符杰 ，周自強(qiáng) ， 翟棒棒

（1.江蘇華宏科技股份有限公司，江蘇江陰215021；2.常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常熟215500 3.江蘇省機(jī)電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常熟215500）

基于DBOM的廢舊產(chǎn)品可拆卸模型研究

符杰1，3，周自強(qiáng)2，3， 翟棒棒3

（1.江蘇華宏科技股份有限公司，江蘇江陰215021；2.常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常熟215500 3.江蘇省機(jī)電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常熟215500）

針對廢舊產(chǎn)品拆卸序列規(guī)劃的要求，首先需要對廢舊產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行建模，才能正確求解可行的拆解序列。目前常用的可拆卸模型以零部件的幾何特征為依據(jù)，忽視了零部件的材料屬性。提出一種結(jié)合幾何屬性和材料屬性的DBOM可拆卸模型，該方法可通過產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模型來直接生成，并且有助于拆卸序列的求解能綜合考慮零部件的處理方式。

廢舊產(chǎn)品；拆卸序列；可拆卸模型

研究機(jī)電產(chǎn)品的拆解回收，首先必須解決產(chǎn)品零部件的拆卸路徑規(guī)劃問題。目前研究人員大多數(shù)也都是專注于產(chǎn)品拆解序列的研究，構(gòu)建了各種拆卸模型，如無向圖、有向圖、與或圖、混合圖、petri網(wǎng)等拆卸模型。這些方法在零部件數(shù)量較少時(shí)，一般適用性良好，而當(dāng)零部件達(dá)到20及以上時(shí)，則會出現(xiàn)“組合爆炸”現(xiàn)象，難以良好應(yīng)用。

一些研究者基于分層及模塊化思想，構(gòu)造了拆卸模型，以降低拆卸模型構(gòu)造的難度，簡化拆卸。姚麗英[1]通過與無向圖的比較，提出了基于無向圖層次結(jié)構(gòu)圖模型，基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析制定了序列規(guī)劃規(guī)則，但是規(guī)則主要依賴人工判定，可操作性較差。張廷凱[2]提出了機(jī)電產(chǎn)品的分層樹狀模型，但是所建立的模型簡單理想化，實(shí)際應(yīng)用很困難。周喜梅[3]提出了基于模塊化的拆卸回收模型，完全拆卸時(shí)效果良好，目標(biāo)拆卸時(shí)則難以使用。郭偉祥[4]構(gòu)造了產(chǎn)品的層次網(wǎng)絡(luò)圖，并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，但是模型對于目標(biāo)拆卸同樣缺乏周詳考慮。

基于產(chǎn)品 DBOM（Disassembly Bill of Material），結(jié)合廢舊產(chǎn)品的零部件材料屬性和幾何特征關(guān)系來表述其拆解模型。在求解拆解序列時(shí)，也能通過父子節(jié)點(diǎn)的使用和操作，適用于產(chǎn)品完全拆卸和目標(biāo)拆卸序列生成，方法簡便效率。

1 基于DBOM的可拆卸模型

基于DBOM的可拆卸模型是以產(chǎn)品的物料清單為基礎(chǔ)來建立的，物料清單BOM（Bill of Material指的是構(gòu)成產(chǎn)品或部件的物料項(xiàng)清單，同時(shí)包括零部件的結(jié)構(gòu)關(guān)系。按照功能可以劃分為設(shè)計(jì)BOM、工藝BOM、制造BOM等。文中所提出的DBOM，是從產(chǎn)品拆卸的角度來分析零部件之間的從屬關(guān)系，以及基于零部件材料屬性和聯(lián)接關(guān)系的拆解處理信息，如可再用的零部件、可材料回收的零部件等。

DBOM呈現(xiàn)一種樹狀結(jié)構(gòu)，表示產(chǎn)品、部件和零件從屬關(guān)系。從產(chǎn)品拆卸的角度，在產(chǎn)品BOM的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要構(gòu)建產(chǎn)品的拆卸結(jié)構(gòu)樹如圖1，產(chǎn)品0由部件1、部件2和零件3組成，部件1由零件4和零件5構(gòu)成，部件2由零件6，7，8構(gòu)成。圖1中方塊都稱為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)表示產(chǎn)品、裝配體、部件或零件，若一個(gè)節(jié)點(diǎn)包含另一節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)稱為父節(jié)點(diǎn)，另一節(jié)點(diǎn)稱為子節(jié)點(diǎn)。如圖1中節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2是產(chǎn)品0子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)節(jié)點(diǎn)1也是節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)5的父節(jié)點(diǎn)。此外，產(chǎn)品處于結(jié)構(gòu)樹的最上層因而稱為根節(jié)點(diǎn)，沒有子節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)稱為葉節(jié)點(diǎn)。

