（机械制造及其自动化专业论文）机电产品拆卸规划及拆卸设计方法研究.pdf

摘要 拆卸是影响机电产品绿色性能的重要因素，提高机电产品的可拆卸性能是实现产品绿色 设计的重要途径，也是提高产品拆卸回收过程综合效益的必要前提。论文在综述国内外研究 现状的基础上，提出并深入研究了机电产品拆卸规划及改进设计的相关问题。 主要研亢内容包括如下六个方面： ( 1 ) 建立了基于“零件一联接关系”的拆卸信息模型和对应的序列规划方法。分析了 以零件为拆卸序列规划对象的不足，研究复杂机电产品零部件拆卸过程中不完全拆卸的状 况，建立了以零件和联接关系同时为拆卸对象的拆卸信息模型及对应的拆卸序列规划方法。 模型包含零件间约束到联接关系间约束的映射关系，采用模拟退火算法的拆卸序列求解方法 求得的序列包括联接关系的解除序列和零件序列两部分，可以从过程和结果两方面对拆卸过 程进行分析。 ( 2 ) 分析废旧产品与设计产品问的差异，在基于“零件联接关系”的拆卸信息模型 的基础上，将不确定规划理论引入拆卸信息模型和序列规划求解方面，建立了不确定条件下 拆卸信息模型及及对应的拆卸序列规划方法，确保拆卸序列规划结果贴近实际。模型以统计 学和随机机会约束规划理论为基础，而废旧产品在不确定状况下的宏观序列的求解方法则基 于模拟退火算法。 ( 3 ) 针对具体情况下部分无法使用求得宏观普适序列进行拆卸的一些情况，以贪婪算 法为基础，建立了拆卸序列调整的贪婪准则及流程，从微观层而上给出了宏观序列拆卸序列 与实际不匹配的问题的调整方法。 ( 4 ) 分析了影响产品可拆卸性能的因素，从技术性、经济性、环境影响以及拆卸的不 确定性四个方面建立了量化的零件、产品可拆卸性能评价指标体系，并建立了产品拆卸性能 影响因素的敏感性分析方法。 ( 5 ) 以基于实例推理和t r i z 理论为基础，建立了可拆卸联接结构改进设计体系框架。 建立了拆卸设计案例的表达模板和案例与设计要求的相似度求解算法，通过基于实例推理的 方法可快速寻找之前的改进设计案例中与设计问题最为相似的求解方案；而通过t r i z 理论 的“物一场”分析模型，可有效查找设计过程中对应的创新设计原理、标准解和创新设计法 则，从而指导可拆卸联接结构的改进设计。 ( 6 ) 基于相关的研究理论和方法，设计开发了机电产品拆卸规划及辅助设计原型系统， 并对其中的有关p r o e 系统二次开发的虚拟拆卸技术进行了研究。系统验证了研究方法的正 确性、可行性和有效性，进一步探索了方法在产品设计开发过程中的应用。 关键词： 拆卸拆卸信息模型拆卸序列规划拆卸设计发明问题解决理论 a b s t r a c t d i s a s s e m b l yi so n ee s s e n t i a lf a c t o ro fe l e c t r o m e c h a n i e a lp r o d u c t s g r e e np e r f o r m a n c e t o i m p r o v et h ee l e c t r o m e c h a n i c a lp r o d u c t s d i s a s s e m b l ep e r f o r m a n c ei sn o to n l yt h ek e yw a yt o i m p r o v ee l e c t r o m e c h a n i c a lp r o d u c t s g r e e np e r f o r m a n c e ，b u ta l s ot h ep r e r e q u i s i t et oi m p r o v et h e b e n e f i t so fe l e c t r o m e c h a n i c a lp r o d u c t s r e c y c l i n g b a s e do nl i t e r a t u r er e v i e w i n gt h ep r e s e n t s i t u a t i o no fr e s e a r c ho nd i s a s s e m b l y , e l e c t r o m e c h a n i c a lp r o d u c t s d i s a s s e m b l es e q u e n c ep l a n n i n g a n dd e s i g ni m p r o v e m e n tm e t h o d sw e r es