От каменных орудий до компьютера. 2 страница

С развитием крупной машиной индустрии важное значение приобретают транспорт и связь. Возникают и распространяются рельсовые пути, изменяются способы тяги. В Англии Д.Стифенсон сконструировал паровоз. Строятся железные дороги, в частности в России между Петербургом и Царским Селом а затем и Москвой. Француз Р.Фультон в Америке построил пароход на котором установил паровую машину. Настоящий переворот в средствах связи произвело введение электромагнитной телеграфии. Изобретается фотография (светопись), которая постепенно входит в обыденную жизнь людей.

Технический прогресс стимулирует развитие науки, которая начинает превращаться в непосредственную производительную силу. Началось изучение созданных еще на эмпирической основе технических средств, крупные научные открытия вызвали к жизни новые технические средства.

Для этого времени характерна электрическая промышленность, развивающая всю технику ускоренными темпами. Источником электрического тока становится изобретенный бельгийцем З.Граммом генератор постояннного тока. Русский физик Б.С.Якоби в 1834 году изобрел первый электродвигатель постояного тока. Дальнейший прогресс в развитии электрических машин был связан с изучением и использованием переменного тока. Были построены Г.Феррарисом и Н.Тесла двухфазные электрические машины переменного тока. Однако основой современной электротехники стали машины трехфазного переменного тока, заслуга в создании которого принадлежит русскому электромеханику М.О.Доливо-Добровольскому. Одновременно решались задачи передачи электроэнергии на большие расстояния и электрического освещения. Строительство электростанций потребовало нового мощного двигателя. Были созданы вначале паровая, а затем реактивная и активная многоступенчатая турбины.

Растущий спрос на различные машины потребовал развития машиностроения. Электродвигатель как двигатель крупной промышленности стал внедрятся в производство в 80-е годы 19 столетия. Тогда же началось постоянное усовершенствование передачи электроэнергии от двигателя к рабочим машинам. В начале 20 века стал внедряться индивидуальный электропривод, что чрезвычайно упростило конструкцию станка и сделало излишним все многочисленные громоздкие ременные передачи. Ведутся работы по использованию электроэнергии для технологических процессов, в частности был разработан способ электросварки.

Огромные перемены происходят в металлургии- изменяются конструкции печей, усовершенствуется доменное оборудование, усиливаются воздуходувные средства. Г.Бессемером был открыт новый способ переделки чугуна в ковкое железо и сталь, получивший название по фамилии своего изобретателя. Мартен построил регенеративную пламенную печь. Наконец, английский металлург С.Томас полностью разрешил вопрос о переделки в сталь чугунов осуществив удаление фосфора из чугуна в шлак.

Большое развитие получает химическая технология. Развивается производство искусственных красителей, новый способ получения серной кислоты, способ получения поваренной соли.Бурно развивается нефтеперерабатывающая промышленность. Появился аппарат непрерывной перегонки нефти, был создан так называемый крекинг-процесс, т.е.процесс глубокой химической переработки нефти.

Таким образом, с 70-х годов 19 века до первой мировой войны в промышленности развитых стран была создана система машин, основанная на использовании электрического двигателя. Эта крупная машинная индустрия предъявила большие требования к строительству фабрично- заводских, банковских зданий, рынков, вокзалов, гостиниц. Хотя главным материалом оставался обоженный кирпич, в строительстве все чаще используется цемент, бетон, железобетон и стекло. Стимулирующее воздействие произвела машинная индустрия и на развитие транспорта. Выросла протяженность железных дорог, повлекшая за собой тунелестроение и мостостроение, большую роль начинает играть водный, особенно океанский транспорт где господствующее место занимает паровой флот.

Конец 19 века ознаменовался зарождением совершенно новых отраслей техники, которые получили развитие в последующий период. И.Райсом был изобретен первый телефонный аппарат впоследствии усовершенствоварнный Т.Эдисоном и Д.Юзом. Последний изобрел микрофон. Т.Эдисоном был предложен аппарат для записи и воспроизведения звука, названный им фонографом. Братья Люмьеры разработали конструкцию аппарата для съемки движущихся объектов, назвав его кинематографом. Одним из важнейших достижений науки и техники явилось изобретение русским ученым А.С.Поповым радио. А.Ф.Можайскому и затем братьям Райт принадлежит честь создания самолета - аппарата тяжелее воздуха. В авиационной и автомобильной промышленности получили широкое распространение двигатели внутреннего сгорания. А.Боде Рош предложил принцип четырехтактного двигателя, который был использован Г.Даймлером при конструировании им бензинового двигателя. Почти одновремено Р.Дизелем был создан двигатель внутреннего сгорания на тяжелом топливе - нефти. Все эти новые изобретения стали быстро использоваться на практике, что в дальнейшем привело к коренному изменению производства, сферы услуг и быта.

