Autor: Krzysztof Janeczek

Siedem cudów mechatroniki

1. Laser

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission Of Radiation) - jest to urządzenie elektroniki kwantowej, generujące lub wzmacniające spójne promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widmowym zawartym między daleką podczerwienią (fale submilimetrowe) a nadfioletem. W działaniu lasera wykorzystano zjawisko wzmocnienia promieniowania przez emisje wymuszona w ośrodku, w którym nastąpiło odwrócenie (inwersja) obsadzeń.

Laser składa się z substancji czynnej, w której uzyskuje się akcję laserową dzięki umieszczeniu jej w rezonatorze optycznym, warunkiem wstępnym zaistnienia akcji laserowej jest inwersja obsadzeń poziomów energetycznych. Typowo uzyskuje się ją w układzie trzech (lub czterech) poziomów energetycznych: podstawowego, wzbudzonego i leżącego między nimi poziomu metatrwałego, to jest charakteryzującego się względnie długim czasem życia, atomy przeprowadza się (tzw. pompowanie lasera) do poziomu wzbudzonego na kilka sposobów: oświetlając substancję czynną silnym światłem o dostatecznej energii fotonów za pomocą np. innego lasera lub błysku flesza (tzw. pompowanie optyczne), za pomocą wyładowania elektrycznego (lasery gazowe), wykorzystując energię reakcji chemicznych, za pomocą wiązki elektronowej, zderzeń atomów itd.

Zastosowanie lasera wywarło poważny wpływ na wiele dziedzin nauki i techniki np.:

-technologię materiałów (precyzyjne cięcie, spawanie i wiercenie trudno topliwych materiałów, wyważanie dynamiczne zautomatyzowane cięcie papieru, tkanin, tworzyw sztucznych itp.);

-precyzyjne pomiary długości, odległości, pułapu chmur, stopnia zanieczyszczeń atmosfery, szybkości przepływu itp.;

-sterowanie pracą maszyn roboczych, wytyczanie torów wodnych w portach, chodników w kopalniach, precyzyjne pozycjonowanie złożonych konstrukcji;

-medycynę i biologię (mikrochirurgiczne zabiegi okulistyczne, bezkrwawe zabiegi chirurgiczne, zapobieganie próchnicy, usuwanie naczyniaków, zabiegi kosmetyczne);

-zapisywanie i odtwarzanie dźwięków i obrazów;

-technikę wojskową (pomiar odległości, sterowanie bombami i pociskami, oświetlanie, specjalne metody rozpoznania i fotografowania);

-holografię;

-technologię chemiczną (selektywna kataliza reakcji chemicznych);

-telekomunikację optyczną (wielokanałowa łączność światłowodowa między dużymi centrami obliczeniowymi).

Laser jest urządzeniem, które wykorzystuje emisję wymuszoną (w zakresie światła widzialnego) i spontaniczną.

Emisja wymuszona:

Przejście atomu, jonu lub cząsteczki z wyższego poziomu do niższego może się odbyć w sposób wymuszony, pod wpływem oddziaływania elektromagnetycznego o częstotliwości określonej zależnością Bohra. Występuje wtedy emisja wymuszona.

Kwant promieniowania zewnętrznego o energii równej różnicy poziomów energetycznych pada na atom znajdujący się w stanie wzbudzonym. Pod wpływem bodźca zewnętrznego atom powraca do stanu podstawowego, emitując przy tym nowy kwant promieniowania identyczny z poprzednim.

To ostatnie stwierdzenie ma podstawowe znaczenie dla dalszych rozważań, gdyż oznacza ono, że częstotliwość promieniowania pochodzącego od emisji wymuszonej jest identyczna z częstotliwością promieniowania wymuszającego, a ich fazy są ściśle ze sobą powiązane. Poza tym emisja wymuszona odbywa się w tym samym kierunku, w którym porusza się kwant oddziałujący z atomem wzbudzonym. Ta właśnie zgodność częstotliwości, fazy i kierunku rozchodzenia się promieniowania wymuszonego z wymuszającym determinuje zasadniczą właściwość światła laserowego, a mianowicie jego spójność.

Do wystąpienia akcji laserowej konieczne jest odpowiednie ukształtowanie struktury energetycznej układu, w którym tę akcję chcemy otrzymać. Chodzi przede wszystkim o doprowadzenie układu kwantowego do takiej struktury energetycznej, aby przeważały w nim elementy wzbudzone, gdyż dopiero ich liczbowa przewaga decyduje o powstaniu akcji laserowej.

Emisja spontaniczna:

Nieodzownym warunkiem emisji światła jest wzbudzenie atomów lub cząsteczek. Odbywa się to nie tylko przez absorpcję kwantów promieniowania, lecz również za pomocą innych sposobów dostarczania energii do układu: najczęściej i najprościej przez doprowadzenie go do odpowiednio wysokiej temperatury (np. w żarówce).

Wzbudzone atomy lub cząsteczki, pod wpływem naturalnej tendencji do znajdowania się na niższych poziomach energetycznych, wracają samorzutnie, w sposób zupełnie przypadkowy i bezładny, do stanu pierwotnego, emitując przy tym fotony. Proces ten nazywa się emisją spontaniczną. Promieniowanie to jest niespójne, gdyż poszczególne atomy źródła emitują kwanty niezależnie od siebie, w sposób nieuporządkowany, bez wzajemnego powiązania.

