楊得玉 徐志剛 沈衛(wèi)東 朱卓悅

1.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南，2500612.山東大學(xué)深圳研究院，深圳，518057

0 引言

再制造是通過(guò)各種先進(jìn)技術(shù)和方法對(duì)廢舊產(chǎn)品或零件進(jìn)行回收、拆卸、清洗、檢測(cè)、再制造修復(fù)、重新裝配等，并重新恢復(fù)其性能和價(jià)值的過(guò)程[1-3]。拆卸在再制造過(guò)程中具有重要作用，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期完整性和封閉性的必要環(huán)節(jié)。

拆卸是指從產(chǎn)品上系統(tǒng)地分離零件、組件或其他零件集合的過(guò)程[4]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)電產(chǎn)品拆卸的研究主要集中在面向拆卸的設(shè)計(jì)、拆卸過(guò)程規(guī)劃、拆卸技術(shù)與工具和拆卸系統(tǒng)配置等方面，對(duì)于自動(dòng)化拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)方面的研究相對(duì)缺乏，尚未形成系統(tǒng)的拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)方法和理論。王伏林等[5]借鑒公理設(shè)計(jì)提出了基于信息驅(qū)動(dòng)的拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)液壓缸拆卸平臺(tái)的設(shè)計(jì)，但信息處理和驅(qū)動(dòng)過(guò)程并不完善。關(guān)于機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法方面的研究，SUH[6]提出了公理設(shè)計(jì)方法；SHJIN等[7]、江屏等[8]將公理設(shè)計(jì)應(yīng)用于產(chǎn)品和產(chǎn)品平臺(tái)的設(shè)計(jì)；MAHER[9]、王有遠(yuǎn)等[10]對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)方法和模型進(jìn)行了研究；ROY等[11]、KURTOGLU等[12]運(yùn)用功構(gòu)映射原理進(jìn)行了機(jī)械產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)；還有其他設(shè)計(jì)方法，如模塊化設(shè)計(jì)方法[13]、基于TRIZ技術(shù)的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法[14]、基于功能特征的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法[15-16]等。上述機(jī)械設(shè)計(jì)方法適用于普通機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，拆卸設(shè)備的設(shè)計(jì)不同于普通機(jī)械設(shè)備，它針對(duì)的是某一特定的拆卸對(duì)象，拆卸對(duì)象型號(hào)各異，存在不同程度的磨損、腐蝕、變形等不確定性信息，拆卸信息復(fù)雜，拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的獨(dú)立性、通用性、魯棒性要求較高，將上述機(jī)械設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于拆卸設(shè)備的設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步的研究和探索。

本文提出了基于功構(gòu)映射的拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)方法，通過(guò)構(gòu)造拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的需求信息集合、功能集合、行為性能集合和結(jié)構(gòu)集合以及它們的映射關(guān)系，生成了結(jié)構(gòu)重構(gòu)的基本約束，以實(shí)現(xiàn)拆卸設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1 拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程

1.1 拆卸設(shè)備的設(shè)計(jì)信息層次結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)是通過(guò)各種設(shè)計(jì)公理和規(guī)則以及設(shè)計(jì)信息處理技術(shù)來(lái)最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是各種設(shè)計(jì)要求信息向產(chǎn)品詳細(xì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的映射過(guò)程?；诠?gòu)映射原理將拆卸設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程依次分為需求域、功能域、行為性能域和結(jié)構(gòu)域，各廣義作用域通過(guò)映射規(guī)則實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息和約束的傳遞和轉(zhuǎn)化，包括需求-功能映射、功能-行為性能-結(jié)構(gòu)映射和功能-結(jié)構(gòu)映射，如圖1所示。

圖1 基于功構(gòu)映射原理的拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程Fig.1 The design process of dismantling equipment based on function to structure mapping

(1)需求域。需求域包括拆卸對(duì)象的幾何信息、特征信息、拆卸目標(biāo)、用戶拆卸要求等，需求域信息是拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的基本約束，貫穿拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。

