Развитие теории механизмов и машин

Оглавление:

Введение

Современная техника характеризуется большим разнообразием машин, устройств и приборов механического действия, главной особенностью которых является передача движения и энергии с помощью механизмов. Поэтому инженеры-механики конструкторско-технологического и эксплуатационного профиля должны иметь базовые знания по механике и силе машин, то есть иметь представление о механизмах, широко применяемых в технике, методах их метрического, кинематического и силового расчета, узлах машин и динамических процессах, происходящих при их работе. Все эти моменты обобщены в общей теории механизмов и машин.

Как известно, наиболее эффективным методом инженерного образования является учебное проектирование, где путем сравнения различных вариантов решения поставленной задачи можно лучше понять объект изучения, логику рациональных инженерных решений и методы технического расчета. При этом очень важно не только копировать решение задач, аналогичных задаче проектирования, а научиться понимать назначение и взаимосвязь всех элементов проектируемой системы.

Проектирование современных машин основано на многих технических дисциплинах. Однако важно подчеркнуть, что при проектировании любой машины, прибора или устройства механического действия обязательно решаются задачи, связанные с выбором кинематических схем механизмов, их расчетом, динамикой их движения, с выбором основных параметров двигателя. Поэтому для понимания принципа действия машин, используемых в производстве, а тем более для создания новых и совершенствования существующих, необходимо знать методы проектирования кинематических схем механизмов и иметь представление о конструкции узлов машин.

Многовариантность инженерных решений в процессе проектирования машин требует достаточно детальной разработки методов расчета и способов создания и реализации оптимальных решений. Подробное изучение методов обеспечения требований эффективности, качества и экономичности распределено в учебных программах вузов по общеинженерным и специальным учебным дисциплинам. Вопросы синтеза структурных и кинематических схем механизмов, проектирования механизмов и координации их движения, силового анализа механизма, определения закона движения механизма, обусловленного заданными силами, оценки виброактивности и виброзащиты механизмов, управления движением и ряд других проблем изучаются в дисциплинах «Теория механизмов и машин», «Основы проектирования механизмов и машин» и других, имеющих различные названия в зависимости от специальности. Вопросы, касающиеся проектирования деталей и узлов, общей конструкции машины с точки зрения прочности, жесткости, виброустойчивости, виброактивности, износостойкости и технологичности изучаются в дисциплине «Детали машин» и в специальных дисциплинах.

В конструкторском образовании инженеров особое место занимают вопросы технологичности проектируемых машин. Конструкторские решения должны отвечать требованиям рациональных технологических процессов изготовления и сборки и обеспечивать минимальные производственные затраты при заданных параметрах и показателях работы проектируемой машины. Продукт, достаточно технологичный в индивидуальном производстве, может быть низкотехнологичным в массовом производстве и совершенно нетехнологичным в автоматизированном поточном производстве. Ранее нетехнологичные конструкции вполне могут стать технологичными в условиях гибкого (реконфигурируемого) автоматизированного производства (SAP). Эта технология основана на гибких производственных системах (FMS), т.е. оборудовании с числовым программным управлением (ЧПУ), промышленных роботах и манипуляторах, компьютерных технологиях, что позволяет легко адаптировать производство к постоянно растущим потребностям экономики. Создание автономно работающего автоматизированного оборудования с ЧПУ, оснащенного устройствами для загрузки заготовок и снятия обработанных деталей, подачи и замены инструмента, утилизации отходов обработки (гибкие производственные модули и гибкие системы), нахождения оптимального баланса между производительностью и гибкостью технологического процесса для конкретного производства требует решения многих вопросов.

Что такое теория механизмов и машин и как она возникла

Теория механизмов и машин в основном использует законы и положения теоретической механики. Вместе с науками «сопротивление материалов», «детали машин» и «технология металлов», а также теорией упругости, теория механизмов и машин является теоретическим фундаментом, на котором строится современное машиностроение. Теория механизмов и машин рассматривает научные основы проектирования механизмов и машин, а также методы их исследования. Учитывая методы структурного, кинематического и динамического анализа и синтеза механизмов машин (вопросы механики механизмов и машин), теория механизмов и машин является прямым продолжением теоретической механики и одновременно ее приложением к вопросам машиностроения,

Наука о механизмах решает две задачи — синтез и анализ механизмов. Задача синтеза механизмов заключается в создании методов проектирования механизмов, отвечающих высоким требованиям современной техники. Задача анализа — изучить методы исследования движений существующих механизмов. Каждая из перечисленных задач решает: а) структуру и классификацию механизмов; б) кинематику; в) кинетостатику и динамику машин.

Первый пятилетний план и бурный рост советского машиностроения в первой половине 1930-х годов стимулировали развитие высшей школы в стране и реорганизацию всей системы высшего образования. В связи с этим возник вопрос о программах, содержании и методах обучения. Курс прикладной механики, один из важнейших предметов для подготовки инженеров-механиков, обсуждался в 1932 году с участием многих известных советских преподавателей и практиков механики. Высказанные мнения сводились, по сути, к необходимости перераспределения предмета и незначительной модификации программ, в большинстве случаев не затрагивая основ сложившегося научного курса.