Promieniowanie wszystkich zwykłych źródeł światła jest rezultatem emisji spontanicznej.

Wysyłany przy tym zespół fal, tj. widmo promieniowania, zależy jedynie od schematu poziomów energetycznych źródła emitującego i rodzajów dozwolonych przejść miedzy nimi.

2. Robot

Robot - mechaniczne urządzenie wykonujące automatycznie pewne zadania. Działanie robota może być sterowane przez człowieka, przez wprowadzony wcześniej program, bądź przez zbiór ogólnych reguł, które zostają przełożone na działanie robota przy pomocy technik sztucznej inteligencji. Roboty często zastępują człowieka przy monotonnych, złożonych z powtarzających się kroków czynnościach, które mogą wykonywać znacznie szybciej od ludzi. Domeną ich zastosowań są też te zadania, które są niebezpieczne dla człowieka, na przykład związane z manipulacją szkodliwymi dla zdrowia substancjami lub przebywaniem w nieprzyjaznym środowisku.

Pojęcia robot używamy też do nazywania autonomicznie działających urządzeń odbierających informacje z otoczenia przy pomocy sensorów i wpływających na nie przy pomocy efektorów. Roboty takie budowane są przez badaczy zajmujących się sztuczną inteligencją lub kognitywistyką w celu modelowania zdolności poznawczych, sposobu myślenia lub zachowania zwierząt bądź ludzi. Mimo ogromnego postępu w tych dziedzinach cel, którym jest stworzenie robota co najmniej dorównującego inteligencją człowiekowi, wciąż wydaje się bardzo odległy. Dziedziną sztucznej inteligencji zajmującą się projektowaniem i konstruowaniem robotów jest robotyka.

Robot jest też ogólnym pojęciem stosowanym do określenia istniejących w rzeczywistości, bądź wyimaginowanych automatów i maszyn przypominających wyglądem człowieka lub zwierzę. Słowa robot prędzej użyjemy do nazwania człekokształtnej ruchomej kukły, niż wysoko wyspecjalizowanej nowoczesnej zmywarki do naczyń - mimo że sposób działania tego urządzenia w pełni zgadza się z definicją robota. Przyczyną tego jest cechujący nas antropomorfizm.

Rodzaje i zastosowanie:

Mimo iż wciąż rzadko spotykane w domach, roboty stały się częścią naszego codziennego życia. Ich różnorodne kształty są przejawem wybitnej specjalizacji robotów. Ze względu na dziedzinę zastosowania możemy wyróżnić:

roboty przemysłowe. Najczęściej mają one postać mechanicznego ramienia o pewnej liczbie stopni swobody. Taki robot o wielkości człowieka jest w stanie manipulować z ogromną szybkością i precyzją przedmiotami o wadze do kilkuset kilogramów. Zwykle są one programowane do wykonywania wciąż tych samych, powtarzających się czynności, które mogą wykonywać bezbłędnie przez całą dobę. W fabrykach pracuje 90% produkowanych robotów, połowa z tego używana jest przy produkcji samochodów. Najczęściej spotykane roboty pracujące w przemyśle produkowane są przez takie firmy jak: ABB, Kawasaki, KUKA, Mitsubishi, FANUC Robotics.

roboty w służbie prawa. Najczęstszym zastosowaniem w tej dziedzinie jest rozbrajanie bomb. Roboty produkowane do tego celu mają postać bardzo stabilnej ruchomej platformy, na której zamocowana jest kamera i silne źródło światła. Robot taki, kontrolowany zdalnie przez operatora, jest w stanie rozbroić bombę lub przy pomocy manipulatora przenieść ją w miejsce gdzie detonacja nie wyrządzi nikomu szkody. Jednym z takich robotów produkowanych seryjnie jest Mini-Andros. Innym ciekawym robotem jest Papero - niewielki gadający robot , który pomaga zagranicznym turystom jako tłumacz na lotnisku Narita pod Tokio. Z kolei Artemis to robot patrolujący japońskie centrum handlowe i wszczynający alarm (lub przekazuje informacje drogą bezprzewodową na posterunek), gdy zauważy coś podejrzanego. Bear to robot - sanitariusz do celów militarnych.

roboty - zwiadowcy. Zastosowaniem robotów często jest eksploracja środowisk z jakichś powodów niedostępnych dla człowieka. Przykładem są roboty przeznaczone do pracy pod wodą - mające postać zdalnie sterowanych bądź w większym stopniu autonomicznych mini-łodzi podwodnych wyposażonych w kamery i manipulatory. Istnieją też roboty przeznaczone do operowania w środowiskach o bardzo silnej radiacji, takie jak zbudowany na wzór pająka Robug III. Wdzięcznym dla inteligentnych maszyn zadaniem jest też eksploracja kosmosu, w czym utwierdziły nas sukcesy takich konstrukcji jak Sojourner, Spirit oraz Opportunity przeznaczonych do eksploracji Marsa.

roboty w rozrywce. Najbardziej znanymi robotami rozrywkowymi są: interaktywny pluszowy Furby'ie, humanoidalny Robosapien oraz przypominający szczeniaka, wyposażony w zmysły wzroku, słuchu, dotyku i równowagi Aibo. Organizowane są liczne konkursy w których rywalizują ze sobą roboty, gdzie zadania wahają się od eksploracji labiryntu, przez walkę z innymi robotami (BattleBots), aż do gry w piłkę nożną (RoboCup). W Polsce organizowany jest konkurs robotów tańczących - RoboDance, a także znekBOT - konkurs na roboty autonomiczne z misją kosmiczną w tle.

