Фотоэлемент на станке | ТМ 1940-05

Инж. И. ГРИНБЕРГ и И. МИШЕЛЬ, Рисунки Н. ПРЕОБРАЖЕНСКОГО

С пугающей непривычного человека скоростью движется ползун быстроходного пресса. В такт движениям ползуна мелькают руки рабочего, подающего в пресс стальные листы. Со стороны кажется — малейшая неосторожность, и машина отхватит пальцы рабочему. Вот рабочего что-то отвлекло, он повернул голову в сторону, не прекращая движения рук. Ещё секунда — и произойдёт непоправимое несчастье: штамповщик будет искалечен... И вдруг в тот момент, когда ползун уже почти касается пальцев рабочего, пресс мгновенно останавливается.

В чем же дело, что остановило машину? Остановил её увидевший опасность электрический глаз — фотоэлемент.

Опасную зону, в которой движется ползун пресса и инструмент, ограждает луч света, направленный на фотоэлемент. Стальной лист, подаваемый рабочим, свободно проходит под лучом. Но, как только в опасную зону попадают пальцы рабочего, луч света прерывается, и освещённость фотоэлемента резко падает. Это, в свой очередь, вызывает ослабление силы токов, возбуждаемых в фотоэлементе световым лучом. Тогда начинает действовать, или, как говорят, срабатывает, электромагнитный прибор — реле. Мотор пресса выключается.

Такой пресс с фотоэлектрической защитой рук штамповщика работает на заводе им. Горбунова в Москве. Действующую модель его вы можете увидеть в Музее охраны труда ВЦСПС.

*

Мы привели простейший пример применения фотоэлемента. Электрический глаз проник в самые разнообразные области техники. Завидев яркие фары автомобиля, фотоэлемент раскрывает двери гаража; фотоэлемент читает самый сложный чертёж и передаёт его на многие тысячи километров по фототелеграфу; фотоэлемент останавливает поезд перед внезапно возникшим на его пути препятствием, сортирует карандаши по цвету, считает ботинки на конвейере обувной фабрики, контролирует температуру раскалённых болванок на прокатных станах, с наступлением рассвета гасит бакены на канале Москва—Волга и т. д. и т. п.

Но в такой важной отрасли техники, как металлообработка, фотоэлемент делает только первые шаги. Смелыми новаторами в этой области являются советские инженеры-изобретатели. В Советском Союзе впервые в мире созданы фотоэлектрические металлорежущие станки.

В огромном парке станков, работающих в цехах наших заводов, есть немало машин, поражающих почти человеческой осмысленностью своих движений. Достигнутая на этих станках степень автоматизации многим казалась до недавнего времени предельной, но советская техническая мысль не знает пределов: наши изобретатели дали стране социализма такие станки, которые не только автоматически работают, но и сами читают и копируют чертежи. Эти станки снабжены электрическим глазом — фотоэлементом. Мысль использовать в металлообработке фотоэлемент совершенно естественна. В самом деле, если фотоэлемент может читать телеграмму и передавать её на тысячи километров, то почему бы ему не читать чертёж и не передавать его указания рабочим органам станка?

Практическое осуществление этой идеи, однако, потребовало от наших инженеров исключительного остроумия и изобретательности. Для станков каждого типа приходилось отыскивать особое, своеобразное решение. Несмотря на все трудности этой задачи, советские специалисты вплотную подошли к разрешению проблемы использования фотоэлемента на всех основных типах металлорежущих станков.

*

Токарный станок. Вам, наверное, приходилось видеть, как токарь по дереву, то приближая резец-стамеску к закреплённому на станке бруску, то удаляя от него, ухитряется вытачивать самые разнообразные по форме детали. Сложнее обстоит дело с обточкой металлических фасонных изделий. Для их обработки созданы специальные копировально-токарные станки, в которых шаблон или специальное приспособление — копир — заставляют резец, то приближаясь, то отдаляясь от изделия, следовать по заданной кривой. Суппорт такого станка, несущий резец, снабжается роликом. Пружина прижимает его к шаблону, и ролик катится по нему при движении суппорта. В фотоэлектрическом же токарном станке движением резца управляет фотоэлемент.

