机械制造业外文翻译外文文献英文文献制造业中的新技术制造业面临的挑战

N e w T e c h n o l o g i e s i n M a n u f a c t u r i n g
T h e C h a l l e n g e o f m a n u f a c t u r i n g
Th e n e e d for q u a l i fi e d m a n u fa c tu r i n g e n g i n e e r s h a s n e ve r b e e n g r e a t e r . To m
e e t tod a y ’ sch a l le n g e s , i t i s n e ce s s a r y to g a i n a b r oa d b a ck g r ou n d i n b oth m a
t e r i a l s c i e n ce s , d e s i g n , a n d m a n u fa c tu r in g p r oce s s e s . Con s id e r a b le e m p h a s i s i s a
l s o b e in g p l a ce d on com p u te r s c i e n ce s a n d a u tom a t i c con t r ols .
Th e m a n u fa c tu r i n g e n g i n e e r m a s t b e a b l e to v i s u a l i ze th e w h o le p r ob l e m of
p r od u ct i on i n th e cor r e c t p e r s p e c t i ve fr om th e b a s i c com p on e n t m a te r i a l s a n d
toolin g th r ou g h th e s te p b y s te p op e r a t i on a l p l a n n in g , fin a l a s s e m b l y , i n s p e c t ion ,
a n d s h i p m e n t .
Th e m a n u fa c tu r in g e n g in e e r i s r e s p on s i b le for th e e x p e n d i tu r e of l a r g e
s u m s of m on e y for toolin g a n d m a ch i n e r y to k e e p p r od u c t i on on a com p e t i t i ve
b a s i s . H e n ot on l y s h ou ld b e fa m i l i a r w i th th e th e or e t i ca l a s p e c t s of fa b r i ca t i on ,
b u t a l s o m u s t b e a b l e to w or k ou t p r a c t i ca l “b r e a d a n d b u t te r ”p r ob l e m s of th e
p r od u c t i on floor .
A fe w of th e a r e a s i n w h i ch a m a n u fa c tu r in g e n g in e e r ca n b e e x p e c te d to
w or k a r e in p l a n n i n g p r oce s s l a y ou t s , p l a n t l a y ou t , e q u i p m e n t s p e c i fica t ion ,
m a te r i a l s p e c i fica t ion , tool d e s ig n , m e th od s d e ve lop m e n t , w or k s ta n d a r d s , va lu e
a n a l y s i s , a n d cos t con t r o l .
As th e m a n u fa c tu r i n g e n g i n e e r g a in s e x p e r i e n ce , a n d i f h e h a s a h i g h d e g r e e
of cr e a t iv i ty a n d in n ova t i ve a b i li t y , h e ca n e x p e c t to b e i n volve d i n th e
g e n e r a t i on of m a n u fa c tu r i n g s y s t e m con ce p t s . H e w i l l a l s o b e in volve d in th e
d e ve lop m e n t of n ove l a n d s p e c i a l i ze d e q u i p m e n t , r e s e a r ch i n to th e p h e n om e n a
of fa b r i ca t i n g t e ch n o log i e s , a n d m a n u fa ctu r i n g fe a s i b i l i ty s tu d i e s of p r op os e d
n e w p r od u c t s .
N ot a l l of th e i n n ova t i on s th a t i n cr e a s e e ffi c i e n cy of m a n u fa c tu r e a r e in th e
a r e a of m a ch i n e tools , i n s p e c t i on , or a u tom a te d a s s e m b l y p e r s e . In cr e a s i n g

e m p h a s i s w i l l b e i n th e ch a l le n g e of th e i n d iv id u a l w or k e r . M e n on p r od u c t ion

