產(chǎn)品概念設(shè)計可制造性評價方法研究

劉國昌，茍秉宸

西北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計研究所，西安 710072

產(chǎn)品概念設(shè)計可制造性評價方法研究

劉國昌，茍秉宸

西北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計研究所，西安 710072

作為客戶需求與產(chǎn)品詳細設(shè)計的中間內(nèi)容，產(chǎn)品概念設(shè)計很大程度上決定了可制造性特性。而概念設(shè)計中的工業(yè)設(shè)計信息很大程度上決定了產(chǎn)品概念設(shè)計可制造性。并且其涉及多種復(fù)雜信息的處理。對這些因素的處理是產(chǎn)品概念設(shè)計可制造性評價中的重點和難點，也是科學(xué)有效地評價和決策產(chǎn)品概念設(shè)計方案必須面對和解決的關(guān)鍵問題[1]。

近年來，針對制造系統(tǒng)的各個領(lǐng)域，相關(guān)人員進行了大量的可制造性評價研究，如文獻[2]采用可沖壓性評價編碼的方法，對沖壓零件的沖壓工藝性進行評價，給出了沖壓工藝性評價的評價流程圖，并構(gòu)建了相應(yīng)的評價原理圖。文獻[3]通過產(chǎn)品的數(shù)字化模型，利用幾何推理法，研究了粉末冶金產(chǎn)品的可制造性評價方法。文獻[4]對注塑及鈑金成型件的可制造性評價進行了研究，其按照零件的工藝路線，并在知識數(shù)據(jù)庫的支持下，按照定量評價和定性評價兩個不同的層次，依次進行可制造性評價[2]。文獻[5]針對飛機葉片的信息模型和制造資源能力模型，運用匹配度算法判斷在一定制造環(huán)境下的葉片零件可制造性，并采用層次分析法對葉片制造設(shè)備進行綜合評判，從而對葉片零件的可制造性進行評價。

以上研究是在不同時期不同應(yīng)用領(lǐng)域進行的可制造性評價的研究，但由于這些評價方法面向?qū)ο蟮莫M隘性，使得這些評價方法適用性較差。本文將針對產(chǎn)品概念設(shè)計階段的工業(yè)設(shè)計特點，并結(jié)合工業(yè)設(shè)計不同階段的特性，建立合理的基于工業(yè)設(shè)計信息的產(chǎn)品概念設(shè)計可制造性評價模型，研究基于工業(yè)設(shè)計的概念設(shè)計可制造性評價方法，從而合理地評價產(chǎn)品概念設(shè)計可制造性，并指導(dǎo)產(chǎn)品概念設(shè)計。

1 產(chǎn)品設(shè)計方案多樣化及其可制造性評價體系

1.1 設(shè)計方案多樣化

圖1 概念設(shè)計需求域到設(shè)計方案的映射

在概念設(shè)計的客戶需求往往是多種不同形式的需求的組合，即需求集，需求集中各個元素之間存在“或”或“與”的聯(lián)系，設(shè)概念設(shè)計需求域X的兩個元素分別為α和β，那么它們在產(chǎn)品功能原理設(shè)計域Y中的組合體的解釋由以下集合運算決定[6]：

同樣，從功能原理設(shè)計域Y到設(shè)計方案域Z也存在上述關(guān)系。因此，設(shè)計需求集產(chǎn)生不同的產(chǎn)品功能原理組合集，進而產(chǎn)生不同的產(chǎn)品概念設(shè)計方案集[7]。

1.2 概念設(shè)計可制造性的多屬性評價體系

本文把可制造性定義為：在給定制造資源的條件下，對產(chǎn)品概念設(shè)計工業(yè)設(shè)計因素所具備的制造可能性的評估與優(yōu)化。

產(chǎn)品概念設(shè)計包含多重屬性，工業(yè)設(shè)計階段是產(chǎn)品可制造性的決定階段，而工業(yè)設(shè)計主要分為形態(tài)結(jié)構(gòu)、表面材質(zhì)、人機布局、色彩涂裝等幾個屬性，各屬性之間的相互作用構(gòu)成了設(shè)計方案可制造性評價的多屬性體系。如表1所示。