(2)功能域。功能域是拆卸設(shè)備的總功能及子功能信息集合，如傳動(dòng)功能、定位功能、夾持功能及其他輔助功能等，拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的功能域由需求域映射得到。

(3)行為性能域。行為性能域主要由功能-行為性能映射關(guān)系得到自由度、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)空間等設(shè)計(jì)參數(shù)，是拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的功能域向結(jié)構(gòu)域映射的載體。

(4)結(jié)構(gòu)域。結(jié)構(gòu)域是需求域、功能域、行為性能域向產(chǎn)品物理結(jié)構(gòu)的映射及其綜合過(guò)程，由映射生成結(jié)構(gòu)重構(gòu)的基本約束，以指導(dǎo)拆卸設(shè)備的詳細(xì)物理結(jié)構(gòu)和特征設(shè)計(jì)。

1.2 拆卸設(shè)備結(jié)構(gòu)重構(gòu)模型

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)重構(gòu)過(guò)程是基于結(jié)構(gòu)基本約束、特征和信息，利用設(shè)計(jì)人員的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)造性來(lái)構(gòu)造產(chǎn)品詳細(xì)物理結(jié)構(gòu)的過(guò)程，其表達(dá)式如下：

(1)

式中,Ds為結(jié)構(gòu)域廣義集合，即結(jié)構(gòu)集合；Es為產(chǎn)品的詳細(xì)物理結(jié)構(gòu)；f(Rs,Fs,Bs)為由需求域、功能域、行為性能域映射生成的結(jié)構(gòu)重構(gòu)基本約束、特征和信息；Rs為拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的需求信息集合；Fs為功能集合；Bs為行為性能集合；M為設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和創(chuàng)新性因素。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)重構(gòu)空間與結(jié)構(gòu)約束粒度相關(guān)[17]，見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)約束粒度與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)重構(gòu)空間

2 拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)域建模

2.1 拆卸設(shè)備需求域分析

拆卸設(shè)備的設(shè)計(jì)是針對(duì)某一類特定的廢舊機(jī)電產(chǎn)品，是面向拆卸對(duì)象的設(shè)計(jì)過(guò)程，其需求域信息包括拆卸對(duì)象信息和用戶需求兩部分。拆卸對(duì)象信息按產(chǎn)品拓?fù)潢P(guān)系和拆卸需求分為產(chǎn)品級(jí)信息、零部件級(jí)信息、拆卸信息和其他基本信息；用戶需求按拆卸深度和破壞程度分為目標(biāo)拆卸、完全拆卸、完全破壞性拆卸、部分破壞性拆卸和非破壞性拆卸。面向拆卸對(duì)象的需求域信息層次結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

需求域信息是拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的基本約束，其需求信息集合可表示為

Rs={R1,R2,R3,R4,R5}

(2)

圖2 拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)需求域信息層次模型Fig.2 The information hierarchy model of requirement domain in dismantling equipment design

R1={r11，r12，…，r1n}R2={r21，r22，…，r2n}
R3={r31，r32，…，r3n}R4={r41，r42，…，r4n}
R5={r51，r52，…，r5n}

式中，R1、R2、R3、R4分別為拆卸對(duì)象的產(chǎn)品級(jí)信息集合、零部件級(jí)信息集合、拆卸信息集合和其他基本信息集合；r1n、r2n、r3n、r4n分別為產(chǎn)品信息元、零部件信息元、拆卸信息元和其他基本信息元；R5為用戶需求信息集合；r5n為具體的用戶需求(如用戶要求完全拆卸)；n為信息元的數(shù)量。

2.2 拆卸設(shè)備功能域設(shè)計(jì)

拆卸設(shè)備的主要功能是解除拆卸對(duì)象中各種零部件的約束并系統(tǒng)地將拆卸對(duì)象分離，操作對(duì)象是一系列的零件、部件、組件以及它們之間的約束。定義拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的功能域廣義集合為待拆除的零部件序列集合，其表達(dá)式如下：

