Техника твоими руками

Сейчас автоматы широко применяются не только в промышленности, но и в быту.

Вы можете, опустив монету в аппарат, поговорить с товарищем по телефону-автомату, можете позавтракать в закусочной, где завтрак отпускается автоматически из стеклянного шкафа, а кофе наливается в подставленный стакан из специального крана.

На станциях метро вы можете получить билет у автомата, опустив в него соответствующее количество монет. Автоматы продают спички, тетради, карандаши.

Можно даже сфотографироваться у механического фотографа и получить через несколько минут готовые фотографии.

А на заводах сейчас автоматизация производства все больше и больше вытесняет ручной труд. Рабочий только следит за работой станков-автоматов и регулирует их в случае непредвиденной разладки.

Существуют уже автоматические линии, цехи-автоматы и даже заводы-автоматы, на которых деталь переходит от одного автомата к другому до тех пор, пока не будет совершенно готова.

Сложные автоматы, удивляющие необычной четкостью работы, часто называют «умными машинами». «Умными» они становятся только в результате творческой работы их создателей — конструкторов.

Но если внимательно рассмотреть автоматы, то оказывается, что даже самые сложные из них состоят из простых элементов. Каждая их деталь выполняет очень несложную работу. Работа отдельных деталей автомата сводится в основном к тому, что они либо включают какую-то электрическую цепь, либо ее выключают, либо посылают электрический ток, либо его задерживают, либо поворачивают деталь на определенный угол, либо передвигают ее, подставляя под сверло или фрезу, и т. д.

Мы познакомимся с отдельными элементами, из которых складываются автоматические устройства, а затем сделаем несколько простейших автоматов.

Первое, с чего мы начнем изучать отдельные детали автоматов, — это реле.

Реле — очень простой по устройству прибор. Его назначение — автоматически, под действием различных внешних воздействий, замыкать или размыкать электрическую цепь.

Какие воздействия сказываются на реле? Их может быть много. Это или давление, или температура, или изменение положения какого-либо предмета, подъем или опускание жидкости, звуковые колебания, вспышка света и т. д. Но чаще всего для воздействия на реле используется электрический ток.

Пневматическое реле

Изготовим сначала пневматическое реле — реле, которое работает от изменения давления газа или жидкости.

Вы уже сделали модель механического манометра.

Усовершенствуйте ее. Над натянутой на воронку резиновой перепонкой укрепите на стоечке вместо рычажка со стрелкой два контакта, сделанные из латунных полосок шириной 0,5 сантиметра и длиной 4–5 сантиметров. К одной из пластинок припаяйте медный контакт — кусочек толстой медной проволоки. Его надо обточить напильником, чтобы он имел вид конуса.

Между нижней пластинкой с напаянным контактом и резиновой перепонкой проложите кружок, отрезанный от бутылочной пробки.

К контактам подведите два провода. Один провод присоедините к электрической лампочке от карманного фонаря, а другой — к полюсу батарейки. Второй полюс батарейки присоедините ко второму контакту лампочки.

Надо хорошо оформить пневматическое реле, укрепить его детали на установленной вертикально гладкой доске, покрашенной масляной краской. Для лампочки следует сделать из толстой проволоки патрончик, а для второго контакта укрепите латунную закругленную пластинку, в которую он будет упираться.

Если нажать грушу, давление воздуха внутри воронки возрастет, резиновая перепонка поднимется и нажмет на контакт. Электрическая цепь замкнется, и лампочка загорится. При ослаблении давления воздуха контакты разомкнутся. Применив длинную трубку, можно приводить в действие реле на расстоянии, даже из соседней комнаты.

Вместо электрической лампочки может быть установлен маленький электрический двигатель, который сейчас выпускается для юных техников. Он работает от батарейки для карманного фонаря.

Пневматические реле применяются в промышленности там, где нужно ограничить давление воды, пара, воздуха или, наоборот, дать тревожный сигнал о необходимости увеличить давление.

