（机械制造及其自动化专业论文）再制造信息管理多色集合建模研究.pdf

摘要 摘要 再制造生产过程是一个特殊的制造过程，再制造产品零件和再制造工艺过程 都有着不同于传统制造的特点，因此再制造信息化平台研究与开发更为重要和 迫切。本论文课题将就其中的零件信息建模方法以及再制造工艺决策中工艺方 案的获取算法方面进行研究，建立汽车发动机零件再制造信息模型，实现其再 制造工艺方案获取过程的仿真。本论文主要内容包括： ( 1 ) 建立发动机零件的再制造信息模型 再制造信息化要求建立一个完整、统一的零件再制造信息模型。本文分析了 汽车零件再制造信息的特点后，采取特征建模的方法建立信息模型，全面描述 了零件再制造信息。并在此基础上，运用多色集合理论，采用统一的形式建立 数学模型进行描述。使得信息的表达、存储及运算都达到统一，能直接用于零 件再制造的其他系统。 ( 2 ) 零件再制造加工工艺方案的获取 再制造工程的加工对象为使用过的废旧零件。传统的加工工艺已经不能完全 适用于零件的再制造。论文分析了发动机零部件不同失效形式后，采用多色集 合理论，建立系统模型，进行方案决策，很好的满足了零件再制造的需求。 论文最后总结了“基于多色集合理论的方案获取”的原形系统的软件开发思 路。并运用实例，对系统的主要功能模块进行了演示。 关键词：再制造工程；信息建模；工艺决策；多色集合 a b s t r a c t a b s t r a c t r e m a n u f a c t u r ep r o d u c t i o np r o c e s si sas p e c i a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s i t sm u c h d i f f e r e n tf o r mt h et r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n g s o ，r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gt h e p l a t f o r mi si m p o r t a n ta n du r g e n t i nt h i sp a p e r , t h ei n f o r m a t i o nm o d e l i n gm e t h o d sa n d t h ea l g o r i t h mi nt h er e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sd e c i s i o nw i l lb ed i s c u s s e d t h e nw e w i l le s t a b l i s ht h ea u t oe n g i n ep a r t si n f o r m a t i o nm o d e la n ds i m u l a t et h ep r o c e s s t h e m a i nc o n t e n t si n c l u d e ： ( 1 ) e s t a b l i s ht h ef e a t u r e b a s e di n f o r m a t i o nm o d e lo fs p a r ep a r t t h er e q u i r e m e n to fi n f o r m a t i o n a lr e m a n u f a c t u r ee n g i n e e r i n gi st oe s t a b l i s ha u n i f i e da n dc o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o nm o d e lf i r s t l y b a s t e do nt h ec h a r a c t e r so f r e m a n u f a c t u r ep r o d u c t s ，t h i sp a p e rw i l lb u i l dt h ef e a t u r e b a s e di n f o r m a t i o nm o d e lt o d e s c r i b et h er e m a n u f a c t u r ei n f o r m a t i o n t h e ni tw i l lb u i l dt h ep o l y c h r o m a t i cs e t s t h e o r yb a s e dm a t h e m a t i c a lm o d e lt om a k et h ei n f o r m a t i o n sd e s c r i p t i o n ，s t o r i n ga n d o p e r a t i o nb e c o m eu n i f i e d ( 2 ) o b t a i n i n gt h ep a r t s p r o c e s