На том же суппорте, но с другой стороны, в застеклённой рамке крепится непрозрачный шаблон. На край шаблона направляется световой зайчик, яркое световое пятно диаметром всего в 0,01 миллиметра. Под застеклённой рамкой расположен фотоэлемент. Когда световой луч падает так, что одна половика зайчика приходится на непрозрачный шаблон, а другая — на стеклянную пластинку, в фотоэлементе возникает ток средней силы. Пройдя через усилитель, ток включает электромагнитную муфту продольной подачи суппорта, и резец начинает перемещаться вдоль изделия.

В застеклённой рамке (слева) установлен непрозрачный шаблон. Расположенный под рамкой фотоэлемент управляет движениями суппорта станка и заставляет резец придавать изделию точно такую форму, какую имеет шаблон.

Но, как только профиль шаблона отклоняется от прямой линии, зайчик отходит от среднего положения. Большая его часть приходится тогда либо на непрозрачный шаблон, либо на прозрачную стеклянную пластинку. В первом случае фототок, естественно, ослабляется, так как уменьшается освещённость фотоэлемента, во втором — усиливается. В том и другом случае продольная подача мгновенно выключается и одновременно включается одна из двух магнитных муфт поперечного самохода. Когда сила тока падает, суппорт приближается к изделию; когда же ток усиливается, суппорт отходит от оси изделия.

При поперечном перемещении резца в том же направлении перемещается и закреплённая на суппорте рамка с шаблоном. Поэтому, как только резец снимет небольшую стружку, световой зайчик возвращается к среднему положению. Ясно, что при этом восстанавливается ток средней силы, и тогда мгновенно выключается поперечный самоход и вновь включается продольный. Таким образом, следуя указаниям шаблона, фотоэлемент принуждает резец описывать на изделии кривую, точно воспроизводящую профиль шаблона.

На выставке новой техники машиностроения в Москве можно видеть серийный советский токарный станок «ДИП», приспособленный изобретателем т. Баскаковым для работы с фотоэлементом. Для этого в конструкцию станка пришлось ввести электромагнитные муфты и фотоэлектрическую систему. Наши станкостроительные заводы предполагают начать серийный выпуск этих станков.

Небольшое приспособление превратило обыкновенный советский токарный станок «ДИП» в фотоэлектрический. К электромагнитным муфтам, при помощи которых включается и выключается подача суппорта, по проводам (на переднем плане фото) поступает ток от фотоэлемента.

Фотоэлектрический токарный станок. На переднем плане (справа) хорошо видна электромагнитная муфта поперечной подачи суппорта.

*

Копировально-фрезерный станок. На токарном станке вращается изделие, на фрезерном же, наоборот, вращается инструмент — фреза. Фрезерные станки преимущественно обрабатывают плоские поверхности, вырезают канавки, пазы, выемки и т. п. Среди, многочисленных типов фрезерных станков имеется интересная разновидность — копировально-фрезерные станки. Такие станки автоматически копируют образцы изделий самой сложной формы: детали машин и инструменты — пуансоны, матрицы, шаблоны.

До недавнего времени лучшим копировальным фрезерным автоматом считался американский станок Каллера. Советский инженер т. Соколов предложил более совершенную конструкцию такого станка.

Чувствительный, как у слепого, копировальный палец этого станка ощупывает извилистую линию профиля тщательно выполненного образца (эталона) обрабатываемого изделия. А ниже режущий, инструмент — фреза, — воспроизводя все движения пальца, вырезывает из металла точную копию эталона.

Молодой советский инженер-комсомолец т. Вихман пошёл ещё дальше. Его копировально-фрезерный автомат работает не как слепой, ощупью, а сам читает чертёж.

Как же это достигается?

Общеизвестно, что черная поверхность поглощает световые лучи, а белая — отражает их. Это простое явление положено в основу передачи изображений на расстояние (фототелеграф и телевидение).

