（机械电子工程专业论文）基于蟑螂算法的产品拆卸序列规划方法研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 一脓司嫦佻珧授 委员： 导师： 辱寺 1 钐 舀差衽 乒j 只i 中电二十八所教授级高工 合肥工业大学剐教授 合肥工业大学剐教授 合肥美菱股份有限公司高级工程师 嚷国德克萨斯技术大学教授 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金匿工些太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字： 虽签字日期：函f 1 年牛月西日氲签字日期：函f 1 年牛月办日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金月巴三e 些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 盒旦墨些盘堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 欲茜 签字日期：细i f 年牛月力日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字眺a 1 年f 肥蹄 电话： 邮编： 下嗍 基于蟑螂算法的产品拆卸序列规划方法研究 摘要 拆卸序列规划是指通过对产品拆卸信息进行分析、提取，生成几何可行的 拆卸序列，同时根据一定的评价标准，寻找最优拆卸序列的过程。拆卸序列规 划是产品拆卸回收研究的重要组成部分，拆卸序列的优劣直接影响着产品回收 或维修的质量与成本。本文结合国内外学者的研究成果，对产品拆卸序列规划 中的建模、优化算法等关键技术进行了深入研究，提出了解决产品拆卸序列生 成、评价和优化的方法。主要内容包括： 对产品拆卸信息进行分析，建立了产品拆卸模型。本文采用图论中的混合 图模型描述产品零部件间的连接关系和优先关系，并对拆卸模型的信息进行简 化，减少了冗余信息。 介绍了拆卸序列生成的主要方法，分析了零部件间的拆卸优先关系，在建 立了连接关系矩阵和优先关系矩阵的基础上，推导出零件的可拆卸性条件。在 可拆卸性条件的引导下，通过几何推理方法生成产品合理可行的拆卸序列初始 种群。 介绍了蟑螂算法的基本原理，结合拆卸序列规划的特点，将蟑螂算法与拆 卸模型进行映射，然后通过建立合适的目标函数来完成对拆卸序列的评价和优 化，找到符合要求的最优拆卸序列。最后，通过洗碗机实例验证了本文设计的 蟑螂算法在求解拆卸序列规划问题中的可行性和有效性。 关键词：拆卸序列规划；拆卸模型；拆卸优先关系；蟑螂算法 r e s e a r c ho np r o d u c t d i s a s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n gb a s e do n c o c k r o a c hs w a r m o p t i m i z a t i o n a b s t r a c t d i s a s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n gi s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n t a s p e c t so f p r o d u c td i s a s s e m b l yr e c y c l i n gr e s e a r c h t h eq u a l i t yo fd i s a s s e m b l ys e q u e n c ew i l l d i r e c t l ya f f e c tt h ee f f i c i e n c ya n dc o s to fp r o d u c tr e c o v e r yo rm a i n t e n a n c e t h r o u g h a n a l y s i sa n de x t r a c t i o no fd i s a s s e m b l yi n f o r m a t i o n ，i n i t i a lp o p u l a t i o no fg e o m e t r i c f e a s i b l ed i s a s s e m b l ys e q u e n c e sc a nb eg e n e r a t e d ，a n da tt h