基于可拓優(yōu)度的專用加工機床定位方案設計

李曉鐘

（四川工商職業(yè)技術學院機電工程系，四川都江堰 611837）

基于可拓優(yōu)度的專用加工機床定位方案設計

李曉鐘

（四川工商職業(yè)技術學院機電工程系，四川都江堰 611837）

滿足特定加工需求的專用加工機床定位方案設計往往會受到多屬性、多層次、不確定性等約束因素的影響，為此，研究了專用加工機床定位設計方案多因素優(yōu)選問題，給出了一種基于可拓優(yōu)度的專用加工機床定位方案設計模型。該模型通過對專用加工機床定位方案設計過程中相關因素進行分析，給出了定位設計方案的優(yōu)選指標體系，通過對不同優(yōu)選指標的規(guī)范化處理，建立一種改進的優(yōu)選指標與定位設計方案性能參數(shù)理想域之間的可拓關聯(lián)函數(shù)，以此獲得定位設計方案需求參數(shù)與性能參數(shù)理想域之間的綜合加權可拓優(yōu)度，根據可拓優(yōu)度的大小獲得最優(yōu)的專用加工機床定位設計方案，從而為后續(xù)的專用加工機床整體設計的順利實施提供有效的支持。最后，通過具體的某一特種加工機床定位方案設計實例對模型和方法的有效性進行了驗證。

加工機床；定位方案設計；多方案優(yōu)選；可拓關聯(lián)函數(shù)；可拓優(yōu)度

0 引言

專用加工機床的設計一般需要滿足特定的加工設計需求，其總體結構布局方案和定位支撐方案往往具有獨特的和嚴格的技術要求，在其設計過程中需要綜合考慮多種設計制約因素［1-3］，特別是其定位支撐方案的選取對專用加工機床整體設計具有重要的影響。專用加工機床定位支撐方案的確定需要綜合考慮到專用加工機床的設計需求、結構型式、承載特性、加工性能、維修維護性、設計成本、工作環(huán)境等各種因素，因此，對于滿足特性設計需求的專用加工機床定位支撐方案的優(yōu)選問題研究將具有十分重要的意義。對于專用加工機床定位支撐方案的優(yōu)選需要從技術性指標、經濟性指標和社會性指標相融合的角度進行優(yōu)選分析，需要對定位支撐方案設計過程中的多層次、多因素和多類型的優(yōu)選指標進行決策分析，因此專用加工機床定位支撐方案的優(yōu)選是一個復雜的系統(tǒng)決策分析過程。目前，國內外已有很多學者對復雜的系統(tǒng)決策分析方法進行了研究，并取得了一定的研究成果［4-7］。但是，目前的多屬性系統(tǒng)決策分析方法對于處理含有不確定性設計信息的處理還具有一定的局限性，如在決策分析前已將設計決策信息精確化不能有效地對模糊問題進行決策分析；不能夠有效處理模糊區(qū)間內設計信息的相關性決策分析等等。為此，本文將在已有相關研究成果的基礎上，從可拓優(yōu)度的角度對專用加工機床定位支撐方案的優(yōu)選進行初步探討。

1 專用加工機床定位支撐方案優(yōu)選指標體系

專用加工機床一般包含有承載裝置、定位支撐裝置、夾緊裝置、傳動裝置、執(zhí)行裝置等關鍵組成部分，一方面定位支撐裝置與承載裝置關聯(lián)，將系統(tǒng)載荷有效地傳遞到承載裝置，進行系統(tǒng)載荷的平衡和減震；另一方面定位支撐裝置與夾緊裝置和執(zhí)行裝置進行關聯(lián)，通過對夾緊裝置和執(zhí)行裝置的有效定位和支撐，減少和降低工件夾緊和加工變形，在保證定位精度的條件下實現(xiàn)工件加工精度的要求，因此，定位支撐裝置在整個加工機床系統(tǒng)中起到承上啟下的關聯(lián)樞紐作用，定位支撐方案設計的好壞將直接影響到專用加工機床的加工性能。一旦加工機床定位支撐系統(tǒng)發(fā)生故障和將會造成巨大的損失，不僅僅會使得加工機床的加工精度降低，嚴重時將使得加工機床整體功能失效，因此，提高加工機床定位支撐系統(tǒng)的可靠性與安全性，特別是對于面向高速、高效和復合加工型式的專用加工機床設計，是保證加工機床關鍵性能參數(shù)的最重要的環(huán)節(jié)。論文從技術性準則、社會性準則和經濟性準則三個方面對工機床定位支撐方案設計性能進行分析，并通過與相關的加工機床設計專家和工程設計師進行技術交流，對不同準則層下的具體優(yōu)選指標進行了分析與細化，從而建立了專用加工機床定位支撐方案優(yōu)選指標體系，如圖1所示。

