基于灰關(guān)聯(lián)的加工中心可用性需求重要度研究
2018-4-17 來源：轉(zhuǎn)載 作者：孟書 申桂香 陳炳錕 孫曙光
摘要:為快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)加工中心用戶的可用性需求，需要準(zhǔn)確評估加工中心各組件對用戶可用性需求的滿足程度，從而有針對性地構(gòu)建可用性保障機(jī)制。針對加工中心產(chǎn)品的用戶可用性需求的特點(diǎn)，以及加工中心各組件間自相關(guān)關(guān)系，引入質(zhì)量功能展開理論(Qualityfunctiondeployment, QFD),建立可用性功能展開屋模型(Dynamic availability of the house, DHOA) 由于用戶需求與加工中心各組件間的相關(guān)系數(shù)具有小確定性、呈區(qū)間數(shù)值的特點(diǎn)，采用區(qū)間灰關(guān)聯(lián)分析與可用性功能展開融介方法，求解可用性功能展開模型的輸出項(xiàng)，確定各組件對可用性需求重要度。以國產(chǎn)某型號加工中心為實(shí)例，驗(yàn)證該模型的合理性與有效性。
關(guān)鍵詞:加工中心;DHOA模型;自相關(guān)性;區(qū)間灰關(guān)聯(lián)分析
0、前言
數(shù)控機(jī)床作為現(xiàn)代化“工作母機(jī)”，是實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)和裝備制造業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)裝備。而加工中心作為量大面廣的數(shù)控機(jī)床代表性產(chǎn)品，其發(fā)展更是重中之重。
隨著復(fù)合功能和密集型技術(shù)的引入，加工中心的不可靠因素和故障隱患增多，在運(yùn)轉(zhuǎn)和使用過程中故障發(fā)生概率增加、故障機(jī)理復(fù)雜，使得加工中心可用性基礎(chǔ)技術(shù)的研究成為制約國內(nèi)加工中心技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸。維護(hù)機(jī)床“要用時(shí)就能用”的狀態(tài)，提高其可用性水平是提高我國機(jī)床產(chǎn)業(yè)的市場競爭力的關(guān)鍵所在。
近年來，各學(xué)者對可用性的研究主要從以下幾個(gè)方面展開：從產(chǎn)品故障發(fā)生機(jī)理入手，追蹤故障原因，基于故障模式、影響及危害性分析(Failure mode effects and criticality analysis，F(xiàn)MECA)技術(shù)進(jìn)行薄弱環(huán)節(jié)研究;根據(jù)產(chǎn)品故障事件發(fā)生的原因及傳遞性，基于GO法分析、故障樹分析(Faulttree analysis, FTA)等進(jìn)行故障分析研究;從產(chǎn)品的故障問隔時(shí)問及故障的維修時(shí)問，進(jìn)行可靠度模型及維修度模型研究，進(jìn)而獲得固有可用度及瞬時(shí)可用度模型fl，該方法主要用于可用性評價(jià)的研究;通過產(chǎn)品各了部件與整機(jī)可靠性參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，評價(jià)了部件發(fā)生故障對整機(jī)發(fā)生故障的貢獻(xiàn)程度等。以上的研究主要是以產(chǎn)品本體在運(yùn)行中暴露的障數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，針對故障發(fā)生時(shí)問、維修時(shí)問、故障部位、故障原因或故障模式等從不同角度展開的研究。以上研究的成果仍不能滿足廣大機(jī)床用戶對加工中心可用性的需求。
當(dāng)前，用戶導(dǎo)向的加工中心已經(jīng)成為市場需求的趨勢。在可用性研究中快速響應(yīng)用戶需求，將需求信息轉(zhuǎn)化為加工中心關(guān)鍵組件的可用性改進(jìn)方案，是當(dāng)前提高加工中心可用性水平的有效方法。在此背景下，本文將以用戶的可用性需求為驅(qū)動(dòng)，結(jié)合加工中心的故障機(jī)理，綜合進(jìn)行可用性功能展開的研究。
