Глава 17. Организация НИОКР при ограниченных финансовых ресурсов

Работы по разработке САС могли бы осуществляться также малыми научными коллективами и отдельнами исследователями по упрощенным вариантам с привлечением ограниченных финансовых,материальных и людских ресурсов.Прежде всего речь идет об отработке отдельных технологических процессов и видов оборудования на действующих моделях и лабораторных приборах.Но не исключены попытки создания полность работоспособной малогабаритной САС.История знает примеры,как гениальные одиночки в технике и науке не раз творили чудеса.Степень упрощения может варьировать в очень широких пределах в зависимости от финансовых и производственных возможностей исследователей.Ниже будет рассмотрен один из паиболее упрощенных вариантов САС с максимальным использованием самодельного,бытового и лабораторного оборудования.

Сразу надо сказать, что при ограниченных финансовых возможностях бесполезно пытаться создать полностью самовоспроизводящуюся систему.Поэтому сразу ориентироваться на разработку САС,которая будет получать со стороны сложные узлы (микросхемы, другие электронные компоненты, прецизионные подшипники и т.д.) и дефицитные материалы.

Возможны разные варианты технической реализации проекта. Лучше начать с наиболее простого, рассчитанного на использование в качестве источников энергии и сырья - торфа и глины. Позже можно проработать другие схемы с использованием солнечной, ветровой, растительной, волновой энергии, сырьевых ресурсов свалок, пустынь, болот и даже моря (грунта, конкреций, солей) и космоса.

В рассматриваемом варианте на САС торф газифицируется для выработки электроэнергии, отопления и для синтеза углеводородов, спиртов с последующим получением из них смазочных масел и смазок, СОЖ, полиэтилена (для изоляции проводов), эпоксидной смолы (для склеивания, окраски, компаундов), парафина (для литейных моделей), бутилкаучука (для резиновых деталей); флотоагентов (окисленных углеводородов), растворителей (толуол, ксилол, бензин и т.д.), а также получение из торфа активированного угля, угольных электродов (криптола и т.д.), сажи для резины. Из глины выделяются высокоградиентной магнитной сепарации железные минералы, восстанавливаемые затем до губчатого железа с последующей пластической и выплавкой из него стальных изделий. Из глины азотнокислым выщелачиванием выделяют глинозем с последующей выплавкой алюминия (для электропроводов, легирования стали), и получения режущего инструмента (керамические резцы, шлифовальные круги), соединения натрия, калия, магния и кальция (для получения щелочей, стекла, жидкого стекла, цементов), а также отделения кварцевого песка и аморфного кремнезема (для огнеупоров, покрытия литейных форм, жидкого стекла).

Подробнее описываемый технологический процесс изложен на схеме на стр....

На рисунке... дана схема размещения и состав оборудования САС. Кратко рассмотрим устройство и назначение основного оборудования, показанного на рисунке.

1) Платформа с рамой из центральной продольной и поперечных балок и защитным кожухом;

2) Винтовые упорные стойки для горизонтального выравнивания платформы (выставляет подвижный робот);

1а) - выдвигаемый в бок защитный кожух места постройки дочерней САС;

3) Два задних колеса с цепным приводом;

4) Переднее поворотное колесо (с червячным рулевым механизмом);

5) Бункер для торфа;

6) Бункер для глины;

7) Газогенератор пылевидного торфа;

8) Газоочиститель (емкость с кольцами);

9) 2-х тактный газодвигатель;

10) Электрогенератор;

11) Редуктор с ременным приводом от газомотора для привода ходовых колес и троса перемещения вдоль платформы подвижного робота; транспортной тележки, монтажного крана;

12) Высокоградиентный электромагнитный сепаратор (с водяным охлаждением), отфильтровывающий через зазор (14) со стальной ватой (в тонкостенной резиновой трубке) из глиняного раствора (приготовленного в аппарате 13) железистые минералы (отделяя их от ваты периодической промывкой водой);

15) Высокотемпературная трубчатая электропечь (до 1000°С) с воронкой с импульсным дозатором (для подачи жидкого и твердого сырья и катализаторов); криптоловым электронагревателем (17), водяной рубашкой охлаждения (18); тарельчатым разгрузочным устройством (19). Печь используется для восстановления железа, обжига криптола, глины, пиролиза углеводородов, крекинга парафина и т.д.

