（机械制造及其自动化专业论文）面向回收的拆卸性设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 拆卸性设计是绿色设计的重要组成部分。拆卸在废弃物的循环利用，再制造和 为制造业提供维修、维护替换的零部件等方面具有十分重要的作用。然而，目前 由于缺乏统一的标准作为指导，拆卸过程仍然是一个低效率的劳动密集型产业， 随着人们的环保意识逐渐增强，社会对绿色产品的呼声越来越大，如何面向回收 改进拆卸的方式，高效率、自动化的对产品进行拆卸已经成为目前研究的热点。 论文首先根据拆卸性设计的特点完善和补充了拆卸性设计准则，并提出了拆卸 性设计流程和构造了功能模块；其次基于c a t l a 三维建模平台，利用c a a 二次 开发功能和v c + + 6 0 对c a t i a 进行二次开发，重点研究了拆卸信息的提取、拆 卸序列规划和拆卸路径规划与仿真，并结合实例加以说明，主要研究内容如下： 1 、主要针对现阶段缺乏系统理论指导的支持，对拆卸性设计准则进行了完善 和补充，通过提出的拆卸性设计准则对面向回收的拆卸性设计进行系统的理论指 导； 2 、对各种拆卸模型进行了对比分析，分析了各种模型的优缺点，在此基础上， 提出了适合本设计的拆卸模型，并结合实例介绍了拆卸模型的定义和构建方法。 在三维环境下，利用三维软件c a t i a 的三维建模和c a a 二次开发支持等功能， 用v c + + 6 0 对c a t i a 进行了二次开发，对产品与拆卸相关的信息进行提取，并且 基于图论，分析提取得到的相关零部件之间的配合约束数目、类型、部件与零件 以及部件与部件之间的层次关系等相关信息； 3 、为了克服传统拆卸规划方法中拆卸序列组合爆炸问题，提出了一种零部件 自动识别算法，在这种算法中通过建立产品的连接图模型和混合图模型能够有效 的剔除不合理的零件组合，有助于减少不可行拆卸序列的产生，能够大大的缩小 拆卸序列规划的求解空问； 4 、在实现部件自动识别的基础上，基于传统的拆卸序列规划算法的计算量较 大，难以适应复杂结构产品的拆卸要求，提出了具有较强适应性、且易于软件实 现的单拆卸方向和多拆卸方向拆卸序列规划算法，在拆卸序列规划算法中主要采 用干涉矩阵和连接矩阵对成功实现了零部件识别的产品模型进行更深层次的分 析，通过单拆卸方向和多拆卸方向拆卸序列规划算法可以大幅度的减少序列规划 江苏大学硕士学位论文 的搜索路径，而且这些矩阵在计算机上的运用已经非常的成熟，所以能使拆卸序 列规划算法在计算机上编程实现和在c a d 系统中集成更加的容易； 5 、针对目前的拆卸路径规划算法都存在的一个共同的缺点，即在用于实际时 都很难高效率地自动生成拆卸路径，本文通过借助于c a t | a 现有的功能模块对产 品进行动态拆卸，并将整个动态拆卸中的安全可达拆卸路径记录下来，然后生成 动态拆卸过程的回放并保存起来，并通过对c a t i a 的二次开发提取最终的拆卸路 径，最后通过实例对所研究的拆卸相关理论进行了仿真验证。 关键词：序列规划，路径规划，虚拟拆卸，二次开发 江苏大学硕士学位论文 d i s a s s e m b l yd e s i g n i st h em o s ti m p o r t a n tp a r t so fg r e e n d e s i g n d i s a s s e m b l yh a sa c h i e v e ds i g n i f i c a n ta t 略m i o ni nt h ep a s tf e wy e a r sf o r 托s p i v o t a lr o l ei nw a s t er e c y c l i n g ，r e m a n u f a c t u d n ga n ds e r v i c i n go fc o m p o n e n t sf o r m a i m e n a n i ni n d u s t r y w i t hm o r ee m p h a s i so np r o d u c t st ob ee n v i r o n m e n t a l l y s a f e ，t o d a y ，t h en e e df o re f f i c i e n ta n dc o s te f f e c t i v ed i s a s s e m b l yp r o c e s sh a s g a i n e dm o m e n t u m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fd i s a s s e m b l yd e s i g n 。 t h er u l e o fd i s a s s e m b l yd e s i g ni sa d d e da n da c h i e v e d a n dd i s a s s e m b l y p r o c e s s e sa n dt h ec o r r e l a t i v ef u n c t i o na r ep r o v i d e d w i t ht h ea i do fv i s u a ic + + p l a 廿o r m sa n dc - i + l a n g u a g e 。