Если вы присмотритесь к иллюстрации в газете, то заметите, что она состоит из отдельных темных и светлых точек. Фотоэлемент как бы читает чертёж по точкам. Когда чертёж проходит перед фотоэлементом, луч света попадает то на тёмную, то на светлую точку. От черной точки луч почти не отражается, и поэтому в фотоэлементе возникает слабый импульс тока (сигнал). От светлой точки луч полностью отражается, и в фотоэлементе возникает сильный импульс. Таким образом, приёмный аппарат принимает сигналы различной силы. При этом в нем происходит обратный процесс: слабый сигнал превращается в тёмную точку, сильный сигнал — в светлую точку.

В станке Вихмана чередование сигналов различной силы, возникающих при чтении чертежа, используется не для воспроизведения чертежа, а для управления режущим инструментом станка.

В верхней части станка установлена небольшая закрытая камера, в которой помещается «глаз» его — фотовизор, состоящий в основном из источника света, системы зеркал и фотоэлемента. Перед фотовизором ставится кассета с чертежом. На черную линию чертежа направляется световой зайчик. Во время работы станка зайчик скользит по краю черной линии таким образом, что одна половина его лежит на линии, а другая — на бумаге.

Движение зайчика копируется режущим инструментом, фрезой, закреплённым в шпиндельной головке, головка же жёстко связана с фотовизором. Фреза обрабатывает изделие так, как ей диктует фотовизор.

Вот черная линия чертежа загибается кверху. Зайчик должен повернуть в том же направлении. По инерции он пытается продолжать свой путь по прямой. Но, как только больше половины зайчика переходит на белое поле, освещённость фотоэлемента и, следовательно, сила возбуждаемого в нем тока возрастают. Пройдя через усилитель, ток действует на мотор поперечного ходового винта. Последний поворачивается в определенную сторону, и зайчик возвращается на место. Если линия чертежа загибается вниз, получается обратная картина — зайчик надвигается из черное поле. Тогда фототок ослабляется, и ходовой винт поворачивается в другую сторону. И опять зайчик водворяется на место.

Фотоэлемент (собака) неотступно следит за зайчиком. При малейшей его попытке сойти с линии чертежа фотоэлемент заставляет зайчик вернуться на правильный путь.

Таким образом, не позволяя зайчику отклоняться от линии чертежа, фотоэлемент принуждает и фрезу точно воспроизводить на изделии контур любой сложности.

Первая модель копировально-фрезерного станка т. Вихмана «ВВ-2» могла копировать лишь контуры, лежащие в одной плоскости. Это ограничивало область применения станка обработкой только плоских изделий. Новая модель станка, над совершенствованием которого работает руководимая т. Вихманом лаборатория фотоэлектронной автоматики станков, может фрезеровать не только плоские, но и объёмные формы. Это достигается очень остроумным и в то же время простым способом.

Объёмную форму мысленно рассекают целым рядом параллельных плоскостей и очертания каждого сечения наносят на бумажную ленту, располагая их в той же последовательности, в какой эти сечения следуют одно за другим. Получается ряд плоских контуров, каждый из которых можно обрабатывать уже известным нам способом.

Новая модель фотоэлектрического станка т. Вихмана может фрезеровать не только плоские, но и объёмные формы. Для этого объёмная форма мысленно рассекается рядом параллельных плоскостей; полученные контуры наносятся на ленту чертежа, которая автоматически пропускается перед фотовизором.

После окончания обработки одного контура (сечения) под фотовизор автоматически подаётся следующий, и станок принимается обрабатывать этот контур. Так продолжается до тех пор, пока фотовизор не очутится перед условным сигналом остановки — вертикальной чертой. Изделие готово, станок выключается.

В первой модели станка т. Вихмана зайчик представляет собой световую точку диаметром 0,01—0,5 миллиметра. Движение этой точки копируется центром фрезы, зубья же фрезы воспроизводят несколько искажённый профиль — кривую, равноотстоящую от заданной. Этот недостаток устранён в новой модели. Здесь вместо световой точки фотовизор даёт световую окружность, диаметр которой равняется диаметру фрезы. При фрезеровании световая окружность непрерывно касается контура чертежа. Благодаря этому воспроизводится уже не искажённый, а действительный профиль шаблона.