20) Ректификационная железная колонна высотой 1 м с насадкой из колец Рашига, электрообогревом (спиралью из железной проволоки), рубашкой с теплоизоляцией (из торфа), дефлегматором (21) и трубчатым водяным холодильником (22), с пароструйным насосом (23) для вакуумной ректификации;

24) Многоцелевой аппарат (футерованный эмалью или полимерами) с мешалкой, рубашкой для охлаждения/нагрева, обратным холодильником, баработажной трубкой, импульсным дозатором, соединенный с ректификационной и фильтровальной колоннами (25). Предназначен для флотации, выщелачивания (глины); упаривания, окисления (парафинов), синтеза (масел, сож, эпоксидной смолы и др.).

26) Автоклав (до 30 атм., можно из газового баллона) с рубашкой охлаждения/нагрева, мешалкой, барботажной и отводящей рубкой, манометром, газовым редуктором. Для получения углеводородов, полиэтилена, жидкого стекла, острого пара.

27) Адсорбционные колонки (2 шт) для выделения углеводородных газов (этиленов и др.) на активированном угле (поглощение газа, продувка пара, сушка);

28) Гальванопластическая ванна с центральным анодом в чехле (для губчатого железа) и кольцеобразными объемными катодами разного диаметра для формовки листов, труб, лент, в т.ч. вытягиванием винтовым устройством с приводом (29). Имеет насос с фильтром, нагреватель, регулятор кислотности;

30) Колокольный электролизер водных растворов - герметичная емкость со сменными электродами (железными, угольными), один из которых находится в воронке (колоколе). Для получения хлора, щелочей, водорода, кислорода.

31) Диафрагменный электролизер расплавов с внешним нагревом для получения алюминия из глинозема, натрия - из едкого натрия. Состоит из угольного тигля, с внешней шамотной футеровкой, заполненного крилитом с 10% глинозема, закрытого сверху крышкой с угольным анодом и газоотводной трубкой и помещенного в электропечь.

32) Камерная качающаяся электропечь сопротивления (до 1500°) для тигельной плавки стали и других металлов, термообработки деталей (закалки, отжига, нормализации, цементации), коксования торфа, обжига угольных электродов, плавки стекла, обжига керамики, эмалированных деталей. Имеет тросовый привод качания печи и поднятия дверцы. Нагревательный элемент - насыпанный на полу камеры криптол;

33) Вибрационный электропривод с мельницей (емкость со стальными шарами), грохотом (набор решет), формовочным столом (для уплотнения литейных форм и очистки отливок от форм);

34) Гидропресс усилием 5-12тс (на базе домкрата) вертикальный с 4-х или 2-х колонной станиной с приводом рычага домкрата через кривошип редуктором с мотором (или от редуктора силового агрегата) и возвратом плунжера домкрата с помощью сильной пружины и запорного клапана, управляемого электромагнитом (например, тяговым реле от стартера). Вместо гидропресса возможен винтовой пресс на базе больших слесарных тисков (или трубных тисков) с маховиком фрикционным 2-х дисковым реверсивным приводом от редуктора мотора (или редуктора силового агрегата). Пресс предназначен для ковки заготовок, штамповки деталей из листового материала, прессование керамики, металлопорошковых, резиновых, пластмассовых изделий, экструзивное выдавливание пластмассовых и резиновых изделий;

15) Многоцелевой прецизионный металлорежущий станок на базе настольного токарно-винторезного с удлиненной (составной) станиной, и широким суппортом-столом. Станок имеет:

а) Вертикальную стойку каретки с винтовой подачей горизонтального шпиндель-мотора, устанавливаемой на суппорт для обработки крупногабаритных деталей, закрепленных неподвижно вдоль станины станка; для шлифовки деталей;

б) Поворотный стол с делительным приспособлением (редуктор с приводом), устанавливаемый на суппорт для нарезки шестерен, 4-х сторонней обработки деталей, намотки провода в крутильных и изолировочных, волочильных работах;

