（机械设计及理论专业论文）基于图论的产品可拆卸性设计方法及应用研究.pdf

浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t r a d i t i o n a lp r o d u c td e s i g nt h a tr e g a r d sf u n c t i o na n de c o n o m ya si t sc h i e fi n d e x m e r e l yc o n s i d e r sp r i m a r ya t t r i b u t e s ( f u n c t i o n 、q u a l i t y 、l i f e 、c o s t ) i ts c a r c e l yo r e v e n d o e sn o tc o n s i d e rr e c y c l ea n de f f e c to f e c o l o g i c a le n v f f o n m e md u r i n gp r o d u c tl i f e c y c l e a b a n d o n e dp r o d u c t sd on o ti n d i c a t ee n t i r e l yt h a tt h e i rp a r t sa n dc o m p o s i t i o n m a t e r i a l sh a v eb e c o m ew a s t e r s i nf a c t , m a n yt h e i r p a r t s a n dc o m p o s i t i o na r e r e c l a i m e da n d r e c y c l e d p a r t s o fa b a n d o n e d p r o d u c t sf i r s t l y m u s tb ed e t a c h e d c o n v e n i e n t l yi f t h e ym a y b er e c y c l e d b y t h ew a yo f o v e r h a u lo ro t h e rd i s p o s a lw a y a s ap r e m i s eo fr e c o v e r y , d i s a s s e m b l yi sak i n do fe f f e c t i v ep a t ho fe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，r e s o u r c ea n de n e r g ys a v i n g a sa n i m p o r t a n tc o n t e n t o fr e s e a r c ho fg r e e n d e s i g n d i s a s s e m b l y h a sa i m p o r t a n t i n d e xw h i c h j u d g e st h ep e r f o r m a n c e o f p r o d u c td e s i g nd i s a s s e m b l yd e s i g n r e q u i r e st h a td e t a c h a b i l i t yi sr e g a r d sa sa 1 1a i mo fs t r u c t u r a ld e s i g na tp r e l i m i n a r y s t a g eo fp r o d u c td e s i g n s oc o n n e c ts t r u c t u r eo fp r o d u c ti sd e t a c h e d 、m a n u f a c t u r e d m a i n t a i n e de a s i l y m e a n w h i l e ，r e c y c l e d p a r t sa r er e c y c l e ds u f f i c i e n t l ya n de f f e c t i v e l y a f t e rp r o d u c t sa r ea b a n d o n e d ，l a s t l y , t h ea i mo fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，r e s o u r c e a n de n e r g ys a v i n gc a l lb er e a c h e d b a s e do nt h es u b j e c tr e s e a r c ho f g r e e nd e s i g no f e l e c t r o m e c h a n i c a lp r o d u c t sa n d r e q u i r e m e n to fd e s i g n o fg r e e np r o d u c t ，t h e f