Совершенно иным было отношение И.И. Артоболевского к спорному вопросу. Указывая на большой недостаток прикладной механики, а именно почти полное отсутствие теории синтеза механизмов, он предложил реорганизовать методы преподавания этого предмета в технических колледжах, рекомендовал преподавание в хорошо оборудованных лабораториях и предложил решать задачи практической механики в связи с трением, вибрациями в машинах, действием ударной силы, методологией синтеза механизмов, теорией пространственных механизмов и теорией автоматов. Иван Иванович пришел к выводу, что пора ставить вопрос о создании специального института теории машин.

В период между 1932 и 1937 годами Иван Иванович продолжил свои исследования пространственных механизмов. Он опубликовал монографию «Теория пространственных механизмов», статью «Структура и кинематика механизмов с колеблющимися дисками» и ряд других работ, а также «Теорию и методы балансировки щековых дробилок» (в соавторстве с С. И. Артоболевским и Б. В. Эдельштейном), в том числе статьи «Теория колебательного грохота с приводом Бюлера» и «Методы балансировки инерционных сил в рабочих машинах со сложными кинематическими схемами». В 1936 году без защиты диссертации С.А.Чаплыгиным ему была присуждена степень доктора технических наук. С 1937 года работал в Комитете машиноведения при Отделении технических наук Академии наук СССР. После реорганизации комитета в Институт машиноведения И.И. Артоболевский возглавил в нем отдел машин и механизмов.

Структура и классификация механизмов — одна из тем, разработку которой начала комиссия по машиностроению. С этого времени началось углубленное изучение классификационных идей Л.В. Ассура и их развитие.

Иван Иванович работал над разработкой общих принципов классификационных единиц для плоских и пространственных механизмов и решил ряд важных задач кинематики и кинетостатики. Он опубликовал следующие работы: «Структура, кинематика и кинетостатика многозвенных планарных механизмов» (1939), «Синтез планарных механизмов» (1939), «Принципы унитарной классификации механизмов» (1939), «Структура и классификация механизмов» (1939). В то же время были опубликованы другие работы по различным вопросам теории механизмов.

Примерно с середины 1950-х годов начался период появления и развития автоматических машин. В этот период произошли фундаментальные изменения в отношении объекта исследования — машины. В то же время не только специальная теория автоматов, но и теория рабочих машин в целом приобрела большое значение в теории механизмов и машин.

В 1950-е годы Иван Иванович работал над синтезом механизмов, теорией автоматов, теорией рабочих машин, проблемами механического воспроизведения математических зависимостей. Свои многочисленные работы по механизмам он завершил монографией «Теория механизмов воспроизведения плоских кривых» (1959), а его книга «Синтез плоских механизмов», написанная в соавторстве с Н. И. Левицким и С. А. Черкудиновым (1959), отразила состояние теории современной теории механизмов. В это же время И. И. Артоболевский начал свои исследования в области теории механизмов автоматических машин: гидравлических, пневматических и гидропневматических.

Для современных машин характерны вибрационные явления и значительные изменения массы во время работы. Чтобы учесть эти факторы, в большинстве случаев необходимо рассматривать не только конструктивные особенности самой машины, но и систему «машина — обрабатываемый материал». Следует отметить, что до исследований И. И. Артоболевского теория механизмов и машин рассматривала каждую машину только с точки зрения ее конструктивных характеристик, а роль внешних сил отводилась технологическим воздействиям. И. И. Артоболевский предложил считать воздействие обрабатываемого материала на машину не внешним, а неотъемлемым от органа воздействия. В результате работ, проведенных И. И. Артоболевским, частично в соавторстве с его учениками, до 1960-х годов теория машин и механизмов приобрела совершенно иной, существенно отличный от науки первой половины века вид: изучение структурной схемы, характерное для того времени, уступило место новой теории машин, математической и экспериментальной, представляющей особенности второй половины века.

Затем последовала серия статей, посвященных теории машин с автоматическим действием. Его работы «Основные проблемы теории механизмов и машин при проектировании автоматических машин» (1956), «Проблемы теории механизмов и машин при разработке методов расчета и проектирования автоматических машин» (1956) и ряд других явились крупным вкладом в теорию машин. Иван Иванович продолжил разработку теории механизма для воспроизведения математических зависимостей и их применения в кинематической геометрии в связи с развитием идей П. Л. Чебышева, Сильвестра, Робертса и других классиков науки второй половины прошлого века.

Исторически, до второй половины 1950-х годов, изучались только жесткие и, с ограничениями, гибкие соединения. Кенигс разработал теорию пар как частный случай математической теории связей, а Франк в середине 1930-х годов попытался обобщить понятия связей, пар и механизма, но только в очень общем виде. Со второй половины 50-х годов началось изучение пар, соединения которых могут иметь самое разнообразное функциональное назначение, и изучение машин и механизмов, которые могут содержать в своем составе пары различного назначения. В результате теория механизмов становится способной решать самые сложные задачи, которые раньше не могли быть решены.

