面向绿色制造的加工工艺参数决策方法及应用

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Decision M aking M ethod of Process Parameter Selection for GreenM anufacturing Based on a DEMATEL-VIKOR AlgorithmWU Xiaorong ZHANG Shuyou QIU Lemiao SUN Liangfeng(State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control，Zhejiang University，Hangzhou 3 1 0027)Abstract：To solve the problem ofprocess parameter selection an d optimization for green man ufacturing，a multi-input，process andmulti-output grey model for green manufacturing is developed aiming at converting a procedure of process parameter selection andoptimization into a multiple-criteria decision making procedure.The fuzzy linguistic expert knowledge in a green evaluation ofproduct manufacturing process is quantified using fuzzy set theory.Decision making trial and evaluation laboratory(DEMATEL)method is extended in fuzzy environment to deal with the correlation of process evaluation factors an d to allocate its weighing f.actorin accordance with its influence.Furthermore，process parameter selection for green manufacturing is carried out based on acomprehensive DEMATEL-VIKOR algorithm.As a msdt，a best or compromise set for green process parameter values is obtainedwith a balanced consideration between maximum group utility and minimum individual regret，and the process controlable factor forgreen manufacturing is ranked aiming at a beter adjustment for process parameter optimization.Finaly，the proposed method isapplied to select green process param eter in an electrical discharge machining to verify its feasibility and efectiveness。

Key words： Green manufacturing Process param eter optimization DEMATEL-VIKOR Fuzzy setElectrical discharge machining0 前言制造工艺参数的选择直接影响产品的生产效率、生产成本和加工质量，是现代制造技术迫切需要解决的重要课题↑年来，国内外学者分别从试验测试、模拟仿真，工艺知识推理、制造工艺智能搜索等对制造工艺参数选择进行了大量的研究。

·国家自然科学基金(51275458)、中央高校基本科研业务费专项基金(2011XZZX005)和浙江势技计划(2010C31085)资助项目。20120912收到初稿，20121228收到修改稿KAO等lJ采用田El试验和灰色理论对Ti6A14V合金的电火花加工参数进行多目标优化，试验结果表明通过工艺参数优化可使工具电极损耗降低 15%、材料去除量提高 12%，表面粗糙度值减小 19%。

KUMAR[2]采用了Abaqus软件对圆形伸缩管弯曲工艺过程进行有限元模拟，找出了夹紧模、防皱模和芯轴位置，发现模胎与导管之间的摩擦力对起皱有较大影响。胡建华等jJ运用DEFORM-3D有限元分析软件对小模数齿形件精密冲裁过程进行数值模拟，研究冲裁间隙、压边圈尺寸、压边力、反压力、阴模刃口圆角等主要工艺参数对成形结果的影响，机 械 工 程 学 报 第 49卷第 7期获得工艺参数对精密冲裁质量的影响规律。XU等L4j采用数学逻辑推理知识，构建出制造工艺参数选择的原子推理工程模型，并通过某孔加工实例的工艺参数 自动获取验证其方法有效性。RAO等L5j以最短加工时间(即高生产率)为优化 目标，分别结合人工蜂群算法、粒子群算法和模拟退火算法对多路铣削工序的加工参数优化选择问题进行研究，探讨了人工智能技术在制造工艺参数决策中的应用。这些研究分别从产品生产效率、制造成本、加工质量等角度对工艺参数进行选择优化，如何结合制造过程绿色性来考虑工艺参数规划有待进-步研究。

随着资源危机和环境污染问题的日益突出，绿色制造得到越来越多重视，引起国内外研究学者的广泛关注6 。在绿色制造的工艺规划研究方面，BENNETT等lIJ从减少工艺过程中废物排放和能量消耗角度出发，研究产品工艺规划问题。HE等研究开发出-种面向绿色制造的工艺规划支持系统，对工艺过程中的材料消耗、能量消耗和环境排放物等进行优化，改善制造过程的绿色性 。TAN等ljJ构建了综合考虑质量、成本和环境影响的多目标切削液决策模型，并通过滚齿加工切削液选择实例验证其实用性。MUNOZ等lH 构建了切削工艺过程的环境模型，定量分析了切削加工过程中的能量消耗、切削速度、切削液等工艺参数对环境的影响。