圖1 產(chǎn)品拆卸結(jié)構(gòu)樹

對可以節(jié)點(diǎn)進(jìn)行刪除和打斷操作，刪除葉節(jié)點(diǎn)直接刪除即可，刪除非葉節(jié)點(diǎn)（根節(jié)點(diǎn)不可刪除）則其子節(jié)點(diǎn)代替被刪除節(jié)點(diǎn)；打斷節(jié)點(diǎn)則刪除節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)及至最底層所有節(jié)點(diǎn)。

在拆卸時(shí)若能把裝配體先從產(chǎn)品上拆卸下來，再進(jìn)行進(jìn)一步拆解，有助于提高效率。因而在拆卸結(jié)構(gòu)樹構(gòu)建時(shí)應(yīng)盡可能合理構(gòu)建父子關(guān)系。產(chǎn)品經(jīng)層次模塊劃分后的零部件之間存在優(yōu)先約束關(guān)系。約束是指零部件之間的空間制約關(guān)系[5]，若產(chǎn)品中零件A對零件B的拆除形成空間制約關(guān)系，則零件B必須在拆除零件A后才能拆卸，即零件A優(yōu)先于零件B。拆卸路徑規(guī)劃要求，所劃分的裝配體與裝配體之間的約束不能相互交叉，即BOM的構(gòu)建時(shí)同一父節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)之間若存在約束關(guān)系必須是單向優(yōu)先約束關(guān)系。如圖1，若節(jié)點(diǎn)2的子節(jié)點(diǎn)6優(yōu)先于節(jié)點(diǎn)1的子節(jié)點(diǎn)4，同時(shí)節(jié)點(diǎn)1的子節(jié)點(diǎn)5優(yōu)先于節(jié)點(diǎn)2的子節(jié)點(diǎn)7，則節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2交叉約束。此時(shí)，裝配體（節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2）的劃分是沒有意義的，因?yàn)樵谛蛄幸?guī)劃時(shí)，由于兩裝配體相互約束，無法給出拆卸先后順序，這一點(diǎn)，目前研究如文獻(xiàn)［3，4］等都沒有充分考慮到。

產(chǎn)品中零部件之間的優(yōu)先約束關(guān)系可以用優(yōu)先約束矩陣來表示。優(yōu)先約束關(guān)系矩陣Mp中，若零部件i拆卸完成后，零部件j才能拆卸，則零部件i優(yōu)先于零部件 j，相應(yīng)的矩陣 Mp中 Ai，j=1，否則 Ai，j=0，特別需指出 i=j時(shí)，Ai，j=0。

同時(shí)，選定一個(gè)零部件作為基礎(chǔ)件，基礎(chǔ)件的選定如文獻(xiàn)［1］所述一般為最先進(jìn)入裝配現(xiàn)場的零件，且多為與其他零件連接最多的零件，所以，定義基礎(chǔ)件的優(yōu)先級最低。優(yōu)先約束具有傳導(dǎo)性，即節(jié)點(diǎn)A優(yōu)先于B，B優(yōu)先于C，則A優(yōu)先于C。

2 基于DBOM模型的拆卸序列規(guī)劃

同樣，首先構(gòu)造產(chǎn)品的拆卸結(jié)構(gòu)樹，并標(biāo)注可以整體拆卸的節(jié)點(diǎn)（葉節(jié)點(diǎn)除外），然后建立產(chǎn)品各層節(jié)點(diǎn)優(yōu)先約束矩陣及所有葉節(jié)點(diǎn)優(yōu)先約束矩陣。選定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)后，所構(gòu)造產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹不可避免地存在一些非葉節(jié)點(diǎn)優(yōu)先約束目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，之前的模塊化拆卸研究都是把這些非葉節(jié)點(diǎn)所代表的裝配體拆除，把不必要拆卸的節(jié)點(diǎn)規(guī)劃到拆卸序列中，造成拆卸冗余。在生成目標(biāo)拆卸序列時(shí)，通過對節(jié)點(diǎn)的操作取消這部分裝配體劃分，兼顧了效率和實(shí)用性。