Фотовизор — это глаз копировально-фрезерного станка. Он управляет всеми движениями режущего инструмента — фрезы. Пучок лучей от электрической лампы проходит через систему линз и превращается в яркую световую точку — зайчик. Зайчик скользит по контуру чертежа. Отражённые от чертежа лучи системой зеркал направляются на фотоэлемент. Фотовизор жёстко связан со шпиндельной головкой станка, в которой закреплена фреза, поэтому движение фотовизора точно копируется фрезой.

*

Шабровочный станок. Шабровка издавна считается чрезвычайно трудной, сугубо ручной операцией, при помощи которой достигается особо точная обработка поверхностей. Выполняют её высококвалифицированные рабочие. К шабровке приходится прибегать потому, что металлорежущий станок не всегда может придать изделию идеально гладкую поверхность. Недостатки механической обработки устраняются шабровщиком вручную. Для этой цели применяется специальный инструмент — шабер. Рабочий сообщает шаберу движения в различных направлениях, в результате чего на обрабатываемой поверхности получается своеобразный рисунок — «мороз». Работа эта трудоёмкая, кропотливая. Чтобы овладеть секретом, необходимо много лет практики. Понятно поэтому, какое значение имеет механизация и тем более автоматизация процесса шабровки.

Советский изобретатель т. Коровин решил эту задачу при помощи фотоэлемента. Идею изобретения т. Коровину подсказало наблюдение над процессом проверки гладкости поверхностей. При такой проверке к изделию прикладывается и притирается так называемая проверочная плита, смазанная черной краской, в результате притирки каждый выступ поверхности изделия покрывается краской, в то время как углублённые места остаются неокрашенными.

Тов. Коровин остроумно использовал этот старый производственный приём. Он предложил накладывать на окрашенную указанным способом поверхность лист бумаги. Таким образом, получается своеобразный чертёж-оттиск, который в дальнейшем прочитывается электроглазом станка.

Этот чертёж закрепляется в рамке на специальной стойке. На него направляется луч света, который либо поглощается черными местами оттиска, либо отражается светлыми его местами. Теперь остаётся устроить так, чтобы режущий инструмент в момент попадания луча на черное место чертежа приближался к поверхности изделия и срезал при этом выступы на ней, а при попадании луча на светлое место удалялся от поверхности и проходил над ней, не снимая стружки. Посмотрим, как это осуществлено на станке т. Коровина, действующая модель которого показана на выставке новой техники машиностроения в Москве.

Фотоэлектрический шабровочный станок т. Коровина. В рамке закреплён чертёж-оттиск. Шпиндель соединён с сердечником электромагнита. В цепь тока, питающего катушку электромагнита, включён фотоэлемент. Он управляет работой инструмента, заставляя шпиндель то подниматься, то опускаться над изделием. При этом инструмент срезает с изделия мельчайшие выступы, точно воспроизводя оттиск.

Обрабатываемая деталь неподвижно закрепляется на станке. Салазки станка несут на себе рабочий шпиндель с режущим инструментом и рамку с чертежом-оттиском. Над рамкой расположен фотоэлемент.

Шпиндель соединён с сердечником электромагнита при помощи рычажной передачи. Когда под действием проходящего по катушке тока сердечник втягивается внутрь катушки, шпиндель поднимается над изделием; когда же при размыкании цепи тока сердечник выходит из катушки, шпиндель опускается на обрабатываемое изделие.

В цепь тока, питающего катушку, и включён фотоэлемент.

Нажатием кнопки пускается мотор, который при помощи гибкого вала приводит во вращение шпиндель станка. В дальнейшем во все время работы станка шпиндель непрерывно вращается. Нажатием второй кнопки включается мотор, приводящий в движение через зубчатую передачу салазки станка. При движении салазок луч света начинает скользить по чертежу, попадая то на светлые, то на тёмные места. От светлых он отражается, а темными поглощается.