m a n yh e l p f u lr e s e a r c h e so nt h ec a t i a s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tb a s e do nc a t i aa n dc a aw e r ea c h i e v e d t h e a c q u i r e m e n to fd i s a s s e m b l yi n f o r m a t i o n ，d i s a s s e m b l ys e q u e n c e sp l a n n i n g 。a n d d i s a s s e m b l yp a t h p l a n n i n ga n dd i s a s s e m b l ys i m u l a t i o na r ed e e p l yr e s e a r c h e di n t h et h t e e - d i m e n s i o ne n v i r o n m e n t t h em a i nc o n t e n t sa r e 勰f o l l o w i n g ： i 、d u et ot h el a c ko fr e l a t i v e g u i d a n c eo fd i s a s s e m b l y , t h er u l e o f d i s a s s e m b l yd e s i g ni sa d d e da n da c h i e v e d ； 2 、w 胁t h ea i do fv a r i o u s e x a m p l e so fm o d e l s 。t h ea d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g eb e t w e e nt h ed i s a s s e m b l ym o d e l sa r ea n a 岫e d w 胁t h ea i do f v i s u a lc + + p l a 廿o r m sa n dc + - i - l a n g u a g e m a n yh e l p f u lr e s e a r c h e so nt h e c a t i as e c o n d a r yd e v e l o p m e n tb a s e do nc a t i aa n dc a aw e r ea c h i e v e d t h e a c q u i r e m e n t o f d i s a s s e m b l y i n f o 帅a t i o ne x t r a c t e df r o m p r o d u c t 。s t h r e e - d i m e n s i o nm o d e li sd e e p l yr e s e a r c h e d b a s e do nt h eg r a p ht h e o r y ，t h e n u m b e r so fc o n s t r a i n t s 、t h et y p eo fc o n s t r a i n t sa n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n p a r t a n ds u b - a s s e m b l ya r ea n a b r z o d ； 3 、t h eg e n e r a t i o nm a t h e do fd i s a s s e m b l ys e q u e n c e si sr e s e a r c h e d a n a l g o r i t h mf o ra u t o m a t es u b - a s s e m b l yd e t e c t i o nb a s e do nc o n n e c t i v i t yg r a p h a n dh y b r i dg r a p ha n d 砘sa p p l i c a t i o ni n d i s a s s e m b l ys e q u e n c eh a sb e e n p r e s e n t e d ，w h i c hw o u l ds i g n i f i c a n t l ye n h a n c ed i s a s s e m b l yp r o c e s s e si nt h e i n d u s t r y ； 4 、a c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o ne x t r a c t e df r o mp r o d u c t st h t e e d i