退役機(jī)床再制造評估與工藝方案決策研究

湯松萍

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

我國機(jī)床保有量和消費量居世界之首，擁有超過幾千萬億元機(jī)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(jī)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(jì)壽命或環(huán)境壽命，需要淘汰、報廢的機(jī)床數(shù)量已達(dá)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(jī)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(jī)床作為一種典型的機(jī)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(jī)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?jǐn)?shù)據(jù)反映，在2009～2012年，累計國產(chǎn)機(jī)床的產(chǎn)量達(dá)496.2 萬臺，累計國產(chǎn)機(jī)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(jī)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(jī)床約有800萬臺。由于機(jī)床還沒有生命周期強(qiáng)制報廢的規(guī)定，以致這些機(jī)床已普遍服役了二三十年，因機(jī)械劃傷、磨損，加工精度下降，零件機(jī)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(jī)床漏油、造成環(huán)境污染等現(xiàn)象。另外，這些機(jī)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(jī)床而言，其構(gòu)成主體的機(jī)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(jī)床再制造的重復(fù)資源利用率將可達(dá)85 %，相比新機(jī)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(jī)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(jī)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(jì)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(jī)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(jī)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(jī)床拆解之后，機(jī)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(jìn)行分析，其做法已經(jīng)落伍；隨著科技水平提高，機(jī)床再制造工藝將更具多樣性和先進(jìn)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(jī)床再制造的評估和工藝方案決策方法的研究，為退役機(jī)床再制造提供科技創(chuàng)新研究支撐。

2 機(jī)床再制造研究的意義

機(jī)床是制造之母。在裝備再制造中，制造裝備——機(jī)床的再制造是主要的部分，而退役機(jī)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(jī)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(jī)床立柱與床身、尾座和主軸箱等機(jī)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(jī)械性能會隨其使用壽命的增長而更為穩(wěn)定，從而使機(jī)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(hù)的效益明顯增加。

（2）壓縮制造周期，降低加工成本。再制造機(jī)床的成本，可從兩方面來分析：

一是與再制造前的新機(jī)床制造相比較。我國退役機(jī)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(jī)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(jī)床的相對應(yīng)的機(jī)床新品還要更高，固然增配后再制造機(jī)床的性能也比原新機(jī)床更優(yōu)，提高了性價比。

二是同款機(jī)床進(jìn)行再制造前后的成本對比。如兩機(jī)床的性能同等時，會因再制造后退役機(jī)床的零部件的成本遠(yuǎn)低于同款新機(jī)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(jī)床，比采購?fù)钚聶C(jī)床可節(jié)省成本費用60～80%。況且，機(jī)床再制造使原機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)床可用于機(jī)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(jī)床再制造資源，假若將這些退役機(jī)床經(jīng)過先進(jìn)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(jī)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(dá)數(shù)百億元的大規(guī)模市場。為此，將大量老舊機(jī)床設(shè)備進(jìn)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(jī)床再制造技術(shù)研究，是我國實施機(jī)床再制造戰(zhàn)略中機(jī)床廠探求面對的技術(shù)之一。退役機(jī)床再制造技術(shù)研究實施，對降低機(jī)床裝配全壽命周期費用，全面提升退役機(jī)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(jī)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(dá)國家再制造已成新興產(chǎn)業(yè)

