基于層次模塊化的小型家電拆卸序列生成及優化

蘇旭武，左 帆

基于層次模塊化的小型家電拆卸序列生成及優化

蘇旭武，左 帆

（湖北工業大學機械工程學院，湖北武漢430068）

為了研究廢舊小型家電的拆卸序列生成過程并對生成的序列進行優化評估，以某種型號的廢舊微波爐為研究對象，分析其結構及零部件組成，在對國內外常用的建模方法分析其優缺點后，提出利用層次模塊化結合干涉矩陣的方法進行建模從而生成拆卸序列，最后給出幾種評價方法對生成的拆卸序列進行評估，借此選出最優的拆卸序列。

廢舊小型家電；干涉矩陣；拆卸序列；優化評估

由于人民生活水平在不斷提高，家電產品的生命周期越來越短，被淘汰的廢舊家電不能自行降解，若隨意丟棄，不但會造成環境污染、威脅人民身體健康，而且會浪費其中的可回收資源［1］。為了盡可能降低廢舊家電對環境的污染，增加資源回收利用率，實現傳統工業的綠色化改造，必須對廢舊家電進行更合理的拆解才能更好地達到保護環境和節約資源的目的。為此，需要合理分析待拆產品中零件的類別，按照一定的規則將零件拆卸的過程排列出先后順序，進而生成拆卸序列，并通過一定的指標從生成的眾多拆卸序列中選出最好的一條。目前國內外對如何生成拆卸序列進行過相關研究，例如山東大學的李劍峰等人建立分類有向約束圖模型來生成機電產品拆卸序列；南京航空航天大學的王波等人將遺傳算法與Tabu搜索法相結合來優化拆卸序列；Hong［2］將神經網絡算法運用到拆卸序列優化中。但這些研究更多的是針對大型廢舊家電（比如電冰箱、空調、電視等）或裝配體（如汽車、輪船等）的拆卸序列進行的［3］，對于小型廢舊家電（如電飯煲、微波爐等）的拆卸序列的研究卻很少涉及。雖然小型廢舊家電中包含的可回收（如緊固件等）及必須回收（如易造成污染的控制元件等）的零件并沒有電冰箱等大型家電那么多，但小家電總體數量龐大，覆蓋范圍廣泛，總體上包含的這些零部件眾多。本文以某型號廢舊微波爐為例，研究如何有效生成其拆卸序列，并從中找出最合適的拆卸序列。

1 分析某微波爐的結構

圖2 微波爐控制部分主要元器件

微波爐的主體結構如圖1、圖2所示。根據圖1、圖2所顯示的部件，微波爐零部件主要包括以下幾個部分。

1）主體外殼

外殼主要包括上蓋、后蓋、底座部分，通常是由鍍鋅薄鋼板或鎳鎘板沖壓成形，具有回收意義。外殼上蓋前端有特殊的卡扣，與微波爐前端面板支架緊密結合，上蓋左右兩側底部分別分布孔洞，通過安裝螺釘使其與底座固定。外殼后蓋四周分別有一個緊固螺孔，便于上蓋及底座裝配。只有先拆卸后蓋，才能拆掉上蓋。

2）前蓋組件

前蓋又稱為爐門，由門面、門體（由金屬微孔網觀察窗及扼流槽組成的框架）、門封（由特殊塑料制成）、門鉤等組成，按照材料不同分類回收。前蓋通過搭扣安裝在底座上，并與控制面板相連。

3）爐腔

爐腔是一個長方形的空腔，它是微波加熱食物的地方，一般由前板、U形板、頂板、后板組成。目前市場上的微波爐爐腔一般采用噴涂爐腔和不銹鋼爐腔，具有回收價值。

4）轉盤機構

轉盤機構由轉盤、轉環、轉軸、轉盤電動機組成。轉盤安裝在爐腔底部，由一個微型電動機帶動。轉盤中心下方是一個轉軸，其套在微型電動機的軸上，利用微型電動機和減速機構帶動軸緩慢轉動，進而帶動轉盤旋轉。轉盤一般是由耐高溫陶瓷或特殊玻璃制成，可回收處理。

