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机电产晶拆卸过程建模与规划研究 摘要 对机电产品拆卸过程进行规划是实现产品面向拆卸回收设计的有效途 径，是评价产品绿色特性的重要手段，是提高产品实际拆卸过程综合效益的 必要前提。产品的拆卸过程规划问题已成为产品面向拆卸回收设计中的核心 问题。 由于拆卸序列规划问题在数学上属于n p 完全型，即随着产品复杂程度 的提高，判断出合适的产品拆卸序列是异常困难的。本研究的主要目的，在 于探索具备较好的搜索策略，在适当图模型表达方式的基础上提出能够高效 率地求解产品拆卸序列的方法。 本文主要研究内容包含如下六个方面： ( 1 ) 建立了拆卸层次信息图( d h i g ) 模型，将产品拆卸序列的解空间 成功映射为可以执行的简单图形空间，即将产品的拆卸序列规划问题转化成 为对该加权有向图中具备最优值的路径的搜索和寻优问题。构建产品的 d h i g 模型的过程，实际上是对产品中有关信息的收集和整理过程，其中， 最主要的就是对产品中各零件间优先约束关系的判定，从而确定出d h i g 中 节点的拆卸可行性。本文设计和开发了基于c a d 系统的产品中零件间拆卸 优先约束矩阵的自动生成系统。 ( 2 ) 提出一种基于图解的蚁群优化算法( a c o ) ，以实现基于d h i g 模型对产品拆卸序列的搜索和寻优。不同于传统的拆卸分析与规划研究，这 一求解算法将最优拆卸序列的搜索进程和d h i g 模型的构建进程并行起来， 为将研究方法应用于解决实际工程问题提供了基础。针对拆卸序列规划过程 中节点之间极易产生非平衡竞争的特性，改进了基本a c o 中的概率选择方 式、信息素更新机制等，使改进后的a c o 具有较好的效能。讨论了算法的 特点，并和其它智能拆卸序列优化方法进行了比较和分析。 ( 3 ) 对于具有较多零件的产品，采用了基于灰色聚类的子拆卸体划分方 法，将产品划分为若干个适当规模的子拆卸体，该方法可有效降低d h i g 的 复杂性，提高拆卸过程建模和规划的效率。 ( 4 ) 在基于d h i g 模型和蚁群优化算法相结合的拆卸过程规划的基础 上，针对蚁群搜索到的少数几条拆卸序列( 方案) ，提出了根据信息熵进行 权重向量计算的拆卸方案综合评价方法。 哈尔滨丁挥大学博十学位论文 ( 5 ) 对基于料糙集理论的零件合并专家知识获取方法进行了研究，以逐 步扩充零件合并的设计知识库。 ( 6 ) 基于所阐述的有关基本理论和方法，设计开发了基于蚁群优化算法 的拆卸过程规划原型系统，并对其中的有关q 蛐系统二次开发的技术进行 了研究。 关键词：拆卸过程建模；拆卸层次信息图；蚁群优化算法；拆卸序列规划； 拆卸序列优化 l i 机电产品拆卸过程建模与规划研究 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nd i s a s s e m b l yp r o c e s sp l a n n i n gf o re l e c t r o m e c h a n i c a lp r o d u c t i san e c e s s a r yp a r to fp r o d u c t sd e s i g nf o rd i s a s s e m b l y & r e c y c l i n g ，w h i c hc a n e n v a l u a t et h ep r o d u c t sg r e e nc h a r a c t e r i s t i ca n de n h a n c et h ei n t e g r a t i v eb e n e f i ti n p r a c t i c a ld i s a s s e m b l yp r o c e s s t h ed i s a s s e m b l yp r o c e s sp l a n n i n gh a sb e c o m et h e c o r eo fp r o d u c t sd e s i g nf o rd i s a s s e m b l y r e c y c l i n g i n m a t h e m a t i c s ，t h ed 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 s p ) i s a n p c o m p l e t ep r o b l e m w i t ht h ei n c r e a s i n go fc o m p l e x i t yo fp r o d u c t s ，i ti sv e r y d i f f i c u l tt of i n do u tp r o p e rd i s a s s e m b l ys e q u e n c es o l u t i o n t h ew o r kp r e s e n t e di n t h i sp r o p o s a li st os e e kam e t h o dw h i c h ，b a s e do na na p p r o p r i