退役機床再制造評估與工藝方案決策研究

湯松萍

（萍鄉學院機械電子工程學院，江西萍鄉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，況且部分還屬20世紀70、80年代生產的設備。國產機床經過長時間的服役，嚴重老化，從十一五期間起陸續開始退役，等待報廢。至十二五期間，因技術壽命、經濟壽命或環境壽命，需要淘汰、報廢的機床數量已達高峰期。據有關研究反映，十二五期間國內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品，是現代工業制造業發展的基礎，在工業發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，據查閱到的國家統計局數據反映，在2009～2012年，累計國產機床的產量達496.2 萬臺，累計國產機床的工業銷售產值逾23 536.7 億元，且產量、產值均逐年遞增，見圖1。

圖1 2009～2012年我國機床生產量及工業銷售熱值

眼下，20 世紀80年代及其更早以前產出的國產機床約有800萬臺。由于機床還沒有生命周期強制報廢的規定，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，甚至于還引發機床漏油、造成環境污染等現象。另外，這些機床因其元器件老化、電氣控制系統技術已嚴重落伍，故障率很高。而對廢舊機床而言，其構成主體的機床鑄件部件回收利用價值最大。據推測，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資源利用率將可達85 %，相比新機床制造還節能80 %，況且污染排放將降低90%，在節能之時，還解決了廢品處理與新品加工造成的環境污染難題[1]。因而，退役機床的再制造更具研究價值和發展前景。

1.2 評估決策優化存在的問題

退役機床再制造盡管符合現階段我國制造業發展的國情，況且與我國綠色制造的國策切合，與發展低碳經濟的理念一致，我國的產業政策也對該產業大力扶助，但因產業起步晚水平低，實際操作中問題很多。例如，再制造企業對廢舊機床的回收利用，往往僅憑有經驗的操作工在主觀上判斷是否可以再制造，評估方法缺乏科學性；因為退役機床的服役環境不同，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中最易忽視這一問題；況且，退役機床拆解之后，機床主體構件的主軸箱、導軌、床鞍等基礎零部件的再制造（利用）、或再循環的資源化策略仍由有經驗的操作工再行主觀判斷，不使用科學的手段方法進行分析，其做法已經落伍；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，會使加工的質量、效率、成本，甚至是資源消耗與環境排放等指標發生偏移。而在實際再制造中，又往往僅關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、最重要的環節?；谠僦圃煸u估決策優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修復實現再制造之目的，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，還可減少其對應新品制造加工中產生大量油霧、粉塵、熱輻射等環境污染物的排放，使環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，提高系統機控性能，如增設數控、伺服系統等。然而伴隨自動化終端增設，顯然成本相對于未再制造時該機床的相對應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，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。按預測，凡是再制造的機床，比采購同款新機床可節省成本費用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，又縮減了產品周期時間。比如，1 臺服役十年Z3050的搖臂鉆床，導軌表體已經嚴重劃傷，7～10天再制造周期，就能滿足該款機床新品出廠時的技術標準要求，而如果是投產該一新機床則一般需要18個月。

（3）有利于新興的節能環保型產業的興起并形成巨大產值。據相關資料顯示，我國已有總量超過200萬臺的退役機床可用于機床再制造，這是一筆規模龐大的、可循環利用的、可形成產業發展的、潛在的機床再制造資源，假若將這些退役機床經過先進工藝設計后，再實施再制造市場大開發，將會激活市場培育大效應。若我國當下若有大重型機床31 萬臺可供再制造，假如可能真正完成其1 %的分量，都能營造高達數百億元的大規模市場。為此，將大量老舊機床設備進行再制造性資源循環再利用，既節能又環保，且形成的新興產業其產值巨大。

總之，退役機床再制造技術研究，是我國實施機床再制造戰略中機床廠探求面對的技術之一。退役機床再制造技術研究實施，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，實現節約資源能源、降低環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，具有重要的實際應用價值與意義。

3 研究現狀及其發展趨勢

3.1 國外發達國家再制造已成新興產業

歐美發達國家，再制造產業規模大、領域廣，涵蓋機床、汽車、工程機械等行業。如，退役機床再制造是美國最重視的再制造業之一，在美國已形成了產業鏈，同時也是經濟增長亮點之一。美國當下約有再制造機床企業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實踐。經過專業化再制造分工，已使再制造業工藝更先進，服務更優質。如，美國機床再制造業已制定了行業標準，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公司則分別從事數控加工中心、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字化再制造[8]。在西歐，德國政府自1991年始就有?？钪С謾C床再制造的政策，機床再制造業分類已經專業化：退役機床采購商，退役機床改造公司、數控配置改裝公司，退役機床專業再制造公司與科研院所機構。西歐的吉特邁集團雖在歐洲機床制造企業中規模大、名氣大，擁有125年的歷史，但同樣積極參與再制造機床技術革新各項活動[9-11]。而日本卻是以國產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再制造業務的企業之一[12-14]。

3.2 國內機床再制造起步較晚且規模有限

國內機床再制造從業主體仍為機床制造企業，多半是針對自產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、物流等優勢。例如：重慶機床廠專屬我國機床再制造的試點企業，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也具規模，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，產值6 千多萬元，節約購買同款型號機床資金費用約1.5 億元；廣州機床廠則研發了成套的工裝設備，建成了示范性的再制造生產線，而且他們還在成熟產品的檢驗標準與工藝流程的基礎上，制定了再制造的技術標準與工藝標準，如簡式數控車床再制造工藝、精度標準和檢驗規范；沈陽機床廠則在國內最早就實施了以舊換新的退役機床再制造業務。但我國的退役機床再制造企業中還有一類企業是從事機床數控系統制造企業，主營業務是為再制造機床專業匹配相配套的數控系統，這樣既推廣了廠家的數控系統，拓展了業務，又擴大了產品的品牌效應。

4 評估與工藝方案優化擬解決的問題

國內外學者在退役機床再制造、再制造評估與工藝方案優化的相關領域進行了卓越研究，并取得了豐富的成果。但這些成果真正應用到機床再制造領域卻并不很多，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合的方法研究上，受制在經濟與技術、環境與效益的可行性層面來著手進一步研究，然而隨著科技的發展，機床再制造的主要影響已非僅為環境性與技術性因素了，再制造的成本因素已成了機床制造企業是否進行機床再制造的決策關鍵，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的選擇、工藝時間的預測與工藝參數的優化等研究，而此類研究應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。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計，并在其資源化策略的基礎上對其工藝技術方案進行進一步的決策分析與優化。

（1）根據機床的失效特征不同，將導致成本測算出現差異情況，擬研發運用分析技術分析其差異性，建立評估模型，預測再制造的成本，設定再制造的目標利潤。

（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網絡和威布爾分布技術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，并依照企業規定的可靠性閾值，對其進行再制造性資源化策略。

（3）對工藝資源優化配置的方案分析決策，擬建立目標規劃與質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的函數關聯，研究運用參數求解。在此基礎上，利用目標規劃下的人工智能支持系統，進行決策優化，包括保證成本估測、批產造價稅費、銷售目標利率預設等，實施人工智能與決策建模輔助，獲得最優化的工藝技術方案。

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化配置的人工神經網絡技術。

5 研究方法、技術路線及可行性分析

5.1 研究方法

具體方法有：一是構建機床失效特征與成本的關系，建立再制造分析應用評估模型；二是采用威布爾分布技術和利用人工神經網絡，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、質量、資源消耗及環境排放做目標，以工藝技術參數做變量，構建再制造工藝多目標方案的決策模型；四是開發機床再制造評估與工藝方案決策方法支持系統。

5.2 技術路線及可行性分析

技術路線（實驗方案），見圖2?？尚行杂? 個方面。

圖2 技術路線圖

（1）建立再制造成本預測評估模型，可對再制造的成本進行預測。按同類型號經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，并總結構建出一種失效特征和再制造成本間的關系。經過成本保證推斷、稅費的推算、利率的推算，能預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新機床原價以及性能相當的再制造機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、再利用還是再循環提供預判參考的科學依據。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聯性失效數據，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特征的退化數據分析提取，借助人工神經網絡技術預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，再經剩余壽命內使用水平的可靠性分析，就能針對設定再制造件相應的資源化策略。

（3）建立多目標決策的零部件再制造工藝方案模型，可得到最優化的再制造工藝。如對經策略規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，從工藝方案中擇優執行。第一，通過工藝方案功能展開使再制造決策轉換成多目標規劃，以致決策變量與目標轉化為函數關系；第二，根據決策信息的多目標模糊性，對參數實施模糊線性回歸方法估計；第三，采用目標規劃法，在備選方案中選擇出最優的再制造工藝方案。

（4）開發基于評估與工藝方案決策的退役機床再制造支持系統，能有效輔助退役機床再制造評估及工藝資源優化配置的科學決策。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，能夠預測失效特征不同 的機床再制造成本。作業成本過程預測，見圖4。

圖4 作業成本法的計算過程

6 工藝方法研究的技術經濟指標分析

（1）在機床廠實際再制造生產過程中，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，工藝路線和技術的設計，提供決策輔助與參考。尤其是通過開發再制造的決策支持系統，將有效促進退役機床的批量再制造，提高機床企業的再制造效率。

（2）在機床再制造性評估相關技術研究過程中，技術經濟指標可行性論證始終貫穿于退役機床再制造的整個過程，基于成本體現的技術經濟指標的可行性包括對能源、物料、污染排放等環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技術研究過程中，基于網絡隨機評審技術的再制造工藝路線的描繪與優化[16]，以及基于再制造零部件質量程度的不同，造成工藝耗時不確定性的技術經濟因素，都可利用再制造工藝模糊學習系統的人工智能技術，進行自動預測與區域性規劃[17]。如以機床的再制造導軌為例，即可通過基于模糊理論與專家知識相結合的工藝優化模型的建立，使導軌再制造的技術參數與經濟指標得到優化[18]。

7 結語

隨著《中國制造2025》戰略的實施，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。國家應將有一完整體系來規定機床能源的利用率，關注機床設計的能耗，提高機床壽命到期后的再制造柔性，以更好應對退役機床的再制造處理，使機床資源得到更好的利用。