l i n e s ca n b e com e te a m s , colle c t i ve l y r e s p on s i b l e for th e e n d p r od u c t r a th e r th a n
for ju s t s o m a n y r e p e t i t iou s op e r a t i on s . U n d e r th i s con ce p t , i t i s th e te a m ’s
r e s p on s i b i l i ty to h e lp d e te r m i n e th e d i s t r i b u t i on of w or k , th e occu p a t i on of
m a ch i n e s , a n d th e s p e e d a n d q u a l i ty of w or k . I t i s a s s u m e d th a t th e p e r s on n e l
w i l l b e g ive n b r oa d e r t r a i n i n g s o th a t th e y m i g h t h a ve th e fle x i b i l i ty a n d a l l
a r ou n d s k i l l to b e a b le to s te p i n w h e r e h e lp i s n e e d e d .
M od e r n m a n u fa c tu r in g p l a n n i n g a l s o in c lu d e s th e u s e of th e com p u te r to
h a n d le th e va s t a m ou n t of d a ta n e e d e d to u t i l i ze r a w i n for m a t i on , s u ch a s s a l e s
for e ca s t s a n d cu s tom e r or d e r s , in d e te r m in i n g w h a t i s to b e p u r ch a s e d , m a d e ,
s tor e d , e tc ( s h ow n i n F i g u r e 5 - 1) .
Th e com p u te r , i n c lu d i n g th e m in i com p u t e r a n d p r og r a m m a b le con t r o l l e r s ,
w i l l h a ve i n cr e a s e d im p a ct i n th e a r e a s of p r od u c t , tool, a n d p r oce s s d e s ig n for
op t im u m p r od u c t i on . Com p u te r - a i d e d d e s i g n ( CAD) a n d com p u te r - a id e d
m a n u fa c tu r e ( C AM ) h a ve th e p ote n t i a l of b e i n g th e l a r g e s t s i n g le d e ve lop m e n t
m a n u fa c tu r in g s i n ce th e in d u s t r i a l r e volu t i on . W h e th e r th e fu l l p ote n t i a l w i l l b e
r e a l i ze d i s d e p e n d e n t on i t s a cce p ta n ce b y i n d u s t r y a n d b y colle g e s a n d
u n ive r s i t i e s w h e r e fu tu r e m a n u fa c tu r i n g e n g i n e e r s a r e t r a i n e d . Th i s i s n ot to
im p l y th a t con s id e r a b le l e a r n in g d oe s n ot ta k e p l a ce ou t s i d e of th e for m a l c l a s s r
oom . On th e con t r a r y , b e ca u s e of tod a y ’s flood of n e w s c i e n t i fi c a n d te ch n i
ca l k n ow l e d g e , a n d th e a s ton i s h i n g p a ce of te ch n o log i ca l ch a n g e , th e e n g i n e
e r r i s k s ob s o le s ce n ce u n le s s h e m a k e s s om e p l a n s for s e lf- s tu d y . H ow e ve r , e ve n s
h or t cou r s e s a n d colloq u i u m s m a y n ot b e s u ffi cie n t . F or m a n y a r e a s of r a p i d
te ch n o log i ca l ch a n g e , a w or k cy c l e of fou r or fi ve y e a r s fo l low e d b y a y e a r on ca m
p u s m a y b e a n or m a l p r a c t i ce .

Sales
forecast
Data
banks



Customer
I
d
n
e
p
r
u
s
t

or
Product
types
Computer
programs
Cost price
break-down
Computer
ou tp u t
Assembly
worksheets
Warehouse
sheets Code
books






Orders



Purchasing
control
Manufact-
uring
control


F i g u r e 5 - 1 Th e com p u te r , w i th i t s d a ta b a n k s a n d p r og r a m s ,
i s a n e s s e n t i a l p a r t of m a n u fa c tu r i n g p l a n n i n g
A u t o m a t i o n

“A u tom a t i on ”is a r e l a t i ve l y n e w w or d , coin e d in 19 3 5 b y D. S . H a r d e r ,
th e n vice p r e s id e n t i n ch a r g e of m a n u fa ctu r i n g for th e F or d M otor C om p a n y .
Th e w or d , s h or t for “a u tom a l i za t i on ”i m p l i e s d o i n g s om e th i n g a u tom a t i ca l l y or
w i th ou t h u m a n a s s i s ta n ce . Th i s m a y r e fe r to a s i n g le

Automation


op e r a t i on or a n e n t i r e con t i n u ou s p r oce s s .

Au tom a t i c con t r ol s y s te m s a r e n ot a p r od u ct of th i s g e n e r a t i on , J a m e s
W a t t , a s e a r l y a s 178 8 , con ce ive d of a n a u tom a t i c s p e e d con t r o l for h i s s te a m
e n g i n e i n th e for m of a fly - b a l l g ove r n or . Th e tw o fly b a l l s , a c t i n g b y ce n t r i fu g a l
for ce , w ou ld e x te n d a s th e r p m of th e e n g i n e i n cr e a s e d . Th i s , i n tu r n , ca u s e d a
m otion th a t r e d u ce d th e op e n in g a t th e in ta k e va lve . W i th l e s s s te a m i n ta k e , th e
s p e e d r e d u ce d a n d th e b a l l s m ove d c los e r to th e con t r o l s h a ft , th u s r e op e n i n g
th e i n ta k e va lve .
An oth e r e x a m p le of e a r l y a u tom a t i on th a t i s s t i l l com m on i n m a n y s h op s
i s th e fu l l y a u tom a t i c s cr e w m a ch in e . Th e i n ve n tor , Ch r i s top h e r S p e n ce r , h a d
w or k e d on m a n u a l l y op e r a te d tu r r e t l a th e s . H e r e a l i ze d th a t b y a t ta ch i n g a ca m
s h a ft , s t r i p ca m s , le ve r s , a n d s e g m e n t g e a r s for a c tu a t i n g th e tu r r e t , colla te , a n d
cr os s s l id e , i t cou ld b e m a d e to op e r a t e a u tom a t i ca l ly . Th u s th e a u tom a t i c s cr e w
m a ch i n e w a s b or n . S u r p r i s i n g ly e n ou g h , S p e n ce r d id n ot r e a l i ze th e im p or t of
h i s i n ve n ti on b u t w a s con te n t to l e t th e m a ch i n e p r od u ce s cr e w s a n d oth e r
s im i l a r i te m s r a th e r th a n to d e ve lop th e m a ch i n e i t s e l f.
Ab ou t th e s a m e t im e a s S p e n ce r ’s a u tom a t i c s cr e w m a ch i n e w a s b u i l t i n th e
U n i te d S ta te s , th e S w i s s w e r e w or k i n g ou t s im i l a r i d e a s for a n a u tom a t i c s cr e w
m a ch i n e . Th e r e s e e m s to b e s om e r e lu c ta n ce to g i ve a n y on e m a n cr e d i t for th e
i n ve n t i on of w h a t h a s com e to b e k n ow n a s th e S w i s s a u tom a t i c s cr e w m a ch i n e .
H ow e ve r , th e con t r i b u t i on s of a b r i l l i a n t y ou n g e n g in e e r n a m e d B a ch e lor ca n n ot
b e i g n or e d . H i s con ce p t of m ovin g th e m a te r i a l a x i a l l y a s i t w a s b e i n g cu t
p r ovid e d a m e a n s of g e n e r a t i n g a n i n fi n i te va r i e ty of s h a p e s w i th a m in im u m of
toolin g . Th e m a ch i n e , e n t i r e l y ca m - op e r a te d ,