a t eg r a p hm o d e l ， h a v et h eb e t t e rs e a r c h i n gs t r a t e g ya n dc o u l ds o l v et h ed s pp r o b l e mw i t hah i g h e f f i c i e n c y t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) d i s a s s e m b l yh i e r a r c h yi n f o r m a t i o ng r a p h ( d h i g ) i sp r e s e n t e d b a s e d o nt h i sg r a p hm o d e l ，t h es o l u t i o ns p a c eo fp r o d u c t sd i s a s s e m b l ys e q u e n c e si s m a p p e do n t oa ne x e c u t a b l ea n ds i m p l eg r a p hs p a c e n a m e l y ，t h ed s pp r o b l e mi s t r a n s f o r m e di n t oap r o b l e mo fs e a r c h i n go p t i m u mp a t hi nt h ed i r e c t e da n d w e i g h t e dg r a p h i nt e c h n o l o g y ，t h ep r o c e s s o f f u l f i l l i n gd h i gi s ap r o c e s s c o l l e c t i n g r e l e v a n t p r o d u c t s d a t a i n f o r m a t i o nf o rd i s a s s e m b l ys e q u e n c e s p l a n n i n g i n t h i s p r o c e s s ，d e t e r m i n a t i o n o fc o n s t r a i n tr e l a t i o n sb e t w e e n c o m p o n e n t si st h em o s ti m p o r t a n t ，w h i c hi sv i t a l t od i s a s s e m b l yf e a s i b i l i t yo f n o d e si nd h i g ad i s a s s e m b l yp r e c e d e n c er e s t r i c t i o nm a t r i x ( d p r m ) e x t r a c t i n gs y s t e m i s d e s i g n e d a n d d e v e l o p e d b a s e do n3d i m e n s i o nc a d p l a t f o r m s ( 2 ) a n a n tc o l o n yo p t i m i z a t i o n ( a c o ) a l g o r i t h mb a s e do nt h eg r a p hi s a p p l i e dt or e a l i z et h es e a r c ha n do p t i m i z a t i o nf o rd i s a s s e m b l ys e q u e n c ew h i c hi s s y m b o l i z e da sap a t ho nd h i g a n dd i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a lm e t h o d s ，t h i s m e t h o dc o m b i n e st h e f u l f i l l i n gp r o c e s so fd h i gw i t hs e a r c h i n gp r o c e s sf o r o p t i m u mp a t h ，w h i c hm a k eas o l i db a s ef o ra p p l y i n gt h i sm e t h o di n t oe n g i n e e r i n g i nt h ep r o c e s so fd 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 r ei sa l w a y sn o n b a l a n c e d i i i 哈尔滨丁稃人学博t 学何论文 i i c o m p e t i t i o nb e t w e e nn o d e s a i m i n gt ot h i sp r o p e r t y ，t r a n s i t i o np r