・５５・ 基于软件的产品再制造技术应用研究 苏纯，章志荣 （常州工学院机电工程学院，江苏常州２１３００２）
摘要：在三维造型软件的辅助下，将面向拆卸的设计（Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ＤｉｓａｓｓｅＨ ｙ，ＤＦＤ）方法引入产品的设计过程中，建立产品的结构 层次模型 实现装配与拆卸的关系转换，改进零部件结构，仿真拆卸过程。同时设计了面向再制造的产品工程管理系统，并将其应 用于典型机电产品的再制造过程中。 关键词：再制造计算机辅助设计面向拆卸的设计（ＤＦＤ）工程管理系统 中图分类号：Ｔｍ２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：ｌ００２—６８８６（２０ｉｏ）ｏ１：－００５５，０３
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｒｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｏｆｔｕｒａｒａ ＳＵＣｈｕｎ，ＺＨＡＮＧＺｈｉｒｏｎｇ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｙ（ＤＦＤ）ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｕｒｓｅ．Ｔｈｅ ｊｏｂｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｒｅｅ— ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎ￣ｘｔｅｌｉｎｇ ｓｏｆｔｗａＦｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔ ｓｔｕｃｔｕｒｅ ｌｅｖｅｌ ｍｏｄｅｌｓ，ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｄｉａｇｒａｍ ｔｏ ｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｙ ｄｉａ— ｇｒａｍ，ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｓ，ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｙ．Ａｎ ｅｎｇｉｎｇｅｅｒｉｎｇ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ Ｗａｓ ｄｅｖｅｌ・ ｏｐｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｒｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅｍａｎｕｆ，ａｃｔｕｒｉｎｇ；ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ；ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｙ（ＤＦＤ）；ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｒｍ
再制造是绿色制造的重要组成，是维修的高技术发展，也 是实现绿色制造的重要技术手段和方法。再制造的重要特 征是再制造后的产品质量和性能达到或超过新品，成本和对 环境的不良影响显著降低。传统的装备全寿命周期是“研制 一使用一报废”，其物流是一个开环系统；而再制造装备的全 寿命周期是“研制一使用一报废一再生”，其物流是一个闭环 系统…。虽然再制造是在产品退役后或使用过程中进行的 活动，但再制造能否达到有效、经济、环保的要求，却首先取决 于产品设计中注入的再制造性。所以，必须把产品的再制造 设计与规划引入产品研制过程，特别是把再制造性纳入产品 研制系统工程中。 产品的拆卸与回收是再制造的基本环节，它可以为再制 造生产提供丰富的加工原材料，为制订再制造加工的生产工 艺及规模提供依据，属再制造生产过程中的基础性工作。本 研究在三维造型软件的辅助下，将面向拆卸的设计（ＤＦＤ）方 法引入产品的设计过程中，同时设计了面向再制造的产品工 程管理系统，并将其应用于典型机电产品的再制造过程中。 １基于三维造型软件的产品ＤＦＤ设计 ＤＦＤ要求在产品设计阶段将可拆卸性作为产品结构设 计的一个目标，使产品的连接结构易于制造、拆卸及维护，对 于制造成本高、革新周期长或使用寿命长的零部件可以考虑 拆卸后直接再利用，或者修复以后再利用。而对于原材料成 本高，单个零件的生产成本低，产品生命周期短时，通常可以 考虑材料拆卸后的回收。 １．１产品结构层次模型 产品的零件、部件之间的关系是有层次的，装配体可以 分解成若干个子装配体或零件，子装配体又可以进一步分解 成若干个子装配体或零件，由此表现出产品的层次性。要对 产品进行拆卸，首先要分析拆卸产品的结构层次关系，即将产 品的零部件按一定规律分成多个层次，组成一种多叉树形式 的层次结构，能清晰地表达产品的组成，便于进行产品任务规 划，如设计任务分解规划、装配规划、拆卸规划等。 层次模型与产品所固有的层次性特点相吻合，用层次化 结构表达产品对于可装配性和可拆卸性检查有很大优势。 如果采用三维造型软件实现产品的设计，其对应的零件树与 装配树可以清楚地表达产品的结构层次模型。 １．２装配与拆卸的关系转换 零件装配关系信息指零件间装配关系的有关信息，装配 关系有连接关系、接触关系等。这些信息对产品的拆卸过程 有很大的影响，因此根据不同的装配关系，可以用关联类型对 零件间的相互关系进行定义，即直接关联关系、间接关联关系 和自由关系。其中，直接关联关系指两零件问存在物理接触 关系。间接关系指当其中某一零件沿某一方向移动时，两零
作者简介：苏纯（１９７２一），女，江苏徐州人，副教授，硕士，主要研究方向ＣＡＤ／ＣＡＭ技术。 收稿日期－２００９—８—５
