面向再制造的机电产品智能设计方法研究

面向再制造的机电产品智能设计方法研究

摘要：在产品设计阶段，可考虑机械产品再制造，以增强产品在加工能力方面的寿命。这对于节约能源、减少排放和提高资源利用率具有重大意义。然而，机电产品面向再制造设计是个复杂的过程,需考虑客户功能要求及再制造。传统的设计方法未能快速准确地规划满足机械加工要求的方案，导致设计周期延长，阻碍机械加工的顺利进行。

关键词：面向再制造；机电产品；智能设计方法 引言 再制造是中国“十四五”循环经济发展规划的重要组成部分，也是实现绿色可持续发展的关键手段。作为绿色制造的重要组成部分，我国再制造行业已经开始形成规模，极大地缓解了废旧产品零部件因失效而报废，以及资源循环利用之间的矛盾。不过，在传统的恢复性再制造方法中，由于大量报废机械产品的部分零部件的再制造经济价值不高或技术能力不足（无法恢复原有性能），这些零部件被新品替代，从而导致能量和资源残值的浪费。另一方面，受到"碳达峰"和"碳中和"目标以及"制造业绿色创新转型"产业发展要求的限制，再制造企业面临着在短期内依赖于废旧产品修复来获取盈利的困境。由于技术体系的不完善，再制造企业很难兼顾盈利和低碳。因此，怎样准确挖掘和完善再制造技术体系，以更大程度地利用废旧机械产品的资源残值，提高其资源利用率和再制造过程中的能源效率，成为一个迫切需要解决的难题。

1. 面向再制造的机电产品设计内涵 再制造机电产品的目的是促进旧产品清洁、回收、再加工、拆解等再制造流程的顺利实施。因此，在产品设计阶段，应当考虑回收和再加工的需要，并将其充分渗透到产品设计的各个方面。这样机电产品在使用寿命结束时能够很好地重复利用，减少资源浪费。面向机电一体化的再制造是一个复杂的系统设计问题，能否满足客户的日常需求和产品加工要求。这两种需求既有区别，也有相似之处，设计者在设计过程中应仔细检查和区分，避免设计需求冗余，从而减少工作量，保持设计进度。同时，可再制造性要求在整个过程中高度一致，即设计过程一定要考虑旧产品的运输、回收、拆卸、清洁、分类、回收和组装等方面。

2. 发展再制造产业的重要意义 再制造产业发展的需要是必然的。近几十年来，我国积累了大量重要装备。尤其是20世纪70年代以来，大量设备已接近使用寿命或报废调整优化。随着技术的快速发展和新材料、新工艺、新技术的出现，原有的生产线被淘汰，再制造的产品能够满足产品维修或更换的需要。再制造能够吸收最新发展，进一步提升易损件的使用寿命，使旧产品的整体性能可以满足消费者的时尚需求。（1）制造产品能够提升等级。借助检查原材料（旧零件）、持续改进产品设计、识别组件生命周期的变化以及改进和优化配置来提高生产效率。鉴于大数据驱动再制造的复杂性和本质，能够改进再制造产品的设计理念和生产工艺，为我国工业生产和绿色化奠定基础。（2）共享经济。一般情况下，往往根据资源配置或优化，是使用权的暂时转让。对于复印机和汽车发动机等再制造，充分做到产品功能，减少消费者市场份额，减少产品功能，让汽车已然成为一种代步工具，为共享打下坚实的基础，让共享经济更加可持续。再制造的复印机可以进行租赁，公司能够进一步处理产品。（3）借助现有产品分销渠道的逆向物流，有效管理和控制产品生命周期，最大限度地减少潜在危害和产品污染。逆向物流能够保证原材料质量的可追溯性，部分解决城市农民工的就业问题。（4）节约能源、减少排放。与制造新产品相比，再制造可节能60%，减少材料70%，降低成本50%，形成少量固体废物，减少大气污染物排放80%以上。发展再制造也有助于降低温室气体排放强度，树立负责任的大国形象。（5）有利于进一步提升公众绿色消费意识。加工产品的生产、设计和消费需要多个参与者。未经政府批准，加工产品不得投放市场。其工业产品没有市场，借助推广和使用再制造产品，能够进一步提升公众节约资源、保护环境的意识，优先选用可再生产品，已成为社会趋势。

3.智能再制造技术体系 3.1再制造智能在线监测 产品服务状态监测是跟踪关键组件的过程，随着传感器、网络技术和大型数据技术的发展，利用智能诊断算法分析信息，实现生命周期预测、全面决策、安全评估和预警。同时，还能提供自动措施或自动调节设备，以确保服务达到最佳状态。消除在线监控安全问题是设备管理的一个重要方面。在如航空、海洋工程、核设施、燃气管道等领域，设备和组件损坏的影响十分巨大。目前，一些大型设备和结构已经服役多年，甚至超过了预期寿命。各种多层次和复杂的安全威胁不断变化，并采取了在线智能监控，利用各种尖端技术进行实施，这些技术应由传感器、组件驱动程序、数据采集系统组成。然而，数据处理系统、数据传输系统、整体危害评估系统以及安全评估和预警智能监控系统面临以下问题：算法需具备高实时性、抗干扰能力和容错能力。新一代人工智能的发展和应用为数字、网络和智能子系统提供了充沛动力，并支持在线监测系统的发展。