Fs={P1,P2,…,Pm}

(3)

式中，F(xiàn)s為拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的功能域廣義集合(即功能集合)；Pm為待拆卸零部件；m為待拆卸零部件的數(shù)量。

根據(jù)表1中結(jié)構(gòu)約束粒度與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)重構(gòu)空間的關(guān)系，選擇表面作為結(jié)構(gòu)重構(gòu)約束粒度，由映射層次關(guān)系可知，功能表面是拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的功能元。功能表面是按規(guī)定的規(guī)則從零件特征面中確定的用于拆卸零部件的表面，零件特征面根據(jù)其連接和約束特征可分為自由面、約束面和接觸面，見(jiàn)表2。運(yùn)用分解原理對(duì)拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的功能集合進(jìn)行分解，零部件Pi的拆卸可由定位功能、夾持功能、移除功能和輔助功能實(shí)現(xiàn)，這些子功能又可進(jìn)一步分解成定位功能表面集合、夾持功能表面集合、約束功能表面集合和輔助功能表面集合，其功能域分解模型見(jiàn)圖3。

分解零部件的子功能時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)多個(gè)子功能表面集合，它們都可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)該子功能,如分解零部件Pi的定位功能時(shí)，根據(jù)六點(diǎn)定位原理通常會(huì)生成多個(gè)定位功能表面集合，任意一個(gè)定位功能表面集合都能實(shí)現(xiàn)拆卸該零部件的定位功能，如圖3所示。為降低拆卸設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，保證拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的功能表面元素?cái)?shù)量最少，并避免磨損、腐蝕、變形等不確定信息對(duì)拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的影響，對(duì)拆卸零部件集合的所有功能表面進(jìn)行選擇和集成時(shí)應(yīng)遵循如下規(guī)則。

表2 零件特征面類型

圖3 拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)功能域分解模型Fig.3 The decomposition model of functional domain in dismantling equipment design

規(guī)則1 待拆卸零部件Pi中的定位功能表面、夾持功能表面和輔助功能表面應(yīng)盡可能選取同一零件特征表面，且盡量選取的表面?zhèn)€數(shù)最少。

規(guī)則2 拆卸對(duì)象集合Fs中各待拆卸零部件的功能表面集合元素應(yīng)盡可能相同。

規(guī)則3 對(duì)拆卸對(duì)象集合Fs中各待拆卸零部件的約束功能表面集合取并集。

規(guī)則4 盡量避免選擇經(jīng)常受到磨損、腐蝕、變形等因素影響而喪失原功能特征的功能表面，若必須選擇，考慮引入其他功能表面協(xié)助該功能表面，以共同實(shí)現(xiàn)子功能fi。

基于分解原理和功能表面集合集成規(guī)則，拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的功能集合Fs可表示為

(4)

j=1,2,3,4

2.3 拆卸機(jī)構(gòu)行為性能域建模

行為性能域描述拆卸設(shè)備機(jī)構(gòu)執(zhí)行拆卸功能的運(yùn)動(dòng)方向、自由度以及運(yùn)動(dòng)空間參數(shù)，由零部件的拆卸方向、自由度和拆卸空間參數(shù)決定。不同零部件類型的拆卸方向和拆卸自由度見(jiàn)表3。

表3 不同類型零部件的拆卸方向和拆卸自由度

(a)螺釘數(shù)為2且軸線方向相同，拆卸自由度至少為3

(b)螺釘數(shù)為3且軸線方向相同，拆卸自由度至少為4

(c)螺釘數(shù)為4且軸線方向不同，拆卸自由度至少為5圖4 相同螺釘?shù)牟鹦斗较蚝筒鹦蹲杂啥菷ig.4 The dismantling direction and degree of freedom for the same screw

拆卸空間參數(shù)與約束功能表面的特征和幾何尺寸有關(guān)。綜上，拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的行為性能集合Bs可表示為

