АКАДЕМИЯ НАУК
СССР
АКАДЕМИЯ НАУК СССР
Научно-популярная серия
А. Е. КОБРИНСКИЙ
УПРАВЛЯЮТ
СТАНКАМИ
ИЗДАТЕЛЬСТВО
АКАДЕМИИ НАУК СССР
Москва 1961
Scan AAW
Книга знакомит читателя с тем, как устроены и
действуют станки с цифровым управлением, какие
трудности возникали при их создании, как эти трудно-
сти были преодолены, каковы дальнейшие перспекти-
вы применения цифровых систем для автоматизации
процессов металлообработки. Попутно рассказывается
о системах счисления и способах кодирования, о прин-
ципах серводействия и обратной связи, о кибернетиче-
ских методах построения систем управления.
Предисловие
Их до сих пор называют по-разному: станки с электрон-
ным управлением, станки с программным управлением,
станки с цифровым управлением. Инженеры и ученые еще
не успели договориться о единой терминологии. Ведь про-
шло лишь немногим более десяти лет, как начали созда-
ваться первые образцы таких станков. А теперь уже десят-
ки научно-исследовательских институтов и заводов в нашей
стране и многие фирмы за рубежом разрабатывают самые
различные системы цифрового управления, используя и
развивая те идеи, которые были воплощены в первых
макетах и опытных образцах, создавая и совершенствуя
новые схемы, конструкции, узлы и элементы подобных
систем.
Системами цифрового управления оснащают металло-
режущие станки самого различного назначения, а в послед-
нее время такие системы начинают использовать для целей
управления контрольными автоматами и целыми автома-
тическими линиями станков.
Чем объяснить то большое внимание, которое уделяет-
ся этому новому направлению автоматизации? Какие идеи
использованы при создании цифровых систем управления
станками? Как устроены эти системы? И как действуют
оснащенные ими станки?
Вот те вопросы, на которые хотел ответить автор этой
книги, ответить, не прибегая к формулам и уравнениям,
в минимальном объеме используя специальную термино-
3
логию, принятую в механике и машиностроении, в электро-
технике и радиотехнике, в пневматике и гидравлике, во
всех тех отраслях науки и техники, которые в большей
или меньшей степени причастны к делу создания станков
с цифровым управлением.
Если эту книгу прочитает до конца конструктор, ме-
ханик, студент, выпускник средней школы, интересующий-
ся современной техникой, автор будет считать свою задачу
выполненной.
А может .быть и специалист-станкостроитель найдет
в ней что-нибудь интересное для себя.
I
еИ-----—.—-----*»
Полтора века назад
В 1801 г. на промышленной выставке в Париже среди
прочих экспонатов был выставлен ткацкий станок, во-
круг которого всегда толпились посетители. Этот станок
был оборудован устройством, позволяющим автоматизиро-
вать процесс выработки шелковой ткани с самым сложным
узором, процесс, ранее требовавший от ткача большого
искусства и очень большого труда.
Изобретателем этого станка был француз Жаккар, сын
лионского ткача. Еще в юности, работая ткачом, он пред-
принял первые попытки усовершенствовать ткацкий ста-
нок. Он продолжал эти попытки с перерывами около трид-
цати лет, пока, наконец, ему не удалось достичь успеха.
Путь Жаккара не был усеян розами. Достаточно ска-
зать, что один из первых образцов созданного им станка
был уничтожен его земляками — лионскими ткачами, бо-
явшимися, что это изобретение лишит их куска хлеба.
Но он добился своего. Станок Жаккара был отмечен
медалью Парижской выставки, а спустя всего лишь десять
лет только во Франции действовало около 12 тыс. таких
станков. Значительно усовершенствованный станок Жак-
кара до настоящего времени широко используется во всем
мире.
Почему нас заинтересовало изобретение Жаккара?
Это станет ясно, как только мы ознакомимся с принци-
пом действия ткацкого станка и сутью усовершенствова-
ния, внесенного в этот станок Жаккаром.
5
Рассмотрите внимательно ткань, из которой сшито
ваше платье, изготовлены полотенца, скатерти, ковровые
дорожки и другие мануфактурные изделия. Вы убедитесь,
что любая ткань получается путем взаимного переплете-
ния нитей, располагающихся перпендикулярно друг другу.
Нити, проходящие вдоль длины ткани, образуют так назы-
ваемую основу, поперечные нити — уток. Качество ткани
определяется материалом нитей основы и утка, а ее внеш-
ний вид — характер-ом переплетения этих нитей.
Принцип действия ткацкого станка, выполняющего это
переплетение, сводится к следующему. Нити основы (чи-
сло их может достигать нескольких тысяч) сматываются
с барабана, находящегося позади станка, и проходят через
отверстия — глазки в так называемых ремизках, располо-
женных перпендикулярно основе. Далее нити основы пе-
рекрывают качающийся брус и переходят в ткань, наматы-
вающуюся на вал, расположенный в передней части стан-
ка. Каждая из ремизок поочередно движется вверх и вниз.
Поднимаясь, она увлекает за собой те из нитей основы,
которые продернуты в ее глазки. При этом между подня-
тыми и не поднятыми нитями основы образуется промежу-
ток, который называется зевом. В этот зев, скользя по
площадке бруса, устремляется челнок, протягивая за собой
нить утка, после чего брус, качнувшись, прибивает ее
к опушке ткани. Ремизки все время меняются положением,
нити попеременно поднимаются и опускаются, а челнок
снует то туда, то обратно, переплетая уток с основой.
Две ремизки дают возможность получить только самое
простое переплетение, узор которого напоминает располо-
жение белых и черных клеток на шахматной доске.
Увеличивая число ремизок, можно усложнить перепле-
тение. Обычные ткацкие станки имеют до 24 ремизок. Но
этого мало. На таких станках можно вырабатывать ткань
только с мелким узором, содержащим не более 24 разно-
переплетенных нитей.
Дальнейшее повышение числа ремизок ведет к значи-
тельному увеличению размеров станка и связано с рядом
конструктивных трудностей. А возможность увеличивать
по желанию число разнопереплетенных нитей представля-
лась весьма заманчивой. Ведь при этом решался вопрос
автоматического изготовления на ткацком станке тканей
со сложным крупноузорным многоцветным рисунком.
6
2
Ткацкий станок:
1 — основа, 2 — ремизки, 3 — глазки, 4 — челнок
Все механизмы автоматического ткацкого станка получают движе-
ние от его главного вала. Число возможных комбинаций переплетения
нитей основы и утка определяется числом ремизок
Что же изобрел Жаккар?
Рассмотрим схему созданного им устройства. Здесь
каждая из нитей основы или небольшие группы этих ни-
тей проходят через глазки, выполненные в так называ-
емых лицах. Вверху лицы привязаны к вертикальным
крючкам (число лиц и крючков может быть больше тыся-
чи и располагаются они в несколько рядов), внизу к лицам
привязаны грузики, которые тянут вниз крючок, лицу
и нить основы. С каждым крючком соединена горизонталь-
ная игла. Все иглы проходят через специальную коробку,
с которой они связаны спиральными пружинами. Коробка
периодически совершает возвратно-поступательное движе-
ние влево и вправо.
С другой стороны прибора располагается его важней-
ший узел — призма, укрепленная на качающемся рычаге.
На эту призму надевается так называемый картон —
7
непрерывная цепь связанных между собой картонных
карт, число которых равно числу разнопереплетенных
нитей в узоре и подчас измеряется тысячами.
В картах в соответствии с вырабатываемым узором про-
сечены отверстия. При очередном ходе коробки соответ-
ствующие иглы проходят через эти отверстия, все осталь-
ные упираются в карту. В результате, связанные с иглами
крючки либо занимают вертикальное положение, либо
остаются отклоненными.
Процесс образования зева заканчивается движением
верхней решетки. Поднимаясь, она увлекает за собой вер-
тикально стоящие крючки, а с ними лицы и те нити осно-
вы, которым соответствуют пробивки в карте, после чего
челнок прокладывает уточную нить. Затем верхняя решет-
ка опускается, коробка с иглами возвращается в исходное
положение, призма поворачивается, подавая очередную
карту, поднимаются другие нити основы, туда и обратно
снует челнок, успевая в одну секунду проложить три уточ-
ные нити.
От ткача, работавшего на этом станке, уже не требова-
лось того высокого искусства, какое было нужно, когда
сложный узор ткался вручную. И работал ткацкий станок
с таким автоматическим прибором несравненно быстрее
нескольких самых высококвалифицированных ткачей.
А для того чтобы станок начал вырабатывать ткань
с новым узором, достаточно было заменить один картон
другим. Автомату при этом не надо «привыкать» к новому
узору, он сразу начинает работать в максимальном темпе.
Ткацкий станок, оснащенный прибором Жаккара, пред-
ставляет собой, если пользоваться современной терминоло-
гией, первую рабочую машину с программным управ-
лением.
Следует сказать, что в процессе зевообразования вместе
с верхней решеткой поднимаются сотни крючков, лиц, ни-
тей, грузиков, вес каждого из них достигает 40 г. В резуль-
тате вес частей, совершающих три хода в секунду, состав-
ляет несколько десятков килограмм. Вряд ли механизм
зевообразования мог надежно работать, если бы такие
усилия пришлось передавать через иглы и перфокарты.
Жаккар нашел выход из этого положения. В его приборе
механизм зевообразования приводится в движение с по-
мощью массивных рычажных передач. Мощность, необхо-
8
9
Прибор Жаккара:
1— крючки, 2 — иглы, 3 — лицы, 4 — гла зки, 5 — грузики, 6 — нажимная
коробка, 7 — призма, 8 — перфорированная карта, 9 — верхняя решетка
Прибор Жаккара превратил ткацкий станок в автомат с программным управ-
лением. Узор вырабатываемой ткани задается набором перфорированных карт
димая для привода, поступает из нерегулируемого по-
стоянного источника (в современных станках — от элек-
тродвигателя) . И только ничтожная доля этой мощности
затрачивается на управление перемещением игл с крюч-
ками.
Значит, в этой машине уже был использован принцип
серводействия, сущность которого сводится к тому, что
с помощью слабого сигнала управляют большой мощ-
ностью. А ведь принцип серводействия, как мы увидим
9
дальше, составляет основу большинства современных си-
стем автоматического управления.
Но станок Жаккара интересен не только потому, что
он был головным в ряду машин с программным управле-
нием и уже в первых конструкциях содержал в себе эле-
менты современных автоматов. Он представляет интерес
еще и как пример удивительного долголетия идеи решения
важной технической задачи. Со дня изобретения Жаккара
прошло более полутора веков, однако до сих пор не най-
дено лучшего способа выработки тканей со сложным
узором.
А теперь познакомимся с другим предшественником
современных автоматов с программным управлением,
с пианолой — «механическим пианистом», получившей
широкое распространение в конце прошлого века.
Пианола представляет собой знакомое всем пианино
(или его ближайший «предок» — фортепиано), оснащен-
ное дополнительными устройствами, предназначенными
для механического воспроизведения музыки.
Мелодия «записывалась» в форме отверстий на плотной
бумажной ленте. Ширина ленты была такой, что на ней
могло разместиться 88 отверстий в ряд — по числу клави-
шей в клавиатуре пианолы. Но, конечно, в каждом из та-
ких рядов, следующих один за другим по длине ленты,
пробивались не все отверстия. Каждая позиция по ширине
ленты соответствовала определенной клавише. И когда
в соответствии с записываемой мелодией эту клавишу сле-
довало нажать, в ленте пробивалось отверстие. Лента пе-
рематывалась, и строка за строкой на нее наносилась
мелодия.
Готовый валик устанавливался в приемное устройство
пианолы и с помощью ножного привода приводился в дви-
жение. При этом лепта, перематываясь с одного ролика на
другой, огибала специальный распределитель, в котором
просверлено 88 отверстий. И как только то или иное отвер-
стие на бумаге совпадало с отверстием на распределителе,
соответствующая клавиша опускалась, нажатая невидимым
пианистом. Этим невидимым пианистом был воздух. С по-
мощью воздуха «считывалась» с ленты мелодия, воздух
приводил в движение клавиши.
Система привода основных механизмов пианолы и
управления ими действовала так. Каждое из отверстий в
10
Пианола:
1 — перфорированная лента, 2 — распределитель, з — клапан, 4 — пневма-
тик привода клавиши, 5 — мембрана, 6 — клавиша, 7 — соединительный
канал, 8 — педаль, 9 — обратные клапаны, 10 — пневматик откачки воздуха
Музыкальную мелодию можно записать не только в виде нотных значков, но
и в форме отверстий на бумажной ленте. Такая лента представляет собой
«программу» работы пианолы
распределителе соединялось каналом с пространством под
мембраной, выполненной из мягкой кожи. В полости над
мембраной в течение всего времени действия инструмента
поддерживалось некоторое разрежение. Полости, разде-
ленные мембраной, сообщались чрезвычайно узким ка-
налом, однако достаточным для того, чтобы разрежение
11
по обе стороны было одинаковым, когда входное отверстие
закрыто лентой, перематывающейся с одного ролика на
другой.
Привод клавиши осуществлялся так называемым пнев-
матикой, который небольшим клапаном отделялся от
полости над мембраной; при этом давление в пневматике
равнялось атмосферному. Однако как только во входной
канал через отверстие в бумаге поступал наружный воздух,
давление под мембраной становилось равным атмосфер-
ному, клапан поднимался, перекрывая доступ наружного
воздуха в пневматик. При этом полость пневматика сооб-
щалась с полостью, в которой поддерживалось разрежение.
Давление в пневматике становилось ниже атмосферного,
и он сжимался, приводя в движение механизм клавиши.
Затем входное отверстие вновь перекрывалось бумагой,
давление по обе стороны мембраны благодаря действию
соединительного канала выравнивалось, клапан опускался,
полость пневматика сообщалась с атмосферой, и клавиша
занимала исходное положение.
Играющему на пианоле оставалось только откачивать
воздух, для чего служили специальные педали, и с по-
мощью простых устройств управлять громкостью звука
и темпом исполнения.
После того, как в 1842 г. французом Сейтром была
построена первая пианола, ряд фирм и отдельные изобре-
татели в течение последующих лет внесли много остроум-
ных усовершенствований в механизмы пианолы так, что
последние ее конструкции давали возможность записать
и автоматически воспроизвести игру пианиста-виртуоза.
Выпуск пианол, автоматических приставок к пианино
и бумажных роликов с записанной на них музыкой к
концу XIX в. получил размах промышленного произ-
водства.
Однако мы знаем, что судьба пианолы коренным обра-
зом отличается от судьбы станка Жаккара. Ведь в наши
дни пианолу можно встретить только в музеях музыкаль-
ных инструментов.
Почему?
В 1877 г. появился фонограф Эдисона и, несмотря на
несовершенство первых его конструкций, пианола сразу
и безнадежно устарела, хотя ее продолжали улучшать и
совершенствовать. Устарела не система управления этим
12
автоматическим музыкальным инструментом, а устарел
использованный в пианоле способ записи и воспроизведе-
ния звуков, устарел, если можно так выразиться, «техно-
логический процесс», реализуемый этим музыкальным ав-
томатом.
К тому же пианола воспроизводила одну только фор-
тепианную музыку. А фонограф был универсалом. С его
помощью одинаково просто можно было воспроизвести
игру целого оркестра, пение, речь, разговор. Да и звуко-
запись осуществлялась им сравнительно просто. Фонограф
«запоминал» все звуки, которые в него поступали в период
записи.
Вот почему фонограф — этот предшественник грамофо-
на, патефона, магнитофона — без особого труда победил
своего несовершенного конкурента.
Судьбу пианолы разделили многие изобретения, и нам
казалось полезным упомянуть об этом, подчеркнув тем
самым, что в любой машине, в любом автомате должны
гармонически сочетаться совершенная система управления
и совершенный технологический процесс.
А о том, что система управления, использующая пер-
форированную бумажную ленту и пневматику, не устаре-
ла, свидетельствует, например, монотип — вполне совре-
менная полиграфическая машина, хотя она уже тоже до-
стигла семидесятилетнего возраста.
В строю агрегатов, механизирующих и автоматизиру-
ющих технологический процесс производства книги, моно-
тип стоит «на правом фланге», в группе наборных машин,
которые начинают этот процесс. С помощью наборных
машин осуществляется переход от рукописного текста
к печатной форме. Затем включаются в работу печатные
и переплетно-брошюровочные машины, назначение кото-
рых ясно из их названия.
Монотип фактически представляет собой комплекс,
состоящий из двух машин, непосредственно не связанных
между собой. Первая из этих машин — наборная головка —
напоминает собой обычную пишущую машинку, только со
значительно большим числом клавишей (286 вместо 50 на
обычной пишущей машинке). Наборщик на этой машине
работает так же, как машинистка, нажимая поочередно
клавиши и «набирая» таким образом текст в соответствии
с рукописью.
13
Однако вместо обычных страниц печатного текста
наборная головка выдает бумажную ленту с пробитыми
в ней отверстиями. Головка устроена так, что при нажатии
на одну из клавишей в бумажной ленте пробивается одно
или два отверстия в определенном месте по ширине ленты,
причем возможное число таких мест равно 31. Нетрудно
подсчитать, что число возможных комбинаций расположе-
ния пробивок в ленте достигает 497. Этого числа более чем
достаточно, чтобы зашифровать или, как говорят, закоди-
ровать те буквы, цифры, знаки и вспомогательные дейст-
вия набора, которым соответствуют клавиши головки. При
нажатии на очередную клавишу в ленте с помощью сжа-
того воздуха осуществляется перфорация, после чего она
передвигается на один шаг. Для того чтобы набрать только
одну страницу этой книги (здесь приблизительно 2 тыс. ти-
пографских знаков), потребовалось около 7 м монотипной
ленты.
Вторая часть монотипа — отливная машина — пред-
ставляет собой автомат, программу работы которого опре-
деляет перфорированная лента. При помощи специального
устройства лента вводится в отливную машину и примерно
так же, как в описанной выше пианоле, протягивается
через специальный распределитель, перекрывая имеющие-
ся в нем 31 отверстие, ведущие к воздухопроводным труб-
кам. При этом она плотно прижимается к распределителю
под действием сжатого воздуха, подводимого извне (в ме-
ханизме пианолы это достигалось созданием разрежения
внутри самой системы). В процессе движения отверстия
на ленте совпадают с теми или иными отверстиями распре-
делителя, открывая тем самым доступ сжатому воздуху
в соответствующие воздухопроводные трубки.
А дальше?
Центральным узлом отливной машины является так
называемая матричная рамка, которая несет 225 матриц,
расположенных в 15 рядов. Каждая из матриц представ-
ляет собой медный брусочек квадратного сечения, на торце
которого выполнены вдавленные изображения букв, цифр,
различных типографских знаков.
Под матричной рамкой располагается отливной аппа-
рат, который букву за буквой, знак за знаком отливает
из легкоплавкого сплава весь набранный текст. Отлитые
буквы и знаки автоматически собираются в строки, обра-
14
Монотип:
1 — перфорированная лента, 2 — упоры матричной рамки, з — воздухопровод-
ные трубки, 4 — распределитель сжатого воздуха
Движением матричной рамки монотипа управляет перфорированная лента,
на которой наборщик «записал» нужный текст
зующие печатную форму, которая в дальнейшем устанав-
ливается в печатной машине.
Пневматическая система управления монотипа должна
каждый раз автоматически останавливать матричную рам-
ку так, чтобы над отливным аппаратом оказывалась мат-
рица именно той буквы, которую следует отлить. Дости-
гается это следующим образом. Матричная рамка получает
движение в двух направлениях, причем на каждом из этих
направлений она может быть остановлена в любом из
15 положений выдвижными упорами. Значит, та или иная
комбинация выдвинутых упоров определяет одно из 225
(15 X 15) возможных положений матричной рамки по
15
отношению к отливному аппарату. Выдвижение того или
иного упора происходит под действием сжатого воздуха,
поступающего по воздухопроводной трубке.
При передвижении ленты на один шаг открываются
два (или одно) очередных отверстия; по двум (или одной)
трубкам сжатый воздух подается в полость под упорами,
поднимая их вверх. Матричная рамка перемещается до
этих упоров, очередная матрица останавливается над от-
ливным аппаратом, и буква отливается. К этому времени
лента переместится на один шаг, и система подготовится
к следующему циклу работы. Не следует думать, что про-
цессы перестановки рамки и отливки букв занимают много
времени: в одну секунду автомат отливает три буквы,
успевая обслуживать двух наборщиков.
Мы познакомились с тремя машинами, которые автома-
гически воспроизводят заданный узор ткани, заданную
мелодию, заданный текст.
Число примеров использования перфорированных лент
и карт для управления работой различных машин, аппа-
ратов и устройств можно было бы значительно увели-
чить.
Однако в этом нет необходимости: для нас важно, что
три описанных выше автомата осуществляют самые раз-
личные процессы, а вместе с тем идеи, положенные в ос-
нову их построения, имеют между собой много общего.
Прежде всего бросается в глаза, что совершенно одина-
ковым способом задается программа работы этих трех ав-
томатов. И узор, и мелодия, и текст зашифровываются
в форме пробивок либо на карте, либо на ленте. Есть от-
верстие — действие совершается, нет отверстия — действие
не совершается.
Но помимо этого совершенно явного внешнего сходства
имеется еще одна черта, общая для этих автоматов. Она
состоит в том, что действия, которые совершаются систе-
мой управления, предельно просты независимо от слож-
ности программы. В машине Жаккара крючок либо зани-
мает вертикальное положение, либо отклонен; рычаги пиа-
нолы либо подняты, либо опущены; упоры монотипа либо
выступают, либо утоплены.
Идея шифрования программы работы автомата в форме
пробивок или других отметок на перфокартах, перфолен-
16
тах или на других носителях программы, так же как и
идея представления сложной программы в виде совокуп-
ности простейших элементов — эти идеи получили в по-
следние годы широкое развитие и применение, в частности,
при создании систем программного управления металло-
режущими станками.
Вот почему, пытаясь разобраться в современных слож-
ных автоматах, интересно и полезно вспомнить, как дей-
ствуют их ближайшие «родичи», уже прошедшие суровую
проверку временем.
2 А. Е. Кобринский
II
--	-	. .. 1^
„За“ и „против^ технолога
У читателя, ознакомившегося с содержанием предыду-
щей главы, может возникнуть естественный вопрос:
почему в ткацком деле автоматы с программным управле-
нием появились намного раньше, чем в станкостроении?
Может быть все дело в изобретательности Жаккара?
Конечно, нет! В станкостроении, как и в текстильном,
производстве, полиграфии и других отраслях техники, ра-
ботало и работает огромное число талантливых людей, со-
здавших множество оригинальных машин, механизмов,
приборов и устройств.
Ответ на поставленный вопрос кроется в чрезвычайной
сложности тех процессов металлообработки, автоматизация
которых составляет главную задачу систем программного
управления. И решать эту задачу оказалось возможным
и целесообразным лишь тогда, когда машиностроение,
электроника, вычислительная техника достигли опреде-
ленного уровня развития, когда были созданы самые раз-
личные средства автоматики, широко используемые при
создании современных систем управления.
Что же это за процессы, автоматизация которых пред-
ставляет такие трудности? Как они выполняются сейчас?
Ведь в цехах еще мало станков с программным управле-
нием. И почему так велика необходимость в этих станках?
Узнав это, мы поймем причины, обусловливающие ши-
рокий размах работ, которые ведутся в области создания
и усовершенствования станков с программным управ-
лением.
18
Вы, наверно, неоднократно восхищались обтекаемыми
формами современных автомобилей — «Москвича», «Вол-
ги», «Чайки». Кузов такого автомобиля представляет со-
бой чрезвычайно сложную поверхность. В основном он
состоит из нескольких тонких стальных листов, изогнутых
в самых различных направлениях, т. е. из деталей, имею-
щих криволинейную поверхность. Каким образом изготов-
ляют эти части кузова автомобиля? Их штампуют. На
мощных прессах, развивающих усилия в сотни и тысячи
тонн, сжимают две половины штампа и стальному листу
придают необходимую форму. А как же изготовить сам
штамп? Ведь его рабочие поверхности должны в точности
повторять сложную форму тех или иных деталей автомо-
биля.
Источником мощности большинства современных само-
летов является реактивный двигатель. Сердце этого двига-
теля — газовая турбина — представляет ряд сидящих на
общем валу дисков, каждый из которых несет на своей пе-
риферии несколько десятков, а то и сотни лопаток — изог-
нутых пластин чрезвычайно сложной формы. Как изгото-
вить такие лопатки?
Около двухсот лет тому назад талантливый русский
механик А. К.'Нартов изобрел первый механизированный
копировально-токарный станок. Идея, положенная в осно-
ву этого станка, заключалась в том, чтобы механизировать
изготовление ряда одинаковых изделий путем копирования
заданного образца. На первых таких станках выполнялись
гравировальные работы по железу, меди, серебру, золоту,
причем только первое изделие гравер выполнял вручную.
Затем оно в качестве образца устанавливалось на копиро-
вальный станок, механически переносивший рисунок с это-
го образца на очередное изделие.
В дальнейшем методы копирования были значительно
развиты, усовершенствованы, и в настоящее время они
находят широкое применение при обработке изделий,
имеющих сложные криволинейные профили поверхности.
Наряду с копировально-токарными и копировально-
шлифовальными станками, в цехах заводов можно видеть
большое число копировально-фрезерных станков самого
разного назначения и самых разных размеров — вплоть до
таких гигантов, на которых можно обрабатывать изделия
до 18 м длиной и до 8 м в диаметре.
2*
19
Эти обстоятельства побуждают нас рассказать о том,
как устроены и как действуют копировальные станки. Та-
кой рассказ вместе с тем упростит главную задачу книги —
понятно рассказать о станках с программным управлением.
Принципиальная схема копировально-фрезерного стан-
ка крайне проста. На столе такого станка, кроме заготовки,
устанавливается точная модель того изделия, которое дол-
жно быть изготовлено. Эту модель называют по-разному:
эталон, шаблон, чаще всего копир. Она представляет собой
воплощенную в металле «программу» работы станка. За-
готовка и копир приводятся во вращение с одинаковой
скоростью. В постоянном соприкосновении с копиром на-
ходится ролик, который в процессе вращения копира
катится по его профилю, в точности следуя всем очерта-
ниям последнего. Движение ролика повторяет связанная
с ним фреза, которая движется относительно заготов-
ки, «перенося» на нее все размеры и конфигурацию мо-
дели.
Постоянный контакт между копировальным роликом
и копиром, а следовательно между фрезой и изделием, до-
стигается при помощи груза, пружины, либо гидравличе-
ского или пневматического нажимного устройства.
Так устроены копировальные станки с механическим
управлением, т. е. с механической передачей движения от
копира к фрезе. Однако этим станкам свойствен весьма су-
щественный недостаток. Дело в том, что усилие, необходи-
мое, чтобы переместить инструмент относительно заготов-
ки, достигает в больших копировальных станках 5 тыс. кг.
Это усилие передается через копир и копировальный па-
лец, осуществляющие управление работой системы. Как
видим, в системе с механическим управлением не исполь-
зован принцип серводействия. Усилия, необходимые для
управления, оказываются равными рабочему усилию,
и это сразу же накладывает определенные ограничения на
возможности применения такой системы управления.
Копировальные станки с механическим управлением,
как правило, применяются при обработке сравнительно
небольших изделий несложной конструкции. При этом они
могут обеспечить чрезвычайно высокую точность копиро-
вания, поскольку усилия подачи при таких размерах из-
делий оказываются небольшими, и, следовательно, дефор-
мации копира и ролика не вносят больших погрешностей.
20
К о пиро в алъно-фрезерный станок:
1 — копир, 2 — ролик, з — заготовка изделия, 4 — фреза
Программа движения фрезы полностью определяется профилем копира. На-
ружный диаметр фрезы должен быть равен диаметру ролика, обкатывающего
копир
Типичным примером такого изделия может служить
кулачковый валик автомобильного двигателя. Автомобиль-
ный двигатель — двигатель внутреннего сгорания. Каждый
из его цилиндров периодически наполняется горючей
смесью паров бензина и воздуха. Впуск горючей смеси и
выброс продуктов сгорания осуществляется через спе-
циальные клапаны. Движением этих клапанов управляют
кулачки — криволинейные выступы на кулачковом валике.
На кулачковом валике двигателя современного грузового
автомобиля расположено 12 кулачков. В 1959 г. в Совет-
ском Союзе только грузовых машин выпущено свыше
350 тысяч. При этом потребовалось обработать с высокой
точностью почти пять миллионов криволинейных профи-
лей на одних только кулачковых валиках. Вся эта работа
была выполнена на специальных токарных и шлифоваль-
ных станках, работающих по принципу механического ко-
пирования.
Заметим, что при таких масштабах производства изго-
товление копиров представляет отдельную большую тех-
нологическую задачу, которая также решается методом
копирования. Другими словами, сами копиры в свою оче-
редь изготовляются на копировальных станках также
с механическим управлением, причем образцом, по которо-
му они обрабатываются, служит эталон — изделие, изго-
товленное специальными, чрезвычайно трудоемкими ме-
тодами, с точностью порядка одного микрона (0,001 мм).
Хорошо ли вы представляете эту величину —микрон?
Толщина человеческого волоса составляет от 30 до 60 р.
Нить искусственного волокна тоньше, но и она измеряется
величиной порядка 20—40 ц. Шелкопряд прядет нить тол-
щиной 12—15 ц. Размеры микроскопических организмов —
бактерий составляют в среднем от 1 до 5 ц. Вот с какими
величинами приходится иметь дело машиностроителям.
В 1900 г. итальянец Бонтемпи применил для копиро-
вального станка схему с гидромеханическим управлением.
Он использовал принцип серводействия и благодаря этому
главный недостаток станков с механическим управлением
был устранен.
Схема Бонтемпи действует следующим образом. Копир
и заготовка так же, как и в станках с механическим управ-
лением, устанавливаются на одном столе и получают дви-
жение от одного и того же источника мощности. При этом
ролик, или как его обычно называют щуп, движется вдоль
по профилю копира, к которому он прижат действием пру-
жины. Но теперь уже движение щупа не передается непо-
средственно режущему инструменту, как это было в стан-
ке с механическим управлением. Такая передача осуществ-
ляется гидравлической системой, состоящей из насоса,
качающего жидкость (минеральное масло), и двух цилин-
дров, внутри которых перемещаются поршни. Вся гидро-
система укреплена на столе, который по специальным на-
правляющим может двигаться, приближаясь к столу, несу-
щему копир и заготовку, или отходя от него. На этом же
столе укреплена фреза, обрабатывающая заготовку.
Один из двух поршней (больший) укреплен неподвиж-
но. Значит, если в левую полость этого цилиндра подавать
жидкость под давлением, а из правой полости цилиндра ее
22
Гидрокопировалъное устройство:
I — копир, 2 — щуп, з — золотник, 4 — фреза, 5 — поршень, 6 — насос,
7 — масляный бак, 8 — трубопроводы
Движение от ролика к фрезе передается с помощью следящей системы.
Когда ролик и фреза займут одинаковые положения по отношению к копиру
и заготовке, золотник перекроет трубопроводы
выпускать, то весь стол вместе со щупом и фрезой будет
двигаться влево и, наоборот, подавая жидкость в правую
полость, мы заставим стол двигаться вправо.
Подачей жидкости в полости цилиндра управляет вто-
рой, небольшой поршень, или, как его называют, золотник,
связанный со щупом и движущийся внутри вспомогатель-
ного цилиндра (сервоцилиндра). Золотник несет два коль-
ца и, занимая среднее положение, закрывает ими сразу обе
трубки — для подачи и слива масла из цилиндра. Если же
щуп, а с ним и золотник передвинутся влево, обе трубки
откроются одновременно. При этом по левой трубке, кото-
рая окажется между двумя кольцами золотника, масло под
давлением будет поступать в левую полость цилиндра, стол
начнет двигаться влево, а по правой трубке масло будет
33
выливаться в масляный бак. Стол будет двигаться до тех
пор, пока золотник снова не перекроет отверстия трубок.
Точно так же при движении щупа, а с ним и золотника
вправо стол вместе со щупом и фрезой будет двигаться
вправо и вновь остановится, когда золотник займет среднее
положение.
Если насос качает масло под давлением 30—40 атм
(это небольшое давление для гидросистем), то при диамет-
ре большого цилиндра, равном, нацример 10 см, можно по-
лучить движущее стол усилие, равное 2,5—3 т. А для того,
чтобы управлять этим усилием, достаточно пальцем нажи-
мать на щуп, перемещая золотник вправо или влево. Уси-
лие, необходимое, чтобы управлять движением тяжелых
узлов копировального станка, уменьшилось при этом в ты-
сячи раз.
Теперь копир можно изготовить из легкого сплава и
даже из дерева, стоимость материала и обработки при этом
значительно уменьшится, а долговечность копира уве-
личится. Все это потому, что через цепь управления пере-
даются только те усилия, которые необходимы для подачи
команд. Эти сигналы управляют мощностями, в тысячи
раз большими, чем мощность самого сигнала. И это дале-
ко не предел.
Принцип серводеиствия нашел самое широкое приме-
нение для целей управления и автоматизации, а специаль-
ные усилители мощности — электронные, электрические,
гидравлические, механические — можно встретить в любой
машине, любом автомате, любой системе управления.
Но вернемся к нашему копировальному автомату.
Обратите внимание на то, что стол вместе с фрезой как
бы «следит» за перемещением щупа. Щуп перемещается
влево — и стол вместе с фрезой перемещается влево. Щуп
двинулся вправо — стол с фрезой вправо. Эта система так
и называется — следящая система. Она автоматически на-
чинает действовать, как только возникает различие между
положениями щупа и фрезы, все время действует так, что-
бы это различие устранить, и прекращает действовать
лишь тогда, когда щуп и фреза займут необходимые по-
ложения.
Принцип слежения, сущность которого состоит в том,
чтобы исполнительный орган (в нашем случае инстру-
мент) в точности повторял движение управляющего органа
Я4
Используя принцип сере о действия, можно управлять мощностью,
в сотни тысяч раз большей по сравнению с мощностью, которой
должен обладать] управляющий сигнал
(щупа), не будучи с ним непосредственно связан, этот
принцип, наряду с принципом серводействия, нашел ши-
рокое применение в современном машиностроении и,
в частности, как мы увидим дальше, при создании станков
с программным управлением.
Разумеется, что ни Жаккар, ни Бонтемпи не являются
изобретателями этих принципов. Скорее всего они и не по-
дозревали, насколько важное значение для машинострое-
ния имеют системы усиления и системы слежения. Они
просто искали и находили рациональные конструктивные
решения стоящей перед ними частной инженерной задачи.
Точно так же действовали многие выдающиеся изобрета-
тели. И созданные ими оригинальные и вместе с тем про-
стые и надежные конструкции становились прообразами
современных машин и автоматов.
Почти одновременно с гидрокопировальными система-
ми появились копировальные станки, оснащенные систе-
мами электромеханического управления.
В одной из таких систем копир и заготовка также дви-
жутся вместе. Копир, нажимая на щуп, передвигает его
вправо, а если на копире имеется впадина, то щуп под
действием пружины движется влево в пределах малого
зазора между контактами измерительного устройства.
25
Смещаясь вправо или влево, щуп замыкает либо один, либо
другой контакт, замыкая тем самым электрическую цепь
включения силового электродвигателя, приводящего в дви-
жение стол станка. При замыкании левого контакта весь
стол вместе с фрезой и щупом смещается влево до тех пор,
пока левый контакт не разомкнется. При замыкании пра-
вого контакта двигатель начинает вращаться в другую
сторону, а вместе с ним и стол начинает двигаться вправо.
Аналогичным образом осуществляется управление сило-
вым двигателем, приводящим во вращение копир и обраба-
тываемую заготовку.
Следует при этом иметь в виду, что через цепи контак-
тов текут только слабые токи. В дальнейшем с помощью
усилительного устройства включаются реле, управляющие
подачей тока в силовые двигатели.
Таким образом, электромеханическая система управ
ления, так же, как и гидромеханическая, обеспечивает
возможность непрерывного слежения фрезы за движением
щупа и, следовательно, возможность копирования разме-
ров и формы эталона.
Копировальные станки находят широкое применение
в самых различных отраслях техники. С их помощью об
рабатывают судовые гребные винты, воздушные винты
самолетов, лопасти газовых, паровых турбин и гидротур-
бин, детали двигателей внутреннего сгорания, литейные
и прессовые формы самого различного назначения, раз-
меров и форм. Но, конечно, точность изделия, обработан-
ного на копировальном станке, будет во всяком случае
ниже той точности, с которой изготовлен сам копир. На
точности изделия сказываются не только те погрешности,
которые были допущены при изготовлении модели. Допол-
нительные ошибки появляются и в процессе обкатывания
роликом копира и при передаче движения от щупа к фре-
зе. В станках, оснащенных системами гидромеханического
или электромеханического слежения, величина этих оши-
бок больше, в станках с механическим управлением —
меньше, но исключить их полностью нельзя.
Иногда изделие имеет такие большие размеры, что
если модель будет изготовлена в натуральную величину,
то и станок-гигант не управится с его обработкой. Изготов-
ление же большого изделия по небольшой модели связано
со значительным увеличением погрешностей обработки,
26
Электрокопировалъное устройство'.
1 — копир, 2 — щуп, 3 — фреза, 4 — измерительное устройство,
5 — электродвигатель, 6 — усилитель
Когда возникает рассогласование положений щупа и фрезы, соответст-
вующие контакты замыкаются. При этом включается силовой элект-
родвигатель, и стол начинает двигаться в направлении, необходимом
для устранения рассогласования
И самое главное — для того, чтобы получить высокоточное
изделие, необходимо изготовить точную модель — копир,
причем часто погрешности не должны превышать 0,01 мм.
Если обрабатываемое изделие имеет сложный профиль или
сложную поверхность, то на обработку соответствующей
модели может уйти много часов, дней, а иногда и недель
высококвалифицированного ручного труда. А ведь иногда
для обработки одного изделия требуется два-три разных
копира. Итак, методы копирования имеют много «за»
и много «против». Технология машиностроения — не таб-
лица умножения, в которой все ответы однозначны. И вы-
бирая тот или иной процесс, технолог всегда вынужден
тщательно взвешивать все «за» и «против».
В начале этой главы мы в качестве примера рассказали
о технологии обработки кулачковых валиков автомобиль-
ного двигателя. Конечно, изготовление эталона требует
много времени и обходится дорого, но зато по этому этало-
ну можно изготовить быстро и точно не один десяток копи-
ров. А по каждому из копиров будут обработаны сотни и
тысячи кулачковых валиков. В конечном счете скажется,
что стоимость эталона явится совсем незначительным «до-
веском» к стоимости каждого кулачкового валика. Точно
так же дело будет обстоять и во многих других случаях,
когда речь идет об обработке в течение длительного време-
ни большого числа одинаковых изделий, особенно если эти
изделия не очень больших габаритов и не очень сложной
формы.
Но современные отрасли техники, такие как авиация,
ракетостроение, радиотехника, выдвигают перед станко-
строением задачи совсем иного характера.
Скелет современного самолета часто состоит из круп-
ных монолитных деталей фасонной конфигурации, благо-
даря чему его фюзеляж и крылья имеют такую изящную
обтекаемую форму. Размеры этих деталей достигают 20 м
в длину, причем для обработки некоторых из них методом
копирования необходим комплект из трех различных ко-
пиров. Представление о необходимом объеме работы дают
более или менее достоверные цифры, опубликованные в за-
рубежной печати. Для обработки всех деталей скелета тя-
желого самолета требуется не менее 1800 копиров. Заго-
товки, которые будут обрабатываться по этим копирам, а
также заготовки других деталей предварительно штампу-
ются в специальных штампах. Таких штампов требуется
подчас 3—5 тыс. штук.
