Пантограф: устройство для копирования и масштабирования изображений.

Введение

Механическая связь, используемая для копирования чертежей – дублирующий инструмент.

Пантограф (от первоначального использования для копирования рукописного текста) – это механическая связь, соединенная на основе параллелограммов таким образом, что движение одного пера при обводке изображения воспроизводит идентичные движения второго пера. Если обводить чертеж одним пером, то другим пером будет создана точная копия, увеличенная или уменьшенная в размере. По тому же принципу различные виды пантографов применяются для других видов копирования в таких областях, как скульптура, чеканка, гравировка и фрезерование.

История

Древнегреческий инженер Герон Александрийский описал пантографы в своей работе «Механика». В 1603 году Кристоф Шейнер использовал пантограф для копирования и масштабирования чертежей и описал это изобретение более чем через 27 лет в труде «Pantographice seu Ars delineandi res quaslibet per parallelogrammum lineare seu cavum» (Рим, 1631). Одна рука пантографа имела небольшой указатель, а другая – инструмент для рисования, и, перемещая указатель по чертежу, копия чертежа отрисовывалась на другом листе бумаги. Изменяя положение рычагов в механизме между указательным рычагом и рычагом с инструментом для рисования, можно было изменять масштаб полученного изображения. В 1821 году профессор Уильям Уоллес (1768–1843) изобрел эидограф, чтобы повысить практическую применимость пантографа. Эидограф перемещает неподвижную точку в центр параллелограмма и использует узкий параллелограмм для достижения лучших механических преимуществ.

Составление

Первоначально пантограф использовался для копирования и масштабирования чертежей. Современные версии продаются как технические игрушки.

Скульптура и чеканка монет

Скульпторы используют трехмерную версию пантографа, обычно большую стрелу, соединенную с фиксированной точкой на одном конце и имеющую две вращающиеся указательные иглы в произвольных точках вдоль этой стрелы. Регулируя положение игл, можно добиться различных коэффициентов увеличения или уменьшения. Это устройство, которое сейчас в значительной степени вытеснено компьютерно-управляемыми фрезерными станками, сканирующими модель и способными воспроизводить ее из различных материалов в любом нужном размере, было изобретено изобретателем и пионером парового двигателя Джеймсом Уаттом и усовершенствовано Бенджамином Шевертоном в 1836 году. Машина Шевертона была оснащена вращающимся режущим инструментом для вырезания уменьшенных копий известных скульптур. Трехмерный пантограф также можно использовать для увеличения скульптуры, меняя местами модель и копию. Другая версия по-прежнему широко применяется для уменьшения размера крупных рельефных изображений для монет до необходимого размера монеты.

Дублирование акустических цилиндров

Одним из преимуществ дисков фонографа и граммофона над цилиндрами в 1890-х годах – до появления электронной аппаратуры усиления – было то, что большое количество дисков можно было быстро и дёшево тиражировать. В 1890 году единственными способами изготовления копий мастер-цилиндра были формовка цилиндров (что было медленным процессом и на ранних этапах давало очень некачественные копии) или акустическое копирование звука путём соединения ругоров двух фонографов или соединения их резиновой трубкой (один фонограф записывал, а другой воспроизводил цилиндр). Вместо копирования мастер-цилиндра существовала альтернатива – одновременная запись исполнения на несколько граммофонов, многократно повторяя процесс и делая каждый цилиндр мастер-копией. Эдисон, Беттини, Леон Дуглас и другие частично решили эту проблему, механически соединив режущий и воспроизводящий стилусы и механически копируя канавки цилиндра типа "холм-долина". Когда технология формовки несколько улучшилась, формованные цилиндры стали использоваться в качестве пантографных мастер-дисков. Эдисон и Columbia использовали эту технологию в 1898 году, и она применялась примерно до января 1902 года (коричневые восковые диски Columbia после этого изготавливались методом формовки). Некоторые компании, такие как United States Phonograph Company из Ньюарка, штат Нью-Джерси, поставляли мастер-цилиндры небольшим компаниям для дублирования, иногда с использованием пантографа. Пантографы могли производить около 30 пластинок в день и до 150 пластинок с одного мастер-диска. Теоретически, пантографные мастер-диски можно было использовать для создания 200 или 300 дубликатов, если мастер и дубликат вращались в обратных направлениях, и запись дублировалась в обратном порядке. Это, в теории, могло продлить срок службы пантографного мастер-диска, используя не изношенную или менее изношенную часть записи для дублирования. Pathé использовала эту систему для мастеринга своих вертикально нарезанных пластинок до 1923 года; запись производилась на цилиндр, вращающийся на высокой скорости. Это делалось, поскольку полученный цилиндр был значительно громким и отличался очень высокой точностью. Затем цилиндр помещали на оправку дублирующего пантографа, который воспроизводился с помощью стилуса на конце рычага, передающего звук на мастер-диск из воска, который затем подвергался гальванической обработке и использовался для тиражирования копий. Эта система приводила к некоторой потере качества и появлению гула, но обеспечивала относительно высокое качество звука. Пластинки Edison Diamond Disc Records изготавливались путём непосредственной записи на восковой мастер-диск.

