耐高温性的英文性翻译性英语怎么说

Unit1Metals

金属

1Theuseofmetalshasalwaysbeenakey

factorinthedevelopmentofthesocialsystems

oughly100basicelementsof

whichallmatteriscomposed,abouthalfare

tinctionbetweena

metalandanonmetalisnotalwaysclear-cut.

Themostbasicdefinitioncentersaroundthe

typeofbondingexistingbetweentheatomsof

theelement,andaroundthecharacteristicsof

certainoftheelectronsassociatedwiththese

epracticalway,however,a

metalcanbedefinedasanelementwhichhasa

particularpackageofproperties.

2Metalsarecrystallinewheninthesolid

stateand,withfewexceptions(y),

e

goodconductorsofheatandelectricityandare

uallyhavea

talsare

ductile-thatis,theirshapecanbechanged

permanentlybytheapplicationofaforce

cesrequiredtocause

thisdeformationandthoserequiredtobreakor

fractureametalarecomparativelyhigh,

although,thefractureforcesisnotnearlyas

highaswouldbeexpectedfromsimple

considerationoftheforcesrequiredtotearapart

theatomsofthemetal.

3Oneofthemoresignificantofthese

characteristicsfromourpointofviewisthatof

allinesolidisoneinwhich

theconstituentatomsarelocatedinaregular

three-dimensionalarrayasiftheywerelocated

atthecornersofthesquaresofa

cingof

theatomsinthearrayisofthesameorderas

thesizeoftheatoms,theactualspacingbeinga

directionsoftheaxesofthearraydefinethe

als

在人类社会的发展中，金属的应用

起着关键性的作用。构成物质的大约100种

基本元素中，大约有一半为金属。金属和非

金属之间的区别不是特别明显。最基本的定

义集中在元素原子间存在的连接形式和与这

些原子相关联的电子的某些特性。然而，在

实际应用中，可以将具有某些特性集合金属

定义为某种元素。

除了少数例外金属在常温下是固态

的。它们是热和电的良导体，不透光。它们

往往具有较高的密度。许多金属具有延展性，

也就是说，在不被破坏的情况下它们的形状

在外力的作用下可以发生变化。引起永久变

形所需的力和最终使金属断裂所需的力相当

大，尽管发生断裂所需的力远没有像所预期

的撕开金属原子所需的力那么大。

从我们的观点来看，在所有的特性中结

晶性是最重要的。结晶体是这样一种结构，

组成它的原子定位在规则的三维排列中，仿

佛位于三维棋盘的方格的角上。原子间距随

着原子大小呈规律性变化，原子间距是金属

的一种特性。三维排列的轴线决定了晶体在

空间中的方向。在工程实践中应用的金属由

大量的晶体组成，这些晶体称之为晶粒。在

大多数情况下，晶粒在空间中是自由排列的。

在原子范围内，晶粒之间相互接触紧密结合。

晶粒之间连接区域被称为晶界。

commonlyusedinengineeringpracticeare

composedofalargenumberofsuchcrystals,

ostgeneralcase,the

crystalsofthevariousgrainsarerandomly

insareeverywherein

intimatecontactwithoneanotherandjoined

ionat

whichtheyjoinisknownasagrainboundary.

4Anabsolutelypuremetal(

composedofonlyonetypeofatom)hasnever

erswouldnotbe

particularlyinterestedinsuchametalevenifit

weretobeproduced,becauseitwouldbesoft

alsusedcommercially

inevitably望月怀古唐张九龄 containsmallamountsofoneor

moreforeignelements,eithermetallicor

oreignelementsmaybe

detrimental,theymaybebeneficial,orthey

mayhavenoinfluenceatallonaparticular

dvantageous,theforeign

advantageous,theytendtobeknownas

ngelementsare

commonlyaddeddeliberatelyinsubstantial

ultis

knownasanalloy.

5Thedistinctionbetweenthedescriptors

“metal”and“alloy”m

“metal”maybeusedtoencompassbotha

s

itcanbesaidthatthemoredeliberatelyan

alloyingadditionhasbeenmadeandthelarger

theamountoftheaddition,themorelikelyitis

thattheproductwillspecificallybecalledan

vent,thechemicalcomposition

ofametaloranalloymustbeknownand

controlledwithincertainlimitsifconsistent

chemicalcompositionhastobetakeninto

accountwhendevelopinganunderstandingof

thefactorswhichdeterminethepropertiesof

metalsandtheiralloys.

6Ofthe50orsometallicelements,onlya

fewareproducedandusedinlargequantitiesin

绝对纯净的金属从来也没有被生产出来

过。即使绝对纯净的金属可以生产出来，工

程师们对它们也并不会特别感兴趣，因为它

们很柔软、脆弱。实际应用中的金属往往都

包含着一定数量的一种或多种外来金属或非

金属元素，这些外来元素可能是有害的也可

能是有益的或者它们对某种特定的属性没有

影响。如果是有害的，这些外来元素被认为

是杂质。如果是有益的，它们被认为是合金

元素。在工程材料中往往被特意地加入一定

数量的合金元素。得到的物质被叫做合金。

金属和合金区别不大。金属这个词可以

包括工业用纯金属和它的合金。也许可以这

样说，合金元素越故意的被添加，被添加的

合金元素的量越大，那么生产出来的产品越

倾向于被称之为合金。不管怎样，如果想使

一种金属或合金在使用中表现出稳定一致的

特性，在其中添加何种化学成分，它的量多

大都应该在控制范围之内。因此，当想了解

决定金属和合金性质的因素时，应充分考虑

它们的化学组成。

在50种左右的金属元素里，工程实践中

只有少数金属被大量生产和使用。到目前为

timportantbyfar

isiron,onwhicharebasedtheubiquitous

steelsandcastirons(basicallyalloysofiron

andcarbon).Theyaccountforabout98%by

importanceforstructuraluses(thatis,for

structuresthatareexpectedtocarryloads)are

aluminum,copper,nickel,andtitanium.

Aluminumaccountsforabout0.8%byweight

ofallmetalsproduced,andcopperabout0.7%,

leavingonly0.5%

mightbeexpected,theremaindersareallused

mple,

nickelalloysareusedprincipallyin

corrosion-andheat-resistantapplications,while

titaniumisusedextensivelyintheaerospace

industrybecauseitsalloyshavegood

combinationsofhighstrengthandlowdensity.

Bothnickelandtitaniumareusedinhigh-cost,

high-qualityapplications,and,indeed,itistheir

highcostthattendstorestricttheirapplication.

7Wecannotdiscussthesemoreesoteric

eittosaythatawhole

complexofpropertiesinadditiontostructural

strengthisrequiredofanalloybeforeitwillbe

acceptedinto,andsurvivein,engineering

,forexample,havetobestrong

andyethavereasonablecorrosionresistance;it

mayhavetobeabletobefabricatedbya

particularprocesssuchasdeepdrawing,

machining,orwelding;itmayhavetobe

readilyrecyclable;anditscostandavailability

maybeofcriticalimportance.

止最重要的是铁，以它为基础构成了处处可

见的钢和铸铁。（主要由铁和碳构成的合金）

它们的重量占所有生产出来的金属重量的

98%。在结构应用（也就是说，可以承受载

荷的结构）中居于其次位置的是铝、铜、镍

和钛。在所有的金属产量中，铝占0.8％，铜

占0.7％，剩下的占0.5％。剩下的金属用于

相对特殊的用途。例如，镍合金主要用于抗

磨损和耐高温的用途，由于钛合金具有高强

度和低密度的综合特性，钛被广泛应用于航

空工业中。镍合钛有高成本和高质量的使用

特性，事实上，它们高的成本限制了它们的

应用。

我们不能在这里讨论这些深奥的特性。

在合金材料被采用和应用于工程实际之前，

掌握其结构强度和它的综合性质就够了。举

例来说，它可以强度很高，并且有好的耐磨

性；它可以被例如拉伸加工，机械加工，或

焊接等特殊工艺来加工出来；它可以被循环

利用；它的成本和实用性是首要的。

Unit2SelectionofConstructionMaterials

工程材料的选择

1Thereisnotagreatdifferencebetween“this”

steeland“that”steel;allareverysimilarin

ionmustbemadeon

factorssuchashardenability,price,and

availability,andnotwiththeideathat“this”steel

candosomethingnoothercandobecauseit

contains2percentinsteadof1percentofacertain

alloyingelement,orbecauseithasamysterious(神

秘的，不可思议的)ndousrangeof

propertiesisavailableinanysteelafterheat

treatment;thisisparticularlytrueofalloysteels.

在钢之间没有太大的区别；所有的钢在机

械性能方面都是近似的。它们的选取标准是诸

如脆硬性，价格，和可用性等。不仅仅是因为

这种钢含有2％的合金元素另一种钢含有1％

而使前者具有了后者没有的某些能力，或者是

某种钢具有神奇的名字。经过热处理后，任何

一种钢都具有大范围的特性；这种性质同样在

合金钢中存在。

Considerationsinfabrication(制造)

2Thepropertiesofthefinalpart(hardness,

strength,andmachinability),ratherthanproperties

requiredbyforging,governtheselectionof

pertiesrequiredforforginghave

verylittlerelationtothefinalpropertiesofthe

material;therefore,notmuchcanbedoneto

-carbonsteelis

rainsizeisbestif

subsequentheattreatmentwillrefinethegrainsize.

关于加工的考虑

最后零件的特性（硬度、强度和可加工性）

而不是锻造特性决定了材料的选择。可锻性与

材料的最后特性联系不大；因此，提高金属的

可锻造性价值不大。高碳钢很难锻造。如果在

随后的热处理过程进行细化，大尺寸晶粒是最

好的。

3Low-carbon,nickel-chromium(铬)steelsare

justaboutasplasticathightemperatureundera

single520-ftlb(1ftlb=1.35582J)blowas

decreasesforgeabilityofmedium-carbonsteels,but

um

seemstohardensteelatforgingtemperatures,but

vanadium(钒)hasnodiscernible(可辨别的)effect;

neitherhasthemethodofmanufactureanyeffect

onhigh-carbonsteel.

在高温下低碳，镍铬合金钢在受到

520-ftlb的冲击下表现出与相同碳含量普通

钢几乎同样的塑性。镍减少了中碳钢的可锻

性，但对低碳钢影响不大。铬在锻造温度下时

使钢硬化，但钒没有明显的效果；两种加工方

法对高碳钢没有影响。

Formability

4Thecold-formabilityofsteelisafunction(功

能)ofitstensilestrengthcombinedwithductility.

Thetensilestrengthandyieldpointmustnotbe

highortoomuchworkwillberequiredinbending

（弯曲）;likewise（同样地）,thesteelmusthave

sufficient（充足的）ductilitytoflowtothe

ce

requireddependsontheyieldpoint,because

成形

钢的冷成形是它的拉伸强度和延展性相结

合的结果。拉伸强度和屈服点不能太高否则在

发生弯曲时需要做很多工作；与之相类似，钢

应该有高延展性，使其在没有断裂的情况下成

形。加工力的大小取决于屈服点，因为钢在屈

服点之上才开始变形。与此同时，加工硬化也

同时发生，金属变得越来越硬，增加加工难度，

尤其在低碳钢中容易发生。

deformationstartsintheplasticrangeabovethe

-hardeningalsooccurs

here,progressively（日益增多地）stiffening（使

变硬）themetalandcausingdifficulty,particularly

（独特的，显著的）inthelow-carbonsteels.

5Itisquiteinterestinginthisconnection（关于

这一点，就此而论）todiscoverthatdeepdraws

cansometimesbemadeinonerapidoperationthat

couldnotpossiblybedoneleisurely（缓慢地，从

容不迫地）wishalfmade

andthenstopped,itmaybenecessarytoanneal（退

火）beforeproceeding,thatis（换句话说）,ifthe

ynot

beascientificstatement,butitisactuallywhat

seemstohappen.

在这方面，相当有趣的是你将发现有时可

通过一次快速加载完成大拉伸，但以缓慢的方

式两三次加载却不能实现。如果拉伸进行了一

半就停止了，那么在再加工之前应先退火，也

就是说工件是否有时间进行加工硬化。这不是

一种科学的叙述方法，但确实是发生了。

Internalstresses

6Coldformingisdoneabovetheyieldpointin

thework-hardeningrange,sointernalstressescan

ceofthisisthe

springback（回弹）astheworkleavestheforming

operationandthewarpage（翘曲，扭曲）inany

（任何一种）

simplewashermight,byvirtueof(依靠)the

internalstressesresultingfrompunching（冲压）

andthenflattening（整平）,warp（弯曲）severely

（严格地，激烈地）duringheattreating.（virtue

n.德行,美德,贞操,优点,功效,效力,英勇

believedinthevirtueofprayer.相信祈祷的力量

内应力

在高于屈服点的加工硬化区进行冷加工很

容易产生内应力。例如工件停止成型加工后会

发生回弹，在随后的热处理后，工件会发生翘

曲。即使是一个简单的垫圈，由于打孔和随后

的平整加工中产生内应力，也会在热处理中呈

现严重的翘曲。

7Whendoubtexistsasto（关于）whether

internalstresseswillcausewarpage,apiececanbe

checkedbyheatingittoabout1100andthenletting

eareinternalstresses,thepieceis

likelyto（可能）thatwillwarp

severelywhilebeingheatedhavebeenseen,yet

（然而）theheat-treaterwasexpectedtoputthem

throughandbringthemoutbetterthantheywerein

thefirstplace.

当是否内应力会引起翘曲的怀疑存在时，

可以通过将工件加工至1100然后进行冷却来

验证。如果存在内应力，工件会发生变形。经

过热处理的工件像我们看到的那样会发生严

重的翘曲，但是我们仍然希望工件被扔到热处

理炉中被处理，这样好过它存在内应力的状

态。

Welding

8Themaximumcarboncontentofplain

carbonsteelsafeforweldingwithoutpreheatingor

subsequentheattreatmentis0.3%.higher-carbon

steelisweldedeveryday,butonlywithproper

retwoimportantfactors:the

amountofheatsthatisputin;therateatwhichit

焊接

不需要预热或之后进行热处理就能安全焊

接的最高碳含量为0.3％。高碳钢通过合适的

预热通常也可焊接。有两点值得注意：吸收热

量的多少；移除速度。

isremoved.

9Weldingataslowerrateputsinmoreheat

andheatsalargevolumeofmetal,sothecooling

rateduetolossofheattothebasemetalis

decreased(减少).Apreheatwilldothesamething.

Forexample,sae4150steel,preheatedto600or

800,canbeweldedreadily（容易地）.Whenthe

flameorarcistakenawayfromtheweld,the

coolingrateisnotsogreat,owingtothehigher

temperatureofthesurroundingmetalandslower

emostrapidair-hardening

（风硬钢）steelsareweldableifpreheatedand

weldedataslowrate.

低速焊接带来了更多的热量，这对金属的

大量体积进行了加热，所以冷却速度降低。预

热可以取得与之相当的效果。例如当被预

热至或时可以很好的焊接。由于周围金

属的较高温度，当焊接弧移开焊接点后，冷却

速度不会太快，产生了低速冷却的结果。即使

是冷作硬化速度最快的金属也可以通过预热

和慢速焊接达到良好的焊接效果。

Machinability

10Machinability（机械加工性能）means

uctionmenitgenerally

meansbeingabletoremovemetalatthefastest

rate,leavethebestpossiblefinish,andobtainthe

abilityappliesto

（应用于）thetool-work（工具，零件）

combination.

