基于层次模块化的小型家电拆卸序列生成及优化

苏旭武，左 帆

基于层次模块化的小型家电拆卸序列生成及优化

苏旭武，左 帆

（湖北工业大学机械工程学院，湖北武汉430068）

为了研究废旧小型家电的拆卸序列生成过程并对生成的序列进行优化评估，以某种型号的废旧微波炉为研究对象，分析其结构及零部件组成，在对国内外常用的建模方法分析其优缺点后，提出利用层次模块化结合干涉矩阵的方法进行建模从而生成拆卸序列，最后给出几种评价方法对生成的拆卸序列进行评估，借此选出最优的拆卸序列。

废旧小型家电；干涉矩阵；拆卸序列；优化评估

由于人民生活水平在不断提高，家电产品的生命周期越来越短，被淘汰的废旧家电不能自行降解，若随意丢弃，不但会造成环境污染、威胁人民身体健康，而且会浪费其中的可回收资源［1］。为了尽可能降低废旧家电对环境的污染，增加资源回收利用率，实现传统工业的绿色化改造，必须对废旧家电进行更合理的拆解才能更好地达到保护环境和节约资源的目的。为此，需要合理分析待拆产品中零件的类别，按照一定的规则将零件拆卸的过程排列出先后顺序，进而生成拆卸序列，并通过一定的指标从生成的众多拆卸序列中选出最好的一条。目前国内外对如何生成拆卸序列进行过相关研究，例如山东大学的李剑峰等人建立分类有向约束图模型来生成机电产品拆卸序列；南京航空航天大学的王波等人将遗传算法与Tabu搜索法相结合来优化拆卸序列；Hong［2］将神经网络算法运用到拆卸序列优化中。但这些研究更多的是针对大型废旧家电（比如电冰箱、空调、电视等）或装配体（如汽车、轮船等）的拆卸序列进行的［3］，对于小型废旧家电（如电饭煲、微波炉等）的拆卸序列的研究却很少涉及。虽然小型废旧家电中包含的可回收（如紧固件等）及必须回收（如易造成污染的控制元件等）的零件并没有电冰箱等大型家电那么多，但小家电总体数量庞大，覆盖范围广泛，总体上包含的这些零部件众多。本文以某型号废旧微波炉为例，研究如何有效生成其拆卸序列，并从中找出最合适的拆卸序列。

1 分析某微波炉的结构

图2 微波炉控制部分主要元器件

微波炉的主体结构如图1、图2所示。根据图1、图2所显示的部件，微波炉零部件主要包括以下几个部分。

1）主体外壳

外壳主要包括上盖、后盖、底座部分，通常是由镀锌薄钢板或镍镉板冲压成形，具有回收意义。外壳上盖前端有特殊的卡扣，与微波炉前端面板支架紧密结合，上盖左右两侧底部分别分布孔洞，通过安装螺钉使其与底座固定。外壳后盖四周分别有一个紧固螺孔，便于上盖及底座装配。只有先拆卸后盖，才能拆掉上盖。

2）前盖组件

前盖又称为炉门，由门面、门体（由金属微孔网观察窗及扼流槽组成的框架）、门封（由特殊塑料制成）、门钩等组成，按照材料不同分类回收。前盖通过搭扣安装在底座上，并与控制面板相连。

3）炉腔

炉腔是一个长方形的空腔，它是微波加热食物的地方，一般由前板、U形板、顶板、后板组成。目前市场上的微波炉炉腔一般采用喷涂炉腔和不锈钢炉腔，具有回收价值。

4）转盘机构

转盘机构由转盘、转环、转轴、转盘电动机组成。转盘安装在炉腔底部，由一个微型电动机带动。转盘中心下方是一个转轴，其套在微型电动机的轴上，利用微型电动机和减速机构带动轴缓慢转动，进而带动转盘旋转。转盘一般是由耐高温陶瓷或特殊玻璃制成，可回收处理。

5）波导盒

波导盒通过螺栓固定在炉腔外壁上，内部放有磁控管，拆卸时进行分类回收。

6）磁控管

磁控管由天线（微波能量输出器）、散热片、灯丝插座和环形磁钢等组成。灯丝采用钍钨丝或者纯钨丝绕成螺旋状。阳极由高导电率的无氧铜材料制成。环形磁钢一般采用简装式结构，用永久磁铁制成，具有回收价值。磁控管整体拆下，再按照材料进行分类回收。

