循环制造系统中旧部件功能评估的统一实体描述

《JOURNAL OF MANUFACTURING SYSTEMS》：Unified Embodiment Description for functional evaluation of used components in circular manufacturing systems

　　

本文提出了一种统一实体描述（Unified Embodiment Description，UED），用于在循环制造系统中对机械部件的功能进行评估。该描述采用两层结构：第一层构建统一的特征空间，将名义设计（nominal design）、制造偏差（manufacturing variation）和退化效应（degradation effects）统一表征；第二层在该特征空间内推导功能导出的容差区域（functionally derived tolerance regions），为循环制造中的决策提供依据。配套的UED方法用于识别和评估功能相关的实体特征（embodiment characteristics），涵盖设计意图、制造偏差和退化效应三类来源。以角磨机主轴（spindle shaft）为案例，研究人员在真实条件下构建了两层UED，并将设计变更、磨损和划伤与子系统刚度和振动相关联。研究结果表明，UED能够将异构且不断演化的实体状态与功能行为建立定量联系，为旧部件的直接重用、再加工或回收决策提供系统化基础。

论文解读

一、研究背景与问题

随着可持续发展成为生产与产品开发领域的核心目标，循环经济作为将经济增长与资源消耗脱钩的关键概念日益受到重视。修复、再制造和回收等R策略为延长产品生命周期或回收材料提供了不同路径，但这些策略在保留旧产品所蕴含价值与通过未来产品开发实现创新之间存在着固有权衡。为调和这一矛盾，循环工厂（circular factory）的概念被提出，作为一种将价值保留与产品创新相结合的循环制造系统，通过在新一代产品中重用旧部件和子系统来实现可持续制造。

在循环工厂中，被重用的产品不再仅依据其原始规格进行评估，而必须满足不断演化的功能需求。这一转变将价值保留与创新之间的权衡问题转化为：可用部件在变化条件下是否仍能实现所需的功能行为。然而，现有R策略评估方法通常依赖成本、时间、资源消耗或排放等指标，系统性能仅通过质量或可行性等间接指标被捕获，缺乏对功能行为的显式评估。

核心问题在于，旧部件的实体状态并非一个定义明确的状态，而是多种影响叠加的结果：其一，先前使用中积累的退化机制会实例特定地改变部件实体，可能使特征超出规定容差范围并引入名义设计中不存在的附加特征；其二，线性生产和再加工中的制造过程会造成其他偏差，这些偏差作用于现有特征并在过程能力充足时保持在规定容差内；其三，产品开发中有意的设计变更会修改名义实体以适应新需求。这三种影响以潜在冲突的方式相互作用，评估功能行为需要对这些异构且不断演化的实体状态进行一致描述。

现有方法在工程设计、制造和退化分析领域仅以碎片化方式应对这一挑战：设计方法聚焦于名义实体状态，公差分析和基于不确定性的设计关注制造偏差，状态监测关注退化引起的功能行为时间演化。这些视角将实体描述为理想化设计状态、名义规格的偏差或间接通过行为指标表征，而非单个旧部件的叠加状态。因此，在实例特定部件层面选择R策略缺乏系统化的决策基础。本文由此提出研究问题：如何描述部件的叠加实体状态，使其能够系统量化对功能行为的影响，从而支持循环制造系统中的决策？

二、主要技术方法

研究人员提出了一种两层结构的统一实体描述（UED）及其配套方法。第一层为统一特征空间，基于几何产品规范（GPS）识别名义实体特征，利用新部件测量数据表征制造偏差分布，通过知识库和测量策略检测并量化退化模式，并按三种情形将退化描述符集成到特征空间中。第二层为功能导出容差区域，通过假设驱动的系统变化设计、实验测试与数据分析量化实体-功能关系，最终基于功能需求定义容差区域和R策略决策规则。案例研究基于来自5个制造商（A–E）的21根旧主轴和6根新主轴（以Fein CG15-125BL为参考机型），采用数字外径千分尺进行直径测量，并通过人工损伤试样和实验测试装置评估功能行为。

三、研究结果

步骤1：名义特征定义。 基于ISO 3245标准，主轴-轴承界面的名义特征空间由轴径（h6公差）、圆柱度（IT3公差）和表面粗糙度（抛光，Rz≤2.5 μm）构成。跨制造商测量显示，仅制造商A精确按h6公差设计，制造商B、C、E虽有偏差但保持间隙配合，制造商D远超h6公差导致过渡配合，且不同产品代际间差异显著，表明相同部件很少被直接重用。

步骤2：制造偏差表征。 对制造商A的6根新主轴进行测量，所有部件均位于h6公差带内，但存在朝向上限的系统性偏移，平均偏移Δd = ?2.54 μm，为后续退化评估建立了参考分布。

步骤3：退化模式检测与量化。 基于机器元件标准和经验观察建立退化知识库，区分连续效应（如磨粒磨损）和离散效应（如点蚀）。对旧主轴采用适配的测量策略，检测到磨损导致的直径减小、划伤导致的局部几何改变等退化模式。

步骤4：统一特征空间集成。 退化描述符按三种情形集成：现有特征充分（如磨损导致的直径变化）、现有特征需适配（如腐蚀导致的局部硬度评估）、需引入新特征（如点蚀的深度和面积描述符）。同时识别特征间相互作用，如划伤深度作为新局部特征的同时降低局部直径并增加粗糙度。

步骤5：统一特征空间内的系统变化。 采用假设驱动的实验设计，将可控变化（设计变更或再加工措施）与固有变化（退化效应）相结合，引入人工损伤以复现退化实体状态，并定义新件作为功能合规的参考状态。

步骤6：实体-功能关系量化与评估。 建立实验测试装置，将实体偏差与子系统刚度和振动水平等功能指标相关联。数据分析揭示了设计变更、磨损和划伤对功能行为的影响及其相互作用。

步骤7：功能导出容差区域定义。 基于功能需求推导容差区域，将观察到的实体状态映射到R策略：状态位于区域内则直接重用；位于区域外但可通过再加工恢复特征则进行再加工；无法恢复则回收。接近R策略边界的实体状态需加强检测以考虑测量和预测不确定性。

四、讨论与结论

讨论部分指出，UED通过将实体特征与功能容差解耦，实现了跨产品代际、跨制造商和跨使用条件的部件状态一致比较。该方法不仅支持短期R策略决策，还将识别出的敏感性和重复退化模式传递给未来产品代际，支持面向循环使用的更稳健设计。研究结论表明，UED为循环制造系统中旧部件的功能评估提供了系统化框架，填补了现有方法在自适应、实例特定实体描述与功能行为定量关系结合方面的空白。未来研究方向包括将材料相关效应纳入描述、扩展至更广泛的部件类型以及开发自动化测量与评估流程。该论文发表于《JOURNAL OF MANUFACTURING SYSTEMS》。