o b a b i l i t i e sa n d p h e r o m o n eu p d a t er u l ea r ei m p r o v e d w h i c he n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fa c o n e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e a l g o r i t h ma r ed i s c u s s e d a n dt h ec o m p a r i s o n st oo t h e r i n t e l l i g e n td i s a s s e m b l yo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m sa r ea n a l y z e d ( 3 ) t o w a r dt h ep r o d u c t sw h i c hh a v em o r ep a r t s ，t h e m e t h o db a s e do n g r e y c l u s t e r i n gf o rs u b a s s e m b l yi d e n t i f i c a t i o n i sp r e s e n t e dt oe f f e c t i v e l yr e d u c e t h ec o m p l e x i t yo fd h i ga n df u r t h e ri m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fd i s a s s e m b l y p r o c e s sm o d e l i n ga n dp l a n n i n g h ) b a s e do nt h ea c oa l g o r i t h ma s s o c i a t e d w i t hd h i gm o d e lf o r 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 ，as y n t h e t i c a le v a l u a t i n g m e t h o df o rl i t t l e d i s a s s e m b l ys c h e m es e a r c h e db ya n tc o l o n yi sr e s e a r c h e d ，w h i c hc a l c u l a t e st h e w e i g h tv e c t o r sa c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o ne n t r o p y ( 5 ) b a s e do nt h er o u g ht h e o r y ，a ne x p e r tk n o w l e d g ee x t r a c t i o na p p r o a c h a b o u tt h ec o m p o n e n ti n t e g r a t i o ni ss t u d i e d ，w h i c hc a ne x t e n d t h ed e s i g n k n o w l e d g eb a s es t e pb ys t 印 ( 6 ) a c c o r d i n gt ot h ep r o p o s e db a s i ca p p r o a c h e s ，ap r o t o t y p es y s t e mo f d i s a s s e m b l yp r o c e s sp l a n n i n g b a s e do na c oi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d m e a n w h i l e ，s e v e r a lt e c h n i c a li s s u e sa b o u tc a ds y s t e m ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ， w h i c hi n v o l v e di nt h es y s t e m ，a r es t u d i e d 。 k e yw o r d s ：d i s a s s e m b l yp r o c e s sm o d e l i n g ，d h i g ，a c o ，d i s a s s e m b l ys e q u e n c e s p l a n n i n g ，d i s a s s e m b l ys e q u e n c e so p t i m i z i n g i v 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。