基于熵权与层次分析法的机床再制造方案综合评价

第17卷第1期计算机集成制造系统

Vol.17No.12011年1月

Computer Integrated Manufacturing Systems

Jan.2011

文章编号:1006-5911(2011)01-0084-05

收稿日期:2009 12 25;修订日期:2010 03 29。Received 25Dec.2009;accep ted 29Mar.2010.

基金项目:中央高校基本科研业务费资助项目(CDJXS11111141); 十二五 国家科技支撑计划资助项目(2011BAF11B09);重庆市自然科学基

金资助项目(CS TC2010BB9212)。Founda tion items :Project supported by the Fundamental Research Fun ds for th e Central U niversi ties,Ch ina(No.CDJXS11111141),the Key Techn ologies R&D Program,China (No.2011BAF11B09),and th e N atural Science Foundation of Chongqing CST C,Ch ina(No.CS TC2010BB9212).

基于熵权与层次分析法的机床

再制造方案综合评价

杜彦斌,曹华军,刘 飞,鄢 萍,李聪波

(重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆 400030)

摘 要:结合机床再制造实践,建立了包括经济性、技术性、资源性、环境性的机床再制造方案综合评价指标体系,并对各个指标的量化方法进行了分析;提出了一种基于熵权与层次分析法的机床再制造方案综合评价方法。通过在某企业车床再制造中的应用,验证了所提方法的有效性。

关键词:层次分析法;机床;再制造;评价模型;熵权中图分类号:T H 17 文献标志码:A

Evaluation of machine tool remanufacturing scheme based on entropy weight and AHP

D U Yan bin,CA O H ua j un,LI U Fei,YA N Ping,LI Cong bo

(State K ey L ab o f M echanical T ransmission,Chong qing U niversit y,Chong qing 400030,China)

Abstract:A cco rding to the pr act ice o f machine t ool remanufacturing ,the ev aluatio n index system o f machine too l re manufactur ing w hich included econom y,techno log y,resource and environment w as established,and t he quantitativ e met ho ds of the indexes wer e analyzed.In addition,the evaluation method of machine to ol remanufact ur ing scheme based on entro py weig ht and Analytic H ierar chy P ro cess (A H P)w as pro po sed.F inally,this method w as applied in an enterprise s lathe remanufactur ing,and its effectiveness w as ver ified.

Key words:analytic hier archy pro cess;machine too l;remanufacturing ;ev aluatio n mo del;entro py weig ht

0 引言

随着各国政府对资源短缺、环境影响、气候变化等问题的关注度越来越高,废旧产品的回收处理已逐步走进人们的视野,而再制造作为一种废旧产品处理的最佳形式,对于减少原材料的开采和环境污染、应对气候变化具有重要作用,已得到越来越多的重视[1 4]。2009年1月1日起正式实施的!中华人民共和国循环经济促进法?中明确规定[5]:国家支持企业开展机动车零部件、工程机械、机床等产品的再

制造和轮胎翻新。机床是一种极具回收再制造价值的机电产品,再制造机床可完全达到新品的性能水

平,而再制造成本仅为同种性能新机床的50%左右[6]。据统计,目前我国机床保有量达到700万台以上,而役龄10年以上的老旧机床占60%以上,这些机床在未来5~10年都可能陆续面临大修甚至功能性报废或技术性淘汰。因此,机床再制造在我国大有可为,不但可以实现废旧机床设备资源的循环再利用,还可低成本地实现我国机床装备加工能力的提升。

目前,国内外对产品再制造的评价决策、再制造生产计划与控制、逆向物流、拆卸、表面工程技术等进行了较为系统而深入地研究[7 10],而我国的机床再制造产业作为一个快速发展的新兴产业,仍处于

第1期杜彦斌等:基于熵权与层次分析法的机床再制造方案综合评价

发展初期,而且大多还停留在维修、数控化改造等阶段,存在不少问题,如缺乏专门针对机床再制造方案设计、工艺设计的方法等[3,11]。机床再制造方案的优劣直接影响到机床再制造的成本、质量、时间等,机床再制造方案的评价是提高机床再制造质量以及更有效实现废旧机床资源的最优化重用而迫切需要解决的关键技术之一。基于此,本文将建立包括经济性、技术性、资源性、环境性的机床再制造方案评价的指标体系,分析各个指标的量化方法,进而提出一种基于熵权与层次分析(Analytical H ierarchy Pro cess,AH P)的机床再制造方案综合评价方法,并在机床再制造企业进行应用。