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Numerical Control


w a s fu l ly a u tom a t ic . On e m a n cou ld look a fte r fi ve or s i x of th e s e m a ch i n e s ,
p r im a r i l y to s e e th a t th e y d i d n ot r u n ou t of m a t e r i a l a n d th a t th e p a r t s
p r od u ce d w e r e w i th i n tole r a n ce lim i t s .
N u m e r i c a l c o n t r o l
A r e l a t ive l y s h or t t im e a g o m a ch i n e s w e r e op e r a te d b y cr a fts m e n w h o
d e te r m in e d m a n y va r i a b le s s u ch a s s p e e d s , fe e d s , d e p th of cu t , e tc . N ow m u ch
of th i s w or k i s b e i n g a s s i g n e d to com p u te r s a n d m a ch i n e s th a t a r e n u m e r i ca l ly
con t r olle d . Th e w or d n u m e r i ca l i s d e fin e d a s “t h e e x p r e s s i on of s om e th in g b y n u
m b e r s ”. Con t r o l i s d e fin e d a s “t h e e x e r c i s e of d i r e c t i n g , g u id in g , or r e s t r a in i n g p
ow e r ove r s om e th i n g ”. B y com b i n i n g th e tw o d e fin i t i on s w e fin d th a t n u m e r i
ca l con t r ol con s i s t s of d i r e ct in g , g u i d i n g , or r e s t r a i n i n g p ow e r ove r s om e th i n g
b y th e u s e of n u m b e r s . S in ce n u m b e r s a r e m e r e l y s y m b ols a n d l e t te r s a r e
u s e d a s w e l l, n u m e r i ca l con t r o l cou ld w e l l b e ca l l e d s y m b o l i c con t r o l .
Nu m e r i ca l con t r o l h a s b e com e com m on p l a ce i n th e w or ld of m a ch i n e tools ,
op e n i n g u p n e w d oor s for m or e a d va n ce d con ce p t s . Tod a y , e n t i r e p r e p la n n e d
a n d p r og r a m m e d d e s i g n a n d p r od u c t i on fu n c t i on s ca n b e p r oce s s e d , s tor e d ,
a n d fi n a l l y e xe cu te d w i th th e a i d of a com p u te r . Th e s e fu n c t i on s a r e te r m e d
CN C ( com p u te r n u m e r ica l con t r o l ) , CAD ( com p u te r - a id e d d e s ig n ) , CAM
( com p u te r - a id e d
m a n u fa c tu r in g ) .
Nu m e r i ca l con t r o l ( NC ) i s con s id e r e d to b e m or e th a n a n im p r ove d con t r ol
for m a ch i n e tools th a t p r ovid e s h i g h e r p r od u c t iv i ty . I t i s con s i d e r e d b y m a n y
l e a d i n g s c ie n t i s t s to b e th e fi r s t s i g n i fi ca n t s te p in w h a t i s r e fe r r e d to a s th e
s e con d i n d u s t r i a l r e volu t ion . Th e fi r s t i n d u s t r i a l r e volu t i on w a s u s h e r e d i n b y J a
m e s W a t t ’s s te a m e n g in e . H u m a n m u s c le p ow e r w a s r e p l a ce d a n d e x te n d e d
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m a n u fa c tu r in g ) , a n d CIM ( com p u te r - i n te g r a te d