7）电源系统

电源系统主要由高压变压器、高压电容器、高压二极管、高压保护二极管等组成。高压变压器和高压电容器底部通过螺钉固定在微波炉底座上，回收时需先拆卸螺钉，将其整体拆下后，再细拆其中的电容丝、二极管等零部件。

8）电动机

微波炉使用的电动机有：冷却风扇电动机、一体化定时功率分配器电动机和转盘电动机。分别通过紧固件进行固定，整体拆卸后分类回收即可。

9）炉灯

炉灯安装在炉腔后部，拆开微波炉后盖，取下灯泡护罩，就能旋下灯泡。

另外，微波炉的内部控制元件结构也在拆卸掉外壳等外部部分后，整体拿出来由人工分类处理。按照其材料的不同，将拆卸回收种类分为如下三个部分。

1）箱体类 箱体一般由玻璃、塑料和金属三种材料构成。根据材料的不同，将其分开以便于今后回收。

2）固定机构类 微波炉中固定机构的材料一般有两类：一类为塑料，另一类为金属材料。有的既有金属也有塑料，也有的采用一些特殊材料。它们在分类时按材料的不同分成三类：一类为塑料；一类为金属材料；一类为特殊材料。

3）其他零部件类 微波炉的部件很多，每一种部件中都包含有特殊的材料，如变压器、磁控管、风扇电机、转盘电机以及各种开关等。这些元件由于组成材料多而特殊，所以在分类回收时要特别注意。

2 常用建模图形利弊分析

对废旧产品拆卸回收的研究，除了主要对其智能化的拆卸设备进行研究，同样重要的是对建立什么样的拆卸模型，以及生成什么样的拆卸序列的研究。目前，国内外针对拆卸回收所使用的模型最常用的有：无向图，有向图，AND／OR图，Petri网等。无向图直观来说就是构成图的每一条边都是没有方向的，它虽然能够很简便地展示出各个零件之间的连接信息，但是由于没有表示方向，所以不能清楚地描述零件在拆卸过程中的先后顺序。相对于无向图，有向图直观表示是构成图的每一条边都是有方向的，虽然能清楚地描述出各个零件之间的约束关系，从而显示其拆卸的先后顺序，但是这只适用于零件较少的情况，当零件数较多时，生成的拆卸序列个数繁多，使其建模效果繁琐、后续的选取最优解的过程更为复杂。AND／OR图是由“与”节点及“或”节点组成的结构图，这种模型的节点少，而且能够表示出所有能够形成的拆卸序列，但当零件个数增多时，同样容易因为相对较大的割集（由于单个零件可能有多种拆卸顺序，因此主要是并集）数量而造成组合爆炸的现象。Petri网能够表达并发的事件，对于每一个拆卸目标都能清楚表示，但它的模型容易变得很庞大，算法复杂［4］。

根据上文分析，可发现微波炉含有多个零件，单单凭借以上几种常用图形来给其建模是不合适的，这就需要利用新的办法来解决建模的难题。

3 建立产品拆卸模型

3.1 干涉矩阵建模

所谓干涉，就是当想要将某一个零件从＋X方向上与总整体分离时，在这个方向上受到另一个零件的阻挡。用数学公式定义为：在整体中，当零件j固定不动时，零件i沿着k（±X，±Y，±Z）方向不停移动，在这一过程中，如果零件i受到了零件j的阻挡而无法继续在该方向移动，则将其定义为Fij（k）＝1；若没有发生阻挡现象，则定义为Fij（k）＝0。

因此，如果一个待拆产品含有n个零件，那么，在k方向中的任意一个方向上，都可以生成一个n× n阶的矩阵，这样，在6个方向上进行拆卸，就会产生6个这样的n阶矩阵，这种能够表示零部件之间相互约束关系及几何优先关系的矩阵，被称为干涉矩阵，即

式中：k表示＋X、－X、＋Y、－Y、＋Z、－Z这6个方向中的一个；i、j＝1，2，3，…，n；代表待拆产品中零件的编号。

3.2 模块化干涉矩阵

研究式（1）不难发现，当含有零件个数较多时，矩阵每行每列的因子就会变得繁多，使矩阵也随之变得复杂而庞大，并且有可能出现因为对其中某一个零件的分析错误而导致整个矩阵都失效的情况。同时很容易使拆卸序列在生成中产生组合爆炸的问题。因此，需要将产品中的零部件个数进行简化。