圖1 專用加工機床定位設計方案優(yōu)選指標體系

2 方案優(yōu)選可拓優(yōu)度模型與算法

2.1 多層級定位設計方案優(yōu)選性能因素集

根據圖1所示的專用加工機床定位設計方案優(yōu)選指標體系可知，專用加工機床定位設計方案性能因素集具有多級分層特性，第一分層為表征專用加工機床定位設計方案性能的系統(tǒng)級，可以表示為且滿足，即使得同一級別準則層的優(yōu)選指標具有獨立性，以保證在優(yōu)選的過程中不受冗余決策信息的影響，從而使得優(yōu)選決策的結果更可信。第二分層為表征專用加工機床定位設計方案性能的二級準則層指標U1、U2、U3，其中。第三分層為在不同準則層下表征專用加工機床定位設計方案性能的三級優(yōu)選指標。

2.2 多類型定位設計方案優(yōu)選指標規(guī)范化處理

專用加工機床定位支撐方案的設計需要基于特定的設計需求參數(shù)進行分析和論證，同時，在其方案設計和論證階段具體的性能參數(shù)并不是一個確切的數(shù)值，往往具有模糊不確定性；并且，在專用加工機床定位支撐方案設計階段，有的性能參數(shù)對于定位支撐系統(tǒng)的性能起到正向支持的作用，而有的性能參數(shù)對于定位支撐系統(tǒng)的性能起到逆向制約的作用，有的性能參數(shù)可以通過定量數(shù)值描述，而有的性能參數(shù)則只能給出定性的描述。因此，對含有多層次、多屬性、多類型的優(yōu)選指標需要進行統(tǒng)一標度的規(guī)范化處理。本文針對定量度量和定性度量分別給出了如下的規(guī)范化處理過程：

若優(yōu)選性能參數(shù)為具有模糊不確定性的定性描述，則采用模糊評語的形式給出對應的模糊隸屬程度，具體數(shù)值標準如表1所示。

由此，經過上述的優(yōu)選指標規(guī)范化處理后，所有定位設計方案優(yōu)選指標參數(shù)值、對應的經典域和節(jié)域具有統(tǒng)一測度標準，消除了不同類型優(yōu)選指標之間的差異性，從而更利于定位設計方案優(yōu)選分析的準確性。

表1 性能參數(shù)模糊評語的隸屬程度

2.3 改進的定位設計方案優(yōu)選可拓優(yōu)度計算模型

可拓學是一門用形式化的模型去研究事物之間或事物內部矛盾問題的規(guī)律和方法，由我國學者蔡文教授首次提出的一門新的智能設計學科，具有形式化、邏輯化和數(shù)學化的特點，在很多領域都有著相應的工程應用成果，形成了具有工程特色的可拓工程方向［8-11］。關聯(lián)距作為可拓邏輯的核心對多屬性優(yōu)選決策分析具有較好的借鑒意義，本文通過對經典的可拓距進行改進，給出一種定位設計方案優(yōu)選可拓優(yōu)度計算模型。

假設規(guī)范化后的專用加工機床定位設計方案關于優(yōu)選指標i對應的理想正域為，理想負域為，0≤。當規(guī)范化后的專用加工機床定位設計方案j優(yōu)選指標i對應的優(yōu)選指標參數(shù)值為精確量值時，即，則定位設計方案j關于優(yōu)選指標i與理想正域之間的可拓距為：

當獲得所有定位設計方案j優(yōu)選指標的可拓距后，則可以定位設計方案 j優(yōu)選指標與理想正域和理想負域之間的關聯(lián)函數(shù)

加工機床定位設計方案j隸屬于最優(yōu)定位實施方案即正向理想域的可拓優(yōu)度為δj（ 0≤δj≤1），則其隸屬于負向理想域的可拓優(yōu)度為1-δj。為確定可拓優(yōu)度δj，以定位實施方案的優(yōu)劣性建立目標函數(shù)：

由極值原理求得最優(yōu)方案的可拓優(yōu)度δj：

根據上述的可拓優(yōu)度決策分析，可以獲得各個定位實施方案的可拓優(yōu)度δj，基于可拓優(yōu)度δj獲得多屬性加工機床定位設計方案可拓優(yōu)選問題的擇近原則，若

