基于Petri nets的再制造拆卸技術研究

胡世軍，李進，張紅香，李崇建，常迎杰

(蘭州理工大學 a. 數字制造技術與應用省部共建教育部重點實驗室， b. 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050)

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基于Petri nets的再制造拆卸技術研究

胡世軍a,b，李進a,b，張紅香a,b，李崇建a,b，常迎杰a,b

(蘭州理工大學 a. 數字制造技術與應用省部共建教育部重點實驗室， b. 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050)

摘要：拆卸技術是產品高效回收和再制造的重要前提，是再制造過程中的關鍵工序，它在很大程度上保證了新產品設計和廢舊產品再制造資源的最大化利用。通過對產品拆卸Petri網模型的建立，拆卸序列規劃，產品再制造拆卸評估方法的研究，利用Pro/E 4.0系統的客戶化開發工具包Pro/Toolkit進行UI對話框設計出了產品再制造拆卸仿真界面，在VS2005中編寫動作實現代C語言代碼，生成動態鏈接庫執行文件，在Pro/E中注冊運行，得到再制造拆卸仿真系統。

關鍵詞：再制造；拆卸；仿真；Petri網

0引言

再制造是指將廢舊機電產品運用高科技手段進行專業化修復或升級改造，使其品質和性能恢復甚至優于原產品的批量化制造過程。

無論是回收還是再制造，都涉及到對產品的零部件或者子裝配件不同程度的拆卸，同時產品拆卸也是綠色設計一個重要組成部分和產品生命周期中的關鍵環節。

再制造拆卸是指將廢舊產品及其部件有規律的按順序分解成零部件，并保證在執行過程中最大化預防零部件性能進一步損壞的過程[1]。在資源的最大化利用和自動拆卸以及產品再制造性能方面具有重要意義。對產品拆卸過程的規劃提取了零件最優拆卸順序從而提高拆解效率，降低生產成本，提高產品回收和再制造經濟效益和資源節約。

可拆卸性作為產品再制造性能的一個重要評價指標，通過對產品可拆卸性研究，可以實現產品高效率、低成本地進行組件、零件的目標拆卸或材料的分類拆卸，以便使廢舊產品充分有效地回收和重用，以達到節約資源和能源、保護環境的目的[2]。因此，無論是在產品設計之初，還是在產品的回收之后進行再利用，結合產品再制造拆卸各項評估準則以及產品拆卸序列優化方法，對產品的拆卸過程進行仿真，實現產品的動態、直觀、有序、高效的虛擬拆卸，這對產品可拆卸性設計和再制造具有重要輔助作用。

1再制造拆卸的基本內容和方法

產品的拆卸性設計總體主要由三維概念設計、拆卸建模、拆卸序列規劃、拆解回收評價、再制造性能評價這幾個模塊組成，其中以拆裝建模為基礎，以拆卸序列規劃和拆卸路徑規劃為設計過程的核心[3]。

1.1　三維概念設計

在產品三維模型設計階段，運用三維軟件對產品的結構(組件類型、連接方式等)，性質(材料信息、幾何信息等)和零件拆卸工具庫進行建模。

1.2　再制造拆卸模型和拆卸序列的生成

產品拆卸建模模塊，是再制造拆卸的基礎。模型建立的好壞直接影響后續工作的進行。目前比較常用的拆卸建模方法有基于圖論的無向圖，有向圖、AND/OR圖、Petri網法、層次分析法等。因為需要對零件的拆卸經濟性能、拆卸成本等因素進行考慮，PN (Petri nets)法可以較好地實現這一目標。

a) 產品拆卸Petri網模型概述

Petri[4]網主要是用于離散事件的建模與分析，它是由令牌(token)、庫所(Place)、變遷(Transitions)以及連接庫所和變遷的有向弧(Arcs)所構成的有向網絡圖。其中系統的狀態可以通過是否包含及包含多少個令牌來描述。在PN中，令牌用以表示在PN中運動的對象(對應于產品模型中待拆卸零部件)，用實心圓點表示；庫所代表等待處理的令牌所處的位置或狀態，用小圓圈表示；變遷表示一系列改變系統狀態的事件、動作，用小矩形表示；有向弧描述令牌在系統中運動的軌跡，用單向箭頭表示。具體示例見圖1。

圖1　駕駛室結構框架

根據Murata[5]所述PN被定義為一個五元數組，PN=(P,T,F,W,M0)。P={Pi}，是庫所的有限集，代表模型中零件所處位置或者所處狀態T={Tj}，是變遷的有限集，對應于拆卸動作和方式。P∩T=φ，P∪T>φ,F?{P×T}∪{T×P},表示庫所與變遷之間的有向關系流。F={1,2,...},是有向弧權重的集合，對應零部件的拆卸要求M0={0,1...}，是庫所的初始標識。對于一個簡單的PN(沒有自封閉環)來說，PN結構可以用矩陣A=[aij]來表示：

