曹華軍 陳 翔 陳海峰

(重慶大學(xué)綠色制造技術(shù)研究所，重慶400030)

再制造作為一種比較高級的廢舊產(chǎn)品處理方式，不僅可以以相對較少的能源和資源消耗賦予產(chǎn)品新的使用壽命，而且充分挖掘廢舊產(chǎn)品剩余價(jià)值，減少產(chǎn)品回收產(chǎn)生的能耗和污染［1－2］。同新產(chǎn)品生產(chǎn)一樣，廢舊產(chǎn)品的再次設(shè)計(jì)對產(chǎn)品再制造活動(dòng)起關(guān)鍵作用，這個(gè)再次設(shè)計(jì)活動(dòng)稱為再設(shè)計(jì)。再設(shè)計(jì)是以廢舊產(chǎn)品及零部件作為毛坯、以最大化重用其材料以及附加值為目標(biāo)的創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)出新的再制造產(chǎn)品功能及結(jié)構(gòu)的過程［3］。

目前，國外對再設(shè)計(jì)的研究主要是基于原有設(shè)計(jì)信息重用或者產(chǎn)品失效而進(jìn)行的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，如Best等［4］在研究傳統(tǒng)的氣動(dòng)烘干機(jī)的基礎(chǔ)上建立了一種氣動(dòng)烘干機(jī)的再設(shè)計(jì)方法;Marquez等［5］在研究石化反應(yīng)器失效的基礎(chǔ)上進(jìn)行了石化反應(yīng)器再設(shè)計(jì)。國內(nèi)也有很多學(xué)者對再設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，如方峻等［6］采用定性因果推理和啟發(fā)式搜索的方法，提出了一種自動(dòng)生成參數(shù)再設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵技術(shù);黃艷等［7］提出了基于反求工程的再設(shè)計(jì)觀點(diǎn)和應(yīng)用研究方法;管強(qiáng)等［8］建立了模糊再設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)結(jié)果不滿意的方案進(jìn)行再設(shè)計(jì)。綜合國內(nèi)外文獻(xiàn)，鮮有文獻(xiàn)對重型機(jī)床再設(shè)計(jì)深入研究。

重型機(jī)床是極具回收價(jià)值的機(jī)電一體化產(chǎn)品，尤其是大型鑄件，年代越久性能越好，非常適合進(jìn)行再制造。如何低成本、高效、環(huán)保地完成重型機(jī)床再制造很大程度上取決于重型機(jī)床的再設(shè)計(jì)。對于重型機(jī)床再設(shè)計(jì)，本文參考文獻(xiàn)［9－10］引入物元思想清楚地表述重型機(jī)床和再制造機(jī)床特征信息?；诖耍疚奶岢隽嘶谖镌碚摰闹匦蜋C(jī)床再設(shè)計(jì)方法及再設(shè)計(jì)方案評價(jià)，并在機(jī)床再制造企業(yè)中應(yīng)用。

1 基于物元模型的重型機(jī)床再設(shè)計(jì)

首先，基于廢舊重型機(jī)床拆前檢測和重型機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行重型機(jī)床功能特性分析;然后，對廢舊重型機(jī)床再制造需求進(jìn)行分解和轉(zhuǎn)換，完成再制造后機(jī)床的功能特性分析;最后根據(jù)重型機(jī)床再制造前后的功能特性分析，完成重型機(jī)床再設(shè)計(jì)。故重型機(jī)床再設(shè)計(jì)流程框架如圖1所示。

1.1 物元理論

物元是描述事物的基本單元，它以物Om為對象，cm為特征，Om關(guān)于cm的量值vm構(gòu)成的有序三元組為M=(Om，cm，vm)。

物元將事物、特征和特征值放入一個(gè)整體中，可以清晰地描述事物。對于一個(gè)事物具有多個(gè)特征，可以引入多維物元來表述。多維物元定義如下所示:

設(shè)物 Om，n 個(gè)特征 cm1，cmi，…，cmn及 Om關(guān)于 cmi(i=1，2，…，n)對應(yīng)的量值 vmi(i=1，2，…，n)所構(gòu)成的陣列。