o l l o w i n gp o i m sa r c f i n i s h e da b o u t d e s i g no f d i s a s s e m b l y o f p r o d u c t ： 1 b a s e do nt h er e s e a r c ha n da n a l y s i so fi n f o r m a t i o no fa s s e m b l yo fp r o d u c t ， s e m a n t i co fa s s e m b l yi sd i v i d e di n t of o u rt y p e si no r d e rt h a ta s s e m b l ym o d ei s e x p r e s s e db r i e f l ya n dd e f i n i t e l y a s s e m b l ym o d e o f p r o d u c ti sd e s c r i b e dt h r o u g h g r a p ho f a s s e m b l y s e m a n t i c b y t h ew a yo f t h e t h e o r yo f g r a p h 2 t h em e t h o do ft r a n s f e rf r o ma s s e m b l yt od i s a s s e m b l ys h o u l di se s t a b l i s h e di 1 1 o r d e ro ft h et r a n s f e rf r o ma s s e m b l yt o d i s a s s e m b l y d i s a s s e m b l yn e t w o r ki s e s t a b l i s h e dt h r o u g ht e c h n o l o g yo f a n a l y s i so fa c t i v i t yn e t w o r k a n dt h em e t h o do f t r a n s f e r , d i s a s s e m b l y n e t w o r k n e c e s s a r i l y i si d e n t i f i e df r o mt h e a s p e c t o f c o n s i s t e n c ya n dp r o v i d et h et e s t i m o n yf o r t h ee v a l u a t i o no fs c h e m eo fe v a l u a t i o n d i s a s s e m b l y , 2 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t 3 b a s e dp r o d u c tr e c o v e r y , d i s a s s e m b l yp r o c e s ss h o u l di sp l a n n e da n df i n do p t i m a l o rn e a r o p t i m a lp a t h t h el e a s tt i m eo fd i s a s s e m b l yi sc a l c u l a t e dt h r o u g h i m p r o v e d g ad i s a s s e m b l yp r o c e s si so p t i m i z e da n dn e a ro p t i m a ld i s a s s e m b l yi s o f f e r e df o r p r o d u c tr e c o v e r y a c c o r d i n gt om e t h o d sm e n t i o n e da b o v e ，m e c h a m c a lp r o d u c t i sd e t a c h e d ，i ti s t e s t e dt h a tt h em e t h o do f d e s i g no f d i s a s s e m b l yr e s e a r c h e di np a p e r i sf e a s i b l e k e y w o r d s ：d i s a s s e m b l ya n dr e c o v e r y , a s s e m b l ya n dd i s a s s e m b l ym o d e ，a s s e m b l y a n d d i s a s s e m b l yt r a n s f e r , d i s a s s e m b l yn e t w o r k ，p r o c e s so p t i m i z a t i o n 3 浙匹大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 【本章摘要】产品可拆卸眭设计是绿色设计研究的重要内容之一已成为产品设计的一项评 价准则。