Тольяттинский державний університет
Кафедра теорії механізмів і машин
Реферат на тему «Теорія механізмів і машин для інженерів»
Студенти: Введенський Д.І.
Сендевіч А.Є.
Храмов Д.С.
Шелудяком І.В.
Група: М-202
Викладач: Балахнина А.А.
Тольятті, 2004 р.
Що повинен знати сучасний інженер
Сучасна техніка характеризується великою різноманітністю машин, приладів і пристроїв механічного дії, головною особливістю яких є передача руху та енергії за допомогою механізмів. Тому інженерам механічних спеціальностей конструкторського, технологічного та експлуатаційного профілів необхідно володіти основними знаннями в галузі механіки та енергетики машин, тобто мати уявлення про поширені в техніці механізмах, методи їх метричного, кінематичного та силового розрахунку, про машинних агрегатах і динамічних процесах, що протікають при їх роботі. Всі ці питання об'єднуються в загальній теорії механізмів і машин.
Найбільш ефективним методом інженерного навчання, як відомо, є навчальне проектування, в ході якого, зіставляючи різні варіанти вирішення поставленої задачі, можна глибше засвоїти об'єкт вивчення, логіку раціональних інженерних рішень і методи технічного розрахунку. При цьому дуже важливо не просто копіювати вирішення завдань, аналогічних проектним завданням, а навчитися розуміти призначення і взаємозв'язок всіх елементів проектованої системи.
Проектування сучасних машин ведеться на основі багатьох технічних дисциплін. Однак важливо підкреслити, що при проектуванні будь-якої машини, приладу або пристрою механічної дії обов'язково доводиться вирішувати питання, пов'язані з вибором кінематичних схем механізмів, їх розрахунком; динамікою їх руху, з підбором основних параметрів двигуна. Ось чому для розуміння принципу дії прийнятих на виробництві машин, а тим більше для створення нових та удосконалення існуючих необхідно знати методи проектування кінематичних схем механізмів і мати уявлення про побудову машинних агрегатів.
Багатоваріантний характер інженерних рішень у процесі конструювання машини вимагає достатньої детальної розробки методів розрахунку і методів прийняття та реалізації оптимальних рішень. Докладне вивчення методів забезпечення вимог ефективності, якості і економічності розподілено у навчальних планах вузів між загальноінженерними та спеціальними навчальними дисциплінами. Питання синтезу структурної і кінематичної схем механізмів, компонування механізмів і узгодження їх руху, силовий аналіз механізму, визначення закону руху механізму, обумовленого заданими силами, оцінка віброактивності і віброзахисту механізмів, управління рухом і ряд інших питань вивчаються в дисциплінах «Теорія механізмів і машин», «Основи проектування машин і механізмів» та інші, що мають інші назви залежно від спеціальності. Питання конструювання деталей і складальних одиниць, загального компонування машини за умовами міцності, жорсткості, вібростійкості, віброактивності, зносостійкості та технологічності вивчаються в дисципліні «Деталі машин» і в спеціальних дисциплінах.
У конструкторської підготовки інженерів особливе місце відводиться питанням технологічності проектованих машин. Конструктивні рішення повинні підкорятися вимогам раціональних технологічних процесів виготовлення та збірки, забезпечення мінімуму виробничих витрат при заданих параметрах і показниках ефективності проектованої машини. Виріб, досить технологічне в одиничному виробництві, може бути малотехнологічний в масовому виробництві і абсолютно нетехнологічним в поточно-автоматизованому виробництві. Раніше нетехнологічні конструкції можуть стати цілком технологічними в умовах гнучкого (переналагоджуваної) автоматизованого виробництва (ГАП). ГАП, технічну основу якого складають гнучкі виробничі системи (ГВС), тобто обладнання з числовим програмним керуванням (ЧПК), промислові роботи і маніпулятори і обчислювальна техніка, що дозволяє легко пристосовувати виробництво до постійно зростаючим потребам народного господарства. Створення автономно функціонуючого автоматизованого обладнання з ЧПУ, оснащеного пристроями завантаження заготівель і видалення оброблених деталей, подання та заміни інструменту, видалення відходів обробки (гнучкі виробничі модулі та гнучкі комплекси), знаходження для конкретного виробництва найкращого співвідношення між продуктивністю і гнучкістю технологічного процесу потребують при своєму рішенні відповідей на багато питань. У числі низки рішень певне місце відводиться і тим, які можуть бути отримані з використанням основних методів дослідження і проектування механізмів і машин, що вивчаються студентами в навчальній дисципліні «Теорія механізмів і машин» (ТММ).
Що таке теорія механізмів і машин та як вона з'явилася
Теорія механізмів і машин використовує переважно закони і положення теоретичної механіки. У сукупності з науками «Опір матеріалів», «Деталі машин» і «Технологія металів», а також з теорією пружності теорія механізмів і машин є теоретичним фундаментом, на якому будується сучасне машинобудування. У теорії механізмів і машин розглядаються наукові основи побудови механізмів і машин, а також методи їх дослідження. Розглядаючи методи структурного, кінематичного та динамічного аналізу і синтезу механізмів машин (питання механіки механізмів і машин), теорія механізмів і машин є безпосереднім продовженням теоретичної механіки і одночасно її додатком до питань машинобудування,
Наука про механізми вирішує дві проблеми - синтезу і аналізу механізмів. Завданням синтезу механізмів є створення методів проектування механізмів, які відповідають високим вимогам сучасної техніки. Завдання аналізу - вивчення методів дослідження руху існуючих механізмів. Кожна з названих проблем вирішує такі питання: а) структури та класифікації механізмів; б) кінематики; в) кінетостатікі і динаміки машин.
Перша п'ятирічка і бурхливе зростання радянського машинобудування в першій половині 30-х років стимулювали розвиток вищих шкіл у країні і реорганізацію всієї системи вищої освіти. У зв'язку з цим виникло питання і про програми, зміст і методи навчання. З питання змісту курсу прикладної механіки-одного з найважливіших предметів при навчанні інженера-механіка-в 1932 р. була проведена дискусія, в якій взяли участь найвизначніші радянські машіноведи і багато практичні працівники. Висловлені думки зводилися, по суті, до необхідності перерозподілити досліджуваний матеріал і кілька перетворити програми, не зачіпаючи в більшості випадків основ сформованого курсу науки.
Зовсім інакше поставився до дискусійного питання І. І. Артоболевський. Вказуючи на найважливіший недолік прикладної механіки-майже повна відсутність теорії синтезу механізмів, він запропонував перебудувати методику викладання цього предмета у вищих технічних навчальних закладах, рекомендував вести викладання в добре обладнаних лабораторіях і запропонував приступити до вирішення завдань практичного машинобудування, пов'язаних з тертям, вібраціями в машинах , ударним дією сил, методикою синтезу механізмів, теорією просторових механізмів, теорією автоматів. Іван Іванович прийшов до висновку, що було б своєчасним підняти питання про створення спеціального інституту по теорії машин.
У період з 1932 по 1937 р. Іван Іванович продовжує займатися просторовими механізмами. Їм були опубліковані: монографія «Теорія просторових механізмів», стаття «Структура та кінематика механізмів з хитними шайбами» і ряд інших статей, а також «Теорія і методи зрівноважування щокових дробарок» (у співавторстві з С. І. Артоболевський і Б. В. Едельштейном), «Теорія вібраційного гуркоту з приводом Бюлера», «Методи урівноваження сил інерції в робочих машинах зі складними кінематичними схемами». У 1936 р за пропозицією С. А. Чаплигіна йому було присвоєно ступінь доктора технічних наук без захисту дисертації. З 1937 р. він приступив до роботи в Комісії машинознавства при Відділенні технічних наук АН СРСР. Після перетворення Комісії в Інститут машинознавства І. І. Артоболевський очолив у ньому відділ машин і механізмів.
Структура і класифікація механізмів - одна з тем, розробку якої почала Комісія машинознавства. З цього часу починається глибоке вивчення класифікаційних ідей Л. В. Ашшуровими, і їх розвиток.
Іван Іванович працює над створенням спільних принципів одиниць класифікації плоских і просторових механізмів і вирішує ряд важливих завдань кінематики і кінетостатікі. Він публікує роботи: «Структура, кінематика і кінетостатіка багатоланкових плоских механізмів» (1939 р.), «Синтез плоских механізмів» (1939 р.), «Основи єдиної класифікації механізмів» (1939 р.), «Структура і класифікація механізмів» ( 1939 р.). Тоді ж побачили світ і інші роботи по самим різним питанням теорії механізмів.
Приблизно з середини 50-х років починається період становлення і розвитку машин автоматичної дії. Саме в цей період відбулися принципові зміни у відношенні до об'єкта дослідження - до машини. При цьому в теорії механізмів і машин істотне значення набула не тільки спеціальна теорія автоматів, а й теорія робочих машин взагалі.
У 50-х роках Іван Іванович займається синтезом механізмів, теорією машин-автоматів, теорією робочих машин, питаннями механічного відтворення математичних залежностей. Численні роботи про механізми, завершені монографією «Теорія механізмів для відтворення плоских кривих» (1959 р.), а також книга «Синтез плоских механізмів», написана у співавторстві з М. І. Левитський та С. А. Черкудіновим (1959 р.) , відобразили стан теорії сучасного навчання про механізми. Одночасно І. І. Артоболевський починає дослідження в області теорії механізмів машин автоматичної дії: гідравлічних, пневматичних та гідропневматичних.
Для сучасних машин характерні вібраційні явища і суттєва зміна маси в процесі роботи. Щоб врахувати ці фактори, в більшості випадків потрібно враховувати не тільки конструктивні особливості самої машини, але також і системи «машина-оброблюваний матеріал». Слід зазначити, що до досліджень І. І. Артоболевського теорія механізмів і машин розглядала будь-яку машину виключно з точки зору її конструктивних ознак, а технологічним впливам відводилася роль зовнішніх сил. І. І. Артоболевський запропонував розглядати вплив оброблюваного матеріалу на машину не як зовнішнє, а як інтегрально входить в сукупність впливів. У результаті робіт, виконаних І. І. Артоболевський частково в співавторстві зі своїми учнями до 60-х років, теорія механізмів і машин набула абсолютно інше, суттєво відрізняється від науки першої половини століття зміст: вивчення структурної схеми, характерне для того часу, поступається місцем нової теорії машин, математичної та експериментальної, що відображає особливості машин другої половини століття.
Надалі пішла серія статей, присвячених теорії машин автоматичної дії. Роботи «Основні завдання теорії механізмів і машин в області конструювання машин-автоматів» (1956 р.), «Завдання теорії машин і механізмів у розвитку методів розрахунку і проектування машин автоматичної дії» (1956 р.) та ряд інших з'явилися великим внеском р. теорію машин. Іван Іванович продовжує розробку теорії механізмів для відтворення математичних залежностей та їх застосування в кінематичній геометрії в поєднанні з розвитком ідей П. Л. Чебишева, Сильвестер, Робертса та інших класиків науки другої половини минулого століття.