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。 作者( 签字) ： e l期：珈钌年r 月黏日 第1 章绪论 第1 章绪论 本章的主要研究内容包括：产品拆卸的研究背景及意义；有关拆卸研究 的国内外研究现状，并着重对各种拆卸过程规划的研究方法进行总结；本文 研究工作的来源、内容及论文的结构安排。 1 1 产品拆卸的研究背景及意义 1 1 1 研究背景 上世纪5 0 年代以来，科技进步和经济的迅猛发展给人类创造辉煌的物质 文明的同时，也使资源投入量骤增，全球资源存量以惊人的加速度锐减，环 境污染日趋严重，人类生存环境遭受极大的破坏；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 发展的三大障碍，也使人类陷入了始料不及的严重困扰。由于长期以来片面 追求经济效益的发展，一方面破坏了宝贵的自然资源，另一方面又向环境倾 注了大量有毒、有害的污染物，导致一系列公害事件的发生。如英国伦敦的 烟雾事件、日本的水俣病事件、“痛痛 病事件，以及刚刚过去的松花江水 污染事件等。环境问题已从局部的、小范围的环境污染与破坏演变成区域性 的、全球性的问题。一系列的重大环境灾难、危机和困境已经表明，这种依 靠掠夺自然资源的传统发展模式已经走进了死胡同，人类不可能任意地改造 自然环境和无限制地利用地球资源，其生存和活动必然受到地球自然生态系 统的发展及其规律的制约。2 0 世纪7 0 年代以后，人们开始从全球的角度思 考环境污染问题。1 9 7 2 年6 月，联合国在斯德哥尔摩召开了有史以来第一次 人类环境会议，会议通过了人类环境宣言和人类环境行动计划。明 确提出人类“只有一个地球”，人们应该对赖以生存的地球给予关心和保护。 这次会议表明人类对自身活动所产生的后果开始有了明确的反思。1 9 8 7 年， 联合国世界环境与发展委员会提出我们共同的未来报告，明确提出“可 持续发展 的思想，并给出了基本的阐释【1 j ：可持续发展是既满足当代人的 需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展。1 9 9 2 年6 月，联合 国环境与发展会议在巴西里约热内卢召开，会议讨论并通过了2 1 世纪议 哈尔滨f 程大学博十学 ：7 ：论文 程，第一次把可持续发展由理论推向行动。以这次大会为标志，人类对环 境与发展的认识提高到了新的阶段，即环境与发展密不可分，两者相辅相成： 要促进发展，就必须同时考虑环境的保护和治理；而环境污染问题的根本解 决，也必须通过经济的发展，在发展过程中加以解决。这次会议标志着可持 续发展的思想逐步从理论走向实践。 可持续发展是人类探索发展的一种新思路，它不仅涉及到人类未来的前 途和命运，而且对人们的思维方式、生产和生活方式都将产生巨大的影响。 系统的可持续发展思想包含三方面内容：在人与资源方面，保持资源永续利 用；在人与环境方面，建立生态文明；在经济与社会方面，提高生活质量。 为此，美国在1 9 9 3 年6 月成立了“总统可持续发展理事会( p c s d ) ，并 于1 9 9 6 年2 月出台了“美国国家可持续发展战略可持续的美国和新的共 识 ( s u s t a i n a b l ea m e r i c a ：an e wc o n s e n s u sf o rp r o s p e r i t y ，o p p o r t u n i t y ，a h e a l t he n v i r o n m e n tf o rt h ef u t u r e ) 。报告称一个可持续发展的美国应该是这 样一个国家，他能使国家的经济不断增长，从而为当今美国人民及其子孙后 代提供平等的机会，并确保他们拥有一个安全、健康、高质量和令人满意的 生活。欧盟在1 9 9 3 年2 月通过了第五个环境计划，又叫环境与可持续发展新 战略，强调人类社会和经济的发展要以保护自然和环境质量为基础，推进和 鼓励资源的再利用等。日本于1 9 9 4 年提出了日本2 1 世纪议程行动计划，目 标是建立一个减轻环境负荷的可持续发展的社会，重点是从环境要求的角度 对国民生活方式本身进行变革。东盟在1 9 9 4 年4 月通过了“东盟环境战略行 绿 色 制 造 的 研 究 内 容 体 系 绿色制造的理论 体系和总体技术 绿色制造的 专题技术 绿色制造的 支撑技术 绿色制造的理论体系 绿色制造的体系结构和多生命周期丁：程 绿色带啦卷的系统运行模式尚跑纬蜒赁统 绿色制造的物能资源系统 绿色设计技术 绿色材料选择技术 绿色： 艺规划技术 绿色包装技术 绿色处理技术 绿色制造的数据库和知识库 制造系统环境影响评估系统 绿色e r p 管理模式和绿色供应链 绿色制造的实施 ：具和产品 图1 1 绿色制造的研究内容体系框架 f i g 1 1t h ef r a m eo fr e s e a r c hc o n t e n to fg r e e nm a n u f a c t u r i n g 2 第1 章绪论 动计划”，把环境和发展的问题纳入了区域框架的决策过程。1 9 9 4 年3 月， 我国制定了中国2 1 世纪议程，内容涉及社会可持续发展、经济可持续发 展、资源与环境的合理利用与保护等【2 1 。