本章详细介绍了可拆卸性设计内容国内外研究状况，从论文研究背景出发，提出 了一种基于图论和网络理沦的产品拆卸性设计方法，并在实际应用中得到实现。 1 1 引言 绿色设计方法成为目前酌研究热点，成为现代设计方法中的一员。绿色设计 是面向产品的整个生命周期，着重考虑产品环境属性( 可拆卸性、可回收性、可 维护性、可重复利用性等) ，并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时， 保证产品应有的功能、使用寿命、质量等的一种设计方法。绿色设计其主要内 容和方法包括绿色设计的材料选择、面向拆卸性设计、回收性设计、面向制造和 装配设计、产品的成本分析、寿命周期评估等。 传统的产品设计是以功能、经济性为主要指标的设计，设计过程中仅考虑产 品的基本属性( 功能、质量、寿命、成本) ，很少或根本没有考虑资源的再生利 用以及产品生命周期全过程对生态环境的影响。因此，按传统设计生产出来的产 品，在其使用寿命结束后大多成为一堆废弃物，造成严重的资源浪费和环境污染。 对此，西方许多工业发达国家已开始在法律上作出规定：谁造成环境污染谁就 负责治理，这使得制造商们开始重视产品报废的回收处理问题。 通常情况下，产品使用寿命结束并不代表产品的各个零部件及组成材料都已 成为废品。事实上，旧产品上的许多零部件及组成材料是可以回收和重复利用的， 特别是对贵重的金属，有很高的回收价值。然而，要使废弃产品的零部件经过修 配或其它方法处理后可以再利用，那么这些零部件必须首先能够并且方便地拆 卸。可见，产品的拆卸是产品回收再生的前提，直接影响着产品的可回收性，由 此，面向拆卸的设计( d f d ：d e s i g n f o rd i s a s s e m b l y ) 的设计思想和方法也就应 运而生，并成为绿色设计研究的重要内容之一。 作为绿色设计的一个重要研究方面，产品拆卸性能已成为衡量产品设计优劣 的重要指标。可拆卸性设计要求在产品设计的初级阶段将可拆卸性作为结构设计 的一个目的，使产品的连接结构易于拆卸，制造工艺性好，维护方便，并在产品 废弃后可复用部分充分有效地再利用，达到节约资源和能源，保护环境的目的。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 拆卸设计及其主要研究内容 1 - 2 - 1 拆卸设计 1 2 1 1 拆卸设计及其特点 拆卸的定义就是从产品或部件上有规律地拆下可用的零部件的过程同时保 证不因拆卸过程而造成该零部件的损伤。 拆卸目的不同，相应的拆卸类型也不同。拆卸的目的有三个：一是产品零部 件的重复利用。二是元器件回收。三是材料的回收。 对应于拆卸的三种目的，拆卸也有三种类型，即破坏性拆卸、部分破坏性拆 卸和非破坏性拆卸。破坏性拆卸即拆卸活动以使零部件分离为宗旨，不管产品结 构的破坏程度；部分破坏性拆卸则要求拆卸过程种只损坏部分廉价零件( 如采用 火焰切割、激光切割等分离连接部位) ，其余部分则要安全可靠分离；非破坏性 拆卸是拆卸的最高阶段，即拆卸过程中不能损坏零部件( 如松开螺纹、拆除及压 出等) 。 1 2 1 。2 拆卸设计准则 拆卸性设计准则就是为了将产品的拆卸性要求及回收约束转化为具体的产 品设计而确定的通用或专用设计准则。确定合理的拆卸性设计准则，以便设计人 员遵循和采纳并严格按这些准则的要求进行设计和审核，以确保产品的拆卸性落 实在产品设计中，并最终实现良好的拆卸性能要求。 ( 1 ) 拆卸工怍量最少准则 ( 2 ) 结构有关的准则 ( 3 ) 易于拆卸准则 ( 4 ) 易于分离准则 ( 5 ) 产品结构的可预估性准则 1 2 1 3 产品拆卸信息描述 拆卸设计所需信息包括产品数据( 零件图、工艺文件、零件基本数据，零部 件连接结构、功能及所用材料等) 和使用数据( 产品使用条件和场所、产品使用 中的维修及零部件更换数据等) 。拆卸信息可归纳为三个方面，即拆卸过程信息； 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 拆卸设计及其主要研究内容 1 - 2 - 1 拆卸设计 1 2 1 1 拆卸设计及其特点 拆卸的定义就是从产品或部件上有规律地拆下可用的零部件的过程同时保 证不因拆卸过程而造成该零部件的损伤。 拆卸目的不同，相应的拆卸类型也不同。拆卸的目的有三个：一是产品零部 件的重复利用。二是元器件回收。三是材料的回收。 对应于拆卸的三种目的，拆卸也有三种类型，即破坏性拆卸、部分破坏性拆 卸和非破坏性拆卸。破坏性拆卸即拆卸活动以使零部件分离为宗旨，不管产品结 构的破坏程度；部分破坏性拆卸则要求拆卸过程种只损坏部分廉价零件( 如采用 火焰切割、激光切割等分离连接部位) ，其余部分则要安全可靠分离；非破坏性 拆卸是拆卸的最高阶段，即拆卸过程中不能损坏零部件( 如松开螺纹、拆除及压 出等) 。 1 2 1 。2 拆卸设计准则 拆卸性设计准则就是为了将产品的拆卸性要求及回收约束转化为具体的产 品设计而确定的通用或专用设计准则。确定合理的拆卸性设计准则，以便设计人 员遵循和采纳并严格按这些准则的要求进行设计和审核，以确保产品的拆卸性落 实在产品设计中，并最终实现良好的拆卸性能要求。 ( 1 ) 拆卸工怍量最少准则 ( 2 ) 结构有关的准则 ( 3 ) 易于拆卸准则 ( 4 ) 易于分离准则 ( 5 ) 产品结构的可预估性准则 1 2 1 3 产品拆卸信息描述 拆卸设计所需信息包括产品数据( 零件图、工艺文件、零件基本数据，零部 件连接结构、功能及所用材料等) 和使用数据( 产品使用条件和场所、产品使用 中的维修及零部件更换数据等) 。拆卸信息可归纳为三个方面，即拆卸过程信息； 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 拆卸零部件信息：拆卸约束信息( 包括功能约束、几何约束、工夹具约束等) 。 拆卸信息的描述方法主要有三季中，一是基于图形的表示方式，即用结点表示 d f d 中的各种实体；连接弧表示实体间的拓扑关系，这种方法简单、直观，易 于理解。二是基于关系数据库的方法，即采用关系数据库存储实体及其关系，这 种方法的信息组织维护方便。三是面向对象的方法，这样可使实体表达具有继承 性和封装性，对象( 实体) 的层次陛可分为若干类及相关属性，如物理属性、几 何属性、特征属性等，拆卸方法由对象的类型确定。在这些方法中，面向对象的 方法是比较理想的。 拆卸分析通常是借助于由定点和边组成的层次结构树来进行。拆卸信息则均 附着在树的节点和边上。节点代表组成产品的零部件，含有零部件诸如名称、材 料类型、重量尺寸、子零部件的数量、拆卸成本、回收方法等信息：边表示各 零部件之问的连接关系，且包含诸如拆卸方法、紧固件数量、拆卸所需工具等信 息。这些信息一部分来自于c a d 设计的产品装配图，如节点和边的名称、材料 类型、紧固件数量、重量尺寸等，而另一部分信息则来自于所建立的计算函数， 如拆卸成本函数、回收成本函数等。 1 2 1 4 拆卸设计评价 拆卸评价是对设计方案进行评价修改再评价再修改直至满足 设计要求的动态过程。评价面临的首要问题就是怎样评价产品的拆卸性，用什么 指标评价，用什么标准衡量的问题。因此，提出一套完整的拆卸性评价指标体系， 建立严格的评价标准是评价系统的基础。 拆卸性评价通常是从两个方面着手进行，一方面是产品结构的拆卸难易程 度、另一方面是与拆卸过程有关的时间、费用、能耗、环境影响等。 1 与拆卸过程有关的指标 包括拆卸费用、拆卸时间、拆卸时间、拆卸能耗和环境影响等。 ( 1 ) 拆卸费用 零部件间的连接方式不同，拆卸的难易程度也不相同，拆卸费用也表现为不 同的量值。拆卸费用是指与拆卸有关的一切费用，即人力费用和投资费用等。 投资费用包括拆卸所需的工具及夹具、工具的定位及夹具送进装置的费用， 拆卸操作费用，拆卸材料的识别、分类运输及存储费用等。 人力费用主要是指工人工资。 拆卸费用是衡量结构拆卸性好坏的主要指标之一。某一零部件单元的拆卸费 用高，则其回收重用的价值就小。当拆卸费用大于该零部件单元废弃后的固有成 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 本时，则其就完全失去了回收重用的价值。由此可见，拆卸费用越小，零部件单 元的回收重用价值就越高。 ( 2 ) 拆卸时间 拆卸时间即拆卸某一连接所需要的时间，它包括基本拆卸时间和辅助时间。 基本拆卸时间是指松开连接件、将待拆零件和相关连接件分离所花费的时 间：辅助时间是指为完成拆卸工作所作的辅助工作所花费的时间，如拆卸工具或 人的手臂接近拆卸部位的时间等。 产品的某一部件单元可能是由多个连接方式组合而成，则该部件单元的拆卸 时间就是完成所有这些连接所消耗的时间总和。拆卸时间越长，表明该结构的复 杂程度越高，产品的拆卸性能差。 ( 3 ) 拆卸过程中的能量消耗 拆卸产品必然要消耗能量，主要有两种，即人力消耗和外加动力消耗。拆卸 零部件单元所消耗的能量大小也是表明该零部件拆卸性能的一个指标。能耗少， 则该部分拆卸性能好。 2 连接结构性有关的指标 产品结构拆卸性能的好坏是拆卸性设计的关键，也应是评价指标的主要组成 部分。 ( 1 ) 可达性 对产品拆卸性影响较大的个因素是拆卸工具接近拆卸部位的难易程度，即 可达性。可达性主要表示是否存在适当的拆卸空间及拆卸过程中对待拆零部件实 施操作的难易。 无论是手工拆卸还是自动拆卸，都要有足够的拆卸空间。手工拆卸时，拆卸 空间要能是操作者方便地运用拆卸工具，并将拆下部分顺利地与机体分离；自动 拆卸时，拆卸空间要能使拆卸装置方便地接近拆卸部位，并使其沿规定的拆卸方 向进行分离操作。 ( 2 ) 标准化程度 标准化程度是产品结构拆卸性的另一个评价指标。衡量产品标准化程度的高 低，主要用标准化系数来描述。 标准化系数一般包括标准件系数、通用件和借用件的件数三种。标准化系数 是标准件、通用件和借用件的件数之和( 或总数和) 占产品零件总数之和( 或总 种数) 的比例。 ( 3 ) 产品结构的复杂程度 产品结构的复杂程度与许多因素有关，而且多为定性的模糊因素，目前常用 的方法有a n d o r 图法、复杂系数法和拆卸评价图法。 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 目前国内外对可拆卸性设计研究状况 可拆卸性设计概念的提出到现在已经有了比较全面系统的研究，欧美国家在 可拆卸性设计方面的研究起步较早，取得了一定成果，并产生了直接的效益。 