則加工機床定位設計方案k為最優(yōu)方案。

綜上所述，基于可拓優(yōu)度的專用加工機床定位方案設計的具體實現(xiàn)算法描述如下：

step1：基于領域設計知識和專家設計經驗建立加工機床定位設計方案的優(yōu)選指標體系；

step2：基于2.1節(jié)中的論述采用模糊評分的標度，對多定位實施方案進行統(tǒng)一標度的模糊定量描述；

step3：采用公式（1）、公式（2）相似的處理模型，構建優(yōu)選指標體系下不同類型優(yōu)選指標的理想域正負域；

step4：基于公式（3）、公式（5）或者公式（4）、公式（6）獲取定位設計方案關于不同優(yōu)選指標與理想正負域之間的可拓據；

step5：基于公式（7）與公式（8）獲取定位設計方案關于不同優(yōu)選指標與理想正負域之間的可拓關聯(lián)函數(shù)；

step6：考慮優(yōu)選指標的權重，基于公式（9）與公式（10）獲取定位設計方案關于不同優(yōu)選指標與理想正負域之間的可拓關聯(lián)度；

step7：基于公式（11）與公式（12）獲取定位設計方案關于所有優(yōu)選指標的可拓優(yōu)度；

step8：利用公式（13），根據可拓優(yōu)度的大小獲得最優(yōu)的專用加工機床定位設計方案。

3 應用實例

本文以某大型圓形薄壁加工工件的專用加工機床定位設計方案為例進行模型和算法的分析和說明。該大型薄壁圓形加工工件的專用加工機床的設計需要能夠加工圓形薄壁工件的不同端面，能夠保證加工后具有較高的加工粗糙度和加工坡角，能夠實現(xiàn)直徑尺寸和高度尺寸變換范圍很大的圓形薄壁工件加工，其定位設計方案的難點在于圓形薄壁工件重量較大、加工過程中容易受力變形、加工精度要求較高以及為了保證加工工件的力量生產要求具有操作方便性和可維護性。針對上述需求，通過相關設計專家和工程設計人員的技術方案設計，初定了三種可行的母線定位支撐方案，即軌道式、立式和臥式三種型式。通過模糊標度的性能打分，獲得優(yōu)選指標體系下相應的性能參數(shù)值如表2所示。

表2 模糊標度優(yōu)選指標性能參數(shù)值

表5給出了在不同優(yōu)選準則層下的定位設計方案的加權優(yōu)度數(shù)值。

結合不同優(yōu)選指標的權重，可以獲得該圓形薄壁加工工件的專用加工機床定位設計方案的綜合可拓優(yōu)度，即δ0=max（ 0.125，0.625，0.108）=δ2，由此可以看出，在軌道式、立式和臥式三種型式的定位方案中的立式母線定位方案最符合設計需求，即立式母線定位設計方案為基于優(yōu)選指標體系的最優(yōu)定位實施方案。

表3 加工機床定位設計方案可拓距

表4 加工機床定位設計方案可拓關聯(lián)函數(shù)

表5 不同優(yōu)選準則層下的加權優(yōu)度

4 結論

本文針對專用加工機床定位設計方案的多屬性、多層次、多類型指標的優(yōu)選決策分析問題進行了研究，給出了一種改進的專用加工機床定位設計方案可拓優(yōu)度模型與算法。論文首先對專用加工機床定位設計方案實施過程中的性能約束參數(shù)進行了分析，并基于此建立了對應的多定位實施方案的優(yōu)選指標體系，通過構建優(yōu)選指標體系下的不同類型優(yōu)選指標理想域，并獲取改進的定位實施方案與各優(yōu)選指標理想域之間的可拓距與可拓關聯(lián)函數(shù)，并在此基礎上構建出了定位實施方案的可拓優(yōu)度，從而獲得最優(yōu)的定位實施方案。該模型物理意義明確，分辨能力高，同時計算較為簡單，具有較好的可執(zhí)行性和可操作性，為計算機輔助加工機床智能化設計的順利實施提供了有力的支持。

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（編輯 李秀敏）

Position Scheme Design of Special Working Machine Tool Based on Extension Degree Optimization Methods

LI Xiao-zhong
（Department of Electromechanical Engineering，Sichuan Technology and Business College，Dujiangyan Sichuan 611837，China）

Due to the multiple attribute，multi-level，uncertainty and constraint factors in position scheme design of special working machine tool，the multiple attribute optimization problem of position scheme design is studied，and an optimization model of position scheme design of special working machine tool based on extension degree is put forward.Firstly，the optimization index system of position scheme design is given，then，with the different optimization indexes standardized，an improved extensive correlation function of ideal domain between the performance parameters and the preferred index is put forward.After these，the extension degree optimization model is put forward，and then，the comprehensive weighted extension degree of position design scheme is obtained.Based on these，the optimal position design scheme of machine tool is achieved.Finally，the validity of the model was verified by an example of a position scheme design of special working machine tool.

machine tool；position scheme design；multiple attribute optimization；extensive correlation function；extension degree

TH162；TG65

A

1001-2265（2015）01-0146-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.01.041

2014-04-08；

2014-06-11

李曉鐘（1971—），男，四川會理縣人，四川工商職業(yè)技術學院講師，研究方向為機械設備，（E-mail）li_xiaozhsc@163.com。