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基於灰（huī）關（guān）聯的加工中心可用性需求重要度研究（jiū）

2018-4-17 來源：轉載作者：孟書申桂香陳炳錕孫曙光

摘要:為（wéi）快速（sù）、準確（què）地響應加工中心用戶的可用性（xìng）需求，需要準確評估加工（gōng）中心（xīn）各組件對用戶可用性需求的滿足程度（dù），從（cóng）而有針（zhēn）對性（xìng）地構建可（kě）用性保障（zhàng）機製。針（zhēn）對加工中心產品的用戶可（kě）用性需求的特點，以及加（jiā）工中心各組件間自相關關係，引入質量功能展開（kāi）理論(Qualityfunctiondeployment, QFD),建立可用性（xìng）功能展開屋模型(Dynamic availability of the house, DHOA) 由於用戶需求與加工中心各組（zǔ）件間的相關係數具有小確定性、呈區間（jiān）數值的特點，采（cǎi）用區間灰（huī）關聯分析與可用性功能展開融（róng）介方法，求解可用性功能展開模型的輸（shū）出項，確定（dìng）各組件對可用性需求重要度（dù）。以國產某型號加工中心為實例，驗證該模型（xíng）的合理性與有效性。

關鍵詞:加工中心;DHOA模型;自相關性;區間灰關（guān）聯分析

0、前言

數控機床作為現代化“工作母機”，是實現製造技術和裝備製造業（yè）現代化的重要基礎裝備（bèi）。而加工中心作為量（liàng）大麵廣的數控機床代表性產品，其發展（zhǎn）更是（shì）重中之重。

隨著複合功能和密（mì）集型技術的引入（rù），加工（gōng）中心的不可靠因（yīn）素（sù）和故障（zhàng）隱患增多，在運轉和使用過程中故障發生（shēng）概率（lǜ）增加、故障機理複雜，使得加工中心可用性基（jī）礎技術的研究成為製約國內加工中心技（jì）術發展的主（zhǔ）要瓶頸。維護機床“要用（yòng）時就能用”的狀態，提高其可用性水平（píng）是提高我國機床產業（yè）的市場競爭力的關鍵（jiàn）所在。

近年來，各學者對可用性的研究主要從以下幾（jǐ）個方麵展開：從產品故障發生機（jī）理（lǐ）入手，追蹤故障原因，基於（yú）故障模式、影響及危害性分析(Failure mode effects and criticality analysis，FMECA)技術進行薄弱（ruò）環節研究;根據產品故障事件（jiàn）發生的原因及傳遞性，基於GO法分（fèn）析、故障樹分析(Faulttree analysis, FTA)等進行故障分析研究;從產品的故障問隔時問及故障的維修時問，進行可靠度模型及維修度模型研究，進而獲得固有可用度及瞬時可用度模型fl，該方法主（zhǔ）要（yào）用於可用性評價的研究;通過產（chǎn）品各了部件與整機（jī）可靠性（xìng）參數的函數關係，評價了部件發生故（gù）障對整機發生故障的貢獻程度等。以上的研究主要是（shì）以產品本體在運行（háng）中暴露的障數據為基礎，針對故障發生時問、維修時（shí）問、故障部位、故（gù）障原因或故（gù）障模式等從不（bú）同角度展開的研究。以上研究的成果仍不能（néng）滿足廣大機床用戶對加工中心可用性的需求。

當前，用（yòng）戶導向的加工中心（xīn）已經成為市場需求的趨勢。在（zài）可用性研究中快速響應用（yòng）戶需求，將需（xū）求信息（xī）轉化為加工中心關鍵組件的（de）可用性改進方案，是當前提高（gāo）加工中心可用性（xìng）水平的有（yǒu）效方法。在此背景下，本文將以用戶的可用性需求為驅動，結（jié）合（hé）加工中心的故障機理，綜合進行可用性功能展開的研究。