Numerical Control


i n to a l l ty p e s of i n d u s t r i a l e q u i p m e n t . Th e s e con d r e volu t i on i s a n e x te n s i on of
m a n ’s m i n d . N C, w i th th e a id of th e com p u te r , t a k e s a s y m b o l i c in p u t a n d r e s t r u
c tu r e s i t to a n ou tp u t th a t e x te n d s m a n ’s con ce p t s a n d th i n k i n g i n to cr e a t
ive , p r od u c t i ve r e s u l ts .
Th e b i r th of NC m a y b e t r a ce d to th e l a te 19 4 0 s . At th a t t im e J oh n P a r s on s
a n d h i s a s s ocia te s w e r e m a n u fa c tu r i n g h e l i cop te r b l a d e s . Th e y fou n d th e
s p e ci fica t i on s , con tou r s , a n d w e i g h t s of th e a i r fo i l ve r y cr i t i ca l a n d d e m a n d i n g .
S t r u g g li n g w i th th e con tou r of th e r otor b l a d e , th e y d e vis e d a n i n cr e m e n t a l ly
m ovin g d im e n s i on a l i n s p e c t i on s y s te m . Th e a u th or e d d im e n s i on a l d a ta w e r e
fe d i n to a n e a r l y m od e l com p u te r th a t con ta i n e d th e p u r e m a th e m a t i ca l
for m u l a for th e a i r foi l . Th e i n s p e c t i on d a ta w e r e com p a r e d to th e b a s i c for m u l a .
Th e id e a w or k e d s o w e l l th a t M r . P a r s on s con c lu d e d th a t i f a com p u te r cou ld
te l l w h a t h a d h a p p e n e d a fte r a p a r t w a s m a d e , w h y n ot u s e th e s a m e d a ta to
con t r o l a m a ch i n e tool m a d e th e p a r t . A con ce p t i s fa r fr om r e a l i t y , of cou r s e .
H ow e ve r , i n 19 4 9 th e U . S . Air F or ce , w h i ch r e cog n i ze d th e va lu e of th e
te ch n iq u e , a w a r d e d a d e ve lop m e n t con t r a c t to th e M a s s a ch u s e t t s In s t i tu t e of
Te ch n olog y a n d b y 19 5 2 th e fi r s t n u m e r i ca l l y con t r o l l e d m a ch i n e tool w a s
op e r a t i on a l .
Nu m b e r s , l e t te r s , a n d s y m b o l s g a th e r e d tog e th e r a n d log i ca l l y or g a n i ze d
to d i r e c t a m a ch i n e tool for a s p e c i fi c ta s k a r e ca l le d a n NC p r og r a m . Th e
con ce p t i s r e volu t i on a r y in th a t th e con t r o l of a m a ch i n e h a s b e e n m ove d a w a y
fr om op e r a tor s k i l l a n d in tu i t i on to a n e n t i r e l y w r i t te n p r og r a m th a t ca n b e
i n te r p r e te d b y th e m a ch i n e con t r o l u n i t to p e r for m a l l th e r e q u i r e d m ove m e n t s
th a t p r od u ce a fin i s h e d p a r t , n ot on l y h a s NC r e p l a ce d h u m a n s k i l l s a n d
i n tu i t i on , b u t i t h a s m a d e i t p os s i b le to g e n e r a te com p le x m a ch in e m otion s

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Numerical Control


w i th a d e g r e e of p r e c i s i on th a t i s fa r b e y on d a n y h u m a n ca p a b i l i ty . If a s u r fa ce
ca n b e m a th e m a t i ca l l y d e fi n e d , NC ca n con t r ol th e m a ch i n i n g of i t . B e ca u s e of
th e h i g h e r p r od u c t iv i ty a ch i e ve d b y N C, i t i s b e l i e ve d th a t 75 % of a l l
m e ch a n i ca l p a r t s n ot m a s s p r od u ce d cou ld b e m a d e b y NC m a ch in e tools b y
th e y e a r 2 0 0 0 .
C A D C A M
C om p u te r t e ch n o log y h a s r i s e n i n a n e x p on e n t i a l cu r ve . On l y a g e n e r a t i on
a g o com p u te r s w e r e n ot r e a l l y n e e d e d for NC con t r o l . Ex ce p t for r e l a t i ve l y fe w
fi ve - a x i s m a ch i n e s . NC w a s p o i n t to p o i n t , w h i ch w a s e a s i l y a ccom p l i s h e d w i th
m a n u a l p r og r a m m in g .
W i th th e a d ve n t of tw o- d im e n s i on a l p r ofi li n g , h ow e ve r , a n e e d a r os e for
n u m e r ou s ca l cu l a t i on s to g e n e r a te th e cu r ve d p r ofi le . At th a t p o i n t th e
com p u te r w a s look e d u p on a s a u s e fu l tool i n m a n u fa c tu r i n g e n g i n e e r i n g . Afte r
s om e d e ve lop m e n t , i t w a s fou n d th a t p u n ch e d or m a g n e t i c t a p e cou ld b e
d i s p e n s e d w i th e n t i r e l y i n fa vor of com p u te r p r og r a m s th a t con t r o l l e d th e
m a ch i n e s d i r e c t l y . Th e n ca m e th e m i n i com p u te r s , w h i ch w h e n op e r a t i n g w i th
th e ce n t r a l p r oce s s or b r ou g h t a b ou t th e fi r s t r e a l con ce p t of th e a u tom a t i c
fa ctor y .
All of th e s e d e ve lop m e n t s w e r e im p or ta n t s te p s i n th e a d va n ce of
te ch n o log y . Th e com p u te r i s n o lon g e r vie w e d a s a r e m ote p i e ce of h a r d w a r e
u s e d p r im a r i ly i n a ccou n t i n g a n d e n g i n e e r in g d e p a r tm e n t s , b u t in s te a d a s a n
im p or ta n t tool to b e u s e d in cr e a s i n g l y i n CAD a n d CAM .
Tod a y CAD a n d CAM h a ve b e com e c los e l y li n k e d for com p le te p r oce s s i n g
fr om d e s ig n to p r od u ct i on . Th e d e s i g n e n g in e e r ca n n ow cr e a te




