Основные этапы автоматизации в их историческом развитии
Для Европейской ветви развития науки и техники выделяют семь основных этапов, определяемых в основном видом используемой энергии и орудиями труда:
1. Древний (до VII века до н.э.);
2. Античный (до V века н.э.);
3. Средневековье (до XV века);
4. Возрождение (XV-XVI века);
5. Промышленная революция (XVII-XVIII века);
6. Научная и промышленная революция XIX века;
7. Научно-техническая революция XX века.
История автоматостроения уходит в древние времена. Так, еще в Древнем Египте за 2 тысячи лет до нашей эры были известны автоматические театры, в которых человекоподобные фигурки разыгрывали сложные представления. В книгах Герона Александрийского (жившего в I веке н.э.) «Театр автоматов» и «Об искусстве изготовления автоматов» было описано свыше сотни различных автоматических устройств и механизмов, известных в то время. Совершенствование таких человекоподобных автоматических устройств имеет богатую историю. Можно сказать, что эта история продолжается и сейчас. Приведем некоторые примеры:
В XIII веке Альберт Мангус (Великий) построил механического человека – «андроида», который мог открывать дверь и выполнять роль слуги.
Жак Вокансон, французский часовщик, в 1730–1740 г.г. создал фигурки, одна из которых играла на флейте, а другая – на барабане, а также построил свою знаменитую утку, которая полностью имитировала процесс поглощения и переваривания пищи.
Ф. Клаус в 1764 году в Вене изобрел человекоподобного пишущего «андроида».
Швейцарцы Пьер-Жак Дро и его сын Анри Дро сконструировали примерно в это же время изящные человекообразные автоматы, способные играть на клавесине по нотам, писать, рисовать. На протяжении многих веков в разных странах мира изобретатели и ученые делали попытки создания человекоподобных автоматических андроидов – прототипов будущих роботов. Как правило, такие автоматы не имели практического (промышленного) применения и служили для забавы и, не в последнюю очередь, – для демонстрации изобретательного ума их создателей.
В 1920 г. чешский писатель Карел Чапек в своей пьесе «Р.У.Р.» впервые использовал термин «робот», и с тех пор роботы-андроиды пошли «гулять» по страницам научно-фантастических книг и кинофильмов. Американский писатель-фантаст и ученый-биохимик Айзек Азимов сформулировал три принципа робототехники, не потерявших своего значения и в современной робототехнике:
– робот не может причинить вреда человеку своим действием или бездействием;
– робот обязан подчиняться человеку, если это не противоречит первому принципу;
– робот должен оберегать себя, если это не противоречит первому и второму принципам.
Уже в средние века начали появляться и автоматы, имеющие прикладной характер. Этим интересовались и занимались многие известные люди. Так Леонардо да Винчи (1452–1519) предложил ряд идей, которые были реализованы только спустя столетия (самопрялка усовершенствованной конструкции реализована в XVIII веке, прокатные станы и токарные станки, мускульные и водяные двигатели, передаточные механизмы). Немец Юрген в 1530 году предложил самопрялку с ножным приводом. В 1589 году англичанин У.Ли изобрел вязальную машину с ножным приводом. Блез Паскаль в 1642–1645 г.г. изобрел автоматическую математическую машину. Готфрид Вильгельм Лейбниц в 1673–1694 г.г. разработал свою математическую машину, для которой в 1674 году он впервые использовал двоичный код, до сих пор применяемый в современных ЭВМ. Практической автоматизацией занимались Жозеф Манн, Джозеф-Мари Жаккар (1752–1834), Чарльз Беббидж (1792–1871) и др. Но наибольшее практическое значение в то время имели часы механического типа и «мельницы», в самом широком смысле этого слова.
Механические часы – одно из великих открытий ремесленного периода, они были изобретены в IX–X веках и являются по сути первым автоматическим прибором, созданным для практических целей. В XIII веке были изобретены механические башенные часы с одной стрелкой. (Хотя еще 3000 лет до н.э. были известны солнечные часы в Египте, Индии, Китае. Более 2000 лет назад в I в. н.э. в Древней Греции Ктесибий создал водяные часы – клепсидру. Примерно в тоже время появились песочные и масляные часы).
В начале XVI века (1500-1510) некий изобретатель Иоган Хенлейн изобрел карманные (шпиндельные) часы. Проблема точности часов сводилась к обеспечению равномерности хода стрелки. В качестве привода использовались (как и сейчас) гири и пружины. Говорят, что Г. Галилей, не очень доверяя точности часов, замерял время падения тел с Пизанской башни по ударам своего пульса.