JIANG 等l副将矢量投影理论应用于绿色制造加工刀具方案的评估。SIVAPIRAKASAM 等l oJ运用TOPSIS理论研究绿色电火花加工的工艺参数选择问题。曹华军等l 综合考虑资源消耗和环境影响，利用面向绿色制造的机床设备选择 目标分解参考体系，建立了零件单个特征的机床设备选择多目标优化决策模型，并将灰色关联分析法和层次分析法用于模型的求解。谭显春等 构建了-种面向绿色制造的工艺路线决策模型，运用遗传算法与模拟退火算法进行求解，达到从环境保护角度优化产品制造工艺过程的目标。这些方法探讨了工艺规划与环境的关联性，并提出-些减少环境污染的有效工艺技术和方法。由于制造绿色性是-个较难精确度量的概念，它往往依赖于专家的经验与知识，而专家知识及经验的不确定性、模糊性使得以上研究模型和技术较难适用于绿色工艺参数的决策。与此同时，由于绿色工艺评估过程影响因素众多，这些因素相互关联、相互制约，导致绿色性评估指标间存在着复杂的关联性，进-步增大了研究的复杂度。

鉴于此，本文通过构建绿色制造过程的灰色模型，运用模糊集理论对评估专家的不确定、不准确的模糊知识进行处理，提出采用决策试验与评价实验室(Decision making trial and evaluation laboratory，DEMATEL)方法建立绿色工艺评估因子的关联影响矩阵，分析它们之间的关联性并依据影响度大小确定其权重系数。利用 DEMATEL.VIKOR技术进行绿色工艺参数决策，实现面向绿色制造的加工工艺参数规划，并在电火花加工的工艺参数决策中进行应用验证。

1 绿色工艺参数决策模型1.1 绿色制造过程的MIPMO灰色模型产品的加工制造过程就是待加工零件经过具有相应加工参数的加工设备操作，形成所要求加工特征的过程。在此过程中，工艺参数等部分信息已知，而制造影响因素等信息是未知，因此，可将单个制造工艺过程看为-个灰色操作系统，工件、工艺参数、能源等就是其输入，而产品、噪声、热量等则为其输出，从而可将复杂的制造加工过程简化为-个多输入-处理-多输出(Multi-input，process andmulti.output，MIPMO)系统，基于制造过程的物料守恒，按照制造过程中物料、能源的流向，构建出绿色制造过程的MIPMO灰色模型，如图 1所示。与仅仅考虑物料变化的传统制造模型不同，该模型将热量、噪声等环境因素纳入其中，综合考虑零件制造过程中的物料变化、能源消耗及其对环境 的影响。

工件 .1成 胎加工工艺参数. 加工工艺 -.1油 性(如电火花加工、 车削JN：r. ，- '-t j注塑加工等)- .4微细颗粒废物 加工工具F-- ] 热量。 l l lT 嘧持AI垂I- 噪声多个条件输入 制造处理 多个结果输出图I 加工工艺的绿色制造过程MIPMO灰色模型1.2 绿色工艺评估指标决策对于绿色制造，仅仅考虑生产时间、产品质量和成本 3个目标变量是不够的，而应该把环境影响和资源消耗作为重要因素加以考虑J。环境影响主要指生态环境影响、职业降影响和不安全性，而资源消耗包括资源消耗状况、资源种类、资源特征等。为此，采用多个决策目标来考虑制造过程中的参数选择，考虑到制造效率与环境影响在某些加工参数上可能是相悖的，如车削过程中选择较高的刀具转速，可缩短加工时间，提高制造效率，但另-2013年 4月 伍晓榕等：面向绿色制造的加工工艺参数决策方法及应用 93方面由于转速的提高，造成制造噪音加大，切削热排放增加，导致环境污染加剧。因此，绿色工艺参数选择中的多个目标变量之间存在着密切联系，它们之间相互影响、相互制约，共同构成了绿色工艺参数决策系统。图2为依据绿色工艺目标所构建的制造过程综合决策模型，图2中虚线表示评估指标之间的关联性。

- 图2 绿色制造过程综合决策模型根据绿色制造过程综合决策模型可以建立绿色制造工艺评估分析清单。评估分析清单主要用于制造过程输入和输出数据的采集及评价，主要包括工艺参数输入和过程绿色性评估方法等内容，不同的制造加工过程，输入的加工参数不同，其对于环境的影响也不相同，因而其绿色工艺评估的方法也不同。所以，对于不同的制造过程，要根据实际情况制定出绿色工艺评估指标的量化方法。例如：对于电火花加工，需要考虑的主要工艺参数有峰值电流、脉冲间隔、电介质液面高度和冲油压力，而对于其绿色性的评估主要从电极磨损率、工艺时间、能耗、污染面积和电介质耗量几个方面展开。

