Marek Powichrowski
Felieton

Koledzy inżynierowie

Lato Anno domini 2006 było suche i gorące. Nasze rodzinne wyprawy rowerowe za miasto musieliśmy przesunąć na godziny wieczorne. Dopiero po zachodzie słońca można było złapać łyk chłodniejszego powietrza. Ale też dzięki temu odkrył się przed nami nowy, nieznany dotychczas świat – świat zwierząt, które o tej porze pozostawały w głębokim przekonaniu, że człowiek już w tym czasie raczej robi sobie kolację niż zapuszcza się na leśne ścieżki. Dzięki temu oswoiliśmy ze swoim widokiem młode sarenki ciekawie nam się przyglądające. Zając dłuższą chwilę nam się przyglądał zanim postanowił w kilku susach znaleźć się w gęstwinie lasu. Najzabawniejsza historia była z borsukiem, któremu zmierzch i cisza wieczoru uśpiła czujność tak, że zaintrygowani spowodowanym przez niego hałasem zaczęliśmy się zastanawiać co też może tak buszować w wyschniętym w wyniku suszy strumieniu. Borsuk leniwie poruszał się i wynurzył się wprost na mnie. Zdumiony widokiem, którego zupełnie się nie spodziewał zamarł w bezruchu. Trwał tak chwilę, po czym odwrócił się i z prędkością, której u niego wcześniej nie podejrzewałem zniknął w leśnych krzakach. Innym razem widzieliśmy bawiące się dwa małe liski, które radośnie buszowały na leśnej polanie. Na podleśnych łąkach spotkaliśmy również potężnego łosia, który na nasz widok i na nasze szczęście postanowił się od nas oddalić. Ale największe wrażenie wywarły na nas bobry. W znanym nam miejscu, w którym spotykaliśmy borsuki postanowiliśmy w ciszy poczekać czy wynurzą się ze swoich nor. Zmierzch gęstniał i tylko na stojących w pewnej odległości od nas rowerach migały czerwone tylne lampki pozycyjne. I wtedy z mroku wynurzyły się dwa bobry zaintrygowane błyskami światła. Zbliżały się i uciekały. Po czym zżerająca je ciekawość znowu pchała je do rowerów. Po jakimś czasie musiały wyczuć naszą obecność bo zniknęły za namową instynktu w gęstwinie porastającej wyschnięty strumień.

I tak trwało nasze poznawanie tego innego świata przez całe lato. Trawy zaczęły więdnąć i ukazywały obszary dotychczas niewidoczne. Wówczas zauważyliśmy, że jedno z drzew jest wyraźnie podgryzane przez bobry. Miejsce to wydało nam się interesujące. Przeszliśmy przez nasyp i zobaczyliśmy początki budowy tamy. Podziwialiśmy przemyślaną konstrukcję inżynierską. Tama była zbudowana z nagromadzonych patyków i gałęzi. Ale od strony lustra wody (pod wodą) było zbudowane łagodne podejście z zepchniętego piasku. Powodowało to minimalizację nacisku masy wody na podstawę tamy. Takie rozwiązanie wymagało wiedzy z podstaw fizyki! Skąd bobry mają taką wiedzę? A jeżeli ją mają, to jak ją przekazują następnym pokoleniom? Przyglądając się sposobowi podgryzania drzew nie sposób nie zauważyć, że i tu muszą mieć „fizycznego” nosa, ponieważ podgryzają drzewo w taki sposób, że pada w poprzek strumienia.

Tama rosła i rosła. Wzrastało spiętrzenie lustra wody i już z daleka słychać było szum. Aż pewnego dnia, zbliżając się do tego miejsca nie usłyszeliśmy charakterystycznego szumu. Okazało się, że tama została zburzona! Zważywszy na suszę tego lata i na zaniedbania rolników, którzy sami nie dbają o zastawki na przygotowanych ręką ludzką tamach marniejących z roku na rok, uznaliśmy to za barbarzyństwo. Łąka przez którą płynie strumień od lat nie była koszona. Trawa na niej była marna i nie było na niej wypasu bydła. Więc po co niszczyć tę tamę? Dla idiotycznej zabawy? Nie, bo nie? Gdy będzie następna susza to łąka i rosnący obok niej las zmarnieją. Nikt nie będzie miał z tego pożytku. Niech przynajmniej bobry mają jakiś pożytek.