Тепловое реле

Иначе оно называется термореле. Под влиянием определенной температуры оно способно выключить электрическую цепь или, наоборот, включить ее, дать сигнал о повышении температуры или привести в действие механизм для ее изменения. В некоторых случаях это реле играет роль регулятора, который, периодически включая и выключая электрическую цепь, предохраняет какой-нибудь нагревательный прибор от перегрева.

Для изготовления такого реле возьмите полоску алюминия длиной 10 и шириной 1 сантиметр, вырезанную из негодной кастрюли, и такую же полоску жести. Сложите их вместе и по средней линии, проведенной вдоль полосок, склепайте заклепками, изготовленными из толстой медной проволоки. Заклепки расположите на расстоянии 1,5 сантиметра друг от друга. Получится так называемая биметаллическая пластинка.

Один конец этой пластинки (с той стороны, где жесть) надо припаять оловом к стерженьку из кусочка толстой медной проволоки, установленному на деревянной дощечке. К этому же концу надо припаять провод. Около другого конца пластинки (с той стороны, где жесть) укрепите на расстоянии 2–3 миллиметров второй медный стерженек. Это будет неподвижный контакт. К нему тоже припаяйте кусок провода. Затем оба провода соедините через батарейку для карманного фонаря с электрической лампочкой.

Если поднести к биметаллической пластинке горящую спичку, пластинка нагреется и изогнется. Железо и алюминий при нагревании расширяются неодинаково: алюминиевая пластинка удлинится больше, и поэтому алюминиевая сторона при нагревании всегда будет выпуклой. Конец пластинки дойдет до неподвижного контакта и замкнет электрическую цепь. Как говорят, реле сработало. Лампочка будет гореть.

Когда пластинка остынет, электрическая цепь разомкнется.

Жидкостное реле

Иначе его можно назвать «сигнализатор уровня». Для того чтобы вода не перелилась через край резервуара, делают устройство, которое дает сигнал о том, что сосуд наполнился. Конечно, можно, кроме сигнала, еще включить приспособление, которое прекратит доступ воды в сосуд, но мы ограничимся сигнализацией.

На краю сосуда — например, литровой банки — установите жестяную скобу с ушками, в которых на оси укрепите рычаг, сделанный из миллиметровой медной проволоки. На том конце рычага, который обращен внутрь сосуда, укрепите большую пробку — поплавок.

Под наружным концом рычага укрепите металлическую пластинку с конусообразным контактом. Один провод присоедините к неподвижному контакту, другой— припаяйте к оси рычажка. Остальную проводку сделайте, как и в предыдущих реле. Когда вы будете наливать в банку воду и она дойдет до определенного уровня, пробковый поплавок поднимется, наружный конец рычага замкнет контакт, и электрическая лампочка загорится.

Электромагнитное реле

Намотайте на пустую катушку от ниток медную изолированную проволоку диаметром 0,3–0,5 миллиметра. Наматывать проволоку надо по возможности виток к витку, ровными рядами. Сначала намотайте один ряд, затем другой и т. д. Затем витки могут ложиться и не совсем ровно, немного перехлестываться. Нужно намотать как можно больше проволоки. Концы проводов надо закрепить. Они должны затем присоединяться к батарее от карманного фонаря.

Укрепите катушку вертикально на деревянной подставке на высоте 1–2 сантиметров. В катушку, прежде чем ее укрепить, надо вставить небольшой гвоздь шляпкой вниз. Наверху на катушке укрепите медную пластинку с припаянной к ней медной проволочкой. Шляпка гвоздя должна лежать на такой же медной пластинке, установленной на деревянной подставке. К ней тоже должна быть припаяна проволочка. Еще одну проволочку нужно припаять к гвоздю около его шляпки.

Это очень примитивное реле, оно просто в изготовлении, и поэтому, прежде чем делать более сложное, сделайте его.

Две пары контактов реле могут работать в двух электрических цепях. Та пара контактов, которая образуется шляпкой гвоздя, упирающейся в медную пластинку, называется нормально замкнутой. Они будут размыкаться, когда по катушке реле пойдет ток и гвоздь втянется внутрь катушки. Другая пара контактов, которая состоит из верхней пластинки и гвоздя, называется нормально разомкнутой. Они замкнутся, когда реле сработает, то есть когда гвоздь при прохождении через обмотку электрического тока втянется и острым концом упрется в верхнюю пластинку.

