杨继荣1,2，段广洪2，向东2
摘要：以机械产品的再制造性为设计目的，以模块化设计方法为基础，辅之以绿色设计思想，利用现代数学工具，形成面向产品再制造工程的绿色模块化设计方法。在产品设计初期就全面考虑全寿命周期内的环境属性及零部件的重用性，并用反映环境特性的绿色度及反映功能和重用特性的模块度加以评价和检验，以达到满足再制造工程的根本目的。
关键词：再制造；绿色模块化；设计方法
中图分类号：TB21文献标识码：B
传统的再制造是尽量加大废旧零部件的回用次数和回用率，减少再循环和环保处理的比例，最大限度地利用废旧装备中可利用的资源，延长装备寿命周期，减少环境污染。达到这些日的的手段是现代高新制造和工艺技术。
但是，在装备设计阶段考虑再制造，以使日后便于拆卸、维修、更换或再制造，则是一个新的课题。本研究为此提出了面向再制造工程的绿色模块化设计方法，在装备诞生之前就全面考虑其全寿命周期内的环境属性及零部件的重用性，并用反映环境特性的绿色度及反映功能和重用特性的模块度加以评价和检验，使设计能同时满足装备的环境属性和再制造性要求，从而满足再制造工程的根本目的。
一、再制造工程需要与之相适应的面向再制造的设计方法
实际上，再制造工程的顺利进行，在很大程度上取决于装备设计的合理性，即再制造性以及装备设计时的结构、材料属性及其它特性它们将直接影响日后装备的重用、升级、维修和废弃后的拆卸、回收和处理，以及与环境的协调性，能够显著提高装备在寿命末端的再制造能力。
再制造的绿色模块化设计方法正是在这种情况下提出的，它可以比较完善和全面地从源头解决日前再制造工程所面临的一些困难和问题。
二、再制造工程的绿色模块化设计方法
1．面向再制造工程的绿色模块化设计的基本定义
面向再制造工程的绿色模块化设计就是将绿色设计与模块化设计有机结合，灵活应用于再制造装备设计阶段，以同时满足装备的功能属性及可运输性和可拆卸性、易于修复（升级）性、易于装配性及环境属性等指标要求。
装备再制造性与绿色设计和模块化设计关系密切。绿色设计的关键性技术，如可拆卸和可回收性正需要用模块化思想来实现。而模块化在各种行业的绿色设计中都能充分体现系统和个体的灵活性。
通过绿色模块化的构建，应具有比传统装备更好的多方面效益。模块化的对象是某装备系统的构成，而不是研究解决某一个孤立装备的具体问题，因此系统由标准化的模块构成。
2．再制造工程的绿色模块化设计评价指标
再制造工程的绿色模块化设计强调设计时在保证装备基本功能的前提下，优先考虑其再制造性。装备设计阶段与回收或重用阶段的再制造性指标有所不同，主要体现在以下几个方面。
(1)环境协调。一是提高装备的资源和能源利用率；二是降低寿命周期成本；三是环境污染最小化。选择环境性能更佳的材料，提高零件的利用率，延长装备寿命周期是实现这些目标的有效方法。
(2)易于拆解。拆解是再制造的必须步骤，如果设计过程中没有考虑拆解性，则可能使得再制造拆解过程成为劳动密集型过程，经济性降低。
(3)易于分类。零件分类的正确与否，直接影响到再制造装备的质量。易于分类的零件也可以降低再制造总体时间。为了使拆卸后的零件易于分类，设计时要采用标准化的零件，尽量减少零件种类。
(4)易于修复（升级）。再制造过程的关键问题是原装备的修复和升级，使之易于达到新品质量，并具有一定的市场竞争力。可以采用易于替换的标准化零部件和可以改造的结构并预留模块接口提高升级性；采用模块化设计，通过模块替换或增加模块而升级再制造装备。
(5)易于装配。采用模块化设计和零部件的标准化设计有利于装配。据估计，如果设计拆解时间减少10%，通常实际装配时间则可减少5%。
(6)易于运输。虽然多数情况下并不将废旧装备的收集作为再制造的主要步骤，但收集费用占再制造总体费用很大比重，所以对再制造具有重要影响。设计时必须考虑运输性，使得装备可更经济安全地运输到再制造工厂。