稱為n維物元，其中，

用一維物元模型可以對事物的特征作定性和定量描述。采用多維物元，可以具體化、全面地描述事物，也可為重型機(jī)床再設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1.2 基于多維物元和功能結(jié)構(gòu)樹的重型機(jī)床現(xiàn)狀和

用戶需求分析

如圖1所示，重型機(jī)床在制定再設(shè)計(jì)方案前，需要對重型機(jī)床特征現(xiàn)狀和用戶需求進(jìn)行分解轉(zhuǎn)化，最后通過子功能的形式來詳細(xì)表述重型機(jī)床特征現(xiàn)狀和用戶需求，以便更好地完成再設(shè)計(jì)方案。重型機(jī)床的子功能通常包括主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、夾緊、潤滑、排屑等，由此將重型機(jī)床按如下功能樹形式分解，如圖2所示。

重型機(jī)床子功能具有多個(gè)特征信息，故可采用多維物元來表述重型機(jī)床子功能。以某重型車床子功能主運(yùn)動(dòng)為例，車床主運(yùn)動(dòng)的特征項(xiàng)有主軸轉(zhuǎn)速、變速方式、操作方式、主軸內(nèi)孔錐度、主軸軸向竄動(dòng)、主軸軸肩支承面跳動(dòng)、主電動(dòng)機(jī)功率等。故該子功能可以以多維物元模型的形式表述如下:

式中:n表述該機(jī)床主運(yùn)動(dòng)子功能的特征項(xiàng)數(shù)，Vm=［vm1，vm2，vm3，…，vmn］T為子功能各個(gè)特征項(xiàng)特征值。

1.3 重型機(jī)床整機(jī)再設(shè)計(jì)

1.3.1 基于機(jī)床子功能映射的整機(jī)再設(shè)計(jì)

重型機(jī)床的整機(jī)再設(shè)計(jì)是由各個(gè)子功能再設(shè)計(jì)有機(jī)融合而成，而子功能的再設(shè)計(jì)可以看成是從廢舊機(jī)床某一子功能映射到再制造機(jī)床相應(yīng)子功能，其中的映射為該子功能的再設(shè)計(jì)方案，所以，可以采用各個(gè)子功能之間映射組合來表述機(jī)床整機(jī)再設(shè)計(jì)。對兩邊可能出現(xiàn)的子功能不對稱問題，通過在兩邊增加虛擬子功能以實(shí)現(xiàn)對稱。

圖3中Xi、Yi和F(Xi)分別表示廢舊機(jī)床的第 i個(gè)子功能、再制造機(jī)床第i個(gè)子功能和相應(yīng)的第i個(gè)映射，i∈(1，2，…，m)，m 為廢舊機(jī)床子功能數(shù)或再制造機(jī)床子功能數(shù)。由圖3可知，廢舊機(jī)床再制造可以表示為

機(jī)床子功能再設(shè)計(jì)方案之間必然存在一定的約束關(guān)系，發(fā)掘這些約束關(guān)系可以大大減少子功能方案的不合理組合，極大減少再設(shè)計(jì)方案評估時(shí)間。機(jī)床各個(gè)子功能再設(shè)計(jì)方案之間的約束可以劃分為功能約束和物理約束兩大類別，其中功能約束主要是為了保證各個(gè)子功能再設(shè)計(jì)方案不會(huì)出現(xiàn)功能上不匹配問題，如控制系統(tǒng)選用了數(shù)控系統(tǒng)，而進(jìn)給系統(tǒng)仍采用手動(dòng)進(jìn)給;物理約束主要包括結(jié)構(gòu)約束和物理特性約束，物理約束可以避免不同子功能再設(shè)計(jì)方案之間出現(xiàn)空間干涉、異常振動(dòng)和不穩(wěn)定等現(xiàn)象。

1.3.2 基于多維物元的子功能再設(shè)計(jì)

子功能再設(shè)計(jì)(圖4)是以廢舊機(jī)床該子功能為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，以再制造機(jī)床該子功能為設(shè)計(jì)目標(biāo)的再設(shè)計(jì)活動(dòng)，通過比較子功能再制造前后的多維物元特征屬性差異來制定子功能再設(shè)計(jì)方案。