в) Расточную и хопинговальные головки;

г) Волочильную доску, устанавливаемую на суппорте;

д) Крутильно-изолировочное приспособление - диск с катушками проволоки по периферии, закрепляемый в шпинделе станка, и экструзер;

е) Устройство для рядовой намотки проволоки - катушка с исходной проволокой перемещается с суппортом вдоль наматываемой и вращаемой на шпинделе станка детали;

ж) Устройство вытягивания стекловолокна (для теплоизоляции и т.д.) и намотки стеклянных колец (для насадок) из штапиков. Штапики опускаются вертикальной стойкой через нагревающее кольцо (на суппорте) на вращающийся на шпинделе барабан (стержень).

Для упрощения изготовления все направляющие станины, суппорта и вертикальной стойки можно сделать в виде круглых стержней. Круглые направляющие и продольный ходовой винт - составные с запрессовкой торцов.

Все патроны станка - 3-х кулачковые самозажимные с электромагнитной (или пневматической) тормозной колодкой для зажима/разжима кулачков патрона.

Перемещение задней бабки - автосцепом с суппортом (до упора в центровое отверстие детали). Все приводы подач, поворотного стола, шпинделей - с датчиками обратной связи в виде пары: светодиод - фотодиод и диска с отверстиями между ними, вращающихся вместе с рабочим валом привода.

Для упрощения механики станка все подачи можно соединить через гибкие валы с одним приводом (мотор-редуктор), установленным вне станка и переключаемого на вал соответствующей подачи с помощью зубчатой передачи и электромагнитных муфт зацепления каждой из них с передачей. По данным датчиков обратной связи каждой подачи ПЭВМ будет корректировать время и направление работы общего привода. Подачи будут работать только последовательно, что замедлит работу станка, зато отпадет необходимость делать к каждой подаче редуктор и мотор.

36)- Высокоточный сборочный робот (покупной): грузоподъемностью 0,5-2 кг, вылетом руки - до 1 м, точностью позиционирования - не менее 0,1 мм, с 5-6 степенями свободы. Близкие характеристики имеют следующие роботы, поставляемые западными фирмами:[70]

Модель (фирма)	Тип робота	Грузо-подъем-ность (кг)	Точность позициони-рования (мм)	Число степеней свободы	Макс. вылет руки (м)	Масса (кг)	Цена (тыс. дол.)
V-5 (A.J.D., Франц.)	Скара		0,05		0,7	...
JRb1000 (ASEA, Швед.)	Маят.	3(6)	0,05	6-9	1,0		5,3
SR600 (Бош)	Скара	2(5)	0,01	2-4	0,6
PT-200H (Dainichi kiko Co., Япон.)	-//-		0,05		0,45
MMS (GW-Elektronik нем.)	-		0,15	3-5	0,65		31-35
A 3020 (Hitachi, Япон.)	Скара		...	3-4	0,7
A 4010 H/HC (-//-)	-//-	1(2)	0,1		0,5
A4020 P (-//-)	-//-		0,05		0,7		37-30
M 100 (Mentool, Нем.)	Мо-дульн.	0,5(1)	0,025	4-8	...		20-26
Puma 550, 560 (Westinghouse Electronic Co., США)	-	2,5(6)	±0,2		0,92

Цены пересчитаны по валютному курсу 1985 г. (1 дол.=7,65 фр.=2,46 нем. марок).

Основные сменные приспособления и оборудование робота:

а) 2 телекамеры (на запястье) и одна общего вида со своим приводом и освещением, устанавливаемая над сборочным местом;

б) поворотный сборочный стол и сборочная тележка (для длинномерных узлов)4

в) сварочный инструмент:

- электродержатель с питающим проводом для дуговой сварки;

- клещи электроконтактной сварки;

- устройство ультразвуковой сварки алюминиевых микропроводов, плат, контактов электронных деталей с генератором УЗ-колебаний;

г) схваты:

- с вакуумными присосами - для листовых материалов;

- эластичные 3-х пальцевые - для деталей сложной формы,

- 2-х пальцевые с лапками с 3-х угольными пазами для захвата деталей типа тел вращения;

- грейфер для сыпучих грузов;

- патрон с самозажимом и стационарным приводом через гибкий вал - для работы гайковертом, дрелью;

е) измерительный щуп с тензородатчиком (для измерения размеров деталей);

ж) шприц-клапан для дозированной подачи клея, химикатов, смазки, краски.