Помимо этого, при подготовке к производству каждого
нового типа самолета требуется значительное количество
шаблонов, которые служат для контроля при изготовле-
нии самых различных деталей самолета. И если по каждо-
му из копиров и штампов в дальнейшем будет изготовлено
не одно, а несколько заготовок и изделий, в зависимости о г
количества выпускаемых самолетов данного образца, то
шаблоны, как правило, изготовляются всего лишь в одном-
двух экземплярах. На один тип самолета обычно требует-
ся 15—20 тыс. шаблонов.
И, наконец, для наладки металлорежущих станков, ве-
дущих обработку прочих деталей тяжелого самолета, тре-
буется до 1000 различных кулачков. Время, которое необ-
ходимо только на обработку криволинейных профилей
2Я
и поверхностей всей так называемой оснастки (штампов,
копиров, кулачков, шаблонов), исчисляется сотнями тысяч
часов и связано с затратой очень больших средств. А кон-
струкции самолетов изменяются, как мы знаем, часто; при
переходе к выпуску новой конструкции всю эту работу
приходится начинать заново. И если не обеспечить высо-
кий темп производства, то может оказаться, что новая
конструкция самолета окажется устаревшей еще до того,
как будет изготовлена оснастка, необходимая для его се-
рийного производства. Это вынуждает технологов и стан-
костроителей искать решения, которые позволили бы ав-
томатизировать процессы обработки деталей, не прибегая
к изготовлению эталонов или копиров, другими словами,
не моделируя физическими средствами ту программу, для
реализации которой предназначен данный автомат.
Относительно недавно эти поиски привели наконец
к новому, цифровому принципу задания программы, во-
площенному в станках с программным управлением.
Таким образом, первая и важнейшая задача, для реше-
ния которой предназначаются станки с программным
управлением, состоит в автоматизации обработки сложных
изделий, имеющих криволинейные профили и поверхности.
Система управления должна при этом обеспечить задан-
ное относительное движение инструмента и заготовки без
применения копира и возможность быстрого перехода
с обработки одного изделия на обработку другого изделия,
особенно тогда, когда они выпускаются одиночными эк-
земплярами или небольшими партиями.
Эти задачи намного серьезней, чем может показаться
с первого взгляда. Мы уже указывали в качестве примера,
какой огромный объем работы подобного характера при-
ходится выполнять при создании нового самолета. Отме-
тим еще и тот факт, что даже в такой высокоразвитой
в промышленном отношении стране, как США, до настоя-
щего времени 75% всех изделий металлообработки произ-
водится от 15 до 50 штук каждое, т. е. очень небольшими
партиями. Нетрудно себе представить, какой экономиче-
ский эффект даст автоматизация такого мелкосерийного
и индивидуального производства.
Следует сказать, что уже к настоящему времени опыт,
накопленный в Советском Союзе и за рубежом, дает боль-
шое число убедительных примеров экономии времени и
29
средств, которой удается достигнуть при применении
станков с программным управлением.
Например, на изготовление сложного копира для обра-
ботки турбинных лопаток на универсальном станке тре-
буется около трех недель, а на фрезерном станке с про-
граммным управлением — всего лишь четыре часа. Две
недели нужно для того, чтсбы обычными средствами и
приемами изготовить одну из сложных деталей радиоап-
паратуры — волновод. Применение станков с программным
управлением сокращает это время до одного часа. На из-
готовление судового гребного винта обычными средствами
требуется 200—300 часов, станок с программным управ-
лением позволит выполнить эту работу со значительно
большей точностью в 5—10 раз быстрее.
Число подобных примеров непрерывно увеличивается
по мере того, как накапливается опыт использования стан-
ков с программным управлением.
Задача обработки криволинейных профилей и поверх-
ностей важнейшая, но далеко не единственная из числа
тех, которые решаются с помощью систем программного
управления. Так, в частности, уже в течение ряда лет
много внимания уделяется автоматизации сверлильных
и особенно координатно-расточных станков. Часто оказы-
вается необходимым обработать несколько отверстий
в разных точках изделия, причем расстояния между этими
отверстиями должны выдерживаться с очень высокой точ-
ностью, измеряемой микронами. При этом перестановка
инструмента или изделия из одного положения в другое
требует большого внимания, времени и очень высокой
квалификации рабочего. Конечно, возможность поручить
этот труд автомату представляется весьма заманчивой.
Системы программного управления можно применить
для решения ряда других технологических задач. Об этом
мы кратко расскажем в конце книги, но уже и теперь вид-
но, что копировальные станки и станки с программным
управлением не заменяют и не исключают друг друга.
Бесконечно разнообразны технологические задачи про-
цессов металлообработки. Столь же разнообразны методы
и средства автоматизации этих процессов. Среди этих ме-
тодов находят свое место и методы копирования, и методы
программной автоматизации, целесообразно дополняющие
ДРУГ Друга.
пт
«л*	"	.'*з
Автомат получает задание
Любой автомат или автоматическая линия представ-
ляет собой систему, работающую по определенной
программе без непосредственного участия человека. Про-
граммой работы определяется принцип действия, схема и
конструкция каждого автомата. По мере усложнения тех-
нологии обработки изделия, повышения требований к точ-
ности и производительности автомата его конструкция
оказывается все более тесно связанной с конструкцией
и размерами того вида изделий, для обработки которого он
предназначен. В связи с этим специализация автоматов
становится все более узкой. Автомат или автоматическая
линия может выпускать с высокой степенью точности гро-
мадные количества изделий, но одного типа. Переход же на
обработку другого изделия, подчас очень незначительно
отличающегося от предыдущего, связан со сложной и тру-
доемкой переналадкой автоматов, либо вообще оказывает-
ся невозможным.
Новое существенно важное свойство станков, оснащен-
ных системами программного управления, заключается
в том, что программа их работы, в отличие от программы
работы специализированного автомата, может меняться
в чрезвычайно широких пределах. Благодаря этому удает-
ся сочетать в одном агрегате производительность и точ-
ность специализированного автомата с приспосаблива-
емостью универсального оборудования.
Благодаря чему достигается высокая универсальность
автоматов с программным управлением? Чтобы это понять.
31
надо прежде всего сравнить способы задания программы
работы у автомата с программным управлением и у ав-
томата специализированного.
Проектируя специализированный автомат, предназна-
ченный для обработки того или иного изделия, конструк-
тор стремится так выбрать и расположить его механизмы
и устройства, установить значения пневматических, элек-
трических и гидравлических параметров, чтобы с их по-
мощью по возможности просто и надежно можно было
воспроизвести, или, как говорят, моделировать заданную
программу технологического процесса. Движение инстру-
мента относительно обрабатываемой заготовки при этом
определяется выбранной схемой автомата, размерами его
звеньев и механизмов, параметрами устройств. Естествен-
но, что при таком методе автоматизации переход на обра-
ботку другого изделия оказывается затруднительным.
Значит, избежать это затруднение можно только “при
условии, если программа работы будет сравнительно мало
связана с конструкцией автомата, если эту программу
можно будет легко и быстро менять. На примере копиро-
вальных станков видно, какие преимущества имеет эта
идея. Заменяя один копир другим, можно на одном и том
же станке автоматически обрабатывать самые разнообраз-
ные изделия. Но для того, чтобы обработать изделие на
копировальном станке, нужен прежде всего копир, кото-
рый должен быть изготовлен с точностью, превышающей
точность самого изделия.
Как обойтись без копира? Ответ на этот вопрос под-
сказывает схема станка Жаккара, пианолы, монотипа.
Программа их работы задана в виде пробивок на перфо-
ленте или перфокартах.
Само собой разумеется, что гораздо проще в определен-
ном порядке пробить ряд отверстий в бумажной ленте, не
слишком заботясь об их размерах и форме, нежели изго-
товить образец изделия, да еще с чрезвычайно высокой
точностью.
Простота такого способа задания определяется прежде
всего тем, что перфорированная лента ни в коей мере не
является образцом обрабатываемого изделия. Она вообще
ничем не напоминает о своем конкретном назначении. Она
не содержит сведений ни о цветах нитей, ни о музыкаль-
ных звуках, ни о типоцрафских знаках. Если бы ленты, уп-
,32
равняющие ткацким станком, пианолой и монотипом, были
одинаковы по размерам и конструкции, а нитей, струн и
печатных знаков было одинаковое число, тогда на ткацком
станке можно было бы «выткать мелодию», на пианоле
«сыграть текст», а на монотипе «набрать узор». Неосуще-
ствима эта мысль только потому, что у ткацкого станка,
пианолы и монотипа разное число исполнительных орга-
нов — крючков, клавишей и литер.
Запас сведений, заключенный в перфорированной лен-
те, касается только числа и выбора тех исполнительных
органов, которые должны быть приведены в действие в
данный момент, т. »е. сколько и каких нитей надо поднять
в данном такте работы машины, сколько и какие клавиши
должны быть нажаты, сколько упоров и какие именно сле-
дует выдвинуть.
А можно ли использовать такой метод задания програм-
мы для целей автоматизации металлорежущего станка?
Может быть он применим только в тех случаях, когда тех-
нологический процесс сравнительно прост, когда речь идет
о том, чтобы управлять только двумя положениями испол-
нительного органа, да и то без особых требований к точ-
ности этих положений?
Современный уровень техники позволяет применить
этот метод и в тех случаях, когда речь идет об автомати-
зации самых сложных процессов, выполняемых металло-
режущими станками.
Но ведь металлорежущий станок часто действует толь-
ко одним инструментом. Значит, при программировании
его работы вопрос о выборе того или иного исполнитель-
ного органа отпадает. Остаются только числа. Что же они
в этом случае должны характеризовать? В чем состоит
сущность числового задания программы?
Вернемся вновь к методу копирования. Представим се-
бе, что киноаппарат заснял процесс обработки криволи-
нейного профиля — процесс, в течение которого заготовка
вращалась равномерно, а фреза двигалась то в одну, то в
другую сторону, повторяя движение щупа.
Рассмотрим отснятую ленту кадр за кадром. Мы уви-
дим, что на каждом из этих кадров фреза (и заготовка,
конечно) занимает новое положение, отличающееся На
конечную величину от того положения, которое она за-
нимала на предыдущем кадре. Чем медленнее движется
3 А. Е. Кобринский	о.»
На кадрах киноленты зафиксирован ряд положений, ко-
торые последовательно занимает фреза и обрабатывае-
мое изделие через равные интервалы времени. При сос-
тавлении программы необходимо «заполнить» эти
положения в виде таблицы чисел
фреза и чем больше кадров в единицу времени мы снимаем,
тем меньшие расстояния отделяют два положения фрезы,
зафиксированные на двух смежных кадрах. И все-таки эти
расстояния можно измерить хотя и малой, но конечной ве-
личиной. Значит, на киноленте не зафиксирован полностью
весь процесс движения фрезы. Непрерывное ее перемеще-
ние представлено как совокупность кадров, показывающих
фрезу в ряде последовательных положений. При воспроиз-
ведении заснятого процесса зритель воспримет совокуп-
ность отдельных или, как говорят, дискретных, положений
фрезы как ее непрерывное перемещение. А бесчисленное
множество промежуточных положений, которые последова-
тельно занимает фреза между двумя положениями, зафик-
сированными на смежных кадрах, будет восполнено, прав-
да, только приблизительно за счет определенной инерции
зрительного аппарата человека.
Теперь нетрудно ответить и на вопрос относительно
главной особенности цифрового задания программы. Она
заключается в том, что необходимая для обработки изде-
лия траектория движения инструмента относительно за-
готовки представляется в виде ряда последовательных по-
34
ложений инструмента. Каждое из таких положений может
быть определено числом, характеризующим, например,
расстояние между центром фрезы и центром, вокруг кото-
рого поворачивается обрабатываемое изделие. Совокуп-
ность таких дискретных чисел, задающих ряд опорных
точек траектории, будет представлять собой программу
работы станка, выраженную в цифровом виде. В проме-
жутках между опорными точками фреза не будет переме-
щаться строго по заданной траектории, но если опорных
точек достаточное количество и если вся система в целом
правильно рассчитана и сконструирована, то отклонения
фактической траектории от заданной будут меньше неко-
торой обусловленной величины, и изделие будет обрабо-
тано с необходимой степенью точности.
Итак, программа работы станка представлена нами в
виде ряда чисел. Как же закодировать эти числа так, что-
бы такая запись была достаточно удобна, не занимала
много места и в то же время, чтобы те устройства станка,
которым предстоит ее «прочитать» и «понять», были бы
максимально простыми и надежными?
Вряд ли можно предложить способ записи, который бы
одновременно удовлетворял всем этим подчас противоре-
чивым требованиям. Поэтому при создании систем про-
граммного управления станками используются самые раз-
личные способы кодирования программы, в зависимости
от ее объема и содержания, от тех технических возможно-
стей и опыта, которыми располагают создатели станка, а
также того оборудования, которое необходимо для физи-
ческого воплощения программы в виде набора перфокарт,
либо перфоленты, киноленты, магнитной ленты, несу-
щих систему отверстий, световых отметок или магнит-
ных сигналов, в принятом коде выражающих числа про-
граммы.
Познакомимся для начала с самым простым способом
записи программы, причем сделаем это на примере обра-
ботки плоского кулачка, имеющего криволинейный про-
филь. Будем мысленно поворачивать заготовку такого ку-
лачка каждый раз на одну и ту же величину, например на
1°, и при этом определять расстояние, на которое должна
за время очередного поворота сместиться фреза, чтобы об-
работать заданный профиль. Эти расстояния и будут ха-
рактеризовать необходимые при составлении программы
35
опорные точки траектории инструмента. В результате
получим программу работы станка в форме таблицы, со-
стоящей из двух столбцов. В первом столбце будут указа-
ны углы поворота заготовки, во втором — приращения
расстояния между центром заготовки и центром фрезы.
Выберем какую-либо достаточно мелкую единицу переме-
щения, например 0,01 мм и поделим на нее величины при-
ращений, находящиеся во втором столбце таблицы. Вы-
полнив это действие, мы запишем в третьем столбце таб-
лицы программу в виде совокупности неименованных чи-
сел, другими словами, запишем ее непосредственно в циф-
ровом виде.
А теперь возьмем бумажную ленту и заставим ее рав-
номерно перематываться с одного валика на другой по ме-
ре поворота заготовки. На каждом отрезке ленты, соответ-
ствующем повороту заготовки на 1°, нанесем отверстия,
причем число их каждый раз будем выбирать равным со-
ответствующему числу, записанному в третьем столбце
таблицы. Понятно, что число отверстий будет различным
на различных участках ленты, однако в пределах каждого
из этих участков мы их распределим равномерно.
В результате программа работы станка окажется запи-
санной на перфорированной ленте в виде совокупности от-
верстий, определенным образом распределенных вдоль по
ее длине. Если станок рассчитан на такой способ записи
программы, то каждое отверстие вызовет перемещение
фрезы на обусловленную величину (например, на 0,01 мм),
а вся совокупность отверстий обеспечит обработку всего
профиля кулачка с определенной степенью точности.
Такой способ записи программы работы станка в виде
цепочки одинаковых отметок, каждая из которых соответ-
ствует определенной величине перемещения инструмента
относительно заготовки, называется унитарным кодом.
Унитарный код прост и широко используется в станках
с программным управлением. Однако он не свободен от не-
достатков. Запись программы в унитарном коде оказывает-
ся крайне не экономичной.
Например, когда речь идет об обработке поверхности,
да еще на сравнительно большом изделии, для записи
программы в унитарном коде могут понадобиться десятки
и сотни километров перфорированной ленты с миллионами
отверстий на ней.
36
Чтобы устранить этот недостаток, выбирают носитель
программы, допускающий большую плотность (частоту)
отметок на единицу его длины. В современных станках с
программным управлением в качестве носителя програм-
мы чаще всего используется магнитная лента, покрытая
тонким слоем особого вещества, обладающего способ-
ностью намагничиваться участками и неопределенно дол-
го сохранять магнитные свойства. На одном миллиметре
такой ленты можно разместить до пяти отметок и, следо-
вательно, уменьшить общую длину программы по мень-
шей мере в десять раз по сравнению с длиной программы,
записанной на перфоленте-
Но если длину программной ленты можно довести до
приемлемого размера, то гигантского количества отметок,
которые на ней должны быть записаны, изменить нельзя.
Как же вычислить и записать эту программу? Как нанести
на магнитную ленту сотни тысяч, миллионы магнитных
штрихов? Конечно, не вручную! Для этого созданы спе-
циальные быстродействующие электронно-вычислитель-
ные машины — интерполяторы1, которые ведут расчет
программы по заданным опорным значениям траектории
инструмента, либо прямо по формулам и уравнениям, опи-
сывающим обрабатываемые поверхности, рассчитывают
тем или иным способом промежуточные значения и нано-
сят программу, чаще всего в унитарном коде, па магнит-
ную ленту, которую можно затем использовать непосред-
ственно для управления станком.
Применение интерполяторов в значительной степени
устраняет трудности, связанные с подготовкой программы
работы станка. Исходные данные, по которым ведется рас-
чет, в интерполятор задаются также в кодированном виде,
но при этом используется не унитарный, а более сложный
код, позволяющий производить запись весьма экономно.
Для «чтения» и «расшифровки» этой записи в интерполя-
торе имеются специальные устройства.
А нельзя ли интерполятор пристроить непосредствен-
но к станку? При этом отпадает необходимость иметь
1 Математическая операция заполнения «бреши» между дву-
мя опорными значениями, оговоренными таблицей, называется
интерполированием, поэтому такие вычислительные машины по-
лучили название — интерполяторы.
37
длинную ленту и наносить на нее отметки. Так сделать
можно, но это далеко не всегда целесообразно.
Производительность электронного интерполятора
чрезвычайно высока. Один такой программирующий авто-
мат может обслужить несколько станков с программным
управлением и использовать его для непосредственного
управления только одним станком — значит согласиться
с тем, что значительную часть времени он будет бездейст-
вовать. Естественно, что целесообразно разделить работу
этих двух автоматов — интерполятора, который готовит
программу, и станка, который работает по ней.
Место интерполятора — в конструкторском бюро, где
создаются проекты изделий, которые в последующем бу-
дут обрабатываться на станках с программным управле-
нием. А станки работают в цехах заводов. И чем проще их
конструкция, чем меньше сложных вычислительных и
электронных узлов их окружают, тем проще их эксплуа-
тация, тем более надежной и безотказной будет их ра-
бота.
Давайте теперь еще раз проследим тот путь, который
отделяет чертеж детали от программы, по которой станок
будет ее обрабатывать.
Чертеж детали поступает к расчетчику, который со-
ставляет таблицу координат опорных точек. Затем опера-
тор с помощью специального устройства, называемого пер-
форатором, кодирует соответствующие числовые значения
в виде ряда пробивок, обычно на бумажной ленте. Эта лен-
та вводится в интерполятор, который выдает программу.
При обработке детали обычно приходится управлять двумя,
тремя, а иногда и большим числом движений (соответст-
венно система управления станком называется двухкоор-
динатной, трехкоординатной и т. д.). В этом случае все
операции приходится выполнять для каждой из управляе-
мых координат; соответственно увеличивается на про-
граммной ленте число управляющих отметок, несущих ко-
манды в станок.
Эта цепочка операций с первого взгляда кажется из-
лишне длинной и, естественно, возникает желание попы-
таться упростить задачу задания программы работы стан-
ка. Например, очень заманчива идея использовать в каче-
стве программы работы станка непосредственно чертеж
детали.
38
От чертежа детали к магнитной ленте — таков путь подготовки
программы в цифровом виде
Четверть века назад советский изобретатель В. С. Вих-
ман впервые осуществил эту идею, построив фрезерный
станок, обрабатывающий изделие прямо по чертежу. Ор-
ганом, «читающим» чертеж обрабатываемого изделия, слу-
жит в этом станке фотоэлемент 2 * * * * *.
Принцип действия станка В. С. Вихмана сводится к
следующему. На столе станка помещают чертеж обраба-
тываемого изделия; фотоэлемент и осветитель, заключен-
ные во вращающейся фотоголовке, устанавливаются над
чертежом. Затем включается осветитель, на белой бумаге
чертежа появляется ярко светящаяся круговая линия, тол-
щиной не более 0,02 мм; диаметр образованной ею окруж-
ности равен диаметру фрезы. Свет, отраженный от поверх-
ности чертежа, возвращается обратно в фотоголовку и по-
падает на фотоэлемент. Возникающий три этом фототок
используется для включения двигателя, перемещающего
суппорт вместе с фотоголовкой и фрезой по направлению
к центру заготовки. Но как только световая линия попа-
дает на черную линию чертежа, обрисовывающую контур
обрабатываемого изделия, так сразу же освещенность
фотоэлемента резко уменьшится, направление вращения
двигателя изменится на обратное, и суппорт начнет отво-
2 Обыкновенная электрическая лампочка преобразует электри-
ческую энергию в световую, фотоэлемент выполняет обратное
преобразование. Если фотоэлемент включить в> электрическую
цепь и осветить его, то в цепи возникает ток, величина которого
будет тем больше, чем ярче освещен фотоэлемент. Конечно, сила
такого фототока крайне невелика, она не превосходит несколь-
ких стотысячных долей ампера. Тем не менее даже такой слабый
сигнал может быть усилен и использован для целей управления
движением фрезы относительно заготовки.
дить фрезу от заготовки. Если теперь одновременно пово-
рачивать стол, на котором укреплен чертеж, и заготовку,
то на последней будет воспроизводиться тот профиль, ко-
торый изображен черной линией на чертеже. Как видите,
метод обработки детали непосредственно по чертежу по
существу представляет собой разновидность методов ко-
пирования.
Свой станок В. С. Вихман назвал фотокопировальным,
имея в виду, что в этой системе роль своеобразного копира
выполняет чертеж. А раз так, значит фотокопировальному
методу должны быть свойственны те же ограничения, что
и другим методам копирования. Главным из таких ограни-
чений является необходимость иметь точный чертеж обра-
батываемой детали.
Во многих случаях эта задача оказывается сравнитель-
но простой. Действительно, когда речь идет о неточности,
не превышающей примерно 0,5 мм, вычертить деталь ока-
зывается намного проще и дешевле чем, скажем, изгото-
вить копир- Поэтому, когда требования в отношении точ-
ности обработки изделия не очень высоки, метод фотоко-
пирования может найти широкое применение3. Но вот
изготовить чертеж с точностью до сотых долей миллимет-
ра оказывается уже нисколько не проще и не дешевле,
чем изготовить с такой точностью обычный копир. И когда
речь идет об автоматизации процессов, требующих сравни-
тельно высокой точности, метод фотокопирования усту-
пает другим методам копирования.
Программу работы станка можно подготовить, не при-
бегая ни к чертежу, ни к числам, например, наблюдая за
работой высококвалифицированного мастера, который об-
рабатывает изделие, вручную управляя станком. При
этом необходимо «запомнить» с помощью специальных
устройств все его действия и полученную таким образом
программу использовать для автоматического управления
станком при обработке целой группы таких же изделий,
подобно тому, как однажды записав речь или музыку на
пластинку или на магнитную ленту, можно потом безоши-
бочно воспроизвести их сколько угодно раз. 8
8 На Выставке достижений народного хозяйства СССР демон-
стрировался газорезательный фотокопировальный станок, который
по заданному чертежу вырезает пламенем газовой горелки сталь-
ные листы большого размера.
#9
Фотокопировальное устройство:
1 — чертеж, 2 — фотоголовка, 3 — заготовка, 4 — электродвиватель,
5 — фотоэлемент, 6 — осветитель
Программой работы станка может служить чертеж изделия при
условии, что требования к точности обработки не очень высоки
Работа над созданием подобных систем началась лет
12—15 назад, причем наиболее удобным способом регист-
рации и последующего воспроизведения программы оказал-
ся способ ее записи на магнитную ленту или магнитный
барабан.
В процессе записи и воспроизведения программных сиг-
налов магнитная лента протягивается с постоянной ско-
ростью мимо записывающих магнитных головок. Основной
частью магнитной головки является сердечник. Он изго-
товляется из специального железа и состоит из двух по-
луколец. В рабочей части головки, обращенной к лейте,
41
между половинками сердечника имеется зазор в 0,01—
0,02 мм. На сердечник надевают две катушки с обмоткой.
При пропускании через катушки переменного тока в зазо-
ре сердечника образуется магнитное поле, которое, воз-
действуя на намагничивающуюся пленку ленты, оставляет
на ней следы в виде поперечных намагниченных участ-
ков — штрихов. Таким образом на ленте могут быть заре-
гистрированы любые программные сигналы.
При воспроизведении сигналов лента протягивается
мимо воспроизводящих магнитных головок. Магнитные
штрихи, перемещаясь в зазоре сердечника, создают в нем
переменный магнитный поток, который в свою очередь воз-
буждает электродвижущую силу в катушках магнитной
головки. В результате происходит «считывание» магнит-
ных штрихов и преобразование результатов считывания в
командные сигналы, которые могут быть использованы
для целей управления-
Способ магнитной записи обладает рядом особенностей,
выгодно отличающих его от других способов записи про-
граммы. Прежде всего, это очень экономный способ. Мы
уже упоминали о том, как плотно можно на магнитной лен-
те записать магнитные отметки. Воспроизведение програм-
мы можно получить сразу же после записи, не требуется
никаких дополнительных промежуточных операций. На-
конец, магнитный слой очень легко можно размагнитить
и одну и ту же ленту использовать по мере надобности для
записи различных программ.
С действием систем, основанных на принципе записи
программы в процессе обработки первого изделия, мож-
но ознакомиться на примере системы автоматизаций ре-
вольверного станка, разработанной советским ученым
Г. А. Спыну-
Каждый исполнительный механизм этого станка снаб-
жен отдельным исполнительным электродвигателем. Опе-
ратор, управляя станком, включает и выключает то один,
то другой, то сразу два или несколько двигателей, включая
тем самым в работу один из исполнительных механизмов
или целую их группу. Соответствующие инструменты при
этом обрабатывают заготовку.
Вместе с запуском станка начинает действовать уст-
ройство, записывающее на магнитную ленту действия опе-
ратора. При одновременной работе нескольких двигателей
42
на ленте регистрируется
соответствующее число
сигналов различной часто-
ты. Одновременно с окон-
чанием обработки детали
оканчивается запись про-
граммы. Вернув магнит-
ную ленту в исходное по-
ложение и установив на
станок новую заготовку,
можно перейти на обра-
ботку детали в автомати-
ческом режиме. Магнитная
лента, проходя мимо счи-
тывающей головки, будет
наводить в ее обмотках пе-
ременные токи различной
частоты. Полосовые филь-
тры «расшифруют» этот
сигнал. В соответствии с
частотами, которые он со-
держит, будут включаться
те или иные двигатели,
приводя в движение ин-
струменты в той же самой
последовательности, в ко-
торой их включал опера-
тор, другими словами, по-
Записъ программы в процессе
обработки изделия:
1 — кнопки пуска двигателей, г — ге-Л
нераторы частот, 3—магнитные голов-
ки—записывающая и воспроизводящая,
вторяя ту программу, ко-
торая была записана при
обработке первого изделия.
За рубежом и в Совет-
ском Союзе по этому прин-
ципу было построено не-
сколько систем, однако
для целей автоматизации
сколько-нибудь сложных
процессов металлообработ-
4 — усилитель, 5 — полосовые фильт-
ры, 6 — пускатели, 7 — исполнитель-
ные двигатели]
Включая вручную те или'иные'двига-
тели, можно обработать'сравнитель-
но несложное изделие. Последователь-
ность включения двигателей и период
их работы регистрируются на магнит-
ной ленте. Обработка следующего из-
делия производится автоматически;
включением и выключением двигателей
управляет магнитная лента
ки они распространения не получили. Слишком уж велико
несоответствие между возможностями человека и требо-
ваниями, которые предъявляются к нему при ручном уп-
равлении станком.
43
Изумительную ловкость, многообразие и точность дви-
жений можно наблюдать при выполнении тончайших тру-
довых операций музыкантами, художниками, граверами,
слесарями-лекальщиками. Десятки и сотни мышц челове-
ческого тела действуют в едином ритме, обеспечивая пора-
зительное согласование десятков движений — размашис-
тых и мелких, выполняемых в различных направлениях и
с самой различной скоростью.
Нет и, наверное, никогда не будет технических возмож-
ностей воспроизвести при помощи искусственного устрой-
ства движение человеческой руки, во всех тонкостях, ко-
торые ему присущи, позволивших тульскому кузнецу
«подковать блоху», а индийскому мастеру выгравировать
на рисовом зернышке текст Конституции Советского
Союза.
Для того, чтобы вручную управляя станком, точно об-
работать деталь, нет необходимости выполнять какие-либо
чрезмерно сложные движения. Но вместе с тем, когда ма-
стер ведет обработку точной и сложной детали, он часто
останавливает работу для того, чтобы произвести измере-
ния, несколько раз повторяет отдельные операции, снимая
припуск на обработку в несколько приемов, по-разному
устанавливает инструмент относительно изделия, вновь
производит измерения. Он особыми приемами добивается
устранения влияния зазоров и люфтов на точность обра-
ботки, особыми приемами заставляет суппорт передви-
нуться на малую величину и т. д.
Если записать полностью такую «программу» работы
мастера, окажется, что значительная часть движений, це-
лесообразных при ручном управлении, совершенно излиш-
няя, а может быть и просто вредна тогда, когда ставится
задача автоматизировать процесс обработки. Такую «про-
грамму» придется значительно совершенствовать и изме-
нять, а в сложных случаях ее наверное даже не удастся
принять за основу программы автоматической обработки.
Итак, есть два способа задать программу работы стан-
ка — либо в виде некоторой модели, либо в виде совокуп-
ности чисел. Третьего способа не существует.
В этой книге рассказывается о системах автоматизации
станков, в основу которых положен второй — цифровой
метод представления программы. Программа работы рас-
44
считывается и Задается в форме совокупности отдельйых
(дискретных), определенным образом закодированных
сигналов. Она полностью определяется числом сигналов и
изменением этого числа с течением времени или по мере
перемещения тех или иных органов автомата и практи-
чески не зависит от неточностей в форме и величине этих
сигналов.
При таком методе автоматизации переналадка автома-
та с обработки одного изделия на обработку другого сво-
дится к тому, чтобы запрограммировать соответствующий
технологический процесс, что значит составить подробную
технологию обработки изделия на данном станке и запи-
сать ее в кодированном виде на ленте, карте или каком-
либо ином носителе.
Код, т. е. метод записи программы, определяется логи-
ческой схемой конкретной системы управления и остается
одним и тем же при обработке различных изделий. Поэто-
му задача в конечном счете сводится к тому, чтобы пред-
ставить тот или иной технологический процесс в цифро-
вом виде.
IV
Арифметика автомата
Мы уже упоминали, что помимо простейшего унитар-
ного кода при записи программы используются и
другие более сложные коды. Что они собой представляют?
Чтобы ответить на этот вопрос, надо разобраться, ка-
кими способами можно записать число. Тем, кто не знаком
с современной вычислительной техникой, это требование
может показаться странным. Действительно, ведь хорошо
известно, что любое число может быть записано с помощью
десяти различных цифр 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Этими
цифрами и составленными из них числами мы пользуемся
в повседневной жизни. С них начинаются первые уроки в
школе, с ними мы сталкиваемся дома, на работе, на ули-
це, знаем правила, по которым их можно складывать, вы-
читать, умножать и делить. Мы легко оперируем всеми де-
сятью символами, которыми обозначены десять цифр, и
наша десятичная система счисления кажется нам очень
простой и удобной. Однако пришли к ней люди очень
длинным путем, на протяжении которого различные спо-
собы записи чисел и действий над ними сменяли друг
друга. Десятичную систему счисления европейцы заимст-
вовали в XII в. у арабов, поэтому и цифры носят название
арабских. В свою очередь арабы переняли ее в VIII в. у
индусов.
А до того как арабская нумерация получила распрост-
ранение, в Европе применяли другую систему счисления п
для записи чисел пользовались римскими цифрами, веду-
46
щими начало от древних римлян. Римские цифры и До На-
стоящего времени применяются в некоторых случаях.
Существуют и другие способы представления чисел,
другие системы счисления. Так, например, любое целое
число можно записать с помощью одного единственного
знака — 1 (единицы). Для этого символ единицы надо пов-
торить столько раз, сколько в этом числе содержится еди-
ниц. Сложение при этом сводится к простому приписыва-
нию единиц, а вычитание — к их вычеркиванию. Идея, ле-
жащая в основе такой системы «зарубок», крайне проста,
однако пользовались этой системой только народы, счет
которых простирался не дальше одного-двух десятков.
Для записи больших чисел она оказывается слишком
громоздкой и поэтому практически неприменимой.
Можно представить себе систему счисления, прямо про-
тивоположную системе зарубок, а именно такую, в кото-
рой каждому числу соответствует новый символ. При этом
числа 10, 11, 12 и т. д. должны изображаться различными
неповторяющимися значками. В такой системе для изобра-
жения любого числа потребовался бы всего один символ,
однако общее число символов было бы бесконечно ве-
лико.
Итак, пользуясь системой зарубок, надо запомнить все-
го лишь один символ, но при этом, чтобы записать какое-
либо большое число, потребуется много времени и места;
пользуясь системой значков, можно любое число записать
одним символом, но при этом потребуется запомнить бес-
численное множество, различных символов. Между эти-
ми двумя системами, как между двумя противоположны-
ми полюсами, заключены все возможные системы счис-
ления.
В процессе развития вычислительной техники, цифро-
вых машин и систем цифрового управления выяснилось,
что в машинном языке чисел не одна только десятичная
система может найти применение, что есть другие систе-
мы, чрезвычайно удобные для этого языка. Что это за си-
стемы? Об одной из них мы уже рассказали в предыдущей
главе- Унитарный код, в котором мы записывали програм-
му обработки кулачка, представляет собой не что иное,
как систему зарубок, роль которых выполняют отвер-
стия в ленте. Они представляют собой тот единственный
и очень простой символ, который должен «понимать»
47
стайок. Однако известен и существенный недостаток этой
системы — ее громоздкость.
Можно ли дать числовое задание станку в такой удоб-
ной с нашей точки зрения системе, как десятичная? Конеч-
но, можно. Для этого, например, можно условиться едини-
цу пробивать в виде круглого отверстия, двойку — треу-
гольником, тройку — квадратом и т. д. Можно придумать
бесчисленное множество других символов для обозначения
десяти различных цифр и различных кодов для записи де-
сятичных чисел. Можно, наконец, заставить станок «пони-
мать» цифры в их обычном начертании. Такие попытки
делаются, однако, пока они приводят к усложнению соот-
ветствующих узлов автомата, к усложнению тех действий,
которые происходят внутри него в процессе переработки
чисел и преобразования их в сигналы, управляющие рабо-
той исполнительных органов.
Какая же система счисления наиболее удобна, когда
речь идет об автоматизации действий над числами, о циф-
ровом управлении машинами? И этот вопрос в значитель-
ной мере разрешают аппарат Жаккара, пианола, монотип.
Система задания программы их работы построена так:
есть отверстие — действие совершается, нет отверстия —
не совершается. Припишем отверстию символ единицы,
так же как мы поступали при записи чисел в унитарном
коде, а кроме того введем еще один символ — нуль. Тогда
ленту с пробитыми в ней отверстиями можно читать так:
есть отверстие — единица
нет отверстия — нуль.
Теперь мы располагаем двумя символами 1 и 0, состав-
ляющими основу так называемой двоичной системы счис-
ления, в которой любые числа записываются в виде той
или иной комбинации нулей и единиц.
Простота и удобство двоичной системы счисления оп-
ределяются прежде всего тем, что в этой системе наиболее
просто осуществляется физическое представление чисел.
Действительно, если для их записи достаточно всего двух
символов, то значит всю программу можно представить в
виде пробитых и непробитых участков на бумажной лен-
те, в виде белых и черных черточек на киноленте, в виде
намагниченных и ненамагниченных участков на магнит-
48
ной ленте, при помощи реле, замыкающих и размыкающих
электрические цепи, и любых других устройств или при-
боров, имеющих два различных устойчивых состояния.
Это — не единственное преимущество двоичной систе-
мы счисления, но прежде чем говорить о других ее преи-
муществах, необходимо познакомиться с ней поближе.
Следует сказать, что не всякий набор символов, обозна-
чающих определенные числа, можно использовать в каче-
стве системы счисления. Любой системе счисления дол-
жен соответствовать определенный порядок перехода от
предыдущего числа к последующему. Так мы знаем, что в
десятичной системе за числом 9 следует число 10, за 499
следует 500, а за 7855 следует 7856.
Такой переход от числа к числу мы обычно совершаем
не задумываясь. Однако сознательно или бессознательно,
мы при этом всегда руководствуемся следующими прави-
лами:
1)	заменить последнюю цифру числа следующей циф-
рой, имеющейся в этой системе (например, 6 заменяем на
7);
2)	если последняя цифра числа является наибольшей в
этой системе, то ее следует заменить на наименьшую, а за-
тем сдвинуться на одну колонку влево и заменить стоя-
щую здесь цифру на следующую (старшую);
3)	если и в этой колонке стоит наибольшая цифра си-
стемы, то надо повторять действие, предусмотренное пра-
вилом 2, до тех пор, пока не встретится колонка, допуска-
ющая замену стоящей в ней цифры на старшую.
Попробуем, например, применить эти правила для пе-
рехода от числа 499 к следующему числу. Последняя циф-
ра этого числа — 9 является наибольшей цифрой в деся-
тичной системе счисления и, согласно правилу 2, ее
следует заменить на нуль. Сдвинувшись затем на одну ко-
лонку влево, видим, что и здесь стоит цифра 9. Согласно
правилу 3, мы ее также заменяем на нуль, а затем, пере-
кинувшись в следующую колонку, заменяем 4 на 5. В ре-
зультате от числа 499 мы перейдем к числу 500.
Вот теперь, располагая методом, позволяющим перехо-
дить от одного числа к другому, мы можем утверждать, что
ведем счет чисел по определенной — десятичной —системе.
Согласно этой системе, сначала накапливаются едини-
цы, вплоть до 9. Следующее число — 10 образуется двумя
4 А. Е. Кобринский
цифрами, ранее использованными при счете единиц. Циф-
ра 1, записанная во второй колонке справа, или, как гово-
рят, во втором разряде, означает, что счет теперь ведется
десятками, переход в третий разряд соответствует счету
сотен и т. д. Число 499 фактически представляет собой
4(100) + 9(10) + 9(1) = 499,
или, что то же самое:
4 X 102 + 9 X 101 + 9 X 10° = 499.
Число 7856 в действительности есть
7 X 103 + 8 X 102 + 5 X 101 + 6 X 10° = 7856,
а число 4,99 равно:
4 X 10° + 9 X 10-1 + 9 X 10"2 = 4,99.
Таким образом, в десятичной системе счисления каж-
дое число представляет собой сумму различных степеней
числа 10, т. е. числа, равного количеству различных симво-
лов этой системы.
А теперь вернемся к двоичной системе счисления.
В ней все числа изображаются с помощью всего лишь
двух цифр, однако правила перехода от одного числа
к следующему в двоичной системе точно такие же, как
и в десятичной системе.
Первые две цифры 0 и 1 в обеих системах одинаковы,
однако уже для цифры 2 в двоичной системе отдельного
символа нет; эквивалентное ей число образуется уже
использованными цифрами и записывается так: 10. Чтобы
избежать путаницы, будем это число читать один — ноль.
