基于層次分析法的磨床數(shù)控化改造可行性量化方法研究

李光玲

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇江陰 214405）

基于層次分析法的磨床數(shù)控化改造可行性量化方法研究

李光玲

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇江陰 214405）

磨床數(shù)控化改造是一種基于資源循環(huán)利用的制造新模式。文章在數(shù)控磨床的設(shè)計(jì)理念、方法以及磨床改造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以磨床數(shù)控化改造可行性為研究對象，建立一種基于專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的磨床數(shù)控化改造綜合評估方法模型，提出一種可行性的量化方法，并將這種方法應(yīng)用到MA1320/H的數(shù)控化改造過程中，為MA1320/H的設(shè)計(jì)制造提供了理論支撐，結(jié)果表明改造后的磨床節(jié)約成本30%以上，且性能及穩(wěn)定性超過原有舊機(jī)床。

磨床；數(shù)控化改造；可行性；量化方法

0 引言

普通磨床數(shù)控化改造是一個(gè)充分運(yùn)用綠色制造技術(shù)和其它先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)、數(shù)控及自動(dòng)化技術(shù)等高新技術(shù)對普通磨床進(jìn)行可改造度評價(jià)、拆卸以及創(chuàng)新性再設(shè)計(jì)、再制造、再裝配的過程［1］。其目標(biāo)是充分利用現(xiàn)有磨床資源，改造后的磨床功能更強(qiáng)、性能在指標(biāo)更優(yōu)，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用和磨床質(zhì)量跨越式提升。目前，我國存在大量的普通磨床床迫切需要數(shù)控化改造，市場前景廣闊［2］。

磨床數(shù)控化改造是循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求下的一種資源循環(huán)利用的磨床制造新模式［3］?；厥绽靡恍┠ゴ伯a(chǎn)品，并對其進(jìn)行數(shù)控化改造具有顯著的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。而在對其實(shí)施數(shù)控化改造首先需要考慮清楚該磨床是否適合數(shù)控化改造，更要對該磨床數(shù)控化改造可行性進(jìn)行綜合分析。磨床數(shù)控化改造可行性評估是一個(gè)綜合的系統(tǒng)工程，對其進(jìn)行評定需要采集大量的影響機(jī)床再制造的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性等方面的信息，并采用定性與定量相結(jié)合的方法確定磨床改造的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)評估指標(biāo)，建立完善的數(shù)控化改造評估模型。在對磨床數(shù)控化改造過程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，文中建立一種基于專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的磨床數(shù)控化改造綜合評估方法模型，并提出一種針對普通磨床數(shù)控化改造可行性的量化方法。

1 可行性量化方法

磨床數(shù)控化改造綜合評估方法模型是基于專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)而建立的，以分析磨床數(shù)控化改造過程為基礎(chǔ)。首先，對要改造的磨床的技術(shù)可行性進(jìn)行分析，確保該磨床可以通過運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)控及自動(dòng)化等技術(shù)實(shí)現(xiàn)其性能提升；其次，需要對具有較好技術(shù)可行性的磨床數(shù)控改造成本進(jìn)行核算與評定，判定該磨床的改造是否可獲利，最終通過精度恢復(fù)、功能恢復(fù)、性能提升等措施達(dá)到新產(chǎn)品的性能水平。如果該磨床數(shù)控化改造的技術(shù)可行性較差、不能夠獲利，確定該磨床不做數(shù)控化改造處理。下圖1是磨床數(shù)控化改造可行性量化評價(jià)總體框架流程。

圖1 磨床數(shù)控化改造可行性量化評價(jià)總體框架

1.1 可行性評估指標(biāo)及量化

分析磨床數(shù)控化改造須從零部件通借用、再加工、性能升級、再裝配以及再使用等生命周期過程進(jìn)行綜合考慮。對普通磨床的數(shù)控化改造度進(jìn)行評定，首先需確定數(shù)控化改造度評價(jià)指標(biāo)體系。在對磨床數(shù)控化改造行業(yè)調(diào)研分析獲取數(shù)據(jù)及案例進(jìn)行綜合的基礎(chǔ)上，可得出可行性評估主要從技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性兩個(gè)方面來考慮?？尚行栽u估指標(biāo)如表1所示，可行性評估指標(biāo)主要由技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性兩部分組成。