es a m et i m e ，t h ef i n a l o p t i m a ld i s a s s e m b l ys e q u e n c ec a nb ea c h i e v e da c c o r d i n gt oc e r t a i ne v a l u a t i o n c r i t e r i a b a s e do nt h ec u r r e n tr e s e a r c hf r u i t so fs c h o l a r si nt h ec o u n t r ya n dw o r l d t h i st h e s i sp r o p o s e sas e r i e so fm e t h o d st og e n e r a t e ，e v a l u a t ea n do p t i m i z ep r o d u c t d i s a s s e m b l ys e q u e n c e si n al a r g es c a l e t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r e o r g a n i z e da sf o l l o w s ： t h ep r o d u c td i s a s s e m b l ym o d e lc a nb ee s t a b l i s h e db yad e t a i l e da n a l y s i so f d i s a s s e m b l yi n f o r m a t i o n i nt h i st h e s i s ，h y b r i dg r a p hm o d e li sb r o u g h tt od e s c r i b e t h ec o n n e c t i o n ，n o n - c o n n e c t i o na n dp r e c e d e n c er e l a t i o n sb e t w e e nt h ep r o d u c t p a r t s t h ei n f o r m a t i o no fd i s a s s e m b l ym o d e li s s i m p l i f i e d ，a n da l s ot h er e d u n d a n t i n f o r m a t i o ni sd e d u c e d t h em a i nm e t h o d st og e n e r a t ed i s a s s e m b l ys e q u e n c e sa r ef i r s t l yd e s c r i b e d a f t e ra n a l y s i so ft h ed i s a s s e m b l yp r e c e d e n c er e l a t i o n sb e t w e e np r o d u c tp a r t s ，t h e d i s a s s e m b l yc o n d i t i o ni sd e d u c e db a s e do nc o n n e c t i o na n dp r i o r i t ym a t r i c e s t h e n a l lt h ei n i t i a l g e o m e t r i cf e a s i b l ed i s a s s e m b l ys e q u e n c e sa r eo b t a i n e dt h r o u g h g e o m e t r yi n f e r e n c em e t h o d a f t e ri n t r o d u c i n gt h eb a s i cp r i n c i p l e so fc o c k r o a c hs w a r mo p t i m i z a t i o n ，w e m a pt h ea l g o r i t h m t o d i s a s s e m b l ym o d e lb yc o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f d i s a s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n g