One advantage of phonograph and gramophone discs over cylinders in the 1890s—before electronic amplification was available—was that large numbers of discs could be stamped quickly and cheaply. In 1890, the only ways of manufacturing copies of a master cylinder were to mold the cylinders (which was slow and, early on, produced very poor copies), or to acoustically copy the sound by placing the horns of two phonographs together or to hook the two together with a rubber tube (one phonograph recording and the other playing the cylinder back). Instead of copying a master cylinder, the other alternative was to record a performance to multiple gramophones simultaneously, over and over again, making each cylinder a master copy. Edison, Bettini, Leon Douglass and others solved this problem (partly) by mechanically linking a cutting stylus and a playback stylus together and copying the "hill and dale" grooves of the cylinder mechanically. When molding improved somewhat, molded cylinders were used as pantograph masters. This was employed by Edison and Columbia in 1898, and was used until about January 1902 (Columbia brown waxes after this were molded). Some companies like the United States Phonograph Company of Newark, New Jersey, supplied cylinder masters for smaller companies so that they could duplicate them, sometimes pantographically. Pantographs could turn out about 30 records per day and produce up to about 150 records per master. In theory, pantograph masters could be used for 200 or 300 duplicates if the master and the duplicate were running in reverse and the record would be duplicated in reverse. This, in theory, could extend the usability of a pantograph master by using the unworn/lesser worn part of the recording for duplication. Pathé employed this system with mastering their vertically cut records until 1923; a , master cylinder, rotating at a high speed, would be recorded on. This was done as the resulting cylinder was considerably loud and of very high fidelity. Then, the cylinder would be placed on the mandrel of a duplicating pantograph that would be played with a stylus on the end of a lever, which would transfer the sound to a wax disc master, which would be electroplated and be used to stamp copies out. This system resulted in some fidelity reduction and rumble, but relatively high quality sound. Edison Diamond Disc Records were made by recording directly onto the wax master disc.

Фрезерные станки

До появления технологий управления, таких как числовое программное управление (ЧПУ, NC и CNC) и программируемое логическое управление (ПЛК, PLC), невозможно было фрезеровать одинаковые детали, прокладывая контуры перемещением фрезы по принципу "соедини точек" ("по номерам"). Единственными способами управления движением режущего инструмента были ручная установка позиций, требующая высокой квалификации (с естественными ограничениями точности и прецизионности человека), или копирование с помощью шаблона, копира или модели, заставляя фрезу повторять движение щупа. Если фрезерная головка была установлена на пантографе, дублирующую деталь можно было вырезать (и в различных масштабах, отличных от 1:1), просто обводя шаблон. (Сам шаблон обычно изготавливался инструментальщиком с использованием методов оснастки, включая фрезерование с ручной установкой позиций, за которым следовала ручная обработка напильниками и/или шлифовальными головками.) По сути, это была та же концепция, что и копирование документов с помощью пантографа-ручки, но применяемая к обработке твердых материалов, таких как металл, дерево или пластик. Существует также пантографная маршрутизация, концептуально идентичная фрезерованию на пантографе (как и маршрутизация с ЧПУ). Токарный станок Бланшара, копировальный станок, разработанный Томасом Бланшаром, использовал ту же основную концепцию. Развитие и внедрение в промышленность ЧПУ, CNC, ПЛК и других технологий управления предоставили новый способ управления движением фрезы: посредством передачи информации из программы на исполнительные механизмы (сервоприводы, сельсины, винтовые пары, подвижные элементы станка, шпиндели и т.д.), которые перемещали фрезу в соответствии с полученными данными. Сегодня большая часть коммерческой обработки выполняется с использованием таких программируемых, компьютеризированных методов. Домашние мастера, скорее всего, работают с ручным управлением, но компьютеризированное управление также достигло и домашнего уровня (хотя пока и не так широко распространено, как в коммерческой сфере). Таким образом, пантографные фрезерные станки в значительной степени ушли в прошлое. Они все еще используются в коммерческих целях, но в значительно меньшем и постоянно сокращающемся объеме. Новые станки такого типа больше не производятся, однако существует небольшой рынок подержанных машин. Что касается функции масштабирования в пантографе (где масштаб определяется регулируемой длиной плеч), то в ЧПУ она достигается математическими расчетами, которые компьютер применяет к информации программы практически мгновенно. Функции масштабирования (а также зеркального отображения) встроены в языки программирования, такие как G-код.

