绿色制造背景下机床夹具的选择评价

赵靖，陈建，阳复建，陶广福

(桂林航天工业学院，广西桂林 541004)

0 前言

在环境危机与资源危机的双重冲击下，绿色制造作为一种综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式备受人们关注。绿色制造的主要目的是使产品在整个制造生命周期中，对环境的影响尽可能地小，对资源的消耗尽可能地少，从而实现制造领域的稳定可持续发展。曹华军等对绿色制造的研究现状进行了总结，并对绿色制造未来的发展战略进行了描述；李联辉等对绿色制造背景下的产品加工工艺规划方案评估方法进行了研究； WANG等对绿色制造背景下的AISI1045钢的磨削工艺进行了评价，并提出优化方案。另外，绿色制造中的机床、刀具、切削等的绿色化，也引起了相关学者和专家的广泛关注。

机床夹具是制造业加工过程中的重要组成部分，也是机械制造加工系统中的重要工艺设备，其绿色化水平直接影响着整个制造过程的绿色化程度。机床夹具有提高生产效率、保证加工质量、降低操作者劳动强度、保证加工生产安全等重要作用。由此，正确地对其进行选择和使用是制造业得以良性发展的重要环节。而机床夹具的选择是一个复杂的系统过程，需要将不同种夹具方案进行对比、分析和评价；并且，制造业种类繁多，不同类型的制造企业在进行机床夹具的选择时，会有不同的选择标准、期望和偏好。但是目前关于机床夹具选择决策方面的探讨较为少见，且很少有研究者关注选择方的期望和偏好方面的因素。基于此，为了更好地解决制造型企业对机床夹具的选择问题，本文作者通过建立机床夹具的评价指标体系，运用相应算法、模型求解其客观价值，并在此基础之上考虑选择方对各项指标的期望和偏好，最终求得机床夹具的综合价值，为制造企业的决策提供参考。

1 评价指标体系的建立

1.1 评价指标选取的原则

由上文所述，在对机床夹具进行选择时，需要有合理的指标对其进行评价，因此，评价指标的选取具有举足轻重的地位和作用。基于前人的研究，通过整理与总结得出机床夹具评价指标选取的准则如下：

(1)全面性。为了做出科学合理的选择，需要对机床夹具进行较为全面的描述，因此评价指标要具有全面性。

(2)可操作性。在评价选择时，需有相应的数据收集与处理，所以评价指标应该具有可操作性。

(3)可比性。为了能够从若干个备选对象中选择最佳，评价指标还应该具有可比性，可以使备选对象相互之间进行比较。

1.2 评价指标体系的构建

基于以上评价指标选取原则，充分考虑进行机床夹具选择时的相关影响因素，根据QoS评价技术，建立机床夹具评价指标体系如图1所示。

图1 机床夹具评价指标体系

不同指标具有不同的属性趋势，可以分为正向型和负向型两种。正向型指标的值越大越好，负向型指标的值越小越好。从选择方的角度，文中对评价指标体系中各指标的分类如表1所示。

表1 评价指标的分类

以上评价指标中，尺寸精度、位置精度、表面粗糙度、传动介质污染、粉尘污染为语言变量，文中采用表2所示的语言评价集及评分集。

表2 语言评价集

1.3 问题的描述

定义1 机床夹具的评价模型为

={,,,,,,,,,,,}。

定义2 机床夹具集为

={,,…,}。

定义3 根据评价指标体系，机床夹具的指标属性集为

定义4 选择方对各指标的期望模型为

={,,,,,,,,,,,}

定义5 选择方对各指标的偏好模型为

本文作者要解决的问题是：选择方如何根据机床夹具的指标属性集，以及自身的选择期望和偏好，从中选择最优。

2 机床夹具的选择

2.1 客观价值的求解

熵权法是一种确定指标客观权重的有效方法。一般地，将评价对象或评价方案集记为{}(=1,2,…,)，指标属性集记为{}(=1,2,…,)，评价对象或方案的第项指标的指标值记为，则有如下指标属性集：

然后依次采用如下步骤求解各指标的客观权重。

步骤1，指标属性集的规范化处理。由于指标分为正向型指标和负向型指标，需要对其进行规范化处理。

(1)

(2)

式中：，max、，min分别代表指标属性集中第列指标属性值的最大值与最小值。正向型指标采用式(1)进行规范化处理，负向型指标采用式(2)进行规范化处理。

步骤2,对规范化处理后的矩阵=()×，令

(3)

步骤3，根据式(4)计算指标的信息熵值：

(4)

式中：当=0时，ln=0，则有0≤≤1。

步骤4，计算各指标属性的变异程度系数

=1-=1,2,…,

(5)

