面向再制造的数控机床绿色模块划分方法

面向再制造的数控机床绿色模块划分方法张芹1何彦虎1潘金龙2(1.湖州职业技术学院机电与汽车工程学院，湖州313000; 2.上海航天动力技术研宄所，上海201109)摘要：为解决退役机床再制造过程中存在的技术、经济、环境问题，提出了面向再制造数控机床绿色模块 化设计方法。

综合考虑再制造难度、经济成本、环境等方面影响因素，对数控机床零部件相关性进行分析，建立 数控机床零部件间模糊关联矩阵。

运用模糊动态聚类，实现数控机床模块划分。

在分析影响数控机床再制造因素 的基础上，建立拆卸复杂度、模块内零部件关联度、模块间关联度三个评价指标，进而确定最.优模块划分方案。

最后，通过实例验证了论文提出数控机床模块划分方法的可行性。

关键词：数控机床再制造模块划分方案评价引言模块化设计通过研宄如何构建模块，以实现快速设计、 生产、制造，有效提高效率、降低成本。

绿色模块化设计 问题成为国内外研究热点[1]。

唐涛等[2]在模块设计的基础 上综合考虑绿色设计，制定了相关绿色模块划分准则，实 现了模块划分；戚赞徽等[3]通过研宄产品生命周期各阶段 能量消耗问题，从能量优化角度出发，研宄产品零部件间组 合设计；吴小艳等[4]综合考虑再制造因素，研宄了绿色模 块化设计步骤；刘涛等B]针对产品全生命周期过程主动再 制造所存在的模块化问题，研宄了主动再制造背景下复杂机 电产品的模块划分准则；Fumihika Ishi等[6~7]基于绿色设 计思想，综合考虑零部件重用影响因素以及回收影响因素， 构建绿色模块。

目前，针对数控机床模块化设计的研宄微乎 其微，少有文献从绿色的角度对数控机床的再制造进行模块 化设计研宄。

因此，本文从利于退役机床拆卸、回收等再 制造处理角度，综合考虑减少环境污染、提高经济效益等 影响因素，研宄再制造前提下数控机床绿色模块划分方法。

1面向再制造数控机床模块化设计的提出综合分析影响退役机床再制造的因素，从提高再制造性 的角度出发，提出面向绿色再制造的数控机床模块划分的目以重复利用。

因此，将拥有相似使用寿命的零部件组成同 一模块，便于再制造过程中对于由于寿命终结而报废的模 块进行整体废弃，减少进一步再制造加工处理等工作，有 利于产品模块再制造处理的决策，并可以降低再制造处理 过程所产生的碳排放量和成本。

设vmi,分别为零部件i, j的使用寿命，则i, j 使用寿命相关性计算如下：2.1.2拆卸相关拆卸是废旧零部件通过再制造得到重新利用的基础。

经过拆卸得到的零部件通过清洗、检测、修复等，可得到 重新利用。

因此，为便于数控机床再制造，减少零部件间 的拆卸复杂度，应将具有较强拆卸相关性的零部件划分到 同一模块，以减少模块间的接口数，降低由拆卸引起的零 部件损坏程度、减少拆卸成本、提高拆卸效率。

经分析可知， 零部件间的拆卸复杂度主要由连接接口的强弱和数量决定。

设Xh 为零部件间第h 个连接方式的强度系数，C P (i, j)为 零件i,j 间的连接接口数目，则零部件间的拆卸关系相关 性计算如下：标是使退役机床具有良好的经济性和环境友好性，且易拆卸、 装配、修复、升级。

以上可归纳总结为：（1)减少再制造成本， 提高其重用价值；（2)减少碳排放量，一方面减小对环境 的危害，另一方面减少对环境处理所耗费的成本；（3)易 于拆卸、装配，减少人力、物力等资源的消耗。