在研究生成拆卸序列的过程时，为了减少拆卸序列中零部件的个数，可以把一部分零部件当成一个整体进行拆分研究，这一部分整体就是一个模块，然后将这个模块当成产品中的一个零件来进行分析即可。把该产品中的零件组合成模块的过程，就是模块化。通常可以按照零部件的作用、形状结构、材料属性（比如塑料的部件组合在一起，金属的部件组合在一起）来划分模块。模块化实质上是一种化零为整、化繁为简的研究方法。通过使用这种分析方法，可以大大提高生成拆卸序列的效率。

通过模块化方法，虽然矩阵的形式还是如式（1）那样，但是矩阵的阶数却减少了，研究效率提高了。由于是将零部件组合在一起形成一个模块，故而要注意以下2点。

1）至少要有两个零件来生成模块，若模块中只含有一个零件，那么这个模块就是这个零件本身，这样的模块划分没有任何意义。同样道理，也不能将整个待拆产品都划分在一个模块里。

2）不能把一个零件划分在两个不同的模块里，否则生成拆卸序列时会造成混乱，影响正确性。

3.3 层次分析法

在利用模块化方法分析拆卸序列时，会出现将一部分零件组合成一个模块，再将这个模块与其他零件组成一个大模块的情况，这样一层一层进行划分，最终会组成这个装配体。图3是将模块化方法引入每一层的分析中所得出的结构图。

图3 层次、模块化结构图

首先在第一层分析某装配体含有的所有零件，找出需要被拆卸的目标零件（如联接件，只有将其拆下，才能解除与其有约束关系的零部件），以及其他非目标的附属零件。然后在第二层以某一个目标零件作为要拆卸的零件，将其他在该层拆卸中能组合成模块的部分附属零件和剩余的目标零件进行组合，不能形成模块的K个附属零件就单个留出；以此类推，每到下一层，其能组合成的模块就越来越少，得到更接近于装配体的单个模块以及单个目标零件，此时就大大的减少了零部件个数。这就是层次分析法，将这种方法与模块化方法相结合，可以更好地提高拆卸效率。

4 拆卸序列优化指标

4.1 拆卸时间

拆卸时间就是指将待拆产品上的零部件按照某一个拆卸序列中的顺序进行拆卸，直到拆卸掉拆卸序列中的倒数第二个零部件为止（因为序列中的最后一个顺序是不需要被拆卸的，只需要拆掉倒数第二个顺序就可以），并且将所拆卸掉的所有零部件都从整体中分离出去所消耗时间的总和。

拆卸时间是由基本拆卸时间和辅助拆卸时间组成的。基本拆卸时间是指联接件被从整体产品上松开、分离的时间，以及将某个零部件从与其相关的零部件中分离的时间；辅助拆卸时间由装夹时间、拆卸工具进行定位完毕的时间、拆卸中更换工具的时间、拆卸完某个零部件后将其取下放置的时间等组成，指的是为了拆卸某个零部件所做的一些其他的辅助工作所消耗的时间。这些时间的总和，就是拆卸完一个产品总共需要耗费的时间，它是评价最优拆卸序列的重要参考指标。

对于同一个待拆废旧家电，比较不同的拆卸序列所需要的拆卸时间，拆卸时间越短，则说明拆卸的效率越高，那么，相比其他几条拆卸序列，这条拆卸序列就是最优的。待拆家电的拆卸时间

式中：T为总的拆卸时间；ti为单个零部件被松开所花费的时间；t′i为将这个零部件从整体上分离出去的辅助时间；n为待拆产品上零部件的总数；tj为某一个联接件被松开所花费的时间；t′j为将这个联接件从整体上分离出去的辅助时间；N为这种类型联接件的个数；m为待拆产品上联接件的总数；tk表示拆卸工具移动时间，即拆卸过程中，拆卸工具从拆卸序列的第i个零件移动到第（i＋1）个零件所需的时间。拆卸序列中每相邻两个零件会产生一个tk，一共会有（n－1）个移动时间，假定拆卸工具在拆卸过程中移动的速度v是恒定不变的，拆卸序列中相邻两个零部件之间的距离为Lk，则tk＝Lk／v。