(1)

將Petri網理論應用到廢舊產品拆卸回收過程當中，結合零件的回收經濟效益和再制造性能建立拆卸Petri網(DPN)。對產品拆卸過程規劃進行研究，可以生成產品的經濟最優拆卸序列[6]。

b) 產品拆卸序列的生成

PN拆卸序列的生成技術路線如圖2所示。

圖2　PN拆卸序列的生成路線

拆卸優先矩陣(DPM)運用AND、OR和AND/OR關系在三維空間x、y、z方向上反映了產品內部各零件的連接和拆卸干涉關系。對于每一個零件i，在其可拆卸運動方向上的拆卸軌跡寬度與零件i的尺寸相關，那些位于或部分位于零件i可視拆卸軌跡上的零件都稱作零件i的干涉元素，根據各零件的干涉關系即可構建出拆卸優先矩陣B=[bi,j]，bi,j表示零件i與零件j發生拆卸干涉。具體干涉關系如式(2):

(2)

所有與i發生AND干涉關系的零件都必須先于i拆卸，在所有與i發生OR干涉關系的零件中至少有一個先于i拆卸，與其他零件均不干涉和易于損壞或具有危險性的零件應該首先進行拆解。根據拆卸優矩陣B，運用DPN運行規則，就可以得到具體的產品拆卸模型網路圖，再結合零件信息庫和經濟性拆卸方案對拆卸序列進行優化，得到拆卸序列簡化可達樹，最后遴選出經濟最優拆卸序列。

1.3　產品再制造拆卸性能評估

影響產品拆卸性能的主要因素，待拆卸零部件的數目，待查零件和連接在產品中所處的深度，各個零部件的連接數目、關系和狀態(決定是否需要破壞性拆解)，產品拆卸序列的優劣性(決定了拆卸的效率)，各個連接的拆卸工具、時間和費用等。

a) 可拆卸性評估指標

產品的可拆卸性體現再制造的效益和成本，評估產品的可拆卸性有利于與提高產品再制造的效率，降低生產成本。產品可拆卸性與產品的零件數目、相連接零件數目、零件間連接方式相關，其評估指標為：

(3)

b) 拆卸效率、費用評估指標

拆卸效率、拆卸經濟性是最能體現產品再制造初期的拆卸效率和經濟性。

E=Tsp·Ni/Tr

(4)

式中：E,拆卸效率;Tsp,單個零件理想拆卸時間;Ni,產品零件數；Tr,實際總拆卸時間。

Cp=Ti·Ni·Le/3600,μ=Cp/Cr

(5)

c) 拆卸環境性評估

產品在拆卸過程中會產生多種對環境有害的物質，要對每一種物質對環境的影響做出分析，需通過對不同類環境影響的具體數值進行量化，得出產品第i類環影響的排放值。

(6)

式中：n為產品排放的第i類環境影響物質總類數；Qj為第j類物質排放量，aj為第j類物質對環境的影響因子。通過對Ei值與參照產品排放值Er取比值，得到第i類環境影響無量綱指標EIi。

EIi=Ei/Er

(7)

最后用環境影響加權系數

Wi=(Ei-Er)/Er

(8)

對產品進行橫向類比，Wi越小，則表示該產品對環境的影響與參照產品越接近，其對環境的影響就越小。

d) 再制造拆卸的其他評估因素

影響產品再制造拆卸的因素很多，由于篇幅限制，以上只列舉其中最典型的幾個，其他諸如零件耐用性因素、回收價值性因素、技術性因素、零件互換性因素等均可在相關專業資料查詢。

2ProToolkit仿真系統對話框設計

在vs2005平臺下建立MFC DLL(動態鏈接庫)應用程序模式，并編寫實現對話框與用戶進行交互的C程序，編譯、連接后生成可執行程序，最后編寫注冊文件，在Pro/E中注冊運行，實現目標對象的拆卸仿真。

2.1　編寫信息資源文件和對話框資源文件

a) 信息資源編寫

文件信息由多個4行語句組成，每組代表一條信息，具體含義如下：

第1行是查詢某條信息的關鍵字。

第2行是所要顯示的內容，是一個格式控制語句。

第3行是該條信息的語言翻譯。

第4行為空，為以后功能擴展預留。

b) 對話框資源文件編寫

對話框資源文件描述了對話框的整體風格、控件的列表和屬性、控件的相互位置等特性。Pro/Toolkit提供了一個專門用來檢驗對話框資源文件編寫正確與否的工具，即prodialog_view.exe。對話框資源文件編寫好以后，直接拖進prodialog__view.exe文件，若無錯誤，則會顯示界面，若出錯，則顯示出錯的原因及位置。