目標(biāo)拆卸算法如圖2所示。

圖2 目標(biāo)序列生成流程圖

Step1：在產(chǎn)品拆卸結(jié)構(gòu)樹中搜索目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（初始值為實(shí)際要拆的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)）的父節(jié)點(diǎn)。

Step2：查詢判斷此時(shí)Step1中父節(jié)點(diǎn)是否可以整體拆卸，若標(biāo)注為可整體拆卸，則由人工決定是否執(zhí)行總體拆卸，若執(zhí)行則標(biāo)注節(jié)點(diǎn)總體拆卸。

Step3：查詢目標(biāo)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先約束矩陣（父節(jié)點(diǎn)下各節(jié)點(diǎn)）。

Step4：判斷是否存在優(yōu)先節(jié)點(diǎn)，若不存在，則生成拆卸序列即直接拆除目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；若存在優(yōu)先節(jié)點(diǎn)，則在產(chǎn)品拆卸結(jié)構(gòu)樹中查詢優(yōu)先節(jié)點(diǎn)是否為葉節(jié)點(diǎn)，若是葉節(jié)點(diǎn)則依據(jù)優(yōu)先關(guān)系生成拆卸序列，否則刪除優(yōu)先節(jié)點(diǎn)并打斷父節(jié)點(diǎn)下對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)無優(yōu)先約束關(guān)系的節(jié)點(diǎn)，然后跳入Step3。

Step5：將Step1中目標(biāo)節(jié)點(diǎn)值置為其父節(jié)點(diǎn)，若目標(biāo)節(jié)點(diǎn)不是第一層節(jié)點(diǎn)，跳入Step1；否則，疊加生成最終目標(biāo)拆卸序列，結(jié)束。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

這里以廢舊計(jì)算機(jī)中光驅(qū)的拆解為例進(jìn)行分析。對于具有外殼的產(chǎn)品，要拆內(nèi)部零部件，都要先拆開產(chǎn)品外殼，即外殼零件的優(yōu)先級一般最高。光驅(qū)零件圖如圖3所示，光驅(qū)由1外殼、2讀取模塊、3加載模塊和4主體支架構(gòu)成。1外殼又由5上蓋、6下蓋、7前面板、8托盤支架頭構(gòu)成；2讀取模塊由9激光頭支架、10鐵絲架、11光盤驅(qū)動電機(jī)、12激光頭組件、13進(jìn)給電機(jī)、14導(dǎo)軌構(gòu)成；3加載模塊由15加載電機(jī)、16皮帶輪、17皮帶、18導(dǎo)桿、19齒輪、20半弧卡、21電路板、22光盤托架、23激光頭框架構(gòu)成。在目標(biāo)拆卸模式下，拆卸時(shí)1外殼雖然優(yōu)先于2讀取模塊、3加載模塊和4主體支架，但是實(shí)際上并不需要全部拆除1外殼，只需拆卸所需方向的1外殼中部分零件即可。

圖3 明基（BenQ）DD185G DVD光驅(qū)零件圖

基于BOM劃分裝配體時(shí)，主要存在兩種情況：（1）裝配體可以從基礎(chǔ)件上整體拆除，比如圖3所示光驅(qū)的2讀取模塊、減速箱中軸與其上齒輪所構(gòu)成的裝配體；（2）裝配體不能從基礎(chǔ)件上整體拆除光驅(qū)的3加載模塊。在第一種情況下，若是完全拆解產(chǎn)品，考慮到從產(chǎn)品拆卸下來后，再進(jìn)行拆解更為效率，所以可以整體拆除的裝配體顯然是先行整體拆除。而在目標(biāo)拆卸時(shí)，顯然存在兩種拆卸選擇需要進(jìn)一步判別。