根據前期研究發現，用戶對（duì）加工中心可用性的需求多樣化，對不同需求指標的重視程度不一，加工中心各組件對不同需求指標的影響程度也不同，以及加工中（zhōng）心各組件（jiàn）問存在相互影響的關係。為了綜（zōng）合考慮以上多個因素（sù）的（de）影響，本文引入（rù）質（zhì）量（liàng）功能展開(Quality function deployment, QFD)理論,通過可用性（xìng）功能展（zhǎn）開及區問灰關（guān）聯融合技（jì）術，研究（jiū）加工中心各組件的可用性需求重要（yào）度的求解方法，並結（jié）合具體實例對（duì）該方法進行（háng）驗證。

1、構建可用性（xìng）功能展開模型（xíng）

QFD是指產品從設計、生產等各項（xiàng）工作都是以顧客的具體需求為中心，把（bǎ）顧客的需求分解為具體可執行（háng）的各項具體措施，從而保證產品滿足顧客的需求。

根據（jù）QFD理論，構建可（kě）用（yòng）性功能展開屋模型(Dynamic availability of the house, DHOA)。如圖1所（suǒ）示，該模型（xíng）為房屋結構。其中，左牆為用戶需求指標及其權重，是輸入項之一;房問，加工中心組件與需求指標之問的相關關係（xì）矩陣，是輸入項之二;屋（wū）頂為加工中心組件問白相關關係矩陣，是輸入項之（zhī）三;輸出項，為綜合考慮用戶（hù）需求和加工中心各（gè）組件問自相（xiàng）關關係的可（kě）用（yòng）性需求重要度。

圖1 加工中心可用性功能展開模型

通過（guò）以上模型，將用戶需求與加工中心各組件聯係在一起，找出影響可用性需求的重要組件，從而實（shí）現通（tōng）過（guò）最少的可用性改進投入，最大程度滿足用戶需求。根據模型中多個輸入項信息，以（yǐ）下將通過對（duì）可用性功能（néng）展開模型進行逐步計算，得（dé）到可用性屋的輸出項矩陣，從而確定對用戶整體需求的提升起關鍵作用的加工中心（xīn）組件。為便（biàn）於計算，本文首先對“左牆”與“房問”的相關（guān）關係矩陣（zhèn）進行分析，求（qiú）出加工（gōng）中（zhōng）心各組件（jiàn）可用性需求初始重要度;其次結合“屋頂”各（gè）組件問白相關矩陣，確定可用屋的最終輸出項矩陣，即:加工中（zhōng）心各組件的可用性需求重要度。

2 、基於灰關聯分析的初始重要度

這種（zhǒng）具有區間特點的矩（jǔ）陣模式（shì）增加了各組（zǔ）件的初始影響權重的獲得難度，為解決這一難題，本節采用（yòng）區間灰關聯分析方法進行求（qiú）解。

2.1 確定下界矩陣與上界矩陣

其中式(2)、(3)分（fèn）別為下界（jiè）矩陣與上界矩陣。

2.2 確定虛擬理想（xiǎng）方案與負（fù）理想方案

2.2.1 對下界矩陣 C 取虛擬負理想方案

2.3 規範化處理

由於關聯度計算數據的量綱可能不相同，一般情況不能直接計（jì）算關聯係數，必將由量綱數據變為量綱一的數（shù）據。規範化處理方（fāng）法如下。

（2) 對上（shàng）界矩陣，規範化公式如下。

對效益（yì）型指標

2.4 計（jì）算規範化後的上、下界矩陣與虛擬（nǐ）正負理想方案之間的關聯度

2.4.1 計算規範化後的下界矩陣（zhèn）與虛擬理想方案的（de）關聯度

2.4.2 計算規範化後（hòu）的上界矩陣與虛擬理想方（fāng）案的關聯度

2.5 加工中心初始重要度

式(12)稱為灰色優選模型，且知當ju 越大時，第 j 個（gè）加工中心組件越接近虛擬理想（xiǎng）方案，越遠離虛擬負理想（xiǎng）方案。ju 為加工中心組（zǔ）件相關關係的可（kě）用性需求初始重要度。

3、考慮自相關性的可用性需求重要度

加工中心複雜係統中各組件間存在（zài）相互影響關係，其相關關係主要體現在一個組件的故障導致（zhì）另（lìng）一個組件故障的發生，具有傳遞性。

組件間自相關矩陣在 DHOA 模型中體現在“屋頂”部分，見圖 2。上三角形為前麵的加工中心組件對後麵組件（jiàn）的影響，如 F49是指加工（gōng）中心組件 V影響組件 L 的（de）相關係數；下三角形為後麵組件（jiàn）對前麵組（zǔ）件的（de）影（yǐng）響，如 F94是指加工中心組件 L 影響組件 V 的相關係數。

