數(shù)控機(jī)床再制造綠色度評價體系的研究與應(yīng)用

汪超臺,吳斌方，李自成

(1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院， 四川 樂山 614000； 2.湖北工業(yè)大學(xué)， 武漢 430068)

隨著我國制造業(yè)的快速發(fā)展和對環(huán)境污染問題的日益重視，減輕環(huán)境污染及資源浪費(fèi)將成為越來越重要的課題。2009年實(shí)施的《循環(huán)經(jīng)濟(jì)促進(jìn)法》規(guī)定，國家支持企業(yè)開展機(jī)床產(chǎn)品的再制造；2011年審議通過的《“十二五”規(guī)劃綱要》，明確指出“再制造產(chǎn)業(yè)化”。 在西方制造業(yè)發(fā)達(dá)國家，院校開設(shè)有再制造相關(guān)專業(yè)課程，企業(yè)也有相關(guān)研發(fā)部門，如德國的寶馬汽車公司就成立了汽車拆卸中心，對報廢汽車進(jìn)行拆卸和再制造處理，其中報廢汽車的零件回收率高達(dá)94%。其他歐美國家和日本都高度重視再制造技術(shù)的發(fā)展，其中，數(shù)控機(jī)床再制造占有很大比重。美國2005年的機(jī)床設(shè)備再制造產(chǎn)值已達(dá)750億美元，英國機(jī)床設(shè)備再制造年產(chǎn)值也達(dá)到4 500萬英鎊。

我國數(shù)控機(jī)床市場龐大，品種繁多。2010年數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到236 000多臺，同比增長62.2%。 2014年數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量達(dá)到391 000多臺。 2015年進(jìn)口的數(shù)控機(jī)床數(shù)量為18 584臺，同比增長28.6%。隨著我國越來越多地使用數(shù)控機(jī)床，廢舊數(shù)控機(jī)床再制造滿足可持續(xù)發(fā)展的條件，為響應(yīng)我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，大力開展數(shù)控機(jī)床再制造的綠色度評價體系的研究工作具有十分緊迫性和重要的意義[1-4]。

我國對數(shù)控機(jī)床再制造綠色度研究較晚，這方面的文獻(xiàn)著作較少[5-9]。重慶大學(xué)劉飛教授提出了綠色制造的理論體系框架；武漢科技大學(xué)王賢琳教授以機(jī)床質(zhì)量、機(jī)床環(huán)境、機(jī)床成本、機(jī)床能耗幾個因素來分析數(shù)控機(jī)床綠色度；吉林大學(xué)的王桂萍博士以環(huán)境、資源、能源、經(jīng)濟(jì)、人機(jī)等因素分析了數(shù)控機(jī)床的綠色度等。本文重點(diǎn)研究數(shù)控機(jī)床的再制造，建立再制造綠色度評價體系，詳細(xì)評價研究數(shù)控機(jī)床機(jī)械部分和控制部分各個部件的再制造綠色度，最終得出數(shù)控機(jī)床綠色度的整體值，進(jìn)而得出該機(jī)床回收利用價值的參考值。該評價體系簡單易學(xué)，實(shí)用性和可行性高，成本低，可供企業(yè)方便應(yīng)用。

1 數(shù)控機(jī)床綠色度與再制造綠色度評價體系

綠色度是產(chǎn)品的綠色水平的參照標(biāo)準(zhǔn)，綠色程度越高，綠色度越好，是產(chǎn)品對環(huán)境綠色程度的定量價值[10]。數(shù)控機(jī)床的綠色度是指數(shù)控機(jī)床對環(huán)境的友好程度、對經(jīng)濟(jì)的效益程度和對技術(shù)的先進(jìn)程度等的綜合評價。

數(shù)控機(jī)床再制造綠色度評價體系，是一個多層次、多因素的綜合評價體系。產(chǎn)品的屬性反映了綠色度的各種因素，不同的評價層次的形成，可分為幾個不同方面和因素。這里將根據(jù)影響綠色度的各種因素，對數(shù)控機(jī)床的再制造綠色度進(jìn)行綜合評價。