1 机床再制造方案综合评价的指标体系及

量化方法

1 1 机床再制造方案的综合评价指标体系机床再制造方案的综合评价指标体系由三层评价模型构成,包括总目标层、准则层、指标层,如图1所示。其中,准则层主要包括经济性、技术性、资源性、环境性,分别用C,T ,R,E

表示。

1 2 评价指标的量化方法

由于各个指标具有不同的属性,为消除不同量纲对评价结果的影响,必须对评价值进行无量纲归一化处理。下面对各指标的量化方法进行分析。1 2 1 经济性指标

机床再制造方案的经济性评价主要从机床再制造的成本方面考虑,判定经济可行性并评价机床再制造的经济效益,为企业进行再制造提供决策支持。

机床再制造成本C R 主要由废旧机床回收成本C 1、再制造过程费用C 2和综合费用C 3三部分组成。

(1)废旧机床回收成本C 1

指机床再制造商从客户或者市场获得废旧机床

的成本。

(2)再制造过程费用C 2

包括再制造工时费用C 21(包括拆卸、清洗、检测分类、再加工、再装配等工艺过程)、外购更换件成本C 22(包括标准件及电动机、数控系统及伺服系统、信息化终端及配套系统、排屑器、油雾分离器、自动上下料装置、机床工作灯、变频器、外制防护罩壳、编码器、纵横滚珠丝杆副、纵横丝杆轴承与螺母、电动刀架、润滑泵以及其他配套件等)和再制造过程中的料耗费用C 23等,

C 2=C 21+C 22+C 23。

(1)

(3)综合费用C 3包括税费C 31、工厂管理费C 32、设计与销售项目费用C 33和其他费用C 34等,

C 3=C 31+C 32+C 33+C 34。

(2)

Lund 教授在文献[12]中提到:再制造产品的成本或价格如果是同种性能新产品成本或价格的40%~70%,再制造商将获利,

C R = #C N 。(3)

式中:C R 表示机床再制造成本, 表示折扣率,C N 表示同种性能新机床的制造成本。

经过机床再制造商实践总结,当 低于40%时,企业将获得较高利润;而当 高于80%时,由于缺乏市场价格竞争优势,企业基本不会获利。根据企业统计数据进行回归分析,本文将经济性评价指标C 定义为一个与 相关的归一化函数,

C =

1 ?40%;7 5 2-11 5 +4 4,

40%< ?80%;0

>80%。

(4)

1 2 2 技术性指标

机床再制造方案的技术性评价主要从再制造机床的技术性能方面进行考虑,对再制造机床的精度、可靠性、能耗效率、寿命、安全防护等进行评价。

(1)精度T 1

衡量再制造机床精度的诸项指标值构成的向量用A ={a 1,a 2,%,a m }表示,原有废旧机床对应的出厂标准各精度指标值构成的向量用P ={p 1,p 2,%,p m }表示。定义精度指标比较向量D ={d 1,d,%,d m },其中d i =(a i -p i )/p i ,精度等级评语构成评语集为{很好,好,一般,差,很差},对应数值为{1,0 8,0 6,0 4,0 2}。定义精度评价指标矩阵U ={u 1,u 2,%,u m }:当d i ?0时,精度等级较好,u i =1;当0

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计算机集成制造系统第17卷

0 20时,精度等级很差,u i=0 2。

对再制造机床的精度进行综合评价,根据式(5)可得精度评价指标值

T1=U&B T。(5)式中: & 为矩阵数量乘;B={b1,%,b m}为各项指标的权重构成的矩阵,b i表示对第i项指标r i的权

重系数,可通过专家评判法或AH P得到,?m i=1b i =1。

(2)可靠性T2

再制造机床应保证其可靠性达到新机床水平,要保证在规定的使用条件下和时间内完成规定的加工功能时,无故障运行的概率要高。由于设计时无法验证机床的可靠性,本文通过专家评判法对再制造机床的可靠性进行评价,评语集为{很好,好,一般,差,很差},对应数值为{1,0 8,0 6,0 4,0 2}。

(3)能耗效率T3

机床再制造的方案设计要充分考虑机床的节能,提高再制造机床的能耗效率。由于在方案设计阶段机床能耗效率难以获得,只能通过专家对再制造方案的节能效果进行评价,评语集为{很好,好,一般,差,很差},对应数值为{1,0 8,0 6,0 4,0 2}。

