湯松萍

（萍鄉(xiāng)學(xué)院機械電子工程學(xué)院，江西萍鄉(xiāng)337055）

我國機床保有量和消費量居世界之首，擁有超過幾千萬億元機床資產(chǎn)，況且部分還屬20世紀(jì)70、80年代生產(chǎn)的設(shè)備。國產(chǎn)機床經(jīng)過長時間的服役，嚴(yán)重老化，從十一五期間起陸續(xù)開始退役，等待報廢。至十二五期間，因技術(shù)壽命、經(jīng)濟壽命或環(huán)境壽命，需要淘汰、報廢的機床數(shù)量已達高峰期。據(jù)有關(guān)研究反映，十二五期間國內(nèi)面臨不同類型退役的機床就逾100萬臺，這為再制造提供了豐富的研究資源。

1 前景及評估決策存在的問題

1.1 前景

機床作為一種典型的機電產(chǎn)品，是現(xiàn)代工業(yè)制造業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，在工業(yè)發(fā)展中有著難以估量的作用。我國是世界機床使用大國（消費大國）和制造大國，據(jù)查閱到的國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)反映，在2009～2012年，累計國產(chǎn)機床的產(chǎn)量達496.2 萬臺，累計國產(chǎn)機床的工業(yè)銷售產(chǎn)值逾23 536.7 億元，且產(chǎn)量、產(chǎn)值均逐年遞增，見圖1。

圖1 2009～2012年我國機床生產(chǎn)量及工業(yè)銷售熱值

眼下，20 世紀(jì)80年代及其更早以前產(chǎn)出的國產(chǎn)機床約有800萬臺。由于機床還沒有生命周期強制報廢的規(guī)定，以致這些機床已普遍服役了二三十年，因機械劃傷、磨損，加工精度下降，零件機加工中的加工能耗比與廢品率不斷上升，甚至于還引發(fā)機床漏油、造成環(huán)境污染等現(xiàn)象。另外，這些機床因其元器件老化、電氣控制系統(tǒng)技術(shù)已嚴(yán)重落伍，故障率很高。而對廢舊機床而言，其構(gòu)成主體的機床鑄件部件回收利用價值最大。據(jù)推測，假如能將廢舊的床身、立柱等鑄件充分利用回收，則退役機床再制造的重復(fù)資源利用率將可達85 %，相比新機床制造還節(jié)能80 %，況且污染排放將降低90%，在節(jié)能之時，還解決了廢品處理與新品加工造成的環(huán)境污染難題[1]。因而，退役機床的再制造更具研究價值和發(fā)展前景。

1.2 評估決策優(yōu)化存在的問題

退役機床再制造盡管符合現(xiàn)階段我國制造業(yè)發(fā)展的國情，況且與我國綠色制造的國策切合，與發(fā)展低碳經(jīng)濟的理念一致，我國的產(chǎn)業(yè)政策也對該產(chǎn)業(yè)大力扶助，但因產(chǎn)業(yè)起步晚水平低，實際操作中問題很多。例如，再制造企業(yè)對廢舊機床的回收利用，往往僅憑有經(jīng)驗的操作工在主觀上判斷是否可以再制造，評估方法缺乏科學(xué)性；因為退役機床的服役環(huán)境不同，其失效特征與等級也不同，即便型號相同，其再制造成本也存在較大差異，而在再制造實際生產(chǎn)中最易忽視這一問題；況且，退役機床拆解之后，機床主體構(gòu)件的主軸箱、導(dǎo)軌、床鞍等基礎(chǔ)零部件的再制造（利用）、或再循環(huán)的資源化策略仍由有經(jīng)驗的操作工再行主觀判斷，不使用科學(xué)的手段方法進行分析，其做法已經(jīng)落伍；隨著科技水平提高，機床再制造工藝將更具多樣性和先進性，運用不同工藝的零部件加工方案，會使加工的質(zhì)量、效率、成本，甚至是資源消耗與環(huán)境排放等指標(biāo)發(fā)生偏移。而在實際再制造中，又往往僅關(guān)注其中的某幾個或一個面（點），未綜合測評所有的影響因素。因此，很有必要開展對退役機床再制造的評估和工藝方案決策方法的研究，為退役機床再制造提供科技創(chuàng)新研究支撐。