В начале 1958 года состоялось Второе Всесоюзное совещание по основным проблемам теории машин и механизмов, которое подвело итоги пройденного к настоящему времени пути и наметило основные этапы дальнейшего развития науки. На этом заседании И.И. Артоболевский в лекции «Современное состояние теории машин и механизмов» указал направления развития дальнейших исследований: изучение кинематических пар в их реальной конфигурации, развитие теории механизмов с упругими звеньями, углубление теории машин — автоматов, развитие теории рабочих процессов.

История техники в теории машин и механизмов

«Для того чтобы проанализировать прогресс науки в целом, полезно сравнить современные проблемы науки с проблемами предыдущей эпохи и изучить конкретные изменения, которые та или иная важная проблема претерпела за десятилетия или даже столетия.» В. Гейзенберг

Около двух тысяч лет назад Герон, известный представитель александрийской школы, создал подъемные и военные машины, турбины и даже простейшие автоматы для распределения воды, а Марк Витрувий описал созданные им машины и подъемные сооружения, в которых он использовал космические шестерни, архимедов винт, полиспаст и другие механизмы.

Часы с шестеренками были изобретены в IX-X веке. Развитие механики, в частности, произошло в эпоху Возрождения. Здесь можно сослаться на знаменитого генуэзца Л.Б.Альберти, в работах которого есть описание различных механизмов, необходимых для строительства зданий. В его работах мы впервые сталкиваемся с попыткой представить машину как набор отдельных механизмов.

Ренессанс неотделим от имени гениального Леонардо да Винчи. Недавно обнаруженные две его великие рукописи, Мадридский кодекс I и II, показывают, что Леонардо да Винчи не только исследовал концепцию машины, но и пытался систематизировать механизмы и их части.

Он изучает механизмы шестеренок различных видов, кулачков, рычагов и других механизмов и деталей. Величайший знаток технического творчества Леонардо Ладислав Рети в своей книге «Неизвестный Леонардо» пишет, что Леонардо сформулировал свои идеи о соотношении теории и практики в виде двух постулатов. Первый: «Книга о науке механизмов должна предшествовать книге об их применении». Второй: «Механика — это рой математических наук. С его помощью достигаются плоды математики».

Таким образом, Леонардо впервые поднимает вопрос о необходимости науки о механизмах и о широком применении математических методов в конструировании машин. Если мы обратимся к совокупности тех механизмов, которые Леонардо рассматривал в «Мадридском кодексе» и в «Атлантическом кодексе», то они содержат, как свидетельствует Брисио, все 22 элемента, из которых состоят машины и которые позже были описаны в классической работе Ф. Руло о кинематике машин. Таким образом, Леонардо более чем на три века опередил ученых XIX века в понимании того, что любая машина может быть создана из набора одинаковых механизмов.

Он еще не использовал понятие механической модели механизма, его кинематической схемы, но приблизился к пониманию необходимости применения математических описаний механики машин и механизмов.

Работа Леонардо да Винчи стала большим скачком в науке о машинах.

В течение длительного времени после эпохи Возрождения наука о машинах и механизмах носила чисто эмпирико-изобретательский характер. Создавались и изобретались отдельные машины и механизмы, но теоретическое обоснование этих конструкций, как правило, отсутствовало. Тем не менее, эти новые машины открыли целые эпохи в технологическом развитии. В первую очередь следует упомянуть Дж. Уатта как создателя паровой машины и ряда механических устройств, а также русских изобретателей Кулибина, Ползунова. Нартов и другие, В начале XIX века Г. Моделс изобретает суппорт токарного станка, а Дж. Стефенсон создает первый локомотив.

Однако первые теоретические работы после Леонардо да Винчи относятся к восемнадцатому веку. Здесь можно сослаться на семитомный труд Дж. Подобно Леонардо, он очерчивает отдельные механизмы, подробно описывает зацепление зубчатых колес и даже пишет об элементах редукторов.

Работы Г. Монжа стали самым большим вкладом в науку о машинах в конце 18-го и начале 19-го века. Он разработал идею машин как преобразователей движения отдельных звеньев. Из выдающихся ученых, внесших значительный вклад в теорию машин, упомянем только А. Бетанкура. Таблицы механизмов, составленные им совместно с Ланцем, поражают богатством типов простейших машин и механизмов.

Понятие кинематики, также в применении к машинам, было сформулировано А. М. Ампером в его первой таблице «Классификация человеческих знаний или синоптические таблицы наук и искусств»

В первой половине девятнадцатого века ряд ученых эффективно разрабатывали вопросы динамики машин. Работы Ж.В. Понселе сформировали целую эпоху, посвященную машинам. Ему принадлежит фундаментальный труд «Курс механики в применении к машинам». В своих более поздних книгах Понселе занимается динамикой машин, рассматривая движущие силы, силы сопротивления, инерционные силы и силы веса.