2 模糊改进 DEMATEL权重法绿色工艺评价指标重要度是合理正确评价工艺绿色性的重要依据，因此准确客观地确定评估指标的重要度是进行绿色工艺参数决策的前提。传统评估指标权重设计常用的方法有层次分析法、ANP法、粗糙集法、证据推理法，以及由这些方法混合或衍生出的复合方法Ll 。这些方法存在的共性问题就是对评估指标之间的相互影响所产生的效果缺乏必要考虑和相应处理手段，进而导致决策缺失科学性和客观性。DEMATEL模型是由美国学者GABUS等LZ 率先提出的-种系统化分析决策方法。该方法运用图论和矩阵理论分析系统中各元素之间的原因-结果影响关系和每个元素在系统中的重要性，充分利用专家的经验和知识来处理复杂决策问题〖虑到绿色工艺指标评估依赖于专家不确定性、模糊性的经验与知识，所以运用模糊集理论改进DEMATEL方法，对绿色工艺的评价指标进行量化分析并计算确定它们的重要度。

(1)根据绿色制造工艺评估分析清单确定评估指标集合，记为 CC1，C2，， 。

(2)利用专家评估法得到评估指标直接影响模糊关系矩阵。评估专家以 影响极高、影响-般、影响较低”等模糊语义变量来表示评估指标 Cf与cj之间的相互影响程度，建立绿色评估指标的直接影响模糊关系矩阵clF q C21 厂12：。 ： ： ： m式中，.疗表示评价指标 Cf对指标 C，的影响关系。为了能够处理专家评估的模糊语言，应用模糊集理论，结合专家知识和经验建立评估语言变量的模糊语言术语集和对应的模糊数(表 1)。因模糊数的形式有许多种类，这里采用最流行的三角模糊数(Triangularfuzzy numbeTFN)，对模糊语言术语进行量化处理，表示为 a L a M H，f，J1，2，， ，隶属度函数表示为f，j( )表 1 评估模糊语言表示与模糊数从而可得到绿色工艺评价指标间的直接影响模糊关系矩阵-< < 也生生 。

机 械 工 程 学 报 第49卷第 7期F ：( ， M。，al1)(口 ，口 ， )i( ，口 ，口 )。 厂 ： ： ： ：。 ： ： ： ： (口 ，口 ，《)- ：( ，《， )(%L口 ，口 )(口 ， ， )； i(口 ，n ， )( L M ，《)f1，2，，n (3)(3)对F按式(4)进行正规化处理，可得相对直接影响关系矩阵 ( ， ， ) ∑ ， 、 n舞 ， ，岳 ， i岳ljl 喜(4)(4)求解评价指标综合影响矩阵。为了考虑评估指标之间的间接影响关系，需要求出评价指标综合影响矩阵。采用模糊矩阵拆分运算法将相对直接影响关系矩阵G拆分为G I、G l～和G日 l3个子矩阵，分别按式(5)求出综合影响矩阵 、 和G口G口2..G Ga( I-G an)- I， - ， IGa(J-G口)～ ( ) ，M，日(5)从而可得到绿色工艺评价指标问的影响模糊关系矩阵 ( T -( ， ， )L(6)式中，断表示评估指标 G对 C的直接影响和间接影响的程度。-般来说：如果 >0，表示评估指标Ci对 Cj有直接或间接的影响，且影响度为 ty。文献[201证明运用上述模糊矩阵拆分运算法仍可保持结果数据的模糊性和保证运算结果的可靠性。

(5)利用影响度矩阵和被影响度矩阵开展评估指标的影响度分析。定义评估指标的影响度矩阵rr ( (1)，rA2)，， (n)) (7)rr( ∑ l∑r ，∑ ，∑r I (8) jl 1 ，1 ，1 /式中，T(i)为评估指标 f的影响度，表示第 f个评估指标对所有评估指标的综合影响强度之和。定义被影响度矩阵 ( (1)， (2)，， (咒)) (9)/ n 、( ∑f I∑f ，∑f ，∑f l (10)式中， (，)为评估指标 的被影响度，表示第 个评估指标受到所有评估指标的综合影响强度之和。

定义评估指标f的原因度Mci和中心度ⅣcjMcf (f)- (f) (11)Ⅳcf： (f) (f) (12)如果原因度 Mci>O，表明该指标 f对其他指标影响大，称为原因指标；如果 Mo