Следующее число получим, пользуясь приведенными
выше правилами. Согласно первому из них, оно запишется
так: 11. Для записи следующего числа нам придется при-
менить правило 3 и использовать запись уже в трех разря-
дах. При этом получим 100; следующими числами в двоич-
ной системе будут 101, 110, 111, затем будут следовать
четырехразрядные числа 1000, 1001, 1010 и т. д.
В таблице приведены эти числа наряду с соответствую-
щими им десятичными числами.
50
Десятичные числа в двоичной системе
Десятичные	Двоичные	Десятичные	Двоичные	Десятичные	Двоичные
0	0	7	111	14	ШО
1	1	8	1000	15	1111
2	10	9	1001	16	10000
3	и	10	1010	17	10001
4	100	И	1011	18	10010
5	101	12	1100	19	10011
6	110	13	1101	20	10100
Таким образом, десятичное число, эквивалентное чи-
слу 1101, записанному в двоичной системе, будет равно
1101 = 1(23) + 1(22) + 0(2!) + 1(2°) =
= 1(8) + 1(4) + 0(2) + 1(1) = 8 + 4 + 1 = 13.
Ниже приведены числа, представляющие различные
степени двойки; с их помощью легко отыскиваются деся-
тичные эквиваленты чисел:
2о=1	24=16	27 = 128	2и=2048
2г=2	25=32	28 = 256	2i2=4096
22=4	26=64	29 = 512	223=8192
23=8		2ю=1024	
Но конечно для того, чтобы перейти от двоичного числа
к десятичному, совершенно не обязательно пользоваться
таблицами. Для этой цели можно, например, воспользо-
ваться способом, основанным на применении двух следу-
ющих правил, относящимся ко всем разрядам двоичного
числа, начиная со старшего разряда:
1) если в следующем разряде стоит нуль, удвойте то,
что вы накопили;
2) если в следующем разряде стоит единица, удвойте
то, что вы накопили, и прибавьте еще единицу.
Давайте, для примера, найдем десятичный эквивалент
двоичного числа 1101.
4*
51
Начнем со старшего разряда. Удвоим единицу и, сог-
ласно правилу 2, прибавим: еще единицу. В результате
получим 3. Затем переходим к следующему разряду. Те-
перь, согласно правилу 1, получим 6. А затем удваиваем
это число и прибавляем еще единицу. В результате, как
и следовало ожидать, мы получим число 13.
Так же несложно совершается переход от записи чисел
в десятичной системе к записи их в двоичной системе. Для
этого десятичное число следует разделить на два, частное
вновь разделить на два и продолжать это деление до тех
пор, пока частное не будет равно единице. Эта единица
и остатки всех предыдущих делений образуют двоичное
число, эквивалентное исходному десятичному. Запишем
в качестве примера число 19 <в двоичной системе. Для
этого составим таблицу последовательных делений.
Делимое	Делитель Частное		s Остаток
19	2	9	1
9	2	4	1 t
4	2	2	0
2	2	1	->	0
Выписав частное	и все остатки,		найдем, что в двоич-
ной системе число 19 запишется		так:	10011.
Вы наверно уже обратили внимание на то, что любое
двоичное число, кроме нуля и единицы, требует .при своей
записи большего количества разрядов, чем эквивалентное
ему десятичное число. Так в чем же состоят те преимуще-
ства двоичной системы перед десятичной, о которых мы
обещали рассказать?
В полную силу эти преимущества выступают тогда,
когда речь идет об автоматизации арифметических опера-
ций над числами. При сложении десятичных чисел сле-
дует помнить, что 9 плюс 8 равно 17; 5 плюс 6 равно 11
и т. д., а при их умножении следует помнить таблицу ум-
ножения. При сложении двоичных чисел достаточно за-
помнить два следующих простейших правила:
1) 0 плюс 1 равно 1;
2) 1 плюс 1 равно 0 с прибавлением 1 в старшем раз-
ряде.
Пользуясь этими двумя правилами, можем производить
сложение любых двоичных чисел. Сложим, например, два
52
двоичных числа 10 и И. В десятичной системе им соответ-
ствуют числа 2 и 3
W
-t-ц
101
Десятичный эквивалент этого числа равен 101 = 1(22) +
+ 0(21-) + 1(2°) = 5, как и следовало ожидать.
Аналогичным простейшим правилам подчиняются в
двоичной системе и другие арифметические действия над
числами. Возможность подчинить все действия при вычис
лениях простейшим правилам и выполнять эти действия,
пользуясь всего лишь двумя состояниями тех приборов
и устройств, с помощью которых числа вводятся в маши-
ну, составляет важное преимущество двоичной системы
перед другими системами счисления.
Однако двоичную систему оказывается целесообразным
использовать не только при автоматизации действий над
числами, но и для ввода чисел в машину, для записи про-
граммы ее работы. Посмотрим, как это делается.
Программу работы цифровых машин — интерполято-
ров, станков, снабженных интерполирующими устрой-
ствами, а также таких станков, как токарные, сверлиль-
ные, координатно-расточные, поскольку объем программы
их работы, как правило, невелик, часто задают, используя
для этого перфорированную ленту. При этом наиболее
простой способ задания программы состоит в том, чтобы
каждому разряду записываемого числа отвести один ряд
вдоль ленты, или, как говорят, один канал. Тогда число
каналов, нужное для записи того или иного числа, будет
определяться необходимым количеством разрядов.
Ленты, используемые в вычислительной технике, в те-
леграфном деле, для программирования работы станков
и т. д., обычно содержат 5, 6, 8, 12 каналов, а монотипная
лента — даже 31 канал. При записи одного числа поперек
ленты потребуется столько строк, сколько различных сим-
волов содержит данная система счисления.
Для того чтобы на ленте закодировать любое двухраз-
рядное десятичное число от 1 до 99, достаточно занять два
канала (один для десятков, другой для единиц). Но при
этом в каждом канале придется предусмотреть десять
мест, чтобы иметь возможность каждой цифре отвести
53
определенное место. Можно разряды (расположить вдоль
ленты, тогда для записи двухразрядного числа понадобит-
ся всего две строки. Однако при этом нужно будет десять
каналов. Итак, площадь ленты, необходимая при закоди-
ровании двухразрядного десятичного числа, должна быть
такова, чтобы на ней могло разместиться 20 отверстий.
Чтобы записать двухзначное десятичное число в
двоичной системе, необходимо семь разрядов (99 в двоич-
ной системе записывается так: 1100011). Значит, чтобы
его закодировать, достаточно семи мест в одном канале,
либо по одному месту в семи каналах. Как видим, за-
пись в двоичной системе оказалась значительно более эко-
номной.
Однако при записи больших чисел, например пяти-
значных, двоичный код оказывается уже менее удобным,
поскольку он потребует слишком большого числа разря-
дов, либо слишком длинной строки в одном разряде. По-
смотрите, например, как выглядит запись числа 57 824 в
десятичном -коде, если разряды располагать вдоль или по-
перек ленты, и как это число может быть записано в дво-
ичном коде. При использовании двоичного кода достига-
ется значительная экономия в потребной площади ленты.
Действительно, для записи любого пятизначного числа в
двоичном коде требуется не более семнадцати отверстий,
в то время как запись того же числа в десятичном коде
требует площади, на которой размещается 50 отверстий.
Вместе с тем, эти 17 мест, будучи расположенными по-
перек ленты, займут 17 каналов, а если их расположить в
одном канале, то лента слишком вырастет в -длину.
В этих случаях на помощь может придти так называе-
мый двоично-десятичный код. При записи чисел в этом
коде сохраняются десятичные разряды (разряды единиц,
десятков, сотен и т. д .), но в каждом из разрядов цифры
записываются двоичным кодом. Чтобы записать любую из
десяти цифр, с избытком хватает четырех каналов; значит
для записи любого пятизначного числа в этом коде
достаточно пяти строк, т. е. всего, следовательно, 20 отвер-
стий. Очевидно, этот код несколько менее экономен, чем
чисто двоичный, но зато он позволяет записывать програм-
му, используя значительно меньшее число каналов.
Мы все время говорим о том, что программа работы
станка записывается на перфорированной бумажной
54
Q
Различные способы кодирования числа 57824:
а — в десятичном коде, каждому разряду отведена одна строка поперек
ленты; б — в десятичном коде, каждому разряду отведен один канал;
в— в двоично-десятичном коде; г — в двоичном коде при записи в одном ка-
нале (запись в одну строку потребовала бы шестнадцати каналов). В случаях
а, в г старший разряд записан в правой строке, в случае б — в верхнем
канале. Зачерненные кружки соответствуют пробитым отверстиям
ленте или на магнитной ленте. А как такая запись выпол-
няется?
Когда речь идет о магнитной ленте, все кажется по-
нятным, тем более, что о таком способе записи программы
уже говорилось в предыдущей главе.
Запись исходной программы на бумажной ленте осу-
ществляется при помощи перфораторов, похожих на на-
борные головки монотипа. Только клавишей на перфора-
торе значительно меньше, чем на наборной головке, и да-
же меньше, чем на пишущей машинке. Ведь здесь речь
идет только о наборе чисел.
Оператор считывает эти числа из таблицы и слегка на-
жимает на клавиши перфоратора. При этом механизмы
перфоратора приводят в движение пуансоны, которые в
определенном коде пробивают на ленте отверстия. Опера-
тор набирает до 100 с лишним знаков в минуту.
Но как гарантировать, что при таком ручном наборе в
подготовленную программу не вкралась ошибка?
6*5
Текст любой книги, после того как он набран на моно-
типе, проверяется автором книги, редактором, корректо-
ром. При таком многократном контроле у опечатки очень
мало шансов остаться незамеченной. А если это и случа-
ется, то, как правило, не приносит много вреда. Читатель
либо опечатку не заметит, либо быстро разберется в сути
дела и сам ее устранит.
Ошибка в одной букве даже в телеграмме, передающей
информацию в предельно сжатой форме, редко приводит к
трагическим последствиям.
А как обстоит дело при подготовке программы работы
станка? При записи ее в унитарном коде лишнее отверс-
тие или отсутствие отверстия в необходимом месте приве-
дут лишь к небольшой ошибке в размерах изделия. Эта
ошибка может даже остаться незамеченной.
А если запись ведется в другом коде? Ведь при этом
лишнее отверстие может оказаться в одном из высших
разрядов. И, будучи незамеченной, такая ошибка может
привести не только к порче изделия, но и к поломке стан-
ка. Во избежание подобных «опечаток» рекомендуют каж-
дую программу записывать дважды, причем поручать это
двум разным операторам, а затем результаты их работы
тщательно сличать.
Для такого сличения существуют специальные автома-
тические контрольно-считывающие устройства. Если меж-
ду двумя проверяемыми лентами оказывается различие,
то такое устройство, конечно, не может ответить на во-
прос, какая из лент несет правильную программу. Оно
просто останавливается и дает оператору сигнал о нали-
чии ошибки. Тогда места несовпадения проверяют и не-
обходимые исправления вносят вручную.
Такой способ контроля правильности работы оператора
весьма далек от совершенства и по надежности, и по тру-
доемкости. И эти недостатки ему свойственны совсем не
потому, что он нов. Впервые подобный способ нашел при-
менение свыше тысячи лет назад.
В те времена церковники были крайне озабочены боль-
шим расхождением в тексте различных экземпляров
библии. Было это задолго до изобретения книгопечатания.
Переписка текстов велась вручную в течение многих по-
колений, причем переписчики иногда просто ошибались,
а подчас пытались по-своему объяснить неясные места
56
Код контроля правильности «считывания» программы
Введение нулевой’строки повышает возможность возникновения
ошибки при считывании' программы. Но зато вероятность
не заметить такую ошибку резко уменьшается
в библии. В результате возникли многочисленные разно-
чтения.
Из этого положения был найден следующий выход. На
специальном совещании высших духовных лиц бы избран
и утвержден один из текстов библии, объявленный кано-
ном. Все остальные списки библии подлежали уничтоже-
нию. Одновременно была установлена система, исключав-
шая возможность дальнейшего появления разночтения:
было сосчитано число слов и число букв в каждой главе
канонического текста и переписчики должны были в про-
цессе переписки очередного экземпляра сверяться с этими
цифрами.
Таким образом, переписчик работал сначала как опе-
ратор, переписывал «программу», т. е. библейский текст, с
оригинала в список, а затем переписчик выполнял функ-
ции контрольно-считывающего устройства, сравнивая чи-
сло написанных им слов и букв с заданными контрольны-
ми цифрами.
Само собой разумеется, что церковь не афишировала
свое изобретение, а факт удивительного совпадения раз-
личных списков библии относила за счет ее якобы божест-
венного происхождения.
Как видите, способы контроля человеческого труда в
этой области мало изменились за последние тысячу лет.
Почему? На этот вопрос не так просто ответить. Во всяком
случае не потому, что над усовершенствованием этих спо-
собов не думали. Скорее всего дело в тех трудностях, с ко-
торыми связаны любые попытки автоматизировать опера-
ции, требующие участия человеческой мысли.
57
Операция переноса чисел из таблицы на ленту — это
мостик, соединяющий два противоположных берега. На
одном берегу работают люди, идет творческий процесс.
Конструктор создает машину, изделие и разрабатывает
чертежи деталей этой машины. Технологи обсуждают про-
цесс обработки и выбирают оборудование, на котором бу-
дет вестись обработка и сборка деталей, расчетчик рассчи-
тывает исходные программы обработки этих деталей.
На другом берегу автоматы. Одни автоматы — вычис-
лительные — обрабатывают исходные программы, дру-
гие — станки — обрабатывают детали.
А на мостике оператор. Именно он переводит числа с
человеческого языка на машинный. И как ни скромна эта
задача, ее решение пока еще требует непосредственного
участия человека потому, что автоматизировать контроль
процессов, требующих участия человеческой мысли, ока-
зывается так же сложно, как сложно автоматизировать са-
ми эти процессы.
Но вот программа подготовлена и проверена. А разве
те органы интерполятора или непосредственно станка, ко-
торые должны считать эту программу, не могут ошибать-
ся в процессе считывания? К сожалению, любая машина
может ошибаться так же, как может ошибаться человек.
Причины ошибок в обоих случаях, конечно, совершенно
различны, но их последствия могут оказаться одинаково
неприятными. Поэтому приходится принимать особые ме-
ры, чтобы уменьшить возможность возникновения таких
ошибок. Одна из таких мер состоит в применении специ-
альных кодов при записи программы.
Запишем еще раз число 57 824, пользуясь двоично-де-
сятичным кодом. Обратите внимание на то, что цифры 4, 2,
8 и 7 этого числа кодируются нечетным числом отвер-
стий и только цифре 5 соответствуют два отверстия. Теперь
займем еще один канал ленты — нулевой, и когда нам
встретится 0 или любая из цифр, требующая четного чи-
сла отверстий (3, 5, 6, 9), будем добавлять в нулевом ка-
нале по одному отверстию. Теперь машине можно задать
дополнительный контрольный приказ. Если в очередной
строке программы считано нечетное число сигналов — ис-
полняй команду! Если число сигналов четное, значит про-
изошла ошибка — стоп! Преимущества такого кода с пер-
вого взгляда неясны. Ведь чем больше отверстий, тем
58
больше возможностей ошибаться при считывании прог-
раммы, а мы вводим дополнительный ряд отверстий.
Действительно, с этим соображением приходится согла-
ситься. Вводя дополнительный ряд отверстий, мы в какой-
то мере увеличиваем возможность возникновения ошибки.
Но зато при этом в значительной степени снижается ве-
роятность того, что автомат выполнит неправильно счи-
танную команду. Ведь если в данной строке считывающее
устройство пропустит одно отверстие, то автомат сразу же
остановится, и брак будет предотвращен.
Ошибка считывающего устройства не вызовет останов-
ки автомата только в том случае, если в одной строке од-
новременно не будут «прочитаны» два отверстия, т. е.
если одновременно произойдут две ошибки. Но хорошо
известно, что вероятность совпадения двух ошибок во
много раз меньше, чем вероятность появления одной
ошибки. Именно поэтому и применяют специальные коды,
хотя они требуют дополнительных каналов и дополни-
тельных устройств для считывания.
На ленте, несущей цифровую программу работы стан-
ка, несколько каналов могут быть заняты для управления
рядом вспомогательных устройств, для подачи сигналов,
связанных с выполнением заданного технологического
процесса. Здесь могут иметь место команды на включение
и выключение подачи охлаждающей жидкости, смазки,
подачи звукового сигнала об окончании обработки, о необ-
ходимости подналадки или смены инструмента и т. д.
Однако принципиальную основу тех систем и станков,
о которых рассказывается в этой книге, составляет циф-
ровое задание программы.
Именно поэтому из встречающихся в настоящее время
терминов — «программное управление», «электронное уп-
равление», «цифровое управление» — последний точнее
других отражает существо* дела. Им мы и будем пользо-
ваться в следующих главах.
..Скелет и автомата
При создании систем цифрового управления использу-
ются разнообразные средства электроники, радиотех-
ники, вычислительной техники, машиностроения. В резуль-
тате станки с цифровым управлением представляют со-
бой сложные системы, в состав которых могут входить са-
мые различные механические, гидравлические, электриче-
ские, фотоэлектрические и электронные устройства, раз-
личающиеся между собой по структуре и целевому наз-
начению.
Попытаемся выделить те главные узлы любого автома-
та, а значит и автомата с цифровым управлением, которые
образуют его основу, его «скелет». При этом не будем об-
ращать внимание на то, что в различных автоматах эти
узлы сконструированы и действуют по-разному; для нас в
первую очередь важно установить назначение этих узлов
и характер их взаимодействия в процессе работы системы.
Мы теперь располагаем достаточным [материалом для
того, чтобы составить такую «скелетную» схему, или, как
ее называют, блок-схему автомата. Для этого достаточно
тех сведений, которые содержатся в предыдущих главах.
Любой автомат должен работать по определенной про-
грамме, причем в каждом конкретном случае может быть
использован самый различный носитель этой программы.
В станке Жаккара для этой цели служит картон — набор
перфорированных карт, в пианоле и монотипе — бумаж-
ная лента, в копировальном станке — копир, в фотокопи-
60
ровальном — специальный чертеж. Для торгового авто-
мата, отпускающего газированную воду, спички, папи-
росы, носителем программы является монета или жетон
и т. д.
Для станков с цифровым управлением носителем про-
граммы может служить перфорированная лента, перфори-
рованная карта, кинолента, на которой нанесены прозрач-
ные и непрозрачные участки, магнитная лента, магнит-
ный барабан.
Чтобы работать по заданной программе, автомат дол-
жен прочитать те команды, которые она несет. Для этого
он должен быть снабжен специальными считывающими
устройствами. Принцип действия и конструкция считыва-
ющих устройств в значительной мере определяются видом
носителя программы. Для станка Жаккара считывающим
устройством является набор игл, для копировальных стан-
ков — щупы, фотоголовка. Для станков с цифровым уп-
равлением считывающее устройство, в зависимости от но-
сителя программы, представляет собой набор щупов, на-
бор фотоэлементов, либо магнитных головок.
В процессе работы автомата носитель программы пере-
мещается. Призма станка Жаккара поворачивается, вводя
в работу одну за другой все перфокарты, в копировальных
станках движется копир, воздействуя на щуп; в тех случа-
ях, когда программа записана на ленте, последнюю про-
двигает специальный лентопротяжный механизм.
Копиры, ленты и карты, щупы и магнитные головкд
могут быть самой разнообразной конструкции, формы, раз-
меров. В зависимости от этого будут меняться соответст-
вующие приемные устройства и механизмы автомата. Но
их функциональное назначение всегда остается одним и
тем же. Они предназначены для введения в автомат про-
граммы его действия. Имея в виду это их функциональное
назначение, приемные устройства автомата вместе с ус\
ройствами для считывания и перемещения программы на-
зывают узлом программы.
Итак, в узле программы «оживляются» все сведения и
указания, другими словами, вся та информация, которая
необходима, чтобы автомат выполнял заданный техноло-
гический процесс. Но использовать эту информацию непо-
средственно для управления автоматом пока нельзя. Пред-
варительно все команды, считанные в узле программы,
61
нужно преобразовать в форму, понятную для его исполни-'
тельных органов.
Механизмы и устройства, которые решают задачу та-
кого преобразования составляют узел управления. В этом
узле расшифровываются команды, поступающие из узла
программы, и производится их переработка с целью управ-
ления источниками мощности и исполнительными меха-
низмами автомата, реализующими заданную программу
работы.
Сказанное наглядно иллюстрируется хорошо известны-
ми нам примерами. Функции узла программы станка Жак-
кара заканчиваются, когда коробка с иглами совершит пе-
ремещение в сторону очередной перфокарты. В силу уже
известных обстоятельств это движение непосредственно не
связывается с движениями, управляющими образованием
зева, т. е. поднятием и опусканием нитей основы. Именно
эти механизмы и устройства — крючки, лицы, верхняя
коробка, а также механизмы, синхронизирующие движе-
ние всех устройств ткацкого автомата, можно условно
объединить в один узел управления.
В монотипе узел программы представляет собой ленто-
протяжное устройство и распределитель с отверстиями.
Функции управления движением матричной рамки несут
пневмоустройства выдвижных упоров и механизмы, дово-
дящие рамку до этих упоров. Эти механизмы, как и ряд
других, управляющих фиксацией рамки, движением от-
ливного аппарата, процессом отливки литер, также можно
условно объединить в один узел управления.
Копировальный станок с механическим управлением
устроен очень цросто. Но и в нем, как и в любом другом
автомате, можно обнаружить устройство, осуществляющее
функции управления. Таким устройством является жест-
кая механическая передача, связывающая щуп и фрезу.
Наконец, выделим в один узел все те механизмы и уст-
ройства автомата, которые обеспечивают непосредствен-
ное исполнение команд, поступающих из узла управления.
В станке Жаккара это механизмы, приводящие в движе-
ние верхнюю коробку, вал, с которого сматываются нити,
вал, на который наматывается готовая ткань. В металло-
режущем автомате это механизмы, которые перемещают
инструменты или заготовку на определенные расстояния
и с определенными скоростями, возвращают их в исходное
62
Блок-схема автомата:
1 — узел программы, 2 — узел управления, з — исполнительные
механизмы
Здесь система управления построена по разомкнутой схеме. Узел
управления получает информацию из узла программы и в свою
очередь воздействует на исполнительные органы станка. Далеко
не все автоматы действуют по такой схеме
положение, включают и выключают подачу охлаждающей
жидкости, сигнализируют об окончании обработки очеред-
ного изделия и т. д., другими словами, исполняют все опе-
рации, предписанные программой.
Узел, условно объединяющий механизмы и устройства,
которые непосредственно реализуют заданную программу,
называется узлом исполнительных механизмов.
А теперь объединим все три узла в единую блок-схему
автомата. Сигналы программы направляются в узел управ-
ления, а сигналы управления воздействуют на исполни-
тельные органы. Исполнительные органы ведут непосред-
ственную обработку изделия.
Само* собой разумеется, что далеко не всегда бывает
легко выполнить такой структурный анализ сложного ав-
томата. Далеко не всегда так четко разделяются функции
его отдельных устройств и механизмов и не так просто
бывает перечислить, какие из них входят в тот или иной
из основных узлов блок-схемы.
Тем не менее, знакомство с новым автоматом всегда
следует начинать с попытки понять функциональное на-
значение его основных механизмов и устройств, понять,
как они взаимодействуют. Разобраться в этом важно еще
63
и потому, что далеко не каждый автомат работает по той
схеме, которую мы сейчас наметили. В этом можно убе-
диться на примере копировального станка с гидравличе-
ским управлением.
Вспомним, как он действует. Вращающийся копир и
копировальный щуп образуют узел программы этого стан-
ка. Со щупом связан золотник, осуществляющий функции
управления исполнительным органом — суппортом стан-
ка, несущим фрезу. Вся эта цепь, как кажется с первого
взгляда, действует в точном соответствии с известной нам
блок-схемой.
Действительно, щуп прочитал программу-копир, пере-
дал сигнал управляющему золотнику, тот, переместив-
шись, открыл доступ жидкости в силовой цилиндр и тем
самым дал приказ исполнительному органу. Исполнитель-
ный орган принял этот приказ к исполнению — он двинул-
ся, перемещая фрезу относительно заготовки.
Ну а дальше? Ведь если управляющий золотник, пере-
местившись на некоторое расстояние, остановится, а от-
верстие при этом останется открытым, то суппорт не пре-
кратит своего движения, и в результате изделие будет ис-
порчено.
Очевидно, для станка с гидроуправлением такой пря-
мой цепочки взаимодействия основных узлов недостаточно.
Надо, чтобы в момент, когда фреза и щуп займут одинако-
вые положения, доступ жидкости в полость силового ци-
линдра был прекращен. А для этого необходимо, чтобы
исполнительный орган мог сигнализировать о том, что он
выполнил приказ, полученный от узла управления.
Как это достигается в рассмотренной нами системе?
Управляющий золотник помещается в подвижном сер-
воцилиндре. Оба цилиндра — силовой и вспомогатель-
ный — укреплены на суппорте и движутся совместно. Если
управляющий золотник сместится под действием копира,
цепь прямой передачи движения будет действовать по-
прежнему. Но перемещая фрезу, исполнительный орган
одновременно перемещает также и гильзу управляющегб
золотника. Другими словами, одновременно с цепью пря-
мой передачи начинает действовать цепь обратной переда-
чи, дополнительно связывающая исполнительный орган
с узлом управления и непрерывно сигнализирующая об
исполнении приказа. В тот момент, когда фреза в своем
64
Блок-схема автомата:
1 — узел программы, 2 — узел управления, 3 — исполнительные
механизмы, 4 — узел обратной связи
Эта блок-схема отличается от представленной на стр. 63 наличием
узла обратной связи. Теперь система управления действует по зам-
кнутой схеме. Управляющий сигнал вырабатывается путем сравнения
заданной программы с выполняемой автоматом
движении догонит ролик и, значит, займет правильное по-
ложение, гильза догонит золотник и вновь перекроет про-
ход жидкости в силовой цилиндр. Следовательно, теперь
узел управления действует не только в соответствии с сиг-
налами, приходящими из узла программы. Он учитывает
и те сигналы, которые поступают из обратной цепи. Без
такого обратного взаимодействия, как мы видели, система
вообще не может правильно действовать.
Итак, применительно к гидрокопировальному станку
описанную выше блок-схему надо дополнить еще одним
узлом, включив в него все те устройства и механизмы,
которые выполняют функции обратной сигнализации, или,
как говорят, обратной связи.
Как видите, мы теперь составили епщ одну блок-схему.
Согласно этой схеме, узел программы по-прежнему посы-
лает сигналы в узел управления. Узел управления как бы
сравнивает эти сигналы с теми, которые поступают из це-
пи обратной связи и только после этого посылает приказ
5 А. Е. Кобринский
исполнительным механизмам. А они в свою очередь через
цепь обратной связи посылают сигналы в узел управления.
Система управления оказывается замкнутой. В результате
достигается эффект слежения, о котором мы уже упоми-
нали, когда впервые рассказывали о принципе действия
копировальных станков с гидравлической и электрической
системами управления. Осуществить слежение оказалось
возможным только благодаря наличию в системе управле-
ния цепи обратной связи.
В копировальном же станке с механическим управле-
нием блок-схема может быть разомкнутой по той простой
причине, что там передача движения от ролика к фрезе
осуществляется жесткой системой, позволяющей непо-
средственно управлять движением ведомого звена с такой
точностью, которая вполне удовлетворяет нашим требова-
ниям. Конечно, в процессе обработки заготовки могут воз-
никать различные погрешности, с течением времени ин-
струмент затупляется, но время его безотказной работы
и величины возможных погрешностей заранее известны.
Когда же погрешности обработки начинают достигать пре-
дельно допустимых величин, производят подналадку ав-
томата и заменяют износившийся инструмент.
Однако разомкнутой системе, построенной с использо-
ванием одних только жестких передач, свойственны такие
недостатки, которые во многих случаях делают нецелесо-
образным, а подчас и просто невозможным их использова-
ние для целей управления машинами и автоматами. Один из
этих недостатков нам уже известен. Жесткая разомкнутая
передача движения значительно затрудняет использова-
ние серводействия. Помимо этого, разомкнутым системам
управления свойствен еще один недостаток, связанный с
невозможностью использовать их для целей дистанционно-
го управления.
Представьте себе, что речь идет о системе рулевого
управления большим кораблем. Мало того, что сила сопро-
тивления воды, действующая на руль такого корабля, мо-
жет достигать многих тонн и задача непосредственного
управления им явно непосильна для человека, если не ис-
пользовать принципа серводействия. Конструктор кораб-
ля еще должен учитывать, что расстояние между рубкой
рулевого и рулем может достигать нескольких десятков
метров. Совершенно очевидно, что попытка связать штур-
ме
вал и руль такого корабля жесткой передачей кончилась
бы неудачей. Таких попыток и не делают.
Конструкторы машин хорошо знают, что когда необхо-
димо передать энергию или движение на сравнительно
большое расстояние и в самых различных направлениях,
обычные жесткие механические передачи значительно
уступают электрическим, гидравлическим, пневматиче-
ским.
Однако при использовании подобных устройств разом-
кнутую систему управления применить уже нельзя, по-
скольку нарушается жесткая передача между органом
автомата, задающим программу движения, и исполнитель-
ным органом^ реализующим эту программу. Исполнитель-
ный орган при этом выходит из-под непосредственного
контроля, как мы видели на примере копировального
станка с гидравлическим управлением. Чтобы им уп-
равлять, становится необходимым использовать прин-
цип слежения, необходима замкнутая система управле-
ния, необходима цепь обратной связи.
Следует сказать, что понятия о замкнутой системе
управления и об обратной связи дают возможность разоб-
раться не только в принципе действия большого числа
самых различных автоматов и систем автоматического
управления. Эти понятия приобретают первостепенное
значение также и при обсуждении вопросов взаимодейст-
вия человека и управляемой им машины и даже тогда,
когда речь идет о взаимодействии любого живого организма
с окружающим его внешним миром.
Водитель за рулем автомобиля — вот типичный пример
того, как человек осуществляет управление машиной. Ма-
шина мчится по шоссе, обгоняя попутные машины, благо-
получно разъезжаясь со встречными машинами. Почему
дело обходится без несчастного случая? Потому что води-
тель непрерывно следит за той ситуацией, которая склады-
вается в пути, в соответствии с этой ситуацией мысленно
намечает наилучшую траекторию и скорость движения и
так управляет машиной, чтобы ее фактические траекто-
рия и скорость минимально уклонялись от намеченных.
Мозг человека — руки — машина — глаза — мозг —
вот замкнутая система управления автомобилем, причем
зрительный аппарат водителя в этой системе осуществля-
ет функции обратной связи. И чем выше квалификация
водителя, тем быстрее он оценивает ситуацию, тем уверен-
ней управляет машиной.
Но предложите самому опытному водителю проехать
200—300 м по пустынному и прямому как стрела шоссе
при условии, что у него будут завязаны глаза. Скорее все-
го, он откажется. Каждый водитель знает, что при движе-
нии даже по прямому участку шоссе приходится непре-
рывно поворачивать руль то в одну, то в другую сторону,
пусть на самую малую величину. Это необходимо, чтобы
устранить влияние на движение машины небольших не-
ровностей шоссе, неравномерности нагружения левых и
правых колес, различной изношенности покрышек, коле-
баний машины на рессорах и многих других, подчас со-
вершенно случайных обстоятельств, которые могут воз-
никнуть буквально в любой момент. Сознательно или
автоматически (рефлекторно) водитель непрерывно срав-
нивает желаемое и фактическое движение машины и вно-
сит соответствующие поправки, устраняя непрерывно воз-
никающие рассогласования. Завязав ему глаза, вы пре-
рвете цепь обратной связи, замкнутая система управления
машиной нарушится, авария станет неизбежной.
Примерно так же обстоит дело, когда речь идет о пи-
лоте самолета или о рулевом корабля. Ведь и их задача
в конечном счете сводится к тому, чтобы устранять рассо-
гласования между фактическими и желаемыми траек-
ториями и скоростями движения самолета или корабля.
Только для оценки ситуации, складывающейся в процессе
движения, им больше приходится пользоваться прибора-
ми, чем естественными ориентирами.
Железнодорожному машинисту не приходится беспо-
коиться о траектории движения состава. Поезд движется пс
рельсам и, значит, траектория его движения заранее пол-
ностью определена. Однако и здесь человек выполняет
сложные функции управления, связанные с обеспечением
заданной программы движения. Машинист всегда управ-
ляет локомотивом так, чтобы средняя скорость на пере-
гонах была равна заданной и обеспечивала прибытие на
станцию точно по расписанию. Он стремится достичь это-
го самым экономичным и безопасным образом, что требует
непрерывного управления фактической скоростью соста-
ва в соответствии с его весом, с профилем, кривизной
и состоянием пути, длинами перегонов и другими факто-
68
рами, которые должен учитывать машинист, выбирая
«программу» движения. Значит, картина такого управле-
ния тоже хорошо укладывается в нашу схему за тем ис-
ключением, что обратная связь теперь осуществляется по
скорости, речь идет об устранении рассогласования между
намечаемой и фактической скоростями движения.
Повар, добавив в приготовляемую пищу сахар, соль,
перец, снимает пробу, оценивая результат, затем вновь
добавляет эти продукты до тех пор, пока не добьется же-
лаемого эффекта, т. е. пока не устранит рассогласования
между своим представлением о вкусно приготовленном
блюде и своими фактическими вкусовыми ощущениями.
Как видите, он действует примерно по тому же принципу,
что и шофер, пилот, машинист. Конечно, в соответствии
с технологическим процессом, которым он управляет, об-
ратная связь устанавливается теперь не по перемещению
или скорости, а по вкусу пищи.
Количество примеров, иллюстрирующих важность и
общность понятия обратной связи, можно было бы увели-
чивать до бесконечности, обнаруживая их в самых обыч-
ных повседневно наблюдаемых нами явлениях. Но особую
важность это понятие приобретает, когда речь идет о том,
чтобы освободить человека от сложной, утомительной, а
подчас и просто непосильной для него работы, связанной
с управлением той или иной машиной, когда эти функции
управления передаются автоматическим устройствам,
когда ставится задача автоматизации того или иного тех-
нологического процесса.
Именно поэтому, пытаясь разобраться, как действуют
многие современные автоматы, необходимо свыкнуться
с понятием об обратной связи, понять, какие функции
выполняют соответствующие устройства, «очувствляю-
щие» автомат, понять, как эти устройства взаимодейству-
ют с другими узлами системы.
Итак, мы построили две возможные блок-схемы авто-
мата: разомкнутую и замкнутую. По той или иной из
этих схем работают практически все современные автома-
ты от наручных часов до автоматических линий, от кино-
аппарата до автомата, управляющего движением большого
телескопа. По разомкнутой или замкнутой схеме работа-
ют также и станки с цифровым управлением. Программа
их работы задается в цифровом виде, в узле программы
69
эти числа считываются и преооразуются в электрические
сигналы, которые направляются в узел управления станка.
Если станок работает по разомкнутой схеме, то эти сигна-
лы должны быть непосредственно использованы для
управления его исполнительными механизмами. Если при-
менена замкнутая схема, тогда необходимо дополнить
систему управления цепью обратной связи, причем ко-
нечная задача всех устройств, осуществляющих эту обрат-
ную связь, состоит в том, чтобы измерять перемещения
исполнительных органов станка п сообщать сведения о ре-
зультатах измерения в узел управления. В узле управле-
ния сравнивается заданная программа обработки изделия
с фактической программой, выполняемой станком, срав-
ниваются две цепочки сигналов, поступающих из узла
программы и узла обратной связи.
Казалось бы, при нормальной работе станка рассогла-
сования между этими двумя цепочками сигналов быть
не должно. В действительности, дело обстоит совсем не
так.
Каждый сигнал, поступающий в узел управления из
узла программы, содержит команду на перемещение стола
станка или инструмента пусть на самую малую, но все же
конечную величину. Электрический сигнал движется со
скоростью света и мгновенно достигает цели. А чтобы пе-
реместить стол станка на эту величину, необходимо неко-
торое время — команда не может быть выполнена мгновен-
но, вследствие того, что всякая механическая система, в
том числе и система станка, обладает инерцией. Значит,
как только в узел управления поступил первый командный
сигнал, так уже возникло рассогласование между задан-
ным и фактическим движениями. И в течение всего перио-
да работы замкнутой системы узел управления действует
так, чтобы свести это непрерывно возникающее рассогла-
сование к минимуму. Именно в этом состоит идея и на
этом базируется принцип действия любой системы с об-
ратной связью.
А теперь, после того как мы ознакомились с основами
цифрового управления, со способами цифрового задания
программ, с двумя возможными схемами построения авто-
матов, оснащенных системами цифрового управления,
можно начать знакомство с их конструкцией, с тем, как
они устроены и как действуют.
70
В этой книге рассказывается о нескольких автоматах
из числа тех, которые построены к настоящему времени.
Но и этого достаточно, чтобы понять, какое количество
человеческого труда скрывается за прямоугольниками
блок-схем, сколько знаний, изобретательности и настойчи-
вости потребовалось, чтобы заставить многопудовые и мно-
готонные суппорты и столы станков передвигаться с раз-
личной скоростью в любом направлении, останавливаться
в заданном положении с микронной точностью и все это
делать без непосредственного участия человека.
Не менее удивительным может показаться то обстоя-
тельство, что станки совершенно одинакового типа, пред-
назначенные для производства сходных изделий, оснаща-
ются системами цифрового управления, абсолютно непо-
хожими одна на другую ни по принципу действия, ни по
конструкции, ни по устройству отдельных механизмов
и элементов.
Почему? По многим причинам. Прежде всего потому,
что современное машиностроение, приборостроение, элек-
троника, радиотехника обеспечивают конструктору чрез-
вычайно широкий арсенал методов и технических средств
автоматизации. Осуществляя разработку нового автомата,
конструктор производит выбор этих методов и средств,
опираясь на свой опыт, знания и инженерную интуицию^
Стремясь усовершенствовать существующую систему, или
создать новую, более производительную, точную и эко-
номичную, он по-новому компонует уже известные меха-
низмы, устройства и элементы, изобретает и разраба-
тывает новые образцы и схемы. Чтобы достигнуть при
этом максимального эффекта с минимальными затрата-
ми труда и средств, он должен учитывать возможности
и опыт того предприятия, которое будет строить новый
автомат.
А в капиталистических странах, где торговля идеями
и изобретениями распространена так же широко, как и тор-
говля товарами, необходимость создания нового станка,
системы, прибора, устройства подчас диктуется стремле-
нием обойти патенты конкурирующих фирм.
Все эти обстоятельства и объясняют то крайнее мно-
гообразие современных цифровых систем управления
станками, в котором не просто разобраться и квалифици*
рованнюму станкостроителю.
71
Но мы уже знаем основные принципы и схемы построе-
ния этих систем и это значительно облегчит наше дальней-
шее знакомство с ними. Особенно, если четко представ-
лять себе те задачи управления, которые решаются с их
помощью. Об этом тоже следует здесь сказать несколько
слов.
При автоматизации сверлильных и координатно-рас-
точных станков перед системой управления ставится
с первого взгляда сравнительно простая задача. Так, си-
стеме вменяется в обязанность периодически передвигать
стол, несущий заготовку. После каждого очередного перед-
вижения стол останавливается, и тогда вступает в дейст-
вие режущий инструмент.
Конечно, простота этой задачи только кажущаяся.