國外數(shù)控機(jī)床再制造的定義為對廢舊機(jī)床的可再制造零部件進(jìn)行回收再利用和再生產(chǎn)的過程。中國工程院院士徐濱士對數(shù)控機(jī)床再制造定義為數(shù)控機(jī)床在整個生命周期中，以廢舊數(shù)控機(jī)床的飛躍式提升為目標(biāo)，以高效率、高質(zhì)量、節(jié)約能源、節(jié)約材料和環(huán)境保護(hù)為指導(dǎo)方針，通過先進(jìn)制造工業(yè)的全套技術(shù)方法，對可再制造的零部件進(jìn)行再制造加工[11]。數(shù)控機(jī)床再制造是數(shù)控機(jī)床維修改造的主要工具，是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要手段。

2 數(shù)控機(jī)床再制造綠色度評價體系的建立

因?yàn)閿?shù)控機(jī)床的零件較多，所以先進(jìn)行初步的統(tǒng)計分析，并不是廢舊數(shù)控機(jī)床所有的零部件都可以再制造。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)2方面進(jìn)行評估，對數(shù)控機(jī)床各部分的可再制造零部件檢測的結(jié)果進(jìn)行分析，統(tǒng)計可再制造和不可再制造的零部件，然后設(shè)計算法建立評價體系。

根據(jù)影響數(shù)控機(jī)床工作的多種因素，從兩大指標(biāo)進(jìn)行綜合評判，即分為數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部分和控制部分。由于影響數(shù)控機(jī)床的工作的因素有多個，眾多影響因素本身又包含有影響因素子集，故還可以進(jìn)一步細(xì)劃分為多個層次，例如機(jī)械部分還包括數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)、進(jìn)給傳動系統(tǒng)、支承件、機(jī)床導(dǎo)軌和輔助裝置等，詳細(xì)的綜合評價體系指標(biāo)層如表1所示。

表1 綜合評價體系指標(biāo)層

3 多級模糊綜合評價方法

3.1 模糊綜合評價的原理

模糊綜合評價法是將模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論轉(zhuǎn)化為定量評價的定性判斷，對受多種因素影響的事物進(jìn)行綜合評價[12]。對限制事物的多重因素做出總體判斷的模糊綜合評判在生活中比較常見，例如對一個醫(yī)生的評價不只考慮到其醫(yī)術(shù)的精湛程度，還應(yīng)了解其人品和醫(yī)德等綜合素質(zhì)。數(shù)控機(jī)床再制造綠色度評價是一項復(fù)雜的工作，而數(shù)控機(jī)床工作受諸多因素的影響，從多個方面對數(shù)控機(jī)床再制造綠色度評價具有不確定性、模糊性和主觀性。因此，利用模糊數(shù)學(xué)來評判數(shù)控機(jī)床的再制造綠色度，使結(jié)果盡可能客觀，從而達(dá)到較好的實(shí)用效果。模糊綜合評價法不僅考慮了許多因素的影響，而且評價結(jié)果包含多信息，通過級別特征值可判斷結(jié)果的等級，因此，采用模糊綜合評價法更合理。

3.2 多級模糊評判模型的建立

由于有很多不同層次的影響因素，所以采用層次化的方法來解決問題。

1) 因素集的確定

將評價因素集U按照不同的因素類別細(xì)分為n個子因素，記為

U={U1,U2，…Un}

(1)

且應(yīng)滿足

(2)

由于有多個級別的多個影響因素類別，故將因素集U分為3個等級：① 把最低級別的各因素歸納起來并綜合評價； ② 在上一級別的因素基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合評價；③ 同理，評價更高一級，直到把最高級別的因素層評定完成，然后得到最終的綜合評判結(jié)果[13]。

多級模糊綜合評價模型的一般描述如下：

假設(shè)第1層為

U={U1,U2,…，Un}

(3)

第2層為

Ui={Ui1,Ui2,…，Uin}

(4)

其中i=1,2，…，n。

第3層為

Uij={Uij1,Uij2,…，Uijp}

(5)

其中i=1,2，…，n；j=1,2，…，m。

2) 評語集的確定

評語集是反映數(shù)控機(jī)床綠色度等級的集合，設(shè)f為評判等級的個數(shù)為

V={V1,V2,…，Vf}

(6)