Bs={Bsi|i=1,2,…,m}={[OiJiKi]T}

(5)

s.t. {Pi,Si3,Qi,Li}

式中，Bsi為零部件Pi的行為性能矩陣；Si3為Pi的約束功能表面集合；Qi為Pi的數(shù)量；Li為Pi的位置約束矩陣；Oi為Pi的拆卸方向集合；Ji為Pi的拆卸自由度；Ki為Pi的運(yùn)動(dòng)空間參數(shù)矩陣。

3 拆卸設(shè)備的功構(gòu)映射設(shè)計(jì)

3.1 拆卸設(shè)備功能機(jī)構(gòu)方案的實(shí)現(xiàn)

3.1.1需求-功能映射

拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程的需求-功能映射實(shí)現(xiàn)了需求信息向產(chǎn)品拆卸序列的轉(zhuǎn)化?；诨旌蠄D的產(chǎn)品拆卸序列規(guī)劃方法易于構(gòu)建和計(jì)算機(jī)化，因此選擇混合圖法求解功能域廣義集合。拆卸混合圖用G={T,W,U}表示；其中，G表示拆卸混合圖；T為頂點(diǎn)集合，表示零部件或子裝配體；W為無(wú)向邊集合，表示零部件之間的接觸約束；U為有向邊集合，表示零部件之間的拆卸優(yōu)先約束，有向邊箭頭指向被約束零部件。若拆卸對(duì)象中的2個(gè)零部件PI和PJ(I,J=1,2，…,n)直接接觸,則零部件PI和PJ存在接觸約束(即〈PI,PJ〉∈W)；若零部件PI對(duì)拆卸零部件PJ產(chǎn)生阻礙，拆卸PJ之前必須拆掉PI，則零部件PI和PJ存在拆卸優(yōu)先約束(即〈PI,PJ〉∈U)。需求信息集合中的產(chǎn)品拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表明了拆卸對(duì)象的零部件組成，零部件約束關(guān)系表明了零部件之間是否存在接觸約束和拆卸優(yōu)先約束，因此，依據(jù)式(2)將拆卸對(duì)象的零部件作為頂點(diǎn)，將拆卸信息中零部件的接觸約束和拆卸優(yōu)先約束分別作為無(wú)向邊和有向邊，來(lái)構(gòu)建拆卸混合圖，并根據(jù)拆卸混合圖建立鄰接矩陣M1和約束矩陣M2，其表達(dá)式分別如下：

(6)

(7)

式中，n表示產(chǎn)品的全部零部件數(shù)量。

基于混合圖的產(chǎn)品拆卸序列規(guī)劃流程見(jiàn)圖5，圖5分別給出了產(chǎn)品完全拆卸序列和目標(biāo)拆卸序列兩種求解方法。建立產(chǎn)品鄰接矩陣M1和約束矩陣M2后，可按照用戶要求的拆卸方式選擇對(duì)應(yīng)的方法求解產(chǎn)品拆卸序列。若用戶要求完全拆卸，則按圖中完全拆卸方法后面的流程求解產(chǎn)品拆卸序列；若用戶要求目標(biāo)拆卸，則按圖中目標(biāo)拆卸方法后面的流程求解產(chǎn)品拆卸序列。

圖5 基于混合圖的產(chǎn)品拆卸序列規(guī)劃Fig.5 The product dismantling sequence planning based on mixed graphs

需求域信息可指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，在拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)實(shí)現(xiàn)需求域信息的傳遞，因此，拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的需求-功能映射模型fR→F可表示為

(8)