2 機床再制造研究的意義

機床是制造之母。在裝備再制造中，制造裝備——機床的再制造是主要的部分，而退役機床再制造又是制造裝備再制造中最基礎(chǔ)、最重要的環(huán)節(jié)?；谠僦圃煸u估決策優(yōu)化來探討退役機床再制造的研究，則更具其意義。

（1）提高資源利用，減少環(huán)境排放。退役機床立柱與床身、尾座和主軸箱等機械部件或零件都能經(jīng)修復(fù)實現(xiàn)再制造之目的，特別是立柱、床身等鑄件的機械性能會隨其使用壽命的增長而更為穩(wěn)定，從而使機床再制造的可靠性得到提升。況且，如以重量做單位來度量其再制造后的資源利用率將逾80%，與此同時，對于可以再制造的那一部分回收利用的零部件，還可減少其對應(yīng)新品制造加工中產(chǎn)生大量油霧、粉塵、熱輻射等環(huán)境污染物的排放，使環(huán)境保護的效益明顯增加。

（2）壓縮制造周期，降低加工成本。再制造機床的成本，可從兩方面來分析：

一是與再制造前的新機床制造相比較。我國退役機床大部分零部件的再制造均以手工操作為主，自動化與信息化程度較低。再制造時，首先有必要為其配置信息化終端，提高系統(tǒng)機控性能，如增設(shè)數(shù)控、伺服系統(tǒng)等。然而伴隨自動化終端增設(shè)，顯然成本相對于未再制造時該機床的相對應(yīng)的機床新品還要更高，固然增配后再制造機床的性能也比原新機床更優(yōu)，提高了性價比。

二是同款機床進行再制造前后的成本對比。如兩機床的性能同等時，會因再制造后退役機床的零部件的成本遠低于同款新機床零部件成本，會使再制造造價更優(yōu)。按預(yù)測，凡是再制造的機床，比采購?fù)钚聶C床可節(jié)省成本費用60～80%。況且，機床再制造使原機床的零部件得以充分利用，既節(jié)省了這些新零部件制造過程的原材料采購及加工時間，又縮減了產(chǎn)品周期時間。比如，1 臺服役十年Z3050的搖臂鉆床，導(dǎo)軌表體已經(jīng)嚴(yán)重劃傷，7～10天再制造周期，就能滿足該款機床新品出廠時的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，而如果是投產(chǎn)該一新機床則一般需要18個月。

（3）有利于新興的節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)業(yè)的興起并形成巨大產(chǎn)值。據(jù)相關(guān)資料顯示，我國已有總量超過200萬臺的退役機床可用于機床再制造，這是一筆規(guī)模龐大的、可循環(huán)利用的、可形成產(chǎn)業(yè)發(fā)展的、潛在的機床再制造資源，假若將這些退役機床經(jīng)過先進工藝設(shè)計后，再實施再制造市場大開發(fā)，將會激活市場培育大效應(yīng)。若我國當(dāng)下若有大重型機床31 萬臺可供再制造，假如可能真正完成其1 %的分量，都能營造高達數(shù)百億元的大規(guī)模市場。為此，將大量老舊機床設(shè)備進行再制造性資源循環(huán)再利用，既節(jié)能又環(huán)保，且形成的新興產(chǎn)業(yè)其產(chǎn)值巨大。

總之，退役機床再制造技術(shù)研究，是我國實施機床再制造戰(zhàn)略中機床廠探求面對的技術(shù)之一。退役機床再制造技術(shù)研究實施，對降低機床裝配全壽命周期費用，全面提升退役機床裝配性能和壽命，實現(xiàn)節(jié)約資源能源、降低環(huán)境排放等多方面效果，提升我國量大面廣的退役機床的整體技術(shù)性能和信息化水平，延長其壽命周期和服役時間，具有重要的實際應(yīng)用價值與意義。

3 研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

3.1 國外發(fā)達國家再制造已成新興產(chǎn)業(yè)

