МАШИН И МЕХАНИЗМОВ ТЕОРИЯ
наука
об общих методах исследования и проектирования машин и механизмов.
Наиболее
развита часть науки, наз. теорией механизмов, в к-рой изучаются преим.
свойства механизмов, являющиеся общими для всех (или для определённых групп)
механизмов независимо от конкретного назначения машины, прибора или аппарата.
Напр., один и тот же механизм для преобразования вращательного движения,
выполненный в виде зубчатых колёс, может применяться в автомобиле, часах,
мешалках аппаратов хим. произ-ва. Во всех указанных случаях требуется одно
и то же преобразование движения, поэтому методы исследования и проектирования
этих механизмов имеют мн. общего и составляют содержание теории механизмов.
Другую часть науки составляет теория машин, в к-рой рассматриваются методы
исследования и проектирования, являющиеся общими для машин различных областей
техники. Обе части науки неразрывно связаны между собой, т. к. механизмы
составляют основу почти любой машины. Задачи теории машин и механизмов
очень разнообразны, но важнейшие из них можно сгруппировать по трём разделам:
синтез механизмов, динамика машин и механизмов и теория машин-автоматов.
Под синтезом механизмов понимается та часть их проектирования, к-рая относится
к выбору схемы и нахождению параметров этой схемы, обеспечивающих выполнение
требуемых движений. Задачи динамики механизмов состоят в исследовании движения
отд. частей (звеньев) механизма под действием внешних сил. Теория машин-автоматов
рассматривает методы построения их схем по условиям согласованности работы
отд. механизмов и достижения оптимальной производительности, точности и
надёжности машин-автоматов. Разделение задач теории машин и механизмов
на указанные три раздела в нек-рой мере условное. Напр., в синтезе механизмов
учитываются не только кинематич., но и динамич. условия; в динамике механизмов
на основе исследования движения звеньев механизма даются рекомендации по
выбору параметров механизма из условий получения оптимальных динамич. характеристик,
т. е. выполняется динамич. синтез; в теории машин-автоматов выбор исполнит,
механизмов и их параметров основывается на методах синтеза механизмов,
а критерии оптимальности схемы машины-автомата (в особенности схемы управления)
часто определяются по динамич. показателям. Однако обзор проблем науки
о машинах и механизмах по этим разделам даёт достаточно полное представление
о её содержании.
Основы синтеза механизмов в его аналитич.
форме были заложены в 19 в. в работах рус. математика и механика П. Л.
Чебышева.
Исследуя его работы, можно представить всю последовательность решения
задач синтеза механизмов в виде трёх этапов. Первый этап - выбор осн. критерия
синтеза и ограничивающих условий. Каждый механизм в зависимости от назначения
и условий эксплуатации должен удовлетворять ряду требований, разнообразных
по форме и содержанию. Нек-рые из этих требований могут быть даже противоречивыми.
Однако всегда можно установить, какое требование является решающим для
правильной работы механизма, и в соответствии с этим выбрать осн. критерий,
по к-рому оценивается его качество. Осн. критерий синтеза является функцией
параметров механизма (наз. также функцией-критерием, или целевой функцией),
остальные требования к нему формулируются в виде ограничивающих условий
на параметры. Другими словами, первый этап решения любой задачи синтеза
- этап, на к-ром происходит формализация требований, предъявляемых к нему.
На этом этапе задачи технологич. и конструктивные превращаются в математические.