2.2　Pro/Toolkit程序設計

要想實現對話框與用戶交互的功能，必須進行以下過程：

1) 讀取對話框資源文件，將對話框調入內存，此過程用到的函數是ProUIDialogCreate()。

2) 為對話框各控件指定行為函數，修改對話框及各控件屬性。

3) 顯示并激活對話框，接受用戶交互，此過程用到的函數是ProUIDialogActivate()。

4) 關閉對話框、釋放對話框所占內存，此過程用到的函數是ProUIDialogDestroy()。

以下是拆卸仿真中用到的幾個主要函數：

函數：ProAsmcomppathMdlGet(),根據裝配元件的路徑獲得其模型。

函數：ProAsmcomppathInit()，初始化零件在裝配體中的數據結構。

函數：ProAsmcomppathTrfGet()，讀取零件在裝配體中的位姿矩陣息。

函數：ProAsmcomppathTrfSet()，設置零件在裝配體中的位姿矩陣。

后兩個函數通過實時讀取和修改零件在裝配體中的位姿矩陣，實現零件在裝配體沿坐標系的逐步移動。

函數：pro_compute_interference(),檢測兩零件之間是否發生干涉。當然，拆卸仿真對話框的實現需用到很多函數，這些函數原型都可以在Pro/Toolkit user’s guide里面查到，此處不在贅述。

2.3　對話框示例

以下是二級減速器的拆卸仿真界面。在主菜單欄上添加拆卸仿真菜單，點擊可以打開再制造拆卸仿真對話框按鈕，調出再制造拆卸仿真主對話框界面，如圖3所示。在主對話框里面可以進行待拆卸零件的選擇、零件的拆卸動作、零件之間的干涉檢驗、拆卸序列的生成等操作。點擊零件再制造評估可以調出再制造評估對話框，如圖4，可以對零件進行再制造性能的評估，以檢驗該零件是否有必要進行再制造。

圖3　再制造仿真主對話框

圖4　零件再制造評估對話框

3結語

通過對產品拆卸Petri網模型建立的基本方法的分析，結合再制造產品的拆卸性能基本指標的評估方法，運用Pro/E二次開發設計了產品拆卸仿真對話框，以實現用戶對產品再制造拆卸過程的直觀有效掌控。凸顯了拆卸技術在對產品再制造的重要性。

參考文獻:

[1] 朱勝，姚巨坤. 再制造技術與工藝[M]. 北京:機械工業出版社，2010.

[2] 魏培，劉光復，黃海鴻，等.面向再制造的基于Pro/Toolkit的拆卸仿真[J]. 機械設計與制造. 2012(5):144-146.

[3] 許露露,楊柳.面向回收的綠色拆卸性設計[J]. 科技縱橫. 2009.7.

[4] Kendra E.Moore,Askiner Gungor.Petri net approach to disassembly process planning for products with complex AND/OR precedence relationships[J]. European Journal of Operational Research ,2001(135),428-449.

[5]Murata,T.Petrinets:Properties,analysis and application.Proceeding of the IEEE 77(4),541-580.

[6] 李玉玲，趙樹恩.基于Petri網的產品拆卸過程規劃[J]. 農業機械學報,2006,37(7).

[7] 張繼春.Pro/ENGINEER二次開發實用教程[M]. 北京: 北京大學出版社,2003.

Study of Remanufacturing Disassembly Technology Based on Petri nets

HU Shi-juna,b, LI Jina,b, ZHANG Hong-xianga,b, LI Chong-jiana,b, CHANG Ying-jiea,b

(a. Key Laboratory of Digital Manufacturing Technology and Application, the Ministry of Education,

b. School of Mechanical and Electronical Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

Abstract:Disassembly technology is an important prerequisite to efficient recycling products and remanufacturing and the key process of manufacturing. It ensures the design of new products and makes full use of the remanufacturing resources of waste products. In this paper, through the establishment of the product disassembly Petri net model, disassembly sequence planning, product remanufacturing disassembly evaluation method, the disassembly simulation interface of remanufacturing UI dialog of product is designed using customization Pro/Toolkit of Pro/E 4.0, then C language code is written in VS2005 to generate the action functions to realize the generation of a dynamic link library file and registered to run in Pro/E, thus, remanufacturing disassembly simulation system is achieved finally.

Keywords:remanufacturing; disassembly; simulation; Petri nets

中圖分類號：TP391.9

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0125-03

作者簡介：胡世軍(1968-)，男，甘肅蘭州人，碩士研究生導師，副教授，研究方向為從事先進制造技術、金屬切削刀具、機械裝備的自動化控制等。