中国机械采购网 ・５６・ 件相互间有干涉。自由关系则指两零件实体问没有物理接 触关系，且当其中的一个零件沿某一方向移动时，另一零件对 其不产生干涉。在三维造型软件提供的虚拟装配环境中，可 以采用约束定义的方式完成产品装配信息的完全定义。 拆卸约束信息指拆卸某个零件时，该零件与其它零件之 间的约束信息，主要包括空间几何约束信息、工具夹约束等。 常见的四种装配关系在拆卸过程中可按语义表示的含义进 行装配与拆卸的关系转换，见表１所示。 表１ 装配关系的拆卸转换方法 配合关系符号表示 含义 拆卸方法 １．３零部件结构改进 合理的零部件结构应保证毫无损伤地拆下目标零部件 （要回收的材料及重用的零部件），这可通过选用易于接近并 分离的连接结构来实现。尽量减少零部件数量，可使产品材 料种类减少、结构简化，不但提高了拆卸回收效率，也降低了 产品的生产和装配费用。因此零部件的合并简化是面向 ＤＦＤ的零部件结构改进的重要手段 。 为了使零部件的合并简化促使产品回收价值的最大化， 在设计和生产时要遵循“同材同合”的原则，即相同材料的零 部件可进行结构合并，而不同材料的零部件一般不考虑进行 结构合并简化。有些零件为满足使用性能要求，在目前状况 下不得不采用不同材料组合，这样在设计时应从结构上考虑 其便于拆卸分离，便于以后的回收工作。目前的三维造型软 件大都采用了参数化等设计原理，可以快速修改零部件造型 的尺寸参数或实现交并差集合操作，因而为零部件的快速改 进设计提供了有力的支持。 １．４产品拆卸干涉验证和仿真 产品拆卸干涉验证和仿真是可拆卸性设计中的重要环 节。在产品的设计方案初步完成之后，对产品的拆卸性能进 行验证和仿真，可以帮助设计人员尽早发现设计中存在的问 题，减少由于设计失误而带来的不必要的损失。 通常可以把拆卸干涉分为接触干涉和非接触干涉。接 触干涉主要指由于产品零部件之间的相互配合约束而产生 的干涉；非接触干涉是指虽然零部件之间不存在直接的接触 配合，但是由于相关零部件位于被拆卸零部件的拆卸方向上， 从而产生的拆卸运动干涉。利用三维造型软件可以实现拆 卸的过程定义，自动生成拆卸仿真动画，并直观地实现干涉检 查。这种方法不仅避免了复杂的矢量计算，而且可以达到较 高的仿真精度。
２面向再制造的产品工程管理系统 面向再制造的产品工程管理系统用于企业对其特定产 品的制造与再制造生产资料进行配置和管理。该系统支持 企业工程部门根据已掌握的产品原始生产资料信息和ＤＦＤ 设计结果管理物料清单（Ｂｉｌｌｓ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ，ＢＯＭ）和货号清 单，可以自动生成货号清单查询报表、多层ＢＯＭ查询报表和 单层ＢＯＭ查询报表，从而帮助企业用户合理配置产品再制 造所需的生产资料，同时合理有序地管理整个再制造生产过 程中资源的配置。 ２．１系统的体系结构 设计该系统采用Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ作为开发工具，ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ 数据库作为后台数据库，系统的体系结构如图１所示。
图１面向再制造的产品工程管理系统的体系结构 系统提供货号清单管理和物料清单（ＢＯＭ）管理两项管 理功能。货号清单管理负责整个工程中的基础数据货号清 单表，该表中存储了货号的全部信息，任何调用货号的操作都 将通过该表查询完成。物料清单（ＢＯＭ）管理采用了层次法， 即在物料清单ＢＯＭ管理界面中选择添加父项时添加的只是 货号清单中的货号字段，而其他信息则将通过该字段查询获 取，而选择添加子项时，将父项信息从父项表中取出供子项选 择使用，这也是通过数据表中的数据传递来完成的。整个工 程管理系统内部模块间的数据传递都是通过数据表的综合 调用来实现的。 ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ数据库的最底层为数据库本身，用于存储货 号清单信息表、ＢＯＭ父项信息表和ＢＯＭ子项信息表等，这是 进行数据库操作的基础。紧接着是定义的与数据表相对应 的类，该类封装了数据表中的字段作为成员变量，而对数据表 的操作，如添加，修改和删除，则作为成员内涵处于类当中。 ・５７・ 这个对数据库表能进行操作的类就是应用程序与数据库表 的接口。再往上层，则是程序代码层，可以通过对类所声明的 对象进行数据库表的各种操作，而不用涉及数据库表的打开 关闭等操作 。最后通过数据控件显示得到的货号清单查 询报表、多层ＢＯＭ查询报表和单层ＢＯＭ查询报表。 ２．２系统的工作流程 进入面向再制造的产品工程管理系统后，设计人员可以 根据产品定制信息和前述ＤＦＤ设计结果信息通过系统交互 界面实现对货号清单和ＢＯＭ清单的管理，通过报表的自动 生成和格式化，可以更直观地查询工程生产中的数据，采购部 分也有进入工程管理系统的权限，从而实时查询资源配置，同 时将采购结果反馈，帮助工程部门合理安排资源。系统的工 作流程如图２所示。 图２系统的工作流程示意图 ３案例分析 江苏某机床公司是一 家大型的数控机床、组合 机床生产企业，对于售出 的产品，他们提供终身服 务。该企业将回收的报废 或淘汰机床投入了再制 造，达到了节约生产成本 并减少对环境的影响的目 的。为了提高报废产品的 回收利用率和对再制造生 产实时管理，可使用本文 提出的方法和工具。下面 以某组合机床主传动系统 的再制造为例进行说明。 由于组合机床主传动 系统以齿轮传动实现，所 包含的多个轴系部件之间 的拆分容易实现，因此可 以将其拆分为各轴系部件 进行再制造研究。现选取 输出轴系分析，首先利用 图３轴系三维装配图和爆炸视图 图４轴系层次结构图 ＵＧ／ＮＸ软件建立三维装配模型（图３），再利用本文前述方法 进行零部件层次划分，可以建立图４所示层次结构图。 接着进行装配与拆卸 转换，整体拆卸后再进行 细拆，最终得到轴系拆卸 模型如图５所示，由此可 以得出该输出轴系的拆卸 序列为：２—３—５—６—７— ８—９—１０—１１—４。通过分 析可以知道计算结果符合 图５轴系拆卸模型