Ведь координатно-расточные станки должны обеспечивать
установку заготовки подчас с точностью порядка 2—3 ц,
а перемещать заготовки иной раз приходится на
600—700 мм и более. И вместе с тем во всех этих случаях
речь идет только об обеспечении заданного относительно-
го расположения инструмента и заготовки в одной или в
ряде последовательных позиций.
Значительно более трудная и важная задача возникает
при создании систем управления фрезерными станками,
позволяющих автоматизировать процессы обработки из-
делий, обладающих сложными криволинейными профиля-
ми и поверхностями. Чтобы решить эту задачу в полном
объеме, система управления должна обеспечить автома-
тическое воспроизведение сколь угодно сложной траекто-
рии движения инструмента и заготовки. Только при этом
условии наиболее полно используются возможности стан-
ка и преимущества цифровых систем автоматизации.
С точки зрения подготовки программы сложность тра-
ектории относительного движения инструмента и заготов-
ки станкостроителей уже не пугает. Теперь нет необходи-
мости в изготовлении сложного копира, а вычислительной
машине практически безразлично, какую траекторию —
простую или сложную — представить в цифровом виде.
Но вот узлу управления станка и его исполнительным
органам приходится значительно труднее. В отличие от
позиционного управления здесь недостаточно обеспечить
точное расположение инструмента и заготовки в одной,
двух или большем числе точек. Необходимо, чтобы вся
72
Необычайно разнообразны изделия машиностроения: лопасти
винтов, лопатки турбин, пространственные и плоские кулач-
ки, копиры, шаблоны, штампы, детали приборов и самолетные
детали. Обработка их обычными методами требует затра-
ты большого • количества высококвалифицированного ручного
труда
обработанная поверхность в любой ее точке не выходила
за пределы назначенного допуска, причем обработку надо
произвести настолько быстро, чтобы преимущество авто-
матизированного управления стало очевидным.
Лопатки турбин, лопасти винтов, пространственные и
плоские кулачки, копиры, шаблоны, сложные детали при-
боров и радиоаппаратуры, самолетные детали — вот дале-
ко не полный перечень трудоемких изделий, для обработ-
ки которых целесообразно использовать такие станки.
Поэтому у нас и за рубежом основные разработки в обла-
сти цифровых систем управления ведутся применительно
к универсальным и специальным фрезерным станкам.
С рассказа о таких станках мы начнем следующую гла-
ву, в которой покажем, как используются описанные выше
принципы при создании цифровых систем управления.
Мы попытаемся это сделать путем сравнения двух стан-
ков с цифровым управлением, предназначенных для авто-
матизации уже знакомого нам технологического процесса
фрезерования плоских кулачков.
VI
<>-...——1   ' '.
Два автомата —два принципа,
В обоих станках, с которыми мы познакомимся в этой
главе, использован одинаковый способ формообра-
зования — стол, несущий заготовку, вращается с постоян-
ной угловой скоростью и, кроме того, движется возвратно-
поступательно по направляющим. Задача автоматизации
в обоих случаях состояла в том, чтобы в процессе враще-
ния заготовки обеспечить автоматическое движение стола
в соответствии с заданной программой, не используя
копира, эталона, другими словами, не прибегая к ее фи-
зическому моделированию.
Посмотрим, как эту задачу лет пять-шесть назад реши-
ла американская фирма ИБМ Ч Она специализируется на
проектировании и постройке вычислительных машин, и
созданный ею фрезерный станок с цифровым управлением
предназначается для обработки самых различных кулач-
ков, используемых в этих машинах.
При подготовке программы обработки очередного ку-
лачка прежде всего в соответствии с его чертежом рассчи-
тываются расстояния между центром фрезы и центром
заготовки через равные интервалы поворота последней.
Величина интервалов определяется при этом в зависимо-
сти от размеров и кривизны профиля обрабатываемого ку-
лачка, но во всяком случае так, чтобы разность между
двумя смежными расстояними (радиусами-векторами) не
1 См. «Electrical Manufacturing», October, 1955.
74
7
Однокоординатная схема формообразования:
1 — стол станка, 2 — вращающийся стол, з — заготовка, 4 — фреза
5 — привод вращения стола
Стол станка, несущий вращающуюся заготовку, должен по определен.'
ной программе двигаться то на фрезу, то от фрезы. Оба станка,
описанные в этой главе, работают по такой схеме
превышала 0,09 мм. Происхождение этого числа станет
ясным несколько позже.
После того как вычислены последовательные значе-
ния радиусов-векторов центра фрезы, составляется табли-
ца их приращений на каждом из интервалов поворота
заготовки. Эти приращения характеризуют последова-
тельные перемещения стола станка, необходимые для
образования заданного профиля. Таблица составляется с
округлениями, учитываемыми в последующих интервалах
так, что если, например, три радиуса-вектора для двух
смежных интервалов имеют значения 110,342 мм,
110,364 мм, 110,399 мм, то в таблицу будут внесены, соот-
ветственно, для первого интервала приращение 0,02 мм
(вместо 0,022), для второго 0,04 мм, (вместо 0,035). При
этом погрешность программирования, как видим, не пре-
вышает ± 0,005 мм на протяжении всего профиля.
Само собой разумеется, что помимо величин переме-
щений стола, в таблице должны содержаться указания
75
о том, в каком направлении — на фрезу или от фрезы —
эти перемещения должны совершаться.
В качестве носителя программы используется перфо-
рированная восьмиканальная бумажная лента. Четыре
канала используются для задания величин приращений
в двоичном коде. При этом, чтобы осуществить запись
программы для любого из интервалов, достаточно всего
лишь одной строки. Действительно, величины прираще-
ний, согласно принятому огпаничрнию могут иметь лишь
одно из десяти значений: 0,00, 0,01, 0,02,... 0,09 мм. А при
использовании двоичного кода, как мы знаем, четырех
отверстий достаточно, чтобы записать шестнадцать чисел
от 0 до 15. Значит, в данной системе эти возможности не
используются полностью.
Два канала ленты служат для указания направления
движения стола. Перфорации в одном канале дают ко-
манду на движение в одном направлении, перфорации во
втором канале изменяют направление движения стола на
обратное. Еще один канал ленты используется для контро-
ля правильности считывания. Контроль осуществляется
методом, о котором говорилось в IV главе, причем он ведет-
ся с учетом команд, указывающих направление движения
стола. При этом отверстие, дополняющее общее число
команд до «нечета», перфорируется в тех строках, где
число основных программных отверствий нечетное, т. е.
в тех строках, где записываются числа 1, 2, 4, 7, 8. Итак,
программа работы станка теперь содержит все сведения,
необходимые для автоматизации процесса обработки.
Узел программы станка представляет собой лентопро-
тяжное устройство, считывание в котором осуществляет-
ся путем замыкания контактов в тех каналах, в которых
пробиты отверстия.
Лента продвигается отдельными шагами специаль-
ным двигателем, который периодически включается но
мере вращения стола с заготовкой. Достигается это следу-
ющим образом. Вращение столу передается от двигателя
постоянного тока через специальный вал, несущий два
спаренных кулачка. Один из них, замыкая контакт, по-
дает команду на включение двигателя лентопротяжного
механизма. При этом лента перемещается на один шаг.
Щупы, считывающие информацию, должны быть прижа-
ты к ленте только после того, как предыдущая строка
76
Схема станка ИВМ*.
1 — привод впащения стола, 2 — кулачок включения 'Лен-
топротяжного механизма, 3 — кулачок включения щупов,
4 — узел управления, 5 — датчик обратной связи
Пу/u равномерном вращении стола перфолента, несущая про-
грамму. периодически перемещается. Считанные сигналы на-
правляются в узел управления Приращение радиуса-вектора
на данном интервале поворота заготовки, согласно программе,
должно быть равно 0,03 мм, соответственно на ленте проби-
ты два отверстия (3 = 1'2° 4- J •214-0’2t+-0-2s). Еще одно
отверстие пробито в канале «назад» — стол на этом инте-
рвале движется от фрезы. Перемещение стола регист-
рируется датчиком обратной связи, сигналы от которого
поступают в узел управления
выйдет из зоны считывания, поэтому команду на опуска-
ние щупов подает второй кулачок.
Через выбранный интервал поворота стола эти два
кулачка вновь повторяют команды на продвижение и счи-
тывание ленты и т. д. В результате продвижение програм-
мы оказывается строго синхронизированным с враще-
нием обрабатываемой заготовки.
Считанные сигналы направляются в узел управле-
ния, однако, прежде чем разбираться в его функциях,
77
посмотрим, как действует узел исполнительных меха-
низмов.
Привод возвратно-поступательного движения стола
станка осуществляется с помощью электродвигателя по-
стоянного тока мощностью 0,25 кет. Напряжение, пита-
ющее этот двигатель, вырабатывается электромашинным
усилителем (ЭМУ), представляющим особый генератор
постоянного тока. Его ротор приводится во вращение
обычным двигателем переменного тока, а статор имеет
специальные управляющие обмотки. При изменении ве-
личины напряжения, питающего эти обмотки, соответст-
венно меняется напряжение на обмотках ротора, которое
в дальнейшем используется для питания двигателя приво-
да станка.
Электромашиннкге усилители рассчитываются так,
что с их помощью мощность входного сигнала может быть
усилена в тысячи раз. Значит, ес^ли такой усилитель рабо-
тает на двигатель мощностью в 250 вг, то мощность
управляющего сигнала, подводимого к обмоткам статора
ЭМУ, измеряется ничтожными величинами, не превосхо-
дящими сотых долей ватта.
Система управления станком позволяет ступенчато из-
менять напряжение на входе в ЭМУ. Соответственные из-
менения будут иметь место и на его выходе. Число таких
«ступеней» напряжения выбрано равным десяти и в соот-
ветствии с этим исполнительный двигатель и приводимый
им в движение стол будут иметь десять ступеней ско-
рости, величины которых в долях от номинального значе-
ния выбраны равными: 0, 7э, 2/э, Эти десять значений
определяют десять различных величин приращений, кото-
рые могут быть заданы программой.
От одного интервала поворота заготовки к другому
скорость исполнительного двигателя изменяется в соот-
ветствии с сигналами программы так, что если на ленте
закодировано число 3, то обороты двигателя на этом ин-
тервале будут равны 3/9 максимальной величины, при чис-
ле 9 его обороты достигнут максимального значения
9/э = 1. Соответственно изменяется скорость стола, движу-
щего вращающуюся заготовку то на фрезу, то от фрезы.
Казалось бы, что такой разомкнутой цепью управле-
ния программа — электромашинный усилитель — испол-
нительный узел можно обеспечить автоматический про-
18
цесс обработки изделия с достаточной степенью точности.
В действительности, однако, это не так. Даже малые
ошибки скорости двигателя на установившихся режимах
его вращения, а также наличие переходных режимов при
переключении его с одной скорости на другую могут при-
вести к значительным местным и накопленным погреш-
ностям обработки и, когда заготовка совершит полный
оборот, окажется, что начальное и конечное положения
фрезы не совпадут. На изделии в этом месте образуется
ступенька, и его придется забраковать.
Чтобы такая система автоматизации была достаточно
надежной, необходима цепь обратной связи. И она имеется
в описываемой системе. Началом ее служит датчик обрат-
ной связи, измеряющий перемещения стола и преобразу-
ющий результаты измерений в электрические сигналы.
Устроен он следующим образом. На промежуточном
валике кинематической цепи привода стола укреплено
колесо, имеющее ряд прямоугольных зубцов. Передаточ-
ное число привода промежуточного валика и число зубцов
колеса выбраны так, что оно поворачивается ровно па
один зубец при перемещении стола на 0,01 мм. Зубча-
тое колесо представляет собой подвижную часть датчика.
Второй частью датчика служит неподвижный башмак с
двумя выступами, расстояния между которыми в точно-
сти равны расстоянию между двумя зубцами колеса.
Башмак несет две обмотки — первичную и вторич-
ную — и вместе с колесом образует своеобразную транс-
форматорную систему, первичная обмотка которой питает-
ся переменным током. При совпадении зубцов вращающе-
гося колеса с выступами башмака трансформаторная
связь между первичной и вторичной обмотками увеличи-
вается до максимального значения, и во вторичной обмот-
ке индуктируется максимальное напряжение. Это макси-
мальное напряжение затем преобразуется в импульс, сиг-
нализирующий в узел управления о том, что стол станка
переместился на 0,01 мм. По мере перемещения стола дат-
чик посылает в цепь обратной связи один импульс за
другим, тем самым сообщая сведения о работе системы.
Теперь мы можем познакомиться с тем, как устроен
узел управления, в функции которого входит: 1) деко-
дирование программных сигналов, т. е. перевод их из
двоичной системы в обычную десятичную систему;
79
2) управление системой регулирования двигателя, уста-
навливающей его скорость в долях от номинальной в соот-
ветствии с программой; 3) непрерывное сравнивание за-
данной программы с реализуемой путем использования
сигналов, поступающих от индуктивного датчика обратной
связи.
Посмотрите, как сравнительно просто решаются эти,
с первого взгляда, довольно трудные задачи. В момент,
когда заканчивается очередной интервал поворота заго-
товки, кулачок, управляющий считыванием, подает ко-
манду, и щупы считывают программу работы станка на
следующем интервале поворота заготовки, после чего
вступает в действие узел управления.
Прежде всего он должен обеспечить переключение
двигателя на соответствующую скорость. Осуществляется
это с помощью релейного дешифратора, который пред-
ставляет собой в данном случае набор из 14 реле. Каждое
из них при включении может замкнуть несколько пар
контактов,, которые при выключенном реле были разомк-
нуты (нормально открытые), и одновременно разомкнуть
такое же число пар контактов, которые при включенном
реле были замкнуты (нормально закрытые контакты).
Первые четыре реле включены в цепи считывающих
щупов так, что каждому из четырех каналов ленты соот-
ветствует одно реле, включающееся при наличии отвер-
стия в этом канале. Мы можем условно обозначить их
так: реле 2 °, реле 2 \ реле 2 2, реле 2 3.
Реле 2 0 имеет по пять пар нормально открытых и нор-
мально закрытых контактов, реле 2 1 — по три пары, реле
2 2, как и реле 2 3 — по одной паре нормально открытых
и нормально закрытых контактов.
Пара нормально открытых и пара нормально закры-
тых контактов позволяют в соответствии с состоянием
реле включить одну из двух ветвей электрической цепоч-
ки. Значит контакты, управляемые реле 2 °, могут вклю-
чить любую из десяти электрических цепочек. Соответ-
ственно контакты реле 2 1 управляют включением шести
цепочек, а реле 2 2 и 2 3 — двух.
Проследите сами, как в дешифраторе соединены все
эти цепочки и вы увидите, что данная комбинация реле,
замкнутых в соответствии с программой, включает одну
из десяти выходных цепочек. На нашем рисунке сей-
80
Увел управления станка ИБМ:
1 — узел программы, 2 — щупы, 3 — реле, 4]—’подвижные контакты,
5 — неподвижные контакты
В соответствии с программой включается то или иное число секций обмоток воз-
буждения ЭМУ, и стол станка получает заданную скорость; реле 0,1, ...9
обеспечивают также сравнение заданного и фактического перемещения стола
час считывается строчка программной ленты, в которой
пробиты отверстия в каналах 20 и 2 !, что соответствует
числу 3. При этом оказывается замкнутой выходная це-
почка под номером 3.
Мысленно включая любую комбинацию реле, можно
видеть, что каждый раз будет включаться только одна из
выходных цепочек. Легко убедиться также и в том, что,
добавив необходимое число пар контактов, можно с по-
мощью четырех реле включать любую из 16 выходных це-
почек. В результате двоичные числа программы оказыва-
ются расшифрованными, а одна из задач узла управле-
ния успешно выполненной.
Управляющие обмотки электромашинного усилителя
разделены на десять секций. Когда все секции выключе-
ны, исполнительный двигатель неподвижен; когда вклю-
чена одна секция, его скорость равна 7э номинальной;
когда включены две секции, его скорость будет 2/э и т. д.
Для включения различного числа секций обмоток возбуж-
дения предназначены остальные десять реле дешифратора.
В каждую из десяти выходных цепочек включена
в А В Кобринский	о
обмотка реле, имеющего две пары нормально открытых
контактов. Одна из этих двух пар контактов управляет
включением соответствующей группы секции обмоток воз-
буждения электромашинного усилителя. Значит, если, на-
пример, оказалась замкнутой выходная цепочка 3 дешиф-
ратора, то реле 3 замкнет контакты, включающие три сек-
ции обмотки возбуждения ЭМУ. При этом установится
скорость двигателя, равная 3/э максимальной. Таким об-
разом, команда становится понятной двигателю, и вторая
задача узла управления оказывается выполненной.
С помощью вторых пар нормально разомкнутых кон-
тактов узел управления решает задачу сравнения задан-
ной программы с реализуемой станком. Это сравнение вы-
полняется так. В схему управления включен механизм,
называемый шаговым искателем. Он имеет десять располо-
женных по дуге окружности неподвижных контактов и
одну подвижную щеточку, которая, поворачиваясь, может
поочередно замыкать каждую из десяти выходных цепо-
чек искателя. В эти цепочки включены вторые пары нор-
мально открытых контактов десяти реле 0, 1, 2,.9. Зна-
чит, включение, например реле 3, вызовет замыкание
третьей выходной цепочки искателя.
В процессе движения стола датчик обратной связи от-
считывает сотые доли миллиметра и посылает соответ-
ствующие сигналы в узел управления. Каждый сигнал
вызывает единичный поворот щеточки, которая последова-
тельно переходит с нулевого контакта на первый, с перво-
го на второй, со второго на третий и т. д. В нашем примере
выходные цепочки нулевого, первого и второго контактов
разомкнуты, и стол продолжает свое движение. Выход-
ная цепочка третьего контакта замкнута. Когда щеточка
перейдет на третий контакт, наступит совпадение двух
сигналов. Это будет означать, что стол переместился на
заданную величину. При этом подается команда на пе-
реход к выполнению программы, указанной в следующей
строке ленты, которая к этому моменту уже успела пере-
меститься на один шаг; скорость двигателя соответствен-
но изменяется, щеточка искателя возвращается в исходное
положение, и все повторяется сначала.
В узле управления осуществляется также и контроль
правильности считывания программы. Для этих целей
служит еще одно релейное устройство, в схему которого
82
включены нормально разомкнутые контакты всех реле,
ведущих считывание программы, а также дополнительного
реле, включающегося при наличии отверстия в контроль-
ном канале. Если при считывании включается нечетное
число реле, то цепь тревоги остается разомкнутой — рабо-
та продолжается. Если одно из отверстий окажется не-
считанным, будет включено четное число реле. Незави-
симо от того, из какого канала оказался невоспринятым
сигнал, при этом включится цепь тревоги, будет разомкну-
та цепь включения двигателей — станок мгновенно оста-
новится.
Мы сейчас ознакомились с логической схемой и с
принципом действия одного из станков с цифровым уп-
равлением. Он построен по замкнутой схеме, по которой
работают многие другие автоматические системы. В этом
станке используются уже известные нам принципы сле-
жения и серводействия. А вместе с тем цифровой способ
задания программы определил ряд его особенностей,
свойственных только автомату с цифровым управлением.
Главная из них состоит в том, что три из четырех его уз-
лов, а именно узлы программы, управления и обратной
связи, оперируют дискретными сигналами, причем точ-
ность работы системы зависит только от того, насколько
правильно считано, передано и измерено число сигналов.
И только тогда, когда сигналы доходят до узла исполни-
тельных механизмов, происходит их преобразование в не-
прерывное движение стола станка. А затем датчик обрат-
ной связи вновь преобразует непрерывное движение сто-
ла в дискретные сигналы. Так действует этот станок, так
действует большинство других станков с цифровым управ-
лением. Большинство, но не все!
Другая система цифрового управления фрезерным
станком, о которой пойдет речь в этой главе, действует
совершенно по-иному- Она была изобретена свыше деся-
ти лет назад советскими учеными М. Г. Брейдо, В. К. Бес-
Страшновым и автором этой книги и получила название
шаговой системы цифрового управления 2.
Мы знаем, что в замкнутых системах цифрового
управления большинство основных узлов работает
в дискретном режиме и только узел исполнительных ме-
2 Советское авторское свидетельство № 108857 с приоритетом
от 6 июня 19'50 г.
6*
83
ханизмов вносит «дезорганизацию», связанную с необхо-
димостью преобразования дискретных сигналов програм-
мы в непрерывное перемещение стола станка, а затем об-
ратного преобразования непрерывного движения стола в
дискретные сигналы с помощью датчика обратной связи.
Возникает естественный вопрос: обязательно, чтобы в
процессе обработки криволинейного профиля стол дви-
гался плавно, непрерывно? Нельзя ли сделать так, что-
бы и узел исполнительных механизмов действовал дис-
кретно, в унисон с другими узлами? Добившись этого,
мы получим чисто дискретную систему, действующую по
тому же принципу, по которому работает любая цифро-
вая машина, начиная от простого арифмометра и до со-
временного электронного вычислительного автомата.
Но все цифровые машины работают по разомкну-
той схеме. Значит, если мы применим дискретный прин-
цип не только для задания программы, но и для ее реали-
зации, то избавимся от необходимости выполнять преоб-
разования непрерывных и дискретных величин, избавим-
ся от необходимости иметь цепь обратной связи.
Все это должно привести к значительному упрощению
системы, поэтому задача создания такой чисто дискрет-
ной системы цифрового управления представлялась очень
заманчивой.
Именно эта задача была решена с созданием первого
станка, оснащенного шаговой системой цифрового управ-
ления 3. В основу ее была положена идея, согласно кото-
рой относительное движение инструмента и заготовки
выполняется не непрерывно, а в виде дискретных, шаго-
вых перемещений. Для этой системы потребовалось скон-
струировать специальный исполнительный механизм —
шаговый двигатель, который в соответствии с программны-
ми сигналами обеспечивал шаговые перемещения стола.
Чтобы понять, как действует шаговая система, необ-
ходимо в нескольких словах рассказать о принятом в
этой системе методе программирования.
Носителем программы служит кинолента, на которую
наносятся сигнальные отметки в соответствии с програм-
мой обработки. Предварительно расчетные приращения
3 Этот станок был построен в 1955 г. в Научно-исследователь-
ском институте полиграфического машиностроения. См. «Станки
и инструмент», 1956, № 12.
84
ГСТ WII уц И Mk й Г1 W  W И'СТ Л а -у г ст >   rw   i     и     ^
/*4/
л;
3-и
Программа работы первого станка, оснащенного шаговой системой
цифрового управления., задавалась в унитарном коде. Каждая черточ-
ка, нанесенная - во втором: канале, вызывает однЬ шаговое переме-
щение. Первый канал ленты управляет направлением движения
стола, третий канал — ценой шагового перемещения. Для целей
контроля на ленте цифрами указывается число черточек в данном
условном кадре
радиусов-векторов округляются до сотых долей милли-
метра, а интервалы поворота заготовки выбираются так,
чтобы в пределах одного интервала приращение не пре-
вышало 0,3 мм.
Для записи программы использован унитарный код.
При этом необходим всего один канал ленты. Каждому
единичному повороту заготовки (например, на 1°) отво-
дится в этом канале один условный кадр. В соответствии
с программой, на таких кадрах наносится от 0 до 30 про-
зрачных черточек, каждая из которых должна вызвать
перемещение суппорта на 0,01 мм. Длина кадра была вы-
брана равной утроенному шагу перфорации ленты. Длина
шага перфорации киноленты составляет Около 5 мм. При
этом общая длина программной ленты лишь немногим
превышает 5 м.
Второй канал ленты используется Для указания на-
правления движения стола. В зависимости от того, про-
зрачен или непрозрачен участок ленты в этом канале,
стол движется в одну сторону, либо меняет направление
движения на обратное. Для целей управления использу-
ется еще один канал ленты, также несущий прозрачные
и непрозрачные участки. О его назначении мы скажем
несколько позже.
Для нанесения прозрачных и непрозрачных участков
на киноленту был изготовлен специальный фотопрограм-
матор, при использовании которого процесс подготовки
носителя программы занимает два-три часа.
Узел программы станка представляет собой ленто-
протяжное устройство в виде бесконечной кассеты.
S5
Программная лента склеивается концами в замкнутое
кольцо так, что по окончании обработки одного изделия
можно приступить к обработке следующего без обратной
перемотки ленты. Продвижение ленты синхронизировано с
вращением стола, несущего обрабатываемую Заготовку.
Благодаря использованию унитарного кода, здесь от-
падает необходимость в периодических остановках ленты
для считывания программы, отпадает необходимость в
расшифровке программных сигналов, в результате чего
достигается значительное упрощение узла программы.
Лента движется непрерывно, перемещаясь на один кадр
при повороте стола на один условный интервал. При этом
она проходит через считывающее устройство, состоящее
из блока трех фотоэлементов и осветителя.
Осветитель посылает луч света, который освещает
все три канала. В зависимости от того, попадает ли свет
на прозрачные или непрозрачные участки, он либо прохо-
дит, либо не проходит через ленту, причем соответствую-
щие фотоэлементы либо дают, либо не дают импульс
тока.
Сигналы, считанные с программной ленты, реализу-
ются шаговым двигателем. Принцип его действия сводит-
ся к следующему. Источником мощности служит обыч-
ный электродвигатель переменного тока, вращающийся с
постоянной скоростью. Через систему передач он приво-
дит в движение два конических зубчатых колеса, непре-
рывно вращающихся в противоположные стороны. Они
свободно посажены на вал шагового двигателя, соединен-
ный с винтом подачи стола станка.
С этими колесами жестко связаны подвижные части
электромагнитных муфт. Вторые части этих муфт жест-
ко укреплены на валу шагового двигателя. При включе-
нии той или иной из этих муфт к валу шагового двигате-
ля прикладывается момент сил трения, стремящийся
вращать вал в ту или иную сторону. Вращению ва-
ла препятствуют специальные защелки, входящие в
зацепление с двумя шаговыми колесами, одно из кото-
рых жестко связано с водилом, а другое — с одним из
центральных колес дифференциального зубчатого меха-
низма.
Второе центральное колесо дифференциала через смен-
ную зубчатую пару связано с валом шагового двигателя.
8в
Шаговая система цифрового управления*,
1 — источник мощности, 2 — электромагнитные муфты, 3 — зубчатый дифференциал, 4 — шаговые колеса,
«	5 — защелки. 6 — осветитель, 7 — фотоэлементы
Лента движется синхронно с вращением стола, несушего заготовку. Помимо вращательного движения стол,
в с осп. ecu си сии с программой, совершает шаговые перемещения то на фрезу, то от фрезы
Каждая из защелок приводится в движение электромагни-
тами. При перемещении одной из защелок шаговое колесо
освобождается, и вал шагового двигателя под действием
вращающего момента, развиваемого соответствующей
электромагнитной муфтой, поворачивает винт подачи сто-
ла на угол, величина которого определяется шагом зубцов
шагового колеса. Шаговые колеса имеют разное число зуб-
цов; в соответствии с этим шаговый двигатель имеет две
цены подачи в зависимости от того, какой из шаговых
механизмов получает программные сигналы.
В момент пуска системы в ход включается одна из
электромагнитых муфт — в зависимости от того, про-
зрачен или затемнен соответствующий участок ленты в
канале реверса. По мере продвижения ленты фотоэлемент
считывает черточки, нанесенные во втором канале. Каж-
дая из этих черточек вызывает включение электромагни-
та, управляющего защелкой, и перемещение стола станка
на один шаг. Ценой этого шага управляет третий канал
программы. В зависимости от того, прозрачен или затем-
нен данный участок ленты в этом канале, сигналы, счи-
танные во втором канале, направляются для исполнения
на одно или другое шаговое колесо.
Таким образом, шаговый двигатель обеспечивает по-
дачу стола станка в любом направлении с переменным
числом шаговых перемешений и двумя различными их
ценами.
Его важными особенностями является точность шаго-
вых поворотов, определяемая точностью изготовления
шаговых колес, а также 'использование принципа серво-
действия. Электромагнитная система привода зашелок
выполняет только функции (включения и выключения, то
пропуская, то отсекая поток мощности от силового двига-
теля к столу станка.
С первого взгляда может показаться, что шаговое дви-
жение приведет к тому, что обработанная поверхность
профиля кулачка окажется неровной. В действительности
это не так.
Теоретические расчеты и опытные исследования пока-
зали, что при применении шаговых систем управления
может быть достигнута точность обработки, полностью
исчерпывающая возможности оснащенного этой системой
станка.
88
Задачи узла управ-
ления в шаговой си-
стеме, таким образом,
чрезвычайно просты.
Они сводятся фактиче-
ски к усилению считан-
ных сигналов и их адре-
сованию той или иной
муфте реверса и тому
или иному из электро-
магнитов шагового дви-
гателя.
Для нанесения про-
граммы на киноленту
был разработан спе-
циальный программа-
тор, одновременно вы-
полняющий роль интер-
полятора. Он представ-
ляет собой фотоустрой-
ство, состоящее из лен-
топротяжного механиз-
ма» оптической систе-
мы, осветителя и так
^называемого оригинала.
Оригинал представ-
ляет собой прозрачный
поворотный диск, на ко-
торый фотографическим
Программатор'.
1 — оригинал, 2 — сектор/ з — опти-
ческая система, 4 — лентопротяжное
устройство, 5 — программная лента
Оператор в соответствии с таблицей
устанавливает оригинал и сектор, затем
производит съемку. Рукояткой лентопро-
тяжного устройства он передвигает лен-
ту на один кадр и повторяет операцию.
Время подготовки ленты при условии, что
один кадр соответствует /° угла поворота
заготовки, составляет около двух часов
путем нанесены черные штрихи, расположенные на раз-
ных участках диска с разной частотой. При фото-
графировании каждого очереднего условного кадра диск
устанавливается в требуемое положение в соответствии с
программной таблицей, после чего производится фотогра-
фирование штрихов на ленту. Дополнительный поворотный
прозрачный сектор с черными участками, совмещенный с
диском, позволяет одновременно фотографировать боко-
вые дорожки, определяющие цену и знак шаговой подачи.
После того, что было сказано о подготовке программ в
предыдущих главах, такой способ представляется очень
несовершенным. Но следует учесть, что эта система циф-
рового управления разрабатывалась в 1949 г. Тогда
89
Такое изделие не удается
обработать на станке,
оснащенном однокоорди-
натной системой управ-
ления
не приходилось рассчитывать на
использование электронных вычис-
лительных машин и интерполято-
торов для подготовки программы.
Итак, на примере двух фрезер-
ных станков с цифровым управле-
нием мы познакомились с двумя
возможными принципами построе-
ния подобных систем. В основу од-
ного из них положена замкнутая
схема управления, в основу друго-
го разомкнутая.
Использование замкнутой схе-
мы связано с необходимостью не-
прерывно измерять перемещения
исполнительных органов и сравни-
вать заданную программу с реали-
зуемой станком.
Мы уже упоминали о том, что
большинство современных станков
с цифровым управлением построено именно по такой схе-
ме, однако в последние годы в Советском Союзе и за рубе-
жом создано несколько станков, оснащенных шаговыми
системами управления. Об одном из таких станков мы рас-
скажем ниже.
А теперь еще раз вернемся к схеме формообразова-
ния, которая была принята в описанных здесь станках.
В обоих случаях, как мы видели, движение программной
ленты задается вращением заготовки, а программные
сигналы управляют только одним движением — движе-
нием стола станка на фрезу или от нее.
Системы управления, работающие по такой схеме,
будем называть однокоординатными. Они, конечно, пре-
дельно просты, но не дают возможности обрабатывать
любые профили.
Представьте себе, например, что речь идет об обработке
изделия, у которого один и тот же радиус пересекает два
или больше участков профиля. На станке с однокоорди-
натным управлением такое изделие обработать не удает-
ся. Кроме того, при однокоординатной системе управле-
ния скорость подачи оказывается различной при обработ-
ке разных участков профиля или поверхности. Действи-
90
Двухкоординатные и трехкоординатные системы, управляю -
щие двумя или тремя движениями инструмента или загото-
вки,могут быть использованы при различных схемах формообра-
зования, А если надо управлять двумя или тремя движениями
одновременно и инструмента и заготовки, или движениями
двух инструментов, то число управляемых координат
приходится еще больше увеличивать
тельно, при постоянной скорости поворота заготовки ско-
рость подачи будет больше на тех участках, которые рас-
положены дальше от оси поворота заготовки, и наоборот.
Вынужденные изменения скорости подачи влекут за со-
бой снижение производительности и ухудшение качества
обрабатываемой поверхности изделия.
От этих недостатков свободна двухкоординатная сис-
тема, обеспечивающая управление одновременно двумя
движениями. С ее помощью можно решить задачу обра-
ботки любого профиля с обеспечением оптимальной про-
изводительности, причем могут быть использованы две
различные схемы формообразования. В зависимости от
выбранной схемы программой задается поступательное
движение двух столов, либо вращение одного стола и
91
поступательное перемещение другого, причем в обоих
случаях носитель программы движется независимо и
обеспечивает необходимую координацию движений узлов
станка.
Двухкоординатпая система управления расширяет
также возможности автоматизации обработки криволи-
нейных поверхностей. Однако, чтобы обработать такую
поверхность, обеспечив при этом свободу выбора траекто-
рии и скорости обработки тех или иных ее участков, не-
обходима трехкоординатная система управления.
При обработке изделий, обладающих сложными кри-
волинейными поверхностями, иногда оказывается необхо-
димым управлять двумя-тремя движениями стола станка
и одновременно двумя или тремя движениями инструмен-
та. Производительность станка при обработке ряда изде-
лий может быть существенно повышена, если система обес-
печивает управление по различным программам одновре-
менно двумя инструментами. Во всех подобных случаях
необходимы многокоординатные системы с числом управ-
ляемых координат, равным четырем, пяти и т. д.
Само собой разумеется, что увеличение числа управ-
ляемых координат ведет к усложнению системы, но вместе
с тем позволяет решать все более сложные задачи цифро-
вого управления и повышать производительность стан-
ков, оснащенных такими системами. И станкостроители
идут на дальнейшее усложнение систем управления. К на-
стоящему времени уже известен ряд трехкоординатных
систем управления, а в иностранной литературе появи-
лись сведения о фрезерных станках, предназначенных для
обработки деталей самолета, оснащенных системой Нуме-
рикорд, обеспечивающей программное управление одно-
временно пятью независимыми движениями.
По понятным соображениям, в многокоординатных
системах управление всеми движениями осуществляет-
ся по одной и той же схеме и в дальнейшем, рассказывая
о станках, оснащенных такими системами, мы будем каж-
дый раз говорить об управлении только одним движени-
ем, имея в виду, что описываемая система повторяется
столько раз, сколько имеется управляемых координат.
И еще одно замечание необходимо сделать в заключе-
ние этой главы. Обратите внимание на то, что в системе
управления станком ИБМ скорость исполнительного дви-
92
гателя, различная для различных интервалов угла пово-
рота заготовки, остается постоянной в пределах каждо-
го отдельного интервала. Подобно этому и в шаговой сис-
теме шаговые перемещения, число и величина которых
различны для (различных углов поворота заготовки, в
пределах каждого интервала распределяются равномер-
но и одинаковы по величине.
Значит, в обеих системах принят один и тот же метод
заполнения «бреши» между двумя любыми смежными
опорными точками, один и тот же метод интерполяции,
получивший название метода линейной интерполяции.
Но, конечно, совершенно не обязательно, чтобы стол
на отдельных интервалах двигался с постоянной скоро-
стью и, как мы увидим дальше, линейный метод интер-
полирования не единственный, который используется в
системах цифрового управления станками.
VII
«Органы чувств» автомата
Глаза человека — удивительный оптический инстру-
мент. Невооруженным глазом человек может уви-
деть волос толщиной в один микрон, может различить
26 тыс. цветов; человеческий глаз в сотни раз более чув-
ствителен к свету, чем любые современные фотоматери-
алы. Но вот умения измерять на глаз размеры предмета
с точностью, необходимой для управления станком, че-
ловеку не дано.
Именно поэтому ему и пришлось вооружиться измери-
тельными инструментами. Пользуясь ими, опытный мастер
может на станках с ручным управлением обработать из-
делие с чрезвычайно высокой точностью.
Знакомая нам замкнутая схема: человек — станок —
изделие — измерительный инструмент — человек. Эта
схема включает цепь обратной связи, функций которой,
наряду с функциями управления, осуществляет человек.
Программой обработки служит чертеж, с которого рабо-
чий считывает размеры изделия, а с помощью измери-
тельного инструмента он получает числовую информацию
о результатах обработки. Затем он сравнивает фактиче-
ские размеры с заданными и действует так, чтобы раз-
ность между ними была в пределах допусков, указанных
на чертеже.
Значит, ручное управление станком в основном по-
строено на цифровых методах. Числами задается програм-
ма, в числовых величинах измерительный инструмент
94
1
Схема потенциометрического датчика',
1 — следящий потенциометр, 2 — установочный потенциомето,
3 — гальванометр
Установочный и следящий потенциометры соединены по схеме моста,
в перемычку которого включен гальванометр. В исходном положении,
используя установочный потенциометр,ппиводят стрелку гальваномет-
ра к нулю. Перемещение ползушки следящего потенциометра нарушает
равновесие моста, величина разбаланса пропорциональна перемещению
выражает результаты измерений, в числах ведется срав-
нение заданной и реализуемой программы.
Та же идея использована в любой замкнутой автома-
тической системе цифрового управления. Правда, при
этом, как правило измеряется не само изделие, а поло-
жения и перемещения тех или иных звеньев исполнитель-
ных механизмов: ходового винта, стола, суппорта. Но
зато в автоматической системе обработка и измерение ве-
дутся одновременно, благодаря чему достигается высо-
кая эффективность ее действия.
Автомат не пользуется чертежом. Программа его ра-
боты задается непосредственно в числовом виде, а функ-
ции измерений и считывания результатов этих измере-
ний возлагаются на датчик обратной связи. Без такого
датчика замкнутая система управления слепа и беспо-
мощна. Он представляет собой чувствительный орган
станка и немудрено, что создатели автоматов вкладывали
и вкладывают много труда и выдумки в разработку и
усовершенствование подобных «органов чувств».
В результате, к настоящему времени уже имеется
много различных типов измерительных систем, решаю-
щих задачу «очувствления» автомата.
95
Они отличаются друг от друга и по принципу дейст-
вия и по конструкции. И вместе с тем любое из этих уст-
ройств в конечном счете предназначено для одной и той
же цели — автоматической выработки электрических сиг-
налов, несущих в узел управления информацию о переме-
щении тех или иных исполнительных органов станка.
По принципу действия наиболее простым датчиком
обратной связи является датчик потенциометрического
типа.
Его основным элементом является неподвижный стер-
жень, на который с большой точностью — виток к вит-
ку — намотана проволока с высоким омическим сопро-
тивлением. Относительно стержня движется ползун, свя-
занный с тем узлом машины или прибора, перемещение
которого измеряется датчиком. Величина перемещения
регистрируется измерительным прибором-
Широкое применение в станках с цифровым управле-
нием получили индуктивные датчики. В предыдущей гла-
ве мы познакомились с одним из таких датчиков, с
помощью которого непрерывное вращение ходового винта
станка ИВМ преобразовывалось в цепочку дискретных
электрических импульсов.
Следует сказать, что системам, использующим датчи-
ки, измеряющие вращение ходового винта, свойствен
тот недостаток, что при этом передача винт — стол станка
остается не охваченной цепью обратной связи и может
служить источником значительных погрешностей. Чтобы
избежать этого недостатка, станки, построенные по замк-
нутой схеме, обычно снабжаются датчиками, измеряющи-
ми непосредственно перемещения стола.