Gdy odwiedziliśmy to samo miejsce zimą okazało się, że nie tylko tama bobrów jest zniszczona, ale i wycięty został prawie hektar lasu. Ponieważ jest to w zasięgu miasta więc oczywiste może być, że pojawiła się nowa działka budowlana. Bywaliśmy w tym miejscu zimą jeszcze kilka razy i widzieliśmy, że bobry pracowicie odbudowują tamę, która jest ponownie niszczona. W tej walce bobry wydają się być na straconej pozycji.

Ekspansja miasta jest nie do zatrzymania. Ponieważ miejsce jest odludne (i niewielu pewnie wcale obchodzi) mimo niewielkiej odległości od miasta, nie było tam żadnych zielonych ludków przykuwających się w proteście do drzew…

Aby zobaczyć w pełni umiejętności inżynierskie bobrów trzeba jednak wyjechać w takie miejsca, gdzie czują się one niezagrożone i mogą swobodnie prowadzić swoją działalność. Najbliżej jest do rezerwatu Budzisk w Puszczy Knyszyńskiej. Można tam swobodnie dojechać rowerem w niedzielną wyprawę. Tama, a właściwie zespół tam robią wrażenie. Utkane są tak, że nie słychać wcale płynącej wody. Jest to po prostu inżynierskie arcydzieło. Można się zadumać nad ich umiejętnościami i snuć domniemania, w jaki sposób przekazują z pokolenia na pokolenie umiejętności tworzenia budowli hydrotechnicznych. A może są one składnikami „inteligentnego projektu”?

Zwykło się przyjmować, że bobry to szkodniki. Myślę, że ta potoczna opinia dotyczy tylko tych sytuacji, gdy wchodzą one w drogę ekspansji człowieka. Tam, gdzie nie ma tego konfliktu, są one strażnikami prawidłowej gospodarki wodnej, której może się od nich uczyć człowiek. Bywałem w rezerwacie Budzisk w czasie, gdy wokoło panowała długotrwała susza. Tam poziom lustra wody jest niezmienny. Susza nie jest groźna dla lasu, gdy ma takich hydrologów.

Zostawmy na chwilę „kolegów inżynierów” (tak od pewnego czasu nazywam bobry) i zajmijmy się… pszczołami. Każdy wie już od dziecka, że pszczoła to symbol pracowitości. Tak jest w normalnych warunkach, gdy w naturze nie występują żadne anomalia. Ale okres ostatniej zimy (przełom roku 2006 i 2007) to raczej anomalia zimowa. I w tej anomalii pszczoły pokazały swoje zupełnie nieznane oblicze, a może znane jedynie nielicznym. W stanie, gdy nie ma nic do roboty, bo przecież nie ma żadnych pyłków kwiatów, a jednocześnie jest wystarczająco ciepło by opuścić ul, to pszczele hordy uprawiają napady rabunkowe na inne roje. I to wszystko niby poczciwe, pracowite pszczoły.

Bobry i pszczoły otworzyły mi oczy na fakt, jak często ulegamy stereotypom myślowym, szczególnie wtedy, gdy nie podejmujemy ryzyka poznania. Jakże często jest tak, że nasze lenistwo umysłowe zwalnia nas od odpowiedzialności ustawiając nas w gronie bezmyślnych potakiwaczy. Dotyczy to w szczególności oddziaływań medialnych, w których panuje promocja głupoty. Fascynacja głupotą jest oczywiście naturalnym składnikiem ludzkiej kondycji. Kiedyś każda wioska chlubiła się posiadaniem własnego „wioskowego waryjata”. Był on prawie jak błazen na dworze króla. Był wyjątkowy. Nie musiał rywalizować o to czy jest głupszy od innego. Natomiast odkąd świat zaczyna przypominać „globalną wioskę”, to głupota zalewa nas strumieniem, przed którym trudno się obronić. Cynicy od inżynierii umysłów stworzyli rynek idiotów, na którym coraz większa konkurencja promuje coraz większą głupotę. Jakże trudno obronić się przed ową głupotą, gdy o tym co jest mądre a co nie, próbują nam wmawiać istoty z medialnego świata gwiazd. Pół biedy, gdy to będzie piłkarz, który strzelał piękne gole a poza tym nie reprezentował sobą nic szczególnego. Czy może piosenkarka, która robi wrażenie swoim śpiewem jedynie wtedy, gdy na estradzie występuje raczej skąpo odziana, natomiast skomplikowane meandry spraw społecznych czy politycznych są zupełnie obce jej umysłowości. Dużo więcej wysiłku umysłowego trzeba aby spojrzeć krytycznie na poglądy znanego pisarza czy profesora, którego uważamy za autorytet. Trudniej nam w tym przypadku o refleksję, że przecież on ma również swoje interesy, które niekoniecznie muszą być bez wpływu na jego poglądy. I że wcale nie musi mieć kryształowych intencji dostarczając nam swój przekaz. Natomiast przeciwnie – często zdarza się, że mądre myśli mają nam do przekazania ludzie, którzy zostali pozbawieni dobrego imienia lub zwyczajnie ośmieszeni. Tak, jak często odsądzany – słusznie lub nie – od czci i wiary niemiecki filozof Friedrich Nietsche, który powiedział: przekonania są największym wrogiem prawdy. Święte, święte słowa.