表1 可行性評估指標(biāo)表

1.1.1 技術(shù)可行性評估指標(biāo)及量化

相比于機(jī)床制造過程，技術(shù)可行性在機(jī)床數(shù)控化改造方面顯得尤為重要，因?yàn)榧夹g(shù)可行性是獲得用戶肯定的首要因素［4］。技術(shù)可行性應(yīng)該從改造工藝過程的各個(gè)階段進(jìn)行考慮，包括零部件通借用可行性、整機(jī)性能升級可行性、再裝配簡易性等。

（1）零部件通借用可行性

零部件通借用是數(shù)控化改造過程的第一步，是重新進(jìn)入改造工藝過程的基礎(chǔ)與前提。零部件通借用可以為磨床的改造節(jié)省大量重新設(shè)計(jì)的時(shí)間，而零部件的通借用一般由專家在重新設(shè)計(jì)前從磨床的整體結(jié)構(gòu)、連接方式、零部件類型及數(shù)量等方面對其進(jìn)行評定。為了簡化以及定量化零部件通借用可行性，可以將零部件分為三種類型：直接借用型、再加工可用型及不可借用型。為了降低該指標(biāo)的量化難度，主要由專家評判通零部件借用程度來評定。評判結(jié)果x1可分為｛A，B，C｝，分別對應(yīng)的指標(biāo)值為｛0.95，0.65，0.40｝。

（2）整機(jī)性能升級可行性

隨著客戶對磨床加工精度、自動(dòng)化水平、能效水平等性能要求的越來越高，僅僅將數(shù)控系統(tǒng)安裝應(yīng)用在普通磨床上已不能滿足客戶需求，而需要通過各類高新技術(shù)對普通磨床進(jìn)行功能及性能提升［5］。為了使該指標(biāo)可量化，主要通過衡量磨床精度提升來評判該性能提升的可行性。表2是衡量磨床精度的諸項(xiàng)指標(biāo)向量表。A表示數(shù)控化改造磨床精度指標(biāo)值構(gòu)成的向量，B表示普通磨床對應(yīng)的出廠標(biāo)準(zhǔn)各精度指標(biāo)值向量，D為精度指標(biāo)比較向量，定義C為精度評價(jià)指標(biāo)矩陣。

表2 衡量磨床精度的諸項(xiàng)指標(biāo)向量表

衡量精度等級評語一般分為較好、好、一般、差、很差。精度評價(jià)指標(biāo)表如表3所示，其中的界限值主要通過工業(yè)實(shí)踐與專家經(jīng)驗(yàn)來確定。

表3 精度評價(jià)指標(biāo)表

對數(shù)控化改造磨床的精度進(jìn)行綜合評價(jià)，精度評價(jià)指標(biāo)值為x2，x2=C*P，其中，“*”代表矩陣數(shù)量乘，P=｛p1，p2，…，pl，…，pm｝為各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重構(gòu)成的矩陣，pl表示第l項(xiàng)指標(biāo)cl的權(quán)重系數(shù)，其中p1+ p2+…+pl+…+pm=1。

（3）再裝配簡易性

將零部件裝配一臺(tái)磨床而同時(shí)保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素取決于再裝配的簡易性［6］，花費(fèi)在再裝配流程上的時(shí)間越短，成本就會(huì)越低。由于再裝配的工藝過程的不確定性，評定再裝配的簡易性很難定量分析，只能通過專家評定方法來進(jìn)行定性描述。將x3的評價(jià)結(jié)果分為｛A，B，C，D｝，分別對應(yīng)的指標(biāo)值為｛0.9，0.75，0.60，0.45｝。

基于以上對技術(shù)可行性中零部件通借用可行性、整機(jī)性能升級可行性及再裝配簡易性三個(gè)指標(biāo)的分析，可得出數(shù)控化改造磨床技術(shù)可行性的評價(jià)值A(chǔ)，A=x1m1+x2m2+x3m3。其中m1、m2、m3分別代表x1、x2、x3的權(quán)重值，可通過層次分析法來確定。