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CADCAM


th e d e s i r e d d e s i g n on a CR T s cr e e n th a t i s l i n k e d to a com p u te r i ze d g r a p h i cs
p lotte r . Th e s a m e s y s t e m ca n b e u s e d to d e te r m i n e th e v i a b i li ty of th e d e s i g n b y
a n a l y zin g s t r e s s e s a n d d e fle c t i on s th a t w i l l ta k e p l a ce u n d e r loa d i n g con d i t i on s .
Th e fu n c t i on i n g of m e ch a n i ca l l i n k a g e s m a y a l s o b e ch e ck e d . Afte r th e d e s i g n i s
com p le te , th e p r od u c t i on g r ou p ca n d r a w on th e i n for m a t i on d e ve lop e d on
C AD for com p u te r - a id e d m a n u fa c tu r e . Th u s th e u n i fi e d CAD- CAM te a m h a s
b e e n d e ve lop e d to b r i n g th e p r od u c t fr om th e d e s ig n con ce p t th r ou g h
m a n u fa ctu r e .
C A D F u n c t i o n s

In i t i a l l y C AD s y s te m s w e r e p r im a r i l y a u tom a t e d d r a ft i n g s t a t i on s i n w h i ch
com p u te r p lotte r s p r od u ce d e n g in e e r i n g d r a w i n g s . Th e s y s te m s w e r e l a te
l i n k e d to g r a p h i c d i s p l a y t e r m i n a l s , w h i ch a l low e d th e u s e r to com m u n i ca te
w i th th e com p u te r i n p i ctu r e s i n s te a d of r a w colu m n s of n u m b e r s . N ow
a d va n ce d s y s t e m s h a ve a d d e d a n a l y t i ca l ca p a b i l i t i e s . CAD fu n ct i on s m a y b e
g r ou p e d i n to fou r m a j or ca te g or i e s : g e om e t r i c m od e l i n g , e n g i n e e r i n g a n a l y s i s ,
k i n e m a t i cs , a n d a u tom a te d d r a ft i n g .
C A M F u n c t i o n s

CAM fu n c t i on s ce n te r a r ou n d fou r m a i n a r e a s : n u m e r i ca l con t r ol,
p r oce s s p l a n n i n g , r ob otics , a n d fa ctor y m a n a g e m e n t .












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制造业面临的挑战

制 造 业 中 的 新 技 术
制 造 业 面 临 的 挑 战

对 资 深 的 制 造 工 程 师 的 要 求 从 来 没 有 像 现 在 这 样 如 此 受 到 关 注 。 面 临 今 天 的
挑 战 ， 在 材 料 科 学 ， 设 计 ， 和 制 造 工 艺 方 面 获 得 广 泛 的 知 识 是 非 常 必 要 的 。 许 多
重 点 放 在 了 计 算 机 科 学 和 自 动 化 控 制 上 。
制 造 工 程 师 必 须 能 够 用 正 确 的 视 角 看 到 新 产 品 的 全 部 问 题 ， 通 过 一 步 一 步 的
操 作 ， 计 划 ， 从 基 本 的 零 件 材 料 和 工 具 ， 到 最 后 的 装 配 、 检 验 和 发 货 。
制 造 工 程 师 必 须 为 工 具 和 机 器 的 大 量 资 金 的 支 出 负 责 任 ，保 持 产 品 竞 争 基 础 。
工 程 师 不 仅 应 熟 悉 制 造 过 程 的 理 论 ， 而 且 还 需 能 处 理 生 产 现 场 的 一 般 实 际 问 题 。
少 数 地 区 期 望 制 造 工 程 师 可 以 从 事 工 艺 计 划 规 划 、 车 间 规 划 、 设 备 规 格 、 材
料 规 格 、 工 具 设 计 、 方 法 发 展 、 工 作 标 准 、 价 值 分 析 及 成 本 控 制 等 方 面 的 工 作 。
随 着 制 造 工 程 师 获 得 更 多 的 经 验 ， 如 果 他 具 在 高 的 创 造 和 创 新 能 力 ， 他 可 以
期 望 成 为 制 造 系 统 概 念 的 重 要 一 代 ， 他 也 可 能 成 为 发 展 新 奇 和 专 门 设 备 的 重 要 部
分 ， 研 究 制 造 技 术 现 象 和 新 产 品 制 造 可 行 性 研 究 计 划 。
不 是 所 有 的 创 新 都 在 提 高 机 床 、 检 验 和 自 动 装 配 的 效 率 上 ， 强 调 个 别 工 人 素
质 的 挑 战 也 将 逐 渐 增 加 。 生 产 线 上 的 员 工 组 成 一 个 团 队 ， 共 同 对 最 终 产 品 负 责 而
不 是 仅 仅 进 行 重 复 性 的 操 作 。 这 是 一 种 团 队 责 任 ， 在 这 种 观 念 下 ， 能 帮 助 确 定 工
作 的 分 配 ， 机 器 的 工 种 和 工 作 的 速 度 及 质 量 。 假 设 个 人 能 够 得 到 丰 富 的 训 练 ， 他
就 可 以 用 灵 活 和 所 有 的 技 能 ， 介 入 到 我 们 需 要 帮 助 的 地 方 。
现 代 制 造 规 划 也 包 括 用 计 算 机 处 理 大 量 的 数 据 ， 这 些 数 据 是 需 要 利 用 的 原 始
的 信 息 ， 例 如 ： 销 售 预 报 及 客 户 订 单 ， 以 便 决 定 购 买 什 么 ， 制 造 什 么 ， 储 存 什 么
等 等 。（ 参 见 图 5 - 1）
计 算 机 包 括 小 型 计 算 机 和 可 编 程 控 制 器 ， 将 会 为 最 优 产 品 在 生 产 工 具 和 工 艺
设 计 领 域 提 高 影 响 力 。 工 业 革 命 后 ， 计 算 机 辅 助 设 计 （ C AD） 和 计 算 机 辅 助 制 造

