唐耀红，董甲东，何翠群

(1.漳州职业技术学院，福建 漳州 363000；2.安庆师范学院，安徽 安庆 246133；

3.南昌工程学院 机械与电气工程学院，江西 南昌 330029)



机械制造对称性概念体系及其应用思路

唐耀红1，董甲东2，何翠群3

(1.漳州职业技术学院，福建 漳州 363000；2.安庆师范学院，安徽 安庆 246133；

3.南昌工程学院 机械与电气工程学院，江西 南昌 330029)

摘要：为系统探索机械制造对称性对零件制造的指导作用，对现有机械制造工艺对称性概念体系进行扩展和完善，提出了按照物质对称性、信息对称性和能量对称性进行分类的机械制造对称性概念体系及层次结构。探讨了物质对称性、信息对称性及能量对称性在零件制造中的应用思路与方法。

关键词：机械制造对称性；物质对称性；信息对称性；能量对称性；对称性应用

1机械制造对称性概念及层次结构

机械制造对称性是机械对称性的一个重要分支[1-4]。机械制造对称性是指机械制造系统在制造物质、制造信息及制造能量等方面的多个组成元素之间所具有的某种或某些有规律的重复性或不变性，包含对称主体、对称组元及对称基准等三大要素[5-6]。对称主体是对称的载体，如制造资源、制造方法等；对称组元是对称性中具有重复性规律的多个组成元素，如完成一个零件加工的多个加工方案；对称基准指的是对称性的重复性的标准，如回转体零件的旋转轴。

冯培恩、刘伟平等人开展了关于机械制造工艺对称性的存在及作用机理研究，建立了机械制造工艺对称性的概念体系，将工艺对称性定义为机械制造的工艺方法、过程、设备或其组元之间存在的重复性或不变性，给出了工艺对称性分类体系结构[7]。显然，工艺对称性只是制造对称性的一个侧面，并没有系统性研究制造作为一个系统所具备的对称性属性。本文针对这一不足，将制造系统作为一个整体，提出和发展了按照物质对称性、信息对称性和能量对称性进行分类的机械制造对称性概念体系及层次结构，如图1所示。

1.1　物质对称性

如果机械制造系统在其物质子系统具有多种、多类物质形态或其组合都能完成相同产品(零件)或产品(零件)的某制造特征的制造操作，则称这多种、多类物质形态或其组合之间存在物质对称性。物质对称性的对称主体是机械制造系统的物质形态(含制造方法及过程)；对称组元为能实现产品(零件)或产品(零件)某制造特征加工的多种、多类物质形态或其组合；对称基准为这些物质形态或其组合所能加工的产品(零件)或产品(零件)的制造特征。

1.1.1功能对称性

如果多个、多类制造系统的物质各自所具备的功能(以下简称物质功能)或其功能组合可以实现相同的上一层物质功能，则称对于其实现的上一层物质功能而言，这多个、多类物质功能或功能组合之间存在功能对称性。功能对称性的对称主体是物质手段功能；对称组元为能实现相同上一层物质功能的多个、多种物质手段功能或功能组合；对称基准为这些物质功能或其组合能实现的相同目的物质功能。

图1机械制造对称性概念体系及层次结构

如果多种物质功能各自都能独立实现同一上层物质功能时，称这多种物质功能之间具有功能交换对称性。例如，零件尺寸检测量具的功能是测量零件尺寸，在测量圆柱体直径时，可用游标卡尺功能或螺旋测微器功能来实现，则相对于测量圆柱体直径功能，游标卡尺功能与螺旋测微器功能之间具有功能交换对称性。

如果单个物质功能与多种物质功能的组合能实现相同的上层物质功能时，则相对于其实现的上层物质功能而言，称这单物质功能与物质功能组合具有功能组合对称性，物质功能组合相对于此单物质功能具有功能分解对称性。

如果多种物质功能同时存在于机械制造系统中实现相同的上一层物质功能，但同时只允许选择其中的一种物质功能时，相对于其实现的上一层物质功能而言，就称这些物质功能之间存在功能选择对称性。例如，车间使用的桥式起重机都要有防止被起吊的货物坠落的功能(F)，为此在其起升机构中设置了常闭式制动器(f1)和紧急制动器(f2)。在正常情况下采用常闭式制动器(f1)，只有在断电的情况下启用紧急制动器(f2)，以防止货物坠落。因此，功能f1和f2对功能F而言具有功能选择对称性。

1.1.2原理对称性

在机械制造系统中，如果多个、多种原理或原理组合可以实现相同的产品(零件)制造功能，则称对于其实现的制造功能而言，这多个、多种原理或原理组合之间存在原理对称性。原理对称性的对称主体是原理；对称组元为能实现相同制造功能的多个、多种原理或原理组合；对称基准为这些原理或其组合能实现的相同的制造功能。

若多个、多种原理都能独立实现相同产品(零件)的制造功能时，则称对于其实现的制造功能，这多个、多种原理之间存在原理交换对称性。例如可采用无切削加工原理(热轧齿轮、冷轧齿轮、精锻、粉末冶金等)和切削加工原理(铣齿、拉齿、滚齿、插齿等)来实现齿轮的齿形加工功能，那么这些原理之间就存在原理交换对称性。

如果单个原理与多个或多种原理的组合能获得相同的制造功能，则对于其实现的功能而言，称这单个原理与原理组合之间具有原理分解/组合对称性，即多个、多种原理的组合相对于单个原理具有原理分解对称性，而单个原理相对于多个、多种原理的组合具有原理组合对称性。例如，夹具夹紧机构的动力源是提供夹紧力的功能，既可采用气动夹紧，也可采用气压与液压组合夹紧，显然，气动夹紧与气压与液压组合夹紧之间就存在了原理分解/组合对称性。

如果多种原理同时存在于物质系统中都能实现同一制造功能，但同时只允许选择其中的一种原理时，相对于其实现的制造功能而言，就称这些原理之间存在原理选择对称性。

1.1.3结构对称性

物质的结构对称性主要是指制造资源的结构对称性问题。如果制造资源在结构域内具有一个或多个空间结构按照一定规律呈现出不变性或重复性，则称制造资源这样的空间结构存在结构对称性。结构对称性的对称主体是制造资源的空间结构；对称组元为一个或多个按照一定规律呈现出不变性或重复性的制造资源结构体；对称基准为制造资源几何空间中的点、线、面或其组合以及时间。

如果制造资源具有多个空间结构相同的部分，且其空间位置按照一定的规律或规则有序分布，其大小不变或以一定的规律或规则有序变化，则称该制造资源具有结构静态对称性。

如果制造资源的单个或多个结构单元具有规律性随时间变化的过程，那么该制造资源就具有结构动态对称性。

如果在制造资源中存在结构空间对称的结构单元，其空间位置随时间变化而变化，且在变化的过程中其结构始终保持空间对称状态，则称该制造资源具备结构静动态对称性。例如，如图2所示的三爪卡盘，其3个卡爪在空间上是周向对称的，在螺旋机构的驱动下，卡爪做开合运动，并且在运动过程中3个卡爪始终保持周向对称状态，所以此卡盘具有结构静动态对称性。

1.1.4时空对称性

物质系统的时空对称性指物质系统在加工产品(零件)或零件制造特征的过程中，具有时间、空间上的重复性。例如，在同一台机床上加工一批相同零件或零件制造特征，每一个零件都使用相同的夹具和装夹，则对于加工这批零件的夹具而言，在时间上存在对称性；再如采用多工位机床加工零件时，则存在明显的空间对称性。实际生产表明，几乎所有的制造物质都存在时空对称性。

1.2　信息对称性

如果机械制造系统在产品制造过程中具有多种、多个在加工任务、加工顺序、加工方法及物质流等方面所要确定的作业计划、调度和管理指令等信息，以及存储、处理和交换这些信息的有关信息载体(软件、硬件)都能得到相同产品或其制造特征，则称这多种、多个信息及其信息载体之间存在信息对称性。本文将每个、每种信息及其载体称为信息单元。信息对称性的对称主体是机械制造系统的信息系统；对称组元为能完成产品(零件)或其制造特征加工的多种、多个信息单元；对称基准为产品(零件)或其制造特征。