Важным вкладом в науку о механизмах в середине XIX века стала работа английского ученого Р. Уиллиса, посвященная теории механизмов. Он относится к классификации механизмов, основы которой не утратили своей ценности и сегодня.

Возникновение русской школы в теории механизмов относится к середине XIX века и непосредственно связано с именем П. Л. Чебышева. Чебышев был одним из основателей теории структурно-кинематического синтеза механизмов. Он понимал роль математики в решении проблем синтеза механизмов лучше, чем кто-либо из его предшественников. Его работа стала основой, на которой впоследствии были разработаны аналитические методы синтеза механизмов, получившие столь широкое развитие в наше время.

Во второй половине XIX века были опубликованы работы выдающегося немецкого ученого Ф. Рёло. Его работы обогатили науку о машинах принципиально новым содержанием. Он ввел важнейшие в теории механизмов понятия кинематических пар и кинематической цепи. Его «Теоретическая кинематика» может быть признана энциклопедическим трудом, охватывающим все аспекты науки о механизмах.

Работы Виллиса, Чебышева и Рёло определили основные научные направления, которые впоследствии стали содержанием той науки, которую мы сейчас называем «теория механизмов и машин».

Здесь уместно вспомнить слова Ч. Дарвина: «Наука состоит в такой группировке фактов, которая позволяет выводить на основании их общие законы и заключения».

Таким образом, о рождении новой науки — теории механизмов и машин — можно с достаточной уверенностью говорить после выхода в свет работ Виллиса, Чебышева, Рёло и ряда ученых второй половины XIX века, создавших те научные основы, которым должна удовлетворять любая наука.

Это, прежде всего, наличие строгой научной системы и классификации изучаемых объектов. Затем искусство замены реального физического объекта абстрактной механической моделью, которая в достаточной степени приближает физическую природу изучаемого объекта. Наконец, способность дать математическое описание рассматриваемой модели, позволяющее анализировать свойства и явления модели, созданной с той или иной степенью строгости.

По сути, Уиллис создал самую совершенную для того времени классификацию механизмов. Ревло создал механические модели механизмов и их элементов и ввел понятие кинематической пары, кинематической цепи и кинематической схемы. Чебышев устанавливает аналитическую связь между числом звеньев и числом кинематических пар механизмов, т.е. дает основы структуры механизмов и показывает, каким мощным инструментом является математика для решения задач анализа и синтеза механизмов.

Теперь, когда мы установили, хотя и очень приблизительно, истоки формирования теории механизмов и машин как науки, нет необходимости подробно излагать историю ее развития со второй половины XIX века до наших дней. Перечислим лишь некоторых ученых, чьи имена связаны с развитием науки о машинах. В России это были Петров, Орлов, Вышнеградский, Сомов, Жуковский, Гохман, Горячкин, Мерцалов, Ассур и т.д., в Германии — Грюблер, Мор, Бурмейстер, Грасгоф, Бах, Виттенбауэр, Альт и другие.

Ведь в США до 40-х годов не существовало школы теории механизмов и машин, и только после 40-х годов появились первые работы американских ученых. В настоящее время американская школа представляет собой важное направление в области теории механизмов и машин.

Теория механизмов и машин получила широкое развитие после Второй мировой войны в социалистических странах, а также в Италии, Голландии, Австралии, Канаде и ряде других стран.

Теория механизмов и машин всегда была одной из многочисленных ветвей дерева, которое мы называем механикой. В последние годы, с автоматизацией производства и исследований, механика машин все чаще стала использовать преимущества достижений современной теории управления. Происходит как бы симбиоз механики машин и теории управления: На стыке этих наук зарождается наука «механика и управление машинами», новая по своей сути, но богатая прошлым опытом.

Предсказать будущее науки нелегко, особенно в век стремительного развития науки и техники.

Еще великий русский ученый, химик Д. И. Менделеев, писал: «Невозможно предвидеть пределы научного знания и предсказания».

Современный ТММ и его тенденции

Основной тенденцией развития современных технологий является автоматизация всех видов производства, чтобы облегчить физический труд людей, повысить их производительность, улучшить качество изделий, позволить массовое производство изделий.

Одновременно с ростом автоматизации физического труда, в настоящее время наиболее актуальной становится проблема автоматизации и интеллектуального труда человека и замены человека машиной в решении различных логических задач. Автоматизация физического и интеллектуального труда требует создания новых механизмов, автоматов и систем машин с автоматическим действием.

Теория механики и машин, научная основа машиностроения, играет важную роль в решении проблем автоматизации.

Как упоминалось ранее, теория и проектирование машин и автоматических систем возникли на пересечении двух наук: механики машин и теории управления. Механика машин развивалась и эволюционировала на основе механики и теории машин, а теория управления — на основе классической теории управления. Воплощая аппарат современной математики, достижения физических наук, используя теоретическую механику, теорию информации, кибернетику, электронику и другие фундаментальные науки, механика машин и теория управления машинами призваны разработать инженерные методы анализа и синтеза автоматических машин и систем автоматических машин.