Сделайте теперь две самостоятельные электрические цепи и подключите их к каждой паре контактов отдельно. В этих цепях одна лампочка будет гореть (потому что ток идет через нормально замкнутые контакты), а другая гореть не будет (ее цепь разомкнута верхними контактами).

Когда по обмотке реле пройдет электрический ток (для этого лучше использовать другую батарейку), гвоздь втянется — одна лампочка погаснет, а другая загорится.

Электромагнитные реле самых различных конструкций применяются во многих отраслях промышленности.

Транспортировочные приспособления

Для передвижения изделия в автомате могут применяться различные механические устройства.

Для передвижения отдельных деталей может быть использовано движущееся полотно — конвейер. Между двумя валиками нужно натянуть сшитую из материи ленту шириной 4–5 сантиметров и длиной примерно 30 сантиметров. К одному из валиков нужно приделать ручку. При вращении валика конвейер может перемещать какие-либо предметы из одного конца в другой.

Для перемещения сыпучих или тестообразных тел может быть использован механизм, похожий на винт обыкновенной мясорубки. Такой винтовой валик называется винтом Архимеда. При его вращении мясо передвигается от загрузочного отверстия к режущему приспособлению мясорубки.

Существуют пневматические приспособления для захватывания детали специальными присосками.

Когда деталь прилипнет к присоскам, удерживаемая наружным атмосферным давлением, рычажное устройство переносит ее, а затем, когда это нужно, присасывающее устройство выключают, и деталь отпускается.

Простой опыт покажет, как даже небольшое разрежение удерживает сравнительно тяжелый предмет.

Наполните рюмку до краев водой, накройте ее листком промокательной бумаги, а сверху положите стеклянную пластинку. Прижмите пластинку к рюмке и переверните все вместе вверх дном. Через некоторое время промокательная бумага впитает часть воды, и в рюмке над водой образуется пустое пространство. Рюмка крепко присосется к пластинке. Оторвать ее от пластинки удастся, только применив некоторое усилие.

Небольшие перемещения детали или материала для ее изготовления осуществляются с помощью поворотного устройства карусельного типа. Диск, на котором расположены детали, поворачивается на определенный угол, подставляя деталь под тот или иной инструмент. Когда очередная операция завершена, диск поворачивается еще немного и т. д. Пройдя все операции, деталь может быть снята с поворотного диска.

Для передвижения различных изделий используются всевозможные рычажные устройства, толкатели, захватывающие приспособления и т. д. А часто бывает и так, что изделия сами себя транспортируют, скользя по гладкой поверхности и подталкивая друг друга.

Концевые выключатели

Перейдем теперь к приспособлениям, которые дают возможность машине самой реагировать как на данные ей распоряжения, так и на всякие случайности и непредвиденные обстоятельства. Для этого существуют так называемые концевые выключатели. Один из подобных выключателей мы рассматривали, когда говорили о жидкостном реле — сигнализаторе уровня.

Но обычно, когда говорят о концевых выключателях, имеют в виду контактные устройства, приводимые в действие либо частью машины, либо изготовляемой деталью.

Предположим, деталь дошла до определенного места и должна идти обратно или по другому направлению. Она нажала контакт, включила другой конвейер и отправилась в нужном направлении. То же может происходить, когда нужно оградить действие какого-нибудь механизма, чтобы он не переходил заданный предел. Во всех подобных случаях делается контактное приспособление, с помощью которого происходит либо остановка этого механизма, либо поворот его в другую сторону.

Регулятор

Существует еще одно очень важное устройство, необходимое для успешной работы автоматов, — регулятор. Задача регулятора следить, чтобы соблюдался заданный машине режим. Если вопрос идет о температуре печи, термический регулятор строго следит, чтобы температура была не выше и не ниже определенных пределов. Если это регулятор давления, например воздуха, то с помощью пневматического реле он регулирует величину давления.