由步骤(5)可知，原因度和中心度考虑了评估指标间的影响关系，因此，按式(13)和式(14)计算得到的评估指标权重也考虑了指标间的相互影响关系，综合影响度大的指标，其对应的权重也大 ( ， ， )二 f：1n ， ，∑Ⅳc (1- ) ： ，.Mc I(13)(14)3 DEMATEL.VIKOR工艺参数决策VlKOR(VlseKriterijumska Optimizacija-Komp-romisno Resenje)方法是-种复杂系统多属性决策方法L2 J。该方法克服了 TOPSIS方法无法反映各方案与正负理想解接近程度的不足，不仅能同时考虑群体效益的最大化与个体遗憾的最携，还能充分考虑决策者的主观偏好，从而使决策更具合理性L2 Z4J。为考虑系统决策参数间的相互影响和相互耦合，运用模糊改进DEMATEL权重对VIKOR技术进行改进，提出-种基于 DEMATEL.VIKOR的2013年4月 伍晓榕等：面向绿色制造的加工工艺参数决策方法及应用 95绿色工艺参数决策方法。

3.1 理论基础假定某制造过程选定m组工艺参数进行加工试验，根据绿色制造过程的 MIPMO灰色模型可得到m 组 输 出 结 果 数 据 ， 表 示 为 试 验 组 集 合(xivi)lil，2，， ，xi表示第 i组加工工艺参数集合， 表示第 i组加工工艺参数的试验输出结果集合，以矩阵的形式表达为Y(Yl，Y2，， ) Yl1 Y12Yil Yi2Yml YI2 ： ： 1，2，，m (15)式中， 表示第 f组试验中的第 个评价指标的测量值。为了消除不同物理量纲对决策结果的影响，需要将绿色工艺决策矩阵 y进行规范化处理 由此可得到规范化矩阵B( ) 61l bl2：l 2 6l： ： (16)1，2，，m J1，2，，n (17)定义最理想的绿色工艺参数集(6 )和最差的工艺参数集(6)分别为6 ( )max(18)6-( )min.乏(19)i1，2，，m Jl，2，，n式中，收效型指标是指评价值越大越好，成本型则正好相反，指评价值越小越好。由此，可计算群体效益 和最大个体遗憾数 R ∑ ( - )/( -4) (20)Rim，axwj(b- )/( - ) (21)式中， .为不同评估指标的权重， 1， >0，：l由第 2节中基于模糊集的改进 DEMATEL法计算得到。

综合考虑最大群体效益和最小个体遗憾数的基础上，可得出VIKOR综合指标数 S-maS，R m R-m R (23)式中，，-是最大群体效益权重，(1- 1则为个体遗憾数的权重数～ ，忍和 Ql按数值大续行排序，根据判断准则 1和 2进行绿色工艺参数的决策。

(1)判断准则 l：可接受的优势Q( ( ))-Q( ( ))≥- (24)式中， ( 和 (2)分别表示序列 af中排序位于第-和第二的工艺参数方案，m是所有的方案总数。

(2)判断准则2：可接受的决策稳定性 如果工艺参数方案 J在序列 或 尼中的排序也是第-，说明绿色工艺参数决策是稳定的。

如果以上两个判断准则有-个未满足，说明有多个工艺参数方案效果极其接近，所以可得到-组折中方案，具体情况如下。

(a)如果仅仅判断准则 2不满足，则工艺参数方案 和 皆为最优方案。

(1))如果判断准则 1不满足，则得到-组折中工艺参数方案集 (， ( ，， ( )， 最大值由式(25)决定，所选方案都接近理想方案Q( (u))-Q( ( ))<- (25)3.2 实现步骤综合以上理论可得 DEMATEL-VIKOR绿色工艺参数决策流程图，如图3所示。该方法的主要步骤如下。

(1)根据制造过程原理构建绿色制造过程的MIPMO灰色模型。

(2)采用田口试验设计法设计绿色工艺测试试验。 (3)开展绿色工艺参数决策试验，收集试验测试数据，分析得到绿色工艺参数的评估数据，构建绿色工艺参数评估矩阵并进行规范化处理。