結(jié)合數(shù)控機(jī)床再制造綠色度評價體系各級因素，取評語集為

V={V1(優(yōu)),V2(良),V2(中),V2(差)}

(7)

3) 權(quán)重的確定

確定權(quán)重的方法一般有：層次分析法、專家打分法。在此采用專家打分法(菲爾德法)，并求得各層次不同因素的權(quán)重值，具體的權(quán)重數(shù)據(jù)見表1括號處。其權(quán)重分配模糊矢量為

A={a1,a2,…，ai}

(8)

其中：ai表示第i個因素的權(quán)重，權(quán)重反映各評價指標(biāo)在綜合評價中的重要性程度，且要求0<

4) 評語隸屬度矩陣的確定

給出單因素的評價矩陣，即對單因素Ui(i=1,2,…,n)的評價，得到V上的模糊集(ri1,ri2,…,rin)，其中ri1表示Ui對V1的隸屬度。評語隸屬度的確定采用專家打分法，得到評價矩陣為

(9)

且隸屬度的公式為

(10)

5) 建立單因素綜合評價的模型

多級綜合評判B=A°R，其中“°”為模糊合成算子?？傇u價模型示意如下：

(11)

對該模型的解釋如下所示：

第3級評價模型為

Bij=Aijp°Rijp

(12)

其中式(12)中：

(13)

Aijp=(aij1,aij2,…,aijp)

(14)

同理，第2級和第1級分別為

Bi=Aij°Rij

(15)

其中式(15)中：

Aij=(ai1,ai2,…,aim)

(16)

(17)

B=Ai°Ri

(18)

綜上，最終可以表述為

B=(b1,b2,…,bn)

(19)

式(19)中

通過這種多層次模糊綜合評價模型，更全面地從多層次、多因素考慮到各種指標(biāo)因素[14-15]。

4 案例分析

以某數(shù)控機(jī)床為例并對其再制造綠色度評價體系進(jìn)行綜合分析，采用專家打分法對各層次不同因素進(jìn)行打分，并將得到的評價矩陣進(jìn)行歸一化處理，從而得到單因素矩陣，具體數(shù)據(jù)如表2所示。由表2中的各評價因素數(shù)據(jù)，依次對各級因素層模糊矩陣進(jìn)行計算：

表2 某廢舊機(jī)床第三級再制造綠色度數(shù)據(jù)

模糊評價集B=(b1,b2,…,bn)中的bi是等級Vf對模糊評價集B的隸屬度，按最大隸屬度原則作出以下的綜合結(jié)論：

M=max(b1,b2,…,bn)

(20)

M對應(yīng)的元素為綜合評價的結(jié)果，即取最大結(jié)果0.365 4，該數(shù)控機(jī)床的再制造綠色度為良。

結(jié)合此案例，對學(xué)院數(shù)控車間和校企里的各類數(shù)控車床、數(shù)控加工中心進(jìn)行評估，將評估值與這些數(shù)控機(jī)床購買價值與購買時間做分析對比，發(fā)現(xiàn)其評估值與實(shí)際情況一致。因此，得出該評價體系是切合實(shí)際的，實(shí)用性高，可供企業(yè)方便使用。

5 結(jié)束語

1) 通過運(yùn)用模糊綜合評價模型來綜合評價數(shù)控機(jī)床再制造綠色度，實(shí)現(xiàn)了各層不同因素結(jié)合的綜合表達(dá)。

2) 根據(jù)廢舊數(shù)控機(jī)床的各個零部件的可再制造程度，結(jié)合專家打分法，依據(jù)多級模糊綜合評價數(shù)學(xué)模型，建立起數(shù)控機(jī)床再制造綠色度評價體系。

3) 列舉實(shí)例驗(yàn)證該評價體系的有效性和實(shí)用性。結(jié)果表明，該數(shù)控機(jī)床的綠色度評價體系對數(shù)控機(jī)床再制造再利用率具備很好的參考價值。

4) 該評價體系簡單易學(xué)，實(shí)用性高，成本低，對企業(yè)具有較好的參考價值。

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