周 帆，江志剛，張 華

（武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢430081）

再制造工程以廢舊產(chǎn)品資源循環(huán)利用為目標(biāo)，利用表面工程等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行再制造，是充分利用廢舊產(chǎn)品中的附加值、解決資源與環(huán)境問題的有效途徑［1］。廢舊零部件再制造工藝設(shè)計(jì)作為廢舊零部件再制造的重要內(nèi)容，對(duì)提高廢舊零部件再制造水平和再制造工程效益具有重要作用?，F(xiàn)有研究在針對(duì)再制造某一具體工藝技術(shù)展開方面取得了一定的研究成果［2－7］，但很少涉及針對(duì)廢舊零部件的影響因素、失效特征信息及再制造修復(fù)方法來進(jìn)行再制造工藝設(shè)計(jì)方面的研究。由于廢舊零部件在失效特征、質(zhì)量水平及歷史信息等方面存在一定差異性，使得其知識(shí)規(guī)則提取困難，結(jié)構(gòu)之間的沖突難以避免，而引入實(shí)例推理，利用類似舊問題的解決方法來解決新問題，可以有效解決再制造工藝知識(shí)規(guī)則提取困難及不確定問題。然而，現(xiàn)有實(shí)例推理方法在廢舊零部件再制造工藝設(shè)計(jì)影響因素及局部工藝相似度差異性問題考慮較少，導(dǎo)致在進(jìn)行實(shí)例檢索時(shí)會(huì)出現(xiàn)漏檢或者檢索準(zhǔn)確率不高。因此，如何有效提高實(shí)例檢索的準(zhǔn)確性，快速準(zhǔn)確地確定廢舊零部件再制造工藝方案，保證再制造生產(chǎn)的順利進(jìn)行，成為廢舊零部件再制造工藝設(shè)計(jì)方法研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

本文針對(duì)廢舊零部件再制造工藝設(shè)計(jì)存在的問題，基于實(shí)例推理理論提出了一種改進(jìn)型實(shí)例推理方法，構(gòu)建了基于改進(jìn)型實(shí)例推理的廢舊零部件再制造工藝設(shè)計(jì)框架，分析了再制造設(shè)計(jì)過程的影響因素及其相似度計(jì)算方法，建立了實(shí)例特征因素的局部相似度修正系數(shù)向量，并將其與最鄰算法結(jié)合以提高實(shí)例檢索的準(zhǔn)確性，從而形成廢舊零部件最優(yōu)化再制造工藝方案。

1 工藝設(shè)計(jì)框架

基于改進(jìn)型實(shí)例推理的廢舊零部件再制造工藝設(shè)計(jì)，是指根據(jù)再制造零部件要求，運(yùn)用科學(xué)的決策方法和先進(jìn)的再制造技術(shù)，并結(jié)合實(shí)例推理，對(duì)再制造工藝歷史實(shí)例進(jìn)行檢索和對(duì)比修正，最終形成最優(yōu)化再制造工藝方案的過程。

廢舊零部件再制造工藝設(shè)計(jì)是一種基于廢舊零部件資源的、以廢舊產(chǎn)品為“毛坯”的產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)過程。在對(duì)廢舊零部件破損情況以及特征信息分析建?；A(chǔ)上，選定其再制造工藝設(shè)計(jì)的影響因素，即多個(gè)特征因素，準(zhǔn)確地對(duì)再制造工藝設(shè)計(jì)做出判定。通過在工藝實(shí)例庫(kù)中對(duì)比檢索，引入實(shí)例特征因素的局部相似度修正向量，依據(jù)相似閾值，篩選出滿足條件的再制造工藝，形成實(shí)例集；若沒有滿足條件，則需要重新對(duì)廢舊零部件進(jìn)行再制造工藝設(shè)計(jì)。根據(jù)再制造工藝設(shè)計(jì)需求，進(jìn)一步挑選再制造工藝實(shí)例集，確定最為滿意的再制造工藝實(shí)例；若仍不滿意，則可在此基礎(chǔ)上對(duì)相似工藝進(jìn)行必要修改。若仍沒有合適的工藝，則需要重新進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。對(duì)于輸出的實(shí)例，根據(jù)實(shí)際加工結(jié)果填寫評(píng)價(jià)意見，最后將成功再制造工藝存儲(chǔ)在工藝知識(shí)庫(kù)中，以備下次檢索使用?；诟倪M(jìn)型實(shí)例推理的廢舊零部件再制造工藝設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 基于改進(jìn)型實(shí)例推理的廢舊零部件再制造工藝設(shè)計(jì)框架

