Такие же расчеты выполнялись и для другого оборудования. Так, шлифмашинки требовали 0,6-1,5 кубометра, аппараты для обдувки моделей от формовочного песка - от одного до девяти - в зависимости от диаметра сопла, пневматические трамбовки и вибраторы - до 0,7 кубометра - мы уже активно использовали литье металлов, поэтому механизация создания форм для литья была для нас важным делом. Как и подъемные работы - грузоподъемность в 150 килограммов требовала 0,05 кубометра - 50 литров - сжатого воздуха на один подъем на высоту метра, а для полутора тонн - уже 0,4 кубометра. Вырубка заготовок из листа с помощью рубильно-чекальных молотков расходовала до 0,65 кубометра в минуту, пневматический напильник при расходе четверть кубометра в минуту давал мощность двести ватт и мог сделать полторы тысячи движений в минуту с осевым усилием 9 килограммов, а сам весил почти три килограмма - количество разнообразного оборудования на пневматической энергии поражало мое воображение, тогда как для местных это было в порядке вещей - они рассказывали даже про паровой привод простецких станков, что для меня, привыкшего к повальному применению электропривода в исполнительных устройствах, было дикостью. Правда, привык я к нему уже в постсоветское время - в школе пришлось поработать напильником, да и дома у нас была только ручная дрель - благо сверлить довелось в основном только дерево и кирпич, а сделанные мною пара дырок в бетоне оставили неизгладимое впечатление - всего-то полчаса сверления вперемешку с матом и попытками раздробить камешки ударами молотка по строительному гвоздю - тогда я повторял работу перфоратора, еще даже не предполагая, что такие инструменты существуют.
Так и здесь - неожиданное вылезало из-за каждого угла, так что я вскоре перестал вообще чему либо удивляться и лишь старался поддержать разумную инициативу соратников. Хочется им пневмопривода - да на здоровье ! Ротационного ? И отлично ! А почему ? "А потому что ротационные приводы были и легче, и производительнее." Так, ручная сверлильная машина с поршневым приводом и наибольшим диаметром сверления 32 миллиметра расходовала 1,5 кубометра воздуха в минуту, выдавая при этом 420 оборотов в минуту и полторы лошадиные силы мощности - киловатт. Машинка весила 16 килограммов. А вот роторные машинки, рассчитанные на сверление отверстий до 32 миллиметров весили уже 14 килограммов - немного поменьше чем поршневые, расходовали уже два кубометра, зато выдавали два киловатта - сверление можно было выполнять быстрее. То есть упоминавшийся мною ранее компрессор, производивший 6 кубометров воздуха, обеспечивал три таких станка, затрачивая на это 60 киловатт мощности. КПД всей системы получалось десять процентов. Но тут вступали как раз соображения нехватки электродвигателей - слишком много их уходило на механизацию тяжелых работ - добычи топлива, перемещения сыпучих грузов и так далее - и это несмотря на десятки тысяч двигателей и генераторов, что были в БССР до войны - мы даже снимали со станков электродвигатели и заменяли их пневмодвигателями - несмотря на более низкий КПД всей системы получалось выгоднее сжечь больше топлива, но зато механизировать, скажем, какой-то участок по его же добыче.
И неожиданно вынужденный частичный переход на пневмопривод позволил нам нарастить базу станков, и, самое главное - станочников и конструкторов. На станках с пневмоприводом работали в основном ученики, вытачивая не слишком ответственные детали, так как несколько просела чистота изготовления и точность хода - давление в воздухопроводах плавало, поэтому частота вращения пневмодвигателей имела разброс, больший чем у электрических - у тех даже если напряжение и плавало, обороты все-равно существенно снижались передачами, а одновременно снижалась и неравномерность вращения вала с нагрузкой. Да и набор скоростей у пневматики был ограничен нижним пределом давления - на входе двигателя мы установили штуцер с переменным сечением, но ниже трех атмосфер его не поставишь - оно становится слишком низким, чтобы эффективно вращать пневмодвигатель. Потом, когда появился штуцер с мягким изменением размера отверстий, нам стала доступна плавная регулировка оборотов. Но и такой ограниченный диапазон скоростей позволял нам наращивать производство станков и интенсивность обучения подрастающих станочников. Ну и заодно получать вал некритичных изделий.
Самым же главным выхлопом вынужденного использования пневматики стало то, что конструкторы не были ограничены в использовании силовых приводов, так как их производство было гораздо более простым, чем для электрических двигателей. Поэтому конструкторская мысль перла. Так, они старались заменить зубчатые передачи где только можно. Например, избавились от продольной зубчатой рейки, по которой ходил суппорт при ручной подаче, а заодно и от самой продольной ручной подачи - предполагалось, что все будет выполняться с помощью автоматической продольной подачи от пневмопривода - длинный ходовой винт они заменили системой тяг - сначала, для пробы - просто на обычной веревке. На удивление, работало, хотя точность была невысокой - по нагрузками веревка растягивалась. А когда заменили на металлический трос, точность стала практически как с винтом - теперь вместо того, чтобы вращать длинный ходовой винт, который двигал суппорт, пневмодвигатель вращал колесо, оно перемещало замкнутый трос, который оборачивался на другом конце станка вокруг такого же колеса, но без привода. Ну а трос тянул суппорт.
