（机械设计及理论专业论文）部分破坏模式下的机电产品拆卸序列规划方法研究.pdf

摘要 目前，中国制造业面临着来自资源浪费和环境污染的双重压力，解决这些问 题的关键便是走一条符合制造业的可持续发展路线，制造业的可持续发展不仅仅 要求我们在产品的设计之初便考虑产品全生命周期中可能存在的资源浪费和环 境污染问题，同时也要求我们寻找到一种切实有效的方法来解决大量已经或即将 报废的机电产品；因此，拆卸回收将是处理这些堆积如山的产品的唯一有效途径。 然而现有的拆卸方法只是小作坊式的盲目性拆卸，对于复杂的机电产品，这种拆 卸方式不仅效率低，而且还会造成环境的污染，甚至对拆卸人员的身体健康会存 在潜在的威胁；计算机辅助的产品拆卸序列规划方法能较好地解决回收产品特别 是复杂产品的拆卸问题，拆卸序列规划是指根据产品的内部结构和装配约束关系 等信息，生成满足一定条件的拆卸路径的过程。根据拆卸方式的不同，拆卸可分 为完全破坏性拆卸、部分破坏性拆卸和非破坏性拆卸。现有的拆卸序列规划方法 主要立足于常规拆卸方法，即采用非破坏性拆卸方式对产品进行拆卸；因而无法 合理解决在拆卸序列规划和按照规划后的路径进行实际拆卸时遇到的零部件的 理论不可拆卸性( n d t ) 和实际不可拆卸性( n d p ) 等问题。而这些问题的产生 会在一定程度上降低拆卸效率、增加拆卸成本。 为了解决拆卸序列规划过程中零部件的理论不可拆卸性问题，本文提出了部 分破坏模式下n d t 问题的机电产品拆卸序列规划方法，该方法立足于解决常规拆 卸序列生成时产生的“绕弯”现象，通过提出零部件强制约束方向集来搜索出理 论不可拆卸点，并提出了基于目标反推法( o i m ) 的目标拆卸序列生成方法以得 到物理最短拆卸路径；分别构建了两种模式下的拆卸成本判据，并在优化算法下 完成两种拆卸序列的成本比较，最终生成相应的拆卸方案和最优拆卸序列。结果 表明，该方法提高了拆卸效率、降低了拆卸成本。 同时，为解决实际拆卸过程中可能遇到的实际不可拆卸性问题，本文提出了 部分破坏模式下n d p 问题的产品拆卸序列规划方法提出了模型重构方法，该 方法通过构建已拆卸零部件d p 、受影响零部件集s a p 、子受影响零部件集s s a p ， 实现模型的更新；根据目标拆卸体是否受影响并结合拆卸序列优化算法来产生具 体的拆卸方案和拆卸序列。结果表明该方法较好地解决了n d p 问题，产生了切 实可行的拆卸方案和拆卸序列，大大降低了拆卸成本。 为验证所述方法在解决n d t 和n d p 问题时的有效性，本文在m a t l a b 软件和 s q ls e r v e r 的基础上，开发了一套部分破坏模式下的机电产品拆卸序列规划仿真 系统。该系统分为三大模块，分别是产品拆卸信息建模初始化、n d t 下的拆卸序 列规划模块和n d p 下的拆卸序列规划模块。产品拆卸信息建模初始化是将产品拆 卸信息输入到s q l 数据库中，作为具体实施序列规划的信息基础；n d t 下的拆卸 序列规划模块和n d p 下的拆卸序列规划模块分别解决两种不可拆卸性问题，两个 模块的关系是即相互联系又具有一定的独立性。 最后以滚筒洗衣机为例，证明了所述方法的正确性和有效性，避免了常规拆 卸可能发生的“绕弯”现象以及在实际拆卸过程中的零部件不可拆卸问题，大大 提高了拆卸效率、降低了拆卸成本；同时也验证了部分破坏模式下的机电产品拆 卸序列规划仿真系统的实用性。 关键词：部分破坏模式；拆卸序列规划；理论不可拆卸性；成本判据；实际 不可拆卸性；模型重构 a b s t r a c t a tp r e s e n ：t c b i 玎讨sm a n u f a c t u r i n gi i l d l l j s 由哆i sf a c i n gt l l ed l l a lp s 娜r e s 丘o mt h e 触o fr e s o u r c e s 踮de n v 衲锄e n t a lp o l 蜥o n t h ek e yt 0s o l v e 廿l e p r o b l e m si st 0 t a ：k ea 鲫s t a i l l a b l ed e v e l o p m e n tp 础i i ll i i 圮w i t l lm 舭m f a c t u r i n g m 锄u i 敏加r i n go f 跚或a i l l a ：b l ed e v e l o p m e n tr e q u i r e sl l sn o to i l l yt 0t a ：k eb o mo fw a s t eo fr e s o u r c e s 锄d e n v 衲i n e n t a lp o l l u t i o ni n t oa c i 咖m ti ne 砌yp r o d u c tl i f ec y c l e ，b u t2 l l s 0r e q u 讹su st 0 f i n da l le 旋c t i v e 、) i 唧t 0s o l v ea l 哪笋姗m 1 ) e ro fe l e c 叻m e “c a lp r o d u c t sw b j c h h a v e b