t h e n ，as u i t a b l et a r g e tf u n c t i o ni sc o n s t i t u t e dt o c o m p l e t et h ee v a l u a t i o na n do p t i m i z a t i o no fd i s a s s e m b l ys e q u e n c e ，a n do b t a i nt h e o p t i m i z a t i o nd i s a s s e m b l ys e q u e n c e f i n a l l y , ac a s es t u d yi sg i v e nt oi l l u s t r a t e v a l i d i t yo ft h ep r o p o s e dm e t h o da n dp r o v et h a tc o c k r o a c hs w a r mo p t i m i z a t i o ni s s u p e r i o rt op a n i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：d i s a s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n g ；d i s a s s e m b l ym o d e l ；d i s a s s e m b l y p r e c e d e n c er e l a t i o n s ；c o c k r o a c hs w a r mo p t i m i z a t i o n 致谢 非常感谢我的导师张洪潮教授和刘志峰教授，在三年的研究生学习和生活 中给予了我无数的关怀和指导。导师在学习和科研方面给了我大量的指导，并 为我提供了良好的科研环境，让我学到了知识，掌握了科研的方法，也获得了 实践锻炼的机会。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作 风，是我以后工作和学习的榜样。除此之外，导师对我生活的关心和照顾也使 我得以顺利完成研究生的学业。在此祝愿他们身体健康，全家幸福! 衷心地感谢刘光复教授、宋守许副教授、王玉琳副教授、朱家诚教授、张 雷副教授和黄海鸿副教授，三年来各位老师在学习和生活上都给予了我很大的 帮助。特别要感谢张雷副教授，他不仅在学习和课题研究中给了我很多指导， 在生活上也给了我很大的帮助，是我学习的榜样。本论文的选题和撰写也得到 了张老师的悉心指导。 感谢胡迪、高洋、鲍宏、蒋云、刘琳、顾国刚、湛阳、张磊、凌波、朱立 红等博士和硕士在生活和学业上给予我的支持与帮助，感谢他们在我科研和完 成此文的过程中所提供的支持和宝贵意见。 感谢已毕业的仲榕南、孙博、杨德军、郭卫、杨明等硕士在生活和学习上 给予我的支持和帮助。 感谢我的父母对我的养育之恩，感谢他们二十多年来在生活、工作和学习 上给予我无私的支持和关怀，是他们教会了我做人的道理，没有他们的关怀和 帮助就不可能有本论文的完成，本论文也凝聚着他们2 0 多年来的心血。感谢我 所有的亲人给我的爱，在以后的学习和工作中我会更加的努力! 作者：施英莹 2 0 11 年3 月7 日 目录 第一章绪论1 1 1课题研究的背景和意义1 1 1 1 研究的背景1 1 1 2研究的意义3 1 2国内外研究现状4 1 2 1国外研究现状4 1 2 2国内研究现状5 1 2 3研究存在的问题6 1 3论文研究内容及结构安排7 1 3 1论文研究内容7 1 3 2 论文结构安排8 第二章 拆卸序列规划模型的建立一9 2 1引言9 2 2拆卸的概念与类型9 2 2 1拆卸的概念9 2 2 2拆卸的类型。9 2 2 3拆卸的意义1 0 2 3产品的拆卸信息1 1 2 3 1产品的拆卸信息1 1 2 3 2拆卸信息的提取1 3 2 3 3拆卸信息的表达1 3 2 4 产品拆卸模型的建立1 5 2 4 1产品常用拆卸模型1 5 2 4 2拆卸模型的简化1 6 2 4 3混合图模型的建立1 6 2 5应用实例1 8 2 6本章小结1 9 第三章拆卸序列的生成2 0 3 1引言2 0 3 2拆卸序列规划的体系结构2 0 3 2 1 拆卸序列规划的定义。2 0 3 2 2拆卸序列规划的前提2 1 3 3拆卸的一般原则与拆卸方向。2 l 3 3 1拆卸的一般原则2 1 3 3 2拆卸方向的分析与计算。2 3 3 4拆卸序列的生成2 5 3 4 1拆卸序列生成的常用方法。