基于评价指标体系的零部件优先级别研究

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零部件优先级是在处理机械产 品变型设计过 程中，根据功能和装配等 因素决定 各个零件进行变 型以适应产品需求的优先顺序，而零件尺寸的优先级别是在变型尺寸传递过程 中，确定尺寸传递顺序 、保证零件类型和变型 的完整性 。优先级作为 目前应 用于复杂机械 中确定 零部件 变型设 计顺 序 的主要依据，其确定方法的研究对于变型设计及相关研究的进展有着重要的意义。零部件优先级别思想在工业生产 中的主要应用有 ：车间生产 中的多 目标调度 ，确定工作流程，合理安排工作和提高生产效率；不同零部件 因材料成本 、运输成本、保 养维护成本、人力成本、加工工艺复杂度 、装配难度等属性差异而对选 配的影响；多 目标 多用 户加工设 计 的并行处理等 。目前确定优先级别的主要理论方法有：基于现代评价理论的零件选配研究 ，从零部件优先级别 的角度人手，在掌握机械产品选配理论和现代评价理论的基础上，通过构建优先级别评价模型，获得零部件评价结果 ，为选配提供依据 ，并保证 了零件的合理利用率 ；文献 [2]针对柔性作业车间中存在的多工艺路线和多加工路径的生产条件 ，以整个任务 的加工时间最携为 目标 ，提 出了有 限缓冲条件下 的任务分配模型；文献 [3]针对复杂零件工艺方案全局优化难题 ，在现有计算机辅助工艺设计 (CAPP)成果 和优化方法的基础上进行创新，提出-种复杂零件工艺方案全局多层并行优化方法 ，建立该方法的组成结构 ，从加收稿 日期 ：2012-07-19基金项目：国家自然科学基金资助项目(50975183)；国家863计划资助项 目(2009AA04z167)作者简介：李振泉(1987-)，男，山东平度人，沈阳理工大学机械工程学院硕士研究生，主要从事 CAD/CAM、数字制造信息化的研究，(E-mail)lzq.1221###163.coin。

· 130· 组合机床与自动化加工技术 第 1期工序列、机床、刀具、切削参数以及选择与进化、综合评价等多个层面对丁艺方案进行全局并行优化。

上述文献主要将优先级思想用 于零件 选配、柔性作业及并行设计 等方 面的研 究 ，本文则将其用 于复杂机械产晶中的尺寸传递。用优先级评定结果的高低确定零件尺寸传递的方向和顺序。零件尺寸传递优先级的确定 ，需对零件生命周期 内各个属性对其的影响程度进行探究 ，结合综合评价理论 ，运用三角模糊数对各类 指标进行数学处理 ，将各指标 对零件的影 响进行处理 ，对结果进行 比较 、归并 ，得 到零件在总 目标下的评价结果 ，即零件优先级别评 定结果。通过 比较 ，确定在复杂产 品中零件 的变 型方 向和尺寸传递的顺序。

1 零部件优先级评价指标体系的建立1.1 零件评价指标分类评价指标是指 由-系列反映被评价对象相互联系、相互作用的指标所构成的有机整体 ，是用 以评价整个体系的参量。各参量 的建立需遵循科学性 、全面性 、可操作性 、相对独立性和可 比性等原则〖虑零部件在整个生命周期 内所具有 的属性 ，反应属性的指标既有定性的，又有定量 的～ 各参 量作为进- 步零件确定优先级别 的依据 ，建立-个零件评价体系，通过各评价 指标对对零部 件的属性进行描述和 比较 ，可全面反映评价 目标的主要属性 、评价指标层次结构和各个指标在体系中的作用 。构建指标体系，通过对零部件在体系中各指标和体系总目标下属性值的求解，获得优先级别 的判 断依据 。评价指标体系包括两层 ，第 二层 指标 为第-层主要指标 的进-步细分 ，具体属性包括 ：(1)经济成本 。指零部件从生产直至装配完成所消耗 的费用。经济成本是对于在应对相同情况下 ，两个零件在完成 相同功能时所消耗 的资源。下层指标具体 分为 ： ， -- 材料 成本 ； . -- 加 工成 本 ；- - 人T成本 ；X14-- 保养成本。

(2)生产运作难易度 ，。指零部件在其生命周期内所涉及的加TT艺、装配等方面的难易程度。下层指标具体分为： -- 加工工艺复杂度 ，指零部件加工过程所涉及工艺如锻造、铸造 、金属切削、特种加工等情况的难 易程度 ，由所需 工艺种类和加丁步骤定性与定量综合决定 ；X22-- 生产系统柔性 ，指生产系统应对多品种 、小批量生产的能力。

(3)可靠性 。反映零部件发生故障、失效等情况。下层指标具体分为 ： -- 可维修性 ，指通过维修保持或恢复零 件规定状态的能力；X32-- 正常运行时间 ，通过 平 均运 转 时 间 MTOR(Mean Time ofr，1p r，1Running)衡量，MTOR 二 ，n-- 维修 次数；n豫 总运行时间； -- 平均修理时间，通过平均修理时间指标 MTTR (Mean Time To Repair)衡，r p量， ，71 尺-- 总修理时间。

