Трудове навчання (технічні види праці). 9 клас. Гащак

Розділ 3. Основи техніки, технологій і проектування

Опановуючи навчальний матеріал цього розділу,

ви зможете дізнатися про:

- автоматизацію та роботизацію технологічних процесів;

- застосування автоматичних пристроїв на виробництві та в побуті;

- особливості використання методу біоніки в проектуванні;

- професії в різних галузях людської діяльності;

- мотиви вибору професії;

ви зможете навчитися:

- застосовувати метод біоніки у створенні предметного середовища та інтер’єру;

- розробляти власні варіанти конструкції технічних об’єктів;

- формувати банк ідей, використовуючи різноманітні інформаційні джерела, Інтернет;

- дотримуватися правил безпечної праці під час обробки конструкційних матеріалів;

- визначати інтереси та нахили до певного типу професій.

§ 10. Автоматизація та роботизація технологічних процесів

  • 1. Пригадайте, які є галузі виробництва.
  • 2. Що таке технологічний процес?
  • 3. У чому суть механізації технологічного процесу?

Сучасний рівень і перспективи розвитку технологій нерозривно пов’язані з новими знаннями, пошуком нових ідей, механізацією та автоматизацією технологічних процесів.

Під механізацією технологічного процесу розуміють заміну ручної праці людини роботою машин або механізмів. Участь людини в багатьох видах робіт із застосуванням техніки є вкрай потрібного, наприклад для керування машинами, закріплення деталей, контролю точності та якості їхньої обробки тощо (мал. 74).

Мал. 74. Механізація технологічних процесів: а - у сільському господарстві; б - під час обробки матеріалів; в - у гірничій промисловості; г - у будівництві

Автоматизація — це напрям розвитку техніки й технологій, що характеризується звільненням людини не тільки від затрат енергії м’язів для виконання рухів, пов’язаних з виробничим процесом, а й від оперативного керування відповідними механізмами (мал. 75).

Мал. 75. Автоматизація виробничих процесів: а - в автомобілебудуванні; б - у харчовій промисловості; в - у металургії

Мал. 76. Давні мисливські знаряддя: а - пастка для дрібних звірів; б - пастка для риби; в, г - пастки для звірів

Сучасного стану технологій вдалося досягти в результаті віковічного прагнення людини до покращення свого життя. Із сивої давнини вона постійно вдосконалює знаряддя праці, якими користується в різних видах діяльності. Використання примітивних знарядь праці не тільки вимагало застосування значних зусиль і було неефективним у роботі, а й нерідко призводило до травмування. Це спонукало до вдосконалення знарядь праці, створення різноманітних пристосувань. Так, ще первісні люди використовували для полювання пастки, капкани та самостріли. Такі знаряддя, що могли спрацьовувати без участі людини, можна вважати першими автоматичними пристроями (мал. 76).

Із часом було створено дедалі більше автоматичних пристроїв для виконання різноманітних робіт. Так, ще близько 2300 років тому цар Птоломей II Філадельф, який був правителем Єгипту, сконструював перший автоматичний механізм регулювання подачі води (мал. 77).

Мал. 77. Перший механізм регулювання подачі води

Який же принцип дії цього давнього механізму? Якщо уважно проаналізувати його конструкцію, то можна зрозуміти, що коли в отвір цього пристрою опускали монету М, вона падала на правий кінець важеля АБ і нахиляла його. Клапан К відкривав отвір О, і вода по трубі Т стікала на руки людини або в підставлений посуд. Коли монета падала в накопичувач Н, важіль повертався в попереднє положення, а отвір закривався.

Відомий давньогрецький учений Архімед створив ще складнішу конструкцію - планетарій для спостереження за рухом планет. Навколо моделі Сонця, розміщеної в центрі планетарію, рухалися моделі Землі, Меркурія, Марса та інших планет, які приводилися в рух водяним двигуном (мал. 78).

У І ст. до н. е. було сконструйовано автоматичний лічильник пройденого шляху (мал. 79). Обертальний рух від осі 1 передавався зубчастою передачею 2 горизонтально розміщеному колесу 3, у якому були отвори, заповнені кульками 4. Коли екіпаж проїжджав певний шлях, кулька випадала з отвору і по жолобу 5 скочувалася в чашу 6. За кількістю кульок, що потрапили в чашу, вираховували пройдений шлях.

Мал. 78. Планетарій Архімеда

Мал. 79. Автоматичний лічильник шляху

Згодом було сконструйовано різноманітні автоматичні пристрої для регулювання подачі води, водяний годинник, пристрій для автоматичного регулювання швидкості обертання турбіни на гідроелектростанціях тощо (мал. 80).

Ознайомтеся зі схемами вищезазначених пристроїв та спробуйте самостійно пояснити принципи їхньої дії.

