Технология Record-Playback

В данной статье рассматривается ныне устаревшая технология автоматизации Record-Playback (Запись-Воспроизведение), её сравнение с ранними системами ЧПУ, а также социально-производственные причины поворота вектора развития в направлении ЧПУ во второй половине XX века.

Альтернатива ЧПУ: технология Record-Playback

А знаете ли вы, что в 40-х–50-х годах ХХ века, когда в США закладывались основы современной автоматизации, привычные нам системы числового программного управления (ЧПУ) вполне могли проиграть конкуренцию практичной, по своему элегантной концепции Record-Playback (Запись-Воспроизведение)? И выбор, в данном случае, правительство и промышленники сделали совсем не по технологическим критериям, но обо всём по порядку.

Что такое Record-Playback

В последние годы Второй мировой войны американские инженеры Ллойд Б. Споногл и Лейф Эрик де Ниргорд предложили оригинальный подход к полноценной программируемой автоматизации металлорежущих станков. Последний дал ему название «моторный метод», или Record-Playback (R-P). В общем виде, метод Споногла заключался в автоматическом создании шаблона действий машины под управлением человека. Запись велась с помощью копировального аппарата, а рисунок движения фиксировался в виде дискретных отпечатков – отверстий, точек, линий или фотозасветов – в зависимости от материала, на который записывали последовательность.

Система Ниргорда вместо прерывистой фиксации выдавала непрерывный, плавный рисунок перемещений, что позволяло получать на выходе «идеально обработанные поверхности».

К 1947 году идею R-P доработали и довели до рабочего состояния Лоуэлл Холмс и Лоуренс Пизли из корпорации General Electric. Они модифицировали обычный однодорожечный аудиомагнитофон для создания четырех дорожек с данными, разработав свои собственные способы записи и чтения. Система позволяла записать на магнитную ленту порядок действий квалифицированного станочника и затем воспроизвести их с точностью до тысячной дюйма.

Практическая реализация метода состояла в следующем: каждая моторизированная ось машины была оснащена сельсином-датчиком. Сельсины преобразовывали линейное движение в угловое, а угловое – в фазовые сигналы напряжения, и наоборот. Таким образом, устанавливалась фиксированная корреляция между ключевыми переменными: линейное перемещение на 0,075 дюйма вдоль оси равнялось одному обороту 360° и одному полному сдвигу фазы в фазном напряжении.

Оператор станка вручную изготавливал первую деталь, а сельсины фиксировали каждое изменение положения. Сигналы записывались на магнитную ленту вместе с опорной частотой для синхронизации. При воспроизведении лента отправляла команды, которые сравнивались с текущим положением роторов сельсинов. Разница фаз превращалась в сигнал ошибки, усилитель подавал ток на двигатели, и станок в точности повторял движения мастера.

Система позволяла не просто копировать и проигрывать действия, но и улучшать результат. Паузы, возникавшие, когда станочник измерял деталь или сверялся с чертежом, можно было впоследствии вырезать. Сама запись велась на пониженной скорости для повышения точности, а воспроизведение шло в ускоренном режиме, чтобы использовать преимущества быстрорежущих инструментов. При этом одна лента могла управлять любым количеством станков, – даже в другом городе при помощи телетайпа.

Преимущества перед числовым управлением

С точки зрения технической и экономической целесообразности ранние системы числового программного управления уступали Record-Playback, что подтверждалось многими специалистами. Числовое программирование требовало от инженера-математика формального описания траектории резца, разбиения её на тысячи дискретных точек и кодирования. Подготовка одного управляемого конвейера могла занимать недели и предполагала наличие мощной ЭВМ. В противовес, технология Холмса-Пизли генерировала готовую программу за один проход, вся процедура занимала считанные минуты и не требовала ни компьютера, ни глубоких академических познаний.

Согласно внутренним исследованиям Массачусетского технологического института (MIT) стоимость обработки детали на станке с числовым управлением оказывалась выше из за дорогого программирования и частых простоев. Системы ЧПУ того времени также страдали от недостаточной надёжности: электронные лампы и реле нередко отказывали в цеховых условиях. Магнитная лента считалась более простой в обращении, хотя также имела недостатки (чувствительность к грязи, старению) и, в конечном счёте, была вытеснена перфолентой из-за требований стандартизации.