sp l a n s t h eo b je c to fr e m a n u f a c t u r ei st h ew a s t e dp r o d u c t e a c hp a r t sr e m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s i sd i f f e r e n tb a s e do nt h ec h a r a c t e ro fi t t h et r a d i t i o n a lr e p a i rp r o c e s sc a n tb e u s e di nt h ep a r t sr e m a n u f a c t u r et o t a l l y i t sn e e d e dt om a k ep r o c e s sd e c i s i o nf o re a c h p a r t ，b a s e do ni t si n v a l i df e a t u r e a f t e rr e s e a r c h i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o ft h et r a d i t i o np r o c e s sp l a n n i n gm e t h o d s ，t h i sp a p e ru s et h ep o l y c h r o m a t i cs e t s t h e o r yt og e tt h ep r o c e s sp l a n s a tt h ee n d ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ed e s i g n i n gi d e a l so f “t h ep o l y c h r o m a t i c s e t st h e o r yb a s e do nt h ea c q u i s i t i o no fp a r t sr e m a n u f a c t u r i n gp l a n e sp r o g r a m m e r ， t h e nc o n f i r m si t sm a i nf u n c t i o n sc o r r e c t n e s sa n dr e l i a b i l i t yw i t ht h er u n n i n g e x a m p l e s k e yw o r d s ：r e m a n u f a c t u r ee n g i n e e r i n g ；i n f o r m a t i o nm o d e l i n g ；p r o c e s sd e c i s i o n ； p o l y c h r o m a t i cs e t st h e o r y i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注幂口致谓于的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得南昌大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：殉签字日期：瓣多月尹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信，息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：少髫年钿乍日 导师签名： 辩嗍：咱“月，争日 第1 章绪论 1 1 汽车发动机零件再制造 第1 章绪论 1 1 1 发展汽车发动机零件再制造是循环经济的要求 发展循环经济【l 】是缓解资源约束矛盾、实现可持续发展的必然选择；是将经 济社会活动对资源的需求和生态环境的影响降低到最小程度，从根本上解决经 济发展与环境保护之间矛盾的有效手段；是提高资源利用效率，提升我国国际 竞争力的唯一出路。 全国政协副主席、中国工程院徐匡迪院长在2 0 0 4 年上海召开的“世界工程师 大会”上，结合我国国情，创造性地提出了关于建设中国循环经济的“4 r 发展战 略( r e d u c e 再减量，r e u s e 再利用，r e c y c l e 再循环，r e m a n u f a c t u r e 再制造) 1 2 1 。 我国汽车工业的快速发展，对国民经济的快速增长起到了积极的促进作用， 同时也带来能源紧张、环境污染、资源浪费等问题。再制造工程是解决资源浪 费、环境污染和废旧产品翻新改造的最佳方法和途径之一。发动机是汽车的心 脏，实行发动机零部件的再制造是减少资源消耗，减轻环境污染的重要举措， 是循环经济理念在汽车行业的具体实践1 3 】。 再制造产品是蕴含有高附加值一部机器。一个零件制造时的成本，由原材 料成本、制造活动劳动力成本、能源消耗成本和设备工具损耗成本构成。其中， 后3 项成本称为相对于原材料成本的产品附加值【4 】。