(4)装配可行性 。指在装配过程中存在方向错误、十涉等问题 的情况。装配难易程度，指零部件 连接装配过程的难易程度 ，通过完成装配要求 的工艺步骤数量进行比较。下层指标具体分为： -- 几何可行性，指零部件各个方向装配情况的集合 ，并考虑与其他零件是否存在干涉现象；X42-- 功能可行性，指零件在完成装配后，是否达到与其功能； -- 工艺优 良性 ，指零部件在装配过程 中的工 艺优 良及合理的装配顺序。

(5)功能系数 。指零部件在装配体及整个产品中所起到作用 的重要程度及可替换性 。下层指标具体分为 ： -- 重要性 ，由零件在装配体中所起到的定位 、连接 、传动等作用决定 ；X52-- 可替换性 ，指该零部件所起到的装配和功能可被其他类型的零件所代替的概率。

1.2 零部件优先级评价指标体系 ISM 模型ISM 模 型 即 解 释 结 构 模 型 (InterpretativeStructural Modeling)是作为分析复杂系统有关 问题的 种方法而开发的，其 特点是把复杂的体系分解为若干个子要 素，利用人 们的实践经验和知识 以及计算机的帮助，最终将 系统构造成-个多级递 阶的结构模型。体 系层 次结构 图可根据届时结构模型法建立 ，可分为完全相关性结构 、完全独立性结构和混合结构。本文所建 立的零 部件优先级评价指标体 系将零件优先级评 定、两层 评定指标和待排序零件分为 目标层 、指标层和方案层。目标层 即解决问题的 目的，指标层即用来解决总 目标而选用 的指标 ，方案层即用于解决问题 的各 种措施和方案 ，其混合层次结构模型如图 1所示 。

亟 f 蘑]- 《- 方案层图 1 指 标 体 系层 次 结构 模 型 图2 优先级别评定方法及步骤由于优 先级别 的确定存 在多 约束 性和 不确定性 ，定性指标较多评价指标量化 困难 ，且同-层次的评价指标之间 由于不易判断其重要程度 ，不 易直接求取各零件变型传递权重。因此引入模糊数 ，并将评价者的主观性和模糊性考虑进去，应用三角模糊数对上述各指标进行评价 ，将指标值模糊化 ，最终求得各零件排序权向量，确定其优先级顺序。

2.1三角模糊数定义 1 称P(S， ，u)为三角模糊数 ，隶属度2013年 1月 李振泉，等：基于评价指标体系的零部件优先级别研究 ·13l·函数可以表示为 ：( )：∈(s，t]∈ (t，M]其他t(Y)( 。t。)/2；右期望值 (Y)(t。 )/2。

则 l，期望值为：，(y) 叩，L(y)(1-7)IR(y) (0≤ < 1) (6)取 770.5，贝4，(Y) (s 2t。。)/4。

式中 ∈R，s

定义2 设判断矩阵 ( ) ，其中 (St u )为三角模糊数。若矩阵满足 ：(1)s 0.5，t 0.5，M 0.5，V i。

则称 为三角模糊数互补判断矩阵。矩阵中卢 ，表示方案 i优于方案 的程度。

- 般来讲 ，用 以度量被评价对象性 能的各 种评价指标都具有-定的模糊性。语言型模糊评价采用带语言变量 的评价值来 度量指标性能 ，这些语 言评价值取值于用户定 义的语言值评价集合 。三角模糊数是将模糊 的不确定 的语言变量转化为确定数值 的- 种方法，将三角模糊数用在评价方法中能很好地解决被评价对象性能无法准确度量而只能用 自然语言进行模糊评价的矛盾 。

2.2 优先级求解步骤(1)对评价零部件优先级别 的相关指标进 行模糊评价 ，确定各评价指标间的关系。m个指标两 两相互比较，构造三角模糊数判断矩阵〃立评语等级集V( 。， ：，， )和相对应的分值集 F ( ，2， )。分值集元素取奇数值，这样符合模糊评价的质量要求，可以使被评方案的等级归属有-个中间等级〃立 5级评价等级集，可使 V 。， ，， 优，良，中，差，劣，相应分值集 F 9，7，5，3，1。通过比较，得出指标间的模糊评价值。