Історично так склалося, що до другої половини 50-х років досліджувалися лише жорсткі і з застереженнями гнучкі ланки. Кьонігс розвинув теорію пар як окремий випадок математичної теорії зв'язків, а Франк в середині 30-х років спробував узагальнити поняття ланок, пар і механізму, але тільки в самому загальному плані. З другої половини 50-х років починається вивчення пар, ланки яких можуть мати самі різні функціональні призначення, досліджуються машини і механізми, які можуть включати до свого складу пари різного призначення. У результаті теорія механізмів стає здатною вирішувати ті найскладніші завдання, які раніше вирішувати їй не вдавалося.
На початку 1958 р. відбулося Друге Всесоюзна нарада щодо основних проблем теорії машин і механізмів, яке підсумувало пройдений шлях і намітило основні етапи подальшого розвитку науки. На цій нараді І. І. Артоболевський в доповіді «Сучасний стан теорії машин і механізмів» вказав області розвитку подальших досліджень: вивчення кінематичних пар в їх реальному оформленні, розвиток теорії механізмів з пружними ланками, поглиблення теорії машин - автоматів, створення теорії робочих процесів.
Історія інженерної думки в галузі теорії машин і механізмів
«Щоб оглянути прогрес науки в цілому, корисно порівняти сучасні проблеми науки з проблемами попередньої епохи і дослідити ті специфічні зміни, які змінювалася та чи інша важлива проблема протягом десятиліть або навіть століть». В. Гейзенберг
Ще близько двох тисячоліть тому знаменитий представник олександрійської школи Герон створював вантажопідйомні й військові машини, турбіни і навіть найпростіші автомати для роздачі води, а Марк Вітрувій описав створені ним машини і вантажопідйомні споруди, в яких він застосовував просторову зубчасту передачу, архимедів гвинт, поліспасти та інші механізми.
У IX-Х ст. винаходяться годинник з зубчастими передачами. Особливого розвитку машинна техніка набуває в період Відродження. Тут можна вказати на знаменитого генуезця Л. Б. Альберті, в творах якого є опис різних механізмів, необхідних для будівництва будинків. В його працях ми вперше зустрічаємося зі спробою представити машину як сукупність окремих механізмів.
Епоха Відродження нерозривно пов'язана з ім'ям геніального Леонардо да Вінчі. Виявлені нещодавно дві його великі рукописи, що носять назви «Мадридський кодекс I» і «Мадридський кодекс II», показують, що Леонардо да Вінчі не тільки підійшов впритул до поняття механізму, а й намагався дати систематику механізмів та їх деталей.
Він розглядає механізми зубчастих передач різних видів, кулачкові, важільні та інші механізми і деталі. Найбільший знавець технічної творчості Леонардо Ладіслав Реті в книзі «Невідомий Леонардо» пише про те, що Леонардо сформулював свої ідеї щодо зв'язку теорії з практикою у формі двох постулатів. Перший: «Книга про науку механізмів повинна передувати книзі про їх застосування». Другий: «Механіка є рій математичних наук. За допомогою її досягається плід математики ».
Таким чином, Леонардо вперше ставить питання про необхідність створення науки про механізми і широкому використанні математичних методів у створенні конструкції машин. Якщо звернутися до сукупності тих механізмів, які розглядав Леонардо в «Мадридських кодексах» і в «Атлантичному кодексі», то, як свідчить Бріц, в них містяться всі 22 елемента, з яких складаються машини, які пізніше були описані в класичній праці Ф. Рело з кінематики машин. Таким чином, Леонардо більш ніж на три століття випередив вчених XIX сторіччя в розумінні того, що кожна машина може бути створена з сукупності одних і тих самих механізмів.
Він ще не використовує поняття механічної моделі механізму, його кінематичної схеми, але впритул підійшов до розуміння необхідності застосування математичних описів механіки машин і механізмів.
Роботи Леонардо да Вінчі були великим стрибком в науці про машини.
Після епохи Відродження наука про машини і механізми довгий час носила суто емпіричний винахідницький характер. Створювалися і винаходилися окремі машини і механізми, але теоретичні обгрунтування цих конструкцій, як правило відсутні. Тим не менше ці нові машини відкривали цілі епохи в розвитку техніки Тут в першу чергу треба згадати про Дж. Уатт як творця парової машини і ряду механічних пристроїв а також про російських винахідників Кулібіна, Ползунова. Нартова та інших, На початку XIX століття Г. Моделі був винайдений супорт токарного верстата, а Дж. Стефенсон створює перший локомотив.
Але перші теоретичні роботи після Леонардо да Вінчі належать до XVIII ст. Тут можна вказати на семитомне твір Я. Лейпольда «Театр машин», Він так само, як і Леонардо, виділяє окремі механізми, докладно описує зубчасті зачеплення і навіть пише про елементи зубчастих редукторів.
Найбільшим внеском у науку про машини були праці Г. Монжа, пов'язані з кінця XVIII і початку XIX ст. Видатний геометр Монж поставив геометрію на службу інженерним наукам, створивши нарисну геометрію-Цей витончений апарат кінематики машин і механізмів. Він розвинув ідею про механізми як перетворювачах руху окремих ланок. Серед видатних учених, які зробили значний внесок у теорію машин, ми повинні зазначити А. Бетанкура. Складені ним спільно з Ланце таблиці механізмів вражають своїм багатством видів найпростіших машин і механізмів.
Кафедра теорії механізмів і машин
Реферат на тему «Теорія механізмів і машин для інженерів»
Студенти: Введенський Д.І.
Сендевіч А.Є.
Храмов Д.С.
Шелудяком І.В.
Група: М-202
Викладач: Балахнина А.А.
Тольятті, 2004 р.
Що повинен знати сучасний інженер
Сучасна техніка характеризується великою різноманітністю машин, приладів і пристроїв механічного дії, головною особливістю яких є передача руху та енергії за допомогою механізмів. Тому інженерам механічних спеціальностей конструкторського, технологічного та експлуатаційного профілів необхідно володіти основними знаннями в галузі механіки та енергетики машин, тобто мати уявлення про поширені в техніці механізмах, методи їх метричного, кінематичного та силового розрахунку, про машинних агрегатах і динамічних процесах, що протікають при їх роботі. Всі ці питання об'єднуються в загальній теорії механізмів і машин.
Найбільш ефективним методом інженерного навчання, як відомо, є навчальне проектування, в ході якого, зіставляючи різні варіанти вирішення поставленої задачі, можна глибше засвоїти об'єкт вивчення, логіку раціональних інженерних рішень і методи технічного розрахунку. При цьому дуже важливо не просто копіювати вирішення завдань, аналогічних проектним завданням, а навчитися розуміти призначення і взаємозв'язок всіх елементів проектованої системи.
Проектування сучасних машин ведеться на основі багатьох технічних дисциплін. Однак важливо підкреслити, що при проектуванні будь-якої машини, приладу або пристрою механічної дії обов'язково доводиться вирішувати питання, пов'язані з вибором кінематичних схем механізмів, їх розрахунком; динамікою їх руху, з підбором основних параметрів двигуна. Ось чому для розуміння принципу дії прийнятих на виробництві машин, а тим більше для створення нових та удосконалення існуючих необхідно знати методи проектування кінематичних схем механізмів і мати уявлення про побудову машинних агрегатів.
Багатоваріантний характер інженерних рішень у процесі конструювання машини вимагає достатньої детальної розробки методів розрахунку і методів прийняття та реалізації оптимальних рішень. Докладне вивчення методів забезпечення вимог ефективності, якості і економічності розподілено у навчальних планах вузів між загальноінженерними та спеціальними навчальними дисциплінами. Питання синтезу структурної і кінематичної схем механізмів, компонування механізмів і узгодження їх руху, силовий аналіз механізму, визначення закону руху механізму, обумовленого заданими силами, оцінка віброактивності і віброзахисту механізмів, управління рухом і ряд інших питань вивчаються в дисциплінах «Теорія механізмів і машин», «Основи проектування машин і механізмів» та інші, що мають інші назви залежно від спеціальності. Питання конструювання деталей і складальних одиниць, загального компонування машини за умовами міцності, жорсткості, вібростійкості, віброактивності, зносостійкості та технологічності вивчаються в дисципліні «Деталі машин» і в спеціальних дисциплінах.
У конструкторської підготовки інженерів особливе місце відводиться питанням технологічності проектованих машин. Конструктивні рішення повинні підкорятися вимогам раціональних технологічних процесів виготовлення та збірки, забезпечення мінімуму виробничих витрат при заданих параметрах і показниках ефективності проектованої машини. Виріб, досить технологічне в одиничному виробництві, може бути малотехнологічний в масовому виробництві і абсолютно нетехнологічним в поточно-автоматизованому виробництві. Раніше нетехнологічні конструкції можуть стати цілком технологічними в умовах гнучкого (переналагоджуваної) автоматизованого виробництва (ГАП). ГАП, технічну основу якого складають гнучкі виробничі системи (ГВС), тобто обладнання з числовим програмним керуванням (ЧПК), промислові роботи і маніпулятори і обчислювальна техніка, що дозволяє легко пристосовувати виробництво до постійно зростаючим потребам народного господарства. Створення автономно функціонуючого автоматизованого обладнання з ЧПУ, оснащеного пристроями завантаження заготівель і видалення оброблених деталей, подання та заміни інструменту, видалення відходів обробки (гнучкі виробничі модулі та гнучкі комплекси), знаходження для конкретного виробництва найкращого співвідношення між продуктивністю і гнучкістю технологічного процесу потребують при своєму рішенні відповідей на багато питань. У числі низки рішень певне місце відводиться і тим, які можуть бути отримані з використанням основних методів дослідження і проектування механізмів і машин, що вивчаються студентами в навчальній дисципліні «Теорія механізмів і машин» (ТММ).
Що таке теорія механізмів і машин та як вона з'явилася
Теорія механізмів і машин використовує переважно закони і положення теоретичної механіки. У сукупності з науками «Опір матеріалів», «Деталі машин» і «Технологія металів», а також з теорією пружності теорія механізмів і машин є теоретичним фундаментом, на якому будується сучасне машинобудування. У теорії механізмів і машин розглядаються наукові основи побудови механізмів і машин, а також методи їх дослідження. Розглядаючи методи структурного, кінематичного та динамічного аналізу і синтезу механізмів машин (питання механіки механізмів і машин), теорія механізмів і машин є безпосереднім продовженням теоретичної механіки і одночасно її додатком до питань машинобудування,
Наука про механізми вирішує дві проблеми - синтезу і аналізу механізмів. Завданням синтезу механізмів є створення методів проектування механізмів, які відповідають високим вимогам сучасної техніки. Завдання аналізу - вивчення методів дослідження руху існуючих механізмів. Кожна з названих проблем вирішує такі питання: а) структури та класифікації механізмів; б) кінематики; в) кінетостатікі і динаміки машин.