根據(jù)前期研究發(fā)現(xiàn)，用戶對加工中心可用性的需求多樣化，對不同需求指標(biāo)的重視程度不一，加工中心各組件對不同需求指標(biāo)的影響程度也不同，以及加工中心各組件問存在相互影響的關(guān)系。為了綜合考慮以上多個(gè)因素的影響，本文引入質(zhì)量功能展開(Quality function deployment, QFD)理論,通過可用性功能展開及區(qū)問灰關(guān)聯(lián)融合技術(shù)，研究加工中心各組件的可用性需求重要度的求解方法，并結(jié)合具體實(shí)例對該方法進(jìn)行驗(yàn)證。
1、構(gòu)建可用性功能展開模型
QFD是指產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等各項(xiàng)工作都是以顧客的具體需求為中心，把顧客的需求分解為具體可執(zhí)行的各項(xiàng)具體措施，從而保證產(chǎn)品滿足顧客的需求。
根據(jù)QFD理論，構(gòu)建可用性功能展開屋模型(Dynamic availability of the house, DHOA)。如圖1所示，該模型為房屋結(jié)構(gòu)。其中，左墻為用戶需求指標(biāo)及其權(quán)重，是輸入項(xiàng)之一;房問，加工中心組件與需求指標(biāo)之問的相關(guān)關(guān)系矩陣，是輸入項(xiàng)之二;屋頂為加工中心組件問白相關(guān)關(guān)系矩陣，是輸入項(xiàng)之三;輸出項(xiàng)，為綜合考慮用戶需求和加工中心各組件問自相關(guān)關(guān)系的可用性需求重要度。
圖1 加工中心可用性功能展開模型
通過以上模型，將用戶需求與加工中心各組件聯(lián)系在一起，找出影響可用性需求的重要組件，從而實(shí)現(xiàn)通過最少的可用性改進(jìn)投入，最大程度滿足用戶需求。根據(jù)模型中多個(gè)輸入項(xiàng)信息，以下將通過對可用性功能展開模型進(jìn)行逐步計(jì)算，得到可用性屋的輸出項(xiàng)矩陣，從而確定對用戶整體需求的提升起關(guān)鍵作用的加工中心組件。為便于計(jì)算，本文首先對“左墻”與“房問”的相關(guān)關(guān)系矩陣進(jìn)行分析，求出加工中心各組件可用性需求初始重要度;其次結(jié)合“屋頂”各組件問白相關(guān)矩陣，確定可用屋的最終輸出項(xiàng)矩陣，即:加工中心各組件的可用性需求重要度。
2 、基于灰關(guān)聯(lián)分析的初始重要度
這種具有區(qū)間特點(diǎn)的矩陣模式增加了各組件的初始影響權(quán)重的獲得難度，為解決這一難題，本節(jié)采用區(qū)間灰關(guān)聯(lián)分析方法進(jìn)行求解。
2.1 確定下界矩陣與上界矩陣
其中式(2)、(3)分別為下界矩陣與上界矩陣。
2.2 確定虛擬理想方案與負(fù)理想方案
2.2.1 對下界矩陣 C 取虛擬負(fù)理想方案
2.3 規(guī)范化處理
由于關(guān)聯(lián)度計(jì)算數(shù)據(jù)的量綱可能不相同，一般情況不能直接計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)，必將由量綱數(shù)據(jù)變?yōu)榱烤V一的數(shù)據(jù)。規(guī)范化處理方法如下。
（2) 對上界矩陣，規(guī)范化公式如下。
對效益型指標(biāo)
2.4 計(jì)算規(guī)范化后的上、下界矩陣與虛擬正負(fù)理想方案之間的關(guān)聯(lián)度
2.4.1 計(jì)算規(guī)范化后的下界矩陣與虛擬理想方案的關(guān)聯(lián)度
2.4.2 計(jì)算規(guī)范化后的上界矩陣與虛擬理想方案的關(guān)聯(lián)度
2.5 加工中心初始重要度
式(12)稱為灰色優(yōu)選模型，且知當(dāng)ju 越大時(shí)，第 j 個(gè)加工中心組件越接近虛擬理想方案，越遠(yuǎn)離虛擬負(fù)理想方案。ju 為加工中心組件相關(guān)關(guān)系的可用性需求初始重要度。
3、考慮自相關(guān)性的可用性需求重要度
加工中心復(fù)雜系統(tǒng)中各組件間存在相互影響關(guān)系，其相關(guān)關(guān)系主要體現(xiàn)在一個(gè)組件的故障導(dǎo)致另一個(gè)組件故障的發(fā)生，具有傳遞性。