可加工性

可加工性意味着几件事情。对于加工者来

说，它意味着可以快速的移除金属，取得最好

的加工效果，得到最长的刀具寿命。可加工性

是刀具和零件的结合。

11Itisnotdeterminedbyhardness（硬度）

alone,butbythetoughness（韧性）,microstructure,

chemicalcomposition（成分）,andtendency（倾

向）

misleadingexpression“toohardtomachine”,the

word“hard”isusuallymeanttobesynonymous

（同义的）with“difficult”.Manytimesamaterial

ssand

tou资治通鉴全文在线阅读 ghnessmaycausethemetaltotear（撕裂）and

flowaheadofthecuttingtoolratherthancut

hatareinherently（天性地，固有地）

softandtougharesometimesalloyedtoimprove

theirmachinabilityatsomesacrifice（牺牲）in

esareuseoflead（铅）inbrass

（黄铜）andofsulfur（硫磺）insteel.

加工性不仅仅只由硬度决定，它还由韧性，

微观结构，化学成分和在冷加工下金属所呈现

的硬化特性所决定。在容易混淆的表示“难加

工”中，“hard”与“difficult”同义。许多时

候，因为材料过软而难于稳定加工。材料柔软

性和韧性能够产生金属撕裂，使金属在完成切

削前流动至刀具前端。柔软的金属往往会被加

入合金从而牺牲它的延展性来提高加工性能。

如黄铜中加入铅钢中加入硫磺。

12Machinabilityisatermusedtoindicatethe

relative（比较的）ease（不费力）withwhicha

materialcanbemachinedbysharpcuttingtoolsin

operationssuchasturning（车）,drilling（钻）,

milling（铣）,broaching（拉削）,andreaming（铰）.

机械加工性能是在指对工件材料使用刀具

进行诸如车、钻、铣、拉削、铰加工时的难易

程度。

13Inthemachiningofmetal,themetalbeing

cut,thecuttingtool,thecoolant,theprocessand

typeofmachinetool（机床）,andthecutting

在对金属进行加工时，被切削的金属，切

削刀具，冷却液，使用的机床的种类，切削条

件均影响着切削效果。改变任何一种均会产生

ging

anyoneofthesefactors,differentresultswillbe

terion（标准）uponwhichthe

ratings（等级）listedarebased(等级评定的标准)

istherelativevolumeofvarious（不同种）

materialsthatmayberemovedbyturningunder

fixedconditionstoproduceanarbitrary（任意的）

fixedamountoftoolwear.

不同的切削效果。切削效果评定的准则是：车

削时在固定的切削条件下产生一定量的刀具

磨损时，被加工试件相应的材料去除量。

Unit3MechanicalPropertiesofMaterials

1Thematerialpropertiescanbe

classifiedintothreemajorheadings:(i)

Physical,(ii)Chemical,(iii)Mechanical.

Physicalproperties

2Densityorspecificgravity,moisture

content,etc.,canbeclassifiedunderthis

category.

Chemicalproperties

3Manychemicalpropertiescomeunder

ncludeacidityor

alkalinity,t

importantoftheseiscorrosionwhichcanbe

explainedinlayman’stermsastheresistanceof

thematerialtodecaywhileincontinuoususein

aparticularatmosphere.

Mechanicalproperties

4Mechanicalpropertiesincludethe

strengthpropertiesliketensile,compression,

shear,torsion,impact,

tensilestrengthofamaterialisobtainedby

dividingthemaximumload,whichthe

specimenbearsbytheareaofcross-sectionof

thespecimen.

5Thisisacurveplottedbetweenthe

stressalongtheY-axis(ordinate)andthestrain

alongtheX-axis(abscissa)inatensiletest.A

materialtendstochangeorchangesits

dimensionswhenitisloaded,dependingupon

eloadis

removeditcanbeseenthatthedeformation

ymaterialsthisoccursup

toacertainvalueofthestresscalledtheelastic

depictedbythestraightline

材料特性主要分为三类：(i)物理特性，

(ii)化学特性，(iii)力学性能。

物理特性

密度或特定的重力，湿度等都属于此范

畴。

化学特性

许多化学特性都归入到这个范畴。其中

包括酸性或碱性，活性和耐腐蚀性。而在这

其中最重要的是耐腐蚀性，通俗的解释是材

料在特定大气中长期使用时，抵抗腐蚀的能

力。

力学特性

力学特性包括诸如拉伸，压缩，剪切，

扭转，冲击，疲劳和蠕变等强度特性。一种

材料的拉伸强度由试件承载的最大载荷除以

试件的横截面积得到。

如图所示为在拉伸试验中沿着X轴（横

轴）的应变和沿着Y轴（纵轴）的应力之间

的关系曲线。材料在加载时，随着载荷大小

的变化，尺寸会发生改变。当卸载时，变形

消失。对于许多材料来说，上述情况发生的

应力极限值称为弹性极限。在应力-应变曲线

中，直线关系和随后的小小的弯曲描述了上

述的加载和卸载。

relationshipandasmalldeviationthereafter,in

thestress-straincurve.

6Withintheelasticrange,thelimiting

valueofthestressuptowhichthestressand

strainareproportional,iscalledthelimitof

region,themetalobeys

Hooke’slaw,whichstatesthatthestressis

proportionaltostrainintheelasticrangeof

loading(thematerialcompletelyregainsits

originaldimensionsaftertheloadisremoved).

Intheactualplottingofthecurve,the

proportionalitylimitisobtainedataslightly

lowervalueoftheloadthantheelasticlimit.

Thismaybeattributedtothetime-laginthe

regainingoftheoriginaldimensionsofthe

fectisveryfrequentlynoticed

insomeno-ferrousmetals.

7Whileironandnickelexhibitclear

rangesofelasticity,copper,zinc（锌）,tin（锡）,

etc,arefoundtobeimperfectlyelasticevenat

relatively（相当地）lowvaluesofstresses.

Actuallytheelasticlimitisdistinguishable（可

区分的）fromtheproportionality（比例性）

limitmoreclearlydependinguponthe

sensitivity（灵敏性）ofthemeasuring

instrument.

8Whentheloadisincreasedbeyondthe

elasticlimit,plasticdeformationstarts.

Simultaneouslythespecimengets

isreachedwhen（这时）

thedeformationstartstooccurmorerapidly

intiscalledthe

alwhichwasresistingthe

loadtillthen,startstodeformsomewhat

,ldstressiscalled

yieldlimit.

9Theelongationofthespecimen

stess-strainrelationinthisplasticflowperiodis

Tthespecimenbreaks,andthisloadiscalled

ueofthemaximum

loadSdividedbytheoriginalcross-sectional

areaofthespecimenisreferredtoasthe

在弹性范围内，应力应变成比例的应力

极限值称为比例极限。在这个区域中，金属

服从胡克定律—阐述了在加载的弹性范围

内，应力和应变成比例关系（材料在卸载后，

能够完全回复它原来的尺寸）。在曲线的实际

绘制中，比例极限值要稍微比弹性极限值低。

这可能是由于材料回复原尺寸需要的时间延

迟。这种现象在一些有色金属中常常出现。

铁和镍存在明显的弹性范围，铜，锌，

锡等即使在相当低的应力值下弹性也表现得

不是很充分。实际上依靠测试仪器的精确性

可以使比例极限和弹性极限区分得更清晰。

当在弹性极限之上增大载荷时会产生塑

性变形。同时，试件发生加工硬化。到达某古诗词在线翻译白话文

点后变形的速度快于载荷增加的速度。这一

点叫做屈服极限点。一开始一直在抵抗载荷

的金属在这一点后开始迅速地发生形变，也

就是，屈服。屈服应力叫做屈服极限。

试件从Q到S在到T不断地延长。在这

个塑性流动期间的应力-应变关系表示为曲

线上的QRST段。在T点试件断裂，此时的

载荷称为断裂载荷。最大荷载值S除以试件

的横截面积为金属的最大拉伸强度或简单地

称为拉伸强度。

ultimatetensilestrengthofthemetalorsimply

thetensilestrength.

10Logicallyspeaking,oncetheelastic

limitisexceeded,themetalshouldstartsto

yield,andfinallybreak,withoutanyincreasein

curverecordsan

increasedstressevenaftertheelasticlimitis

sonscanbegivenforthis

behavior:

ainhardeningofthematerial;

inishingcross-sectionalarea

ofthespecimen,sufferedonaccount

oftheplasticdeformation.

11Themoreplasticdeformationthe

metalundergoes,theharderitbecomes,dueto

ethemetalgets

elongatedthemoreitsdiameter(andhence,

cross-sectionalarea)

continuesuntilthepointSisreached.

12AfterS,therateatwhichtheredution

inareatakesplace,exceedstherateatwhich

becomessohighthat

theredutioninareabeginstoproducea

called

neching.

13Reductionincross-sectionalarea

takesplaceveryrapidly;sorapidlythattheload

indicatedbyST.

FailureoccursatthispointT.

14Thenpercentageelongationand

reductioninareaindicatetheductilityor

plasticityofthematerial:

Whereandaretheoriginalandthefinallength

ofthespecimen;andaretheoriginalandthe

finalcross-sectionalarea.

逻辑上来说，一旦超过弹性极限，金属

应该就会屈服直至最后断裂，在应力值上应

该没有增加。但是实际的曲线却记录了在超

过弹性极限后的增加了的应力。这种现象的

发生可能有两种原因：

1.材料的应变强化；

2.由于塑性变形引起的试件横截面积

的缩小。

（ForChristwasGod,andsufferedon

accountofus,beinghimselftheFather,thathe

mightbeabletosaveus.因为基督就是上帝，

为我们受苦，他自己身为父，好叫祂也能救

赎我们。）

由于加工硬化，金属在发生塑性变形时

会变得越来越硬。金属拉伸越长它的直径越

小。这种现象一直持续到曲线上的S点。

超过S点后，面积减少的速度超过了应

力增加的速度。应变变得很大，面积的减少

在某些点产生了局部效应。叫做颈缩。

横截面积减小的速度非常快；以至于实

际上载荷降低。

伸长率和面积减少率表示了材料的延展

性。

Unit5Designofmachineandmachineelements

机器和机器零件的设计

Machinedesign机器设计

1Machinedesignistheartofplanningordevisingneworimprovedmachinestoaccomplish

ral,amachinewillconsistofacombinationofseveraldifferent

mechanicalelementsproperlydesignedandarrangedtoworktogether,the

initialplanningofamachine,fundamentaldecisionsmustbemadeconcerningloading,typeof

kinematicelementstobeused,andcorrectutilizationofthepropertiesofengineeringmaterials.

Economicconsiderationsareusuallyofprimeimportancewhenthedesignofnewmachineryis

ral,erationshouldbegivennot

onlytothecostofdesign,manufacturethenecessarysafetyfeaturesandbeofpleasingexternal

ectiveistoproduceamachinewhichisnotonlysufficientlyruggedto

functionproperlyforareasonablelife,butisatthesametimecheapenoughtobeeconomically

feasible.

机器设计为了特定的目的而发明或改进机器的一种艺术。一般来讲，机器时有多种不同

的合理设计并有序装配在一起的部件构成的，在最初的机器设计阶段，必须基本明确负载、

元件的运动情况、工程材料的合理使用性能。负责新机器的设计最初的最重要的是经济性考

虑。一般来说，选择总成本最低的设计方案，不仅要考虑设计、制造、销售、安装的成本。

还要考虑服务的费用，机械要保证必要的安全性能和美观的外形。制造机器的目标不仅要追

求保证只用功能的合理寿命，还要保证足够便宜以同时保证其经济的可行性。

2Theengineerinchargeofthedesignofamachineshouldnotonlyhaveadequatetechnical

training,butmustbeamanofsoundjudgmentandwideexperience,qualitieswhichareusually

acquiredonlyafterconsiderabletimehasbeenspentinactualprofessionalwork.

负责设计机器的工程师，不仅要经过专业的培训，而且必须是一个准确判断而又有丰富

经验的人，具有一种有足够时间从事专门的实际工作的素质。

Designofmachineelements机器零件的设计

3Theprinciplesofdesignare,ofcourse,etheoryorequationsmaybe

appliedtoaverysmallpart,asinaninstrument,or,toalargerbutsimilarpartusedinapieceof

se,however,shouldmathematicalcalculationsbelookeduponas

eallsubjecttotheaccuracyofthevariousassumptions,whichmust

mesonlyaportionofthetotalnumberofpartsin

mandsizeoftheremaining

therhand,ifthemachineisvery

expensive,orifweightisafactor,asinairplanes,designcomputationsmaythenbemadefor

almostalltheparts.

相同的理论或方程可应用在一个一起的非常小的零件上，也可用在一个复杂的设备的大

型相似件上，既然如此，毫无疑问，数学计算是绝对的和最终的。他们都符合不同的设想，

这必须由工程量决定。有时，一台机器的零件全部计算仅仅是设计的一部分。零件的结构和

尺寸通常根据实际考虑。另一方面，如果机器和昂贵，或者质量很重要，例如飞机，那麽每

一个零件都要设计计算。

4Thepurposeofthedesigncalculationsis,ofcourse,toattempttopredictthestressor

deformationinthepartinorderthatitmaysagelycarrytheloads,whichwillbeimposedonit,

culationsare,ofcourse,dependent

onthephysicalpropertiesoftheconstructionmaterialsasdeterminedbylaboratorytests.A

rationalmethodofdesignattemptstotaketheresultsofrelativelysimpleandfundamentaltests

suchastension,compression,torsion,andfatigueandapplythemtoallthecomplicatedand

involvedsituationsencounteredinpresent-daymachinery.

当然，设计计算的目的是试图预测零件的应力和变形，以保证其安全的带动负载，这是

必要的，并且其也许影响到机器的最终寿命。当然，所有的计算依赖于这些结构材料通过试

验测定的物理性能。国际上的设计方法试图通过从一些相对简单的而基本的实验中得到一些

结果，这些试验，例如结构复杂的及现代机械设计到的电压、转矩和疲劳强度。

5Inaddition,ithasbeenamplyprovedthatsuchdetailsassurfacecondition,fillets,notches,

manufacturingtolerances,andheattreatmenthaveamarketeffectonthestrengthandusefullife

ignanddraftingdepartmentsmustspecifycompletelyallsuch

particulars,mustspecifycompletelyallsuchparticulars,andthusexercisethenecessaryclose

controloverthefinishedproduct.