roboty w nauce. Gros naukowców skupia się na idei budowy robotów jak najbardziej zbliżonych do człowieka. Najbardziej wdzięczne przykłady to człekokształtny, posiadający 26 stopni swobody, zbudowany przez Hondę ASIMO, zbudowane w MIT Kismet i Cog oraz Sony QRIO. Niektórzy z badaczy porzucili ideę budowania coraz bardziej skomplikowanych robotów i zajmują się możliwościami jakie dają zastępy małych, nieskomplikowanych konstrukcji. Przedstawicielem tego trendu jest Rodney Brooks, słynący ze swoich owadopodobnych maszyn.

roboty w gospodarstwie domowym. Roboty takie jak Roomba (automatyczny odkurzacz) czy Scooba (automatyczny mop) z firmy Irobot, Trilobite (odkurzacz) firmy Electrolux, Sensor Cruiser (odkurzacz) Siemens, czy RoboCleaner (odkurzacz) Karcher pomagają nam w codziennym życiu odkurzając czy zmywając podłogi. Firma Irobot posiada także szereg innych robotów które usprawniają codzienne czynności. Są to: Roomba Dirt Dog (odkurzacz do sklepu, piwnicy lub garażu), Irobot Verro (odkurzacz basenowy), Irobot Looj (czyści rynny) oraz Irobot ConnectR (telekonferencja za pomocą wbudowanej kamery internetowej, mikrofonu oraz głośnika).

3. Mikroprocesor

Mikroprocesor - układ cyfrowy wykonany jako pojedynczy układ scalony o wielkim stopniu integracji zdolny do wykonywania operacji cyfrowych według dostarczonego ciągu instrukcji.

Mikroprocesor (w skrócie μP) łączy funkcje centralnej jednostki obliczeniowej (CPU) w pojedynczym półprzewodnikowym układzie scalonym. Pierwszy mikroprocesor działał w oparciu o słowa 4-bitowe, dzięki czemu tranzystory tworzące jego obwody logiczne mogły zmieścić się w jednym układzie.

Mikroprocesor umożliwił rozwój mikrokomputerów w połowie lat 70. dwudziestego wieku. Przed tym okresem, elektroniczne CPU były konstruowane z zajmujących wiele miejsca indywidualnych urządzeń przełączających, z których każde było odpowiednikiem zaledwie kilku tranzystorów. Poprzez zintegrowanie procesora w jeden lub kilka obwodów scalonych o coraz wyższej skali integracji (zawierających odpowiednik tysięcy lub milionów tranzystorów), stosunek możliwości do ceny procesora znacząco wzrósł. Od połowy lat siedemdziesiątych, dzięki intensywnemu rozwojowi układów scalonych, mikroprocesor stał się najbardziej rozpowszechnioną formą CPU, prawie całkowicie zastępując wszystkie inne.

Ewolucję mikroprocesora dobrze opisuje prawo Moore'a mówiące o wzroście wydajności na przestrzeni lat. Mówi ono, że złożoność układów scalonych (liczba tranzystorów), przy zachowaniu minimalnego kosztu składników, będzie się podwajać co 18 miesięcy. Stwierdzenie to zachowuje prawdziwość od czasu wczesnych lat 70. Począwszy od układów porównywalnych z prostymi kalkulatorami, mikroprocesory osiągały coraz wyższą moc obliczeniową, co w rezultacie doprowadziło do ich dominacji nad każdą inną formą komputera.

W prawie każdym mikroprocesorze możemy wyróżnić następujące bloki

ALU - jednostka arytmetyczno-logiczna (Arithmetic Logic Unit), wykonuje ona operacje logiczne na dostarczonych jej danych, podstawowy zestaw to: dodawanie, podstawowe operacje logiczne (AND, XOR, OR, NOT), oraz przesunięcia bitowe w lewo i w prawo. W bardziej złożonych mikroprocesorach zestaw ten jest znacznie bogatszy.

CU - układ sterowania (Control Unit), zwany też dekoderem rozkazów. Odpowiedzialny jest on za dekodowanie dostarczonych mikroprocesorowi instrukcji i odpowiednie sterowanie pozostałymi jego blokami (na przykład jeśli zdekodowaną instrukcją będzie dodawanie, CU odpowiednio ustawi sygnały sterujące, by ALU wykonała tę właśnie operację)

Rejestry - umieszczone wewnątrz mikroprocesora komórki pamięci o niewielkich rozmiarach (najczęściej 4/8/16/32/64/128 bitów) służące do przechowywania tymczasowych wyników obliczeń (rejestry danych) oraz adresów lokacji w pamięci operacyjnej (rejestry adresowe). Proste mikroprocesory mają tylko jeden rejestr danych zwany akumulatorem. Oprócz rejestrów danych i rejestrów adresowych występuje też pewna liczba rejestrów o specjalnym przeznaczeniu:

PC - licznik rozkazów (Program Counter) - zawiera on adres komórki pamięci zawierającej następny rozkaz do wykonania

IR - rejestr instrukcji (Instruction Register) - zawiera on kod aktualnie wykonywanej przez procesor instrukcji.