NUMER 28 – MARZEC 2007

• Od Redakcji i od Prezesa
• Z życia SEP październik 2006 – luty 2007
• 60-lecie
• Przepis na udane obchody 60-lecia
• Spotkanie Opłatkowe
• Bal Elektryka 2007
• Konkurs na najlepszą pracę dyplomową na Wydziale Elektrycznym Politechniki Białostockiej
• Mariusz Pysznik – Nowoczesny sposób sterowania urządzeń precyzyjnych (narodziny inżyniera) – artykuł młodego inżyniera
• Michał Brzozowski – Nadzieje związane z komputerami DNA
• Konrad Woliński – Galileo – europejski system nawigacji satelitarnej
• Karta żałobna
• Felieton

Artykuł młodego inżyniera

Nowoczesny sposób sterowania urządzeń precyzyjnych (narodziny inżyniera)
mgr inż. Mariusz Pysznik

Na pewno każdy z Nas spotkał się z różnego rodzaju sztuką. Piękno można dostrzec prawie we wszystkim. Weźmy pod uwagę na przykład płaskorzeźby – ile to niejednokrotnie artysta musi poświęcić czasu nad jej wykonaniem.

W dzisiejszych czasach zapotrzebowanie na tego rodzaju sztukę jest stosunkowo duże, więc co można by zrobić by zadowolić potencjalnego klienta, który zamawia kilka takich samych egzemplarzy? Tu z pomocą przychodzi wykorzystanie urządzeń mechanicznych sterowanych komputerowo, do których należy zaliczyć tokarki czy też frezarki. Można śmiało powiedzieć, że to dość nietypowe rozwiązanie, lecz proszę mi wierzyć, że jest ono coraz częściej spotykane. Takie maszyny można zastosować również między innymi przy produkcji prototypowych płytek drukowanych, które występują w każdym urządzeniu elektronicznym. W tym celu, w sposób mechaniczny za pomocą różnego rodzaju frezów, zdejmowana jest warstwa miedzi z laminatu – z obszarów pomiędzy połączeniami elementów elektronicznych zwanych ścieżkami. Jest to niesłychanie duże ułatwienie dla projektanta, który może na bieżąco zbudować swój projekt, a następnie go przetestować. Niestety dostęp do tego rodzaju maszyn w Polsce jest bardzo ograniczony – chociażby ze względów finansowych, dlatego też postanowiłem podjąć się własnego wykonania plotera frezująco-grawerującego.

Moje zainteresowanie samym sterowaniem urządzeń mechaniki precyzyjnej rozpoczęło się ponad dwa lata temu, gdy na jednych z zajęć laboratoryjnych dostrzegłem ploter do drukowania. Zadałem sobie wtedy pytanie: Czemu by nie zastosować sterowania w podobny sposób do urządzenia grawerującego? Moja dociekliwość w poszukiwaniu informacji na ten temat doprowadziła mnie do szeregu kolejnych pytań, niestety i tym razem sprawdziło się powiedzenie: „Im dalej w las, tym więcej drzew”. Wtedy to pomocną dłoń podał mi dr inż. Jerzy Kołłątaj, który wyraził zgodę na zostanie promotorem mojej pracy magisterskiej. Temat nie był wtedy jeszcze sprecyzowany, jednak pewnym było, że będzie on ściśle związany z urządzeniem do grawerowania. Po głębszej analizie zgromadzonych wiadomości uznałem, że odpowiednim tematem mojej pracy będzie: „Wykorzystanie technologii sterowania numerycznego w modelu plotera frezująco-grawerującego”.