Логика развития науки и практики обусловили тот гигантский переворот в науке конца 19 - начала 20 веков, который по праву получил название революции в естествознании. Начало этой революции положил немецкий физик В.К Рентген, открывший Х-лучи названные впоследствии его именем как "рентгеновские". Английский физик Дж.Стоней дал первое количественное определение заряда атома, назвав этот заряд "электроном". Руский физикП.Н.Лебедев исследовал давление света. Эти исследования положили начало разработки электронной теории. В дальнейшем благодаря работам целой плеяды выдающтхс физиков были созданы планетарная а затем и динамическая модель атома (Дж.Томсон, Н.Бор), квантовая механика (М.Планк), теория относительности (А.Эйнштейн), которые в своей совокупности сформировали новую естественно-научную картину мира и явились прелюдией к бурному научно-техническому прогрессу 20 века.

В первой половине 20 века шло исключительно быстрое развитие электромашиностроения, автомобилестроения, тракторостроения, приборостроения, авиации, двигателей внутреннего сгорания и других отраслей машиностроения. Этот процесс обусловил глубокие изменения в производстве современных машин. Характерным в этом отношении является переход к массовому специализированному производству однотипной стандартной продукции и организация поточного производства.Высшей стадией развития поточного производства является непрерывность всего технологического процесса, основанного на полной автоматизации.

Процесс формирования автоматической техники, т.е. техники действующей без непосредственного участия человека в технологическом процессе, прошел длительный исторический путь своего развития. В так называемый домеханический период эволюции автоматизации первые автоматы возникли еще в глубокой древности. Ими были ловушки, изобретенные охотниками на заре человеческой истории. Позже, во времена античности были автоматы для продажи священной воды и вина, культовые автоматы. Устройствами, обеспечивающими их взаимодействие, были реечная, червячная и винтовая передачи, программирующие валики и кулачки. В механический период эволюции автоматизации последняя получила воплощение в машиной технике и механизмах, регулирующих их действие. Были созданы мельница и различные мельничные механизмы, механические счетные машины, автоматический ткацкий станок. С конструированием индивидуального электропривода начинается электрический период автоматизации. Основу этому периоду положило формирование поточного производства.

Современное поточное производство было впервые организовано на автомобильных заводах в США Генри Фордом. Затем массовое поточное производство получило распространение для производства отдельных деталей станков и в подшипниковой промышленности, где в одном технологическом цикле были задействованы полуавтоматы и автоматы. Одновременно узко специализированные станки целевого назначения постепенно потеснялись агрегатными станками которые позволяли выполнять на одном станке различные виды обработки изделий одновременно несколькими инструментами.

Агрегатные станки приобрели особое значение в связи с появлением и развитием автоматических станочных линий. Впервые такая линия была установлена в Англии в 1923-1924 годах для механической обработки блоков цилиндров и других крупных деталей. В России автоматическая станочная линия была создана в 1939-1940 годах по инициативе рабочего Волгоградского тракторного завода И.П.Иночкина. Она состояла из 5 станков соединенных конвейерами и предназначалась для обработки роликовых втулок гусеничных тракторов. Во время второй мировой войны, и особенно в послевоенные годы автоматические станочные линии агрегатных станков получили большое распространение на машиностроительных заводах. Успехи науки и техники позволили перейти от отдельных поточных линий к автоматическим цехам. Автоматические станочные линии соединяются друг с другом с помощью автоматических конвейеров, в результате чего создаются линии длинной в 500 м. и более. В 1949 году в России впервые в мире был построен автоматический завод по производству поршней. Его особенностью является то, что здесь автоматизированы не только механическая обработка, но и другие технологические процессы. Тем самым было положено начало комплексной автоматизации в машиностроении.

