71532

ИСТОРИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ

Конспект

Производство и промышленные технологии

Специалист по автоматизации должен обладать поистине энциклопедическими знаниями. Современные методы проектирования рабочих машин и механизмов электромеханика силовых приводов электроника и схемотехнические решения систем управления микропроцессорные и компьютерные средства...

Русский

2014-11-08

947 KB

65 чел.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

В.Г. Хомченко, В.Н. Гудинов

 ИСТОРИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ

Конспект лекций

Омск 2005


УДК 658.52.011.56(09)(075)

ББК 32.965-5я73

Х 76

 

Р е ц е н з е н т ы :

В.В. Жильцов, канд. техн. наук, доц., чл.-кор. АТН РФ, заслуж. изобрет. России, директор ООО НТЦ «Сибнефтеавтоматика»,

Н.Г. Якушина, канд. ист. наук, проф. кафедры «Отечественная история» СибАДИ.

Хомченко В.Г., Гудинов В.Н.

Х 76 История автоматизации технологических процессов и производств: Конспект лекций. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. – 52 с.

В конспекте лекций даны основные понятия и определения, связанные с автоматизированным производством технических изделий, приведены примеры первых в истории человечества самодействующих устройств и систем, а также в кратком виде изложены основные этапы истории и развития важнейших составляющих любого устройства автоматического действия.

Конспект лекций предназначен для студентов дневной, вечерней, заочной и дистанционной форм обучения по специальности 220301 – «Автоматизация технологических процессов и производств» и направления подготовки бакалавров 220400.62 – «Управление в технических системах».

Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета.

УДК 658.52.011.56(09)(075)

ББК 32.965-5я73

© В.Г. Хомченко, В.Н. Гудинов, 2005

© Омский государственный

технический университет, 2005

Введение

Настоящий конспект лекций предназначается для студентов первого курса технического университета, решивших связать свою будущую профессиональную деятельность с автоматизацией технологических процессов и производств.

На протяжении всей своей истории развития автоматизация основывалась на новейших достижениях научной и технической мысли. Можно утверждать, что именно желание создать автоматически действующие машины и устройства вдохновляло многие поколения ученых, изобретателей и практиков на проведение интереснейших научных исследований и экспериментов.

Специалист по автоматизации должен обладать поистине энциклопедическими знаниями. Современные методы проектирования рабочих машин и механизмов, электромеханика силовых приводов, электроника и схемотехнические решения систем управления, микропроцессорные и компьютерные средства автоматизации, программирование компьютерных систем – все это должно постоянно находиться в поле зрения инженера, занимающегося автоматизацией.

Конечно, было бы неверно считать, что энциклопедизм знаний присущь только одной науки об автоматизации, - это черта всех технических наук. Еще в 1900 г. в Положении «Об учреждении Политехнического института в Петербурге» утверждалось, что технические науки «вынуждены захватывать изучаемую область шире и глубже, чем достаточно было бы для университетской науки. Необходимо, чтобы инженеры и вообще техники были проникнуты убеждением, что их искусство, их наука вполне самостоятельны, что всякие другие науки, начиная с элементарной математики и кончая философскими суждениями, доставляющими верный критеризм для определения правильности и целесообразности технического исследования, – суть только орудия, необходимые или полезные для разработки науки прикладной».

Современное состояние методов и средств автоматизации есть результат увлеченной творческой деятельности ученых, изобретателей и практических работников на протяжении многих веков. Создание автоматически действующих устройств основывается на высокоабстрактных положениях математиков и на технических находках изобретателей-практиков.

В конспекте лекций даны основные понятия и определения, связанные с автоматизированным производством изделий, приведены примеры первых в истории человечества самодействующих устройств, а также в кратком виде изложены основные этапы истории и развития важнейших составляющих любого устройства автоматического действия, а именно: источников энергии, рабочих механизмов и систем их управления. В последней части конспекта приводятся сведения о современном подходе и современных задачах в области автоматизации технологических процессов и производств.

Приводится достаточно подробный перечень литературных источников, которые помогли составить данный курс лекций, и являются основой для более глубокого изучения истории автоматизации во всех ее возможных проявлениях.

Прежде чем дать краткий очерк развития и истории автоматизации технологических процессов и производств, приведем основные сведения и понятия по современному производству технических изделий, позволяющих определить место автоматизации в деятельности человека в настоящее время.

1. Место автоматизации в жизненном цикле технического изделия

1.1. Жизненный цикл технического изделия

Каждый этап развития цивилизации характеризуется свойственными ему  техническими изделиями, создаваемыми человечеством для облегчения своего существования. К одним из первых, видимо, следует отнести: гончарный круг, повозки, водочерпальные устройства. Затем появились корабли, паровые машины, паровозы. К техническим изделиям современного этапа можно отнести: станки с числовым программным управлением, промышленные роботы, электронные вычислительные машины, автомобили, ракеты и т.п.

Любое техническое изделие (ТИ) претерпевает в течение времени своего существования ряд видоизменений. Отразим это схематично (рис.1).

В настоящее время при выполнении большинства указанных этапов жизненного цикла технического изделия человек использует различные средства автоматизации:

На первых 4-х этапах, когда основные работы связаны с обзором литературы и патентным поиском,  сопоставлением создаваемого ТИ с существующими аналогами, оценкой экономической эффективности от внедрения нового ТИ, маркетингом, используются средства автоматизации обработки информации, которые реализуются современными электронными картотеками, автоматизированными базами данных (БД),   локальными и глобальными сетями ЭВМ (включая Internet), электронной почтой и т.п.

На 5-м этапе широко  применяются автоматизированные системы научных исследований (АСНИ), связанные с создаваемым ТИ.

На 6-м и 9-м этапах большое применение нашли различные системы автоматизированного проектирования (САПР) на базе ЭВМ.

7-й этап – это область применения гибких производственных модулей (ГПМ) на основе станков с числовым программным управлением (СЧПУ).

На 10-м этапе используются автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП), включающие подготовку заготовок, инструмента, расходных материалов, т. е. всего, что называется материально-техническим обеспечением (МТО) производства, а также разработку управляющих программ (УП) для ГПМ.

11-й этап – это гибкое автоматизированное производство (ГАП) на базе ГПМ, СЧПУ, промышленных роботов (ПР), роботизированных технологических комплексов (РТК), автоматических складов и управляющих ЭВМ.

8-й и 12-й этапы предполагают использование автоматизированных систем контроля и испытания ТИ (АСКИ), включающие автоматизированный сбор данных по эксплуатации ТИ, накопление статистики, выявление технических отказов и условий приводящих к ним.

13-й этап - это автоматизированные производства по утилизации и переработке отслуживших свой срок ТИ.

Рассмотрим взаимосвязи некоторых автоматизированных этапов создания ТИ. На рис.2 представлена структурная схема интегрированного производственного комплекса (ИПК) – совокупность систем и средств автоматизированного проектирования и автоматизации производственных процессов  (сокращенно: САПР/АПП, или CAD/CAM – computer aided design / computer aided manufacturing – компьютерное автоматизированное проектирование и автоматическое производство с управлением от ЭВМ).

Входной информацией системы ИПК является техническое задание (ТЗ) на разработку и создание ТИ, а на выходе ИПК мы имеем готовое к эксплуатации ТИ. Весь комплекс проектных и производственных работ управляется, координируется и контролируется  автоматизированной системой управления НИИ (АСУ НИИ) и автоматизированной системой управления предприятием (АСУП) на основе единой базы данных (БД). Кроме ТЗ, в систему ИПК извне должно поступать все необходимое материально-техническое обеспечение (МТО).



2. Технологические и производственные процессы как объекты
автоматизации

В производственной деятельности человека можно выделить большое число разнообразных технологических процессов и производств. Приведем в качестве примера технологический процесс изготовления широко распространенного технического изделия: сборочной единицы «вал – шестерня» (рис. 3).

Сборочная единица состоит из двух деталей: ступенчатого вала I и шестерни II.

Примерный технологический процесс изготовления данной сборочной единицы может быть представлен в виде трех частных технологических процессов:

1. Технологический процесс изготовления ступенчатого вала I;

2. Технологический процесс изготовления шестерни II;

3. Технологический процесс  сборки технического изделия.

Рассмотрим каждый из них подробнее.

Технологический процесс изготовления вала (рис.4) состоит из операций:

  1.  Изготовление заготовки в заготовительном цехе (отрезка из прутка, литье, горячая штамповка в зависимости от соотношения диаметра и длины вала)
  2.  Фрезерно-центровальная операция – подрезка торцов и сверление центровых отверстий 7 и 8;
  3.  Точение поверхностей 4, 5 и 6;
  4.  Точение поверхностей 1, 2, 3;
  5.  Чистовое точение поверхностей 1, 4 и 6 (в центрах 7 и 8);
  6.  Термообработка (например, закалка);
  7.  Шлифование поверхностей 1, 4 и 6 для обеспечения требуемой точности диаметров, соосности шеек вала и чистоты их поверхности;
  8.  Контроль размеров обработанных поверхностей (может иметь место после каждой операции).

Технологический процесс изготовления шестерни (рис.5) включает операции:

  1.  Получение заготовки (пруток, штамповка, литье);
  2.  Подрезка торца 2 и черновое обтачивание отверстия 4;
  3.  Подрезка торца 1 и внешней поверхности 3;
  4.  Чистовое точение поверхности 4;
  5.  Нарезание зубьев 3;
  6.  Термообработка;
  7.  Шлифование поверхности 4;
  8.  Шлифование зубьев 3;
  9.  Контроль размеров обработанных поверхностей.

Технологический процесс сборки включает в себя: перемещение вала и шестерни в зону сборки, напресовка шестерни на вал, контроль и упаковка собранной сборочной единицы, транспортировка ее на склад, либо к месту сборки более сложных сборочных единиц, например, коробки передач.



     
Рассмотрим более подробно неавтоматизированный процесс обработки вала на токарном станке (например, операцию 4), при котором должны быть выполнены следующие производственные действия (технологические переходы):

взять заготовку из накопителя заготовок (НЗ) и переместить ее в рабочую зону станка;

закрепить заготовку на станке;

включить станок,

подвести режущий инструмент (резец);

произвести металлообработку (точение поверхностей 1, 2, 3);

отвести инструмент;

выключить станок;

произвести контроль готовой детали;

поместить деталь в накопитель деталей (НД).

Изложенная выше последовательность выполнения технологических переходов и операций является наиболее характерной при механической обработке отдельных (штучных) деталей (например, при обработке их резанием на металлорежущих станках).

Введем основные понятия и определения (рис.6), связанные с изготовлением ТИ:

Производственный процесс – это комплекс производственных действий, в результате выполнения которого сырье и исходные продукты, а также энергия и информация превращаются в готовые промышленные технические изделия.

Технологический процесс – это часть производственного процесса (совокупность технологических операций), связанная с преобразованием размеров, формы,  состояния (химических или физических свойств) предмета труда и с последующим контролем результатов этого преобразования.

