МАШИН И МЕХАНИЗМОВ ТЕОРИЯ

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.