5）波導盒

波導盒通過螺栓固定在爐腔外壁上，內部放有磁控管，拆卸時進行分類回收。

6）磁控管

磁控管由天線（微波能量輸出器）、散熱片、燈絲插座和環形磁鋼等組成。燈絲采用釷鎢絲或者純鎢絲繞成螺旋狀。陽極由高導電率的無氧銅材料制成。環形磁鋼一般采用簡裝式結構，用永久磁鐵制成，具有回收價值。磁控管整體拆下，再按照材料進行分類回收。

7）電源系統

電源系統主要由高壓變壓器、高壓電容器、高壓二極管、高壓保護二極管等組成。高壓變壓器和高壓電容器底部通過螺釘固定在微波爐底座上，回收時需先拆卸螺釘，將其整體拆下后，再細拆其中的電容絲、二極管等零部件。

8）電動機

微波爐使用的電動機有：冷卻風扇電動機、一體化定時功率分配器電動機和轉盤電動機。分別通過緊固件進行固定，整體拆卸后分類回收即可。

9）爐燈

爐燈安裝在爐腔后部，拆開微波爐后蓋，取下燈泡護罩，就能旋下燈泡。

另外，微波爐的內部控制元件結構也在拆卸掉外殼等外部部分后，整體拿出來由人工分類處理。按照其材料的不同，將拆卸回收種類分為如下三個部分。

1）箱體類 箱體一般由玻璃、塑料和金屬三種材料構成。根據材料的不同，將其分開以便于今后回收。

2）固定機構類 微波爐中固定機構的材料一般有兩類：一類為塑料，另一類為金屬材料。有的既有金屬也有塑料，也有的采用一些特殊材料。它們在分類時按材料的不同分成三類：一類為塑料；一類為金屬材料；一類為特殊材料。

3）其他零部件類 微波爐的部件很多，每一種部件中都包含有特殊的材料，如變壓器、磁控管、風扇電機、轉盤電機以及各種開關等。這些元件由于組成材料多而特殊，所以在分類回收時要特別注意。

2 常用建模圖形利弊分析

對廢舊產品拆卸回收的研究，除了主要對其智能化的拆卸設備進行研究，同樣重要的是對建立什么樣的拆卸模型，以及生成什么樣的拆卸序列的研究。目前，國內外針對拆卸回收所使用的模型最常用的有：無向圖，有向圖，AND／OR圖，Petri網等。無向圖直觀來說就是構成圖的每一條邊都是沒有方向的，它雖然能夠很簡便地展示出各個零件之間的連接信息，但是由于沒有表示方向，所以不能清楚地描述零件在拆卸過程中的先后順序。相對于無向圖，有向圖直觀表示是構成圖的每一條邊都是有方向的，雖然能清楚地描述出各個零件之間的約束關系，從而顯示其拆卸的先后順序，但是這只適用于零件較少的情況，當零件數較多時，生成的拆卸序列個數繁多，使其建模效果繁瑣、后續的選取最優解的過程更為復雜。AND／OR圖是由“與”節點及“或”節點組成的結構圖，這種模型的節點少，而且能夠表示出所有能夠形成的拆卸序列，但當零件個數增多時，同樣容易因為相對較大的割集（由于單個零件可能有多種拆卸順序，因此主要是并集）數量而造成組合爆炸的現象。Petri網能夠表達并發的事件，對于每一個拆卸目標都能清楚表示，但它的模型容易變得很龐大，算法復雜［4］。