m e n s i o n m o d e l ，b a s e do nt h ea l g o r i t h mf o ra u t o m a t i cs u b - a s s e m b l yd e t e c t i o n ，a l g o r i t h m 江苏大学硕士学位论文 f o rs i n g l ed i s a s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n ga n dm u l t i p l ed i s a s s e m b l yp l a n n i n g h a sb e e np r e s e n t e d 1 1 1 ed i s a s s e m b l ys e q u e n c ei n v o l v e st h eu s eo fi n t e r f e r e n c e m a t r i c e sa n dc o n n e c t i v i t ym a t r i c e sl o g i c a lo p e r a t i o n st h a tc o u l db ei m p l e m e n t e d i n t oac o m p u t e rp r o g r a m t h i sm a k e si te a s i e rf o rf u t u r ei n t e g r a t i o nw i t hc a d s y s t e m s 5 、i nt h i sd i s s e r t a t i o n f o rt h ec o m m o nd i s a d v a n t a g eo fm e t h o d se x i s t e di n d i s a s s e m b l yp a t hp l a n n i n gt h a tc a nn o tf i n dt h ep a t he f f i c i e n t l y ，t h ea c q u i r a b l e f u n c u o n so fv i r t u a ld i s a s s e m b l yp a t hp l a n n i n gi nt h ec i aa r er e s e a r c h e d a s e r i e so fk e yp r o b l e m sf o rt h ev i r t u a ld i s a s s e m b l yp a t hp l a n n i n gb a s e do nc a t i a p l a t f o r ma r es o l v e d b yt h ed i s a s s e m b l ys i m u l a t i o nw a si m p l e m e n t e d ，t h e f e a s i b i l i l yo fv i r t u a ld i s a s s e m b l yb a s e do nc a t i ap l a t f o r mh a sb e e np r o v e d k e yw o r d s ：s e q u e n c ep l a n n i n g ，p 融hp l a n n i n g ，v i r t u a ld i s a s s e m b l y s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：移守铜 指导教师签名：吞兰 2 呷年6 月1 日 砷年月f 日 书权授本用适后密解年在 口么 密 密保 保 不 于属文淦位学本 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：川年占月f f 日 江苏大学硕士学位论文 1 1课题的提出和来源 第一章绪论 2 0 世纪以来，随着地球人口的激增，科学、工业技术及经济的飞速发展，工 业和城市人口的过分密集，使人们对能源、食品、化工原料、金属材料等的需求 量越来越大，导致了严重的环境质量恶化、能源危机、资源危机和环境污染日趋 严重，已逐渐威胁到人们的生存与发展；与此同时世界人口高速增长，对资源的 索取进一步加大，从而使资源、环境、人口成为阻碍人类社会发展的三大问题。 人类历史己跨入2 1 世纪，世界经济即将迎来新一轮的高速增长，在上述压力之下， 经济发展模式必须做出重大调整，即由传统的以资源高度消耗、严重破坏环境为 代价的粗放型经济发展模式向以资源节约、环境保护为基础的集约型经济发展模 式过渡，只有这样才能实现世界经济的可持续发展。 面对日益严重的形式，资源、环境和人类如何协调发展已经成为人们最为关 心的问题。制造业是国民经济的基础，同时又是高耗能、高污染的行业，因此在 这场人类经济增长模式的世纪变革中，制造业必须承担起不可推卸的环境保护重 任。近年来，随着各种高新技术的迅速发展及其在制造领域的广泛使用，使现代 制造业已成为发展速度快、创新能力强、技术密集的工业部门。