Передвижной робот (на схеме нет) - имеет ту же конструкцию и параметры. Что и сборочный, но установлен на 4-х колесную тележку с тормозом и приводом от зубчатой рейки (составной), проложенной вдоль транспортного прохода. Имеет те же приспособления, плюс грузовую тележку с автосцепкой, магазинами для перевозки сверл, фрез, других инструментов, деталей и материалов. Робот предназначен для обслуживания камерной электропечи, литейной установки, вальцов, пресса, станка, для монтажа совместно со сборочным роботом или монтажным краном, для замены инструмента, оснастки, смазки и чистки оборудования, складирования заготовок и деталей, ремонта и демонтажа отдельных узлов, монтажа корпуса, прокладки коммуникаций (эл. проводов, трубопроводов и т.д.).

37) Монтажный кран - грузоподъемностью до 100 кг, консольного типа с поворотной башней на 4-х колесной тележке. Тележка имеет тросовый привод от мотор-редуктора с барабаном, стоящего в торце транспортного прохода (или от редуктора силового агрегата). Поворот башни и подъем груза - от одного переключаемого привода. Можно для этого использовать автомобильный стартер с автолебедкой как редуктором и маховик с зубчатым ободом в качестве зубчатого колеса поворота башни, закрепленных на тележке. Груз крепится на полужесткой подвеске (в виде параллелограмма из уголков, сжимаемого/раздвигаемого поднимаемым тросом с грузом). Кран предназначен для перемещения крупногабаритных заготовок и деталей (установки рядом со станком и т.д.), совместной сборки с роботами крупных узлов и машин в целом, монтаж оборудования в дочерней САС, демонтаж оборудования, требующего ремонта или замены. Монтаж и точную установку оборудования кран осуществляет совместно с передвижным роботом, который, воздействуя на полужесткую подвеску, ориентирует посадочные места опускаемой машины на размещенные на колу точки крепления ее. Закрепление ее болтами и подсоединение коммуникации ведет робот. Кран оснащен телекамерой на конце консоли и сменными схватами для груза.

40) Управляющий компьютер (типа Пентиум III) с видео картой оцифровки изображений телекамер и платы ЦАП-АЦП для управления оборудованием и обратной связи с ним. ЭВМ работает в последовательном режиме, управляя одновременно одним приводом и снимая показания с одного датчика. Программно закладывается возможность «обзвона» большого числа работающих датчиков и быстрого поочередного съема их показаний.

Должна быть предусмотрена возможность ручного управления любым оборудованием с одновременным программированием компьютером этого процесса по данным датчиков обратной связи и измерительных приборов.

Основная сложность программирования и потребитель вычислительных ресурсов компьютера - системы технического зрения, хотя распознавать изображения в реальном времени вычислительной мощности компьютера не хватит, но скорость обработки отдельных телекадров будет достаточной для проведения сборочных работ. Так, микро-ЭВМ «Электроника 60» (с быстродействием 250 тыс. опер./сек. (это в 2 тыс. раз меньше, чем у процессоров Пентиум III) с телекамерой Электроника Л801» распознавала детали с вероятностью 0,67 за 0,15-1 сек с точностью вывода схвата робота до 1 мм. Все 4 телекамеры связаны с компьютером последовательно через один видеовход и видеокарту оцифровки.

39) Коммутатор пневмо- и электроприводов - состоит из золотникового пневмораспределительного механизма (цилиндра с двойным поршнем и штоком и штанги с бегунком-контактом), перемещаемого по ряду электроконтактов включения разных электроприводов. В боковую стенку цилиндра золотника ввинчены штуцеры шлангов подводки воздуха ко всем пневмоприводам САС. Шток золотника - полый, соединенный с внешним концом через гибкий шланг с компрессором, а другим концом выходящий в зазор между двумя поршнями. Перемещением штока по золотнику создает воздухопровод через шток и штуцер соответствующего пневмопривода. Золотник и штанга перемещается винтовой парой с приводом от шагового двигателя (двигатель от принтера вместе со всем интерфейсом управления от компьютера).