根據上文分析，可發現微波爐含有多個零件，單單憑借以上幾種常用圖形來給其建模是不合適的，這就需要利用新的辦法來解決建模的難題。

3 建立產品拆卸模型

3.1 干涉矩陣建模

所謂干涉，就是當想要將某一個零件從＋X方向上與總整體分離時，在這個方向上受到另一個零件的阻擋。用數學公式定義為：在整體中，當零件j固定不動時，零件i沿著k（±X，±Y，±Z）方向不停移動，在這一過程中，如果零件i受到了零件j的阻擋而無法繼續在該方向移動，則將其定義為Fij（k）＝1；若沒有發生阻擋現象，則定義為Fij（k）＝0。

因此，如果一個待拆產品含有n個零件，那么，在k方向中的任意一個方向上，都可以生成一個n× n階的矩陣，這樣，在6個方向上進行拆卸，就會產生6個這樣的n階矩陣，這種能夠表示零部件之間相互約束關系及幾何優先關系的矩陣，被稱為干涉矩陣，即

式中：k表示＋X、－X、＋Y、－Y、＋Z、－Z這6個方向中的一個；i、j＝1，2，3，…，n；代表待拆產品中零件的編號。

3.2 模塊化干涉矩陣

研究式（1）不難發現，當含有零件個數較多時，矩陣每行每列的因子就會變得繁多，使矩陣也隨之變得復雜而龐大，并且有可能出現因為對其中某一個零件的分析錯誤而導致整個矩陣都失效的情況。同時很容易使拆卸序列在生成中產生組合爆炸的問題。因此，需要將產品中的零部件個數進行簡化。

在研究生成拆卸序列的過程時，為了減少拆卸序列中零部件的個數，可以把一部分零部件當成一個整體進行拆分研究，這一部分整體就是一個模塊，然后將這個模塊當成產品中的一個零件來進行分析即可。把該產品中的零件組合成模塊的過程，就是模塊化。通常可以按照零部件的作用、形狀結構、材料屬性（比如塑料的部件組合在一起，金屬的部件組合在一起）來劃分模塊。模塊化實質上是一種化零為整、化繁為簡的研究方法。通過使用這種分析方法，可以大大提高生成拆卸序列的效率。

通過模塊化方法，雖然矩陣的形式還是如式（1）那樣，但是矩陣的階數卻減少了，研究效率提高了。由于是將零部件組合在一起形成一個模塊，故而要注意以下2點。

1）至少要有兩個零件來生成模塊，若模塊中只含有一個零件，那么這個模塊就是這個零件本身，這樣的模塊劃分沒有任何意義。同樣道理，也不能將整個待拆產品都劃分在一個模塊里。

2）不能把一個零件劃分在兩個不同的模塊里，否則生成拆卸序列時會造成混亂，影響正確性。

3.3 層次分析法

在利用模塊化方法分析拆卸序列時，會出現將一部分零件組合成一個模塊，再將這個模塊與其他零件組成一個大模塊的情況，這樣一層一層進行劃分，最終會組成這個裝配體。圖3是將模塊化方法引入每一層的分析中所得出的結構圖。

圖3 層次、模塊化結構圖

首先在第一層分析某裝配體含有的所有零件，找出需要被拆卸的目標零件（如聯接件，只有將其拆下，才能解除與其有約束關系的零部件），以及其他非目標的附屬零件。然后在第二層以某一個目標零件作為要拆卸的零件，將其他在該層拆卸中能組合成模塊的部分附屬零件和剩余的目標零件進行組合，不能形成模塊的K個附屬零件就單個留出；以此類推，每到下一層，其能組合成的模塊就越來越少，得到更接近于裝配體的單個模塊以及單個目標零件，此時就大大的減少了零部件個數。這就是層次分析法，將這種方法與模塊化方法相結合，可以更好地提高拆卸效率。

4 拆卸序列優化指標

4.1 拆卸時間

拆卸時間就是指將待拆產品上的零部件按照某一個拆卸序列中的順序進行拆卸，直到拆卸掉拆卸序列中的倒數第二個零部件為止（因為序列中的最后一個順序是不需要被拆卸的，只需要拆掉倒數第二個順序就可以），并且將所拆卸掉的所有零部件都從整體中分離出去所消耗時間的總和。