3.1.2功能-結(jié)構(gòu)映射

功能-結(jié)構(gòu)映射生成拆卸設(shè)備結(jié)構(gòu)重構(gòu)的基本約束，其映射過(guò)程包括3個(gè)階段：

(1)功能-行為性能-結(jié)構(gòu)映射。拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的行為性能集合由功能域中的待拆卸零部件類型、約束功能表面集合及相關(guān)參數(shù)映射得到。行為性能集合中的拆卸方向和拆卸自由度可由2.3節(jié)中的映射方式得到；運(yùn)動(dòng)空間參數(shù)為拆除該零件時(shí)沿拆卸方向的行程，由約束功能表面的幾何參數(shù)決定。拆卸對(duì)象的拆卸方向、拆卸自由度和拆卸空間參數(shù)即為拆卸設(shè)備機(jī)構(gòu)的基本運(yùn)動(dòng)方向、自由度和運(yùn)動(dòng)空間約束，其功能-行為性能-結(jié)構(gòu)映射模型可表示為

(9)

i=1,2,…,m

(2)功能-結(jié)構(gòu)直接映射。拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)功能域中的功能表面集合Sij向結(jié)構(gòu)域映射，生成結(jié)構(gòu)重構(gòu)的基本機(jī)構(gòu)表面約束。表面由幾何類型和尺寸參數(shù)表示，表面的幾何類型分為平面、柱面、錐面、螺旋面以及其他不規(guī)則面。依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，基本功能表面的幾何類型向結(jié)構(gòu)表面的基本映射規(guī)則為：定位功能矩形平面一般由矩形結(jié)構(gòu)平面實(shí)現(xiàn)定位；定位功能矩形斜面一般由矩形結(jié)構(gòu)斜面實(shí)現(xiàn)定位；夾持功能外圓柱面一般由結(jié)構(gòu)內(nèi)圓柱面實(shí)現(xiàn)夾持；夾持功能矩形平面一般由結(jié)構(gòu)矩形平面實(shí)現(xiàn)夾持，具體的映射過(guò)程見(jiàn)圖6。拆卸對(duì)象的型號(hào)各異，其零部件的功能表面尺寸參數(shù)存在差異，為保證拆卸設(shè)備具有較好的柔性，使設(shè)計(jì)的拆卸結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)定位、夾持和拆卸等方式處理存在尺寸差異的各種產(chǎn)品，基本功能表面的尺寸參數(shù)向結(jié)構(gòu)表面映射時(shí)應(yīng)設(shè)置調(diào)整矩陣w，即使用矩陣w調(diào)整基本功能表面的尺寸參數(shù)來(lái)確定結(jié)構(gòu)表面的尺寸參數(shù)。調(diào)整矩陣w由設(shè)計(jì)人員根據(jù)對(duì)拆卸對(duì)象的基本功能表面尺寸范圍的統(tǒng)計(jì)給出，因此，功能-結(jié)構(gòu)直接映射模型可表示為

(10)

j=1,2,4t=1,2,…,ki=1,2,…,m

圖6 基本功能表面的幾何類型向結(jié)構(gòu)表面的映射過(guò)程Fig.6 The mapping process of basic functional surfaces’ geometric type to structural surfaces

(3)功能域其他信息映射。功能域其他信息應(yīng)向結(jié)構(gòu)域傳遞，用來(lái)指導(dǎo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)重構(gòu)過(guò)程，其映射模型可表示為

(11)

將式(9)～式(11)的映射模型關(guān)系表達(dá)式聯(lián)立，則拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的功能-結(jié)構(gòu)映射模型fF→D可表示為

(12)

式中，Ds為拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)集合；Dsi為零部件Pi對(duì)拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)約束矩陣。

3.1.3拆卸設(shè)備結(jié)構(gòu)重構(gòu)

(a) (b) (c) (d)圖7 基于結(jié)構(gòu)約束矩陣的結(jié)構(gòu)重構(gòu)過(guò)程Fig.7 The process of structural reconstruction based on structure constraint matrix

3.2 基于功構(gòu)映射原理的拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)框架

基于功構(gòu)映射原理對(duì)拆卸設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行建模，其設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖8。

圖8 基于功構(gòu)映射原理的拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)框架Fig.8 The design frame of dismantling equipment based on function to structure mapping