1.1.2 經(jīng)濟(jì)可行性指標(biāo)及量化

對于機(jī)床制造企業(yè)而言，實(shí)施數(shù)控化改造的最主要目的是獲取可觀的經(jīng)濟(jì)收益［7］。機(jī)床的附加值越高，經(jīng)濟(jì)效益就會(huì)越顯著［8］。機(jī)床附加值越大、改造成本越低，經(jīng)濟(jì)可行性越好，改造度就會(huì)越高［9］。磨床數(shù)控化改造也遵循這一規(guī)律，同時(shí)還具有顯著的間接經(jīng)濟(jì)效益，可節(jié)約客戶大量的設(shè)備資金投入，交貨期縮短一半，而性能超出原有磨床。理論上間接經(jīng)濟(jì)效益也同樣較難評定，因此本文主要從數(shù)控化改造成本方面來判定經(jīng)濟(jì)可行性。

實(shí)施數(shù)控化改造的成本y主要由數(shù)控系統(tǒng)費(fèi)用和改造過程費(fèi)用兩部分構(gòu)成，客戶計(jì)劃為數(shù)控化改造承擔(dān)的價(jià)格為q。磨床經(jīng)濟(jì)可行性評價(jià)的指標(biāo)值B（見公式1）可以通過我們可以建立q與y之間的一個(gè)關(guān)系函數(shù)y=q·f，其中，當(dāng)f≤1時(shí)，磨床將獲利；然而當(dāng)f＞1時(shí)，將很難獲取收益。其中，B的值介于0～1之間，式中的界限值主要根據(jù)專家實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而確定。

1.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

為了確定各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的評價(jià)值，各個(gè)指標(biāo)的相對權(quán)重應(yīng)該首先確定。文中將應(yīng)用層次分析法確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。層次分析法是一種將決策相關(guān)元素分解多層次，并進(jìn)行定性和定量分析的決策方法［10］，當(dāng)進(jìn)行方案選擇時(shí)，多使用決策分析法［11］。由于用于確定指標(biāo)權(quán)重的唯一信息或知識(shí)來源是專家的經(jīng)驗(yàn)，權(quán)重值由這些專家的反映所決定。

通過層次分析法來確定各個(gè)指標(biāo)權(quán)重有四個(gè)步驟，第一是建立層次分析模型；第二是建立優(yōu)先級判斷尺度；第三是建立判斷矩陣；第四是各指標(biāo)相對權(quán)重值的確定。首先，針對技術(shù)可行性指標(biāo)權(quán)重確定問題，建立層次分析模型，如圖2所示。

圖2 技術(shù)可行性指標(biāo)層次分析模型

其次，建立優(yōu)先級判斷尺度，如表4所示。

表4 判斷尺度比較表

然后根據(jù)判斷尺度表，由專家對各指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，建立判斷矩陣如表5所示。

表5 判斷矩陣表

基于層次分析法，｛x1，x2，x3｝的相對重要度權(quán)重｛m1，m2，m3｝可通過公式2計(jì)算得出。

最后，各指標(biāo)的權(quán)重值通過層次分析法確定，結(jié)果M=｛0.260，0.376，0.360｝

1.3 MA1320/H數(shù)控化改造舉例

在某機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)一臺(tái)MA1320/H采用傳統(tǒng)的繼電器進(jìn)行邏輯控制，控制技術(shù)落后，但是機(jī)械精度高，公司決定對其進(jìn)行數(shù)控化改造。再改造前必須認(rèn)真合理的評價(jià)其數(shù)控化改造度。下面是對該機(jī)床數(shù)控化改造的詳細(xì)分析過程。

1.3.1 技術(shù)可行性分析

首先對MA1320/H普通外圓磨床的技術(shù)可行性進(jìn)行分析，以確保其可通過各種先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行性能提升?；谏瞎?jié)中提出的評價(jià)指標(biāo)量化方法對技術(shù)可行性各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行量化，可得到技術(shù)可行性評價(jià)結(jié)果，如表6所示。