拆卸時間是由基本拆卸時間和輔助拆卸時間組成的。基本拆卸時間是指聯接件被從整體產品上松開、分離的時間，以及將某個零部件從與其相關的零部件中分離的時間；輔助拆卸時間由裝夾時間、拆卸工具進行定位完畢的時間、拆卸中更換工具的時間、拆卸完某個零部件后將其取下放置的時間等組成，指的是為了拆卸某個零部件所做的一些其他的輔助工作所消耗的時間。這些時間的總和，就是拆卸完一個產品總共需要耗費的時間，它是評價最優拆卸序列的重要參考指標。

對于同一個待拆廢舊家電，比較不同的拆卸序列所需要的拆卸時間，拆卸時間越短，則說明拆卸的效率越高，那么，相比其他幾條拆卸序列，這條拆卸序列就是最優的。待拆家電的拆卸時間

式中：T為總的拆卸時間；ti為單個零部件被松開所花費的時間；t′i為將這個零部件從整體上分離出去的輔助時間；n為待拆產品上零部件的總數；tj為某一個聯接件被松開所花費的時間；t′j為將這個聯接件從整體上分離出去的輔助時間；N為這種類型聯接件的個數；m為待拆產品上聯接件的總數；tk表示拆卸工具移動時間，即拆卸過程中，拆卸工具從拆卸序列的第i個零件移動到第（i＋1）個零件所需的時間。拆卸序列中每相鄰兩個零件會產生一個tk，一共會有（n－1）個移動時間，假定拆卸工具在拆卸過程中移動的速度v是恒定不變的，拆卸序列中相鄰兩個零部件之間的距離為Lk，則tk＝Lk／v。

4.2 需拆卸零件數量

在廢舊小型家電的拆卸回收過程中，主要針對的是拆卸回收其中的緊固件以及控制系統中的元件，其他的零部件可以按照模塊化的方法進行劃分，因此，若選擇的拆卸序列不同，那么有可能遇到不同的模塊化組合，導致拆卸順序中零部件的總數不一樣，這樣拆卸時間也會不同。

因此，需要拆卸零部件的數量也可以用來作為評價優化拆卸序列的指標。如果這些零部件越少，那么定位及換向的過程可能就越少，基本拆卸時間以及輔助拆卸時間也會越少，這樣的拆卸序列也就是最優的。需要拆卸的零部件數量

式中：P表示需要拆卸的零部件的數量；n表示整個待拆廢舊家電中零部件的總數；Pi表示第i個零部件，當按照某條拆卸序列的順序進行拆卸時，如果零件i在這條拆卸序列中明確表示，那么就令Pi＝1；如果未出現，則Pi＝0。

4.3 所需換向次數

在拆卸過程中，會出現一種情況，就是雖然是按照這條拆卸序列的順序進行的零件分離步驟，但是在拆卸過程中，總體產品需要變換方向進行其他步驟的拆卸，這就是換向。只要在拆卸過程中有一次拆卸方向發生了改變，就有可能帶動裝夾工具、拆卸工具的更換，或者對原待拆物進行重新定位的操作。所需換向的次數就是按照這條拆卸序列進行拆卸時，一共發生的所有換向次數的總和。

所需換向的次數

式中：零件k的重定向值為Ck，在某條拆卸序列中，若零件k需要重定向，則Ck＝1；若不需要，則Ck＝0。

4.4 拆卸費用

拆卸費用就是在拆卸全過程中發生的所有與拆卸有關的費用，這個費用包括人工拆卸的人力費用（工人工資），以及投入的各種拆卸工具的費用。由于待拆產品本來就是廢棄物，其上零件出現銹蝕等因素以至于難以拆下來的狀況是一定會遇到的。這種拆卸的難易程度會決定拆卸回收工具的選取等條件，因此拆卸費用也會表現為不一致。拆卸費用可以用來表示拆卸成本的高低情況，即：