歐美發(fā)達(dá)國家，再制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模大、領(lǐng)域廣，涵蓋機(jī)床、汽車、工程機(jī)械等行業(yè)。如，退役機(jī)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(jì)增長亮點之一。美國當(dāng)下約有再制造機(jī)床企業(yè)300 家，從事多功能機(jī)、金屬切削加工機(jī)、大型齒輪加工機(jī)等機(jī)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(jìn)，服務(wù)更優(yōu)質(zhì)。如，美國機(jī)床再制造業(yè)已制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，哈斯機(jī)床制造公司已再制造車、銑、鎖床與加工中心等品牌系列機(jī)床2 萬多臺；美國機(jī)床制造商公司、美國達(dá)尼魯克機(jī)床服務(wù)公司則分別從事數(shù)控加工中心、齒輪加工機(jī)床再制造[2-7]；美國格里森公司專門從事弧齒銑齒機(jī)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(jī)床再制造的政策，機(jī)床再制造業(yè)分類已經(jīng)專業(yè)化：退役機(jī)床采購商，退役機(jī)床改造公司、數(shù)控配置改裝公司，退役機(jī)床專業(yè)再制造公司與科研院所機(jī)構(gòu)。西歐的吉特邁集團(tuán)雖在歐洲機(jī)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(jī)床技術(shù)革新各項活動[9-11]。而日本卻是以國產(chǎn)退役機(jī)床作為再制造主要對象（占比高達(dá)63%），較早的三寶精機(jī)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(jī)床再制造起步較晚且規(guī)模有限

國內(nèi)機(jī)床再制造從業(yè)主體仍為機(jī)床制造企業(yè)，多半是針對自產(chǎn)機(jī)床開展再制造活動，他們有回收退役機(jī)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(jī)床廠專屬我國機(jī)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(jī)床利潤、平均利率逾15 %/臺，且滾齒機(jī)的再制造業(yè)也具規(guī)模，機(jī)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(jī)床進(jìn)行了再制造，產(chǎn)值6 千多萬元，節(jié)約購買同款型號機(jī)床資金費用約1.5 億元；廣州機(jī)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(jī)床廠則在國內(nèi)最早就實施了以舊換新的退役機(jī)床再制造業(yè)務(wù)。但我國的退役機(jī)床再制造企業(yè)中還有一類企業(yè)是從事機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)制造企業(yè)，主營業(yè)務(wù)是為再制造機(jī)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?jǐn)U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(jī)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(jìn)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(jī)床再制造領(lǐng)域卻并不很多，尤其是針對退役機(jī)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(jì)與技術(shù)、環(huán)境與效益的可行性層面來著手進(jìn)一步研究，然而隨著科技的發(fā)展，機(jī)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(jī)床制造企業(yè)是否進(jìn)行機(jī)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(jìn)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(jìn)行進(jìn)一步的決策分析與優(yōu)化。

（1）根據(jù)機(jī)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(jī)床零部件進(jìn)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(jī)床具備剩余使用壽命零部件，進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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。可行性有4 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(jìn)行預(yù)測。按同類型號經(jīng)費測算所需將機(jī)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(jī)床再制造后的市場價，用此市價與再制造前該機(jī)床的對應(yīng)新機(jī)床原價以及性能相當(dāng)?shù)脑僦圃鞕C(jī)床的銷售價進(jìn)行對比，即可判定該機(jī)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(jī)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(jī)床再制造支持系統(tǒng)，能有效輔助退役機(jī)床再制造評估及工藝資源優(yōu)化配置的科學(xué)決策。機(jī)床再制造性評估框架，見圖3。

圖3 機(jī)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(jī)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(jì)指標(biāo)分析

（1）在機(jī)床廠實際再制造生產(chǎn)過程中，對退役機(jī)床再制造及其工藝方法的研究，將為廢舊機(jī)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(jìn)退役機(jī)床的批量再制造，提高機(jī)床企業(yè)的再制造效率。

（2）在機(jī)床再制造性評估相關(guān)技術(shù)研究過程中，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可行性論證始終貫穿于退役機(jī)床再制造的整個過程，基于成本體現(xiàn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)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(jì)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(jìn)行自動預(yù)測與區(qū)域性規(guī)劃[17]。如以機(jī)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(jì)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(jī)床的保有量、能源的利用量仍將日漸增大，退役機(jī)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(yuǎn)。國家應(yīng)將有一完整體系來規(guī)定機(jī)床能源的利用率，關(guān)注機(jī)床設(shè)計的能耗，提高機(jī)床壽命到期后的再制造柔性，以更好應(yīng)對退役機(jī)床的再制造處理，使機(jī)床資源得到更好的利用。