圖2 加工中心可用性功（gōng）能展開模型及輸出（chū）項

考慮加工中心組件間的自相關關係後，各組件對可（kě）用性需求的貢獻程度(各組件的可用性需求重要度)定義為ju ，該值可（kě）由式(13)進行計算（suàn）

4、加工中心可用性功（gōng）能展開實例（lì）分析

通過對加工中心特定用戶調研（yán），確定可用（yòng）性需求指標及其代號如表 1 所示（shì）。

表1 可用（yòng）性需求指標及代號

加工（gōng）中（zhōng）心主（zhǔ）要（yào）組件如表（biǎo） 2所示（shì）。

表2 加工中心組件及代號

4.1 加工中心組件可用性需求初始重要度

針對每一項可用性需求指標，根據加工中心各組件自身特點（diǎn），彼此橫向比較，確定其對每項需求（qiú）指標的貢獻百分比，從而（ér）構建相關關係矩（jǔ）陣（zhèn） C，具體數（shù）據見圖 2 的房間部分。

利用式(2)、(3)將（jiāng） C 矩陣分為上、下界矩陣

4.2 加工（gōng）中心組件可用性需求重要度（dù）分析

通過加工中（zhōng）心組件故障原因的分析，確定（dìng）獨立故障及（jí）相關故障，並構建組件間自相關矩陣 F。數據見圖 2從加（jiā）工中心可用性功能展開的輸出項（xiàng）中可看（kàn）出，主軸係統的可用性需求重要度值最大，該組件對用戶需求（qiú）的響應最強烈，結合“房間”的相關關係矩陣，可（kě）看出主（zhǔ）軸係統在（zài）精度保持性、維修難易程度及維修時間方麵對用戶需求的影響都是最嚴重的，因此經 DHOA 模（mó）型分（fèn）析得（dé）出該組件（jiàn）對可（kě）用性需求影響（xiǎng）最重要的結（jié）論，符合實際情況。

另外，考慮組件間自相關性後（hòu），主軸（zhóu）係統、進給係統、刀庫係統（tǒng）的可用性需求（qiú）重要度均有下降，從“屋頂”自相關關係矩陣中（zhōng）可看出，這些組件發生（shēng）故障均有被其他組件影響的情況，因此其可用（yòng）性需求重要度有所下降屬正常現象。

通過（guò）構建 DHOA 模型進行用戶（hù）需求驅動下的加工中心組（zǔ）件可用性需求重要度研究（jiū），不僅能夠獲得響應用戶需求的最重要的組件，還能夠（gòu）從模型直觀掌握需（xū）求信息與加工（gōng）中心組件之（zhī）間（jiān）的關係及組件（jiàn）間的自（zì）相關關係的具（jù）體信息“屋頂”部分。

5、結（jié）論

(1) 本文提出（chū）的 DHOA 模型，是以用戶可用性需求為驅動（dòng），並結合加（jiā）工中心組件間故障傳遞關係，展開的（de）一種（zhǒng）多輸入項的綜合分析技（jì）術。通（tōng）過該模型輸出項的求（qiú）解，可得到加（jiā）工中心組件的可用性需求（qiú）重要度。針對輸出得到的重要組件進行重點的可用性改進（jìn）實施，將能夠最（zuì）大程度地滿足用戶的需求。

(2) 針對可用性功能展開模型中相關關係係數具有（yǒu）區間數的特點，本文采用區間灰（huī）關聯分析方法進行計算求解，為信息具有不確定性的模型求解技術提供了一個解（jiě）決方法。

(3) 本文的方法對金屬切削類數控機（jī）床具有通用（yòng）性，尤其是故障具有傳遞（dì）特點（diǎn），以及較重視用戶需求的可用（yòng）性研究。

來源：吉林大（dà）學（xué）機械科學與工程學院（yuàn）吉林大學管理（lǐ）學院（yuàn）山東師範（fàn）大學管理科學與（yǔ）工程學院

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