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制造业面临的挑战


（ CAM ）在 机 械 制 造 中 有 着 巨 大 的 潜 力 。是 否 所 有 的 潜 力 将 能 被 意 识 到 ，取 决 于
制 造 工 程 师 在 工 业 和 学 院 及 大 学 中 所 受 训 练 的 未 来 。 这 不 意 味 着 很 多 的 学 习 不 在
正 式 的 教 室 外 面 进 行 。 相 反 ， 由 于 当 今 新 的 科 学 和 技 术 知 识 的 洪 流 以 及 技 术 改 进
的 惊 人 步 伐 ， 使 工 程 技 术 人 员 必 须 制 订 自 学 计 划 ， 否 则 便 会 有 被 淘 汰 的 危 险 。 然
而 ， 即 使 有 短 课 或 讨 论 会 也 不 会 是 很 充 分 的 ， 对 于 许 多 科 技 变 化 迅 速 的 地 区 ， 一
个 工 作 周 期 是 在 校 园 中 正 常 的 锻 炼 之 后 接 下 来 的 4 或 5 年 的 时 间 。







销 售 预 算

顾 客 订 单

产 品 种 类
输 入


数 据 库

计算机
计 算 机 程 序
输 出
订 单


汇编工作表、库
存单、编码册
减 少 成 本


采购控制 制造控制


图 5 - 1 计 算 机 与 它 的 数 据 库 和 程 序 ， 是 制 造 计 划 必 要 的 部 分






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自 动 化


自

动 化
“自 动 化 ”一 词 是 一 个 相 对 较 新 的 词 ，19 3 5 年 由 当 时 的 福 物 汽 车 制 造 公 司 的
副 总 裁 D. S .H a r d e r 首 次 提 出 。这 个 词 是 “a u tom a l i za t i on ”的 缩 写 ，意 思 是 自 动
的 或 没 有 人 类 帮 助 的 做 一 些 事 情 。 这 可 能 提 及 一 个 单 一 的 操 作 或 一 个 整 个 连 续
不 断 的 过 程 。
自 动 控 制 系 统 不 是 当 代 的 产 物 。 早 在 178 8 年 ， J a m a s w a t t 构 想 出 自 动 速
度 控 制 以 fly - b a l l 调 速 器 的 形 式 用 于 他 的 蒸 汽 机 。两 个 fly b a l l s 借 住 离 心 力 运
动 ， 将 会 以 引 擎 转 分 的 速 度 持 续 下 去 。 这 样 ， 其 结 果 将 引 起 一 个 减 小 吸 入 阀 开
口 量 的 运 动 。 随 着 少 量 蒸 汽 的 吸 入 ， 速 度 减 小 ， 球 的 运 动 更 接 近 于 控 制 轴 ， 因
此 ， 重 新 打 开 吸 入 口 阀 。
早 期 自 动 控 制 的 另 一 实 例 就 是 全 自 动 螺 栓 生 产 机 ， 现 在 很 多 车 间 还 有 这 种
机 器 。 这 个 发 明 者 ： Ch r i s top h e r S p e n ce r 是 一 名 在 手 工 操 作 六 角 转 塔 车 床
上 工 作 的 人 。 他 意 识 到 通 过 附 加 的 凸 轮 轴 、 拆 卸 凸 轮 、 手 柄 和 扇 形 齿 轮 来 启 动
六 角 转 台 、 套 爪 和 横 滑 台 。 这 样 就 能 使 这 个 操 作 自 动 化 。 因 此 ， 这 台 自 动 螺 栓
生 产 机 就 诞 生 了 。令 人 意 外 的 是 ，S p e n ce r 并 没 意 识 到 他 的 发 明 的 重 要 性 ，没
有 继 续 开 发 自 动 车 床 ， 而 是 只 满 足 于 自 动 生 产 螺 栓 或 其 它 部 件 。
S p e n ce r 的 自 动 螺 栓 生 产 机 在 美 国 应 用 的 同 时 ， 瑞 士 人 对 自 动 螺 栓 生 产 机
也 产 生 出 了 相 同 的 想 法 。 他 们 似 乎 对 这 项 发 明 不 愿 给 任 何 人 的 信 认 ， 而 想 让 人
知 道 是 瑞 士 自 动 螺 栓 生 产 机 。 然 而 ， 杰 出 的 年 轻 学 士 工 程 师 所 作 的 贡 献 也 不 能
被 忽 视 。 他 的 材 料 轴 向 移 动 的 观 念 用 在 了 切 削 中 ， 切 削 中 一 般 用 最 小 的 工 具 实
现 无 穷 的 变 化 。 一 个 工 人 可 以 照 看 5 或 6 台 这 种 机 器 ， 他 的 主 要 任 务 是 查 看 机
器 是 否 缺 料 以 及 生 产 的 零 件 是 否 在 公 差 范 围 内 。


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数 字 控 制

数 字 控 制

不 久 以 前 ， 机 器 通 常 是 由 工 人 操 作 并 由 他 们 决 定 机 床 速 度 、 进 给 量 、 切 削 深
度 等 等 。 现 在 许 多 这 样 的 工 作 已 经 开 始 分 配 给 计 算 机 和 数 字 控 制 的 机 器 去 做 。
Nu m e r i ca l 这 个 词 被 定 义 为 通 过 数 字 表 达 的 某 事 。 Con t r ol 被 定 义 为 直 接 运 动 ，
引 导 或 限 制 动 力 超 出 某 物 。 通 过 将 两 个 定 义 相 结 合 ， 我 们 发 现 数 字 控 制 包 含 通 过
数 字 的 使 用 ， 直 接 引 导 或 限 制 动 力 超 过 某 物 。 既 然 数 字 仅 仅 是 我 们 所 使 用 的 符 号
或 字 母 ，数 字 控 制 也 可 以 称 为 象 征 控 制 。数 字 控 制（ NC）在 机 械 加 工 领 域 的 应 用
已 越 来 越 普 遍 ， 并 正 在 为 更 多 先 进 观 念 开 启 新 的 窗 口 。 今 天 ， 全 部 的 预 先 计 划 和
程 序 设 计 及 产 品 功 能 都 能 被 处 理 ，储 存 ，最 后 在 计 算 机 的 帮 助 下 运 行 。这 些 功 能 包
括 CNC（ 计 算 机 数 字 控 制 ）， CAD（ 计 算 机 辅 助 设 计 ）， CAM （ 计 算 机 辅 助 制 造 ）
和 CIM （ 计 算 机 集 成 制 造 ）。
数 字 控 制 （ NC） 可 以 更 好 的 改 善 机 器 工 具 的 控 制 ， 从 而 提 供 更 高 的 生 产 率 。
数 字 控 制 被 许 多 科 学 家 看 作 是 自 第 二 次 工 业 革 命 以 来 的 首 次 重 大 进 步 。 第 一 次 工
业 革 命 是 由 J a m e s w a t t ’s 的 蒸 汽 机 引 领 的 。 人 类 肌 肉 的 力 量 被 许 多 种 类 的 工 业
设 备 所 替 代 和 扩 充 。第 二 次 革 命 是 人 类 思 想 的 扩 展 。数 字 控 制 借 助 计 算 机 的 协 助 ，
获 得 一 个 象 征 的 输 入 和 调 整 直 至 输 出 。这 样 扩 展 人 类 的 观 念 和 思 想 产 生 创 造 性 的 、
多 产 的 结 果 。
数 控 技 术 可 以 追 溯 到 2 0 世 纪 4 0 年 代 末 期 ，那 时 J oh n P a r s on s 和 他 的 伙
伴 正 在 制 造 直 升 机 螺 旋 桨 。 他 们 发 现 机 翼 的 规 格 轮 廓 和 重 量 是 很 关 健 很 费 力 的 。
经 过 在 转 子 螺 旋 桨 轮 廓 上 的 努 力 ， 他 们 发 明 了 一 种 增 长 的 移 动 尺 寸 的 检 验 系 统 。
这 些 尺 寸 数 据 输 入 进 早 期 的 模 型 计 算 机 ， 计 算 机 中 包 括 了 设 计 机 翼 的 纯 粹 的 数 学
公 式 ， 检 验 数 据 与 基 本 公 式 相 比 较 。 这 个 想 法 制 定 的 非 常 好 。 P a r s on s 先 生 总 结
出 ， 如 果 计 算 机 能 够 识 别 出 零 件 制 造 出 来 后 所 以 生 的 情 况 ， 为 什 么 不 用 相 同 的 数
据 来 控 制 机 床 用 来 制 造 零 件 呢 。 当 然 ， 这 个 概 念 离 现 实 还 很 远 。 然 而 ， 美 国 空 军
已 认 识 到 了 技 术 的 价 值 ， 并 在 19 4 9 年 与 麻 省 理 工 学 院 签 署 了 发 展 协 作 合 约 ， 使