再制造过程中由于充分利用 了废旧产品中的附加值，因而能源消耗只是新品制造中的5 0 ，劳动力消耗只是 新品制造中的6 7 ，原材料消耗只是新品制造中的11 1 2 0 。 以再制造的大小发动机平均每台市场价l 万元、每万台再制造发动机安排 5 0 0 人就业、每吨成型的金属可减少从采矿至粗炼消耗18 0 0 k w h 的电量、减少排 放2 吨c 0 2 气体，则可计算出发动机再制造对循环经济的贡献，具体见表1 1 5 1 所 示。 第1 章绪论 表1 1 汽车发动机再制造的综合效益 贡献项目2 0 0 5 - 2 0 1 0 年2 0 1 0 2 0 1 5 年 2 0 1 5 2 0 2 0 年 年均可再制造发动机，万台 2 2 5 3 6 07 5 0 1 2 0 0 2 1 6 0 3 3 6 0 销售额( 亿元) 年均 2 2 5 3 6 07 5 0 1 2 0 0 2 1 6 0 3 3 6 0 解决就业( 万人) 年均l1 2 5 1 83 7 5 6 01 0 8 1 6 8 节电( 亿度) 年均1 3 2 l4 3 6 91 2 4 1 9 3 回收附加值( 亿元) ，年均 3 0 7 4 9 01 0 2 1 1 6 3 6 2 9 4 5 4 5 8 2 减少c 0 2 排放( 万吨) 年均 1 4 4 2 3 04 7 9 7 6 61 3 7 9 2 1 4 6 由表1 1 可以看出，2 0 2 0 年前的1 5 年内年均可回收附加值1 4 2 4 - - 2 2 3 6 亿元， 年均节电6 0 9 4 亿度，年均减少c 0 2 排放6 6 7 - 1 0 4 7 万吨，年均解决就业5 2 - - 8 2 万人。由此可见，汽车发动机再制造可显著的提高经济、环保和社会效益。 1 1 2 发动机再制造工程的内涵 绿色再制造工程【6 】是以高新技术和产业化生产为手段，以废旧零部件为对 象，以再制造理论为基础，以低污染的修复工艺为方法，以节能、节资、节材 为标准，以实现废旧设备性能的提升为目的，而区别于传统的机械制造维修的 一个新概念1 7 j 。再制造可以针对汽车总成，如发动机总成，亦可针对汽车零件， 如气缸体。前者称总成再制造，后者称零件再制造。 图1 1 是再制造工程的学科体系框图【8 】。从图中我们可以看出，再制造工程 的技术设计是再制造工程的重要组成部分。再制造设计的任务是通过采用专家 系统、综合评判或仿真系统等科学方法束描述各技术单元在再制造工程中的需 求程度，并对再制造工程存在的问题提出改进措施，最终形成最佳的再制造系 统方案。其中，再制造工艺技术设计是零件再制造过程中的最重要的内容。 2 第1 章绪论 制 造 工 程 的 组 成 再制造j ：程的 设计基础 再制造丁程的 关键技术 再制造f ：程的 质量控制 再制造 ：程的 技术发计 再制造性评价 环境行为及失效机理研究 寿命预测及剩余寿命评估 再制造过程模拟与仿真研究 先进表面技术 再制造快速成型技术 修复热处理技术 再制造特种加：i ：技术 再制造机械加l ：技术 再制造毛坯的质量检测 再制造加l ：的在线质量检测 再制造成品的检测与评价 再制造工艺技术l 殳计 再制造工艺设备与车间设计 再制造技术经济 冉制造组织管理 图1 1 再制造：_ 【：程的学科框架 1 1 3 汽车发动机零件再制造信息的特点 1 1 3 1 汽车发动机零件再制造工艺 根据再制造产品技术条件对废旧产品进行加工进而成为再制造产品的过 程，称为再制造工艺过程【引。其工艺流程图如图1 2 所示。 3 第1 章绪论 初步清洗检测 h 产品完全被拆卸分解h 零部件清洗 ， 产品再装配 h零部件再制造h 零部件检测分类 t 测试 图1 2 再制造工艺流程图【1 0 1 汽车零部件再制造是以先进技术和产业化生产为手段，对废旧零件进行修 复和改造的一系列技术措施和工程活动的总称。 零件再制造和修复最终目的都是为了得到一个功能和新零件接近或相同的 零件。在单项技术上如零件修复技术、性能测试技术上两者也是相同的。 但发动机零件再制造不等同于发动机零件大修【l l j 。再制造与大修有如下区 别：一是加工对象不同，大修的加工对象是故障零件；而再制造的对象是大批 量的报废零件。二是生产方式不同，大修多采用手工单件生产；而再制造是采 用先进工艺进行批量生产。三是加工深度不同，大修仅限于部分超过使用极限 的损伤件：而再制造要对总成零部件进行全面检验，对不合格零部件统统修理 或更换。四是效果不同，大修产品的质量很难达到新品水平，而再制造的零件 质量可达到甚至超过新品，而成本远远低于新品。 因此，在具体的某些修复工艺上，我们可以采用传统制造零件修复的工艺 技术。但是，由于再制造的特点，传统的工艺不能完全适用于零件的批量化的 再制造生产过程。 1 1 3 2 汽车发动机零件再制造信息的特点 汽车发动机零件再制造【1 2 】的对象为回收回来的废旧发动机零件，由于使用 状况的复杂性，每个零件呈现出不同的特点，这些特点使得对它进行生产计划 和各项管理变得更加复杂。再制造零件的特点可归纳总结为以下几点： ( 1 ) 报废零件的再制造性的不确定。经过使用后的报废零部件必须能够保 证其具有一定耐用度、再制造成本较低、残余附加值较高、技术稳定性、再制 造经济技术可行性。