4 實(shí)例

基于功構(gòu)映射原理對(duì)鍵盤拆卸設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，鍵盤模型如圖9所示。假設(shè)用戶要求為局部破壞性完全拆卸，則其需求域信息集合可表示為

Rs={R1,R2,R3,R4,R5}
R1={產(chǎn)品名稱：鍵盤,產(chǎn)品型號(hào):XXX,
零部件數(shù)量:10,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),…}
R2={零部件幾何特征,零部件尺寸參數(shù),
零部件材料屬性,零部件質(zhì)量,…}
R3={零部件連接類型，零部件約束關(guān)系，
零部件約束強(qiáng)度，拆卸目標(biāo)零部件，…}
R4={外觀狀況，變形信息，缺損信息，腐蝕信息，…}
R5={局部破壞性完全拆卸}

A.鍵盤上殼 B.橡膠片 C.塑料電路片D.鍵盤下殼 E.外殼螺釘 F.內(nèi)部螺釘G.電路板 H.組合墊片 I.數(shù)據(jù)線圖9 鍵盤模型圖Fig.9 The model of keyboard

按照需求-功能映射模型，從鍵盤需求域信息集合中提取拆卸信息元，見(jiàn)表4，由于用戶要求是完全拆卸，無(wú)需單獨(dú)指定某一個(gè)目標(biāo)零部件，因此折卸目標(biāo)零件均為無(wú)。以零件D為基座，構(gòu)造鍵盤拆卸混合圖見(jiàn)圖10。為簡(jiǎn)化求解過(guò)程，連接件零件E和F以連接邊的形式出現(xiàn)，以連接線上的連接件E為例，在拆卸連接件E兩端的任一頂點(diǎn)A或D時(shí)，連接件E須先于該頂點(diǎn)進(jìn)行拆卸，連接件F的折卸順序與之相同。根據(jù)鍵盤拆卸混合圖建立鄰接矩陣M1和約束矩陣M2，其表達(dá)式分別如下：

(13)

(14)

表4 鍵盤需求域拆卸信息

圖10 鍵盤拆卸混合圖Fig.10 The mixed graph of keyboard

依據(jù)圖5中的流程得到鍵盤拆卸序列為{E;A;F;(B,G);(C,H,I)}，由于將零件E、A和F拆卸后，零件B、G、C和H之間不存在任何的連接約束，因此不需要再對(duì)其進(jìn)行拆卸作業(yè)，則需求-功能映射模型fR→F可表示為

(15)

依據(jù)圖3的功能域分解模型對(duì)鍵盤功能域進(jìn)行分解，鍵盤功能表面序號(hào)見(jiàn)圖11。以拆卸零件E為例，按定位功能、夾持功能、移除功能、輔助功能對(duì)其進(jìn)行功能分解，并確定零件E的功能集合，其表達(dá)式如下:

(16)

圖11 鍵盤表面示意圖Fig.11 The diagram of keyboard surfaces

確定零件E的功能集合后，移除零件E及其約束，同理可依次確定零件A、F、I的定位功能表面集合、夾持功能表面集合、約束功能表面集合和輔助功能表面集合，使用功能表面集成規(guī)則對(duì)上述零部件的功能表面集合進(jìn)行選擇，得到鍵盤拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的功能集合，其表達(dá)式如下:

(17)

本文僅介紹零件E的功能-結(jié)構(gòu)映射和拆卸結(jié)構(gòu)重構(gòu)過(guò)程。從鍵盤需求域信息集合中的零部件幾何特征信息和幾何尺寸參數(shù)信息提取零件E功能表面的幾何類型和尺寸參數(shù)，尺寸參數(shù)單位為mm。調(diào)整矩陣w由設(shè)計(jì)人員根據(jù)功能表面尺寸范圍的統(tǒng)計(jì)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)給出，其功能-結(jié)構(gòu)映射過(guò)程的表達(dá)式分別如下:

(18)

(19)

(20)

綜合式(18)～式(20)的映射過(guò)程，零件E對(duì)鍵盤拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)約束矩陣Ds1可表示為