Технологическая операция (ТО) – это часть технологического процесса (совокупность технологических переходов), выполняемая на одном рабочем месте.

Технологическая операция – одно из основных понятий в организации машиностроительного производства, с ней связано планирование производства, нормирование труда, компоновка оборудования, последовательность обработки детали.

Рабочее место – это часть площади цеха (участка), предназначенная для выполнения работы (одной операции)  одним рабочим или группой рабочих. На этой площади размещается технологическое оборудование, инструмент, приспособления, накопители для заготовок и готовых деталей.

Технологические переходы (ТП) – это элементарные составляющие части технологической операции. Они делятся на рабочие (tр) и холостые (tх).

Все перемещения детали и инструмента, связанные с обработкой, можно разделить на рабочие, выполнение которых относится непосредственно к обработке детали (изменение ее размеров, формы, химических или физических свойств) и холостые, служащие для подготовки рабочих ходов (транспортировка детали из накопителя в зону обработки и обратно, транспортировка детали от станка к станку; подвод инструмента к заготовке и отвод от нее, зажим-разжим заготовки и т.п.).



Обработка одного изделия требует обычно полного комплекса рабочих и холостых ходов, время выполнения которых определяет время рабочего цикла технологической машины:

Тц = tp + tх ,

где tp   время рабочих ходов,

 tх  время холостых ходов.

Величина, обратная времени цикла, называется цикловой производительностью.

При ручной обработке рабочие и холостые ходы совершаются рабочим. При механизированной обработке рабочая подача инструмента осуществляется механически специальным самоходным механизмом (например, механическая подача с помощью ходового винта). Обычно рабочие хода современные рабочие машины совершают автоматически (самостоятельно). Если машина самостоятельно выполняет и холостые ходы, то она уже относится к машинам автоматического действия (автоматам).

2.1. Классификация технологических процессов и производств

По характеру производства и виду выпускаемых технических изделий выделяют дискретные (штучные) и непрерывные технологические процессы и операции.

В качестве примера дискретной технологической операции рассмотрим операцию контроля изделия (рис.7), которая состоит из следующих переходов:

взять деталь из накопителя деталей (НД);

– установить и закрепить деталь на контрольно-измерительное устройство;

произвести необходимые измерения;

принять решение о годности детали;

транспортировать изделие в соответствующую емкость: годные детали,  исправимый брак, неисправимый брак.

Рис.7. Рабочий участок контроля ТИ

В приведенных выше технологических процессах обрабатываются отдельные единицы изделия, это так называемые технологические процессы по обработке штучных изделий, такие технологические процессы называют  дискретными – им кроме всего присущ циклический характер выполнения составляющих операций и переходов.

В качестве примера непрерывной технологической операции рассмотрим термообработку изделий, которые сплошным потоком проходят через термокамеру (рис.8) и нагреваются там с помощью термоэлектронагревателя (ТЭНа).

В таких процессах всегда присутствуют различные внешние вредные возмущения (колебание электропитания, изменение температуры окружающей среды и т.п.), которые определенным образом влияют на технологические параметры процесса. Задачей оператора или системы автоматики является либо поддержание требуемой постоянной температуры (стабилизация), либо изменение ее значения по заданному закону (слежение), т.е. непрерывное регулирование температуры во времени. Регулированию в технологических установках могут подлежать также и другие параметры: давление газа, расход вещества, уровень жидкости и т.п. Такие технологические процессы называются непрерывными – им присущ также и непрерывный характер движения материальных потоков (заготовок, деталей, жидкостей, газов).

В каждом производственном и технологическом процессе для выполнения любой технологической операции должны присутствовать три  обязательных потока:

Материальный, связанный с изменением формы и состояния заготовки, изделия, инструмента, или какого-либо исходного материала, а также с их перемещением.

Информационный, связанный со сбором, хранением и переработкой технологической информации и с выработкой управляющих команд, необходимых для организации материального потока.

Энергетический, связанный с обеспечением технологического процесса всеми видами энергии (механической, электрической, гидравлической, пневматической и др.).

Производственные процессы классифицируют по степени механизации и автоматизации на следующие типы:

Ручное производство – это такой вид деятельности, когда человек непосредственно участвует в осуществлении (реализации) материального, энергетического и информационного потоков.

Механизированное производство – когда человек частично освобожден от участия в энергетическом и материальном потоках.

Автоматическое производство – когда человек полностью освобожден от участия в информационном, материальном и энергетическом потоках (это высшая степень автоматизации).

Автоматизированное производство – когда человек частично участвует в информационном потоке. Это выражается в основном в принятии решений, коррекции целей и задач производства, перепрограммировании, переналадке производства и т.д.



Все многообразие технологических операций, процессов и производств с точки зрения их автоматизации можно свести к трем типовым задачам:

1. Автоматическое выполнение заданной последовательности простых взаимных перемещений предмета труда и рабочего органа (РО), а также заданной последовательности обработки информации.

2. Автоматическое взаимное перемещение изделия и рабочего органа по заданной сложной траектории (на плоскости или в пространстве).

3. Автоматическое выполнение заданного непрерывного закона изменения определенных параметров процесса (температуры, давления, расхода и т.п.).

Первый случай имеет место при реализации дискретных технологических процессов при производстве штучных изделий. Например, обработка ступенчатых валов (рис.4), сверление множества отверстий в печатных платах (рис.9,а), сборка узлов и агрегатов или упаковка изделий (рис.9,б). Последовательность перемещений рабочих органов при этом задается циклограммой, а реализуется, например, с помощью кулачкового распределительного вала, электромеханического командоаппарата, а в настоящее время – программируемыми логическими микроконтроллерами, т. е. системами циклового программного управления (ЦПУ).

Второй случай также характерен для дискретного производства и имеет место, во-первых, при обработке деталей сложной формы, когда режущий инструмент или деталь должны перемещаться по сложной траектории (рис.10,а), здесь используются копиры, шаблоны, либо системы числового программного управления  (ЧПУ), а во-вторых, при транспортировке деталей или инструмента по сложной траектории с помощью промышленных роботов (рис.10,б), здесь используется позиционные или контурные системы ЧПУ.

Третий случай возникает при необходимости поддержания постоянными, или изменения по заданному закону (алгоритму) каких-то параметров технологического процесса (рис.11), например, уровня воды в котле, давления пара в нем, температуры печи, влажности воздуха, скорости перемещения рабочих органов и т.п., и в отличие от первых двух характерен для непрерывных процессов и производств.

В зависимости от номенклатуры и количества производимых технических изделий все производства делятся на три типа:

1. Массовое производство – выпуск ограниченной (чаще всего одной) номенклатуры изделий в большом количестве, например: производство подшипников или крепежных изделий (болтов, винтов, гаек и т.п.).

2. Серийное производство (крупносерийное, среднесерийное и мелкосерийное),

например: производство самолетов, танков, станков.

3. Единичное производство – характерно для изготовления экспериментальных изделий или уникальных объектов, например: космических аппаратов.

2.2. Основные понятия и определения автоматизации

Авто…(от греческого autós – сам) – часть сложных слов, обозначающая «само…», «свой». Например: автомобиль (авто – сам, mobilis – подвижный, самодвижущийся), автопилот, автопортрет, автограф, автобиография и т.п.

Автомат – (от греческого autómatosсамодействующий) - устройство (совокупность устройств), выполняющее по заданной программе без непосредственного участия человека все действия (переходы, операции) в процессе получения, преобразования, передачи и распределения (использования) энергии, материалов и информации. В кибернетике автомат – это математическая модель устройства или процесса, перерабатывающего аналоговую или дискретную (цифровую) информацию (конечный автомат, автомат Миля, автомат Мýра).

Программа автомата – это комплекс каких-либо предписаний (заданий, инструкций, алгоритмов). Программа может быть задана либо в его конструкции копирами, кулачками, рычагами и др. механизмами (часы, торговые автоматы), либо  извне посредством перфокарт, перфолент, магнитных лент, магнитных или оптических дисков и т.п. (станки с числовым программным управлением, ЭВМ).

 Полуавтомат – это машина или агрегат, самостоятельно выполняющий рабочий цикл, но подготовка к следующему циклу и пуск осуществляется человеком.

Автоматика – техническая наука (в области теоретических и прикладных знаний) о методах и средствах построения автоматических устройств, механизмов, агрегатов и систем, действующих без непосредственного участия человека.

Автоматизация – практическое применение (внедрение) вышеперечисленных самодействующих механизмов и систем в производство (на транспорте, в строительстве и в других областях деятельности человека).

Автоматизируются: технологические, энергетические, транспортные и другие производственные процессы; проектирование устройств, механизмов и машин; проектирование технологии их изготовления; организация, планирование и управление производством; научные исследования, контроль и испытания технических изделий.

Автоматизация может быть малой (частичной) и комплексной, охватывающей все составные части производственного процесса и его подготовки (рис.6).

Автоматическая система управления (АСУ) – это управляемый объект, измерительная и управляющая аппаратура, объединенные в систему, в которой обработка информации, форматирования команд управления и их преобразование в воздействие на управляемый объект осуществляется без участия человека.

2.3. Факторы, определяющие необходимость автоматизации

1. Технический – многие современные технологические операции, процессы, производства, машины и системы имеют такие параметры (скоростные, силовые, точностные, температурные и пр.),  которые недоступны органам чувств человека и для реального управления ими и обеспечения требуемого качества и производительности необходима автоматизация.

2. Человеческий –  связан с улучшением условий труда и с повышением его интеллектуализации; он определяет практически полное исключение человека из вредных, опасных и утомительных производственных процессов и сведения его роли к наладке оборудования и наблюдению за его работой.

3. Социально-демографический – обусловлен низкой рождаемостью и сокращением доли трудоспособного населения, занятой в производственной сфере в промышленно развитых странах. В ближайшие годы в промышленном производстве этих стран (непосредственно у технологических машин) будет занято менее 10 % трудоспособного населения за счет внедрения безбумажной, безлюдной гибкой высокоавтоматизированной технологии.

4. Экономический – связан с повышением производительности труда, улучшением качества продукции, снижением себестоимости технических изделий, снижением трудозатрат на их изготовление.

3. Основные этапы автоматизации в их историческом развитии

Для Европейской ветви развития науки и техники выделяют семь основных этапов, определяемых в основном видом используемой энергии и орудиями труда:

  1.  Древний (до VII века до н.э.);
  2.  Античный (до V века н.э.);
  3.  Средневековье (до XV века);
  4.  Возрождение (XV-XVI века);
  5.  Промышленная революция (XVII-XVIII века);
  6.  Научная и промышленная революция XIX века;
  7.  Научно-техническая революция XX века.