因而如何快速、准确、有效地确定报废零部件的上述再制 造性指标是难点。 ( 2 ) 再制造零件的终端报废状态不一。零件经过上一次生命周期时，由于 其使用工况、使用环境、使用强度不同，从而使得零件终端发生了很多变化， 4 第1 章绪论 如废旧零件的失效程度、失效形式、维修情况、材料内部应力是否平衡等等都 与零件的初始状态不一样了。 ( 3 ) 再制造毛坯数量的不确定性。由于回收报废零件的数量难以确定，加 上拆卸后得到的废旧零部件经过上一次寿命周期后其回收利用程度不一。因而 使得再制造产品的毛坯数量得不到确切的保证。 1 1 3 3 汽车发动机零件再制造工艺方案的特点 每个零件使用情况的特殊性决定了每个零件的d n - r _ 方案不同。除此之外， 随着加工的进行，由于废旧零件再一次损坏、加工前未察觉的状况、进一步加 工的不可行性都有可能导致原有的力工方案需要重新选择。一种生产方案无法 保证使用于再制造的全过程。因此，零件的再制造加工需要根据每个零件的使 用情况，及时找到最经济、最高效n j 力口工方案，以满足零件再制造信息不确定 性、加工过程不确定性的需求。 1 1 3 4 汽车发动机零件再制造工艺规程的制订 加工方法的选择是工艺决策的重要部分，是工艺路线安排的基础。多年来， 工艺决策及其优化技术一直是c a p p 系统开发设计的重点和难点，同时也是决 定系统有效与否的重要因素。 早期的c a p p 系统最常采用的技术就是借助判定树、判定表等形式的决策 逻辑表达式。这种方法的优点是运彳亍速度j e 常快，实现起来也非常方便。但由 于该法是将逻辑决策固化到程序当中，一般是很难动态修改的，对于一些非常 稳定的知识比较适用。工艺矢口识彳艮多是基于经验的，需要经常地变化和扩展。 基于神经网络的决策骨架程序随着丰中经网络研究的发展进步很快，对于加 工方法的选择多采用b p 网络，以特征各属性作为输入节点，以加工方法作为 输入节点。这种方法训练速度。慢，结果准确性低，而且使用不方便。 c a p p 专家系统是目前应用最广泛的形式。以知识库加推理机为特征。基 于案例的推理( c b r ) 是8 0 年代后期发展起来的一项人工智能新技术。它根据 目标案例的信息，从源案例库中获得相似的历史案例，并由获得的源案例来指 导目标案例求解问题。在知识难以获取并以积累了丰富案例的复杂领域中得到 成功的应用。但专家系统普遍存在确知识获取的“瓶颈”、推理效率低、可扩充 性不好等问题。 5 第1 章绪论 这时，我们寻求一种新的理论，来i 蔫足产品再制造的加工需求。 1 1 4 多色集合理论在制造信息化中的应用 技术系统、生产系统和其它的复杂系统是信。息技术应用的主要领域，因为 这里存在着这些系统仿真的迫切问题。在仿真复杂大系统时，广泛应用集合论 的工具。但是传统的集合论的数学工具不台邑描绘集合和它的元素的性质，这就 限制了在仿真复杂对象和系统时传统集合论f f - j 使用可能性。可是多色集合【l3 】就 能做到这一点。 俄罗斯的v v p a v l o v 教授( 国际信启l 科学院c a d c a m c a e 委员会副主席) 1 9 7 6 年提出了扩大普通集合论仿真可能性：，使得能描绘集合本身和它的组成元 素的性质的思想。随后这个思想被用于研锖i j 开发对象仿真的分层递阶系统，在 这个研究过程中于1 9 8 8 年产生了多色图的概念，于1 9 9 5 年产生了多色集合的概 念，于2 0 0 0 年提出了多色集合的体系结构【1 4 ：15 1 。 多色集合理论的特点是：算法简单，编程7 5 - 便：易于向复杂系统拓展；模 型中不仅包括特征，而且包括性质、属陡、参数和指标等；不仅可以表示数据 量，而且可以表示自然语言量和模糊量l l 刚。 目前多色集合在传统制造过程中的各个环节中的应用，已有了较多研究。 研究表明：利用多色集合理论进行零件力口- i - 系统的建模仿真，系统中元素本身 和元素具有的性质都可以在同一个集合中表示，并且所有元素的性质只用逻辑 变量o 和1 在计算机中存储。计算机内的具体布尔运算由析取形式路径的算法 得到，算法简单，便于计算机编程，方便向复杂系统拓展。能快速生成零件的 合理的加工方案。 1 2 课题来源、研究目标和内容 1 2 1 课题来源 依托项目：江西省教育厅基金( 赣教技字【2 0 0 6 】5 6 ) 和2 0 0 7 年上饶市工业科 技项目。 6 第1 章绪论 1 2 2 研究的目标 本论文课题基于的汽车发动机零件再制造生产模式是：从回收废旧发动机 中批量回收再制造其主要零件，如缸体、曲轴、连杆等。汽车发动机零件再制 造由于在零件的毛坯和制造工艺方面具有不确定性等特点，实施数字化、信息 化管理尤为重要。本论文课题将就其中的零件信息建模方法以及再制造工艺决 策中工艺方案的获取算法方面进行研究，建立汽车发动机零件再制造信息模型， 实现其再制造工艺方案获取过程的仿真。 1 2 3 研究的内容 本论文以江铃汽车发动机零件为研究对象。在分析和整理现有发动机零件 再制造过程中相关零件资料的基础上，对发动机零部件再制造功能需求及其维 修工艺手段进行描述。建立基于特征的零件再制造信息模型，并利用多色集合 建立零件再制造的仿真模型。