基于Petri nets的再制造拆卸技術(shù)研究

胡世軍，李進(jìn)，張紅香，李崇建，常迎杰

(蘭州理工大學(xué) a. 數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， b. 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

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基于Petri nets的再制造拆卸技術(shù)研究

胡世軍a,b，李進(jìn)a,b，張紅香a,b，李崇建a,b，常迎杰a,b

(蘭州理工大學(xué) a. 數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， b. 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

摘要：拆卸技術(shù)是產(chǎn)品高效回收和再制造的重要前提，是再制造過程中的關(guān)鍵工序，它在很大程度上保證了新產(chǎn)品設(shè)計(jì)和廢舊產(chǎn)品再制造資源的最大化利用。通過對(duì)產(chǎn)品拆卸Petri網(wǎng)模型的建立，拆卸序列規(guī)劃，產(chǎn)品再制造拆卸評(píng)估方法的研究，利用Pro/E 4.0系統(tǒng)的客戶化開發(fā)工具包Pro/Toolkit進(jìn)行UI對(duì)話框設(shè)計(jì)出了產(chǎn)品再制造拆卸仿真界面，在VS2005中編寫動(dòng)作實(shí)現(xiàn)代C語(yǔ)言代碼，生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)執(zhí)行文件，在Pro/E中注冊(cè)運(yùn)行，得到再制造拆卸仿真系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：再制造；拆卸；仿真；Petri網(wǎng)

0引言

再制造是指將廢舊機(jī)電產(chǎn)品運(yùn)用高科技手段進(jìn)行專業(yè)化修復(fù)或升級(jí)改造，使其品質(zhì)和性能恢復(fù)甚至優(yōu)于原產(chǎn)品的批量化制造過程。

無(wú)論是回收還是再制造，都涉及到對(duì)產(chǎn)品的零部件或者子裝配件不同程度的拆卸，同時(shí)產(chǎn)品拆卸也是綠色設(shè)計(jì)一個(gè)重要組成部分和產(chǎn)品生命周期中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

再制造拆卸是指將廢舊產(chǎn)品及其部件有規(guī)律的按順序分解成零部件，并保證在執(zhí)行過程中最大化預(yù)防零部件性能進(jìn)一步損壞的過程[1]。在資源的最大化利用和自動(dòng)拆卸以及產(chǎn)品再制造性能方面具有重要意義。對(duì)產(chǎn)品拆卸過程的規(guī)劃提取了零件最優(yōu)拆卸順序從而提高拆解效率，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品回收和再制造經(jīng)濟(jì)效益和資源節(jié)約。

可拆卸性作為產(chǎn)品再制造性能的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過對(duì)產(chǎn)品可拆卸性研究，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高效率、低成本地進(jìn)行組件、零件的目標(biāo)拆卸或材料的分類拆卸，以便使廢舊產(chǎn)品充分有效地回收和重用，以達(dá)到節(jié)約資源和能源、保護(hù)環(huán)境的目的[2]。因此，無(wú)論是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，還是在產(chǎn)品的回收之后進(jìn)行再利用，結(jié)合產(chǎn)品再制造拆卸各項(xiàng)評(píng)估準(zhǔn)則以及產(chǎn)品拆卸序列優(yōu)化方法，對(duì)產(chǎn)品的拆卸過程進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)、直觀、有序、高效的虛擬拆卸，這對(duì)產(chǎn)品可拆卸性設(shè)計(jì)和再制造具有重要輔助作用。

1再制造拆卸的基本內(nèi)容和方法

產(chǎn)品的拆卸性設(shè)計(jì)總體主要由三維概念設(shè)計(jì)、拆卸建模、拆卸序列規(guī)劃、拆解回收評(píng)價(jià)、再制造性能評(píng)價(jià)這幾個(gè)模塊組成，其中以拆裝建模為基礎(chǔ)，以拆卸序列規(guī)劃和拆卸路徑規(guī)劃為設(shè)計(jì)過程的核心[3]。

1.1　三維概念設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品三維模型設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用三維軟件對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)(組件類型、連接方式等)，性質(zhì)(材料信息、幾何信息等)和零件拆卸工具庫(kù)進(jìn)行建模。