然而，目前现代 制造业的主要目标还集中在如何快速、低成本的产品功能实现方面，对于产品对 环境的影响则考虑极少或根本未曾考虑，致使多数产品在环境保护方面存在着许 多先天不足。产品设计作为制造业的龙头，既在一定程度上受到传统生产观念和 制造模式的制约，又需要产生新的观念和模式适应环境发展战略的要求；又由于 产品设计阶段在整个产品生命周期中占有极其重要的位置，据统计产品设计阶段 决定了产品制造成本的7 0 8 0 ，而设计本身的成本仅占产品总成本的1 0 ， 因此提高产品设计阶段的质量是改进传统制造业生产和经济发展模式的关键环 节。 随着人们的环保意识逐渐增强，社会对绿色设计的呼声越来越大。肩负环境 保护历史重任的传统制造业，在这场环境革命浪潮的推动下，众多新的绿色设计 思想和方法纷纷产生，如绿色设计、环境意识设计、产品生命周期设计、绿色制 造等。这些设计思想和方法都是从资源利用合理化，废弃物产生少量化，对环境 江苏大学硕士学位论文 无污染或少污染等方面实现环境保护的绿色目标。它们的应用为传统制造业带来 清新绿色之风，必将会使制造业成为环保型国民经济的支柱产业。 对产品进行绿色设计是制造业减少对环境的污染、节约能源的关键。而拆卸 性设计是绿色设计的重要组成部分，拆卸是进行4 r ( r e d u c e 、r e u s e 、 r e m a n u f a c t u r e 、r e c y c l e ) 减量化、再利用、再制造、再循环的前提和基础， 产品拆卸性能的好坏对产品的使用过程中的维护及废弃淘汰后的有效回收、重用 等均具有重要的作用。因此，目前国内外有许多的科研单位和学校都在进行这方 便的研究，对可拆卸设计的研究已经成为一个研究的热点。 本论文选题基于国家自然科学基金重点资助项目“废旧产品回收决策及应用 基础研究”( 5 0 3 7 5 0 4 4 ) 。为了配合该项目的研究，进行了面向回收的拆卸性设计。 1 2 拆卸性设计产生的背景 制造业作为环境污染的主要行业，其环境破坏一方面来自于生产过程中产生 的大量废弃物( 原材料废弃物、能源废弃物、加工过程产生的废液等) ；另一方面则 源于产品到达使用寿命或产品不再适合消费者要求被淘汰后，需要对废品进行填 埋处理。且两方面影响程度都是由产品自身固有的环境属性所确定。由于任何一 种工业产品，当它离开设计环境而进入实际生产时，其环境属性大多已经固定下 来，而且在其生命周期的每时每刻都会对周围环境产生影响，因此目前采用的末 端治理方式，难以从根本上解决制造业所产生的环境问题1 1 。为了寻求从根本上解 决制造业环境污染的有效方法，在产品设计的概念阶段就把对环境的破坏减到最 少，拆卸性设计理念应运而生，并成为当前的研究热点之一。 首先，资源的相对匮乏和环境的严重破坏使对产品进行拆卸性设计成为一种 必然的发展趋势。随着人类发展步伐的加快，对资源的掠夺和环境的破坏日益严 重，人类的生存环境不断恶化，如全球变暖、臭氧层破坏、海啸等灾难不断发生。 而其中多数都是由于我们所使用的工业产品造成的，如冰箱和空调制冷剂氟里昂 是造成臭氧空洞的罪魁祸首，大量含有一氧化碳的有害气体没有经过任何处理就 排放入大气中造成了全球气温逐年攀升，两极冰山不断融化。随着时间的变迁， 这些由于制造业生产造成的污染和对环境产生的破坏，己严重威胁着整个人类的 生存环境，并且制约着社会和经济的持续发展。针对制造业生产的缺点拆卸性设 计把可持续发展思想融入到产品设计过程中，将保护生态环境与经济发展有机的 2 江苏大学硕士学位论文 结合在一起，把保护生态环境作为产品设计的一项准则，在保证产品质量的前提 下，兼顾环境的要求。从而形成一个综合性的发展战略，既能使资源、能源得到 合理利用，又能使环境污染降低到最低程度。而且对产品进行拆卸性设计能满足 社会可持续性发展的要求，能够把对环境的影响减到最小。 其次，随着各国环境意识的增强，各种环境保护法律法规相应出台。目前许 多发达国家通过环境立法的方式，试图改变人类生存环境日趋恶化的现状。通过 立法迫使制造企业必须关注自己产品对环境的影响，并为其对环境造成的破坏付 出相应的代价f ”。1 9 9 3 年欧盟提出了建议性的环境管理和核查方案，德国环境保 护法案明确规定了。污染者承担费用”原则，即产品退役后的处置费用应由产品制造 企业负担；电子垃圾法案要求制造商必须回收报废的产品，并要求最大限度的使 用再生材料和力争无污染的处理废弃部分。与此同时，美国、日本和其它工业发 达国家也发布了类似的法律法规。美国国会1 9 年1 0 月通过了。污染预防法。， 把污染预防作为美国的国家政策，取代了长期采用的末端处理的污染控制政策。 很显然。污染者负担原则”已经成为越来越多国家的共识，这必将促使产品制造商在 产品设计中，由传统单一市场导向原则向市场和环境兼顾的方向转变，拆卸性设 计则是实现这种转变的主要技术之一。 最后，进行拆卸性设计也是打破欧美国家绿色贸易壁垒的有效手段。将环保 与贸易挂钩，是发达国家用来打击发展中国家产品的一种常用手段，以保护环境 为名、行贸易保护之实，从而形成各种各样的贸易壁垒。目前，一些国家实施。绿 色贸易壁垒”的通常做法是，由国家专门机构或其指定的组织依据一定的环境保护 标准规定过高的环境保护指标。