如果能够使用不同的信息单元完成相同产品(零件)或其制造特征的加工，则称这些信息单元之间相对于待加工产品(零件)或其制造特征存在信息交换对称性。例如，数控加工程序既可以用CAD/CAM系统获得，也可以用CAPP系统获得，即对于数控自动编程而言，CAD/CAM系统与CAPP系统之间具有信息交换对称性。

若相同产品(零件)或其制造特征既可以用一种信息单元获得，也可以通过多种信息单元的组合得到，则相对于待加工产品(零件)或其制造特征而言，前述的一种信息单元与后述的多种信息单元组合之间存在对称性，称为信息分解/组合对称性。例如，产品生产的作业计划、物料管理、质量控制等信息既可以通过一个功能齐全的软件系统来管理和控制，也可以通过MRPⅡ，MIS，CAQ等的组合来实现。

如果多个、多种信息单元同时存在于产品(零件)或其制造特征的制造过程中，并都能满足其制造信息要求，但同时只允许选用其中一个或一种信息单元，则称相对于被制造的产品(零件)或其制造特征而言，这多个、多种信息单元之间具有信息选择对称性。例如，数控加工程序既可以从机床自身的CNC系统中读取，也可从外部计算机中读取，但数控机床在加工具体零件读取程序时，只能选择其中的一种程序读取方式，而不能同时采用。

制造信息的时空对称性是指制造信息作用在加工产品(零件)或其制造特征的过程中，具有时间、空间上的重复性。很明显，几乎企业的所有制造信息都具有时空对称性。

1.3　能量对称性

如果机械制造系统具有多种能量都能完成相同产品或其制造特征的制造，则称这多种能量之间存在能量对称性。能量对称性的对称主体是机械制造系统的能量；对称组元为能完成产品(零件)或其制造特征加工的多种能量形式；对称基准为产品(零件)或其制造特征。

如果能够采用不同的能量形式完成相同产品(零件)或其制造特征的加工，则称这些能量之间相对于待加工产品(零件)或其制造特征存在能量交换对称性。例如，夹具的夹紧机构施加夹紧力的能量形式可以是机械力、电力、气压、液压等，此时机械力、电力、气压、液压之间具有能量交换对称性。

能量时空对称性是指在加工产品(零件)或其制造特征的过程中，能量的消耗、交换及传递等具有时间、空间上的重复性。例如，机床在加工一批零件的过程中，对于每个零件消耗的电力、电力的输送等在一定时间范围内具有能量的时间对称性；用多台型号、规格相同的机床同时加工相同的零件，则对于每个零件消耗的电力、电力的输送等具有能量的空间对称性。

如果多种能量同时能够作用在产品(零件)或其制造特征的制造过程中，且都能满足产品制造的供能需求，但同时只能有一种能量形式供能，则称这多种能量相对于产品(零件)或其制造特征具有能量选择对称性。例如，车间使用的油、电混合动力物料运输车，在常规情况下使用电力供能，当电力临时中断的时候，马上切换到油料供能状态，以保证物料运输的安全和不中断。

2机械制造对称性的应用思路与方法

机械制造对称性以机械制造系统中物质子系统、信息子系统和能量子系统为研究对象，而这3种机械制造对称性的定义又都基于零件或零件制造特征，因此机械制造对称性是一个涵盖零件制造域所涉及的零件或零件制造特征本身、物质、信息和能量的多维多层次概念体系，能将零件制造中的诸多要素统一到机械制造对称性的理论框架下。同时可以利用基于特征的设计技术，将零件制造过程中所涉及的知识进行有效整合，为CAPP自动化和智能化奠定基础。

2.1　物质对称性的应用

物质对称性是机械制造对称性的核心部分，它以零件制造所涉及的工艺方法、工艺过程、工艺设备、材料物料等为研究对象。由于物质对称性的定义是基于产品(零件)的制造操作进行描述的，因此物质对称性的应用核心就是对产品(零件)制造工艺进行计算机辅助设计与优化，实现企业级工艺设计应用层面上的CAPP自动化与智能化，提高工艺设计效率与水平。基于物质对称性的零件工艺设计与优化过程与方法如图3所示。