SP - wskaźnik stosu (Stack Pointer) - zawiera adres wierzchołka stosu

Mikroprocesor komunikuje się z otoczeniem za pomocą szyny danych i szyny adresowej.

Generalnie każdy bardziej skomplikowany mikroprocesor można zaklasyfikować do jednej z trzech architektur:

CISC (Complex Instruction Set Computers)

RISC (Reduced Instruction Set Computers)

VLIW (Very Long Instruction Word)

Każda z nich ma swoją specyfikę, swoje wady i zalety.

4. Bateria słoneczna

Bateria słoneczna jest to element półprzewodnikowy, w którym następuje przemiana (konwersja) energii promieniowania słonecznego (światła) w energię elektryczną w wyniku zjawiska fotowoltaicznego czyli poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów, o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury (zob. nośniki ładunku) do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

Po raz pierwszy efekt fotowoltaiczny zaobserwował A.C. Becquerel w 1839 r. w obwodzie oświetlonych elektrod umieszczoneych w elektrolicie, a obserwacji tego zjawiska na granicy dwóch ciał stałych dokonali tego 37 lat później W. Adams i R. Day.

Fotoogniwa słoneczne są produkowane z materiałów półprzewodnikowych, najczęściej z krzemu (Si), germanu (Ge), selenu (Se). Zwykłe ogniwo słoneczne z krystalicznego krzemu ma nominalne napięcie ok. 0,5 wolta. Poprzez połączenie szeregowe ogniw słonecznych można otrzymać baterie słoneczne. Istnieją baterie z różną liczbą ogniw, w zależności od zastosowania, jak i od jakości ogniw.

Zasada działania

Fotoogniwo jest zbudowane z półprzewodnika i tworzy złącze p-n, na które pada światło. Padające na złącze fotony o energii większej od szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika powodują powstanie par elektron-dziura. Pole elektryczne wewnątrz półprzewodnika związane z obecnością złącza p-n, przesuwa nośniki różnych rodzajów w różne strony. Elektrony trafiają do obszaru n, dziury do obszaru p. Rozdzielenie nośników ładunku w złączu powoduje powstanie na nim zewnętrznego napięcia elektrycznego. Ponieważ rozdzielone nośniki są nośnikami nadmiarowymi (mają nieskończony czas życia), a napięcie na złączu p-n jest stałe, oświetlone złącze działa jako ogniwo elektryczne.

Zastosowania

Fotoogniwa są stosowane przede wszystkim jako trwałe, o dużej niezawodności źródła energii elektrycznej w elektrowniach słonecznych, kalkulatorach, zegarkach, sztucznych satelitach, samochodach z napędem hybrydowym, a także w automatyce jako czujniki fotoelektryczne i fotodetektory w fotometrii.

Baterii słonecznych używa się także w małych kalkulatorach i zegarkach.

Przydatne jest zastosowanie ich w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze.

W 1981 r. Słoneczny samolot Solar Challenger przeleciał nad kanałem La Manche wykorzystując jako źródło zasilania tylko energię słoneczną. Skrzydła tego samolotu pokryte były bateriami słonecznymi, które zasilały silnik elektryczny.

Na Florydzie, w Stanach Zjednoczonych publiczne automaty telefoniczne są zasilane przez baterie słoneczne montowane na chroniącym je dachu.

5. Statek kosmiczny

Statek kosmiczny, środek transportowy przeznaczony do realizacji lotów kosmicznych, odpowiednio przystosowany do długotrwałego przebywania i poruszania się w przestrzeni kosmicznej. Statki kosmiczne ogólnie dzielą się na: statki kosmiczne pilotowane (statki kosmiczne załogowe), używane dotychczas w licznych lotach okołoziemskich, a także w misjach księżycowych programu Apollo, oraz statki kosmiczne automatyczne (statki kosmiczne bezzałogowe) wykorzystywane do realizacji różnych celów badawczych bądź użytkowe. Z uwagi na sposób śledzenia i możliwość utrzymywania kontaktu ze statkami kosmicznymi rozróżnia się statki kosmiczne pasywne i statki kosmiczne aktywne. Statki pasywne nie wysyłają żadnych sygnałów, a lokalizacja ich położenia i śledzenie ruchu są możliwe dzięki prowadzonym z Ziemi obserwacjom optycznym odbijanego przez nie światła słonecznego bądź przez zastosowanie metod radarowych, tj. wysyłanie z Ziemi w ich kierunku sygnałów radiowych, które po odbiciu od statku i powrocie do stacji naziemnej umożliwiają monitorowanie jego lotu i aktualnego położenia. Statki aktywne samodzielnie emitują ze swych pokładów sygnały radiowe, co pozwala, po ich odbiorze przez stację naziemną, na określenie pozycji statku i śledzenie jej zmian. Łączność radiowa ze statkiem kosmicznym umożliwia telemetryczny przekaz danych z urządzeń pokładowych statku na Ziemię bądź do innych statków kosmicznych, a także przesyłanie komend z ośrodków naziemnych do poszczególnych systemów i przyrządów statku. Z uwagi na rejon działania statków kosmicznych w przestrzeni kosmicznej wyróżnia się: statki kosmiczne okołoziemskie (sztuczne satelity Ziemi), których ruch jest determinowany oddziaływaniem pola grawitacyjnego Ziemi, w wyniku czego krążą one wokół niej po zamkniętych orbitach kołowych lub eliptycznych, oraz statki kosmiczne międzyplanetarne, które po nadaniu im odpowiedniej prędkości (drugiej prędkości kosmicznej) mogą przezwyciężyć siłę przyciągania ziemskiego, trwale oddalić się od Ziemi i wniknąć w obszar przyciągania Słońca bądź innych niż Ziemia planet (np. sztuczne satelity Marsa, Wenus, Jowisza, próbniki planet, próbniki międzyplanetarne), a nawet opuścić na zawsze Układ Słoneczny. Statki kosmiczne dzielą się na statki kosmiczne jednokrotnego użytku, stanowiące zdecydowaną większość wynoszonych w przestrzeń kosmiczną obiektów, oraz statki kosmiczne wielokrotnego użytku, zwane wahadłowcami.