上述六个指标之间既有区别又有联系，为了能定量评价它们，可将环境协调和易于装配归类为装备设计的绿色度，而把其它各项归类为装备设计的模块度。因此，再制造工程的绿色模块化设计可按照绿色度和模块度指标评价，使设计有一个比较客观的评价指标体系。
3．再制造工程的绿色模块化设计实现步骤
(1)市场需求分析。全过程首先应从用户或市场对装备的需求开始，例如需求量、价格、使用寿命、功能、升级性能等具体要求以及采用绿色模块化设计的可行性。若该装备绿色模块化设计可行性通过，即认为在满足广义环境属性的前提下对装备的要求均可满足，可进行下一步。
(2)产品参数定义。参数分为尺寸参数、运动参数及动力参数三类。如参数定义范围过高，会造成资源和能源的浪费，不符合绿色模块化设计思想，过窄则不能满足用户要求。一般应先定义主参数，并使参数在满足用户需求的前提下尽可能提高绿色化和模块化程度。
(3)系列型谱制定。系列型谱制定的要点为合理确定绿色模块化设计的装备种类和规格型号。型谱大、装备规格多，则市场适应能力增强、模块通用程度大、环境属性好，但工作量加大，成本上升，人力资源消耗大；型谱过小，则上述问题向反方向发展。
(4)模块划分与选择。这是模块化方法的核心内容，一般按装备的功能，将其分为基本功能、辅助功能、特殊功能及适应功能等，并以此划分相应的模块，使有利于装备报废后零部件的回收和重用升级，并使设计过程清晰可靠。
(5)绿色模块的组合。模块划分后，应按照某种方法组合成系统。如直接组合、集装式组合、改装后组合等。组合时应考虑拆卸时简便易行、不损伤零部件、耗时耗能少等绿色思想。
(6)分析计算。用各种现代设计方法，如机械零件设计软件包、有限元分析软件包、优化设计软件包等工具对设计好的装备进行分析校验。若不符合要求则从模块选择上修改，并重新整合，直至符合要求为止。
(7)再制造设计的绿色度与模块度指标评价。采用AHP法（层次分析法）及模糊综合评价方法等现代数学工具对装备再制造设计的绿色度与模块度指标进行计算和评价，然后对有关参数调整或重新设计。
4．再制造装备绿色度及模块度的评价方法
装备的模块度评价模型的主体框架为，先对各模块利用工程模糊综合评判方法得出模块度，再用AHP方法确定不同模块对于装备功能及再制造性的重要程度即权值矢量：最后，将两者加权求和，计算出装备的模块度。影响装备模块化程度的五个因素为结构交互性、作用力交互性、信号交互性、能量交互性和物质交互性。
不同因素类型需采用离散或连续的隶属函数得出不同的隶属度。一般上述五种因素的隶属度越大，表示零件间的交互性越小，模块化程度越高。设计者可根据不同装备的特点，集中五个因素不同的权重或按确定隶属度的方法加以确定。因素较多时也可利用AHP方法建立权重集。
装备绿色度评价模型的主体框架为，首先找出影响模块环境性能的主要因素并进行重要性评价；其次，建立相应的评价标准和评价矩阵；最后，将这些矩阵加权求和，得出装备的绿色度。影响装备绿色度的五个因素是重用性、升级性、维护性、回收性、处理性。不同的装备和不同的设计目标对环境影响各因素的重要程度不同，具体评价计算时可以利用AHP计算出五个准则的重要性权重向量，也可以利用专家赋值的方法直接给出权值后再计算。
参考文献：
徐滨士．绿色再制造工程的进展与发展趋势．科学技术与工程，2001，1(1):24-29.
姚巨坤，向永华，朱胜等．基于资源最优化回收的再制造工程．再生资源研究，2003，16(6):31-33.
唐涛，刘志峰，刘光复等．绿色模块化设计方法研究．机械工程学报，2003.39(11):149-154
张安峰．绿色再制造工程基础及其应用．北京：中国环境科学出版社，2005.
贾延林．模块化设计．北京：机械工业出版社，1993.
GuP，SosaleS.Productmodularizationforlifecycleengineering．RoboticsComputerIntegratedManufacturing，1999，15:387-401.