組件間自相關(guān)矩陣在 DHOA 模型中體現(xiàn)在“屋頂”部分，見圖 2。上三角形為前面的加工中心組件對后面組件的影響，如 F49是指加工中心組件 V影響組件 L 的相關(guān)系數(shù)；下三角形為后面組件對前面組件的影響，如 F94是指加工中心組件 L 影響組件 V 的相關(guān)系數(shù)。
圖2 加工中心可用性功能展開模型及輸出項(xiàng)
考慮加工中心組件間的自相關(guān)關(guān)系后，各組件對可用性需求的貢獻(xiàn)程度(各組件的可用性需求重要度)定義為ju ，該值可由式(13)進(jìn)行計(jì)算
4、加工中心可用性功能展開實(shí)例分析
通過對加工中心特定用戶調(diào)研，確定可用性需求指標(biāo)及其代號如表 1 所示。
表1 可用性需求指標(biāo)及代號
加工中心主要組件如表 2所示。
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(xiàng)可用性需求指標(biāo)，根據(jù)加工中心各組件自身特點(diǎn)，彼此橫向比較，確定其對每項(xiàng)需求指標(biāo)的貢獻(xiàn)百分比，從而構(gòu)建相關(guān)關(guān)系矩陣 C，具體數(shù)據(jù)見圖 2 的房間部分。
利用式(2)、(3)將 C 矩陣分為上、下界矩陣
4.2 加工中心組件可用性需求重要度分析
通過加工中心組件故障原因的分析，確定獨(dú)立故障及相關(guān)故障，并構(gòu)建組件間自相關(guān)矩陣 F。數(shù)據(jù)見圖 2從加工中心可用性功能展開的輸出項(xiàng)中可看出，主軸系統(tǒng)的可用性需求重要度值最大，該組件對用戶需求的響應(yīng)最強(qiáng)烈，結(jié)合“房間”的相關(guān)關(guān)系矩陣，可看出主軸系統(tǒng)在精度保持性、維修難易程度及維修時(shí)間方面對用戶需求的影響都是最嚴(yán)重的，因此經(jīng) DHOA 模型分析得出該組件對可用性需求影響最重要的結(jié)論，符合實(shí)際情況。
另外，考慮組件間自相關(guān)性后，主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、刀庫系統(tǒng)的可用性需求重要度均有下降，從“屋頂”自相關(guān)關(guān)系矩陣中可看出，這些組件發(fā)生故障均有被其他組件影響的情況，因此其可用性需求重要度有所下降屬正常現(xiàn)象。
通過構(gòu)建 DHOA 模型進(jìn)行用戶需求驅(qū)動(dòng)下的加工中心組件可用性需求重要度研究，不僅能夠獲得響應(yīng)用戶需求的最重要的組件，還能夠從模型直觀掌握需求信息與加工中心組件之間的關(guān)系及組件間的自相關(guān)關(guān)系的具體信息“屋頂”部分。
5、 結(jié)論
(1) 本文提出的 DHOA 模型，是以用戶可用性需求為驅(qū)動(dòng)，并結(jié)合加工中心組件間故障傳遞關(guān)系，展開的一種多輸入項(xiàng)的綜合分析技術(shù)。通過該模型輸出項(xiàng)的求解，可得到加工中心組件的可用性需求重要度。針對輸出得到的重要組件進(jìn)行重點(diǎn)的可用性改進(jìn)實(shí)施，將能夠最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(guān)關(guān)系系數(shù)具有區(qū)間數(shù)的特點(diǎn)，本文采用區(qū)間灰關(guān)聯(lián)分析方法進(jìn)行計(jì)算求解，為信息具有不確定性的模型求解技術(shù)提供了一個(gè)解決方法。
(3) 本文的方法對金屬切削類數(shù)控機(jī)床具有通用性，尤其是故障具有傳遞特點(diǎn)，以及較重視用戶需求的可用性研究。
來源：吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 吉林大學(xué)管理學(xué)院 山東師范大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院
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