圖 4 中，j∈(1，2，…，n)，n 為不同特征項(xiàng)數(shù)。

以某重型臥式車床的縱向進(jìn)給子功能為例，縱向進(jìn)給子功能的特征屬性有{進(jìn)給行程，進(jìn)給范圍，定位精度，反向差值，重復(fù)定位精度，控制方式，操作方式}，根據(jù)式(1)，再制造前后縱向進(jìn)給子功能可以表示成如下:

根據(jù)上述兩個(gè)物元模型，不相同物元的特征項(xiàng)目有{進(jìn)給范圍，定位精度，反向差值，重復(fù)定位精度，控制方式，操作方式}，針對這些不同的特征項(xiàng)目，制定相應(yīng)的解決子方案。根據(jù)各個(gè)子方案，綜合得出縱向進(jìn)給子功能再設(shè)計(jì)方案采用閉環(huán)控制，傳動(dòng)路線為伺服電動(dòng)機(jī)—滾珠絲杠—床鞍。其中，電動(dòng)機(jī)、絲杠副、軸承、聯(lián)軸器采購;絲杠支撐座、電動(dòng)機(jī)安裝座、床鞍連接板自制;絲杠螺母座采用原絲杠螺母座改制而成，床身導(dǎo)軌采用刷鍍修復(fù)而床鞍刮研修復(fù)或者床身導(dǎo)軌采用磨床加工而床鞍進(jìn)行貼金屬板，床鞍加工安裝面，加裝光柵尺。

2 重型機(jī)床再設(shè)計(jì)方案評價(jià)

2.1 再設(shè)計(jì)方案評價(jià)指標(biāo)及指標(biāo)量化

根據(jù)上述方法，完成廢舊重型機(jī)床再設(shè)計(jì)，但是可能會(huì)存在很多個(gè)再設(shè)計(jì)方案，需要對這些方案進(jìn)行評價(jià)。

［12－14］對產(chǎn)品可再制造性的評價(jià)，本文將從成本(C)、交貨期(T)、重用率(R)、綜合性能(P)等四個(gè)指標(biāo)對再設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評價(jià)，以確定最優(yōu)的再設(shè)計(jì)方案。

2.1.1 成本指標(biāo)C

成本指標(biāo)主要是從客戶的角度來衡量重型機(jī)床再制造所產(chǎn)生的成本。機(jī)床的再制造成本C主要由廢舊機(jī)床成本C1和機(jī)床再制造過程費(fèi)用C2兩部分組成，如圖5所示。

2.1.2 交貨期指標(biāo)T

交貨期是指廢舊機(jī)床再制造協(xié)議簽訂至再制造機(jī)床交付客戶使用時(shí)間段。交貨期T主要是由客戶企業(yè)工廠施工時(shí)間T1、運(yùn)輸時(shí)間T2和再制造商工廠施工時(shí)間T3等3個(gè)部分組成。

(1)客戶企業(yè)工廠施工時(shí)間T1

該段時(shí)間是指在客戶企業(yè)工廠進(jìn)行再制造施工所花費(fèi)的時(shí)間，通常包括拆前檢測時(shí)間T11、重型機(jī)床拆卸時(shí)間T12、重型機(jī)床二次再裝配時(shí)間T13和再制造機(jī)床最終驗(yàn)收時(shí)間T14。

(2)運(yùn)輸時(shí)間T2

運(yùn)輸時(shí)間主要是廢舊機(jī)床(或零部件)從客戶企業(yè)工廠到再制造商工廠來回時(shí)間(假定機(jī)床或零部件一次運(yùn)完)。運(yùn)輸時(shí)間主要是通過行車路程比上行車速度來計(jì)算的，即

式中:s表示客戶工廠到再制造商工廠距離，km;v表示貨車運(yùn)行平均速度，km/天。

(3)再制造商工廠施工時(shí)間T3

再制造商工廠施工時(shí)間是指廢舊機(jī)床或零部件從抵達(dá)再制造工廠至完成再制造預(yù)驗(yàn)收后開始發(fā)運(yùn)的時(shí)間段。根據(jù)機(jī)床再制造任務(wù)安排情況，建立廢舊機(jī)床在再制造工廠內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)圖(圖6)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)圖計(jì)算再制造商工廠施工時(shí)間T3。圖6中，字母代表再制造活動(dòng)，圓圈代表節(jié)點(diǎn)。