歐美發(fā)達國家，再制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模大、領(lǐng)域廣，涵蓋機床、汽車、工程機械等行業(yè)。如，退役機床再制造是美國最重視的再制造業(yè)之一，在美國已形成了產(chǎn)業(yè)鏈，同時也是經(jīng)濟增長亮點之一。美國當(dāng)下約有再制造機床企業(yè)300 家，從事多功能機、金屬切削加工機、大型齒輪加工機等機床分類系列的再制造研究與再制造的生產(chǎn)實踐。經(jīng)過專業(yè)化再制造分工，已使再制造業(yè)工藝更先進，服務(wù)更優(yōu)質(zhì)。如，美國機床再制造業(yè)已制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，哈斯機床制造公司已再制造車、銑、鎖床與加工中心等品牌系列機床2 萬多臺；美國機床制造商公司、美國達尼魯克機床服務(wù)公司則分別從事數(shù)控加工中心、齒輪加工機床再制造[2-7]；美國格里森公司專門從事弧齒銑齒機的數(shù)字化再制造[8]。在西歐，德國政府自1991年始就有專款支持機床再制造的政策，機床再制造業(yè)分類已經(jīng)專業(yè)化：退役機床采購商，退役機床改造公司、數(shù)控配置改裝公司，退役機床專業(yè)再制造公司與科研院所機構(gòu)。西歐的吉特邁集團雖在歐洲機床制造企業(yè)中規(guī)模大、名氣大，擁有125年的歷史，但同樣積極參與再制造機床技術(shù)革新各項活動[9-11]。而日本卻是以國產(chǎn)退役機床作為再制造主要對象（占比高達63%），較早的三寶精機公司就是專業(yè)再制造業(yè)務(wù)的企業(yè)之一[12-14]。

3.2 國內(nèi)機床再制造起步較晚且規(guī)模有限

國內(nèi)機床再制造從業(yè)主體仍為機床制造企業(yè)，多半是針對自產(chǎn)機床開展再制造活動，他們有回收退役機床便捷有效的渠道，還具有技術(shù)、物流等優(yōu)勢。例如：重慶機床廠專屬我國機床再制造的試點企業(yè)，其普通車床C616 系列的再制造利率超過制造新機床利潤、平均利率逾15 %/臺，且滾齒機的再制造業(yè)也具規(guī)模，機床廠相繼將總計800多臺分別來自陜西、重慶不同公司的回收舊機床進行了再制造，產(chǎn)值6 千多萬元，節(jié)約購買同款型號機床資金費用約1.5 億元；廣州機床廠則研發(fā)了成套的工裝設(shè)備，建成了示范性的再制造生產(chǎn)線，而且他們還在成熟產(chǎn)品的檢驗標(biāo)準(zhǔn)與工藝流程的基礎(chǔ)上，制定了再制造的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與工藝標(biāo)準(zhǔn)，如簡式數(shù)控車床再制造工藝、精度標(biāo)準(zhǔn)和檢驗規(guī)范；沈陽機床廠則在國內(nèi)最早就實施了以舊換新的退役機床再制造業(yè)務(wù)。但我國的退役機床再制造企業(yè)中還有一類企業(yè)是從事機床數(shù)控系統(tǒng)制造企業(yè)，主營業(yè)務(wù)是為再制造機床專業(yè)匹配相配套的數(shù)控系統(tǒng)，這樣既推廣了廠家的數(shù)控系統(tǒng)，拓展了業(yè)務(wù)，又擴大了產(chǎn)品的品牌效應(yīng)。