2 工藝設(shè)計(jì)的影響因素及其相似度計(jì)算

再制造工藝設(shè)計(jì)通過對(duì)再制造工藝實(shí)例庫(kù)進(jìn)行檢索、組織和修改，快速準(zhǔn)確地為不同廢舊零部件制定最優(yōu)化再制造工藝方案。再制造工藝實(shí)例在工藝實(shí)例庫(kù)中以一定的組織結(jié)構(gòu)存在（圖2），因而再制造工藝設(shè)計(jì)需要對(duì)輸入廢舊零部件的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并選取對(duì)其工藝設(shè)計(jì)有重要影響的代表性特征因素作為實(shí)例推理的依據(jù)，包括材料特征、失效模式、精度特征、失效部位、失效程度、熱處理特征、表面平行度、表面硬度和粗糙度等影響因素，這些因素的變化都能引起相應(yīng)工藝參數(shù)的變化，最終導(dǎo)致再制造工藝過程的不同。

圖2 再制造工藝實(shí)例組織結(jié)構(gòu)

以某廢舊零部件的再制造為例：廢舊零部件的失效模式主要有磨損、腐蝕、疲勞裂紋和變形。針對(duì)不同的失效狀況選取相應(yīng)的再制造修復(fù)工藝［8－10］，具體如圖3所示。

圖3 廢舊零部件失效狀況及相應(yīng)的再制造修復(fù)工藝對(duì)策

影響因素的相似度計(jì)算是檢索最佳工藝實(shí)例的基礎(chǔ)，在計(jì)算再制造新工藝與實(shí)例庫(kù)中工藝實(shí)例相似度之前，必須先確定各影響因素不同取值間的局部相似度。由于廢舊零部件再制造工藝設(shè)計(jì)影響因素屬性及其描述具有多樣性，一般地，可將影響因素的取值分為以下三類。

1）數(shù)值型 再制造零部件的加工精度、表面硬度、表面平行度、表面粗糙度等影響因素具有連續(xù)數(shù)值型值域，歸為數(shù)值型。其屬性相似度

式中：Simr（i，j）為再制造新工藝i與實(shí)例庫(kù)中工藝實(shí)例j的特征因素r的局部相似度；u為屬性i的最大取值，為屬性i的最小取值為工藝實(shí)例i的第r個(gè)屬性取值為工藝實(shí)例j的第r個(gè)屬性取值。

2）字符串型 再制造零部件的材料類型、失效模式、失效部位、熱處理等影響因素具有描述識(shí)別關(guān)鍵字特征，歸為字符串型。其屬性相似度

3）枚舉型 再制造零部件失效程度等影響因素具有任意判定的離散型取值，歸為枚舉型，其屬性相似度

表1 特征屬性r關(guān)于實(shí)例的映射關(guān)系

3 工藝方案相似度求解

再制造工藝實(shí)例的檢索就是通過確定的影響因素，檢索出實(shí)例庫(kù)中所存儲(chǔ)的相似度最優(yōu)且合適的再制造工藝實(shí)例的過程。目前最常用的方法有最鄰近法、歸納索引法和知識(shí)引導(dǎo)法。本文采用最鄰近法來進(jìn)行檢索，即通過實(shí)例特征元素局部相似度的權(quán)數(shù)累加之和來計(jì)算實(shí)例之間的總體相似度

式中，Sim（i，j）表示再制造新工藝i與工藝實(shí)例j的總體相似度；wr為實(shí)例特征因素r的權(quán)重系數(shù)。Simr（i，j）為再制造新工藝i與實(shí)例庫(kù)中工藝實(shí)例j之間特征因素r的局部相似度。

實(shí)例求解的指標(biāo)會(huì)影響到實(shí)例的局部相似度，進(jìn)而影響實(shí)例的總體相似度。因此，為了保證實(shí)例檢索的準(zhǔn)確性，在計(jì)算實(shí)例的總體相似度時(shí)，引入局部相似度的修正系數(shù)向量Pk＝ （p1k，p2k，…，pnk），其中k為問題求解指標(biāo)，以此體現(xiàn)問題求解指標(biāo)對(duì)其影響。在式（4）的基礎(chǔ)上，推理得到