研究内容主要包括一下几部分： ( 1 ) 建立基于特征的发动机零件的再制造信息模型 报废零件的再制造性的不确定、再制造毛坯数量的不确定性、再制造零件 的终端报废状态不一，再制造零件的这些特点都加大了零件再制造的难度。要 对零件进行再制造，就必须尽可能多的掌握产品的再制造信息。 再制造涉及产品的拆卸、零部件的再利用、材料回收等过程。归纳起来， 对零件再制造影响较大的有：零件基本信息、零件全生命周期信息、材料信息 等。而在零件的再制造修复过程是指根据零件的失效形式选择最适合的再制造 加工方法。因此，在这个过程中，除了上述的信息外，最重要的是零件的失效 信息。 在零件再制造信息化的过程中，首要任务就是建立满足再制造的要求的、 全面描述零件再制造信息的统一信息模型。基于特征的零件模型着眼于更好地 表达零件的完整的技术和生产管理信息；它使零件设计工作在更高的层次上进 行。通过特征定义，可以避免计算机内部实体模型数据与外部特征数据的不一 致和冗余，所以被认为是解决c a d c a m 集成的最有效的途径。 因此，本论文的首要任务就是建立基于特征的发动机零件的再制造信息模 型。 ( 2 ) 完成零件再制造加工工艺方案的获取算法 7 第1 章绪论 发动机再制造【l2 1 ，既不是传统意义上的发动机大修理，也非一般意义上的 新发动机制造。它是指将不能继续使用的旧发动机处理成近似新发动机的特殊 过程。在此过程中，发动机首先被完全拆解、清洗；而后按制造标准对发动机 基础件( 缸体、缸盖、曲轴、连杆等) 进行检测，确实有修复价值的留下；第 三步用专用设备，按照严格的修复工艺重新修复，加工到制造要求的公差范围， 对易损件和轴承( 瓦) 、活塞环、活塞和挚片等则采用新件；最后按制造工艺 装配，整机在台架调试，检验合格后喷涂出厂。发动机再制造的关键是对发动 机的主要零部件的再制造。 由于收集回来的废旧零件的新旧程度即可利用程度不一样。每个零件 的使用情况的特殊性决定了每个零件的加工方案不同；除此之外随着加工的进 行，由于废旧零件再一次损坏、加工前未察觉的状况、进一步加工的不可行性 都有可能导致原有的加工方案需要重新选择。一种生产方案无法保证使用于再 制造的全过程。 传统的工艺决策方法都不能很好的满足零件再制造的需求，因此我们将利 用多色集合这一全新的理论来完成零件再制造加工工艺的决策。论文将在对发 动机零部件不同失效特征下的加工工艺进行研究后，采用多色集合理论建立零 件再制造加工的仿真模型，根据每一个零件不同的失效特征，利用多色集合本 身的决策算法，制定适合于每一个发动机零件的再制造加工工艺方案。 ( 3 ) 基于v c + + 6 o 平台，完成零件再制造方案获取仿真系统的开发 最后本论文将在理论分析的基础上，开发了一套“基于多色集合理论的方案 获取”的原形系统。本系统的主要作用就是在用户完成功能需求分析后，将信息 输入计算机，计算机将根据基础信息中的信息进行基于多色集合理论的推理， 直到最后给出满足功能需求的方案集。系统的功能主要有： 在零件再制造的不同阶段，所需要的零件信息也有所不同，系统能够根 据相应的需求获取所需的信息； 本系统采用的是基于多色集合理论的方案决策方法，因此系统要求根据 输入的零件信息，转化为决策过程中所需的数据结构，完成方案的获取。 在零件再制造的整个过程中，为用户提供零件信息及方案的查询。 8 第1 章绪论 1 3 课题相关领域的研究现状 1 3 1 涉及的学科领域 本文根据再制造零件的特点，建立零件再制造方案获取的仿真系统。运用 多色集合理论根据零件再制造信息选取出最适合的加工方案。因此本文研究过 程中主要涉及的学科领域有：零件再制造信息建模、零件再制造工艺决策。 ( 1 ) 零件再制造信息建模 建立统一的零件信息模型是实现再制造工程信息化的首要问题。再制造零 件信息建模主要是根据零件再制造的特点，归纳零件再制造信息，合理的描述 信息，建立统一的信息模型。 ( 2 ) 零件再制造工艺决策 工艺决策的主要任务是生成零件的工艺过程。再制造零件的使用情况的特 殊性决定了每个零件的加工方案不同；除此之外随着加工的进行，由于废旧零 件再一次损坏、加工前未察觉的状况、进一步加工的不可行性都有可能导致原 有的加工方案需要重新选择。一般的再制造加工工艺并不适用于每一个零件。 我们利用多色集合理论完成方案的获取，弥补传统工艺决策方法的不足。 1 3 2 研究现状 1 3 2 1 国内 我国的研究在徐滨士院士的积极倡导下，已有较快的发展。2 0 0 2 年装备再 制造技术国防科技重点实验室成立，拟订的研究领域是我国第一部再制造研究 大纲，代表了我国再制造的研究主流。但是，再制造在我国尚属一个崭新的研究领 域【8 1 。 目前国内在再制造领域的理论研究较多，涉及物流【1 7 ；1 8 1 特点的文献最多， 其次是组织、控制和流程特点，涉及技术、质量和对象不同特点的文献最少。 文献【8 1 对再制造的内涵及学科体系做出了说明。论文【1 9 】中探讨了进行再制造技 术有各种现代表面技术、粘接技术、有关的再制造“毛坯”成形及再加工技术、 快速成形技术等。 本文研究的产品再制造方案设计属于再制造设计的内容，在国内也已经有 9 第1 章绪论 了部分研究。