Мы разберем на практике работу одного из стариннейших регуляторов скорости — центробежного регулятора. Под действием центробежной силы грузики, укрепленные шарнирно, расходятся в стороны. Верхний шарнир опускается вдоль оси и, нажимая на специальное приспособление, связанное с рычагом, уменьшает, например, доступ пара в рабочий цилиндр паровой машины. Скорость вращения снижается, грузики под действием пружины возвращаются в прежнее положение, и доступ пара в цилиндры увеличивается. Таким образом, малейшее отклонение скорости от заданной автоматически устраняется и скорость держится на одном уровне.

Чтобы проследить это на опыте, сделайте волчок из картонного кружка и тонкой деревянной палочки. Из тонкого картона вырежьте узкую полоску, сделайте из нее кольцо, проделайте в нем два отверстия и наденьте кольцо на ось волчка. По бокам к картонному кольцу прикрепите два пластилиновых шарика, а низ кольца прикрепите к диску волчка. Если вы запустите этот волчок, то под действием центробежной силы шарики разойдутся, картонное кольцо растянется в стороны и его верх опустится вдоль оси волчка. Чем больше скорость, тем сильнее сожмется картонное кольцо.

Клапаны

Клапаны применяются во многих машинах и приборах. Они широко используются в двигателях внутреннего сгорания, в различных водоподъемных устройствах, насосах для жидкостей и газов, в паровых машинах и т. д.

Счетчики

Прежде чем рассказать, как это делается, напомним, что, когда вы хотите послушать какую-то музыку, вы выбираете граммофонную пластинку, ставите ее на диск патефона, включаете его и слушаете музыку. Вы, ставя пластинку, даете задание патефону, задаете ему нужную программу. При желании можно заменить пластинку — патефон проиграет и другую.

Для выполнения автоматом определенной программы устанавливают специальные диски-шайбы. Диски, вращаясь, нажимают на поставленные против них рычаги, которые либо сами выполняют нужную работу, либо подготавливают другие механизмы для выполнения этой работы, например, замыкают контакты, включают какие-то двигатели, исполнительные механизмы и т. п.

Обычно каждый диск «заведует» одной определенной несложной работой: например, один диск пододвигает заготовку на рабочее место, другой в это же время включает сверло, третий пододвигает сверло к заготовке, сверлит отверстие и отодвигает сверло обратно. Первые два диска затем выключают сверло и отодвигают деталь. Каждый диск делает свое дело.

Для того чтобы это пояснить на примере, вырежьте из фанеры маленький диск в виде эллипса.

Насадите его на ось, пропустив ее не через середину эллипса, а несколько сбоку, как показано на рисунке.

Около диска установите рычаг, который должен одним из своих концов касаться диска. У этого конца установите пружину, она все время будет прижимать рычаг к диску.

Фанерный диск, вращаясь, постепенно поднимает конец рычага, затем опускает его. Можно вырезать и поставить на место эллипсообразного диска другой, который по-иному будет воздействовать на рычаг. Например, постепенно поднимет его и резко опустит.

Можно вырезать диски самой разнообразной формы, и все они по-разному будут передвигать рычаг.

Рычаг даже может во время вращения диска стоять на месте и только в определенный момент поворота диска совершать резкое движение вверх и вниз.

Здесь вам предоставляется возможность на практике убедиться, какие задания можно дать рычагу. Ведь все движения рычага могут передаваться исполнительным механизмам или приборам, которые ими управляют (реле для запуска двигателей, муфты сцепления и т. п.).

На одном валу может находиться одновременно несколько дисков, и каждый из них будет иметь свою программу работы.

Значит, меняя диски, мы можем изменять программу работы машины. На некоторых швейных машинах можно задавать программу работы, заменяя специальные шайбы. Поставил одну шайбу — шов идет нормальный, поставил другую — шов идет «елочкой», поставил третью — шов идет зигзагами и т. д. Как видите, программирующее устройство может оказаться у вас дома, под рукой.

Для программирования часто пользуются системой переключателей. Например, диспетчер задает поезду программу движения по определенным путям, нажав соответствующие кнопки и тем самым включив нужные стрелки и светофоры. Водитель машины, переключив рычаг скоростей, задает машине определенную скорость движения.