Tak naprawdę już wtedy wiedziałem, że stoi przede mną nie lada wyzwanie, a mianowicie budowa własnej konstrukcji plotera. Powód tej decyzji był prosty – brak dostępu do tego rodzaju maszyn, które mógłbym wykorzystać w swojej pracy.

Wstępne przyjęte założenie to przemyślana i stabilna budowa urządzenia gotowego do eksploatacji, którego zadaniem, w pierwszej chwili projektowania, miała być praca w laminatach – produkcja obwodów drukowanych, jednak po krótkiej analizie, doszedłem do wniosku, że walory plotera mogę znacznie poprawić, przy niedużo większym nakładzie finansowym i rozbudowie konstrukcji „zespołu osi Z”, co pozwoli mi na zastosowanie maszyny do szeregu innych zastosowań jak:

• grawerowanie wizytówek;
• frezowanie płaskorzeźb;
• frezowanie wyrobów artystycznych
• banery reklamowe;
• wiercenie otworów;
• rysowanie;

Decyzja budowy w pełni funkcjonalnego urządzenia, spotkała się w pierwszej chwili z dezaprobatą otoczenia – co może być zrozumiałe ze względu na określony czas wykonania maszyny, „podyktowany” przez terminy obrony prac dyplomowych. Taki stan rzeczy jednak mnie nie zraził, a wręcz przeciwnie – zmobilizował do sukcesywnego działania w dążeniu do celu, polegające na umiejętnym połączeniu ze sobą kilku dziedzin, a mianowicie: informatyki, elektroniki oraz mechaniki precyzyjnej. O ile z pierwszymi dwiema miałem ciągły kontakt – chociażby ze względu na obrany kierunek studiów, to z trzecią byłby pewien kłopot, gdyby nie nabyte umiejętności podczas pracy w zakładzie tokarskim. Wiedza tam zdobyta w połączeniu z ogólnie dostępnymi informacjami, pozwoliła na selekcję i tak trudnych do zdobycia podzespołów mechaniki precyzyjnej.

Pracę nad ploterem rozpocząłem od zgromadzenia wszelkich informacji do jego budowy, następnie za pomocą rysunków technicznych stworzyłem wstępny zarys konstrukcji. Aby wyeliminować podstawowe błędy wykonałem kartonową makietę plotera w skali 1:1, co dało podstawę do stworzenia dokładnej dokumentacji, a następnie wykonania części mechanicznej pracy.

Charakteryzując zaprojektowaną przeze mnie konstrukcję plotera, należy zaznaczyć, że został on zbudowany w oparciu o technikę liniową wysokiej jakości. Za materiał konstrukcyjny posłużył mi stop aluminium – rodzaj PA6 oraz PA11 – zastosowany ze względu na dobre właściwości obróbcze. Elementy konstrukcyjne zostały wykonane bardzo dokładnie przy użyciu centrum obróbczego. Jego ramowa konstrukcja pozwoliła osiągnąć niewielkie gabaryty (800x600x550mm), co w konsekwencji daje pole obszaru roboczego 400x300x60mm. Aby zabezpieczyć urządzenie przed przekroczeniem tego obszaru zastosowane zostały wyłączniki krańcowe – mikrostyki. Załączenie któregoś z nich powoduje programowe zatrzymanie frezarki.

Kolejnym etapem mojej pracy było stworzenie części sterującej układem wykonawczym – zastosowałem sterowanie numeryczne. Jak podaje słownik internetowy, oparte jest ono na przetwarzaniu informacji cyfrowej i generacji sygnałów sterujących ruchem maszyn lub urządzeń. Służy głównie do sterowania wytwarzaniem geometrycznie zdefiniowanych przedmiotów, a więc takich, które można opisać cyfrowo na podstawie rysunku technicznego lub modelu CAD. Do sterowania numerycznego wykorzystuje się procesory – komputery, przez co używa się raczej nazwy CNC (Computerized Numerical Control). Współczesne układy sterowania numerycznego mają jądro programu sterującego i osobną część programu przeznaczoną do komunikacji z operatorem i otoczeniem. Ten system sterowania położeniem obiektu w układzie trzywymiarowym, wykorzystuje jako dane wejściowe, wartości liczbowe, odpowiadające położeniu obiektu w wybranym punkcie przestrzeni. Wszelkie dane – współrzędne trajektorii obrabianego obiektu, umieszczane są w tzw. pliku źródłowym – „g-code”.