式中：C1表示理想中的拆卸費用；C2表示實際操作中所耗費的拆卸費用。當λ＞1時，表示理想中的拆卸費用比現實所花費的費用要多，相當于實際上節省了費用；當λ＜1時，表示現實所花費的費用比理想中的預計的拆卸費用要多，意味著費用上開銷大了，可能不合算。

4.5 權值分析法

綜合以上分析，拆卸序列的評價優化指標有多個，主要包括拆卸時間、需拆卸零件數量、所需換向次數、拆卸費用這幾部分。這幾個評價指標都有自己判斷哪條拆卸序列更為優劣的參考公式，如果分別依據這些公式來判斷拆卸序列優劣與否，得到的結果或許不同，比如說某條序列可能拆卸時間更短，但是采用拆卸費用這個指標評價的話，或許費用較高，因此，需要比較這條拆卸序列在這些條件下分析的綜合情況。在本文中利用權值的分析方法，將這幾種不同的評價指標進行加權計算后，比較每條拆卸序列最后的權值，以此來選取最優拆卸序列。

在本文中，權值

式中：E表示這條拆卸序列的權值；ω1、ω2、ω3、ω4這些表示其后連接的每一個指標對應的權重，若評價指標還有更多，則ω的數量也相應增多，但是，無論有多少個權重ω，它們的和相加都為1。在這里，ω1＋ω2＋ω3＋ω4＝1。

通常情況下，權值的大小表示拆卸序列的復雜程度，綜合權值越小，說明這條序列的T、P、C、λ中的某個或幾個評價指標較小，這條拆卸序列也就越好。

5 以微波爐為例進行分析

5.1 生成拆卸序列

結合圖1、圖2，在俯視狀況下觀察微波爐的內部零部件，將其簡化為圖4。

圖4 微波爐去掉前門、上蓋、后蓋的簡化圖

這些零部件上的細小電器元件，將其與其所連接的零部件看成一個部分，一起整體拆卸后再細細拆分，同時先考慮螺紋連接件螺頭所在的零部件與該螺紋連接件為一個整體。由圖4可知零部件分布形式主要分為左右兩個部分，且大部分零部件都與微波爐底座有連接關系，因此此處不考慮向左、向右、向下三個方向的拆卸。

本文中＋Y表示往爐門方向運動，－Y表示往后蓋方向運動。根據干涉矩陣的定義，可以生成以下幾個干涉矩陣：

將零部件沿著上蓋拆卸的方向規定為＋Z方向，得到以下沿著＋Z方向進行的拆卸序列：

按照前文通過分析干涉矩陣來生成拆卸序列的方法，可以得到以下14條拆卸序列：

5.2 評選最優拆卸序列

由于1與3均是安裝在后蓋上，因此，拆卸后蓋的時候，可以連帶拆卸1與3，如果按照3、2、1的順序，其中需要換向兩次，按照2、3、1的順序只需換向一次，因此序列①優于序列②。4上的螺紋緊固件需要沿著右側拆卸，將2固定在爐底的螺紋連接件需要沿著＋Z方向拆卸，固定7的螺紋連接件需要沿著拆卸－Y方向拆卸，2與4距離近，拆卸工具移動換向的距離短，拆卸時間少，因此4、2、7更適合一些，即序列③優于序列④。1、3、5、6的拆卸步驟是按照移動順序來的，不會使拆卸工具的移動路線有往復的情況，比3、1、5、6或3、5、1、6的拆卸步驟更省時，故④優于⑤和⑥。同理，4、2、6也比4、6、2的拆卸步驟要好，并且無論是1、3、5、7還是1、7、3、5，或者3、1、7、5還是7、3、1、5的拆卸步驟，都會使拆卸工具繞行更多的距離，因此，最后只需比較拆卸序列①與③即可。