Lot statku kosmicznego można podzielić na 3 główne fazy: 1) start i wprowadzenie statku na orbitę przez nadanie mu odpowiedniej prędkości i kierunku lotu; wykorzystuje się do tego zazwyczaj wielostopniowe rakiety nośne, których poszczególne człony odłączają się od modułu orbitalnego po wypaleniu paliwa lub na odpowiedni sygnał sterujący; 2) lot (w zasadzie bezwładny) po orbicie wokół danego ciała lub wzdłuż określonej trajektorii w przestrzeni międzyplanetarnej po torze wyznaczonym na podstawie wiedzy o zasadach mechaniki nieba; 3) lądowanie (na Ziemi lub innym ciele niebieskim), manewr polegający głównie na wyhamowaniu statku za pomocą jego silników rakietowych lub w wyniku działania oporu aerodynamicznego. Niektóre bezzałogowe statki kosmiczne po zakończeniu eksploatacji pozostawia się na ich orbitach (zawsze w przypadku próbników międzyplanetarnych, a także pierwszych satelitów Ziemi). Obecnie najczęściej niszczy się sztuczne satelity Ziemi przez kontrolowane wprowadzenie w gęste warstwy atmosfery. Wahadłowce lądują na specjalnie przygotowanych lądowiskach na Ziemi.

Wielkość i budowa statku kosmicznego zależy od jego przeznaczenia; musi on być przystosowany do długotrwałego przebywania i do funkcjonowania w przestrzeni kosmicznej i do związanych z tym trudnych warunków pracy: wysokiej próżni, stanu nieważkości, silnego promieniowania kosmicznego (zagrożenie dla człowieka i aparatury), bombardowania mikrometeoroidami, dużych skoków temperatury, nagrzewania podczas wnikania w gęste warstwy atmosfery i in. Wymaganą dużą niezawodność osiąga się przez uwielokrotnienie aparatury oraz zastosowanie systemów kontroli i rozpoznawania wadliwego działania. Główne zespoły statku kosmicznego: strukturalny, zasilania energetycznego (baterie słoneczne, akumulatory, reaktory jądrowe), łączności, kontroli otoczenia, sterowania i stabilizacji (głównie małe pomocnicze silniki rakietowe), nawigacji i orientacji w przestrzeni, silnikowy. Zasadniczą częścią załogowego statku kosmicznego jest hermetyczna kabina wyposażona w urządzenia do regeneracji atmosfery wewnątrz statku wraz z regulacją jej temperatury i wilgotności, w urządzenia ratownicze oraz wodę i pożywienie na czas lotu.

6.Obrabiarka sterowana numerycznie

Obrabiarka może być sterowana ręcznie, półautomatycznie i automatycznie. Przy sterowaniu automatycznym wszystkie czynności gł. i pomocnicze związane z obróbką, włącznie z zamocowaniem i zdejmowaniem przedmiotu obrabianego, są wykonywane samoczynnie (bez udziału człowieka) i cyklicznie. Obrabiarka półautomatyczna lub automatyczna może być sterowana programowo sekwencyjnie lub numerycznie (cyfrowo). Przy sterowaniu sekwencyjnym, oprócz wprowadzenia programu do obrabiarki, jest konieczne nastawienie tzw. zderzaków ograniczających krańcowe położenie narzędzi względem obrabianego przedmiotu; przy sterowaniu numerycznym wszystkie dane dotyczące czynności wykonywanych przez obrabiarkę są zawarte w programie zapisanym na taśmie magnetycznej (dawniej dziurkowanej). Obrabiarka skrawająca wielooperacyjna, sterowana numerycznie, z automatyczną zmianą narzędzi umieszczonych wcześniej w specjalnym magazynku, jest nazywana centrum obróbkowym; taka obrabiarka umożliwia obróbkę przedmiotów o skomplikowanych kształtach bez zmiany zamocowania.