В середине XVII века Г. Галилей и Х. Гюйгенс разработали теорию маятниковых часов, а в 1675 году Х.Гюйгенс изобрел балансирный регулятор хода, используемый и в современных механических часах. Кроме механизмов обеспечения равномерности хода, многие часы имели в себе устройства для управления миниатюрным автоматическим театром: в каждый час открывался “золотой чертог”, появлялись “ангелы хранители”, “воины с копьями” и т.д.
В России часовое искусство достигло высокого уровня: наиболее известным часовщиком является Иван Петрович Кулибин (1735-1818). Так, он изобрел часы, в которых фигурки должны были разыгрывать пасхальную сцену. Эти часы он подарил в 1769 году императрице Екатерине II.
Вторым ярким примером практических устройств автоматического действия является «мельница».
Под мельницей в средние века понимали устройство, выполнявшее без участия человека тот или иной непрерывный трудоемкий технологический процесс, часто он действительно был связан с измельчением продукта (мукомольные, пороховые, валяльные и другие мельницы). Мельницей называли даже одну из основных частей в вычислительной машине Чарльз Бэббиджа. Необходимо отметить, что в часах и мельницах имелись уже все элементы машины автоматического действия.
Особое развитие часы и мельницы получили в эпоху развитого мануфактурного производства (с середины XVI века до последней трети XVIII века). Мануфактура представляет собой форму кооперации при производстве изделий, основанную на разделении труда, когда весь технологический процесс разбивается на отдельные операции или выработку отдельных деталей, которые затем собираются в одно изделие. Каждая операция выполняется отдельным работником. Именно в мануфактурный период производства появились основные устройства и идеи машинного производства.
Если конструкторы и изобретатели того периода видели в своих машинах-автоматах оригинальные и полезные в прикладном или эстетическом смысле творения, то философы на их основе приходили к большим обобщениям. Так Роджер Бэкон (1214–1292) – английский философ, еще в XIII веке высказал идею о возможности создания при помощи математических методов самодействующих машин, судов, повозок, летательных аппаратов, подъемных приспособлений. Рене Декарт (1596–1650) выдвинул теорию автоматизма в поведении животных, сформулировав тезис «Животное – машина», а Ж.О. Ланетри распространил это и на людей. Наличие «андроидов», способных выполнять сложные технические операции, являлось для них аргументом для сопоставления человека с самозаводящимся механизмом.
Не обходилось и без курьезов. Так в 1649 году Иоган Хауг предложил самоходную повозку якобы с пружинным двигателем, на самом деле там находилось несколько друзей изобретателя, которые вращали заднюю ось. Широко известен был в Европе андроид-шахматист, в основании которого прятался карлик, умевший хорошо играть в шахматы.
Надо отметить, что все технические устройства имели хороший эстетический вид, оформлялись высокохудожественно. В частности станок А.К.Нартова (большой токарно-копировальный) был украшен резьбой по дереву, металлические части покрыты гравировкой, у станка было декоративное сооружение, на котором имелись места, посвященные Петру I и Петербургу.
В «андроидах», часах и «мельницах» изобретатели и ученые средних веков создали основы машин автоматического действия. В них также нашла отражение подготовительная работа по созданию машинной индустрии.
Действительно в «андроидах», часах и «мельницах» есть все существенные элементы организации развитой автоматической машины и основные функциональные элементы, которые в том или ином виде существуют и до настоящего времени (рис.12):
– Механическая двигательная сила (источник энергии);
– Первичный двигатель, приводимый в движение источником энергии;
– Передаточные механизмы различного назначения;
– Рабочие (исполнительные) механизмы;
– Система управления, состоящая из программоносителя, содержащего всю информацию о времени, месте и величине перемещений; устройства ввода программы, обеспечивающие ее воспроизведение с требуемой скоростью; усилительно-преобразующее устройство, передающее команды на перемещение, а также при необходимости преобразующее команды по величине и по форме; исполнительное устройство системы управления, выполняющее комплекс перемещений и иных действий, задаваемых программоносителем.
Литература
1. История автоматизации технологических процессов: Конспект лекций / В.Г. Хомченко, В.Н. Гудинов . – Омский государственный университет, 2005. – 55 с.
2. Тяпин, И. Н. Философские проблемы технических наук [Электронный ресурс] : учеб. пособие / И. Н. Тяпин. – М. : Логос, 2014. – 216 с. - ISBN 978-5-98704-665-4 (открытый ресурс)