t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n m a i nc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e di nt h ef o l l o w i n gs i xa s p e c t s ： ( 1 ) ad i s a s s e m b l ym o d e lb a s e do n “p a r t s c o n n e c t i o n s ”a n dt h ec o r r e s p o n d i n gd i s a s s e m b l e s e q u e n c ep l a n n i n gm e t h o dw e r ee s t a b l i s h e d t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h es h o r t c o m i n g so ft h e 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 np a r t s ，t h e ns t u d i e dt h ec o m p l i c a t e d s i t u a t i o no f i n c o m p l e t e n e s sd i s a s s e m b l ef o re l e c t r o m e c h a n i c a lp r o d u c t s f i n a l l yad i s a s s e m b l em o d e la i m e da t b o t hp a r t sa n dc o n n e c t i o n sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gd i s a s s e m b l es e q u e n c ep l a n n i n gm e t h o dw e r e s t u d i e d t h em o d e li n c l u d e st h em a p p i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e np a r t sa n dc o n n e c t i o n s ，a n dt h e 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 s i m u l a t e d a n n e a l i n ga l g o r i t h m t h er e s u l t so f d i s a s s e m b l es e q u e n c ep l a n n i n gi n c l u d e db o t hp a r t ss e q u e n c ea n dc o n n e c t i o n ss e q u e n c e s ，s oi tc a n g e n e r a t ed i r e c td i s a s s e m b l ys e q u e n c ef r o mb o t ht h ep r o c e s sa n dr e s u l t ( 2 ) b ya n a l y z i n gt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nw a s t ep r o d u c t sa n dt h eb r a n dn e wp r o d u c t ，t h i s d i s s e r t a t i o nh a dt r i e dt os o l v et h eu n c e r t a i n t yp r o b l e mw i t hd i s a s s e m b l em o d e la n dd i s a s s e m b l y s e q u e n c ep l a n n i n gb yu s i n gu n c e r t a i n t yp r o g r a m m i n gt h e o r y , s oa nd i s a s s e m b l em o d e la n d d i s a s s e m b l es e q u