e e no r 诵l lb es c r 印p e d n e r e 蠡淝，d i s a s s e m b l yr e c y c l i n gi sa 伊e a l 孤d 疵q u e w a yt 0d e a lw i 也廿1 0 l 础o fp r o d u c t s 1 ke x i s t i i l gd i s 弱s e n l b l yw a yw k c hi s b l i n d l l e s sd i s 嬲s e m b l yi nas m a l lw o 畦s h o pi sn o tg p o d ；h 0 、v e v e r s u c hw a yi s i n e 行j c i e m 锄d 瑚yc a 嶙e 伽v 衲m 玳舡魄lp o l l u t i o n 锄de v i nap o t e n t i a lm r e a tt 0m e h e a j t ho fw o r k e r se s p e c i a l l yf o rc 唧l e xe l c c i 仃伪n e c h a i l i c a lp r o d u c t s c o m p u t e r - a i d e d p r o d l i c td i s a s s 锄b l y q u e n c ep l 锄m i i l gm e m o dc 趾b e t t e rs o l v e l i sp b l e m d i s 嬲s e m b l ys e q l l c i n c ep l 孤1 1 1 i l 唱i saw a y 、) 1 7 1 1 1 i c hc 锄舒锄e f a ：t e 也ep a t l lt og l l i d en l e p r o c e s so fd i s 嬲s 既n b l yb a s e d o nm ep r o d l 觚i n t e m a l 鼬m c t i l r e 觚d 嬲s 锄b l y c 0 舾吼m t 陀l 撕o n s ：i 卸锄d 酣埘a t i o n d i s 够s e m b l yc 趾b ed i v i d e di n t 0m r e e t ) ，p e s ：c o m p l e t e d e s 仃u c t i o n d i s 嬲m b l y ，p a r t i a l d e s t r u c t i o n d i s 嬲泪曲l y 锄d n o n d e s t r u c t i o nd i s 雒s e m b l y e x i s t i n gd i s 舔s e m b l ys o q u i m c ep l a l l n i l 玛m 础o d sa r e b 嬲e do nm en o n d e s 咖m i o nd i s a s 锨n b l ym e t h o d ，w 量l i c hc 趾n o tb er e 嬲o n a b l y r e s o l v e di n也e p r o b l e m s o f n o n - d i s 雒m b l y o f 1 1 1 e o 巧( n d d a n d n 0 n - d i s a s s 锄b l yo fp r o c e s s 科d p ) n l e p r o b l e i n sm a y 曩e d u c e 也ed i s 弱s e m b l y e 佑c i e n c ya n di n c r e 勰e 廿1 ec o s to fd i s 嬲s 即曲l y ho m e rt 0s o l v et 1 1 e p r o b l e mo fn d t ，t l l i sp a p e rp r e 蛔也am 甜1 0 do f e l e c t r o i n e c l m l l i c m p r o d u c td i s 髂s e m b l y q l i e n c ep l 觚n i n g b a s e do np a r t i a l d e s 觚l c t i o nm o d en d t p b l e i n s am e m o do fp a n sd i s 嬲s 锄b l yd i r c 嘶h a sb e 饥 p r o p o s e d 扔s e a r c h 蠡map 0 洫w l i i c hc 缸n o tb c l i s 嬲鲫【n b l e dm e o r e t i c a l l y 1 1 l i s p a p e ra l s op r e s 铷峪t l l eo b j e c t i v e si n v e r m e m o d ( o i m ) 幻0 l t a i nm ep h y s i c a l m s h o r t e s td i s 雒s e m b l yp a t h t h e nm ed i s 私s e 加b l yc 0 s t 嘶t e r i aa r ec c i