2 5 3 4 2可拆卸零件推导及初始拆卸序列生成2 6 3 4 3拆卸序列生成的框架和流程3 l 3 5拆卸序列的评价3 3 3 5 1拆卸序列评价指标3 3 3 5 2拆卸序列评价方法3 5 3 6 本章小结3 5 第四章基于蟑螂算法的拆卸序列优化3 6 4 1 引言3 6 4 2拆卸序列优化的常用方法3 6 4 3蟑螂群居行为研究3 9 4 3 1蟑螂生活习性研究3 9 4 3 2 研究的启示与意义4 0 4 4 蟑螂算法描述。4 l 4 4 1 蟑螂算法的原理4 l 4 4 2蟑螂算法的运行参数。4 3 4 4 3 蟑螂算法的流程4 4 4 5基于蟑螂算法的拆卸序列优化4 5 4 5 1算法与拆卸模型的映射4 5 4 5 2拆卸序列目标函数的构造。4 6 4 5 3 基于蟑螂算法的拆卸序列优化。4 7 4 6本章小结4 9 第五章拆卸序列规划实例分析5 0 5 1 引言5 0 5 2实例应用。5 0 5 2 1洗碗机产品简介5 0 5 2 2 拆卸序列规划实例5 3 5 3本章小结5 5 第六章总结与展望5 6 6 1全文总结5 6 6 2研究展望5 6 参考文献5 8 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 2 攻读硕士学位期间参与的科研项目6 3 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 插图清单 制造过程及其废弃物2 论文组织架构8 产品的拆卸信息1 1 零部件装配信息分类1 2 节点所包含的基本信息1 4 边所包含的基本信息1 4 层次模型l5 简单产品实体图1 8 简单产品的拆卸混合图1 8 拆卸序列规划的流程2 0 平面约束情况2 5 曲面约束情况2 5 完全拆卸序列的生成2 8 完全拆卸的混合图分解过程2 9 单目标选择性拆卸序列的生成3 0 简单产品的拆卸混合图3 0 单目标选择性拆卸的混合图分解过程3 1 拆卸序列的系统框架3 2 产品拆卸序列生成流程图3 2 蟑螂实验图4 0 c 爬行一步的过程4 1 c 爬行一段距离的过程4 2 食物再分配策略4 3 所有c 向f p i 爬行的过程4 4 所有c 向f g 爬行的过程4 5 完全拆卸序列优化流程图4 8 选择性拆卸序列优化流程图4 9 柜式洗碗机( w q p 8 9 0 0 1 ) 外观图5 0 柜式洗碗机( w q p 8 9 0 0 1 ) 零部件分解图5 1 柜式洗碗机( w q p 8 9 0 0 1 ) 零部件分解图5 2 洗碗机主机体模块的爆炸图5 4 洗碗机主机体模块的拆卸混合图5 4 表1 1 表2 1 表3 1 表5 1 表5 2 表5 3 第一章绪论 1 1课题研究的背景和意义 1 1 1 研究的背景 2 0 世纪6 0 年代以来，社会经济飞速发展，人们物质水平加速提高，在世 界经济取得丰硕成果的同时，地球环境和自然资源面临着前所未有的危机。在 工业生产过程中，人们忽视了资源的不可再生性和资源转化过程中的耗散规律， 为了取得眼前的局部利益，忽略了人类生产活动对自然环境的巨大影响，产生 了大量工业废弃物，加速了资源耗尽和环境恶化的速度，损坏了可持续发展的 长远目标2 j 。环境、资源和能源已经成为全世界共同关注的三大问题，尤其是 环境问题正逐步对人类的生存和发展造成严重的威胁，具体体现在以下几个方 面p 4 j ：工业化后，人类生产活动排放的二氧化碳之类的温室气体大量增加， 加速了温室效应，造成全球气候变暖；人类生产过程排放的氯氟烃类物质造 成了有效屏障臭氧层的严重损耗，增加了各种皮肤病的发病几率；当今 工业生产主要采用高投入、高消耗的粗放型方式，对资源和能源的摄取能力远 超于环境对经济的承载能力，从而造成了资源的枯竭；工业活动中产生的大 量固、液废弃物加剧了水污染；由于人口的快速增长，产品更新换代速度加 剧，废弃产品产生的环境影响已经相当严重。 制造业是通过制造过程，将可利用资源转化成供人们使用的生活消费品或 工业产品的产业，它是人类经济发展的支柱产业，尤其是自动化技术的融入使 制造业生产力有了飞速的发展，工业产品不再由传统的机械产品为主导，而是 向信息电子产品、机电一体化产品转换，技术含量显著提高【5 1 。然而制造业同 时也是环境污染的主要根源，制造生产过程产生的大量废弃物料、废气等对环 境产生的影响是当前环境污染的主要源头，见图1 1 所示。以电子类产品为例， 美国是全球最大的电子产品制造和消费国之一，同时也是世界最大的电子垃圾 制造国，从1 9 9 6 年到2 0 0 4 年，共有3 亿多台电脑报废，从2 0 0 5 年起，每台新 电脑的产生就伴随着一台旧电脑的废弃，今后十年美国预计将有至少1 5 亿台电 脑宣告废弃。