由于发展中国家受资金、技术等的限制，要达到 发达国家的绿色标准难度较大，如果不能通过他们的标准，这些国家的出口产品 将无法与发达国家的同类产品竞争。一些贸易强国利用自身的经济和技术优势， 以保护本国环境为借口，违背环境保护的宗旨，制定极为苛刻的环境指标，并采 取一些其他措施限制国外产品特别是发展中国家产品进入本国市场，使一些发展 中国家蒙受了巨大的经济损失。据报道【2 l ，每年我国出口产品及其包装因不符合 发达国家的环境法规及相应环境指标的要求而蒙受高达数千亿元左右的损失。拆 卸性设计是以提高产品的。绿色程度。为目标。因此，对产品进行拆卸性设计，生产 出满足社会和市场需要的绿色产品，无论对社会和经济的发展，还是提高产品的 竞争力都具有重要意义。 3 江苏大学硕士学位论文 1 3 拆卸性设计的内涵和外延 拆卸性设计作为绿色设计的核心和重要组成部分，相应的它就应该具备绿色 设计的一切特质，满足绿色设计的所有要求。 拆卸性设计是面向产品的整个生命周期，是一个循环再利用的过程。也就是 说，要从根本上防止环境污染，节约资源和能源，关键在于如何进行设计与制造， 不能等产品产生了不良的环境后果再采取补救，而是要找出对环境造成污染和破 坏的根源，这就是绿色设计的基本思想，也是进行拆卸性设计的指导思想。 从这种定义可见，拆卸性设计以环保为产品设计的基本目标，是对传统产品 设计的发展和完善，具有更为丰富的内涵。概括起来拆卸性设计内涵主要表现为： 1 、拆卸性设计是针对产品整个生命周期，在产品整个生命周期中都把产品的 绿色程度作为设计目标，在设计过程中，充分考虑产品在原材料获取、生产制造、 运输销售、使用及回收处理对环境的各种影响。 2 、拆卸性设计是在产品设计中不断的对环境影响进行评价和再设计的动态设 计过程。即拆卸性设计是一个从部分到系统、从简单到复杂、从渐进创新到根本 创新的动态过程。 3 、掌握绿色知识的设计人员是拆卸性设计的主体设计人员，在绿色设计过程 中起着举足轻重的作用，因为他们必须将包括社会需求和用户需求在内的所有需 求体现在产品的设计过程中，因此，必须注重人员的培养和知识的积累。 拆卸性设计以环境保护为目标，而影响产品环境性能的因素众多，这就决定 了拆卸性设计在包含丰富的内涵的同时，更要具有宽泛的研究外延。这主要表现 在两个方面： 1 、由于产品消耗量剧增，产品使用寿命缩短，产品处理回收问题日益严峻， 对于那些采用多种材料的复杂产品，只有通过产品的拆卸和分类，才能进行高水 平的材料回收和零部件重用，并从中获得高收益。而产品拆卸回收的前提是产品 必须具有良好的拆卸和材料回收性能，因此考虑的范围必须扩大到结构和材料选 择等方面，使产品获得更高的拆卸回收性能。 2 、应该加强面向环境预防的产品设计，如生命周期分析、面向环境设计等。 目的在于减少生命周期各个阶段的对环境的影响。生命周期分析是一种评估产品、 工艺及产品生命周期中所有活动的环境影响分析工具，它根据产品评估目标( 如技 术特性、经济特性、环境协调性等) ，对产品生命周期的各个阶段的分析或评估， 4 江苏大学硕士学位论文 为产品性能( 特别是环境性能) 的改进提供完整、准确的信息。面向环境设计侧重于 产品设计，它以工业生态学原理为基础，是在产品的生命周期全程都采用环境意 识进行产品和工艺设计的系统方法。 1 4 拆卸性设计研究现状 1 4 1 国外研究现状 国外从7 0 年代就开始了关于拆卸回收的研究。l a m b e r t 3 1 提出了一种类似于 a n d o r 图的拆卸图方法，以得到最大的收益为指标进行拆卸序列的优化。m a r k t u r o w s k i 。y i n gt a r l g 4 5 主要针对由于人为因素造成产品损坏的拆卸研究，基于模 糊p e t r i 网图而提出了一种适应性拆卸算法。j u l i ea n ns t u a r t w i l l i a m s 6 1 主要研究 塑料件的拆卸问题，并对各种特殊塑料的性能进行评估。j o h n s o n 7 l 采用拆卸树进 行废旧产品材料的回收，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减化拆卸过程的方法，同时还开发了评估拆卸 过程成本和优化序列生成的软件。t 翻e b 译川提出了一种对复杂结构的产品实现拆 卸规划的算法，后来又提出了中心算法和分配算法进行改进。j a s w i l l i a m s d m 对 电子产品的各种不同的拆卸方法进行了综述。m o o r e m 利用p e t r i 网进行复杂产品 的拆卸序列规划生成的研究。z e i d 1 2 1 提出使用基于知识库推理( c b r ) 的方法进 行拆卸序列规划。这种方法主要基于过去成功拆卸事例的积累，利用类似的产品 结构指导待规划的产品拆卸。s r i n i v a s a np 3 提出了层次化图和虚拟拆卸度量。 k i r b y ( 1 4 1 认为塑料件的设计要遵守易于拆卸的原则，以符合环境的要求，此外，他 们还讨论了材料的选择，设计理念和拆卸约束和定位问题。s r i n i v a s a n u ，1 6 i 针对选 择性拆卸提出了的。波传播”拆卸序列优化算法，在这种算法中线性拆卸计算的复杂 度平均值为d ( 万) 。