n 鲫m c t e du n l e r 廿1 e 觚om o d e l s ，锄df m a l l yg e n e 豫：t et l l eo p t 捌d i s 髂s e m b l ys e i q u e i l c eb y 也e c o m p a r i s o nk 呛雠nt 、) l ，od i s 弱s e m b l ys e q 啪c e s t h er e s l l l t ss h o w 也a lt h em 砒o d i m p r 0 v e st 1 1 ed i s 觞础l ye 伍c i 锄c ya n d r e d l l c e st h ec o s to fd i s a s s e m b l y i i lo r d e rt 0s o l v et h ep r o b l e mo fn d p ，l i sp a p e rp r e s e n t s 恤e l e c 臼o m e c l l a 血c a l p r o d u c td i s 弱s e m b l ys e q u 髓c ep l a n i l i n gm e 也0 db a s e d0 np a i t i a ld e s 咖商0 nm o d e n d pp r o b l e m s np r o p o s e sam e 埘o fm o d e lr e hw 扯c hc o n s 臼眦t s 廿1 e d i s 嬲s e m b l e dp a r t s ( d p ) 觚dn l es c to f 胡f - e c t e dp a r t s ( s a da n dm es u b - s e to fa 旋c t e d p a n s ( s s a p ) t 0u 1 ) d a t et 1 1 em o d e a n dt l l e ng e 玳：均：t et h ed i s 勰s 锄b l ym d 锄d q l l 如c eb y 廿l ep r o p o s e do p t i m i z a t i o na l g o r i 也m t h er e s m t s 趾i o wt l l a tm em e m o d c 龃s 0 l v e 龇n d p p r o b l e m 锄d 刚u c e 恤c o s t o f d i 娜s e 曲l y t m sp a p e r 础l | 汜sad i s a s s e n l b l ys e q u e n c ep l 捌n gs i 埘l l n a t i o ns y s t e mb yt h e s o f 、a m a t l a ba n ds q ls e n ，e rt 0v 嘶鸟m ea b o v em e t h o d 1 1 圮s y s t e mi sd i v i d e d i n ：t 0t h r e em o d u l e s ：t l l e d i s 雒s e m b l yi i 面m a t i o nm o d e l i n gi i l i t i a l i z a t i o 玛妇1 e d i s a s s 即1 b l y 踺i q u 即c ep l 锄山唱m o 叫eu 】甜e rn d t 雒dm ed i 娜s e m b l ys e q l l e n c e p l 锄她m o 咖em d e rn d p t h ee 疏c to fm ed i 娜s e m b l y 砌瑚a t i o nm o d e l 吨 蛔i t i a l 溉i o ni st oc o i l s 缸u c ln l ei n f i o 如a a t i o nb 嬲e m e n tf 0 r p r o d u c td i s 觞s 锄b l yb y 呻眦吨m ei i 曲m a t i o n 硫ds q ld a t a b a s e t h ed i 娜s e m b l y q u e n c ep l 咖崦 m o d u l e s0 fn d t 锄dn d pc 锄s 0 l v et 、) i ，od i 蜀f e r e n td i s 嬲s e m b l yp r o b l e m ，r e s p e c t i v e l y 1 1 1 e 托l a t i o 璐l l i p 衄m e t 、0 删e s i s i l o t o i d y l i n l 【e db u ta l s 0 砌印e n d e n t f i i l a l l y t a d n gm ed l - u mw 嬲h i n gm a c l l i n ef 0 r 唧l et 0p r 0 v e 也ec o n c c 屯【l e s s a n de 行e 曲v e n e s so f 缸l em e t l l o d sd e s c m i e da b o v e ，w l l i c hc 姐a v o i db o t l l 健l e ”咖 