每一個產(chǎn)品概念設(shè)計方案集都凝聚了設(shè)計師的辛勤的汗水，產(chǎn)品概念設(shè)計的評價因素和產(chǎn)品的種類有密切的關(guān)系。有些產(chǎn)品如家居設(shè)計，人機設(shè)計的屬性權(quán)重就要大一些，而機械產(chǎn)品形態(tài)結(jié)構(gòu)屬性權(quán)重反而會大一些。所以各個屬性的權(quán)重隨著不同的產(chǎn)品類別不同，也存在著產(chǎn)異性。

產(chǎn)品概念設(shè)計是從客戶需求到產(chǎn)品概念創(chuàng)新的復(fù)雜映射過程。產(chǎn)品設(shè)計方案的多樣化和產(chǎn)品概念設(shè)計工業(yè)設(shè)計階段的復(fù)雜化，使得概念設(shè)計可制造性評價涉及因素廣泛且關(guān)系復(fù)雜，因而需要針對多種條件進行評價和決策，以獲取一定制造資源條件下綜合性能最優(yōu)良的方案。常見的評價系統(tǒng)由專家主觀賦值得到屬性權(quán)重，然而由于專家經(jīng)驗、背景、教育程度的不同使得其評價具有主觀性強等缺陷，因此將專家權(quán)重系數(shù)引入多屬性決策中，增強多屬性決策方法的客觀性和有效性，繼而為產(chǎn)品概念設(shè)計可制造性評價提供一種新的有效的決策方法。

2 基于判斷矩陣信息的多屬性決策

對于多屬性群決策中的屬性和專家賦權(quán)問題，鑒于專家對于屬性的權(quán)重信息和專家權(quán)重信息完全蘊含在專家給出的矩陣中，故應(yīng)充分挖掘判斷矩陣的特征信息進行賦值，從而既獲得專家對于屬性的權(quán)重，又通過比較判斷矩陣或者權(quán)重的質(zhì)量獲得專家權(quán)重[8]。

基于判斷矩陣信息的語言多屬性決策方法主要分為兩步：首先是專家對評價體系的各個屬性進行賦權(quán)；然后確定各個專家的個體可信度權(quán)值。以上兩個步驟均基于專家給出的判斷矩陣。并采用客觀賦權(quán)進行。

表1 面向產(chǎn)品可制造性的評價體系

2.1 屬性賦權(quán)

假設(shè)設(shè)計方案集N={N1，N2，… ，Nm}、屬性集 P={P1，P2，…， Pm}、規(guī)范化的矩陣為R=(rij)m×n，問題的屬性權(quán)重未知。同時聘請專家采用9級評分的方法，分別對各個屬性進行兩兩比較，得到判斷矩陣。專家Ek給出的判斷矩陣為A(k)(k =1，2，…，K )，由判斷矩陣得到的屬性權(quán)重：

獨立考慮各個專家給出的判斷矩陣。當(dāng)判斷矩陣滿足一致性要求的時候，認為aijwj=wi。但由于專家認識的局限性和實物的客觀復(fù)雜性，專家給出的判斷矩陣一般不會滿足一致性要求。因此期望由判斷矩陣A(k)得到屬性權(quán)重：

構(gòu)造拉格朗日函數(shù)得：

然后對wi和λ求偏導(dǎo)數(shù)，得到方程組為：

用矩陣形式表示為：

Q=(qij)是n+1階方陣：

易知矩陣Q=(qij)可逆，故解為 X=Q-1P，所以 X的前n個分量就是由專家Ek的判斷矩陣計算得出的屬性權(quán)重wk[11]。

2.2 專家賦權(quán)

在給定專家進行賦權(quán)的時候，應(yīng)從專家給出的判斷矩陣的一致性程度進行考慮，一般認為，判斷矩陣的一致性越好，該專家的屬性權(quán)重的判斷矩陣的可信度就越高。專家的判斷矩陣的一般形式為：