3.2充分挖掘和培养再制造产业发展同盟 目前，履带起重机在模块化设计方面取得了积极进展，包括主要零部件的通用性和互换性。这种进展不仅保证了产品质量和降低了成本，还为履带起重机制造厂家的再制造产业发展创造了有利条件。一些企业可以使用通用的主要阀块、液压泵、臂端单滑轮、平衡重和吊钩等零部件来生产百吨级以下的履带起重机产品。这不仅能提高企业生产组织效率，降低客户的多次购车成本，还方便售后服务和产品维修再制造。通过研究单个主要零部件的再制造技术和工艺，可以解决多种产品再制造难题，帮助履带起重机制造厂家在节省时间和研发成本方面取得突破。与此同时，再制造的发展需要依靠履带起重机制造厂家与外部同盟军的协作力量。在供应商选择方面，应优先考虑与具备再制造能力的供应商进行合作，重视对现有供应商再制造能力的培养和技术支持。对于经销商，应提供服务政策和备件支持，加强产品技术培训，建立人才队伍，并提供再制造方案来协助经销商获得再制造资质。

3.3标准引领促进维修再制造旧机电产业发展 目前，我国对维修及再制造进口的旧机电产品的现行标准（包括国家标准、行业标准和团体标准）数量有限，分散分零散，标准之间缺乏必要的系统关联。因此，需要加大对维修及再制造进口的旧机电产品的质量检测技术和维修再制造评价技术等方面的研究，制定更多的国家标准、行业标准和团体标准。这将有助于推动该产业的健康和快速发展，并为其提供技术保障和支持。在制定标准的过程中，应充分考虑到标准的基础支撑、技术导向和市场规范的作用，以进一步规范和完善维修及再制造产业的标准体系，以保证维修及再制造产品的质量能够达到或超过原产品的质量要求。

4. 面向再制造的机电产品设计 4.1 用于机电产品面向再制造设计信息模型 功能区是指做到机电产品的功能需求、分析客户需求、设计技术性能。与传统设计不同，机电产品不仅满足客户的日常需求，还满足制造商或再制造商的制造要求。因此，产品功能不仅涵盖传统功能，还涵盖再制造功能。在产品设计过程中，功能是不可或缺的考虑因素。功能通常被视为产品的使用和性能。还有研究者将功能定义为机电产品进出口相互间的因果关系，即物质、能量和信息流的加工和传递。原理是由公理、定理、定律推导出来的自然结果，是做到机电产品功能的科学理论和技术方法。产品功能原理主要涵盖作用和支持。效应能够是科学理论、定律和规则的结果，例如化学效应、物理效应和热效应。载体是指齿轮、主轴等功能设备。媒体表示能够借助材料类型和属性来描述。鉴于产品的功能不仅涵盖运动功能，还涵盖产品本身的特性，因此机电产品相关原理涵盖产品力学、热处理、力作用等机械、物理、化学原理。主要类型的选择主要参照结合功能类型，但也会考虑空间、成本和加工条件等系统限制。行为域是指机电产品与外部环境交互的活动和反应。行为主要体现在两个方面：首先，行为是为了能够做到产品的功能，从而真实体现工作原理。其次，要考虑什么样的输入和输出条件可以决定原则性的决策。在产品力学中，机械运动实现了转盘的滑动、旋转和振动等机械原理，进而使得零件可以进行线性运动。行为特性主要包括载体结构、运动速度和分子运动特性等方面。在机械设计中，行为是指描述零件的运动或相互作用，如螺旋运动，即螺钉和螺母的相互作用。而在表面处理中，行为是指各种分子之间的相互作用，例如当碳原子渗入钢材时。符合客户要求和流程的产品设计参数涵盖了结构层面，机电产品的结构分为宏观和微观两个层次。宏观结构关注产品的外观、连接和组装，而微观结构则涉及材料的内部微观结构，对产品性能产生重要影响。结构是信息传递的最终结果，体现了产品系统内材料、能量和信息的转换与传递。为了适应不同类型的行为，产品结构的性质应根据行为的特点来确定。根据产品本身和外部环境的因素，应设计出合适的结构。

4.2 机电产品面向再制造 为了满足客户和加工需求，最终目标是通过面向再制造产品的功能、性能和能力来达到目标。根据公理设计理论，设计过程包括需求分析、功能规划、结构规划和工程规划这四个阶段。在设计过程中，难免会遇到设计冲突，需要对设计参数进行优化和改进。最终，制定人员可以通过评估和反馈项目的生产和质量，以做出最佳的项目决策，并确定项目计划。为了更好地满足实际生产和需求，首先需要分析客户的需求并进行转化。根据市场条件、生产水平和企业利润，对需求信息进行过滤和处理，从中提取关键信息以展示技术性能。考虑到产品的要求和限制条件以及相关技术特性，需要对产品的整体设计和功能进行划分。为了最小限度地分配功能，还需要进行冗余设计的分析，删除冗余功能，并将相似功能组合起来。同时，需要对函数的行为和结构参数进行初步理解的分析，并确保在功能和结构参数之间建立精确的映射。

结束语 综上所述，再制造已经成为行业内的热点话题，因为它能够节约资源、保护环境并且成本较低。短期内，再制造产业发展面临一些困境，例如政策支持不足、再制造水平尚不成熟、市场认可度较低以及销售渠道较窄。政府在层面上需要改善政策保障体系，引导企业加强再制造技术研究。制造厂商应不断增强产品通用性和互换性，重视发展产业链的联盟力量，以实现互惠互利的优势。此外，应积极开拓再制造产品的销售渠道，提升资源管理能力。通过各方的积极努力，可以促进我国再制造产业整体水平的提高，为实现我国的“双碳”目标做出贡献。

参考文献