2数控机床零部件相关性分析再制造使退役数控机床零部件生命得以延续，从而进 入新的生命周期。

因此，论文从开发、制造、应用、回收 等数控机床生命周期各个阶段，综合考虑面向绿色再制造 的数控机床模块划分准则，以提高数控机床的可再制造度。

具体的，数控机床零部件间相关性分析如下。

ZX,C P (ij)C P (U )(2)2.1.3材料相关若相邻零部件间材料不相容，无疑会提高拆卸复杂度， 导致拆卸过程中损坏零部件，降低零部件的重用度，从而使 废旧零部件的再制造变得困难和复杂。

因此，应将具有相同 或相容材料的零件划分为同一模块，以有效降低拆卸复杂度, 减少碳排放量，便于模块内材料回收。

定义数控机床零部件 间材料的相关性因子为Z L u ，其具体数值如表1所示。

2.2碳排放相关性分析2.1再制造相关性分析 2.2.1使用碳排放相关性2.1.1使用寿命相关数控机床使用过程碳排放量较大。

为减少对环境的破退役机床零部件需经过拆卸、清洗和修复等，才能得坏，应将在使用阶段具有相近碳排放量的零部件划分为同基金项目：校级基金项目“绿色制造模式下数控机床模块化设计关键技术研究”（2016JC 05)a定义该阶段零件i 的碳排放量为T匕 接碳排放组成：rn .TPL =t X H d T Y e其由直接和间(3)这里，P丨和T丨为数控机床在第k 种使用状态的基础上 零件i 耗费的功率和相应运行时间；Ye为电耗的碳排放因 子[8]; k 所代表的3种使用状态为开启状态下正常运行、 开启状态未运行、未开启。

于是，则i，j 间的使用碳排放 相关性计算为：X ，77i )(4)max(r c ，r〇2.2.2拆卸碳排放相关零部件间的连接方式直接决定退役数控机床拆卸过程 中所耗费的能量[9]，也决定了解除这些连接所产生的碳排 放量。

零部件的拆卸是个复杂的过程，其过程中碳排放量 受连接方式、拆卸工具、拆卸时间、拆卸所耗费的能量等 因素影响。

以上影响因素无法量化，因此本文采用零部件 间连接类型的相对碳排放影响系数，间接描述拆卸连接的 碳排放量[1~。

通过分析影响拆卸连接类型的碳排放量的因 素，制定n 项相关评价准则，运用层次分析法量化连接类 型对碳排放的相对影响程度，如图1所示。

目标层准则层对象层图1相对碳排放影响度层次分析模型由以上分析结果可知，连接类型对零部件拆卸过程碳排放相关。

将具有相近碳排放影响系数的零部件组合为同 一模块，便于采取相关处理措施，减少碳排放。

零部件i，j 相关性计算如下：TC mmjPF ^PFj )(5)iJ ~ msixiPF ^PFj )一模块，以便集中对其进行变型设计和低碳设计，以满足 低碳需求。

表1零部件间材料相容指数零部件间材料相容指数零部件间材料相容指标0.9 〜1.0零部件间材料相同或极相容0.5 〜0.8零部件间材料相容性较好，使用一般的回收工艺0.2 〜0.4零部件间材料相容性一般，需借助较复杂的回收工艺0 〜0• 1零部件间材料极难相容P F i =Y ,TPmSm(6)式中，PFi为零件i 连接类型的相对碳排放影响系数； Sm S 零件第m 种连接方式的数目；n 为零件连接类型种类； TPm(m=l，2, . . .，k)为连接类型m 的相对碳排放影响系数。

