機(jī)電產(chǎn)品可拆卸設(shè)計(jì)方法研究綜述

張秀芬， 胡志勇， 蔚剛， 裴承慧， 薩日娜

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，呼和浩特010051；2.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼和浩特010070）

1 引言

產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度逐漸加快，廢舊產(chǎn)品數(shù)量正以驚人的速度增長，造成了資源的過度消耗和環(huán)境的嚴(yán)重污染?；厥赵倮每蓪?shí)現(xiàn)工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的閉環(huán)循環(huán)，促進(jìn)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的建設(shè)，而可拆卸是產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng)閉環(huán)的先決條件，因此，如何提高產(chǎn)品的可拆卸性是急需解決的重要問題之一［1-3］。

可拆卸設(shè)計(jì)技術(shù)是以提高產(chǎn)品可拆卸性能為目的，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就考慮產(chǎn)品全生命周期的拆卸問題，用可拆卸性約束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)易于拆卸、便于維護(hù)、廢棄后可充分回收利用，有效提高產(chǎn)品綠色性能的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。

本文主要對(duì)可拆卸設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究，分析了近年來該領(lǐng)域的國內(nèi)外研究情況，并綜述了其研究的相關(guān)內(nèi)容，最后提出了進(jìn)一步研究的方向。

2 可拆卸設(shè)計(jì)方法

可拆卸設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)的面向功能和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)擴(kuò)展到包括維修、回收等的產(chǎn)品全生命周期設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)信息化技術(shù)、材料、物理、化學(xué)等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可拆卸設(shè)計(jì)的研究也不斷深入，歸納起來可分為三大類型［4-11］：嵌入式可拆卸設(shè)計(jì)（Disassembly Embedded Design，DED)、主動(dòng)拆卸設(shè)計(jì)（Active Disassembly，AD）、基于準(zhǔn)則的可拆卸設(shè)計(jì)。

其中，DFD是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中將分離特征嵌入到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中并制造出來，拆卸一個(gè)連接部分，產(chǎn)品的其它聯(lián)接部分即可像多米諾骨牌一樣自我拆卸。該方法不需要特殊工具、材料的支持，所以可以應(yīng)用于大部分產(chǎn)品，尤其適合于電子產(chǎn)品。但該方法需要同時(shí)考慮組件、定位器、緊固件的空間布局特征及零部件的回收決策，對(duì)設(shè)計(jì)人員有較高的要求。

AD的主要思想是采用智能材料（如形狀記憶合金）或智能結(jié)構(gòu)的緊固件代替?zhèn)鹘y(tǒng)緊固件，通過外界觸發(fā)促使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)自我拆卸。區(qū)別于DFD之處在于該方法不需要直接的物理接觸和設(shè)計(jì)特別的內(nèi)部聯(lián)接。該方法可以高效、清潔、非破壞性地分離零部件，實(shí)現(xiàn)高效率回收。但該方法存在不安全隱患、產(chǎn)品成本高等不足。

基于準(zhǔn)則的可拆卸設(shè)計(jì)基本思想是將可拆卸設(shè)計(jì)準(zhǔn)則融入產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中以提高產(chǎn)品的可拆卸性能。目前，可拆卸設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要包括：材料種類最小化和易于識(shí)別、緊固件數(shù)量最小化和標(biāo)準(zhǔn)化、緊固點(diǎn)易于可達(dá)、拆卸運(yùn)動(dòng)簡單化、產(chǎn)品功能簡化等。在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)，依據(jù)上述準(zhǔn)則可以有效地提高產(chǎn)品的可拆卸性。