4.2 需拆卸零件数量

在废旧小型家电的拆卸回收过程中，主要针对的是拆卸回收其中的紧固件以及控制系统中的元件，其他的零部件可以按照模块化的方法进行划分，因此，若选择的拆卸序列不同，那么有可能遇到不同的模块化组合，导致拆卸顺序中零部件的总数不一样，这样拆卸时间也会不同。

因此，需要拆卸零部件的数量也可以用来作为评价优化拆卸序列的指标。如果这些零部件越少，那么定位及换向的过程可能就越少，基本拆卸时间以及辅助拆卸时间也会越少，这样的拆卸序列也就是最优的。需要拆卸的零部件数量

式中：P表示需要拆卸的零部件的数量；n表示整个待拆废旧家电中零部件的总数；Pi表示第i个零部件，当按照某条拆卸序列的顺序进行拆卸时，如果零件i在这条拆卸序列中明确表示，那么就令Pi＝1；如果未出现，则Pi＝0。

4.3 所需换向次数

在拆卸过程中，会出现一种情况，就是虽然是按照这条拆卸序列的顺序进行的零件分离步骤，但是在拆卸过程中，总体产品需要变换方向进行其他步骤的拆卸，这就是换向。只要在拆卸过程中有一次拆卸方向发生了改变，就有可能带动装夹工具、拆卸工具的更换，或者对原待拆物进行重新定位的操作。所需换向的次数就是按照这条拆卸序列进行拆卸时，一共发生的所有换向次数的总和。

所需换向的次数

式中：零件k的重定向值为Ck，在某条拆卸序列中，若零件k需要重定向，则Ck＝1；若不需要，则Ck＝0。

4.4 拆卸费用

拆卸费用就是在拆卸全过程中发生的所有与拆卸有关的费用，这个费用包括人工拆卸的人力费用（工人工资），以及投入的各种拆卸工具的费用。由于待拆产品本来就是废弃物，其上零件出现锈蚀等因素以至于难以拆下来的状况是一定会遇到的。这种拆卸的难易程度会决定拆卸回收工具的选取等条件，因此拆卸费用也会表现为不一致。拆卸费用可以用来表示拆卸成本的高低情况，即：

式中：C1表示理想中的拆卸费用；C2表示实际操作中所耗费的拆卸费用。当λ＞1时，表示理想中的拆卸费用比现实所花费的费用要多，相当于实际上节省了费用；当λ＜1时，表示现实所花费的费用比理想中的预计的拆卸费用要多，意味着费用上开销大了，可能不合算。

4.5 权值分析法

综合以上分析，拆卸序列的评价优化指标有多个，主要包括拆卸时间、需拆卸零件数量、所需换向次数、拆卸费用这几部分。这几个评价指标都有自己判断哪条拆卸序列更为优劣的参考公式，如果分别依据这些公式来判断拆卸序列优劣与否，得到的结果或许不同，比如说某条序列可能拆卸时间更短，但是采用拆卸费用这个指标评价的话，或许费用较高，因此，需要比较这条拆卸序列在这些条件下分析的综合情况。在本文中利用权值的分析方法，将这几种不同的评价指标进行加权计算后，比较每条拆卸序列最后的权值，以此来选取最优拆卸序列。

在本文中，权值

式中：E表示这条拆卸序列的权值；ω1、ω2、ω3、ω4这些表示其后连接的每一个指标对应的权重，若评价指标还有更多，则ω的数量也相应增多，但是，无论有多少个权重ω，它们的和相加都为1。在这里，ω1＋ω2＋ω3＋ω4＝1。

通常情况下，权值的大小表示拆卸序列的复杂程度，综合权值越小，说明这条序列的T、P、C、λ中的某个或几个评价指标较小，这条拆卸序列也就越好。

5 以微波炉为例进行分析

5.1 生成拆卸序列

结合图1、图2，在俯视状况下观察微波炉的内部零部件，将其简化为图4。

图4 微波炉去掉前门、上盖、后盖的简化图

这些零部件上的细小电器元件，将其与其所连接的零部件看成一个部分，一起整体拆卸后再细细拆分，同时先考虑螺纹连接件螺头所在的零部件与该螺纹连接件为一个整体。由图4可知零部件分布形式主要分为左右两个部分，且大部分零部件都与微波炉底座有连接关系，因此此处不考虑向左、向右、向下三个方向的拆卸。