e n c ep l a n n i n gm e t h o db a s e do n “p a r t s - c o n n e c t i o n s ”d i s a s s e m b l em o d e l a n d u n c e r t a i n t yp r o g r a m m i n gt h e o r yt of i tt h eu n c e r t a i n t ys i t u a t i o no fp r o d u c tw e r es t u d i e d t h e m o d e lw a sb a s e do ns t a t i s t i c sa n dr a n d o mc h a n c e c o n s t r a i n e dp r o g r a m m i n g ，a n dt h eu n i v e r s a l d i s a s s e m b l es e q u e n c ep l a n n i n gm e t h o dt of i ti nu n c e r t a i n t ys i t u a t i o nw a sb a s e do ns i m u l a t e d a n n e a l i n ga l g o r i t h m ( 3 ) f o rs o m es p e c i f i cc a s e st h a tt h er e s u l to ft h eu n i v e r s a ld i s a s s e m b l es e q u e n c ep l a n n i n g m e t h o dc o u l dn o ts o l v e ，a na d j u s t m e n tm e t h o db a s e do ng r e e d ya l g o r i t h mw a se s t a b l i s h e d t h i s m e t h o dh a dc o n s t r u c t e dt h eg r e e d yc r i t e r i o nf o ra d j u s t i n gt h ed i s a s s e m b l es e q u e n c ea n df i n a l l yt h e p r o c e s sw a ss h o w ni nt h i st h e s i s ( 4 ) t h ei m p a c tf a c t o r so fp r o d u c td i s a s s e m b l ep e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e d , a n daq u a n t i z e d e v a l u a t i o nf r a m e w o r kb a s e do nt e c h n i c a l ，e c o n o m i c ，e n v i r o n m e n t a la n dt h eu n c e r t a i n t yo f d i s a s s e m b l ef o rt h ep a r t sa n dp r o d u c t sd i s a s s e m b l ep e r f o r m a n c ew a sg i v e n t h es e n s i t i v i t y a n a l y s i s m e t h o dt o a n a l y s i s t h ep r o d u c td i s a s s e m b l ep e r f o r m a n c ew a sa l s o g i v e n i nt h i s d i s s e r t a t i o n ( 5 ) b a s e do ne a s e - b a s e dr e a s o n i n ga n dt r i zt h e o r y , ad e t a c h a b l ec o n n e c t i o n s t r u c t u r e i m p r o v e m e n td e s i g ns y s t e mf r a m e w o r kw a sg i v e n at e m p l a t et od e s c r i b et