3 可拆卸設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

可拆卸設(shè)計(jì)的研究主要集中在拆卸設(shè)計(jì)建模、拆卸序列規(guī)劃、可拆卸性評(píng)價(jià)等方面。

3.1 拆卸建模

拆卸設(shè)計(jì)建模是可拆卸設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，目前常用的建模方法包括有向圖、無向圖、AND/OR圖、Petri網(wǎng)、拆卸樹等［12-22］。有向圖模型中，節(jié)點(diǎn)表示零部件，節(jié)點(diǎn)間的連線表示零部件間的拆卸約束關(guān)系，連線的方向表示節(jié)點(diǎn)拆卸的先后順序關(guān)系。這種方法直觀地顯示了所有拆卸序列，缺點(diǎn)是當(dāng)零部件數(shù)目較多時(shí)，節(jié)點(diǎn)和邊數(shù)量增多，拆卸深度和序列規(guī)劃的建模和優(yōu)化決策算法比較復(fù)雜。無向圖模型與有向圖模型類似，結(jié)構(gòu)上更簡單，但是對(duì)于拆卸工藝彼此間的先后關(guān)系無法描述清楚。SANDERSON等以節(jié)點(diǎn)表示產(chǎn)品或零部件，將一個(gè)節(jié)點(diǎn)分解成n個(gè)子節(jié)點(diǎn)，以帶弧連接的兩條線表示，圓弧連接的兩條線是同時(shí)存在的，因而是邏輯AND關(guān)系，同一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示不同的分解方法時(shí)則用幾對(duì)帶弧的線表示，它們之間構(gòu)成了OR關(guān)系，這樣形成的圖為AND/OR圖。AND/OR圖顯示了所有可能的拆卸序列，而且節(jié)點(diǎn)較少，缺點(diǎn)是零部件的與或關(guān)系所反映的割集數(shù)量非常龐大，組合爆炸的致命缺陷嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用，并且拆卸分析的直觀性不如有向圖，如產(chǎn)品的模型發(fā)生變化，很難在新模型中及時(shí)體現(xiàn)。產(chǎn)品拆卸樹是將零部件作為樹的節(jié)點(diǎn)，以樹節(jié)點(diǎn)的父子關(guān)系表示零部件間的拆卸約束關(guān)系。產(chǎn)品拆卸樹由PDM與CAD設(shè)計(jì)中導(dǎo)入產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，再進(jìn)一步按照拆卸問題的特殊要求對(duì)其進(jìn)行修改，生成產(chǎn)品拆卸樹。拆卸樹方法直觀、簡單，但難以描述產(chǎn)品的復(fù)雜拆卸結(jié)構(gòu)的約束關(guān)系，難以得到合理的拆卸回收方案。目前的建模方法一般是上述幾種方法的混合，或者派生。

3.2 拆卸序列規(guī)劃

拆卸序列的好壞不僅可以縮減資源（如時(shí)間和成本）的消耗，而且可以提高拆卸的自動(dòng)化程度以及回收的零部件（或材料）的質(zhì)量。縱觀各種拆卸算法，其總的思路是根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)抽象出數(shù)學(xué)模型，用節(jié)點(diǎn)表示組件，邊/弧線表示裝配關(guān)系，然后將拆卸序列規(guī)劃轉(zhuǎn)化為圖的搜索問題，由此可以確定拆卸深度，生成拆卸序列。拆卸模型可以為設(shè)計(jì)者在概念設(shè)計(jì)階段拆卸問題的估計(jì)提供相關(guān)信息。一般拆卸序列解都是不唯一的，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)（如成本最低、時(shí)間最短、貴重組件優(yōu)先拆卸等）的不同得到不同的拆卸算法。主要包括基于圖搜索和數(shù)學(xué)精確推理的方法、基于人工智能的方法?；趫D搜索的拆卸序列生成方法，如 Zhang和 Kuo［23］提出部件-緊固件圖法，通過圖搜索的方法生成拆卸序列，并通過割點(diǎn)法將產(chǎn)品分解為子裝配體，以簡化拆卸過程；Homem De Mello和Sanderson［24-25］使用 AND/OR 圖生成完全裝配/拆卸序列。為得到最優(yōu)化拆卸序列，在AND/OR圖的基礎(chǔ)上，從產(chǎn)品CAD模型構(gòu)建拆卸優(yōu)先矩陣，并自動(dòng)轉(zhuǎn)換成Petri網(wǎng)，然后利用可達(dá)樹獲得可拆卸序列，根據(jù)成本函數(shù)獲得最優(yōu)拆卸序列［26］。Petri網(wǎng)具有較好的數(shù)學(xué)理論支持，為用數(shù)學(xué)方法求解拆卸序列規(guī)劃這種離散問題提供了橋梁。當(dāng)操作成本與序列不相關(guān)時(shí)，問題就轉(zhuǎn)變?yōu)閭鹘y(tǒng)線性規(guī)劃問題，如果成本與序列相關(guān)，就成為整數(shù)線性規(guī)劃問題。Lambert在AND/OR圖的基礎(chǔ)上，利用線性規(guī)劃方法對(duì)拆卸序列進(jìn)行精確求解［27］。利用該方法可以得到精確解，但由于計(jì)算太復(fù)雜，對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品容易產(chǎn)生組合爆炸，只適合求解中等復(fù)雜程度產(chǎn)品的序列規(guī)劃問題。基于人工智能的方法求解最優(yōu)拆卸序列的研究近年來逐漸增多，如遺傳算法、模擬退火法、蟻群算法等［27－30］。