История автоматостроения уходит в древние времена. Так, еще в Древнем Египте за 2 тысячи лет до нашей эры были известны автоматические театры, в которых человекоподобные фигурки разыгрывали сложные представления. В книгах Герона Александрийского (жившего в I веке н.э.) «Театр автоматов» и «Об искусстве изготовления автоматов» было описано свыше сотни различных автоматических устройств и механизмов, известных в то время. Совершенствование таких человекоподобных автоматических устройств имеет богатую историю. Можно сказать, что эта история продолжается и сейчас. Приведем некоторые примеры:

В XIII веке Альберт Мангус (Великий) построил механического человека  «андроида», который мог открывать дверь и выполнять роль слуги.

Жак Вокансон, французский часовщик, в 1730–1740 г.г. создал фигурки, одна из которых играла на флейте, а другая – на барабане, а также построил свою знаменитую утку, которая полностью имитировала процесс поглощения и переваривания пищи.

Ф. Клаус в 1764 году в Вене изобрел человекоподобного пишущего «андроида».

Швейцарцы  Пьер-Жак Дро   и   его   сын     Анри Дро сконструировали примерно в это же время изящные человекообразные автоматы, способные играть на клавесине по нотам, писать, рисовать. На протяжении многих веков в разных странах мира изобретатели и ученые делали попытки создания человекоподобных автоматических андроидов – прототипов будущих роботов. Как правило, такие автоматы не имели практического (промышленного) применения и служили для забавы и, не в последнюю очередь, – для демонстрации изобретательного ума их создателей.

В 1920 г. чешский писатель Карел Чапек в своей пьесе «Р.У.Р.» впервые использовал термин «робот», и с тех пор роботы-андроиды пошли «гулять» по страницам научно-фантастических книг и кинофильмов. Американский писатель-фантаст и ученый-биохимик Айзек Азимов сформулировал три принципа робототехники, не потерявших своего значения и в современной робототехнике:

– робот не может причинить вреда человеку своим действием или бездействием;

– робот обязан подчиняться человеку, если это не противоречит первому принципу;

– робот должен оберегать себя, если это не противоречит первому и второму принципам. 

Уже в средние века начали появляться и автоматы, имеющие прикладной характер. Этим интересовались и занимались многие известные люди. Так Леонардо да Винчи (1452–1519) предложил ряд идей, которые были реализованы только спустя столетия (самопрялка усовершенствованной конструкции реализована в XVIII веке, прокатные станы и токарные станки, мускульные и водяные двигатели, передаточные механизмы). Немец Юрген в 1530 году предложил самопрялку с ножным приводом. В 1589 году англичанин У.Ли изобрел вязальную машину с ножным приводом. Блез Паскаль в 1642–1645 г.г. изобрел автоматическую математическую машину. Готфрид Вильгельм Лейбниц в 1673–1694 г.г. разработал свою математическую машину, для которой в 1674 году он впервые  использовал двоичный код, до сих пор применяемый в современных ЭВМ. Практической автоматизацией занимались Жозеф Манн, Джозеф-Мари Жаккар (1752–1834), Чарльз Беббидж (1792–1871) и др. Но наибольшее практическое значение в то время имели часы механического типа и «мельницы», в самом широком  смысле этого слова.

Механические часы – одно из великих открытий ремесленного периода, они были изобретены в IXX веках и являются по сути первым автоматическим прибором, созданным для практических целей. В XIII веке были изобретены механические башенные часы с одной стрелкой. (Хотя еще 3000 лет до н.э. были известны  солнечные часы в Египте, Индии, Китае. Более 2000 лет назад в I в. н.э. в Древней Греции Ктесибий создал  водяные часы – клепсидру. Примерно в тоже время появились песочные и масляные часы).

В начале XVI века (1500-1510) некий изобретатель Иоган Хенлейн изобрел карманные (шпиндельные) часы. Проблема точности часов сводилась к обеспечению равномерности хода стрелки. В качестве привода использовались (как и сейчас) гири и пружины. Говорят, что Г. Галилей,  не очень доверяя точности часов, замерял время падения тел с Пизанской башни по ударам своего пульса.

В середине XVII века Г. Галилей и Х. Гюйгенс разработали теорию маятниковых часов, а в 1675 году Х.Гюйгенс изобрел балансирный регулятор хода, используемый и в современных механических часах. Кроме механизмов обеспечения равномерности хода, многие часы имели в себе устройства для управления миниатюрным автоматическим театром: в каждый час открывался “золотой чертог”, появлялись “ангелы хранители”, “воины с копьями” и т.д.

В России часовое искусство достигло высокого уровня: наиболее известным часовщиком является Иван Петрович Кулибин (1735-1818). Так, он изобрел часы, в которых фигурки должны были разыгрывать пасхальную сцену. Эти часы он подарил в 1769 году императрице Екатерине II.

Вторым ярким примером практических устройств автоматического действия является «мельница».

Под мельницей в средние века понимали устройство, выполнявшее без участия человека тот или иной непрерывный трудоемкий технологический процесс, часто он действительно был связан с измельчением продукта (мукомольные, пороховые, валяльные и другие мельницы). Мельницей называли даже одну из основных частей в вычислительной машине Чарльз Бэббиджа. Необходимо отметить, что в часах и мельницах имелись уже все элементы машины автоматического действия.

Особое развитие часы и мельницы получили в эпоху развитого мануфактурного производства (с середины XVI века до последней трети XVIII века). Мануфактура представляет собой форму кооперации при производстве изделий, основанную на разделении труда, когда весь технологический процесс разбивается на отдельные операции или выработку отдельных деталей, которые затем собираются в одно изделие.  Каждая операция выполняется отдельным работником. Именно в мануфактурный период производства появились основные устройства и идеи машинного производства.

Если конструкторы и изобретатели того периода видели в своих машинах-автоматах оригинальные и полезные в прикладном или эстетическом смысле творения, то философы на их основе приходили к большим обобщениям. Так Роджер  Бэкон (1214–1292) – английский философ,  еще в XIII веке высказал идею о возможности создания при помощи математических методов самодействующих машин, судов, повозок, летательных аппаратов, подъемных приспособлений. Рене Декарт (1596–1650) выдвинул теорию автоматизма в поведении животных, сформулировав тезис «Животное – машина», а Ж.О. Ланетри распространил это и на людей. Наличие «андроидов», способных выполнять сложные технические операции, являлось для них аргументом для сопоставления человека с самозаводящимся механизмом.

Не обходилось и без курьезов. Так в 1649 году Иоган Хауг предложил самоходную повозку якобы с пружинным двигателем, на самом деле там находилось несколько друзей изобретателя, которые вращали заднюю ось. Широко известен был в Европе андроид-шахматист, в основании которого прятался карлик,  умевший хорошо играть в шахматы.

Надо отметить, что все технические устройства имели хороший эстетический вид, оформлялись высокохудожественно. В частности станок А.К.Нартова (большой токарно-копировальный) был украшен резьбой по дереву, металлические части покрыты гравировкой, у станка было декоративное сооружение, на котором имелись места, посвященные Петру I и Петербургу.

В «андроидах», часах и «мельницах» изобретатели и ученые средних веков создали основы машин автоматического действия. В них также нашла отражение подготовительная работа по созданию машинной индустрии.

Действительно в «андроидах», часах и «мельницах» есть все существенные элементы организации развитой автоматической машины и основные функциональные элементы, которые в том или ином виде существуют и до настоящего времени (рис.12):

Механическая двигательная сила (источник энергии);

Первичный двигатель, приводимый в движение источником энергии;

Передаточные механизмы различного назначения;

Рабочие (исполнительные) механизмы;

Система управления, состоящая из программоносителя, содержащего всю информацию о времени, месте и величине перемещений; устройства ввода программы, обеспечивающие ее воспроизведение с требуемой скоростью; усилительно-преобразующее устройство, передающее команды на перемещение, а также при необходимости преобразующее команды по величине и по форме; исполнительное устройство системы управления, выполняющее комплекс перемещений и иных действий, задаваемых программоносителем.

Рис. 12. Схема автомата

4. История развития двигателей как источников механической энергии

для машин автоматического действия

В ранний период мануфактурного производства (XVII в.) все имеющиеся в то время средства производства: гончарные круги, ткацкие станки, токарные станки (вспомним станок А.К. Нартова, созданный им в 1711 г.) имели ручной привод. Мысли изобретателей работали над тем, каким образом избавить человека от столь тяжкого труда.