论文【9 j 明确了再制造全过程的再制造设计是开展再制造工程的必 要前提，涉及许多新兴学科。探讨了再制造设计的内涵、主要内容及前沿研究 课题。论文h 】说明再制造设计中的三个重要方面，并对研究内容及方法进行了 分析，为今后再制造设计的研究提供了仞步的发展思路。 信息化是再制造工程发展的必然趋势，实现c a d c a m 集成的一个关键和 核心就是产品建模，即并行c a d c a m 集成需要一个包含产品全生命周期各阶 段信息的产品模型【2 0 ；2 1 l 。目前国内对传统制造的信息模型有较系统的研究，但 是对于零件的再制造信息的研究较浅。论文【2 2 】中分析总结了再制造过程中的关 键信息，为信息建模研究提供了研究基础。 产品再制造的加工工艺的研究目前主要集中在工艺流程和具体的工艺手段 上。论文 9 ：2 3 1 中分析了产品再制造的工艺流程，论文【矧详细分析来发动机的再 制造工艺。论文【2 5 j 对发动机主要零部件的加工工艺进行了系统分析。关于再制 造工艺决策的研究目前较少。 关于工艺决策2 7 】及其优化技术的研究一直是c a p p 系统开发设计的重 点和难点，同时也是决定系统有效与否的重要因素。随着计算机技术和智能技 术的发展，如何实现工艺决策的自动化、智能化，逐渐成为研究的热点。 多色集合理论【2 8 - 3 0 】是一种新型的一种新的信息处理工具。在使用多色集合 这一新的信息处理工具时，其核心思想是使用形式上相同的数学模型来仿真不 同的对象。目前已经对传统制造过程中的概念设计、工艺决策过程、拆卸等方 面都进行了研究，并取得了一定的成果。然而在再制造领域的应用还处于探索 阶段。论文【3 l j 基于多色集合理论对传统制造的工艺过程进行仿真，并完成了仿 真系统的开发。 1 3 2 2 国际 再制造工程在工业发达国家已经受到高度的重视。在国外，再制造领域的 许多研究工作已经开展，涉及面很广。2 0 世纪8 0 年代早期，l e n d 和s k e e l s 对产品 再制造领域的许多问题进行了研究探讨，包括：产品的选择、市场策略、再制造 技术、成本分析、机构因素及法律事项等【3 2 1 。 1 9 9 3 年，美国福特、通用、克莱斯勒等大汽车公司结成回收联盟，在密西 根建立了汽车拆卸中心，专门研究开发汽车零部件的拆卸、再制造和再循环利 用。1 9 9 6 年，在美 a r g o n n e 家实验室的资助下，在波士顿大学制造工程学教 1 0 第1 章绪论 授r o b e r t t l u n d 领导下的一个研究小组对美国的再制造业进行了深入的调查， 撰写了研究报告再制造业：潜在的巨人。 2 0 世纪9 0 年代后，文献已不再集中于企业经济和策略方面的研究，更多的研 究内容是围绕再制造的内容进行。文献【1 7 ：1 8 】针对回收的不确定性给生产流程带 来的影响做出深入的分析，提出了一些解决方法，涉及中物流和生产控制问题 的研究；文献【3 3 】对生产过程的特殊性进行较全面的分析，但是没有涉及中生产 对象、流程、技术等不同影响的研究。 近来欧美国家，除了立法支持再制造业的特殊地位，还加大了研究力度， 制订了战略规划【3 4 1 。研究工作多集中在技术领域、产品寿命周期评估以及逆向 物流领域，对生产运行控制的研究尚属少数【3 5 1 。 c a p p 的开发、研制是从6 0 年代末开始的，在制造自动化领域，c a p p 的发 展是最迟的部分。自从n i e b e l 于1 9 6 5 年首次探讨用计算机辅助工艺设计，1 9 7 6 年 研究出第一个派生式的c a p p 系统以来，c a p p 系统的实现方法经历了派生式、 创成式、半创成式以及采用人工智能技术几个阶段。方案决策方法的研究也一 直是c i m s 的关键问题。 俄罗斯的v v p a v l o v 教授( 国际信息科学院c a d c a m c a e 委员会副主席) ， 1 9 7 6 年提出了扩大普通集合论仿真可能性，使得能描绘集合本身和它的组成元 素的性质的思想。随后这个思想被用于研制开发对象仿真的分层递阶系统，在 这个研究过程中于1 9 8 8 年产生了多色图的概念，于1 9 9 5 年产生了多色集合的概 念。于2 0 0 0 年提出了多色集合的体系结构15 1 。该系统理论方法已被确立为前 苏联国际标准，在前苏联企业界，特别在航空企业中获得了应用。前苏联解体 后的几年内，由于对外贸易的需求，该理论方法的应用范围更加广泛了。 1 3 2 3 存在问题 图1 3 为再制造设计所面向的再制造全过程，其中每一阶段的再制造设计均 有具体技术作为支撑。从图中可知，再制造加工阶段的设计最为重要，也最为 复杂，关系到再制造产品的质量。虽然国内研究已经意识到再制造工艺技术设 计的重要性，也对其进行了理论上的分析【9 1 。但就具体的生产，此类的研究为一 片空白。 在产品再制造信息模型建立的时候，存在的最大问题主要为： ( 1 ) 建立统一的零件再制造的信息模型 第1 章绪论 要实现零件再制造的信息化，实现c a d c a m 集成的一个关键和核心就是信 息建模，并行c a d c a m 集成需要一个包含零件全生命周期各阶段信息的零件模 型。 