（机械设计及理论专业论文）基于三维模型装配结构的产品拆卸研究.pdf

i u ll lii ll l l 1l l i i i i 17 4 9 9 8 0 t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n ji nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h em a s t e r sd e g r e e r e s e a r c ho n d i s a s s e m b l y b a s e do n a s s e m b l y s t r u t u r eo ft h r e e - d i m e n s i o n m o d e l b y b ot o n g w e i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 墨盗堡墨盘鲎 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 扬灵巾 签字日期：可叼口年歹月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津理工大学有关保留、使用学位论文 的规定。特授权天洼理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：落 司传导师签名：等毅鼽 签字日期：砂咖年) 月 j 日 签字日期：矿加年岁月6 日 摘要 随着社会的发展，人类创造了大量的物质财富，极大的丰富了人们的生活，然而， 随着科技的进步，产品的生命周期越来越短，产品的报废数量也随之迅速的增加，由此 所导致了资源短缺和废弃产品对环境的严重污染等一系列问题。因此，如何进行废弃产 品的拆卸并尽可能地提高其再利用率已成为当前“绿色设计 研究的主要热点之一，也 是制造业所面临的重要课题。 产品的拆卸分析是面向拆卸设计研究及报废回收处理的重要内容。本文在综合国内 外相关研究的基础上，着重对产品的拆卸分析及相关理论进行了深入、系统、全面的研 究。 本文中主要研究内容有： 1 面向拆卸设计的理论体系研究。文章主要讨论了面向拆卸设计的定义，特点， 设计准则及面向拆卸设计的可拆卸性结构设计方法等。 2 分析了产品拆卸研究所需要的信息，并对产品拆卸信息的提取及表达进行了研 究。 3 拆卸模型的建立及拆卸序列的生成。本文提出运用基于三维模型装配结构的网 络连接图建立产品拆卸模型及运用层次网络图表达不带连接件的产品拆卸模型。讨论了 连接件在产品中的拆卸顺序。提出邻接约束矩阵的概念，根据子装配体或零件之间的约 束关系对矩阵进行线性规划运算，得到可行的产品拆卸序列。 4 对可拆卸性评价进行了讨论。分析了产品可拆卸性影响因素。并从拆卸时间， 可达性，标准件比例，拆卸费用，噪声，废气等评价指标进行评价研究。 关键词：面向拆卸设计三维模型产品拆卸模型网络连接图拆卸序列 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , p e o p l eh a v ec r e a t e dal a r g eq u a n t i t yo fm a t e r i a lw e a l t h a n dt h ep e o p l e sl i f ew a se n r i c h e dd r a m a t i c a l l y w i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , t h e l i f e c y c l eo ft h ep r o d u c t sw a ss h o r t e ra n ds h o r t e r a tt h es a m et i m e , t h eq u a n t i t yo fs c r a p p e d p r o d u c t sw a sr i s i n gr a p i d l ys ot h a tl e a d e dt o as e r i e so fp r o b l e m ss u c h 嬲t h es h o r t a g eo f r e s o u r c e s ，p o l l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n t c o n s e q u e n t l y , t h es t u d yo ft h ed i s a s s e m b l yo ft h e w a s t ep r o d u c ta n dh o wt oi m p r o v et h er e c o v e r yr a t eh a da l r e a d yb e c o m et h em o s ti m p o r