Before the advent of control technologies such as numerical control (NC and CNC) and programmable logic control (PLC), duplicate parts being milled on a milling machine could not have their contours mapped out by moving the milling cutter in a "connect the dots" ("by the numbers") fashion. The only ways to control the movement of the cutting tool were to dial the positions by hand using dexterous skill (with natural limits on a human's accuracy and precision) or to trace a cam, template, or model in some way, and have the cutter mimic the movement of the tracing stylus. If the milling head was mounted on a pantograph, a duplicate part could be cut (and at various scales of magnification besides 1:1) simply by tracing a template. (The template itself was usually made by a tool and die maker using toolroom methods, including milling via dialing followed by hand sculpting with files and/or die grinder points.) This was essentially the same concept as reproducing documents with a pen equipped pantograph, but applied to the machining of hard materials such as metal, wood, or plastic. Pantograph routing, which is conceptually identical to pantograph milling, also exists (as does CNC routing). The Blanchard lathe, a copying lathe developed by Thomas Blanchard, used the same essential concept. The development and dissemination throughout industry of NC, CNC, PLC, and other control technologies provided a new way to control the movement of the milling cutter: via feeding information from a program to actuators (servos, selsyns, leadscrews, machine slides, spindles, and so on) that would move the cutter as the information directed. Today most commercial machining is done via such programmable, computerized methods. Home machinists are likely to work via manual control, but computerized control has reached the home shop level as well (it is just not yet as pervasive as its commercial counterparts). Thus pantograph milling machines are largely a thing of the past. They are still in commercial use, but at a greatly reduced and ever dwindling level. They are no longer built new by machine tool builders, but a small market for used machines still exists. As for the magnification and reduction feature of a pantograph (with the scale determined by the adjustable arm lengths), it is achieved in CNC via mathematic calculations that the computer applies to the program information practically instantaneously. Scaling functions (as well as mirroring functions) are built into languages such as G code.

Другие применения

В другом применении, аналогичном черчению, пантограф встроен в гравировальный станок с вращающимся резцом вместо пера и с лотком на конце указателя для фиксации заранее вырезанных буквенных пластин (именуемых "копией"), за движением которых следует указатель, и таким образом резец, через пантограф, воспроизводит "копию" в масштабе, заданном плечами пантографа. Типичный диапазон масштаба – от 1:1 (максимум) до 50:1 (минимум, уменьшение). Таким образом, токари могут аккуратно и точно гравировать цифры и буквы на детали. Пантографы больше не получили широкого распространения в современной гравировке, уступив место компьютерной лазерной и роторной гравировке. Устройство, обеспечивающее электрический контакт с контактным проводом и передающее электроэнергию от провода к тяговому агрегату, используемое в электрических локомотивах и трамваях, также называется "пантографом". "Перфоратор с клавиатурой" Германа Холлерита, использованный при переписи населения США в 1890 году, был разработан на основе пантографа и иногда упоминается как "Пантографный перфоратор". Устройство, использующее этот механизм в начале XIX века, – полиграф, который создавал дубликат письма по мере его написания. В 1886 году Эдуард Селлинг запатентовал призовую вычислительную машину, основанную на пантографе, хотя она не имела коммерческого успеха. Операторы длинноруких стегальных машин могут обводить пантограф или бумажный шаблон лазерным указателем, чтобы простегать индивидуальный узор на стеганом изделии. За цифровыми пантографами следуют компьютеризированные станки. Линн Бойд Бентон изобрел пантографический гравировальный станок для разработки шрифтов, который был способен не только масштабировать единый образец дизайна шрифта до различных размеров, но и сжимать, расширять и наклонять дизайн (математически это случаи аффинного преобразования, которое является фундаментальной геометрической операцией большинства систем цифровой типографии сегодня, включая PostScript). Ричард Фейнман использовал аналогию пантографа для демонстрации возможности уменьшения инструментов до нанометрового масштаба в своей лекции "Внизу предостаточно места".

In another application similar to drafting, the pantograph is incorporated into a pantograph engraving machine with a revolving cutter instead of a pen, and a tray at the pointer end to fix precut lettered plates (referred to as 'copy'), which the pointer follows and thus the cutter, via the pantograph, reproduces the 'copy' at a ratio to which the pantograph arms have been set. The typical range of ratio is Maximum 1:1 Minimum 50:1 (reduction) In this way machinists can neatly and accurately engrave numbers and letters onto a part. Pantographs are no longer commonly used in modern engraving, with computerized laser and rotary engraving taking favor. The device which maintains electrical contact with the contact wire and transfers power from the wire to the traction unit, used in electric locomotives and trams, is also called a "pantograph". Herman Hollerith's "Keyboard punch" used for the 1890 U. S. Census was a pantograph design and sometimes referred to as "The Pantograph Punch". An early 19th century device employing this mechanism is the polygraph, which produces a duplicate of a letter as the original is written. In 1886, Eduard Selling patented a prize winning calculating machine based on the pantograph, although it was not commercially successful. Longarm quilting machine operators may trace a pantograph, paper pattern, with a laser pointer to stitch a custom pattern onto the quilt. Digitized pantographs are followed by computerized machines. Linn Boyd Benton invented a pantographic engraving machine for type design, which was capable not only of scaling a single font design pattern to a variety of sizes, but could also condense, extend, and slant the design (mathematically, these are cases of affine transformation, which is the fundamental geometric operation of most systems of digital typography today, including PostScript). Richard Feynman used the analogy of a pantograph as a way of scaling down tools to the nanometer scale in his talk There's Plenty of Room at the Bottom.