根據前述方法比較下列幾項。

1）拆卸時間

兩條拆卸序列中所需要拆卸的零件總數、螺紋連接件總數相同，假定每個相同零部件、聯接件被松開、移除所花費的時間一樣，故而只用比較拆卸工具的移動時間即可。

序列①7→6→5→4→2→3→1，與序列③1→3→5→6→4→2→7中，重復了步驟“6→5”、“4→2”、“3→1”，因此只用比較剩下的三個步驟。結合圖2并通過實際拆卸驗證，在步驟“5→4”與“6→4”、“2→3”與“2→7”中，拆卸工具從一個零件運動到另一個零件的距離是相差無幾的，所以可將得出的運動時間近似看作相同值。但是零部件5就在零部件3下方，顯而易見，拆卸工具在進行步驟“7→6”時比進行步驟“3→5”所移動的距離要長，因此，花費時間tk會較大，總體拆卸時間T相對較久。因此，序列③更省時。

2）拆卸零件數量

根據拆卸序列所示，這兩種序列中所需要拆卸的模塊都是7個，每個模塊中所包含的螺紋連接件總數也是相同的，因此需要拆卸的零件數量一致。

3）所需換向次數

根據表1，拆卸序列①與③均需要拆卸工具換向4次來完成拆卸過程。拆卸序列①中：7→6需要換向，5→4需要換向，4→2需要換向，2→3需要換向。拆卸序列③中：6→5需要換向，4→2需要換向，2→3需要換向，3→1需要換向。

表1 單個零部件上螺紋連接件的拆卸方向

4）拆卸費用

當這些拆卸序列中所包含的零部件完全相同時，拆卸所需要的費用通常是相同的。

5）比較權值

綜上，由于P、C、λ都一樣，所以只需比較T。由于①的拆卸時間更久，拆卸序列①的權值E則高于序列③，所以采用序列③作為拆卸序列。

6 結論

本文通過對某種型號的廢舊微波爐拆卸序列生成過程的研究，得出拆卸序列的一般生成過程：首先要了解待拆裝配體的信息，如幾何尺寸、物理性狀、體積和質量、材質、型號等；其次通過建模生成整個裝配體的所有可行拆卸序列，由于是裝配體，拆卸序列肯定存在，且至少有一個拆卸序列；然后通過準則進行篩選，確定最優的拆卸序列即可。這種方法雖然是有針對性地提出來的，但是同樣適用于其他種類的小型家電拆卸序列的生成。按照生成的最優拆卸序列進行拆卸回收，能夠大大提高回收效率及資源回收率，同時，能夠更大程度上起到保護環境的作用。生成的拆卸序列可以通過計算機程序存入庫中，為后續研究其他模型的拆卸序列提供依據。

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Research on Disassembly Sequence Generation and Optimization of Waste Small－scale Household Appliances Based on Hierarchical Modularization

SU Xuwu，ZUO Fan
（School of Mechanical Engineering，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

In order to study the disassembly sequence generation process of waste small－scale household appliances and optimize the generated sequences，this paper uses a certain type of waste microwave oven as the research object，and firstly analyzes the structure and components.Secondly，after analyzing the advantages and disadvantages of the commonly used modeling methods both at home and abroad，this paper proposes the method of modeling the disassembly sequence by using the method of hierarchical modular and interference matrix.Finally，several evaluation methods are given to evaluate the disassembly sequence，and the optimal disassembly sequence is selected.

waste small－scale household appliances；interference matrix；disassembly sequence；optimization evaluation

TH16

A

［責任編校：張 眾］

1003－4684（2017）04－0006－06

2017－04－05

蘇旭武（1973－），男，湖北武漢人，湖北工業大學副教授，研究方向為機電一體化

左 帆（1990－），女，湖北黃石人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為機械制造及其自動化