t a n t a n dc o n s i d e r a b l es e c t i o no fg r e e nd e s i g nr e s e a r c h , a n di th a sb e c o m eak e ys u b j e c tf a c e dt h e m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y n l ed i s a s s e m b l ya n a l y s i so fp r o d u c tw a so n ei m p o r t a n tp a r to ft h ed e s i g nf o r d i s a s s e m b l ya n dr e c y c l i n go fs c r a p p e dp r o d u c t s i nt h i sp a p e r , t h ed i s a s s e m b l ya n a l y s i so f p r o d u c ta n dr e l m i v et h e o r yw a ss t u d i e dd e e p l y , s y s t e m a t i c a l l ya n dc o m p r e h e n s i v eb a s e do n t h ed o m e s t i ca n df 0 r c i 弘r e s e a r c h e s0 1 1t h i sf i e l d n em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ra sf o l l o w s ： 1 t h e s t u d y o ft h e s y s t e m i n 内o f d e s i g n f o r d i s a s s e m b l y i n c l u d i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ed e f i n i t i o n ，t h er u l e so fd e s i g nf o rd i s a s s e m b l y , a n dt h es t r u c t u r em e t h o do f d e s i g n i n gf o rd i s a s s e m b l yw e r er e s e a r c h e dm a i n l y 2 t h en e e d e di n f o r m a t i o no ft h es t u d yo fp r o d u c td i s a s s e m b l yw a sa n a l y z e d ，a n dt h e m e t h o do fe x t r a c t i o na n de x p r e s s i o no fp r o d u c td i s a s s e m b l yi n f o r m a t i o nw e r ea l s os t u d i e d 3 t h ed i s a s s e m b l ym o d e lw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h ed i s a s s e m b l ys e q u e n c ew a sg e n e r a t e d t h em e t h o do fa p p l y i n gn e t w o r kc o n n e c t i o nd i a g r a mb a s e do nt h r e e - d i m e n s i o n a la s s e m b l y s t r u c t u r et oe s t a b l i s ht h ed i s a s s e m b l ym o d e l ，a n da p p l y i n gl e v e ln e t w o r kd i a g r a mt oe x p r e s s t h e p r o d u c td i s a s s e m b l ym o d e l w i t h o u tc o n n e c t o rw a sp u tf o r w o r d t h ec o n c e p to f a d j a c e n c yc o n s t r a i n tm a t r i xw a sp r e s e n t e d t h r o u g ht h e l i n e a rp r o g r a m m i n go p e r a t i o no f c o n s t r a i n t sb e t