013 0.227 0.36 0.25 0.150.3 O.86 0.14 0 0 0豢zs 。淼- 0.3。9叫0.1， 0。0孔加 同轴度 0.5 0.72 0.22 0.1 0 0工要 0.4228 M56孑L加工 0.25 0.81 0.11 0.1 0 0求 法兰孔加工与孑L的均布 O.25 0.58 0.21 0.1 0.05 0零件z s ： 0.2。 .22 0o-o.042。0赞 水 价格条件 0.0559要求加工与人工费用价格材料价格05 0 O.O6 0-3 O.5 0.20.5 O O.O8 0.4 0.5 0.1通过数据分析可知只有加工中心针对内表面 Ra的可加工性为0%，而数控车床和高精度数控磨床可加工性分别为9%和No.5Mav.2013 机械设计与制造 26389%，数据显示企业在Ra0.41xrn的要求下可以满足加工。但这仅仅是从企业设备对内表面Ra可加工性角度进行的评价，还没有综合考虑企业加工成本、加工时间、人工操作等因素，所以需要在设备理想可加工性平均值 33%的基础上适当考虑企业现实情况 ，得到企业设备针对产品内表面 Ra实际可加工性评价为28%。由于在加工中不同等级之间的加工难度是以指数增长的，且可加工等级大致呈正态分布，所以可以推出企业设备针对内表面设计Ra的可加工性等级因素为：0.013，0.227，0.36，0.25，0.15。

同理分析其他加工因素后，综合加工权重因素数据可以得到内齿套法兰设计层次隶属集，如表 6所示。依据产品设计层次隶属集表中的等级因素，推出企业设备可加工等级模糊集合 为下所示(价格等级依据实际情况是与加工等级排列相反的)。

L进行三级模糊评价运算，得到三级模糊评价结果模糊集：E产[0.4228 0.4228 0.4228 0.2513 0.16 O.16 0.1482 0.1482 0.14820.14820.1]E，与备择集进行综合运算评价分数后，得到企业对内齿套法兰精度加工综合评价为 64.8241。对照表 3得出结论：评价现实企业对内齿套法兰精度设计可加工能力为可加工性-般”。

这个评价结论与企业技术人员以往加工经验不相符，进-步进行精度设计缺陷辨识。

将内齿套法兰方案隶属度层元素转置得到评价目标隶属度矩阵尺：R0.013 0.86 0.51 0.57 0.72 0.81 0.58 0.59 0.49 0 00.227 0.14 0.39 0.23 0.22 0.1l 0.21 0.22 036 0.06 0.080.36 0 0.1 O.13 0.1 O.1 0.1 0.22 O.22 03 0.40.25 0 O 0.07 0 0 0.05 0.04 0.02 0.5 0.50.15 0 0 0 0 0 0 0 0 0.2 0.1计算标准目标模糊矩阵S取 2。

运用 MATLAB软件进行运算后得到模糊决策识别矩阵U为：f9 0 0 0 0 0 0 0 0 Inf 1]I9 0 0 0 0 0 0 0 0 4 l1 1nf l I I嘭 l畸 I l I 1 1其中，1nf指数据无穷大，这是由于评价 目标隶属度矩阵中数据过于小造成的。从模糊决策识别矩阵中进行分析我们可以发现方案 1对矩阵 数据影响最大，说明方案 1对综合评价分数的减小影响最大，说明在内表面加工方案中存在精度设计缺陷。

按照缺陷辨识结果 ，设计人员检查方案 1的精度设计 ，发现错误标注内表面粗糙度加工要求数据为Ra0.4，修改标注为正确的Ra1.6。重新评价企业加工能力时，企业 A对 Ra1.6的可加工性等级因素变为：0.21，0.58，0.14，0.07，0。计算后得到改正后综合评价加工数据V71.8257。发现企业对内齿套法兰精度设计可加工能力变为可加工性-般较易”，符合企业现实加工情况。说明改进模糊决策理论方法实现了对机械产品精度设计缺陷的有效辨识 。

5结论(1)综合采用分级模糊评价、AHP法和改进模糊决策理论方法，系统客观的实现了对机械产品精度设计的现实可加工性评价，完成了对精度设计缺陷的辨识，有效改善了精度设计与现实加工之间的矛盾，并通过对现实加工能力的评价 ，在-定层度上反映出企业现实加工能力的薄弱环节。(2)三级模糊评价方法通过拆分机械产品精度设计为三个具体层次，并与企业现实加工能力进行综合模糊评价，达到全面分析产品精度设计的现实可加工性 目的，为企业科学决策提供了依据。(3)采用改进模糊决策理论方法，通过模糊决策，确定影响精度设计加工的缺陷位置，实现了精度设计缺陷的辨识。