出a wb e n d i i 培”p h e n o m e n o n 锄dn d pp r o b l e n ：l s 1 ke x 锄p l ea l s 0v 耐f i e st l l eu t i l 时 o ft h es i m u l a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：p a m a ld e 殉期撕o nm o d e ；d i s a s s 即m l y q u e i l c ep l 删n g ； n o n - d i s 鹪s e m b l yo fm e o 巧；c o s te v a l 豫t i o n ；m n - d i s 雒m b l yo fp c e s s ；m o 跚 佗b l l i l t 第一章绪论 1 1 中国制造业面临的两大问题 制造业是指对制造资源( 物料、能源、设备、工具、资金、技术、信息和人 力等) ，按照市场要求，通过制造过程，转化为可供人们使用和利用的工业品与 生活消费品的行业目前，作为我国国民经济的支柱产业，制造业是我国经济 增长的主导部门和经济转型的基础；作为经济社会发展的重要依托，制造业是我 国城镇就业的主要渠道和国际竞争力的集中体现。 中国制造业的规模虽然已位居世界第一，但大而不强，过于依赖劳动力、土 地等低成本优势，存在增长方式粗放、结构不合理、缺乏核心技术、产业附加值 低、大量落后产能亟待淘汰、综合竞争力不强等问题。从产业结构看，我国一些 产业集中度过低，大量产业处于价值链的低端，严重制约了发展。资源能源消耗 过多，环境污染严重。 1 1 1 环境污染 环境是人类赖以生存与发展的宇宙空间及其全部物质要素的综合体，它是人 类发展的物质基础。然而，越来越多的人类活动正在破坏这个我们赖以生存的环 境。环境污染日益严重，主要包括工业污染、农业污染、交通运输污染和生活污 染，其中，工业污染成为环境污染的罪魁祸首。据世界银行测算，环境污染给中 国带来3 5 以上的国内生产总值损失，而企业产生的污染7 0 来源于制造业【l l 。 这是工业时代带来的不利后果。2 0 0 5 年起，我国汽车的保有量达到3 5 0 0 万 辆，2 0 1 0 年达到4 7 0 0 万辆，每年报废的汽车将超过2 0 0 万辆。同时，我国每年 至少有5 0 0 万台电视机4 0 0 万台冰箱，6 0 0 万台洗衣机面临报废。目前约有5 0 0 万台电脑、上千万部手机已进入淘汰期【2 】，报废产品处理已经到了刻不容缓的地 步 目前，这些报废产品正在污染我们的环境。以电子计算机为例，如以填埋的 方式处理废弃电脑，其零件中的铅、锅、汞、聚氯乙烯等有毒物质很容易随沥滤 液浸出而污染土壤及地下水1 3 1 如果采用烧毁法，被烧的电脑也会释放出多种毒 性极强的气体，如h c ，n o x 等，在阳光作用下会形成刺激性极强的光化学烟雾。 烧毁还会释放出大量的微小粒子，影响气候，使能见度降低，释放出的汞蒸汽对 中枢神经系统的毒性极大，同时还释放出其他有害的空气污染物。表1 1 所示为 电子计算机所含有的材料及其污染性。 表1 1 电子计算机所含有的材料及其污染性 1 1 2 资源浪费 伴随着工业经济的高速发展，自然资源的过度开采、资源利用率低、资源再 生能力弱以及资源回收利用程度低等，使世界资源正趋向枯竭 矿产资源 矿产资源大部分属于不可再生资源，全球所用的燃料大部分来自于化石燃 料，即煤炭、石油和天然气；而在工业发展中，8 0 以上的工业原料来自矿产资 2 源，人类的过度开采已造成这些资源匮乏。目前地球上已经探明的石油储量只能 供人类使用约5 0 年，天然气则还能使用5 0 6 0 年，煤炭则还能供我们使用2 0 0 一 3 0 0 年，主要的矿产资源在数百年后也将枯竭。按照目前的开采规模，到2 0 2 0 年，地球上的大多数矿产资源包括铜、铝、锡、锌、金、银等都将被开采完毕。 水资源 水覆盖着地球表面7 0 以上的面积，总量达1 5 亿立方千米。但是只有2 5 为淡水，实际上可供利用的淡水仅占世界淡水总量的0 - 3 。据联合国有关组织 统计，全球有1 2 亿人用水短缺。水已经超出生活资源的范围，而成为重要的战 略资源。 相比于自然资源的日益匮乏，机电产品中的资源再利用率却不尽人意。电子 废弃物中蕴含的金属，尤其是贵金属，其回收成本普遍低于开采自然资源。数据 显示，每吨电路板中含金量达1 蚝左右，仅从废旧家电中回收的废钢来代替通过 采矿、运输、再制造得到的新钢材，就可减少9 7 的矿废物，减少8 6 的空气 污染，7 6 的水污染，减少4 0 的用水量，并节约9 0 的原材料，7 4 的能源， 而且再制造得到的钢材与正常生产出来的钢材性能基本相同【4 l 。 然而，如此丰富的可再用资源却无法得到合理的回收利用，其中8 0 的废 旧物品没有得到充分有效的处理及利用，高达9 0 的电子产品最终都被扔进垃 圾堆里。目前我国既有的回收处理方式主要是建立在利益上的小作坊模式，通过 人工拆卸这些机电产品废弃物实现分类回收但是这种方式下的回收利用率很 低，有拆卸不彻底、拆卸效率低、危害身体等特点，极大的限制了资源再利用， 造成资源浪费。 