另外，可以充分证明，一些细节，如表面粗糙度、圆角、开槽、制造公差和热处理都对

机械零件的强度及使用寿命有影响。设计和构建布局要完全详细地说明每一个细节，并且对

最终产品进行必要的测试。

6Asmentionedabove,,it

beginswiththeconceptionofanideaandfollowsthroughthevariousphasesofdesignanalysis,

manufacturing,lowingisalistofthemajorareasof

considerationinthegeneralfieldofmachinedesign:

综上所述，机械设计是一个非常宽的工程技术领域。例如，从设计理念到设计分析的每

一个阶段，制造，市场，销售。以下是机械设计的一般领域应考虑的主要方面的清单：

①Initialdesignconception;最初的设计理念

②Strengthanalysis;受力分析

③Materialsselection;材料的选择

④Appearance;外形

⑤Manufacturing;制造

⑥Safety;安全性

⑦Environmenteffects;环境影响

⑧Reliabilityandlife;可靠性及寿命

7Strengthisameasureoftheabilitytoresist,withoutfails,forceswhichcausestressesand

cesmaybe:

在没有破坏的情况下，强度是抵抗引起应力和应变的一种量度。这些力可能是：

①Graduallyapplied;渐变力

②Suddenlyapplied;瞬时力

③Appliedunderimpact;冲击力

④Appliedwithcontinuousdirectionreversals;不断变化的力

⑤Appliedatloworelevatedtemperatures.温差

8Ifacriticalpartofamachinefails,thewholemachinemustbeshutdownuntilarepairis

,whendesigninganewmachine,itisextremelyimportantthatcriticalpartsbemade

ignershoulddetermineaspreciselyaspossiblethe

nature,magnitude,edesignismot,

however,anexactscienceanditis,therefore,rarelypossibletodetermineexactlyalltheapplied

tion,differentsamplesofaspecifiedmaterialwillexhibitsomewhatdifferent

abilitiestoresistloads,eofthis,design

calculationsbasedonappropriateassumptionsareinvaluableintheproperdesignofmachine.

如果一个机器的关键件损坏，整个机器必须关闭，直到修理好为止。设计一台新机器时，

关键件具有足够的抵抗破坏的能力是非常重要的。设计者应尽可能准确地确定所有的性质、

大小、方向及作用点。机器设计不是这样，但精确的科学是这样，因此很难准确地确定所有

力。另外，一种特殊材料的不同样本会显现出不同的性能，像抗负载、温度和其他外部条件。

尽管如此，在机械设计中给予合理综合的设计计算是非常有用的。

9Moreover,itisabsolutelyessentialthatadesignengineerknowshowandwhypartsfailso

mes,afailure

canbeserious,

otherhand,pleisthelooseningoftheradiator

sequenceofthislatterfailureisusuallythelossof

someradiatorcoolant,aconditionwhichisreadilydetectedandcorrected.

此外，显而易见的是一个知道零件是如何和为什麽破坏的设计师可以设计出需要很少维

修的可靠机器。有时，一次失败是严重的亡羊补牢的意思 ，例如高速行驶的汽车的轮胎爆裂。另一方面，失

败未必是麻烦。例如，汽车的冷却系统的散热器皮带管松开。这种破坏的后果通常是损失一

些散热片，可以探测并改正过来。

llyspeaking,

dynamicloadswithdirectionreversalscausegreaterdifficultiesthanstaticloadsand,therefore,

rconcerniswhetherthematerialisductileorbrittle.

Forexample,brittlematerialsareconsideredtobeunacceptablewherefatigueisinvolved.

零件负载类型是一个重要的标志。一般而言，变化的动负载比静负载会引起更大的差异。

因此，疲劳强度必须符合。另一个关心的方面是这种材料是否直或易碎。例如有疲劳破坏

的地方不易使用易碎的材料。

11Ingeneral,thedesignengineermustconsiderallpossiblemodesoffailure,whichinclude

thefollowing:

一般的，设计师要靠考虑所有破坏情况，其包括以下方面：

①Stress;应力

②Deformation;应变

③Wear;外形

④Corrosion;腐蚀

⑤Vibration;震动

⑥Environmentaldamage;外部环境破坏

⑦Looseningoffasteningdevices.紧固件的松脱

12Thepartsizesandshapesselectedmustalsotakeintoaccountmanydimensionalfactors

whichproduceexternalloadeffectssuchasgeometricdiscontinuities,residualstressesdueto

formingofdesiredcontours,andtheapplicationofinterferencefitjoints.

零件的尺寸和外形的选择也有很多因素。外部负荷的影响，如几何间断，由于轮廓而产

生的残余应力和组合件干涉。

Unit6ManufactureProcess(1)

Computer-AidedManufacturing

1Thescientificstudyofmetal-cuttingand

automationtechniquesisproductsof,heiw.-ntieth

neersofthesetechniqueswere

theearly1900s,

rdoflivingbroughtanewhigh

计算机辅助制造

对金属切削和自动化技术的科

学研究时二十世纪的产物。泰

勒和亨利是这些技术的先驱。

1900年代早期，美国日益提高

的生活水平将个人财富带到了

orresultwastheincreased

creaseddemand

meantthatmanufacturingcouldnolongerbetreatedas

ablacksmithtrade,andtheuseofscientificstudywas

pioneered

studiesin\"scientificmanagement\"inwhichmethodsfor

productionbybothmenandmachineswerestudied.

Tayloralsoconductedmetalcuttingexperimentsatthe

MidvaleSteelCompanythatlasted26yearsand

ultofTaylor\'s

metal-cuttingexperimentswasthedevelopmentofthe

Taylortool-lifeequationthatisstillusedinindustrytoday.

Thistool-lifeequationisstillthebasisofdetermining

economicmetalcuttingandhasbeenusedinadaptive

controlledmachining.

一个新的高度。这种现象主要

影响就是对耐用品德需求的增

长。日益增长的需求意味着制

造业不再是简单的手工作坊式

的行业，而应该在制造业中引

入科学化的研究手段。泰勒开

创性的对“科学管理”进行的研

究，研究对象包括用手工和机

器两种生产方式的方法。泰勒

还领导了在费城穆德维尔钢铁

公式进行的金属切削实验，该

实验持续了26年，产生了400

吨金属切削，近视切削实验最

后得到了工业上至今还在使用

的泰勒刀具寿命公式。

该道具寿命公式仍然是决定金

属切削经济性的依据，他还被

应用于自适应控制机床中。

2HenryFord\'scontributionstookadifferentturn

fromTaylor\'finedanddevel-opedtheuseof

assemblylinesforthemajorcomponentmanufacturerof

ltthateveryAmericanfamily

shouldhaveanautomobile,andiftheycouldbe

manufac-turedinexpensivelyenoughtheneveryfamily

lmechanismsweredevelopedat

omation

thatForddevelopedwasbuiltintothehardware,and

Fordrealizedthatsignificantdemandwasnecessaryto

offsettheinitialdevelopmentandproductioncostsof

suchsystems.

亨利福特的贡献与泰勒的不

同。福特改进和发展了为他的

汽车生产主要零部件的装配线

（的应用）。福特认为每个美国

家庭都应该有一部汽车，如果

生产出来的汽车足够便宜那么

每个美国家庭都会买一部。福

特工厂制造了一些机械装置以

适应装配线。福特使用的制动

化时集成于硬件中的，他意识

到了为了弥补系统的早期开发

和制造成本必须有非常大的产

品需求。

3Althoughmanufacturingindustriescontinuedto

evolve,itwasnotuntilthe1950sthatthenextmajor

etime,stridestoreduce

humaninvolvementinmanufacturingwerebeingtaken.

Specialtymachinesusingcamsandother\"hardwired\"

Forcerecognizedthedevelopmenttimerequiredto

制造业持续发展，但直到20实

际50年代才出项了下一个重要

的突破。长期以来，人们一直

致力于减少制造过程中的人为

参与。那是已经开发出了使用

凸轮和其他“硬布线”逻辑控制

器的专用机床。美国空军意识

producethisspecialequipmentandthatthetime

requiredtomakeonlysmallsequencechangeswas

ult,theAirForcecommissionedthe

MassachusettsInstituteofTechnologytodemonstrate

programmableornumericallycontrolled(NC)machines

(alsoknownas\"softwired\"machines).Withthisfirst

demonstrationin1952camethebeginningofanewera

hen,digitalcomputershave

beenusedtoproduceinputeitherinadirectedmannerto

manyNGmachines，directnumericalcontrol(DNC)，orin

amorededicatedcontrolsense,computernumerical

control(CNC).Today,machinecontrollanguagessuch

asAPT(AutomaticProgrammingTool)havebecomethe

standardforcreatingtoolcontrolforNCmachines.

到此类专门设备的开发时间和

对设备的工做顺序进行微小改

动所学的时间过长。因此，美

国空军委托麻省理工学院来开

发一种可编程的或者数字化的

控制的机器（也称为“软布线”

机械）。制造业的新纪元从1952

年的这次首创开始了。从此以

后，电子计算机被用来进行数

据输入，或者以直接的方式用

在去多NC机床上(DNC)，或者

以更专业的方式用在计算机数

控机床上（CNC）。

4Itisinterestingtonotethatmuchoftheevolutionin

manufacturinghascomeasaresponsetoparticular

tance,the

technologythatevolvesinthenineteenthcentury

broughtwithittheneedforhigher-precision

machining.(Thisresultedinthecreationofmanynew

machinetools,amorerefinedmachinedesign,誦and

newproductionprocesses.)Theearlytwentiethcentury

becameaneraofprosperityand1industrializationthat

createdthedemandnecessaryformass-production

：^1950sitwasestimatedthatasthe

speedofanaircraftincreased,thecostof

manufacturing！theaircraft(becauseofgeometric

complexity)increasedproportionatelywiththespeed-

The|resultofthiswasthedevelopmentofNC

technology.

有意思的时制造业的许多发张

都对应与不同历史时期的特殊

变化。例如，19世纪工业技术

的发展带来了对高精密加工的

需求。（因而产生了许多新型的

机床，更精细化的机械设计和

新的生产工艺。）20世纪初期成

为繁荣的工业化时代带来了对

大规模生产技术的需求。20世

纪50年代，人们认为随着飞机

飞行速度的增加，飞机的制造

成本也成比例的增加（由于几

何结构的复杂性），正是这个原

因导致了NC技术的发展。

5Afewtangentialnotesonthishistoryincludethe

olumeofpartsImanufactured

increases,theproductioncostforthepartsdecrease

(thisisgenerallyknown|as“economyofscale”）.Some

ofthechangeinproductioncostisduetofixedversus

tance，ifonlyasinglepartistobe

produced(suchasaspacevehicle),allof1thefixed

costsforplanninganddesign(bothproductandprocess)

关于这段历史的还有下面一些

值得关注的地方。随着零件生

产数量的增加，零件的生产成

本降低（这就是众所周知的规

模经济）。生产成本变化部分的

时由于固定成本对可变成本比

例的变化。例如，如果仅仅生

产单独一个零件（例如太空飞

mustbeabsorbedbythe|,however,

severalpartsareproduced，thefixedchargecanbe

sinproduction

cost，notreflectedinthissimplefixed-versusvariable-|

costrelationship，areusuallytheresultofdifferent

manufacturingprocedures—transfer-linetechniquesfor

high-volumeitemsversusjob-shopproceduresfor

low-volumeitems①.

行器），所有用于计划，设计（包

括产品和工艺两方面）的固定

成本都要集中在这一个零件

上。如果该零件生产了多个，

固定支出就能够被分摊到多个

零件上。不能用上述简单的固

定成本——可变成本的关系进

行解释的生产成本的变化通常

是采用不同制造方法的结果—

—————自动成产线用于大

批量生产，加工车间用于小批

量生产。

AutomatedManufacturingSystems

6Anautomatedmanufacturingsystemconsistsofa

collectionofautomaticorsemiauto-1maticmachines

linkedtogetherbya“intrasystem”material-handling

system-Thesesystemshavebeenaroundsincebefore

HenryFordbegantomanufacturehisModelTonhis

utomatedsystemshave

beenusedtoproducemachinedcomponents，

assemblies,electricalcomponents,foodproducts,

chemicalprod”—…一techniquestorhigh-volume

itemsversusjob-shopproceduresforlow-volumeitems^.

AutomatedManufacturingSystemsAnautomated

manufacturingsystemconsistsofacollectionof

automaticorsemiauto-maticmachineslinkedtogetherby

a“intrasystem”

systemshavebeenaroundsincebeforeHenryFord

begantomanufacturehisModelTonhismoving

utomatedsystemshavebeen

usedtoproducemachinedcomponents,assemblies,

electricalcomponents,foodproducts,chemicalproducts,

alnumberofproductsproducedonasingle

r,

theprinciplesofdesigningtheproductionsystemsare

thesameindependentlyoftheproductbeing

kstationsinaproductionsystem

canbemanual，

自动化制造系统

自动化制造系统由一系列的自

动化机床或半自动化机床，及

将他们连接到一起的内部物料

传送系统组成。这种系

统从亨利福特在他的移动装配

线上生产他的T型汽车之前就

已经得到了应用。这些

自动化系统被用来生产机器零

部件，装配件，电器元件，食

品，化工产品等。一套

系统生产的产品总量随着生产

方法的不同而不同。在

一个系统内生产的数量随着加

工方法的不同而不同。

然而，不管生产的产品是什么，

设计生产系统的原理是一样

的。再生产系统中的工

作站可以是手工的，也可以式

半自动的或者全自动的。

全自动的工作站可以是可编程

的也可以是硬布线的。

automaticstationscanbeprogrammableorhardwired.

7Thepurposeofanyproductionsystemisto

produceaproductorfamilyofproductsin{themost

tedproductionsystemsare

nodifferentfromanyotherjtypeofmanufacturing

rtoemployanyformofautomation，the

implementa-1tionmustbeeconomicallyjustifiable.

Automationhastraditionallyb厶enmostappropriatefor

r,flexibleautomation

equipmenthasbroughtautomationtosomerelativelylow

valueproducts.

任何生产系统的目的都是为了

以最经济的方式生产一种或一

系列产品。自动化生产系统与

其他的制造系统没有区别。自

动化的任何实现方式在经济性

上必须是合理的。自动化通常

适用于高附加值产品。然而，

柔性自动化装备也应用于一些

低价值产品的生产。

Unit7Shaper,Planer,MillingandGrindingMachines

牛头刨床，龙门刨床，铣床和磨床

1.

Shapers

1Shapersaremachinetoolsusedprimarilyinthe

productionofflat(平坦的；扁平的)andangular(有角的）

tion,theshaperisusedtomachineirregular

shapesandcontours（轮廓）whicharedifficulttoproduceon

alaswellasexternalsurfacesand

shapes

producedontheshaperareflat,angular,grooves,dovetails

（鸠尾榫头;楔形榫头）,T-slots,keyways,slots,serrations

（锯齿状）,-pointcuttingtoolssimilarto

thetypeusedonthelatheareusedinmachiningmostsurfaces

rsurfacescanbeproducedwitheithera

inga

single-pointcuttingtoolforcontoursurfaces,thedepthofcut

mustbeconstantly（不断地）regulatedbythemachine

ing（仿形）

attachmentscanbeusedonsomeshaperstoregulatethefeed

cal

controlunitsalsoenabletheproductionofirregularsurfaces

withconstantregulationofthedepthofcut.