Одна часть такой измерительной системы представ-
ляет собой длинный стержень, изготовляемый из магнит-
ного материала и имеющий ряд выступов. Продольные
размеры этих выступов и расстояние между ними выпол-
нены с чрезвычайно высокой степенью точности. Роль
второй части измерительной системы играет Ш-образный
сердечник, крайние полюса которого несут обмотки, вклю-
ченные навстречу одна другой и получающие питание от
вторичной обмотки входного трансформатора. Когда ось
сердечника совпадает с осью магнитного выступа, стрелка
прибора, включенного по мостиковой схеме, занимает ну-
левое положение, поскольку индуктивные сопротивления
96
Схема индуктивного датчика
1 — стержень, 2 ~ сердечник, з — регистрирующий прибор
Соединив стержень со станиной станка, а сердечник со столом,
можно получить точную измерительную систему
левой и правой частей датчика будут совершенно одина-
ковыми. Если сердечник перемещать вправо или влево,
то симметрия нарушится, на полюсах прибора возникнет
напряжение, и его стрелка отклонится в ту или иную
сторону на величину тем большую, чем больше смещение
сердечника.
Тщательно изготовленные измерительные приборы,
действующие по описанной схеме, дают возможность
улавливать смещения порядка 2 р. Если с такой же точ-
ностью изготовить стержень с выступами, то, в конечном
счете, можно получить очень точную измерительную
систему. Она позволяет отсчитывать с точностью до
2—Зц расстояния, равные шагу выступов, используя то
обстоятельство, что перемещение на один шаг дает одно
нулевое положение прибора.
Но, кроме того, пользуясь показаниями прибора, мож-
но с той же точностью отсчитывать и все промежуточные
относительные положения измерительного стержня и сер-
дечника. Благодаря этому достигается возможность изме-
рять перемещения суппорта в масштабе 1 : 1, в то время,
как, например в датчике ИБМ, перемещение измеритель-
ного диска на целый шаг соответствует перемещению суп-
порта всего лишь на 0,01 мм. Измеряя перемещения
в масштабе 1:1, мы избавляемся от промежуточных пере-
дач. А исключение дополнительных передач всегда ведет
к повышению точности действия измерительной системы.
7 А. Е. Кобринский	л?
Таков принцип действия обширной группы индуктивных
датчиков, действующих по дифференциальной схеме.
Одна из первых конструкций такого датчика была
изобретена советскими инженерами А. С- Садовским,
И. И. Княжицким, 3. К. Вайнером и М. П. Рашковичем
свыше десяти лет назад и до сих пор успешно использу-
ется для автоматизации координатно-расточных станков.
Этот датчик представляет собой точно изготовленный
винт, выполняющий роль измерительной линейки. Сер-
дечником в измерительной системе служат две связанные
между собой гайки, сдвинутые одна по отношению к дру-
гой на четверть шага винта. Внутренний диаметр гаек
чуть больше наружного диаметра винта. Гайки движутся
вместе со столом станка, отсчитывая целое число шагов.
Винт укреплен на станке так, что он может поворачи-
ваться вместе со связанным с ним колесом, несущим ряд
выступов. При наличии разбаланса, последний можно
устранить, поворачивая винт. При этом зубцы диска про-
ходят мимо башмаков, укрепленных на станине, образуя
вместе с ними вторую измерительную систему, отсчиты-
вающую доли поворота винта и, следовательно, доли
целого шага.
Несколько лет назад в периодической зарубежной
литературе начали появляться сведения о других конст-
рукциях индуктивных датчиков, действующих примерно
по такому же принципу. В США и Англии ими оснащены
несколько типов координатнофасточных станков с циф-
ровым управлением.
В системах цифрового управления станками нашли
применение и некоторые другие схемы индуктивных дат-
чиков, однако на их описании останавливаться не будем.
Отметим только, что при использовании таких датчиков
для целей автоматических измерений оказывается необхо-
димым иметь две системы отсчета: одну для отсчета гру-
бых перемещений, т. е. целых шагов, другую для
отсчета точных перемещений в пределах одного шага.
Эти датчики можно сравнить с часами, имеющими одну
стрелку для отсчета целых шагов (часов), а вторую —
минутную — для отсчета времени в пределах одного шага.
Теперь познакомимся с датчиками другого типа,
в основу которых положен совершенно иной — оптиче-
ский метод измерения перемещений. Для физических
98
2
Индуктивный датчик*
1 — измерительный винт, 2 — сердечники, 3 — система отсчета угла
поворота измерительного винта, 4 — стол станка
При неподвижном винте датчик регистрирует перемещение стола станка
на целое число шагов. Поворотом винта можно выполнить внутришаговое
деление
исследований, связанных с изучением свойств света,
широко применяются дифракционные решетки. Ди-
фракционная решетка представляет собой прямоугольную
стеклянную пластинку, на которую нанесен ряд параллель-
ных непрозрачных линий. Техника изготовления этих
решеток развивается уже в течение нескольких десяти-
летий и к настоящему времени достигла высокого совер-
шенства. Достаточно сказать, что современные делитель-
ные машины позволяют наносить до 1000 линий (или
рисок) на один миллиметр стеклянной линейки, причем
такие линейки уже умеют делать длиной до 1,5 м.
Очень логичной была мысль использовать их для ав-
томатического измерения перемещений стола относитель-
но направляющих. Впервые эта мысль была реализована
учеными Массачусетского технологического института
(США) применительно к опытному образцу фрезерного
станка с цифровым управлением. В дальнейшем оптиче-
ский метод измерений с использованием дифракцион-
ных решеток был успешно применен английской фирмой
Ферранти, специализирующейся в течение ряда лет в об-
ласти цифрового управления станками.
Американский вариант оптической измерительной си-
стемы действовал по следующей схеме- Две стеклянные
пластинки с нанесенными на них рисками устанавлива-
ются на небольшом расстоянии одна от другой. Одна
пластинка выполняет роль линейки, другая — движка.
1
Оптический датчик:
1 — неподвижная линейка, 2 — движок,
3 — осветитель, 4 — фотоэлемент
Риски на линейке и движках строго
параллельны. При перемещении движка ин-
тенсивность освещенности каждого из фото-
элементов изменяется по синусоидальному
закону
По одну сторону этой
измерительной системы
устанавливается освети-
тель, по другую — фо-
тоэлемент. Если толщи-
ну рисок выбрать рав-
ной величине промежут-
ка между ними, тогда
при перемещении движ-
ка относительно линей-
ки освещенность фото-
элемента будет менять-
ся от минимальной ве-
личины, когда риски
движка полностью за-
крывают промежутки
между рисками на ли-
нейке, до максималь-
ной, когда риски на
движке и линейке совпадают. Соответственно будет ме-
няться и фототок на выходе фотоэлемента. Теперь остается
соединить линейку со станиной станка, а движок — со сто-
лом, и датчик обратной связи готов.
Для целей цифрового управления, конечно, нет необ-
ходимости иметь 1000 линий на 1 мм длины линейки или
движка. Так, в частности, чтобы получить отсчетную
шкалу с ценой деления 2 ц, достаточно иметь 250 линий
на 1 мм. При этом изменение освещенности фотоэлемен-
та от минимальной до максимальной величины будет со-
ответствовать перемещению движка как раз на величину
в 2 ц. Обратите внимание на то, что освещенность фотоэле-
мента изменяется совершенно одинаково, независимо от
того, в какую сторону, вправо или влево, перемещается
движок. Такая система регистрирует только величину пе-
ремещения.
Для целей автоматических измерений этого подчас
бывает недостаточно. Датчик обратной связи должен быть
«очувствлен» не только по отношению к величине, но и
к направлению перемещения движка.
Добиться этого можно, установив еще один движок,
осветитель и фотоэлемент, т. е. фактически используя
вместо одной две совершенно одинаковые измерительные
100
системы. Только необходимо оба движка расположить
так, чтобы риски одного из них совпадали с рисками ли-
нейки, в то время как риски другого движка совпадают с
прозрачными участками линейки. Тогда в зависимости от
направления движения стола, несущего оба движка, впе-
реди будет двигаться либо один, либо другой из них,
и соответствующий фазовый сдвиг сигналов на выходе фо-
тоэлементов дает возможность автоматически различать
направление перемещения. Как указывалось, такая изме-
рительная система была построена и испытана в США.
Однако американцы далыпее ее опытных исследований не
пошли и ни в одном американском станке с цифровым уп-
равлением эти оптические датчики не используются.
В противоположность этому английский вариант дан-
ной системы нашел применение, и англичанами создан ряд
станков с цифровым управлением, оснащенных оптиче-
скими датчиками системы Ферранти.
В чем состоит различие между двумя вариантами кон-
струкции оптических датчиков?
В американском варианте движки, как мы сказали,
располагались так, чтобы нанесенные на них риски были
строго параллельны рискам на линейке. Даже небольшой
перекос движка приводит к нарушению правильной ра-
боты датчика и надо думать, что чувствительность к пе-
рекосам была одной из основных причин, из-за которой
американцы отказались его использовать.
В английском варианте движок умышленно устанав-
ливается с некоторым перекосом — таким, что каждая
из его рисок перекрещивается с двумя-тремя рисками
неподвижной линейки. В результате этого прозрачные и
непрозрачные участки оптической системы образуют го-
ризонтальные темные и светлые полосы, число которых
зависит от величины перекоса движка.
При перемещении движка вправо или .влево темные
полосы движутся вверх или вниз, то затемняя, то осве-
щая фотоэлемент. При наличии таких подвижных полос
для «очувствления» системы по отношению к направле-
нию перемещения суппорта достаточно одного движка.
Установив за ним два фотоэлемента так, чтобы один был
освещен, а другой в это время затемнен, удается получить
тот же эффект, который в американском варианте требу-
ет установки двух движков и их строгой координации как
101
Датчик Ферранти:
Незначительный перекос движка приво-
дит к тому, что его движение сопровож-
дается движением в вертикальном направ-
лении темных и светлых полос. Переме-
щение движка на один шаг измерительной
системы вызовет перемещение световой
картины также на один шаг
по отношению к линей-
ке, так и по отношению
одного из них к дру-
гому. Как видите, в
результате остроумного
решения было достиг-
нуто значительное уп-
рощение измерительной
системы, благодаря че-
му она нашла практиче-
ское применение в стан-
ках с цифровым управ-
лением.
Сравнив описанные
выше индуктивные дат-
чики с оптическими,
можно видеть, что раз-
личие в принципе их
действия сводится к сле-
дующему. В индуктив-
ных датчиках весь ин-
тервал перемещения
суппорта разбит на
крупные шаги, для от-
счетов внутри шага тре-
буется дополнительная
измерительная система. Оптической системой весь интер-
вал перемещений суппорта разделен на чрезвычайно мел-
кие деления.
Само собой разумеется, что конструкторы станков с
цифровым управлением учитывают особенности датчиков
различных типов. Датчики, требующие двух систем от-
счета, оказалось выгодным использовать в системах уп-
равления координатно-расточными станками. А в систе-
мах управления фрезерными станками, требующих не-
прерывного измерения перемещений, нашли применение
датчики второго типа, ведущие отсчет мелкими шагами
и способные тем самым непосредственно преобразовывать
непрерывные перемещения суппорта в совокупность дис-
кретных электрических импульсов.
Следует сказать, что цена шага отсчета измерительной
системы должна быть меньше, чем тот допуск, в пределах
102
которого следует выдержать точность обрабатываемого из-
делия. В этом находят отражение особенности автоматиче-
ских измерений.
Человек, пользуясь при измерениях микрометром, ин-
дикатором или любым другим прибором со шкалой, может
отсчитать на глаз величины более мелкие по сравнению
с ценой деления прибора. По показаниям минутной стрел-
ки ручных часов вы можете отсчитать на глаз доли мину-
ты. Автомат так сделать не может. Его узел управления
должен получить полную информацию, а датчик обратной
связи выдает ее только при перемещении суппорта на
целое деление. Поэтому цена делений автоматических
измерительных систем должна быть меньшей, чем у тех
приборов и систем, которыми пользуется человек.
А теперь несколько слов о том, каким образом конст-
рукторы доводят до конца задачу «очувствления» станков
с цифровым управлением. Для того, чтобы создать точно
работающий автомат, мало разработать точную автомати-
ческую измерительную систему и оснастить этой системой
обычный станок, который рассчитан на ручное управле-
ние. Надеяться, что такой станок будет хорошо работать
в автоматическом режиме — то же самое, что надеяться
повысить предельную скорость автомобиля, только снаб-
див его новым спидометром.
Мало иметь совершенную цепь обратной связи. Необ-
ходимо усовершенствовать и прямую цепь управления так,
чтобы точность и чувствительность исполнительных орга-
нов автомата были соизмеримы с точностью и чувстви-
тельностью его измерительных органов. Лишь при этом
условии автомат будет «очувствлен» до конца и сможет
быстро и точно выполнить заданную программу. А для
этого необходимо, чтобы погрешности обработки изделия,
возникающие вследствие наличия зазоров, упругости, тре-
ния, температурных деформаций, в ответственных пере-
дачах и узлах станка были достаточно малы. Иначе инфор-
мация, которую выдает датчик обратной связи, не будет
отражать фактической картины работы автомата, и изде-
лие будет забраковано.
Мастер, работая на станке с ручным управлением,
сравнительно легко устраняет влияние всех этих возмож-
ных источников погрешностей. С этой целью он при-
меняет специальные приемы, подсказанные ему его
103
знанием и опытом. Остановив станок, он имеет возможность
тем или иным способом измерить непосредственно обра-
батываемое изделие. Значит, при ручной обработке можно
охватить цепью обратной связи всю систему, включая из-
делие, и получить самую исчерпывающую информацию о
результатах обработки.
Короче говоря, человек творчески подходит к выполне-
нию порученной ему работы. Именно благодаря этому ему
удается на обычном станке обработать изделие с такой
точностью, которая была бы абсолютно недоступна, если
этот станок автоматизировать, не приняв специальных мер
для устранения основных источников погрешностей, с ко-
торыми успешно справляется человек и не может спра-
виться автомат, работающий по заранее заданной про-
грамме.
Только первые образцы систем цифрового управления
выполнялись в виде «приставок» к существующим универ-
сальным станкам. В дальнейшем в конструкциях станков
с цифровым управлением появились неизбежные измене-
ния. Ведь принцип их действия существенно изменился
по сравнению с принципом действия обычных станков.
А изменение принципа действия той или иной машины не
может не повлиять на ее конструкцию.
Конструкторы станков с цифровым управлением это
хорошо понимают. Они вынуждены вести решительную
борьбу с такими факторами, с которыми мирятся в станках
с ручным управлением. Среди этих факторов одно из пер-
вых мест занимают зазоры в подвижных сочленениях
механических передач станков. Из-за их наличия возни-
кает несоответствие между движениями ведущего и ведо-
мого звеньев передачи.
Сядьте на место водителя автомобиля и возьмитесь за
рулевую баранку. Вы почувствуете, что она свободно пово-
рачивается на некоторый угол (люфтит), в то время как
колеса автомобиля остаются неподвижными. Величина
люфта определяется зазорами в сочленениях механизма
рулевого управления и строго нормируется. Увеличение
люфта руля против нормы может привести к потере ус-
тойчивости движения автомобиля и, как следствие этого,
к аварии. Даже при движении по прямой водитель вынуж-
ден совершать малые повороты рулевой баранки, поддер-
живая прямолинейное движение. А при большом люфте
104
Шариковый винт
углы этих поворотов сильно вырастут. Водитель должен
будет совершать их с большой скоростью, иначе он не ус-
пеет выравнивать машину. При этом он может повернуть
руль на величину больше необходимой сначала в одну
сторону, затем в другую. Машина начнет «вилять», поте-
ряв устойчивое управление.
Картина, напоминающая описанную выше, может воз-
никнуть в процессе движения стола станка, если в цепи
его привода, в частности в передаче ходовой винт — гайка,
имеется зазор.
Пока стол движется в одном направлении, все будет
обстоять более или менее благополучно. Из-за наличия сил
сопротивления движению зазоры будут выбраны в одну
сторону, и люфт не будет сказываться. Но когда в соот-
ветствии с программой стол должен будет изменить на-
правление движения на обратное, сразу возникнут не-
приятности. Ходовой винт, если он жестко связан
с исполнительным двигателем, сразу же начнет вращаться
в обратную сторону, но стол останется неподвижным до
тех пор, пока не будет выбран весь люфт. Все это время
датчик обратной связи, соединенный с суппортом, будет
«молчать».
^105
Рассогласование между заданной и реализованной про-
граммой будет возрастать, и, если речь идет, например
о фрезерном станке, то и погрешность изделия значительно
возрастет, поскольку за время, потребное для компенсации
люфта, заготовка уже будет обработана неправильно.
А подчас может даже вообще не произойти желаемой
компенсации из-за возникновения неустойчивых режимов,
напоминающих режим движения автомобиля с большим
люфтом рулевого управления.
Зазоры и люфты — одно из главных зол, сказываю-
щихся на точности работы механических цепей автомати-
ческого управления. Но теперь с ними уже умеют бороть-
ся. Для этого служат так называемые шариковые ходовые
винты. Устроены они следующим образом.
Канавки винта и гайки имеют полукруглый профиль —
такой, что шарики, которыми заполняются эти канавки,
находятся в контакте одновременно с винтом и гайкой.
Шариками заполняются один-два, а в тяжелых винтах
даже три витка канавки. При повороте гайки шарики
перекатываются по ней и по винту. Чтобы шарики не
выкатывались из-под гайки, в ней недалеко от входной и
выходной кромок сделаны отверстия, соединенные труб-
кой. Эти отверстия и трубка также заполнены шариками,
образующими таким образом замкнутую бесконечную це-
почку.
Зазор в таком шариковом винте может быть сделан
намного меньше, чем в обычном. А чтобы практически
полностью устранить влияние зазоров, на одном винте ус-
танавливают одновременно две шариковые гайки и между
ними вставляют враспор мощную пружину. Эта пружина
создает предварительный натяг всей системы, полностью
выбирая все зазоры, которые в ней остались. Величина
силы натяга пружины рассчитывается так, чтобы она
превосходила максимальные усилия, действующие на стол
в процессе работы станка.
Итак, первое зло — зазоры и люфты — нейтрализова-
но. Правда, довольно дорогой ценой — значительным ус-
ложнением конструкции и повышением требований к точ-
ности ее изготовления. Но зато попутно достигается еще
один важный выигрыш. Трение скольжения, которое
имеет место в обычной паре винт — гайка, теперь замене-
но трением качения. При этом коэффициент полезного
106
2
Шариковый винт (схема)*.
1 — гайки, 2 — пружина
Сдвоенная гайка и пружина, установленная с предварительным на-
тягом, позволяют практически полностью исключить влияние зазоров
в передаче винт—гайка
действия передачи возрастает примерно с 15 до 90%, т. е.
в шесть раз. Соответственно уменьшается потребная мощ-
ность привода.
В станках с неавтоматизированным управлением это
обстоятельство подчас не имеет существенного значения,
поскольку мощность привода каждого отдельного станка
сравнительно невелика. И значит, если не говорить о
всем станочном парке в целом, то даже относительно
очень большая экономия мощности по абсолютной вели-
чине оказывается не столь значительной.
Но когда вопрос касается автоматизированного приво-
да, картина существенно изменяется. «Автоматизирован-
ная» мощность стоит в десятки, а то и в сотни раз дороже
неавтоматизированной. Автоматизированный привод мощ-
ностью в 6 кет значительно более сложен, громоздок
и менее точен, чем такой же привод мощностью в 1 кет.
Значит, снижение потребной мощности привода есть
не просто побочный результат, получаемый при при-
менении шарикового винта, а важный шаг в направлении
усовершенствования станка, повышения его чувствитель-
ности и точности.
Зазоры и люфты — одно из главных, но не единствен-
ное зло, с которым непрерывно ведут борьбу конструк-
торы автоматов. Не меньшее и столь же трудно устрани-
мое зло несет эффект, получивший в практике машино-
строения название скачкообразного движения.
107
Чтобы получить приблизительное представление об
этом эффекте, попробуйте пальцем передвинуть очень
медленно и на очень малую величину какой-нибудь тяже-
лый предмет, например настольную лампу. Вы увидите,
что при увеличении усилия от нуля до некоторой величины
лампа будет оставаться неподвижной. А затем она двинет-
ся с места, но это движение будет в значительной степени
неуправляемым. Лампа как бы совершит «скачок», а за-
тем вновь остановится. Следующая ваша попытка приве-
дет к точно такому же результату.
Аналогичный эффект имеет место при медленных
движениях тяжелых суппортов и столов металлорежущих
станков.
Возникновение его объясняется прежде всего тем, что
сила трения между неподвижным столом и направляющи-
ми станка может на 30—40% превосходить величину си-
лы трения движения, действующей в процессе скольже-
ния стола по направляющим. Но разницы в величинах
сил трения покоя и движения еще недостаточно для воз-
никновения скачкообразного движения. Существенную
роль играют при этом упругие деформации системы при-
вода.
Величина силы трения покоя, действующей на непод-
вижный суппорт, для станков среднего размера может
достигать примерно 100 кг. Чтобы стол тронулся с места,
продольная сила, действующая со стороны привода на
винт подачи, должна увеличиваться до тех пор, пока не
сравняется с величиной силы трения покоя. Под дейст-
вием этой силы винт подачи будет сжиматься, как пружи-
на, причем величины деформации сравнительно длинных
винтов могут достигать десятков микрон. А в момент,
когда движение начнется, величина силы трения резко
уменьшится, и стол вместо плавного перемещения на
заданное малое расстояние совершит «скачок». В про-
цессе скачка он может передвинуться на неожиданно боль-
шую величину, соизмеримую с величиной деформации,
которую получил винт.
При ручном управления путем повторных попыток
можно установить стол в желаемое положение. При ра-
боте в автоматическом режиме такие повторные попытки
исключаются. И, значит, нужно искать меры для устране-
ния этого эффекта.
108
Роликовые направляющие уравнивают силы трения покоя и движе-
ния, снижают потребную мощность привода, повышают точность
действия системы
Одной из таких мер является замена трения скольже-
ния в направляющих трением качения. Эта мера чрезвы-
чайно эффективна, если учесть, что коэффициент трения
качения в 15—20 раз меньше коэффициента трения сколь-
жения.
Для направляющих качения, в зависимости от их осо-
бенностей, применяют шариковые, роликовые или иголь-
чатые подшипники. Один из конструктивных вариантов
направляющих качения выполнен следующим образом. На
опорной части станины укреплены четыре массивные бло-
ка. Каждый из них имеет кольцевой канал, верхняя стен-
ка которого срезана. Этот канал заполнен роликами, кото-
рые при движении по ним стола станка циркулируют при-
мерно так же, как гусеницы при движении трактора.
Направляющие качения дают возможность не только
снизить до минимума эффект скачкообразного движения
109
Гидростатические направляющие
На опорной поверхно ти суппорта выполняются спе-
циальные углубления, в которые под давлением пода-
ется масло. Под действием этого давления суппорт
«всплывает*
и значительно уменьшить потребную мощность привода,
они, кроме того, позволяют избавиться от боковых зазоров
в направляющих, повышая тем самым чувствительность
и точность действия исполнительных органов станка.
Но, конечно, эти усовершенствования даются не даром.
Направляющие качения могут хорошо работать лишь при
весьма высокой точности их изготовления. Достаточно
сказать, что дорожки качения и ролики должны быть от-
деланы с такой чистотой, чтобы шероховатость их поверх-
ности не превышала 1 ц, и по диаметру ролики также
подбираются с точностью до 1ц.
В последние годы в тяжелых станках с цифровым
управлением нашел применение еще один метод борьбы
с трением в направляющих. Он основан на том, что стол
и направляющие разделяются очень тонким слоем жидко-
сти. Стол как бы плывет по направляющим, благодаря
чему силы трения уменьшаются до предельно малых
значений.
110
В одной из практически осуществленных конструкций
таких гидростатических направляющих усилие, необходи-
мое для перемещения стола весом в 9 т со скоростью
100 мм в минуту, измерялось величиной порядка 400 г.
Таким образом, и эффект скачкообразного движения
удается подавить в значительной мере. Но опять-таки
этого недостаточно. Погрешности в работу станка вносят
не только деформации, люфты и трение в механизме при-
вода, но также и деформации заготовки, инструмента
и узлов их крепления, а также износ инструмента и тем-
пературные деформации. Достаточно сказать, что сталь-
ной брусок длиной 500 мм при нагревании всего лишь
на 1° изменяет свою длину на 5—6 ц.
Какова же точность работы станков, в том числе и с
цифровым управлением? Ориентировочно на этот вопрос
можно ответить так. Обработать изделие среднего размера
с точностью до 0,1 мм сравнительно легко. Обработать это
же изделие с точностью до 0,01 мм уже очень сложно.
Станки, работающие с такой и более высокой точностью,
относят к прецезионным. Точность 0,001 мм является пре-
делом, приближаясь к которому, мы вступаем в такую
область, где начинает ощущаться «жизнь» металла. Пре-
дел достижимой точности обработки изделий определяется
теперь уже не технологическими факторами, а физиче-
скими свойствами металлов изменять свои размеры с из-
менением температуры, с течением времени (старение
металла), по разному изменять размеры при нагружении
и разгружении (упругий гистерезис).
Вспомните еще раз, что такое микрон. Учтите, что эта
величина связывается не с микроскопическими исследова-
ниями, а со сложным движением многотонных масс и
тогда вам станет ясно, каких технических высот достигло
современное машиностроение и какие трудности стоят на
пути дальнейшего усовершенствования машин и систем,
чревращающих эти машины в автоматы.
VIII
\Г*	'  '	.....Цд
У предела точности
В этой главе мы познакомимся со станками, работаю-
щими у границы точности, достижимой при обработ-
ке изделия в автоматическом режиме. Один из них —
американский, другой — английский
Оба станка предназначены для одной и той же цели —-
обработки изделий, имеющих отверстия, расстояния между
которыми должны быть выдержаны с большой степенью
точности. Это — один из последних образцов зарубеж-
ных координатно-расточных станков, уже находящиеся в
эксплуатации.
Мы говорили, что задача автоматизации таких станков
более проста, чем, например, фрезерных. При этом имелись
в виду те соображения, что система автоматического уп-
равления координатно-расточным станком должна обеспе-
чить только точную установку инструмента или стола,
несущего изделие, в одном или нескольких последователь-
ных положениях. Обработка заготовки начинается после
ее остановки, а вопрос о том, как должны двигаться
инструмент или заготовка в промежутках между останов
ками, решается раз и навсегда конструктором станка без-
относительно к тому, какое изделие обрабатывается.
Поскольку траектория относительного движения програм-
1 Мы выбрали иностранные образцы станков, имея в виду,
что сведения об отечественных конструкциях читатель легко мо-
жет найти в нашей технической печати и даже увидеть их в дей-
ствии на Выставке достижений народного хозяйства СССР.
112
Координатно-расточный станок Пратт и Уитней
мированию не подлежит, объем информации, которую
должна получить система управления, оказывается срав-
нительно небольшим, а устройства, рассчитывающие,
кодирующие, считывающие, расшифровывающие эту ин-
формацию, сравнительно простыми.
Но вместе с тем требования, предъявляемые к точно-
сти работы координатно-расточных станков, предельно
высоки; допускаемые погрешности подчас измеряются
величинами порядка 2—3 ц, и в этом отношении задача
автоматизации координатно-расточного станка далеко не
проста.
Посмотрим, как отразились на конструкции станков
две указанные особенности технологического процесса —
относительно малый объем информации, необходимой для
его выполнения, и предельная точность действия.
Начнем с американского станка, разработанного фир-
мой Пратт и Уитней2. Программа его работы кодируется
2 «Electrical Manufacturing», March, 1957.
8 а. Е. Кобринский	у у о
в форме пробивок на пластмассовой ленте в обычной
десятичной системе. Лента имеет 12 каналов. 10 каналов
отведены для 10 цифр десятичной системы, один канал
используется для отметки начала кадра, последний канал
предназначен для нанесения команд на считывание и на
возвращение ленты в исходное положение. Система управ-
ления — двухкоординатная и в одном «кадре» ленты за-
даются последовательно обе координаты х и у обрабаты-
ваемого отверстия или участка изделия. Максимальное
перемещение стола этого станка превышает 60 дюймов
(1500 мм). Поэтому для задания одной координаты с точ-
ностью до 0,0001 дюйма (2, 5 ц) достаточно иметь всего
шесть разрядов, а на ленте соответственно шесть строк.
В каждом из разрядов пробивается только одно отверстие.
В самом старшем кодируется число десятков дюймов, в
следующем дюймы, затем десятые, сотые, тысячные и де-
сятитысячные доли дюйма. А следующие шесть строк ис-
пользуются для задания второй координаты. Еще по од-
ному разряду используется для указания направления дви-
жения стола относительно выбранного начала отсчета по
каждой из координат. Как видите, конструктор не стре-
мится к экономному использованию ленты, поскольку ко-
личество позиций обработки изделия обычно невелико и
нет опасности, что длина программной ленты вырастет до
недопустимой величины. Но зато информацию, записан-
ную в таком простом коде, легко проверить даже на глаз
и очень легко считать и расшифровать.
Считывание в этой системе осуществляется пневмати-
ческим устройством, примерно так же, как в системе
пианолы или монотипа. Считывающий элемент представ-
ляет собой пластину, имеющую 12 рядов отверстий в соот-
ветствии с числом каналов ленты. В каждом из рядов вы-
полнено число отверстий, соответствующее максимально
возможному числу строк в одном кадре ленты.
При очередной перестановке изделия лента перемеща-
ется в узел программы на один кадр по отношению к
пластинке. Лента и пластинка помещаются в специальной
герметической коробке, к которой подводится сжатый
воздух. С нижней стороны пластинки каждое отверстие
открывается в изолированную полость, закрытую упругой
мембраной. Там, где в ленте имеются отверстия, сжатый
воздух проходит через них и попадает в соответствующую
114
полость пластинки. Под
действием сжатого воздуха
мембрана деформируется
и, перемещаясь, замыкает
электрический контакт.
Та или иная комбина-
ция замкнутых контактов
определяет величину на-
пряжения, вырабатываемо-
го узлом управления стан-
ка. Для этой цели служит
автотрансформатор, вы-
ходные обмотки которого
разделены на 10 секций.
Если в первых двух стро-
ках ленты (десятки дюй-
мов и дюймы) закодирова-
но, например, число 73, то
в выходной обмотке авто-
трансформатора будут
начало кодла
Программа станка Пратт
и Уитней
На ленте закодированы координа-
ты: х «= 29,1462 дюймов, у = 1,3218
дюймов. Направление движения
суппорта от выбранного начала
определяется знаком+(отверстие
в канале 0) или знаком—(отвер-
стие в канале 1)
включены соответственно
семь и три секции. В даль-
нейшем эти напряжения электрически суммируются, од-
нако предварительно одно из них, соответствующее второ-
му разряду, понижается ровно в десять раз с помощью вто-
рого трансформатора.
Аналогичным образом автотрансформатор преобразует
в электрическое напряжение числа, заданные в двух
следующих строках программной ленты (десятые и сотые
доли дюйма) и в двух последних ее строках (тысячные и
десятитысячные доли дюйма).
В результате весь интервал изменения напряжения
оказывается разбитым на три участка, имеющих одинако-
вый перепад между максимальной и минимальной величи-
нами, что дает возможность значительно повысить точ-
ность преобразования заданного числа в эквивалентное ему
электрическое напряжение.
Станок оснащен тремя потенциометрическими датчика-
ми и индуктивной измерительной системой, подобной той,
которая была описана в предыдущей главе.
Измерительная линейка, несущая равные по длине
выступы и впадины, изготовленная с точностью 1 ц,
8*
115
Схема станка Пратт и Уитней:
1 — стол станка с измерительной линейкой, 2 — измерительная
головка, 3 — узел программы, 4 — потенциометрический датчик, 6 —
узел управления, 6 — исполнительный двигатель
Из узла программы командные сигналы поступают одновременно
в устройства, управляющие предварительной установкой стола и точ-
ной установкой измерительной головки. Затем начинает действовать
цепь управления, показанная пунктиром, пока положение стола не сов-
падет с положением измерительной головки. Точно так же действует
система управления второй координатой
укреплена на суппорте. Вторая часть измерительной си-
стемы — электромагнитная головка, выполненная по схе-
ме дифференциального трансформатора, имеет независи-
мый привод от микрометрического винта, также изготов-
ленного с чрезвычайно высокой точностью.
Установка стола в этой системе осуществляется в два
этапа. Чтобы понять, как это делается, предположим, что
величина очередного перемещения, записанного на ленте,
содержит А десятков дюймов, Б дюймов, В десятых долей
дюйма и т. д. так, что полная величина его равна АБ,
ВГДЕ дюйма.
В узле управления вырабатывается пропорциональ-
ное этой величине напряжение, в соответствии с ко-
торым прежде всего осуществляется предварительная
установка стола и точная установка электромагнитной го-
ловки.
Предварительная установка стола осуществляется
замкнутой системой управления, на вход которой подается
напряжение, эквивалентное числу АБ, В. Это напряжение
используется для управления двигателем винта подачи
стола. Механизм подачи оснащен потенциометрическим
датчиком обратной связи, вырабатывающим в свою оче-
116
Схема привода измерительной головки*,
7 — зубчатый дифференциал, 8 — микрометрический винт привода
измерительной головки (остальные обозначения те же. что и на преды-
дущем рисунке). На этом рисунке уточняется часть схемы, изображен-
ной на предыдущем рисунке, относящаяся к механизму точной уста-
новки измерительной головки
Заданная величина перемещения отрабатывается параллельно двумя,
системами с последующим суммированием. Благодаря этому удается
избежать высоких угловых скоростей элементов измерительной
системы
редь напряжение, также пропорциональное перемещению
стола. Управляющим сигналом служит разность между
этими двумя напряжениями. Когда разность обратится в
нуль, первый этап установки стола будет закончен, при-
чем система управления рассчитана так, что стол к этому
моменту будет находиться приблизительно на расстоянии
6—7 мм от точного положения.
Одновременно с предварительной установкой стола осу-
ществляется точная установка измерительной головки. Для
этого служит электромеханическая дифференциальная си-
стема. Основу ее составляет дифференциальный зубчатый
механизм. Два его входных валика поворачиваются на ве-
личины, пропорциональные, соответственно, О, ВГОО и
0,00ДЕ. Дифференциальный механизм суммирует эти ве-
личины и поворачивает микрометрический винт, переме-
щая с точностью до 1 ц электроизмерительную головку
на заданную величину О, ВГДЕ. Приводы обоих входных
Ш
валиков осуществляются от двух независимых маломощ-
ных двигателей по замкнутым схемам, в точности анало-
гичным той, которая использована для управления сило-
вым двигателем привода стола.
После того, как измерительная головка установлена в
точное положение, наступает второй этап установки стола,
в процессе которого его положение совмещается с точным
положением головки. Для этого используется разбаланси-
ровка измерительной системы, работающей по дифферен-
циальной трансформаторной схеме. Напряжение, пропор-
циональное разности положений измерительной головки и
линейки, используется, чтобы «дотянуть» стол до точного
положения.
Само собой разумеется, что чем меньше скорость дви-
жения стола, тем точнее его можно остановить в заданном
положении. Но, вместе с тем, заготовку порой приходится
перемещать на расстояния в несколько метров, причем
сделать это надо за предельно короткое время, иначе про-
изводительность станка окажется недостаточно высокой,
и он не выдержит соревнования с обычным координатно-
расточным станком, обслуживаемым высококвалифициро-
ванным рабочим.
Чтобы этого не случилось, разработана специальная
программа изменения скорости стола в процессе его пере-
становки из одного положения в другое.
На этапе предварительной установки стол движется с
высокой скоростью — около 4 м/мин. Когда он оказывает-
ся на расстоянии около 15 мм от точного положения, его
скорость снижается в 15 раз. С этой скорстью он в течение
двух секунд перемещается еще на 8—9 мм. А затем начи-
нается точная установка, в начале которой скорость стола
вновь снижается в два раза. Проходит три секунды — стол
оказывается на расстоянии 0,5 мм от конечного положения
и здесь его скорость убывает почти в 100 раз. Последние
0,3—0,4 мм стол «ползет» 12—15 сек. Когда сигнал рас-
согласования достигнет нулевого значения, привод стола
выключается. После этого стол по инерции может перемес-
титься, как показали многочисленные опыты, на величину
меньше 2 ц.
И это еще не все. Чтобы практически полностью исклю-
чить влияние зазоров и упругих деформаций, автоматизи-
рованы приемы устранения возможных погрешностей,
118
Координатно-расточный станок Кернс, оснащенный системой
управления Томсон—Хаустон
выработанные и используемые человеком при ручном уп-
равлении.
Если в процессе обработки изделия рабочий переместил
суппорт из исходного положения, например вперед на
100 мм, а затем ему надо, отодвинув суппорт назад, уста-
новить его на расстоянии 50 мм от того же исходного поло-
жения, то он поступит следующим образом. Он отведет суп-
порт назад на величину, большую чем 50 мм, и только пос-
ле этого начнет устанавливать суппорт в заданное положе-
ние. Другими словами, все последовательные установки
суппорта в точные положения он будет выполнять, каждым
раз перемещая его в одном и том же направлении. Такой
прием позволяет в значительной степени уменьшить по-
грешности, которые могут возникнуть из-за влияния зазо-
ров, упругих деформаций и трения.
Этот прием использован во в^ех без исключения точных
координатно-расточных станка! с цифровым управлением
и автоматически выполняется в случаях, когда перестанов-
ка стола сдвддна с реверсированием^вханивма-привода.
119-
Широко применяется также двухэтапная установка сто-
ла — сначала предварительная с высокой скоростью, а за-
тем точная со скоростью, убывающей до «ползучей».
Само собой разумеется, что прп этом принимаются все
меры, чтобы на чрезвычайно малых скоростях не возникло
скачкообразного движения.
Все эти особенности схемы предусмотрены в частности в
системе управления Томсон — Хаустон, которой оснащен
английский станок Кернс 3. Некоторые узлы его конструк-
ции представляют особый интерес, поэтому мы коротко рас-
скажем о его устройстве.
Внешне этот станок отличается от предыдущего прежде
все^о тем, что его стол, несущий заготовку, расположен не
в горизонтальной, а в вертикальной плоскости.
Отличается также и способ задания программы. Носи-
телем программы в системе Томсон — Хаустон является
не перфолента, а перфокарты. Возможность использовать
этот способ задания программы определяется уже извест-
ным нам обстоятельством — сравнительно малым объемом
информации, необходимой станкам такого типа при их
автоматизации.
Перфокарта представляет собой прямоугольную плас-
тинку, выполненную из картона или из пластмассы с целью
предохранить ее от воздействия масла, которое всегда есть
там, где работают станки. На перфокарте по вертикали
указаны десять цифр от 0 до 9, а по горизонтали — их раз-
ряды в следующем порядке: сначала разряд десятков дюй-
мов, затем разряд дюймов, далее одна колонка пропуска-
ется (в ней делается пробивка запятой), затем следуют
колонки для десятичных долей дюйма, вплоть до десятиты-
сячных.
На одной карте задаются горизонтальная и вертикаль-
ная координаты установки стола. На свободном поле спра-
ва могут быть записаны прочие данные, такие как наиме-
нование и номер изделия, дата обработки, номер заказа,,
фамилия рабочего и т. д.
Пробивки должны обязательно быть сделаны во всех
разрядах и в знаке запятой. Это условие ставится из сле-
дующих соображений. Карты с нанесенной на них програм-
мой помещаются в специальный ящик, откуда оператор их
3 «Aircraft Production», May, 1956.