w e e ns u b a s s e m b l yo rp a r t , t h ev i a b l ed i s a s s e m b l ys e q u e n c ec a nb eg e n e r a t e d 4 t h er e s e a r c ho fe v a l u a t i o no fd i s a s s e m b i l i t y t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fp r o d u c t d i s a s s e m b l yw e r ea n a l y s i s e df i r s t l y , a n dt h ee v a l u a t i o nw a sd o n ea c c o r d i n g t ot h ei n d e x ，s u c h 蠲t h ed i s a s s e m b l yt i m e ，a c c e s s i b i l i t y , t h er a t i oo fs t a n d a r dp a r t s ，d i s a s s e m b l yc o s t s ，n o i s e ， e m i s s i o n sa n ds oo n k e yw o r d s ：d f d ，t h r e e d i m e n s i o nm o d e l ，d i s a s s e m b l ym o d e lo fp r o d u c t s ，n e t w o r k c o n n e c t i o nd i a g r a m ，d i s a s s e m b l ys e q u e n c e 目录 第一章绪论l 1 1 产品拆卸研究的背景1 1 1 1 环境与资源问题1 1 1 2 绿色设计与制造3 1 1 3 国外发达国家的资源利用与回收现状j 4 1 2 拆卸理论研究的意义5 1 3 产品拆卸研究的国内外研究现状5 1 3 1 国外研究现状5 1 3 2 国内研究现状6 1 4 产品拆卸相关理论研究存在的问题6 1 5 论文研究的主要内容7 1 6 本章小结8 第二章面向拆卸设计理论体系9 2 1 拆卸的概念及分类9 2 2 常见连接类型及拆卸方法1 0 2 3 面向拆卸设计的定义及特点1 l 2 4 面向拆卸设计系统构成1 1 2 5 面向拆卸设计的设计准则1 3 2 6 面向拆卸的结构设计方法1 5 2 7 可拆性评价分析1 7 2 7 1 影响产品可拆卸性的因素1 7 2 7 2 可拆卸性评价指标1 8 2 8 本章小结2 2 第三章拆卸分析2 3 3 1 拆卸过程相关研究假设2 3 3 2 拆卸相关信息的提取及数据库的创建说明2 3 3 2 1p r o e 简介2 3 3 2 2p r o e 二次开发工具介绍2 4 3 2 3 对本文研究中所要提取的相关信息说明2 4 3 2 4 本文研究中对装配的要求2 5 3 2 5 创建数据库2 6 3 3 拆卸模型2 7 3 3 1 产品网络连接图2 7 3 3 2 连接件的拆卸顺序说明2 8 3 3 3 层次网络图定义2 9 3 3 4 邻接约束矩阵3 0 3 3 5 零部件拆卸的自由度和可行性分析3 l 3 4 生成拆卸序列3 2 3 4 1 零部件的稳定性分析3 2 3 4 2 拆卸原则及步骤3 3 3 5 本章小结3 4 第四章实例分析3 5 4 1 建立拆卸模型3 5 4 2 生成拆卸序列3 7 4 3 本章小结3 8 第五章拆卸分析系统的开发3 9 5 1p r o e 3 0 在v c + + 6 0 环境下二次开发及配置3 9 5 2 生成拆卸序列4 1 5 3 本章小结4 3 第六章结论4 4 6 1 本文结论4 4 6 2 后续研究工作的展望4 5 参考文献4 6 发表论文和科研情况说明4 8 致谢4 9 第一章绪论 1 1 产品拆卸研究的背景 第一章绪论 近10 0 年来，人类社会得到了空前发展，工业和制造业，尤其是重工业在推动人类 发展的过程中发挥了至关重要的作用。仅2 0 世纪一百年的发展就超过了之前一千年的 发展总和。但是在由农业逐渐转向工业化的过程中，人们旧的生产和发展方式，在过去 相当长的一段时期内对自然和生态环境的影响不够重视导致了严重的环境污染和生态 破坏，这些影响也正在反作用于人类的发展。旧的生产方式在以加大对自然资源的掠夺 性开发和环境的肆意破坏的前提下，在创造巨大物质财富和推动人类进步的同时，也造 成全球性的生态破坏、资源短缺、环境污染等重大问题。进入2 l 世纪，这些问题已成 为严重制约经济发展和人类进步的绊脚石。与此同时，随着人类对资源的依赖程度加大， 致使资源消耗量大曾，又由于资源是有限的，全世界资源在人类的疯狂开采中面临枯竭， 这样下去势必会影响和动摇人类社会赖以生存和发展的根基。