柏林工业大学早在7 0 年代就开辟面向环境的设计研究，取得了较多的研究 成果。目前该大学承担的一个德国研究联合会( d f g ，相当于我国自然科学基金 会) 的重大项目，主要从事绿色设计中的面向拆卸的拆卸工厂及其相关课题的研 究。他们提出了一个由工艺和工具、产品评价、拆卸计划和合理化的城市发展为 基础的面向拆卸的产品结构模型。主要目标是为拆卸技术开发新工艺及工具，为 设计面向环境的产品及制定其拆卸计划，为合理地组织拆卸工厂与城市之间地理 位置的关系提供计算机辅助设计的工具。 西门子公司也早在7 0 年代就开展了对面向环境的产品设计理论的系统研 究，并取得了一系列卓有成效的研究成果。在基于机电产品的可拆卸和回收的研 究方面，研制了新一代环境资源友好电子电器产品，其鲜明特点就是用户不需任 何工具，仅凭借双手就能在几分钟内把产品拆卸到可直接回收的程度。 在可拆卸性方法研究方面，美国密歇根大学的w o o 和d u t t a 描述了从c a d 模型构造出拆卸树的技术方法。h u a n g 利用交互方式在装配的各个阶段生成拆卸 序列。美国威斯康星一麦迪逊大学的s r i n i v a s a n 和g a d h 提出了一个新的波动理 论及几何算法，用于解决选择性拆卸问题。英国的b e a s l e y 和m a r t i n 从几何学角 度研究了由单位立方体构成的部件的拆卸序列问题。 可拆卸性设计作为绿色设计研究的重要内容之一，到现在为止国内在这方面 也进行了广泛的研究。在国家自然科学基金、“8 6 3 ”c i m s 主题等研究项目中， 与可产品可拆卸性有关的内容不断增加；研究单位也不断增多，从事这方面研究 有的单位有华中科技大学、上海交通大学、重庆大学、大连理工大学和合肥工业 大学等科研院所。从总体研究现状来看，与国外基本处于同一水平，但是还有较 大差距。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本文研究的主要内容 1 4 1 论文研究的背景 可拆卸性设计已成为机械设计研究的重要分支，是目前研究的一个热点。由 于可拆卸性设计是一个较新的研究方向，还没有形成一个完整的设计体系，随着 各种新的技术的出现，可拆卸性设计方法、关键技术和拆卸模型等的研究也是一 个不断完善和修改的过程。在具体产品开发和设计中，可拆卸性设计具体实现过 程是可拆卸性设计的关键，是绿色设计思想内核的一个重要方面，体现在产品使 用寿命结束时如何进行产品零部件的拆卸和回收，如何最大限度实现资源再利 用，减少产品维护及回收时的拆卸成本和时间等一系列产品后生命周期的处理 中。 绿色产品是以环境和环境资源保护为核心概念而设计生产的可拆卸并分解 的产品。要满足绿色产品要求，应从设计开始，以长远目光构思、开发和制造产 品，设计阶段就将维护及回收的拆卸要求作为设计目标，在设计时明确那些零部 件要被拆卸和回收，以便在产品的使用寿命完结时，零部件可以翻新和重复利用 或者安全地把这些零部件处理掉。 在绿色产品设计中，面向绿色产品的设计要求，在整体产品设计框架下，产 品可拆卸性设计思想、模块、方法和实现技术贯穿整个设计过程中，协同其他设 计方法的同时，体现绿色产品可拆卸知识以及可行性实际意义。 论文结合浙江省科委的科研项目一“绿色设计在电除设备中的应用”这一课 题针对机电产品的拆卸，提出一种切实可行的可拆卸性设计研究方法，建立优化 的拆卸网络和拆卸模型，使得产品在回收利用时，拆卸方便，回收收益最大。 1 4 2 本文的主要工作 论文在综合国内外该领域相关研究的基础上，结合其它设计方法和学科知识 点，在产品装配模型分析的基础上，给出了一种产品装配与产品拆卸之间关系转 换关系和方法，基于图论和网络理论对产品拆卸序列进行规划，建立产品拆卸模 型。从产品回收的角度出发，通过改进的遗传算法进行拆卸序列的规划，确定最 优拆卸序列。最后把基于图论的产品拆卸方法用于实际产品拆卸应用中。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本文研究的主要内容 1 4 1 论文研究的背景 可拆卸性设计已成为机械设计研究的重要分支，是目前研究的一个热点。由 于可拆卸性设计是一个较新的研究方向，还没有形成一个完整的设计体系，随着 各种新的技术的出现，可拆卸性设计方法、关键技术和拆卸模型等的研究也是一 个不断完善和修改的过程。在具体产品开发和设计中，可拆卸性设计具体实现过 程是可拆卸性设计的关键，是绿色设计思想内核的一个重要方面，体现在产品使 用寿命结束时如何进行产品零部件的拆卸和回收，如何最大限度实现资源再利 用，减少产品维护及回收时的拆卸成本和时间等一系列产品后生命周期的处理 中。 绿色产品是以环境和环境资源保护为核心概念而设计生产的可拆卸并分解 的产品。要满足绿色产品要求，应从设计开始，以长远目光构思、开发和制造产 品，设计阶段就将维护及回收的拆卸要求作为设计目标，在设计时明确那些零部 件要被拆卸和回收，以便在产品的使用寿命完结时，零部件可以翻新和重复利用 或者安全地把这些零部件处理掉。 在绿色产品设计中，面向绿色产品的设计要求，在整体产品设计框架下，产 品可拆卸性设计思想、模块、方法和实现技术贯穿整个设计过程中，协同其他设 计方法的同时，体现绿色产品可拆卸知识以及可行性实际意义。 论文结合浙江省科委的科研项目一“绿色设计在电除设备中的应用”这一课 题针对机电产品的拆卸，提出一种切实可行的可拆卸性设计研究方法，建立优化 的拆卸网络和拆卸模型，使得产品在回收利用时，拆卸方便，回收收益最大。 1 4 2 本文的主要工作 论文在综合国内外该领域相关研究的基础上，结合其它设计方法和学科知识 点，在产品装配模型分析的基础上，给出了一种产品装配与产品拆卸之间关系转 换关系和方法，基于图论和网络理论对产品拆卸序列进行规划，建立产品拆卸模 型。从产品回收的角度出发，通过改进的遗传算法进行拆卸序列的规划，确定最 优拆卸序列。最后把基于图论的产品拆卸方法用于实际产品拆卸应用中。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 产品的装配拆卸模型创建 产品模型的建立对整个系统的构造是一个重要的基础。并行工程研究中，其 最终目标是建立适用于整个生命周期各阶段的统一产品模型。这样，无论是 c a d 、d f a 、d f d 或c a p p 等，均可使用该统一的产品模型，无需在各个系统 间进行信息模型的转换。但当前的研究中，基于统一的产品模型的技术研究尚不 完善，各个系统建立的产品模型都只是针对某一领域。因此，可拆卸性设计系统 不能将c a d 中的模型拿来就用，必须进行再加工，建立针对可拆卸性设计的内 部模型。零部件的定义记零部件的连接关系均由一个图结构表示，作为模型定义。 在产品装配模型分析的基础上，用装配信息语义图表达装配模型中的装配信 息。建立一种装配与拆卸之间的变换关系，从图论的观点完成产品的装配建模。 在该模型中，零部件可由图的节点表示，零部件之间的连接关系可由图的边表示。 节点中包含了零部件的自身信息，如：名称、几何信息、物理属性等。图的边则 包含了零部件的装配关系，配合面、配合方向等。 2 拆卸网络的构建与分析 在装配拆卸转换机制基础上，采用图论的观点创建产品拆卸网络模型。在 产品装配语义图模型的基础上，从网络结构要素出发，根据网络的构造规则和装 配与拆卸之间变换关系进行拆卸网络的建模。拆卸网络的构建后需要对网络进行 相容性分析，验证构建网络的正确性。 3 最优拆卸序列的确定 拆卸是回收的基础，在回收阶段如何拆卸已成为一个重要研究课题。拆卸作 为产品回收的一个重要环节，一个重要的方面是拆卸序列规划，找到最优的拆卸 序列，使代价最小或能获得最好的代价效益比。 拆卸并不是装配的逆向，它不需要很精确，而且未必要拆卸完全，两者间操 作和物理的差别意味着装配序列规划知识不能直接用于拆卸规划。 最优组合问题的求解采用经典的遗传算法，它以其隐含的搜索并行性、解决 不同问题的鲁棒性、全局最优性、不依赖于问题模型等特点，尤其适合解决综合 最优问题。使用遗传算法来选择最优拆卸序列，满足给定的约束条件，确定花费 时间最短的可行拆卸路径。 4 应用实例 通过对实际机械产品的拆卸，验证该拆卸方法确是行的，说明这种方法是适 用于一般机电产品的拆卸的。 浙扛大学硕士学位论文第一章绪论 一 ! 图论 产品装配模型的分析 l 【装配模型的创建 l 建立一种装拆转换机制 拆卸模型的创建 拆卸网络的构建l 拆卸序列规划 实例应用 图l 一2 技术路线图 一? j j 墨鬈) j 浙江大学硕士学位论文 第二章图与网络理论 第二章图与网络理论 【本章摘要】产品的拓扑结构模型的表示通过图的方式表示具有简单、清晰的特点。活动网 络是一个具有严格内部逻辑关系和数学关系的网络系统。产品由装配序列规划到拆卸序列规 划通过图的表达形式，形成一个拆卸网络模型，是一种分析问题、解决问题的方法。本章主 要内容是简单介绍以后章节需要用到的一些概念和理论。 2 1 引言 在现实生活中，生产活动以及科学研究中，人们经常遇到各种事物之间的关 系。要将各种关系形象而直观地描绘出来，人们常用点表示事物，用点之间的连 线表示事物之间是否有某种关系，点与点之间的若干条连线构成一个图。图论就 是研究由线连接的点集的理论。 活动网络技术是5 0 年代末期发展起来的一种网络计划方法，是系统工程中 的一个重要分支。它把各种工程项目的研制和实现过程，构成一个具有严格内部 逻辑关系和数学关系的网络系统，通过网络分析方法建立和求解活动网络模型， 从而得出所研究工程系统的各种时间参数，并通过网络的费用优化和资源最优分 配，给出工程的最优进度安排，为工程项目的计划和控制提供科学依据。 产品的拆卸可以看作一个项目工程，零部件的拆卸是按一定步骤进行的，步 骤间具有一定的先后次序关系，有序步骤的完成则表示一项拆卸活动的结束。本 文的工作是在图论和网络分析技术的基础上进行的，从产品装配模型的图表示到 拆卸网络的生成都是图论和网络原理的体现。为后续工作的方便，本章主要把与 本论文工作涉及到的一些相关概念、定理等给以简单的叙述。 2 2 基本概念 1 线图 设v 是顶点集，e 是边集，如果对每个e e ，有矿中一个定点对( 叱v ) 和对 应，则称由r 及e 组成的集为一个线图，记为g = ( v ，e ) 。顶点v 及v 。称为边p 的 端点，并说v 及v 。与e 彼此关联。 