Пришлось повозиться с проскакиваниями троса - сначала заменили было его на цепной привод, но затем просто добавили прижимное колесо. Тросовая система продольного перемещения суппорта могла работать до двух недель, после чего требовалось подтягивать трос, так как он растягивался по действием усилий и возникал люфт - несмертельно, но лучше было от него избавиться. Быстрых скоростей резания на таких станках все-равно не достичь - если увеличить подачу, то даже с прижимным роликом трос начинал проскакивать, так как нагрузки, возникающие при врезании резца в металл заготовки, начинали превышать силы трения в системе колесо-трос. Но на небольших подачах, да с мягким металлом - цветметом либо малоуглеродистой сталью - милое дело. С середины сорок второго года большинство учеников тренировались сначала на таких эрзацах, и только потом, набив руку, переходили на нормальные станки. Так мало того - конструктора попытались заменить на ту же систему и передачи поперечного перемещения резца. Но там уже не выгорело - размеры суппорта недостаточно большие, чтобы впихнуть туда тросовую систему. Да и винт поперечной подачи гораздо меньше продольного винта - уж его-то можно и изготавливать.
Тем не менее, благодаря всем этим пневматическим уродцам конструктора получили опыт создания независимого привода на исполнительные механизмы, без использования многочисленных зубчатых передач. В дальнейшем эти навыки пригодились при проектировании станков с программным управлением. А с августа сорок второго мы начали получать с востока примерно по десятку тонн меди в месяц - наряду с другими цветными металлами - молибденом, никелем, хромом - это стало основным грузом для воздушного моста, установившегося с большой землей - туда - режущие пластины из спеченных сверхтвердых материалов, автоматические сварочные станки, оборудование для электрошлаковой сварки, антибиотики, оттуда - цветмет. Ну а после соединения наших территорий весной сорок третьего поток цветных металлов только возрос, возросло и производство электродвигателей. Несмотря на это, мы продолжали выпускать пневмодвигатели - если для обработки металла лучше было применять электрические двигатели - прежде всего из-за лучшего КПД всей системы, то для деревообрабатывающих станков пневматика вполне подходила еще долгое время - даровое топливо в виде опилок и массовое производство газогенераторов с двигателями представляло пневматике неплохой шанс остаться в строю.
Да и в станках пневматика прочно прописалась - по прикидкам оказалось, что это самый подходящий движитель для зажимных приспособлений - меди требуется гораздо меньше, чем скажем для зажимов чисто на электромагнитах - только для привода золотников - а усилия пневматика развивает довольно большие, при этом дает достаточную длину хода и небольшой расход сжатого воздуха. Так, для ручных пневморычажных прессов требовалось всего от шести литров воздуха в минуту, в другом зажиме поршень диаметром 75 миллиметров при ходе 32 миллиметра и давлении воздуха 6 атмосфер расходовал 2,8 литра и выдавал усилие в 265 килограмм. А поршень диаметром в 350 миллиметров при том же ходе и давлении расходовал 64 литра и выдавал усилие уже в 5750 килограммов - передвигать и зажимать с помощью воздуха было очень выгодно. Диаметр в 400 миллиметров выдавал вообще усилие в девять тонн. И требования к источникам сжатого воздуха снижались - компрессор с приводом в полкиловатта - три четверти лошадиной силы - мог выдавать пятьдесят литров воздуха в минуту - а это - возможность одновременного переключения работа нескольких зажимов, а неодновременно - и пары десятков. Хоть лошадь ставь на эти компрессоры.
Причем была возможность существенно снизить трудоемкость зажимных устройств. Так, если требовался сравнительно длинный ход, то применялись системы с поршнями - они требовали обработки и цилиндра, и поршня, и штока - причем все - на токарных станках, но эт овсе-ранво было гораздо проще, чем делать электродвигатель. Если же ход требовался сравнительно небольшой, то можно было применить мембранные движители - воздух впускался в полость, мембрана им отжималась и давила на тягу - здесь для изготовления деталей требовалось уже гораздо меньше токарной обработки, вплоть до ее отсутствия (если не принимать во внимание соединительные штуцера и прочие детали), а в основном можно было обойтись штамповкой - что корпуса, что самой мембраны. Причем можно было сэкономить и на мембране - так, плоская мембрана могла выдавать ход длиной до половины своего диаметра. То есть если поставить мембрану диаметром десять сантиметров, то получим пять сантиметров хода - этого достаточно для подавляющего числа зажимов, которые обычно и проектировались из расчета короткого хода зажима - клином или кулачком. Если же все-таки требовался более длинный ход, можно было применить гофрированную мембрану - она могла выдать уже несколько диаметров хода.