1.2　再制造拆卸模型和拆卸序列的生成

產(chǎn)品拆卸建模模塊，是再制造拆卸的基礎(chǔ)。模型建立的好壞直接影響后續(xù)工作的進(jìn)行。目前比較常用的拆卸建模方法有基于圖論的無(wú)向圖，有向圖、AND/OR圖、Petri網(wǎng)法、層次分析法等。因?yàn)樾枰獙?duì)零件的拆卸經(jīng)濟(jì)性能、拆卸成本等因素進(jìn)行考慮，PN (Petri nets)法可以較好地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

a) 產(chǎn)品拆卸Petri網(wǎng)模型概述

Petri[4]網(wǎng)主要是用于離散事件的建模與分析，它是由令牌(token)、庫(kù)所(Place)、變遷(Transitions)以及連接庫(kù)所和變遷的有向弧(Arcs)所構(gòu)成的有向網(wǎng)絡(luò)圖。其中系統(tǒng)的狀態(tài)可以通過是否包含及包含多少個(gè)令牌來(lái)描述。在PN中，令牌用以表示在PN中運(yùn)動(dòng)的對(duì)象(對(duì)應(yīng)于產(chǎn)品模型中待拆卸零部件)，用實(shí)心圓點(diǎn)表示；庫(kù)所代表等待處理的令牌所處的位置或狀態(tài)，用小圓圈表示；變遷表示一系列改變系統(tǒng)狀態(tài)的事件、動(dòng)作，用小矩形表示；有向弧描述令牌在系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡，用單向箭頭表示。具體示例見圖1。

圖1　駕駛室結(jié)構(gòu)框架

根據(jù)Murata[5]所述PN被定義為一個(gè)五元數(shù)組，PN=(P,T,F,W,M0)。P={Pi}，是庫(kù)所的有限集，代表模型中零件所處位置或者所處狀態(tài)T={Tj}，是變遷的有限集，對(duì)應(yīng)于拆卸動(dòng)作和方式。P∩T=φ，P∪T>φ,F?{P×T}∪{T×P},表示庫(kù)所與變遷之間的有向關(guān)系流。F={1,2,...},是有向弧權(quán)重的集合，對(duì)應(yīng)零部件的拆卸要求M0={0,1...}，是庫(kù)所的初始標(biāo)識(shí)。對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的PN(沒有自封閉環(huán))來(lái)說，PN結(jié)構(gòu)可以用矩陣A=[aij]來(lái)表示：

(1)

將Petri網(wǎng)理論應(yīng)用到廢舊產(chǎn)品拆卸回收過程當(dāng)中，結(jié)合零件的回收經(jīng)濟(jì)效益和再制造性能建立拆卸Petri網(wǎng)(DPN)。對(duì)產(chǎn)品拆卸過程規(guī)劃進(jìn)行研究，可以生成產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)拆卸序列[6]。

b) 產(chǎn)品拆卸序列的生成

PN拆卸序列的生成技術(shù)路線如圖2所示。

圖2　PN拆卸序列的生成路線

拆卸優(yōu)先矩陣(DPM)運(yùn)用AND、OR和AND/OR關(guān)系在三維空間x、y、z方向上反映了產(chǎn)品內(nèi)部各零件的連接和拆卸干涉關(guān)系。對(duì)于每一個(gè)零件i，在其可拆卸運(yùn)動(dòng)方向上的拆卸軌跡寬度與零件i的尺寸相關(guān)，那些位于或部分位于零件i可視拆卸軌跡上的零件都稱作零件i的干涉元素，根據(jù)各零件的干涉關(guān)系即可構(gòu)建出拆卸優(yōu)先矩陣B=[bi,j]，bi,j表示零件i與零件j發(fā)生拆卸干涉。具體干涉關(guān)系如式(2):

(2)

所有與i發(fā)生AND干涉關(guān)系的零件都必須先于i拆卸，在所有與i發(fā)生OR干涉關(guān)系的零件中至少有一個(gè)先于i拆卸，與其他零件均不干涉和易于損壞或具有危險(xiǎn)性的零件應(yīng)該首先進(jìn)行拆解。根據(jù)拆卸優(yōu)矩陣B，運(yùn)用DPN運(yùn)行規(guī)則，就可以得到具體的產(chǎn)品拆卸模型網(wǎng)路圖，再結(jié)合零件信息庫(kù)和經(jīng)濟(jì)性拆卸方案對(duì)拆卸序列進(jìn)行優(yōu)化，得到拆卸序列簡(jiǎn)化可達(dá)樹，最后遴選出經(jīng)濟(jì)最優(yōu)拆卸序列。