(21)

式(21)在空間坐標(biāo)系中表達(dá)的結(jié)構(gòu)重構(gòu)約束見(jiàn)圖12,其中模塊①和模塊②為結(jié)構(gòu)表面約束，模塊③為拆卸行為約束。由于模塊①和模塊②對(duì)稱，結(jié)構(gòu)相同，因此只需對(duì)模塊②和模塊③進(jìn)行結(jié)構(gòu)重構(gòu)。依據(jù)結(jié)構(gòu)重構(gòu)原理(式(1))分別對(duì)模塊②和模塊③進(jìn)行結(jié)構(gòu)表面重構(gòu)和行為重構(gòu)，模塊②的重構(gòu)過(guò)程見(jiàn)圖13，模塊③的重構(gòu)過(guò)程見(jiàn)圖14，即可得到拆卸零件E的拆卸機(jī)構(gòu)(即組合夾具和拆卸行為機(jī)構(gòu))，對(duì)應(yīng)圖15中的定制夾具和零件E拆卸機(jī)構(gòu)。

重復(fù)上述功能-結(jié)構(gòu)映射過(guò)程可得到拆卸零件A、F、I的結(jié)構(gòu)約束矩陣Ds2、Ds3、Ds4，并基于重構(gòu)原理實(shí)現(xiàn)拆卸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。最后，基于結(jié)構(gòu)集合的結(jié)構(gòu)重構(gòu)過(guò)程(式(1))實(shí)現(xiàn)的鍵盤拆卸設(shè)備如圖15所示，此鍵盤拆卸設(shè)備已提出國(guó)家發(fā)明專利申請(qǐng)。

圖12 零件E結(jié)構(gòu)重構(gòu)約束簡(jiǎn)圖Fig.12 The constrain diagram of structural reconfiguration of part E

圖13 零件E的模塊②結(jié)構(gòu)重構(gòu)過(guò)程Fig.13 The structure reconstruction process of the module ② of part E

圖14 零件E的模塊③結(jié)構(gòu)重構(gòu)過(guò)程Fig.14 The structure reconstruction process of the module ③ of part E

1.機(jī)架 2.電動(dòng)螺絲刀 3.液壓缸 4.滑軌5.零件I剪切機(jī)構(gòu) 6.零件收集箱 7.零件E拆卸機(jī)構(gòu)8.零件A收集器 9.夾具傳動(dòng)模組10.定制夾具(零件A移除機(jī)構(gòu)) 11.零件F拆卸機(jī)構(gòu)12.電機(jī)圖15 鍵盤拆卸設(shè)備Fig.15 The dismantling equipment of keyboard

5 結(jié)論

(1)針對(duì)拆卸過(guò)程的特殊性，提出了基于功構(gòu)映射原理的拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)方法。

(2)基于拆卸對(duì)象和功構(gòu)映射原理，將拆卸設(shè)備的概念設(shè)計(jì)過(guò)程劃分為需求域、功能域、行為性能域和結(jié)構(gòu)域，并構(gòu)造了需求信息集合、功能集合、行為性能集合和結(jié)構(gòu)集合，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程。

(3)識(shí)別并提取了指導(dǎo)拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵拆卸對(duì)象信息，構(gòu)造了需求-功能映射模型和功能-結(jié)構(gòu)映射模型，以實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)約束的層級(jí)具體化。

(4)通過(guò)映射生成拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)重構(gòu)基本約束矩陣及其約束基本簡(jiǎn)圖，將結(jié)構(gòu)表面作為拆卸設(shè)備結(jié)構(gòu)重構(gòu)的粒度，使其設(shè)計(jì)過(guò)程具有更大的創(chuàng)新性。

本設(shè)計(jì)方法僅生成了拆卸設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征和部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，下一步將對(duì)拆卸力、力矩、拆卸速度等其他參數(shù)進(jìn)行研究，并利用CAD技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息和約束的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。