Термін «автомат» походить від грецького слова автоматное - «самодіючий», тобто такий, що виконує всі операції за заданою програмою, яка не потребує безпосередньої участі людини в процесі отримання, передачі, розподілу (використання) енергії, матеріалів або інформації.

Мал. 80. Схеми автоматичних пристроїв: а - регулятора подачі води; б - водяного годинника; в - регулятора швидкості обертання турбіни

Програма дій для автомата може задаватися його конструкцією, як, наприклад, у механічних годинниках, торгових та ігрових автоматах, автоматах метрополітену та інших приладах. Вона може створюватися окремо, записуватися на носій інформації і відтворюватися за допомогою комп’ютера або верстата із числовим програмним керуванням.

Для автоматизації виробництва широко використовують електронно-обчислювальні машини та принципи програмного керування.

Вагомий внесок у розвиток автоматизації виробничих процесів на підприємствах України зробив директор Інституту кібернетики Академії наук України Віктор Михайлович Глушков (1923-1982). Під його керівництвом розроблено теорію автоматів та електронних обчислювальних машин, автоматизованих систем керування та систем обробки даних, проведено дослідження в галузі штучного інтелекту та ін.

Теоретичні розробки та застосування їх на практиці дали змогу значно підвищити ефективність виробництва завдяки заміні фізичної праці людини машинною.

В.М. Глушков

Про В.М. Глушкова президент Національної академії наук України Борис Євгенович Патон писав: «В.М. Глушков, як мислитель, відрізнявся шириною і глибиною наукового бачення, своїми працями випереджав час, став основоположником інформаційних технологій в Україні... Він дійсно вболівав за Україну, їй і науці віддавав усе своє життя».

На сучасних підприємствах виробничі процеси автоматизовано. Технологічними машинами керують комп’ютери, а виконання трудомістких і монотонних або небезпечних операцій здійснюють спеціальні автоматизовані машини - роботи.

Нині роботи залежно від видів виконуваних завдань умовно поділяють на промислові, сільськогосподарські, медичні, військові, космічні та ін. (мал. 81). В усіх випадках робот - машина, яка здійснює технологічні операції, подібні до тих, що виконує людина. При цьому людина лише стежить за роботою цієї машини й за потреби контролює її.

Наприклад, на автомобільних заводах роботи виконують зварювальні операції, фарбують автомобілі, транспортують їх. Медичні міні-роботи допомагають виконувати складні хірургічні операції. Космічні роботи, переміщуючись до важкодоступних ділянок поверхні, наприклад, Місяця, брали «проби» його ґрунту й зараз допомагають досліджувати інші астрономічні об’єкти, а також неосяжний космічний простір.

Промисловий робот - це машина-автомат, що функціонує автономно, призначена для відтворення деяких рухових функцій людини під час виконання допоміжних та основних виробничих операцій без її безпосереднього втручання.

Мал. 81. Роботизація виробничих процесів: а - у космонавтиці; б - у медицині; в - в океанографії; г - у військовій справі

Конструктори роботів прагнуть, щоб їхні творіння виконували якомога більше рухових функцій із числа тих, що притаманні людині. З точки зору механіки, руку людини можна визначити як просторовий багатоланковий шарнір із числом ступенів рухомості, що дорівнює 27. Механічна система робота також є багатоланковим механізмом, який називають «механічною рукою». У техніці це поняття має назву «маніпулятор» (мал. 82).

Мал. 82. Механічна система «рука»: а - будова: 1 - основа; 2 - електропривід з програмним керуванням; 3 - колона; 4 - передпліччя; 5 - механічне плече; 6 - маніпулятор; 7 - захоплювач; 8 - зап’ясток; б - використання механічних систем у медицині

Порівняно з рукою людини, маніпулятор може здійснювати більш точні переміщення з великим вантажем, однак поступається їй у досконалості та різнобічності виконуваних рухів. Безперечною перевагою «механічної руки» є те, що вона без утоми та з винятковою точністю може величезну кількість разів робити ті самі рухи, не припускаючись помилок.

Незважаючи на різноманітність компонувальних схем і конструктивних рішень, у промислових роботах можна вирізнити кілька основних функціональних елементів. Основа 1, за допомогою якої промисловий робот жорстко встановлюється поблизу основного технологічного устаткування, кріпиться на станині цього устаткування або переміщується по напрямних уздовж устаткування, що обслуговується роботом. Для злагоджених переміщень робочого органа робота його оснащено керівним пристроєм 2, який формує і видає керуючі дії (команди) виконавчому пристрою відповідно до заданої програми керування. У колоні 3 монтуються приводи робочих органів. Вона зв’язує всі органи робота, визначає його компонування, габаритні розміри та функціональні можливості.