Перша п'ятирічка і бурхливе зростання радянського машинобудування в першій половині 30-х років стимулювали розвиток вищих шкіл у країні і реорганізацію всієї системи вищої освіти. У зв'язку з цим виникло питання і про програми, зміст і методи навчання. З питання змісту курсу прикладної механіки-одного з найважливіших предметів при навчанні інженера-механіка-в 1932 р. була проведена дискусія, в якій взяли участь найвизначніші радянські машіноведи і багато практичні працівники. Висловлені думки зводилися, по суті, до необхідності перерозподілити досліджуваний матеріал і кілька перетворити програми, не зачіпаючи в більшості випадків основ сформованого курсу науки.
Зовсім інакше поставився до дискусійного питання І. І. Артоболевський. Вказуючи на найважливіший недолік прикладної механіки-майже повна відсутність теорії синтезу механізмів, він запропонував перебудувати методику викладання цього предмета у вищих технічних навчальних закладах, рекомендував вести викладання в добре обладнаних лабораторіях і запропонував приступити до вирішення завдань практичного машинобудування, пов'язаних з тертям, вібраціями в машинах , ударним дією сил, методикою синтезу механізмів, теорією просторових механізмів, теорією автоматів. Іван Іванович прийшов до висновку, що було б своєчасним підняти питання про створення спеціального інституту по теорії машин.
У період з 1932 по 1937 р. Іван Іванович продовжує займатися просторовими механізмами. Їм були опубліковані: монографія «Теорія просторових механізмів», стаття «Структура та кінематика механізмів з хитними шайбами» і ряд інших статей, а також «Теорія і методи зрівноважування щокових дробарок» (у співавторстві з С. І. Артоболевський і Б. В. Едельштейном), «Теорія вібраційного гуркоту з приводом Бюлера», «Методи урівноваження сил інерції в робочих машинах зі складними кінематичними схемами». У 1936 р за пропозицією С. А. Чаплигіна йому було присвоєно ступінь доктора технічних наук без захисту дисертації. З 1937 р. він приступив до роботи в Комісії машинознавства при Відділенні технічних наук АН СРСР. Після перетворення Комісії в Інститут машинознавства І. І. Артоболевський очолив у ньому відділ машин і механізмів.
Структура і класифікація механізмів - одна з тем, розробку якої почала Комісія машинознавства. З цього часу починається глибоке вивчення класифікаційних ідей Л. В. Ашшуровими, і їх розвиток.
Іван Іванович працює над створенням спільних принципів одиниць класифікації плоских і просторових механізмів і вирішує ряд важливих завдань кінематики і кінетостатікі. Він публікує роботи: «Структура, кінематика і кінетостатіка багатоланкових плоских механізмів» (1939 р.), «Синтез плоских механізмів» (1939 р.), «Основи єдиної класифікації механізмів» (1939 р.), «Структура і класифікація механізмів» ( 1939 р.). Тоді ж побачили світ і інші роботи по самим різним питанням теорії механізмів.
Приблизно з середини 50-х років починається період становлення і розвитку машин автоматичної дії. Саме в цей період відбулися принципові зміни у відношенні до об'єкта дослідження - до машини. При цьому в теорії механізмів і машин істотне значення набула не тільки спеціальна теорія автоматів, а й теорія робочих машин взагалі.
У 50-х роках Іван Іванович займається синтезом механізмів, теорією машин-автоматів, теорією робочих машин, питаннями механічного відтворення математичних залежностей. Численні роботи про механізми, завершені монографією «Теорія механізмів для відтворення плоских кривих» (1959 р.), а також книга «Синтез плоских механізмів», написана у співавторстві з М. І. Левитський та С. А. Черкудіновим (1959 р.) , відобразили стан теорії сучасного навчання про механізми. Одночасно І. І. Артоболевський починає дослідження в області теорії механізмів машин автоматичної дії: гідравлічних, пневматичних та гідропневматичних.
Для сучасних машин характерні вібраційні явища і суттєва зміна маси в процесі роботи. Щоб врахувати ці фактори, в більшості випадків потрібно враховувати не тільки конструктивні особливості самої машини, але також і системи «машина-оброблюваний матеріал». Слід зазначити, що до досліджень І. І. Артоболевського теорія механізмів і машин розглядала будь-яку машину виключно з точки зору її конструктивних ознак, а технологічним впливам відводилася роль зовнішніх сил. І. І. Артоболевський запропонував розглядати вплив оброблюваного матеріалу на машину не як зовнішнє, а як інтегрально входить в сукупність впливів. У результаті робіт, виконаних І. І. Артоболевський частково в співавторстві зі своїми учнями до 60-х років, теорія механізмів і машин набула абсолютно інше, суттєво відрізняється від науки першої половини століття зміст: вивчення структурної схеми, характерне для того часу, поступається місцем нової теорії машин, математичної та експериментальної, що відображає особливості машин другої половини століття.
Надалі пішла серія статей, присвячених теорії машин автоматичної дії. Роботи «Основні завдання теорії механізмів і машин в області конструювання машин-автоматів» (1956 р.), «Завдання теорії машин і механізмів у розвитку методів розрахунку і проектування машин автоматичної дії» (1956 р.) та ряд інших з'явилися великим внеском р. теорію машин. Іван Іванович продовжує розробку теорії механізмів для відтворення математичних залежностей та їх застосування в кінематичній геометрії в поєднанні з розвитком ідей П. Л. Чебишева, Сильвестер, Робертса та інших класиків науки другої половини минулого століття.
Історично так склалося, що до другої половини 50-х років досліджувалися лише жорсткі і з застереженнями гнучкі ланки. Кьонігс розвинув теорію пар як окремий випадок математичної теорії зв'язків, а Франк в середині 30-х років спробував узагальнити поняття ланок, пар і механізму, але тільки в самому загальному плані. З другої половини 50-х років починається вивчення пар, ланки яких можуть мати самі різні функціональні призначення, досліджуються машини і механізми, які можуть включати до свого складу пари різного призначення. У результаті теорія механізмів стає здатною вирішувати ті найскладніші завдання, які раніше вирішувати їй не вдавалося.
На початку 1958 р. відбулося Друге Всесоюзна нарада щодо основних проблем теорії машин і механізмів, яке підсумувало пройдений шлях і намітило основні етапи подальшого розвитку науки. На цій нараді І. І. Артоболевський в доповіді «Сучасний стан теорії машин і механізмів» вказав області розвитку подальших досліджень: вивчення кінематичних пар в їх реальному оформленні, розвиток теорії механізмів з пружними ланками, поглиблення теорії машин - автоматів, створення теорії робочих процесів.
Історія інженерної думки в галузі теорії машин і механізмів
«Щоб оглянути прогрес науки в цілому, корисно порівняти сучасні проблеми науки з проблемами попередньої епохи і дослідити ті специфічні зміни, які змінювалася та чи інша важлива проблема протягом десятиліть або навіть століть». В. Гейзенберг
Ще близько двох тисячоліть тому знаменитий представник олександрійської школи Герон створював вантажопідйомні й військові машини, турбіни і навіть найпростіші автомати для роздачі води, а Марк Вітрувій описав створені ним машини і вантажопідйомні споруди, в яких він застосовував просторову зубчасту передачу, архимедів гвинт, поліспасти та інші механізми.
У IX-Х ст. винаходяться годинник з зубчастими передачами. Особливого розвитку машинна техніка набуває в період Відродження. Тут можна вказати на знаменитого генуезця Л. Б. Альберті, в творах якого є опис різних механізмів, необхідних для будівництва будинків. В його працях ми вперше зустрічаємося зі спробою представити машину як сукупність окремих механізмів.
Епоха Відродження нерозривно пов'язана з ім'ям геніального Леонардо да Вінчі. Виявлені нещодавно дві його великі рукописи, що носять назви «Мадридський кодекс I» і «Мадридський кодекс II», показують, що Леонардо да Вінчі не тільки підійшов впритул до поняття механізму, а й намагався дати систематику механізмів та їх деталей.
Він розглядає механізми зубчастих передач різних видів, кулачкові, важільні та інші механізми і деталі. Найбільший знавець технічної творчості Леонардо Ладіслав Реті в книзі «Невідомий Леонардо» пише про те, що Леонардо сформулював свої ідеї щодо зв'язку теорії з практикою у формі двох постулатів. Перший: «Книга про науку механізмів повинна передувати книзі про їх застосування». Другий: «Механіка є рій математичних наук. За допомогою її досягається плід математики ».
Таким чином, Леонардо вперше ставить питання про необхідність створення науки про механізми і широкому використанні математичних методів у створенні конструкції машин. Якщо звернутися до сукупності тих механізмів, які розглядав Леонардо в «Мадридських кодексах» і в «Атлантичному кодексі», то, як свідчить Бріц, в них містяться всі 22 елемента, з яких складаються машини, які пізніше були описані в класичній праці Ф. Рело з кінематики машин. Таким чином, Леонардо більш ніж на три століття випередив вчених XIX сторіччя в розумінні того, що кожна машина може бути створена з сукупності одних і тих самих механізмів.
Він ще не використовує поняття механічної моделі механізму, його кінематичної схеми, але впритул підійшов до розуміння необхідності застосування математичних описів механіки машин і механізмів.
Роботи Леонардо да Вінчі були великим стрибком в науці про машини.
Після епохи Відродження наука про машини і механізми довгий час носила суто емпіричний винахідницький характер. Створювалися і винаходилися окремі машини і механізми, але теоретичні обгрунтування цих конструкцій, як правило відсутні. Тим не менше ці нові машини відкривали цілі епохи в розвитку техніки Тут в першу чергу треба згадати про Дж. Уатт як творця парової машини і ряду механічних пристроїв а також про російських винахідників Кулібіна, Ползунова. Нартова та інших, На початку XIX століття Г. Моделі був винайдений супорт токарного верстата, а Дж. Стефенсон створює перший локомотив.
Але перші теоретичні роботи після Леонардо да Вінчі належать до XVIII ст. Тут можна вказати на семитомне твір Я. Лейпольда «Театр машин», Він так само, як і Леонардо, виділяє окремі механізми, докладно описує зубчасті зачеплення і навіть пише про елементи зубчастих редукторів.
Найбільшим внеском у науку про машини були праці Г. Монжа, пов'язані з кінця XVIII і початку XIX ст. Видатний геометр Монж поставив геометрію на службу інженерним наукам, створивши нарисну геометрію-Цей витончений апарат кінематики машин і механізмів. Він розвинув ідею про механізми як перетворювачах руху окремих ланок. Серед видатних учених, які зробили значний внесок у теорію машин, ми повинні зазначити А. Бетанкура. Складені ним спільно з Ланце таблиці механізмів вражають своїм багатством видів найпростіших машин і механізмів.