2 0 0 7 年1 0 月，中国共产党第十七次 全国代表大会明确提出全面建设小康社会奋斗目标的新要求，其中提出要“建 设生态文明，基本形成节约能源资源和保护生态环境的产业结构、增长方式、 消费模式。循环经济形成较大规模，可再生能源比重显著上升。主要污染物 排放得到有效控制，生态环境质量明显改善。生态文明观念在全社会牢固树 立”。这是我们党首次把“生态文明 这一理念写进党的行动纲领。 制造业是国民经济的支柱产业，在工业化国家，约有7 0 8 0 的物质 财富来自制造业【3 】：然而，另一方面，制造业又是耗能、耗材、污染排放的 主要行业之一。据统计，造成环境污染的排放物有7 0 以上来自制造业。以 往，针对制造 业造成的资 源消耗和环? 境污染，往往 采用末端治 理方式，甚至 “先污染、后 治理 。实践 表明，这样的 做法无法从 根本上实现 资源节约和 环境保护，不 符合可持续 发展的要求。 为此，人们逐 步提出并发 展了绿色制 造理论及技 术，希望从源 头上遏制环 境污染，节约 资源与能源。 绿色设计 蔫i ：圈图匿 删瓣噍 掣 t 不可再生 废弃物 可再生 废弃物 | | h 垂h 攀h 囊k 废弃物 其材料可再ii 可修补或改i l 可重用的 生的零部件li 制的零部件li零部件 产 u 口口 拆 卸 图1 2 产品拆卸回收在绿色设计中的地位 f i g 1 2t h es t a t u so fd i s a s s e m b l ya n dr e c y c l i n gi ng r e e nd e s i g n 3 -、itii，r 一回理设 一靼 一产收方 一、 门川u、 百阴装案计一i丽雠旅盟i 哈尔滨1 ：群人学博十学何论文 绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目标是使 得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对 环境负面影响最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优 化。绿色制造的研究内容如图1 1 所示【引，其中，绿色处理技术的目的是保证 产品废弃后可以得到有效的回收利用和妥善的处置。对废弃产品可以采用如 下的处理方式：保持原有功能的重用( r e u s i n g ) ，改变使用目的的用于( u s i n g o n ) ，作为原材料使用的利用( u t i l i z i n g ) ，在政府认可的垃圾填埋场倾倒 ( d u m p i n g ) 等。回收是指上述除倾倒外的所有处理方式。产品或部件在回收 之前通常要经过某些前期的处理，如拆卸、粉碎和分选。本文主要研究绿色 设计中面向拆卸回收的产品设计方法，包括拆卸过程建模、拆卸序列规划、 拆卸序列优化，以及改善产品的可拆卸性等内容，如图1 2 所示1 5 j 。 1 1 2 研究意义 本文工作的研究意义在于： ( 1 ) 产品的拆卸是产品绿色制造体系中的重要组成部分，深入研究产品 的拆卸将对绿色产品的开发、生产、使用和回收起到不可替代的推动作用。 同时，拆卸作为产品生命周期中的一个重要环节，对拆卸问题的深入研究也 是产品生命周期评价发展的必然要求； ( 2 ) 产品拆卸过程规划的研究成果将为新产品的开发和生产企业提供有 力的技术支持。集成了拆卸过程规划的、基于产品生命周期的产品开发辅助 工具( 软件、手册等) 将帮助产品设计人员开发出生命周期综合效益最佳的 产品。当然，这样的产品将具有生命周期意义上的最佳拆卸回收性； ( 3 ) 法律和政府是推动废旧产品拆卸回收的主要动力之一。深入研究产 品的拆卸过程规划，准确、完整地了解产品拆卸过程的经济性和环境协调性， 将为国家和政府在产品拆卸回收方面的立法和执法提供技术上的支持【6 j 。 1 2 产品拆卸的国内外研究现状及分析 拆卸是产品回收和重用的前提，产品拆卸性能的好坏对产品使用过程中 的维护及废弃淘汰后的有效回收、重用等均具有重要意义【7 8 1 。因此面向产品 拆卸回收的设计已经成为现代绿色制造技术研究中的重要内容。在过去的十 多年里，随着其重要性受到了越来越多的肯定，在世界范围内，众多的学者 和研究机构在这一领域进行了深入的探索，取得了非常积极的发展和进步。 4 第1 章绪论 对机电产品进行拆卸的主要目的是： ( 1 ) 从产品中获得贵重的材料和有价值的零部件，以便直接或经过再制 造获得重新利用； ( 2 ) 通过初步拆卸，简化需要粉碎处理的部件的材料组成，从而简化后 续的分类处理，提高回收材料的纯度； ( 3 ) 从产品中剔除可能损害回收设备的高强度零部件； ( 4 ) 从产品中取出对环境和人体有害的材料。 可以按照不同的标准对拆卸进行分类。按拆卸操作对零部件的损伤程度， 可以分为：非破坏性拆卸、部分破坏性拆卸和完全破坏性拆卸1 9 1 。按产品的 拆解程度，可以分为：完全拆卸和目标拆卸f 1 0 j 。 拆卸常常作为研究装配规划的工具，因此理论上讲也可以利用装配的逆 过程研究拆卸问题。