1 2 制造业的可持续发展 制造业带来的环境污染和资源浪费，迫使我们积极探索一条可持续发展之 路。可持续发展是一种以高技术为依托，在生产时能少投入、多产出，消耗时多 利用、少排放，降低自然资源的消耗，保护环境并积极探索可再生资源的发展模 式在这种模式下，制造业的可持续设计要求在产品的设计阶段将资源再利用和 环境因素纳入设计开发中，最大程度实现产品回收利用并减少对环境的影响。图 1 1 所示的是制造业的可持续发展模式。 3 图卜1 制造业的可持续发展模式 为了实施可持续发展战略，中国在国务院第十六次常务会议审议通过中国 2 1 世纪议程，为全面实现社会、经济、资源和环境的可持续发展奠定了法律依 据。其中提出了固体废物的处理与管理办法，改善工业结构和布局等，迈出了制 造业可持续发展坚实的一步。 制造业的可持续发展主要体现在以下三点： ( 1 ) 产品的可持续发展设计：在产品设计之初便考虑整个产品生命周期的资源 整合以及环境友好性，最大程度降低资源浪费、减少对环境的污染等； ( 2 ) 产品的可持续发展制造技术：控制产品制造过程中可能产生的废弃物有 害气体以及危害身体的负面因素。积极开发新的制造工艺，规范制造流程， 处理制造过程中产生的污染物； ( 3 ) 产品的回收再制造：对废旧产品进行拆卸回收，分类并合理处置各种材料， 4 特别是对有毒零部件的处理。完善回收体系，提高再制造水平，实现废旧 机电产品的回收、拆解、再制造以及包装一体化。 1 3 产品的拆卸回收 产品的拆卸回收是可持续发展中不可或缺并具有重要意义的环节。目前，对 产品拆卸回收研究的内容主要包括两个方面：对当前报废产品的拆卸回收；因 为这些产品在设计时并未考虑回收利用以及对环境可能造成的影响，增加了拆卸 时的不确定性和拆卸成本。对新产品采用d f d ( d e s i 印f o rd i s 嬲s e m b l y ) 设计 方法，为今后的拆卸回收奠定基础。这一过程包括三个阶段：初级阶段、产品再 设计阶段和再设计优化阶段。每一阶段都有相应的产品特征，初级阶段在于调整 产品的结构和形态，产品再设计阶段则是对设计方案进行必要的调整，再设计优 化阶段则允许对设计方案进行少量的调整【5 】。 针对第一种情况，目前国内采用的拆卸方式主要有以下两种： ( 1 ) 完全粉碎式。对回收的产品采用大功率机械设备集中碾压、破坏， 随后分离出需要的金属尤其是贵金属等，最后将剩余残骸以填埋等方式处 理； ( 2 ) 人工拆解式。人工拆解是对回收产品采用人工分离方式获得所需 零部件，剩余部件被再次丢进垃圾堆，目前国内主要以小作坊形式为主。 完全粉碎式的拆卸方式具有拆卸效率高等优点，对以材料为回收目标来说是 可行的。然而，该方式严重破坏产品的原有结构，造成产品中的部分零部件无法 再次利用，从而导致资源的极大浪费；再者，有些产品中含有有毒金属、有毒气 体等物质，在粉碎后容易造成环境污染，并可能会危害人体健康。人工拆解式的 拆卸方法虽然避免了结构的强制性破坏，但同样面临着有毒零部件的危害，其拆 卸效率较低，拆卸盲目性大。在获得所需的零部件后即将剩余废弃物丢弃，还是 会对环境造成污染、资源造成浪费。图1 2 所示的是面向对象的拆卸回收方式。 图1 2 面向对象的拆卸回收方式 1 4 产品的拆卸序列规划 拆卸序列规划( d i s a s m b l ys e q u e n c ep l 锄l l i n g ，d s p ) 是指根据产品内部结 构、装配约束关系以及干涉检验等信息，生成可指导实际拆卸过程的拆卸序列。 随着经济的不断发展，产品日趋复杂化，因此拆卸序列规划也逐渐显示出它的重 要性和必要性。此外，由于拆卸对象是各离散的组件，因此求解拆卸序列是个 n p c o m p l e 钯问题，组件的不确定性导致了拆卸序列的不稳定性，对产品拆卸的 效率和成本都有着重要影响。 1 4 1 拆卸序列规划的重要作用 完全粉碎式的拆卸方式因为其破坏性，无法实现资源的合理再利用，因此不 是我们的发展方向。而发展以计算机辅助的人工拆卸方式则是趋势，发展此方式 应克服以下几个方面： 由于使用过程中零部件的腐蚀、磨损、更换和丢失等原因，造成待拆 产品状态的不确定性，从而拆卸目标也是不确定的。 同一拆卸工位的操作任务往往是变化的。 拆卸过程往往不需要进行完全拆卸。 与装配相比，拆卸的自动化水平非常低。 然而，目前国内对d s p 尚处在研究阶段，大量的人工作坊采用的是盲目性 拆卸，即未经拆卸序列规划就进行拆卸。这对于结构简单的产品来说可行，但是 对那些复杂产品，盲目性拆卸会造成拆卸效率的降低、拆卸成本的增加此外， 由于拆卸序列的复杂性，必须由计算机辅助进行因此，计算机辅助的拆卸序列 规划在拆卸中具有重要意义。 6 1 4 2 拆卸序列规划的模式 拆卸按照对零部件的损伤程度主要分为以下三种：常规拆卸( n o m l a l d i s 嬲s 锄b l y ) ，是指使用某种拆卸工具拆除两零部件之间的联接而不破坏到拆卸 对象的非破坏性拆卸，例如松开螺纹连接等；完全破坏性拆卸( d e 咖c t i v e d i s 勰鼬l y ) ，是指破坏整个产品包括连接件和零部件从而实现某种拆卸目的， 例如采用粉碎方式实现材料回收；部分破坏性拆卸( p a n i a ld e 咖l c t i v e d i s 嬲s e m b l y ) ，是指通过破坏部分连接件或者低价值的零部件实现拆卸目的的非 常规拆卸，例如通过切割某连接件实现零部件分离。