Второй этап - установление аналитич. выражения функции, характеризующей
величину осн. критерия синтеза. Выбор осн. критерия определяется назначением
механизма. Для некоторых механизмов его аналитич. выражение может оказаться
очень сложным. Между тем существуют функции, к-рые имеют более простой
вид и в то же время с достаточной для практики точностью характеризуют
величину осн. критерия. При этом необходимо только, чтобы погрешности от
замены функции-критерия её приближённым выражением были меньше тех погрешностей,
к-рые возникают в реальном механизме из-за неточностей изготовления его
деталей, упругости звеньев и др. причин. Третий этап- вычисление постоянных
параметров механизма из условий оптимизации осн. критерия с учётом ограничивающих
условий (ограничений). В Одних случаях эти условия выражаются в виде одного
или нес1', уравнений и системы неравенств, из к-рых непосредственно
находятся искомые параметры (точный синтез). В др. случаях отыскиваются
такие значения параметров, при к-рых отклонение функции-критерия от оптимального
значения является достаточно малой величиной, удовлетворяющей условиям
практического использования механизма (приближённый синтез). Для приближённого
синтеза Чебышев предложил оригинальный метод вычисления искомых параметров
механизма, к-рый привёл в дальнейшем к созданию матем. теории приближения
функций. Указанные три этапа синтеза механизмов составляю* осн. содержание
задачи при их проектировании, т. к. все последующие операции по расчёту
на прочность деталей и по установлению конструктивных форм уже не могут
существенно изменить его кинематич. и динамич. свойств. Дальнейшее развитие
методов синтеза механизмов в работах рус. учёных А. П. Котельникова (1865-1944),
В. В. Добровольского (1880-1956) и др. отечеств, и зарубежных учёных состояло
в отыскании наиболее целесообразных методов выполнения отд. этапов синтеза
и применения их к различным видам механизмов (с гидравлич. и электрич.
устройствами, пространственные со сложным движением рабочего звена, самонастраивающиеся
механизмы и т. п.). При этом выяснилось, что в простейших случаях можно
удовлетворить требованиям, предъявляемым к осн. критерию и ограничивающим
условиям, используя несложные графич. методы. Однако применение этих методов
не избавляет от необходимости решать задачу синтеза в неск. вариантах для
получения результата, близкого к оптимальному. Только появление ЭВМ дало
возможность эффективно и быстро выполнять третий этап синтеза, определяя
оптимальные сочетания параметров механизма и даже решая такие задачи синтеза,
к-рые ранее не могли быть решены из-за сложности и трудоёмкости вычислений.
В 1965-72 для типовых задач синтеза механизмов были составлены программы
вычислений на ЭВМ, позволяющие оптимизировать различные критерии и учитывать
большое количество кинематич., динамич. и конструктивных ограничений. Раздел
динамики механизмов иногда наз. динамикой машин, т. к. учёт динамич. явлений,
происходящих в механизмах, имеет первостепенное значение при проектировании
машин. В первых работах по динамике машин, выполненных Н. Е. Жуковским
и Н. И. Мерцаловым (1866-1948), использовалась только механика твёрдого
тела применительно к механизмам с жёсткими звеньями. После внедрения в
машины новых механизмов с гидравлич., а затем и с пневматич. устройствами
(1930-50) динамика машин стала опираться не только на механику твёрдого
тела, но и на механику жидкостей и газов (см. Механика). В связи
с существенным ростом нагруженности и быстроходности машин и повышением
требований к их качеству значительно изменилось содержание задач динамики
машин: появилась необходимость ' учитывать упругие свойства звеньев, зазоры
в подвижных соединениях, переменность масс и моментов инерции и т. п. Особое
внимание стало уделяться развитию методов теории колебаний механич, систем
в применении к реальному механизму с его упругими и не вполне упругими
элементами, зазорами, сухим трением и смазкой, наличием сложных закономерностей
деформирования материалов и т. п. Изучалось и продолжает изучаться вредное
действие Колебаний, вызывающих увеличение нагрузок На звенья механизма,
потерю устойчивости, усталостные поломки, недопустимое изменение предписанного
закона движения. Вместе с тем возможно и полезное применение колебаний
в вибрационных машинах,
для к-рых колебат. движение рабочего органа
составляет осн. движение, заданное назначением машины. К этим машинам принадлежат,
напр., вибротранспортёры, вибросортировочные машины, вибромашины для забивки
свай и др. Решение новых задач динамики машин основывается на развитии
методов аналитической механики и нелинейной теории колебаний, механики
переменной массы и теории упругости. Особое значение для решения этих задач
имеют те методы, к-рые позволяют достаточно эффективно и быстро без интегрирования
систем дифференциальных уравнений получать динамич. критерии для расчёта
механизмов по частотам и амплитудам установившихся колебаний, для определения
границ устойчивости и т. п.