但是，实际上拆卸与装配逆过程之间具有如下显著的区 别【1 1 1 4 】： ( 1 ) 由于使用过程中零部件的腐蚀、磨损、更换、丢失等原因，造成待 拆卸产品状态的不确定性，从而拆卸目标也是不确定的； ( 2 ) 送入拆卸线的往往是多种不同类型、不同品牌、不同型号的产品； ( 3 ) 同一拆卸工位的操作任务往往是变化的； ( 4 ) 拆卸过程往往不需要进行完全拆卸； ( 5 ) 与装配相比，拆卸对精度的要求不高； ( 6 ) 与装配相比，拆卸的自动化水平非常低； ( 7 ) 面向拆卸的设计还没有像面向装配的设计那样受到产品设计者的广 泛接受。 在斯坦福大学的模型制造实验室，k o s u k ei 等人在面向拆卸的设计 ( d e s i g nf o rd i s a s s e m b l y ，d f d ) 、产品的废弃( e n do fl i f e ，e o l ) 策略等方面的 研究对整个世界d f d 研究都起到了积极的推动作用【1 5 j 。1 9 9 3 年，意大利的 j o v a n ef 、丹麦的a l t i n gl 及德国的一些研究人员在c i r p 年会上发表的文章 “ak e yi s s u ei np r o d u c tl i f ec y c l e ：d i s a s s e m b l y 成为在拆卸研究中承上启下、 继往开来的一篇论文，被这一领域的研究人员广泛引用。 当前，机电产品拆卸回收理论的研究主要分以下几个方面：可拆卸性设 计、产品拆卸过程建模、拆卸序列规划、可拆卸性评估及改进等。 1 2 1 可拆卸性设计 当时还在以色列读书的德国人z u s s m a n 认为产品报废后的回收成本中只 5 哈尔滨t 程大学博十学何论文 有1 0 2 0 与回收工艺有关，其余的在设计阶段就已经决定了引。为了改善 产品的可拆卸性、简化产品的拆卸操作或使之可以自动化、降低拆卸带来的 产品回收成本、提高拆卸过程对环境和操作工人的友好性，在产品设计阶段 就考虑产品废弃后的拆卸所面临的各种问题，并使之在设计阶段就得以妥善 解决。可拆卸性设计要求在产品的设计阶段除了满足传统设计的要求( 功能、 性能等) 以外，还将产品的可拆卸性作为结构设计的一个目标，使产品的连 接结构易于装配、拆卸、维护方便，并在产品废弃后实现零件或材料的再利 用，达到节约资源和能源，保护环境的目的。 国内外学者对可拆卸性设计进行了详细深入的研究。德国的k a h m e y e r 给出了产品设计的草图阶段、详细设计阶段的可拆卸性设计准则，并指出每 项准则对于手工拆卸、自动化拆卸、维修、再制造和材料回收等阶段的影响 程度【r 7 1 。美国的m o k 等提出的设计准则根据打分的方法给予量化【1 8 】。国内 合肥工业大学的刘志峰等介绍了可拆卸性设计的目的、意义、框架、评价指 标、设计准则等，并结合实例对可拆卸性设计准则、拆卸系统设计进行了详 细深入的阐述1 1 9 】。e t h 根据对各种可拆卸性设计准则的分析，提出了产品设 计过程中当可拆卸性设计准则之间出现冲突时的评价方法，可以对发生冲突 的相关准则做出最终决策【2 u j 。 一些著名的公司和国家研究机构也开展了关于可拆卸性设计的研究。 i b m 提出了“拆卸设计准则”【2 1 1 ，惠普公司设计了最小程度使用紧固件的可 拆卸式打印机和计算机【2 2 l ，德国还颁布了v d i 2 2 4 3 设计标型矧。 可拆卸性设计方法通过制订一些设计准则来指导设计人员，以有利于产 品废弃之后的回收处理为出发点，改进产品的设计。在设计过程中有时准则 之间会产生矛盾或冲突，而且还可能与产品的功能技术方面所需的设计方案 产生矛盾，此时应根据产品的具体结构特点、功能、应用场合等综合考虑， 从技术、经济和环境三方面进行全局协调优化。当前，国内外对于可拆卸性 设计的研究已经比较系统和成熟。表1 1 列举了目前通用的d f d 准则i 孙2 剐。 1 2 2 拆卸过程规划 产品的拆卸过程规划是产品拆卸回收研究中的核心内容，主要是为了解 决在一定的目标和约束条件下对废弃产品“如何拆卸”的问题，规划的结果 是从待拆卸产品开始、到获得所有需要的零部件和材料为止的拆卸操作的序 列。当产品零件数目过多或零件配合关系复杂时，产品的拆卸序列数目将会 很多，要使拆卸方便，安全可靠，成本最低，还需要从众多的拆卸序列中找 6 第1 章绪论 表1 1 面向拆卸的设计准则 t a b 1 1r u l eo fd e s i g nf o rd i s a s s e m b l y 类别准则类别准则 减少使用材料的种类 拆卸过程中保证产品具有稳定性 减少拆采用可兼容的材料废液易于排放 卸工作合并需要拆卸的零件使用易于拆卸或破坏的紧固件 量 使需要拆卸的零件易于获得减少紧圃件数量 产品模块化设计多数零件采用相同的紧固方式 防止产注意材料的结合，避免化学反应采用简易的紧固方式 品结构 避免易腐蚀材料处于腐蚀环境 易于 改变 避免零部件被污染 拆卸 易于到达拆卸或切割位置 避免零件复杂的拆卸路径 易于 避免零件表面的二次处理避免在塑料件内嵌入金属 对不同材料进行标识零部件表面易于抓取 分离 避免危害同收设备的零件和材料避免t t n i j 性零部件 减少多 采用标准零部件和紧固件对有毒物质进行密封 样性 尽可能减少紧同件类型的数量 到最优( 经济最优或综合最优) 的拆卸序列。正如美国著名学者m g u p t a 所 指出的那样，拆卸过程规划对产品的拆卸效率和成本具有直接的和主要的影 响1 2 邺2 j 。