h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s a n dt h ee x i s t e dc a s e sa n dt h ea l g o r i t h mt om e a s u r et h es i m i l a r i t yo fd e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dt h e e x i s t e dc a s e sw e r eg i v e n b yu s i n gt h es u f i e l da n a l y s i sm o d e lo ft r i zt h e o r y , i n n o v a t i v ed e s i g n p r i n c i p l e s ，s t a n d a r ds o l u t i o na n dn o r m a t i v ed e s i g nr u l e sq u e r ym e t h o dw a sg i v e nt og u i d et h e d e t a c h a b l ec o n n e c t i o ns b - u c t u r ei m p r o v e m e n td e s i g n ( 6 ) f i n a l l y a l le l e e l r o m e e h a n i c a l p r o d u c t sd i s a s s e m b l es e q u e n c ep l a n n i n g a n dd e s i g n i m p r o v e m e n ts y s t e mw a sd e v e l o p e db a s e d o nt h et h e o r i e sa n dm e t h o d sa b o v e ，a n do n eo ft h ek e y t e c h n o l o g i e so fp r o es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tf o r v i r t u a ld i s a s s e m b l ew a si l l u s t r a t e d t h i s s y s t e mv a l i d a t e st h ec o n c c t n e s s ，f e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so f t h i sr e s e a r c h k e y w o r d s ：d i s a s s e m b l y ；d i s a s s e m b l em o d e l ；d i s a s s e m b l es e q u e n c ep l a n n i n g ；d e s i g n f o r d i s a s s e m b l e ；t r i z 本论文得到以下项目资助 “十一五”国家科技支撑计划重大项目“机电产品绿色设计技术与应 国家8 6 3 高新技术研究发展计划“面向产品全生命周期的绿色设计方 法与技术研究”( 2 0 0 7 a a 0 4 2 1 2 3 ) “十一五”国家科技重大专项项目“废旧机电产品典型零部件高值化 利用关键技术与设备”( 2 0 0 8 b a c 4 6 b o i ) “十二五”国家科技支撑计划“制冷类家电易拆解及新材料替代技术” 在此表示感谢! 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 学博士学位论文质量要求。 主席： 委员： 导师： 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 分化形蟓妻 签帔出爹 知信 - f 描4 l 面卜易佃撕球之孝域 螂西叫瓠( 白m 孥铉援) 刘光复 桂贵生 竺长安 李剑锋 张洪潮 匿名 匿名 竺长安 刘光复 夏维东 刘明周 胡献国 竺长安 同行评议专家名单 合肥工业大学 合肥工业大学 中国科学技术大学 山东大学 大连理工大学 同行评阅专家名单 东南大学 武汉大学 答辩委员会组成专家名单 中国科学技术大学 合肥工业大学 中国科学技术大学 合肥工业大学 合肥工业大学 教授、博导 教授、博导 教授、博导 教授、博导 教授、博导 教授、博导 教授、博导 教授、博导 教授、博导 教授、博导 教授、博导 教授、博导 答辩委员会主席 中国科学技术大学教授、博导 致谢 非常幸运的，在2 0 0 8 年我的导师刘志峰教授愿意接受我为他的首届博士研究生。