2Shapersareclassifiedbytheplaneinwhichthecutting

actionoccurs,tionthe

horizontal-typeshapersarefurtherclassifiedaspushorpull

-cutshapercutswhiletheram（滑枕）ispushing

刨床

刨床是主要用于加工平面和斜面的

加工机床。此外，刨床还可用于加工在

其它机床上难于加工的不规则形状和

外形轮廓。内外表面和形状都可以在刨

床上加工。刨床可以加工的形状通常有

平面，斜面，凹槽，燕尾槽，T型槽，

键槽，槽，锯齿和外形轮廓。与车床上

使用的刀具相类似的单点切削刀具在

刨床上用来加工大多数表面。轮廓面可

以用单点的方式或成型的方式切削出

来。用单点切削刀具加工曲面时，操作

人员应不停地连续调整切削深度来加

工出合适的轮廓。在一些刨床上用仿形

附件来复制其它零件的轮廓调整进给

运动。使用数字控制单元能不断地调整

切削深度来完成不规则曲面的加工。

刨床类型由发生切削的平面来定

义，或者是卧式的或者是立式的。另外，

卧式的还被进一步划分为推刨或拉刨。

thetoolacrossthework,andapullcutmachineremoves

al

shapersuseapushing-typecuttingactionandaresometimes

referredtoasslottersorkeyseaters.

Planers

3Planersaresimilartoshapersbecausebothmachines

areprimarilyusedtoproduceflatandangularsurfaces.

However,planersarecapableofaccommodatingmuchlarger

eroperationsthe

workpieceismountedonthetablewhichreciprocates（往复运

动）inahorizontalplaneprovidingastraight-linecuttingand

-pointcuttingtoolsaremountedonan

overheadcrossrailandalongtheverticallysupported

columns（柱状物）.Thecuttingtoolsarefedintooraway

fromtheworkpieceoneitherthehorizontalorverticalplane,

thusbeingcapableoffourstraight-linefeedmotions.

4Cuttingspeedsareslowontheplanerbecauseofthe

rto

increasetheproductionoftheplaner,multipletoolingstations

lingstationsarelocatedonthe

overheadcrossrails,withusuallyonetoolingstationonthe

rmethodofincreasingproductionon

theplaneristomountanumberofworkpiecesonthetableat

thodisonlyfeasiblewhenthe

workpiecesrequirethesamecutandarerelativelysmallin

nersizeisdesignated（指定，选定）bythe

ght,

width,andlengthoftheworkpiecethatcanbeaccommodated

ontheplaner\'sworktablevarieswiththetypeofplaner.

MillingMachines

5Millingmachinesareprobablythemostversatile

machinetoolsusedinmodernmanufacturingwiththe

ilydesignedtoproduceflatand

angularsurfaces,themillingmachineisalsousedtomachine

irregularshapes,surfaces,grooves,ling

machinecanalsobeusedfordrilling,boring,reaming,and

gear-cuttingoperations.

6Anumberofdifferenttypesofmillingmachinesare

manufacturedinordertoservethemultitudeofneedsandthe

gmachinesareclassified

accordingtotheirstructureandincludecolumn-knee,fixed

bed,planer,andspecialmachines.

GrindingMachines

7Grindingmachinesutilizeabrasive（研磨料）grains,

龙门刨床

龙门刨床与刨床类似，因为两者都

用来加工平面或斜面。不同的是龙门刨

床适合加工更大尺寸的工件。龙门刨床

在加工过程中，工件被安装在提供直线

切削和进给运动的沿水平往复运动的

工作台上。刀具被安装在上方的交叉导

轨和垂直立柱上。刀具在水平方向和垂

直方向朝向工件或远离工件做进给运

动，因此刀具有四个直线进给运动。

因为工件尺寸和使用刀具类型的关

系，龙门刨床的切削速度比较慢。为了

提高龙门刨床的生产效率会使用多个

动力头来进行切削。在上方交叉导轨上

会安装两个刀架，在垂直导轨上会安装

一个。另一种提高龙门刨生产率的方法

是在工作台上同时装夹多个零件。只有

工件具有相同的切削要求和工件尺寸

较小时才能使用这种方法。龙门刨的规

格是由机床所能加工零件的最大尺寸

决定的。能够加工零件的长、宽、高随

着龙门刨型号的不同而不同。

铣床

铣床可能是现代加工中除了车床外

最为多样化的一种机床。主要设计用来

加工平面和斜面，铣床还可以用来加工

不规则形状，曲面，槽。铣床还可以进

行钻，镗，铰和齿轮加工。

不同种类的铣床被制造出来以适应

于不同的需求。铣床通过其结构来定义

其类型，包括卧式，固定工作台式，龙

门式和专用铣床。

磨床

磨床使用磨粒进行切削，磨粒粘接

在一起形成不同形状不同尺寸的砂轮

和砂带用于切削。磨削可以带来高质量

的工件表面。另外，工件的尺寸精度在

磨削过程中以0.00025的精度得到提

高。使用不同种类的磨床可以加工工件

的内外表面。相同的加工方法--使用不

bondedintovariousshapesandsizesofwheelsandbeltstobe

usedasthecuttingagent（介质）.Grindingoperationsareused

toimpart（给予，传递）ahigh-qualitysurfacefinishonthe

tion,thedimensionalaccuracyofthe

workpieceisimprovedsincetolerancesof0.00001in.[0.

00025mm]ternal

andexternalsurfacescanbegroundbyusingthevarietyof

doperations—whichuse

abrasives（研磨剂）invariousformssuchaspaste,powder,

andgrains—includelapping（研磨）,honing,anddrum

finishing.

8Grindingmachinesareclassifiedaccordingtothetype

surfacesandclassificationsof

grindingmachinesaresurface,cylindrical[si\'lindrikl],and

specialmachines.

同形式的研磨介质诸如粘接剂，粉状颗

粒和磨粒--还包括研磨，珩磨和圆形砂

轮磨削。

磨床类型由加工表面类型来定义。

通常有平面磨，外圆磨内圆磨，和专用

磨床等。

Unit9NCMachines

数控机床

1Machinemaybeclassifiedaccordingtothenumber

ofaxesofnumericallycontrolledmovementswithrespect

aybeother

-axis

machinewouldhavethetablemovedlengthwiseand

crosswiseinahorizontalplane;athree-axismachine

wouldhaveanadditionalverticalmovementofthe

spindle,forexample,Four-,five-,orsix-axismachines

provideadditionallinearorrotarymovements.

机器根据多轴数控运动方面笛

卡尔某某坐标可分为多种。有

可能是其他运动的数字控制。

一种双轴机将表的纵向和横向

移动在水平面三轴机将有额

外的主轴垂直运动例如四-

五-或提供额外的线性轴机

或旋转运动。

2ThreeclassesofNCsystemsarecommonly

heseiscalledpoint-to-pointor

positioningNC,whereacuttingtoolandworkpieceare

positionedwithrespecttoeachotherbeforeacutis

taken,asexemplifiedbyanNCdrillpress~.Thepath

betweenpointsisoflittleconcernandisnotparticularly

rclass,knownasastraight-cutNC

system,involvesmovementsbetweenpointslike

point-to-pointNCbutalongstraightorcurvedpaths

rret

classis

在三类数控系统中。其中一类

被称为逐点或位置调节数控

在这类数控系统中进行切削

之前切削刀具和工件彼此之

间的位置就被确定了数控钻

床就是一个例子。点之间的路

径不太重要不是特别控制。

另一类称为数控纵切系统

涉及运动点像点位数控但沿直

线或曲线路径决定的方式或过

程。数控转塔车床可能是二类。

continuous-pathNC,ormoreformallycontinuoustool

pathcontrol,whichdoescontouringorprofilingoflines,

curves,orsurfaces,ofachieving

continuouspathNCistomovetheworkpieceorcutter

frompointtopointalongastraightlineorcurve

(aparabolicpathbetweenpointsisusedonsome

machines)withmanypointsspacedcloselyenough

togethersothatthecompositionpathofthe

cutapproximatesadesiredcurvewithinlimitsrequired~.

Anotherwayistodrivemachinemembers,sayasaddle

andthetableonit,alongcoordinateaxesatvarying

velocitiescontrolledsothattheresultantmotionisalonga

particularlineorcurve.

三分之一类是连续轨迹数控

或更正式的连续轨迹控制其

轮廓或轮廓线曲线或表面

各种形状。得到数控连续路

径的一种方式是使工件或刀具

沿一直线或曲线做点到点的运

动在某些机床上点之间采

用抛物线路径许多点的间隔

足够小一边在要求的限度内

使切削组合的路径接近一预想

的曲线。。另一种方法是驱动机

器的成员说一个鞍状结构

沿坐标轴以不同的速度控制

由此产生的运动是在一个特定

的直线或曲线。

3AnNCmachinemaybecontrolledthroughan

open-looporclosed-loopcircuitasdepictedinFig.9.1.

Theopen-loopsystemisthesimplestandcheapestbut

lthatisanorderfora

certainaction(suchastoturnonthecoolant,startthe

spindle,ormovethetabletoacertainposition)isissued

avelsthroughthedrive

mechanismwhichimposestheactionuponthe

icdrive

mechanismforatableorothermachinememberinan

open-loopsystemisasteppingmotor,alsocalledadigital

,forexample,49polesaroundthe

reenergizedtoalignthe

nexttwopolesandturnthearmaturethrougha

definitesmallangleeachtimeapulseofelectricityis

orturnstheleadscrew,whichmoves

,forexample,a

pulsestandsfora0.001mmmovement,andamovement

of0.05mmisdesired,thecontrolunitissues50pulses;

themotorturnsthrough50stepsandturnsthe

leadscrew,andthetable(orothermember)isdriventhe

eatwhichthepulsesare

数控机床可控制通过一个开环

或闭环电路如图9.1所。开环

系统是最简单和便宜但不保证

准确性。一个信号,表明是一个

为了一个特定操作(例如打开冷

却剂,启动主轴,或的表移动到

某一个位置)发出控制单元。这

个过程,通过驱动机制规定行为

控制机器的成员。在开口回路

系统中一工作台或其他机器

构件的基本的驱动机制是步进

电动机,也称为数字或脉冲发

动机。比如,它在电枢内部49

波兰人在定子的50波兰人。两

个极点总是一致的。波兰人有

足够的精力来调整下两个极点,

将通过一个明确的小角度电枢

每次收到的脉冲电。马达转动

的有,移动表对应的距离。比如

说,如果一个脉冲代表一个0。

001毫米的运动,和一个运动的

0.05毫米是很明显的控制单

元50脉冲;马达转动到50步

erofa

steppingmotorislimited,andiftheresistanceto

movementislarge,themotormayjuststallandmiss

snofeedbacktoreporttheomission,and

drivewithasteppingmotoris

morepowerandheavyservice,asteppingmotor

ismatchedwithahydraulicmotorthroughaservovalve

fortabledrivesupto7.5kW(10hp)andmore.

和将有和表(或其他)是0.05毫

米驱动所需的。脉冲的速率决

定的速度进给。步进电机的力

量是有限的,如果抵抗运动是大

型汽车可能只是停滞,错过的步

骤。没有反馈报告遗漏,和失去

了准确性。与步进电机直接驱

动仅限于光服务在分马力。更

多的力和沉重的服务,一个步进

电机配个通过伺服阀液压马达

为表驱动7.5千瓦(10点)和更

多。

4Itiscommoninclosed-loopsystemsforthepulsed

commandsignalforthemovementofthetable(orother

member)ofthemachinetobeconvertedtoasteady

gnalturnsonthepowertothedrive

licandacbutmostlydcelectric

ensity

ofthesignalisdeterminedbythefeedvelocityordered.

Forahigherfeed,pulsesareissuedatafasterrate

and/ortheanalogsignalislarger,whichturnsonmore

meter

inthemotordrivesendsbackasignalthatiscomparedto

thefeedrateordertoassurethattherequiredfeedrateis

beingdeliveredandtomakecorrectionsifitisnot.

Commonly,aresolverisdrivenbytheleadscrewand

accuracyforalongerperiodoftimeisobtainedwiththe

feedbackdeviceattacheddirectlytothetable,butsuch

dbacksignalis

comparedtotheorder,andwherethefeedbackequals

theorderandsignifiestherequiredmovementhasbeen

completed,thepowerisshutoff,andthemovement

heyarecontrolledthrough

separatechannels,allmovementsmayactatthesame

,itisnecessarythattheyactsimultaneously

andbesynchronizedaccuratelyforcontouring.

这是常见的闭环系统的脉冲信

号指挥运动或其他的机器

转换到一个稳定的模拟信号。

信号打开电源的驱动机制。液

压但大多都是采用直流电机驱

动的数控机床。发出脉冲的频

率确定进给的频率。一个较高

的进给脉冲发出以更快的速度

和/或模拟信号较大这将在更大

功率电机驱动表更快。转速的

电机驱动发送信号假如不是相

对于进给率为保证所需的进给

和交付的配合。通常一个解析

器是由丝杠和返回信号显示多

长久表达动作。更准确的更长

的时间是反馈装置直接连接到

表，但这种装置是更昂贵。反

馈信号是相对于顺序并在反馈

等于输入意味着所需的运动已

经完成在电源关闭并停止移

动。因为他们是通过控制不同

的渠道所有的运动可在同一时

间。事实上这是必要的他们的

行为的同时同步准确的轮廓。

Unit10HydraulicSystem液压系统

1Thehistoryofhydraulicpowerisalongone，datingfromman’sprehistoriceffortsto

harnesstheenergyintheworldaroundhim．Theonlysourcesreadilyavailablewerethewaterand

thewind—twofreeandmovingstreams.液压动力的历史由来已久，始于人类为利用他周围的

能源而作出的努力。来源只有现成的水和风—两种自由移动流。

2Thewatermill，thefirsthydraulicmotor，wasanearlyinventionOneispicturedona

mosaicattheGreatPalaceinByzantium，datingfromtheearlyfifthcenturyThemillhadbeen

builtbytheRomans．Butthefirstrecordofawatermillgoesbackevenfurther,toaround100

BC，andtheoriginsmayindeedhavebeenmuchearlierThedomesticationofgrainbegansome

5000yearsbeforeandsomeenterprisingfarmerisboundtohavebecometiredofpoundingor

grindingthegrainbyhand．Perhaps，infact，theinventorwassomefarmer’swife，sinceshe

oftendrewtheheavyjobs.水车，第一台液压马达，是一种早期的发明。是一张画在镶嵌在

大皇宫在拜占庭的图片，可追溯到第五世纪初，被罗马人修建的工厂。但第一次记录水车去

更久远，在公元前100年左右，起源可能更早。驯化谷物开始大约5000年前，有进取心的

农夫一定厌倦了用手磨粒加工。也许，事实上，发明者是一些农民的妻子，因为她经常从事

沉重的工作

Manvmillsstavedinuseuntiltheendofthe19thcentury，buttheyhadbeeninthe

processofbeingreplacedbytheSteamengineasasourceofpowerfortheprevious150

years．Thetransmissionofthepowergeneratedbythewaterwheelswasbyshaftingandcrude

gearsorpulleys．Thesteamengineforthefirsttimeemployedanenclosedmovingstreamof

fluid(steam)underpressure—theprincipletobelateremployedinhydraulicpowertransmission