Ważniejsze zespoły i elementy obrabiarek skrawających to: korpus — element stanowiący konstrukcję nośną obrabiarki, w skład obrabiarki wchodzi zwykle kilka korpusów, wśród nich korpus gł. (np. łoże, stojak lub słup); wspornik — korpus wchodzący w skład konstrukcji nośnej obrabiarki, zamocowany z jednej strony na stole lub przesuwnie na pionowych prowadnicach stojaka; wrzeciennik — zespół obrabiarki, w którym są umieszczone wrzecionowe elementy robocze, wykonujące gł. ruch obrotowy; skrzynka prędkości — skrzynka przekładniowa umożliwiająca uzyskanie różnych prędkości obrotowych wrzeciona; skrzynka posuwów — skrzynka przekładniowa umożliwiająca uzyskanie różnych prędkości posuwu narzędzia; suport — zespół obrabiarki wykonujący ruch posuwowy, na suporcie są zamocowane narzędzia skrawające (przeważnie noże); sanie — element w kształcie płyty, stanowiący podstawę zespołów (imaków nożowych, wrzecienników itp.), rozróżnia się sanie wzdłużne i poprzeczne; imak nożowy — zespół obrabiarki do mocowania narzędzi skrawających, przeważnie noży; stół — element (np. stół frezarki) lub zespół (np. stół obrabiarki zespołowej) w kształcie płyty, do zamocowania przedmiotów obrabianych (bezpośrednio lub w uchwytach); głowica rewolwerowa — zespół obrabiarki (np. tokarki rewolwerowej) do osadzania narzędzi wprowadzanych do pracy w określonej kolejności; suwak — element lub zespół obrabiarki wykonujący wraz z narzędziem główny ruch prostoliniowy, najczęściej posuwisto-zwrotny, w strugarkach, dłutownicach, przeciągarkach; konik — zespół obrabiarki kłowej (przeważnie tokarki, szlifierki), służący do podparcia za pomocą kła obrabianych przedmiotów w kształcie wałków. W zależności od stopnia mechanizacji, automatyzacji i rodzaju sterowania obrabiarką rozróżnia się: obrabiarki z posuwem ręcznym, w których zespół posuwowy (suport, stół, wrzeciono itp.) jest napędzany podczas obróbki siłą mięśni człowieka; obrabiarki z posuwem mech., w których zespół posuwowy jest napędzany silnikiem elektr. za pośrednictwem przekładni mech.; oraz obrabiarki z posuwem hydraulicznym lub pneumatycznym.

Obrabiarki skrawające do drewna zwykle mają budowę zbliżoną do obrabiarek do metali o tych samych nazwach; ważną rolę wsród obrabiarek do drewna odgrywają pilarki.

Za pierwowzór obrabiarki uważa się suport mech., który zastąpił podtrzymywane ręką narzędzia (A.K. Nartow 1718, H. Maudslay 1797); ulepszanie konstrukcji przyspieszyła rewolucja przem., a następnie zastosowanie napędu elektr.; w końcu XIX w. skonstruowano automaty tokarskie. Wynalezienie nowych materiałów narzędziowych — stali szybkotnących, a następnie węglików spiekanych w pocz. XX w. — znacznie przyspieszyło rozwój obrabiarek; rozwój produkcji wielkoseryjnej i masowej przed II wojną świat. doprowadził do budowy wysoko wydajnych obrabiarek zespołowych i automatycznych linii obrabiarkowych; w poł. lat 50., kiedy wynaleziono pierwszą uniwersalną obrabiarkę sterowaną numerycznie, a następnie sterowane numerycznie automaty, centra obróbkowe i linie automatyczne, nastąpił znaczny postęp automatyzacji w przemyśle maszyn.; szybki rozwój elektroniki przyczynił się do budowy obrabiarek sterowanych przez komputery oraz łączenia ich w systemy produkcyjne sterowane. Dalsze etapy i kierunki rozwoju wyraźnie zmierzają do tworzenia zautomatyzowanych bezzałogowych systemów produkcyjnych (elastyczne systemy produkcyjne) złożonych z różnego rodzaju obrabiarek i in. maszyn technologicznych.

Obrabiarkami sterowanymi numerycznie mogą być zarówno obrabiarki ogólnego przeznaczenia i specjalne

Wytwarzanie wspomagane przez komputer, komputerowe sterowanie i nadzorowanie produkcji, sterowanie obrabiarkami i maszynami: ruchy każdej maszyny są zaprogramowane, produkcja całkowicie zautomatyzowana. Centralny komputer przejmuje dyspozycję narzędziami, jak dobór, wymiana, magazynowanie, sprawdzenie ich jakości i utrzymywanie w sprawności (np. ostrzenie).

Komputeryzacja sterowania produkcją to między innymi opracowanie planów operacyjnych, planowanie materiałów, narzędzi i przyrządów oraz programowanie numerycznie sterowanych obrabiarek i robotów.

programowanie obrabiarek - większość maszyn w zakładach przemysłowych starowana jest komputerem. Wystarczy przejść się w czerwcu po Targach Poznańskich, żeby zobaczyć, że wszystko, co się w przemyśle rusza, ma już ekran i klawiaturę, a konwencjonalną obrabiarkę (taką z korbami) można spotkać z rzadka, zakurzoną, gdzieś w kącie. Jeśli inżynier przygotuje i sprawdzi projekt przy użyciu komputera, może także w dużym stopniu automatyczne wygenerować program obróbczy. Oczywiście nic nie zastąpi technologicznej wiedzy i wyczucia inżyniera, ale jeśli się tylko wie, co i jak zrobić, to reszta jest samą przyjemnością.

Systemy, które potrafią na podstawie rysunku stworzonego w CADzie wygenerować program NC - czyli do obrabiarki noszą nazwę CAM (Computer Aided Manufacturing - komputerowo wspomagane wytwarzanie).

symulacja obróbki - po stworzeniu programu, warto sprawdzić, czy nie zniszczymy niechcący obrabiarki, np, czy nie zaczniemy frezować stołu frezarskiego, lub uchwytu. Większość programów CAM ma w sobie możliwość wizualizacji obróbki, a niektóre dają nawet możliwość pomierzenia wykonanego teoretycznie detalu, sprawdzenia jego teoretycznej chropowatości itp.

wykonanie przedmiotu - większość obrabiarek przemysło0wych jest sterowanych w systemie CNC (Computer Numerical Control - komputerowe sterowanie). Praktycznie każdy producent ma swój dialekt programowania maszyn, jednak wszystkie one opierają się na pewnej ogólnej normie. Najprościej rzecz biorąc, program maszynowy wygląda jak instrukcje dla pracownika - idioty:

- weź narzędzie nr 1

- dźwignię "kierunek obrotów" przestaw w położenie "w lewo"

- dźwignię "posuw" ustaw na pozycji 0,15 mm/obrót

- przestaw narzędzie na 2 mm nad przedmiot

- skrawaj pionowo w dół, aż do osi przedmiotu itd itd.

Oczywiście obrabiarki programuje się specjalnym kodem i powyższy program może wyglądać np. tak:

N0000 G56 G53 T0000

N0010 G54 G57

N0020 T0101 G95 F150 G96 S150 M04

N0030 G92 S2500

N0040 G00 X32. Z0.