报废零件的再制造性 的不确定、再制造毛坯数 量的不确定性、再制造零 件的终端报废状态不一， 再制造零件的这些特点都 加大了零件再制造的难 度。要对零件进行再制造， 就必须尽可能多的掌握零 件的再制造信息。在零件 再制造信息化的过程中， 建立满足再制造的要求 的，全面描述零件再制造 信息的统一信息模型将至 关重要。 ( 2 ) 如何完成动态实 时的方案选择 每个零件的使用情况 的特殊性决定了每个零件 的加工方案不同；除此之 图1 3 面向再制造全过程的再制造设计 外随着j j h - r - 的进行，由于废旧零件再一次损坏、加工前未察觉的状况、进一步 加工的不可行性都有可能导致原有的j 口- v 方案需要重新选择。一种生产方案无 法保证使用于再制造的全过程。由于零件再制造的特殊性，现有的工艺决策方 法多无法完全的满足零件再制造的需求。那么如何及时选择最优j h - r 方案，也 是研究的主要问题。 1 2 第1 章绪论 1 4 论文课题研究的意义和创新性 1 4 1 理论价值 ( 1 ) 由于我国自然资源并不丰富，人均资源更少，面对经济高速发展，对 资源的大量消耗和报废产品不断增加，造成对环境的巨大压力。因此提倡产品 的绿色设计和制造，发展绿色产业就显得十分重要。其中发展绿色再制造工程 具有特别重要意义。再制造工程的技术设计是再制造学科框架中的重要组成部 分。但是目前的研究尚属空白，对其进行研究将进一步完善再制造工程的学科 理论体系，对再制造工程的发展做出巨大的贡献。 信息集成是实现各种先进制造系统集成的首要前提，实现信息集成的一个 基本手段就是建立产品信息模型。由于再制造加工的特殊性，对再制造产品的 信息模型提出了更高的要求。对再制造信息的建模研究将是实现再制造产品设 计、工艺规划和生产加工的关键问题。对再制造工程体系的发展有深远的意义。 ( 2 ) 发动机再制造工程【坨】的加工对象为使用过的废旧发动机。每个零件使 用情况的特殊性决定了每个零件的加工方案不同。除此之外随着加工的进行， 由于废旧零件再一次损坏、加工前未察觉的状况、进一步加工的不可行性都有 可能导致原有的加工方案需要重新选择。一种生产方案无法保证使用于再制造 的全过程。那么如何及时选择最优加工方案，将是发展再制造工程过程中需要 解决的主要问题。 同时因为再制造行业作为一个新兴产业，可供加工过程中参考的案例和经验 非常有限。因此，寻求一种新的理论方法解决产品再制造方案获取的问题，成 了再制造行业研究的重要问题。本文将具体研究如何应用多色集合理论制定发 动机零部件的再制造加工的多工序方案，为再制造加工的发展提供一种新的思 路。 1 4 2 经济影响 在经济全球化蓬勃发展的今天，我国面临进入w t o 新的经济发展的机遇 和挑战。在这股全球性的“绿色浪潮下，我国的传统制造业所面临的形势严峻。 发展再制造产业是应付这种挑战的一种有效手段。使用再制造产品将使制造业 1 3 第1 章绪论 降低成本、节约资源、减少污染，是提高产品竞争能力的重要途径。与此同时随 着产品更新换代和企业重组，我国数十年建设所积累的价值数万亿元的设备、 设施，正在经历着或面临着改造更新的过程，尤其是我国7 0 代末以来引进的大 量成套设备性能已显落后并逐年面临着到寿、报废的问题口。再制造工程不仅 可以延长现役设备的使用寿命，最大限度发挥设备的潜力，也能够对设备及时 进行技术改造、整体翻新，赋予旧设备更多的高新技术含量，使其赶上时代前 进的步伐。并能以最少的投入而获得最大的经济效益。 通过进行正确的再制造特性评价，可以根据不同的零件特点，对再制造的 经济性进行预算，对环保、资源的影响程度进行评估，并对具体的技术单元进 行确定，从而形成废旧资源的最优化再制造方案，实现再制造全过程中资源回 收最大化、生态污染最小化、再制造产品最优化的目的，为废旧零件的再制造 利用提供科学依据，保证生产的安全有效的进行。 如何在再制造生产中较好的解决再制造零件不确定性的问题，是发展再制 造工程所要解决的首要难题。多色集合本身便是一个递阶系统，它能够方便的 描绘出产品功能方法之间的层次关系。同时实时的方案选取正是满足了产品的 个性化的需求。根据零件自身的特征寻找出最适合的一套方案，减少了不必要 的损失和加工失误，同时保证了生产加工的准确性和加工效率。 1 4 3 创新性 本论文分析了零件再制造过程中所需要的重要信息后，根据再制造工程信 息化建设的要求、和零件再制造信息的特点，建立的零件再制造信息模型。这 一研究为零件再制造工程提供了统一的信息模型，弥补了现在再制造发展中的 空白，满足了再制造信息化的要求，并为其后续的研究提供信息基础。 采用多色集合这一全新的理论进行零件再制造工艺决策，对再制造的加工 过程进行仿真。为再制造加工的有效进行提供了保障。也为再制造业信息化建 设提出一种新的思路。 1 5 论文课题研究的技术路线 为了使课题从设计实施到完成各技术环节能够很好的实施，我们必须制 1 4 第1 章绪论 定优越的技术路线来指导我们的进程。针对本课题的基本情况，制定以下的技 术路线： ( 1 ) 归纳发动机零件再制造信息 建立统一的信息模型首先需要的就是对零件再制造过程中的所需信息进行 总结。产品再制造涉及产品的拆卸、零部件的再利用、材料回收等过程。