2.2.3回收碳排放相关零部件的回收处理也需要耗费一定的能源、资源，并 具有一定的碳排放量，从而产生相应的回收成本。

因此， 零部件是重新制造还是经回收处理后重用，要视具体情况 而定。

这里，碳排放量应作为主要的决策指标之一。

若相 对碳排放量为负值，则零部件的回收重用对环境有利，且 绝对值越大对环境越有利。

因此，应将具有相近的相对碳排放量的零部件规划于相同模块。

对相对碳排放量为正值 或者绝对值较低的模块，需综合考虑其回收价值和碳排放 处理成本，可对该模块进行直接废弃处理，以减少再制造 处理过程。

综合考虑废旧零部件的各种回收方式，其中零 部件重用、材料回收、能量回收等三种回收方法具有碳排 放量。

设零件i 对应的三种回收方法的概率分别为hi， ^,^[3]，且0<^+^+^<1,则零件1回收处理阶段的碳排放1为：7； « -h \ [TC \ -TM \)-h \ [TC \ -TM \) + h \ • TM \(7)式中，TC}为零部件生产制造过程中产生的碳排放； TM!为退役零件经过再制造重新获得新的生命过程所产生的 碳排放量；TC丨为新零部件加工制造所需收集材料的碳排放 量；TM?为材料回收处理过程产生的碳排放量；TM?为能量 回收过程的碳排放量。

经分析可知，L 可能是正值也可能 是负值，需对其进行规范化处理：T：= 7；-min (7；)(8)z max (7])-min (7J )其中，1\为零部件i 回收处理阶段的碳排放值，min (Ti )为所有1\最小值，max (Ti )为所有中最大值。

零部件之间的回收碳排放相关计算如下：吨，芎）(9)max (7；’，7}')2.3经济相关性分析在产品的生命周期末端，废旧零部件是再制造重用还 是回收其材料，亦或是作废弃处理，都由其回收价值决定[5\ 将回收价值一致的数控机床零部件规划于同一模块，有利于在生命周期末端回收价值较高零部件，回收价值较低的 部分可不进行再制造处理，从而减少相应处理环节，提髙 回收效益。

定义零部件回收价值包括整体重用成本、材料再生成 本和废弃处理成本。

其中，零部件整体重用成本由其再制 造处理成本、重用价值、环保效益等组成；材料再生成本 由其再生处理成本、再生价值和相应的环保收益组成，具 体计算分析详见参考文献[4]。

设零件i 的重量为^，则其回收价值为：(1〇)碳排放连接类型相对碳排放影响度L 6铆接L 5卡扣L 4注塑L 3焊接L 2螺钉连接L 1螺栓连接定义零部件i，j 之间的经济相关性因子为：i X收，把回收)(i dm a x (回收，把回收)3数控机床绿色模块划分方法3.1构建零部件间综合相关矩阵综合考虑影响数控机床绿色再制造的因子，运用AHP求解以上提出的零部件间相关权重系数Wl〜w8。

通过加权求 和，可得零部件i，j 间综合相关因子为C R u ，如式（12) 所示，进而可获得产品零部件间综合相关矩阵CR，如式（13) 所示，其中n 为零部件个数。

CRi = |W lZ C /iJ + W 2ZCi ,j + W 3Zkj + WA TUi J + W 5-CRn CRnCIL , CIL 2CR = (CR u )nxn=<CRnl CRnl3.2基于传递闭包的模块划分为使矩阵C R 具有传递性，采用传递闭包方法进行相应 计算处理，求解得到模糊等价矩阵（CR)'因为不同阈值对 应不同截矩阵，因而可获得与A 值相对应的模块划分方案。

3.3模块划分结果的评价及阈值的合理性选择为合理选取最优方案，建立拆卸复杂度、模块内零部 件关联度、模块间关联度评价模型。

3.3.1拆卸复杂度拆卸是废旧数控机床通过再制造得到重新利用的基础。

经过拆卸得到的零部件，通过清洗、检测、修复等而得到 重新利用。

因此，在设计初期应该尽量减少零部件间拆卸 复杂度，以减少零部件的拆卸损坏，从而提高拆卸效率及 重用度，便于再制造。

定义拆卸复杂度由零部件间接口数 目和各连接接口的复杂度决定，具体表达为：^ W 6THi ,j + 4CRln CRn n(12)(13)Fc"n CP(i,j)n CP(i,j) 、Z Z A F {k ,i )'T ]{i J ,c )£ £ A F (k ,i )-T ](i ,j ,c )------In上« CP{i,j)n CP{i,j)(14)式中，K 为模块数目，n (i，j，C)为零件i，j 间第C 个 接口的重要度，C P (i，j)为零件i，j 间的连接接口数目， A F (k，i)为零件i 隶属模块k 的隶属度系数，且取值在0和 1之间。