Но существует и более сложное программирующее устройство. В машину вставляют чертеж определенной детали, а через некоторое время из нее выходит готовая деталь. Как это происходит? Существует «электрический глаз» — фотоэлемент, он «осматривает» последовательно каждый квадратный миллиметр чертежа и реагирует на его светлые и черные места. Каждый раз подается импульс тока, и исполнительные органы, например резцы, в эти моменты вгрызаются в металл, и заготовка постепенно превращается в готовую деталь, согласно заложенному чертежу.

Язык автоматов

В заключение расскажем еще об одном способе «разговора» с машинами. Можно давать распоряжение машине в письменном виде.

«Письмо» пишется на карточке или на бумажной ленте. И пишется оно особым способом — с помощью отверстий.

Раньше существовали механические пианино — пианолы. Вы могли, совершенно не умея играть на пианино, даже не имея никакого представления о музыке, исполнять такие произведения, которые под силу только виртуозу.

Осуществлялось это с помощью программного устройства.

Программа задавалась бумажной ленте шириной около 30 сантиметров. Она наматывалась на катушку диаметром 10 сантиметров.

Бумажная лента вся была покрыта отверстиями. Конечно, отверстия располагались не как попало, а в строго определенных местах. Это была запись звуков в виде отверстий.

Лента вставлялась в специальное гнездо и могла перематываться на другой валик. На ее пути находилась металлическая планка со множеством отверстий, расположенных в один ряд. Отверстий было ровно столько, сколько клавиш на пианино.

Стоило вам начать нажимать ногами по очереди на специальные педали, как сейчас же приходил в действие компрессор. Он гнал сжатый воздух через пластинку с отверстиями, а лента начинала двигаться. В зависимости от того, какое отверстие ленты совпадало с отверстием планки, извлекался звук соответствующей высоты. Как вы знаете, в рояле и пианино звук получается от удара молоточка по струнам. Все молоточки в пианоле связаны с устройством, которое с помощью сжатого воздуха заставляло их в нужный момент ударять по струнам.

Вы только вставляете валик в специальное гнездо да нажимаете ногами на педали, а за вас фактически играет тот музыкант, который исполнял данную вещь во время записи.

Здесь мы рассмотрели программное устройство, работающее с помощью сжатого воздуха, но чаще осуществляют программирование с помощью электричества. На карточке или ленте, как мы говорили, есть отверстия. Когда вставляют такие карточки или ленты в машину, она как бы читает слова языка отверстий и выполняет задание.

Чтобы это понять, проделаем такой опыт.

Возьмите кусочек толстой рисовальной бумаги, вырежьте на ней через одинаковые промежутки несколько круглых отверстий диаметром с копейку.

На доске укрепите две латунные пластинки с выпуклыми концами. Пластинки должны этими выпуклостями плотно касаться друг друга, чтобы контакт был надежным. К пластинкам присоедините через батарейку реле или электрическую лампочку. По реле идет ток, и оно замыкает свои контакты, а если присоединена лампочка, то она горит. Вставьте между контактными пластинками кусочек заготовленной бумаги с отверстиями. Цепь разомкнется, и реле выключится, а лампочка погаснет.

Теперь протащите бумагу через контактные пластинки. Отверстия, вырезанные на ней, проходят через место соприкосновения контактов. Каждый раз, когда контакты проскакивают в отверстие, цепь замыкается — будет срабатывать реле или зажигаться лампочка.

Расположение отверстий на ленте может быть самым разнообразным, и машины, «читая» язык отверстий, могут выполнять порученную им работу.

На здании редакции газеты «Известия» в Москве установлен транспарант, по которому бегут светящиеся слова реклам. Такие рекламы осуществляются обычно с помощью длинной бумажной ленты, на которой буквы нанесены в виде пробитых отверстий.

Лента движется через контактное устройство, и от каждой пары контактов провода идут к определенней группе лампочек большого транспаранта. Лента движется в аппарате небольшого размера, а контакты, проскакивая в отверстия букв, замыкаются и зажигают соответствующие лампочки. Создается впечатление, что светящиеся буквы движутся; на самом деле это движется бумажная лента, переключающая лампочки, которые стоят неподвижно и лишь загораются в нужный момент.