Если обратиться к истории развития машиностроения, то на всех этапах создания той или иной машины разрабатывались и соответствующие методы управления ею. Достаточно вспомнить автоматические игрушки, созданные многими мастерами в XVII—XVIII веках, жаккардовые ткацкие станки, паровые машины и другие машины, оснащенные контроллерами, механические пианино и подобные механизмы и машины. Но до середины нашего века управление машинами и механизмами лежало в основном на человеке, и, следовательно, если можно так выразиться, «поле управления» механизмами и машинами лежало в пределах физиологических и биомеханических возможностей человека.

Поистине революционную роль в технологии управления и промышленной автоматизации сыграло появление математически вычисляющих и принимающих решения машин и устройств. Их «спектры» оказались бесконечно большими, чем у человека. Но, пожалуй, самое главное, с помощью этих машин стало возможным заменить человека не только в управлении технологическими процессами машин, но и в выполнении многих других интеллектуальных функций, требующих решения сложнейших логических задач. С их помощью стало возможным анализировать многозвенные механизмы, снабженные многими степенями свободы, решать задачи оптимального синтеза как отдельных механизмов, так и сложных машин и систем машин с автоматическим действием, решать задачи проектирования многокритериальных и многопараметрических устройств машин, программного управления большинством современных машин, управления новыми машинами с устройствами биомеханического типа манипуляторами, роботами, шагающими и другими машинами.

Научное единство механики машин и теории управления машинами показано очень наглядно и, на наш взгляд, убедительно на примерах проблем современной механики и теории машин.

Остановимся лишь на проблеме общей теории машин и машинных систем автоматического действия. В ближайшие несколько лет в производстве все чаще будут использоваться автоматы, автоматизирующие различные технологические процессы как в промышленности, так и в сельском хозяйстве. Автоматические машины и автоматические устройства будут широко использоваться для решения различных исследовательских задач, особенно при изучении законов природы, освоении космоса, глубин Земли и океанов. Вновь создаваемые автоматы должны иметь высокую эффективность выполнения технологического процесса, соответствовать требуемым экономическим показателям и иметь автоматическую систему управления, максимально освобождающую человека от контроля за работой автомата. Для того чтобы повысить производительность труда, увеличить количество продукции, улучшить экономические показатели производства, создаются не только автоматы, но и системы машин автоматической деятельности в виде различных поточных линий, переходящих в автоматические заводы.

Отличительной особенностью автоматов и систем автоматического действия ближайшего будущего будет высокий уровень контроля над ними по множеству параметров, критериев и показателей. Система управления может иметь логические элементы электронной, пневматической, гидравлической и механической природы, в зависимости от требований к управляемому объекту и условий, в которых он работает. Системы управления могут содержать запоминающие устройства и блоки, обеспечивающие автоматическую настройку и регулировку управляемых объектов, что позволяет качественно выполнять требуемый технологический процесс при изменяющихся внешних условиях. Создание системы автоматов требует разработки методов их вероятностного и структурно-логического анализа и синтеза с учетом их производительности, эффективности, надежности, качества продукции, экономичности и точности работы. Анализ и синтез таких систем требует создания и развития специальных формализованных языков, направленных на решение задач синтеза, а также разработки новых математических методов решения задач структурного синтеза с широким использованием теории исследования операций.

Процесс функционирования больших технологических систем и процесс их синтеза характеризуется известной неопределенностью, вызванной неполнотой информации об условиях эксплуатации, качестве используемых систем и т.д. Для анализа и синтеза технологических систем такого типа, если они рассматриваются как системы с неполной информацией, могут быть использованы аналитические методы, к которым относятся вероятностные схемы случайных величин и случайных функций, математический аппарат теории массового обслуживания и др. В начальных случаях и при наличии полной неопределенности относительно тех или иных условий технологических систем может быть использована теория игр.

Необходимо дальнейшее развитие теории алгоритмических процессов для проектирования систем автоматических машин.

Любая машина, в том числе и автомат, представляет собой совокупность механизмов, выполняющих различные операции: технологические, управление транспортом и т.д. Разнообразие этих механизмов очень велико, их можно классифицировать по различным признакам, в зависимости от задачи анализа или синтеза. Наиболее удобная классификация по типам элементов, входящих в состав того или иного механизма. Таким образом, различают механизмы только с жесткими звеньями и механизмы, которые помимо жестких звеньев имеют гидравлико-пневматические, электрические, наконец, электронные и фотоэлектронные элементы.

Разработка методов анализа и синтеза механизмов на основе указанных элементов является одной из основных задач современной теории механизмов.

Поскольку при решении задач синтеза механизмов мы чаще всего имеем дело с многокритериальными системами, задачи синтеза чаще всего связаны с поиском оптимальных вариантов Нахождение оптимальных вариантов и чаще всего областей, где эти варианты существуют, требует развития теории оптимального синтеза механизмов. Как правило, решение таких задач возможно только с помощью компьютера, что требует разработки соответствующих алгоритмов и программ.