Поняття кінематики, в тому числі і в додатку до машин, було сформульовано А. М. Ампером в його першій таблиці «Класифікація людських знань або синоптичні таблиці наук і мистецтв»
У першій половині XIX століття поруч вчених ефективно розвиваються питання динаміки машин. Цілу епоху про машини склали праці Ж. В. Понселе. Йому належить фундаментальна праця «Курс механіки в додатку до машин». У наступних своїх книгах Понселе розглядає динаміку машин з урахуванням рушійних сил, сил опору, сил інерції та сил ваги.
Великим внеском у науку про механізми в середині XIX сторіччя з'явилася робота англійського вченого Р. Вілліса, присвячена теорії механізмів. Йому належить класифікація механізмів, основи якої не втратили і тепер свого значення.
Створення російської школи з теорії механізмів відноситься до середини XIX ст. і безпосередньо пов'язано з ім'ям П. Л. Чебишева. Чебишев-основоположник теорії структурного і кінематичного синтезу механізмів. Він глибше ніж будь-хто з його попередників зрозумів роль математики у вирішенні завдань синтезу механізмів. Його праці стали тим фундаментом, на якому були згодом розвинені аналітичні методи синтезу механізмів, що одержали таке широке розвиток у наш час.
У другій половині XIX ст. публікуються роботи видатного німецького вченого Ф. Рело. Його праці збагатили науку про машини принципово новим змістом. Їм вводяться найважливіші в теорії механізмів поняття про кінематичній парі і кінематичного ланцюга. Його «Теоретична кінематика» може бути визнана працею енциклопедичним, що охоплює всі сторони навчання про механізми.
Роботами Вілліса, Чебишева і Рело визначалися основні наукові напрями, що стали згодом змістом науки, яку ми тепер називаємо «Теорія механізмів і машин».
Тут доречно згадати слова Ч. Дарвіна: «Наука полягає в такій угрупованню фактів, яка дозволяє виводити на підставі їх загальні закони і ув'язнення».
Таким чином, ми можемо говорити досить впевнено про народження нової науки-теорії механізмів і машин - після публікації робіт Вілліса, Чебишева, Рело і ряду учених другої половини XIX ст., Що створили ті наукові основи, яким повинна задовольняти кожна наука.
Це в першу чергу наявність суворої наукової систематики і класифікації досліджуваних об'єктів. Потім мистецтво заміни реального фізичного об'єкта деякої абстрактної механічної моделлю, досить близькою до фізичної природі досліджуваного об'єкта. Нарешті, вміння дати математичний опис даної моделі, що дозволяє провести з тим або іншим ступенем строгості аналіз властивостей і явищ створеної моделі.
Дійсно, Вілліс створив найдосконалішу для того часу класифікацію механізмів. Рело створив механічні моделі механізмів та їх елементів, ввівши поняття про кінематичній парі, кінематичного ланцюга та кінематичної схемою. Чебишев встановлює аналітичну зв'язок між числом ланок і числом кінематичних пар механізмів, тобто дає основи структури механізмів і показує, яким потужним апаратом є математика для вирішення завдань аналізу і синтезу механізмів.
Тепер, коли ми, хоча і дуже приблизно, встановили початок становлення теорії механізмів і машин як науки, немає необхідності детально викладати історію її розвитку від другої половини XIX ст. до наших днів. Перерахуємо тільки деяких вчених, з іменами яких пов'язаний розвиток науки про машини. У Росії це були Петров, Орлов, Вишнеградський, Сомов, Жуковський, Гохман, Горячкін, Мерцалов, Ашшур та інші: у Німеччині - Грюблер, Мор, Бурместер, Грасгофа, Бах, Віттенбауер, Альт та інші.
У США фактично до 40-х років не було школи в галузі теорії механізмів і машин, і тільки після 40-х років з'являються перші роботи американських вчених. В даний час американська школа представляє собою велике напрямок в області теорії механізмів і машин.
Широкий розвиток теорія механізмів і машин після другої світової війни отримала в соціалістичних країнах, а також в Італії, Голландії, Австралії, Канаді та в ряді інших країн.
Теорія механізмів і машин завжди була однією з багатьох гілок того дерева, яке ми називаємо механікою. В останні роки у зв'язку з автоматизацією виробництва і наукових досліджень механіка машин все ширше починає використовувати досягнення сучасної теорії управління. Відбувається як би симбіоз механіки машин і теорії управління: на стику цих наук виростає нова по суті, але багата досвідом минулого наука «механіка та управління машинами».
Нелегко прогнозувати майбутнє науки, особливо в століття бурхливого розвитку науки і техніки.
Ще великий російський вчений хімік Д. І. Менделєєв писав: «Меж наукового пізнання і передбачення передбачити неможливо».
Сучасна ТММ і її напрямки
Основним напрямком розвитку сучасної техніки є автоматизація всіх видів виробництва з метою полегшити фізичну працю людей, підвищити продуктивність їх праці, поліпшити якість виробів, забезпечити можливість широкого випуску виробів масового виробництва.
Одночасно із зростанням автоматизації фізичної праці в даний час найважливішим стає проблема автоматизації та інтелектуальної праці людини, заміна людини машиною у вирішенні різних логічних завдань. Автоматизація фізичного та інтелектуального праці вимагає створення нових механізмів, машин-автоматів і систем машин автоматичної дії.
У рішенні задач автоматизації найважливіша роль належить теорії механізмів і машин - наукової бази машинобудування.
Як вказувалося вище, теорія і проектування машин і систем машин автоматичної дії народилися на стику двох наук: механіки машин і теорії управління. Механіка машин розвивалася і розвивається на базі теорії механізмів і машин, а теорія управління - на базі класичної теорії регулювання. Залучаючи до вирішення своїх завдань апарат сучасної математики, досягнення в галузі фізичних наук, використовуючи теоретичну механіку, теорію інформації, кібернетику, електроніку та інші фундаментальні науки, механіка та теорія управління машинами покликана розвивати інженерні методи аналізу та синтезу машин-автоматів і систем машин автоматичного дії.
Якщо звернутися до історії розвитку машинобудування, то на всіх етапах створення тих чи інших машин розроблялися і відповідні методи управління ними. Досить згадати іграшки-автомати, створені багатьма умільцями у XVII-XVIII ст., Жакардові ткацькі верстати, парові машини та інші двигуни, забезпечені регуляторами, механічні піаноли і тому подібні механізми і машини. Але до середини нашого століття управління машинами і механізмами лежало в основному на людині, а отже, якщо так можна сказати, «спектр управління" механізмами і машинами знаходився в межах фізіологічних і біомеханічних можливостей людини.
Воістину революційну роль в системах управління і автоматизації виробництва зіграло поява математичних лічильно-обчислювальних машин і пристроїв. Їх «спектри» виявилися безмежно більшими, ніж «спектри» людини. Але, може бути, саме головне полягає в тому, що за допомогою цих машин стало можливим замінити людини не тільки в процесах управління машинами, але і у виконанні багатьох інших інтелектуальних функцій, що вимагають вирішення найскладніших логічних задач. За допомогою цих машин стали можливими аналіз багатоланкових, з великою кількістю ступенів свободи механізмів, рішення задач оптимального синтезу як окремих механізмів, так і складних машин і систем машин автоматичної дії, рішення задач проектування багатокритеріальних і багатопараметричних машинних пристроїв, програмне управління більшістю сучасних машин, управління новими машинами з пристроями біомеханічного виду типу маніпуляторів, роботів, крокуючих та інших машин.
Наукове єдність механіки машин і теорії управління машинами дуже наочно і, на наш погляд, переконливо показано на прикладах розв'язання проблем сучасної теорії механізмів і машин.
Зупинимося тільки на проблеми загальної теорія машин і систем машин автоматичної дії. У найближчі роки все більш широке застосування у виробництві отримають машини автомати, автоматизують самі різні технологічні процеси як в промисловості, так і в сільському господарстві. Широке застосування машини-автомати та пристрої автоматичної дії отримають для вирішення різних науково-дослідних завдань, зокрема при дослідженні законів природи, вивченні космосу, глибин землі і океанів. Знову створювані машини-автомати повинні володіти високою ефективністю виконання технологічного процесу, задовольняти необхідним економічним показникам і мати автоматичне управління, максимально звільняє людину від контролю за роботою машини. З метою підвищення продуктивності праці, збільшення кількості продукції, що випускається, поліпшення економічних показників виробництва будуть створюватися не тільки машини-автомати, а й системи машин автоматичної дії у формі різних потокових ліній, що переходять в заводи-автомати.
Відмінною рисою машин-автоматів і систем автоматичного дії найближчого майбутнього буде високий рівень управління ними по самим різними параметрами, критеріями і показниками. Система управління в залежності від вимог, які пред'являються до керованого об'єкту, і від умов, в яких він працює, можуть мати логічні елементи електронного, пневматичного, гідравлічного і механічного типів. Системи управління можуть містити блок пам'яті і блоки, які забезпечують автоматичну поднастройку та адаптацію керованих об'єктів, що дозволяють якісно виконувати необхідний технологічний процес при мінливих зовнішніх умовах. Створення системи машин автоматичної дії зажадає розробки методів імовірнісного і структурно-логічного їх аналізу і синтезу з урахуванням їх продуктивності, ефективності, надійності, якості продукції, економічності і точності дії. Для аналізу і синтезу таких систем буде потрібно створення та розвиток спеціальних формалізованих мов, орієнтованих на вирішення проблем синтезу, розвитку нових математичних методів розв'язання задач структурного синтезу з широким використанням теорії дослідження операцій.
Процесу функціонування великих технологічних систем і процесу їх синтезу властива відома невизначеність, викликана неповнотою інформації про умови експлуатації, про якість використовуваних систем і т.п. Для аналізу і синтезу технологічних систем подібного типу, якщо їх розглядати як системи з неповною інформацією, можуть бути використані аналітичні методи, до яких відносяться імовірнісні схеми випадкових величин і випадкових функцій, математичний апарат теорії масового обслуговування і т. д. У вихідних випадках і при повної невизначеності тих чи інших умов роботи технологічних систем може бути використана теорія ігор.
Необхідно подальший розвиток теорії алгоритмічних процесів проектування систем машин автоматичної дії.
Будь-яка машина, в тому числі і машина-автомат, представляє сукупність механізмів, що виконують різні операції: технологічні, транспортні керуючі і т. д. Різноманіття цих механізмів дуже велике, їх можна класифікувати за різними ознаками в залежності від поставленої задачі аналізу або синтезу. Найбільш зручна класифікація за видами тих елементів, які входять до складу того чи іншого механізму. Так, ми розрізняємо механізми тільки з жорсткими ланками і механізми, у яких крім жорстких ланок, є гідравлічні пневматичні, електричні, нарешті, електронні та фотоелектронні елементи.