Так что мы все чаще стали применять пневматические зажимы - даже на станках с ручным управлением. А заодно развивали и математический аппарат пневмопривода. В это время было еще мало книг по его расчетам. Так, на русском языке какие-то попытки сделал Н.А.Бухарин в книге "Основы проектирования механизмов автоматического управления автомобилем.", опубликованной в 1941 году - там он пытался вывести уравнения расчета времени срабатывания пневмоприводов в автомобилях - тормоз, открытие-закрытие дверей и тому подобное. Причем делал он это методами численного интегрирования - трудоемким способом для ручных вычислений зато очень подходящим для нас, вооруженных вычислительными машинами. Наши конструктора, правда, нашли там несколько ошибок, неточностей и упрощений, связанных с неправильным учетом трения, а также неполным рассмотрением вопросов движения поршня - но период распространения волны давления и период наполнения он там рассмотрел, так что наши сказали "Фигня, дополним" - и начали активно развивать данное направление. Причем отсутствие точных расчетов нас не тормозило - как и в других направлениях, мы создавали первые устройства на основе эмпирических прикидок, чуть ли не на глазок - работает, и ладно, а что отвалится - подварим. Это позволяло нам начинать пользоваться плодами новых технологий почти сразу, пусть и в небольших объемах, и уж параллельно мы докручивали и теорию, и практику.
Так вот - стал пневмопривод использоваться и в исследованиях по станкам ЧПУ. Причем зимой сорок третьего, когда меди еще не хватало, электромагниты для управления золотниками мотали даже из стальной проволоки, согласовывая ее сопротивление с усилителями. А то и вообще делали два золотника - первый - управляющий - переключался с помощью совсем уж маломощного электромагнита, и этот мелкий золотник управлял переключениями второго - силового - золотника, который уже управлял исполнительным механизмом. Схема громоздкая, но "на попробовать" сойдет. Тем более что как раз к началу сорок третьего конструктора массово дозрели до станков с программным управлением, благо все было готово - сами конструктора, наличие множества приводов, опыт работы с командоаппаратами. Не хватало самой малости - возможности измерять расстояния и загонять их в управляющую машину.
Для начала попробовали переводить сигналы потенциометров в цифру. Точность по сравнению с механическими командоаппаратами повысилась, но не сильно. Препятствием к ее дальнейшему наращиванию был сам механический контакт - тут и трение, и его площадь, уменьшавшие распознавание малых перемещений. Ну, это еще можно было решить рычажной системой, когда малые перемещения с ее помощью превращаются в сравнительно большие, приводящие к изменениям сопротивления, которые заметны для электроники. Но в дополнение к этому мешала неравномерность сопротивления самого реостата по его длине - пусть и в пределах единиц процентов, но для малых расстояний это было существенно. А если захотим измерять дистанции в метр, полтора - соответственно, тут потребуется длинный реостат, который будет сложнее защитить от охлаждающей жидкости, про его точность я уж молчу. Но для начала мы ограничились длиной обрабатываемых деталей до двадцати сантиметров - таких деталей был вагон и маленькая тележка. Так что если сможем хотя бы их обработку организовать на ЧПУ - это будет большой плюс.
Но с потенциометрами оказалось слишком много проблем. Самая явная - износ, который накладывает ограничение по количеству измеренных перемещений. Далее - температурный коэффициент сопротивления - сопротивление меняется в зависимости от температуры. Это надо будет учитывать. Сам контакт может вносить дополнительное сопротивление - от загрязнения, окисления - надо следить за его чистотой. Ну и наконец сопротивление имеет некоторую зернистость - так, для полосковых сопротивлений она определяется зерном материала, которая составляет как минимум одну десятую микрометра. Для витых реостатов все еще хуже - у них разрешающая способность равна диаметру проволоки, при этом еще возникает резкая смена значений при переходе контакта с витка на виток - контакт сдвинулся, встал на двух проволоках - сопротивление изменилось на длину окружности витка. В принципе, можно сделать хоть микронную проволоку, но она быстро изотрется, а если подвижный контакт сделать мягким - он будет пружинить, то есть дергаться - плавность измерений совсем пропадет. Самый лучший вариант - использовать длинную проволоку - тут и отсутствие зернистости, и витков - только она должна иметь высокое сопротивление и быть механически прочной - тут уж больше всего подходят сплавы типа нихрома. Но и с ним не хорошо - проволока диаметром 0,2 миллиметра имеет сопротивление всего 0,35 Ом на сантиметр длины, и шумы электронной схемы могут просто задавить такие небольшое изменение сопротивления. С сопротивлениями кругом - вилы. А так хотелось ...