N0050 G01 X-0.5

7. Komputer

KOMPUTER[ang.] - elektroniczna maszyna cyfrowa, urządzenie elektron. służące do automatycznego przetwarzania informacji (danych) przedstawionych cyfrowo (tzn. za pomocą odpowiednio zakodowanych liczb). Istotną cechą odróżniającą komputer od innych urządzeń jest jego programowalność, tzn. wykonywanie konkretnych zadań (np. obliczeń) jest związane z wykonywaniem zapisanych w pamięci komputera programów. Pojęcie komputer obejmuje obecnie zarówno komputery zaprogramowane na stałe, używane jako automaty sterujące, np. w urządzeniach gospodarstwa domowego, jak i komputery uniwersalne, dające się dowolnie zaprogramować. Tradycyjnie przyjął się podział komputerów na: superkomputery, duże komputery (ang. mainframe), minikomputery i mikrokomputery; podział ten opiera się przede wszystkim na odmiennych sposobach konstruowania komputerów i biorących się stąd różnicach w ich wydajności (mocy obliczeniowej) i sposobie użytkowania: superkomputery są stosowane do szybkich obliczeń nauk., produkcji grafiki film. itp. (np. CRAY), duże komputery są gł. przeznaczone do zastosowań bankowych, finansowych i adm. na szczeblu dużego przedsiębiorstwa (np. IBM 9000/ES), minikomputery obsługują małe instytucje lub grupy użytkowników (np. VAX), mikrokomputery są zwykle przeznaczone do obsługi pojedynczego użytkownika (np. IBM PS/2, MacIntosh). Budowa. Główne części składowe komputera stanowią: procesor (obecnie w postaci układu scalonego, czyli mikroprocesor), pamięć operacyjna oraz urządzenia peryferyjne (zewnętrzne). Zadaniem procesora, zw. też czasem jednostką centralną, jest wykonywanie rozkazów i sterowanie pracą pozostałych bloków funkcjonalnych komputera; na procesor składają się gł.: układ sterowania, jednostka arytm.-log., zw. arytmometrem, oraz zespół rejestrów: rejestr rozkazów, licznik rozkazów, akumulatory i in.; procesor wykonuje kolejne cykle rozkazowe pobierając rozkazy i dane bezpośrednio z pamięci operacyjnej, składającej się z ponumerowanych (adres) komórek (przechowujących słowa bitowe). Urządzenia peryferyjne, dołączone do komputera najczęściej za pośrednictwem układów wejścia wyjścia, służą do komunikacji komputera ze światem zewn. (z użytkownikiem), np. klawiatura, monitor ekranowy, drukarka, mysz, joystick, pióro świetlne, skaner, ploter; do urządzeń peryferyjnych zalicza się też pamięci zewn., np. dyski magnetyczne i optyczne. Urządzenia peryferyjne w obecnie używanych komputerach pracują z reguły jako autonomiczne jednostki współbieżnie z procesorem. Zasada działania. Informacja w komputerze jest przedstawiona w postaci ciągu elementów ze zbioru dwuelementowego; elementy te są nazywane bitami i oznaczane symbolami 0 i 1; fizycznie są reprezentowane przez 2 różne stany elektrycznych lub magnetycznych układów komputera. Ciągi bitów o określonej długości, będącej zwykle wielokrotnością 8 (bajt), są zapisywane w komórkach pamięci bądź rejestrach komputera; ciąg taki jest zw. słowem maszynowym, a jego interpretację w danej chwili określa rodzaj wykonywanego na nim działania, np. gdy jest to działanie arytmetyczne, słowo jest traktowane jako zapis liczby (w określony dla danego komputera sposób; arytmetyka komputera); gdy jest to działanie log. słowo jest zapisem wartości log. itd. Każdy komputer ma ustalony zestaw działań, zw. listą rozkazów, z których są budowane programy. Rozkaz ma postać słowa maszynowego, składającego się z części operacyjnej (będącej zakodowanym działaniem) i części adresowej (informacja, na której to działanie ma być wykonane, lub jej adres, tzn. numer komórki pamięci zawierającej tę informację). W chwili gdy słowo znajduje się w rejestrze rozkazów, jest interpretowane jako rozkaz. Na wykonanie rozkazu składa się wiele operacji wykonywanych przez różne podzespoły komputera Operacje te tworzą tzw. cykl rozkazu jedną z nich jest wskazanie słowa, które w następnym cyklu będzie wprowadzone do rejestru rozkazów jako następny wykonywany rozkaz. Przejście do następnego cyklu następuje zaraz po zakończeniu aktualnie realizowanego w ten sposób przebiega samoczynne wykonanie sekwencji rozkazów, wymagające tylko zapoczątkowania (wprowadzenia do rejestru rozkazów pierwszego rozkazu). Program w języku wewnętrznym komputera to zatem zbiór słów, z którego wybiera on i wykonuje sekwencję rozkazów w opisany wyżej sposób (dla użytkownika program to zapis pewnego algorytmu). Opisana powyżej zasada wewnętrznego sterowania pochodzi od J. von Neumanna (1950). Oprogramowanie stanowi zespół programów wykonywanych przez komputer; określane często terminem ang. software, w połączeniu ze sprzętem komputerowym (elektron. i mech. części komputera), zw. dla przeciwieństwa hardware, tworzy system komputerowy. Do oprogramowania podstawowego zalicza się programy niezbędne do efektywnej eksploatacji komputera (ułatwiające użytkownikowi wykonywanie innych programów), zw. systemami operacyjnymi. Programy uruchamiane na danym komputerze pod danym systemem operacyjnym nazywa się programami użytkowymi bądź aplikacjami. Wśród nich specjalną rolę pełnią kompilatory, tłumaczące algorytmy zapisane w danym języku programowania na programy wykonywane przez komputer (ciągi bitów); są to programy używane gł. przez programistów. Do powszechnie używanych programów użytkowych należą: edytory tekstu, arkusze obliczeniowe, bazy danych, a także różne rodzaje gier komputerowych. Do bardziej wyspecjalizowanych należą programy do tworzenia grafiki (grafika komputerowa), a także wspomagające inżynierów i projektantów (CAD). Liczba programów wspomagających najróżniejsze rodzaje działalności ludzkiej stale rośnie, przy czym ich cena (zwł. oprogramowania tworzonego na specjalne zamówienie użytkownika) często znacznie przewyższa cenę samego sprzętu komputerowego. Rys historyczny. Do XVII w. jedynymi przyrządami ułatwiającymi liczenie były różnego rodzaju liczydła. Znaczny postęp nastąpił po odkryciu logarytmów (pałeczki Nepera, suwak logarytmiczny). W tym okresie powstały też pierwsze maszyny liczące (W. Schickard, B. Pascal, S. Morland, G.W. Leibniz), wykonujące mechanicznie operacje dodawania i odejmowania, a niektóre także mnożenia i dzielenia. Prawdziwych początków informatyki można się jednak doszukiwać dopiero w XIX w., gdy Ch. Babbage stworzył koncepcję automatycznej i uniwersalnej maszyny liczącej (projekt maszyny analitycznej, po częściowo skonstruowanej maszynie różnicowej), odpowiadającej w swej strukturze współczesnemu komputerowi: z pamięcią (magazynem) i jednostką liczącą (młynem), sterowaną programem zapisanym na kartach dziurkowanych; ok. 1800 takie karty zostały użyte przez J.M. Jacquarda do sterowania krosnem tkackim, a ok. 1890 przez H. Holleritha do automatyzacji prac przy spisie powszechnym w Stanach Zjednoczonych. Idee Babbage'a zostały zrealizowane dopiero przez matematyka amer. H. Aikena, który 1944 zbudował z przekaźników elektromechanicznych maszynę liczącą, znaną pod nazwą ASCC (ang. Automatic Sequence Controlled Calculator) lub MARK I i którą można uznać za pierwszy komputer. Era współczesnych komputerów rozpoczęła się w momencie zastosowania w nich elementów elektron. umożliwiających znaczne przyspieszenie wykonywanych działań; pierwszą całkowicie elektron. (zawierała 18 tys. lamp elektronowych) maszyną cyfrową był ENIAC (ang. Electronic Numerical Integrator And Calculator), zbud. 1946 przez amer. uczonych J. Mauchly'ego i J.P. Eckerta; ENIAC był ponad 1000 razy szybszy od MARKA I. W dalszym rozwoju komputerów rozróżnia się kilka etapów, zw. generacjami komputera: I. 1946 59, kiedy podstawowymi elementami komputera były lampy elektronowe, II. 1959 65 tranzystory, III. 1965 75 układy scalone, IV. od 1975 układy scalone wielkiej skali integracji (VLSI). Pierwszym uruchomionym w Polsce komputer był XYZ, wykonany techniką lampową, pod kierunkiem L. Łukaszewicza (1958).

Bibliografia:

http://pl.wikipedia.org/wiki/Ogniwo_słoneczne

www.modernhome.pl

www.elportal.pl

http://portalwiedzy.onet.pl

http://encyklopedia.pwn.pl/haslo.php?id=3979241

http://epuls.pl/mi,Obrabiarki-sterowane-numerycznie

http://poradnik.2lo.elblag.pl/800/historia_ibmpc-mp/definicja.html

---