裝配體兩兩之間的優(yōu)先約束關(guān)系，一類是裝配體1中的任意一個(gè)零件都優(yōu)先于裝配體2中所有零件；還有一類，裝配體1中部分零件優(yōu)先于裝配體2中的部分或全部零件。在第二類情況下，若要拆卸裝配體2中的某個(gè)零件，優(yōu)先約束關(guān)系要求拆除裝配體1后再拆卸裝配體2中的目標(biāo)零件，而實(shí)際上裝配體1中只有部分零件優(yōu)先于目標(biāo)零件需要拆除（也可能裝配體1中沒有優(yōu)先于目標(biāo)零件的零件），這樣拆卸顯然存在冗余，目前的研究模型通過劃分裝配體（或稱模塊）試圖解決由于零件數(shù)目過多而造成的組合爆炸問題，但是對于拆卸冗余普遍沒有考慮，顯然與實(shí)際不相符合。

基于上述分析，根據(jù)BOM劃分裝配體時(shí)，除外殼和基礎(chǔ)件外，最大可能使裝配體之間不存在優(yōu)先約束關(guān)系，否則裝配體中的任意一個(gè)零件都優(yōu)先于另一裝配體中所有零件為佳。如果裝配體可以整體拆除，則需人工或比較規(guī)則判定整體拆除或是直接拆卸目標(biāo)零部件。

3.2 完全拆卸序列生成

首先構(gòu)造產(chǎn)品的拆卸結(jié)構(gòu)樹，并標(biāo)注可以整體拆卸的節(jié)點(diǎn)（葉節(jié)點(diǎn)除外），然后建立產(chǎn)品各層節(jié)點(diǎn)優(yōu)先約束矩陣。根據(jù)產(chǎn)品第一層節(jié)點(diǎn)優(yōu)先約束矩陣生成第一層節(jié)點(diǎn)的拆卸序列，再根據(jù)第一層每個(gè)節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)優(yōu)先約束矩陣生成子節(jié)點(diǎn)的拆卸序列，以此類推，由上至下進(jìn)行疊加可得產(chǎn)品的完全拆卸序列。此外，若節(jié)點(diǎn)可以整體拆卸，則標(biāo)注節(jié)點(diǎn)整體拆卸。

對上述光驅(qū)進(jìn)行完全拆卸，首先構(gòu)造光驅(qū)拆卸結(jié)構(gòu)樹如圖4所示（其中節(jié)點(diǎn)4為指定的基礎(chǔ)件，節(jié)點(diǎn)2可整體拆卸），然后建立產(chǎn)品各層節(jié)點(diǎn)優(yōu)先約束矩陣（見圖5和圖6）。根據(jù)第一層節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先約束矩陣（圖5），按照優(yōu)先關(guān)系推理可得拆卸序列：（1—2—3—4）；（1—3—2—4）。然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)1的子節(jié)點(diǎn)優(yōu)先約束矩陣（見圖6第二行第二列），可得拆卸序列：（6—7—8—5）；（6—8—7—5）；（7—6—8—5）；（7—8—6—5）；（8—7—6—5）；（8—6—7—5）。節(jié)點(diǎn) 2、節(jié)點(diǎn) 3 各自子節(jié)點(diǎn)的拆卸序列同理可以得到，并且節(jié)點(diǎn)2整體拆卸后再執(zhí)行其子節(jié)點(diǎn)拆卸序列，最后疊加可得光驅(qū)的完全拆卸序列。