41) Аппарат электродуговой сварки.

42) СВЧ-устройство для нагрева и закалки деталей.

38) Самоходная гусеничная добывающая радиоуправляемая машина (можно на база детской игрушки) с навесным фрезерным барабаном (39) для рыхления торфа, глины и прицепным скрепером (40) для подбора высохшего торфа и рыхлой глины. Барабан и скрепер поднимаются и опускаются лебедкой с веревкой (привод общий с ходовой частью). Для управления ее используется телекамера наружного наблюдения.

Вдоль одного борта САС по краю платформы расположен транспортный проход для перемещения крана и подвижного робота, обслуживающих с одной стороны, установленное в ряд оборудование САС, а с другой - формирующие элементы дочерней САС и монтирующие в ней оборудование (с использованием установленных в начале робота и крана дочерней САС).

Для контроля состава и свойств сырья, химикатов, материалов система должна иметь также газовый хроматограф, спектрометр, ультразвуковой дефектоскоп, твердомер, рН-метр (на схеме не показаны).

Описана САС минимальной конфигурации и сложности для начала исследовательских работ. В дальнейшем может потребоваться изменение ее состава, дополнение другим оборудованием и приборами.

Чтобы обеспечить повышенную надежность работы системы обязательно создание сдвоенной САС, с полностью продублированным оборудованием и общим транспортным проходом, чтобы в случае выхода из строя какого-то оборудования на одной половине САС, его функции на себя взяла бы вторая половина САС (пока оно ремонтируется). См. рисунок на стр....

В далекой перспективе возможно видимо создание САС с полностью замкнутым циклом, имеющие стерильный «инкубатор» для изготовления и полной обработки полупроводниковых пластин и выпуска разных микросхем, других электронных компонентов без использования редких дефицитных материалов.

Все детали оборудования и корпуса САС должны быть спроектированы так, чтобы облегчить роботизированную сборку (шире применять соединения деталей с большими фасками и вставляемых в вертикальные плоскости; клеевой метод и т.д.), упростить конструкцию машин (например, безредукторные дисковые электромоторы с печатными обмотками, электронные датчики и регуляторы частоты вращения моторов, подшипники скольжения вместо качения и т.д.), снизить расход дефицитных материалов, иметь небольшие размеры и вес, чтобы можно было использовать малогабаритную литейную установку и металлорежущий станок.

Работа над проектом будет включать в себя несколько последовательных этапов: 1) сборка 2 роботами из покупных деталей и узлов третьего роботоспособного; 2) сборка и установка всего оборудования новой САС, монтаж ее корпуса 2 роботами и монтажным краном из готовых деталей под наблюдением оператора; 3) отработка технологии изготовления материалов и сборка их в стационарных условиях; 4) доведение продолжительности безлюдной технологии изготовления дочерней САС до 20 тыс. часов наработки на отказ и более; 5) испытания САС в полевых условиях.

Начальная стоимость вложений в проект будет определяться ценой 2 роботов, системы технического зрения с 4-5 телекамерами и компьютером, и металлорежущим станком, и может колебаться от 50 тыс. до 150 тыс. дол. Остальное оборудование - либо самодельное, либо имеющее незначительную стоимость (редукторы, электромоторы, вальцы, бензомотор, муфельная электропечь и т.д.).

В случае успешной реализации проекта после размножения САС до требуемого уровня путем изменения программного обеспечения они переключаются на выпуск электроэнергии, синтетического топлива, химикатов, металлоизделий, бытовой техники и медикаментов, а после доизготовления дополнительного оборудования и автоматической теплицы - готовых жилищ, одежды, продуктов питания и т.д. Объектом продаж может быть либо продукция, выпускаемая САС, либо сами САС, реализуемые отдельным домохозяйствам.