图3零件工艺设计与优化过程与方法

2.2　信息对称性的应用

随着我国制造业不断改造升级的深入，对制造系统信息化的要求也越来越高。信息对称性的应用重点和核心是：开发和构建支持企业全面集成的具有智能化、协同性、快速响应短期需求、适应分布自治生产加工环境、满足基于大规模定制生产组织模式的自动化制造信息系统。在这样的信息集成系统支持下，快速、合理制定多批次产品(零件)并行或串行作业计划、加工顺序，下达生产调度指令，实现企业生产制造的敏捷性。

2.3　能量对称性的应用

现代制造业对能量消耗提出的要求是：在兼顾生产制造系统产量、质量和产品交付时间等传统因素的同时，必须考虑产品制造全过程的能量消耗来综合分析制造系统的性能，实施能量有效的制造[8-9]。能量对称性的应用重点和核心应该是：在上述基于信息对称性的信息集成系统的支持下，获得制造系统在产品(零件)制造过程中的能量消耗数据，以此来建立生产制造过程的能耗模型，从而对制造过程能量消耗进行评估与优化，科学调度能量使用，实现产品(零件)低能耗的绿色制造。

3结束语

对称性广泛存在于机械工程领域，并对机械制造过程产生了重要影响。本文在原有机械制造工艺对称性研究的基础上，提出了包括物质对称性、信息对称性和能量对称性的机械制造对称性的概念体系及层次结构，给出了各种对称性的定义，用实例说明和论证了各种对称性在机械制造系统中的存在与作用。最后给出了机械制造的物质对称性、信息对称性和能量对称性的应用思路和方法。机械制造对称性概念体系的提出和各种对称性定义的给出，丰富和完善了机械对称性概念体系和层次结构，为机械工程领域进一步开展对称性及其应用研究拓展了更为广阔的空间。

参考文献:

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[2] Gratton,Raffaele G,Carretta, Eugenio,Bragaglia,Angela.Multiple populations in globular clusters - Lessons learned from the Milky Way globular clusters [J].Astronomy and Astrophysics Review,2012,12,20(1):1-49.

[3] 刘屿.机械对称性知识挖掘方法及其在机械结构选装对称性中的应用[D].杭州：浙江大学硕士学位论文，2012.

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[6] 马志勇，邱清盈，等.机械对称性的概念体系及其应用方法[J].浙江大学学报(工学版)，2010,44(12):2354-2359.

[7] 冯培恩，刘伟平，等.机械制造工艺对称性的概念体系及其应用思路[J].工程设计学报，2010,17(3):161-167.

[8] 王峻峰，李世其，刘继红.能量有效的离散制造系统研究综述[J].机械工程学报，2013,49(11):89-97.

[9] 李大胜，石怀荣.基于不同数控系统数控车床刀具补偿的实现[J].安庆师范学院学报(自然科学版)，2010,16(4):53-56.

Conception system and Application of Mechanical Manufacturing Symmetry

TANG Yao-hong1, DONG Jia-dong2,HE Cui-qun3

(1.Zhangzhou Institute of Technology,Zhangzhou 363000, China; 2.Anqing Teachers College, Anqing 246133,China;

3.School of Mechanical and Electrical Engineering, Nanchang Institute of Technology, Nachang 330029,China )

Abstract:The existing conception system of mechanical manufacturing process is extended and improved, and the conception system and hierarchical structure of mechanical manufacturing symmetry classified by material symmetry, information symmetry, and energy symmetry are presented to systematically explore direction on part manufacturing by mechanical manufacturing symmetry. The application thought and methods of material symmetry, information symmetry, and energy symmetry in part manufacturing are discussed.

Key words:mechanical manufacturing symmetry, material symmetry, information symmetry, energy symmetry, symmetry application

中图分类号：TH164

文献标识码：A

文章编号：1007-4260(2015)01-0115-05

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.01.033

作者简介：唐耀红，男，湖北咸丰人，工学硕士，漳州职业技术学院机械与自动化工程系副教授，主要从事CAD/CAM/CAPP/CAFD、数控技术等方面的研究。

基金项目：江西省科技厅科技支撑计划项目(20122BBE500033)。

收稿日期：2014-09-03