Аналогічно до руки людини, маніпулятор робота 6 складається з передпліччя 4, механічного плеча 5 та зап’ястка 8 із захоплювачем 7, на якому закріплюються змінні робочі інструменти. Для промислових роботів, подібно до руки людини, оптимальним варіантом числа ступенів рухомості маніпулятора є число 6 (мал. 83).

Мал. 83. Схеми ступенів рухомості: а - руки людини; б - маніпулятора

Три ступені рухомості (I—III) використовуються для переміщення або перенесення деталей, а інші три (IV-VI) - для встановлення їх у певній орієнтації для обробки чи виконання визначеної роботи. Маніпулятор є виконавчим органом робота.

Залежно від конструктивної схеми маніпулятора його «рука» може переміщуватися в різних системах координат: прямокутній, сферичній та циліндричній (мал. 84).

У прямокутній системі координат об’єкт доставляється у визначену точку простору шляхом лінійних переміщень ланок маніпулятора по двох або трьох взаємно перпендикулярних осях. У циліндричній та сферичній системах координат об’єкт доставляється за допомогою лінійного руху маніпулятора та кутових переміщень у двох взаємно перпендикулярних площинах.

Мал. 84. Конфігурації робочих зон робота: а - прямокутна; б - сферична; в - циліндрична

За принципом керування промислові роботи поділяють на чотири види, або покоління: жорстко вбудовані, програмовані, адаптивні, інтелектуальні.

Жорстко вбудовані роботи - це автомати з двома або кількома ступенями рухомості маніпулятора. «Рука» такого робота жорстко пов’язана з технологічним устаткуванням. Такі роботи застосовують під час виконання монотонних операцій або у шкідливих чи небезпечних для здоров’я людини умовах, а також під час масового виробництва однотипних деталей.

Програмовані роботи одноманітно повторюють рухи (команди), задані програмою, наприклад штампування заготовок для надання їм визначеної форми.

Адаптивні роботи в ході виконання технологічної операції залежно від обставин можуть перепрограмовуватись (адаптовуватись) автоматично. Наприклад, якщо до верстата надійшла заготовка, що має відхилення від розмірів, робот відбраковує її та бере іншу.

Інтелектуальні роботи є найдосконалішими. Вони можуть аналізувати ситуації, приймати рішення, розв’язувати задачі, навчатися. Їх називають роботами зі штучним інтелектом. Такі роботи можуть застосовуватися для дослідження космосу, океану, використовуватися в зонах високого радіаційного забруднення та ін.

Нині такі роботи набувають широкого застосування. Вони дають змогу виготовляти продукцію високої якості, знижувати її собівартість, виконувати різні виробничі операції в недоступних місцях, самостійно аналізувати виробничі або технологічні операції та ухвалювати потрібні рішення. За такими роботами майбутнє.

Для найдопитливіших

  • Слово «робот» уперше використав у 1920 році чеський письменник Карел Чапек у п’єсі «R.U.R.» (чеськ. Rossumovi Univerzalni Roboti, Россумські універсальні роботи). Воно походить від слова «робота», що чеською та українською мовами звучить однаково. У творі батько й син відкрили хімічну сполуку, з якої створили людиноподібну істоту, здатну прислуговувати людям. Цю «істоту» було названо роботом.

Автомат, автоматизація, автоматичний регулятор, механізація, промисловий робот, маніпулятор, ступені рухомості, жорстко вбудований робот, програмований робот, адаптивний робот, інтелектуальний робот.

Автомат - машина (апарат, прилад), що виконує роботу за допомогою особливого механізму без участі людини.

Автоматизація - виконання виробничих процесів за допомогою автоматичних приладів і машин.

Адаптація - настроювання системи на певні умови застосування.

Адаптивний - здатний пристосовуватися.

Маніпулятор - пристрій, що копіює рух пальців, заміняє руки людини та керується на відстані в разі неможливості безпосереднього контакту людини з об’єктом (заготовкою, речовиною, деталлю тощо).

Механізація - оснащення виробництва машинами та механізмами, що повністю або частково замінюють ручну працю машинною.

Робот - пристрій, що функціонує автономно, призначений для заміни людини під час виконання монотонних або небезпечних робіт.

Робот-маніпулятор - різновид робота, що заміняє людину під час виконання певних технологічних операцій у виробничому процесі.

  • 1. Чим автоматизація відрізняється від механізації виробничих процесів?
  • 2. Наведіть приклади перших автоматичних пристроїв.
  • 3. Який пристрій можна вважати роботом? Які їх види вам відомі?
  • 4. Яке призначення має маніпулятор?
  • 5. Чим зумовлено потребу в створенні роботів?
  • 6. Яких переваг можна досягти завдяки автоматизації виробництва та науковій організації праці?