圖4 光驅(qū)拆卸結(jié)構(gòu)樹

圖5 光驅(qū)裝配體優(yōu)先約束矩陣

對于選擇性拆卸情況，即只拆除產(chǎn)品中的某個(gè)領(lǐng)域用于回收。對于上述廢舊光驅(qū)而言，在建立拆卸結(jié)構(gòu)樹之后，然后建立產(chǎn)品各層節(jié)點(diǎn)優(yōu)先約束矩陣及所有葉節(jié)點(diǎn)優(yōu)先約束矩陣。按照圖2所示流程圖，假設(shè)現(xiàn)在要拆卸光驅(qū)的12激光頭組件，則首先向上搜索光驅(qū)結(jié)構(gòu)樹，節(jié)點(diǎn)12的父節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)2，節(jié)點(diǎn)2可以整體拆卸，則把整體拆卸屬性信息記錄。查詢節(jié)點(diǎn)12在節(jié)點(diǎn)2下的優(yōu)先約束矩陣，節(jié)點(diǎn)10和14優(yōu)先于節(jié)點(diǎn)12，節(jié)點(diǎn)10和14是葉節(jié)點(diǎn)，生成拆卸序列為（10—12）；（14—12）。繼續(xù)向上搜索光驅(qū)結(jié)構(gòu)樹，節(jié)點(diǎn)2的父節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)0，搜索停止，節(jié)點(diǎn)0為產(chǎn)品不可整體拆卸。查詢節(jié)點(diǎn)2在節(jié)點(diǎn)0下的優(yōu)先約束矩陣，節(jié)點(diǎn)1優(yōu)先于節(jié)點(diǎn)2，節(jié)點(diǎn)1不是葉節(jié)點(diǎn)，以節(jié)點(diǎn)1的子節(jié)點(diǎn)取代節(jié)點(diǎn)1，以節(jié)點(diǎn)12取代節(jié)點(diǎn)2（無非優(yōu)先節(jié)點(diǎn)）構(gòu)成的即為5，6，7，8，12的優(yōu)先約束矩陣。節(jié)點(diǎn)5和7優(yōu)先于節(jié)點(diǎn)12，且節(jié)點(diǎn)5和7是葉節(jié)點(diǎn)，生成拆卸序列為（7—5—2）。最終序列即為（7—5—10—12）；（7—5—14—12）。

圖6 光驅(qū)零件優(yōu)先約束矩陣

4 結(jié)束語

相對于只考慮產(chǎn)品數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的可拆卸模型表示方法，基于DBOM的可拆卸模型兼顧了產(chǎn)品的零部件之間在空間上的優(yōu)先關(guān)系。使得廢舊產(chǎn)品的邏輯關(guān)系更加符合其實(shí)際結(jié)構(gòu)，據(jù)此生成的可拆卸序列在拆卸工藝規(guī)劃過程中的可操作性也更強(qiáng)。而且基于BOM的可拆卸模型，在生成拆卸序列時(shí)運(yùn)算次數(shù)較少。該方法對于解決復(fù)雜產(chǎn)品的拆卸序列時(shí)，如果結(jié)合智能優(yōu)化算法進(jìn)行求解，能夠更好地實(shí)現(xiàn)拆解工藝的優(yōu)化。

[1] 姚麗英，高建剛，段廣洪，等.基于分層結(jié)構(gòu)的拆卸序列規(guī)劃研究 [J].中國機(jī)械工程，2003，14(17)：1 516-1 519.

[2] 張廷凱，汪傳生.產(chǎn)品的分層結(jié)構(gòu)模型及其拆卸方法的研究[J].機(jī)械工程師，2005(2)：78-80.

[3] 周喜梅，鄭清春，郭津津，等.基于模塊化的拆卸模型及拆卸序列規(guī)劃研究[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，25(1)：26-28.

[4] 郭偉祥，劉志峰，劉光復(fù)，等.基于模塊化思想的拆卸序列規(guī)劃[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2005，17(3)：498-504.

[5] 薛俊芳，邱長華，向東.在Pro/E中自動生成零件拆卸優(yōu)先約束矩陣[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2007(3)：24-29.

Research of disassembly model for end of life product based on DBOM

FU Jie1，3,ZHOU Ziqiang2，3,ZHAI Bangbang3
（1.Jiangsu Huahong Technology Stock Co.,Ltd.,Jiangyin 214423,China;2.School of Mechanic Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China;3.Jiangsu Key Laboratory of Recycling and Reuse Technology for Mechanical and Electronic Products,Changshu 215500,China）

As the disassembly model with priority matrix based on BOM is proposed,the disassembly sequence could be generated.It solved the combinatorial explosion problem caused by BOM,and the disassembly BOM is adjusted with need,in the meantime the disassembly redundancy problem was solved,which is caused by the division of the assembly with alternative disassembly planning.

end of life product;priority matrix;disassembly sequence

2017－10－19）

X705；TP391

A

1674-0912（2017）12-0025-04

江蘇省科技支撐計(jì)劃（工業(yè)部分）項(xiàng)目資助（BE2013060）

符杰（1982-），男，江蘇無錫人，碩士，工程師，研究方向：智能制造、優(yōu)化設(shè)計(jì)。