那么如何提取專家的全部判斷信息呢?根據(jù)參考文獻[12]的定理，對一個n階判斷矩陣Ak，最多可以提取出一致性專家判斷矩陣的個數(shù)是nn-2個。針對提取的專家一致性判斷矩陣，本文采用以下方法確定專家的權(quán)重值。

其中，psi表示根據(jù)第s個排序方案得到的第i個方案在整個排序中所處的位置[13]。

易知，權(quán)重次序函數(shù)：

由以上可知：

該專家給出的判斷矩陣的偏移度為：

式中M為n階矩陣的最大偏移度。其中：

于是得到專家的個體的一致性程度為Sk=1-Pk，Sk反映了該專家的一致性程度，其值越大，說明這位專家判斷的一致性越高，則專家Ek相對權(quán)重值為：

2.3 評價實施方法

步驟1利用式（4）由判斷矩陣得出各個專家的屬性權(quán)重wk(k=1，2，…，K)。

步驟2利用式（5）和（6）得出專家權(quán)重ξk(k=1，2，…，K)。

步驟3利用線性加權(quán)法結(jié)合屬性信息，得到專家對于某一方案Ni的判斷結(jié)果，記為Nki，且：

步驟4利用線性加權(quán)法得到方案的最終排序結(jié)果記為Ni，并且：

3 可制造性評價實例及分析

自行車租賃系統(tǒng)通過便捷的操作和時尚的外觀和綜合工藝性，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成不同機柜之間的數(shù)據(jù)交換，為市民提供服務(wù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，零部件種類和數(shù)量繁多，設(shè)計條件涉及面廣，約束關(guān)系復(fù)雜?，F(xiàn)選取4位專家從4個屬性對某一方案進行評價。屬性分別包含形態(tài)設(shè)計、人機布局、表面材質(zhì)和色彩涂裝。得到了四位專家的判斷矩陣為：

步驟1由判斷矩陣計算屬性權(quán)重wk(k=1，2，3，4) 。由式（4）得到判斷矩陣的專家的屬性權(quán)重分別為：

步驟2計算每個專家的權(quán)重：

根據(jù)文中的方法得到M=8：

專家權(quán)重值為：

步驟3利用線性加權(quán)法集結(jié)屬性信息和專家信息，并選出最優(yōu)方案。

易看出4個專家中有3個專家都認為屬性結(jié)構(gòu)設(shè)計屬性最為重要，而人機設(shè)計屬性、環(huán)境保護屬性和需求設(shè)計屬性的重要性相對接近且比結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性要小。由此分析：由專家E2，E3，E4得到的屬性權(quán)重較為一致；專家E2，E3，E4的權(quán)重系數(shù)應(yīng)該接近且大于E1的權(quán)重。

從案例計算結(jié)果看，w2，w3，w4一致性較好，且結(jié)構(gòu)相同，均顯示屬性1權(quán)重最大，容易看出專家權(quán)重ξ2，ξ3，ξ4數(shù)值接近，均大于ξ1。同時也容易看出專家E4的判斷矩陣一致性最好，可以看出本方法具有簡答明了且快捷有效的特點。

4 結(jié)束語

概念設(shè)計可制造性評價是一個多屬性的決策問題，在面對制造因素制約的前提條件下，評價專家的主觀判斷致使決策行為不一致。由于專家對某個實際問題的決策的判斷完全蘊含在其給出的判斷矩陣中，因此應(yīng)該充分挖掘?qū)＜遗袛嗑仃囆畔?，從而得到屬性?quán)重和專家權(quán)重。本文利用一致性要求，提出了一種新的概念設(shè)計評價方法：挖掘?qū)＜遗袛嗑仃囍械男畔?，得出專家?quán)重，以得出最優(yōu)方案。

[1]Herrmann C，F(xiàn)rad A，Luger T，et al.Integrating end-of-life evaluation in conceptual design[C]//Proceedings of the 2006 IEEE International Symposium on Electronics and the Environment.Washington，DC，USA：IEEE，2006：245-250.