В первом случае сила тока, возникающего в фотоэлементе, достаточна для того, чтобы реле фотоэлектрической системы сработало. Тогда сердечник втягивается внутрь катушки электромагнита. Мы уже знаем, что при этом шпиндель поднимается и проходит над соответствующим местом изделия, не затрагивая его. Во втором случае фототок настолько слаб, что реле не срабатывает, сердечник не втягивается, шпиндель остаётся опущенным, и инструмент снимает стружку с обрабатываемой поверхности. Шабровочный инструмент, закреплённый в шпинделе, совершает при этом характерные для процесса шабровки короткие движения вперёд и назад.

После обработки в продольном направлении одного участка изделия салазки подаются в поперечном направлении, и обрабатывается соседний участок. Это повторяется до тех пор, пока не будет обработана вся поверхность.

*

Строгально-шабровочный станок. Другой советский изобретатель, т. Струтинский, решил задачу автоматизации шабровочно-доводочных работ несколько по-иному. Он построил свой шабровочный автомат по принципу строгального станка, причём обходится совсем без чертежа-оттиска. Электроглаз на этом станке как бы сам видит те поверхностные дефекты, которые следует устранить.

Как известно, стол строгального станка совершает возвратно-поступательное движение по направляющим станины. С обеих сторон стола, на котором закрепляется обрабатываемое изделие, расположены стойки, соединённые поперечиной. По этой поперечине может перемещаться суппорт с закреплённым в нем резцом. Последний снимает с поверхности изделия узкую полоску металла. После съёмки каждой такой полоски суппорт двигается по поперечине, и резец снимает следующую полоску.

При работе этим методом обрабатываемая поверхность покрывается тонким слоем краски, которая из-за негладкости поверхности ложится пятнами.

Станок снабжён лампочкой, линзой, фотоэлементом, усилителем фототока, реле, электромагнитом. Рабочий инструмент — резец — закреплён на конце рычага, который шарнирно подвешен над столом станка. Когда в катушку электромагнита поступает ток, сердечник намагничивается и притягивает конец рычага. Тогда другой конец рычага опускается, и инструмент снимает с поверхности стружку. Когда же сердечник размагничивается, рычаг возвращается в исходное положение, и инструмент отходит от поверхности изделия.

Покрытый пятнами краски обрабатываемый предмет проходит под лампочкой. Когда свет её падает на тёмные места (эти места соответствуют выступам на поверхности), он в значительной степени поглощается, и в фотоэлемент поступает слабый, отражённый свет. Фототок тоже получается слабый. Реле отрегулировано так, что при этих условиях оно срабатывает и приводит в действие электромагнит. В результате инструмент опускается на изделие и срезает выступ на его поверхности. Когда же лучи света от ламп попадают на светлые места, то инструмент просто скользит по поверхности изделия, не врезаясь в него. По окончании рабочего хода резец поднимается, и стол возвращается обратно. В то же время салазки смещаются на определенное расстояние в поперечном направлении.

На этом станке электроглаз как бы сам видит те поверхностные дефекты изделия, которые надо устранить.

Затем начинается второй рабочий ход, и так продолжается до тех пор, пока не будет обработана вся поверхность изделия. Разумеется, процесс обработки можно повторять несколько раз, добиваясь желаемой степени точности. Для получения шабровочного эффекта рабочий инструмент должен совершать колебательные движения, подобные тем, которые совершает шабер в руках слесаря. Создание таких движений механическим путём не представляет труда.

*

Шлифовальный станок. Шлифовкой в механических цехах завершается целый ряд разнообразных операций обработки изделий. Шлифовка — дело тонкое, требующее большого внимания. Достаточно допустить 2—3 лишних оборота шлифовального круга, чтобы, говоря цеховым языком, «запороть» деталь, в изготовление которой вложили свой труд иной раз десятки людей. Недаром шлифовщик к концу операции то и дело останавливает станок и проверяет калибром размер изделия.

Чтобы устранить опасность брака на шлифовальных станках, и здесь прибегли к помощи фотоэлемента. Наши станкостроительные заводы начинают выпускать шлифовальные станки, оборудованные специальным прибором — фотоэлектрическим миниметром конструкции инженера Репина.

Этот инструмент в процессе шлифовки непрерывно измеряет изделие с точностью до микрона (0,001 миллиметра) и автоматически останавливает станок, как только изделие достигло заданного размера.

Идея, положенная в основу фотоэлектрического миниметра, очень проста. В светонепроницаемой перегородке корпуса миниметра имеется щель. С одной стороны щели расположен фотоэлемент, с другой — источник света. К стрелке миниметра прикреплён флажок. Во флажке также прорезана щель. До тех пор, пока нужный размер обрабатываемого изделия не достигнут, флажок перекрывает щель в перегородке корпуса; в момент же, когда изделие достигает требуемого размера, щель в флажке совпадает с щелью корпуса. Тогда свет лампы проходит сквозь обе щели и попадает в фотоэлемент. Дальше — знакомая уже нам картина. Фотоэлемент «оживает», фототок, усиленный во много раз, заставляет сработать реле, и подача шлифовального круга прекращается.

*

Работы наших советских инженеров показывают, что нет ни одного вида металлообработки, который не поддавался бы автоматизации при помощи фотоэлемента. На наших глазах в СССР возникла новая отрасль техники — фотоэлектронная автоматика станков.

В Советском Союзе создаются станки будущего. Мы можем уже представить себе завод, на котором фотоэлемент проник во все поры производственного организма. Заглянем на автомобильный завод близкого будущего.

...К наглухо закрытым воротам кузнечного цеха подходит электрокар, груженный стальными болванками. Ворота цеха распахнулись сами. Вот перед нами нагревательная печь. Смотрите: дверцы печи открылись, и раскалённые болванки, ослепляющие накалом совершенно одинаковой яркости, автоматически выдвинулись наружу. Это фотоэлемент по цвету накала точно определил момент выдачи их. А вот фотоэлемент на молоте предупреждает брак и аварии. Если болванка остыла ниже допустимого предела, молот не работает. В разных местах цеха фотоэлемент ограждает рабочего от опасности: от ранения движущимися частями молотов и ковочных машин, от попадания под движущиеся тележки и т. п.

Зайдём в другой заготовительный цех — в литейный. Фотоэлемент контролирует здесь температуру металла в печах, сигнализирует, что наступил момент выдачи его, проверяет размеры кусков загружаемой в печь шихты, сигнализирует о заполнении форм при разливе. И здесь фотоэлемент играет роль надёжного защитника рабочих от различных опасностей при работе у печи, при разливке, при транспортировке отливок.

В прессовом цехе фотоэлемент бракует дефектные листы, считает отштампованные мелкие детали, зорко охраняет руки рабочего от травмы.

В инструментально-штамповом цехе мы видим хорошо знакомый нам копировально-фрезерный автомат Вихмана, который с изумительной точностью и быстротой изготовляет ковочные штампы для кузнечного цеха, формы для отливок под давлением и другие сложные изделия.

...Поковки или отливки отправлены в механосборочный цех для обработки и сборки.

Вот десятки и сотни уже знакомых нам токарных, строгальных, фрезерных, шлифовальных фотоэлектрических станков. А здесь станки, к которым фотоэлемент приспособлен в 1940 и в позднейшие годы. Это револьверные, зуборезные, прошивные, притирочные, хонинговальные и сотни других специальных станков для обработки блока цилиндров, поршней, коленчатых валов, клапанов...

Вот главный конвейер. Кабина для окраски кузовов. Фотоэлемент контролирует равномерность окраски, и ни один кузов с дефектом не может проскочить мимо бдительного электроглаза. Фотоэлемент координирует скорость движения отдельных конвейеров со скоростью главного сборочного конвейера. Фотоэлемент сигнализирует о неправильной установке отдельных узлов и агрегатов на шасси. Фотоэлемент контролирует силу света фар и «любезно» распахивает ворота цеха перед сходящей с конвейера готовой машиной.