Теория машин-автоматов сравнительно недавно
(1945-50) стала рассматриваться как одна из важнейших частей теории машин
и механизмов. Машины-автоматы отличаются от неавтоматизированных машин
в первую очередь тем, что последовательность работы отд. механизмов, включая
механизмы загрузки и выгрузки, задаётся системой управления. Поэтому развитие
теории машин-автоматов связано с совершенствованием методов построения
схем управления по выбранному критерию оптимальности, напр, по условию
Получения минимального числа элементов, составляющих схему. Наибольшее
распространение получили методы, основанные на применении алгебры-логики,
и соответственно этот раздел теории ма- , шин-автоматов получил назв. логического
синтеза систем управления. В системах управления наряду с электрич. элементами
стали. применяться пневматич., обладающие, как правило, большей
надёжностью. Развитие методов построения систем управления машинами-автоматами
привело к созданию систем программного управления, в к-рых программа требуемых
перемещений выражается в форме чисел (цифр) - элементарных (малых) шагов.
Для реализации этих шагов предусматривают спец. типы двигателей, наз. шаговыми
электродвигателями. Особую ценность имеют самонастраивающиеся и адаптирующиеся
системы программного управления, в к-рых программа автоматически корректируется
с учётом опыта предшествующих циклов работы системы и условий, в к-рых
должна работать эта система.
Последним достижением теории машин-автоматов
является разработка методов проектирования роботов,
т. е. машин-автоматов,
моделирующих свойства и функции живых организмов и, в частности, имитирующих
действия человека при перемещении в пространстве орудий и объектов труда.
По своей схеме робот во многом тождествен манипулятору (механической руке),
к-рый-применяется для работы в вакууме, под водой и в агрессивных средах.-Исполнительные
органы манипуляторов способны совершать сложные пространств, движения,
необходимые для выполнения рабочих операций. Для управления действиями
манипуляторов и роботов используются совр. методы и средства вычислит,
техники, позволяющие оперативно составлять и менять программы движений.
В сочетании со станками, контрольными и сборочными автоматами, оснащёнными
системами программного управления, применение роботов способствует комплексной
автоматизации проиэ-ва. Их применение придаёт системам машин-автоматов
гибкость и приспосабливаемость к изменяющимся условиям произ-ва. При проектировании
роботов и манипуляторов используются в едином комплексе методы теории машин
и механизмов и теории управления. Применительно к проектированию роботов
и автоматяч. манипуляторов развиваются как общие методы - структурный синтез
пространств, незамкнутых кинематит. цепей, кинематика и динамика пространств,
механизмов со многими степенями свободы, теория механизмов с переменной
структурой, изменяющейся в процессе движения, так и методы решения задач,
относящихся только к манипуляторам,- создание манёвренности, устойчивости
в работе, выбор правильного соотношения полезных и холостых ходов, а также
проектирование таких систем, в к-рых оператор чувствует усилие, создаваемое
на рабочем органе или на захвате.
По всем трём указанным разделам теории
машин и механизмов ведётся интенсивная- работа во мн. странах. В СССР,
США, ГДР, СРР, ЧССР и ФРГ систематически (через 2-3 года ) проводятся нац.
конференции по проблемам этой науки. Для организации и проведения междунар.
совещаний и конгрессов по теории машин и механизмов, а также для обмена
опытом и проведения совместных работ (в первую очередь по терминологии,
стандартизации, теории манипуляторов и по проблемам высшего образования)
в 1969 создана Междунар. орг-ция по теории машин и механизмов (International
Federation for the Theory of Machines and Mechanisms).
Лит.: Теория машин и механизмов,
в. 1-108. М., 1947-65; Механика машин, в. 1- 36-,М., 1966 - 72 - . И.
И. Артоболевский, Н. И. Левитский.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я