2 有向图无向图 线图g = ( 矿，e ) 中，如果顶点对( v ，v ) 是有序的，即边( v v ) 与( ，v ) 是e 中 浙江大学硕士学位论文 第二章图与网络理论 第二章图与网络理论 【本章摘要】产品的拓扑结构模型的表示通过图的方式表示具有简单、清晰的特点。活动网 络是一个具有严格内部逻辑关系和数学关系的网络系统。产品由装配序列规划到拆卸序列规 划通过图的表达形式，形成一个拆卸网络模型，是一种分析问题、解决问题的方法。本章主 要内容是简单介绍以后章节需要用到的一些概念和理论。 2 1 引言 在现实生活中，生产活动以及科学研究中，人们经常遇到各种事物之间的关 系。要将各种关系形象而直观地描绘出来，人们常用点表示事物，用点之间的连 线表示事物之间是否有某种关系，点与点之间的若干条连线构成一个图。图论就 是研究由线连接的点集的理论。 活动网络技术是5 0 年代末期发展起来的一种网络计划方法，是系统工程中 的一个重要分支。它把各种工程项目的研制和实现过程，构成一个具有严格内部 逻辑关系和数学关系的网络系统，通过网络分析方法建立和求解活动网络模型， 从而得出所研究工程系统的各种时间参数，并通过网络的费用优化和资源最优分 配，给出工程的最优进度安排，为工程项目的计划和控制提供科学依据。 产品的拆卸可以看作一个项目工程，零部件的拆卸是按一定步骤进行的，步 骤间具有一定的先后次序关系，有序步骤的完成则表示一项拆卸活动的结束。本 文的工作是在图论和网络分析技术的基础上进行的，从产品装配模型的图表示到 拆卸网络的生成都是图论和网络原理的体现。为后续工作的方便，本章主要把与 本论文工作涉及到的一些相关概念、定理等给以简单的叙述。 2 2 基本概念 1 线图 设v 是顶点集，e 是边集，如果对每个e e ，有矿中一个定点对( 叱v ) 和对 应，则称由r 及e 组成的集为一个线图，记为g = ( v ，e ) 。顶点v 及v 。称为边p 的 端点，并说v 及v 。与e 彼此关联。 2 有向图无向图 线图g = ( 矿，e ) 中，如果顶点对( v ，v ) 是有序的，即边( v v ) 与( ，v ) 是e 中 浙江大学硕士学位论文 第二章图与网络理论 不同的元素，则此线图称为有向图。否则称为无向图。如果顶点v 和一相同，则 相应的边8 称为自回路。如果v 中某个顶点和e 中任何边均不关联，则该点称为 孤立点。 3 通路 度数：线图g = ( 虬e ) 中与某一顶点v 相关联的边数( 自回路算作两条) 称为 顶点v 的度数。 路径：线图g 中的一个顶点和边相继交错出现的序列w = v o e 。v 。e 2 e n v 。， 若其中边p 。的端点是叶一和v ，( 1 i 胛) ，则称它从v 。到v 。的一条路径，其中边的 数目胛称为它的长度。 闭链，开链：起点和终点相同的边链称为闭链；不相同的边称为开链。 通路：如果一开链中的起点v 。和终点v 。的度数为1 ，其余顶点的度数均为2 ， 则称此开链为和之间的一条通路，记为只。 4 连通图 如果线图g 中，若存在两个其间无通路的顶点，则称g 是分离图；否则， 就称为连通图。 5 回路 一个连通图中，如果每个顶点的度数都是2 ，则称此连通图为一个回路，用 它的有序边集来记，也可用它的有序顶点集来表示。 6 树 设线图g 连通且有v 个顶点，若丁是g 的一个有v 个顶点和v 一1 条边的连通 字图，则称，为g 的一棵树。 7 紧前集与紧后集 对于一个有向图g = ( 矿，f ) ，矿= ( v l ，v 2 ，v 。) ，设u ，。j 矿， _ i ( 。j , v i ) ee ，i ，) 为_ 的紧前集，记为u ， _ 为v 一的紧前； v j i ( v i ，v j ) e ，i n 为叶的紧后集，记为v _ 为- 的紧后。 称 称 浙江太学硕士学位论文 第二章图与网络理论 如果。v ，= ，即v ，的入度为零，称v ，为源点， v ，i v ，= ，v ，e y 称为源点集， 记作：如果v ，即q 的出度为零，称v 为终点， 叶 v ? = ，v 。矿 称为终 点集，记作。 8 关联集 线图g 中与顶点v 相关联的所有边的集合称为顶点v 的关联集，记为s ( v ) 。 9 割集 设s 为线图g 中的一个边集。如果 ( 2 ) 在g 中去掉s 中的全部边后，其秩减少i ， ( 3 ) s 中的任一真子集无此性质， 则称边集s 为线图的一个割集。 1 0 源集续集 对于一个有向图g = ( y ，e ) ，v f v ，所有可达v 。的点构成的集合称为叶的 源集，记为+ v ，；所有叶可达的点构成的集合称为v ；的续集，记为v j - - h 。 1 1 边权网络点权网络 网络可用线图来表示，网络中的信息是由边表示时，称为边权网络；若是由 点表示时，称为点权网络。 1 2 逻辑俐 如果有一个四元组n = ( v ，e ，f ，r ) ，其中： ( 1 ) 二元组g = ( 矿，e ) 是一个有向图，且不存在回路，v 、e 分别表示节点 集、边集； ( 2 ) f 是从e 到矿e 上的一个映射( 函数) ： ( 3 ) r 是上的与或逻辑关系，且有( ，) ( a n d ，o r ， ( ，) a n d ) 。 那么，称四元组是一个逻辑网。将g = ( 矿，e ) 称为的基本图。 