回收 来的零件性能状况千差万别，导致每个零件的再制造过程上的差异。显然，对 废旧零件相关信息掌握得多，才能更好的指导零件的再制造。在发动机零件再 制造过程中，对方案选取影响最大的就是零件的失效形式，因此我们的首要问 题就是整理发动机主要零件的失效信息，为信息模型的建立做好准备。 ( 2 ) 整理发动机零部件的再制造工艺方法 目前对发动机零件的再制造工艺已经有了一些研究。然而再制造零件的不确 定性使得每一个零件都有其特殊性，有其加工方法也不相同。在进行工艺决策 之前，我们需要整理发动机主要零件不同失效情况下的再制造工艺。这些工艺 方法是我们进行方案选取的基础。 ( 3 ) 建立发动机零件信息模型 要实现产品再制造的信息化，就必须建立适用于再制造过程中不同阶段的统 一信息模型。在分析常见的零件信息描述形式的基础上，根据再制造零件的特 点，选择基于特征的产品模型对零件信息进行描述。并在此基础上，运用多色 集合理论，采用统一的形式建立数学模型描述。使得信息的表达、存储及运算 都达到统一，能直接用于零件再制造的其他系统。建立信息模型是本课题的研 究重点之一。 ( 4 ) 发动机零件再制造加工工艺方案规划研究 根据每一个发动机零件的特点，选择最适合的再制造加工工艺方案，是再 制造工艺设计最主要的内容，也是本课题的研究重点。其中工艺决策方法的选 择是关键。零件再制造的特点决定了再制造加工的特殊性，在分析传统的工艺 决策方法的基础上，采用多色集合理论完成发动机零件再制造加工工艺方案的 规划。 ( 5 ) 基于多色集合理论的方案选取系统设计 基于v c + + 平台完成系统软件的设计与开发。系统的主要功能就是用户完 成功能需求分析后，将信息输入计算机，计算机将根据基础信息中的信息进行 基于多色集合理论的推理，直到最后给出满足功能需求的方案集。 1 5 第1 章绪论 1 6 论文结构 零件使用状况的不确定性，决定了每一件零件都有着其特殊的产品属性。 要实现再制造工程的发展，实现再制造的信息化，建立一个统一的零件信息模 型是要解决的首要问题。同时由于加工对象不确定的特点，如何选择最优化的 加工工艺方案成为了再制造生产发展中的一个关键而又复杂的问题。 本论文将以废旧发动机零件为研究对象，建立统一的零件信息模型，为再 制造工程体系的研究奠定基础；利用多色集合理论建立零件再制造加工的仿真 模型，完成零件再制造方案的获取；并以v c + + 6 0 为平台，完成算法的编制， 完成仿真系统的开发。 全文主要由五部分组成： 第一章绪论，即本章。从论文课题的研究的目标、意义以及国内为相关学 科领域的研究现状，阐述本论文课题的研究的背景及依据，对论文课题的研究 内容和研究手段做出了简单的介绍。 第二章发动机零件再制造信息模型研究。对零件信息建模方法进行概述， 研究再制造过程中的所需的信息，归纳发动机零件实效信息，完成基于特征和 基于多色集合理论的发动机零件再制造信息模型的建立。 第三章基于多色集合理论的零件再制造加工工艺方案规划。阐述现有工艺 决策方法，根据再制造加工的特点，采用多色集合理论，建立基于多色集合的 再制造加工模型，并根据算法，完成零件加工工艺方案的获取。 第四章系统设计与实现。定义零件再制造方案获取仿真系统的功能目标、 性能要求，由发动机零件再制造信息模型和再制造加工模型，构建系统体系结 构，分析其工作流程，建立方案获取算法，完成方案获取。 第五章结论与展望。分析总结系统开发过程中的成果及存在的不足，确定 研究今后的研究方向和重点。 1 7 本章小结 本章分析了课题研究的目标，并从两个方面分析研究的意义；介绍了课题 研究的背景，及国内外再制造研究所存在的不足；根据目前的研究状况，制定 了课题研究的主攻方向并详细制定了技术路线，最后总结了本论文的总体结构。 1 6 第2 章发动机零件再制造信息模型研究 第2 章发动机零件再制造信息模型研究 2 1 发动机零件再制造信息 2 1 1 发动机零件再制造信息分类 要实现再制造工程的信息化，建立统一的零件再制造信息模型，首先必须 了解再制造过程中所需的重要信息。 发动机再制造涉及零部件的拆卸、零部件的再利用、材料回收等过程。回 收来的零件性能状况千差万别，导致每个零件的再制造过程上的差异。例如， 有的零件性能良好，可以整个零件再利用：有的零件损坏腐蚀严重，再制造的 价值小；甚至还有些零件，其再制造成本很高，再制造商没有利益可图。从再 制造的经济利益上考虑，回收的零件有不同的再制造策略，即再制造与当垃圾 处置。如果废旧零件再制造的成本高于收益，则当作垃圾处置；只有在再制造 成本小于收益时，才被再制造。而实际上，零件的再制造效益通常在零件再制 造完成后才清楚。所以，一般是根据经验来判断。显然，对废旧零件相关信息 掌握得多，就能比较准确评估零件的再制造效率与效益。 归纳起来，如下信息对零件再制造影响较大： ( 1 ) 零件基本信息：如零件名称、制造商、部件供应商、制造日期、产品 的基本结构、商标等。这些信息有利于采购合适的备用零部件，同时也有利 于对再制造零件的进行分类以进行规模生产。 ( 2 ) 零件全生命周期信息：如零件的使用时间、使用频率、工作的环境状 况、承受的机械冲击、电压电流、过载以及维修情况。这些信息有利于决定零 件残余寿命，判定零部件