在几 年的博士研究生学习和科研过程中，常会因为过度担心而乱了阵脚，但总有老师的及时协助， 指点正确的途径。刘志峰老师不只在日常学术研究和论文上给予了启发和指导，在为人处事 上的气度和从容不迫，也是我一直要努力学习的目标：刘光复老师分析事理和分析问题本质 所在的功力，是学生学习的榜样：宋守许老师的谆谆教诲和叮咛，我不会忘记；张雷、黄海 鸿两位老师在日常科研工作的指点更是弥补了论文的不足之处，在此对以上的老师们致上最 深的谢意。 能完成这段学业，也要感谢绿色所里诸多j 司学和朋友在学习和生活上给我的加油打气。 感谢高洋、鲍宏、李新宇博士，感谢凌波、朱立红、蒋浩、胡柏林、陈扬等硕士对我学习和 科研工作的帮助，也感谢他们为论文完成所提供的方便和支持。特别感谢远在大洋彼岸的李 冰冰博士，无私的为我提供了国外最新的研究资料。谢谢你们丰富了我的求学生涯。 更要感谢的，是多年来一直默默陪伴着我，支持着我的家人，多年来辛劳养育与栽培我 的父亲母亲，你们对我无怨无悔的付出，更是让我能完成学业的最大原动力，希望我以后能 带给你们更好的生活。 终于要毕业结束自己二十多年的校园生活了，希望自己在未来的日子里，能够把握每一 个机会，应用自己的所学贡献给这个世界，坚持自己的概念与理想，让这个世界更美、更好! 胡迪 2 0 1 2 年6 月 表目录 表1 1 “回收率”和“再生利用率”的限定值一3 表1 _ 2 常用拆卸信息建模方法比较一7 表1 _ 3 拆卸设计的原则1 2 表2 _ l 洗碗机零部件信息表3 2 表2 之部分可行拆卸序列3 2 表2 _ 3 部分拆卸方向更换次数最少拆卸序列3 3 表2 4 部分拆卸方向与拆卸工具更换次数之和最少拆卸序列3 3 表2 5 计算机主机箱零件结构信息4 2 表2 _ 6 各零件间拆卸约束信息4 3 表3 1 不同工况下螺钉联接的拆卸方法4 6 表3 - 2 工j 的分布律4 7 表3 _ 3e ，的分布律一4 7 表3 _ 4 计算机主机箱零件列表及其存在概率5 5 表3 _ 5 计算机主机箱零件间约束5 6 表3 _ 6 计算机主机箱零件联接关系及拆卸使用工具概率5 6 表3 - 7 拆卸序列结果5 8 表3 8 工具使用次数记录5 8 表3 - 9 工具更换次数记录5 8 表3 1 0 拆卸方向更换次数记录5 8 表3 1 1 工具使用次数、工具更换次数与拆卸方向更换次数与之和记录一5 8 表3 1 2 设计信息得到的拆卸序列结果一5 9 表3 1 3 产品拆卸序列规划调整与贪婪算法主要元素的对比一6 l 表3 1 4 产品结构差异信息一6 4 表4 _ 1 常见联接关系的可拆卸性能评价分值6 6 表4 _ 2 常见拆卸工具的使用难易程度6 7 表4 q 不同结构变化下的序列及评价结果7 0 表4 _ 4t r i z 冲突矩阵( 简表) 7 7 表4 _ 5t r i z 分离原理7 8 表4 _ 6 常见“物一场”分析模型效应的表示7 9 表4 - 7 一般解法5 、6 或1 2 类的标准解中的5 个标准解8 1 表4 - 8 一般解法2 、3 或1 2 类的标准解中的5 个标准解8 3 表4 - 9 一般解法4 、5 、6 或第2 类标准解中的2 3 个解和第3 类标准解中的6 个解8 4 表4 一1 0 第5 类标准解中的1 7 个解8 6 图目录 图1 1 堆积如山的废旧产品2 图1 2 严重污染的拆卸回收方式2 图1 3 常用拆卸信息建模及求解示例一6 图1 - 4 启发式算法求解拆卸序列一般过程8 图1 5 产品可拆卸性评价指标体系一9 图i - 6 各类联接关系拆卸时间变化曲线图l1 图1 7 利用t r i z 理论进行拆卸设计一般过程1 4 图1 8 装配体示意图1 6 图1 9 论文结构安排1 7 图2 1 装配体及其拆卸约束图2 2 图2 2 产品装配示意图及其在不同基准件下生成的拆卸混合图2 2 图2 3 零件问空间干涉的传递2 3 图2 - 4 装配体的空间干涉图2 3 图2 5 拆卸序列规划和约束满足问题2 4 图2 6 联接约束c e 及其逻辑表达2 5 图2 7 空间干涉约束c d e 及其逻辑表达2 6 图2 8 要求某一零件必须在其它零件之前完成拆卸人为约束c o l 及其逻辑表达2 7 图2 - 9 要求某一零件必须在其它零件之后完成拆卸人为约束c 0 2 及其逻辑表达2 8 图2 1 0 零件必须在拆卸序列的某一步进行的人为约束c - 0 3 及其逻辑表达2 8 图2 1 l 回溯法求解所有可行拆卸序列流程2 9 图2 1 2 基于约束满足问题的拆卸序列求解的流程3 0 图2 1 3 洗碗机简化模型3 0 图2 一1 4 洗碗机模型爆炸图31 图2 1 5 洗碗机模型混合图3l 图2 一1 6 以往的产品序列规划分析一3 3 图2 一1 7 更为合理的拆卸规划。3 4 图2 18 装配体示意图3 5 图2 1 9 拆卸信息层次模型和求解结果示意图3 5 图2 - 2 0 零件及其联接关系表达树一3 5 图2 - 2 l 零件及其联接关系表达方式树3 6 图2 - 2 2 同一零件的联接关系空间阻挡约束一3 6 图2 - 2 3 同一零件的联接关系稳定性约束一3 7 图2 j 2 4 零件从装配体中移走干涉约束一3 7 图2 - 2 5 拆卸工具使用的空间干涉3 7 图2 2 6 零件联接约束c e 作用于联接关系的逻辑表达3 8 图2 2 7 零件联接约束c o 作用于联接关系的逻辑表达3 8 图2 2 8 利用模拟退火算法进行联接关系解除序列流程4 1 图2 2 9 零件拆卸序列生成流程4l 图2 3 0 计算机主机箱示意图一4 2 图3 1 空间约束干涉c d e 示意图l 一4 8 图3 2 空间约束干涉c d e 示意图2 。4 9 图3 3 联接约束干涉c e 示意图l 4 9 图3 4 联接约束干涉c e 示意图2 4 9 图3 5 人为约束c o l 示意图5 0 图3 - 6 人为约束c 0 2 示意图5 0 图3 7 人为约束c o 作用于联接关系示意图一5 l 图3 8 拆卸序列的生成5 2 图3 - 9 计算机主机箱设计装配图5 4 图3 1 0 计算机主机箱实际装配图5 4 图3 1 l 计算机主机箱实际拆卸约束图5 5 图3 1 2 产品实时拆卸序列规划调整一6 0 图3 1 3 贪婪算法求解一般过程6 0 图3 一1 4 基于贪婪算法的产品序列调整流程6 3 图3 一1 5 产品结构差异示意图6 3 图4 1 其它指标的敏感性分析过程7 0 图4 2 基于实例推理模型7 2 图4 3 基于实例的推理流程7 3 图4 - 4 拆卸设计实例表达模板7 4 图4 5 拆卸设计实例表达模板各节点包含内容7 5 图4 - 6 拆卸设计实例检索过程7 6 图4 7 “物一场”分析模型7 9 图4 8 利用“物一场”模型和标准解解决拆卸可达性差8 0 图4 - 9 联接结构改进“物一场”分析模型8 0 图4 1 0 利用物理矛盾拆卸可达性差一8 l 图4 1 l 联接结构改进设计流程一8 2 图4 1 2 有害的相互作用模型8 3 图4 1 3 利用一般解法解决金属联接结构锈蚀8 3 图4 1 4 有用但不充分的相互作用模型8 4 图4 1 5 利用一般解法解决螺母联接旋转轴震动脱落8 4 图4 一1 6 利用“物一场”分析模型进行装配功能稳定性设计的流程8 7 图4 一1 7 光驱联接结构的改进设计“物一场”分析模型8 8 图4 1 8 光驱右侧螺钉联接结构的改进设计8 9 图4 1 9 一般解法4 解决左侧板的螺钉联接8 9 图4 2 0 一般解法4 解决方案8 9 图4 2 1 一般解法6 解决左侧板的螺钉联接一9 0 图4 2 2 一般解法6 解决方案一9 0 图5 一l 软件系统的功能模块9 1 图5 2 拆卸仿真平台组成9 2 图5 3p r o e 下装配体层次示意图9 3 图5 - 4 拆卸仿真系统9 5 图5 5 拆卸信息采集9 6 图5 - 6 拆卸序列规划模块9 7 图5 7 空间干涉矩阵9 7 图5 - 8 联接约束矩阵9 8 图5 - 9 生成的序列和评价结果9 8 图5 1 0 生成的序列和评价结果敏感性计算9 9 图5 1 l 基于主题的已有案例查找系统1 0 0 图5 1 2 基于关键词的已有案例查找系统1 0 0 图5 一1 3 基于t r i z 的联接结构改进设计一1 0 1 图5 一1 4 基于t r i z 的联接结构稳定性设计一1 0 1 第l 章概论 1 1 引言 第1 章概论 1 1 1 废旧机电产品的环境问题 自2 0 世纪人类步入现代工业文明之后，世界发生了翻天覆地的变化，科学技术突飞猛进， 社会生产力极大提高，经济规模空前扩大。机电产品作为工业文明的代表产物，已步入人类 生活的各个方面。但是在给人类生活带来便利的同时，机电产品也带来了生态破坏、资源短 缺、环境污染等重大问题。其中机械、汽车、电子电器等产品制造业是最大的资源使用者， 也是最大的环境污染源i lj 。工业生产过程中不仅资源和能源利用效率低，而且大量的产生并 向环境排放各种废水、废气、废渣、噪音、电磁等污染物，使得人类的健康和生存空间受到 了严重威胁。 近十年来，随着中国经济的高速发展以及社会工业化的日益加深，大量的废旧机电产品 特别是电子垃圾对我国的环境造成了严重威胁。如今我国已经面临报废机电产品的高峰期， 据中国新闻网报道，目前国内电视机、洗衣机、电冰箱、空调、电脑五大类家电的社会保有 量超过1 0 亿台，每年要囤积、闲置以及废弃2 0 0 0 万台以上的旧电视、电脑、冰箱、空调等电 器【2 j 。仅2 0 0 9 年一年我国有近2 7 0 万辆汽车报废，电视机、电冰箱、洗衣机、空调、电脑5 类 家电产品报废量近9 0 0 0 万台p j ，而这个数据在今后若干年内有增无减。对这些产品的报废、 回收等处理工作已经成为我们必须面对的社会问题。 报废产品的拆卸回收如处理不当，必然会对环境带来很大的压力。而目前制造业在产品 设计制造过程中主要将注意力放在产品的成本和效益上，很少考虑产品报废后的拆卸回收处 理及资源再循环利用过程。由于企业在生产设计过程中无法兼顾技术、经济与生态环境的协 调发展，缺少一个从总体上进行把握协调的设计理念、方法与工具，也导致引起的环境与资 源问题日趋严重。 同时，一些发达国家利用我国法律制度还不完善的现状，不择手段地将大量电子垃圾转 运到中国。根据中国环境与发展国际合作委员会专题政策研究课题组的调研，全世界7 0 的 电子垃圾已经进入了中副4 。，这些废旧产品及电子垃圾的处理主要集中在广东、浙江、福建 沿海等地的一些手工作坊或小工厂。这些小作坊或工厂一般只能进行简单的手工拆卸，对于 较为复杂的零部件则采用整体焚烧的方式进行回收，导致当地环境污染严重。据绿色和平组 织在我国南方某地的调查显示p j ，当地致癌的二恶英水平远远超出平均水平，孕妇流产几率 是平均水平的6 倍，7 0 儿童的血液中铅超标。图1 一l 和图1 - 2 所示的我国南方某地的农民处理 电子垃圾的情况。 2合肥工业大学博士论文 图i - 1 堆积如i j j 的废旧产品1 6 i图1 - 2 严重污染的拆卸回收方式n 1 1 2 废旧机电产品的环境立法 由于日益增加的废旧机电产品已在全球范围内造成了严重的环境影响，西方发达国家和 地区特别是欧盟对废旧产品回收己制订了非常严格的法律、法规和标准，试图从产品生命周 期全过程处理这个问题。发达国家一方面在国内建立起了一套相对完善的废旧产品回收制度 和体系，另一方面也通过日趋严格的环保指令促使生产企业设计生产更加环保的产品。 欧盟各国一直十分重视环境保护，在对环境保护和资源的利用的立法方面，一直走在世 界的前列。德国是在欧洲最早关注电子垃圾管理的国家，于1 9 9 1 年7 月发布了电子废弃物 法规，1 9 9 2 年起草了关于防止电子电器产品废弃物产生和再利用法草案，1 9 9 6 年公布了 更为系统的循环经济和废物管理法 8 1o2 0 0 3 年2 月，欧盟发布了废弃电子电气设备指 令( w a s t ee l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，w e e e ) 。w e e e $ 旨令与2 0 0 5 年8 月1 3 日正式 实施，该指令对产品的回收再利用率做出了严格的规定，同时要求欧盟市场上流通的电气电 子设备的生产商( 包括其进口商和经销商) ，必须在法律意义上按其产品所占市场份额的比 例，承担支付自己报废产品回收费用的责任【9 l 。2 0 0 5 年9 月1 8 日，欧盟发布了报废车辆指 令( e n d - o f - l i f ev e h i c l e ，e l v ) ，要求2 0 0 3 年7 月以后生产的汽车禁用铅、镉、汞和6 价铬四 种有害物。该指令同时要求提高报废汽车回收利用率，回收费用成本的全部或大部分由制造 厂承担。回收指令确定了欧盟报废汽车“可回收率”和“可再生利用率”两个指标，并明确 说明了回收利用率的限值及禁止或限制使用的重金属【l 。 日本也早在上世纪9 0 年代针对废旧产品的环境保护和资源的利用出台了相应的环保法 规。1 9 9 7 年，日本通产省发布了报废汽车再利用规范，对汽车产品的回收率、再生利用 率做出了详细的规定。该规范经研究改进后于2 0 0 2 年7 月上升为报废汽车再生法进行公 布，于2 0 0 4 年开始实施j 。