(4)确定最理想的绿色工艺参数集 6 和最差的机 械 工 程 学 报 第 49卷第 7期工艺参数集 b。

(5)用模糊改进 DEMATEL法确定评估指标关联性并得到绿色工艺评估指标的权重矩阵。

(6)计算各组试验方案的群体效益 、最大个体遗憾数忍和 VIKOR综合指标数 Ql，并按数值大续行排序。

(7)根据最优工艺参数判断准则，得出最优绿色工艺参数或最优绿色工艺参数折中方案集合。

构建绿色制造过程的MIPMO灰色模型采用田口试验设计方法设计绿色工艺测试参数进行绿色工艺操作试验收集试验数据 ，确定考虑的输出参数构建绿色工艺参数评估矩阵定义绿色工艺决策中的 矿和b结合模糊改进的 DEMATEL绿色评估权重矩阵，计算模糊改进VIKOR方法中的决策序列S，R，和 ，并排序是 J/ 在序列Si和R位列第 1收集信息，进行绿色工艺评价指标专家评估用模糊改进DEMATEL法考虑评估指标关联性并得到权重矩阵最优折中工艺参数方案集 ， )最/，4 A意 l ： ”， 最优绿色工艺参数方案 ”图 3 DEMATEL.VIKOR绿色工艺参数决策流程4 应用实例电火 花 加 工 (Electrical discharge machining，EDM) 是针对高熔点、高硬度、高强度等新性能材料，产品结构复杂，工艺要求特殊的-类工件进行加工的特种制造方法。电火花加工过程中，工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，利用放电产生的局部、瞬时高温将金属蚀除下来，达到加工目地，广泛用于模具生产中的型孔、型腔加工，已成为模具制造业的主导加工方法，但在加工过程中，易产生噪声、电火花、烟雾等，对工作人员和环境造成污染。本文从工艺参数选择优化角度，考虑电火花加工的环境影响，利用文中所提出的理论和方法，进行绿色电火花加工的工艺参数决策。对该工艺过程构建的MIPMO灰色模型、绿色工艺综合决策模型及绿色加工工艺评估分析清单分别见图 4、图 5和表 2Ll ，田口试验方法的 L9(3 )组试验工艺参数值及试验结果见表 3l 。

多个条件输入 制造处理 多个结果输出图 4 某电火花加工的绿色制造过程 MIPMO灰色模型图5 某绿色电火花制造过程综合决策模型表2 某电火花加工工艺评估分析清单2013年 4月 伍晓榕等：面向绿色制造的加工工艺参数决策方法及应用 97- 个由32位绿色工艺评估专家fPl，尸2，，P32组成的专家组根据自身的专家知识和经验，对绿色评估指标两两直接关联关系进行评估，评估结果见表4。为了减小单个专家的评估主观性影响，对32位专家的评估结果按式(26)进行综合卫 /Ⅳ 厶 ，日 f，J1，2，，5 (26)kl式中，. 为第 k位专家对绿色评估指标 G与 G关联性的评估结果，Ⅳ为评估专家的总人数♂合表l中模糊语言的模糊数，获得专家组的绿色工艺评价指标间的直接影响模糊关系矩阵F 厶1ll(0，0，0)(0.75，0.9，0.975)(0.55，0.75，0.9)(0.225，0.4，0.6)(0.4，0.6，0.775)：2。

：3厂233，44厶(0.025，0.1，0.25)(0，0，0)(o.1，0.3，0.5)(0，0，0.1)(0.05，0.175，0.35)5厂2555(0.1，0.25，0.45)(0.5，0.7，0.9)(0，0，0)(0，0.075，0.25)(0.175，0.35，0.55)(o.4，0.6，0.775)(0.9，1，1)(0.75，0.925，1)(0，0，0)(0.6，0.8，0.95)(0.225，0.4，0.6)(0.65，0.825，0.95)(0.45，0.65，0.825)(0.05，0.2，0.4)(0，0，0)在 此 基 础 上 ，应 用 基 于 模 糊 集 的改 进DEMATEL权重法对直接影响模糊关系矩阵F按公式(4)～(14)进行分析计算，得到绿色评估指标的原因度 Mc、中心度 Nc和权重 W，如表 5所示。由表5可知，制造污染面积的权重 w4(0.284 0，0.265 6，0.257 2)，为权重最大的评估指标，这是由于它对环境和工作人员的影响最大，而且为绿色制造的关键关注点。而工艺时间与生产效率、经济效益关联较大，因此它的权重也较大，位于第 2位置，数值Wl(0.228 1，0.233 8，0.236)。总体来说，对于绿色制造影响越大的指标其分配的权重也越大。

根据表 5中计算得到的评估指标的权重，运用DEMATELVIK0R 绿色工艺参数决策理论，按式(15)-(25)，进行不同工艺参数的绿色性评估，得出的评估结果见表 6。由表 6可知，No.5试验工艺参表4 绿色指标关联性专家评估表98 机 械 工 程 学 报 第 49卷第 7期数集合4。5，261，80，0.31的工艺绿色综合性能最好，是最接近理想解的参数集合，这-点与