Розвиток методів аналізу і синтезу механізмів зазначеними елементами складає одну з головних завдань сучасної теорії механізмів.
Тому що при вирішенні завдань синтезу механізмів найчастіше ми маємо справу з багатокритеріальним системами, завдання синтезу пов'язані зазвичай з пошуком оптимальних варіантів Знаходження оптимальних варіантів і, частіше, областей, в яких існують ці варіант, вимагає розвитку теорії оптимального синтезу механізмів. Рішення подібних завдань, як правило, можливо тільки за допомогою ЕОМ, а це вимагає розробки відповідних алгоритмів і програм.
Великі завдання стоять в області аналізу і синтезу механізмів передач. Тут в першу чергу треба відзначити необхідність подальшого розвитку синтезу зубчастих механізмів, особливо просторових хвильових зубчасто-важільних і т. д.
Підвищення енергетичних, силових і швидкісних характеристик машин автоматичної дії, високі вимоги до їх точності і надійності обумовлюють розвиток у найближчі роки методів динамічного дослідження і розрахунку машин.
Необхідно розвивати методи вивчення динамічних режимів машин як у періоди сталих так і в періоди несталих рухів. Отримає подальший розвиток динаміка машин зі змінною масою ланок і змінною структурою.
Особливу роль у розвитку динаміки машин відіграють питання коливань в машинах. З одного боку, це питання боротьби з вібраціями шляхом створення вібростійкі конструкцій машин і механізмів, з іншого боку - це використання ефекту вібрацій і створення нових двигунів і вібраційних механізмів, що володіють необхідними кінематичними характеристиками. «Все на світі вібрує» - це не просто фраза, а реальна дійсність, з якою ми повинні рахуватися і вміти отримувати вигоду з неї.
Важливою соціальною проблемою є вивчення впливу вібрацій на організм людини і розробка засобів його вібраційної захисту. Перспективно напрямок, пов'язаний з використанням джерел вібрації з малими амплітудами і великими частотами для різних приладів, медичного обладнання, для створення рушіїв з обертальним і поступальним рухом і т. д.
У цій області також важливе соціальне завдання покликані вирішити дослідження причин та джерел шумових ефектів в машинах і розробка задач динаміки. машин, пов'язаних з повною або частковою локалізацією шумів певних рівнів. Одночасно треба продовжувати дослідження по використанню шумових дефектів для технічної діагностики машин.
До машин автоматичної дії відноситься новий клас машин, який одержує широке застосування в техніці. Це роботи, маніпулятори, крокують і плазують машини і т. п. Ці машини дозволяють здійснювати найскладніші руху виконавчих органів і тим самим автоматизувати широке коло технологічних операцій. Особливе значення ці машини і системи будуть мати в тих випадках, коли необхідно звільнити людину від роботи у важких, шкідливих або небезпечних умовах, як, наприклад, висока температура, підвищена радіоактивність, наявність шкідливих газів і хімічних продуктів. За допомогою цих машин людина може бути звільнений від утомливих і монотонних операцій на конвеєрах, поточних лініях, від виконання важких вантажно-розвантажувальних робіт. За допомогою промислових роботів може відтворюватися величезна кількість операцій з транспортування оброблюваного об'єкта, закріплення і розкріпленню їх в обробних машинах, по упаковці, розфасовці, при контрольних операціях.
Подібні автоматичні машини і системи вже знайшли і будуть далі знаходити застосування при проведенні наукових досліджень в космосі, в глибинах і на дні океанів, під землею. Заміна людини на всіх тяжких, утомливих, важких операціях має величезне соціальне значення, так як вона докорінно звільняє людину від важкої фізичної праці, надаючи людині функції управління і введення в систему необхідної додаткової інформації. Робочі органи цих машин, як правило, представляють собою складні за структурою просторові кінематичні ланцюги з багатьма ступенями свободи.
Завдання вивчення механіки роботів, маніпуляторів, крокуючих та інших машин і систем тісно переплітається із завданнями управління в самому широкому розумінні питань управління, тобто включаючи розробку штучного інтелекту для них. У першу чергу повинні бути розвинені роботи по структурному, кінематичному і динамічному аналізу і синтезу різних схем механізмів, роботів, маніпуляторів, крокуючих та інших машин і систем.
Промислові роботи і маніпулятори, керовані оператором або за допомогою програмного пристрою, можуть бути віднесені до роботів першого покоління. В даний час повинні отримати швидкий розвиток роботи зі створення роботів наступного покоління, що володіють деякими органами почуттів людини, наприклад, дотиком, слухом, баченням, нюхом, і здатних сприймати деяку невідчутну людиною "інформацію, наприклад, реагувати на ультразвук, на електромагнітні та теплові поля і т.д. До роботам ще більш пізнього покоління будуть ставитися пристрої, що володіють штучним інтелектом. У вирішення цієї останньої проблеми входять створення методів опису навколишнього світу і формування цього світу в пам'яті роботів, розробка спеціальних формалізованих мов як засобу для керування роботами, їх навчання та управління їх поведінкою. До проблеми штучного інтелекту для роботів тісно примикає проблема взаємодії робота з середовищем і людиною, а також питання взаємодії між людиною і роботом. Сюди відносяться розробка способів спілкування людини з роботом, виявлення характеристик у системі «людина-робот», а також дослідження розподілу функцій між людиною і роботом в залежності від ступеня автономності останнього.
Однією з найважливіших у цьому науковому напрямку є проблема створення автоматичних локомоціонних машин, у тому числі пересуваються за допомогою кінцівок, тобто проблема механіки та управління крокуючими машинами та іншими подібними пристроями. Створення локомоціонних пристроїв, що пересуваються за допомогою кінцівок, потребує вирішення задач структурного, кінематичного та динамічного аналізу і синтезу механізмів, вибору та проектування двигунів, розробки легенів, малогабаритних і потужних приводів з високим ККД. До цієї проблеми ставляться і завдання розробки екзоскелетона, тобто пристроїв, удосконалюють силові параметри людини, що збільшують його витривалість і створюють можливість його переміщення при пошкодженні опорно-рухового апарату.
Роботи і крокуючі машини за своєю структурою і функціональним характеристикам багато в чому копіюють людини і тварин. Тому дуже важливим є розвиток досліджень з біомеханіки і по фізіології. Тут ми маємо на увазі вивчення біомеханічних характеристик опорно-рухового апарату людини, тварин, комах, потім фізіологічних процесів, що лежать і основі управління руховими процесами, отримання слуховий, зорової та інших форм інформації, нарешті, процесів просторової орієнтації і засобів, що забезпечують стійкість живих істот .
Розвиток сучасної теорії механізмів і машин вимагає найтіснішої співпраці вчених і практиків. Практика буде ставити перед теорією все нові і нові питання, а теорія буде черпати в практиці базу для своїх наукових досліджень.
У зв'язку з цим доречно згадати одне з висловлювань П. Л. Чебишева. Він підкреслював, що зближення теорії з практикою дає самі благотворні результати, і не одна тільки практика від цього виграє, сама наука розвивається під впливом її, вона відкриває їм нові предмети для дослідження або нові сторони в предметах, давно відомих.
Інженери в пошуках нових рішень
У всіх науково-фантастичних романах, що розповідають про майбутнє, неодмінним супутником людини є робот. Вчений і письменник-фантаст А. Азімов навіть розробив «закони» робототехніки. Але це - фантастична література. А ось назви деяких наукових статей: «Модель очувствленного робота», «Деякі проблеми організації стереозрения робота», «Визначення положення корпусу шестиногого робота при ходьбі» ... «Залізна людина» вже зійшов зі сторінок фантастичних книг і стукає в наше сьогоднішнє життя. Вчені та конструктори впритул підійшли до створення промислових роботів, дуже цікавлять фахівців багатьох підприємств. Справа в тому, що подібні пристрої стали не лише економічної, а й соціальною необхідністю в багатьох сферах виробництва.
Скільки ще людині доводиться виконувати важкої, шкідливої або просто нецікавою роботи! Як це не парадоксально, з'явилися цілі галузі, де саме присутність людини ускладнює зростання продуктивності праці, тому що чисто фізіологічні його особливості досить обмежені і часом не відповідають темпам сучасного виробництва. Існує кілька областей, де застосування подібних роботів вже сьогодні цілком виправдано. Наприклад, це звільнення людини від тяжкого або монотонного і виснажливого праці. І ще одна (воістину неозора) область майбутнього і частково сьогоднішнього застосування роботів - дослідження космічного простору, освоєння планет Сонячної системи, завоювання глибин землі й океану на нашій рідній планеті ...
Але все сказане - тільки технічний аспект застосувань роботів. Існує й інший, не менш важливий - соціальний. Справа в тому, що багато підприємств відчувають нестачу робочих, таке ж становище і в сільських місцевостях. Роботи вже сьогодні могли б взяти на себе багато технологічні операції на заводах і фабриках. Здається, настала пора і для створення подібних механізмів, здатних працювати в сільському господарстві,
Що вже зроблено? Роботи типу «механічна рука» з програмним управлінням найближчим часом з'являться в цехах заводів. Ці механізми дуже зручні для обслуговування верстатів, кувальних, ливарних зварювальних і багатьох інших машин. Вони можуть знімати готові деталі, складати їх і виконувати інші операції.
Уже існують і більш досконалі моделі роботів, що володіють своєрідними «органами почуттів» - телевізійним зором, дотиком і слухом. Такі механізми здатні працювати з деталями, що не перебувають на строго фіксованих місцях, можуть «дотягнутися» до кожної з них.
І, нарешті, поки тільки на столах конструкторів народжуються роботи, здатні, наприклад, зібрати за кресленням вузол з довільно лежать перед ними деталей. Більше того, вони зможуть аналізувати ситуацію, що склалася і приймати в ній найкращі рішення.
Сучасні роботи будуються в основному на принципі використання біомеханічних властивостей людини і тварин. Серед класів цих машин в першу чергу треба зупинитися на промислових роботів, які можуть виконувати практично необмежену кількість операцій. Вся справа в тому, як орієнтувати подібного робота.
Залежно від заданої програми робот виконує ті чи інші виробничі завдання. Програма його роботи може бути заздалегідь записана на магнітній або перфорованої стрічці. «Навчання» робота можна робити навіть в процесі роботи. У чому суть такої операції? Людина виробляє вручну ті операції, які повинен виконувати промисловий робот. Всі ці рухи записуються в програмний пристрій і в «пам'ять» машини.
В основному розробляються системи роботів, які мають в якості робочих органів маніпулятори. На відміну від звичайного автомата, який створюється для виконання певної, незмінною операції, маніпулятори-складні універсальні багатоцільові механізми. Найбільш поширений тип таких пристроїв - це машини, здатні виконувати цілий ряд операцій по заздалегідь складеній «жорсткою» програмі. Коли, наприклад, відпадає необхідність у якийсь технологічної операції, такий робот можна легко перебудувати на іншу, передбачену в його робочій програмі. Але можливі й більш «розумні» роботи-маніпулятори, які здатні адаптуватися до обстановки і самоперестраіваться на нову програму, на виконання нових видів робіт. Не виключається і своєрідний «напівавтоматичний» режим дії такого робота, коли в дуже складних випадках в управління їм втручається людина.