—fortransmittingpowercontinuouslyfromthepointofgenerationtotheplacewhereitwas

used许多米尔斯避免使用直到第十九世纪末，但他们已经在这个过程中被蒸汽发动机取

代作为动力源的前150年。电力传动产生的水车的轴系和齿轮或滑轮。蒸汽机的第一次使用

利用一个封闭的移动流液（汽）压力，后来采用液压传动传递功率，在以后的时代不断被使

用

Thetransmissionofhydrostaticpowertoadistantpointbeganlongbefore

that,however．HeroofA1exandria，inthefirstcenturyAD，builtadeviceinwhichafireonthe

templealtarexpandedairinaclosedcontainer．Theairpressureforcedwatertotravelalonga

tubetothetempledoorswhere，spillingintoacontainer，itprovidedtheforcethroughropesand

pulleystomagicallyopenthedoors他在传输到一个遥远的水压力量点之前就开始了,但是

亚历山大在公元一世纪,建造了一个设备,其中上底部的火增加了空气压力在一个封闭的容

器，空气压力迫使水沿着一根管子到容器口,蔓延到一个容器,它提供的强行通过绳索和滑轮

神奇地打开门

Heroalsoproducedasteamengineofsorts．Itsmotiondependedonthereactionforces

fromjetsofsteam，asinthepresentsteamturbine，butitwaslittleunderstoodanditwasno

morethananinterestingcuriosity.英雄也生产了各种各样的蒸汽引擎。它的运动取决于反应

蒸汽喷发的速度,蒸汽涡轮机至今,但很少有人理解，它只不过是一个有趣的好奇心•名人

堂：众名人带你感受他们的驱动人生马云任志强李嘉诚柳传志史玉柱

TheinventionofearlyformsofthehydraulicpumphasasimilarlyearlyoriginThefirst

pumpswerenotusedtodevelophydraulicpower，however\'butonlytotransferwaterfor

irrigationortoremoveitfrommines这项发明的早期起源的形式是一个类似液压泵的东

西，第一个泵已经不只用来开发液压动力,然而但只有将用于矿山灌溉水

Archimedesappliedtheprincipleofthescrewtohydraulicmachinesinthethirdcentury

BC．Hisscr

pistonpump，thefirstmechanicaldevicecapableofgeneratingpressureinacolumnofliquid，is

believedtohavecomefromEgyptatasimilarlyearlydate．Likethescrewpump，itwasusedonly

asameansformovingwaterandnotasameansforgeneratinghydraulicpower.在公元前3世

纪阿基米德应用螺丝原理的液压机械在公元前3世纪。他的螺杆泵被用来提高灌溉用水或水

平沟渠。柱塞泵是历史上第一台能够使液柱内产生压力的机械装置,它被认为来源于埃及且

与螺旋泵有同样悠久的历史，它仅是用来作为一种移动水的手段,而不是作为一种生成液压

动力的手段

Inmorerecentyears，theroleofleadershipinhydraulicpowerapplicationhasbeentaken

overlargelybysomeofthelargerearthmovingandconstructionequipmentmanufacturersthe

totalPowerinvolvedisoftengreaterthanthatrequiredineventhelargestaircraftsystems．the

concentrationofthispowerinafewverylargeloads，ascomparedtothemultitudeofsmaller

loadsinanairplane，hasspurredthesystemdesignertofindnew，creativewaystodistributeand

controlthepower．Thishehassucceededindoingtoobtainmaximumprecisionofcontroland

productivitywhileminimizingpowerconsumption．近年来，一些规模较大的生产土建设备

的厂商在液压动力应用方面一直站着主导地位。总功率涉及常常会超过需要,即使在最大的

系统集中的飞机，这种力量也是非常大的负载,相比之下,许多的小负荷,在飞机上促使系统设

计者找到新的有创意的方法来分配和控制蒸发式冷凝器，他成功地做到控制和生产力的精度,

同时最小化能耗。

Inmodernmobileandindustrialapplications，thesystemdesignerhasmadefulluseofthe

wonderfulflexibiIityandadaptabilityofhydraulics．Itcanreadilybedirectedaroundcornersand

pastinvolvingjointsthatvirtuallydefymechanicalpowertransmission．Itcanbedividedeasilyto

serveindividualloadsorrecombinedtopowerahigh，single一loaddemand．Electricaland

pneumaticpowerdistributionhavesimilarflexibility，butlackthecompactnessandcertainofthe

otherimportantcharacteristicsofhydraulics．在现代的移动和工业应用,系统设计者充分利用

了美妙的柔性和适应性的水力学。在过去的涉及关节它随时会被定向转弯和,几乎可以忽略

机械动力传输。它可以分为容易为各自的负载或重组来驱动一个高单一需求。电动、气动分

布也有类似的灵活性,但缺乏的密实度和某些其他的重要特征的水力学。

Averysignificantfeatureofhydraulicpowerisitsextremepowerdensity．Fig．10．1

showsacomparisonofa400hP(1hp=07457kW)hydraulicpumpingsourcewithadieselengine

andanelectricalmotorofthesamepowercapacity．Thecontrastisobviousandisonethatotters

bothanopportunitytotheuserofhydraulicpowerandachallengetothedesignerofhydraulic

components.一个非常重要的特征是它的极端水力发电功率密度。图0.1显示了一个比较的

400马力(1惠普=0•7457千瓦)液压抽油机源与柴油发动机和电动马达相同的电力产量的对

比是很明显的,对用户对液压动力是一个机遇,对液压元件的设计师是一个挑战。

Thehigh—powerdensityinahydraulicpumpormotorcreatesdesignchallengesbeyond

adsonrapidlyslidingsurfaces，extremefluid

velocitiesandrapidlyrecurringpressureapplicationsonpumpingelements(vanes，pistons。

gears)demandcarefuldesignattentiontoassurelonglife，completereliabilityandefficient

r,ontheotherhand，reapsthebenefitofafamilyofapparatusthatishighly

responsive，finelycontrollableandsimpletoapply．Whenthedesignerunderstandstheuser’s

needsandtheuserunderstandstheequipment’sfullcapabilities，themaximumpotentialof

hydraulicpowercanbeachieved．大功率密度液压泵或运动创造的设计的挑战,除了那些在

许多其他产品的发现•高负载的迅速滑面,极端的流体流速和压力应用重复元素(叶片活塞.

齿轮)需求精心设计以保证较长的使用寿命,完整的可靠性及高效运行,另一方面是高度响应

有利于家庭使用的装置,精细的可控性和简单的应用，设计师理解用户的需求和用户了解设

备的全部功能,其最大潜能可以达到对液压动力的实现。

Unit12FluidMechanicsinEngineering

工程流体力学

FluidMechanicsisthebranchofengineeringsciencethatisconcernedwith

dyoffluid

mechanicsinvolvesapplicationofthefundamentalprinciplesofmechanicsand,toa

lesserdegree,ofthermodynamicstodevelopaqualitativeanalysistechniquesthatan

engineercanapplytodesignorevaluationofequipmentandprocessesthatinvolve

fluids.

译文：流体力学是工程科学的分支，关注的是流体运动在休息所产生的力量

和能量。流体力学的研究涉及应用力学的基本原则，并在较小程度上，热力学制

定一个定性的分析技术，工程师可以适用于设计或评价，涉及流体的设备和工艺。

Youareprobablyreadingthisbookbecausefluidmechanicsisarequiredcoursein

dyoffluidmechanicsisincludedinmostengineering

curriculabecausetheprincipleandmethodsoffluidmechanicsfindmany

strateafewapplications,wewillconsiderthe

followingfields:

①Fluidtransport;

②Energygeneration;

③Environmentalcontrol;

④Transportation.

译文：您可能读过流体力学这本书，因为在你的课程是一门必修课。流体

力学的研究，包括流体力学的原理和方法，发现在大多数的工程课程，因为许多

技术应用。为了展示一些应用程序中，我们将考虑以下字段：

①流体输送;

②能源发电;

③环境控制;

④运输。

Fluidtransportismovementofafluidfromoneplacetoanothersothatthe

eincludehomeandcitywatersupplysystems,

cross-countryoil,naturalgas,andagriculturalchemicalpipelines,andchemicalplant

ersinvolvedinfluidtransportmightdesignsystemsinvolvingpumps,

compressors,pipes,valvesandahostofothercomponentsalldirectlyinvolvedwith

tiontothedesignofnewsystems,engineersmayevaluatethe

adequacyofexistingsystemstomeetnewdemandsortheymaymaintainorupgrade

existingsystems.

译文：流体输送的流体从一个地方到另一个地方的移动，从而使流体可使用

或处理。示例包括家庭和城市供水系统，越野油，天然气，农业化学品管道，化

工厂管道。涉及流体输送的工程师可能涉及泵，压缩机，管道，阀门和其他组件

的主机都直接参与运动的流体系统设计。除了新系统的设计中，工程师可以评估

现有的系统是否足够，以满足新的需求，或者他们可能会维持或升级现有的系统。

Inthefieldofenergygeneration,wefindthat,withtheexceptionofchemical

batteriesanddirectenergy-conversiondevicessuchassolarcells,nousefulenergyis

lenergy-conversiondevicessuchassteam

turbines,reciprocatingengines,gasturbines,hydroelectricplants,andwindmills

fthesedevices,energyisextracted

fromafluid,rmodynamiccyclesofthesedevicesusually

requirefluidmachinerysuchaspumpsorcompressorstodoworkonthefluid.

Auxiliaryequipmentsuchasoilpumps,carburetors,fuel-injectionsystems,boiler,

draftfans,andcoolingsystemsalsodependsonfluidmotion.

译文：在能源发电领域，我们发现，除了化学电池和直接能量转换设备外，

如太阳能电池。没有流体运动就不能产生有用的能量。典型的能量转换设备，如

蒸汽涡轮机、往复式发动机、燃气轮机、水电站和风车涉及许多复杂的流程。在

所有这些设备中，通常在运动着的流体中提取能量。这些设备的热力学循环通常

需要泵或压缩机等流体机械对流体做功。油泵、化油器、燃油喷射系统、锅炉、

风机、冷却系统等辅助设备也依赖于流体运动。

mated75percentof

Americanhomesareheatedbyforced-airsystems,inwhichthehomeairis

air-cor

processesoccurinautomobileenginecoolingsystems,inmachinetoolcooling

systems,andinthecoolingofelectroniccomponentbyambientair.

译文：环境控制包含流体力学。估计有75%的美国家庭是加热系统来供热

的，这种加热系统就是让空气持续反复使用来传递燃料燃烧的热量。在空调系统

中，循环空气的制冷是由流动的制冷剂冷却的。类似的过程发生在汽车发动机冷

却系统,机床冷却系统,电子组件的冷却通过空气循环。

Withtheexceptionofspacetravel,alltransportationtakesplacewithinafluid

medium(theatmosphereorabodyofwater).Therelativemotionbetweenthefluid

andthetransportationdeviceisresponsibleforthegenerationofaforcethatopposes

thedesiredmotion,Thisforcecanbeminimizedbytheapplicationoffluidmechanics

idoftencontributesinapositiveway,suchasbyfloatinga

tion,shipsand

airplanesderivepropulsiveforcefrompropellersorjetenginesthatinteractwiththe

surroundingfluid.

译文：除了太空旅行,所有运输发生在流体介质中(大气或水体)。流体与运输

装置的相对运动能够产生与所需运动相反的力。这种力可以最小化来应用到汽车

设计的流体力学中。流体通常是是对我们生活产生积极作用的，例如轮船的浮起

或通过空气运动在机翅产生升力来使飞机飞行。而且，轮船和飞机获得推进力是

通过螺旋桨或推进器与周围的流体的作用。

ngineeringapplicationsof

fluidmechanicsincludethedesignofcanalsandharborsaswellasdamsforflood

therelativelynewfieldsofenvironmentalengineeringandbiomedical

engineering,engineersmustdealwithnaturallyoccurringflowprocessesinthe

atmosphereandlakes,rivers,ghitisnot

usuallyconsideredanengineeringdiscipline,thephenomenaoffluidmotionare

centraltothefieldofmeteorologyandweatherforecasting.

译文：这样的例子有很多.其他工程应用流体力学包括运河和港口以及大坝

防洪的设计.大型结构建筑物的设计必须考虑风荷载的影响。在环境工程和生物

医学工程这个相对较新的领域中,工程师必须会处理大气层和湖泊,河流和海洋或

在人体的天然流动过程。虽然它通常不被认为是一个工程学科,但是流体运动的

现象是中央领域气象学和天气预报的核心。

thesefundamentalsincludeaknowledgeofthenatureoffluidsandtheproperties

usedtodescribethem,thephysicallawsthatgovernfluidbehavior,thewaysinwhich

theselawsmaybecastintomathematicalfrom,andthevariousmethodologies(both

analyticalandexperimental)thatmaybeusedtosolveengineeringproblems.

译文：这些基本因素包括自然界流体知识和用属性描述它们,物理定律支配

流体行为,、这些定理可能转化为数学形式,并对各种方法用于解决工程问题(包括

分析和实验)。

Fewengineerscanfunctioneffectivelywithoutatleastarudimentary

umbersofengineersareprimarilyinvolved

withprocesses,devices,andsystemsinwhichaknowledgeoffluidmechanicsis

essentialtointelligentdesign,evaluation,

probablycannotforeseeexactlywhatproblemsyouwillbecalledontosolveinyour

professionalcareer;therefore,youwouldbewisetoobtainafirmgraspofthe

fundamentalsoffluidmechanics.

译文：很少有工程师能够一点不懂流体力学的基本知识，就能有效地发挥

作用的。多数工程师从事工艺、设备和系统等方面的工作，在这些工作中，流体

力学的知识对于聪颖的设计、评估、维护与决策指定是至关重要的。你也许不能

遇见你的职业生涯中将会面对什么样的问题，但你牢固把流体力学的基础知识肯

定是明智的。

Unit15controlsystemfundamentals

(1)Numericallycontrolledmachinesoftenweighupto100tonsandyetarerequiredto

trolsystemmust

movethetoolatfederatesashighas8cm/secwhileencounteringloadswhichmayvary

achinemusthavedynamicresponsecharacteristicsthat

y,theserequirements

dictateacontrolsystemthatismatchedtothemechanicalcharacteristicsofthemachineitdrives.