步骤5，求解各指标的熵权，即客观权重

(6)

求解出各指标的客观权重之后，根据式(7)求得机床夹具的客观价值OV(Objective Value)

(7)

2.2 偏好符合度的求解

机床夹具的偏好符合度PF(Preference Fitness)是指其与选择方的期望和偏好之间的贴合程度。求解时，引入激励-惩罚函数，对满足或超出选择方期望的指标赋一个激励因子，对不满足或低于选择方期望的指标赋一个惩罚因子。

对于正向型指标，当=,max时，取激励因子=1，即机床夹具集中对应指标值最大者获得最大激励因子；当=,min时，取=-1，即机床夹具集中对应指标值最小者获得最大惩罚因子；当=时，取=0，即对应指标值与期望值相等者既不激励也不惩罚；处于期望值与最大值、期望值与最小值之间的指标属性值，根据其与期望值和最大、最小值之间的距离获得不同程度的激励因子和惩罚因子。

同理，对于负向型指标，当=,min时，取激励因子=1，即机床夹具集中对应指标值最小者获得最大激励因子；当=,max时，取=-1，即机床夹具集中对应指标值最大者获得最大惩罚因子；当=时，取=0，即对应指标值与期望值相等者既不激励也不惩罚；同样地，处于期望值与最小值、期望值与最大值之间的指标属性值，根据其与期望值和最小、最大值之间的距离获得不同程度的激励因子和惩罚因子。

其具体求解如下:

对于正向型指标:

(8)

对于负向型指标:

(9)

求得所有指标值的激励因子和惩罚因子后，结合选择方的偏好，由式(10)计算机床夹具的偏好符合度PF,

(10)

2.3 综合价值的求解与选择

机床夹具的综合价值CV(Comprehensive Value)是指在对其客观价值、偏好符合度进行权衡分析之后，综合得出其对于选择方而言的价值。运用式(11)来计算：

CV,=OV,+PF,

(11)

其中：∈[0,1](+=1)，表示机床夹具的客观价值、偏好符合度在其综合价值中的比重系数，代表各方面在综合评价中的重要程度。

通过以上方法求解机床夹具的综合价值之后，其综合价值最大者为被选中对象。

3 应用实例

某汽车制造企业H要制造一批减速器，为了提高制造效率和生产质量，并较好地保护环境，企业H欲向外界购进一批机床夹具。现有5种可供选择的机床夹具方案，根据供应商家的具体供给资料、电话咨询、网络搜索以及相关专家的评价判断，得到5种机床夹具方案的具体指标信息如表3所示。

表3 机床夹具的指标信息

已知H的选择期望模型和偏好模型分别为

={18,90,很好,好,好,400,70,30,3,一般,800,小}

={0120,0060,0110,0080,0070,0080,0080,0060,0020,0060,0110,0150}

此时，对于H如何从中做出最佳决策选择，做以下具体分析。

3.1 客观价值的求解

根据语言评价集及对应的评分集，确定相应指标的得分，并根据各指标属性类型由式(1)、(2)进行规范化处理得表4。

表4 规范化处理后机床夹具的指标信息

由式(3)—(6)确定各评价指标的客观权重向量为

由式(7)得各机床夹具备选方案的客观价值如表5所示。

表5 机床夹具客观价值

3.2 偏好符合度的求解

根据企业H的期望模型，由式(8)、(9)对各方案相关指标进行计算，求得激励-惩罚因子如表6所示。

表6 激励-惩罚因子

结合H的偏好模型，由式(10)求得各机床夹具备选方案的偏好符合度如表7所示。

表7 机床夹具偏好符合度

3.3 综合价值的求解与选择

文中取=07、=0.3，由式(11)得各备选方案的综合价值如表8所示。

表8 机床夹具的综合价值

由此可知，机床夹具方案的综合价值最大，企业H应该选择该种机床夹具。

4 总结

机床夹具是制造系统中重要的工艺设备，绿色制造背景下对制造企业机床夹具的优化选择进行研究具有重要意义。本文作者建立机床夹具评价指标体系并对其进行评价选择时，充分考虑到了时间、质量、成本、资源消耗、环境影响5个维度，运用熵权法，结合各备选机床夹具的具体指标信息值，求得其客观价值；依据选择方的选择期望和偏好，对机床夹具的偏好符合度进行求解；然后以二者为基础，根据比重系数计算出机床夹具的综合价值，进而对其进行选择；最后通过实例，对选择方法的有效性和实用性进行了论述。该方法思路清晰，评价指标体系模型也较易构建，可以较好地解决绿色制造背景下机床夹具的选择问题，且选择过程中兼顾到了选择方的期望和偏好方面的因素，可在一定程度上保证选择方的满意度，具有较强的实用价值。