Робот, до складу якого входить маніпулятор, має спеціальний виконавчий механізм, що імітує руку людини. Повнота імітації різна в залежності від виконуваного завдання. Більш того, «руку» маніпулятора за характером виконуваних рухів можна зробити «багатшою», ніж людська. Припустимо, вона може обертатися в суглобах, рухатися поступально, змінювати довжину своїх ланок.
Аналогічні принципи покладено в основу конструкції крокуючих машин, де в якійсь мірі копіюються руху ніг людини і тварин. Встановлено, що найкращою з подібних конструкцій слід вважати шестинога. Виявляється, що рух на шести ногах є більш досконалим як у сенсі стійкості, так і в сенсі можливостей маневрування.
Можливі і комбіновані машини, які починають «крокувати», коли не можна "котитись", а потім знову повертаються до колісному руху. Встановивши на такому пристрої спеціальні реактивні двигуни, можна навчити його і «перестрибувати» перешкоди, що зустрічаються.
Можна припускати, що в майбутньому в конструкціях роботів ми навчимося використовувати закони руху не тільки людини, тварин і комах, як це робиться сьогодні, а й багатьох інших істот, що будуть створені роботи не тільки ті, хто ходить і катаються, але і плазують і скачуть.
Сьогодні важко ще передбачити, коли настане «ера роботів». Але весь попередній досвід науки і техніки показав, що самі сміливі прогнози, які вважаються досить віддаленими, виявлялися втіленими у життя набагато швидше. Тут хотілося б відзначити надзвичайно важливу закономірність розвитку техніки, яка вселяє оптимізм. Технічний прогрес постійно прискорюється, тобто безперервно зменшується тривалість того часу, яке лежить між моментом отримання перших результатів у науковому дослідженні та моментом випуску на їх основі промислового продукту. Причин тому кілька і перша - постійне збільшення існуючого обсягу знань. Сама розробка технічних нововведень нагадує ланцюгову реакцію, коли кожен винахід викликає до життя дещо нові. Одним із прикладів можуть слугувати вібраційні режими руху і впливу. Відомо, що довгий час на вібрацію дивилися в основному як на шкідливий ефект, що знижує міцність і надійність машин. Надалі вібраційний ефект стали використовувати для транспортування оброблюваного матеріалу, поділу його на фракції, сортування і т. д. Так вже знайшли застосування вібраційні решета для сортування і калібрування насіння різних сільськогосподарських культур. Порівняно недавно здійснено на практиці вібраційне транспортування зерна з одночасною сушкою, що дозволило інтенсифікувати цей процес на 40-70 відсотків.
Подальше розвиток повинна отримати теорія просторових механізмів стосовно до нових видів автооператором, роботів, маніпуляторів і крокуючих машин. Широко впроваджуватися, мабуть, будуть безступінчатий передачі, що дозволяють плавно змінювати швидкості виконавчих та інших механізмів.
До останнього десятиліття техніка використовувала в основному механізми, що володіють однією й у рідких випадках (у конструкціях механізмів диференціалів) двома ступенями рухливості. Зараз усе ширше застосовуються механізми зі значно більшою кількістю ступенів рухливості. Це стало можливим завдяки появі комплексних систем управління, які забезпечують рух окремих ланок механізмів за більш складним законам.
Сучасні інженер-конструктор, технолог, дослідник повинні досконало володіти методиками і конструювання нових приладів, високопродуктивних машин, машин-автоматів, автоматичних ліній, що задовольняють високим вимогам надійності і точності відтворення переміщень робочого органу і т.д.
При створенні складних машин і особливо машин-автоматів або автоматичних ліній необхідно, перш за все, розробити раціональний технологічний процес, відповідно до якого конструктору і технологу належить проектувати окремі виконавчі механізми, механізми управління, спеціальні пристрої для контролю міцності та відбракування виробів та ін
Машинобудівне конструювання в цілому базується на ряді загальноосвітніх, загальнотехнічних і технологічних дисциплін. Крім цього, конструкторська робота в кожній галузі машинобудування спирається на матеріал спеціальних дисциплін даної галузі. Однак основою всіх цих дисциплін є теорія механізмів і машин.
Створення нових, більш досконалих машин і механізмів вимагає розвитку існуючих і розробки нових інженерних методів аналізу і синтезу їх. У вирішенні цих завдань найважливіша роль належить теорії механізмів і машин.
Таким чином, ТММ є однією з найважливіших дисциплін, що дають знання інженер-машинобудівник для якісного проектування машин і механізмів.
Список використаної літератури
1. Кореняко А.С. Теорія механізмів і машин. Вид. «Вища школа», 1976 р.
2. Кульбачний О.І. та ін Теорія механізмів і машин. Проектування. М., «Вища школа», 1970 р.
3. Лєпіхов А.М. (Упорядник) Академік Артоболевський: Збірник. М.: Знание, 1983 р.
4. Машков А.А. Теорія механізмів і машин. Вид. «Вишейшая школа» Мінськ 1971
5. Попов С.А., Тимофєєв Г.А. Курсове проектування з теорії проектування і механіці машин. М., «Вища школа» 2002 р.
6. Юдін В.А., Петрокас Л.В. Теорія механізмів і машин. М., «Вища школа», 1977 р.
У першій половині XIX століття поруч вчених ефективно розвиваються питання динаміки машин. Цілу епоху про машини склали праці Ж. В. Понселе. Йому належить фундаментальна праця «Курс механіки в додатку до машин». У наступних своїх книгах Понселе розглядає динаміку машин з урахуванням рушійних сил, сил опору, сил інерції та сил ваги.
Великим внеском у науку про механізми в середині XIX сторіччя з'явилася робота англійського вченого Р. Вілліса, присвячена теорії механізмів. Йому належить класифікація механізмів, основи якої не втратили і тепер свого значення.
Створення російської школи з теорії механізмів відноситься до середини XIX ст. і безпосередньо пов'язано з ім'ям П. Л. Чебишева. Чебишев-основоположник теорії структурного і кінематичного синтезу механізмів. Він глибше ніж будь-хто з його попередників зрозумів роль математики у вирішенні завдань синтезу механізмів. Його праці стали тим фундаментом, на якому були згодом розвинені аналітичні методи синтезу механізмів, що одержали таке широке розвиток у наш час.
У другій половині XIX ст. публікуються роботи видатного німецького вченого Ф. Рело. Його праці збагатили науку про машини принципово новим змістом. Їм вводяться найважливіші в теорії механізмів поняття про кінематичній парі і кінематичного ланцюга. Його «Теоретична кінематика» може бути визнана працею енциклопедичним, що охоплює всі сторони навчання про механізми.
Роботами Вілліса, Чебишева і Рело визначалися основні наукові напрями, що стали згодом змістом науки, яку ми тепер називаємо «Теорія механізмів і машин».
Тут доречно згадати слова Ч. Дарвіна: «Наука полягає в такій угрупованню фактів, яка дозволяє виводити на підставі їх загальні закони і ув'язнення».
Таким чином, ми можемо говорити досить впевнено про народження нової науки-теорії механізмів і машин - після публікації робіт Вілліса, Чебишева, Рело і ряду учених другої половини XIX ст., Що створили ті наукові основи, яким повинна задовольняти кожна наука.
Це в першу чергу наявність суворої наукової систематики і класифікації досліджуваних об'єктів. Потім мистецтво заміни реального фізичного об'єкта деякої абстрактної механічної моделлю, досить близькою до фізичної природі досліджуваного об'єкта. Нарешті, вміння дати математичний опис даної моделі, що дозволяє провести з тим або іншим ступенем строгості аналіз властивостей і явищ створеної моделі.
Дійсно, Вілліс створив найдосконалішу для того часу класифікацію механізмів. Рело створив механічні моделі механізмів та їх елементів, ввівши поняття про кінематичній парі, кінематичного ланцюга та кінематичної схемою. Чебишев встановлює аналітичну зв'язок між числом ланок і числом кінематичних пар механізмів, тобто дає основи структури механізмів і показує, яким потужним апаратом є математика для вирішення завдань аналізу і синтезу механізмів.
Тепер, коли ми, хоча і дуже приблизно, встановили початок становлення теорії механізмів і машин як науки, немає необхідності детально викладати історію її розвитку від другої половини XIX ст. до наших днів. Перерахуємо тільки деяких вчених, з іменами яких пов'язаний розвиток науки про машини. У Росії це були Петров, Орлов, Вишнеградський, Сомов, Жуковський, Гохман, Горячкін, Мерцалов, Ашшур та інші: у Німеччині - Грюблер, Мор, Бурместер, Грасгофа, Бах, Віттенбауер, Альт та інші.
У США фактично до 40-х років не було школи в галузі теорії механізмів і машин, і тільки після 40-х років з'являються перші роботи американських вчених. В даний час американська школа представляє собою велике напрямок в області теорії механізмів і машин.
Широкий розвиток теорія механізмів і машин після другої світової війни отримала в соціалістичних країнах, а також в Італії, Голландії, Австралії, Канаді та в ряді інших країн.
Теорія механізмів і машин завжди була однією з багатьох гілок того дерева, яке ми називаємо механікою. В останні роки у зв'язку з автоматизацією виробництва і наукових досліджень механіка машин все ширше починає використовувати досягнення сучасної теорії управління. Відбувається як би симбіоз механіки машин і теорії управління: на стику цих наук виростає нова по суті, але багата досвідом минулого наука «механіка та управління машинами».
Нелегко прогнозувати майбутнє науки, особливо в століття бурхливого розвитку науки і техніки.
Ще великий російський вчений хімік Д. І. Менделєєв писав: «Меж наукового пізнання і передбачення передбачити неможливо».
Сучасна ТММ і її напрямки
Основним напрямком розвитку сучасної техніки є автоматизація всіх видів виробництва з метою полегшити фізичну працю людей, підвищити продуктивність їх праці, поліпшити якість виробів, забезпечити можливість широкого випуску виробів масового виробництва.
Одночасно із зростанням автоматизації фізичної праці в даний час найважливішим стає проблема автоматизації та інтелектуальної праці людини, заміна людини машиною у вирішенні різних логічних завдань. Автоматизація фізичного та інтелектуального праці вимагає створення нових механізмів, машин-автоматів і систем машин автоматичної дії.
У рішенні задач автоматизації найважливіша роль належить теорії механізмів і машин - наукової бази машинобудування.