这种落后的生产方式，破 坏了人类赖以生存的环境，如果不改变，会给人类的生存和发展带来不可预估的灾难和 损失，人类几千年的文明也会毁于一旦【。 1 1 1 环境与资源问题 环境问题长期以来伴随着人类社会发展的每个阶段。随着近一个世纪的快速发展， 环境问题日益突出。科学技术突飞猛进，社会生产力获得极大提高，创造了大量的物质 财富，经济规模空前扩大，这些发展大大推动了人类文明的进程，但也带来了相当大的 负面影响。由于目前人类所利用的大部分资源仍旧为矿物资源，这类资源的性质决定了 大量开发与消耗必然排放了大量污染物质，导致了全球性的环境污染和生态破坏。具体 体现在以下方面【z jp j ： 1 、温室气体大量排放，全球气候变暖，科学证明，近年来气候的反常现象的罪魁祸 首就是全球气温上升； 2 、臭氧大量耗竭，臭氧层空洞增大； 3 、水污染日益严重，饮用水短缺，我国本来就是一个水资源短缺的国家，水污染更 加剧我国水资源短缺的现状； 4 、大气中s 0 2 等污染物含量剧增； 5 、不可再生资源的枯竭。 中国幅员辽阔但人口众多，资源总量很丰富，但是人均占有却很低，而且分布很不 平衡。中国目前已探明的可开采的矿产资源总量约占世界资源储量的1 3 ，是世界第三 矿产资源大国。但因入口基数庞大，中国人均矿产资源量还不到世界平均水平的一半。 另外，我国的资源利用效率低，还不及发达国家的1 4 ，我国生产单位国民总值所消耗 第一章绪论 的矿物原料和能源比发达国家高出2 - 4 倍；二次资源利用率仅相当于发达国家的 1 4 - 1 3 。近2 0 年来，中国的发展有目共睹，但由于工业的迅猛发展使得我国对资源的 需求量逐年增加。据统计2 0 0 8 年，我国能源总消耗量为2 9 1 亿吨标准煤，而我国自产的 能源只能满足全国3 4 的能源需求，其余都要靠进口。专家预测，! t ! l j 2 0 1 0 年，我国经济 发展所需的主要十种资源中，将有1 4 出现短缺，如，铁、铝、锌等有色金属，煤、石 油等能源。据统计资料显示，目前我国已是世界上最大的钢铁生产和消费国家，2 0 0 6 年 全国累计生产生铁4 0 4 1 6 7 万吨，并以年均产量增长2 0 左右的速度增加。工业化是一把 双刃剑，它发展带来的另一个结果就是污染，我国还是全世界污染状况最严重的国家之 一，中国前1 0 名污染最严重的城市均在世界污染情况最严重的前2 0 个城市之列。中国环 境污染的治理迫在眉睫、任重而道远。 随着工业化的不断深入和社会的发展，越来越多的工业及生活产品面临报废处理， 废弃物越来越多，废弃物处理任务压力增大，处理这些废弃物消耗大量人力物力，财力， 资源，能源，且污染环境。单就汽车来说，作为世界第二大汽车消费市场，中国汽车保 有量近年来高速增长，据统计，截至2 0 0 9 年3 月，全国汽车保有量为6 6 8 9 8 0 0 4 辆。汽车 年销售量更是每年以两位数的速度增长，2 0 1 0 年全国汽车销售量有望突破1 3 0 0 百万辆。 与之想对应的是，随着汽车拥有量的不断增加，报废汽车数量也逐年增加。此外，随着 排放标准升级和安全技术要求的提升，汽车报废还将迎来新的高潮，解决与之相关的报 废汽车回收再利用问题迫在眉睫。若每年的汽车报废量与汽车保有量的平均比例按5 计算( 发达国家一般为1 0 左右) ，全国每年汽车报废量已高达3 0 0 4 0 0 多万辆。另外， 随着我国经济技术的发展，人们的生活水平有了显著的提高，生活用品及工业用品大量 出现，消耗，废弃。机电产品特别是家电产品的普及率在迅速提高，而这些产品的生命 周期在缩短，或者说它们的更新换代速度加快了。有资料统计，进入新世纪以来，我国 家电市场己进入更新换代的高峰期，平均每年需要报废的家电产品数量惊人，电视机在 6 0 0 万台以上，洗衣机约5 5 0 万台，电冰箱约4 5 0 万台，小家电的数量更是无法估量。目 前废弃产品已经和人们的生产生活息息相关。 随着生态破坏和环境污染日益严重，人类开始重视资源、环境、社会的协调发展， 近年来，可持续发展的思想逐渐被人们认可并被许多国家提到了国家战略的高度。可持 续发展的内容包含以下两点：一是强调当代人享有健康生活和社会发展的权利。生存和 发展是人的基本权利，人类应该采取与自然相和谐的方式享有这种权利；二是强调当代 人在创造与享受生存和发展权利的时候，不应该以牺牲后代人同等权利为代价，要充分 考虑后代人的生存根本，不应当为追求发展而牺牲自然生态环境和后代人的利益。可持 续发展是一种使人类能够健康和谐长期发展的发展模式，是一种有远见有战略意义的发 展模式【4 1 。 目前中国已明确提出可持续发展战略作为我国长期的基本国策，在国家“十五”规 划中，也将可持续发展列为我国目前面临的关键问题之一，并决定在未来的经济发展中， 要高度重视经济增长方式的转变，走可持续发展的道路。从战略的高度正确处理发展经 济同人口、资源、环境的关系，合理开发和综合利用资源，保护和改善生态环境。 