数控机械通常重达100吨，可是却要求安装一个精度高达0.002mm数量级的切削刀具。在

遇到预定路径下载荷变化较大的情况时，控制系统仍要以高达8厘米/秒的进给速度下移动

刀具。数控机床必须具有动态响应特性，使它能够复制较复杂的轮廓线，并具有最小的路径

误差。显然，这些条件要求控制系统必须与它所驱动的机器机械特征相匹配。

(2)Acontrolsystemisacombinationofdevicesthatregulateanoperationbyadministering

ially,acontrolsystemis

madeupofinterrelatedsubsystemsthatperformtaskswhichinorthodoxmachiningprocessesare

managed名人堂：众名人带你感受他们的驱动人生马云任志强李嘉诚柳传志史玉柱byan

intelligenthumanoperator.控制系统是一组设备的组合，他通过管理能量流和与该操作有关

的其它资源来控制操作。从本质上说，控制系统由相互关联的子系统组成，并有它们执行传

统上通常由只能人工操作员控制的机械加工过程。

(3)ThecontrolsystemsforNCmachinesthereforeservetoreplacethehumanmachine

tanalogycan

:因此，数控机

床的控制系统用于代替人工机器操作员并可显著地改进即使最好的人工操作。可从以下几个

方面对数字控制系统和它们代替的人工操作员直接进行类比：

①Sensethecurrentstatusofthemachine;检测机器的现状；

②Makelogicaldecisionswhicharerequiredtoaccomplishatask;做出完成任务所需的

逻辑决策；

③Communicatedecisionstothemachinebyactuatingpropermechanicaldevices;通过

操纵机械设备向机器传送决策信息；

④Havetheabilitytostoreinformation:instructions,data,andtheresultsoflogical

decisions.具有储存指令、数据、与逻辑决策结果等各种信息的能力。

(4)Insummary,amachinecontrolsystemisacombinationofelectroniccircuitry,sensing

devices,andmechanicalcomponentswhichguidethecuttingtoolalongapredefinedpath.总

之，机械控制系统是电路系统、检测装置以及机器零件的结合体，并指导切削刀具沿着预定

路径实现进给动作。

(5)Inthesectionsthatfollow,thereaderisintroducedtothetheoryofmachinecontrol.以

下的内容，将给读者介绍机械控制的原理。

(6)Wehaveattributedfourmajorcharacteristicstoanycontrolsystem:theabilitytosense

data;makelogicaldecisions;communicateandactuate;

systemperformsthesefunctionswithouttheaidofahumanoperator,bydefinitionit

onsideronesuchsimpleoperation.译文：我们已经总

结了所有控制系统具有的四个主要特征：监测数据的能力；做出逻辑决策；通讯及操纵机械；

及在内存中存储信息。如果系统在不借助人工帮助下执行这些操作，根据定义它是自动地控

制给定任务。让我们考虑下面这个简单的操作。

(7)Supposethatanelectricmotorisusedtoafreightconveyorbetweentwofloorsofa

atesmoothlytheconveyormustmaintainaconstantspeedasadditionalloadsare

ssumethatthespeedofrotationofanelectricmotoris

stheloadincreasesonthe

conveyor,thetorquerequirementofthemotorisincreasedandadditionalpowermustbesupplied

usuallyachievedbyincreasingthesupplyvoltage.译文：假

设电子马达被用于某建筑物两层楼的货物传送，为了顺利操作，当额外的载荷被加上时，传

送带必须维持恒定的速度。我们可以假设，电动机马达的转速和直接所供给的电流成正比。

因此，当传送带上的载荷增加时，马达的扭矩要求增加，因此为了维持恒定的速度必须提供

附加的动力，这通常通过增加供给电压来实现。

（8）Ifamotorspeedindicatoriswithinsightofahumanoperator,hecancontrolthe

ystemis

illustratedschematicallyinFig.15.1.如果一个电机的速度指示器在人类操作者的视线范围

内，他可以通过手动增加或减小电源电压来控制传送带速度。该系统如图15.1所示。

（9）AsindicatedbyFig.15.1(a),theoperatorfirstsensesthatthespeedisbelowthedesired

lly,

communicatesadecision,byactuatingthepowersupplycontrollever,toincreasevoltageuntilt冬梅的诗句 he

.15.1(b)thedesiredspeedisread;hence,theoperator

oadisdecreasedsothataspeedgreaterthanthedesiredvalueisregistered

inFig.15.1(c),theoperatorwilldecreasevoltage.如图15.1.a所示，操作员首先发现速度低于

期望值。逻辑上来说，他决定提高功率来提高马达速度。他通过操纵动力供给控制杠杆来传

递决策，并提高电压，直到获得所期望的读数。在图15.1.b中所期望的速度显示出来，因此

操作员不做任何操作。如果载荷降低。导致记录的速度高于期望值，如图15.1.c操作员3

降低电压。

(10)tem

r,ifthehumanoperatorblockwerereplacedwith

adevicethatperformedthefunctionsshown,anautomaticcontrolsystemwouldberealized.上

述过程如示意图15.2所示。图中所示的系统并不会自动化的。然而。如果操作员模块用一

个设备替换，并执行所显示的功能，自动控制系统将会实现。

（11）mechanism

maybeacomplexarrayofelectromechanicalcomponentsoritmaybeasimplemechanical

lessofthecomplexityoftheservomechanism,italwaysexhibitsthefeatures

illustratedinFig.15.2.自动控制系统有时被称作伺服机械。伺服机械或者是机电元件的复杂

组合，或者就是一个简单的机械装置。不管伺服机械是否复杂，它总是具有如图15.2所示

的那些特性。

(12)Considerasimplemechanicaldevicethatperformstheautomaticcontrolfunction

forourconveyorsystem(Fig,15.3).Suchadevice,calledaWattspeedgovernor,can

automaticallycontrolthespeedofanelectricmotor.考虑执行我们的输送机系统的一个简

单的机械设备(Fig.15.3)。这样的设备，称为瓦特调速器，可以自动地控制一台电动机的速

度

(13)AsshowninFig.15.3,theWattspeedgovernorconsistsoftwoweightedarmsconnected

toashaft,S2,orshaft,S1,iscoupledtothegovernorshaft,S2,sothatthe

rspeedincreases,centrifugalforce

movestheweights,W,outward,causingtheweightedarmstorotatethroughsomeangle,.The

weights,angle,andsleevepositionarechosensothattheproperspeedwillcausethevoltage

ionsinspeedwillcausetheappropriate

movementofthesleeveandlever.如fig.15.3所示，瓦特调速器由两个加权臂连接到轴，

s2中和套筒。耦合到的电动机轴中，s1，s2的旋转速度，从而使调速器轴，s2的比例给s1。

在马达速度增加时，离心力的权重，瓦特，向外移动，通过，导致加权臂旋转一定的角度，

重量，角度，和套筒位置的选择，以便恰当的速度将会导致电压供应拉杆将定位在中立的位

置。速度的变化将导致的套筒和杠杆适当运动

Unit16Open-loopandClosed-loopControl

Open-loopControlSystems(NonfeedbackSystems)开环控制系统（无反馈系

统）

Thewordautomaticimpliesthatthereisacertainamountofsophisticationinthe

matic,itgenerallymeansthatthesystemisusuallycapableof

adaptingtoavarietyofoperatingconditionsandisabletorespondtoaclassofinputs

satisfactorily.自动化一词意味着在控制系统中有一定数量采用先进的技术，它通

常意味着系统有普遍适应的能力，对于操作环境的变化能够响应一类令人满意的

输入。However,y,

theautomaticfeatureisachievedbyfeedingtheoutputvariablebackandcomparingit

ystemdoesnothavethefeedbackstructure,itis

calledanopen-loopsystem，whichisthesimplestandmosteconomicaltypeof

controlsystem.然而，不是任何一个控制系统都具有自动化特征。通常，控制特

征是通过反馈输出变量和比较控制信号获得的。当一个系统没有反馈结构，这称

为开环系统，开环系统是最简单而且最经济的控制系统类型。

Unfortunately,open-loopcontrolsystemslackaccuracyandversatilityandcanbe

usedinnonebutthesimplesttypesofapplications.不幸的是，除了最简单的应用类

型，开环控制系统，由于缺乏精确度和多功能不被应用。

Consider,forexample,ssume

thatthefurnaceisequippedonlywithatimingdevice,whichcontrolstheonandoff

latethetemperaturetotheproperlevel,thehuman

operatormustestimatetheamountoftimerequiredforthefurnacetostayonandthen

epresettimeisup,thefurnaceisturnedoff.考虑

一下，例如，用于家庭取暖的火炉的控制。让我们假设火炉仅配有时间装置，控

制火炉周期内的开启和关闭。操作者必须估计火炉达到理想温度所需要的时间，

然而设置计时器，当达到预先设计的时间时火炉关闭。However,itisquitelikely

thatthehousetemperatureiseitheraboveorbelowthedesiredvalue，owingto

tfurtherdeliberation,itisquiteapparentthatthis

typeofcontrolisinaccurateandunreliable.房间的温度也可能高于或者低于期望

值，原因就是估计不精确不从长远考虑，很明显这样控制的类型是不精确不可靠

的。Onereasonfortheinaccuracyliesinthefactthatonemaynotknowtheexact

erfactoristhatonehasnocontroloverthe

outdoortemperature,whichhasadefinitebearingontheindoortemperatureThisalso

pointstoanimportantdisadvantageoftheperformanceofanopen-loopcontrol

system，inthatthesystemisnotcapableofadaptingtovariationsinenvironmental

conditionsortoexternaldisturbances.一个列出事实关于精确性的原因可能是不

知道火炉准确的特征，另一个原因是不能控制外界的温度确切的对室内温度的影

响，这也指出了开环系统特征的重要缺点，因此不能适应环境条件或者外部干扰

的变量。Inthecaseofthefurnacecontrol,perhapsanexperiencedpersoncan

providecontrolforacertaindesiredtemperatureinthehouse;butifthedoorsor

windowsareopenedorclosedintermittentlyduringtheoperatingperiod,thefinal

temperatureinsidethehousewillnotbeaccuratelyregulatedbytheopen-loopcontrol.

关于火炉控制，一个经验丰富的人可能能够控制室内的温度，但是如果门窗都开

着或者在火炉运行期间间歇地关闭，屋内最终的温度通过开环控制系统就不会被

调整得很精确了。

Anelectricwashingmachineisanothertypicalexampleofanopen-loopsystem,

becausetheamountofwashtimeisentirelydeterminedbythejudgmentand

utomaticelectricwashingmachineshould

havethemeansofcheckingthecleanlinessoftheclothescontinuouslyandturnitself

offwhenthedesireddegreeofcleanlinessisreached.洗衣机也是开环系统中一个

典型的例子，因此洗衣的时间是通过操纵者来判断和估计的，一台真正的自动洗

衣机应该具有连续检查衣服的清洁度的方法。当衣服达到一定的清洁度时自动关

闭。

Althoughopen-loopcontrolsystemsareoflimiteduse,theyformthebasic

ral9theelementsofan

t

signalorcommandrisappliedtothecontroller,whoseoutputactsastheactuating

signale;theactuatingsignalthenactuatesthecontrolledprocessandhopefullywill

drivethecontrolledvariablectothedesiredvalue.尽管开环控制系统使用受限，它

是形成闭环控制系统的基本元件，通常一个开环系统的元件如图16所示，一个

输入信号或者命令r应用到控制器上，它的输出作为激励信号e，然后激励信号

激励控制过程希望通过驱动控制变量c得到预期值。

Closed-loopContrlSystems（FeedbackControlSystems）闭环控制系统（反馈系

统）

Whatismissingintheopen-loopcontrolsystemformoreaccurateandmore

adaptablecontrolisalinkorfeedbackfromtheoutputtotheinputofthesystem.在

开环控制系统中为了获得更高的精确性和更高的适应性，所缺少的是一个环节或

者从系统的输出到输入的反馈。Inordertoobtainmoreaccuratecontrol，the

controlledsignalc(t)mustbefedbackandcomparedwiththereferenceinput,andan

actuatingsignalproportionaltothedifferenceoftheoutputandtheinputmustbesent

throughthesystemtocorrecttheerror①.为了获得更精确的控制，必须将被控制信

号c(t)反馈回去与参考输入量相比较，且须将与输出和输入之差成比例的促动信

号送给系统以矫正偏差。Asystemwithoneormorefeedbackpathslikethatjust

eingsareprobablythemost

complexandsophisticatedfeedbackcontrolsysteminexistence.如刚才所说的一

样，含有一个或者多个反馈路线的系统称为闭环系统，人类可能现有最复杂最精

密的反馈系统。Ahumanbeingmaybeconsideredtobeacontrolsystemwithmany

inputsandoutputs,capableofcarryingouthighlycomplexoperations.人类可以被认

为含有很多输入输出的控制系统，具有执行相当复杂的操作能力。

Toillustratethehumanbeingasafeedbackcontrolsystem,letusconsiderthat

sreachingfortheobject,the

sserveasasensing

tancebetween

thehandandtheobjectistheerror,whichiseventuallybroughttozeroasthehand

atypicalexampleofclosed-loopcontrol.让我们考虑一

下，目标是够到桌子上的一个物体，当人正接近物体时，大脑发出信号手臂执行

任务，眼睛作为窗安装置不停地反馈物体位置，手和物体之间的距离是误差，误

差最终变为0时，手刚好够到物体，这就是一个典型闭环反馈的例子。However,

ifoneistoldtoreachfortheobjectandthenisblindfolded,onecanonlyreachtoward

itepossiblethattheobjectmaybe

eeyesblindfolded,thefeedbackpathisbroken,and

mpleofthereachingofan

objectbyahumanbeingisdescribedbytheblockdiagramshowninFig.16.2.然而，

如果一个人蒙着眼睛去够物体，他仅仅是通过估计去接近物体的真实位置，在很

大程度上他可能丢失目标，由于眼睛被蒙上，反馈路线被破坏，人的操作就变成

了开环系统，人够物体的例子可以描述成图16.2。

Asanotherillustrativeexampleofaclosed-loopcontrolsystem,Fig.16.3shows

casetheobjectiveof

controlisthepositionoftherudder,andthereferenceinputisappliedthroughthe

orbetweentherelativepositionsofthesteeringwheelandthe

rudderisthesignal,erudderis

finallyalignedwiththedesiredreferencedirection,theoutputoftheerrorsensoris

zero.另一个闭环系统的例子，图16.3所示的船舵控制系统，在这个例子中控制

的目标是船舵的位置，参考输入是舵轮，舵轮的相对位置和船舵之间的误差是一

个信号。信号激励控制器和发动机，当船舵最终调整到期望的参考位置时，传感

器的输出误差为0。

Thebasicelementsandtheblockdiagramofaclosed-loopcontrolsystemareshown

ral，theconfigurationofafeedbackcontrolsystemmaynotbe

lexsystemstheremaybeamultitudeof

.16.4所示的是基本元素和闭环控制系统的框

图。一般来说,反馈控制系统的结构可能不拘泥于Fig.16.4的结构。在复杂系统中

可能有大量的反馈循环和元素。

Unit17FeedbackandItsEffect

反馈及其影响

ckis

tfeedback,acontrol

systemwouldnotbeabletoachievetheaccuracyandreliabilitythatarepractical

ity,thereasonsforusingfeedbackcarryfarmore

meaningthanthesimpleoneofcomparingtheinputwiththeoutputinordertoreduce

uctionofsystemerrorismerelyoneofthemanyeffectthatfeedback

lnowshowthatf丽人行 eedbackalsohaseffectsonsuch

systemperformancecharacteristicsasstability,bandwidth,overallgain,impedance,

andsensitivity.

反馈的概念在控制系统中扮演了一个重要的角色。在一个闭环控制系统中

反馈是一个主要条件，没有反馈，一个控制系统将不能实现在实际应用中所需要

的准确性和可靠性。现实中，使用反馈承载着更重大的意义与减小输入、输出误

差相比。减小系统错误，仅仅是反馈带给系统的影响之一。我们现在举几个反馈

也能影响系统的性能特征：稳定性、频宽、总增益、阻抗和灵敏度。

2Tounderstandtheeffectsoffeedbackonacontrolsystem,itisessentialthatwe

edbackisdeliberately

introducedforthepurposeofcontrol,r,there

arenumeroussituationswhereinaphysicalsystemthatwenormallyrecognizeasan

inherentlynon-feedbacksystemmayturnouttohavefeedbackwhenitisobservedin

ralwecanstatethatwheneveraclosedsequenceof

cause-and-effectrelationexistsamongthevariablesofasystem,feedbackissaidto

ewpointwillinevitablyadmitfeedbackinalargenumberofsystemsthat

ordinarilywouldbeidentifiedasnon-feedbacksystems.

