Машины-автоматы | ТМ 1940-08/09

Статья профессора И. И. Артоболевского прослеживает путь развития автоматических устройств — от древних механизмов Герона и сложных «механических людей» XVIII века до современных промышленных автоматов. Если ранние автоматы служили лишь развлечением, то машины XX века выполняют реальные производственные функции: продают билеты, работают на заводах, в пищевой и текстильной промышленности, на транспорте. Возрастающая роль автоматизации требует научного подхода к проектированию, поэтому Академия наук СССР создаёт теорию машин‑автоматов. Она включает кинематику (изучение движений механизмов), динамику (силы, прочность, трение) и синтез — методы построения механизмов, способных выполнять сложные траектории. Описаны трудности повышения скорости автоматов, примеры ограничений, а также методы подбора механизмов — от математических расчётов Чебышёва до экспериментальных альбомов кривых. Работа направлена на создание более совершенных, быстрых и надёжных автоматических машин.

---

Профессор И. И. АРТОБОЛЕВСКИЙ, член-корреспондент Академии наук СССР

Автоматические машины и приборы люди начали создавать уже давно. Ещё за две тысячи лет до наших дней знаменитый греческий математик Герон Александрийский написал трактат под названием «Пневматика». В этом трактате были описаны многочисленные остроумные приборы-автоматы, действовавшие при помощи воды и воздуха. Позднейшие переводчики и комментаторы Герона присоединили к его трактату описание значительно более сложных и интересных игрушек-автоматов, основанных на том же принципе.

Член-корреспондент Академии наук СССР И. И. Артоболевский.

Одна из таких автоматических игрушек представляла собой ящик, на котором сидела маленькая птичка. Как только в ящик наливали воду, птичка начинала петь. В этот момент сидящая против птички сова поворачивалась в её сторону. Под взглядом совы птичка, как бы испугавшись, переставала петь. Но, как только сова отворачивалась, пение начиналось снова.

Автомат-игрушка древности. (Из сочинения Герона Александрийского «Пневматика».)

Такие игрушки-автоматы были особенно популярны в XVI и XVII веках. В позднейшие времена появились даже автоматические куклы, которые в своих движениях подражали живым людям. В 1774 г. швейцарский часовщик Пьер Дро показывал на Парижской выставке «механических людей». Это были рисовальщик, писец и музыкантша. Рисовальщик, ростом в один метр, держал в руке карандаш и рисовал различные фигуры. Время от времени он останавливался, дул на лист, как бы удаляя соринки, а затем снова продолжал своё дело. Писец обмакивал перо в чернильницу, писал различные слова и даже целые фразы. При этом он двигал головой, как бы проверяя написанное. Окончив работу, писец посыпал бумагу песком и потом стряхивал его. Музыкантша играла на фисгармонии, поворачивала голову. При этом она как бы дышала: грудь её мерно вздымалась и опускалась. Окончив игру, музыкантша наклоном головы благодарила слушателей.

«Механический писец», сделанный швейцарским часовщиком Дро.

«Организм» этих автоматических людей был очень сложен. Он представлял собой целую систему спрятанных внутри рычагов, шарниров и зубчаток. Все эти механизмы были тщательно замаскированы, и поэтому игрушки Дро производили очень сильное впечатление. Они вызвали многочисленные подражания. Увлечение постройкой механических людей и автоматических игрушек продолжалось и в XIX веке. Но до последнего времени все такие автоматы, на которые порой тратилось много изобретательности, были совершенно бесполезны и служили лишь предметом развлечения.

Автоматы XX века уже не бесполезные игрушки. Везде, где возможно, они выполняют работу человека, в целом ряде случаев совершенно заменяя его. По сравнению с прежними механическими людьми современные автоматы меньше похожи на человека по внешнему виду, но по характеру выполняемой работы и по своим движениям подходят значительно ближе к нему.

На улицах городов, на станциях железных дорог и в других местах можно встретить немало таких автоматов. Они продают проездные и перронные билеты, газеты, спички и т. п. В последние годы в Центральном парке культуры и отдыха имени Горького в Москве работает целое автоматическое почтовое отделение. Этот замечательный автомат продаёт открытки, конверты и принимает даже заказные письма. Письма тут же взвешиваются, и отправителю показывается сумма, которую следует уплатить. При этом он может «заплатить» автомату несколько большую сумму; в этом случае автомат вместе с квитанцией выдаёт сдачу.

Но этим не ограничивается применение автоматов. Машины, выполняющие работу человека, а иногда полностью заменяющие его, находят всё большее применение в народном хозяйстве нашей страны. На машиностроительных заводах можно встретить сотни станков-автоматов. Такие станки могут производить до десятка различных операций по обработке какой-нибудь детали.