以汽车为例，目前全球汽车保有量约为8 6 亿辆，按每年报废率 6 8 计算，全球每年至少报废汽车5 0 0 0 万辆，约占全球汽车年产量的8 0 。 由此可见，在产品的生产、使用、废弃及回收整个过程中，制造业对环境都产 生了很大影响，拆卸回收在产品的生命周期研究中已经占有越来越重要的地位。 为了协调经济、资源和环境，使它们同步发展，必须合理规划产品的生命周期， 确保在满足规定功能的条件下，尽量减少资源浪费和环境污染。 可 回 收 的 材 料 图1 - 1制造过程及其废弃物 为了缓解能源、资源和环境问题，欧盟各成员国制定了一系列相关法律法 规对产品的回收利用进行强制性限制，从而达到保护环境的目的。2 0 0 3 年2 月 1 3 日，欧盟颁布了废弃电子电气设备指令( w e e e ) 和电子电气设备中限制使 用某些有毒有害物质指令( r o h s ) 1 6 j ，旨在提高报废电子电气产品的回收及循 环利用率，减少最终处理的电子废品数量，以此减少对环境造成的污染，提高 资源的利用率，同时也促使电子电气产品制造商加快对绿色环保产品的研究和 产业化生产进程。2 0 0 5 年7 月6 日，欧洲议会和理事会正式通过了关于制定能 耗产品的绿色设计要求框架指令( e u p ) 7 1 ，它涵盖了w e e e 指令和r o l l s 指 令的内容，将两个指令合二为一，将原来单一的管理目标法，转换为减少产品 全生命周期内对环境的负面影响，在全球掀起了一股“绿色浪潮9 9 o2 0 0 7 年1 月 1 日起，欧盟各国全面执行报废汽车回收指令( e l v ) 1 8 】，该指令规定汽车制造 商在欧盟国家上市新车时，必须出示相关文件证明投入市场的新车的材料回收 率至少占总重的8 5 ，可利用率至少达到9 5 ，否则不能获得市场准入许可证。 这个指令的出台鼓励汽车制造商在生产过程中尽可能使用可再生材料，鼓励用 户维修时尽量使用再利用零部件，提高材料的循环利用率，大力发展循环经济。 随着欧盟各种相关指令的出台，各国都以积极的态度应对，专家和学者们提出 了各种思想和方法，其中最重要的就是绿色设计( g r e e nd e s i g n ) 思想的提出， 绿色设计与传统设计的比较见表1 1 。绿色设计的基本思想是指借助产品生命 周期设计中与之相关的各种信息，如环境协调信息、技术信息、经济信息等， 利用并行设计、模块化设计等各种先进设计理论，使所设计出的产品具有良好 的环境协调性、先进的技术性以及合理的经济性的一种系统化设计方法【9 】。拆 卸设计是绿色设计的主要内容之一，产品拆卸性能的优劣对产品使用过程中的 维护以及废弃淘汰后的有效回收、重用等均具有重要的意义【2 1 。 2 废弃物处理点 表1 1 传统设计与绿色设计的比较 比较因素绿色设计传统设计 产品绿色产品 普通产品 设计目的以满足用户需求和保护环境为目的 以满足用户需求为目的 将产品的质量、功能、成本等要求 根据用户提出的对产品的质量、功 设计依据 与环境效益及生态指标相结合考虑 能、成本等要求来设计 产品易拆卸回收，制造、使用过程 产品设计过程中很少考虑回收利用 设计技术 中对环境污染小 及对环境的影响 设计方式并行工程方式 串行工程方式 1 1 2 研究的意义 由于科技的飞速发展、消费品种类的增多、消费的个性化潮流化等因素的 影响，产品的生命周期越来越短，而其废弃淘汰速度越来越快，消费品产量的 急速增加及越来越快的更新速度导致大量产品被废弃，对这些废弃产品进行回 收和重用能大大减轻环境污染问题【2 】。拆卸是产品回收的重要环节，如何拆卸 已经成为目前一个重要的研究课题。拆卸序列规划就是通过对产品的装配信息 进行分析和提取，根据零部件的可拆卸性推导生成几何可行的拆卸序列，同时 根据一定的评价标准确定最优或次优的拆卸序列。拆卸序列的优劣直接影响到 产品的回收或维修的质量及成本，因而拆卸序列规划在产品的拆卸回收研究中 占有非常重要的地位。合理的拆卸序列规划能减少拆卸成本、时间等，提高拆 卸效率以及产品的再利用率，从而达到节省资源和能源的目的。 长久以来，人们都是通过手工方式来拆卸产品，传统的拆卸在很大程度上 依赖于操作工人的拆卸技能。待拆卸零部件数目较少时，操作工人或工程师尚 且能凭经验找到一些较优的拆卸序列；但是待拆卸零部件数目较多时，仅通过 人为的经验判断很难准确、高效地找到产品的最优拆卸序列，拆卸摸索的过程 需要消耗相当多的时间和人力。