上述研究都是以每次拆卸一個(gè)組件為假設(shè)，屬于順序拆卸序列規(guī)劃問題，工程實(shí)踐中，特別是對(duì)于大型復(fù)雜產(chǎn)品往往需要多個(gè)拆卸任務(wù)并行執(zhí)行。因此，根據(jù)零部件拆卸的邏輯次序，拆卸可以分為順序拆卸和并行拆卸［31］。在并行拆卸中，Dutta和Woo［32］基于拆卸樹構(gòu)建了并行拆卸算法。為將并行拆卸應(yīng)用于完全拆卸和目標(biāo)選擇性拆卸等領(lǐng)域，Chen和Oliver等［33］基于匹配圖設(shè)計(jì)了“剝蒜”法，該方法僅適用于二維裝配體。Kang和Lee等［34］通過修改AND/OR圖構(gòu)建了擴(kuò)展過程圖，并設(shè)計(jì)了并行拆卸序列生成算法，應(yīng)用整數(shù)規(guī)劃法求得最優(yōu)解。隨著產(chǎn)品的復(fù)雜度的提高，接近真實(shí)情況的假設(shè)下，并行拆卸面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

3.3 可拆卸性評(píng)價(jià)

可拆卸性指產(chǎn)品拆卸的難易程度，通過可拆卸性評(píng)價(jià)獲得產(chǎn)品可拆卸性能信息，通過迭代反饋不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方案以實(shí)現(xiàn)可拆卸設(shè)計(jì)。

可拆卸性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵是評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取和評(píng)價(jià)方法的設(shè)計(jì)，如MOK等［35］提出了對(duì)零件個(gè)數(shù)、可達(dá)性、任務(wù)類型以及拆卸工具等幾項(xiàng)指標(biāo)打分來評(píng)價(jià)拆卸的難易程度。DESAL等［36］以拆卸力、工具定位的準(zhǔn)確程度、拆卸工具、可達(dá)性、待拆組件的材料和形狀以及拆卸操作姿態(tài)等為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并用時(shí)間量化這些指標(biāo)來評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可拆卸性。SUGA［37］提出了一種與實(shí)際拆卸操作無關(guān)的拆卸性定量評(píng)價(jià)方法，引入兩個(gè)定量描述拆卸性的參數(shù)：拆卸能和拆卸熵。拆卸能是為解除所有聯(lián)接所消耗的能量之和，拆卸熵依賴于聯(lián)接方式種類數(shù)和拆卸操作中不同拆卸方向的數(shù)量。

4 總結(jié)與展望

產(chǎn)品可拆卸性設(shè)計(jì)的研究已經(jīng)走過了很長的歷程，并且取得了許多成果，但仍然存在許多亟待研究的問題。文章分析總結(jié)了產(chǎn)品可拆卸性設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀，并歸納出其進(jìn)一步發(fā)展的趨勢：

（1）復(fù)雜產(chǎn)品的并行拆卸序列規(guī)劃

目前，拆卸的困難在于無法獲得必要的拆卸信息，且某些產(chǎn)品的拆卸性不好。另外，雖然對(duì)拆卸序列規(guī)劃算法的研究已經(jīng)比較深入，但目前的許多的算法只能解決中低等復(fù)雜程度的模型的拆卸序列規(guī)劃問題，且受每次只能進(jìn)行一個(gè)拆卸任務(wù)假設(shè)條件的約束，在工程實(shí)踐中，往往產(chǎn)品的零部件數(shù)目多、結(jié)構(gòu)多樣化，已有方法由于計(jì)算量大、計(jì)算時(shí)間長而無法求解，特別是多任務(wù)并行拆卸序列規(guī)劃問題將是未來亟需解決的難題。

（2）拆卸模型的快速變更響應(yīng)

拆卸建模方面，國內(nèi)外已有大量的研究成果，可拆卸設(shè)計(jì)中，通過對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆卸分析，根據(jù)可拆卸性評(píng)價(jià)反饋結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的每次改進(jìn)設(shè)計(jì)都需要重新建立拆卸模型，現(xiàn)有的拆卸模型著重于零部件裝配約束和拆卸優(yōu)先級(jí)的表達(dá)上，支持面向回收的拆卸分析，但是無法滿足可拆卸設(shè)計(jì)中頻繁重建的需求，變更響應(yīng)能力的提高是未來研究的重點(diǎn)。

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