Широко применяются автоматические машины и в пищевой промышленности. Здесь автоматизированы не только отдельные операции, но даже и целые производства. В Москве, Ленинграде, Одессе, Харькове, Киеве и других городах Союза работают уже полностью автоматизированные хлебозаводы.

В текстильной промышленности, энергетике, транспорте и других отраслях народного хозяйства работают самые разнообразные автоматические машины, приборы и аппараты.

XVIII съезд партии постановил обратить «особое внимание на освоение машин, автоматизирующих производственные процессы». Вопросы постройки самых разнообразных автоматов становятся с каждым днём всё актуальнее. Однако до последнего времени методы проектирования автоматических машин были мало разработаны и в значительной степени кустарны. Инженеры и механики, обладающие большим практическим опытом, разрабатывали конструкции отдельных узлов и механизмов автомата, строили их, испытывали, вносили необходимые изменения и постепенно улучшали качества проектируемой машины. Но такой эмпирический путь проектирования машин неэкономен: он требует длительных сроков для освоения новых конструкций, чрезвычайно удорожает стоимость машины, а главное, не даёт гарантии в том, что выбранные путём такого «отбора» механизмы являются наилучшими.

Уже давно возникла потребность в обобщении опыта конструкторов-автоматчиков. Надо было разработать теорию построения автоматов, которая позволила бы конструкторам быстро и с наименьшей затратой решать вопросы, возникающие при создании машин-автоматов.

Академия наук СССР, высший научный центр нашей страны, приступила к решению этой задачи. С 1939 г. в Институте машиноведения и Институте автоматики и телемеханики началась работа над созданием теории машин-автоматов.

Какие же вопросы возникают при этом и в чем трудность их решения? Наука об автоматах делится на три части: кинематику, динамику и синтез автоматов. Кинематика занимается изучением тех движений, которые производятся механизмами автоматических машин. В современных автоматах зачастую приходится встречаться с очень сложными движениями. Вот, например, машина, которая завёртывает конфеты в бумажки. Здесь автомат выполняет серию очень сложных движений. Каждая бумажка подаётся в нужное место специальным механизмом; затем другим механизмом конфета обвёртывается в поданные бумажки; особый механизм завёртывает уголки; наконец конфеты выводятся из машины и упаковываются в ящики. Все эти операции выполняются в различное время, с различными скоростями. Что же координирует скорости всех разнообразных движений отдельных частей автомата? Вот тут-то и должна прийти на помощь теория.

С точки зрения производительности машины всегда выгодно повышать её скорость. Но это не всегда возможно. Здесь выступают иногда новые, непредвиденные условия, которые препятствуют увеличению скоростей автомата. Возьмём, например, закаточную машину. Она соединяет крышку наполненной консервной банки с её корпусом, закатывая шов. Конечно, чем быстрее будет производиться эта операция, тем лучше. Но самый характер работы автомата ставит предел его скорости. Автомат построен таким образом, что механизм, запечатывающий края крышки и корпуса, неподвижен, в то время как банка вращается вокруг вертикальной оси. А мы знаем, что если сосуд с водой быстро вращать вокруг вертикальной оси, то вода под действием центробежной силы начнёт подниматься вверх по стенкам сосуда. То же будет и с консервами. Как только скорость закатки, следовательно вращение банки, достигнет известного предела, консервы начнут выплёскиваться наружу. Понятно, что автомат, выплёскивающий половину содержимого банки, будет ни на что не пригоден.

Требования качества продукции тоже могут ставить предел увеличению скорости, а следовательно, и производительности автомата. Вот, например, тестоделительная машина. Она разрезает тесто на куски и выталкивает их наружу. Здесь работу выталкивателя нельзя слишком сильно ускорить: как только скорость выталкивания превысит известный предел, рычаг выталкивателя, вместо того чтобы сдвинуть кусок теста, будет сминать его. Чтобы преодолеть инерцию теста и не мять его, выталкиватель должен работать с определённой скоростью, ни в коем случае не превышая её.

Вот почему очень важно изучить существующие скорости в механизмах автоматов, сравнить различные их схемы и выбрать среди них те, которые лучше удовлетворяют по ставленной задаче. Комплекс всех этих задач изучается в Институте машиноведения Академии наук и составляет предмет кинематики автоматов.

Но, кроме кинематики механизмов, необходимо изучать и те силы, которые действуют на детали машины во время её движения. Изучение этих сил необходимо для расчёта прочности отдельных деталей, для определения необходимых их размеров и весов. Известно, что с повышением скоростей усилия, действующие в механизмах, значительно возрастают (в большинстве случаев пропорционально квадрату скорости). Это зачастую приводит к тому, что в автоматах некоторые детали приходится рассчитывать не на рабочее усилие, а на те силы, которые возникают при движении машины. Примером могут служить льнопрядильные автоматы. В них есть одна малозаметная деталь, которая в настоящее время тормозит увеличение скорости этих машин. Около веретена имеется так называемая рогулька. Это вилка, которая тащит и закручивает нить. Само рабочее усилие, которое испытывает эта деталь, ничтожно, но рогулька вращается вокруг вертикальной оси с громадной скоростью, до 5 тыс. об/мин. Возникающая при этом центробежная сила стремится разогнуть рогульку. При нормальной рабочей скорости ножки рогульки расходятся в стороны на 2 миллиметра каждая. Но стоит увеличить скорость станка, как вращение рогульки ускорится, и она под действием центробежной силы разлетится вдребезги. Таким образом, чтобы повысить сколько-нибудь заметно скорость станка, приходится менять все рогульки на новые, способные выдержать почти вдвое большую центробежную силу.

Вот почему, когда проектируют быстроходный автомат, расчёту механизмов и деталей на прочность приходится уделять особое внимание. При этом расчёт ведут нередко не на рабочее усилие, а на побочные силы, возникающие при работе автомата на высоких скоростях.

Немалое значение имеют также и вопросы трения в подшипниках, ползунах и других сочленениях механизмов. Известно, что затраты мощности на преодоление трения пропорциональны кубу скорости. Следовательно, если скорость станка увеличится вдвое, нужно затратить в восемь раз большее усилие, чтобы побороть трение частей.

Вопросы борьбы с трением изучаются в Институте машиноведения Академии наук. Оказалось, что здесь большую роль играет смазка. Так, например, изменение густоты веретённого масла в прядильных машинах и применение смазки под давлением почти на 40% повысили их коэффициент полезного действия.

Изучение сил, возникающих при работе автоматов, исследование трения, колебаний валов, выбор двигателя для автоматов и другие подобные вопросы входят во второй раздел науки об автоматических машинах. Раздел этот называется динамикой механизмов-автоматов.

Третья, центральная задача, которая решается в Академии наук, — это поиски методов создания новых механизмов, выполняющих любое необходимое движение. Эта задача называется синтезом автоматов и является одной из самых трудных в теории автоматических машин.

Всякий автомат выполняет строго определённые движения. В автоматических металлообрабатывающих станках резец или другой инструмент подводится к детали, производится рабочее движение, останов и возврат инструмента. В наборной машине линотипе открываются клапаны для выпуска букв-матриц; набранная строка идёт в отливку; отлитая строка попадает на стол; буквы-матрицы возвращаются на места.

В обоих примерах автоматы совершают целую серию движений. В металлорежущих станках эти движения сравнительно просты — здесь инструмент и деталь вращаются или двигаются по прямой линии. В наборной машине движения несколько сложнее. Но во многих современных автоматах рабочие органы совершают ещё более замысловатые движения — по чрезвычайно сложным траекториям. Присмотримся, например, к работе тестомесильного автомата. Чтобы хорошо размешать тесто, лапа машины должна совершать сложное движение. При этом конец её описывает кривую неправильной формы, похожую на треугольник, все три вершины которого сильно скруглены. Эта кривая определяет работу всего автомата и не может быть изменена.

Лист из альбома механизмов, служащего для подбора элементов автомата. При вращательном движении левого рычага А остальные точки механизма двигаются по начерченным кривым.

Но как построить механизм, одна из точек которого совершала бы такое точно заданное, но очень сложное движение? Систему механизмов подобрать нетрудно. Главная трудность заключается в том, чтобы правильно подобрать размеры отдельных его звеньев. Только при некоторых строго определённых соотношениях в размерах отдельных звеньев рабочий орган механизма будет двигаться по заданной траектории.

Для определения этих размеров существуют различные методы. Наиболее распространены методы, основанные на некоторых геометрических построениях. Они были предложены ещё в конце XIX века немецким учёным Бурместером. Применение этих методов позволяет построить механизм, одна из точек которого обязательно пройдёт через пять точек, заданных в пространстве. Но это годится только для сравнительно простых кривых. Движение инструмента или рабочего органа автомата будет только приближенно отвечать нужному.

В более сложных случаях прибегают к другому способу. Задача решается математически, с помощью так называемого аналитического метода. Этот метод был предложен знаменитым русским математиком академиком П. Л. Чебышёвым. Он показал, что можно спроектировать такой механизм, одна из точек которого будет описывать траекторию, отличающуюся на некоторых участках ничтожно мало от заданной. Возьмём для примера так называемый направляющий механизм, который встречается во многих машинах. Он состоит из трех шарнирно связанных между собой рычагов. Два из них перекрещены наподобие латинской десятки. Нижние концы рычагов закреплены в неподвижных подшипниках таким! образом, что могут совершать качательное движение. При этом нижние концы рычагов неподвижны, а верхние очерчивают дуги кругов. Свободные концы двух рычагов шарнирно соединены третьим. В среднем положении весь механизм напоминает римскую десятку, верх которой соединён чертой. Предположим теперь, что один из перекрещённых рычагов начнёт отклоняться в какую-либо сторону, например влево. Верхний конец его пойдёт вниз. В то же время верхний конец другого рычага, двигаясь в ту же сторону, пойдёт вверх. Рычаги потянут за собой соединяющую их пластинку, которая займёт уже несколько наклонное положение. Тогда средняя точка этой пластинки переместится влево. Если проследить все положения средней точки, то на некотором отрезке они образуют прямую горизонтальную линию. Но это условие выполнимо только при строго определённом соотношении длин всех трех элементов механизма.

Схема механизма академика Чебышёва. При движении механизма вправо центральная точка Е двигается по заданной прямой АБ.

Мы взяли простейший пример. И вот академик Чебышёв дал метод, с помощью которого путём сложнейших математических вычислений можно почти всегда подобрать такое соотношение элементов рычажного механизма, при котором одна из точек какого-либо рычага будет вычерчивать заданную кривую.

Если внимательно разобраться в схеме тестомесильной машины, то можно заметить, что она напоминает механизм Чебышёва. Здесь также сочетание трех рычагов. Один из них совершает качательное движение, другой — вращательное, а свободный конец третьего, соединительного, рычага двигается как раз по необходимой траектории.

Схема рабочего органа тестомесильной машины. При вращательном движении дальнего рычага А лопатка В идёт по заданной траектории.

Однако метод Чебышёва очень сложен, он требует длительных и подчас кропотливых математических вычислений.

В последние годы при постройке автоматов мы стали широко применять новый способ экспериментального подбора нужных механизмов. Вместо того чтобы в каждом отдельном случае вычислять и находить нужную кривую, соответствующую заданной траектории рабочего органа автомата, заранее составляют специальный альбом кривых. В этом альбоме собрано большое количество схем различных механизмов. Рядом с каждым механизмом помещены кривые, которые описывают некоторые точки его при своём движении. Таким образом, при проектировании автомата достаточно подобрать в альбоме кривую, более или менее соответствующую необходимой. Когда такая кривая найдена, в схеме разыскивают точку, которая описала эту кривую. В этой точке закрепляют рабочий инструмент, и исполнительный механизм автомата найден.

С помощью такого альбома быстро и легко находят то необходимое соотношение звеньев механизма, при котором рабочий орган автомата непременно пойдёт по заданной траектории. Однако самой кропотливой и трудоёмкой частью работы при создании таких альбомов оказалось составление кривых. Их находили только после длительных графических построений.

Применение фотографии значительно упростило эту трудоёмкую работу. В Институте машиноведения Академии наук применяется новый, фотографический метод подбора кривых для каждого механизма. Этот метод очень интересен. Вместо расчётов и сложных чертежей здесь применён простой аппарат. Он представляет собой два рычага, как и в механизме Чебышёва, но они соединены не тонкой планкой, а пластинкой, в которой сделано большое количество отверстий. Один из рычагов заставляют совершать колебательное или вращательное движение. Это движение передаётся всей системе. Под пластинку подкладывают светочувствительную бумагу и освещают весь прибор сверху пучком параллельных лучей. Тогда движение каждой точки пластинки отразится на бумаге в виде соответствующей кривой.

Прибор для быстрого получения кривых фотографическим методом. Пластинку освещается параллельным пучком света и совершает определённое движение. На листе светочувствительной бумаги, положенной под пластинку, получается изображение траекторий всех её точек.

Теперь остаётся только найти на бумаге кривую, по форме соответствующую заданной, и соединить концы рычагов с точкой, которая описала эту кривую. Таким путём получают механизм, выполняющий требуемое движение.

Здесь разобраны только два примера получения механизмов с заданным движением. Но существует множество и других способов, ведущих к решению задачи. Все они объединяются в тот раздел науки об автоматах, который называется синтезом механизмов.

Институты Академии наук плодотворно работают в этой сложнейшей области науки, где математика и механика теснейшим образом сплелись с практикой конструирования разнообразных автоматических машин и аппаратов.