本文中＋Y表示往炉门方向运动，－Y表示往后盖方向运动。根据干涉矩阵的定义，可以生成以下几个干涉矩阵：

将零部件沿着上盖拆卸的方向规定为＋Z方向，得到以下沿着＋Z方向进行的拆卸序列：

按照前文通过分析干涉矩阵来生成拆卸序列的方法，可以得到以下14条拆卸序列：

5.2 评选最优拆卸序列

由于1与3均是安装在后盖上，因此，拆卸后盖的时候，可以连带拆卸1与3，如果按照3、2、1的顺序，其中需要换向两次，按照2、3、1的顺序只需换向一次，因此序列①优于序列②。4上的螺纹紧固件需要沿着右侧拆卸，将2固定在炉底的螺纹连接件需要沿着＋Z方向拆卸，固定7的螺纹连接件需要沿着拆卸－Y方向拆卸，2与4距离近，拆卸工具移动换向的距离短，拆卸时间少，因此4、2、7更适合一些，即序列③优于序列④。1、3、5、6的拆卸步骤是按照移动顺序来的，不会使拆卸工具的移动路线有往复的情况，比3、1、5、6或3、5、1、6的拆卸步骤更省时，故④优于⑤和⑥。同理，4、2、6也比4、6、2的拆卸步骤要好，并且无论是1、3、5、7还是1、7、3、5，或者3、1、7、5还是7、3、1、5的拆卸步骤，都会使拆卸工具绕行更多的距离，因此，最后只需比较拆卸序列①与③即可。

根据前述方法比较下列几项。

1）拆卸时间

两条拆卸序列中所需要拆卸的零件总数、螺纹连接件总数相同，假定每个相同零部件、联接件被松开、移除所花费的时间一样，故而只用比较拆卸工具的移动时间即可。

序列①7→6→5→4→2→3→1，与序列③1→3→5→6→4→2→7中，重复了步骤“6→5”、“4→2”、“3→1”，因此只用比较剩下的三个步骤。结合图2并通过实际拆卸验证，在步骤“5→4”与“6→4”、“2→3”与“2→7”中，拆卸工具从一个零件运动到另一个零件的距离是相差无几的，所以可将得出的运动时间近似看作相同值。但是零部件5就在零部件3下方，显而易见，拆卸工具在进行步骤“7→6”时比进行步骤“3→5”所移动的距离要长，因此，花费时间tk会较大，总体拆卸时间T相对较久。因此，序列③更省时。

2）拆卸零件数量

根据拆卸序列所示，这两种序列中所需要拆卸的模块都是7个，每个模块中所包含的螺纹连接件总数也是相同的，因此需要拆卸的零件数量一致。

3）所需换向次数

根据表1，拆卸序列①与③均需要拆卸工具换向4次来完成拆卸过程。拆卸序列①中：7→6需要换向，5→4需要换向，4→2需要换向，2→3需要换向。拆卸序列③中：6→5需要换向，4→2需要换向，2→3需要换向，3→1需要换向。

表1 单个零部件上螺纹连接件的拆卸方向

4）拆卸费用

当这些拆卸序列中所包含的零部件完全相同时，拆卸所需要的费用通常是相同的。

5）比较权值

综上，由于P、C、λ都一样，所以只需比较T。由于①的拆卸时间更久，拆卸序列①的权值E则高于序列③，所以采用序列③作为拆卸序列。

6 结论

本文通过对某种型号的废旧微波炉拆卸序列生成过程的研究，得出拆卸序列的一般生成过程：首先要了解待拆装配体的信息，如几何尺寸、物理性状、体积和质量、材质、型号等；其次通过建模生成整个装配体的所有可行拆卸序列，由于是装配体，拆卸序列肯定存在，且至少有一个拆卸序列；然后通过准则进行筛选，确定最优的拆卸序列即可。这种方法虽然是有针对性地提出来的，但是同样适用于其他种类的小型家电拆卸序列的生成。按照生成的最优拆卸序列进行拆卸回收，能够大大提高回收效率及资源回收率，同时，能够更大程度上起到保护环境的作用。生成的拆卸序列可以通过计算机程序存入库中，为后续研究其他模型的拆卸序列提供依据。

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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

［责任编校：张 众］

1003－4684（2017）04－0006－06

2017－04－05

苏旭武（1973－），男，湖北武汉人，湖北工业大学副教授，研究方向为机电一体化

左 帆（1990－），女，湖北黄石人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为机械制造及其自动化