120
Программа станка Перне
На перфокарте закодированы координаты х ® 42,5678, у — 41,5^30.
Для кодирования координаты у всегда используется заштрихованный,
участок карты
берет и по одной закладывает в считывающее устройство.
Вместо одной карты оператор может по ошибке взять из
ящика и заложить в считывающее устройство сразу две
карты. Но если пробивки будут сделаны во всех разрядах,
то такая ошибка приведет к тому, что число считанных
пробивок всегда будет меньшим, чем обычно, поскольку на
двух картах закодированы разные числа и по меньшей мере
одна пара пробивок не совпадет. Контрольная цепь авто-
мата отметит эту неправильность, и команда на исполнение
программы не будет подана. Точно так же система счи-
тывания будет реагировать, если по ошибке одна из про-
бивок в карте не будет выполнена вообще.
Пробивка запятой служит ориентиром для программи-
ста; кроме того, по этой пробивке карта ориентируется в
приемнике считывающего устройства.
После того, как очередная карта заложена для считы-
вания, нажатием кнопки «пуск» подается команда на нача-
ло работы.
При этом карта подается под щупы, и одновременно на-
чинает вращаться валик привода системы набора обеих ко-
ординат. Для набора каждой из них служат шесть валиков.
Один из концов каждого валика выведена на пульт
121
узла управления и снабжен маховичком со шкалой для
установки координат вручную. При автоматическом набо-
ре эти валики получают вращение от привода с помощью
магнитных муфт. Включение и выключение муфт обуслов-
лено пробивками на перфокарте. Пробивка в первой колон-
ке включает муфту разряда десятков дюймов, причем ва-
лик поворачивается на угол, соответствующий пробитой в
этом разряде цифре. Точно так же набираются все другие
разряды обоих заданных чисел. Значит, если, например, па
карте пробито число 42,5678, то шесть валиков повернутся,
соответственно, на 0,4, 0,2, 0,5 и т. д. полного оборота. При
этом пять из шести валиков передают свои вращения на
входы пяти дифференциальных механизмов.
А дальше происходит суммирование всех данных, на-
копленных в каждом из разрядов. Валик самого младшего
разряда передает свое вращение в масштабе 1 : 10 на вто-
рой вход дифференциала следующего разряда. В результа-
те выходной вал дифференциала повернется на 0,78 полно-
го оборота. Выходной вал следующего дифференциала по-
вернется на 0,678 полного оборота, третьего — на 0,5678
и т. д. Выходной вал последнего дифференциала, казалось
бы, должен повернуться точно на 0,425678 полного обо-
рота, но в действительности вследствие погрешностей из-
готовления элементов передач, наличия зазоров, упругости
нельзя рассчитывать на такую точность его поворота. По-
этому поворот этого вала используется в дальнейшем
только для первого предварительного этапа установки
стола.
Обратите внимание на то, как много общих идей можно
найти в двух станках, описанных в этой главе. А реализова-
ны эти идеи по-разному. В первом случае считанные сиг-
налы моделировались путем отбора напряжений с десяти
секций автотрансформатора, во втором — углами поворота
разрядных валиков. В первом случае суммирование разря-
дов осуществлялось электрическим способом, во втором —
механическим, хотя идея суммирования по существу одна
и та же в обоих случаях. И здесь и там результаты моде-
лирования используются для предварительной установки
стола и точной установки электроизмерительной головки.
Удивляться этому не следует. В практике машиностроения
подобная картина встречается нередко. Количество кон-
структивных вариантов решения любой технической зада-
122
Схема станка Кернс:
1 — стол станка с измерительной линейкой, g — измерительная
головка, з — узел программы, 4 — сельсины, 5 — узел управления
в — исполнительный двигатель, 7 — усилитель, 8 — реле
Программа работы станка может быть задана набором перфокарт,
либо ее можно набирать вручную. Предварительная установка стола
и точная установка измерительной головки осуществляются с по-
мощью сельсинной передачи. При переключении реле в положение,
показанное на рисунке, начинает действовать измерительная система
и стол ^дотягивается* в точное положение
чи практически неисчислимо. А новые идеи ее решения
встречаются значительно реже и подчас становятся пред-
метом важных изобретений.
Но вернемся к станку Кернс. Его измерительная систе-
ма оснащена уже известным нам индуктивным датчиком;
она устроена совершенно так же, как измерительная систе-
ма станка Пратт и Уитней, И действуют эти обе системы
одинаково.
А как же используются повороты выходных валиков
дифференциалов для установки стола станка и измеритель-
ной головки? Для этой цели служит сельсинная передача.
Сельсин представляет собой устройство, по внешнему
виду напоминающее небольшой электродвигатель, за тем
123
исключением, что из него выходит пять проводов, а не
три, как у обычных трехфазных электродвигателей.
Когда два сельсина соединены друг с другом и, кроме
того, подключены к источнику переменного тока, они обра-
зуют сельсинную передачу. Поворот ротора одного сельси-
на при определенных условиях вызывает такой же поворот
ротора второго сельсина. Если учесть, что между собой они
соединены только электрическими проводами, то сразу ста-
нет ясно, насколько удобен такой «электрический вал» для
целей дистанционного управления..
Тот сельсин, ротору которого задают вращение, часто
называют сельсином-датчиком. Сельсин, повторяющий это
движение, называют сельсином-приемником.
Сельсин-датчик, как и обычный электродвигатель, со-
стоит из статора и ротора. Статор несет три обмотки, рас-
положенные под углом 120° одна к другой, соединенные
между собой одним из концов. Три других конца обмоток
статора предназначены для передачи сигнала сельсину-
приемнику. Ротор сельсина-датчика имеет два полюса, не-
сущих последовательно включенные обмотки, присоединен-
ные к медным кольцам, укрепленным на роторе. К коль
цам прижимаются металлические щетки, с помощью
которых к ротору сельсина подводится напряжение.
Примерно так же устроен сельсин-приемник, а принцип
действия электрического вала сводится к следующему. Ког-
да к обмоткам роторов обоих сельсинов подводится пере-
менное напряжение, в них возникает .переменное магнит-
ное поле. Пересекая обмотки статоров, оно наводит в них
электродвижущую силу. Если теперь три обмотки статора
сельсина-датчика замкнуть на три соответствующие об-
мотки статора сельсина-приемника, то по ним потечет пе-
ременный ток, причем, если по обмоткам одного статора он
течет сверху вниз, то по обмоткам другого — снизу вверх,
и наоборот.
Соответственно навстречу одно другому будут направ-
лены магнитные поля, дополнительно возникающие в обо-
их статорах. А магнитные поля обоих роторов направлены
одинаково. В результате магнитные поля ротора и стато-
ра в приемнике будут направлены одинаково, а в датчи-
ке — противоположно одно другому. Если теперь повер-
нуть ротор датчика, то на точно такую же величину повер-
нется суммарное магнитное поле статора приемника.
124
2
Сельсинная передача*
1 — сельсин-датчик, 2 — сельсин-приемник
Сельсин-датчик преобразует вращение ведущего вала'в~~ эле-
ктрический сигнал. Сельсин-приемник осуществляет обрат-
ное преобразование, благодаря чему ведомый вал вращается
синхронно с ведущим
и увлечет за собой тем самым ротор приемника. В такой
передаче сельсин-датчик работает как электрогенератор,
преобразующий механическую энергию вращения ротора в
электроэнергию. А сельсин-приемник работает как элек-
тродвигатель, осуществляющий обратное преобразование
энергии.
Так работает самая простая сельсинная передача. Од-
нако более или менее точно действовать она может лишь
при ничтожной нагрузке на ведомой части системы, иначе
сразу же возникнет погрешность, тем большая, чем больше
момент сил сопротивления на роторе приемника. Очевидно,
без серводействия здесь обойтись нельзя. Поэтому для це-
лей автоматического управления находят широкое приме-
нение сельсины дифференциального действия. Они способ-
ны воспринимать не один, а два сигнала в форме, например
напряжения заданной величины, подводимого к обмоткам

статора, и заданного угла поворота ротора. При этом
выходным сигналом будет служить напряжение, отводимое
с обмоток ротора.
Соединим такой дифференциальный сельсин с обычным
сельсином-датчиком. Тогда при повороте ротора датчика в
обмотках ротора дифференциального сельсина возникнет
напряжение, пропорциональное разности положений обоих
роторов. Будучи усиленным, это напряжение может быть
использовано для целей управления мощным двигателем,
приводящим во вращение ведомый вал. Только ничтожная
доля мощности, передаваемой по этому валу, будет исполь-
зована для поворота ротора дифференциального сельсина.
И когда ведомый вал займет точно такое же положение, что
и ротор датчика, напряжение, управляющее двигателем
привода, будет равно нулю.
Мы получили уже известную нам следящую систему с
серводействием и с обратной связью в форме передачи вра-
щения от ведомого вала к ротору дифференциального сель-
сина. Именно такая схема использована в системе Том-
сон — Хаустон при передаче команд из узла управления в
узел исполнительных механизмов, осуществляющих уста-
новку стола и измерительной головки.
С выходными валиками четырех дифференциалов со-
единены роторы сельсинов-датчиков, генерирующих на-
пряжение, пропорциональное углам их поворотов.
Для предварительной установки стола используется
сельсин, связанный с валиком старшего разряда. Отводи-
мое с него напряжение подается в обмотки статора диф-
ференциального сельсина, а с его ротора отводится сигнал,
управляющий двигателем привода стола. Ходовой винт,
перемещая стол, одновременно поворачивает ротор диффе-
ренциального сельсина.
Предварительное перемещение заканчивается, когда
стол станка оказывается примерно па расстоянии 5 мм от
точного положения. Одновременно посредством подобной
же системы производится установка головки в точное по-
ложение, причем с целью повышения точности передача
вращения осуществляется поразрядно с помощью трех
сельсинов, с последующим суммированием углов поворота
в узле привода микрометрического винта подачи головки.
После того как завершена предварительная установка
стола и точная установка головки, система управления сто-
126
2
Сельсинная передача*.
1 — сельсин-датчик, 2 — дифференциальный сельсин, з — усилитель,
4 — исполнительный двигатель, 5 — стол станка
Дифференциальный сельсин генерирует напряжение, пропорциональное вели-
чине разности угловых положений ведущего и ведомого звеньев передачи.
После усиления это напряжение используется для управления исполнительным
двигателем. Обратная связь осуществляется путем передачи вращения от ведо-
мого вала к ротору дифференциального сельсина
лом переключается на работу от измерительной системы.
Как и в системе Пратт и Уитней, сигналом, управляющим
точной установкой стола, является сигнал рассогласования
положений индуктивной головки и измерительной линейки
с магнитными выступами, связанной со столом.
И примерно такие же меры приняты, чтобы скорость
системы изменялась необходимым образом и точная уста-
новка стола всегда осуществлялась в одном направлении.
Как видите, все те ухищрения, о которых мы подробно
рассказали раньше, не являются ненужными излишества-
ми. Без них невозможно обеспечить необходимую точность
работы, и в той или иной форме они применяются в кон-
струкции всех координатно-расточных станков.
Но и они бы не помогли, если не две особенности рабо-
ты системы, вытекающее из ее назначения.
Первая состоит в том, что обработка изделия начинает-
ся только после того, как его перемещение закончено,
127
после того, как в достаточной мере исключены все рассо-
гласования в следящих системах управления. Это воз-
можно лишь тогда, когда характер относительного движе-
ния инструмента и заготовки непосредственно не влияет
на результат обработки. Лишь при этом условии можно вы-
годно изменять скорости и направления подачи стола, пре-
следуя единственную цель — точность установки.
Вторая немаловажная особенность состоит в том, что
при работе координатно-<расточного станка режущий ин-
струмент не испытывает таких больших боковых отжатий,
какие испытывает фреза. Значит, измеряя перемещения
стола координатно-расточного станка, фактически измеря-
ют само изделие, в то время как измерения перемещений
стола фрезерного станка не дают возможности учесть те
подчас существенные погрешности, которые возникают из-
за деформации системы заготовка — станок — инструмент.
Вот почему предел точности координатно-расточных
станков располагается между вторым и третьим знаками
после запятой, а точность фрезерных станков — между
первым и вторым знаками.
Заканчивая ознакомление с методами цифровой авто-
матизации процессов, связанных с расточкой и сверле-
нием, следует остановиться на задачах автоматизации
этих процессов, возникающих, когда речь идет об обра-
ботке изделий с очень большим числом отверстий. В ка-
честве примера таких изделий можно указать на пла-
ты, широко применяющиеся в радиотехнической промыш-
ленности для сборки узлов печатных схем радиоаппарату-
ры. Число отверстий в одной плате, или пластине, может
достигать нескольких сот, а располагаются эти отверстия
самым различным образом.
При автоматизации процесса обработки таких изделий
прежде всего возникает вопрос о его программировании.
Дело в том, что при большом числе отверстий время
сверления каждого из них часто оказывается меньше од-
ной секунды. Следовательно, обеспечить приемлемую про-
изводительность автомата можно лишь при условии, если
суммарное время всех перестановок инструмента (или
изделия) из одной позиции в другую будет достаточно
малым. Ясно, что при одной и той же скорости перестано-
вок это время определяется длиной ломаной линии, соеди-
няющей все отверстия, подлежащие обработке.
128
При сверлении большого числа отверстий необходимо
гадать последовательность перехода из одной рабочей
позиции в другую
Каково же число возможных путей перестановки
инструмента или заготовки из одной позиции в другую?
Оно, конечно, зависит от числа позиций, т. е. от заданного
числа сверлений. Так, при трех позициях задача отыска-
ния числа возможных путей решается мгновенно, посколь-
ку три точки можно соединить лишь одним способом.
Четыре позиции можно соединить уже тремя различными
способами, но и здесь выбор кратчайшей ломаной линии
не представляет особого труда. Однако дальше число воз-
можных вариантов стремительно возрастает. Для шести
позиций их уже 60, для восьми 2520 и т. д. Определить
кратчайшую из 2520 ломаных линий обычными приемами
практически невозможно. А ведь число отверстий может
достигать нескольких сот.
Никакая, пусть даже самая высокопроизводительная
электронная цифровая машина не управится с задачей
выбрать в обозримое время самую короткую траекторию.
Но может быть и не нужно знать самую короткую тра-
екторию, если разработать рациональную систему автома-
тизации?
Из приведенных примеров ясно, что при всем разно-
образии схем и средств, используемых в системах цифро-
вого управления, принцип действия и структура каждой
из них во многом определяются ее функциональным на-
9 А. Е. Кобринский	уоо
значением, другими слонами, тем кругом технологиче-
ских задач, для решения которых предназначается ста-
нок.
И чем сложнее эти задачи, тем больше выгод обещает
их решение, тем шире фронт работ; направленных на соз-
дание систем автоматизации.
Естественно, что наиболее сложными задачи цифровой
автоматизации становятся тогда, когда число точек, через
которые должен пройти инструмент, оказывается, образно
говоря, сколь угодно большим, когда числа должны управ-
лять уже не относительным расположением инстрз^мента
и заготовки, а их относительным движением.
IX
Числа управляют движением
Водной из предыдущих глав мы упоминали систему
цифрового управления Нумерикорд. Разработку этой
системы и двух конструкций оснащенных ею фрезерных
станков вели совместно в течение нескольких лет три круп-
нейшие научно-исследовательские организации США Ч
Работы щедро финансировались военным ведомством, по-
скольку станки предназначались для обработки крупнога-
баритных деталей самолетов.
Один из этих станков, с принципом действия которого
мы сейчас познакомимся, имеет вертикально расположен-
ный стол, длиной более 4 л/, высотой около 1,5 м. На этом
столе укрепляется обрабатываемая заготовка. Вдоль него,
по специальным направляющим, движется массивная баб-
ка, несущая суппорт, который может перемещаться в вер-
тикальном направлении на величину до 1,5 м. На этом суп-
порте в поворотном устройстве установлена фрезерная
головка, перемещающаяся в пределах до 0,5 м по направ-
лению к столу. Цифровая система управляет одновремен-
но тремя движениями вдоль трех взаимно перпендикуляр-
ных осей и, кроме того, поворотами бабки и фрезерной
головки соответственно относительно осей х и у, лежащих
в плоскости стола.
Само собой разумеется, что использование этого станка,
позволяющего с одного установа обработать поверхность,
площадью в несколько квадратных метров, имеющую,
кроме того, самые причудливые формы, требует большой
1 «Aircraft Production», January, 1958.
131
9*
Подготовительной работы. О содержании этой работы мУ
уже рассказали довольно подробно в предыдущих главах.
Поэтому здесь мы только напомним ее основные этапы.
Чертеж обрабатываемого изделия поступает к инже-
неру-программисту, который по существу выполняет функ-
ции технолога. Он выбирает конструкцию и размеры фре-
зы, устанавливает способы крепления заготовки, намечает
последовательность обработки отдельных поверхностей из-
делия и определяет координаты опорных точек, через ко-
торые должна пройти фреза в процессе обработки изделия.
Поскольку система Нумерикорд использует метод
линейного интерполирования, эти точки должны быть
определены так, чтобы соединяющая их ломаная линия,
составленная только из прямолинейных отрезков, уклады-
валась в пределах поля допуска, установленного для дан-
ного изделия. Заметим, кстати, что вычисления, необходи-
мые для определения координат опорных точек, выполня-
ются на универсальных электронных вычислительных ма-
шинах либо, для изделий сравнительно простых форм, бо-
лее простыми средствами.
Одновременно программист намечает скорости подачи
инструмента на отдельных участках обработки. Все эти
данные записываются им в цифровом виде в специальную
таблицу.
Второй этап подготовки программы состоит в том, что
цифровые данные таблицы переносятся в форме перфора-
ций на бумажную ленту. При этом бумажная лента услов-
но делится на кадры. В каждом из таких кадров фикси-
руются уже не абсолютные значения координат опорных
точек, как это сделано в исходной таблице, а только их
приращения на соответствующем участке обрабатываемого
изделия. А вместо скорости подачи на бумажной ленте
задается время обработки этого участка изделия.
Третий этап подготовки программы выполняется специ-
альной электронной вычислительной машиной — линей-
ным интерполятором. Он вычисляет необходимые проме-
жуточные значения по заданным опорным точкам с та-
ким расчетом, чтобы на каждом отдельном интервале фреза
перемещалась из одной опорной точки в другую прямоли-
нейно и в заданное время.
Носителем программы служит магнитная лента, на
которую в интерполяторе наносится вся необходимая
132
Фрезерный станок Гиддинг иЛъюис, оснащенный системой
Нумерикорд
информация в форме дискретных намагниченных участ-
ков. В результате линейного интерполирования намагни-
ченные участки в пределах каждого кадра распределяются
равномерно, вызывая движение исполнительного органа
с постоянной скоростью. От кадра к кадру частота следо-
вания импульсов меняется, благодаря чему обеспечивает-
ся реализация заданной программы.
Программная лента шириной 25 мм содержит 14 кана-
лов. Пять каналов отводятся для запоминания информа-
ции, управляющей каждым из пяти движений исполни-
тельных органов. Один канал ленты используется для
задания синхронизирующих сигналов, обеспечивающих
согласованное движение всей системы в заданном темпе.
Действие этого сигнала можно сравнить с вращением вала
лентопротяжного механизма в однокоординатной систе-
ме управления. Остальные восемь каналов используются
для управления подачей охлаждающей жидкости, для
включения и выключения зажимных устройств отдельных
133
направляющих, для подачи сигналов на остановку станка
и т. д.
Подготовленная таким образом программа вводится
в приемное устройство станка, где она считывается со ско-
ростью около 40 см!сек. Одной бобины магнитной ленты
хватает больше, чем на полтора часа непрерывной работы
станка.
Система Нумерикорд построена по замкнутой схеме,
в прямой цепи которой осуществляется преобразование
дискретной информации в непрерывный управляющий сиг-
нал. В дальнейшем он сравнивается с сигналом, поступаю-
щим из цепи обратной связи, включающей дифференци-
альный сельсин. Разность этих сигналов используется для
управления силовым двигателем, приводящим в движение
исполнительный орган станка. Приводы для всех пяти
движений построены совершенно одинаково.
Для того чтобы понять принцип действия системы Ну-
мерикорд, разберем сначала один из возможных вари-
антов передачи движения с помощью электрического
вала.
Основу этой передачи составляют два дифференциаль-
ных сельсина. Программа движения стола станка задается
переменным вращением ротора сельсина-датчика. Ротор
второго сельсина получает вращение от рейки, укреплен-
ной на столе. Связывающая их зубчато-реечная передача
выполнена с высокой степенью точности, снабжена проти-
волюфтовыми устройствами и рассчитана так, чтобы один
полный оборот ротора сельсина соответствовал перемеще-
нию суппорта на 2,5 мм.
Обмотки статоров обоих сельсинов в этой передаче воз-
буждаются от внешнего источника переменного тока.
Предположим, что частота этого тока 200 гц. В результате
взаимодействия магнитных полей в обмотках каждого из
роторов обоих сельсинов наводится однофазное переменное
напряжение той же частоты. Эти напряжения — одно от
командного сельсина, а другое от сельсина обратной свя-
зи — подводятся к специальному прибору — фазовому ин-
дикатору, который непрерывно измеряет разность фаз
обоих сигналов и выдает напряжение, пропорциональное
этой разности.
Если оба ротора занимают совершенно одинаковые
угловые положения, то генерируемые ими сигналы будут
134
Схема управления с использованием сельсинной передачи*.
1 — дифференциальный сельсин, 2 — фазовый индикатор, 3 — усилитель,
4 — исполнительный двигатель, 5 — стол станка, 6 — источник переменного
тока 200 гц	__
Ротор одного сельсина связан с ведущим звеном системы. Ротор второго сель-
сина получает вращение от ведомого звена. Это обычная замкнутая система
управления с обратной связью
иметь одинаковую фазу, а выходное напряжение фазового
индикатора будет равно нулю. Если же они повернуты
один по отношению к другому на некоторый угол, то уг-
ловой сдвиг фаз напряжений, возникающих в их обмотках,
будет в точности равен углу рассогласования роторов, и в
соответствии с его величиной и знаком установятся вели-
чина и знак напряжения на выходе фазового индикатора.
Непрерывный управляющий сигнал из фазового индика-
тора направляется в усилитель и используется затем для
управления скоростью вращения регулируемого электро-
двигателя постоянного тока. Последний перемещает стол
станка до тех пор, пока угловые положения обоих роторов
не сравняются.
Теперь остается разобраться в том, как действует эта
передача, когда ротор сельсина-датчика непрерывно вра-
щается с той или иной скоростью. Нетрудно видеть, что
в этом случае изменяется не только фаза напряжения,
наводимого в обмотке ротора, но также и его частота.
Действительно, если к обмоткам статора подводится
напряжение с частотой 200 гц, то возникающее при этом
магнитное поле статора вращается со скоростью 200 об)сек.
Значит, если ротор сельсина-датчика вращать в том
же направлении, например со скоростью 1 об!сек, то
135
вращающееся магнитное поле будет пересекать его обмот-
ки уже не 200, а 199 раз в секунду; соответственно частота
напряжения, генерируемого в его обмотках, будет равна
199 гц. Если ротор датчика неподвижен, то частота этого
напряжения будет в точности равна частоте опорного на-
пряжения, т. е. 200 гц, Если, наконец, ротор датчика вра-
щать в направлении, противоположном направлению вра-
щения поля статора, со скоростью, например 3 об/сек, то
частота генерируемого им напряжения будет равна 203 гц,
В момент; когда ротор датчика начнет вращаться, на
выходе фазового индикатора возникнет напряжение, нач-
нет двигаться стол станка, приводя во вращение ротор
сельсина обратной связи. Скорость движения стола
всегда пропорциональна выходному напряжению фазового
индикатора и, значит, чем больше она должна быть, тем
больше выходное напряжение, и, следовательно, тем боль-
шей будет разность угловых положений обоих роторов в
процессе их вращения. В результате ротор сельсина об-
ратной связи будет вращаться с той же частотой, что и ро-
тор сельсина-датчика, но с некоторым отставанием, ве-
личина которого тем больше, чем больше скорость враще-
ния датчика. Это отставание является одним из основных
источников погрешностей сельсинной передачи, точно так
же, как рассогласование между фактическим и заданным
положениями ведомого звена является основным источ-
ником динамических погрешностей любой системы с об-
ратной связью.
Другими словами, работой замкнутой системы управ-
ляет свойственная ей неточность, тем большая, чем боль-
ше скорость действия системы. Даже при постоянной ско-
рости движения стола выходное напряжение фазового
индикатора и, значит, погрешность системы не могут быть
равными нулю, так как именно этим напряжением опре-
деляется скорость вращения электродвигателя привода
стола.
При переходе с одной скорости на другую динамиче-
ская погрешность вследствие инерционности системы бу-
дет увеличиваться, так же как она будет увеличиваться
по мере увеличения скорости движения ведомого звена.
Теперь нетрудно понять, почему точность фрезерного
станка, оснащенного цифровой системой управления, не-
избежно оказывается на один разряд ниже точности дей-
136
ствия координатно-расточного станка, оснащенного по-
существу такой же системой.
Обработка изделия на координатно-расточном станке
начинается лишь после того, как будет сведена до нуля
разность между заданным и фактическим положением
стола. А обработка изделия на фрезерном станке про-
изводится в процессе движения, причем источником сиг-
нала, управляющего этим движением, служит текущее
значение неизбежной погрешности, характеризующей от-
личие фактического движения от движения, заданного
программой.
Система Нумерикорд рассчитана так, чтобы макси-
мальная скорость вращения ротора сельсина обратной
связи не превышала 20 об/сек, что соответствует макси-
мальной скорости подачи суппорта 3 м!мин. Соответст-
венно, частоты напряжений, подводимых к фазовому ин-
дикатору, должны отличаться от опорной частоты не
больше чем на ± 20 гц. При этом точность действия систе-
мы оценивается величиной порядка ±0,075 мм на длине
перемещения до 9 м. Само собой разумеется, что в эту
величину не включены погрешности, которые возникают
в процессе обработки изделия в результате температур-
ных и силовых деформаций системы инструмент — ста-
нок — изделие, а также в результате износа инструмента.
Их величины зависят от конструкции и материала обра-
батываемого изделия, от режимов резания, от состояния
и конструкции режущего инструмента и могут достигать
значений, соизмеримых с величинами динамических по-
грешностей.
Описанный выше способ управления движением с при-
менением сельсинной передачи носит название способа
фазовой модуляции. Он известен и применяется для це-
лей автоматизации и дистанционного управления уже не
один десяток лет. Достаточно сказать, что еще 25 лет
назад советские ученые А. А. Булгаков, С. А. Лебедев
и Д. В. Свечарник использовали этот способ для целей
автоматического управления перестановкой валков про-
катных станков.
В системе Нумерикорд сельсины-датчики, задающие
программу, заменены магнитной лентой. Теперь, чтобы под-
вести к фазовому индикатору управляющее напряже-
ние, не надо с переменной скоростью вращать ротор
137
сельсина-датчика. Нужно лишь устройство, считывающее
программные сигналы, записанные на ленте. На этой же
ленте в одном из каналов задается также опорная часто-
та — 200 гц. Все остальные элементы системы управления
остаются прежними.
В процессе записи опорного и программных сигналов
лента протягивается мимо записывающих головок. К ним
подводятся напряжения постоянного уровня. Полярности
этих напряжений могут мгновенно меняться в соответст-
вии с подводимыми к ним командами. Пять головок полу-
чают команды из узлов интерполятора, ведущих расчет
движения органов станка. Шестая головка получает сиг-
налы из генератора опорной частоты. Аналогичным обра-
зом записываются сигналы и на других каналах ленты.
В результате на каждой из магнитных дорожек ленты
образуются прямоугольные намагниченные площадки пе-
ременной полярности. Чтобы представить себе их размер,
укажем, что в процессе записи (так же, как и при считы-
вании) лента движется со скоростью 40 см!сек. Значит
на дорожке, где записана опорная частота 200 гц, доле-
вой размер магнитных площадок чередующейся поляр-
ности составляет 1 мм. А на смежных дорожках, на кото-
рых записана программа движения исполнительных меха-
низмов станка, длины этих площадок меняются в соот-
ветствии с изменением частоты управляющего сигнала.
Будучи считанным, сигнал опорной частоты в узле
управления преобразуется в трехфазное напряжение той
же частоты, которое подводится к обмоткам статора сель-
сина обратной связи.
Сигнал, управляющий движением по той или иной
координате, после его преобразования в плавное синусои-
дальное напряжение соответствующей частоты подводится
к фазовому индикатору. К нему же подводится напря-
жение, генерируемое в роторе сельсина обратной связи.
В остальном эта система работает точно так же, как и
описанная выше двухсельсинная передача. Изменение ча-
стоты управляющего сигнала соответствует изменению
скорости вращения сельсина-датчика. Если, например,
в одном из каналов ленты задана частота 199 гц, то стол
станка будет перемещаться со скоростью 2,5 мм/сек, а ро-
тор сельсина обратной связи будет совершать 1 об!сек.
Если эта частота будет равна 203 гц, то стол будет
138
Система управления Нумерикорд'.
1 — программная лента, 2 — магнитные головки, з — усилитель,
4 — преобразователь, 5 — фазовый индикатор, 6 — дифференциальный
сельсин, 7 — исполните пьный двигатель, 8 — стол станка
Эта схема получена из схемы представленной на предыдущем рисунке,
заменой одного из сельсинов магнитной лентой и двумя магнитными
головками. Одна из них считывает заданную программу, другая — опор-
ную частоту. В остал( ном обе системы действуют одинаково
двигаться с утроенной скоростью в противоположном
направлении, и т. д. И по-прежнему на выходе из фазово-
го индикатора будет возникать напряжение, пропорцио-
нальное разности фаз командного сигнала и сигнала, воз-
никающего в цепи обратной связи, а система в целом будет
работать с динамическими погрешностями, тем большими,
чем больше скорости и ускорения тех или иных исполни-
тельных механизмов станка.
То обстоятельство, что управляющий сигнал и опор-
ная частота записаны на одной и той же ленте, имеет су-
щественное значение, поскольку при этом исключается
возможность возникновения ошибок в процессе считыва-
ния программы. Если управляющий сигнал записать на
ленте, а опорную частоту задавать генератором непосред-
ственно на обмотки статора сельсина, то любые колебания
скорости считывания, возникающие, например, из-за не-
точной работы лентопротяжного механизма, отразятся
только на частоте управляющего сигнала и никак не по-
влияют на опорную частоту. В результате этого возник-
нут погрешности в скорости движения стола станка, что
приведет к дополнительным погрешностям обработки.
А если оба сигнала считываются с ленты, то любые
139
изменения скорости считывания приводят только к изме-
нению скорости подачи фрезы, но никак не влияют на
траекторию ее движения.
Второй из двух типов фрезерных станков, оснащен-
ных системой Нумерикорд, имеет еще большие размеры,
чем описанный выше. Его длина, ширина и высота соот-
ветственно равны 12, 6 и 5 л/. По конструкции он напоми-
нает продольно-строгальный станок, на поперечине кото-
рого расположены две фрезерные головки. Цифровым
управлением в этом станке оснащен механизм привода
стола, а также приводы поперечной и продольной подачи
каждой из фрезерных головок.
По сведениям, опубликованным в зарубежной печати,
американские авиационные фирмы уже получили до 30
станков обоих типов. Характерно, что для подготовки
программы было заказано 16 комплектов перфораторов и
только 6 интерполяторов. Следовательно, предполагается,
что для обслуживания четырех-пяти больших станков впол-
не достаточно одной специализированной цифровой ма-
шины. Значит, стоимость вспомогательного электронного
оборудования, приходящаяся на один такой станок, не
столь велика, как казалось сначала.
Работы по созданию фрезерных станков с цифровым
управлением, могущих производить обработку крупнога-
баритных деталей, ведутся, конечно, не только в США.
Ниже рассказывается еще об одном станке такого же на-
значения, построенном в Англии авиационной фирмой
Фейри и оснащенном системой цифрового управления
Ферранти 2.
Наше знакомство с этой системой фактически уже на-
чалось, когда мы разбирались в устройстве оптических
датчиков обратной связи. Именно такими датчиками ос-
нащен станок Фейри — Ферранти, который по своим
размерам значительно превосходит описанный выше
американский станок подобного типа. Вертикальный
стол его достигает 2,5 м в высоту и 8 м в длину, при-
чем конструкция стола и параллельных ему направляю-
щих позволяет дополнительно наращивать эту длину сек-
циями по 3 м. По направляющим движется бабка, несущая
суппорт, перемещающийся вверх и вниз в пределах до
2 «Machinery», vol. 92, 25/IV 1958.
140
Фрезерный станок Фейри—Ферранти
двух с лишним метров. Фрезерная головка может, кроме
того, двигаться на 0,4 м в направлении, перпендикуляр-
ном столу. Станок оснащен трехкоординатной системой
управления, действующей по замкнутой схеме.
Этапы подготовки программы его работы полностью
совпадают с уже известной нам процедурой. Програм-
мист-технолог, получив чертеж детали, намечает план
обработки изделия и в соответствии с этим планом запол-
няет численными значениями и различными дополнитель-
ными указаниями специальную таблицу. Затем все эти
данные кодируются на перфорированной бумажной лен-
те, которая вводится в интерполятор.
Интерполятор системы Ферранти существенно отлича-
ется от интерполятора Нумерикорд. Прежде всего следует
сказать, что в его конструкции предусмотрены узлы, вы-
числяющие текущие значения координат точек таких
кривых, как окружность, эллипс, парабола, гипербола, по
одним только координатам полюсов этих кривых и по их
141
граничйь1м значениям. Значит, если профиль изделия со-
держит отрезки этих кривых, то на перфоленте достаточ-
но специальным кодом задать тип кривой и точки сопря-
жения ее отрезка с другими участками профиля. Интер-
полятор сам произведет по этим данным все необходимые
промежуточные вычисления и их результаты зафикси-
рует на магнитной ленте в унитарном коде в форме сово-
купности дискретных магнитных черточек.
Если профиль обрабатываемого изделия содержит
отрезки кривых, отличающихся от указанных, то тогда
без предварительного расчета ряда опорных точек этих
кривых обойтись нельзя. Однако и в этом случае интерпо-
лятор ведет расчет программы не так как обычный линей-
ный интерополятор, т. е. только по двум смежным точкам,
заполняя очередную «брешь» равномерно распределен-
ными сигналами. Его вычислительные устройства рассчи-
тывают криволинейную траекторию, проходящую одно-
временно через несколько смежных опорных точек. Интер-
полятор Ферранти, в частности, рассчитывает плавную
кривую, проходящую одновременно через пять опорных
точек заданной кривой. И в соответствии с информацией,
которую несет очередная опорная точка, частота импуль-
сов, наносимых в соответствующих каналах на програм-
мную ленту, будет плавно изменяться, характеризуя от-
носительные скорости подачи фрезы в соответствующих
направлениях.
Итак, любым криволинейным участкам профиля будет
соответствовать непрерывно изменяющаяся частота по-
явления импульсов в соответствующих каналах ленты.
В этом — основное отличие нелинейного интерполято-
ра, каким является интерполятор Ферранти, от линейных,
рассчитывающих программу в форме условных кадров,
в пределах каждого из которых программные сигналы
распределены совершенно равномерно. Преимущество не-
линейного интерполятора состоит в том, что при одной
и той же точности программирования нелинейный интер-
полятор требует значительно меньшего числа опорных
точек и, следовательно, значительно меньшей подготови-
тельной работы по сравнению с линейным интерполя-
тором.
Интерполятор Ферранти, помимо того, обладает преиму-
ществом в быстродействии. Скорость расчета программы
142
Интерполятор Ферранти и оборудование, предназначенное
для подготовки перфорированной ленты
интерполятором Нумерикорд примерно равна той скоро-
рости, с которой она затем «проигрывается» в узле про-
граммы станка. Повышение скорости работы электрон-
ных узлов этого интерполятора ограничено быстродей-
ствием механизмов, считывающих информацию с перфо-
ленты. В интерполяторе Ферранти это ограничение в зна-
чительной мере снято, и он ведет расчет программы
с восьмикратной скоростью по сравнению со скоростью ее
последующего считывания в узле программы станка.
Значит, он может обслуживать еще большее число станков,
чем интерполятор Нумерикорд, что, несомненно, сказыва-
ется на его относительной стоимости.
Выходные устройства интерполятора наносят рассчи-
танную программу одновременно в три канала ленты
148
с таким расчетом, чтобы максимальная плотность записи
не превышала четырех штрихов на 1 мм ленты.
А теперь расскажем о том, как действует станок,
реализуя заданную ему программу. Скорость ее считыва-
ния достигает 400 мм!сек и, значит, в одну минуту в узел
управления поступает до 100 тыс. импульсов.
Максимальная скорость подачи определяется, как нам
известно, ценой одного импульса. В системе управления
станками Фейри — Ферранти эта цена принята равной
0,025 мм, так что максимальная скорость подачи достига-
ет 2,5 м!мин. Соответственно с принятой ценой импульса
на стеклянных линейке и движке оптического датчика
обратной связи нанесено по 20 штрихов на каждом мил-
лиметре их длины. Поскольку один полный период изме-
нения освещенности фотоэлемента датчика вызывает два
импульса в цепи обратной связи, то цена каждого из этих
импульсов также оказывается равной 0,025 мм.
Итак, в узел управления станка поступает два непре-
рывных потока импульсов — командных и обратной свя-
зи. Каждый из командных импульсов должен вызвать пе-
ремещение соответствующего исполнительного органа на
0,025 мм, а частота их следования определяет скорость
его перемещения. Считанные импульсы в узле управле-
ния прежде всего поступают в устройство, определяющее
в соответствии с полярностью импульсов направление
подачи исполнительного органа. А дальше этот поток раз-
ветвляется и попадает в два электронных узла.
В одном из них — преобразователе — вырабатывается
напряжение, величина которого пропорциональна частоте
следования импульсов. В нем происходит, следовательно,
преобразование дискретных импульсов программы в не-
прерывное напряжение, используемое в дальнейшем для
целей управления скоростью исполнительного двигателя.
Одновременно фактическая скорость этого двигателя не-
прерывно измеряется специальным датчиком, выходное
напряжение которого также пропорционально ее вели-
чине.
Таким образом, система управления двигателем ока-
зывается замкнутой цепью обратной связи по скорости.
Но мы уже знаем, хотя бы на примере станка ИБМ, что
управления скоростью еще недостаточно, чтобы обеспе-
чить точную работу системы, что помимо этого необходимо
144
Система управления Ферранти:
1 — узел программы, 2 — определитель направления, 3 — преобра-
зователь, 4 — усилитель, 5 — исполнительный двигатель, 6 — датчик
обратной связи по скорости, 7 — измерительная система Ферранти,
8 — стол станка, 9 — реверсивный счетчик импульсов
Система Ферранти, как и система Нумерикорд, действует
по замкнутой схеме. Обратная связь осуществляется по скорости
и по перемещению стола
производить непосредственный отсчет ее фактических пе-
ремещений.
В системе Ферранти замкнутая цепь управления ско-
ростью исполнительного органа предназначена лишь для
грубого ее регулирования с точностью до 5%. Кроме того,
имеется вторая цепь управления, действующая непо-
средственно по перемещению суппорта. Осуществлена
она следующим образом. Поток программных импуль-
сов, наряду с узлом, генерирующим напряжение, пропор-
циональное темпу их следования, подается еще и в так на-
зываемый реверсивный счетчик импульсов. На второй
вход этого счетчика попадают импульсы, текущие по
цепи обратной связи от оптического датчика перемеще-
ний исполнительного органа. Счетчик производит непре-
рывное сравнивание чисел импульсов в прямой и обрат-
ной цепочках и выдает напряжение, пропорциональное раз-
ности этих чисел и с соответствующим знаком. Как види-
те, по принципу действия этот счетчик напоминает фазо-
вый индикатор системы Нумерикорд, хотя он построен на
совершенно других элементах.