В области анализа и синтеза передач предстоят большие задачи. Здесь следует особо отметить необходимость дальнейшего развития синтеза зубчатых механизмов, в частности, механизмов пространственно-волнового сочленения и др.

Повышение мощностных, силовых и скоростных характеристик автоматов, высокие требования к их точности и надежности обуславливают развитие методов динамического исследования и расчета автоматов в ближайшие годы.

Необходимо разработать методы исследования динамических режимов машин в периоды как установившихся, так и неустановившихся движений. Далее рассматривается динамика машин с переменной массой звеньев и переменной структурой.

Особую роль в развитии динамики машин играют проблемы вибраций в машинах. Это касается, с одной стороны, вопросов борьбы с вибрациями путем создания виброустойчивых конструкций машин и механизмов, а с другой стороны, вопросов эксплуатации эффекта вибраций и создания новых двигателей и вибрационных механизмов с требуемыми кинематическими свойствами. Это не просто фраза, а реальность, которую мы должны принять во внимание и извлечь из нее максимальную пользу».

Важной социальной проблемой является изучение влияния вибраций на организм человека и разработка средств виброзащиты. Перспективное направление связано с использованием источников вибрации с малыми амплитудами и высокими частотами для различных приборов, медицинского оборудования, для изготовления двигателей с вращательным и поступательным движением и др.

Изучение причин и источников шумовых эффектов в машинах и разработка проблем динамики машин, связанных с полной или частичной локализацией шума от определенных уровней, должны также решить важную социальную проблему в этой области. В то же время необходимо продолжить исследования по использованию шумовых эффектов в технической диагностике машин.

Автоматы — это новый класс машин, которые широко используются в машиностроении. Это роботы, манипуляторы, шагающие и ползающие машины и т.д. Такие машины позволяют выполнять самые сложные движения исполнительных элементов, тем самым автоматизируя широкий спектр технологических операций. Такие машины и системы будут особенно важны, когда речь идет об освобождении людей из сложных, вредных или опасных условий, таких как высокие температуры, повышенная радиоактивность, вредные газы или химические продукты. С помощью этих машин человек может быть освобожден от утомительной и монотонной работы на конвейерных лентах, сборочных линиях, тяжелых погрузочно-разгрузочных операций. С помощью промышленных роботов можно воспроизвести большое количество операций по транспортировке обрабатываемых объектов, закреплению и разкреплению в обрабатывающих машинах, упаковке, расфасовке, контрольным операциям.

Такие автоматы и системы находили и находят применение при проведении научных исследований в космосе, на глубине и на дне океанов и под землей. Замена человека во всех тяжелых, изнурительных и сложных операциях имеет большое социальное значение, так как в корне освобождает человека от тяжелого физического труда, наделяя его функциями контроля и введения в систему необходимой дополнительной информации. Элементы управления этих машин обычно представляют собой сложные пространственные кинематические цепи со многими степенями свободы.

Задача изучения механики роботов, манипуляторов, шагающих и других машин и систем тесно переплетается с задачами управления в самом широком смысле, т.е. включая разработку искусственного интеллекта для них. В частности, следует развивать работы по структурному, кинематическому и динамическому анализу и синтезу различных схем механизмов, роботов, манипуляторов, шагающих и других машин и систем.

Промышленные роботы и манипуляторы, управляемые оператором или с помощью программного обеспечения, можно назвать роботами первого поколения. В настоящее время быстро развиваются работы по созданию роботов нового поколения, обладающих некоторыми человеческими органами чувств, такими как осязание, слух, зрение, обоняние, а также способностью воспринимать некоторую несенсорную человеческую «информацию, например, реакцию на ультразвук, на электромагнитные и тепловые поля и т.д.». Еще более позднее поколение роботов будет включать устройства с искусственным интеллектом. Решение последней проблемы предполагает создание методов описания окружающего мира и формирование этого мира в памяти роботов, разработку специальных формализованных языков как средства управления роботами, их обучения и контроля их поведения. Проблема искусственного интеллекта для роботов тесно связана с проблемой взаимодействия робота с окружающей средой и человеком, а также с вопросами взаимодействия человека и робота. К ним относятся разработка методов коммуникации между человеком и роботом, выявление свойств системы «человек-робот» и изучение распределения задач между людьми и роботами в зависимости от степени автономности последних.

Одной из важнейших в этом научном направлении является проблема создания автоматических локомоторных машин, в том числе и тех, которые передвигаются с помощью конечностей, т.е. проблема механики и управления шагающими машинами и другими подобными устройствами. Создание локомотивных устройств, передвигающихся с помощью конечностей, требует решения проблем структурного, кинематического и динамического анализа и синтеза механизмов, выбора и проектирования двигателей, разработки легких, малогабаритных и мощных приводов с высоким КПД. В эту проблему также входит задача разработки экзоскелетов — устройств, которые улучшают силовые параметры человека, повышают его выносливость и позволяют ему двигаться при повреждении опорно-двигательного аппарата.