При металлообработке и в ткачестве хотя и трудно, но все же можно было использовать силу человека. Но уже в это время имелись производства, где этой силы было явно недостаточно и надо было использовать иные источники. В горнорудном производстве (для откачки воды и подъема руды), при измельчении продуктов (зерна, сахарного тростника и т.д.) в мануфактурный период широко применялось водяное колесо. Водяные колеса применялись уже в странах Древнего Востока, Египта, Китая, Индии.
Водяные мельницы использовались в Древней Греции и в Риме. Но только в мануфактурный период водяное колесо стало главным двигателем в промышленности.
Водяными двигателями служили деревянные колеса с горизонтальной осью вращения. Обычно мощность одного колеса была равна нескольким десяткам киловатт с оборотами от 1 до 10 в минуту (КПД 0.3 – 0.75). Было три типа водяных колес: нижнебойные, среднебойные, верхнебойные. Верхнебойные колеса (рис.13) обладали наибольшей мощностью и эффективностью, но для них требовалась высокая искусственная плотина. Вот некоторые примеры использования водяных колес.
Во Франции на реке Сене в 1682 г. была построена крупная гидросиловая установка из 13 колес диаметром 8 м. Колеса приводили в действие 235 насосов, поднимавших воду на 163 м. Эта система снабжала водой фонтаны королевских парков в Версале и Марли.
В России на Барнаульском сереброплавильном заводе в 1751 г. действовало 14 водяных колес, обслуживавших 8 пар воздуходувных мехов, два молота, две мельницы для размола зерна, одну толчею и одну “пильную мельницу”. Всего было 22 рабочих механизма.
Высшим достижением гидротехники мануфактурного периода была созданная в период 1783–1789 г.г. российским инженером К.Ф. Фроловым гидротехническая система Колывано-Вознесенских рудников Алтая. Водозабор осуществлялся из водохранилища ниже уровня замерзания через подземные каналы, протяженностью свыше 500 м. Высота плотины была 17.5 м, ширина 14.5 м, длина 128 м. Диаметр большего “слонового” колеса достигал 17 м. Колеса обеспечивали подъем руды с глубин: 45, 77 и 102 м. В течение часа с глубины  102 м поднималось 12 емкостей весом по 30 пудов каждая ( 0.5 тонны). Вода насосами откачивалась с глубины более чем 213 м.
Общими недостатками всех водяных колес было – привязанность к водоему и замерзание воды зимой. Недостатки водяного привода заставили искать другие источники механической энергии.
В желании создать идеальный двигатель изобретатели начали работать над созданием “вечного двигателя” – перпетуум-мобиле (“perpetuum mobile”). Идея такого двигателя родилась в XII в. и волновало умы на протяжении столетий, даже И.П. Кулибин не устоял перед “мечтой-тираном”. Увлекались ей и великие ученые, например, математик Джироламо Кардано (автор карданного вала). В 1775 г. (еще до открытия закона сохранения энергии) Парижская академия приняла решение не рассматривать проекты такого двигателя, как противоречащие здравому смыслу.
4.1. Создание универсального парового двигателя
В  последней трети XVII в. в качестве движущей силы начинают использовать силу пороха и пара. В 1673г. Х.Гюйгенс представил в Парижскую академию наук проект порохового двигателя в форме цилиндра с поршнем: порох, взрываясь под поршнем, должен был толкать его вверх. После остывания пороховых газов поршень должен был под атмосферным давлением опуститься вниз. Существенных результатов проект не дал, хотя эксперименты продолжались два года (ведь это был прообраз двигателя внутреннего сгорания!).
Еще в 1666 г. Х. Гюйгенс предлагал использовать вместо пороха силу пара. Эту идею развил Дени Папен (1647–1712) – французский физик, который был помощником Гюйгенса при создании им порохового двигателя. В 1690 г. он предложил проект поршневой пароатмосферной машины. В цилиндр наливали воду, которую подогревали огнем и получали пар, поднимавший поршень до верхнего уровня. Затем  упором фиксировался шток. Огонь убирался, и цилиндр охлаждался водой. В результате пар конденсировался и под поршнем создавался вакуум. Когда убирался упор, то поршень под давлением атмосферы опускался, что позволяло штоку через систему блоков поднимать груз на определенную высоту. В 1705–1706 гг. Дени Папен  предложил более совершенную конструкцию своей машины, но все это не нашло широкого практического применения.
В 1698 г. Томас Севери (1650-1715) в Англии построил первую практически применимую паровую машину (“Друг рудокопов”), предназначенную для откачки грунтовой воды из шахт. В схеме парового насоса Т. Севери (рис.14) паровой котел был отделен от рабочего сосуда, однако работа пара (расширение) и его конденсация по-прежнему происходили в одном и том же объеме. Пар, поступая из котла в сосуд, вытеснял оттуда воду в нагнетающую трубу через нагнетательный клапан, затем закрывался паровой кран, а сосуд обливался холодной водой с помощью водяного крана, в результате чего пар конденсировался. Под давлением атмосферы (вакуума в сосуде) вода из шахты через всасывающий клапан поднималась в сосуд. И цикл повторялся. Длина всасывающей трубы не превышала 10 м; высота нагнетательной трубы была около 30 м; давление в рабочем сосуде не превосходило 3 атм; расход угля составлял 80 кг/1 л.с. в час. Ни цилиндра, ни поршня в этой машине не было. Машина предназначалась только для откачки воды, и пар непосредственно воздействовал на перекачиваемую воду. Такая машина была первой паровой машиной, приобретенной в России Петром I для обслуживания фонтана в Летнем саду С-Петербурга.
В 1711–1712 г. англичанин, кузнечный мастер Томас Ньюкомен (1663–1729) совместно с Джоном Коули построил первую паровую поршневую машину. Внутри вертикального рабочего цилиндра двигался поршень, связанный с одним концом балансира, другой конец балансира был соединен со штангами водоотливного насоса. В этой машине движение поршня вверх (холостой ход) совершалось под действием пара, поступавшего под поршень из парового котла. Движение вниз (рабочий ход) осуществлялось под действием атмосферного давления, после того как пар под поршнем охлаждался впрыском холодной воды. Цикл заканчивался после удаления конденсата из рабочей камеры через специальный сливной кран.
Машина Т. Ньюкомена совершенствовалась более полувека, в том числе И.И. Ползуновым (1763–1765) и Дж.Уаттом (1769–1774), но широкого применения, кроме откачки воды, не получила. Эти первые паровые машины не применялись для непосредственного приведения в движение каких-либо механизмов, хотя теоретически это допускалось.
Иван Иванович Ползунов (1729–1766) изобрел и построил в 60-х годах XVIII в. в России первую универсальную паровую двухцилиндровую машину с автоматическим пароводяным распределительным устройством.

Рис.14. Схема парового насоса Томаса Севери

Паровой двигатель Джеймса Уатта
С именем английского теплотехника Джеймса Уатта (1736–1819) связан революционный скачок в создании паровой машины, над которой он начал работать с 1764 г. Основные особенности его универсального парового двигателя (рис.15) заключаются в следующем:
1. Наличие отдельного конденсатора обеспечивающего охлаждение пара вне рабочего цилиндра в специальной емкости.
2. Использование рабочего цилиндра двойного действия, в котором пар попеременно действует то на одну, то на другую стороны поршня.
3. Автоматическое золотниковое распределительное устройство – специальное приспособление для подачи пара в разные полости цилиндра, приводимое в движение с помощью рычажной системы от штока рабочего поршня.
4. Применение махового колеса для выравнивания скорости вращательного движения.
5. Механизмы и передачи для преобразования возвратно-поступательного движения штока рабочего цилиндра в другие виды механического движения (в частности, во вращательное движение главного вала паровой машины).
6. Механический центробежный регулятор оборотов, который обеспечивал постоянство скорости вращения главного вала машины, изменяя подачу пара в рабочий цилиндр.
     Рис.15. Схема паровой машины Джеймса Уатта
В 1785 г. первый двигатель Д.Уатта был установлен на прядильной фабрике. Затем эти двигатели стали внедряться во все отрасли промышленности Англии, Франции, США, России. Первый в мире пароход «Клермонт» Роберта Фултона (1765-1815) был спущен на воду в США в 1807 г. Первый паровоз «Ракета» был построен в Англии в 1814г. Джорджем Стефенсоном (1781–1848) (хотя еще в 1803 г. самый первый паровоз сконструировал англичанин Р. Тревитик).
Первое описание машины Д.Уатта в России было дано в 1787 г., а в 90-е годы их уже стали изготавливать на заводах России.
В первых паровых двигателях Д. Уатта давление пара лишь немного превышало атмосферное. В конце XVIII в. стали повышать давление пара. Американец О. Эвенс в 1800 г. обосновал повышение давления до 8–10 атм, а в 1822 г. проводились опыты по созданию двигателей с давлением в 45–50 атм, что опередило запросы того времени. Золотниковое распределение заменили клапанным. Некоторые паросиловые установки имели в 1860 –1870 гг. мощность в 1000 л.с.
Вплоть до 1860–1870г. паровая машина двойного действия была основным двигателем любой силовой установки, и такие двигатели использовались в некоторых странах на пароходах и паровозах  до 60-х годов ХХ века (т.е. почти 200 лет). При фабриках и заводах строились котельные и машинные отделения, откуда паровые двигатели передавали вращательное движение трансмиссионными валами в производственные цехи к станкам и технологическим механизмам. В 1830 году появляются локомобили – передвижные несамоходные паровые двигатели, используемые в сельском хозяйстве и в строительстве.
Именно распространение паросиловых установок и необходимость их расчетов и проектирования определило появление и дальнейшее развитие теории автоматических машин и теории автоматического регулирования и управления.
В 1860 г. французским изобретателем Этьеном Ленуаром  был предложен двигатель внутреннего сгорания с электрическим зажиганием газа, однако КПД этого двигателя был очень низок. В 1862 г. французский инженер Бо-де-Роша получил патент на двигатель внутреннего сгорания четырехтактного цикла, который был реализован лишь в 1878 году, он же в 70-е годы 19-го столетия предложил для паровых машин передаточный механизм - дифференциал.
Еще в 1820–1830 гг. появились первые электродвигатели (П. Барроу, Дж. Генри, У. Риччилф). Источником тока для них служили гальванические элементы, поэтому практического использования эти электродвигатели не нашли. В 1834г. русский ученый Борис Семенович Якоби (1801–1874) построил первый практически применимый электромагнитный двигатель. В 1838–1839гг. он использовал его на водяном транспорте. Но время таких двигателей еще не пришло.

5. История появления и развития рабочих механизмов и машин
Промышленная революция XVII–XIX вв. совпала с периодом социальных буржуазных революций в мире (1640 г. – Англия, 1775 г. – США, 1789 г. – Франция, 1848 г. – Германия, 1861 г. – Россия) и состояла из трех этапов:                                                                                                                                                            
1. Появление рабочих машин в текстильном производстве (ручной ткацкий станок с «самолетным» челноком Кея (1733 г.), прядильная машина Пауля (1785 г.), прялка “Дженни” Харгривса (1764 г.), первый механический ткацкий станок Картрайта (1785 г.), ткацкий станок с программным управлением Жаккара (1800 г.)).
2. Изобретение, развитие и внедрение универсального теплового двигателя (паровая машина Джеймса Уатта с 1764 г.)
3. Создание рабочих машин для производства машин, зарождение машиностроения (изобретение: суппорта, резцедержателя, копировальных и кулачковых систем автоматического управления).
До середины XVIII в. техника изготовления машин даже в развитых странах была в основном ручной, унаследованной еще от ремесленного и мануфактурного производства. Поэтому машин производилось мало (в единичном исполнении или мелкими  партиями), правда неплохого качества, но по дорогой цене и с большими затратами времени. Материалообрабатывающее оборудование было очень примитивно и малопроизводительно, оно позволяло только механизировать ручной труд мастеров (рис.16).
Рис.16. Схема токарного станка с ножным приводом и ручной подачей резца
Механики и ремесленники того времени задумывались над идеей освободить руку человека от непосредственной реализации энергетического и материального потоков. Одновременно решались и вопросы автоматического управления (т.е. реализация информационного потока). Исторически первыми появились автоматы с программоносителями в виде кулачков и копиров.
Кулачок использовался для приведения в движение рабочих органов машин-автоматов, причем они обеспечивали движение рабочих органов, согласованное в пространстве и времени  в соответствии с требуемой последовательностью, задаваемой циклограммой работы машины-автомата. Именно от кулачков и упоров работали все механические автоматы. Задающая информация закладывалась в профиле кулачков. Кулачковые системы одновременно выполняют две функции: силового (исполнительного) механизма и устройства управления. Управление движением перемещаемого органа осуществляется по закону, заложенному в профиле кулачка и воспринимаемом толкателем (рис.17). Благодаря жесткой связи между кулачком и толкателем в механических кулачковых системах возможно осуществление движения по любому закону. Закон движения выбирается в зависимости от требований технологического процесса.

Рис.17. Система кулачкового управления

Механические САУ с кулачковыми механизмами и распределительными валами относятся к централизованным разомкнутым СУ. На этом принципе работают, в частности, многие современные расфасовочно-упаковочные автоматы. Теория проектирования таких механизмов совершенствуется и по сей день.
Копиры являются программоносителями для обработки деталей сложной формы. Копиры часто имеют точную форму детали. На этом принципе Андрей Константинович Нартов создал в 1718–1729 гг первый в России токарно-копировальный станок (рис.18).
Рис.18. Схема токарно-копировального суппорта А. К. Нартова
Однако техника того времени не была готова воспринять эти идеи, да и двигателей необходимой мощности еще не было (движение от водяного колеса было трудно передавать по относительно мелким станкам).
Только в 1794 г. английский механик Генри Модсли (1771–1831) изобрел  крестовый суппорт, который оказал революционное воздействие на все машиностроение (рис.19). Рука человека оказалась освобожденной от реализации энергетического потока, многократно повысилось качество обрабатываемых деталей (их чистота и точность). С появлением крестового суппорта стали совершенствоваться все металообрабатывающие станки, применяемые для изготовления машин.

Рис.19. Схема крестового суппорта Генри Модсли

Генри Модсли стал собственником крупного машиностроительного предприятия, на котором в основном изготавливались детали для паровых машин Д. Уатта. На его заводе впервые была применена машинная система производства в форме соединения трансмиссиями большого числа рабочих машин, приводимых в движение универсальным тепловым двигателем. Сам Генри Модсли, будучи обеспеченным человеком, всю жизнь работал наравне с рабочими и учениками, он воспитал много талантливых машиностроителей, дав им техническое образование.
Одновременно с совершенствованием механики станков разрабатывались и принципы автоматического управления технологическими машинами. Так одним из первых был реализован в станках  принцип копирования – это механизированное изготовление ряда одинаковых изделий путем копирования заданного эталонного образца. Копиры и кулачки стали основной частью во многих технологических автоматах, где подачи осуществлялись от различных кулачков. Однако прямое (механическое) копирование имело ряд существенных недостатков:
– усилия, необходимые для управления (информационный поток), оказываются равными рабочему усилию (энергетический поток): как следствие этого – износ кулачков, копиров, щупов и потеря необходимой точности изготовляемых деталей;
– сложность изготовления копиров и шаблонов (они должны быть на порядок точнее обрабатываемых по ним деталей);
– низкая дистанционность копировальных и кулачковых механических СУ;
– сложность смены программы (т. е. низкая гибкость и универсальность), которая в данном случае сводилась к смене копиров или кулачков.
В дальнейшем методы копирования были значительно развиты и усовершенствованы. В 1890 г. итальянец Бонтемпи применил для копировального станка схему с гидравлическим управлением. Он использовал принцип серво-действия (усиления), который нашел самое широкое применение для целей управления и автоматизации, а специальные усилители мощности (обязательная часть сервопривода) – электронные, электромеханические, гидравлические, механические – можно встретить в любой современной машине-автомате. В 1923 г. появился копировальный станок Келлера, в котором силовое копирование было впервые заменено управлением с помощью электропривода. Программа формы будущего изделия задавалась, однако, как и раньше аналоговым методом, с помощью копира, который представлял собой точную копию формы готового изделия, но усилие на копир было существенно снижено.
Другой принцип, реализованный в копировальной САУ, – это принцип слежения, сущность которого состоит в том, что исполнительный орган (инструмент) в точности повторял движение управляющего органа (щупа), не будучи  с ним непосредственно связанным. Этот принцип также нашел широкое применение в технике. В 1935 г. в СССР был предложен фотокопировальный станок, для которого копиром (образцом) служил уже чертеж детали. Система управления станка была снабжена фотосчитывающим устройством, которое двигалось вдоль линии чертежа.
Первый станок с ЧПУ появился в 1952 г. Однако и электроприводное копирование, и фотокопирование несколько опередили свое время и, несмотря на перспективность, не получили широкого применения.
Наибольшее промышленное распространение получили гидрокопировальные станки, в которых программа движения (траектория) считывалась с копира, а силовое воздействие осуществлял гидропривод. На копир воздействовал щуп с небольшим усилием, что исключало износ копира. Щуп в таких устройствах соединяется с золотником-гидрораспределителем (рис.20).

В гидрокопировальных системах относительные перемещения щупа (Vслед.) вызывают перемещение управляющего золотника, который переключает направление потоков масла. Щуп, контактирующий с копиром, может быть соединен с золотником различным образом: механически, гидравлически или электрически.

         

 

                                          

 

Рис.20.  Гидрокопировальный фрезерный станок

6. История развития систем автоматического регулирования и управления

При создании паросиловых установок выявлялась необходимость автоматического регулирования ряда параметров машин (уровня воды, давления пара, оборотов вала машин). При образования пара в котле уровень воды (h) в нем уменьшался и возникала аварийная ситуация из-за повышения температуры воды и пара. Внезапное (резкое) пополнение воды приводило к прекращению парообразования, что также нарушало работу, а подчас приводило к взрыву котлов.

В 1765 г. И.И. Ползунов (1729–1766) предложил автоматический регулятор уровня воды в котле (рис.21). В этом поплавковом регуляторе прямого действия имеются все элементы автоматических регуляторов, реализующих так называемую отрицательную обратную связь, а именно:

– измерительное устройство (ИУ) – чувствительный элемент или первичный преобразователь (в регуляторе уровня воды – это поплавок);

– усилительно-преобразующие устройство (УПУ) – вторичный преобразователь (в рассматриваемом регуляторе – это рычажная система);

– исполнительное устройство (ИсУ) регулятора (в регуляторе И.И. Ползунова – это водяной клапан).

Рис. 21. Схема регулятора уровня воды в паровом котле

Вторым важным событием явилось изобретение в 1784 г. Джеймсом Уаттом центробежного регулятора подачи пара с целью обеспечения заданной угловой скорости вала паровой машины (рис.22). Здесь также был реализован регулятор прямого действия, структурная схема которого представлена на рис.23. Применительно к центробежному регулятору входным сигналом Х являются заданные обороты вала nз , которые устанавливаются настройкой грузов, выходом Y являются фактические обороты вала, а внешними (вредными) возмущающими воздействиями F выступают нагрузка и трение. Появление этих регуляторов и необходимость их расчетов определило развитие целой науки «Теории автоматического регулирования».

Рис. 22. Регулятор оборотов вала паровой машины Дж. Уатта:

а – конструктивная схема регулятора; б – график изменения скорости

Рис.23. Структурная схема регулятора прямого действия

Предложенный Уаттом центробежный регулятор хорошо работал, когда машины имели малые скорости и большие маховики. Однако с увеличением давления пара увеличились скорости паровых машин и, следовательно, уменьшились требуемые массы маховиков. Регуляторы в этих условиях почему-то не выполняли своих функций: вместо того, чтобы вернуть скорость к исходному значению, они переходили её, затем уменьшали её ниже требуемой, вновь повышали и т.д., т.е. возникали колебания скорости. Требовалось большое искусство, чтобы настроить регулятор так, чтобы он обеспечивал постоянство вращения вала хотя бы в некотором узком пределе.

К 1868 г. в Англии регуляторами Уатта было снабжено приблизительно 75000 паровых машин и большинство из них работало ненадежно. Инженеры в отчаянии искали выход из создавшегося тупика. Они пытались использовать регулятор Джорджа Эри. В этом регуляторе центробежные силы приводили к увеличению силы трения. Джордж Эри (1801–1892) в результате математического исследования регуляторов пришел к выводу, что они в принципе не могут обеспечить постоянства скорости. Поняв, что его математическая модель неадекватна, он приступил к экспериментальному исследованию регуляторов и обнаружил, что качество регулирования зависит от величины трения в деталях регулятора. Проверяя свою догадку он ввел специальное устройство – демпфер (амортизатор), создающий дополнительное жидкостное (вязкое) трение. Однако создать теорию предложенного им регулятора он не смог, дав, тем не менее, инженерам уверенность в том, что устойчивая работа паровых установок все же возможна.

Только в 1868 г. появился труд Джеймса Максвелла (1831–1879) «О регуляторах», ставший одной из основ современной теории автоматических систем управления. Для объяснения процессов, возникающих в регуляторах, он использовал теорию малых колебаний, применяемую до этого в астрономии.

Системы автоматического регулирования (САР) в общем виде можно представить в виде структурной схемы (рис.22). Задачей такой системы автоматического регулирования является поддержание постоянным выходного параметра Y системы в соответствии с заданным параметром X при воздействии внешних возмущений F. В зависимости от характеристик и свойств системы, она может находиться при воздействии возмущающих факторов в трех состояниях (рис.24): устойчивом, неустойчивом и безразличном.

        Y

Рис.24. Состояния механических систем

 

Толчком, приведшим Максвелла к разработке математической теории регуляторов, было изобретение Ф. Дженкиным астатического регулятора, то есть регулятора, способного уменьшить остаточную ошибку регулируемой величины до нуля; но и эти регуляторы работали неустойчиво.

Д. Максвелл применил теорию малых колебаний, ранее используемую им для изучения колец Сатурна, заменив сложные дифференциальные уравнения, описывающие движения регулятора, более простыми алгебраическими уравнениями. Он обосновал догадку Д. Эри о влиянии трения на работу регулятора и показал, что иногда достаточно вязкого трения, которое существует в смазанных сочленениях звеньев регулятора. Максвелл исследовал регуляторы с помощью алгебраических уравнений третьей степени, к которым сводились дифференциальных уравнений третьего порядка. Эти уравнения имеют три корня. Система устойчива, как показал Максвелл, только в том случае, если вещественные части всех корней отрицательны.  Однако Максвелл был теоретиком, он не знал детально реальных параметров паровых машин, а используемый им математический аппарат не был понятен инженерам.

Техническую теорию автоматического регулирования создал в 1878 году российский математик Иван Алексеевич Вышнеградский (1831–1895). Исследованиями регуляторов он занялся, когда сотни тысяч паровых машин по неведомой причине стали выходить из строя. При увеличении нагрузки машина нуждается в большем количестве пара, а регулятор ждет, когда упадет скорость, и только тогда увеличивает подачу пара. Получается, что для регулирования нужно отклонение, но это отклонение надо как можно раньше использовать для управления, а регуляторы – запаздывают.

И.А. Вышнеградский как и большинство ученых и инженеров того времени не был знаком с работой Максвелла, но он применил те же математические методы. Свои результаты он оформил в виде, доступном для инженеров – в виде диаграмм (рис.25). Алгебраическое уравнение третьей степени:  P3 + C1P2 + C2P +C3 = 0 он преобразует в уравнение:  3 + X 2 + Y  + 1 = 0 и обосновывает, что система устойчива, если X*Y>1, и неустойчива, если X*Y<1.

Рис. 25. Диаграмма Вышнеградского

Большой вклад в теорию регуляторов внес словацкий ученый Аурель Стодола (1859–1942), который сформировал принцип «без трения нет регулятора» и в 1892 году поставил задачу о коэффициентах многочленов n-й степени, при которых система будет устойчивой.

Эта задача была решена в 1895 году Адольфом Гурвицем (1859–1919). Он предложил критерий, позволяющий определять при каких условиях система, описываемая этим многочленом, устойчива.

Но надо иметь в виду, что еще в 1868 году Максвелл в труде «О регуляторах» заявил, что он не в состоянии определить условия устойчивости для систем, описываемых уравнениями выше 3-й степени, а 23 января 1868 года на заседании Лондонского математического общества спросил: не может ли кто-нибудь определить границы изменения параметров, в которых система может возвратиться в равновесное устойчивое состояние. В 1877 г. за решение этой проблемы премию получил Э. Раус. Теперь критерий устойчивости Рауса-Гурвица известен всем.

В 1873 г. С. Фарко предложил конструкцию регуляторов непрямого действия, в которых чувствительный элемент управлял сервоприводом, а уже с его помощью  перемещалась рабочая паровая заслонка.

В 1892 г. русский математик Александр Михайлович Ляпунов (1857–1918)  завершил создание теории автоматического регулирования в своей докторской диссертации «Общая задача об устойчивости  движения», в которой он сформулировал основные принципы устойчивости систем в малом.

Все упомянутые ученые для исследования устойчивости механических систем (регуляторов) использовали в той или иной мере дифференциальное и операционное  исчисление, то есть применяли уже известный в то время математический аппарат.

Возможность перехода от рассмотрения дифференциальных уравнений, описывающих систему автоматического регулирования, к рассмотрению алгебраических уравнений, объяснил еще Пьер Лаплас (1749–1827), создав так называемое операционное исчисление (преобразования Лапласа).

В настоящее время для регулирования параметров сложных технологических процессов и производств используют регуляторы, в основу которых заложены различные принципы регулирования:

– пропорциональное регулирование;

– интегральное регулирование;

– дифференциальное регулирование;

– комбинированное регулирование.

Регулирование осуществляется как на физической основе, так и с использованием современных электронных управляющих вычислительных комплексов (УВК), в состав которых входят цифровые регуляторы, позволяющие рассчитывать управляющие воздействия по аналитическим зависимостям.

7. История развития дискретных систем автоматического управления

Прежде чем обращаться к истории зарождения и развития дискретных систем автоматики, приведем пример технологической операции металлообработки. Пусть требуется обточить деталь на токарном станке-автомате (рис. 26). Для этого должна быть выполнена следующая последовательность технологических переходов:

1. Подача заготовки в зону обработки загрузочным устройством А;

2. Закрепление заготовки в зоне обработки зажимным устройством В;

3. Включение электродвигателя ЭД-2 вращения шпинделя с заготовкой D;

4. Проточка заготовки резцом, закрепленным на суппорте поперечной подачи С; приводимого в движение электродвигателем ЭД-1;

5. Отвод суппорта в исходное положение (путем реверса ЭД-1) и остановка шпинделя станка (путем отключения ЭД-2);

6. Разжим и удаление готовой детали.

Заданная последовательность работы исполнительных механизмов станка может быть описана так называемым графом функционирования:

                                       

   

Рис. 26. Схема циклового автомата с дискретной САУ

Приводы рабочих органов A, B, C, D станка  можно перемещать в требуемой последовательности от механических кулачков, размещенных на вращающемся распределительном валу; по командам электромеханического командоаппарата, воздействующего своими упорами на кнопки управления; или от счетного электронного устройства (например на базе микро-ЭВМ), выдающего через определенные интервалы времени управляющие импульсы на соответствующие приводы. Перечисленные варианты управления относятся к централизованным системам автоматического  управления (САУ) без обратной связи.

Чаще всего такие технологические операции и процессы проще и дешевле реализуются с помощью дискретных децентрализованных систем управления (ДСУ) с путевым контролем, т.е. систем, в которых выполнение каждого последующего перехода может быть начато только после окончания предыдущего, о чем в СУ поступает сигнал обратной связи (например, от путевого выключателя). Математической моделью подобных систем является конечный  автомат – это автомат, у которого множество входных (Х), выходных (Y) сигналов, а так же множество внутренних состояний (Z), являются конечными множествами. Частным случаем конечного автомата является логическая (релейная) система управления –  это система, в которой все сигналы (входные, выходные и внутренние) могут принимать только два фиксированных дискретных значения (логический «0» или логическую «1»). Широкое распространение в промышленности получил способ управления дискретными приводами станков-автоматов и автоматических линий с помощью ДСУ, построенных на различных логических элементах, проектируемых на основе теории конечных автоматов и математического аппарата алгебры логики (Булевой алгебры), получившей свое название по имени ее автора – английского математика Джорджа Буля (1815–1864).

Впервые необходимость в упорядоченной выработке управляющих выходных воздействий на объект управления  в зависимости от его внутреннего состояния и меняющейся комбинации входов возникла при передаче информации на расстоянии.

Первый опыт передачи информации на расстоянии был реализован с помощью оптического телеграфа в 1794 году между Парижем и Лиллем. Он получил распространение по всей Европе, в том числе и в России. В 1839 году была проведена самая длинная линия  оптического телеграфа длиной в 1200 км между Петербургом и Варшавой (100 сигналов передавались по этой линии за 35 минут). Однако громоздкость оптического телеграфа заставляла искать другие средства передачи информации.

В 1828 году русский ученый Павел Львович Шиллинг (1786–1837) – друг А.С. Пушкина, разработал стрелочный электромагнитный телеграф на базе сконструированного им электромагнитного реле (рис. 27). Недостатком его было то, что переданная информация никак не фиксировалась.

В 1839 году Б.С. Якоби – приемник П.Л. Шиллинга в телеграфном деле построил  телеграф, где знаки фиксировались в виде ломаной линии, а затем расшифровывались. В 1843г. Б.С. Якоби предложил проект подземного проводного телеграфа между Петербургом и Царским Селом. В Германии самопечатающими телеграфами занимался К.А. Штейнгель, а в США – С.Ф. Морзе (автор азбуки Морзе). В практику вошел аппарат Морзе, предложенный в 1844 г. Он имел более экономную азбуку, чем азбуки, разработанные в Австрии и Германии.  В 1850 году Б.С. Якоби предложил буквопечатающий телеграфный аппарат, но распространение получил, предложенный в 1855 г. аппарат англо-американца Д.З. Юза. Все телеграфные аппараты были проводными. Даже в научно-фантастических романах того времени не высказывалась идея передачи информации на расстоянии без проводов. В России телеграф строился с 1853 по 1858 годы.

Рис. 27. Принцип действия и схема электромагнитного реле:

1-катушка, 2-сердечник, 3-магнитопровод, 4-якорь,

5-немагнитный штифт, 6-контакты, 7-упор, 8-внешняя цепь

Телеграфная связь поставила вопрос кодирования и декодирования информации (букв, цифр, и других символов). Проблема построения экономичных релейно-контактных схем (переключательных схем) привела к необходимости применения при их разработке алгебры логики или иначе алгебры высказываний.

Первый, кто занялся созданием теории высказываний и формальной логики, был Аристотель (384–322 гг. до н.э.) – установивший, что человеческое мышление подчиняется определенным логическим закономерностям, при отклонении от которых возникает бессмыслица. Логика Аристотеля дошла практически без изменений до середины XIX века и преподавалась во всех университетах Европы. Задача математизации формальной логики была поставлена и частично осуществлена Готфридом-Вильгельмом Лейбницем (1646–1716). Но лишь в 1847 году формальная логика Аристотеля была окончательно переведена на строго научный уровень и трансформирована в математическую логику. Это сделал Джордж Буль, опубликовавший работы: «Математический анализ логики», «Логические исчисления» (1848) и «Исследование законов мышления» (1854).

В своих трудах Джордж Буль показал, что все логические функции могут быть выражены через три основные «базисные»:

1) конъюнкция – логическое умножение (И);

2) дизъюнкция – логическое сложение (ИЛИ);

3) инверсия – логическое отрицание (НЕ).

На рис.28 приведены реализации этих трех основных логических функций (конъюнкция, дизъюнкция и инверсия) как в виде релейно-контактных схем (РКС), так и в виде бесконтактных логических схем (БЛС).

Рис.28. Реализация основных логических (Булевых) функций:

Х, Х1, Х2 – входы (логические переменные); Y – выход (логическая функция)

Релейно-контактные схемы при передаче информации строились чисто эмпирическим путем. Получаемые в результате аппаратные решения были громоздки и избыточны, они потребляли много электроэнергии и отличались низкой надежностью. Создание релейно-контактных схем было настоящим искусством, так же как создание и настройка регуляторов для паровых машин до теоретических разработок И.А. Вышнеградского и А.М. Ляпунова. Теория Джорджа Буля была достаточно академична и непонятна инженерам-практикам (так же как в свое время математический аппарат, изложенный в статье Джеймса Максвелла «О регуляторах»).

Впервые на возможность применения законов логики к рассмотрению «…схемы проводов автоматической телефонной станции» указал русский физик П.С. Эренфест в рецензии на книгу Л. Кутюра «Алгебра логики».

Предложение о возможности создания алгебры релейно-контактных схем и строгие доказательства применимости булевой алгебры к анализу этих схем высказывал в 1935 г. советский физик В. И. Шестаков. В 1936–1938 гг. такие же предложения и доказательства были приведены американским математиком и инженером К.Э. Шенноном и японским ученым Накашима. В 1938 г. К.Э. Шеннон опубликовал статью «Символический анализ релейных и переключательных цепей», в котором впервые дал способ описания релейных и переключательных схем с помощью логических уравнений. Он доказал, что исчисление, лежащее в основе этих уравнений, аналогично исчислению высказываний в символической логике. Значения «истинно» и «ложно» соответствуют открытому или закрытому состоянию контакта. В нашей стране теорию релейно-контактных схем развил в 1945–1949 г. член-корреспондент АН СССР М.А. Гаврилов.

Существенное влияние на развитие теории конечных автоматов оказало необходимость создания цифровых ЭВМ. Практика их проектирования ставила задачи разработки теории алгоритмов и теории информации. Это привело к тому, что теория конечных автоматов превратилась в раздел технической кибернетики. Большой вклад в эту теорию внесли наши отечественные математики В.Г. Лазарев и А.Д. Закревский.

Одновременно с теорией конечных автоматов развивались и технические средства их практической реализации в виде элементной базы устройств передачи информации, вычислительной и управляющей техники.

В 1889 г. русский инженер А.С. Попов указал на возможность практического применения электромагнитных волн, а в 1895 г. построил первый в мире радиоприемник. В 1904 г. английский ученый Я. Флеминг предложил двух- электродный электровакуумный прибор – диод и применил его в качестве детектора в радиоприемных устройствах. В 1907 г. в США Ли де Форест предложил трехэлектродную лампу-триод, позволяющий усиливать и генерировать электрические колебания. Эти два изобретения произвели революцию в радиотехнике.

В России в начале ХХ века сформировалась большая группа ученых и инженеров, работающих в области радиоэлектроники. В России первые электронные лампы были изготовлены под руководством Н. Д. Папалекси и М.А. Бонч-Бруевича еще в 1914 г. Декретом от 2 декабря 1918 г. была создана Нижегородская радиолаборатория, где было налажено изготовление мощных генераторных ламп под руководством М.А. Бонч-Бруевича. В 1922 г. там была построена самая мощная в мире (на 400 КВт) радиостанция.

В 20–30-е годы ХХ века было предложено большое число типов электровакуумных приборов, что обусловило быстрое развитие радиосвязи, телевидения, радиолокации, измерительной техники и промышленной электроники.

В 30–40-е годы в технике стали применять радиолампы в массовом количестве. Выяснилось, что они имеют малый срок службы, большие габариты и потребляют  много энергии. Например, в электронном устройстве с 2000 ламп при сроке службы в 500 часов поломка устройства наблюдалась каждые 15 минут.

Промышленностью была поставлена задача найти электронные приборы другого принципа действия. В 20-х годах прошлого столетия советским инженером О.В. Лосевым был предложен полупроводниковый кристаллический детектор. Основополагающим вкладом в полупроводниковую технику в нашей стране явились работы А.Ф. Иоффе.

В 1948 г. в США был создан полупроводниковый триод-транзистор на основе германия. Его создатели Д. Бардин, У. Браттейн, У. Шокли были удостоены Нобелевской премии. В 1949 г. А.В. Краснов и С.Г. Мадоян создали транзистор в нашей стране. Полупроводниковые приборы с их высоким коэффициентом полезного действия, долговечностью, надежностью, небольшими габаритами и массой совершили революцию в вычислительной технике и в автоматике.

Первые интегральные схемы были созданы в США Д. Килби и Р. Нойсон в 1958 г., а с 1962 г. начался их промышленный выпуск. В дальнейшем были созданы большие интегральные схемы (БИС), где количество элементов на одном кристалле достигает несколько сотен тысяч, а их минимальные размеры составляют 2–3 мкм. Быстродействие БИС измеряется миллиардными долями секунды. Создание БИС повлекло появление в 1978 г. микропроцессоров и микро-ЭВМ, а в 80-е годы они стали выполняться на одном кристалле. Дальнейшее совершенствование технологии позволило достичь еще большей миниатюризации и создать сверхбольшие интегральные микросхемы (СБИС), которые являются основной элементной базой современных вычислительных машин и управляющих систем автоматизации.

8. Этапы развития современной автоматизации производства

(на примере машиностроения)

В области машиностроительного производства в большинстве развитых стран Европы и Америки за прошлый век современная автоматизация прошла три характерных этапа. На диаграмме (рис.29) эти этапы обозначены римскими цифрами, а арабскими (с 1 по 12) отмечены различные группы автоматического оборудования, появившиеся на соответствующих этапах.

Рис. 29. Три этапа автоматизации машиностроения

Первый этап автоматизации – охватывает примерный промежуток времени между двумя мировыми войнами и характеризуется разработкой, созданием и использованием в производстве отдельных рабочих машин и станков-автоматов.

1. Универсальные станки с ручным управлением обладали небольшой  производительностью, почти нулевым коэффициентом автоматизации (имелся механизированный самоходный суппорт), однако они имели высокую гибкость и универсальность.

2. Универсальные автоматы и полуавтоматы (например, многошпиндельные токарные станки), которые имели более высокий коэффициент автоматизации Kа и более высокую производительность Q:

     

                    

где ta     – время выполнения работ автоматически;

 tруч  – время выполнения работ вручную.  

           

         

где Tц рабочий цикл машины (время выдачи одной детали), определяется по формуле:

 

где tp.x.  время рабочих ходов;

 tx.x – время холостых (вспомогательных) ходов.

Автомат  самоуправляемая рабочая машина, самостоятельно производящая все, как  рабочие, так и холостые ходы (движения).

Полуавтомат – это автомат, у которого отсутствует какой-то механизм холостого хода (например: загрузки-разгрузки) и для возобновления цикла необходимо вмешательство человека.

Рис. 30. Структура  автомата

3. Специальные и специализированные автоматы были разработаны для нужд массового производства, они обладали высочайшей производительностью и были полностью автоматизированы, но в ущерб гибкости и универсальности.

4. Агрегатные станки позволили разрешить противоречие между большой производительностью высокоавтоматизированного оборудования и возможностью его переналадки на выпуск новых деталей. В них был реализован принцип агрегатирования - метод построения более сложных систем  из ограниченного набора унифицированных, стандартных, типовых элементов, блоков, агрегатов.

Задачи, решаемые на I этапе:

автоматизация механизмов холостых (вспомогательных) ходов;

разработка механизмов управления.

Высшей формой автоматизации первого этапа считалось поточное производство, когда технологическое оборудование (станки) располагаются линейно  в направлении выполняемых технологических операций.

Параллельно с развитием техники развивалась и теория автоматизации. Научной основой автоматизации производственных процессов явилась теория производительности автоматических рабочих машин Г.А.Шаумяна, над которой он начал работать еще в 1933 г. По его теории цель автоматизации это повышение производительности рабочих машин, сокращение численности рабочих, получение экономического эффекта в сравнении с неавтоматизированным производством. Математическую основу теории производительности составляют уравнения, связывающие технологические, конструктивные, экономические и др. показатели рабочих машин.

Второй этап автоматизации - характеризовался разработкой и внедрением систем автоматических машин (прежде всего автоматических линий).

5. Автоматическая линия (АЛ) - это система машин, расположенных в последовательности технологического процесса, связанная единой транспортной системой, имеющая единую систему автоматического управления и предназначенная для выполнения всех технологических операций без участия человека. Задача человека  сводится к первоначальной наладке оборудования и устранению неполадок. Структурная схема АЛ представлена на рис.31.

Рис. 31. Структурная схема АЛ

Были разработаны и внедрены различные автоматические линии:

АЛ из универсальных автоматов;

АЛ из специальных и специализированных автоматов;

АЛ из агрегатных станков.

В этом можно увидеть повторяемость спирали развития автоматизации на втором (более высоком) этапе.

6. Станки и участки станков с ЧПУ – высокоавтоматизированное универсальное оборудование для автоматизации мелкосерийного и единичного производства, особенностью которых явилось: большая производительность, высокий коэффициент автоматизации, высочайшая гибкость и легкость переналадки. Существенным недостатком станков с ЧПУ была их ручная загрузка и разгрузка.

7. Промышленные роботы (ПР) и роботизированные технологические комплексы (РТК) - это перепрограммируемые рабочие машины, предназначенные для воспроизведения двигательных функций руки человека. Именно внедрение ПР позволило решить вопросы автоматического обслуживания станков с ЧПУ.

               

Рис. 32. Структурная схема промышленного робота

8. Внедрение средств вычислительной техники в производство

Использование ЭВМ при автоматизации производства на этом этапе развивалось в двух направлениях:

создание микропроцессорных систем управления технологическим оборудованием (автоматами, станками с ЧПУ, АЛ, ПР, РТК);

автоматизация обработка технологической информации (САПР, АСТПП, АСКИ, АСУП).

Задачи, решаемые на II  этапе:

разработка межстаночного транспорта;

разработка систем автоматического контроля (например, активного контроля качества изделия в процессе его изготовления);

разработка систем автоматического управления на базе электронных устройств;

внедрение ЭВМ в производство.

Высшей формой автоматизации второго этапа считается создание систем  машин (автоматических линий, участков станков с ЧПУ и РТК).

Третий этап автоматизации - это этап комплексной автоматизации, когда в автоматическом (или автоматизированном) режиме реализуются практически все этапы жизненного цикла технических изделий (рис.1). Малая (частичная) автоматизация, характерная для первых двух этапов, означала автоматизацию отдельных переходов и операций технологического процесса.

9. На третьем этапе были успешно разработаны и широко внедрены в различные массовые производства автоматические цеха (АЦ) и  заводы (АЗ) на основе:

- автоматических линий из универсальных автоматов;

- автоматических линий из специальных автоматов;

- автоматических линий из агрегатных станков.

10. Гибкие производственные модули (ГПМ) - это совокупность единицы технологического оборудования, средств программного управления  им и устройств, обеспечивающих автоматическую работу этого оборудования, возможность программной его перестройки и встраиваемость в гибкие системы более высокого уровня (рис.33).

Рис. 33. Структурная схема ГПМ

11. Гибкие производственные системы (ГПС) – это несколько единиц технологического оборудования, снабженные средствами и системами, обеспечивающими их автоматическое функционирование и легкость переналадки при переходе на производство новых изделий в пределах заданной номенклатуры (рис.31). В машиностроительном производстве ГПС реализуются в виде гибких автоматических участков  и гибких переналаживаемых автоматических линий.

На рис. 34 приняты следующие обозначения:

ГПМ – гибкий производственный модуль;

РТК – роботизированный технологический комплекс;

ОЦ – обрабатывающий центр (многооперационный станок);

АС + БШН – агрегатный станок с быстросменными шпиндельными наладками;

ГСМ – гибкий складской модуль;

ГТМ – гибкий транспортный модуль;

ГАУ – гибкий автоматический участок;

ГПАЛ – гибкая переналаживаемая автоматическая линия;

ПМО – программно-математическое обеспечение;

ПЛК – программируемые логические контроллеры;

УЭВМ – управляющие ЭВМ.

    

Рис. 34. Структурная схема ГПС

12. Гибкое автоматизированное производство (ГАП) или интегрированный     производственный комплекс (ИПК),  в которые помимо ГПС входят:

автоматизированная система управления производством;

система автоматизированного проектирования;

автоматизированная система технологической подготовки производства;

 автоматизированная система контроля и испытания объектов.

Задачи, решаемые на III этапе: автоматизация всех составных частей жизненного цикла технического изделия.

Высшей формой автоматизации третьего этапа является гибкое автоматизированное производство (ГАП), достоинствами которого являются:

увеличение коэффициента использования оборудования;

снижение простоев оборудования;

сокращение цикла обработки деталей;

снижение себестоимости единицы продукции;

уменьшение численности рабочих;

сокращение суммарных производственных затрат.

В настоящее время на различных предприятиях можно встретить практически все рассмотренные выше группы автоматизированного оборудования. На рис. 35 и 36 представлены графики, поясняющие эффективность и экономичность применения различных средств автоматизации в разных производствах в зависимости от номенклатуры и программы выпуска технических изделий.

     10 000

200

           50

           

           10

         

                  

              1            2             5                 100                        500    

Рис. 35. Области эффективного использования ГАП

Рис. 36. Область эффективной автоматизации

Заключение

Специалист любой профессии должен знать своих коллег по «цеху», создавших до него то, что он сейчас должен изучить, освоить, и от кого ему предстоит принять эстафету идей и задач, требующих решений на современном уровне. Символично, что совсем недавно история науки, по которой специализируется молодой ученый, включена в экзамен кандидатского минимума при поступлении в аспирантуру.

История научных идей, история решения научных проблем, судьбы людей, посвятивших жизнь решению этих проблем, служат примером, а иногда и ключом к решению задач, которые диктуются современным развитием науки и техники. Нет такого технологического процесса, такого производства и такого технического устройства, которые бы человек не хотел перевести в автоматический режим работы. Перефразируя известное выражение Форда - старшего, можно сказать, что о чем бы инженер не думал, он думает об автоматизации процесса.

На пути автоматизации еще много нерешенных проблем и задач, где пытливому молодому уму будет где приложить свои творческие способности, и в этом ему может помочь данное учебное пособие.

 

Библиографический список

  1.  Абчук В.А. В мире управляющих машин. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1887. – (Научно-популярная библиотека школьника).
  2.  Автоматизация производственных процессов / Г.А. Шаумян и др. – М.:          Высш. шк., 1967.
  3.  Алферов А.В.  В мире умных машин. – М.: Радио и связь, 1989.
  4.  Андрей Константинович Нартов. / Ф.Н. Загорельский – Л.: Изд-во Наука. Ленингр. отд-ние, 1969.
  5.  Боголюбов А.Н.  Математики. Механики: Библиогр. справ. – Киев: Наукова думка, 1983.
  6.  Боголюбов А.Н. Творение рук человеческих: Естественная история машин.      – М.: Наука, 1988.
  7.  Вилейтнер Г. Как рождалась современная математика: – М.-Л.: ГТТИ, 1933.
  8.  Виргинский В.С. Очерки истории науки и техники 1870-1917 гг. – М.: Просвещение, 1988.
  9.  Виргинский В.С.,  Очерки истории науки и техники ХVI-XIX веков. – М.: Просвещение, 1984.
  10.  Виргинский В.С. Творцы новой техники в крепостной России. – М.: Просвещении, 1962.
  11.  Волчкевич Л.И. Григор Арутюнович Шаумян. – М.: Наука, 1978.
  12.  Гайденко П.П. Эволюция понятия науки. – М.: Просвещении, 1987.
  13.  Гайденко П.П. Западноевропейская наука в средние века. – М.: Просвещение, 1989.
  14.  Голин Г.М. Классики физической науки (с древнейших времен до нач. ХХ века): Справ. пособие. – М.: Наука, 1989.
  15.  Дружинский И.А. «Театрум махинарум» А.К.Нартова: К 200-летию со дня смерти А.К.Нартова – автора первого русского труда о станках. – Л.: Изд-во ГПБ им. М.Е.Салтыкова-Щедрина, 1956.
  16.  Дятчин Н.И. История развития техники: Учеб. Пособие. – Ростов на Дону: Феникс, 2001.
  17.  Егоров Ю.Н. Уроки робототехники. – М.: Радио и связь, 1990. (серия: Научно-популярная библиотека школьника)
  18.  Загорский Ф.Н.  Очерки по истории металлорежущих  станков (до середины XIX в) – М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1960.
  19.  Зворыкин А.А. и др.  История техники. – М.: Изд-во соц-экон. лит., 1962.
  20.  Зотов Б.  Человек среди автоматов. – М.: Дет. лит., 1991.
  21.  История механики в России. – Киев: Наукова думка, 1987.
  22.  История механики с конца XVIII века до середины XX века / Под ред. А.Т. Григоряна, И.Б. Погребысского.  – М.: Изд-во Наука, 1972.
  23.  Кефели И.Ф.  История науки и техники: Учеб. пособие. – СПб.: Изд-во БГТУ, 1995.
  24.  Кириллин В.А. Страницы истории науки и техники. – М.: Наука, 1994.
  25.  Кобринский А.Е.  Числа управляют станками. – М.: Наука, 1967.
  26.  Козлов Б.И. Возникновение и развитие технических наук. – Л.: Наука, 1988.
  27.  Кольман Э. История математики в древности – М.: Гос. изд-во физико-мат. лит., 1961.
  28.  Космодемьянский А.А. Очерки по истории механики. – М.: Наука, 1982.
  29.  Люди русской науки / Под ред. И.В. Кузнецова. – М.-Л.: ОГИЗ, 1948.
  30.  Моисеев Н.З. Очерки развития механики. – М.: Наука, 1961.
  31.  Не счесть у робота профессий: Пер. с англ. / Под ред. П.Марша. – М.: Мир, 1987.
  32.  Очерки истории естественнонаучных знаний в древности / Под ред. А.Н. Шамана. - М.: Наука, 1982.
  33.  Очерки истории техники в России / Под ред. И.И. Артоболевского – М.: Наука,1978.
  34.  Подураев Ю.В. Основы мехатроники: Учебное пособие – М.: МГТУ «СТАНКИН», 2000.
  35.  Попов Е.П. Основы робототехники: Введение в специальность. – М.: Высш. шк., 1990.
  36.  Развитие естествознания в России (ХVIII – нач. ХХ вв.) / Под ред. С.Р. Микульского и А.П. Юшкевича. – М.: Наука, 1977.
  37.  Робототехника в России / Сост. В.Б. Великович и др. – М.: МНТК РОБОТ, 1992.
  38.  Русецкий А.Ю. В мире роботов: Кн. для учащихся. – М.: Просвещение, 1990.
  39.  Самин Д.К. Сто великих ученых. – М.: Вече, 2000. (серия: Сто великих…)
  40.  Серенко В.А. Роботы собирают машины. – М.: Машиностроение, 1982. (серия: Кем быть)
  41.  Стройк Д.Я. Краткий очерк истории математики. Пер. с нем. – 5-е изд., испр.     – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990.
  42.  Техника в ее историческом развитии. 70-е годы XIX – нач. XX века / Под ред. С.В. Шухардина и др. – М.: Наука, 1982.
  43.  Техника в ее историческом развитии. От появления ручных орудий до становления техники мануфактурного способа производства / Под ред. С.В. Шухардина и др. – М.: Наука, 1982.
  44.  Фолта Я. История естествознания в датах: Хронологический обзор.    – М.: Наука, 1987.        
  45.  Шаумян Г.А. Комплексная автоматизация производственных процессов. – М.: Машиностроение, 1973.
  46.  Энциклопедия для детей. Техника / Гл. ред. М.Д. Аксенова. – М.: Аванта+, 2000. – Т.14.
  47.  Яковлев В.И. Очерки по истории механики XIX века: Учеб. пособие по спец. курсу. – Пермь: ПГУ, 1993.

Содержание

Введение .................................................................................................................. 3

1. Место автоматизации в жизненном цикле технического изделия................. 4

1.1. Жизненный цикл технического изделия…………………………………… 4

2. Технологические и производственные процессы  как объекты

автоматизации……………………………………………………………………. 7

2.1. Классификация технологических процессов и производств…………… 11

2.2. Основные понятия и определения автоматизации………………………… 18

2.3. Факторы, определяющие необходимость автоматизации………………… 18

3. Основные этапы автоматизации в их историческом развитии....................... 19

4. История развития двигателей как источников механической энергии для

машин автоматического действия......................................................................... 23

4.1. Создание универсального парового двигателя …………………………… 24

5. История появления и развития рабочих механизмов и машин...................... 28

6. История развития систем автоматического регулирования и управления.... 34

7. История развития дискретных систем автоматического управления............40

8. Этапы развития современной автоматизации производства.......................... 46

Заключение.............................................................................................................. 53

Библиографический список………........................................................................ 53


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27742. Российское образование 14 KB
  Учреждения дополнительного образования; другие учреждения предоставляющие образовательные услуги. Государственные и муниципальные образовательные учреждения осуществляют свою деятельность на базе типовых положений утвержденных Правительством РФ о соответствующих типах и видах образовательных учреждений.
27743. Мезофакторы социализации 19.5 KB
  В России в сельской местности проживает около 26 населения. Но при этом они обладают типичными характеристиками: небольшое количество жителей; малая плотность населения; малая степень разнообразия видов трудовой деятельности; плохо развитое общественное обслуживание; почти полное отсутствие учреждений культуры и возможностей для проведения досуга. Происходит уменьшение сельского населения. Город тип поселения для которого характерны концентрация большого количества людей и высокая плотность населения на ограниченной территории...
27744. Иоганн Фридрих Гербарт 19.36 KB
  Гербарт получил образование сначала в латинской классической школе а затем в Иенском университете.Окончив университет Гербарт стал воспитателем детей в семье швейцарского аристократа.С 1802 года Гербарт работал в Гёттингенском и Кенигсбергском университетах в должности профессора.
27745. Станислав Теофилович Шацкий 22.81 KB
  Шацкий писал по этому вопросу в 1918 г. Шацкий родоначальник русской и советской дошкольной педагогики. Еще в дореволюционные годы им и его ближайшими сотрудниками была разработана оригинальная как Шацкий называл русская система воспитания в детском саду существенно отличавшаяся от той что была создана Фрёбелем и современницей Шацкого М.
27746. Цель деятельности социального педагога 19.77 KB
  Предлагаемые ниже таблицы отражают примерный перечень как основных направлений деятельности социального педагога так и их содержание. Предлагаемые ниже таблицы отражают примерный перечень как основных направлений деятельности социального педагога так и их содержание. Направления деятельности Содержание Социальнопедагогическое исследование с целью выявления социальных и личностных проблем детей всех возрастов проведение социальной паспортизации классов учебного учреждения микрорайона; изучение и анализ культурнобытовых отношений в семьях...
27747. Педагогическая деятельность Песталоцци 20.29 KB
  Иоганн Генрих Песталоцци 1746 1827 родился в Швейцарии в Цюрихе в семье врача. Песталоцци близко ознакомился с тяжелым положением крестьян и с малых лет проникся глубоким сочувствием к народу. Образование Песталоцци получил сначала в начальной а затем в латинской средней школе и в высшем учебном заведении гуманитарного направления коллегиуме на филологическом и философском отделениях где под влиянием французских просветителей развивались передовые демократические идеи.
27748. Факторы социализации и формирования личности 20.14 KB
  Факторы социализации и формирования личности Социализация как уже отмечалось осуществляется в различных ситуациях возникающих в результате взаимодействия множества обстоятельств. В подростковом и юношеском возрасте увеличивается и оказывается наиболее действенным влияние групп сверстников в зрелом же возрасте на первое место по значимости выходят сословие трудовой или профессиональный коллектив отдельные личности.В последние годы все большее значение ученые придают макпофакторам социализации в том числе и природногеографическим...
27749. Основными направлениями социально-педагогической деятельности являются 17.47 KB
  Поскольку проблема ребенка требующая разрешения как правило имеет и внутренние личностные и внешние аспекты социальнопедагогическая деятельность обычно включает две составляющие: непосредственную работу с ребенком; посредническую деятельность во взаимоотношениях ребенка со средой способствующую их социальнокультурному становлению и развитию. По содержанию социальнопедагогическая деятельность чрезвычайно многообразна. Однако в настоящее время эта задача непростая поскольку сфера практической социально педагогической деятельности...
27750. Становление идей воспитывающего и развивающего обучения в педагогической мысли Западной Европы до 80-х гг. XIX в 27.72 KB
  Становление идей воспитывающего и развивающего обучения в педагогической мысли Западной Европы до 80х гг. в педагогической мысли возникают теории обучения и воспитания которые становятся классическими педагогическими теориями и базой для дальнейшего развития науки и практики образования во всех странах. Так один из основоположников дидактики начального обучения швейцарский педагог Иоганн Генрих Песталоцци 1746–1827 окончивший два курса коллегиума Каролинум вел активную просветительскую деятельность организовал ряд приютов для детей из...