产品的拆卸过程规划有着广泛的用途，主要可以归纳为如下几点： ( 1 ) 新产品设计时考虑其可拆卸性能； ( 2 ) 产品生命周期终结时候，拆卸回收设计和规划； ( 3 ) 复杂产品的维修设计。 一般来讲，拆卸过程规划包括拆卸过程建模、拆卸序列生成和拆卸序列 评价三个部分【3 3 】。建立拆卸过程模型就是将待求解问题抽象为用一定形式表 示的模型，以此求得问题的解。拆卸序列生成是指获得产品所有可能的拆卸 序列，每拆卸序列由若干有序排列的拆卸操作构成。这一阶段生成的产品 所有可能的拆卸序列形成了拆卸过程优化的搜索域。拆卸序列评价是在一定 的评价指标和评价方法的基础上，对产品所有可能的拆卸序列进行评价，以 从中获得最优或较优的拆卸序列。 目前，拆卸过程规划的主要方法有基于图的拆卸过程规划方法、线性规 划方法、启发式方法等。 7 哈尔滨下程人学博士学位论文 1 2 2 1 基于图的拆卸过程规划 从2 0 世纪9 0 年代开始，基于计算机系统的产品拆卸序列规划研究方法 得到了快速的发展。在这个研究领域内，各种拆卸序列( 方案) 的解空间都 是以a n d o r 图或者它的某种变形的方式来表达的。1 9 8 4 年，美国的 b o u r j a u l t 提出了产品装配结构的关联图方法i 州，图中各个节点代表装配体中 的各个零部件，节点之间的连线代表零部件之间的装配连接关系，以装配连 接图为输入信息，针对装配操作的几何可行性，由用户根据装配体的几何结 构设计信息进行一系列的y e s n o 形式的人机交互式回答。根据这些回答结 果，利用算法自动搜索出所有的几何可行装配顺序。这种“图模型+ 分析方法 的基本思想，为后来众多面向装配拆卸的设计和装配拆卸工艺规划研究提供 了非常重要的指南。 美国得克萨斯理工大学的z h a n ghc 和k u otc 提出用零件紧固件图进 行拆卸过程规划【3 5 钟】。通过4 个步骤来确定拆卸序列：用零件紧固件图分析 产品装配关系；寻找图的割点，把产品分解成几个子装配体，以简化拆卸操 作；评估拆卸优先权，确定零件在现阶段是否能被拆卸；在废旧产品装配关 系的基础上，构造拆卸树，生成拆卸序列。同时，合肥工业大学的潘晓勇等 也提出采用割集的方法生成产品的拆卸序列p 圳。 日本名古屋大学的s u z u k it 等采用拆卸p e t r i 网模型进行拆卸序列规划 【3 9 1 。在拆卸p e t r i 网模型中，库所代表子装配体的状态，包含构成子装配体的 零件集、位置、子装配体的定位和固定零件等信息；变迁表示一项任务，如 装载、卸载或拆卸。同时对拆卸p e t r i 网模型进行深入研究的还有美国的m o o r e ke 1 4 0 , 4 、美国新泽西理工学院的t a n gy i n g l 4 2 , 4 3 1 、以色列理工学院的z u s s m a n e h 4 j 、重庆大学的冉振亚等 4 5 1 。z u s s m a ne 通过深度优先搜索p e t r i 网的可达 标识数来生成拆卸序列，并得到经济性最优的拆卸序列。 美国的h o m e mdm 和s a n d e r s o n 采用a n d o r 图进行装拆序列规划1 4 6 1 。 在a n d o r 中，顶点表示产品及其零部件，超边表示技术上可行的拆卸操作。 显然，产品的a n d o r 图描述了产品中所有可能的装配拆卸序列方案的解 集，即对产品进行装配拆卸方案全部的组合排列。这些方法都是先求得产品 的拆卸顺序，以拆卸顺序的逆顺序生成产品的装配顺序，因此他们的方法同 样可以用来研究产品的拆卸序列规划问题。同时对a n d o r 图模型进行深入 研究的还有德国的z u s s m a ne 【明、瑞士的k a n gjg i s i 、荷兰的l a m b e r taj d 1 1 2 】、清华大学的高建冈1 j 4 8 , 4 9 1 等。 第1 章绪论 日本的k a n a is 采用多视图方法进行拆卸过程规划【5 0 j 。他提出用四种 不同的图( 回收状态模型、产品配置模型、产品联接模型、过程模型) ，对 产品和过程( 回收状态的确定、拆卸、粉碎、材料分选、回收状态的检查) 进行统一建模，同时提出在拆卸、粉碎和分选过程中转化图结构的准则和程 序，进行图的拓扑和顶点属性的变化，如图1 3 所示。 咖o m 舶j t l m o 一c o a l h ：l o a q 锄 p m c m s g a a 坤1 6 j g 嘞西d 巍画 主一出* w 崎 建 蚤画 一( ) 孑弋 图1 3 产品和过程的多视图建模 f i g 1 3g r a p h - b a s e dm o d e l so fp r o d u c ta n dp r o c e s s 法国的t o u z a n n ef 提出不同精度的三种拆卸过程描述：产品级、操作方 式级和系统级【5 2 l 。美国的t a n gy i n g 提出一种针对集成的柔性拆卸系统的拆 卸规划方法f 5 3 ，5 引，利用工作站p e t r i 网和产品p e t r i 网进行层次化和模块化建 模，以获得具有最高e o l 值的最优拆卸序列。大同职业技术学院的姚丽英1 5 引、 浙江大学的z h a n gl 【5 引、青岛科技大学的张廷凯【5 7 1 等利用产品中零部件间的 层次结构，建立产品的分层结构模型进行拆卸序列规划。合肥工业大学的郭 伟祥基于模块化思想和层次网络图模型相结合的方法进行拆卸过程建模和规 划【5 8 1 。 一般而言，随着产品结构的逐渐复杂，产品拆卸方案的解空间越来越大 ( 组合爆炸) ，使得发现合适的拆卸方案变得很困难，因此组合爆炸常常是 这一领域中众多的研究方法在可操作性上面临的一个巨大的挑战。基于这样 的原因，启发式算法常常被应用来解决这一问题，期望能够以较高的效率找 到( 近似) 优化的方案。 1 2 2 2 基于启发式算法的拆卸过程规划 从9 0 年代开始，通过启发式方法来求解产品的装配、拆卸序列问题，已 经成为这个研究领域的重要方向。以前面的研究为发端，产品的“拆卸模型 ( 图) + 方案的寻优算法 逐步成为了产品的拆卸过程规划研究领域的一个基 本的研究思路。中国台湾的学者h u a n gh s i n h a o 对照了旅行商( t r a v e l i n g s a l e s m a np r o b l e m ，t s p ) 问题和拆卸序列规划问题的一些相似特点，提出了 9 哈尔滨r 榨大学博十学何论文 一个使用h o p f i e l d 网络来求解拆卸序列规划问题的方法1 5 9 j 。美国的c h u c k z h a n g 等提出了一个基于模拟退火算法来优化产品的拆卸规划方案的方法 【删。首先用装配连接图的方法对产品的装配关系建模，然后主要以拆卸方案 的经济性为目标建立评判函数，通过模拟退火算法来求解优化的拆卸方案。 在美国，著名学者m g u p t a 和他领导的团队在使用启发式工具求解产品的拆 卸序列规划的研究中做出了积极的探索1 6 。 美国东北大学的k o n g a r 和g u p t a 介绍了一种使用遗传算法来求解拆卸序 列规划问题的方法【6 2 1 ，将产品的有关拆卸信息直接定义在染色体中，基因段 主要分为三个部分：元件的拆卸序列、元件的拆卸方向和元件的拆卸方式， 如图1 4 所示。在遗传操作过程中，交叉算子采用优先保存交叉法，其实现 原理如图1 5 所示；而变异算子采用随机概率法。同时，为了防止产生违背 初始优先关系的子代，在使用的交叉算子和变异算子上加了相应的判别和处 理机制，以保证染色体的合法性与可行性。显然，这一染色体的结构非常复 c h r o m o s o m e ： 270 6 4l5 38 9 j 批咄秒桫喈+ x 呓秒时叫d d d d d 元件的拆卸序列 元件的拆卸方向元件的拆卸方式 图1 4 美国的k o n g a r 和g u p t a 设计的染色体结构 f i g 1 4c h r o m o s o m e ss t r u c t u r ed e s i g n e db yk o n g a r g u p t ai na m e r i c a p a r e n ti ：2i9 7 6 0 8s3 t4 - r 竹节畸秒咭畸秒- z , n n d d d d n n d n 嘲2 ：1 0 7 2 6 8 4 9 35 恬+ v - x 惯椤q 嵋- y 桫喝n d d k d n n d d n s i n e = f i r e 缸两咖幽弘：础铀】y t h e f i r t tr , m o f t h e 芦艏她商嘲椭峨晰湖叠叫，l “y t h e t w o 舶i n 萨酗自弛娜霞 p a r e n ti ：2i9 7 6 0 8 5 3 4 p a r e n t 2 ：1 0 72 6 8 4 93 5 n e x t 眦c r e a t et h em a s ka r r a y sf o rt h et w oc h f l d n m t h em a s k sc o n s i s to fn u m b e r sia n d2r e p r e s e n t i n gt i t * 弘l 磁吐m 埔l b e r f r o mw h i c ht l l eg , c n ei ss e l e c t “1 a 曩r m 站t h a tt h et w o 门岫d 嘲l n a s k $ f o rc h i l dla n dd 蚯l d2 峨罄f o l l o w s ： m a s k f o r c h l i d l ：2 2 2 il2 2 2 l2 m a s k f o r c h i l d2 ：2 l l2 l2 2 l2 2 1 弧t h ef i r s tp a r to f t i md 晒寸“哆啊l 瞄o f c h i l dla n dc h i l d2b a x 幢t ： c h i l d l ：1 0 72 9 6 8 4 5 ， c h i l d 2 ：1 2 9 0 7 68 5 43 t h u st i md l a o l n 0 6 0 i l l 虻$ o f c h i 阳la n dc h i l d2 铷kw r i t t t m 然 c h i l d l ：10 7 29 6 8 4 5 3 仃秒省鸭哕桫畸嵋嵋协l e d d n d d n n n d c