Роботы и шагающие машины в значительной степени смоделированы по образцу человека и животных в своей конструкции и функциональных характеристиках. Поэтому очень важно развивать исследования в области биомеханики и физиологии. Под этим подразумевается изучение биомеханических свойств опорно-двигательной системы человека, животных и насекомых, затем физиологических процессов, лежащих в основе и контролирующих двигательные процессы, получение слуховой, зрительной и других форм информации, наконец, процессов пространственной ориентации и средств, обеспечивающих устойчивость живых существ.

Развитие современной теории механизмов и машин требует самого тесного сотрудничества ученых и практиков. Практика всегда будет ставить перед теорией новые вопросы, а теория будет черпать из практики основу для своих научных исследований.

В этой связи уместно вспомнить высказывание П. Л. Чебышева. Он подчеркивал, что сближение теории с практикой дает самые благоприятные результаты, и не только практика выигрывает от этого, сама наука развивается под ее влиянием, она открывает перед ними новые предметы для изучения или новые аспекты в предметах, которые давно известны.

Инженеры в поисках новых решений

Во всех научно-фантастических романах о будущем незаменимым спутником человека является робот. Ученый и писатель-фантаст А. Азимов даже разработал «законы» робототехники. Но это научно-фантастическая литература. А вот названия некоторых научных статей: «Модель разумного робота», «Некоторые проблемы организации стереоскопического зрения робота», «Определение положения тела шестиногого робота при ходьбе…». «Железный человек» уже сошел со страниц научно-фантастических книг и стучится в нашу жизнь сегодня. Ученые и конструкторы подошли к разработке промышленных роботов, которые представляют большой интерес для специалистов многих компаний. Дело в том, что такие устройства стали не только экономической, но и социальной необходимостью во многих сферах производства.

Сколько тяжелой, вредной или просто неинтересной работы приходится делать человеку! Парадоксально, но возникли целые отрасли, в которых присутствие человека затрудняет повышение производительности труда, поскольку его чисто физиологические характеристики весьма ограничены и порой не поспевают за темпами современного производства. Есть несколько областей, где использование таких роботов сегодня вполне оправдано. Это, например, освобождение человека от тяжелой или монотонной и утомительной работы. И есть еще одна (действительно огромная) сфера будущего и отчасти настоящего применения роботов — освоение космоса, исследование планет Солнечной системы, покорение недр земли и океана на нашей родной планете…..

Но все это лишь техническая сторона применения робототехники. Есть еще один, не менее важный — социальный. Дело в том, что многим компаниям не хватает рабочей силы; такая же ситуация наблюдается и в сельской местности. Роботы уже могут взять на себя многие технологические процессы на заводах и фабриках. Я думаю, что настало время создать аналогичные механизмы, работающие и в сельском хозяйстве,

Что уже сделано? Роботы типа «механическая рука» с программным управлением скоро появятся в цехах заводов. Эти механизмы очень удобны для обслуживания станков, кузнечных, литейных, сварочных и многих других машин. Они могут снимать готовые детали, складывать и выполнять другие работы.

Уже существуют более совершенные модели роботов, которые имеют оригинальные «органы чувств» — телевидение, зрение, осязание и слух. Такие механизмы способны работать с деталями, которые не расположены в строго определенных местах, они могут «дотянуться» до любой из них.

И, наконец, роботы, способные, например, собрать узел из произвольно уложенных деталей по чертежу, пока возникают только на столах дизайнеров. Более того, они смогут проанализировать ситуацию и принять в ней оптимальное решение.

Современные роботы построены в основном на принципе использования биомеханических свойств человека и животных. Среди классов этих машин следует остановиться в основном на промышленных роботах, которые могут выполнять практически неограниченное количество операций. Вопрос в том, как ориентировать такого робота.

В зависимости от заданной программы робот выполняет определенные производственные задачи. Программа его работы может быть предварительно записана на магнитную или перфоленту. «Обучение робота можно проводить даже во время его работы. В чем суть такой операции? Человек вручную выполняет действия, которые должен выполнять промышленный робот. Все эти движения записываются в программное устройство и в «память» машины.

В основном, роботизированные системы разрабатываются с манипуляторами в качестве рабочего органа. В отличие от обычного автомата, который предназначен для выполнения конкретной, неизменной операции, манипуляторы — сложные, универсальные многоцелевые механизмы. Наиболее распространенным типом таких устройств являются машины, способные выполнять ряд операций по заранее заданной «жесткой» программе. Например, если определенная технологическая операция не нужна, такой робот может быть легко переключен на другую операцию, предусмотренную его рабочей программой. Однако возможны и более «интеллектуальные» роботы-манипуляторы, которые могут адаптироваться к ситуации и подстраиваться под новую программу, чтобы выполнять новые виды работ. Не исключен своеобразный «полуавтоматический» режим работы такого робота, если в очень сложных случаях в его управление вмешивается человек.