式中：vk為第k個(gè)再制造指標(biāo)所占的權(quán)重；prk為問題實(shí)例i和實(shí)例庫(kù)中工藝實(shí)例i對(duì)應(yīng)第r個(gè)特征屬性的局部相似度在指標(biāo)k下的修正系數(shù)。

式（5）計(jì)算的關(guān)鍵在于其中各參數(shù)的確定，影響因素權(quán)重wr與指標(biāo)權(quán)重vk采用AHP方法來確定；局部修正系數(shù)向量Pk一般根據(jù)具體的問題的求解指標(biāo)來確定。例如，在廢舊零部件再制造工藝過程中，其局部修正系數(shù)向量Pk從再制造成本（C）、再制造周期（T）和再制造質(zhì)量（Q）三個(gè)指標(biāo)來確定取值（表2）。

表2 局部修正系數(shù)向量在CTQ指標(biāo)下的取值

4 案例分析

以某機(jī)床廠廢舊車床C6132床身再制造為例。結(jié)合該廢舊車床床身工藝特征分析可得，其再制造工藝設(shè)計(jì)的實(shí)例推理由9個(gè)影響因數(shù)決定，分別是：材料類型（M）、加工精度（P）、失效模式（F）、失效部位（S）、失效程度（D）、熱處理（H）、表面平行度（L）、表面硬度（C）、最大加工直徑（R）。根據(jù)影響因素對(duì)廢舊零部件制造工藝設(shè)計(jì)的不同重要程度，運(yùn)用層次分析法對(duì)其兩兩評(píng)分進(jìn)行取值，并構(gòu)造其判斷矩陣（表3），確定各個(gè)影響因素的權(quán)重。

表3 判斷矩陣

再制造工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中用于對(duì)比檢索的再制造工藝以及新工藝如表4所示，用于對(duì)比檢索的再制造工藝影響因素的局部相似度如表5所示。

表4 再制造床身工藝實(shí)例集示意表

表5 再制造工藝影響因素局部相似度

以床身P2為例，比較再制造工藝影響因素局部相似度，計(jì)算各對(duì)應(yīng)特征因素的相似度。

1）再制造床身的“加工精度”、“表面平行度”、“表面硬度”、“最大加工直徑”屬于數(shù)值型，用式（1）求解?！凹庸ぞ取钡娜≈捣秶?，8］，“表面硬度”取值范圍（40，70］，“表面平行度”的取值范圍（0.01，0.02］，“最大加工直徑”的取值范圍（0，320］。

對(duì)于再制造床身“表面硬度”，已知床身P2表面硬度為45HRC，那么“表面硬度”相似度為：

同理可求得其他特征屬性的相似度。

2）“材料類型”、“失效模式”、“失效部位”、“熱處理”屬于字符串型，用式（2）求解。對(duì)于特征屬性“熱處理”，其相似度

由于兩實(shí)例特征“熱處理”描述均為“無”，則兩特征因素相似度為1。

3）“失效程度”屬于模糊型描述，用式（3）求解。

再制造床身零部件的失效程度可以描述為｛無，輕微，中度，嚴(yán)重｝，其映射關(guān)系如表1所示。相似度

計(jì)算再制造工藝方案相似度（以床身P2為例），根據(jù)再制造經(jīng)驗(yàn)和專家評(píng)分，再制造床身3個(gè)指標(biāo)權(quán)重分別給定為再制造成本（C）vC＝0.3、再制造周期（T）vT＝0.3、再制造質(zhì)量（Q）vQ＝0.4（表6）。將以上數(shù)據(jù)帶入式（5）中，得Sim（Pw，P2）＝

同理，可求出問題床身與其他實(shí)例的總體相似度

設(shè)定方案相似度閾值ε＝0.8，得到實(shí)例P1、P2和P3滿足條件，經(jīng)過人工篩選，最終確定實(shí)例P2為最相似實(shí)例，以其為基礎(chǔ)完成床身再制造工藝設(shè)計(jì)。

表6 再制造工藝系數(shù)比較過程

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