2 0 0 1 年，日本的公布了关于再生资源利用法，对电视机、电 冰箱、洗衣机、房间空调器等产品的回收再利用做出了要求，视其为“第一种制定产品”。 2 0 0 1 年4 月1 日开始实施家电再生法，对消费者、商家、厂家的义务分别做出了明确而详 细的规定，同时也对家电产品再商品化的比率也做出了明确规定【l “。 第l 章概论 3 美国、加拿大1 旧】均属联邦制国家，虽然在废旧电子电器回收处理立法方面主要由所属 各州负责，但也开始酝酿制定全国统一的法律法规。美国联邦政府没有对废旧电子电器实行 强制性回收利用的法律，但是对废旧电子电器中破坏臭氧层的氯氟烃( c f c s ) 和含氢氯氟 烃( h c f c s ) 实行强制回收。加拿大的废旧电子电器回收再利用主要经由各省的相关立法和 生产者延伸责任来开展。生产者延伸责任在加拿大己蓬勃开展，大多数省份的电子废弃物回 收立法已经开展起来。美国加州已经率先通过了电子垃圾法规2 0 0 3 电子废物再生法案 ( t h ee l e c l r o n i cw a s t er e c y c l i n ga c to f 2 0 0 3 ) ，对在加州销售的所有视频显示设备的废弃物 的管理和回收做出了规定，并于2 0 0 5 年1 月1 日起正式实施。美国缅因州正式实施有害废物 管理条例，规定家用电视机和电脑显示器实行强制回收。与加州不同的是，缅因州规定， 由生产商承担指定电子废弃物的收集和处理费用，但没有规定具体的收费标准。其费用机制 是采取处理时收费模式，在生产商环节收取，为不可见收费。加拿大艾伯塔省对电子电器废 弃物发布了指定材料再利用和管理条例、电子产品指定条例以及艾伯塔省回收管理机 构a r m a 制定的电子产品再利用规章。2 0 0 5 年2 月，艾伯塔省的电子废物回收处理工作正 式启动。加拿大安大略省2 0 0 2 年制订了废物回收法( t h ew a s t ed i v e r s i o na c t ，w d a ) ，授 权省环境部长以管理条例的形式指定某一类需要建立回收处理的废弃物，并要求安大略省废 物回收公司负责回收处理工作。 我国也对废旧产品的拆卸和回收进行了立法。2 0 0 7 年，我国国家标准化管理委员会也公 布产品可再生利用率指标限定值和目标值( 第一部分) 征求意见稿，对产品的回收做出 了规定【l4 1 。另外，我国废旧家用电器回收处理管理条例也在研究制定之中1 5 j 。 各类法律法规的对产品回收的限定值如表l l 所示。 表1 1 “回收率”和“再生利用率”的限定值 1 1 3 机电产品拆卸研究的意义 拆卸是产品回收再生利用的前提，无法拆卸的产品既谈不上有效回收，更谈不上重新利 用。拆卸设计( d e s i g nf o r d i s a s s e m b l y , d f d ) 是改善产品拆卸回收等绿色性能的重要手段， 它要求所设计产品的结构易于装配、易于拆卸、方便维护，并使得产品在报废后对可用的部 分能充分有效地回收和重用【1 6 】；同时要求在设计时就考虑产品拆卸回收处理工艺过程，控 4 合肥工业大学博士论文 制环境污染物的排放，并节约资源、能源。在美国，废旧家电拆卸己经形成产业化，有专业 分工，回收利用率达9 7 以上，废旧家电回收制造的再生钢占钢铁生产总量的1 0 。荷兰 通过研究产品的回收和拆卸策略，开发了具有处理6 0 万台电冰箱的回收系统以及相应的拆 卸流水线，有效地减少了环境污染，也减轻了工人的劳动强度f 1 7 l 。通过相应技术改进产品 在全生命周期内的拆卸性能也对企业的持续发展有着重大意义： ( 1 ) 好的拆卸性能可使废旧机电产品在生命周期末端以较低的成本实现资源再利用； ( 2 ) 好的拆卸性能可以通过拆卸更换部分核心零部件从而延长产品的使用寿命： ( 3 ) 好的可拆卸性能能够使废旧机电产品方便地分离包含有害物质的零部件，从而减 少污染的可能。 其次，随着产业升级，我国制造业已逐步转向数字化。研究和应用基于数字化平台的产 品拆卸设计技术对企业具有一定的应用价值。同时，随着我国社会人1 3 老龄化的加剧，由劳 动密集型转向技术密集型的产品结构调整己成为必然趋势。通过产品的数字化模型及其信息 分析产品拆卸回收性能并进行拆卸设计，开发辅助设计工具来帮助产品设计团队分析并改进 产品的拆卸性能。 1 2 拆卸设计过程与方法研究 如何既保持社会对各种消费产品的不断需求，又能节约资源能源，己引起人们的广泛重 视。实现这种目标的有效途径就是延长产品的使用寿命或使构成产品的零部件或材料能够重 复利用，而重复利用的前提则是产品能够有效地拆卸回收i