(2)指标体系中各指标权重求解。在所选 。个零件中，零件 对第m个指标给出的三角模糊数互补矩阵为： ( ) ( ，t ， ：)( 1，2，。；i 1，2m) (2)采用加权方法集结各零件信息。按下式计算：卢( ) r.0 0 r：0 0 0 r。 卢； (∑r s：，∑r t k，∑r u：) (3)I 1 kl为便于操作，本文取 1/a。利用 ： ∑p 1-孚l( 1，2m) (4)I 1 - I求解。得到相应指标权重 历 (W ，W：，，W )(3)零件各指标模糊评价结果归并。模糊评价综合值为 ：Y (∑ ∑ ∑ ) (∑ ∑ ∑∑ ∑∑ )， l J J J 1 l1 ， 1 i I ， 1 1 J 1(5)(4)按期望确定零件优先级别顺序。通过模糊评价综合结果的期望值确定优先级顺序。其左期望值图 2 求解步骤流程 图3 实例验证本文以-变箱体为实例，选取箱体、齿轮及低速轴零部件作为研究对象，。图3为变速箱体装配图，图4为轴系零件图。其中 4 轴承、 键、A 轴、A 小齿轮、A 大齿轮和A 箱体。为简化计算，只对其中-个型号的键进行研究。

图 3 变速箱体装 配图图 4 系零部件图对第二部分 中所归纳的五个零件属性进行两两比较，通过三角模糊数的引入建立各指标间三角模糊数判断矩阵如下 ：(1，1，1) (4/3，2，7/3)(1/3，7/3，5/2)(7/4，2，7/3)(1/2，2/3，4/3)(3/7，1/2，3/4) (1，1，1) (7/2，4，9/2)(2/9，1/4，3/7) (3/4，1，3/2)(2/5，3/7，4/7)(2/9，1/4，2/7) (1，1，1) (2/5，3/5，4/5) (2，3，7/2)(3/7，l/2，4/7)(7/3，4，9/2)(5/4，5/3，4/5) (1，1，1) (2/3，3/2，5/2)(3/4，3/2，2) (2/3，1，4/3)(2/7，1/3，1/2)(5/2，2/3，3/2) (1，1，1)确定零部件评语等级集，通过指标评价得各等级模糊子集的隶属度，由公式(4)求得所选取的零部· 132· 组合机床与自动化加工技术 第 1期件在不同评价指标下 的关系模糊数 ，如表 1所示 。再经过计算 、归并 ，由公式 (5)求得零部件在总 目标下的评价结果，如表 2所示。由公式 (6)求得模糊评价综合结果期望值 ，如表 3所示。

约束转化为评价标准 ，构 建零部件优 先级别综合评价指标体 系，建立 了层 次解释结构模型。三 角模 糊数及其算法的引入 ，完善评价指标计算 ，最终通过期望求解确定零部件变型设计尺寸传递优先级顺序。

表 1 零部件在不 同评价 指标 下的关系模糊 数零部件 1 2 X3 X4 9f5l (0.215，0.702，0 862) (0.391，0.682，0.874) (0 215，0.687，0.891) (0 276，0 668，0 899) (0.289，0.685，0 887)I42 (0.331，0 871，0 929) (0 429，0 661，0 871) (0.376，0.769，0.995) (0 236，0.635，0.869) (0.434，0 697，0.907)A 3 (0 329，0.67l，0.923) 0 319，0.71 3，0.892 (0 459，0.8340.932) (0.332，0 689，0 883) (0.455，0.768，0.975)A (0.432，0.831，0 975) (0.329，0 747，0.982) (0 244，0 676，0.879) (0 236，0 598，0.905) (0.33I，0.735，0.976)A 5 (0.323，0 679，0 897) (0 214，0 786，0 875) (0 323，0.748，0.987) (0 256，0.787，0.987) (0.367，0 87I，0.967)A6 (0.347，0.763，0.897) (0 453，0.816，0.897) (0.432，0.797，0 972) (0.293，0 799，0 986) (0.287，0.769，0.977)表 2 零部件在总 目标下 的评价结果零部件 l A 2 3 4 A5 A6评价结果 (0.01，0 15，0 19) (0.01，0.15，0.17) (0.03，0 19，0 29) (0.01，0.15，0 21) (0 12，0.18.0.21) (0.08，0.19，0.31)表 3 零部件在 评价结果期望值零部件 L4I A 2 A 3 A l As A评价结果期望值 0.125 0 l2 O l75 0.13 l 0.1725 0.1925各零件期望值排序为：，(A )>，(A )>，(A )>，(A )>，(A )>，(A，)。由此得到优先级别评定顺序为 ：箱体 >轴 >大齿轮 >小齿轮 >轴承 >键 。

即变型尺寸的传递方 向应遵循箱体、轴 、大齿轮 、小齿轮、轴承和键 的由高至低的顺序，保证变型参数尺寸由优先级别高 的零件 向优先级别低 的零件传 递。

使优先级高的零件类型和尺寸最先得到保证和变型。此结果也与工程设计实际相符，验证 了该方法 的可行性 ，也为复杂 机械变型设计 中尺寸传递问题 的求解提供理论依据和技术支持。

4 结束语在具有多种零件类型 的产 品变 型设计 中，将约束满足优先级别 的思想应 用到尺寸传递求解 中，完善变型设计理论和方法。对机械产品中包含的各种零件进行分析 ，分析其不同性质和参数属性 ，并将此作为零部件优先级别划分 的理论基矗从零部件 整个生命周期入手，综合考虑各项约束对对其影响，将[