2.1.3 重用率指標(biāo)R

重用率是用來表述廢舊機(jī)床零部件重用情況，采用廢舊機(jī)床重用零部件重量占廢舊機(jī)床重量的比值來表示，

式中:WRE為重新利用零部件重量;WUMT為廢舊機(jī)床重量。

2.1.4 綜合性能指標(biāo)P

綜合性能是對再制造機(jī)床性能的綜合表述。再制造機(jī)床的綜合性能主要綜合精度A、外觀L、操作O、效率E、安全防護(hù)S等5個(gè)方面。由于這5個(gè)方面不好具體量化，故采用專家打分的方式來表述。設(shè)專家打分值為V，V的取值范圍:1表示基本滿足用戶需求;3表示超過用戶需求，但較同類型新機(jī)床稍差;5超過同類型新機(jī)床;2、4介于1、3和3、5之間。分別賦予A、L、O、E、S 五個(gè)方面一個(gè)權(quán)重值，即 WA、WL、WO、WE、WS，其中 WA+WL+WO+WE+WS=1，則有，綜合性能

評價(jià)值為:

2.2 基于關(guān)聯(lián)函數(shù)和AHP的再設(shè)計(jì)方案綜合評價(jià)

再設(shè)計(jì)方案需要從C、T、R和P等4個(gè)方面綜合評價(jià)，以確定最優(yōu)方案。再設(shè)計(jì)方案評價(jià)指標(biāo)矩陣為

式中:i∈(1，2，…，k)，k 表示再設(shè)計(jì)方案數(shù)量。

由于不同特征值具有不同的量綱，需要通過關(guān)聯(lián)函數(shù)將特征值歸一化，關(guān)聯(lián)函數(shù)為

式中:u為C、T、R、P 四個(gè)指標(biāo)之一，uo為各個(gè)指標(biāo)的期望值。

經(jīng)過關(guān)聯(lián)函數(shù)處理后的特征值矩陣為

采用AHP法確定各個(gè)指標(biāo)權(quán)重為W=(WC，WT，WR，WP)。則再設(shè)計(jì)方案綜合評價(jià)值可通過式(13)表示，計(jì)算結(jié)果集合中最綜合評價(jià)值所對映的再設(shè)計(jì)方案為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

3 應(yīng)用

某普通落地鏜銑床SKODA W250H生產(chǎn)于1984年，經(jīng)過20多年的使用，機(jī)床加工精度和功能不能滿足要求，需要通過機(jī)床再制造來提升機(jī)床精度和功能。根據(jù)機(jī)床功能完成機(jī)床的功能結(jié)構(gòu)樹如圖7所示，每個(gè)子功能以多維物元的表述方式完成差別對比，根據(jù)各個(gè)子功能物元差異，制定對應(yīng)的子功能再設(shè)計(jì)方案。