А затем это напряжение суммируется с напряжени-
ем, обеспечивающим грубое регулирование скорости,
Ю А. Е. Кобринский
и используется для его уточнения. В результате заданная
программа отрабатывается со сравнительно высокой сте-
пенью точности.
Непосредственным источником командных сигналов
являются динамические погрешности. Они растут с увели-
чением скорости и на максимальной скорости работы стан-
ка могут достигать величины, эквивалентной семи импуль-
сам.
Для контроля этих погрешностей отводится одна из
дорожек программной ленты. В интерполяторе на этой
дорожке наносится число импульсов, равное суммарному
числу импульсов на трех дорожках, управляющих пере-
мещениями фрезы по трем осям координат, деленному
на четыре. Таинственное с первого взгляда деление на че-
тыре нужно для того, чтобы плотность записи импульсов
не превосходила допустимой величины. В процессе работы
системы таким же образом суммируются сигналы, посту-
пающие одновременно от всех датчиков обратной свя-
зи. Эти две цепочки сигналов непрерывно сравниваются, и
если их разность превышает величину, заранее обуслов-
ленную допуском на обработку детали, то это означает,
что правильная работа системы нарушена, и цепь контро-
ля подает сигнал на остановку станка.
Степень автоматизации станка Фейри — Ферранти, так
же как и станка Нумерикорд, чрезвычайно высока, а в кон-
струкции обоих станков предусмотрен ряд мер, направ-
ленных на полное устранение или во всяком случае на
предельное уменьшение погрешностей, могущих возник-
нуть вследствие влияния зазоров, трения и упругости.
Все винтовые передачи выполнены с использованием ша-
риковых винтов, устанавливаемых с предварительным на-
тягом, во все механизмы приводов введены специальные
противолюфтовые устройства и т. д.
В связи со сравнительно большой мощностью привода
при конструировании этих станков большое внимание
уделено также снижению трения на направляющих.
В станке Нумерикорд к скользящим поверхностям
бабки прикреплены подушки из специального антифрик-
ционного материала, к которым подводится под давлением
смазочное масло, причем предусмотрены специальные
меры борьбы с погрешностями обработки изделия, кото-
рые могут возникнуть вследствие поперечного перекоса
146
бабки. Опасность возникновения перекоса особенно вели-
ка тогда, когда фрезерная головка находится в верхнем
положении, поскольку при этом момент сил, вызывающих
перекос, достигает максимума.
Для его устранения разработано устройство, автомати-
чески измеряющее прогиб каждой из направляющих.
В соответствии с результатами измерений устанавливает-
ся давление смазки, подаваемой к отдельным подушкам.
Чем больше деформация одной из направляющих, тем
выше давление подводимого к ней масла. По мере повыше-
ния давления масла увеличивается толщина смазочного
слоя, компенсируя осадку бабки, происходящую вслед-
ствие деформации направляющей.
В станке Фейри—Ферранти использованы гидростати-
ческие направляющие. На скользящих поверхностях баб-
ки выполнены карманы, в которые подается под давлени-
ем дозированное количество масла. В результате бабка
«всплывает» и через образовавшиеся зазоры масло выте-
кает в специальные сборники.
А теперь представьте себе, что под действием сил
резания бабка перекосилась в поперечном направлении.
Тогда величины зазоров между бабкой и обеими направля-
ющими окажутся различными по величине. Там, где зазор
станет меньше, соответственно уменьшится и количество
вытекающего масла, в результате чего давление масла в
кармане увеличится и соответственно увеличится подъем-
ная сила, действующая со стороны этой направляющей на
бабку. Там, где зазор станет больше, расход масла увели-
чится, его давление уменьшится. Чем больше разность
между фактическими величинами зазоров и их расчетны-
ми значениями, тем больше величина момента сил давле-
ния масла, устраняющих возникающий перекос. В резуль-
тате подобная система гидростатических направляющих
оказывается системой с обратной связью, причем дей-
ствует она автоматически, не требуя никаких дополни-
тельных измерений.
Ю*
Числа управляют движением
Продолжение
Кординатно-расточные и фрезерные станки, с кото-
рыми мы познакомились в двух последних главах,
действуют по замкнутой схеме. А между тем несколько
раньше говорилось о том, что станки с цифровым управ-
лением могут быть построены не только по замкнутой, но
и по разомкнутой схеме. В одной из предыдущих глав
мы рассмотрели принцип действия и конструкцию станка
с цифровым управлением, действующего по разомкнутой
шаговой схеме. Использование шагового принципа реа-
лизации командных сигналов доводит до логического кон-
ца идею дискретного действия системы и тем самым дает
возможность использовать существенные преимущества,
которые несет эта идея. Шаговая система управления не
нуждается в обратной связи. Эта система в своем составе
имеет лишь одно устройство, преобразующее непрерыв-
ную величину в дискретные перемещения. Таким устрой-
ством является шаговый двигатель, получающий мощность
от источника с постоянным уровнем и выдающий эту мощ-
ность порциями в процессе шаговых поворотов выходного
вала. Никаких дополнительных преобразований непрерыв-
ных и дискретных величин и, значит, соответствующих
устройств, выполняющих эти преобразования, в шаговой
системе нет, благодаря чему она может быть предельно
простой.
Но простота логической и конструктивной схемы яв-
ляется не единственным положительным качеством шаго-
вой системы управления.
148
В замкнутой схеме управляющим сигналом является
разность между фактическим и заданным положениями
или скоростями ведомого звена. Эта разность представля-
ет собой динамическую погрешность системы, зависящую
и от собственных свойств системы (величин масс, момен-
тов инерции и упругости ее звеньев, коэффициентов тре-
ния) , и от тех скоростей и ускорений, с которыми движут-
ся ее узлы и элементы в процессе реализации програхимы.
В правильно работающей замкнутой системе, как мы ви-
дели, величина рассогласования и, следовательно, дина-
мическая ошибка может достигать нескольких программ-
ных импульсов.
Шаговая система, как и любая другая разомкнутая
система, работает в соответствии только с теми сигнала-
ми, которые поступают непосредственно от программы, и
в значительной мере свободна от таких динамических по-
грешностей. В правильно работающей шаговой системе
величина динамической погрешности ограничена предела-
ми одного шага, т. е. не должна превышать величины, со-
ответствующей одному программному импульсу.
Итак, простота и сравнительно высокая точность дей-
ствия — вот два положительных качества, которыми дол-
жна обладать шаговая система управления.
Но если это так, то какое дальнейшее развитие и при-
менение получила эта система в области цифровой авто-
матизации станков?
Сердцем шаговой системы цифрового управления яв-
ляется шаговый двигатель — генератор шаговых пере-
мещений. От его быстродействия и надежности зависит
производительность и точность действия оснащенного им
станка.
Откройте еще раз книгу на той странице, где изо-
бражена конструктивная схема станка, оснащенного ша-
говой системой управления, и вспомните, как он действу-
ет. Очередной импульс, считанный с программной пленки,
после усиления включает реле. Защелка освобождает ша-
говое колесо, а вместе с ним и вал шагового двигателя,
который поворачивается на один шаг, затем вся система
привода вновь останавливается до поступления следую-
щего импульса. После шага следует остановка, поэто-
му значительная доля времени каждого шага расхо-
дуется системой на разгон после остановки. Механическое
149
взаимодействие статора и -ротора обеспечивает точность
шаговых поворотов и надежную отработку командных сиг-
налов и оно же ограничивает быстродействие системы.
Максимальная частота отработки программных сигналов в
первой шаговой системе управления не превосходила 1,5—2
тыс. импульсов в минуту. Значит, при цене импульса, рав-
ной, например, 0,025 мм система обеспечивала скорость
движения стола не более 0,005 м/мин.
Вспомните, что фрезерный станок Фейри — Ферранти
отрабатывает до 100 тыс. импульсов в минуту, обеспечи-
вая скорость подачи до 2,5 м/мин. Правда, при таком тем-
пе достигает максимального значения динамическая по-
грешность, но это обстоятельство далеко не всегда имеет
решающее значение. При обработке менее ответственных
поверхностей той или иной детали, а также в процессе
холостых перемещений, важно иметь высокую скорость
подачи, пусть даже в ущерб точности перемещения.
Итак, электромеханический шаговый двигатель не обе-
спечивал быстродействия, необходимого для высоко-произ-
водительной работы станка.
Был нужен другой генератор шаговых перемеще-
ний, очевидно, без ограничивающей быстродействие ме-
ханической связи между его подвижной и неподвижной
частями. Был необходим электрический шаговый двига-
тель.
К тому времени, когда впервые разрабатывалась ша-
говая система цифрового управления, т. е. в период
1949—1950 гг., идея создания электрического шагового
двигателя уже носилась в воздухе. Самые различные от-
расли техники, самые различные системы автоматическо-
го и дистанционного управления выдвигали задачу соз-
дания нового устройства, сочетающего преимущества не-
прерывной и дискретной систем. Уж очень заманчивой
была мысль построить двигатель, который бы мог вра-
щаться со строго заданной скоростью и останавливаться в
строго заданном положении. Мы уже имели возможность
судить, насколько упрощается система управления при
наличии шагового двигателя. И вот в Советском Союзе и
за рубежом примерно в одно и то же время появляется
большое количество заявок и изобретений, связанных
с созданием и усовершенствованием схем и конструк-
ций электрических шаговых двигателей, созданием систем
150
Электрический шаговый двигатель:
1 — статор, 2 — ротор
Переключая в определенной последовательности обмотки статора,
можно заставить ротор шагового двигателя вращаться в любом
направлении с заданной скоростью, зависящей от частоты
переключения
управления такими двигателями, а также систем авто-
матизации, построенных с их использованием.
В конце 1955 г. в зарубежной периодической печатиг1
было сообщено о том, что американской фирмой Индаст-
риал Контроле построен макет фрезерного станка с циф-
ровым управлением, оснащенного электрическими шаго-
выми двигателями. А еще год спустя появились сведения 1 2
о создании электрических шаговых двигателей, реализу-
ющих до 100 тыс. шаговых перемещений в минуту и раз-
вивающих вращающий момент до 30 кгм.
К этому времени в Советском Союзе уже заканчива-
лась разработка серийного образца фрезерного станка, ос-
нащенного шаговой системой цифрового управления. Год
спустя на Всемирной выставке в Брюсселе коллектив На-
учно-исследовательского института металлорежущих стан-
ков (ЭНИМС), создавший этот станок, был удостоен выс-
шей награды выставки — премии Гран-при.
Электрический шаговой двигатель, как и любой элект-
родвигатель, состоит из статора и ротора, но его конструк-
1 «Electrical Manufacturing», December, 1955.
2 «'Control Engineering», January, 19’57.
151
ция отличается от обычной. Статор шагового двигателя
представляет собой цилиндрический барабан, по внутрен-
ней поверхности которого расположены прямоугольные
выступы — полюса, параллельные его образующей, при-
чем размеры полюсов в точности равны промежутку меж-
ду ними. По внешнему виду он напоминает зубчатое ко-
лесо с внутренним зацеплением, у которого ширина боль-
ше диаметра.
Вдоль по ширине статора полюса разделены на три
равных части — секции. Каждая из этих секций снабже-
на отдельной обмоткой, могущей получать питание неза-
висимо от двух других обмоток. Эти обмотки навиты та-
ким образом, что каждая смежная пара полюсов данной
секции имеет различную полярность. Число полюсов ста-
тора может меняться в широких пределах, но во всех слу-
чаях должно быть четным.
Ротор шагового двигателя имеет точно такое же чис-
ло полюсов, что и статор, и они так же разделены на три
секции. Но если статор напоминает одну широкую шес-
терню с внутренним зацеплением, то ротор похож на три
шестерни, сдвинутые по углу на одну треть межполюс-
ного расстояния.
Представьте себе, что шаговый двигатель собран и
установлен так, что полюса первой секции статора и ро-
тора находятся точно друг против друга. Тогда полюса
второй секции ротора по отношению к полюсам статора
будут сдвинуты на одну треть, а полюса третьей секции
на две трети межполюсного расстояния. Если теперь под-
вести постоянное напряжение к первой обмотке статора,
то ротор останется неподвижным. Ведь по отношению к
секции статора, получившей возбуждение, он установлен
в положении минимального магнитного сопротивления.
Образовавшееся магнитное поле зафиксирует его в этом
положении. Если внешним усилием его вывести из этого
положения, а затем отпустить, то он под влиянием сил
магнитного взаимодействия вновь вернется в исходное
положение.
А теперь выключим обмотки первой секции и включим
обмотки второй секции. Зубцы ротора этой секции сдви-
нуты по отношению к статору. Теперь уже ротор двига-
теля не останется неподвижным, а начнет поцор^чдвать-
ся в направлении, соответствующем уменьшению магнит-
152
ного сопротивления. Оно достигнет минимума, когда по-
люса второй секции ротора скажутся против полюсов
статора. В этом положении ротор остановится. Если вы-
ключить вторую секцию статора и включить третью, то
ротор повернется в том же направлении еще на одну
треть полюсного расстояния.
Таким образом, если последовательно переключать на-
пряжение с первой обмотки на вторую, со второй на тре-
тью, а затем вновь на первую, то ротор будет поворачи-
ваться шагами, причем цена каждого шага будет равна
одной трети полюсного расстояния.
Если каждая из секций статора и ротора имеет по
20 полюсов, то цена одного шагового поворота будет рав-
на 6°, при 30 полюсах она будет равна 4° и т. д.
А что получится, если после выключения первой обмот-
ки статора включить не вторую обмотку, а сразу третью?
Нетрудно видеть, что при этом ротор, стремясь занять по-
ложение минимального магнитного сопротивления, начнет
поворачиваться в противоположном направлении. Значит,
чтобы изменить направление вращения такого шагового
двигателя, достаточно всего лишь изменить порядок вклю-
чения обмоток статора. Для целей автоматического управ-
ления шаговым двигателем это очень удобно.
Мы сейчас рассказали о том, как движется ротор шаго-
вого двигателя, когда скорость переключения обмоток срав-
нительно мала. При этом после каждого переключения ро-
тор, повернувшись на один шаг, остановится не сразу. Он
по инерции повернется еще на некоторую величину, а за-
тем начнет двигаться в обратном направлении к своему
равновесному положению, совершая колебательное движе-
ние примерно такое, какое совершает грузик, подвешенный
на пружине, если его вывести из положения равновесия.
Тем не менее, если частота переключения обмоток срав-
нительно мала, то к следующему переключению ротор ус-
пеет остановиться и очередной шаг начнет совершать
опять с нулевой начальной скоростью. На этих режимах
он будет двигаться примерно так же, как движется ротор
электромеханического шагового двигателя.
Но при большой частоте переключений полюсов карти-
на движения ротора существенно изменяется. Он уже не
останавливается после каждого очередного переключения.
Его скорость еще не успевает уменьшиться до нулевого
153
значения, как следует очередной магнитный толчок со сто-
роны статора. Движение ротора вновь ускоряется, затем
замедляется, и ротор получает следующий толчок.
Его движение напоминает уже не колебания груза на
пружине, а качение обруча, погоняемого ударами палочки.
Чем чаще удары палочки, тем равномернее катится обруч,
чем выше частота переключения обмоток, тем все более
равномерно вращается ротор. При больших -скоростях пе-
реключения обмоток он движется практически совершенно
равномерно, не отличаясь в этом отношении от любого дру-
гого электродвигателя. Именно поэтому он может работать
в темпе до 100 тыс. шагов в минуту, причем и этот темп не
является предельным.
И вместе с тем движение его остается строго управля-
емым. Конечно, при определенных условиях. Само собой
разумеется, что «мгновенно» остановиться или разогнать-
ся электрический шаговый двигатель не может, как впро-
чем и любая другая машина. Это следует учитывать при
составлении программы работы шаговой системы управле-
ния, иначе грозит опасность пропуска командных импуль-
сов и, как следствие, рост погрешностей обработки изде-
лия. Впрочем, ограничения, вызванные этим обстоятель-
ством, фактически не сказываются на производительности
системы, поскольку время разгона и выбега ротора при
правильном динамическом программировании очень неве-
лико и измеряется долями секунды.
Для целей управления шаговым двигателем использу-
ется специальный электронный узел, получивший назва-
ние кольцевой схемы. Выходными элементами этого узла
являются лампы особой конструкции — тиратроны, широ-
ко используемые для самых различных целей. Число тира-
тронов в кольцевой схеме равно числу секций шагового
двигателя.
Обычная электронная лампа действует так, что при
плавном изменении управляющего напряжения на сетке
соответственно плавно изменяется величина тока на аноде.
В тиратроне, меняя напряжение на сетке, можно управ-
лять только моментом его включения или, как говорят, за-
жигания. В этот момент анодный ток мгновенно возраста-
ет от нуля до максимальной величины^ а затем остается
постоянным при изменении сеточного потенциала в ши-
роких пределах.
154
^-Ucm
Кольцевая схема управления шаговым двигателем:
1 — тиратрон, 2 — шаговый двигатель, з—обмотки статора.
Импульсы, поступающие из узла программы, зажигают тиратроны
в определенной последовательности. В той же последовательности
возбуждаются обмотки статора, обеспечивая шаговое вращение ротора
В анодную цепь каждого из тиратронов включена об-
мотка одной из секций шагового двигателя. Значит, в 'мо-
мент 1зажигания тиратрона в соответствующей обмотке
начнет течь ток, возникнет магнитное ноле, ротор двига-
теля совершит очередной шаговый поворот.
Порядком зажигания тиратронов управляет электрон-
ная схема, действующая следующим образом. На ее вход
из узла программы подается ряд последовательных импуль-
сов. Первый из этих импульсов вызывает зажигание од-
ного из тиратронов. Второй импульс вызывает зажигание
следующего тиратрона, причем первый тиратрон в то же
мгновение гаснет. Третий импульс зажигает третий тира-
трон и гасит второй. А при подаче четвертого импуль-
са вновь зажигается первый тиратрон. Таким образом,
/55
непрерывная цепочка импульсов приводит к последова-
тельному переключению трех обмоток, которые узлом уп-
равления как бы связаны в одно кольцо.
Такая электронная схема при надлежащем выборе ее
элементов, обеспечивает чрезвычайно высокую скорость
переключения обмоток и, значит, быстродействие всей си-
стемы.
Рассказывая об устройстве шагового двигателя и прин-
ципе действия кольцевой схемы, мы по существу описыва-
ем основные узлы фрезерного станка ЭНИМС, оснащенно-
го трехкоординатной шаговой системой цифрового управ-
ления. Остается дополнить рассказ об этом станке некото-
рыми подробностями.
Программа его работы переносится с перфоленты на
магнитную ленту с помощью специального интерполятора,
выдающего программу в унитарном коде. Далее эта про-
грамма считывается и направляется в узел управления,
где в соответствии с магнитными черточками формируют-
ся прямоугольные импульсы, которые затем поступают в
кольцевую схему.
Вся цепочка управления оказывается чрезвычайно ко-
роткой и простой. И шкаф управления — неизбежный
спутник станка с цифровым управлением — у этого станка
имеет очень небольшие размеры, но не только из-за про-
стоты системы управления.
Чем больший вращающий момент должен развивать
шаговый двигатель, тем больше должны быть величины
токов, питающих его обмотки. Ток в обмотки поступает
через тиратроны и чем он больше, тем все сложнее стано-
вится им управлять. Размеры тиратронов растут, так же
как растут и усложняются цепи, управляющие их зажига-
нием и переключением.
И если шаговые двигатели использовать непосредствен-
но в качестве силового привода исполнительных органов
сравнительно крупного станка, тогда вряд ли можно рас-
считывать на малые размеры шкафа управления.
Но создатели станка не пошли таким путем. Они
использовали принцип серводействия, благодаря чему
электрический шаговый двигатель только задает програм-
му шаговых перемещений. А силовым исполнителем этой
программы в системе ЭНИМС является так называемый
гидроусилитель.
15в
Фрезерный станок, оснащенный^шаговой системой
цифрового управления (ЭНИМС)
Вспомните, как действует копировальный станок с
гидравлическим управлением: щуп перемещает маленький
золотничок, открывая тем самым доступ жидкости в сило-
вой цилиндр; когда заданное перемещение выполнено,
отверстие, перепускающее жидкость, автоматически за-
крывается.
Точно так же действует гидроусилитель ЭНИМС, с той
лишь разницей, что его выходным звеном является не пор-
шень со штоком, движущиеся возвратночпоступательно,
а вращающийся вал, связанный с ходовым винтом стан-
ка. Входное звено гидроусилителя — золотник — связан
157
с ротором шагового двигателя. При подаче очередного
импульса ротор шагового двигателя поворачивается, а
вместе с ним поворачиваетя и золотник, открывая доступ
жидкости в усилитель. Поворачивается также и ходовой
винт станка, отрабатывая заданную команду, после чего
золотник оказывается перекрытым.
Теперь величина вращающего момента, который дол-
жен развивать шаговый двигатель, оцределяетя лишь со-
противлением вращению со стороны его собственного
ротора и связанного с этим ротором золотника гидроусили-
теля. Эти сопротивления настолько малы, что с ними
может управиться шаговый двигатель, размеры которого
немногим превышают размеры литровой стеклянной банки.
Кольцевую же схему, управляющую таким двигателем,
выполненную не на тиратронах, а на полупроводниковых
приборах, можно свободно разместить в ученическом
ранце.
Как видите, использование принципа серводействия,
наряду с простотой схемы, явилось также весьма сущест-
венным фактором, повлиявшим на уменьшение размеров
узла управления станком.
Но вместе с тем нельзя не отметить, что использование
гидроусилителя привело к нарушению дискретного прин-
ципа действия шаговой системы. Ведь гидроусилитель
представляет собой обычную систему с обратной связью,
в которой источником управляющего сигнала является
рассогласование положений ведущей и ведомой частей
системы. А раз так, значит в процессе работы такого при-
вода должно возникать рассогласование между движением
ротора шагового двигателя и вращением ходового винта
станка и, следовательно, должны возникать дополнитель-
ные динамические ошибки.
И действительно, опыты, проведенные на первом образ-
це станка, показали, что при частотах до 30 шаговых пере-
мещений в секунду погрешности обработки не выходили
за пределы ±0,02 мм. а с увеличением частоты импульсов
они росли, достигая величины ±0,05 мм при максималь-
ном темпе работы шагового двигателя. Причиной этих по-
грешностей явилась следящая гидропередача в цепи при-
вода.
Станков, оснащенных системами цифрового управле-
ния, построенными на шаговом принципе, пока еще мало,
158
значительно меньше, чем станков, оснащенных различны-
ми замкнутыми системами цифрового управления. Но за
последние годы работы по созданию надежных и быстро-
действующих электрических шаговых двигателей получили
серьезное развитие как в Советском Союзе, так и за рубе-
жом, и можно быть уверенным, что в недалеком будущем
шаговые системы найдут широкое применение для целей
автоматизации станков.
Для каких же станков целесообразно использовать
шаговые системы? Если речь идет об управлении с высокой
степенью точности относительным положением инструмен-
та и заготовки, тогда преимущества замкнутой системы
несомненны. Существующие датчики обратной связи дают
возможность «дотянуть» стол координатно-расточного
станка до заданного положения с точностью до 2—3 ц.
Можно, конечно, представить себе шаговый двигатель
с ценой шага такого же порядка, но тогда, чтобы обеспе-
чить достаточно высокую скорость перестановки изделия
или инструмента, он должен работать с частотами в десят-
ки тысяч герц и быть вместе с тем достаточно мощным,
чтобы служить для непосредственного привода станка.
Ведь использование серводействия будет вносить дополни-
тельные ошибки. Проблема создания такого двигателя
и системы управления им представляет собой чрезвычайно
сложную техническую задачу.
Что же касается задачи управления станками, где
обработка изделия идет в процессе относительного движе-
ния инструмента и заготовки, несомненно, что в этой
области шаговые системы могут уже сейчас занять по
меньшей мере равное положение со следящими система-
ми. Надежный и производительный шаговый привод
с ценой шага 0,01—0,02 мм уже дело не завтрашнего,
а буквально сегодняшнего дня.
Итак, мы познакомились с замкнутыми и разомкнуты-
ми системами цифрового управления и с несколькими
станками, оснащенными такими системами.
К настоящему времени в литературе можно найти
упоминания и описания не менее чем сорока самых раз-
личных сверлильных и координатно-расточных станков
с цифровым управлением и чуть меньшего числа специ-
альных и универсальных фрезерных станков. А сколько их
сейчас разрабатывается, испытывается, доводится?
15.9
Со дня создания первых макетов прошло немногим
больше десяти лет, а развитием идей цифрового управле-
ния и разработками цифровых систем автоматизации уже
занято огромное число людей во многих странах, причем
темп расширения этих работ все возрастает.
Этому не следует удивляться. В области технического
прогресса подобные случаи совсем не редкость.
Новая идея почти всегда назревает исподволь. Она еще
не реализована, подчас даже еще не сформулирована
точно, но уже носится в воздухе. И вот наступает опреде-
ленный момент, когда ее техническое воплощение оказыва-
ется подготовленным. Тогда наступает «прорыв». В один
прекрасный день оказывается, что над развитием этой
идеи работают уже в течение длительного времени, что
самые различные исследования, опыты и конструктивные
разработки были нацелены в одном и том же направлении,
что разные люди разным образом выражали примерно одни
и те же мысли и разными техническими средствами реша-
ли одну и ту же задачу.
А спустя больший или меньший промежуток времени
над реализацией этой идеи в виде машин, приборов, ин-
струментов, процессов уже работают во всем мире и соз-
даются целые новые отрасли промышленности. И часто
даже трудно бывает выяснить, кому же принадлежит при-
оритет.
У вас дома, наверное, есть швейная машина. Обыден-
ный предмет домашнего обихода, который вы подчас и не
замечаете. А она многое могла бы рассказать о себе.
Бедный портной, француз Б. Тимонье, в 1830 г. изобрел
и построил первую в мире действующую швейную маши-
ну. Она была изготовлена почти целиком из дерева и, ко-
нечно, нисколько не напоминала ту, которой мы теперь
пользуемся. Но она шила! С ее помощью малоопытная
швея легко обгоняла несколько опытных мастериц.
Спустя десять лет около 80 таких машин шили форму
для французских солдат. А спустя еще год парижские
швеи, подобно лионским ткачам, боявшиеся, что машины
отнимут у них последний кусок хлеба, разгромили мастер-
скую, сожгли машины и чуть не убили изобретателя.
Тимонье так и не оправился от этого удара и, сделав
несколько неудачных попыток построить новые образцы
швейной машины, умер в нищете и забвении.
160
В 1832 г., т. е. немногим позже Тимонье и, конечно,
совершенно независимо от него американский механик
В. Хант изобрел машину, которая шила двумя нитками
и иглой, имеющей ушко около острия. Эти элементы
сохранились во всех современных швейных машинах.
Но Хант и не подумал взять патент на свое изобрете-
ние, а 15 лет спустя, когда наконец решил это сделать,
оказалось, что он опоздал. Уже многие десятки изобрета-
телей разрабатывали и усовершенствовали швейные ма-
шины самых различных типов и конструкций, и их патен-
ты перекрывали изобретение Ханта.
И, наконец, в один и тот же день — 12 августа 1851 г.
были выданы еще два патента. Один из них — изобрета-
телю и дельцу И. Зингеру, а второй — трем американским
изобретателям, объединившим свои заявки. Через некото-
рое время производство швейных машин составляло в
мировом масштабе большую отрасль промышленности.
«Мистер Ватсон, зайдите, пожалуйста, ко мне» — вот
первая в мире фраза переданная по телефону.
Этими словами известный американский ученый и изо-
бретатель А. Белл пригласил своего помощника из сосед-
ней комнаты.
Белл «неожиданно» изобрел телефон в 1876 г., пытаясь
усовершенствовать телеграфный аппарат. И только не-
сколькими часами позже в другом городе заявил об
аналогичном изобретении профессор Е. Грей, а спустя не-
которое время выяснилось, что заявок и изобретений,
прямо или косвенно относящихся к телефонной связи,
к моменту подачи заявок Беллом и Греем имелось уже
немало.
Приоритетная тяжба, в которую было вовлечено бес-
численное множество ученых, экспертов, судов, комиссий,
длилась не мало не много полных 30 лет. Но эта тяжба
мало повлияла на молниеносное распространение нового
изобретения и к тому времени, когда она кончилась
признанием приоритета Белла, весь мир уже был покрыт
телефонной сетью.
11 А. В. Кобринский
XI
cZ11-.1	"	1 -	..
Что же дальше?
В наши дни очень трудно предсказывать, какие машины
будут строиться через 50 или даже через 25 лет.
Трудно прежде всего потому, что скорость технического
прогресса очень велика и, самое главное, эта скорость уве-
личивается буквально не по дням, а по часам. 60 лет назад
люди еще только мечтали о полетах на аппаратах тяжелее
воздуха, 30 лет назад использование внутриядерной энер-
гии рисовалось лишь как отдаленная перспектива, 10 лет
назад возможность достижения Луны искусственным
телом казалась фантастичной. А сегодня перед учеными,
инженерами, новаторами стоят новые, несравненно более
сложные задачи. И так буквально во всех областях техни-
ки, в том числе и в машиностроении.
Поэтому, говоря о перспективах цифрового метода ав-
томатизации, необходимо прежде всего подытожить все,
что было сказано о нем, коротко сформулировав его основ-
ные достоинства.
Важнейшее из числа этих достоинств состоит в том,
что программа работы автомата, оснащенного цифровой
системой управления, оказывается сравнительно мало свя-
занной с его структурой и конструкцией. Переход от
одной программы к другой не вызывает необходимости в
сколько-нибудь существенной его перестройке. Заменить
ленту в узле программы и правильно установить новую
заготовку и инструмент — вот все, Что нужно сделать,
162
чтобы йерейти от обработки одного изделия к обработке
следующего. Автомат приобретает универсальность, а вре-
мя его переналадки сокращается до минимума.
Второе не менее важное достоинство цифрового метода
определяется тем, что при наличии быстродействующих
вычислительных машин подготовка программы практиче-
ски любой сложности может быть осуществлена в срав-
нительно 'короткий срок с заранее заданной степенью точ-
ности. Благодаря этому, как мы видели, достигается воз-
можность автоматизировать наиболее трудоемкие техно-
логические процессы, требующие большой затраты
высококвалифицированного ручного труда.
Очень важным является то обстоятельство, что вычис-
лительная машина и автомат не связаны друг с другом ни
во времени, ни в пространстве, что они работают независи-
мо друг от друга, выполняя предписанный им технологи-
ческий процесс.
При этих условиях может быть обеспечен оптимальный
режим эксплуатации каждого из этих агрегатов. Перена-
ладка, остановка и ремонт одного из них не сказываются
на производительности другого; цифровая машина может
обслуживать несколько самых различных станков, а ста-
нок не требует присутствия электронной «няньки», кото-
рая сама нуждается в тщательном присмотре.
Наконец, достоинством цифрового метода автоматиза-
ции является сравнительная простота размножения, транс-
портировки и хранения программ. Это значит, что при
соответствующей организации дела станки с цифровым
управлением выгодно иметь и па больших заводах, распо-
лагающих собственными вычислительными машинами,
и на более мелких предприятиях. Их можно успешно экс-
плуатировать в промышленных центрах и вдали от них.
Десятки станков с цифровым управлением, расположен-
ных в разных концах страны, могут выпускать полностью
взаимозаменяемую продукцию. Для этого им достаточно
получить из вычислительного центра программную ленту,
размножение которой не представляет никаких трудно-
стей.
Но разве метод автоматизации, обладающий подобными
достоинствами, представляет интерес только, когда речь
идет об автоматизации металлорежущих станков? Конеч-
но, нет!
11*
163
В течение последнего времени можно обнаружить яв-
ную тенденцию к расширению фронта работ в области
использования цифровых методов автоматизации. Вог
несколько примеров из области машиностроения, которые
дают нам возможность заглянуть в самое ближайшее бу-
дущее цифрового управления.
При постройке танкера длиной около 130 м и весом
в 10 тыс. т расходуется около 2,5 тыс. т листовой стали.
Из этого количества свыше 1 тыс. т идет на изготовление
фасонных заготовок, имеющих сложные криволинейные
профили, причем число таких заготовок может достигать
2 тысяч.
Общепринятый технологический процесс их изготовле-
ния предусматривает ручную разметку и последующую
вырезку с помощью газовых горелок. Для этой цели могут
быть также использованы газорезательные копировальные
или фотокопировальные станки, работающие прямо по
чертежу детали. Ведь точность, с которой должны изго-
товляться эти детали, сравнительно невелика, так что по-
грешности порядка 1—5 мм, как правило, оказываются
вполне допустимыми.
Года два назад в печати появились сведения о га-
зорезательном станке с цифровым управлением системы
Ферранти При его создании была полностью сохранена
вся процедура подготовки программы, предусмотренная
этой системой. По чертежу, выпущенному конструктором,
составляется кодированная таблица операций, затем вся
программа переносится на перфорированную ленту, кото-
рая направляется в интерполятор. Он выдает магнитную
ленту, которая используется для управления станком.
Система управления станком двухкоординатная, кроме
того в узле управления предусмотрены устройства, ре-
гулирующие высоту расположения горелки над уровнем
разрезаемого листа, автоматически зажигающие горелку и
выключающие ее при холостых ходах, управляющие по-
дачей газа и факелом пламени горелки.
Может показаться, что создание такой сложной систе-
мы для выполнения сравнительно грубых работ напоми-
нает стрельбу из пушек по воробьям.
1 «The Engineers’ Digest», September, 1958.
164
Гаао резательный автомат с цифровым управлением'.
II— управление продольным и поперечным движениями горелки, 2 — цепь обратной связи, 3 — управление газом, 4 —
регулирование высотой расположения горелки, 5 — автоматическое зажигание горелки, 6 — регулирование пламени
Этот автомат оснащен системой управления Ферранти, схема которой представлена на стр. 145
В действительности, это не так. Опыт эксплуатации
этого станка показал, что его высокая производительность
и экономичность быстро окупают начальные затраты.
Выяснилось также, что по мере накопления программ под-
готовительная часть работы занимает все меньше и мень-
ше времени. Дело в том, что на различных по форме и
размерам заготовках часто встречаются одинаковые участ-
ки профилей. Программы обработки этих участков хра-
нятся в специальной библиотеке и могут быть использова-
ны в самых различных комбинациях и сочетаниях при
подготовке очередной программы. Это обстоятельство
в значительной мере повышает эффективность системы.
Как показывает этот пример, цифровой метод автома-
тизации начинает проникать в такие области, которые
казались мало подходящими для его использования.
Но мысль конструктора на этом не останавливается.
Мы называем станки с цифровым управлением авто-
матами. Это не совсем точно. Ведь операции подачи, уста-
новки и съема заготовки на этих станках еще не автома-
тизированы. Конечно, пока речь идет об обработке сравни-
тельно небольших изделий, манипуляции с которыми не
составляют больших трудностей, нет острой необходимо-
сти автоматизировать вспомогательные операции.
Цикл обработки крупных изделий, таких, как дета-
ли самолетов, занимает много часов. При этом доля
вспомогательного времени также не очень велика, хотя
уже становится заметной в балансе рабочего времени
станка.
Горелка газорезательного станка с цифровым управле-
нием движется с большой скоростью. Фасонную заготов-
ку с периметром около 20 м горелка вырезает за 40 мин.
А вес соответствующего стального листа достигает 1—
2 т. Да и сама заготовка, вырезанная из этого листа, весит
немногим меньше. При этом время подачи и установки
листа и съема готового изделия оказывается сравнимым
с машинным временем. Это явно невыгодно.
В разработанном проекте полностью автоматизирован-
ного агрегата с цифровым управлением предусматривается
автоматическая подача листов в рабочее пространство
автомата из специального магазина, в котором листы нуж-
ных размеров уложены в установленном порядке. По окон-
чании обработки одного изделия оно автоматически
166
выдается на выходной транспортер и одновременно вызы-
вается следующая заготовка.
Никаких принципиальных трудностей при реализации
такой системы не предвидится, а выигрыш в производи-
тельности в короткий срок окупит затраты.
Значит, можно рассчитывать, что в недалеком будущем
цифровым управлением будут охвачены не только различ-
ные операции обработки изделий, но также и ряд вспомо-
гательных операций, связанных с транспортировкой,
установкой и съемом заготовок и обработанных изделий.
А теперь еще раз вернемся к фрезерному станку, осна-
щенному трехкоординатной системой цифрового управле-
ния, и внесем в него совсем небольшие изменения. Снимем
фрезу и вместо нее укрепим в шпинделе специальную
измерительную головку, оканчивающуюся шариковым
щупом. На стол этого станка установим уже не заготовку,
а готовое изделие. А программу работы станка рассчитаем
так, чтобы в процессе относительного движения щупа
и изделия они легко касались один другого.
Вы уже, наверное, догадываетесь, что в результате
такой несложной, по крайней мере по идее, модернизации
фрезерный станок с цифровым управлением превратился
в контрольный автомат с цифровым управлением.
Это одна из новинок в области применения цифрового
управления в машиностроении2. Сведения о ней появи-
лись в английских технических журналах, тогда, когда
писалась эта книга.
Конструктивная схема измерительного узла этого авто-
мата сводится к следующему. Щуп, несущий контактный
шарик, представляет собой стержень, оканчивающийся
вверху конической выточкой. Этот стержень может пере-
мещаться на небольшую величину вдоль своей оси, а так-
же в любом направлении в плоскости, перпендикулярной
оси. В верхней части измерительного узла помещен
чувствительный элемент, электрические параметры кото-
рого изменяются в зависимости от величины оказываемого
на него давления. Конструкция этой измерительной голов-
ки рассчитана так, что любые перемещения щупа пере-
даются через шарик на чувствительный элемент в мас-
штабе 11. Электрические сигналы, пропорциональные
2 «Aircraft Production», October, 1959.
167
Контрольный автомат Ферранти
этим перемещениям, затем усиливаются и регистриру-
ются одновременно стрелочным и записывающим при-
борами.
При подготовке такого автомата к работе прежде всего
намечается программа контроля данного изделия. В соот-
ветствии с этой программой определяются все относитель-
ные движения, которые необходимы, чтобы щуп обошел
контролируемые поверхности, отверстия, выступы и т. д.
Далее следует обычная процедура расчета намеченной
программы, совершенно такая же, как если бы речь шла
об обработке изделия по этой программе. Затем контроли-
руемое изделие устанавливается в исходное положение и
автомат пускается в ход.
16S
Щуп скользит вдоль измеряемых по-
верхностей, в точности следуя всем их
изгибам и закруглениям. Если эти по-
верхности выполнены точно, щуп отно-
сительно измерительной головки остает-
ся неподвижным, стрелки приборов со-
храняют исходное положение. А при на-
личии погрешностей щуп перемещает-
ся, и чувствительный элемент, а за ним
и приборы автомата регистрируют все
отклонения. Как только щуп кончил
двигаться — готов документ, зафикси-
ровавший все рассогласования между
заданными и фактическими размерами
изделия. Этот автомат является одним
из первых; тем не менее он работает со
сравнительно высокой точностью, по-
рядка ±0,025 мм, и сейчас можно уже
оценить те преимущества, которые су-
лит применение таких систем.