z u s s m a n t l 7 1 提出了一种适应性规划方法，它通过分配优先权的 方法来决定拆卸次序，优先权高的将优先拆卸。s i d d i q u e ”l 、s p i c e h l 9 1 利用人工 智能方法对拆卸进行了研究，首先通过自动推理的方法确定产品的部分拆卸序列， 然后在设计者的交互参与下生成产品的完全拆卸序列。h a r i l 2 0 1 在虚拟环境下对拆 卸进行了研究。k o n g a r 2 q 采用遗传算法对拆卸进行规划，得到最佳的拆卸序列。 b e a t r i zg o n z 吉l e z = 1 提出了一种分散搜索的方法得到拆卸序列，并使用时间函数 对序列进行评估，得到最优拆卸序列。往往实际回收的产品因为用户的需求或意 5 江苏大学硕士学位论文 外的损害与原来的产品相比，会产生外形或结构的改变，这时针对未损害产品得 到的拆卸序列将不再适用，g u p t a 纠提出了解决有缺陷产品序列规划的方法。随 着计算机技术的发展，虚拟现实技术也日益成熟，为拆卸性评估提供了新的环境 和手段。k r a u s e 2 4 1 结合触觉虚拟现实交互技术，提出柔性零件的描述方法。 c o u t e e ”】在虚拟环境中加入触觉和力反馈装置，使拆卸操作更接近实际，但目前 仅限于用手拆卸还不能使用虚拟工具进行拆卸。d e w h u r s t p i 矧等开发了能生成产 品拆卸序列的软件系统。该系统应用产品的面向可装配设计技术，进行零件拆卸 方式的分析与选择。e t h ”1 为解决产品设计过程中的拆卸准则之间冲突提出了一个 评价程序，即给每个准则一个加权值，并根据所有相关准则作出最终决策。 l 1 a l o e r r i e r e 2 8 1 等提出了基于自由矩阵判别零件问几何干涉的判别方法，对零件 b r e p 表面模型信息进行了数学测试，建立计算稳定性约束的稳定性模型，开发 了相应的装配规划软件。h o n gcz h a n g t ” 提出了基于图的产品回收拆卸模型， 该模型将拆卸回收优化决策问题转化成图论中的搜索问题，通过建立拆卸序列、 计算拆卸费用、监测材料流，评估产品的环境相容性。r i c h a r dm n o l l e r ” 总结 和归纳了产品d f d 设计的一般原则和方法，材料选择，零件连接方式和废旧产品 的回收、处理的策略都在产品设计与环境的关系上得到阐述。 1 4 2 国内研究现状 国内以大学作为研究单位也进行了大量关于拆卸的研究。合肥工业大学从 1 9 9 4 年便开始了绿色设计研究，对绿色产品评价理论与方法、可拆性设计等多个 专题进行了研究，而且已经取得许多阶段性研究成果。刘志峰、刘光复【3 蝴等在 国内率先对面向可拆卸性的绿色设计基础理论与方法进行研究，通过与c a d 模型 的集成，采用层次网络图模型描述产品的拓扑结构，生成拆卸路径和回收工艺方 案，并利用建立的评估指标体系和合理的评估方法评估产品的拆卸回收经济性和 环境性。重庆大学嗍从年代初期以来，对与绿色设计与制造直接相关的制造系 统的资源问题、能源问题进行了研究，近年来又直接在绿色设计与制造方面开展 了大量工作。上海交通大学倪俊芳【”芦l 提出层次化结构模型。认为模型对于产品 结构的定义是递归的，分析整个产品的方法也适用于其中任何一个部件，从而把 研究对象缩小为部件实体的内部结构。华中科技大学管强吲将p r o e n g i n e e r 中的 装配模型转入虚拟环境进行人工拆卸；刘继红【卅等提出在虚拟环境下进行人工装 6 江苏大学硕士学位论文 配，拆卸的方法。清华大学汪劲松、段广洪、高建刚【”期系统地总结了面向拆卸的 设计、拆卸过程规划、拆卸技术与工具和拆卸系统配置等4 个方面主要研究方向、 技术和研究现状，并指出了今后研究的方向和趋势并且通过构建连通性筛子的方 法使拆卸序列更快的趋向较优化的拆卸序列。清华大学与美国t e x a st e c h u n i v e r s i t y 合作开发了机电产品的拆卸回收管理系统，并着重研究了印刷线路的回 收技术，研究了线路板再资源化的关键问题。浙江大学的万华根1 4 0 提出通过“用户 引导的拆卸。进行拆卸过程仿真，得到产品的拆卸顺序和拆卸路径；刘振宇【1 】等提 出虚拟拆卸过程中配合约束的自动解除方法，实现拆卸过程中零件的约束运动。 总之，当前对拆卸性设计的研究主要集中在以下几个方面： 1 、研究产品结构的拆卸逻辑关系表达方法； 2 、研究根据产品的结构和回收方式，进行产品拆卸工艺顺序规划的算法及其 优化算法； 3 、研究以特定零部件为目标的目标拆卸工艺规划算法及其优化算法； 4 、研究在不同资源化目的情况下，废旧产品的拆解深度、拆解模型、拆解序 列的生成及智能控制，并利用机器人等自动化技术，开发高效的无损拆解技术及 设备，建立比较完善的废旧产品再制造拆解体系； 5 、研究产品拆卸路径规划的方法和产品可拆卸性评价和可拆卸性再设计。 从目前研究现状来看，同国外相比国内研究还存在一定的差距，主要表现在 缺乏系统的设计理论、设计方法和计算机辅助工具的支持。针对我国严竣的环境 问题，我们的拆卸性设计研究首先应加大投入，加强研究的系统性，组织精干的 研究队伍，结合国情开展研究，以逐渐缩小我国与工业发达国家在此方面的差距。 