显然，一个逻辑网对应一个基本图，而一个基本图组合不同的f $ h r ，可以 1 4 浙江大学硕士学位论文第二章图与网络理论 对应多个逻辑网。 1 3 与网 对于一个逻辑网n = ( 矿，e ，j r ) ，如果。，e j k ) a n d ，称为与网。 一个逻辑网可以组合出多个与图，每一个与图对应了一种可行的拆卸方案。 1 4 关联图关联网 对于一个逻辑网n = ( v ，e ，。，r ) ，其基本图是一个有向图g = ( 矿，e ) ，如果 w v ，v = + v ，u v v j w ，那么将v 7 的导出子图称为w 的正向关联图，记 为g 【暇】，仍保留g 【k 】中边集原有的厂和只，得到的逻辑网称为正向关联网， 记为 暇 ；如果v 7 = 矿u v i ，矿的导出子图称为矽的反向关联图，记为g 【彤】， 仍保留g 矿】中边集原有的和只，得到的逻辑网称为反向关联网，记为n w 】。 2 3 图的矩阵表示 1 关联矩阵 线图g = ( n e ) ，如图2 1 所示，图中虚线表示省 v 2 略了若干节点及边，可以用矩阵代替线图。用矩阵的列_ ， 表示边巳，用矩阵的行f 表示字图g i ( 顶点叶的关联 集) a 记矩阵的第f 行、第，列的元素为o f ，当边p ，和顶 图2l 无向图 点叶关联时，则置a f 2 1 ；否则口g = 0 。称由口f 组成的矩阵 。f 为线图g 的完全 关联矩阵，记为彳p 。 2 邻接矩阵 f a g = ( n e ) 为拆卸网络的基本图，v = p i ，v 2 ，) - 当v f v ，时，a 口= 1 ： 当_ 、v j 之间不存在关系时，。口= 0a 称( 口口) 。为n 的邻接矩阵，记为爿( ) 。 用数学公式表示如下： 。一0 巳 k ，、，、 心。八 百 秽玲一 q，、o 浙江大学硕士学位论文第二章图与网络理论 对应多个逻辑网。 1 3 与网 对于一个逻辑网n = ( 矿，e ，j r ) ，如果。，e j k ) a n d ，称为与网。 一个逻辑网可以组合出多个与图，每一个与图对应了一种可行的拆卸方案。 1 4 关联图关联网 对于一个逻辑网n = ( v ，e ，。，r ) ，其基本图是一个有向图g = ( 矿，e ) ，如果 w v ，v = + v ，u v v j w ，那么将v 7 的导出子图称为w 的正向关联图，记 为g 【暇】，仍保留g 【k 】中边集原有的厂和只，得到的逻辑网称为正向关联网， 记为 暇 ；如果v 7 = 矿u v i ，矿的导出子图称为矽的反向关联图，记为g 【彤】， 仍保留g 矿】中边集原有的和只，得到的逻辑网称为反向关联网，记为n w 】。 2 3 图的矩阵表示 1 关联矩阵 线图g = ( n e ) ，如图2 1 所示，图中虚线表示省 v 2 略了若干节点及边，可以用矩阵代替线图。用矩阵的列_ ， 表示边巳，用矩阵的行f 表示字图g i ( 顶点叶的关联 集) a 记矩阵的第f 行、第，列的元素为o f ，当边p ，和顶 图2l 无向图 点叶关联时，则置a f 2 1 ；否则口g = 0 。称由口f 组成的矩阵 。f 为线图g 的完全 关联矩阵，记为彳p 。 2 邻接矩阵 f a g = ( n e ) 为拆卸网络的基本图，v = p i ，v 2 ，) - 当v f v ，时，a 口= 1 ： 当_ 、v j 之间不存在关系时，。口= 0a 称( 口口) 。为n 的邻接矩阵，记为爿( ) 。 用数学公式表示如下： 。一0 巳 k ，、，、 心。八 百 秽玲一 q，、o 浙江大学硕士学位论文 第二章图与网络理论 f1 ，若v 与v 相邻 爿= 。u ，4 口21 o ，若i ，与1 ，i 不相邻 邻接矩阵只表示网络中的紧前、紧后关系，不能表示逻辑关系。邻接矩阵与 网络的基本图一一对应，因此，一个拆卸逻辑网络对应一个邻接矩阵，而一个邻 接矩阵可以对应多个拆卸逻辑网。 从邻接矩阵可以判断源点和终点。在邻接矩阵( 凹。) 中，如果第i 行所有元 素都为0 ，那么对应点h 为源点；如果第列所有元素都为0 ，那么对应的点叶为 终点；如果第i 行和列的所有元素都为0 ，那么对应的点b 为一个孤点。 3 回路矩阵 将有向图g = ( 矿，e ) 的有向边都换成无向边所得的线图g 。称为g 的伴随无 向图，在g 的伴随无向图中的回路上添加环绕指向后，则称为有向图g 的回路。 如果一矩阵kj 的行表示g 中的回路和其直和，它的列表示g 的边，若边8 ， 在回路或其直和c 。中，且方向一致，刚b f = 1 ；若方向不一致，b f 2 1 ；其它 情况下6 f = o 。则称kj 为有向图g 的完全回路矩阵。记为b ( j ) 。 4 可达矩阵 在网络中，对任意两点叶、v ，之间，如果存在一条从v f 到v ，的路径，则说v ， 可达v ，否则v ，不可达v ，。可达性用符号“i - - ) ”表示。 设g = ( e e ) 为逻辑网n 的基本图，v = ( v 1 ，v 2 ，k ) - 当_ h ”时，“f = 1 ； 当v ，、v ，之间不存在h 关系时，“f = 0 。称( 4 f ) 。，为n 的可达矩阵，记为p ( ) 。 用数学公式可表示如下： 吲咿喁= 协 如果从v 。可达v 。 如果从v ，不可达v 采用w a r s h a l l 算法“l ，可以从邻接矩阵a (