表6 MA1320/H技術(shù)可行性指標(biāo)評價(jià)

MA1320/H普通外圓磨床數(shù)控化改造的技術(shù)可行性可通過式A=x1m1+x2m2+x3m3，計(jì)算得出，A= 0.84 x 0.260+0.96 x 0.376+0.90 x 0.360=0.903，滿足A≥0.6，根據(jù)評價(jià)結(jié)果，該磨床數(shù)控化改造的技術(shù)可行性較好，可進(jìn)入下一步。

1.3.2 經(jīng)濟(jì)可行性分析

對其實(shí)施改造具有較好技術(shù)可行性的MA1320/H進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性評價(jià)后，計(jì)算改造成本以確保磨床有利潤。MA1320/H普通外圓磨床數(shù)控化改造的改造成本15萬，隨后，我們假設(shè)20萬作為客戶的價(jià)格對改造磨床的成本分析可知，f=15/20=0.75（f≤1）經(jīng)濟(jì)可行性評價(jià)值B=1。這表示改造后的磨床具有較好的經(jīng)濟(jì)可行性，制造企業(yè)可獲取較大的利潤，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1.3.3 結(jié)論

MA1320/H普通外圓磨床具有較好的數(shù)控化改造度，改造后的MA1320/H保留了機(jī)械本體，數(shù)控系統(tǒng)采用國產(chǎn)開通數(shù)控的KT630系統(tǒng)，由于其控制系統(tǒng)功能強(qiáng)，能根據(jù)加工要求，實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)磨削、砂輪可手自動(dòng)成型修整并自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ?。使用國產(chǎn)開通數(shù)控，同樣能夠滿足精度的要求，較一些進(jìn)口的數(shù)控系統(tǒng)降低了采購成本，經(jīng)濟(jì)可行性高。通過對MA1320/H數(shù)控化改造，增強(qiáng)了其可靠性，提高了該磨床的自動(dòng)化程度。設(shè)計(jì)裝配及試加工跟蹤數(shù)據(jù)表明改造后的磨床節(jié)約成本30%以上，且機(jī)床性能及穩(wěn)定性超過原有舊機(jī)床。

2 結(jié)束語

本文以經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性的磨床數(shù)控化改造方案綜合評價(jià)指標(biāo)體系為基礎(chǔ)，提出一種磨床數(shù)控化改造可行性量化方法，將這種可行性量化方法應(yīng)用在普通外圓磨床MA1320/H的數(shù)控化改造過程中，收到良好的應(yīng)用效果。對于磨床數(shù)控化改造產(chǎn)業(yè)，將這種量化方法應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過程中，是該產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的迫切需求，可為我國磨床改造產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展提供理論技術(shù)支撐。

［1］劉德剛，吳興群，蔣威.導(dǎo)軌銑磨專用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014（6）：90-92.

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（編輯 趙蓉）

Study on AHP Grinder NC Transformation Feasibility of Quantification Method Based on

LI Guang-ling
（Department of Mechanical and Electrical Engineering，Jiangyin Polytechnic College，Jiangyin Jiangsu 214405，China）

Grinder NC transformation is a new model of manufacturing resource based on recycle.Based on the design concept，CNC grinding method and grinder transformation experience，takes the grinder NC transformation feasibility as the research object，the establishment of a grinding machine based on expert experience know ledge transforming model comprehensive evaluation method，puts forward the quantitative method of a kind of feasibility，and apply this method to the numerical control transformation process of MA1320/H in，provides the theory support for the design and manufacture of MA1320/H，the results show that the grinding after the transformation of the cost savings of more than 30%，and the performance and stability than the original old machine tool.

grinder；NC transformation；feasibility；quantitative method

TH166；TG659

A

1001-2265（2015）10-0069-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.10.019

2015-03-29；

2015-05-27

李光玲（1964—），女，遼寧錦西人，江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電工程，（E-mail）tougaozhuanyong119@163.com。