为了理解反馈对控制系统的影响，从广义上说我们分析这个现象也是必要

的。当反馈被有意的引入作为控制的目的，它的存在是不容易确定的。然而，在

许多情况下，在一个物理系统中，我们通常认为一个本质上没有反馈的系统也许

原来是有反馈的，当它被观察在一个特殊的方式下。通常，我们可以指出，只要

系统的变量之间存在闭合序列的因果关系，就认为反馈存在。这个观点将不可避

免地承认，许多反馈系统通常被认为是无反馈的系统。

3Weshallnowinvestigatetheeffectsoffeedbackonthevariousaspectsof

tthenecessarybackgroundandmathematicalfoundation

oflinearsystemtheory,atthispointwecanonlyrelyonsimplestaticsystemnotation

onsiderthesimplefeedbacksystemconfigurationshownin

Fig.17.1,whereristheinputsignal,ctheoutputsignal,etheerror,andbthefeedback

le

algebraicmanipulationsitissimpletoshowthattheinput-outputrelationofthe

systemis

M=c/r=G/(1+GH)（17.1）

Usingthisbasicrelationshipofthefeedbacksystemstructure,wecanuncoversome

ofthesignificanteffectsoffeedback.

我们现在调查反馈在不同方面对系统的影响。没有必要的背景和线性系统理

论的数学基础，在这一点上，我们只能依靠简单的静态系统表示我们的讨论。让

我们考虑简单的反馈系统结构如公式17.1所示，其中r是输入信号，C的输出

信号，e是误差，b是反馈信号。参数G和H可以被认为是恒定的增益。通过

简单的代数运算，它是简单的显示系统的输入-输出关系是M=C/R=G/（1+

GH）（17.1）。使用这个反馈系统结构的基本关系，我们可以揭示一些显着效果

反馈。

Effectoffeedbackonoverallagain

4AsseenfromEq.(17.1),feedbackaffectsthegainGofanon-feedbacksystem

byafactorof1+erenceofthefeedbackinthesystemofFig.17.1is

negative,ntityGHmay

itselfincludeaminussign,sothegeneraleffectofthefeedbackthatitmayincreaseor

cticalcontrolsystem,GandHarefunctionsoffrequency,so

themagnitudeof1+GHmaybegreaterthan1inonefrequencyrangebutlessthan1

ore,feedbackcouldincreasethegainofsysteminonefrequency

rangebutdecreaseitinanother.

反馈对总增益的影响

由式（17.1）可知，反馈对无反馈系统增益G的影响是除以因式1+GH。

在图17.1系统的参考反馈是负的，因此，给反馈信号加一个负号。GH量本身

也可能包含一个负号，所以反馈的总效应可以使增加增益，也可以是减小增益。

在一个实际控制系统中，G和H是频率的函数，所以1+GH的大小在某一频率

变化中可能大于1，但在另一频率中小于1。因此，反馈可以在某一频率范围变

化中增加系统增益，但在另一频率中减小增益。

EffectofFeedbackonStability

5Stabilityisanotionthatdescribeswhetherthesystemwillbeabletofollowthe

rigorousmanner,asystemissaidtobeunstableifitsoutput

isoutofcontrolorincreasewithoutbound.

反馈在稳定性方面的影响

稳定性是描述系统是否会跟随输入指令而动作的概念。在不严格的情况下，

一个系统的输出失控或者是对外增加无界限就说明失去了稳定性.

6Toinvestigatetheeffectoffeedbackonstability,wecangainrefertothe

expressioninEq.(17.1).IfGH=-1,theoutputofthesystemisinfiniteforanyinfinite

ore,wemaystatethatfeedbackcancauseasystemthatisoriginally

nly,feedbackisatwo-edgedsword;whenitis

improperlyused,ldbepointedout,however,thatweare

onlydealingwiththestaticcasehere,and,ingeneralGH=-1isnottheonlycondition

forinstability.

探讨反馈对稳定性的影响，我们可以参考公式中的表达（17.1）。如果GH=

1，该系统的输出是无限的任何无限输入。因此，我们可能会导致系统状态反馈，

原本是稳定不稳定。当然，反馈一二双刃剑；用得不好，它可以是有害的。应当

指出，然而，我们只在这里处理，静态情况下，在一般的GH=-1是不是唯一

的条件不稳定。

EffectofFeedbackonSensitivity（反馈在灵敏度方面的影响）

7Sensitivityconsiderationsoftenplayanimportantroleinthedesignofcontrol

llphysicalelementshavepropertiesthatchangewithenvironment

andage,wecannotalwaysconsidertheparametersofacontrolsystemtobe

tance,the

windingresistanceofanelectricmotorchangesasthetemperatureofthemotorrises

ral,agoodcontrolsystemshouldbeveryinsensitivetothese

parametervariationswhilestillabletofollowthecommandresponsively.

灵敏度的考虑往往在控制系统的设计中发挥着重要的作用。由于所有物理

元素的属性都会随着环境和时间而改变，所以我们不能总是认为控制系统的参数

在整个系统的工作寿命中是完全固定的。例如，在操作过程中电动机绕组随着马

达温度的上升而改变。通常，一个良好的控制系统对这些参数的变化应该是非常

不敏感的，然而仍旧能够按照命令响应。

8Ingeneral,thesensitivityofthesystemgainofafeedbacksystemtoparameter

dermayderivethe

sensitivityofthesysteminFig.17.1duetothevariationofH.

通常，反馈系统的增益对参数的变化的灵敏度取决于参数所在的位置。读者

会在图17.1中根据H值的变化而取得灵敏度的变化。

EffectofFeedbackonExternalDisturbanceorNoise

9Allphysicalcontrolsystemsaresubjecttosometypesofextraneoussignalsor

esofthesesignalsarethermalnoisevoltagein

electronicamplifiersandbrushorcommutatornoiseinelectricmotors.

外部干扰或噪声影响的反馈

在操作期间，所有物理控制系统受到了某些类型的外部信号或噪声。这些信

号的例子是热噪声电压的电子放大器和画笔或换向器噪声的电动马达。

10Theeffectoffeedbackonnoisedependsgreatlyonwherethenoiseis

introducedintothesystem;r,inmany

situations,feedbackcanreducetheeffectofnoiseonsystemperformance.

对噪声的反馈影响极大地取决于地方噪音引入到系统；可没有一般性的结

论。然而，在许多情况下，反馈可以减少对系统性能的噪音影响。

11Ingeneral,feedbackalsohaseffectsonsuchperformancecharacteristicsas

bandwidth,impedance,transientresponse,andfrequencyresponse.

一般情况下，反馈也有对这种性能特点作为带宽、阻抗、瞬态响应和频率

响应的影响。

Unit19ProcessControl(1)

Automaticcontrolisanessentialfeatureoflarge-scalecontinuousprocesses.

Manymodernchemicalplantsaresocomplexthatitwouldbeimpractical,unsafeand

unprofitabletorunthemmanually.自动化控制是大规模连续控制中一个必须的特征许

多现代的化工设备非常的复杂如果采用人工控制是不现实、不安全、不经济的

Byitsnatureprocesscontrolisconcernedwiththedynamicbehaviourof

eofthe

extramathematicalcomplexityinvolvedinaquantitativetreatmentofcontrolthis

sectionwill,instead，concentrateongeneralconceptsratherthandetailedanalysis

ofspecificapplications.因此自然过程控制关心的是系统的动态运行状况，它没有足够的

情形去作出假设由于控制的定量数学分析特别复杂本节将注意力放在一般概念上而不

考虑具体应用的细节分析过程控制的目标。

ObjectivesofProcessControl

Ensuringsafeplantoperationisoneofthemostimportanttasksofacontrol

achievedbymonitoringprocessconditionsandmaintainingvariables

iallydangeroussituationsaresignalledbyalarms

andaplantmayevenbeshutdownautomatically.确保设备安全运行时控制系统最重要

的任务之一，这可以通过监控过程条件和在安全运行范围内维持变量获得潜在的危险状况

可以通过警告和设备可能甚至自动关闭来发出信号

Safeoperationisconsistentwiththeeconomicobjectiveofprocesscontrol，

whichistooperatetheplantinsuchawaytominimizetotalcosts..Thisinvolves

maintainingproductquality,meetingproductiontargetsandmakingefficientuseof

utilitiessuchassteam,electricity,coolingwaterandcompressedair.安全运行与过程

控制的经济目标是一致的，即使工厂以总成本降至最低的方式运行这包括维持产品质量、

完成产品目标和使用像登记处理、电力、冷却液和压缩空气的实用工具来提高效率控制

环。

Thecontrolloop

ss

^‘process,maybeapreheaterand

the，disturbance，avaryingfeedtemperature(Fig,19.2).Weidentifyavariable

whichneedstobecontrolled,peratureofthestreamleavingthepreheater.

Thisquantityismeasuredbyasuitablemeasuringdevicesuchasathermocouple.

Theoutputhornthemeasuringdeviceispassedtoacontrollerwhereitiscompared

olsignalisgeneratedand

activatesthefinalcontrolelement,trolvalvechanges

thevalueofthemanipulatedvariable、wrateofthehotstreamtotheheat

omplexprocesswilltypicallyhaveanumberofcontrolloops

pdescribedaboveisanexample

ypesofcontrolstrategyarepossiblebutthe

mentsofthec6ntrol

loopwillnowbeexaminedinturn.如图19.1所示是过程控制环的功能布局，过程控制

受到一些干扰，例如\"过程\"可能是一个预热器，“干扰”可能是已变化的温度（图19.2）.

我们识别一个需要被控制的变量，例如水蒸气离开预热器时的温度，这个量是通过像热电

偶这类测量装置被测量的，测量装置的输出传递给控制器，为了控制的变量控制器和定位

点相比较产生控制信号并激活最终的控制元件,通常是控制阀，控制阀改变操作变量阀，

例如热蒸汽的流速改变热交换，更复杂的过程一般会有大量的控制环，每个环控制不同的

控制变量，上面对环的描述是一个反馈控制环的例子。其他类型的控制策略也可以,不过反

馈控制器是最简单的并且被广泛使用。控制环的元件现在将会被逐一地测试。

MeasuringDevices

Thecontrolledvariableinaprocessmustbeamenabletomeasurement—either

timportanttypesofvariablescontrolledinchemical

processesareflowrate,temperature,pressure,compositionandliquidlevel.在过程中

的控制变量必须能够被直接或者间接地被测量，在化工过程中最重要的变量控制类型是流

量，温度，压力，合成和液位。

Thecharacteristicrequiredofameasuringdeviceforprocesscontrolmaydiffer

fromthoseofgeneralpurposeinstruments,Itisnecessarytotransmitasignal

representingthemeasurementfromthemeasuringelementtothecontroller一atone

timethiswasdonepneumaticallybutnowanelectricaloropticalsignalwouldbe

used.为了达到过程控制的目的，测量装置的特征需求可能不同于那些普通用处的仪器，

必须来自测量元件，代表测量结果的信号传送到控制器中—有一段时间这一过程是由气动

方式实现的，但现在是用光信号或电信号进行传送的。Forexample,amercury-in-glass

thermometermayprovideasufficientlyaccuratetemperaturemeasurementbutitis

rast,theoutputofa

thermocoupleisnaturallyanelectricalsignalandhencethisdeviceisamoresuitable

choiceforcontrolaapplications.例如，水银柱式热敏电阻可以提供非常精确温度测

量。但是它很难转换成电信号，热电偶的输出本来就一个电信号，因此这个装置更适合作

为控制应用的选择。Anotherimportantcharacteristicisthedynamicresponseofthe

bleandeffectivecontrolitisimportanttominimizethetime

lagbetween,avariablemovingoffitssetpointandcorrectiveactionbeingtaken.A

measuringelementmustthereforerespondquicklytochanges—thisisnotalways

easytoachieve.另一个重要的特征就是测量系统的动态响应，为了稳定和高效的控制，

重要的是在变量偏离定位点和改正被采取的行动之间最小的时间滞后。一个测量元件必须

对于变化能够迅速响应，这通常是不容易获得的。Forexample,athermocoupledirectly

immersedinaflowwillrespondmorequicklythanoneweldedtotheoutsideofa

eratureonmeasuringsystemsis

19.1listssomeofthecommonmeasuringtechniquesused.例如，一

个电偶被浸入到流体里将比焊在管外响应更迅速，但这可能被腐蚀，关于测量系统的书非

常多，表19.1列出一些普遍测量技术的使用。

UNIT20MeasurementSystem

theroleofmeasurementistoprovideinformationonsystemstatuswhich,ina

mechatronicsystem,nctionis

performedbythemeasurementmoduleswhichincorporatethenecessarysensors

andtransducerstogetherwithanylocalsignalprocessing.在机电一体化系统中，测

量的角色是提供用于控制系统运行的系统状态信息。这个功能是通过必要的传感

器和转换器结合局部信号处理而形成的测量组件来完成的。

measurementtechnologyisnotanewsciencebutcanbetracedbacktooriginsin

trade,wheretheneedtoquantify,onabasiswhichwasbothrepeatableand

representative,thenatureofgoodsonofferledtotheintroductionofstandardsfor

egrowthinscienceandtechnologyas

exemplifiedbytherenaissance,moreandspecificmeasuringinstrumentsevolvedto

supportthegrowinginterestinandinvestigationofthephysicalworld.测量技术不

是一门新的光科学，他可以追溯到交易的起源，在可重复性和典型性基础上，由

于量化的需要，出售商品的自然特性导致了像体积、重量等测量标准的引入。随

着以文艺复兴时期为代表的科技发展，越来越多的专门的测量工具逐步发展以支

持我们队物理世界日益增加的关注和研究。

withtheadventoftheindustrialrevolution,instrumentationandmeasurement

lyinstrumentswereanaloguein

natureandprovidedinformationaboutthebasicphysicalparametersconcernedwith

theoperationoftheprocess.随着工业革命的出现，工具盒测量科学开始应用与制

造业。早期的工具是仿自然的，只提供与加工过程有关的物理参数的信息。

feedbackwasachievedbytheoperatorwhoreadtheinstrumentsandthenmadethe

necessaryadjustmentstomaintaintheprocesswithintherequiredbounds.反馈是通

过操作人员读取仪器上的读数，然后做必要的调整，以把工艺过程维持在所要求

的范围之内来达到的。

thenextstepforwardcamewiththeintroductionofthesteamengineand

automaticfeedbackcontrolmechanismssuchasthewattgovernorforspeedcontrol.

followingthislead,instrumentationgraduallybecamemoreintegratedwiththe

process,providingfeedbackinformationtoacontrollerwhichthenregulatedthe

systembehaviorwithminimumofmanualintervention.向前推进的下一阶段是伴

随蒸汽机以及瓦特调速器等自动反馈机械装置的引入到来的。随之而来，仪器产

业与过程结合越来越紧密，它提供反馈信息给控制器而使系统操作依赖较少的人

工干预。

bythelate1960stheadvantagesofdiscretecontrolhadbeenrecognizedand

lay

controllers,thoughcomplexinconfigurationandlayout,wererelatively

unsophisticatedandincapableofhandlingcomplexinformation.到1960年代末，

离散控制的优势被认知，生产工艺常由继电器系统控制，然而，这种伺服控制在

装配和布局上很繁琐，相对不长久且不能出来复杂信息theperformance

requirementsoftheirassociatedsensorsandtransducerswerecorrespondingly

restrictedtothesupplyofsimpledataatalevelcapableofbeingutilizedbythe

controllers.与之相关的传感器和转换器的性能要求也相应被限定在提供能被控

制体利用范围内的简单数据。

thereconditionswerelargelymaintainedwiththeintroductionofcomputer

monitored,asopposedtocontrolled,systemsinwhichthecomputerwasused

primarilyinasupervisoryroleasacentralmachinereceivinginformationsequentially

eadventofminicomputers

suchastheDECPDPseries,computercontrolledsystemsincreasedinbothnumber

andscope,thoughtheywerelimitedinapplicationbybothprocessingpowerandcost.