[2]張洪麗，郎偉鋒，李磊.沖壓零件工藝性評價的程序?qū)崿F(xiàn)[J].山東交通學(xué)院學(xué)報，2003，11（3）.

[3]Dissinger T E，Magrab E B.Geometric reasoning for manufacturability evaluation-application to powder metallurgy[J]. Computer-Aided Design，2006，28（10）：783-794.

[4]Zhao Zuozhi，Shah J J.Domain independent shell for DFM and its application to sheet metal forming and injection molding[J].Computer-Aided Design，2005，37（9）：881-898.

[5]劉紅軍，莫蓉.面向航空發(fā)動機葉片的可制造性評價方法[J].計算機集成制造，2009，15（7）：1328-1335.

[6]Timothy J R.Fuzzy logic with engineering applications[M]. New York，USA：John Wiley&Sons，2004.

[7]方輝，譚建榮，殷國富，等.基于不確定語言多屬性決策的設(shè)計方案評價[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2009，15（7）：1257-1269.

[8]張榮，劉思峰.一種基于判斷矩陣信息的多屬性群決策方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009，31（2）：373-375.

[9]張忠誠.多屬性決策問題的一種新方法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2006，28（4）：117-120.

[10]Chu A T W，Kalaba R E，Spingarm K.A comparison of two methods for determining the weights of belonging to fuzzy sets[J].Journal of Optimization Theory and Applications，1979，27（4）：531-538.

[11]徐玖平，吳巍.多屬性決策的理論與方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[12]梁樑，王國華.多專家判斷信息的一種聚類分析方法[J].系統(tǒng)工程理論方法應(yīng)用，2003（3）：270-273.

[13]梁樑，熊立，王國華.一種群決策中專家客觀權(quán)重的確定方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2005，27（4）：652-655.

LIU Guochang,GOU Bingchen

Institute of Industrial Design,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,China

With the development of new product development,requirements of product performance and appearance of art are getting higher and higher.But concept design should not only reflect the artistic,it also should be consistent with the manufacture of industrial products features and use characteristics.It is believed that the manufacturability of product concept design is decided in the industrial design stage,and it builds a conceptual design evaluation system according to the industrial design factors.Manufacturability evaluation is a multi-layered,multi-attribute decision-making problem,and it establishes the conceptual design evaluation model,it is resolved based on the theoretical knowledge of the multi-attribute decision-making.

conceptual design;industrial design;multi-attribute decision making;judgment matrix;manufacturability evaluation

隨著新產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，人們對產(chǎn)品使用性能和外觀藝術(shù)的要求越來越高。但概念設(shè)計不僅僅體現(xiàn)藝術(shù)性，更應(yīng)符合工業(yè)產(chǎn)品的制造特點和使用特性。認為產(chǎn)品概念設(shè)計方案的可制造性決定于概念設(shè)計的工業(yè)設(shè)計階段，并針對工業(yè)設(shè)計因素建立概念設(shè)計評價體系。認為產(chǎn)品概念設(shè)計可制造性評價是一個多層次、多屬性的決策問題，建立概念設(shè)計評價模型，并基于多屬性決策的理論知識給予了解決。

概念設(shè)計；工業(yè)設(shè)計；多屬性決策；判斷矩陣；可制造性評價

A

TP391

10.3778/j.issn.1002-8331.1206-0154

LIU Guochang,GOU Bingchen.Evaluation method of manufacturability for product concept design.Computer Engineering and Applications,2013,49（5）：55-58.

西北工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)業(yè)種子基金（No.z2012031）。

劉國昌（1986—），男，碩士，研究方向為產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計與制造、人機設(shè)計與仿真技術(shù)；茍秉宸（1976—），男，博士，副教授，研究方向為數(shù)字化工業(yè)設(shè)計技術(shù)、人機設(shè)計與仿真技術(shù)、設(shè)計優(yōu)化與設(shè)計工程。E-mail：shuiyunlanyi@gmail.com

2012-06-11

2012-08-31

1002-8331（2013）05-0055-04

CNKI出版日期：2012-10-31 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20121031.0936.013.html