Jednym z takich programów sterujących, który wysyła sygnały do sterowników silników krokowych, reaguje na zadziałanie wyłączników krańcowych, załącza i wyłącza wrzeciono, pompę chłodziwa oraz umożliwia użytkownikowi szeregu zmian w ustawieniach, jest „Mach” – program komercyjny, posiadający ograniczenie w wersji „TRIAL”, w postaci wykonania pierwszych 1000 linii kodu źródłowego. Zastosowanie niniejszego programu daje możliwość poznania współpracy pomiędzy operatorem, programem sterującym, a samym urządzeniem.

Wykorzystując bipolarne silniki krokowe o liczbie skoków równej 200, sterowaniu półkrokowym oraz użyciu napędu śrubowego z gwintem kulowym o skoku 5mm, uzyskałem dużą rozdzielczość plotera równą 12,5mm – taki stan rzeczy można znacznie poprawić stosując sterowniki pozwalającą na pracę mikrokrokową. Pragnę zaznaczyć, że konkurencyjne firmy oferują nowoczesne plotery o rozdzielczość w granicach 6¸24mm.

Sterowanie numeryczne w połączeniu z konstrukcją opartą na technice liniowej pozwoliły osiągnąć mi duże dokładności podczas obróbki – dowiodły to przeprowadzone badania, przy użyciu wysokiej klasy urządzeń pomiarowych – głównie mikroskopów. Wszelkie obliczenia umieszczone są w mojej pracy magisterskiej, w rozdziale nr12 i „prowadzą” one uzyskania wartości odchyłki dla różnych osi, określając tym samym dokładności całego urządzenia. W moim przypadku odchyłka nie przekroczyła wartości:

• ±0,03mm – dla osi „X”;
• ±0,04mm – dla osi „Y”;
• ±0,07mm – dla osi „Z”;

Jak widać powyżej najsłabszy rezultat uzyskałem podczas badań osi „Z”. Co prawda odchyłka na poziomie ±0,07mm nie jest tragedią, jednak na pierwszy „rzut oka” może wydać się wartością niepokojącą – nic bardziej mylnego, gdy uwzględnimy informacje zawarte poniżej! Jestem przekonany, że winę za to ponosi nie samo urządzenie, lecz niewłaściwy sposób przymocowania badanej próbki do stołu. Zaiste problem ten zostałby rozwiany, gdyby urządzenie posiadało system dociskowy, który po przeprowadzeniu badań zostanie niezwłocznie wykonany.

Na ogół uzyskane z obliczeń dane typu dokładność, rozdzielczość, służyć mają tylko do informacji potencjalnego użytkownika, jednak wykorzystanie jednego z trzech sterowań krokowych (pełnokrokowe, półkrokowe, czy też w końcu mikrokrokowe), umożliwia skorzystanie z bardzo pożytecznej funkcji programowej, odpowiadającej za „zminimalizowanie” luzów urządzenia – teoretycznie do wartości rozdzielczości urządzenia – taka funkcja nie występuje w żadnym innym rodzaju sterowania. Zasada tej funkcji jest bardzo prosta – program w ściśle określony sposób „dodaje” lub „odejmuje” odpowiednią ilość kroków, podczas pracy plotera dla poszczególnych osi. Żeby jednak skorzystać z tej możliwości, trzeba znać możliwie najbardziej dokładną wartość odchyłki.

Całość plotera została wykonana solidnie, jednak aby tak mogło się stać, trzeba było poświęcić ogrom czasu nad każdym detalem. Samo zaprojektowanie konstrukcji pochłonęło kilka miesięcy. Dużym utrudnieniem wymagającym mojej determinacji była niedostępność w Polsce odpowiednich podzespołów mechaniki precyzyjnej. Tylko nieliczni dystrybutorzy firm zachodnich głównie z Niemiec, Włoch i Szwecji byli w stanie spełnić liczne oczekiwania klienta. Niestety taki stan rzeczy wiązał się z długimi czasami realizacji zamówienia oraz ogromnymi kosztami.

Na zakończenie zachęcam wszystkich zainteresowanych do zapoznania się z moją pracą magisterską, która została „zbudowana” ściśle chronologicznie, mając na celu przybliżenie czytelnikowi w sposób przejrzysty wszelkie zasady projektowania maszyn sterowanych numerycznie – nie ograniczając się przy tym do jednego typu urządzeń jakimi są plotery frezująco-grawerujące.