(4)寿命T4

机床的一个大修周期约为T R,机床再制造方案设计的再制造机床的设计寿命T D应在T R年以上。当T D(T R时,寿命指标T4=1;当T D

(5)安全防护T5

安全是再制造机床考虑的重要因素之一。再制造机床一般需要加装壳、罩、屏、门、封闭式防护装置等,实现机床的安全防护。如果采用全防护,则T5 =1;如果采用半防护,则T5=0 8;如果是敞开式,则T5=0 3。

1 2 3资源性指标

机床再制造方案的资源性评价指标R主要对机床再制造实现的资源循环利用情况进行评价,而机床再制造过程的资源或能源消耗情况主要在经济性指标中通过成本值来体现。本文对机床资源循环利用率进行定义,机床资源循环利用率 R是指废旧机床资源被再利用,或资源化重用的部分与总回收废旧机床的重量之比,

R=M R

M CORE

#100%。(6)式中:M R表示废旧机床资源被再利用或资源化重用的部分,按重量计;M CORE表示回收废旧机床的总量,按重量计。

经过对机床再制造企业调研分析,当机床资源循环利用率达到80%左右时,资源性指标已非常好。根据企业统计数据进行回归分析,本文将资源性评价指标R定义为一个与 R相关的归一化函数,

R=

1, R(80%;

-

25

16

2R+5

2

R,0? R<80%。

(7) 1 2 4环境性指标

机床再制造方案的环境性评价指标E主要是对机床再制造方案对环境的影响程度进行评价,如表1所示。

表1机床再制造方案环境性评价矩阵工艺过程

环境影响要素

噪声有害物质大气污染水污染固体污染拆卸e11e12e13e14e15

清洗e21e22e23e24e25

检测与分类e31e32e33e34e35

再加工e41e42e43e44e45

再装配e51e52e53e54e55

使用过程e61e62e63e64e65

表1是一种半定量的评价矩阵[8],其中一维代表再制造机床工艺过程的6个阶段,另一维代表5个环境影响要素。评价者需分析研究再制造机床工艺过程各个阶段对不同环境要素的影响程度,并将影响程度分为5个等级{1,0 8,0 6,0 4,0 2},给予每个元素一个数值,其中对环境负面影响最大而予以否认的数值取0 2,影响最小的取1。在对矩阵中每个元素取值之后,对其求和作为机床再制造方案的环境性评价指标E,

E=?

6

p=1

e

p?

5

q=1

e pq!e q。(8)式中:e pq为矩阵元素的数值,表示第p阶段对环境影响要素q的影响程度;p=1,2,%,6,q=1,2,%, 5;e p,!e q分别为通过专家评判法或AH P所得的工艺过程各个阶段和各个环境影响要素所占的权重,

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第1期杜彦斌等:基于熵权与层次分析法的机床再制造方案综合评价

?

6

p =1

e p

=1,

?

5

q=1

!e q =1。

2 基于熵权与层次分析法的机床再制造方

案综合评价方法

机床再制造方案评价属多目标决策问题,需要对各方案在技术性、经济性、资源性、环境性等方面进行定量地综合分析比较,从中选择最优的方案。

本文在对机床再制造方案评价的指标体系及量化方法研究的基础上,参考文献[13]和文献[14]等,提出了一种基于熵权与AH P 的机床再制造方案综合评价方法。

熵(entr opy )的概念最初产生于热力学,用于描述运动过程中的一个不可逆现象,后被引入信息论用于描述系统状态的不确定性[13 14]。本文利用熵的概念来衡量某一评价指标对机床再制造方案优劣的影响程度。本文机床再制造方案的评价指标体系中有m =8个指标,设可选再制造方案有n 个。n 个机床再制造方案对应于m 个指标的指标值构成评价指标决策矩阵S =(s ij )n #m ,

S =

s 11

s 12%s 1

m s 21s 22%s 2m

???s n 1

s n 2

%s n m

。(9)

式中元素s ij 表示方案i 的第j 个指标评价值。记s ij 与s *

j 的接近程度为H ij =s ij /s *

j ,其中s *

j

=m ax {s ij }为S 中每列的最优值。对H ij 进行归一化处理,记h ij

=H ij

/

?n i=1?m

j =1

H ij

。

定义第j 个评价指标的熵值为E j ,

E j =-K

?

n

i=1

h ij h j ln h ij

h j

。(10)

式中:h j =

?

n

i=1

h ij ,j =1,2,%,m;K =

1

ln m

。则第j 个指标的熵权定义为#j ,

#j =

1-E j

?m

j =1

(1-

E j )

。

(11)

由式(11)可得基于熵权的评价指标权重向量为#=(#1,#2,#3,%,#m )。熵权的大小可以反映不同指标在决策中所起作用的大小,某个指标的熵值较小、熵权较大时,说明该指标向决策者提供了较多有用的信息。

