機械制造對稱性概念體系及其應用思路

唐耀紅，董甲東，何翠群

(1.漳州職業技術學院，福建 漳州 363000；2.安慶師范學院，安徽 安慶 246133；

3.南昌工程學院 機械與電氣工程學院，江西 南昌 330029)

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機械制造對稱性概念體系及其應用思路

唐耀紅1，董甲東2，何翠群3

(1.漳州職業技術學院，福建 漳州 363000；2.安慶師范學院，安徽 安慶 246133；

3.南昌工程學院 機械與電氣工程學院，江西 南昌 330029)

摘要：為系統探索機械制造對稱性對零件制造的指導作用，對現有機械制造工藝對稱性概念體系進行擴展和完善，提出了按照物質對稱性、信息對稱性和能量對稱性進行分類的機械制造對稱性概念體系及層次結構。探討了物質對稱性、信息對稱性及能量對稱性在零件制造中的應用思路與方法。

關鍵詞：機械制造對稱性；物質對稱性；信息對稱性；能量對稱性；對稱性應用

1機械制造對稱性概念及層次結構

機械制造對稱性是機械對稱性的一個重要分支[1-4]。機械制造對稱性是指機械制造系統在制造物質、制造信息及制造能量等方面的多個組成元素之間所具有的某種或某些有規律的重復性或不變性，包含對稱主體、對稱組元及對稱基準等三大要素[5-6]。對稱主體是對稱的載體，如制造資源、制造方法等；對稱組元是對稱性中具有重復性規律的多個組成元素，如完成一個零件加工的多個加工方案；對稱基準指的是對稱性的重復性的標準，如回轉體零件的旋轉軸。

馮培恩、劉偉平等人開展了關于機械制造工藝對稱性的存在及作用機理研究，建立了機械制造工藝對稱性的概念體系，將工藝對稱性定義為機械制造的工藝方法、過程、設備或其組元之間存在的重復性或不變性，給出了工藝對稱性分類體系結構[7]。顯然，工藝對稱性只是制造對稱性的一個側面，并沒有系統性研究制造作為一個系統所具備的對稱性屬性。本文針對這一不足，將制造系統作為一個整體，提出和發展了按照物質對稱性、信息對稱性和能量對稱性進行分類的機械制造對稱性概念體系及層次結構，如圖1所示。

1.1　物質對稱性

如果機械制造系統在其物質子系統具有多種、多類物質形態或其組合都能完成相同產品(零件)或產品(零件)的某制造特征的制造操作，則稱這多種、多類物質形態或其組合之間存在物質對稱性。物質對稱性的對稱主體是機械制造系統的物質形態(含制造方法及過程)；對稱組元為能實現產品(零件)或產品(零件)某制造特征加工的多種、多類物質形態或其組合；對稱基準為這些物質形態或其組合所能加工的產品(零件)或產品(零件)的制造特征。

1.1.1功能對稱性

如果多個、多類制造系統的物質各自所具備的功能(以下簡稱物質功能)或其功能組合可以實現相同的上一層物質功能，則稱對于其實現的上一層物質功能而言，這多個、多類物質功能或功能組合之間存在功能對稱性。功能對稱性的對稱主體是物質手段功能；對稱組元為能實現相同上一層物質功能的多個、多種物質手段功能或功能組合；對稱基準為這些物質功能或其組合能實現的相同目的物質功能。

圖1機械制造對稱性概念體系及層次結構

如果多種物質功能各自都能獨立實現同一上層物質功能時，稱這多種物質功能之間具有功能交換對稱性。例如，零件尺寸檢測量具的功能是測量零件尺寸，在測量圓柱體直徑時，可用游標卡尺功能或螺旋測微器功能來實現，則相對于測量圓柱體直徑功能，游標卡尺功能與螺旋測微器功能之間具有功能交換對稱性。

如果單個物質功能與多種物質功能的組合能實現相同的上層物質功能時，則相對于其實現的上層物質功能而言，稱這單物質功能與物質功能組合具有功能組合對稱性，物質功能組合相對于此單物質功能具有功能分解對稱性。

如果多種物質功能同時存在于機械制造系統中實現相同的上一層物質功能，但同時只允許選擇其中的一種物質功能時，相對于其實現的上一層物質功能而言，就稱這些物質功能之間存在功能選擇對稱性。例如，車間使用的橋式起重機都要有防止被起吊的貨物墜落的功能(F)，為此在其起升機構中設置了常閉式制動器(f1)和緊急制動器(f2)。在正常情況下采用常閉式制動器(f1)，只有在斷電的情況下啟用緊急制動器(f2)，以防止貨物墜落。因此，功能f1和f2對功能F而言具有功能選擇對稱性。

1.1.2原理對稱性

在機械制造系統中，如果多個、多種原理或原理組合可以實現相同的產品(零件)制造功能，則稱對于其實現的制造功能而言，這多個、多種原理或原理組合之間存在原理對稱性。原理對稱性的對稱主體是原理；對稱組元為能實現相同制造功能的多個、多種原理或原理組合；對稱基準為這些原理或其組合能實現的相同的制造功能。

若多個、多種原理都能獨立實現相同產品(零件)的制造功能時，則稱對于其實現的制造功能，這多個、多種原理之間存在原理交換對稱性。例如可采用無切削加工原理(熱軋齒輪、冷軋齒輪、精鍛、粉末冶金等)和切削加工原理(銑齒、拉齒、滾齒、插齒等)來實現齒輪的齒形加工功能，那么這些原理之間就存在原理交換對稱性。

如果單個原理與多個或多種原理的組合能獲得相同的制造功能，則對于其實現的功能而言，稱這單個原理與原理組合之間具有原理分解/組合對稱性，即多個、多種原理的組合相對于單個原理具有原理分解對稱性，而單個原理相對于多個、多種原理的組合具有原理組合對稱性。例如，夾具夾緊機構的動力源是提供夾緊力的功能，既可采用氣動夾緊，也可采用氣壓與液壓組合夾緊，顯然，氣動夾緊與氣壓與液壓組合夾緊之間就存在了原理分解/組合對稱性。

如果多種原理同時存在于物質系統中都能實現同一制造功能，但同時只允許選擇其中的一種原理時，相對于其實現的制造功能而言，就稱這些原理之間存在原理選擇對稱性。

1.1.3結構對稱性

物質的結構對稱性主要是指制造資源的結構對稱性問題。如果制造資源在結構域內具有一個或多個空間結構按照一定規律呈現出不變性或重復性，則稱制造資源這樣的空間結構存在結構對稱性。結構對稱性的對稱主體是制造資源的空間結構；對稱組元為一個或多個按照一定規律呈現出不變性或重復性的制造資源結構體；對稱基準為制造資源幾何空間中的點、線、面或其組合以及時間。

如果制造資源具有多個空間結構相同的部分，且其空間位置按照一定的規律或規則有序分布，其大小不變或以一定的規律或規則有序變化，則稱該制造資源具有結構靜態對稱性。

如果制造資源的單個或多個結構單元具有規律性隨時間變化的過程，那么該制造資源就具有結構動態對稱性。

如果在制造資源中存在結構空間對稱的結構單元，其空間位置隨時間變化而變化，且在變化的過程中其結構始終保持空間對稱狀態，則稱該制造資源具備結構靜動態對稱性。例如，如圖2所示的三爪卡盤，其3個卡爪在空間上是周向對稱的，在螺旋機構的驅動下，卡爪做開合運動，并且在運動過程中3個卡爪始終保持周向對稱狀態，所以此卡盤具有結構靜動態對稱性。

1.1.4時空對稱性

物質系統的時空對稱性指物質系統在加工產品(零件)或零件制造特征的過程中，具有時間、空間上的重復性。例如，在同一臺機床上加工一批相同零件或零件制造特征，每一個零件都使用相同的夾具和裝夾，則對于加工這批零件的夾具而言，在時間上存在對稱性；再如采用多工位機床加工零件時，則存在明顯的空間對稱性。實際生產表明，幾乎所有的制造物質都存在時空對稱性。

1.2　信息對稱性

如果機械制造系統在產品制造過程中具有多種、多個在加工任務、加工順序、加工方法及物質流等方面所要確定的作業計劃、調度和管理指令等信息，以及存儲、處理和交換這些信息的有關信息載體(軟件、硬件)都能得到相同產品或其制造特征，則稱這多種、多個信息及其信息載體之間存在信息對稱性。本文將每個、每種信息及其載體稱為信息單元。信息對稱性的對稱主體是機械制造系統的信息系統；對稱組元為能完成產品(零件)或其制造特征加工的多種、多個信息單元；對稱基準為產品(零件)或其制造特征。

如果能夠使用不同的信息單元完成相同產品(零件)或其制造特征的加工，則稱這些信息單元之間相對于待加工產品(零件)或其制造特征存在信息交換對稱性。例如，數控加工程序既可以用CAD/CAM系統獲得，也可以用CAPP系統獲得，即對于數控自動編程而言，CAD/CAM系統與CAPP系統之間具有信息交換對稱性。

若相同產品(零件)或其制造特征既可以用一種信息單元獲得，也可以通過多種信息單元的組合得到，則相對于待加工產品(零件)或其制造特征而言，前述的一種信息單元與后述的多種信息單元組合之間存在對稱性，稱為信息分解/組合對稱性。例如，產品生產的作業計劃、物料管理、質量控制等信息既可以通過一個功能齊全的軟件系統來管理和控制，也可以通過MRPⅡ，MIS，CAQ等的組合來實現。

如果多個、多種信息單元同時存在于產品(零件)或其制造特征的制造過程中，并都能滿足其制造信息要求，但同時只允許選用其中一個或一種信息單元，則稱相對于被制造的產品(零件)或其制造特征而言，這多個、多種信息單元之間具有信息選擇對稱性。例如，數控加工程序既可以從機床自身的CNC系統中讀取，也可從外部計算機中讀取，但數控機床在加工具體零件讀取程序時，只能選擇其中的一種程序讀取方式，而不能同時采用。

制造信息的時空對稱性是指制造信息作用在加工產品(零件)或其制造特征的過程中，具有時間、空間上的重復性。很明顯，幾乎企業的所有制造信息都具有時空對稱性。

1.3　能量對稱性

如果機械制造系統具有多種能量都能完成相同產品或其制造特征的制造，則稱這多種能量之間存在能量對稱性。能量對稱性的對稱主體是機械制造系統的能量；對稱組元為能完成產品(零件)或其制造特征加工的多種能量形式；對稱基準為產品(零件)或其制造特征。

如果能夠采用不同的能量形式完成相同產品(零件)或其制造特征的加工，則稱這些能量之間相對于待加工產品(零件)或其制造特征存在能量交換對稱性。例如，夾具的夾緊機構施加夾緊力的能量形式可以是機械力、電力、氣壓、液壓等，此時機械力、電力、氣壓、液壓之間具有能量交換對稱性。

能量時空對稱性是指在加工產品(零件)或其制造特征的過程中，能量的消耗、交換及傳遞等具有時間、空間上的重復性。例如，機床在加工一批零件的過程中，對于每個零件消耗的電力、電力的輸送等在一定時間范圍內具有能量的時間對稱性；用多臺型號、規格相同的機床同時加工相同的零件，則對于每個零件消耗的電力、電力的輸送等具有能量的空間對稱性。

如果多種能量同時能夠作用在產品(零件)或其制造特征的制造過程中，且都能滿足產品制造的供能需求，但同時只能有一種能量形式供能，則稱這多種能量相對于產品(零件)或其制造特征具有能量選擇對稱性。例如，車間使用的油、電混合動力物料運輸車，在常規情況下使用電力供能，當電力臨時中斷的時候，馬上切換到油料供能狀態，以保證物料運輸的安全和不中斷。

2機械制造對稱性的應用思路與方法

機械制造對稱性以機械制造系統中物質子系統、信息子系統和能量子系統為研究對象，而這3種機械制造對稱性的定義又都基于零件或零件制造特征，因此機械制造對稱性是一個涵蓋零件制造域所涉及的零件或零件制造特征本身、物質、信息和能量的多維多層次概念體系，能將零件制造中的諸多要素統一到機械制造對稱性的理論框架下。同時可以利用基于特征的設計技術，將零件制造過程中所涉及的知識進行有效整合，為CAPP自動化和智能化奠定基礎。

2.1　物質對稱性的應用

物質對稱性是機械制造對稱性的核心部分，它以零件制造所涉及的工藝方法、工藝過程、工藝設備、材料物料等為研究對象。由于物質對稱性的定義是基于產品(零件)的制造操作進行描述的，因此物質對稱性的應用核心就是對產品(零件)制造工藝進行計算機輔助設計與優化，實現企業級工藝設計應用層面上的CAPP自動化與智能化，提高工藝設計效率與水平。基于物質對稱性的零件工藝設計與優化過程與方法如圖3所示。

圖3零件工藝設計與優化過程與方法

2.2　信息對稱性的應用

隨著我國制造業不斷改造升級的深入，對制造系統信息化的要求也越來越高。信息對稱性的應用重點和核心是：開發和構建支持企業全面集成的具有智能化、協同性、快速響應短期需求、適應分布自治生產加工環境、滿足基于大規模定制生產組織模式的自動化制造信息系統。在這樣的信息集成系統支持下，快速、合理制定多批次產品(零件)并行或串行作業計劃、加工順序，下達生產調度指令，實現企業生產制造的敏捷性。

2.3　能量對稱性的應用

現代制造業對能量消耗提出的要求是：在兼顧生產制造系統產量、質量和產品交付時間等傳統因素的同時，必須考慮產品制造全過程的能量消耗來綜合分析制造系統的性能，實施能量有效的制造[8-9]。能量對稱性的應用重點和核心應該是：在上述基于信息對稱性的信息集成系統的支持下，獲得制造系統在產品(零件)制造過程中的能量消耗數據，以此來建立生產制造過程的能耗模型，從而對制造過程能量消耗進行評估與優化，科學調度能量使用，實現產品(零件)低能耗的綠色制造。

3結束語

對稱性廣泛存在于機械工程領域，并對機械制造過程產生了重要影響。本文在原有機械制造工藝對稱性研究的基礎上，提出了包括物質對稱性、信息對稱性和能量對稱性的機械制造對稱性的概念體系及層次結構，給出了各種對稱性的定義，用實例說明和論證了各種對稱性在機械制造系統中的存在與作用。最后給出了機械制造的物質對稱性、信息對稱性和能量對稱性的應用思路和方法。機械制造對稱性概念體系的提出和各種對稱性定義的給出，豐富和完善了機械對稱性概念體系和層次結構，為機械工程領域進一步開展對稱性及其應用研究拓展了更為廣闊的空間。

參考文獻:

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[9] 李大勝，石懷榮.基于不同數控系統數控車床刀具補償的實現[J].安慶師范學院學報(自然科學版)，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

中圖分類號：TH164

文獻標識碼：A

文章編號：1007-4260(2015)01-0115-05

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

作者簡介：唐耀紅，男，湖北咸豐人，工學碩士，漳州職業技術學院機械與自動化工程系副教授，主要從事CAD/CAM/CAPP/CAFD、數控技術等方面的研究。

基金項目：江西省科技廳科技支撐計劃項目(20122BBE500033)。

收稿日期：2014-09-03