4 評估與工藝方案優(yōu)化擬解決的問題

國內(nèi)外學(xué)者在退役機床再制造、再制造評估與工藝方案優(yōu)化的相關(guān)領(lǐng)域進行了卓越研究，并取得了豐富的成果。但這些成果真正應(yīng)用到機床再制造領(lǐng)域卻并不很多，尤其是針對退役機床再制造評估的研究，目前仍然停留在定量與定性相結(jié)合的方法研究上，受制在經(jīng)濟與技術(shù)、環(huán)境與效益的可行性層面來著手進一步研究，然而隨著科技的發(fā)展，機床再制造的主要影響已非僅為環(huán)境性與技術(shù)性因素了，再制造的成本因素已成了機床制造企業(yè)是否進行機床再制造的決策關(guān)鍵，而以往所有針對再制造成本因素的研究并不多。在再制造決策方法與工藝方案方面，已有成果大多局限于再制造工藝技術(shù)的選擇、工藝時間的預(yù)測與工藝參數(shù)的優(yōu)化等研究，而此類研究應(yīng)在工藝方案既定下進行，對于單一零部件來說，其再制造工藝路線具有多種多樣，但方案必須最優(yōu)。對此，對不同失效特征對象的再制造需從其成本決策評估來設(shè)計，并在其資源化策略的基礎(chǔ)上對其工藝技術(shù)方案進行進一步的決策分析與優(yōu)化。

（1）根據(jù)機床的失效特征不同，將導(dǎo)致成本測算出現(xiàn)差異情況，擬研發(fā)運用分析技術(shù)分析其差異性，建立評估模型，預(yù)測再制造的成本，設(shè)定再制造的目標(biāo)利潤。

（2）對退役機床零部件進行資源化策略，擬研究運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和威布爾分布技術(shù)評估退役零部件的剩余使用壽命的情況，將機床具備剩余使用壽命零部件，進行首次壽命與剩余壽命間的可靠性分析，并依照企業(yè)規(guī)定的可靠性閾值，對其進行再制造性資源化策略。

（3）對工藝資源優(yōu)化配置的方案分析決策，擬建立目標(biāo)規(guī)劃與質(zhì)量功能展開等要素的模糊線性回歸決策模型，通過決策變量和決策目標(biāo)的函數(shù)關(guān)聯(lián)，研究運用參數(shù)求解。在此基礎(chǔ)上，利用目標(biāo)規(guī)劃下的人工智能支持系統(tǒng)，進行決策優(yōu)化，包括保證成本估測、批產(chǎn)造價稅費、銷售目標(biāo)利率預(yù)設(shè)等，實施人工智能與決策建模輔助，獲得最優(yōu)化的工藝技術(shù)方案。

總之，目前退役機床再制造及其工藝方法研究擬解決的關(guān)鍵問題是：退役機床零部件資源化策略及再制造性成本評估測算方法；退役機床再制造性評估與再制造工藝資源優(yōu)化配置的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

5 研究方法、技術(shù)路線及可行性分析

5.1 研究方法

具體方法有：一是構(gòu)建機床失效特征與成本的關(guān)系，建立再制造分析應(yīng)用評估模型；二是采用威布爾分布技術(shù)和利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立零部件再制造策略選擇模型，選用零部件資源策略化方案，評估剩余使用壽命；三是分別以加工成本、效率、質(zhì)量、資源消耗及環(huán)境排放做目標(biāo)，以工藝技術(shù)參數(shù)做變量，構(gòu)建再制造工藝多目標(biāo)方案的決策模型；四是開發(fā)機床再制造評估與工藝方案決策方法支持系統(tǒng)。

5.2 技術(shù)路線及可行性分析

技術(shù)路線（實驗方案），見圖2?？尚行杂? 個方面。

圖2 技術(shù)路線圖

（1）建立再制造成本預(yù)測評估模型，可對再制造的成本進行預(yù)測。按同類型號經(jīng)費測算所需將機床按再制造拆卸、清洗、檢測、回收、再制造加工所需有序歸集與分配，可測算型號相同而失效特征不同的再制造零部件成本，并總結(jié)構(gòu)建出一種失效特征和再制造成本間的關(guān)系。經(jīng)過成本保證推斷、稅費的推算、利率的推算，能預(yù)測得到機床再制造后的市場價，用此市價與再制造前該機床的對應(yīng)新機床原價以及性能相當(dāng)?shù)脑僦圃鞕C床的銷售價進行對比，即可判定該機床再制造價值是否存在。