Як вказувалося вище, теорія і проектування машин і систем машин автоматичної дії народилися на стику двох наук: механіки машин і теорії управління. Механіка машин розвивалася і розвивається на базі теорії механізмів і машин, а теорія управління - на базі класичної теорії регулювання. Залучаючи до вирішення своїх завдань апарат сучасної математики, досягнення в галузі фізичних наук, використовуючи теоретичну механіку, теорію інформації, кібернетику, електроніку та інші фундаментальні науки, механіка та теорія управління машинами покликана розвивати інженерні методи аналізу та синтезу машин-автоматів і систем машин автоматичного дії.
Якщо звернутися до історії розвитку машинобудування, то на всіх етапах створення тих чи інших машин розроблялися і відповідні методи управління ними. Досить згадати іграшки-автомати, створені багатьма умільцями у XVII-XVIII ст., Жакардові ткацькі верстати, парові машини та інші двигуни, забезпечені регуляторами, механічні піаноли і тому подібні механізми і машини. Але до середини нашого століття управління машинами і механізмами лежало в основному на людині, а отже, якщо так можна сказати, «спектр управління" механізмами і машинами знаходився в межах фізіологічних і біомеханічних можливостей людини.
Воістину революційну роль в системах управління і автоматизації виробництва зіграло поява математичних лічильно-обчислювальних машин і пристроїв. Їх «спектри» виявилися безмежно більшими, ніж «спектри» людини. Але, може бути, саме головне полягає в тому, що за допомогою цих машин стало можливим замінити людини не тільки в процесах управління машинами, але і у виконанні багатьох інших інтелектуальних функцій, що вимагають вирішення найскладніших логічних задач. За допомогою цих машин стали можливими аналіз багатоланкових, з великою кількістю ступенів свободи механізмів, рішення задач оптимального синтезу як окремих механізмів, так і складних машин і систем машин автоматичної дії, рішення задач проектування багатокритеріальних і багатопараметричних машинних пристроїв, програмне управління більшістю сучасних машин, управління новими машинами з пристроями біомеханічного виду типу маніпуляторів, роботів, крокуючих та інших машин.
Наукове єдність механіки машин і теорії управління машинами дуже наочно і, на наш погляд, переконливо показано на прикладах розв'язання проблем сучасної теорії механізмів і машин.
Зупинимося тільки на проблеми загальної теорія машин і систем машин автоматичної дії. У найближчі роки все більш широке застосування у виробництві отримають машини автомати, автоматизують самі різні технологічні процеси як в промисловості, так і в сільському господарстві. Широке застосування машини-автомати та пристрої автоматичної дії отримають для вирішення різних науково-дослідних завдань, зокрема при дослідженні законів природи, вивченні космосу, глибин землі і океанів. Знову створювані машини-автомати повинні володіти високою ефективністю виконання технологічного процесу, задовольняти необхідним економічним показникам і мати автоматичне управління, максимально звільняє людину від контролю за роботою машини. З метою підвищення продуктивності праці, збільшення кількості продукції, що випускається, поліпшення економічних показників виробництва будуть створюватися не тільки машини-автомати, а й системи машин автоматичної дії у формі різних потокових ліній, що переходять в заводи-автомати.
Відмінною рисою машин-автоматів і систем автоматичного дії найближчого майбутнього буде високий рівень управління ними по самим різними параметрами, критеріями і показниками. Система управління в залежності від вимог, які пред'являються до керованого об'єкту, і від умов, в яких він працює, можуть мати логічні елементи електронного, пневматичного, гідравлічного і механічного типів. Системи управління можуть містити блок пам'яті і блоки, які забезпечують автоматичну поднастройку та адаптацію керованих об'єктів, що дозволяють якісно виконувати необхідний технологічний процес при мінливих зовнішніх умовах. Створення системи машин автоматичної дії зажадає розробки методів імовірнісного і структурно-логічного їх аналізу і синтезу з урахуванням їх продуктивності, ефективності, надійності, якості продукції, економічності і точності дії. Для аналізу і синтезу таких систем буде потрібно створення та розвиток спеціальних формалізованих мов, орієнтованих на вирішення проблем синтезу, розвитку нових математичних методів розв'язання задач структурного синтезу з широким використанням теорії дослідження операцій.
Процесу функціонування великих технологічних систем і процесу їх синтезу властива відома невизначеність, викликана неповнотою інформації про умови експлуатації, про якість використовуваних систем і т.п. Для аналізу і синтезу технологічних систем подібного типу, якщо їх розглядати як системи з неповною інформацією, можуть бути використані аналітичні методи, до яких відносяться імовірнісні схеми випадкових величин і випадкових функцій, математичний апарат теорії масового обслуговування і т. д. У вихідних випадках і при повної невизначеності тих чи інших умов роботи технологічних систем може бути використана теорія ігор.
Необхідно подальший розвиток теорії алгоритмічних процесів проектування систем машин автоматичної дії.
Будь-яка машина, в тому числі і машина-автомат, представляє сукупність механізмів, що виконують різні операції: технологічні, транспортні керуючі і т. д. Різноманіття цих механізмів дуже велике, їх можна класифікувати за різними ознаками в залежності від поставленої задачі аналізу або синтезу. Найбільш зручна класифікація за видами тих елементів, які входять до складу того чи іншого механізму. Так, ми розрізняємо механізми тільки з жорсткими ланками і механізми, у яких крім жорстких ланок, є гідравлічні пневматичні, електричні, нарешті, електронні та фотоелектронні елементи.
Розвиток методів аналізу і синтезу механізмів зазначеними елементами складає одну з головних завдань сучасної теорії механізмів.
Тому що при вирішенні завдань синтезу механізмів найчастіше ми маємо справу з багатокритеріальним системами, завдання синтезу пов'язані зазвичай з пошуком оптимальних варіантів Знаходження оптимальних варіантів і, частіше, областей, в яких існують ці варіант, вимагає розвитку теорії оптимального синтезу механізмів. Рішення подібних завдань, як правило, можливо тільки за допомогою ЕОМ, а це вимагає розробки відповідних алгоритмів і програм.
Великі завдання стоять в області аналізу і синтезу механізмів передач. Тут в першу чергу треба відзначити необхідність подальшого розвитку синтезу зубчастих механізмів, особливо просторових хвильових зубчасто-важільних і т. д.
Підвищення енергетичних, силових і швидкісних характеристик машин автоматичної дії, високі вимоги до їх точності і надійності обумовлюють розвиток у найближчі роки методів динамічного дослідження і розрахунку машин.
Необхідно розвивати методи вивчення динамічних режимів машин як у періоди сталих так і в періоди несталих рухів. Отримає подальший розвиток динаміка машин зі змінною масою ланок і змінною структурою.
Особливу роль у розвитку динаміки машин відіграють питання коливань в машинах. З одного боку, це питання боротьби з вібраціями шляхом створення вібростійкі конструкцій машин і механізмів, з іншого боку - це використання ефекту вібрацій і створення нових двигунів і вібраційних механізмів, що володіють необхідними кінематичними характеристиками. «Все на світі вібрує» - це не просто фраза, а реальна дійсність, з якою ми повинні рахуватися і вміти отримувати вигоду з неї.
Важливою соціальною проблемою є вивчення впливу вібрацій на організм людини і розробка засобів його вібраційної захисту. Перспективно напрямок, пов'язаний з використанням джерел вібрації з малими амплітудами і великими частотами для різних приладів, медичного обладнання, для створення рушіїв з обертальним і поступальним рухом і т. д.
У цій області також важливе соціальне завдання покликані вирішити дослідження причин та джерел шумових ефектів в машинах і розробка задач динаміки. машин, пов'язаних з повною або частковою локалізацією шумів певних рівнів. Одночасно треба продовжувати дослідження по використанню шумових дефектів для технічної діагностики машин.
До машин автоматичної дії відноситься новий клас машин, який одержує широке застосування в техніці. Це роботи, маніпулятори, крокують і плазують машини і т. п. Ці машини дозволяють здійснювати найскладніші руху виконавчих органів і тим самим автоматизувати широке коло технологічних операцій. Особливе значення ці машини і системи будуть мати в тих випадках, коли необхідно звільнити людину від роботи у важких, шкідливих або небезпечних умовах, як, наприклад, висока температура, підвищена радіоактивність, наявність шкідливих газів і хімічних продуктів. За допомогою цих машин людина може бути звільнений від утомливих і монотонних операцій на конвеєрах, поточних лініях, від виконання важких вантажно-розвантажувальних робіт. За допомогою промислових роботів може відтворюватися величезна кількість операцій з транспортування оброблюваного об'єкта, закріплення і розкріпленню їх в обробних машинах, по упаковці, розфасовці, при контрольних операціях.
Подібні автоматичні машини і системи вже знайшли і будуть далі знаходити застосування при проведенні наукових досліджень в космосі, в глибинах і на дні океанів, під землею. Заміна людини на всіх тяжких, утомливих, важких операціях має величезне соціальне значення, так як вона докорінно звільняє людину від важкої фізичної праці, надаючи людині функції управління і введення в систему необхідної додаткової інформації. Робочі органи цих машин, як правило, представляють собою складні за структурою просторові кінематичні ланцюги з багатьма ступенями свободи.
Завдання вивчення механіки роботів, маніпуляторів, крокуючих та інших машин і систем тісно переплітається із завданнями управління в самому широкому розумінні питань управління, тобто включаючи розробку штучного інтелекту для них. У першу чергу повинні бути розвинені роботи по структурному, кінематичному і динамічному аналізу і синтезу різних схем механізмів, роботів, маніпуляторів, крокуючих та інших машин і систем.
Промислові роботи і маніпулятори, керовані оператором або за допомогою програмного пристрою, можуть бути віднесені до роботів першого покоління. В даний час повинні отримати швидкий розвиток роботи зі створення роботів наступного покоління, що володіють деякими органами почуттів людини, наприклад, дотиком, слухом, баченням, нюхом, і здатних сприймати деяку невідчутну людиною "інформацію, наприклад, реагувати на ультразвук, на електромагнітні та теплові поля і т.д. До роботам ще більш пізнього покоління будуть ставитися пристрої, що володіють штучним інтелектом. У вирішення цієї останньої проблеми входять створення методів опису навколишнього світу і формування цього світу в пам'яті роботів, розробка спеціальних формалізованих мов як засобу для керування роботами, їх навчання та управління їх поведінкою. До проблеми штучного інтелекту для роботів тісно примикає проблема взаємодії робота з середовищем і людиною, а також питання взаємодії між людиною і роботом. Сюди відносяться розробка способів спілкування людини з роботом, виявлення характеристик у системі «людина-робот», а також дослідження розподілу функцій між людиною і роботом в залежності від ступеня автономності останнього.