第一章绪论 1 1 2 绿色设计与制造 传统的设计与制造模型只注重经济的最大化，而不考虑产品的后续环节，并且资 源消耗大，环境污染严重。近年来，在走可持续发展道路的大背景下，绿色设计，绿 色消费成为一种时尚，绿色产品、绿色制造等概念也接踵而来。各个国家也相继展开 与绿色设计相关的技术的研究。几年来，我国政府也开始关心和注意环保问题。相继 制定了中国2 1 世纪议程一中国2 1 世纪人口、环境与发展白皮书1 5 】，正式确立了环 保法案。国内外的研究对绿色设计没有明确的定义，一般可以理解为：是一种考虑产 品的全生命周期( 产品的全生命周期是指包括产品的概念设计、计算分析、详细设计、 工艺规划、样机试制、加工制造、销售维护直至产品消亡回收整个过程的产品周期) 的设计。目标是使产品可以方便地拆卸、修复、翻新、回收、循环、再次利用，并且 要求对产品的功能、使用寿命、质量、经济性不受任何影响，这样可以节约资源，保 护环境【6 】【刀。 传统设计与绿色设计( g r e e n - d e s i g n ) 主要区别在于，传统设计一般不过多要求是否 对生态环境具有负面影响，如产品是否可以拆卸以及再次回收利用，拆卸回收时是否 会造成环境污染等，只是比较片面地追求产品的质量以及工艺的经济性。绿色设计充 分考虑了环境保护与资源节约的重要性，它在满足产品的质量以及工艺的条件下，还 做到在产品的全生命周期内，把产品的生态与环境属性提高到了与质量和工艺经济性 属性同等重要的地位，这样可以减少对生态环境的影响。以上即为产品绿色设计的设 计理念。图1 1 表示为绿色设计的体系结构 第一章绪论 1 1 3 国外发达国家的资源利用与回收现状 国外发达国家很早就认识到资源综合利用与回收的重要性。在制定了一系列相关法 律的前提下，开展资源的综合利用与回收。经过多年的发展，其相关领域的经济效益在 国民经济中已占重要地位，对资源和环境保护起到了积极的作用。 日本：日本为节约资源，于上个世纪的7 0 年代开始建立循环型经济发展体系。在 汽车行业，日本于2 0 0 2 年制订了汽车回收利用法，并于2 0 0 5 年开始实施。电子产 品是日本的优势产业，电子产品的生成速度也是世界前列，然而这样数量惊人电子垃圾 也是威胁日本环境的一大隐患之一。目前，日本的废旧电器以洗衣机、空调、电视和冰 箱这4 类产品为主，每年总共大约有1 9 0 0 万台被淘汰，产生电子垃圾约7 0 万吨。然而 通过合理处理方式，这样的电子垃圾回收处理模式已经能够实现“从商品到商品 的良 性循环处理过程。2 0 0 0 年，日本政府颁布了促进循环社会形成基本法，家电循环利 用法作为该系列法中的一个配套法律，自2 0 0 1 年4 月起开始正式实施。家电循环利 用法明确规定了电视机、洗衣机、空调和冰箱这4 类家电产品的废旧物的处理方式及 产业链中各方应承担的责任。伴随着电脑、手机等新兴电子产品的广泛使用，电子垃圾 又增添了新的内容。据了解，由于消费者频繁更换电子产品，使得目前全球每年约产生 4 0 0 0 万吨电子垃圾，正以3 倍于其他城市垃圾产生的速度在增加。于是，日本又于2 0 0 3 年1 0 月修订了资源有效利用促进法，将电脑主机、显示器、笔记本电脑等电子产品 列为循环利用对象加以回收处理，并规定企业在销售新机器时应事先将回收费用计入售 价。 美国：美国在这个领域处于世界领先水平，该国在这个领域的相关企业数量犹如雨 后春笋般的速度增长，据统计截止到去年该领域相关企业数量以超过2 0 0 0 0 家。它们能 做到把占汽车中7 0 以上的有回收利用价值的零部件再次翻新并变成新产品上市，将回 收性差的零部件碾碎后运往钢铁厂作为金属材料回收。几乎占每辆汽车重量8 0 的部件 都已被重新利用起来。废旧汽车报废回收处理在美国已成为一项总产值数百亿美元的新 兴产业博j ，并且有广泛的前景。 德国：德国每年新车与要报废的旧车比例达到了4 1 。达到一定使用年限的汽车就 要报废，并按相关程序进行处理，德国对汽车报废有严格的规定并已经制订了相关的法 律依据。德国的汽车拆卸回收率较高，根据欧盟近期对报废车拆卸行业的规定，回收率 在2 0 1 5 年要达到9 5 以上，这样被用在填埋处理的只占整车的5 。所以，德国的汽车 拆卸相关企业近几年都纷纷投产，在实际拆卸中他们将产品的零部件依据是否可以回收 利用进行严格的分类后回收口。 法国：在法国汽车回收与生产企业已构成了一个完整的产业链，一些知名的企业和 钢铁公司已建立起了汽车拆卸回收网络。企业生产的汽车多数都能回到本厂进行拆卸回 收。 我们知道，对产品进行拆卸回收的首要工艺就是拆卸，本文重点分析了产品的拆卸 过程，拆卸方法和拆卸规律。而绿色设计理论正是在以产品全生命周期为研究对象下， 突出拆卸的重要性，即该理论的研究可以促进绿色设计理论的发展。因此拆卸相关理论 研究就是在这样的背景下产生的。 第一章绪论 1 2 拆卸理论研究的意义 “拆卸与回收和“产品的淘汰”紧密相关。产品不能再满足使用者的使用要求时 就将被淘汰。面向拆卸和回收的设计( d e s i g nf o rd i s a s s e m b l i n g r e c y c l i n g ，d f d & r ) 是绿色设计的一项重要研究内容，根据其定义可知，它是将产品的可拆卸性、可回收性 作为产品设计的首要准则，这样设计的产品容易拆卸便于回收，从而降低了拆卸回收费 用，节约了资源且对环境保护具有重大意义。 拆卸是一切回收处理的前提条件。处理淘汰的产品的方式一般包括拆卸回收、再利 用、焚烧填埋等。拆卸回收再利用有利于保护环境和节约资源，这种处理方式应作为首 选；而焚烧、填埋的物体一般会含有难于分解的物质，所以会对环境造成很大污染。另 外，对废弃的产品进行拆卸时要消耗大量的人力，物力，财力，有时还对环境造成污染。 进行拆卸理论相关研究可以更科学，更系统的进行拆卸，可以降低拆卸成本，提高拆卸 效率，同时环境污染也可以降到最低。 拆卸研究又是面向拆卸与回收的设计的重要内容。近年来，在绿色设计思想的指导 下，面向拆卸与回收的设计理论应运而生。面向拆卸与回收的设计的根本目的是节约资 源、降低成本、保护环境。产品的可拆卸性、可回收性是面向拆卸与回收设计理论的重 要内容。设计人员一般要求对产品的可拆卸性、可回收性概念清晰，以及了解相应的影 响因素包括哪些，力求使设计能够最大限度的满足可拆卸性、可回收性的要求。因此， 进行拆卸研究是面向拆卸与回收设计的核心内容。 以汽车发动机为例，传统的发动机在设计时往往只考虑它的设计成本( 经济性) ， 性能，简单的装配性和使用的稳定性等因素，而几乎不考虑产品在报废回收时的拆卸与 回收问题。拆卸虽然是装配的反过程，但拆卸与装配还是有很大区别。造成现有条件下， 发动机的零部件回收利用率低下，资源浪费严重。如果在发动机的设计阶段就充分考虑 它将来报废时的拆卸与回收问题，使拆卸费用，回收费用降到最低，使回收材料得到充 分再利用，即得到最大的回收价值，最终达到减少废弃物的产生、节约资源和保护环境 的目的。 1 3 产品拆卸研究的国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 环境问题己成为各国关注的热点，相关技术研究在各领域全面展开。在绿色设计与 制造研究的大背景下，在面向拆卸与回收的产品设计理论研究的基础上，拆卸理论研究 在国外已广泛的开展，已逐渐形成了一系列的理论方法，也开发了相应的软件工具。 r m n o l l e r 等人对拆卸的思想、一般原则和方法进行了研究分析，并给出了合理 的假设和相应的理论框架。并进一步阐述了可拆卸性的影响因素。该方法对后面研究拆 卸回收提供了理论基础，由于当时面向拆卸设计研究正处于初始理论阶段，还需要将研 究迸一步深化。 第一章绪论 p d e w h u r s t 等人对拆卸序列的生成有定的研究，并开发出了一套自动拆卸序列 的软件系统，该软件以实际产品装配顺序的逆序为准则进行编程，通过分析零件的连接 息等信息生成拆卸序列，并可以对拆卸时间进行模拟计算，也可以对产品的装配关系给 出一个明显的连接关系。此软件对拆卸序列研究具有很好的实际意义，然而受计算机计 算精度以及拆卸序列的序列条数数量庞大的影响，所以该软件在反应实际拆卸时具有一 定的局限性，可能会漏掉一些可能的拆卸序列。 a ks u b r m m a n i 等将装配模型抽象为零件、联接、接触和关系四个因素的组合， 利用节点来判断拆卸方向，生成拆卸序列。 e m o i l o y 等开发了适合产品拆卸的c a d 软件系统，该系统运用产品的基本信息可 以计算出每一个零件的拆卸方向并定义了拆卸相关的特征信息，并以此来生成拆卸序 列。 i lv u j o s e v i e 开发出了一套能够仿真产品拆卸序列的软件，该软件可以使拆卸序列 拆卸时间更短、拆卸成本更低。可以在空间中模拟产品的装配关系以及连接关系，避免 了拆卸冲突。 a s k i n e rg u n g o r 和s u r e n d r am g u p t a 阐述了在产品修复中带缺陷的的零部件的拆 卸方法。解决了部分拆卸序列规划中的不确定性，并开发了一个处理这些不确定性因素 系统框架【9 h 1 4 】。 1 3 2 国内研究现状 在我国，与拆卸相关理论的研究起步较晚，理论和相应的技术还不成熟。近些年来 参与研究的人员才逐渐增多。合肥工业大学的刘光复、刘志峰等人对此进行了一定的研 究并提出了一些相关的理论。他们对面向拆卸设计的理论体系，如面向拆卸设计的定义， 设计准则，设计方法等展开了讨论。突破性的利用了计算机模拟仿真的方法对产品拆卸 序列生成进行了研究，避免了拆卸干涉问题的发生。他们还对产品拆卸模型表示和拆卸 序列生成思路进行了深入的探讨。目前正在对拆卸序列自动生成的相关软件进行开发。 重庆大学刘飞等对产品绿色设计的定义、系统框架和发展趋势等问题进行了一定的 研究。 上海交通大学在这个领域，以我们日常的家电产品为研究对象，并针对我国现有的 情况，提出了相关的设计理论和研究方法，同时在产品结构对可拆卸性的影响方面也做 了非常深入的研究。 近年来，我国对拆卸研究取得了一些成绩，与国外相比仍然存在许多不足和需要改 进的地方。我国应当继续深化理论研究并提高实际经验水平，学习国外先进知识，立足 本国国情，在面向拆卸的理论体系的基础上深入细致的进行拆卸研究，并研究出一套切 实可行的产品拆卸序列生成及评价的方法具有非常重要的意义【4 j l 巧儿岫j 。 1 4 产品拆卸相关理论研究存在的问题 由上面拆卸相关理论研究的国内外现状分析可知，虽然已经取得了一定的成就，但 第一章绪论 研究仍存在一些问题，主要有【6 1 ： 1 国内的研究还处在初级阶段，无论是基础理论的研究还是相关配套软件的开发 还比较浅，缺少必要的理论创新，还需要结合其他方面知识进一步的深入地研究，并提 高研究的实用价值。 2 需要开发出相配套的软件来，与三维c a d 软件结合，融入闭环设计思想，真 正使拆卸相关理论研究能够指导产品设计、制造、报废回收的各个环节。 3 与拆卸研究的相关数据不足，缺少实际经验；广泛搜集整理专家数据知识，在 实践拆卸的基础上建立完善统一的数据库。 4 产品拆卸的模型没有形成一个完整的体系。目前的各种拆卸模型都只适合于部 分产品的拆卸研究，并且简化了很多不确定的因素，不能全面的表达产品拆卸相关的信 息。拆卸模型还需统一和完善。 5 对拆卸序列生成的方法研究不够深入。现有的拆卸序列生产算法理想化因素较 多，忽略的因素较多，很少涉及零部件稳定性、对称性以及拆卸冲突等重要的问题，方 法有一定的局限性。 1 5 论文研究的主要内容 拆卸是废弃物回收在利用，和设备维修和更换的前提，往往也是拆卸回收设计理论 中首要研究和重点研究的问题。 本论文的研究工作是结合天津科教委自然科学基金项目“面向拆卸和回收设计的关 键技术研究”进行的，本文以研究机械产品零部件的拆卸序列分析及评价为目的。其主 要内容包括以下几个方面【1 7 - 2 0 l l 面向拆卸设计的理论体系 面向拆卸设计是绿色设计的重要内容，也是拆卸相关理论研究应用之一。文章主要 研究面向拆卸设计的定义，特点，设计准则及面向拆卸设计的可拆卸性结构设计方法等。 2p r o e 二次开发对零件信息及装配信息提取 零件所涉及的信息种类繁多，零件本身信息包括几何形状、材料、质量，体积，使 用时间及数量等。另外，零件做一个产品的组成部分，在整个装配体中还要涉及到与其 他零件的连接信息，在产品中的深度等位置信息等。我们所要做到把众多的信息合理的 分类并通过一定手段和方法有效的表达出来，根据不同的研究目标和要求，突出重点的 关键性因素。文章中根据拆卸分析的需要，对产品的零件信息及零部件间的装配约束关 系信息进行了分析，总结和提取，以满足后续拆卸分析的需要。 3 零件及装配信息底层数据库的建立 建立数据库的目的是用于存储通过p r o e 二次开发获得的拆卸评价所需的零部件 信息及装配约束关系信息。 4 拆卸模型的建立拆卸序列的生成 此部分内容阐述了拆卸分析的前提和假设以及拆卸稳定性理论，并详细论述了拆卸 模型的建立过程及拆卸序列生成原则及拆卸步骤。最后通过实例进行验证所产生的拆卸 第一章绪论 序列的可行性。 5 拆卸性评价 综合分析了产品可拆卸性的影响因素。分别从拆卸时间，拆卸经济性和环境影响性等角度进行 评价。 1 6 本章小结 产品拆卸的研究是在环境与资源日趋紧迫及绿色设计与制造思想提出的背景下产 生的。国外在相关领域的研究开展的较早，已逐渐形成了一系列的理论方法，也开发了 相应的软件工具。在我国，与拆卸相关理论的研究起步较晚，理论和相应的技术还不成 熟。近些年来参与研究的人员才逐渐增多，也取得了一定的成绩。目前该领域的研究仍 存在一些问题，还需要后续的研究。 第二章面向拆卸设计理论体系 第二章面向拆卸设计理论体系 2 1 拆卸的概念及分类 拆卸：顾名思义，就是将产品中的零部件按先后顺序有规律地拆除的过程一1 。而拆卸 又是回收的前提条件，决定了产品的回收和再利用。作为产品拆卸的对象主要有：一具 有可多次重复利用和出售价值的零部件；这些零部件被拆下后，可通过修复或直接回归 市场；二是对环境有污染的材料，有些零部件废弃后如不做回收处理会对环境造成严重 污染，因此这些零部件也要作拆卸的重点对象拆下；三是可作为材料回收的零部件，不 同于前两种情况，这些零部件拆卸后作为原材料直接送往生产工厂，尤其是材料的价格 比较昂贵，使用寿命短的零部件更应该拆卸回收。 根据要求的不同可将拆卸分为不同的类。按拆卸后零件是否破坏，可将拆卸分为： 破坏拆卸或非破坏拆卸。在产品进行拆卸时，对拆卸的一个或多个零部件，产生了损坏， 导致零件不能自动恢复原状或失去原有的功能，称为破坏性拆卸。在产品进行拆卸时， 所有零件都没有被损坏，称为非破坏性拆卸。在非破坏拆卸中，所有零件均不被破坏。 若有一个或多个零件被破坏了，则也为破坏性拆卸。拆卸螺纹连接一般为非破坏拆卸， 若发生锈死，很容易造成破坏拆卸；焊接，铆接的拆卸一般为破坏性拆卸。 另外，根据装配体中零件的拆卸程度，拆卸可分完全拆卸，部分拆卸和目标拆卸几 种【4 】o l 完全拆却：是指将一个产品完全拆卸至每一个单独的零部件，即所有能拆卸的连 接全部打开。这种拆卸方式主要应用予理论研究或有特殊目的拆卸，在实际应用中应用 较少。 2 部分拆却：指将一个产品中的部分零部件进行拆卸。这种拆卸方式多用于报废回 收拆卸中，当拆到某一个零件时，剩下的零件所具有的回收价值不高时，通常就放弃继 续拆卸。或作为材料进行回收时，剩下部分零件的材料构成相同，可以作为整体回收， 即也就没有必要再进行拆卸了。此种拆卸方式有时也用于维修拆卸中，即产品的某一部 分需要维修或更换时。 3 目标拆卸：指对产品中指定的零部件进行拆卸的方式。此种拆卸多用在设备维修 或零部件更换中。在进行产品维修时，某指定的零部件损坏而需要将其拆下进行维修或 更换；或在对产品进行报废处理时，发现某个零部件无论是作为材料回收还是其重复再 利用的价值较大；或将某些产品的零部件焚烧，填埋等处理时会造成定程度的坏境污 染或生态破坏。以上几种情况都需要将其作为目标拆卸对象拆下。 通常我们在拆卸实践中发现，很少有纯粹的目标拆卸或者是部分拆卸的存在，他们 往往是共同存在的。当我们要拆卸下某一目标对象时，往往需要拆卸与之相关的其他零 部件，此时便发生了部分拆卸。 第二章面向拆卸设计理论体系 要想使产品维修和有效回收顺利的进行，拆卸是必不可少的，它不仅作为一项重要 手段，还对产品零部件的重复再利用起到了积极的作用。 本文中对拆卸的研究主要是非破坏性拆卸、完全拆卸。当遇到需破坏零部件的拆卸 时停止此步拆卸。 2 2 常见连接类型及拆卸方法 连接有可拆卸连接和不可拆卸连接( 不可拆卸连接指需破坏连接件才可拆卸的连 接，故在本文中将此种连接统称为不可拆卸连接) 。常用可拆卸连接类型有：螺纹连接 ( 包括螺栓连接，螺钉连接，双头螺柱连接等) ；键连接( 有平键连接，半圆键连接， 楔键连接等) ；过盈配合连接( 孔轴配合连接) ，销钉连接和粘接等【2 1 】【2 2 1 。 1 螺纹连接：螺纹连接具有结构比较简单、安全性高、便于调节和多次拆装等优点， 因而应用最广，拆卸中遇到的最多。虽然螺纹连接件的拆卸比较容易，但往往因不够重 视，工具选用不合适，拆卸方法不正确而造成连接件损坏。例如，使用开口大于螺母宽 度的扳手，使螺母棱角拧圆；使用螺钉旋具的厚度尺寸与螺栓项部开槽不符，或用力不 当，使开槽边缘削平损坏：使用过长的加力杆或未搞清螺纹旋向而拧反，致使螺栓折断 或螺纹损坏等。因此，拆卸螺纹联接件一定要选用合适的扳手或螺钉旋具，尽量不用活 扳手，对于较难拆卸的，一定要弄清螺纹旋向，不要盲目乱拧或用过长的加力杆。拆卸 双头螺栓，要用专用扳手。 2 键连接：键连接多用在齿轮和轴之间的连接。连接件易于加工制造，应用比较广 泛。拆卸时可用专业的拆卸工具如拔轮器、压力机等，或是用锤子轻轻敲击。其拆卸方 法基本与过盈配合拆卸方法相同。 3 过盈配合连接的拆卸：过硬配合连接无需连接件，但拆卸较为困难。拆卸过盈配 合件，应使用专门的拆卸工具，如拔轮器、压力机等。禁止使用铁锤直接敲击机零件， 以免造成破坏。在无专用工具的情况下，可用木锤、铜锤、塑料锤或垫以木棒( 块) 、 铜棒( 块) 用铁锤敲击。但直接打击零件的锤、棒等物的材质，应比零件软。无论使用 何种方法拆卸，都应注意以下几点： ( 1 ) 拆卸前要检查有无销钉、螺栓等附加固定或定位装置。若有，应先拆下这 些附件。 ( 2 ) 加力部位要正确，并应注意零件受力要均匀，避免歪斜。对轴类零件，力 应施在受力面的中心。 ( 3 ) 拆卸时，用力要均匀，作用力的合力方向应与轴线重合。特别是带台阶、 有锥度的过盈配合件的拆卸。 4 销钉连接：销钉连接也是一种比较常用的连接方式，有时还起到定位的作用。销 钉连接的结构简单，拆卸方便。 5 粘合的拆卸：粘合一般应用不常见，拆卸时只要注意尽量不损坏零件即可。 还有一些不常见的连接方式如搭扣连接，砸箍连接等。 另外像焊接，铆接等连接方式，拆卸时需要破坏连接，因此属于不可拆卸连接，在 第二章面向拆卸设计理论体系 本文中不做研究2 3 1 。 2 3 面向拆卸设计的定义及特点 面向拆卸的设计( d e s i g nf o rd i s s a s s c m b l y ，d f d ) ，是绿色设计的重要内容之一， 是当前研究的热点和难点。它是一种对产品维修及报废以后的拆卸回收环节统筹兼顾的 设计思想和方法，是一种在满足产品基本属性的前提下，以产品的可拆卸性作为重要设 计目标的设计方法，使产品易于拆卸，并可以从废弃产品材料回收和零部件再次利用中 获褥最高利润的设计方法，是一种能够高效率、低成本的进行产品装配和拆卸的设计方 法，并能实现零件的方便拆卸以及材料的分类拆卸，以便重新使用和回收。其概念定义 为： 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 ) 是指在产品设计的初步，在满足产 品性能与功能的前提下改进产品的装配结构，充分考虑产品的可拆卸性，并以此为产品 结构设计和材料