1 5 论文研究意义和内容 从目前拆卸性设计领域的国内外研究状况看，国内的很多大学都进行了拆卸 设计研究，而且都有自己的特色，也不断有创新性很强的理论分析方法、算法、 拆卸优化方法的提出，但很多的研究仍停留在概念研究、认识研究的阶段，许多 问题还有待于深入，这就给研究人员留下了更多的发挥空间。 近年来，随着制造业计算机应用技术的飞速发展，很多原来只能在大型机、 u n i x 操作系统运行的功能强大的三维绘图软件，现在可以很方便的在个人电脑上 运行，如c a t i a v 5 、u g 、p r o e 等。这些软件有着强大的三维建模功能，采用 7 江苏大学硕士学位论文 特征造型和参数化造型技术，允许自动指定或由用户指定参数化设计、几何或功 能化约束的变量式设计。提供的装配设计模块可以建立并管理基于3 d 的零件和约 束的机械装配件，大大加速了装配件的设计，后续应用则可利用此模型进行进一 步的设计，分析和制造。但这些软件没有可拆卸性分析功能，以往的研究多为在 三维建模软件中进行数据模型的建立，然后把数据模型通过接口软件导入自己设 计的虚拟拆卸分析软件中进行可行拆卸序列和拆卸路径的规划。如果在拆卸分析 时发现干涉或者设计缺陷，就要重新回到建模软件中进行数据模型的修改，修改 好后再进行导入拆卸分析软件。这个过程相当的繁琐，而且会产生大量的数据冗 余，而且人机交互性也不好。这样就提出了新的设计思路，直接在三维设计软件 的环境下进行虚拟拆卸分析模块的二次开发，把建模和拆卸分析进行集成，这样 就避免了软件之间数据的交换，使设计变得更为简单。 ，5 1 论文研究的意义 我国的资源并不丰富，但资源浪费和环境污染问题非常突出。在传统的制造 业中，目前生产仍沿用高能耗、粗放经营的传统工业发展模式，资源消耗量人， 环境污染严重。据有关部门统计p 1 ，我国从1 9 5 2 年到1 9 8 7 年间，国民经济增长 8 9 倍，而能源消耗增长1 4 9 倍，有色金属增长2 3 倍。铁矿石消耗量增长2 4 倍， 现在我国许多矿产的后备资源已明显不足。同时每年我国有大量废弃淘汰产品得 不到充分的回收利用，从而产生极高的资源净消耗和环境污染。我国作为资源相 对匮乏的国家，目前工业生产至今仍沿用高能耗、高投入的粗放型发展模式，单 位能耗高出发达国家1 3 倍，。三废”排放量大，环境污染问题非常突出，己经严 重影响到人民的健康和国民经济的发展，因此，对废弃淘汰产品的回收再利用势 在必行，而拆卸是产品回收和重用的前提，无法拆卸的产品既谈不上有效的回收， 更谈不上重新利用。绿色产品一定是能够方便拆卸的产品，所以设计易拆卸的产 品及其部件已成为实现产品无污染、低消耗的最有效的途径和方法。国外在这个 方面已经进行了多年的研究，并且已经逐步运用到实际生产中，预计到2 0 2 0 年 2 】， 机电产品将主要由绿色产品组成。因此，加大对拆卸性设计的研究，逐渐引导研 究与实际产品相结合，是提高产品质量，缩短与发达国家之间的差距的必由之路。 进行拆卸性设计还有如下的好处： 修复有价值的零件或部件，而且这些修复的零件或部件可以应用于其他的 同类产品。 8 江苏大学硕士学位论文 回收不再生产的零件和部件，当这些买不到配件的产品发生故障时，能够 有替代的零件应急。 拆除有害的零件，提高产品剩余零部件的纯度。 对于磨损较小，可以拆卸后直接运用于新产品的，进行储存，然后用于新 的产品。 减轻废弃物的总量，减轻填埋压力，减少对环境的危害，保护环境。 1 5 2 论文研究的主要内容 拆卸性设计包括拆卸设计准则的确定、拆卸序列规划、拆卸路径规划、对得 到的拆卸序列和路径进行评价等内容。本课题将主要集中在拆卸序列规划和拆卸 路径规划部分。 考虑到在三维环境下进行研究，可以使研究直观，可视性好，可操作性强， 实用性好，以及可以实现与设计、制造、回收等研究的信息集成与反馈，所以本 文的研究考虑在三维环境下进行。 本课题将在三维环境下，利用三维软件c a t i a 的三维建模和c a a 二次开发 支持等功能，用v c + + 6 0 对c a t i a 进行二次开发，对产品与拆卸相关的信息进行 提取，基于图论，分析提取到的相关零部件之间的配合约束数目、类型，部件与 部件以及部件与零件之间的层次关系等相关信息；并为了克服传统拆卸规划方法 中拆卸序列组合爆炸问题，提出一种零部件自动识别算法，可以大幅度的减少序 列规划的搜索路径；对产品进行拆卸序列规划和拆卸路径规划，并通过实例，对 所研究的拆卸相关理论进行了验证。 本文研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 基于c a t i a 二次开发的拆卸信息提取 对产品进行拆卸规划，首先必须获得产品中零部件之间的相互关系。 在本文所建立的拆卸回收系统中，尝试与c a t i a 进行集成，用c a t i a 进行产 品三维建模，并且从中获取产品必要的拆卸约束信息以及其产品组成零部件的实 体属性信息，为后续的拆卸规划服务，以c a t i a 为基础，以m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o v c + + 为环境开发平台，在v c + + 平台下增加c a t | a 的二次开发模块c a a ，并 通过接口函数与c a t i a 进行集成。 ( 2 ) 拆卸序列规划 由于现实生活中的许多的产品都非常的复杂，有的甚至由上万的零部件组成。 9 江苏大学硕士学位论文 对如此庞大的产品进行拆卸规划耗时是惊人的，而且往往会出现拆卸序列组合爆 炸问题。 为了克服传统拆卸规划方法中拆卸序列组合爆炸问题，本课题将通过获取 c a t i a 建立的零部件组装图中与拆卸序列规划算法有关的信息，以从c a t l a 中获 得的信息构造产品的连接图模型和混合图模型，并实现部件自动识别，并尝试以 部件自动识别辅助实现单拆卸方向和多拆卸方向拆卸序列的规划。 ( 3 ) 拆卸路径规划与仿真 拆卸路径是指根据得到的零部件的拆卸序列规划，把零部件移出装配体过程 中的具体移动路径，不包括零部件移出装配体后再移动到指定放置位置的路径。 本文将借助于c a t i a 现有的功能模块对产品进行动态拆卸，并将整个动态拆 卸中的安全可达拆卸路径记录下来，然后生成动态拆卸过程的回放并保存起来， 并通过对c a t i a 的二次开发提取最终的拆卸路径，最后通过实例，对所研究的拆 卸相关理论进行仿真验证。 江苏大学硕士学位论文 第二章面向回收的拆卸性设计 2 1引言 拆卸被定义为采用一定的工具和手段，解除对零部件造成约束的各种连接， 系统地从装配体上拆除其组成零部件的过程，并保证不对目标零部件造成损害。 根据不同的拆卸形式可以把拆卸分为以下几类： 1 、根据线性拆卸次数可以分为一维拆卸和多维拆卸； 2 、根据在拆卸时是否需要先拆卸其他的零部件可分为直接拆卸和间接拆卸； 3 、根据拆卸时的时间先后次序可以分为串行拆卸和并行拆卸； 4 、根据拆卸目标和分解程度的不同可以分为完全拆卸，即将构成产品的所有 零件完全分离和选择性拆卸，即拆卸进行到一定程度就停止拆卸操作。一般停止 拆卸有四种原因： 把产品拆卸成以部件为单位时，已经具有可重复利用价值，可直接进入循 环再利用或制造维修，则停止拆卸； 各拆卸部分已经获得单一的材料，可以分类为不同材料类型进行循环利 用，则停止拆卸； 从经济性角度出发，随着产品拆卸的深入，拆卸费用增加，当总回收利润 下降到预期值时，则停止拆卸； 对于选择性拆卸而言，已经取得目标拆卸零件，则停止拆卸。 5 、根据拆卸后零件的完好程度可以分为破坏性拆卸和非破坏性拆卸。目前对 拆卸性设计的研究主要集中于非破坏性拆卸。 拆卸是实现高效回收策略的重要手段。只有拆卸才能实现完全的材料回收并 且有可能实现零部件的再利用。而只有在产品设计的初始阶段，就将报废后的拆 卸问题考虑进来，才能够实现产品最终的高效回收。 1 、可获得优化的产品结构。拆卸性设计的基本任务是根据产品结构模型，在 各种因素约束下，以成本、质量、环境综合最优为目标，对产品的可拆卸性进行 分析和评价，并寻求优化的结构，为产品拆卸性能的提高奠定基础。 2 、提高产品可制造和可维护性。拆卸性设计通过对产品设计提出修正意见， 减少不必要的零件，选用优化的可拆卸结构，使产品制造和使用维护更加方便： 1 l 江苏大学硕士学位论文 另外对于在制造维护中拆卸下来的零部件，因它们具有优良的拆卸性能，而使零 部件重用成为可能，这样对降低成本、提高效益具有重要意义。 3 、提高产品报废回收的绿色性和经济性。拆卸是产品回收不可缺少的组成部 分，因为只有拆卸才能保证重新得到品种纯净的材料及重用部件。迄今，复杂机 电产品如汽车或家电的回收一般直接存放或压成碎片处理，但在目前技术条件下， 粉碎或分选通常仅能得到部分回收材料，且因纯度不高只能进入低级应用。为改 善现实状态只有两条出路，即提高粉碎分选技术或者扩大可拆卸性，而拆卸性设 计的根本目标就是提高产品的拆卸性能，因此拆卸性设计的应用将有利用产品报 废回收的绿色性和经济性的提高。 2 2 拆卸性设计的特点 传统的设计中，设计人员主要考虑的因素是产品的功能需求及制造费用、原 材料费用等经济因素，对产品废弃淘汰后的拆卸回收考虑很少。这种设计理念存 在的问题是：一方面，随着消费品种类的不断增多及使用量的不断增大，用于生 产制造这些产品的资源、能源消耗量将大幅度增加，必将造成资源能源的短缺， 从而造成产品价格的提高，影响产品的市场竞争力，进一步会影响社会的可持续 发展；另一方面，由于技术发展和消费的个性化、潮流化等因素的影响，产品寿 命周期越来越短，废弃淘汰速度不断加快。因消费品产量的迅速增加及越来越短 的产品寿命周期导致了大量的废旧产品被弃置，其明显的影响是废弃物的填埋场 所不断缩小，废弃产品的处理费将不断增加，使得环境状况恶化，资源能源浪费 严重。所以在满足社会对各种消费产品需求的同时，做到对环境影响最小，使资 源能源得到最大程度的有效利用已经成为整个世界所关心的事情。实现这个目标 的有效途径之一就是使产品能够进行有效的拆卸，以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。 产品维护及回收的关键问题也是产品维护和回收的难点，要解决的是如何能 将需要维修或拆卸的部件合理安全地拆下来并且能够满足后续的使用要求和如何 方便地更换新的零部件，