Отметим, что в своём исследовании институт вынужденно «подогнал» выводы под другой, более желанный результат. MIT был заинтересован в денежных грантах на разработку и продвижение ЧПУ, подробнее о чём – ниже. В итоговом отчёте авторы, несмотря на неоднозначные данные, всё же сделали вывод о конкурентоспособности ЧПУ-систем – по-видимому, под давлением собственных же сослуживцев.

Проблема контроля

Несмотря на простоту, дешевизну и лёгкость внедрения, для людей, принимающих решения, оставался один фактор, делавший Record-Playback неприемлемой технологией: она сохраняла значительную степень контроля над производством за рабочим-станочником, тогда как числовое управление полностью передавало бразды правления инженерам и менеджерам.

На протяжении нескольких лет General Electric демонстрировала R-P производителям станков, представителям крупных заводов и вооружённых сил, авиастроителям. Однако, несмотря на общую зрелость концепта, знакомившиеся с системой инженеры продолжали задавать неудобные вопросы. Их смущало, что для создания записи так или иначе нужен высококвалифицированный оператор, обладающий незаурядными навыками. То, что в глазах сторонников R-P было преимуществом «тиражирования компетенций выдающихся машинистов», на взгляд потенциальных покупателей оказывалось недостатком на пути к тотальной автоматизации. По общим воспоминаниям Лоуэлла Холмса, инженера GE Гленна Петерсена и консультанта Джона Датчера, лучше всего претензии сформулировал один инженер-механик из ведущей станкостроительной компании: «…Я хочу, чтобы станок выполнял то, что я ему предписываю, а не то, что сделаю собственными руками».

В этой фразе содержались два главных требования: во-первых, система не должна была зависеть от конкретного человека с его «чувством» и «опытом»; во-вторых, управление производством должно было оставаться в руках менеджмента.

Руководство и высший технический персонал хотели, чтобы производственный алгоритм создавался программистами в офисе, а оператор станка не мог вмешиваться ни в процесс подачи материала, ни в последовательность действий, ни в скорость исполнения задач.

Причины неудачи

Если бы всё решал рынок и аргументы «за» активнее принимались к рассмотрению, проект Record-Playback, вполне вероятно, прочно занял бы свою нишу и продолжил развиваться. Но главным заказчиком технологий автоматизации, диктовавшим условия разработчикам, была махина ВВС США, а не частное предприятие или коммерческий проект.

В послевоенные годы Военно-воздушные силы столкнулись с необходимостью изготовления сложных интегральных конструкций для новейших реактивных самолётов. Они требовали крайне высокой точности обработки, на порядок превосходящей ту, что обеспечивали традиционные методы. Кроме того, время на организацию технологических процессов поджимало, а высшие чины ВВС по понятным причинам были одержимы идеей полного контроля: никаких промежуточных звеньев, никакой свободы для интерпретации чертежа или производственного алгоритма.

В 1949 году промышленник Джон Парсонс, разработавший концепцию фрезерования по координатам, получил крупный контракт ВВС на создание автоматического станка для контурной резки. По совету молодого инженера Роберта Марша он обратился за дополнительной помощью в упомянутый ранее Массачусетский технологический институт. К тому моменту в MIT уже работала Лаборатория Сервомеханизмов, которая в военные годы успешно занималась разработками в области управления огнём и имела тесные связи с военными. Сотрудники Лаборатории были активно вовлечены в проектирование индустриальных компьютеров и с удовольствием расширили проект Парсонса под собственные потребности. Он стал полигоном для отработки системы непрерывного управления трёхосевой машиной с цифровой интерполяцией. То, что Парсонс задумывал как фрезерную машину с шаговыми искателями, требующими ручной доводки, MIT превратил в амбициозную инициативу с использованием мощного компьютера Whirlwind («Вихрь»). Стоимость и сложность проекта выросли многократно. Вскоре Парсонс потерял контроль над разработкой, а затем и сам контракт, который перешёл напрямую к институту.

В дальнейшем сотрудники MIT систематически отвергали любые попытки предложить альтернативу для ЧПУ, вопреки интересу к Record-Playback ряда авторитетных экспертов.

Томас Эдвардс, технический специалист, назначенный куратором проекта от ВВС, пытался переубедить коллег и предлагал хотя бы рассмотреть другой вариант. В сентябре 1951 года он созвал совещание с участием General Electric, Giddings & Lewis, Austin Company и Fairchild Recording. Эдвардс доказывал, что «моторный метод» имеет множество применений и, очень вероятно, окажется гораздо более дешёвым способом автоматизации. Стремясь удовлетворить существующие требования, он даже предлагал создать «индикатор» – устройство для фиксирования и подготовки команд, этакую «офисную версию станка», которая позволяла бы записывать действия на специальном макете и избегать лишних простоев заводского оборудование.

Однако представители MIT, по словам Эдвардса, «заняли позицию, что существует только один надлежащий способ обработки и хранения информации». Институт был заинтересован не столько в разработке методов производства станков для металлообрабатывающей промышленности, сколько в продвижении цифровых технологий и компьютерных приложений. Таким образом, интересы MIT в целом оставались достаточно прозрачными: Whirlwind требовал финансирования, а проект Парсонса давал и деньги, и возможность развивать свои инновации.

Руководство ВВС, уже вложившее средства в цифровое направление и тесно связанное с MIT через разработку системы противовоздушной обороны SAGE, поддерживало Лабораторию Сервомеханизмов во всём. Так и вышло, что сторонники Record-Playback проиграли социально-политическую схватку, а впоследствии – и войну. В 1955 году в MIT публично продемонстрировали станок Numericord, оказавшийся достаточно успешным. Военно-воздушные силы закупили более ста станков с числовым программным управлением, масштабные государственные инвестиции в эту технологию привлекли всеобщее внимание и вызвали серьёзный рыночный ажиотаж. Даже пионеры R-P из General Electric, осознав перспективу гарантированных продаж, вскоре приступили к разработке собственной системы ЧПУ.

После этого все крупные промышленные компании США, включая производителей обрабатывающего оборудования, автоконцерны, ресурсодобывающие компании и т.д., переключились на внедрение ЧПУ. Да, Record-Playback пытались возродить несколько фирм, но всё было тщетно – руководство и высший инженерный состав не хотели отдавать заводское программирование в руки цеховых рабочих. Дополнительным стимулом послужило также обострившееся противостояние с профсоюзами, в котором менеджменту необходимо было держать за пазухой как можно больше козырей.

Приведём наиболее показательный эпизод, произошедший в Ford Motor Company. К концу 1960-х годов компания потратила огромные средства и множество человеко-часов на разработку собственного языка программирования, известного как FORSUR (Ford Surface). FORSUR использовали для создания перфолент для прямого и профильного фрезерования.

Опытному механику, начальнику отдела инструментов и штампов Ральфу Куну, стремившемуся повысить эффективность, сократить расходы и увеличить производительность участков, подход с использованием FORSUR казался слишком сложным. Такая подготовка перфолент занимала слишком много времени (из-за чего дорогостоящие станки часто простаивали), а накладные расходы были чрезмерными и не соответствовали принципам экономичного производства. По мнению Куна, системные инженеры из Ford N/C Staff Group «создали совершенно новый языковой барьер, отгородились от мира и придумали самые сложные способы решения задач». В силу должности Кун старался находить более простые решения и разрабатывал новые, более экономичные методы не только для прямого, но и для профильного фрезерования.

Опираясь на собственные компетенции, Кун разработал упрощённую процедуру ручного программирования наподобие той, что предлагал ещё Парсонс. За несколько часов он обучил своему методу двух слесарей-инструментальщиков, не имевших никакого релевантного опыта. Используя чертежи трёх типовых деталей, калькулятор, машину для перфорации и пять-шесть базовых команд, они успешно подготовили перфоленты для своих шпиндельных станков. Затем Кун запросил программы для тех же трех деталей, написанные с помощью компьютера на языке FORSUR. Сравнение показало впечатляющие результаты: метод Куна оказался в пять раз дешевле и вчетверо быстрее. Вскоре его перенял весь цех, и идея более года успешно применялась рабочими. И всё же…

На встрече руководства Ford с профсоюзом работников автомобилестроения, аэрокосмической и сельскохозяйственной промышленности UAW, члены профсоюза потребовали сохранить контроль над программированием за рабочими. Однако управление концерна решительно отказалось уступать и категорически запретило использовать упрощённый метод Куна, даже несмотря на его экономическую эффективность. Цех вынудили вернуться к значительно более сложной и дорогой системе.

Где остался Record-Playback

Хотя за почти два десятилетия подход к управлению станками, основанный на воспроизведении записанной информации, получил многочисленные усовершенствования, широкого распространения его апологеты так и не добились . Однако эта концепция нашла достойное применение в области робототехники.

Джордж Девол, независимый изобретатель из Кентукки, ещё в конце 1940-х разработал свой вариант Record-Playback для токарного станка. В начале 50-х он получил патент на свою так называемую «обучаемую машину», а в 1956 году объединился с первопроходцем в области промышленной робототехники Джозефом Энгельбергером. Вместе они создали знаменитую компанию Unimation, и первый робот Unimate, поставленный General Motors в 1961 году, вобрал в себя идеи Девола: оператор вручную проводил захват по нужной траектории, его движения записывались и повторялись манипулятором. Энгельбергер осознанно избегал внедрения числового управления в свою робототехнику, поскольку оно требовало дорогих компьютеров и сложного математического описания трёхмерного пространства.

Record-Playback до сих пор остаётся «традиционным» методом программирования промышленных роботов, выполняющих сварку, покраску и паллетирование. Сегодня этот подход известен как Teaching by Demonstration (TbD) или lead-through programming – робот учится выполнять новые задачи, имитируя действия человека-учителя. Сложное программирование превращается в простой, интуитивный процесс, доступный людям без специальных знаний. Помимо промышленности, схожие концепции обучения через имитацию изучаются в протезировании, биомедицинской инженерии и при разработке коботов.

Заключение

По мнению американского промышленного историка Дэвида Ф. Ноубла, автора книги Forces of Production, к проблемам развития Record-Playback во второй половине ХХ века привёл целый комплекс социально-политических запросов на стыке идеологий технического, управленческого и военного сообществ.

Во-первых, в инженерном сообществе предпочитали формальные, абстрактные и количественные подходы к решению задач. Были распространены фиксация на предсказуемости, а также стремление по возможности устранить любую неопределённость, непредвиденные обстоятельства и вероятность человеческой ошибки.

Во-вторых, в менеджменте доминировали идеи, связанные с фундаментальной озабоченностью регулированием как физических аспектов производства, так и деятельности людей в процессе производства. Стремление к полному разделению труда, упрощению рабочих задач и снижению требований к квалификации работников сталкивались здесь с непрекращающейся классовой борьбой, желанием управления расширить свои полномочия и власть.

Наконец, в военных кругах превалировали мнения, уходящие корнями в традиции командования и подчинения. В послевоенный период концепция централизованного управления операциями превратилась в навязчивую идею, подпитываемую, с одной стороны, паранойей по поводу Холодной войны, а с другой – новейшими техническими возможностями.

Ноубл отмечает, что выбор в пользу ЧПУ был обоснован в большей степени политическими и социальными, а не чисто инженерными или экономическими факторами, и во многом он определил лицо современного производства, где сложность и дороговизна оборудования стали считаться неизбежной платой за контроль.

Соглашаться с этими тезисами или нет – вопрос личных убеждений. Мы же напомним, что развитие промышленной автоматизации не стоит на месте и в современном мире уже давно существует множество более гибких, эффективных и дешёвых методов программирования станков и робототехники: офлайн-программирование с виртуальной симуляцией и отладкой, автоматическая генерация траекторий искусственным интеллектом, сканирование с помощью инструментов технического зрения.

В конечном итоге прогресс всегда побеждает.