Прослеживая историю электрического периода эволюции автоматизации и тенденции его развития можно выделить три ступени этого периода. На начальной или частичной ступени автоматизации создаются отдельные станки с программным управлением, отдельные автоматические линии с контрольно-измерительными приборами. Здесь рабочий осуществляет общий контроль за ходом операций, ремонт и наладку техники.Только в этом последнем отношении он включен в технологический процесс, получая относительную свободу действий. При развитой или комплексной автоматизации, которая реализуется в форме заводов-автоматов, телеуправляемых гидростанций, человек не участвует непосредственно в процессе производства. Контроль и наладка осуществляется автоматически, т.е. без посредства человека. Наконец завершающая (полная) автоматизация представляет собой систему, обеспечивающую автоматическое функционирование всех без исключения участников производства - от проектирования (САПР- система автоматического проектирования) до выдачи готовой продукции. Такая автоматизация равнозначна по сути дела автоматическому производству в масштабах всего общества, что является делом сравнительно отдаленного будущего. Здесь из непосредственного производственного процесса устраняется не только труд рабочих, но и труд техников а также значительная часть инженерного труда.

Автоматизация заменила трехзвенную систему машин (двигатель - передаточный механизм - рабочая машина) четырехзвенной (появилось звено управления) и тем самым изменила место человека в производственном процессе. Человек все в меньшей степени воздействует на предмет труда, за ним закрепляются творческие операции, тогда как за техническими системами - стереотипные. Способности человека творчески управлять производством начинают играть главную роль.

В ходе технического прогресса появилась потребность воспроизводства в машине универсального движения человеческих рук. Эта потребность была удовлетворена появлением роботов, которые воспроизвели три человеческие функции: воспринимать внешнюю обстановку, оценивать ее и планировать свои действия в соответствии с заданием и активно воздействовать на внешнюю среду в ходе совершения предписанной работы. По этим функциям и результатам деятельности прослеживается аналогия человека и робота. Но внутренняя природа робота далека от биологической.

Упоминание о живых существах, созданных людьми и их напоминающим своим внешним видом и поведением можно встретить в древних мифах и легендах.Такими являются легенды о медном всаднике Талос (третий век до н.э.), обладающем чудовищной физической силой глиняном колосе Големе. Первые известия о реально существовавших искусственных творениях человека имевших сходство с живыми существами связаны с механическими куклами для увеселения высшего света: деревянной модели голубя вращающегося при помощи струи сжатого воздуха (350 г. до н.э.), "оживающих статуях" бога Динонисия и его жены Арианды в храме Дионисия. Подлинный расцвет подобного творчества начался в Европе с развитием механики, когда стали конструировать примитивные андроиды, т.е. человекоподобные механизмы. Р.Бэкон построил модель говорящей головы, А А.Магнус "железного человека". Одним из самых совершенных образцов технического мастерства в этом направлении является андроид "Писец": сидящая за столом девушка аккуратным почерком выписывает слова, фразы и даже может нарисовать собаку. В 20 веке наметился более ощутимый прогресс в создании роботов того вида, который характерен для них сейчас. Об этом свидетельствует и появление самого слова "робот", которое происходит от чешского слова robota, что означает принудительный труд. В английский язык это слово пришло из пьесы Карела Чапека "R.U.R" (Rossum,s Universal Robots - Россумские универсальные роботы). Роботы представлены как абсолютно человекоподобные, но бездушные и агрессивные по отношению к человеку. В реальности же дело ограничивалось созданием антропоидов, работающих по жесткой программе на различных выставках, имеющих крайне ограниченное применение.

Возникновение современной робототехники связано прежде всего с компьютеризацией производства, а более конкретно с появлением программных средств - языков управления роботами и операционных систем робототехнических комплексов. Большую роль в робототехнике сыграли появления станков с ЧПУ. Промышленная робототехника унаследовала от станкостроения основные принципы числового программного управления.Наконец немаловажную роль в развитии современной робототехники сыграло создание копирующих манипуляторов, которые предназначались для обслуживания контрольно-измерительной аппаратуры при проведении технологических операций в зонах, опасных для человека.