这种状况由于与控制相反的引入较大范围内得以保持，该系统中计算机主要作为

中央机承担监管角色，不断从一系列线性相关的外朱自清春教案教学设计 部接收信息。随着DEC，PDP

等系列微型计算机的出现，计算机控制系统的数量更大范围更广，尽管由于处理

能力和成本等因素使得他们的应用受到限制。morerecently,sophisticated

microprocessorsystemshaveresultedinthecomplexinterconnecteddesignsthatare

nowfoundinbothproductsandmanufacturingprocesses.最近，复杂微处理器以可

编程的逻辑控制和分布式嵌入式的微处理机系统激起了错综复杂的内部联系设

计，这些在产品和制造工艺中都能实习。

thegrowthinmicroelectronicsandcomputingtechnologiesfromthemid1970s

thatmadeavailablelowcostprocessingprowerhasresultedinaparallelgrowthinthe

demandforinformationaboutsystemconditions.从19世纪开始随着微电子技术

和计算机技术的发展，使低成本操作成为可能，也导致了信息系统状况的平行增

长。inmanycasesthisincreaseddemandcouldnotbemetbyexistingsensorsand

transducersandresultedinthedevelopmentofarangeofadvancedsensorsand

transducers,oftenincorporatinglocalprocessingpower,eitherintegralwiththe

sensingelementonthesamesiliconsliceorintheformofasinglechip

microprocessor.在很多场合下，现有传感器和转换器不能满足这种增长需求，而

引起了一系列高级传感器和转换器的发展。他们通常配合局部处理能力，可能用

于硅片上构成传感器元件或者以单片机形式存在。

sensors,transducersandmeasurement传感器、转换器和测量

inanymeasurementsystem,sensorsandtransducersareusedtoprovide

unately,theusageofthetermssensorand

transduceriscomplicatedbythevarietyofdifferentmeaningsadoptedinternationally,

purposeofthis

bookthefollowingdefinitionsareadopted:在许多测量系统中，传感器和转换器都

被用于提供系统状态信息。不幸的是，条件传感器和转换器的使用被国际上五花

八门的应用形式复杂化了，包括在一些场合下明显的可互换能力，处于这种目的，

本书引入一下概念。

sensorsthatpartofthemeasurementsystemthatrespondstotheparticular

physicalparametertobemeasured.传感器是测量系统的组成部分,能对特定的物理

参数的测量。

TransducerThatcomponentofthesystemthattransfersinformationintheform

ofenergyfromonepartofthesystemtoanother,includinginsomecaseschanging

theformofenergycontainingtheinformation.转换器系统的这个组成部分以能

量的形式将信息从系统的一部分传递到另一部分，包括在一些情况下改变带有信

息的能量的形式

Inadditiontoasensor/transducer,ameasurementmayincludeapre-processing

stageandapost-processingstage,asshowninFig.20.除了传感器、转换器以外，

一个测试系统还可能包括前处理单元和后处理单元。如图20.1所示The

pre-processingstageservestocharacterizetheinformationintheincomingsignal

endetectsandrespondstothe

put

signalfromthetransduceristhenoperatedonbythepost-processingstagetoproduce

thefinaloutputTherelationshipbetweenthesestagesisillustratedbytheoptical

encoderusedforspeedmeasurementshowninFig.，前处理单元在它把信息传给传

感器之前描述输入信号的信息特征，然后检测并对其输入做出物理模拟响应，将

输入信号传送给转换器。从转换器传出的信号被后处理单元处理后生成最终的输

出信号。这些单元之间的关系可以通过用于速度测量的光学编码器来描述。20.

,thelightfromthesourcesispre-processedbytheslotteddisctoproducea

ightpulsesreceivedbythetransducerwhichconvertsthe

t-processingstagethencountsthe

numberofpulsesoccurringinadefinedtimeintervaltodeterminethespeedof

rotationoftheshaftcarryingtheencoder.如图20.2所示，这里，从光源发出的光

被标码的圆盘进行前处理，产生一系列的脉冲，后处理单元通过计算在特定的时

间间隔内的脉冲数来确定带有编码器的轴的转速。

Ashasbeenstatedthephysicalbasisforthetransmissionofinformationbya

ncepthasbeendevelopedbyMiddelhoek

omains

areasfollows：radiant,mechanical,thermal，electrical,magneticandchemical.如

上所述，转换器传递信息的物理基础是能量传递，这个概念是由MIDDELHOEK

发明的，用以确定传递信息的六个信息能量领域，这些领域如下：光的、机械的、

热的、电的、磁的和化学的。

Ofthese,theelectricaloutputdomainisthemostsignificantinamechatronics

contextbecauseofitsinformationhandlingcapability,andtransduceroutputsinother

domainsmaywellbefurtherprocessedtotransfertheinformationintotheelectrical

domain.在这些领域中，电输出领域在机电一体化领域中是最显著的，这是因为

它的信息处理能力，并且转换器在其他领域的输出也被进一步处理成电信号来传

递信息。

Unit23whatis“Mechatronics”?

什么是“机电一体化”？

1“Mechatronics”isatermcoinedbytheJapanesetodescribetheintegrationof

ceptmayseemtobeanythingbutnew,

sincewecanlookaroundusandseeamyriadofproductsthatutilizebothMechanical

ronics,however,speciallyreferstoa

multidisciplined,

representsthenextgenerationofmachines,robots,andsmartmechanismsnecessary

forcarryingoutworkinavarietyofenvironments-primarily,factoryautomation,

officeautomation,andhomeautomationasshowninFig.23.1.

译文：“机电一体化“是一个有日本人描述机械和电子集成的合成术语。这

个概念看上去不再新颖，自从我们能观察四周和看到无数那些利用机械和电子学

科的产品。机电一体化，然而，特别是涉及到许多学科，结合方法去生产和制造

系统设计。他代表下一代机械，机器人和灵巧机构必须执行工作在各种环境，首

要的，工厂自动化，办公自动化，家庭自动化如图23.1所示。

2Bybothimplicationandapplication,mechatronicsrepresentsanewlevelof

entisto

forceamultidisciplinaryapproachtothesesystemsaswellastoreemphasizetherole

chatronicapproachiscurrently

speedingupthealready-rapidJapaneseprocessfortransformingideasintoproducts.

译文：通过两个含义和应用，机电一体化代表了一个集成先进制造技术和过

程的新水平。目的是将一个多学科的方法用到这些系统以及反复强调过程的作用

的理解和控制。这个机械电子的方法目前加快了日本人已经将观念转化到产品的

快速进程。

3Currently,mechatronicsdescribestheJapanesepracticeofusingfully

integratedteamsofproductdesigners,manufacturing,purchasing,andmarketing

personnelactinginconcertwitheachothertodesignboththeproductandthe

manufacturingsystem.

译文：目前，机电一体化阐述了日本人使用充分结合的队伍的实践，这一队

伍包括产品设计者、制造人员、采购人员，他们相互一致行动，既设计产品又设

计制造系统。

4TheJapaneserecognizedthatthefutureinproductioninnovationwouldbelong

tothosewholearnedhowtooptimizethemarriagebetweenelectronicandmechanical

alized,inparticular,thattheneedforthisoptimizationwouldbemost

intenseinapplicationofadvancedmanufacturingandproductionsystemswhere

artificialintelligence,expertsystems,smartrobots,andadvancedmanufacturing

technologysystemswouldcreatethenextgenerationoftoolstobeusedinthefactory

ofthefuture.

日本人意识到生产创新的未来会属于那些掌握了怎样使电子和机械系统结

合得最优的人。他们认识到在用人工智能，专家系统，灵巧机器和先进制造技术

来制造出将来工厂要使用到的新一代工具的制造和生产系统，尤其需要这种机电

一体化的结合。

5Fromtheverybeginningsofrecordedtime,mechanicalsystemshavefound

plestmechanisms,suchasgears,

pulleys,springs,andwheels,ctronics

technology,ontheotherhand,iscompletelytwentieth-century,allofitcreatedwithin

thepast75years.

自有时间记录以来，机械系统出现在了我们社会的每一个方向。我们最简单

的机构，例如：齿轮、滑轮、弹簧、和轮子，组成了人类工具的基础。在另一方

面，我们的电子技术在过去的75年里创造了整个二十世纪。

6Untilnow,theelectronicswereincludedtoenhancemechanicalsystems’

performance,adnever

ast,ithadbeen

cently,however,becauseoftheoverwhelming

advancesin师说高中课文原文 theworldofelectronicsanditscapabilitytophysicallysimplify

mechanicalconfigurations,thetechnicalcommunitybegantoreassessthemarriage

betweenthesetwodisciplines.

直到现在，电子产品被用于提高机械系统的性能，而且强调保留在机械产品

中。在怎样做一体化方面从来没有总体规划，在过去，它是在一件一件的基础上

制作出来的。然而，近年来，由于电子世界重要的先进性和它对机械外形的物理

简化能力，技术界开始重新评估这两个学科之间的结合。

7Themostobvioustrendinthedirectionofmechatronicinnovationcanbe

asatimewhenacarwasprimarilya

mechanicalmarvelwithafewelectronicappendages.

在机电一体化改革方向最明显的趋势可以在汽车行业观察到。曾经有一段时

间，汽车主要是一个有几个电子附件组成的机械奇迹。

8Firstcamethestartermotor,andthenthegenerator,eachmaikingtheoriginal

mesolid-stateelectronics,and

’s

macineiscontrolledbymicroprocessors,builtbyrobots,andfault-analyzedbya

computerconnectedtoits“externalieterfaceconnector”.Automo-tivemechanical

engineersarenolongerthemastersoftheircreations.

首先是起动机电机，然后是发生器，每个制造的原产品都比以前更好。然后

是固体电子学，突然变成了一个电气机械的奇迹。今天的机器是由微处理器控制，

建立了机器人，和故障分析的计算机连接到它的“外部接口连接器”。汽车的机

械工程师不再是他们的创作大师。

9Theprocessthatdescribestheevolutionoftheautomobileissomewhattypical

onicshasrepeatedlyimprovedtheperformance

ofmechanicalsystems,butthatinnovationhasbeenmorebyserendipitythanby

tistheessenceofmechatronics-thepreplannedapplicationof,

mechanicalandelectronicstechnologytocreateanoptimumproduct.

这个过程,描述了在我们的社会中汽车的进化过程中有些典型的其他产品。

电子一再提高机械系统的性能,但是,创新比设计更有可能。这是机电一体化应用

的本质，机械和电子技术来创造一个最佳的产品。

mentofcommercereportentitled“JTECHPanelreport

onMechatronicsinJapan”aneseresearchanddevelopment

forafewareas,the

technologynecessarytoaccomplishthedevelopmentofthenextgenerationof

systemsembodyingtheprinciplesofmechatronicsisfullywithinthetechnological

reachoftheJapanese.

最近美国商务部的报告题为“JTECH小组报告日本的机电一体化“相比美

国和日本在特定领域的机电一体化技术的研究和发展趋势。除了少数地区,开发

下一代系统需要创新技术体现机电一体化的原则上是必须在其技术达到的日本

的程度

11Comparisonsweremadeinthreecategories:basicresearch,advanced

development,，formachinevisionandsoftware,

JapanesebasicresearchwascomparabletotheUnitedStates,withtheJapanese

closinginfastonmachinevisionsystemtechnology..Japaneseartificialintelligence

researchisfallingbehind,primarilybecausetheJapanesedonotconsideritan

essentialingredientoftheirfuturesystems,theyappearcapableofclosingeventhat

gap,dvanceddevelopmentandproductimplementationareas,

JapanisequaltoorbetterthantheUnitedStates,andiscontinuingtopullaheadat

thistime.

特别是在三个方面:基础研究、先进的开发,和产品实现。除了机器视觉和软

件,日本的基本研究与美国的相提并论,日本的机器视觉系统技术开发的较快..

日本的人工智能研究落后,主要是因为日本不考虑这是他们的未来的一个重要组

成部分,他们表现出的系统关闭甚至差距,如果需要。在先进的开发和产品实现地

区、日本接近或优于美国,将领先在一段时间

12TheDepartmentofCommercereportconcludedthatJapanismaintainingits

positionandisinsomecasesgaininggroundovertheUnitedStatesintheapplication

rogressinmechatronicsisimportantbecauseitaddressesthe

verymeansforthenextgenerationofdata-drivenadvanceddesignandmanufacturing

,theDepartmentofCommercereportc兴味的拼音 oncludesthatthishas

createdaregenerativeeffectonJapan’smanufacturingindustries.

商务部报告结束后日本保持它的地位，和在某些情况下美国在机电一体化技

术的应用程序中获得地位。他们在机电一体化方面的进展是重要的，因为它涉及

的数据驱动的下一代是手段先进的设计和制造技术。事实上，商务部报告的结论

造成了对日本制造业再生的影响。

13Toclosethegap,

weacceptthefactthatmechanicalsystemsoptimallycoupledwithelectronics

componentswillbethewaveofthefuture,thenwemustalsounderstandthatthe

rippleeffectwillbefeltallthewaybacktotheuniversity,wherewenowkeepthetwo

disciplinesofmechanicsandelectronicsseparatedandallowthemtomeetonlyin

riculamustbecreatedforanewhybrid

encanbeassuredthatfuturegenerations

ofproductdesignersandmanufacturingengineerswillfullyseekexcellenceinthese

newtechniques.

为了减小差距，我们需要进一步研究而不仅仅是制造新的机器，如果我们接

受机械系统优化和电子元件将是未来的趋势，那么我们就不得不明白，它在大学

中的的连锁反应，大学里，现在我们将机械学科和电子学科分离，而仅仅在偶然

的会议上才会碰面，所以作为一个新的复合工程师，必须建立一门课程——机电

一体化工程师，只有这样，我们才能够确保将来的产品设计师和制造工程师能够

利用好这些新技术。

14Weneedtorethinkourpresent-dayapproachofseparatingourengineering

togetherand

communicatingindividualknowledgewillcreateanewsynergisticeffectonproducts.

Maximuminteractionwillbethekeytooptimumdesignsandnewproduct

development.

我们需要重新思考我们今天的做法，我们的工程技术人员都从对方从生产工

程师分离。个人知识的共同生活和沟通，将创建一个新的产品协同效应。最大程

度的互动将是最佳的设计和新产品开发的关键

changethewaywedesignandproducethenextgenerationofhightechnology

ionthatfullyimplementstherudimentsofmechatronicsand

vigorouslypursuesitwillleadthewordtoanewgenerationoftechnologyinnovation

withallitsprofoundimplications.

机电一体化的定义是更加重大颠倒的。它将改变我们设计并且引起高科技产

品的下一代的方式。国家，充分实现了机电一体化技术的基本原理和大力追求它

将带领这个词对一代新的技术创新具有其深远的影响。描述梅花的优美诗句