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数 字 控 制


首 台 数 控 机 床 于 19 5 2 年 开 始 运 转 。

将 数 字 ， 字 母 和 符 号 组 合 在 一 起 ， 能 逻 辑 有 序 的 控 制 机 床 进 行 工 作 ， 称 为 数
控 程 序 。 这 种 创 新 的 概 念 在 于 机 床 的 控 制 与 操 作 者 的 技 术 水 平 和 直 觉 脱 离 ， 用 完
全 编 写 好 的 程 序 来 执 行 所 有 所 需 的 运 动 ， 从 而 加 工 出 成 品 零 件 。 这 些 程 序 是 通 过
机 床 控 制 单 元 编 译 的 。 数 控 不 仅 代 替 了 人 的 技 能 和 直 觉 ， 同 时 也 使 那 些 远 远 超 过
人 类 技 能 的 、 具 有 高 精 度 的 复 杂 的 机 械 运 动 成 为 可 能 。 如 果 一 个 表 面 可 以 精 确 的
限 定 ，数 字 控 制 就 能 控 制 它 的 制 造 。正 因 为 用 NC 可 以 获 得 高 的 生 产 率 ，到 2 0 0 0
年 有 理 由 相 信 ， 小 批 量 生 产 的 所 有 机 械 零 件 都 可 以 通 过 数 控 机 床 制 造 。


计 算 机 辅 助 设 计 计 算 机 辅 助 制 造

计 算 机 技 术 以 指 数 曲 线 的 速 度 在 上 升 。 仅 在 一 代 以 前 ， 计 算 机 还 没 有 在 NC
控 制 中 有 真 正 的 需 要 。除 了 相 对 的 少 数 的 5 轴 联 动 机 床 以 外 ，NC 为 点 对 点 控 制 ，
与 手 工 编 程 一 起 轻 松 完 成 任 务 。
然 而 ， 随 着 二 维 轮 廓 的 出 现 ， 用 数 字 计 算 实 现 曲 线 轮 廓 的 需 要 也 就 出 现 了 ，
从 那 点 上 ， 计 算 机 被 视 为 在 机 械 制 造 工 程 中 有 用 的 工 具 ， 在 一 些 发 展 之 后 ， 发 现
将 全 部 的 计 算 机 程 序 分 配 到 打 孔 机 或 磁 带 上 ， 有 利 于 机 器 直 接 进 行 控 制 。 随 后 出
现 了 小 型 计 算 机 ， 以 中 央 处 理 器 操 作 实 现 了 第 一 次 真 正 概 念 上 的 自 动 化 工 厂 。
所 有 这 些 发 展 在 先 进 技 术 中 都 是 重 要 的 步 伐 。 计 算 机 不 再 被 看 作 是 一 个 硬 件
而 仅 用 于 计 算 机 和 工 程 部 门 ， 它 已 作 为 一 个 重 要 的 工 具 日 益 广 泛 地 应 用 于 CAD
和 CAM 中 。
今 天 ，C AD 与 C AM 已 经 变 得 与 全 部 的 生 产 过 程 从 设 计 到 产 品 联 系 非 常 紧 密 ，
设 计 工 程 师 现 在 能 够 在 C R T 屏 幕 上 创 作 出 渴 望 的 设 计 ，并 与 图 像 策 划 者 控 制 的 计
算 机 相 连 。 用 同 样 的 系 统 通 过 在 负 荷 状 态 下 压 力 和 偏 差 的 分 析 可 以 决 定 设 计 的 可
行 性 。 机 械 连 动 装 臵 的 运 行 状 态 也 可 以 检 查 出 来 。 在 设 计 完 成 后 ， 利 用 CAD 获
得 大 量 信 息 ，为 计 算 机 辅 助 制 造 作 准 备 。因 此 ，CAD—CAM 的 统 一 合 作 使 产 品 从
设 计 概 念 到 制 造 得 以 发 展 。
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计算机辅助设计计算机辅助制造

C A D 的 功 能

最 初 ， CAD 系 统 主 要 用 于 计 算 机 绘 图 人 员 自 动 绘 制 草 图 从 而 生 产 出 工 程 图
纸 。 后 来 ， 系 统 与 图 形 显 示 终 端 连 接 ， 使 操 作 者 可 直 接 与 此 同 时 计 算 机 以 图 形 方
式 交 流 ，代 替 了 过 去 用 原 始 数 据 的 方 式 。现 在 ，先 进 的 系 统 还 增 加 了 分 析 的 能 力 。
C AD 的 功 能 大 致 可 分 为 主 要 的 四 类 ： 几 何 模 型 、 工 程 分 析 、 运 动 学 和 自 动 绘 图 。
C A M 的 功 能
CAM 的 功 能 中 心 围 绕 着 四 个 主 要 的 方 面 ： 数 字 控 制 、 工 艺 的 编 制 、 机 器 人 、
工 厂 管 理 。

































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