Действительно, подобный автомат
позволяет значительно ускорить опера-
ции контроля самых сложных изделий
и полностью исключить при этом субъ-
ективные ошибки человека. Он позво-
ляет при контроле обходиться без кали-
бров и шаблонов, что особенно важно
при частом изменении объекта измере-
ний. То обстоятельство, что контроль
обусловленных участков изделия ведется непрерывно, а не
в нескольких отдельных точках, значительно повышает
качество контроля, поскольку оказывается возможным
простым образом проверять элементы изделия на парал-
лельность, конусность, эксцентричность, овальность и по
другим самым различным техническим условиям. Копии
программ контроля могут рассылаться по многим произ-
водственным точкам, обеспечивая единообразный и высо-
кокачественный контроль, и т. д.
Значит, цифровые методы могут сказать новое слово
также и в области автоматизации контроля.
И, наконец, еще один пример, взятый из зарубежной
практики. Совсем недавно две американские фирмы —
Измерительная го-
ловка контрольно-
го автомата:
1 — щуп, 2 — чувст-
вительный элемент
Движением щупа от-
носительно контроли-
руемогоизделия управ-
ляет цифровая систе-
ма Ферранти
169
Автоматическая линия с
авиационная и станкострительная — построили первую
автоматическую линию, состоящую из трех станков с циф-
ровым управлением — фрезерного, сверлильного и расточ-
ного3. Линия предназначена для обработки сравнительно
небольших авиационных деталей сложной конфигурации.
При определении экономической целесообразности по-
стройки такой линии было подсчитано, что на ней в тече-
ние года может быть обработано до 500 различных дета-
лей, выпускаемых партиями от 70 до 1000 штук.
Гибкость системы управления позволяет в широких
пределах и очень быстро изменять программу работы всей
линии в целом. Интересных для нас технических подроб-
ностей имеющиеся публикации не содержат, но сам факт
использования цифровых методов для автоматизации уже
3 «Metalworking Production», 13 June, 1958.
170
цифровым управлением
не одного станка, а целого комплекса представляет боль-
шой интерес с точки зрения перспективы на ближайшее
будущее.
Итак, область применения цифровых систем непрерыв-
но расширяется. Самые различные процессы металлообра-
ботки, операции контроля, вспомогательные операции мо-
гут быть представлены в цифровом виде. Эта цифровая
информация, сколь бы разнообразна она ни была, может
обрабатываться единообразным стандартным образом и
использоваться для целей управления тем или иным стан-
ком, прибором, приспособлением, устройством.
Можно думать, что в ближайшем будущем цифровая
автоматизация будет проникать во все новые и новые
области машиностроения, а информация, которую будут
перерабатывать автоматы, будет становиться все более
разнообразной. И одновременно автоматы с цифровым
управлением будут непрерывно усовершенствоваться
171
и смогут перерабатывать все больший и больший объем
информации.
Слово «информация» много раз встречается на страни-
цах этой книги. Мы часто говорили: «большой объем ин-
формации», «небольшой объем информации». Теперь на-
ступило время разобраться в том, какой смысл вкладыва-
ется в эти оценки теорией информации.
Под словом «информация» мы обычно понимаем сово-
купность сведений, которые необходимы, чтобы получить
или передать сообщение о каком-либо факте, событии,
явлении, процессе.
Вместе с тем каждый из нас понимает, что о любом со-
бытии можно рассказать сжато или распространенно, ото-
брав только наиболее важные факты или останавливаясь
на мелочах, на второстепенном.
Сравнивая рассказы двух очевидцев того или иного со-
бытия, каждый из нас может решить вопрос о том, чей
рассказ представляет для него больший интерес, т. е. со-
держит, с его точки зрения, больше информации.
Как правило, к ответу на такой вопрос мы приходим
довольно быстро, но при этом пользуемся чисто качествен-
ными оценками: «яснее», «понятнее», «интереснее». У нас
нет оснований утверждать, что одно сообщение в два раза
интереснее другого (хотя мы иногда и пытаемся прибе-
гать к таким оценкам), поскольку не существует объек-
тивного, а тем более количественного выражения, смысла,
содержащегося в сообщении.
Сообщение о том, что на ваш лотерейный билет пап
крупный выигрыш, представляет большой интерес для вас
и, может быть, для некоторых ваших знакомых. Большин -
ство других владельцев лотерейных билетов останутся
к этому сообщению совершенно безразличными.
Но вот перед нами два чертежа двух различных деталей.
Оставим в стороне все вопросы, связанные с тем, насколь-
ко совершенна конструкция этих деталей, как они будут
работать в узле машины, правильно ли выбраны допуски
и т. д. Для нас важно лишь, что обе детали должны быть
обработаны на одном и том же фрезерном станке с цифро-
вым управлением. А теперь поставим следующий вопрос.
Какое количество информации необходимо иметь и задать
станку, чтобы он правильно обработал ту или иную де-
таль? На этот вопрос можно дать не только качественный,
772
no и точный количественный ответ, поскольку под коли-
чеством информации можно понимать минимально необ-
ходимое число знаков, например магнитных штрихов, ко-
торое должна содержать программа.
Если программа обработки одной из деталей несет в
два раза больше штрихов, чем программа обработки вто-
рой детали, то можно считать, что вдвое различается и ко-
личество информации, которое несут эти программы.
Точно так же читая 90-ю страницу этой книги, вы мо-
жете считать, что получили в три раза больше информа-
ции, по сравнению с тем ее количеством, которое вы по-
лучили, дочитав до 30-й страницы. При этом, конечно,
надо предположить, что информация, которую содержит
эта книга, распределена равномерно.
Можно пойти и дальше в количественной оценке ин-
формации, измеряя не только ее относительную (в два
раза больше, в три раза больше), но и абсолютную вели-
чину.
Чтобы понять, как вводится такая оценка, давайте еще
раз вернемся к станку Жаккара. Мы уже знаем, что каж-
дый из крючков, управляющий одной из нитей основы,
может занимать только два положения — нижнее или
верхнее.	। (
Вопрос о том, какое положение занимает крючок, мож-
но сформулировать так: занимает ли крючок верхнее по-
ложение? На этот вопрос существуют только два варианта
ответа: «да» или «нет».
Такой двоичный вопрос является самым простым.
Соответственно и количество информации, содержа-
щейся в ответе на любой двоичный вопрос, в теории ин-
формации принимается за единицу информации.
Значит, если, например, узел управления станка Жак-
кара, содержит 1000 крючков, то одна перфокарта, отве-
чающая на вопрос, какие положения занимают эти крюч-
ки, содержит 1000 единиц информации. А для того, чтобы
определить объем информации, заключающейся в данном
узоре ткани, необходимо число крючков умножить на чис-
ло перфокарт соответствующего набора.
Но ведь далеко не все вопросы являются двоичными.
Например, вопрос о том, какая буква напечатана в
данном месте текста, может иметь 32 равных ответа (по
числу букв русского алфавита). Как же оценить
173
количество Информаций, содержащейся в правильном от-
вете на такой многозначный вопрос?
Для этого его надо расчленить на соответствующее
количество двоичных вопросов.
Известна школьная задача, в которой спрашивается,
сколько взвешиваний нужно произвести, чтобы среди че-
тырех шариков, одинаковых по внешнему виду, обнару-
жить один более легкий, чем три других. Решать эту за-
дачу можно различными способами. Согласно одному из
вариантов решения, следует один шарик выбрать в качест-
ве эталона и с ним сравнивать три остальных. При этом
число взвешиваний, необходимых для решения задачи, за-
ранее точно определить нельзя, поскольку выбор эталона,
так же, как и порядок сравнивания с эталоном других
шариков носит случайный характер. При неудачном сте-
чении обстоятельств может понадобиться три взвеши-
вания.
Другой вариант всегда безошибочно приводит к цели
в результате двух взвешиваний. Согласно ему, следует
первое взвешивание произвести, положив на каждую из
чашек весов по два шарика. Второе взвешивание даст воз-
можность найти легкий шарик.
Обратите внимание на то, что эта задача сводится к
отысканию ответа на четверичный вопрос (какой из че-
тырех шариков легче?), а каждое взвешивание отвечает
на один двоичный вопрос. Следовательно, один четверич-
ный вопрос можно свести к двум двоичным вопросам и,
значит, ответ на него будет содержать две единицы инфор-
мации.
Подобным образом вопрос о выборе одного шарика из
восьми сводится к трем двоичным вопросам, а ответ на
него содержит три единицы информации, выбор одного из
16 шариков требует четырех единиц информации и т. д.
Задание одной из 32 букв русского алфавита соответст-
вует заданию пяти единиц информации. Значит, не вни-
кая в содержание текста, напечатанного на этой странице,
можно количественно оценить информацию, которая на
ней умещается, умножив число печатных знаков на пять,
что составит, примерно 10 тыс. единиц информации.
Изображение на экране телевизора представляет собой
около 500 тыс. световых точек различной яркости. При
хорошем качестве изображения можно различить до вось-
174
ми градаций яркости каждой точки. Значит, каждая точ-
ка несет три единицы, а один кадр — полтора миллиона
единиц информации.
Обратите внимание на то, что во всех рассмотренных
нами примерах количество информации равнялось пока-
зателю той степени, в которую нужно было возвести двой-
ку, чтобы поступить число возможных вариантов ответа.
Кстати, заметьте, как удобно выражается количество
информации при использовании двоичной системы счи-
сления.
Ну а как быть, если число вариантов ответа не пред-
ставляет целую степень двойки, т. е. отличается от чисел
2 = 2 4 = 2 2, 8 = 2 3, 16 = 2 4, 32 = 25... и т. д.? В этих слу-
чаях прибегают к интерполяции, считая, что количество
информации есть логарифм заданного числа вариантов
ответа при основании 2. Таким образом, получается, что
задание одной из десяти цифр десятичной системы счи-
сления несет приблизительно 3,32 единицы информации.
А теперь можно вновь вернуться к стайкам с цифровым
управлением. Вспомним, что из себя представляла про-
грамма работы первого станка, построенного по шаговой
системе. На каждый градус угла поворота заготовки
задавалось от 0 до 30 световых черточек на ленте. Значит,
каждый кадр программы нес около пяти единиц информа-
ции, а вся программа содержала всего лишь около 1800
единиц информации. Если бы мы пожелали повысить
точность обработки, то надо было уменьшить цену шага
и соответственно уменьшить интервалы интерполяции,
задавая приращения радиусов векторов через 0,5° или
через 0,25°. Соответственно увеличился бы объем инфор-
мации, необходимой для задания программы. Но все же он
измерялся бы величинами порядка тысяч или десятков
тысяч единиц информации.
А современный фрезерный многокоординатный станок
с цифровым управлением в процессе обработки сложных
крупногабаритных изделий реализует многие миллионы
и десятки миллионов единиц информации. Чтобы подго-
товить эту информацию, нужны, как мы знаем, электрон-
ные вычислительные машины общего и специального на-
значения.
Следует ли при таких условиях сетовать на то, что
станки с цифровым управлением сложны, что они требуют
176
новых конструктивных решений, смелого использования
всех современных средств автоматики и машиностроения?
Можно быть уверенным, что в ближайшем будущем
объем информации, перерабатываемой автоматами с циф-
ровым управлением. будет продолжать расти. И в соот-
ветствии с этим будут появляться новые схемы, уз-
лы и устройства. Свидетельством тому являются станки со
все большим числом управляемых координат, а также
первые автоматические линии — комплексы станков с циф-
ровым управлением.
Мы договорились при оценке количества информации
ее содержание не рассматривать. Но теперь необходимо
сделать одно замечание.
Вычислительная машина может вести расчет програм-
мы работы станка практически с какой угодно точностью.
Эта точность ограничивается лишь числом значащих
цифр, с которым ведется расчет. Чтобы ее повысить, до-
статочно лишь применить более мощную машину и при-
бавить число разрядов. Для вычислительной машины
безразлично, с каким из разрядов — старшим или млад-
шим — оперируют ее устройства.
Применительно к технологическому автомату кар-
тина резко меняется, поскольку ему предстоит физически
реализовать заданную информацию в виде обработанного
изделия. А точность реализации программы имеет пре-
делы, разные для разных станков, но в общем, как мы
знаем, располагающиеся в интервале между вторым и
третьим знаком после запятой. И если информация,
которую станок получает, будет содержать большее число
знаков, то для него эта информация останется пустым
звуком, не имеющим никакого смысла.
Посмотрите, какое получается противоречие. Мы имеем
возможность рассчитать программу с очень высокой сте-
пенью точности. Существующие измерительные устрой-
ства — оптические, индуктивные и другие — дают воз-
можность производить измерения с высокой степенью
точности. В координатно-расточных станках оба эти об-
стоятельства используются, и они работают у физиче-
ского предела точности. А вот точность работы, например
фрезерных станков, оставляет желать много лучшего.
Динамические погрешности, возникающие в результате
рассогласования в системе управления, а также силовые
176
и температурные деформации системы и износ инстру-
мента приводят к значительному снижению точности.
И это ошибки не случайные, а систематические, про-
текающие по определенным закономерностям и повторя-
ющиеся или определенным образом изменяющиеся при
обработке нескольких одинаковых изделий.
Значит, исключить эти ошибки можно, причем даже
без существенного повышения точности изготовления
отдельных узлов и деталей станка.
Как же это сделать? Нельзя ли рассчитать программу
работы станка так, чтобы возможные погрешности были в
ней заранее учтены?
Принципиально это возможно, но практические труд-
ности, которые возникли бы при попытке это сделать, не
поддаются описанию. Нужно было бы производить слож-
нейшие расчеты следящих систем, расчеты деформаций,
исследования динамики станков и т. д. И для каждого но-
вого изделия эти расчеты и исследования пришлось бы по-
вторять все вновь и вновь. А некоторые закономерности,
например износа инструмента, еще мало известны и, зна-
чит, погрешности, возникающие вследствие износа инстру-
мента, вообще не поддаются предварительному расчету.
Очевидно, такой путь повышения точности действия стан-
ка неприемлем.
Гимнаст, собираясь разучить новое упражнение, зара-
нее располагает программой этого упражнения. Но, конеч-
но, такая программа составлена без учета особенностей
каждого отдельного спортсмена. Поэтому в процессе освое-
ния упражнения гимнаст не только овладевает заданной
программой, но и несколько изменяет ее в соответствии со
своими физическими данными, темпераментом. Эти изме-
нения происходят в течение всего периода обучения, и по-
степенно рисунок упражнения становится все более и бо-
лее совершенным.
Нельзя ли станок с цифровым управлением построить
так, чтобы он действовал подобно гимнасту? Чтобы он умел
не только работать по заданной программе, но и мог совер-
шенствовать эту программу применительно к своим осо-
бенностям. И чтобы такая усовершенствованная програм-
ма обеспечивала существенное повышение точности обра-
ботки изделия.
12 А. Е. Кобринский
177
XII
......—  —
Кибернетика в действии
После слов «атом» и «спутник» нет, пожалуй, сейчас
на земле слова, которое, родившись в мире науки, за-
воевало бы такую широкую популярность, как слово «ки-
бернетика».
Мы не будем повторять истории этого слова, которая
подробно описана во всех книгах и брошюрах, посвящен-
ных кибернетике, и с которой связаны имена философа
древности Платона, выдающегося французского физика
прошлого столетия Ампера и ныне здравствующего амери-
канского математика Н. Винера.
И мы не будем пытаться точно определять предмет и
содержание той повой науки, которая обозначена этим
древним словом, тем более, что это не так просто сде-
лать.
Надо только запомнить, что кибернетика — это когда
физик обучает биолога теории наследственности, когда ин-
женер объясняет физиологу, как вырабатывается услов-
ный рефлекс, а тот, в свою очередь, растолковывает прин-
цип действия обратной связи специалисту в области авто-
матического управления.
Кибернетика — это когда математики, физики, физио-
логи и инженеры дают уроки по правилам перевода, стихо-
сложения и игре в шахматы филологам, поэтам и гроссмей-
стерам, когда все они вместе непрерывно сравнивают чело-
века с автоматом, непрерывно оговариваясь, что между
человеком и автоматом нет ничего общего.
118
Мы ограничимся этим несколько расплывчатым опреде-
лением содержания кибернетики, утешаясь, что оно мо-
жет быть лишь немногим хуже всех других определений
этой науки.
Но вот, что действительно может показаться удивитель-
ным, так это то, что кибернетика опровергнула, казалось
бы, незыблемую истину, выраженную словами известной
басни И. А. Крылова:
«Беда, коль пироги начнет почти сапожник,
А сапоги тачать пирожник...» 1
Дружная совместная работа ученых разных специаль-
ностей, взаимное проникновение различных отраслей зна-
ний оказались неожиданно мощным и многообещающим
средством прогресса науки и техники. И уже сейчас мож-
но указать ряд примеров, когда это средство было пущено
в ход и принесло свои плоды.
Еще выдающимся итальянским ученым Л. Гальвани
было установлено, что живая ткань реагирует на электри-
ческое возбуждение. За полтораста лет, отделяющих нас
от его знаменитых опытов, сложилась целая наука — элек-
трофизиология, которая изучает электрические процессы,
протекающие в живом организме. Теперь уже хорошо из-
вестно, что живая ткань не только способна возбуждаться
электрическим током, она может проводить электрический
ток и даже генерировать электричество. Электрические
токи, генерируемые живой тканью, или, как их называют,
биотоки, порождаются нервными клетками. Так, нервные
клетки — рецепторы, обслуживающие органы чувств чело-
века, в ответ на раздражения, вызываемые светом, звуком,
запахом, вкусом, касанием, генерируют биоэлектричество
и передают в мозг воспринятые ими ощущения в форме
электрических сигналов.
Таким образом, вся информация о наших ощущениях:
«белое», «черное», «тихо», «громко», «твердо», «мягко»
и т. д.— кодируется в форме электрических сигналов и в
таком виде направляется в мозг. В свою очередь, мозг
1 И. А. Крылов. Щука и кот. Сочинения, т. II. М., 1955,
стр. 49.
12*
179
отдает приказы мышцам, управляющим теми или иными
движениями, также в форме электрических сигналов. Эти
сигналы по нервной сети поступают в мышцы, вызывая их
сокращение.
Электрофизиологи посвятили много труда изучению
биоэлектрической сигнализации.
Одним из важнейших результатов их усилий явилось
открытие неврологического закона, получившего название
«все, или ничего».
Оказалось, что до тех пор, пока раздражение, при л о
женное к нервной клетке, не достигло определенного по-
рога, в нервном волокне ток не возникает. Но как только
сила раздражения достигнет пороговой величины, по нерв-
ному волокну пробежит электрический импульс, затем
еще один и еще.
Значит, как только мы захотим, например сжать кисть
нашей руки, из мозга в соответствующие мышцы по нерв-
ной сети начнут поступать дискретные биоэлектрические
импульсы. Чем сильнее мы хотим сжать кисть, тем боль-
ше будет частота этих импульсов, достигая десятков, а
иногда сот в секунду. Вместе с тем величина каждого из
этих импульсов всегда остается постоянной, она зависит
только от свойств самого нерва и не зависит от силы раз-
дражения.
Когда мы рисуем или пишем, наша рука движется по
определенной «программе». В реализации этой программы
могут одновременно участвовать десятки мышц, причем в
волокнах каждой из них циркулируют текущие из мозга
потоки дискретных импульсов.
Мы следим глазами за тем, как движется карандаш
или рука, и одновременно в мозг поступают потоки
дискретных биоэлектрических импульсов, сигнализирую-
щих о том, как выполняется задуманная программа. Мозг
сравнивает заданную программу с реализуемой и непре-
рывно генерирует команды, направленные на устранение
непрерывно возникающего рассогласования. Как видите,
мы опять обнаруживаем хорошо известную нам замкнутую
систему управления с обратной связью.
А как действуют многие современные автоматы и, в
частности, металлообрабатывающие станки с цифро-
вым управлением, которым посвящена эта книга? При-
мерно так же!
180
Электронная машина и узел управления преобразуют
заданную человеком программу в совокупность импуль-
сов, датчики обратной связи информируют узел управле-
ния о реализуемой программе, в цепи управления и цепи
обратной связи циркулируют потоки импульсов, постоян-
ных по величине, но переменных по частоте.
Ну как тут удержаться от попыток сравнить элект-
ронную машину с мозгом, датчики обратной связи с рецеп-
торами, исполнительные двигатели с мышцами, автомат
с живым организмом?
Конечно, проводя такие аналогии, следует твердо пом-
нить, что они носят только внешний, чисто условный харак-
тер. Природа командных импульсов и способы их пере-
дачи в обоих случаях совершенно различны, различным
образом действуют искусственные и естественные датчики
обратной связи. Да и сами исполнительные органы не
имеют по существу ничего общего, за исключением, пожа-
луй, того, что отдельные узлы автомата, так же как отдель-
ные сочленения скелетной системы, обладают относитель-
ной подвижностью.
Как видите, мы здесь поступаем как настоящие кибер-
нетики: нашли нечто общее между человеком и автома-
том и тут же оговорились, что между ними ничего общего
нет.
И вместе с тем такой кибернетический подход дает
возможность выдвигать новые идеи, получать новые тех-
нические решения важных задач, строить новые машины
и автоматы.
Вот один из примеров возникновения такой новой идеи
и ее реализации.
Если «программа» работы живого организма всегда
кодируется в форме совокупности дискретных импульсов
и если в такой же форме можно задать программу работы
технического устройства, то, очевидно, такой способ
сигнализации можно избрать в качестве общего ко-
да в тех случаях, когда живой организм работает в тес-
ном взаимодействии с внешним техническим устрой-
ством.
Такова была идея биоэлектрического управления,
за реализацию которой свыше четырех лет назад взялась
группа сотрудников Института машиноведения АН СССР
и Центрального научно-исследовательского института
181
протезирования 2. В 1957 г. был построен первый макет
биоэлектрической системы управления, оформленный в
виде искусственной кисти руки человека, управляемой
биотоками мышц, сгибающих и разгибающих пальцы руки.
За первым макетом, подтвердившим правильность исход-
ной идеи, последовал второй макет, предназначавшийся
для длительных испытаний отдельных узлов аппаратуры,
а в конце 1959 г. был построен первый в мире протез
предплечья с биоэлектрическим управлением.
Для управления этим протезом используются биотоки,
возникающие в усеченных мышцах предплечья протези-
руемого человека. Когда он хочет сжать кисть — искус-
ственная кисть закрывается, когда он захочет открыть ее —
она открывается. Он свободно управляет искусственной
кистью, используя привычные ему навыки.
Комплекс работ, связанных с созданием биоэлектриче-
ской системы управления, показал, что подобные системы
могут найти применение в самых различных областях ме-
дицины и техники. А ведь началось все дело с попытки
провести аналогию между автоматом с цифровым управ-
лением и живым организмом.
Число примеров технической реализации кибернети-
ческих идей сейчас растет изо дня в день. В технической
литературе все чаще встречаются исследования, посвя-
щенные вопросам создания читающих машин и слышащих
машин, которые преобразуют обычный печатный текст и
человеческую речь в совокупность электрических сигна-
лов; узнающих машин, информационных машин, диагно-
стических машин, машин для перевода с одного языка на
другой и многих других машин, приборов, устройств, ма-
кетов и игрушек, наглядно иллюстрирующих действенность
кибернетических методов.
В этот поток технической литературы вливается поток
литературы популярной, пропагандирующей новейшие
достижения кибернетики. Жаль только, что некоторые ав-
торы популярных книжек подчас смешивают возмож-
ное с существующим, воображаемое с действительным,
2 Советское авторское свидетельство № 110657 «Способ био-
электрического управления» с приоритетом 27JII.1957, выданное
А. Е. Кобринскому, М. Г. Брейдо, В. С. Гурфинкелю, А. Я. Сысн-
ну, Я. С. Якобсону.
182
Второй макет биоэлектрической
системы управления.
Исполнительные механизмы этого ма-
кета построены на базе узлов станка
^цифровым управлением
Протез предплечья с биоэлектрическим
управлением:
1 — узел управления, 2 — узел исполнительных
механизмов, 3 — блок питания
Программу действия протеза задает человек; он же
осуществляет зрительную обратную связь Следова-
тельно, эта система, непосредственно связывающая
живой организм и техническое устройство, действует
по обычной замкнутой схеме
приписывают кибернетическим устройствам и машинам те
свойства, которыми они еще не обладают и неизвестно,
когда будут обладать. Тем самым существенно искажается
картина развития новой науки.
Почти в каждой популярной книжке по кибернетике
вы можете найти рассказ о машинах, которые переводят
с одного языка на другой. О них говорится так, буд-
то проблема автоматического перевода уже решена и сей-
час дело только за тем, чтобы построить достаточное коли-
чество соответствующих машин. И почти ничего не гово-
рится о тех больших трудностях, с которыми встречаются
создатели подобных машин.
Трудности эти двоякого рода. Прежде всего подготов-
ка такой машины к работе требует, чтобы переводимый
текст был предварительно «переведен» с обычного языка
на «язык» машины. Если это делать вручную, то может
оказаться, что проще «вручную» переводить непосредст-
венно с одного языка на другой. Но трудности, связан-
ные с автоматизацией «чтения» текста и его кодирования
в виде, «понятном» машине, носят чисто технический ха-
рактер. С созданием читающих машин они будут преодо-
лены.
Основные трудности, возникающие при попытке авто-
матизировать перевод, заключены в самом существе этой
области творческой деятельности человека.
Перед нами два стихотворения.
Как волны набегают на каменья,
И каждая там гибнет в свой черед,
Так к своему концу спешат мгновенья
В стремленья неизменном — все вперед!
Родимся мы в огне лучей без тени
И к зрелости бежим; но с той поры
Должны бороться против злых затмений
И время требует назад дары.
Ты, Время, юность губишь беспощадно.
В морщинах искажаешь блеск красы,
Все, что прекрасно, пожираешь жадно,
Ничто не свято для твоей косы.
И все ж мой стих переживет столетья
Так славы стоит, что хочу воспеть я!
184
Как движется к земле морской прибой,
Так и ряды бессчетные минут,
Сменяя предыдущие собой,
Поочередно к вечности бегут.
Младенчества новорожденный серп
Стремится к зрелости и, наконец,
Кривых затмений испытав ущерб,
Сдает в, борьбе свой золотой венец.
Резец годов у жизни на челе
За полосой проводит полосу
Все лучшее, что дышит на земле,
Ложится под разящую косу.
Но время не сметет моей строки,
Где ты пребудешь смерти вопреки!
Внимательно их прочитав, вы, конечно, обнаружите,
что оба совпадают по теме, по отношению автора к этой
теме, даже по тем образам, которые в них использованы.
Это не удивительно! Ведь здесь приведены два пере-
вода одного и того же поэтического произведения —
шестидесятого сонета Шекспира. Выполнены эти перево-
ды выдающимися поэтами, первый — Валерием Брюсо-
вым, второй — Самуилом Маршаком. Закройте глаза и
попытайтесь ответить на такой вопрос: сколько одинако-
вых слоев содержится в строках двух разных переводов с
одного и того же оригинала?
А теперь откройте глаза’ и сравните строки стихов.
Наверное, вы будете удивлены результатами подсчета.
Ведь при этом обнаружится, что одинаковых слов, имею-
щих отношение к смыслу произведения, насчитывается все-
го три: «зрелость», «затмение», «коса». Может быть еще
два-три одинаковых слова вы найдете, если будете вести
сравнение не построчно. И еще вы обнаружите, что сильно
различается общее количество слов в обоих переводах.
Значит ясно, что пословный, или, как говорят, под-
строчный перевод — это только первый шаг в области авто-
матизации перевода, и именно этот шаг сейчас делают
создатели таких машин.
Как должна будет переводить машина будущего? Как
Брюсов или как Маршак? На этот вопрос вы не найдете
ответа. Современная точная наука не может строго опре-
делить такие понятия, как «талант», «эмоции», «чувства»,
«настроения», а инженеры не умеют строить автоматы,
которые бы оперировали с некими неопределенными по-
нятиями. И пока опыты по переводу — это лишь немногим
больше, чем опыты создания автоматизированного пере-
водного словаря. Но мы отвлеклись от нашей основной
темы. Теперь вернемся к ней и тогда нам станет ясно,
почему станки с цифровым управлением иногда относят
к классу кибернетических автоматов.
В конце предыдущей главы мы поставили вопрос
о том, можно ли создать такой станок с цифровым управ-
лением, который обладал бы свойством автоматически усо-
вершенствовать заданную ему программу работы. Чем
надо располагать при создании такого станка? Очевидно,
прежде всего информацией о том, как работает станок.
Казалось бы, такая информация поступает в узел уп-
равления станка из цепи обратной связи. Однако это не
совсем так. Мы уже знаем, что во всех современных замк-
нутых системах цифрового управления датчики обратной
связи соединяются либо с ходовым винтом станка (станок
ИБМ), либо с его столом (станки Нумерикорд, Ферран-
ти). В результате сигнал, управляющий движением ис-
полнительных органов станка, не учитывает погрешно-
стей, возникающих вследствие зазоров, силовых и темпе-
ратурных деформаций системы инструмент — станок —
изделие, износа инструмента. Как эти погрешности сказы-
ваются на обработанном изделии, выясняется лишь при его
контроле. Единственный путь устранения этих погрешно-
стей связан с непосредственным измерением обрабатывае-
мого изделия. Используя сигналы соответствующего дат-
чика, можно было бы значительно усовершенствовать как
непрерывную, так и шаговую систему управления.
Однако задача создания измерительного устройства,
измеряющего размер некруглого изделия (например, ку-
лачка, лопасти турбины, штампа) непосредственно в зоне
обработки, до настоящего времени не решена.
Очевидно, пока может идти речь только об измерении
точек уже обработанных участков изделия, расположен-
ных на некотором расстоянии от зоны обработки. Но что
делать с этой информацией, как ее использовать? Ведь
приходит она с опозданием, измеренный участок изделия
уже вышел из воны обработки.
186
Блок-схема самонастраивающейся системы управления:
i — узел программы, 2 — узел самонастройки, 3 — блок памяти. 4 —
узел управления, & — исполнительные механизмы, 6 — измерительная
система
В процессе работы самонастраивающейся системы вырабатывается
усовершенствованная программа, учитывающая систематические ошибки
обработки изделия
Прежде всего ее нужно «запомнить». Значит, помимо
измерительных устройств, в системе управления должны
быть предусмотрены специальные устройства, выполняю-
щие функции запоминания. Автомат должен быть снаб-
жен «памятью». При этом условии он получит способность
накапливать опыт работы. Затем должны быть еще и
такие устройства, которые бы на основании сравнения
заданной программы с результатами измерения обрабо-
танного изделия, на основании результатов обработки
накопленного опыта вырабатывали новую усовершенст-
вованную программу.
Все эти устройства запоминания и обработки информа-
ции объединим в один узел, который назовем узлом само-
настройки. Блок-схема системы управления, дополненная
этим узлом, существенно отличается от тех двух блок-
схем, с которыми мы успели познакомиться.
Как же будет работать система с самонастройкой при
обработке партии одинаковых изделий?
1ST
Первое изделие будет обработано по исходной програм-
ме, подготовленной технологом, расчетчиком, програм-
мистом. В процессе обработки оно будет автоматически
измеряться, и результаты измерений будут запомнены
устройствами памяти станка. Сравнение результатов из-
мерения с программой, которое будет непрерывно произ-
водиться в узле самонастройки, выявит все погрешности
обработки независимо от того, происходят ли они вслед-
ствие рассогласования в замкнутой системе управления,
вследствие износа, или температурных и силовых дефор-
маций. В соответствии с результатами такого сравнения
узел самонастройки автоматически выработает новую про-
грамму с таким расчетом, чтобы эти погрешности были
в ней компенсированы.
При обработке второго изделия движением исполни-
тельных органов будет управлять новая усовершенствован-
ная программа. И опять результаты обработки поступят в
устройство памяти узла самонастройки. Процесс усовершен-
ствования программы повторится, и первый вариант усо
вершенствованнной программы будет заменен следующим.
Так, накапливая опыт работы и используя его, узел
самонастройки вырабатывает все более усовершенствован-
ную программу до тех пор, пока в результате двух-трех-
четырех циклов разница между тем, что надо сделать, и
тем, что фактически станок делает, не станет меньше того,
что может обнаружить измерительное устройство. В даль-
нейшем узел самонастройки в течение обработки всей
партии одинаковых изделий следит за тем, чтобы эта про-
грамма периодически освежалась, если в результате из-
носа инструмента, нагрева станка или других причин
будут появляться новые погрешности. При переходе на
обработку другого изделия процесс самонастройки начи-
нается сначала.
Помните пример с гимнастом из предыдущей главы?
Не напоминает ли процесс самонастройки станка тот про-
цесс тренировки, путем которого гимнаст осваивает новое
упражнение, многократно его повторяя и каждый раз срав-
нивая заданную программу с результатами тренировки.
Самонастраивающихся, или, как их иногда называют,
самообучающихся станков с цифровым управлением пока
еше нет. Но необходимость в повышении точности работы
станков есть, также как есть идея, которая может быть
188
использована для того, чтобы добиться повышения точно-
сти. Эта идея носится в воздухе и раньше или позже она
будет реализована.
В прошлой главе мы начали рассказ о будущем цифро-
вого управления процессами металлообработки. Там мы
обнаружили одну из тенденций развития цифровой авто-
матизации. Суть ее состояла в том, что обычные хорошо из-
вестные методы начинают проникать в новые области
и захватывать новые процессы.
А сейчас выявили второе направление, по которому
идет развитие цифровых методов управления. Суть его
сводится к созданию принципиально новых систем, кото-
рые могут приспосабливаться к меняющимся условиям,
самонастраиваться или самообучаться. Эти их новые свой-
ства можно называть как угодно, поскольку сейчас еще нет
даже установившейся терминологии. Но важно, что совер-
шенно очевидна цель, которую преследует создание этих
систем. Цель эта состоит в том, чтобы повысить точность
работы автомата, сделать его менее чувствительным
к внешним воздействиям и помехам, продлить срок его ра-
боты без переналадок, без вмешательства человека.
Оценивая уже достигнутые результаты и нарисован-
ные здесь перспективы дальнейшего развития, обоснован-
ные может быть еще скромным, но уже имеющимся опы-
том, нетрудно представить себе в качестве отдаленной
перспективы полностью автоматизированное предприятие,
действующее по заданной программе без непосредствен-
ного участия человека, которое по письменному или уст-
ному приказу меняет эту программу, автоматически от-
читывается за выпущенную продукцию и израсходованные
материалы, автоматически поддерживает заданный темп
и качество выпускаемой продукции, одним словом, делает
наилучшим образом то, что мог бы сделать коллектив лю-
дей, который заменен комплексом автоматов.
Такую перспективу все чаще и чаще изображают в по-
пулярных и фантастических книжках, и не только в них.
А за рубежом идут в этом направлении еще дальше, ри-
суя мрачные картины наступления машин на людей, вы-
теснения людей автоматами из всех областей физического
и умственного труда. Вот уже автомат начинает жить са-
мостоятельной жизнью, он самостоятельно действует,
самостоятельно принимает решения, отанавится умным и
189
хитрым; более умный и более находчивый, чем создавший
его человек, он в конце концов превращается в некое чу-
довище, становится врагом человека.
Но ведь подобная воображаемая картина уже не нова!
Именно такими чудовищами казались станок Жаккара,
швейная машина Тимонье лионским ткачам и парижским
швеям, обвинявшим машины в тех бедствиях, которые они
терпели из-за социальной несправедливости. Теперь эта
картина реставрируется, конечно, в модернизированном
виде. Но по-прежнему ею пытаются, как фиговым лист-
ком, прикрыть социальную несправедливость и ее тяжелые
последствия в капиталистическом обществе.
А в действительности дело обстоит совсем иначе. Ведь
мы видели, сколько творческого труда, изобретательности
надо затратить для того, чтобы создать новый автомат,
и чем сложнее и точнее этот автомат, тем больший коллек-
тив людей нужен для его создания. И чем шире внедряет-
ся автоматизация, тем больше нужно новых автоматов,
тем чаще приходится заменять один автомат другим, тем
больше людей вовлекается в отрасли промышленности,
связанные с автоматизацией технологических процессов.
Потребность в человеческом труде не только не убы-
вает, а наоборот, непрерывно растет. И труд становится
все более производительным, творческим и интересным.
Во времена Жаккара тысячи ткачей вручную ткали
такое количество ткани, которого хватало для того, чтобы
одевать небольшую кучку избранных. Сейчас десятки и
сотни тысяч людей проектируют и строят заводы и обо-
рудование, выпускающие такое количество ткани, которо-
го достаточно, чтобы одеть десятки и сотни миллионов
людей. А заводы-автоматы будущего, которые тоже еще
надо проектировать, разрабатывать, строить, испытывать,
доводить, а потом вновь модернизировать, будут шить
одежду и обувь, изготовлять приемники и телевизоры,
строить дома и печатать книги для миллиардов людей.
Нужно только, чтобы миллиарды людей имели одина-
ковые права и возможности пользоваться всеми теми бла-
гами, которые заключены в их труде, которые несет авто-
матизация. Такие права и возможности обеспечит челове-
честву коммунизм. И на пути к коммунизму лучшим
помощником человеку служит и всегда будет служить
машина, автомат.
Заключение
В этой книжке говорится о многом понемногу. Иначе
поступить было нельзя. Ведь мы не задавались целью
удивить читателя рассказом о том, что могут делать ав-
томаты с цифровым управлением и какими они будут
через 25 — 50 лет.
Свою задачу мы видели в том, чтобы рассказать, как
действует такой автомат, как он устроен, какие трудности
возникали при его создании и как эти трудности были
преодолены.
А для этого нужно было хотя бы в самом скромном
объеме, хотя бы мельком рассказать и о системах счисле-
ния, и о методах кодирования, о принципах серводействия
и обратной связи, о технологии и кибернетических мето-
дах, о вещах и идеях, казалось бы, совсем не связанных
друг с другом и вместе с тем тесно переплетающихся, по-
ставленных на службу одному делу.
И если есть что-либо достойное удивления в автоматах
с цифровым управлением — в этих машинах будущего, —
то это в первую очередь труд, талант и изобретательность,
вложенные в них Человеком.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие..........................................
I.	Полтора века назад ....	....	. .	3
II.	«За» и «против» технолога	  18
III.	Автомат получает задание..........................31
IV.	Арифметика автомата............................... 46
V.	«Скелет» автомата................................ 30
VI.	Два автомата — два принципа ..................... 74
VII.	«Органы чувств» автомата	  94
VIII.	У предела точности..................................Н2
IX.	Числа управляют движением........................131
X.	Числа управляют движением (Продолжение) .	. .	148
XI.	Что же дальше?.................................. 162
XII.	Кибернетика в действии........................... 178
Заключение...............................................191
Арон Ефимович Кобринский
Числа управляют станками
*
Утверждено к печати редколлегией научно-популярной литературы
Академии наук СССР
*
Редактор издательства Н. Б Л Прокофьева
Технический редактор П. С. Кашина
Обложка художника М. Ф. Ольшевского
♦
РИСО АН СССР № 6-128В. Сдано в набор 9/XI 1960 г. Подписано к печати
28/11 1961 г. Формат 84х1081/зг. Печ. л. 6. Усл. печ. л. 9,84. Уч.-изд. л. 9,9
Тираж 20.000 экз. Изд. № 4859. Тип. зак. № 1260 Т-00340
Цена 30 к.
Издательство Академии наук СССР. Москва, Б-62, Подсосенский пер.» 21
2-я типография Издательства АН СССР. Москва, Г-99, Шубинский пер., 10
30 коп.
ИЗДАТЕЛЬСТВО АКАДЕМИИ НАУК СССР