由熵权法确定的评价指标的权重完全根据数据

之间的关系来确定,具有一定的合理性,但由于机床再制造方案需要考虑客户需求,而不同的客户对评

价指标具有不同的侧重,因此权重的大小不仅具有客观性,还应该具有一定的主观性。更为科学合理的权重应当是基于熵权法确定的权重和AH P 确定的权重的综合值。

设采用AH P 确定的权重为 =( 1, 2, 3,%, m ),则指标j 的综合权重为!j ,

!j =

j ##j

?m

j=1

j

##

j

。(12)

由此得到综合权重向量W =(!1,!2,!3,%,!m )。

本文确定的机床再制造方案综合评价值?可通过式(13)获得:

?=W &S T 。

(13)

式中:W 为评价指标的综合权重向量;S 为评价指标决策矩阵。从中选择最大综合评价值所对应的机床再制造方案为最终所选定的方案。

3 应用案例

随着机床役龄的增长以及产品质量要求越来越高,某齿轮生产企业现有的大量C616车床已不能满足企业加工要求。针对这种情况,重庆某机床再制造企业对该批老旧机床进行了评估,确立了如下两种机床再制造方案。

方案1 将老旧机床部分拆卸,保留原车床主轴旋转的主运动,废弃原变速箱;拆掉原手动刀架和小拖板,安装数控刀架;拆掉普通丝杆、光杆、进给箱和溜板箱,换上滚珠丝杠螺母副;以步进电机为驱动机构,步进电机经一级齿轮减速后,带动滚动丝杠转动,从而实现横向的进给运动;数控系统选用经济型的JWK 15T 数控系统。

方案2 将老旧车床完全拆卸,床腿、床座、床鞍、尾座等零部件直接重用;取出主轴箱内齿轮机构,主运动采用异步电动机加变频器实现全变频无级调速;废弃原变速箱和溜板箱;刀架更换为电动刀架,安装防护罩;数控系统采用 广数 928T E 车床数控系统,伺服及电气系统选用 广数 配套伺服系统;气动夹紧;集中润滑。

采用本文所建立的机床再制造方案评价指标的量化方法确定两种方案的评价指标决策矩阵,如表2所示。

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计算机集成制造系统第17卷

表2机床再制造方案评价指标决策矩阵

方案经济性C

技术性T

精度T1可靠性T2能耗效率T3寿命T4安全防护T5

资源性R环境性E 10 760 640 800 600 670 801 000 58

20 701 000 801 001 001 000 980 64

采用AH P计算所得的各个指标的主观权重为=(0 291,0 190,0 045,0 045,0 075,0 045, 0 190,0 119);通过计算而得的基于熵权的评价指标权重为#=(0 131,0 116,0 132,0 112,0 119, 0 128,0 131,0 131)。综合基于AH P的主观权重与基于熵权的客观权重,由式(12)可得评价指标的综合权重向量W=(0 302,0 174,0 047,0 040, 0 071,0 046,0 197,0 123)。

根据式(13),最终的机床再制造方案综合评价值?=W&S T=(0 755,0 852)。

通过分析可知,选择方案2可以取得更好的综合效益。

4结束语

本文建立了机床再制造方案综合评价的指标体系,分析了各个指标的量化方法,各个指标的权重采用基于熵权与AH P相结合的综合权重,基于此提出了一种机床再制造方案综合评价方法,可对不同的机床再制造方案进行评价。但是,由于老旧机床废旧程度具有不确定性和随机性,机床的再制造过程亦具有不确定性,使得机床再制造方案的设计与评价过程更为复杂困难,而各个评价指标需要更为科学合理的量化方法,所建立的综合评价方法在诸多方面需要进一步完善。

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作者简介:

杜彦斌(1982-),男,河北鹿泉人,博士研究生,研究方向:绿色制造与再制造、制造系统工程,E mail:duzi2009@https://www.360docs.net/doc/ae18342627.html,;

曹华军(1978-),男,江西余干人,副所长,教授,博士生导师,研究方向:制造系统工程、绿色制造、再制造等;

刘飞(1948-),男,四川内江人,所长,教授,博士生导师,研究方向:制造系统工程、绿色制造、制造业信息化等;

鄢萍(1967-),女,四川内江人,副所长,教授,博士生导师,研究方向:制造系统工程、网络化制造等;

李聪波(1981-),男,山东海阳人,副教授,研究方向:绿色制造、再制造等。

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