（2）建立資源化零部件選擇策略模型，能為零部件是再制造、再利用還是再循環(huán)提供預(yù)判參考的科學(xué)依據(jù)。再制造機床盡管有其再制造價值，也并不等于其全部零部件都會有再利用的價值，而是需要對所有零部件實施資源化策略選擇后才能決定。首先獲取擬再制造零部件的關(guān)聯(lián)性失效數(shù)據(jù)，利用威布爾分布的模型將其平均的使用壽命測算出來。然后要將零部件表征性能指標(biāo)特征的退化數(shù)據(jù)分析提取，借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測被再制造對象實際使用壽命。采用再制造對象實際的與平均的使用壽命相比較，從而推斷其剩余使用壽命，再經(jīng)剩余壽命內(nèi)使用水平的可靠性分析，就能針對設(shè)定再制造件相應(yīng)的資源化策略。

（3）建立多目標(biāo)決策的零部件再制造工藝方案模型，可得到最優(yōu)化的再制造工藝。如對經(jīng)策略規(guī)劃已繼定的再制造零部件，就需在再制造加工之前，通盤考慮再制造多種可行工藝方案，從工藝方案中擇優(yōu)執(zhí)行。第一，通過工藝方案功能展開使再制造決策轉(zhuǎn)換成多目標(biāo)規(guī)劃，以致決策變量與目標(biāo)轉(zhuǎn)化為函數(shù)關(guān)系；第二，根據(jù)決策信息的多目標(biāo)模糊性，對參數(shù)實施模糊線性回歸方法估計；第三，采用目標(biāo)規(guī)劃法，在備選方案中選擇出最優(yōu)的再制造工藝方案。

（4）開發(fā)基于評估與工藝方案決策的退役機床再制造支持系統(tǒng)，能有效輔助退役機床再制造評估及工藝資源優(yōu)化配置的科學(xué)決策。機床再制造性評估框架，見圖3。

圖3 機床再制造性評估模型

依照圖3所示的流程，能夠預(yù)測失效特征不同 的機床再制造成本。作業(yè)成本過程預(yù)測，見圖4。

圖4 作業(yè)成本法的計算過程

6 工藝方法研究的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)分析

（1）在機床廠實際再制造生產(chǎn)過程中，對退役機床再制造及其工藝方法的研究，將為廢舊機床的回收，再制造成本的測試，工藝路線和技術(shù)的設(shè)計，提供決策輔助與參考。尤其是通過開發(fā)再制造的決策支持系統(tǒng)，將有效促進退役機床的批量再制造，提高機床企業(yè)的再制造效率。

（2）在機床再制造性評估相關(guān)技術(shù)研究過程中，技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)可行性論證始終貫穿于退役機床再制造的整個過程，基于成本體現(xiàn)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的可行性包括對能源、物料、污染排放等環(huán)境效益的評價和考量[15]。

（3）在機床再制造工藝方案決策方法相關(guān)技術(shù)研究過程中，基于網(wǎng)絡(luò)隨機評審技術(shù)的再制造工藝路線的描繪與優(yōu)化[16]，以及基于再制造零部件質(zhì)量程度的不同，造成工藝耗時不確定性的技術(shù)經(jīng)濟因素，都可利用再制造工藝模糊學(xué)習(xí)系統(tǒng)的人工智能技術(shù)，進行自動預(yù)測與區(qū)域性規(guī)劃[17]。如以機床的再制造導(dǎo)軌為例，即可通過基于模糊理論與專家知識相結(jié)合的工藝優(yōu)化模型的建立，使導(dǎo)軌再制造的技術(shù)參數(shù)與經(jīng)濟指標(biāo)得到優(yōu)化[18]。

7 結(jié)語

隨著《中國制造2025》戰(zhàn)略的實施，我國退役機床的保有量、能源的利用量仍將日漸增大，退役機床再制造評估與再制造工藝方案決策方法的研究將任重道遠。國家應(yīng)將有一完整體系來規(guī)定機床能源的利用率，關(guān)注機床設(shè)計的能耗，提高機床壽命到期后的再制造柔性，以更好應(yīng)對退役機床的再制造處理，使機床資源得到更好的利用。