Однією з найважливіших у цьому науковому напрямку є проблема створення автоматичних локомоціонних машин, у тому числі пересуваються за допомогою кінцівок, тобто проблема механіки та управління крокуючими машинами та іншими подібними пристроями. Створення локомоціонних пристроїв, що пересуваються за допомогою кінцівок, потребує вирішення задач структурного, кінематичного та динамічного аналізу і синтезу механізмів, вибору та проектування двигунів, розробки легенів, малогабаритних і потужних приводів з високим ККД. До цієї проблеми ставляться і завдання розробки екзоскелетона, тобто пристроїв, удосконалюють силові параметри людини, що збільшують його витривалість і створюють можливість його переміщення при пошкодженні опорно-рухового апарату.
Роботи і крокуючі машини за своєю структурою і функціональним характеристикам багато в чому копіюють людини і тварин. Тому дуже важливим є розвиток досліджень з біомеханіки і по фізіології. Тут ми маємо на увазі вивчення біомеханічних характеристик опорно-рухового апарату людини, тварин, комах, потім фізіологічних процесів, що лежать і основі управління руховими процесами, отримання слуховий, зорової та інших форм інформації, нарешті, процесів просторової орієнтації і засобів, що забезпечують стійкість живих істот .
Розвиток сучасної теорії механізмів і машин вимагає найтіснішої співпраці вчених і практиків. Практика буде ставити перед теорією все нові і нові питання, а теорія буде черпати в практиці базу для своїх наукових досліджень.
У зв'язку з цим доречно згадати одне з висловлювань П. Л. Чебишева. Він підкреслював, що зближення теорії з практикою дає самі благотворні результати, і не одна тільки практика від цього виграє, сама наука розвивається під впливом її, вона відкриває їм нові предмети для дослідження або нові сторони в предметах, давно відомих.
Інженери в пошуках нових рішень
У всіх науково-фантастичних романах, що розповідають про майбутнє, неодмінним супутником людини є робот. Вчений і письменник-фантаст А. Азімов навіть розробив «закони» робототехніки. Але це - фантастична література. А ось назви деяких наукових статей: «Модель очувствленного робота», «Деякі проблеми організації стереозрения робота», «Визначення положення корпусу шестиногого робота при ходьбі» ... «Залізна людина» вже зійшов зі сторінок фантастичних книг і стукає в наше сьогоднішнє життя. Вчені та конструктори впритул підійшли до створення промислових роботів, дуже цікавлять фахівців багатьох підприємств. Справа в тому, що подібні пристрої стали не лише економічної, а й соціальною необхідністю в багатьох сферах виробництва.
Скільки ще людині доводиться виконувати важкої, шкідливої або просто нецікавою роботи! Як це не парадоксально, з'явилися цілі галузі, де саме присутність людини ускладнює зростання продуктивності праці, тому що чисто фізіологічні його особливості досить обмежені і часом не відповідають темпам сучасного виробництва. Існує кілька областей, де застосування подібних роботів вже сьогодні цілком виправдано. Наприклад, це звільнення людини від тяжкого або монотонного і виснажливого праці. І ще одна (воістину неозора) область майбутнього і частково сьогоднішнього застосування роботів - дослідження космічного простору, освоєння планет Сонячної системи, завоювання глибин землі й океану на нашій рідній планеті ...
Але все сказане - тільки технічний аспект застосувань роботів. Існує й інший, не менш важливий - соціальний. Справа в тому, що багато підприємств відчувають нестачу робочих, таке ж становище і в сільських місцевостях. Роботи вже сьогодні могли б взяти на себе багато технологічні операції на заводах і фабриках. Здається, настала пора і для створення подібних механізмів, здатних працювати в сільському господарстві,
Що вже зроблено? Роботи типу «механічна рука» з програмним управлінням найближчим часом з'являться в цехах заводів. Ці механізми дуже зручні для обслуговування верстатів, кувальних, ливарних зварювальних і багатьох інших машин. Вони можуть знімати готові деталі, складати їх і виконувати інші операції.
Уже існують і більш досконалі моделі роботів, що володіють своєрідними «органами почуттів» - телевізійним зором, дотиком і слухом. Такі механізми здатні працювати з деталями, що не перебувають на строго фіксованих місцях, можуть «дотягнутися» до кожної з них.
І, нарешті, поки тільки на столах конструкторів народжуються роботи, здатні, наприклад, зібрати за кресленням вузол з довільно лежать перед ними деталей. Більше того, вони зможуть аналізувати ситуацію, що склалася і приймати в ній найкращі рішення.
Сучасні роботи будуються в основному на принципі використання біомеханічних властивостей людини і тварин. Серед класів цих машин в першу чергу треба зупинитися на промислових роботів, які можуть виконувати практично необмежену кількість операцій. Вся справа в тому, як орієнтувати подібного робота.
Залежно від заданої програми робот виконує ті чи інші виробничі завдання. Програма його роботи може бути заздалегідь записана на магнітній або перфорованої стрічці. «Навчання» робота можна робити навіть в процесі роботи. У чому суть такої операції? Людина виробляє вручну ті операції, які повинен виконувати промисловий робот. Всі ці рухи записуються в програмний пристрій і в «пам'ять» машини.
В основному розробляються системи роботів, які мають в якості робочих органів маніпулятори. На відміну від звичайного автомата, який створюється для виконання певної, незмінною операції, маніпулятори-складні універсальні багатоцільові механізми. Найбільш поширений тип таких пристроїв - це машини, здатні виконувати цілий ряд операцій по заздалегідь складеній «жорсткою» програмі. Коли, наприклад, відпадає необхідність у якийсь технологічної операції, такий робот можна легко перебудувати на іншу, передбачену в його робочій програмі. Але можливі й більш «розумні» роботи-маніпулятори, які здатні адаптуватися до обстановки і самоперестраіваться на нову програму, на виконання нових видів робіт. Не виключається і своєрідний «напівавтоматичний» режим дії такого робота, коли в дуже складних випадках в управління їм втручається людина.
Робот, до складу якого входить маніпулятор, має спеціальний виконавчий механізм, що імітує руку людини. Повнота імітації різна в залежності від виконуваного завдання. Більш того, «руку» маніпулятора за характером виконуваних рухів можна зробити «багатшою», ніж людська. Припустимо, вона може обертатися в суглобах, рухатися поступально, змінювати довжину своїх ланок.
Аналогічні принципи покладено в основу конструкції крокуючих машин, де в якійсь мірі копіюються руху ніг людини і тварин. Встановлено, що найкращою з подібних конструкцій слід вважати шестинога. Виявляється, що рух на шести ногах є більш досконалим як у сенсі стійкості, так і в сенсі можливостей маневрування.
Можливі і комбіновані машини, які починають «крокувати», коли не можна "котитись", а потім знову повертаються до колісному руху. Встановивши на такому пристрої спеціальні реактивні двигуни, можна навчити його і «перестрибувати» перешкоди, що зустрічаються.
Можна припускати, що в майбутньому в конструкціях роботів ми навчимося використовувати закони руху не тільки людини, тварин і комах, як це робиться сьогодні, а й багатьох інших істот, що будуть створені роботи не тільки ті, хто ходить і катаються, але і плазують і скачуть.
Сьогодні важко ще передбачити, коли настане «ера роботів». Але весь попередній досвід науки і техніки показав, що самі сміливі прогнози, які вважаються досить віддаленими, виявлялися втіленими у життя набагато швидше. Тут хотілося б відзначити надзвичайно важливу закономірність розвитку техніки, яка вселяє оптимізм. Технічний прогрес постійно прискорюється, тобто безперервно зменшується тривалість того часу, яке лежить між моментом отримання перших результатів у науковому дослідженні та моментом випуску на їх основі промислового продукту. Причин тому кілька і перша - постійне збільшення існуючого обсягу знань. Сама розробка технічних нововведень нагадує ланцюгову реакцію, коли кожен винахід викликає до життя дещо нові. Одним із прикладів можуть слугувати вібраційні режими руху і впливу. Відомо, що довгий час на вібрацію дивилися в основному як на шкідливий ефект, що знижує міцність і надійність машин. Надалі вібраційний ефект стали використовувати для транспортування оброблюваного матеріалу, поділу його на фракції, сортування і т. д. Так вже знайшли застосування вібраційні решета для сортування і калібрування насіння різних сільськогосподарських культур. Порівняно недавно здійснено на практиці вібраційне транспортування зерна з одночасною сушкою, що дозволило інтенсифікувати цей процес на 40-70 відсотків.
Подальше розвиток повинна отримати теорія просторових механізмів стосовно до нових видів автооператором, роботів, маніпуляторів і крокуючих машин. Широко впроваджуватися, мабуть, будуть безступінчатий передачі, що дозволяють плавно змінювати швидкості виконавчих та інших механізмів.
До останнього десятиліття техніка використовувала в основному механізми, що володіють однією й у рідких випадках (у конструкціях механізмів диференціалів) двома ступенями рухливості. Зараз усе ширше застосовуються механізми зі значно більшою кількістю ступенів рухливості. Це стало можливим завдяки появі комплексних систем управління, які забезпечують рух окремих ланок механізмів за більш складним законам.
Сучасні інженер-конструктор, технолог, дослідник повинні досконало володіти методиками і конструювання нових приладів, високопродуктивних машин, машин-автоматів, автоматичних ліній, що задовольняють високим вимогам надійності і точності відтворення переміщень робочого органу і т.д.
При створенні складних машин і особливо машин-автоматів або автоматичних ліній необхідно, перш за все, розробити раціональний технологічний процес, відповідно до якого конструктору і технологу належить проектувати окремі виконавчі механізми, механізми управління, спеціальні пристрої для контролю міцності та відбракування виробів та ін
Машинобудівне конструювання в цілому базується на ряді загальноосвітніх, загальнотехнічних і технологічних дисциплін. Крім цього, конструкторська робота в кожній галузі машинобудування спирається на матеріал спеціальних дисциплін даної галузі. Однак основою всіх цих дисциплін є теорія механізмів і машин.
Створення нових, більш досконалих машин і механізмів вимагає розвитку існуючих і розробки нових інженерних методів аналізу і синтезу їх. У вирішенні цих завдань найважливіша роль належить теорії механізмів і машин.
Таким чином, ТММ є однією з найважливіших дисциплін, що дають знання інженер-машинобудівник для якісного проектування машин і механізмів.
Список використаної літератури
1. Кореняко А.С. Теорія механізмів і машин. Вид. «Вища школа», 1976 р.
2. Кульбачний О.І. та ін Теорія механізмів і машин. Проектування. М., «Вища школа», 1970 р.
3. Лєпіхов А.М. (Упорядник) Академік Артоболевський: Збірник. М.: Знание, 1983 р.
4. Машков А.А. Теорія механізмів і машин. Вид. «Вишейшая школа» Мінськ 1971
5. Попов С.А., Тимофєєв Г.А. Курсове проектування з теорії проектування і механіці машин. М., «Вища школа» 2002 р.
6. Юдін В.А., Петрокас Л.В. Теорія механізмів і машин. М., «Вища школа», 1977 р.