圖7中的虛線框表示機(jī)床再制造需要增加的子功能。

根據(jù)各個(gè)子功能再設(shè)計(jì)方案組合制定了如下兩個(gè)再設(shè)計(jì)方案，如圖8。

方案一 F1(X1):采用交流主軸電動(dòng)機(jī)，油壓變檔，重新設(shè)計(jì)制造鏜桿，采取自動(dòng)拉刀的形式，增加主軸位置編碼器，更換損壞件;F1(X2):采用自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu);F1(X3):更換新冷卻泵及制作新冷卻液箱，更換損壞件;F1(X4):采用伺服電動(dòng)機(jī)—減速器—雙齒輪齒條傳動(dòng)鏈，床身導(dǎo)軌修復(fù)并改為靜壓恒流導(dǎo)軌，更換滑座導(dǎo)軌板，安裝光柵尺;F1(X5):采用伺服電動(dòng)機(jī)—減速器—滾珠絲杠副傳動(dòng)鏈，刮研立柱，主軸箱導(dǎo)軌面貼塑，安裝光柵尺;F1(X6):采用伺服電動(dòng)機(jī)—減速器—滾珠絲杠副傳動(dòng)鏈，更換和改制相關(guān)件;F1(X7):采用伺服電動(dòng)機(jī)—減速器—滾珠絲杠副傳動(dòng)鏈，更換和改制相關(guān)件;F1(X8):更換或修復(fù)損壞件;F1(X9):采用數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK 840D;F1(X10):改為比例減壓閥的方式;F1(X11):加裝X、Y向?qū)к壏雷o(hù);F1(X12):更換或加裝電氣保險(xiǎn)，外露電線加防護(hù);F1(X13):更換或加裝操作保險(xiǎn)裝置;F1(X14):增加機(jī)動(dòng)排屑裝置;F1(X15):機(jī)床重新上漆。

方案二 F2(X1):采用交流主軸電動(dòng)機(jī)，修復(fù)氣動(dòng)變檔，重新設(shè)計(jì)制造鏜桿，采取自動(dòng)拉刀的形式，增加主軸位置編碼器，更換損壞件;F2(X2):采用自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu);F2(X3):更換新冷卻泵及制作新冷卻液箱，更換損壞件;F2(X4):采用伺服電動(dòng)機(jī)—減速器—雙齒輪齒條傳動(dòng)鏈，床身導(dǎo)軌修復(fù)，更換滑座導(dǎo)軌板，安裝光柵尺;F2(X5):采用伺服電動(dòng)機(jī)—減速器—滾珠絲杠副傳動(dòng)鏈，立柱導(dǎo)軌面刷鍍，主軸箱導(dǎo)軌面刮研，安裝光柵尺;F2(X6):采用伺服電動(dòng)機(jī)—減速器—滾珠絲杠副傳動(dòng)鏈，更換和改制相關(guān)件;F2(X7):采用伺服電動(dòng)機(jī)—減速器—滾珠絲杠副傳動(dòng)鏈，更換和改制相關(guān)件;F2(X8):更換或修復(fù)損壞件;F2(X9):采用數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK 840D;F2(X10):改為比例減壓閥的方式;F2(X11):加裝X、Y向?qū)к壏雷o(hù);F2(X12):更換或加裝電氣保險(xiǎn)，外露電線加防護(hù);F2(X13):更換或加裝操作保險(xiǎn)裝置;F2(X14):增加機(jī)動(dòng)排屑裝置;F2(X15):機(jī)床重新上漆。

采用本文所建立的各個(gè)指標(biāo)的計(jì)算方案，確定兩個(gè)方案的評價(jià)指標(biāo)，如表1所示。

表1 再設(shè)計(jì)方案評價(jià)指標(biāo)值

采用AHP法確定該機(jī)床的4個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分別為 W=(0.475 4，0.268 2，0.061 3，0.195 1)，根據(jù)式(11)(13)，計(jì)算得出兩個(gè)方案的綜合評價(jià)值分別為(0.991 2，0.882 5)，故方案一為合適方案。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于物元理論的重型機(jī)床再設(shè)計(jì)方法，采用多維物元來表述子功能，并通過比較子功能再制造前后差異，以制定子功能再設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用各個(gè)子功能的再設(shè)計(jì)方案組合形成廢舊重型機(jī)床整機(jī)再設(shè)計(jì)方案;給出了機(jī)床再設(shè)計(jì)方案評價(jià)的指標(biāo)和計(jì)算方法，各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重采用AHP確定，基于此提出了重型機(jī)床再設(shè)計(jì)方案評估方法。由于廢舊重型機(jī)床特性具有很大的不確定性和隨機(jī)性，而再設(shè)計(jì)本身又比較依賴工程師，使得廢舊重型機(jī)床再設(shè)計(jì)和再設(shè)計(jì)方案評價(jià)更為復(fù)雜困難，而機(jī)床子功能再設(shè)計(jì)方案的組合和各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重劃分需要更加合理的方法，所建立的廢舊機(jī)床再設(shè)計(jì)方法需要進(jìn)一步完善。

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