目前，三种拆卸方式在实际 拆卸过程中运用的程度不同，其中以常规拆卸方式比例最高，完全破坏性拆卸次 之，而部分破坏性拆卸所占比例最小。 拆卸序列规划在不同拆卸方式下就有不同的模式。由于完全破坏性拆卸不需 要进行拆卸序列规划，因此不进行相关讨论。那么拆卸序列规划具有以下两种模 式：常规拆卸模式( n 删d i s 嬲s e 】m b l ym o d e ，n d m ) 和部分破坏性模式( p a r t i a l d e s 仃u c t i v e m o d e ，p d m ) 。两种拆卸模式下的拆卸序列规划方法不同，主要集中 在以下几点： ( 1 ) 可拆卸性定义不同：可拆卸性包括理论上零部件的可拆卸性( 即零部 件的拆卸自由度是否满足拆卸要求) 和实际拆卸过程中零部件的可拆卸性( 即拆 卸过程中可能遇到的零部件损坏，连接件失效等) ；零部件的可拆卸性直接关系 到拆卸路径的选择以及最终序列的生成。在常规拆卸模式下，序列的生成主要依 据零部件在理论上的可拆卸性，即在遇到自由度不满足条件情况下就选择其他拆 卸路径；此外，无法解决在实际拆卸过程中遇到零部件无法拆除的情况。而在部 分破坏模式下的拆卸序列规划则引入了部分破坏拆卸方式，将无论是自由度意义 上不可拆卸的还是实际拆卸过程中无法拆除的零件通过部分破坏方式予以拆除。 ( 2 ) 拆卸工具不同：常规拆卸模式下的拆卸主要以普通拆卸工具为主，不 涉及破坏连接件或者零部件；而部分破坏模式下的拆卸在包括普通拆卸工具以 外，还需要涉及破坏连接件为主的破坏性工具，例如锤子、电锯、电钻等工具。 1 5 国内外对产品拆卸序列规划的研究 对产品拆卸序列规划的研究起步较晚，而与拆卸有着较大关联的装配则起步 较早。而且从研究方向来看，国内外学者对常规拆卸模式下的拆卸序列规划上做 了较深入的研究。而部分破坏模式下的序列规划则还处于空白。事实表明，拆卸 过程的一个重要特点即是它的不确定性，因此，部分破坏模式将是拆卸序列规划 未来的方向。 1 5 1 常规拆卸模式下产品拆卸序列规划的研究 f t 0 玎e s 等【q 提出了基于产品装配优先关系的方法，该方法根据产品装配时 的优先关系对零部件进行单元划分，将复杂的产品结构简单化，最终生成拆卸路 径； h k a e b e h l i c k 等【7 】提出了基于准则的最优序列规划方法，该方法用图模型来 描述产品结构，在成本约束下将零部件归类到两种类型：e p c t 和p c t ，类型内 部采用并行拆卸，最后通过拆卸时间、任务等优化准则筛选最优拆卸路径； w 趾gh l l i 等( 8 】在建立信息图模型( d f i g ) 后引入遗传算法进行图搜索，生 成最优路径； 张秀芬等【9 】则提出了基于粒子群算法的拆卸路径规划方法，该方法通过构建 混合图模型来描述产品约束信息，将产品的拆卸序列规划转化为图模型寻优的问 题，在约束条件下引入粒子群算法最终生成最优拆卸路径； 江吉彬等【1 川则提出了层次网络图模型，通过将产品划分成不同的拆卸部件 并组织在不同层次的单元网络图上，对节点群进行重组，最后通过图节点拆卸优 先约束关系的分析，生成产品拆卸序列，避免了因节点过多而引起的组合爆炸问 题； l 锄b e r t 【1 1 】提出了线性规划方法，该方法构建了产品图模型，给出了聚类准 则将产品零部件整合为子拆卸体从而简化图模型，在成本( 包括产品拆卸收益和 拆卸后对环境的影响) 约束下生成最优拆卸路径； b e a 臼电g d m 妯e z 等f 1 2 】则提出了离散规划的方法，该方法构建了产品约束通 道矩阵和拆卸优先矩阵来描述组件与连接件问的约束关系，在拆卸时间约束下通 过离散搜索算法( s s ) 实现最优序列生成； y _ 0 u s s i f 等【1 3 1 针对人们在手工拆卸过程中可能造成的拆卸损失，对零部件丢 8 失，损坏和费时等问题进行了调查，并提出了将人机工程学因素融入到拆卸序列 规划模型中的方法，以增大拆卸收益； a 妇dfa z 等f 1 4 】针对拆卸过程中应满足的两大原则：一是生成的序列满 足低成本要求；二是优先拆除需要的零部件，提出了随机适应性贪婪算法 ( g r a s p ) 和基于路径更新的启发式算法。该方法通过引入方案的多样性来实 现序列的不断更新，最后得到合理并符合两大原则的拆卸序列 1 5 2 部分破坏模式下产品拆卸序列规划的研究 部分破坏模式下产品拆卸序列规划的研究尚处于较新领域，但部分专家已经 有论断表明部分破坏模式的重要性。a l l sf e l 妇在文献【1 5 】中就提出可以通过 破坏连接件或者零部件来提高对目标拆卸体( 例如有毒材料等) 的拆卸效率；j o h n r c i a p 等【1 6 1 也提出通过使用机器强制破坏连接件方式可节省时间成本 然而目前此课题的相关领域也主要是对部分破坏拆卸的具体拆卸实施方式 上，而非拆卸序列研究。 