Современный робот является сложным техническим устройством, предназначенным для выполнения разнообразных работ с помощью рабочих органов, органов чувств и систем управления функционально заменяющих соответствующие человеческие органы. Такой робот состоит из следующих частей:

- механического манипулятора с захватным усройством, похожим на человеческую руку - элемента, унаследованного от копирующих монипуляторов.

- системы "органов чувств" - датчиков и двигательной системы, приводящий манипулятор в движение и впервые примененных в станках с ЧПУ.

- управляющем системы - мозга, состоящего из компьютера или специализированной решающей системы. т.е.элементов, взятых из вычислительной техники.

В процессе выполнения работы робот воспринимает информацию об окружающей среде от органов чувств, анализирует ее с учетом полученного задания и вырабатывает команды, выполнение которых обеспечивает успешное завершение работы. Промышленные роботы представляют собой многофункциональные манипуляторы с возможностью многократного программирования. Они обеспечивают комплексную автоматизацию производства, поскольку устраняют простые рутинные операции рабочего и ликвидируют его малоквалифицированные однообразные действия. Роботизация производства меняет стиль производства, делает его более экономным, рациональным, стандартным, укрепляет трудовую дисциплину и деловой ритм, исключает из технологического процесса влияние человеческих эмоций, утомляемость. невнимательность и повышают качество и ритмичность производства, уменьшает расходы, связанные с травматизмом и профзаболеваниями, сокращает расходы на социально-бытовые и культурные услуги.

Прослеживая историю развития робототехники можно выделить определенные этапы этого развития и соответственно поколения роботов.

Первый этап развития робототехники начался с выдачи патента американским инженерам Д.Диволу и Д.Энгельбергеру на "программный способ перемещения предметов". Реализацией этого патента стало создание "автоматического программируемого аппарата" с числовым программным управлением в 1958 году. Это были роботы первого поколения, которые работали по жесткой программе управления. Они не обладают качествами, которые позволяют им полностью заменить человека даже на наиболее простых участках производства, требующих утомительного монотонного труда. Сфера применения роботов первого поколения ограничена теми производственными процессами, в которых принципиально возможна и экономически целесообразна организация жестко заданной окружающей среды, позволяющей работать по заданной программе. Они в большинстве случаев применялись для перемещения деталей, инструментов или технологической оснастки между оборудованием. Такие роботы широко распространены и теперь с разнообразием своих конструкций и применяются в механической обработке, литейном производстве, радиоэлектронной промышленности,медицине, в космических исследованиях.

Второй этап развития робототехники начинается с создания систем очувствления роботов, которые позволяют роботу расширить свои возможности, упростить требования к вспомогательным системам, освоить более сложные операции. Роботы второго поколения получили в свое распоряжение технические системы и датчики, аналогичные органам чувств человека: зрение, осязание, обоняние, слух. Роботы второго поколения - это адаптивные роботы, работающие по гибкой программе, "киберы", наделенные системой "очувствления", блоками обработки информации и управления.

Третий этап развития робототехники только начинается. Для этого этапа характерно стремление придать роботехническим системам наряду с сенсорными возможностями некоторые черты интеллекта человека. Роботы третьего поколения - это роботы, которые имеют такие способности как делать логические выводы из неполных и противоречивых данных, накопление опыта, корректировка поведенческой активности.. Роботы третьего поколения - это интегральные устройства, представляющие собой технические системы, способные распознавать неизвестную, быстро меняющуюся обстановку, автоматически оценивать ситуацию и принимать решения о последующих действиях. Возникающие при создании таких роботов теоретические и технические проблемы решаются в тесной связи науки и техники о чем будет идти речь в дальнейшем.

Благодаря автоматизации и роботизации человек уходит из сферы материального производства в область информационного обслуживания. Объем информации, ее сложность непрерывно возрастают как возрастает и необходимость ее быстрой обработки и выдачи. Человек сам уже не может справиться с теми информационными задачами, которые возникают не только в ходе его производственной деятельности,но и в процессе его жизнедеятельности вообще. На помощь человеку приходит вычислительная техника.

Люди уже давно использовали различные технические средства. Более 1500 лет назад были изобретены счеты, которые вплоть до 17 века оставались практически вне конкуренции. Затем началась эпоха популярности создания счетных устройств. Теолог и математик Д.Непер разработал логарифмы, которые позднее были встроены в логарифмическую линейку. На основе логарифмов Б.Паскаль создал вычислительную машину механического типа. В 1673 году Лейбниц изготовил механический калькулятор. В 1804 году Ж.Жаккард изобрел перфокарты. После разработок Ч.Бэббиджем принципов работы вычислительных машин и используя перфокарты американец Г.Холлерит в 1870 году создал статический табулятор для обработки переписи населения США. Он организовал фирму по производству табуляционных машин, которая после нескольких перенаименований и слияний в 1924 году получила называние IBM (Internacionai Business Machines Corporation). К началу 20 века были созданы все предпосылки для научного подхода к проблеме создания вычислительных систем, всю историю которых можно разбить на ряд этапов и соответствующих поколений ЭВМ.

Идеи создания ЭВМ возникают одновременно и независимо друг от друга в конце 30-х - начале 40-х годов в четырех странах: США, Великобритании, Германии, СССР.

В 1937 г. Дж.Атанасов (США), работая над докторской диссертацией по физике столкнулся с большим объемом вычислений и у него возникает идея эти вычисления автоматизировать. Вместе со своим аспирантом КЛ.Берри он создает настольную работающую модель ЭВМ п продолжает над ней трудиться до 1942 г., когда его работы были прерваны войной. В 1942 г. инженер фирмы ИБМ (США) А. Фелирс создал модель эдектронного множительного устройства. В конце 30-х годов С.А.Лебедев приступил к конструированию ЭВМ. работы над которой были прерваны войной. Весной 1945 г. в США была построена ЭНИАК,содержащая 18000 электронных ламп. В 1943 г. в Лондоне была построена машина "Колос" на 1500 электронных лампах. В 1946 г. Дж. фон Нейман предложил ряд новых идей организации ЭВМ на основе которых была создана архитектура ЭВМ. Первая ЭВМ с хранимой программой была создана в Великобритании в 1949 г. (машина ЭДСАК, конструктор М. Уилкс). Первое поколение ЭВМ создавалось на основе электромеханического реле, а впоследствии на электронных лампах в 40-50 годах. Впервые была осуществлена автоматизация процесса долгих и сложных вычислений. В 1941 году немецкий инженер Конрад Цузе разработал "программно-управляемое устройство Z3", основанное на двоичной системе счисления. В США чуть позже - в начале 1943 года Говард Эйкен создал вычислительную машину Марк-1, которая как и Z3 была создана на ограниченной базе механических реле,возможности которых к этому времени были практически исчерпаны. В конце 1943 года в Англии под руководством Алана Тьюринга на основе 2000 электронных вакуумных ламп была построена более мощная ЭВМ "Колосс", а в 1949 году был создан под руководством Мориса Уилка первый в мире универсальный компьютер "EDSAC" - электронный автоматический калькулятор с памятью на линиях задержки. Наконец в СССР в 1949-1951 годах в Киеве под руководством С.А.Лебедева была создана первая в нашей стране ЭВМ - Малая Электронная Счетная Машина (МЭСМ), а через год в Москве начала работать Большая Электронная Счетная Машина (БЭСМ), на которой впервые в мире были установлены более надежные и быстродействующие оперативные запоминающиеся устройства на ферритовых кольцах.

Второе поколение ЭВМ появилось в конце 50-х годов. Ненадежные и употреблявшие много энергии вакуумные электронные лампы были заменены транзисторами, что, с одной стороны, уменьшило габаритные размеры ЭВМ, а, с другой, - повысило степень их надежности. Второе поколение ЭВМ позволило существенно расширить сферу использования вычислительной техники, приступить к созданию автоматических систем управления.

1 июля 1948 года в газете "Нью-Йорк таймс" было помещено сообщение об изобретении нового устройства - транзистора, который можно применять вместо электронных ламп. Транзистор представляет собой германиево-кремниевый кристалл величиной с булавочную головку заключенный в металлический цилиндр длинной около сантиметра. Электроника вступила на путь минитюризации. Но полупроводниковая электроника боялась механических повреждений и химических загрязнений неизбежных при сборке и пайке схем вручную. Возникла более перспективная технология изготовления интегральных схем: создание транзисторов на плате а проводящие соединения между ними напылением металла в бороздки. В силу этого появилась тенденция автоматизированного производства интегральных микросхем.

Третье поколение ЭВМ появилось во второй половине 60-х годов, когда фирма IBM разработала первую систему машин IBM-360 на основе интегральных схем.

Инженер фирмы "Intei" Маршиан Эдвард Хофф - младший заменил несколько жестко специализированных микросхем одной универсальной, названной впоследствии микропроцессором. 7 апреля 1964 года корпорация IBM объявила о создании семейства вычислительных машин - "Система- 360". Каждая машина этой системы была универсальной со стандартизированными принципами программирования и интерфейса ввода-вывода. Появилась возможность заменят и добавлять различные элементы ЭВМ. Был предложен широкий набор периферии и программного обеспечения. Появился монипулятор типа "мышь" и диалоговый интерфейс человека с компьютером что дало возможность работать с компьютерам людям различных не связанных с электроникой специальностей.

Четвертое поколение ЭВМ своей конструктивной основой имеют интегральные микросхемы с большой (БИС) и сверхбольшой (СБИС) степенями интеграции, содержащие тысячи и сотни тысяч транзисторов на одном кристалле. Достигается дальнейшее упрочение контактов человека с ЭВМ путем повышения уровня программирования, значительного развития периферийных устройств. Появляются разработки, реализующие голосовую связь с ЭВМ.

В 1979 году фирма IBM выпустила свой первый персональный компьютер IBM-PC, чем положила начало новой индустрии. Созданы многопроцессорные ЭВМ реализующие параллельную обработку данных на основе которых ведутся работы по созданию искусственного интеллекта. Начал выпускаться процессор "Pentium" который позволяет создавать многопроцессорные персональные системы.

С конца 80-х годов наступает период пятого поколения в развитии ЭВМ. Машины этого поколения коренным образом отличаются от машин предшествующих поколений как тем, что они строятся на основе сверхбольших ИС, так и по своей структуре. Структура фон Неймана сохраняется в виде ядра, вокруг которого вырастают новые блоки. Блок общения обеспечивает интерфейс между пользователем и ЭВМ на языке, близком к естественному. Важное место в структуре занимает база знаний определенной предметной области. Блок- решатель организует подготовку программы решения задачи. Широко используются модели и средства, разработанные в искусственном интеллекте. К 1990 г. было изготовлено 150 млн.ЭВМ пятого поколения. Это поколение компьютеровнаходятся на стадии разработки и должно обладать возможностью взаимодействия с человеком при помощи человеческой речи и графических изображений, способностью обучаться, производить ассоциативную обработку информации, делать логические суждения, вести "разумную" беседу с человеком в виде вопросов и ответов.

Более того, рождается новое направление - интегральная логика, основанная не на потоке электронов, а на потоках света. В ЭВМ каждое переключение реализует передачу единицы информации. В оптических ЭВМ (ОВМ) такое переключение будет нести огромный объем информации, а быстродействие в принципе может достичь порядка миллиарда операций в секунду и идти со скоростью света. В ОВМ вместо машинных могут быть использованы естественные языки и средства речевого диалога что значительно повысит интенсивность и эффективность общения человека и машины. Новый качественный скачек возможен и в микроминитюризации машин путем превращения единичных молекул в элементы электронных схем а в перспективе может привести к созданию биокомпьютера. Уже сейчас есть определенные практические подвижки в этом направлении. Так, в Японии создан новый материал путем охлаждения молекул до почти абсолютного нуля с последующим облучением лазерным лучом. Этот материал позволяет записывать до 10 млрд. бит на одном квадратном сантиметре.

Таким образом, электронно-вычислительная техника за короткий период времени своей эволюции проделала такой стремительный путь, с каким не сравнится ни одно изобретение. Рост средней производительности ЭВМ в процессе этого развития можно изобразить следующим образом (рис. 1). !Неожиданный конец выражения

Рис.1. Рост средней производительности ЭВМ (25,72).

Автоматизация, роботизация и комьютеризация производства стимулировали появление и развитие других отраслей техники. Возникает атомная энергетика, дальнейшее развитие получает химизация производства и металлургия, гигантскими шагами развиваются средства транспорта, телевидение, человек создал космическую индустрию и вышел в безграничные просторы Космоса.

Дата добавления: 2014-12-29