1.3　產(chǎn)品再制造拆卸性能評(píng)估

影響產(chǎn)品拆卸性能的主要因素，待拆卸零部件的數(shù)目，待查零件和連接在產(chǎn)品中所處的深度，各個(gè)零部件的連接數(shù)目、關(guān)系和狀態(tài)(決定是否需要破壞性拆解)，產(chǎn)品拆卸序列的優(yōu)劣性(決定了拆卸的效率)，各個(gè)連接的拆卸工具、時(shí)間和費(fèi)用等。

a) 可拆卸性評(píng)估指標(biāo)

產(chǎn)品的可拆卸性體現(xiàn)再制造的效益和成本，評(píng)估產(chǎn)品的可拆卸性有利于與提高產(chǎn)品再制造的效率，降低生產(chǎn)成本。產(chǎn)品可拆卸性與產(chǎn)品的零件數(shù)目、相連接零件數(shù)目、零件間連接方式相關(guān)，其評(píng)估指標(biāo)為：

(3)

b) 拆卸效率、費(fèi)用評(píng)估指標(biāo)

拆卸效率、拆卸經(jīng)濟(jì)性是最能體現(xiàn)產(chǎn)品再制造初期的拆卸效率和經(jīng)濟(jì)性。

E=Tsp·Ni/Tr

(4)

式中：E,拆卸效率;Tsp,單個(gè)零件理想拆卸時(shí)間;Ni,產(chǎn)品零件數(shù)；Tr,實(shí)際總拆卸時(shí)間。

Cp=Ti·Ni·Le/3600,μ=Cp/Cr

(5)

c) 拆卸環(huán)境性評(píng)估

產(chǎn)品在拆卸過程中會(huì)產(chǎn)生多種對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，要對(duì)每一種物質(zhì)對(duì)環(huán)境的影響做出分析，需通過對(duì)不同類環(huán)境影響的具體數(shù)值進(jìn)行量化，得出產(chǎn)品第i類環(huán)影響的排放值。

(6)

式中：n為產(chǎn)品排放的第i類環(huán)境影響物質(zhì)總類數(shù)；Qj為第j類物質(zhì)排放量，aj為第j類物質(zhì)對(duì)環(huán)境的影響因子。通過對(duì)Ei值與參照產(chǎn)品排放值Er取比值，得到第i類環(huán)境影響無(wú)量綱指標(biāo)EIi。

EIi=Ei/Er

(7)

最后用環(huán)境影響加權(quán)系數(shù)

Wi=(Ei-Er)/Er

(8)

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行橫向類比，Wi越小，則表示該產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的影響與參照產(chǎn)品越接近，其對(duì)環(huán)境的影響就越小。

d) 再制造拆卸的其他評(píng)估因素

影響產(chǎn)品再制造拆卸的因素很多，由于篇幅限制，以上只列舉其中最典型的幾個(gè)，其他諸如零件耐用性因素、回收價(jià)值性因素、技術(shù)性因素、零件互換性因素等均可在相關(guān)專業(yè)資料查詢。

2ProToolkit仿真系統(tǒng)對(duì)話框設(shè)計(jì)

在vs2005平臺(tái)下建立MFC DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))應(yīng)用程序模式，并編寫實(shí)現(xiàn)對(duì)話框與用戶進(jìn)行交互的C程序，編譯、連接后生成可執(zhí)行程序，最后編寫注冊(cè)文件，在Pro/E中注冊(cè)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)對(duì)象的拆卸仿真。

2.1　編寫信息資源文件和對(duì)話框資源文件

a) 信息資源編寫

文件信息由多個(gè)4行語(yǔ)句組成，每組代表一條信息，具體含義如下：

第1行是查詢某條信息的關(guān)鍵字。

第2行是所要顯示的內(nèi)容，是一個(gè)格式控制語(yǔ)句。

第3行是該條信息的語(yǔ)言翻譯。

第4行為空，為以后功能擴(kuò)展預(yù)留。

b) 對(duì)話框資源文件編寫

對(duì)話框資源文件描述了對(duì)話框的整體風(fēng)格、控件的列表和屬性、控件的相互位置等特性。Pro/Toolkit提供了一個(gè)專門用來(lái)檢驗(yàn)對(duì)話框資源文件編寫正確與否的工具，即prodialog_view.exe。對(duì)話框資源文件編寫好以后，直接拖進(jìn)prodialog__view.exe文件，若無(wú)錯(cuò)誤，則會(huì)顯示界面，若出錯(cuò)，則顯示出錯(cuò)的原因及位置。