尤其对单目标或多目标的选择性拆卸而言，既 要确保目标零部件的完整性，同时又要尽量避免拆卸与目标零部件无干涉影响 的零件，这对操作人员的拆卸技能提出了较高的要求。随着拆卸数量的急剧增 加，人工拆卸效率低、难度大、劳动强度高的缺点完全暴露了出来，人工拆卸 已经无法满足大批量拆卸的要求，必须要将计算机辅助技术引入拆卸中，采用 系统化和自动化的方法对拆卸序列规划进行研究。近年来，人们在拆卸过程中 建立了自动化拆卸流水线、引入了机器人拆卸等先进技术，不仅降低了人工参 与的程度，而且提高了拆卸自动化的水平，加速了产品回收重用的进程。 但是目前为止，人们对拆卸回收技术的研究还远远落后于对生产制造的研 究，拆卸回收已经逐渐成为制约产品整个生命周期设计的一个瓶颈，因此对拆 卸序列规划问题进行探讨、研究具有非常重要的现实意义。本文研究的目的， 3 是在对拆卸序列规划的各个环节进行分析研究的基础上，建立合理的产品拆卸 混合图模型，描述零部件间的拆卸连接关系和优先关系，并推导出零部件的可 拆卸条件，然后通过优化算法和程序编程来实现拆卸序列的自动生成、拆卸序 列的优化及评价，从而得到一条几何可行且拆卸成本最小的序列。 1 2国内外研究现状 1 2 1国外研究现状 拆卸回收已经成为绿色设计领域的研究热点之一，欧美发达国家不仅在拆 卸回收的理论研究方面取得了极大的进展，而且已经将理论付诸应用，建立了 拆卸回收自动生产线、利用机械手进行操作等。l e o a l t i n g 1 0 】提出了在产品生 产、销售、使用和废弃回收的全生命周期中对环境均不造成危害的思想，并提 出了产品生命周期设计中的回收问题。r o s y j i l l 在研究了费用收益分析模型的基 础上，针对产品的可回收性设计进行费用评估，提出了面向回收的设计准则， 为生命周期费用评估模型的建立提供了基础。r m n o l l e r 1 2 】等人深入研究了面 向拆卸设计的理论，对产品可拆卸设计的基本原则和分析方法进行总结和归纳， d f d 和d f r 的研究才刚开始，因此有关的设计细想和方法还都不成熟，虽然 提出了面向拆卸设计应考虑的一些问题，但都不够系统深入。1 w a t a 1 3 】提出了利 用运动学仿真系统来评估产品的拆卸难易程度，在产品三维图形的基础上计算 零部件的可能运动方向，从而得出零部件能否拆卸的可能性。m r j o h n s o n 1 4 】 主要评估和优化了产品回收的拆卸工艺，提出了材料相容、易归类、并行拆卸 操作等用于简化拆卸过程的方法，同时还开发了评估拆卸过程成本和优化序列 生成的软件。h o n gcz h a n g t i s j 提出了基于图形法的产品拆卸模型，该模型是针 对生命周期末端产品回收提出的，用图形搜索方法来描述拆卸回收优化问题， 通过图形搜索来决定拆卸终点，形成拆卸序列，并计算拆卸费用、监测材料物 流、评估产品的环境友好性等。s r i n i v a s a n t l 6 】等人提出了基于拆卸波传播的目标 选择性拆卸序列规划方法，该方法将与目标组件相关的零件排列定义为拆卸波， 利用波的交合得出一组选择性拆卸序列。用零件移动影响图r g ( r e m o v e i n f l u e n c eg r a p h ) 对产品进行建模，并以拆卸零件数量最少为指标进行评价得出 优化序列，同时还讨论了拆卸波传播的方法进行选择性拆卸序列的计算复杂度。 m a s c l e 1 7 】等人进一步讨论了拆卸波传播方法，利用每个零件的拆卸优先关系研 究零部件重用和维护时的选择拆卸问题。采用图建模技术的拆卸波传播方法需 要进行大量的前期数据准备，如获取零件的空间边界集、空间邻接集和r g 图 等信息，另外由于计算复杂度的限制，拆卸波传播方法应用的产品所包含的零 件个数有限。p d e w h u r s t 1 s l 等人开发了能生成产品拆卸序列的软件系统，它基 于产品面向可装配性设计的方法，分析了与选择零件相关的拆卸方式。当产品 4 的拆卸序列生成后，可以根据产品零件间的连接关系，利用d f a 工具评估产品 的拆卸时间，并且假设产品的拆卸和再装配具有相同特征，其产品再装配模型 主要描述了零件特征和连接关系等信息，其评估效果取决于产品再装配与拆卸 的时间标准库。他们在原有的d f a 工具上开发了该软件工具，并利用该软件系 统在面向拆卸设计辅助工具的开发中进行了有效尝试。l a m b e r t 1 9 】通过一种有 向网络图来描述产品的拆卸结构，并利用线性规划方法求解最优拆卸顺序，有 向图中的节点表示子拆卸体，拆卸方向为从左向右，该方法的不足之处是建模 难度较大，需要与c a d 工具集成。