i ( y o n 曲衄l e e 等【1 刀提出了切割面方法解决零部件不可拆卸问题，该方法定 义了零部件间的交互面( n s i s ) ，并根据交互面生成的高斯球可行方向集( s d s ) 间的触啪r 生成拆卸方向，若结果为n u l l ，则采取切割交互面来破坏目标 高斯球从而达到目标拆卸体的可拆卸性。 啪g g e u np a k 等 1 8 】则针对回收产品可能发生的螺栓损坏而导致的不可拆 卸，提出了弹性波( e l 枷cw a v e s ) 冲击螺栓头一侧的方法来实施部分破坏性拆 卸，该方法分析了冲击波对螺栓头造成的压力变化，结论表明，在第二波或以后 使用的弹性波具有更高的压力效应，能一次性破坏螺栓头，实现拆卸目的。 上述方法从几何出发，具体地解决了拆卸过程中遇到的零件不可拆卸问题。 1 6 本文的研究意义 在产品的整个生命周期中，为了避免对环境造成污染、减少资源浪费，回收 是极其重要的一步当废旧产品在回收过程结束后就面临着拆卸问题，拆卸的好 坏直接决定了回收的质量以及再制造、再加工的成本和数量。而针对包含数以万 计的复杂产品而言，拆卸序列规划就显得极其重要对此，国内外学者进行了深 9 入的研究，也获得了很大成果，解决了常规拆卸模式下的拆卸序列规划，为复杂 产品的拆卸做出了贡献。 然而，常规模式下的序列规划有其局限性，主要体现在以下两点： 1 理论意义上的不可拆卸性，产生的问题如图l _ 4 所示。 不可拆雠 一 lt 一一 b 叶 _ 图1 - 4 拆卸序列中的不可拆卸性 图中为起始拆卸体，为目标拆卸体，由于具有自由度意义上的不可拆 卸性，所以无法实现的拆卸路径，而只能在拆卸了后才能实现拆卸， 即拆卸路径最终为，这显然造成了拆卸时间的增加，影响拆卸效率 以及拆卸成本 2 实际拆卸过程中的不可拆卸性。实际拆卸过程中可能发生零部件损坏， 连接件失效等情形，这将导致目标拆卸体无法被拆除。由于常规拆卸模式不具备 破坏性拆卸方法，因此无法应对。而这一过程，在面向回收的产品中是很常见的， 因此具有相当重要的研究价值。 由于常规拆卸模式的局限性，部分破坏模式则显得更有研究意义。部分破坏 方式的引入，解决了因两种不可拆卸性造成的拆卸成本增加、拆卸效率降低甚至 是无法拆卸的难题。对产品拆卸研究产生积极影响： 对企业而言，降低了拆卸成本，避免了人工拆卸的盲目性，同时防止了因 拆卸不当而引起的有毒物质危害。由于拆卸效率的提高，回收所得的利益 将扩大化，提高企业竞争力； 对政府而言，拆卸序列的合理性在一定程度上增加了可重用零部件的比 例，减少了因不正当拆卸导致的拆卸废品对垃圾处理中心的压力，为绿色 制造提供了技术支持； 对社会而言，部分拆卸模式下的拆卸序列规划，减少了有毒物质污染环境 的可能性，同时也避免了资源的浪费 1 7 本文的研究内容 l o 为解决常规拆卸模式下机电产品零部件不可拆卸性对拆卸序列生成的影响， 提出了部分破坏模式下的拆卸序列规划方法。文中构建了拆卸混合图模型来描述 产品约束信息，为高效地进行信息集成，提出了基于约束内容的混合约束矩阵。 针对n d m 下d s p 在理论上有自由度意义的不可拆卸性，基于自底向上思想， 设计了目标反推法以生成部分破坏模式下的目标序列，并分别建立了常规拆卸模 式和部分破坏模式下的拆卸成本判据，利用目标序列与获取的常规拆卸序列进行 成本比较，最终生成产品的最优拆卸序列；针对实际拆卸过程中存在的实际不可 拆卸性问题，通过引入模型重构思想，提供实时拆卸方案以及生成相应的最优拆 卸序列。在m a t l a b 软件基础上，通过访问s q l 数据库，开发并实现了部分破坏 模式下的拆卸序列规划；最后通过实例，证明本文所述方法有一定的实用性和创 新性 本论文主要研究内容如下： 第一章阐述课题的研究背景，拆卸序列规划在常规模式和部分破坏模式下的 国内外研究现状，指出了本文的研究意义和研究内容。 第二章详细介绍产品拆卸信息模型的建立，指出该信息模型的组成以及实现 方法。 第三章详细介绍解决部分破坏模式下d s p 在自由度意义上的不可拆卸性问 题，给出了理论不可拆卸性的检验方法，并通过目标倒推法生成目标拆卸序列， 在成本判据计算下产生最优拆卸序列。 第四章详细介绍解决部分破坏模式下d s p 在实际拆卸过程中的不可拆卸性 问题，引入了模型重构思想，并结合成本优先提供实时拆卸方案，形成新的拆卸 序列。 第五章作为对p d m 下d s p 生成可行性的检验，在m a t l a b 软件的基础上， 通过访问s q l 数据库，构建了p d m 下拆卸序列规划的软件平台。以洗衣机为例， 表明所述方法的可行性。 第六章总结论文的主要结论。 第二章机电产品的拆卸信息模型 2 1 产品拆卸信息模型的含义 随着全球经济一体化的不断发展，产品趋于多样化和复杂化，产品的生命周 期也在不断缩短。产品生命周期( p r o d l l c tl i f ec y c l e ，p l c ) 是指产品从进入市场 开始，直到最终退出市场为止所经历的市场生命循环过程。在产品的全生命周期 中，会经历六个阶段，分别是需求分析阶段、概念设计阶段、产品设计阶段、产 品制造阶段，维护支持阶段以及最后的拆卸回收阶段。 