2.2　Pro/Toolkit程序設(shè)計(jì)

要想實(shí)現(xiàn)對(duì)話框與用戶交互的功能，必須進(jìn)行以下過程：

1) 讀取對(duì)話框資源文件，將對(duì)話框調(diào)入內(nèi)存，此過程用到的函數(shù)是ProUIDialogCreate()。

2) 為對(duì)話框各控件指定行為函數(shù)，修改對(duì)話框及各控件屬性。

3) 顯示并激活對(duì)話框，接受用戶交互，此過程用到的函數(shù)是ProUIDialogActivate()。

4) 關(guān)閉對(duì)話框、釋放對(duì)話框所占內(nèi)存，此過程用到的函數(shù)是ProUIDialogDestroy()。

以下是拆卸仿真中用到的幾個(gè)主要函數(shù)：

函數(shù)：ProAsmcomppathMdlGet(),根據(jù)裝配元件的路徑獲得其模型。

函數(shù)：ProAsmcomppathInit()，初始化零件在裝配體中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

函數(shù)：ProAsmcomppathTrfGet()，讀取零件在裝配體中的位姿矩陣息。

函數(shù)：ProAsmcomppathTrfSet()，設(shè)置零件在裝配體中的位姿矩陣。

后兩個(gè)函數(shù)通過實(shí)時(shí)讀取和修改零件在裝配體中的位姿矩陣，實(shí)現(xiàn)零件在裝配體沿坐標(biāo)系的逐步移動(dòng)。

函數(shù)：pro_compute_interference(),檢測(cè)兩零件之間是否發(fā)生干涉。當(dāng)然，拆卸仿真對(duì)話框的實(shí)現(xiàn)需用到很多函數(shù)，這些函數(shù)原型都可以在Pro/Toolkit user’s guide里面查到，此處不在贅述。

2.3　對(duì)話框示例

以下是二級(jí)減速器的拆卸仿真界面。在主菜單欄上添加拆卸仿真菜單，點(diǎn)擊可以打開再制造拆卸仿真對(duì)話框按鈕，調(diào)出再制造拆卸仿真主對(duì)話框界面，如圖3所示。在主對(duì)話框里面可以進(jìn)行待拆卸零件的選擇、零件的拆卸動(dòng)作、零件之間的干涉檢驗(yàn)、拆卸序列的生成等操作。點(diǎn)擊零件再制造評(píng)估可以調(diào)出再制造評(píng)估對(duì)話框，如圖4，可以對(duì)零件進(jìn)行再制造性能的評(píng)估，以檢驗(yàn)該零件是否有必要進(jìn)行再制造。

圖3　再制造仿真主對(duì)話框

圖4　零件再制造評(píng)估對(duì)話框

3結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)產(chǎn)品拆卸Petri網(wǎng)模型建立的基本方法的分析，結(jié)合再制造產(chǎn)品的拆卸性能基本指標(biāo)的評(píng)估方法，運(yùn)用Pro/E二次開發(fā)設(shè)計(jì)了產(chǎn)品拆卸仿真對(duì)話框，以實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)產(chǎn)品再制造拆卸過程的直觀有效掌控。凸顯了拆卸技術(shù)在對(duì)產(chǎn)品再制造的重要性。

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Study of Remanufacturing Disassembly Technology Based on Petri nets

HU Shi-juna,b, LI Jina,b, ZHANG Hong-xianga,b, LI Chong-jiana,b, CHANG Ying-jiea,b

(a. Key Laboratory of Digital Manufacturing Technology and Application, the Ministry of Education,

b. School of Mechanical and Electronical Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

Abstract:Disassembly technology is an important prerequisite to efficient recycling products and remanufacturing and the key process of manufacturing. It ensures the design of new products and makes full use of the remanufacturing resources of waste products. In this paper, through the establishment of the product disassembly Petri net model, disassembly sequence planning, product remanufacturing disassembly evaluation method, the disassembly simulation interface of remanufacturing UI dialog of product is designed using customization Pro/Toolkit of Pro/E 4.0, then C language code is written in VS2005 to generate the action functions to realize the generation of a dynamic link library file and registered to run in Pro/E, thus, remanufacturing disassembly simulation system is achieved finally.

Keywords:remanufacturing; disassembly; simulation; Petri nets

中圖分類號(hào)：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)02-0125-03

作者簡(jiǎn)介：胡世軍(1968-)，男，甘肅蘭州人，碩士研究生導(dǎo)師，副教授，研究方向?yàn)閺氖孪冗M(jìn)制造技術(shù)、金屬切削刀具、機(jī)械裝備的自動(dòng)化控制等。