为了解决零部件的批量拆卸和连接件的拆 卸可达性问题，c h u n g 2 0 1 等提出一种集成化的选择性拆卸方法，先找出包含目 标零件的子装配体，然后再得到最终的目标零件。该方法考虑了批量拆卸以及 工具的可达性问题，由目标组件开始通过自底向上的思想进行拆卸序列规划， 有效地提高了求解效率。g u n g o r 和g u p t a 2 1j 等人详细研究了以废旧产品回收价 值为评价因素的回收方法。在产品设计与回收理论方面，讨论了长远规划和现 实规划对产品回收策略的影响，对拆卸工厂规划和拆卸工具及设备的开发作了 大量研究工作。同时，他们针对有限个零件的完全拆卸问题，提出了一种生成 拆卸优先矩阵来求取拆卸序列的方法。近年来，基于人工智能算法的拆卸序列 规划方法正逐渐受到重视，将智能算法与图搜索相结合，求取最优拆卸序列的 研究也取得了较好的进展。 此外，国外的一些重点实验室和研究中心也对绿色拆卸回收展开了广泛的 研究。例如，卡耐基美隆大学的绿色设计研究所长期从事绿色设计、绿色制造 以及法律法规的制定等工作，并积极与政府、企业等开展广泛合作。b e r k e l e y 加州大学不仅成立了环境意识、环境化设计和制造相关的研究机构，而且还在 国际互联网上创建了绿色设计和绿色制造的专门网页g r e e n m f g ，实现了面向用 户的自动化查询系统。美国克莱斯勒、通用和福特等三大汽车公司共同创立了 汽车回收研发中心，对新车进行拆卸回收试验，以研究面向拆卸回收的汽车设 计方案。德国宝马公司建立了汽车专用的可拆卸设计车间，在生产制造过程中 减少材料的种类，改变传统的连接方式，实现了近1 0 0 回收重用的目标，取 得了明显的经济和社会效益。 1 2 2国内研究现状 国内许多专家学者和研究机构对拆卸回收也进行了大量研究。例如，在中 国国家自然科学基金会和美国“c h i n a b r i d g e ”基金的联合支持下，清华大学与美 国得克萨斯理工大学的先进制造实验室建立了长期国际合作关系，结合产品全 生命周期建模、可拆卸设计等绿色设计理论与方法进行合作研究。上海交通大 学与福特汽车公司合作，共同开展汽车可回收性设计的技术研究，探讨中国轿 车的回收工程问题。合肥工业大学对机电产品回收设计理论及关键技术、可拆 5 卸性评价、拆卸序列评价及优化等进行了研究，制订了一系列拆卸回收的指标 与评价体系。重庆大学进行了可持续发展体系结构的研究，制订了清洁化生产 系统、体系结构及实施策略，并开发了清洁化生产管理的信息系统等。山东大 学进行了机电产品的绿色模块化设计方法研究，华中科技大学、浙江大学、北 京航空航天大学等高等院校也相继展开了绿色设立与制造技术的相关基础研 究，并取得了一定的成果。 全国各个院校的专家学者也对产品的拆卸回收研究提出了新的思路和方 法，为国内拆卸回收技术的发展做出了贡献。例如，北京理工大学的常向青f 2 2 】 等人提出层次与关系相结合的装配建模方法，利用分层策略提出两条判断的新 准则，研究利用割集法解决产品自动装配和拆卸的并行序列问题。华中科技大 学的杨鹏【2 3 j 等人用基因组编码来描述拆卸的相关信息，以最小拆卸成本为目标 构建适应度函数，对拆卸序列进行评价和优化。清华大学的王辉【2 4 】等人提出了 一种蚁群优化算法，与产品的拆卸序列规划问题相结合，构建了拆卸可行性信 息图，完成了拆卸方案的搜索与寻优。夏平均、姚英学【2 5 】等人定义了优先约束 关系表来描述零件问的接触关系和优先关系，然后用蚁群算法规划出初始拆卸 序列群体，实现虚拟环境下的拆卸序列仿真、评价及优化。浙江大学的张秀芬 【2 6 j 等人为了求取复杂产品的最优拆卸序列，建立了一种产品拆卸赋权混合图模 型，利用该模型有效的表达了零部件间的拆卸优先关系，并构建了粒子群算法 实现了复杂产品的最优拆卸序列规划。 总体来说，由于受到各方面条件的制约，国内对拆卸回收研究的总体水平 还比较低，与国外的相关研究水平存在较大差距，而且由于起步较晚，国内目 前的研究大多停留在认识或概念阶段，研究工作的焦点主要集中在拆卸序列生 成、拆卸路径优化、评估工具的开发等方面，而利用图模型进行拆卸序列规划、 产品的虚拟拆卸等技术在工程应用中的实用性较差，这些正是当前亟待解决的 问题。 1 2 3 研究存在的问题 目前在国内，由于传统产品设计形成的思维定式仍然占统治地位，设计人 员创新意识不足，自主研发能力不强，因此拆卸方面的研究还存在一定的局限 性，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 我国的拆卸研究起步比较晚，目前仍处于基本概念和基础理论的研究 阶段，对拆卸回收的分析远未达到实用阶段，甚至针对个别典型产品的研究也 没有取得预期的成果，所得结果往往带有较大的主观色彩，可操作性差，可信 度较低。 ( 2 ) 产品拆卸分析研究应与产品的设计、制造、使用、维护以及回收等各 个阶段相互联系起来，达到信息共享的目的，实现产品全生命周期的闭环设计。 6 但是目前的研究中很少与商用c a d 软件进行信息集成，使产品的并行设计无 法顺利进行。 ( 3 ) 拆卸分析方案欠缺通用性，针对某一类或某种产品的拆卸分析方案和 方法的适用范围不广，这使研究过程面临较大的困难，需要从产品的共性着手， 分析产品拆卸过程中最基本的因素及其相互联系，针对不同的拆卸目的和要求 做进一步研究。 ( 4 ) 由于目前国内外的拆卸分析尚处于试验研究阶段，与实际应用结合较 少，所以拆卸研究的相关数据较为缺乏，给数据的收集分析、拆卸信息库的建 立、专家知识库的建立等工作带来了巨大困难与阻碍。 ( 5 ) 在实际拆卸过程中，由于拆卸的动态变化特性，需要考虑产品拆卸的 干涉性、稳定性等因素，如果忽略了这些重要因素，生成的许多拆卸序列在实 际应用中是根本无法实现的。目前对产品拆卸的干涉性、稳定性等方面的研究 仍然处于探索阶段，需要进一步深入研究。 ( 6 ) 目前拆卸序列生成的自动化和优化程度都不高，其实际应用性也不强。 此外，当前的拆卸序列研究大多是针对完全拆卸而言，但在实际应用中却以单 目标或多目标的选择性拆卸为主，这些问题还需探索研究。 以上是拆卸分析研究中存在的主要问题，其中一些问题也是本文研究的重 点。如果能较为系统地解决这些制约因素，将有助于拆卸回收研究的深入进行， 并向实用化迈出重要的一步。 1 3论文研究内容及结构安排 1 3 1论文研究内容 本论文的选题来源于“十一五”国家科技支撑计划重大项目“绿色制造关键 技术与装备”课题二“机电产品绿色设计技术与应用”( 项目编号： 2 0 0 6 b a f 0 2 a 0 2 ) 。本文中对产品拆卸信息的提取、拆卸模型的建立、拆卸序列 的生成方法、拆卸序列的评价及优化等技术进行了研究，主要内容包括以下几 个方面： ( 1 ) 产品拆卸信息的提取 产品拆卸信息种类繁多，主要包括零件信息、工艺信息、拆卸约束信息等， 涵盖了零部件间的连接关系、拆卸过程所需工具、拆卸方向等各个方面。文中 根据拆卸分析的需要，对产品拆卸信息进行合理分类、分析总结，为后续产品 拆卸模型的建立提供了依据和基础。 ( 2 ) 拆卸模型的建立 拆卸模型是对产品零部件间的拆卸连接关系、优先关系等属性进行分析描 述的一种模型，拆卸模型的建立是拆卸研究的基础。拆卸模型的建立有多种方 法，如图论法、关系法、层次法等，本文采用了图论法中典型的混合图来建立 7 产品的拆卸模型。产品拆卸混合图模型简单直观的描述出了零部件内在和外在 的关系，推动了拆卸分析的进行。 ( 3 ) 拆卸序列的评价及优化 拆卸序列的好坏直接影响着产品拆卸的效率和成本，在产品的回收或维修 中占有重要的地位。在现有拆卸序列规划研究的基础上，本文建立了产品拆卸 混合图模型，推导出零件可拆卸条件；然后通过几何推理方法生成可行的初始 拆卸序列，构建满足特定要求的目标函数；生成适合拆卸序列规划的蟑螂优化 算法，结合该算法对拆卸序列进行优化得到最优解；最后结合实例，验证了该 方法的可行性及高效性。 1 3 2 论文结构安排 本论文研究内容的组织架构安排如图1 2 所示。 拆卸序列评价 i 产品信息提取h 拆卸模型建立h 初始拆卸序列生成h -+ i 产品拆卸分析 jl 拆卸序列优化 反馈 图1 2论文组织架构 论文的章节安排如下： 第一章绪论。系统阐述了课题研究的背景和意义，分析了国内外在拆卸 领域的研究现状以及存在问题，指出了本论文的研究内容和意义。 第二章拆卸序列规划模型的建立。讨论了对拆卸序列规划的相关问题， 如拆卸的概念、类型以及拆卸信息的提取等，然后重点讲述拆卸模型的建立方 法，并结合实例加以说明。 第三章拆卸序列的生成。在分析了拆卸的原则和拆卸方向的计算方法， 介绍了拆卸序列生成的常用方法后，提出了本文拆卸序列生成的框架和流程， 最后说明了拆卸序列的评价指标和方法。 第四章基于蟑螂算法的拆卸序列优化。详细描述了蟑螂算法的基本原理 和算法的相关流程，将算法模型和拆卸序列模型相互映射，构建适合的目标函 数，最后提出基于蟑螂算法的拆卸序列优化方法及其系统流程。 第五章拆卸序列规划实例分析。以某款柜式洗碗机的主机体为例，验证 了本文提出的蟑螂算法在解决拆卸序列规划问题中的可行性，并将其与粒子群 算法进行比较，取得了比较满意的结果。 第六章总结与展望。对全文进行总结，指出下一阶段的研究方向。 8 第二章拆卸序列规划模