Тут-то я и подкинул идейку считать импульсы - по аналогии с колесиками на компьютерных мышках - в них были проделаны щели, через которые то проходил, то не проходил свет от светодиодов - схема считала количество импульсов и таким образом вычисляла проходимое расстояние. Попробовали. Точность повысилась до десятой доли миллиметра - сотни микрон - этого было достаточно для девяноста процентов всех обрабатываемых поверхностей, что потенциально избавит от ручного управления станками на большинстве операций. Но, раз мы взялись за решение этой проблемы, нам хотелось довести точности до микронных допусков. А для этого требовалось вообще избавиться от механических элементов в системе измерений, а то сейчас колесико с прорезями каталось по длинной зубчатой рейке, да к тому же для повышения разрешающей способности его подключили через мультипликатор - сами-то размеры колесиков и реек были небольшими, как в часах, но, раз есть механический контакт, он будет изнашиваться, тем более что мультипликатор был очень нагруженной частью.
К счастью, такие приборы у нас уже были - дифракционные решетки. Когда по ним перемещается световое пятно, решетка разлагает его на полосы, которые также двигаются - вот и появляются импульсы, которые можно считать. Ну а считать мы уже умели. И, так как точность разложения зависела от шага решетки, то ею можно было управлять, создавая решетки с разным шагом - то есть мы могли управлять и нужной точностью измерений. А если ее не хватит либо решетки получатся слишком трудоемкими - ставим две решетки, которые последовательно разлагают световое пятно и затем получающиеся из него полосы. Дело в шляпе.
Класс ! Точность измерений возросла до единиц микрон. Это если двигать решетки вручную, при неработающем станке. Когда же началось точение, аппаратура повела себя как взбесившийся заяц - постоянные включения-переключения привода каретки вперед-назад, причем неравномерно - то проедет вперед, а назад не стронется, то наоборот - отскочит на пару миллиметров - поверхность получалась даже хуже, чем с первоначальным вариантом - с механическими контактами. Вырубили станок, проверили схему, привод - ничего подозрительного. Снова включили, получили "зайца" и снова выключили. Сели думать.
Вибрации ! Резание создавало вибрации, которые передавались на решетку и она гоняла импульсы туда-сюда, причем интенсивными пакетами - дернет вперед - пошли импульсы одного направления, дернет назад - другого. Причем импульсы бегали настолько быстро, что часть импульсов пакета проскакивала мимо схемы - она просто не успевала их отработать, так как шел перенос от предыдущего импульса, и новый попадал между тактами, поэтому измеренное передвижение получалось небольшим, меньше чем фактический сдвиг от вибрации. А от других пакетов все импульсы успевали отработаться, так как толчок от вибрации был медленнее - и вот каретка отъезжала на большее расстояние.
Ну, "дребезг клавиш" был для меня не пустым звуком. Ввели соответствующую схему - поставили стандартную схему на триггерах и RC-цепочке. Н-н-ну-у-у-у ... да-а-а-а, количество импульсов снизилось, хотя что-то все-равно порой проскакивало мимо кассы. В общем - импульсы из-за вибрации - все-таки не дребезг - они и в самом деле показывают положение инструмента. Вот только надо их как-то фильтровать - считать, но не использовать. В итоге пока поставили обычный сдвиговый регистр - в нем не было переноса разрядов, поэтому он работал гораздо быстрее счетчика и успевал отработать все имупльсы. А уже его выход поступал на счетчик. То есть счетчик теперь считал импульсы не непосредственно от решетки, а от сдвигового регистра - последний как бы делил количество импульсов на количество своих разрядов - скажем, работает в нем четыре разряда - и частота тиков будет в четыре раза меньше. Это снижало точность измерений в те же четыре раза.
Но иногда и этого не хватало. Вроде бы начнешь работу - четырех разрядов достаточно, а поработаешь - и снова начинается дребезг, приходится увеличивать количество разрядов - вначале просто перепаивали проводники, потом поставили штырьковые перемычки и меняли разрядность их переставлением, потом тупо добавили регистр, в котором задавалась маска для нужного разряда - чтобы управлять программно, хотя необходимость переключения пока отслеживали вручную. В итоге недели через три кто-то заметил, что меньше разрядов требуется на новом резце, а когда он поработает - количество разрядов требуется увеличить.
- Ха ! - сказали наши разработчики - Так это из-за изношенности резца ! Он притупляется, точение начинает идти хуже - вот и возрастают вибрации !!!
- Ну молодцы. И как это отслеживать автоматически ?
В итоге пришли к следующему. Нам ведь известно, куда движется станок. И если поступают импульсы обратного значения - значит, это вибрация. Вот и стали считать такие импульсы - как только они начинали "зашкаливать" за текущую разрядность сдвигового регистра - программа просто увеличивала количество его разрядов - так-то его разрядность была уже восемь бит, а с какого конкретно бита брать сигнал переноса и зацикливания - за это отвечал отдельный регистр-маска. Заодно мы научились программным способом отслеживать износ инструмента -подизносился - и уменьшаем подачу, а то и сигнализируем оператору, что пора менять резец.
А в конце мая сорок третьего я как-то зашел к ЧПУшникам - а у них на станке какой-то короб длиной десять сантиметров.
Такие же расчеты выполнялись и для другого оборудования. Так, шлифмашинки требовали 0,6-1,5 кубометра, аппараты для обдувки моделей от формовочного песка - от одного до девяти - в зависимости от диаметра сопла, пневматические трамбовки и вибраторы - до 0,7 кубометра - мы уже активно использовали литье металлов, поэтому механизация создания форм для литья была для нас важным делом. Как и подъемные работы - грузоподъемность в 150 килограммов требовала 0,05 кубометра - 50 литров - сжатого воздуха на один подъем на высоту метра, а для полутора тонн - уже 0,4 кубометра. Вырубка заготовок из листа с помощью рубильно-чекальных молотков расходовала до 0,65 кубометра в минуту, пневматический напильник при расходе четверть кубометра в минуту давал мощность двести ватт и мог сделать полторы тысячи движений в минуту с осевым усилием 9 килограммов, а сам весил почти три килограмма - количество разнообразного оборудования на пневматической энергии поражало мое воображение, тогда как для местных это было в порядке вещей - они рассказывали даже про паровой привод простецких станков, что для меня, привыкшего к повальному применению электропривода в исполнительных устройствах, было дикостью. Правда, привык я к нему уже в постсоветское время - в школе пришлось поработать напильником, да и дома у нас была только ручная дрель - благо сверлить довелось в основном только дерево и кирпич, а сделанные мною пара дырок в бетоне оставили неизгладимое впечатление - всего-то полчаса сверления вперемешку с матом и попытками раздробить камешки ударами молотка по строительному гвоздю - тогда я повторял работу перфоратора, еще даже не предполагая, что такие инструменты существуют.
Так и здесь - неожиданное вылезало из-за каждого угла, так что я вскоре перестал вообще чему либо удивляться и лишь старался поддержать разумную инициативу соратников. Хочется им пневмопривода - да на здоровье ! Ротационного ? И отлично ! А почему ? "А потому что ротационные приводы были и легче, и производительнее." Так, ручная сверлильная машина с поршневым приводом и наибольшим диаметром сверления 32 миллиметра расходовала 1,5 кубометра воздуха в минуту, выдавая при этом 420 оборотов в минуту и полторы лошадиные силы мощности - киловатт. Машинка весила 16 килограммов. А вот роторные машинки, рассчитанные на сверление отверстий до 32 миллиметров весили уже 14 килограммов - немного поменьше чем поршневые, расходовали уже два кубометра, зато выдавали два киловатта - сверление можно было выполнять быстрее. То есть упоминавшийся мною ранее компрессор, производивший 6 кубометров воздуха, обеспечивал три таких станка, затрачивая на это 60 киловатт мощности. КПД всей системы получалось десять процентов. Но тут вступали как раз соображения нехватки электродвигателей - слишком много их уходило на механизацию тяжелых работ - добычи топлива, перемещения сыпучих грузов и так далее - и это несмотря на десятки тысяч двигателей и генераторов, что были в БССР до войны - мы даже снимали со станков электродвигатели и заменяли их пневмодвигателями - несмотря на более низкий КПД всей системы получалось выгоднее сжечь больше топлива, но зато механизировать, скажем, какой-то участок по его же добыче.
И неожиданно вынужденный частичный переход на пневмопривод позволил нам нарастить базу станков, и, самое главное - станочников и конструкторов. На станках с пневмоприводом работали в основном ученики, вытачивая не слишком ответственные детали, так как несколько просела чистота изготовления и точность хода - давление в воздухопроводах плавало, поэтому частота вращения пневмодвигателей имела разброс, больший чем у электрических - у тех даже если напряжение и плавало, обороты все-равно существенно снижались передачами, а одновременно снижалась и неравномерность вращения вала с нагрузкой. Да и набор скоростей у пневматики был ограничен нижним пределом давления - на входе двигателя мы установили штуцер с переменным сечением, но ниже трех атмосфер его не поставишь - оно становится слишком низким, чтобы эффективно вращать пневмодвигатель. Потом, когда появился штуцер с мягким изменением размера отверстий, нам стала доступна плавная регулировка оборотов. Но и такой ограниченный диапазон скоростей позволял нам наращивать производство станков и интенсивность обучения подрастающих станочников. Ну и заодно получать вал некритичных изделий.
Самым же главным выхлопом вынужденного использования пневматики стало то, что конструкторы не были ограничены в использовании силовых приводов, так как их производство было гораздо более простым, чем для электрических двигателей. Поэтому конструкторская мысль перла. Так, они старались заменить зубчатые передачи где только можно. Например, избавились от продольной зубчатой рейки, по которой ходил суппорт при ручной подаче, а заодно и от самой продольной ручной подачи - предполагалось, что все будет выполняться с помощью автоматической продольной подачи от пневмопривода - длинный ходовой винт они заменили системой тяг - сначала, для пробы - просто на обычной веревке. На удивление, работало, хотя точность была невысокой - по нагрузками веревка растягивалась. А когда заменили на металлический трос, точность стала практически как с винтом - теперь вместо того, чтобы вращать длинный ходовой винт, который двигал суппорт, пневмодвигатель вращал колесо, оно перемещало замкнутый трос, который оборачивался на другом конце станка вокруг такого же колеса, но без привода. Ну а трос тянул суппорт.
Пришлось повозиться с проскакиваниями троса - сначала заменили было его на цепной привод, но затем просто добавили прижимное колесо. Тросовая система продольного перемещения суппорта могла работать до двух недель, после чего требовалось подтягивать трос, так как он растягивался по действием усилий и возникал люфт - несмертельно, но лучше было от него избавиться. Быстрых скоростей резания на таких станках все-равно не достичь - если увеличить подачу, то даже с прижимным роликом трос начинал проскакивать, так как нагрузки, возникающие при врезании резца в металл заготовки, начинали превышать силы трения в системе колесо-трос. Но на небольших подачах, да с мягким металлом - цветметом либо малоуглеродистой сталью - милое дело. С середины сорок второго года большинство учеников тренировались сначала на таких эрзацах, и только потом, набив руку, переходили на нормальные станки. Так мало того - конструктора попытались заменить на ту же систему и передачи поперечного перемещения резца. Но там уже не выгорело - размеры суппорта недостаточно большие, чтобы впихнуть туда тросовую систему. Да и винт поперечной подачи гораздо меньше продольного винта - уж его-то можно и изготавливать.
Тем не менее, благодаря всем этим пневматическим уродцам конструктора получили опыт создания независимого привода на исполнительные механизмы, без использования многочисленных зубчатых передач. В дальнейшем эти навыки пригодились при проектировании станков с программным управлением. А с августа сорок второго мы начали получать с востока примерно по десятку тонн меди в месяц - наряду с другими цветными металлами - молибденом, никелем, хромом - это стало основным грузом для воздушного моста, установившегося с большой землей - туда - режущие пластины из спеченных сверхтвердых материалов, автоматические сварочные станки, оборудование для электрошлаковой сварки, антибиотики, оттуда - цветмет. Ну а после соединения наших территорий весной сорок третьего поток цветных металлов только возрос, возросло и производство электродвигателей. Несмотря на это, мы продолжали выпускать пневмодвигатели - если для обработки металла лучше было применять электрические двигатели - прежде всего из-за лучшего КПД всей системы, то для деревообрабатывающих станков пневматика вполне подходила еще долгое время - даровое топливо в виде опилок и массовое производство газогенераторов с двигателями представляло пневматике неплохой шанс остаться в строю.
Да и в станках пневматика прочно прописалась - по прикидкам оказалось, что это самый подходящий движитель для зажимных приспособлений - меди требуется гораздо меньше, чем скажем для зажимов чисто на электромагнитах - только для привода золотников - а усилия пневматика развивает довольно большие, при этом дает достаточную длину хода и небольшой расход сжатого воздуха. Так, для ручных пневморычажных прессов требовалось всего от шести литров воздуха в минуту, в другом зажиме поршень диаметром 75 миллиметров при ходе 32 миллиметра и давлении воздуха 6 атмосфер расходовал 2,8 литра и выдавал усилие в 265 килограмм. А поршень диаметром в 350 миллиметров при том же ходе и давлении расходовал 64 литра и выдавал усилие уже в 5750 килограммов - передвигать и зажимать с помощью воздуха было очень выгодно. Диаметр в 400 миллиметров выдавал вообще усилие в девять тонн. И требования к источникам сжатого воздуха снижались - компрессор с приводом в полкиловатта - три четверти лошадиной силы - мог выдавать пятьдесят литров воздуха в минуту - а это - возможность одновременного переключения работа нескольких зажимов, а неодновременно - и пары десятков. Хоть лошадь ставь на эти компрессоры.
Причем была возможность существенно снизить трудоемкость зажимных устройств. Так, если требовался сравнительно длинный ход, то применялись системы с поршнями - они требовали обработки и цилиндра, и поршня, и штока - причем все - на токарных станках, но эт овсе-ранво было гораздо проще, чем делать электродвигатель. Если же ход требовался сравнительно небольшой, то можно было применить мембранные движители - воздух впускался в полость, мембрана им отжималась и давила на тягу - здесь для изготовления деталей требовалось уже гораздо меньше токарной обработки, вплоть до ее отсутствия (если не принимать во внимание соединительные штуцера и прочие детали), а в основном можно было обойтись штамповкой - что корпуса, что самой мембраны. Причем можно было сэкономить и на мембране - так, плоская мембрана могла выдавать ход длиной до половины своего диаметра. То есть если поставить мембрану диаметром десять сантиметров, то получим пять сантиметров хода - этого достаточно для подавляющего числа зажимов, которые обычно и проектировались из расчета короткого хода зажима - клином или кулачком. Если же все-таки требовался более длинный ход, можно было применить гофрированную мембрану - она могла выдать уже несколько диаметров хода.
Так что мы все чаще стали применять пневматические зажимы - даже на станках с ручным управлением. А заодно развивали и математический аппарат пневмопривода. В это время было еще мало книг по его расчетам. Так, на русском языке какие-то попытки сделал Н.А.Бухарин в книге "Основы проектирования механизмов автоматического управления автомобилем.", опубликованной в 1941 году - там он пытался вывести уравнения расчета времени срабатывания пневмоприводов в автомобилях - тормоз, открытие-закрытие дверей и тому подобное. Причем делал он это методами численного интегрирования - трудоемким способом для ручных вычислений зато очень подходящим для нас, вооруженных вычислительными машинами. Наши конструктора, правда, нашли там несколько ошибок, неточностей и упрощений, связанных с неправильным учетом трения, а также неполным рассмотрением вопросов движения поршня - но период распространения волны давления и период наполнения он там рассмотрел, так что наши сказали "Фигня, дополним" - и начали активно развивать данное направление. Причем отсутствие точных расчетов нас не тормозило - как и в других направлениях, мы создавали первые устройства на основе эмпирических прикидок, чуть ли не на глазок - работает, и ладно, а что отвалится - подварим. Это позволяло нам начинать пользоваться плодами новых технологий почти сразу, пусть и в небольших объемах, и уж параллельно мы докручивали и теорию, и практику.
Так вот - стал пневмопривод использоваться и в исследованиях по станкам ЧПУ. Причем зимой сорок третьего, когда меди еще не хватало, электромагниты для управления золотниками мотали даже из стальной проволоки, согласовывая ее сопротивление с усилителями. А то и вообще делали два золотника - первый - управляющий - переключался с помощью совсем уж маломощного электромагнита, и этот мелкий золотник управлял переключениями второго - силового - золотника, который уже управлял исполнительным механизмом. Схема громоздкая, но "на попробовать" сойдет. Тем более что как раз к началу сорок третьего конструктора массово дозрели до станков с программным управлением, благо все было готово - сами конструктора, наличие множества приводов, опыт работы с командоаппаратами. Не хватало самой малости - возможности измерять расстояния и загонять их в управляющую машину.
Для начала попробовали переводить сигналы потенциометров в цифру. Точность по сравнению с механическими командоаппаратами повысилась, но не сильно. Препятствием к ее дальнейшему наращиванию был сам механический контакт - тут и трение, и его площадь, уменьшавшие распознавание малых перемещений. Ну, это еще можно было решить рычажной системой, когда малые перемещения с ее помощью превращаются в сравнительно большие, приводящие к изменениям сопротивления, которые заметны для электроники. Но в дополнение к этому мешала неравномерность сопротивления самого реостата по его длине - пусть и в пределах единиц процентов, но для малых расстояний это было существенно. А если захотим измерять дистанции в метр, полтора - соответственно, тут потребуется длинный реостат, который будет сложнее защитить от охлаждающей жидкости, про его точность я уж молчу. Но для начала мы ограничились длиной обрабатываемых деталей до двадцати сантиметров - таких деталей был вагон и маленькая тележка. Так что если сможем хотя бы их обработку организовать на ЧПУ - это будет большой плюс.
Но с потенциометрами оказалось слишком много проблем. Самая явная - износ, который накладывает ограничение по количеству измеренных перемещений. Далее - температурный коэффициент сопротивления - сопротивление меняется в зависимости от температуры. Это надо будет учитывать. Сам контакт может вносить дополнительное сопротивление - от загрязнения, окисления - надо следить за его чистотой. Ну и наконец сопротивление имеет некоторую зернистость - так, для полосковых сопротивлений она определяется зерном материала, которая составляет как минимум одну десятую микрометра. Для витых реостатов все еще хуже - у них разрешающая способность равна диаметру проволоки, при этом еще возникает резкая смена значений при переходе контакта с витка на виток - контакт сдвинулся, встал на двух проволоках - сопротивление изменилось на длину окружности витка. В принципе, можно сделать хоть микронную проволоку, но она быстро изотрется, а если подвижный контакт сделать мягким - он будет пружинить, то есть дергаться - плавность измерений совсем пропадет. Самый лучший вариант - использовать длинную проволоку - тут и отсутствие зернистости, и витков - только она должна иметь высокое сопротивление и быть механически прочной - тут уж больше всего подходят сплавы типа нихрома. Но и с ним не хорошо - проволока диаметром 0,2 миллиметра имеет сопротивление всего 0,35 Ом на сантиметр длины, и шумы электронной схемы могут просто задавить такие небольшое изменение сопротивления. С сопротивлениями кругом - вилы. А так хотелось ...
Тут-то я и подкинул идейку считать импульсы - по аналогии с колесиками на компьютерных мышках - в них были проделаны щели, через которые то проходил, то не проходил свет от светодиодов - схема считала количество импульсов и таким образом вычисляла проходимое расстояние. Попробовали. Точность повысилась до десятой доли миллиметра - сотни микрон - этого было достаточно для девяноста процентов всех обрабатываемых поверхностей, что потенциально избавит от ручного управления станками на большинстве операций. Но, раз мы взялись за решение этой проблемы, нам хотелось довести точности до микронных допусков. А для этого требовалось вообще избавиться от механических элементов в системе измерений, а то сейчас колесико с прорезями каталось по длинной зубчатой рейке, да к тому же для повышения разрешающей способности его подключили через мультипликатор - сами-то размеры колесиков и реек были небольшими, как в часах, но, раз есть механический контакт, он будет изнашиваться, тем более что мультипликатор был очень нагруженной частью.
К счастью, такие приборы у нас уже были - дифракционные решетки. Когда по ним перемещается световое пятно, решетка разлагает его на полосы, которые также двигаются - вот и появляются импульсы, которые можно считать. Ну а считать мы уже умели. И, так как точность разложения зависела от шага решетки, то ею можно было управлять, создавая решетки с разным шагом - то есть мы могли управлять и нужной точностью измерений. А если ее не хватит либо решетки получатся слишком трудоемкими - ставим две решетки, которые последовательно разлагают световое пятно и затем получающиеся из него полосы. Дело в шляпе.
Класс ! Точность измерений возросла до единиц микрон. Это если двигать решетки вручную, при неработающем станке. Когда же началось точение, аппаратура повела себя как взбесившийся заяц - постоянные включения-переключения привода каретки вперед-назад, причем неравномерно - то проедет вперед, а назад не стронется, то наоборот - отскочит на пару миллиметров - поверхность получалась даже хуже, чем с первоначальным вариантом - с механическими контактами. Вырубили станок, проверили схему, привод - ничего подозрительного. Снова включили, получили "зайца" и снова выключили. Сели думать.
Вибрации ! Резание создавало вибрации, которые передавались на решетку и она гоняла импульсы туда-сюда, причем интенсивными пакетами - дернет вперед - пошли импульсы одного направления, дернет назад - другого. Причем импульсы бегали настолько быстро, что часть импульсов пакета проскакивала мимо схемы - она просто не успевала их отработать, так как шел перенос от предыдущего импульса, и новый попадал между тактами, поэтому измеренное передвижение получалось небольшим, меньше чем фактический сдвиг от вибрации. А от других пакетов все импульсы успевали отработаться, так как толчок от вибрации был медленнее - и вот каретка отъезжала на большее расстояние.
Ну, "дребезг клавиш" был для меня не пустым звуком. Ввели соответствующую схему - поставили стандартную схему на триггерах и RC-цепочке. Н-н-ну-у-у-у ... да-а-а-а, количество импульсов снизилось, хотя что-то все-равно порой проскакивало мимо кассы. В общем - импульсы из-за вибрации - все-таки не дребезг - они и в самом деле показывают положение инструмента. Вот только надо их как-то фильтровать - считать, но не использовать. В итоге пока поставили обычный сдвиговый регистр - в нем не было переноса разрядов, поэтому он работал гораздо быстрее счетчика и успевал отработать все имупльсы. А уже его выход поступал на счетчик. То есть счетчик теперь считал импульсы не непосредственно от решетки, а от сдвигового регистра - последний как бы делил количество импульсов на количество своих разрядов - скажем, работает в нем четыре разряда - и частота тиков будет в четыре раза меньше. Это снижало точность измерений в те же четыре раза.
Но иногда и этого не хватало. Вроде бы начнешь работу - четырех разрядов достаточно, а поработаешь - и снова начинается дребезг, приходится увеличивать количество разрядов - вначале просто перепаивали проводники, потом поставили штырьковые перемычки и меняли разрядность их переставлением, потом тупо добавили регистр, в котором задавалась маска для нужного разряда - чтобы управлять программно, хотя необходимость переключения пока отслеживали вручную. В итоге недели через три кто-то заметил, что меньше разрядов требуется на новом резце, а когда он поработает - количество разрядов требуется увеличить.
- Ха ! - сказали наши разработчики - Так это из-за изношенности резца ! Он притупляется, точение начинает идти хуже - вот и возрастают вибрации !!!
- Ну молодцы. И как это отслеживать автоматически ?
В итоге пришли к следующему. Нам ведь известно, куда движется станок. И если поступают импульсы обратного значения - значит, это вибрация. Вот и стали считать такие импульсы - как только они начинали "зашкаливать" за текущую разрядность сдвигового регистра - программа просто увеличивала количество его разрядов - так-то его разрядность была уже восемь бит, а с какого конкретно бита брать сигнал переноса и зацикливания - за это отвечал отдельный регистр-маска. Заодно мы научились программным способом отслеживать износ инструмента -подизносился - и уменьшаем подачу, а то и сигнализируем оператору, что пора менять резец.
А в конце мая сорок третьего я как-то зашел к ЧПУшникам - а у них на станке какой-то короб длиной десять сантиметров.