产品需求分析阶段用于描述客户或市场对产品的功能、性能、使用环境等 方面的需求，是产品创新、提高客户满意度、实现快速开发产品的基础； 产品概念设计阶段描绘设计工程师头脑中的概念产品，包括产品的功能、 原理和结构信息，基本的零部件设计、制造与装配信息，产品的成本信息 及其维护服务等； 产品设计阶段包括以c a d 文件为核心的产品几何结构信息和以对象概念 表达的关系数据，是产品生命周期模型中的核心阶段； 产品制造阶段在产品设计阶段的基础上重点描述制造过程所需的信息，如 材料、加工工艺、装配顺序等； 产品维护支持阶段主要描述产品的交付状态、安装、使用、培训、故障诊 断、维护服务方面的信息； 产品拆卸回收阶段则主要描述产品零部件的可回收性，包括产品零部件的 再制造、重用以及废物处理。该阶段涉及目标导向型的拆卸手段，包括常 规拆卸、部分破坏性拆卸和完全破坏性拆卸。 产品生命周期中的每个阶段都会映射出相应的信息模型，文献【1 9 】中认为产 品模型是产品在其生命周期中的逻辑集合，是指覆盖产品全生命周期整个过程， 并为计算机理解和处理的，用来描述产品的唯一的形式化表述 文献【2 0 】也认为随着计算机辅助设计技术的发展，使产品开发过程实质上成 为以信息为主的输入输出转换过程，该过程的作业对象是信息，包括信息描述、 分析和处理，产品模型是这一过程所涉及信息的计算机内部描述 1 2 拆卸信息模型是描述产品拆卸时所需的零部件名称、零部件间的约束关系、 约束类型以及拆卸工具、拆卸方向等所有信息的集成化表述。拆卸信息模型处于 产品生命周期中的拆卸回收阶段，是产品信息模型的重要组成部分。 2 2 产品拆卸信息模型的组成 姚倡锋等口1 1 在面向逻辑制造单元( l m u ) 时，将信息模型分为四个部分： 零件基本信息；零件加工方法信息；特殊设备和特殊工装信息；加工指 标要求信息；并将信息模型定义为一个四元组，各部分信息又包括相当数量的子 信息元，从而构成一个庞大的信息模型。 张帆等圈提出将零件信息进行分层，分别为零件层、特征层和几何层，并 根据需要建立了独立于零件层、特征层的特征定义信息模型。这样的信息模型更 能表达零件的特征构成方式，能满足不同生命周期阶段对零件信息的共享。 由此我们可以看出，信息模型的组成通常不是唯一的，而是层次间与层次内 零部件信息的集成。层次间的信息模型是指完成整个拆卸回收阶段的功能独立信 息模型，而层次内的信息模型则是该模型内部信息的进一步细化。拆卸模型信息 主要有以下几种： 1 管理模型信息 管理模型信息是指管理产品内各零部件的基础信息，包括零部件的名称、序 号、材料、体积、重量、数量等。 2 几何模型信息 几何模型信息是指产品零部件几何实体构造的相关信息，包括零部件的几何 形状尺寸大小以及在装配体中的位置。几何信息可通过对c a d 软件的二次开 发来获取，例如对c a d 软件p r o e 进行二次开发，继而从创建好的三维模型中 提取相关的几何信息。 3 装配模型信息 装配模型信患是指产品零部件之间的装配信患，它分为并行装配信息和串行 装配信息两种并行装配信息是指不同层次间相对独立的组件之间的连接信息， 而串行装配则是指在同一层次内装配的先后顺序信息和连接方式信息如图2 1 所示 1 3 _ 并行装配信息 图2 1 装配模型信息 而具体的装配方式主要包括贴合( m a i t e ) 、对齐( 灿i 印) 、同向( o r i e n t ) ， 插入( 1 1 1 s e n ) 等。 4 工程语义模型信息 工程语义模型信息是指除零部件外的其他拓扑信息，这里主要指产品内部的 连接件如螺栓、螺钉等。在拆卸过程中，我们需要与拆卸对象相连接的连接件信 息，包括连接类型和连接数量，通过工程语义模型信息可以为拆卸工具的选择以 及拆卸成本的评价提供数据支持。 5 工具模型信息 工具模型信息表征了在拆卸过程中可能使用到的各种工具，例如拆卸螺钉时 所需的螺丝刀、扳手，破坏性拆卸时所需的锤子、电钻等。同时该模型还集成了 所用工具的成本、型号等信息，方便系统提供具体和实时性的拆卸序列 2 3 产品拆卸信息模型的表达 信息模型由于其复杂性，因此需要对这些信息进行有效的描述和表达。常见 的方法有1 ：基于图形的表示方式、基于数据库的方法和面向对象的方法等。 本文在前两种表达方式的基础上对拆卸信息模型进行描述与表达。图模型的引入 有利于信息的可视化，而在表达数据库信息时，本文提出了混合信息矩阵来描述。 2 3 1 图模型 在拆卸过程中，图模型是一种有效的建模方式国内外众多学者对此进行了 研究，概括来讲，图模型主要包括：无向图模型有向图模型、与或图模型、p e t r i 1 4 网模型以及混合图模型。 ( 1 ) 无向图模型。 一个无向图( u n d 的c t e dg 1 讪) 是一个二元组 ，其中顶点 v = ( v 。，v ：，v 广一) 表示拆卸单元，如零件、组件等，n 为拆卸单元个数；约束关 系定义为无向图中的边l ，l = ( 1 。，l ：，l ，1 ，) 表示两顶点间存在约束，s 为约束边 的条数。在无向图基础上，姚丽英等阱1 提出了具有分层结构的无向图模型。该 模型定义了名为根的基础件，通过重力传递，逐层搜索与基础件相关联的零部件， 最终构成产品拆卸无向图模型，如图2 2 所示。 图2 2 某结构及其分层无向图模型 邻接矩阵是表征零部件间的连接关系，此无向图模型的邻接矩阵为： 置= 嘞=