Робот, включающий в себя манипулятор, имеет специальный исполнительный механизм, имитирующий человеческую руку. Полнота имитации варьируется в зависимости от выполняемой задачи. Кроме того, «рука» манипулятора может быть сделана более «богатой», чем человеческая рука, с точки зрения типа выполняемых движений. Например, он может вращаться в суставах, двигаться поступательно и менять длину конечностей.

Аналогичные принципы используются в конструкции шагающих машин, в некоторой степени копирующих движения ног человека и животных. Установлено, что лучшей из этих конструкций является шестиногая. Выяснилось, что движение на шести ногах является более совершенным, как с точки зрения устойчивости, так и маневренности.

Возможны также комбинированные машины, которые, когда «качение» невозможно, начинают с «ходьбы», а затем возвращаются к колесному движению. Встроив в такую машину специальные реактивные двигатели, ее можно научить «перепрыгивать» через препятствия.

Вполне вероятно, что в будущем при конструировании роботов мы научимся использовать законы движения не только человека, животных и насекомых, как это делается сегодня, но и многих других живых существ, создавая не только шагающих и катящихся, но и ползающих и прыгающих роботов.

Когда наступит «эра роботов», сегодня трудно предсказать. Но весь предыдущий опыт в области науки и техники показывал, что самые смелые прогнозы, которые казались очень далекими, сбывались гораздо быстрее. Сейчас я хотел бы отметить чрезвычайно важную закономерность технологического развития, которая внушает оптимизм. Технологический прогресс постоянно ускоряется, то есть время между моментом получения первых результатов в научных исследованиях и моментом выпуска промышленного продукта на их основе становится все короче и короче. Этому есть несколько причин, и первая из них — постоянное расширение существующего объема знаний. Развитие технических инноваций, в частности, похоже на цепную реакцию, в которой каждое изобретение вызывает несколько новых. Одним из примеров являются вибрационные формы движения и удара. Известно, что долгое время вибрация рассматривалась в основном как вредное воздействие, снижающее прочность и надежность машин. Позже эффект вибрации стали использовать для транспортировки обрабатываемого материала, его разделения на фракции, сортировки и т.д. Так, вибрационные грохоты уже нашли применение в сортировке и калибровке семян различных сельскохозяйственных культур. Недавно была внедрена в практику вибрационная транспортировка зерна с одновременной сушкой, что позволило интенсифицировать этот процесс на 40—70%.

Предстоит дальнейшее развитие теории пространственных механизмов, применяемой к новым типам автооператоров, роботов, манипуляторов и шагающих машин. Видимо, будут широко использоваться бесступенчатые редукторы, позволяющие плавно менять скорость исполнительных и других механизмов.

Заключение

До последнего десятилетия в технике в основном использовались механизмы, имеющие одну, а в редких случаях (в конструкциях механизмов дифференциалов) две степени подвижности. Сейчас все чаще используются механизмы с гораздо большим количеством степеней подвижности. Это стало возможным благодаря появлению сложных систем управления, которые обеспечивают движение отдельных частей механизмов по более сложным законам.

Современный инженер-конструктор, технолог, исследователь должен в совершенстве владеть методами и конструкцией новых приборов, высокопроизводительных машин, автоматов, автоматических линий, отвечающих высоким требованиям надежности и точности воспроизведения движений рабочего органа и так далее.

При создании сложных машин и, прежде всего, автоматов или автоматических линий, необходимо, прежде всего, разработать рациональный технологический процесс, в соответствии с которым конструктор и технолог должны спроектировать отдельные исполнительные механизмы, механизмы управления, специальные устройства для контроля прочности и выталкивания изделий и т.д.

Проектирование машиностроения в целом базируется на ряде общеобразовательных, общеинженерных и технологических дисциплин. Кроме того, проектные работы в каждой отрасли машиностроения опираются на материал специальных дисциплин этой отрасли. Однако теория механизмов и машин является основой для всех этих дисциплин.

Создание новых, более совершенных машин и механизмов требует дальнейшего развития существующих, а также разработки новых инженерных методов их анализа и синтеза. В решении этих проблем важнейшую роль играет теория механизмов и машин.

Таким образом, ТММ является одной из важнейших дисциплин, дающих инженеру-механику знания для качественного проектирования машин и механизмов.

Список литературы

Кореняко А.С. Теория механизмов и машин. А.С. Кореняко теория механизмов и машин, 1976 г. Опубликовано Выща школа, 1976 г.
Кульбачный О.И. и др. Теория механизмов и машин. Черновик. Москва, Высшая школа, 1970.
Лепихов А.М. (составитель) Академик Артоболевский: сборник. Москва: Знание, 1983.
Машков А.А. Теория механизмов и машин. Ред. «Вышэйшая школа». Минск 1971.
Попов С.А., Тимофеев Г.А. Курс теории конструирования и механики машин. Москва, «Высшая школа». 2002 г.
Юдин В.А., Петрокас Л.В. Теория механизмов и машин. Москва, «Высшая школа», 1977.

На странице рефераты по философии вы найдете много готовых тем для рефератов по предмету «Философия».

Здесь темы курсовых работ по философии

Читайте дополнительные лекции: