«Начало жизненного пути Введение - ч. 1 ...»
Последний год войны был для Ивана Ивановича годом чрезвычайно интенсивной научной работы. За этот год он подготовил «Курс теории механизмов и машин» — учебпик для высшей технической школы; совместно с С. И. Артоболевским, Г. А. Шаумяном и В, А. Юдиным завершил первую часть «Метода анализа машин-автоматов», опубликовал серию работ по истории науки и совместно с Н. И. Левитским опубликовал «Механизмы П. Л. Чебышева», сопроводив их историко-техническим анализом. Как писал Н. Г. Бруевич, «И. И. Артоболевский проделал выдающуюся работу по собиранию всех механизмов Чебышева, составлению их схематических схем, уточнению размеров звеньев, анализу отдельных механизмов, составлению таблиц и графиков, построению траекторий важнейших точек механизмов и описи всех механизмов. Собранный И. И. Артоболевским материал ясно показывает, как разносторонни были интересы Чебышева в области теории механизмов и какую богатейшую коллекцию механизмов он нам оставил. Работа И. И. Артоболевского (совместно с Н. И. Левитским)... несомненно поможет внедрению в технику механизмов Чебышева».
Развитие школы
Развитие научной школы - ч. 1
Важной задачей, вставшей перед всем советским народом сразу же по окончании Великой Отечественной войны, стало восстановление народного хозяйства и всего народного достояния, пострадавшего от войны. Нужно было восстановить разрушенные города и заводы, электростанции и железнодорожный транспорт, мосты и дороги. Но одновременно нужно было и строить новое, искать новые пути в науке и в технике, вести восстановительные работы так, чтобы результат был по меньшей мере на непрерывно поднимающемся уровне мировой науки и техники.
В 1946 г. первая сессия Верховного Совета СССР второго созыва приняла Закон о четвертом пятилетнем плане восстановления и развития народного хозяйства СССР на 1946—1950 гг. Были поставлены задачи: восстановить пострадавшие от войны районы, восстановить довоенный уровень промышленности и сельского хозяйства, а затем значительно превзойти этот уровень. Особенно важные задачи встали перед советскими машиностроителями. Нужно было перестраивать на ходу технологические процессы восстанавливаемых заводов, одновременно создавая новые машины и новое оборудование. Возникли и специфические задачи, обусловленные нехваткой рабочей силы в промышленности и на строительстве; необходимо было наиболее эффективно использовать все резервы. В связи с этим повысилась роль средств малой механизации на трудоемких и тяжелых работах, а автоматизация производства становилась необходимостью.
Естественно, что специалисты в области пауки о машинах не могли и не должны были отставать от общего направления советского машиностроения. Уже в военные годы были продолжены исследования в области теории машин автоматического действия, а в первые же послевоенные годы были решены некоторые практические задачи теории механизмов.
Возросшее значение теории механизмов и машин и важность ее для развития советского машиностроения были подтверждены на первых послевоенных выборах в Академию наук СССР, состоявшихся в ноябре 1946 г., когда в число академиков был избран И. И. Артоболевский, а В. В. Добровольский был избран членом-корреспондентом академии. Кандидатуру Артоболевского выдвинули академики Н. Г. Бруевич и Л. С. Лейбензон. При оценке научного творчества И. И. Артоболевского Л. С. Лейбензон указал на важнейшие результаты, которые были получены им, и на тесную их связь с практикой советского машиностроения. Он указал, в частности, на существенную важность для современного машиностроения, автоматостроения и приборостроения исследований в области теории структуры и кинематики механизмов.
Развитие научной школы - ч. 2
Очень тепло его поздравил с избранием С. И. Вавилов.
В следующем, 1947 г. по инициативе С. И. Вавилова было организовано Всесоюзное общество для распространения политехнических и научных знаний, позже переименованное в общество «Знание». И. И. Артоболевский принял самое деятельное участие в создании этого общества, работа в котором стала одним из главных направлений его общественной деятельности. Но главным делом его жизни остается наука о машинах.
Советское машиностроение, возникшее, в сущности, в годы первых пятилеток, внесло важный вклад в дело победы в Великой Отечественной войне. Теперь надо было не только восстановить все, разрушенное в военные годы, но и вывести продукцию машиностроения на уровень лучших мировых стандартов. А для этого нужно было не только создать основы теории механики машин, но и обеспечить ее непрерывное развитие. Такая работа была не по силам одному, пусть даже очень крупному ученому, нужно было объединить усилия многих исследователей, нужно было создать школу.
Мы видели, что в конце 30-х годов и в первой половине 40-х годов в Советском Союзе над проблемами теории механизмов и машин работали целый ряд крупных ученых, получивших важные результаты. И. И. Артоболевский был одним из них, но кроме глубоких научных знаний он обладал также способностями крупного руководителя и организатора научных исследований. Забегая вперед, отметим, что только по его многочисленным докладам можно было бы составить полное впечатление о развитии науки о машинах на протяжении трех четвертей XX в. В этих докладах он не только подводил итоги полученным результатам, но и указывал на те направления науки о машинах, которые являются важнейшими для конкретного периода времени.
Ядром возникшей школы стал Семинар при Институте машиноведения АН СССР. Заседания его были возобновлены еще в военные годы, а с 1947 г. он начал регулярно публиковать свои труды. В 1947 г. Семинар по теории механизмов и машин организуется в Ленинграде под руководством X. Ф. Кетова; в 1950 г. начинает работать Семинар по аналогичной тематике в Харькове, руководит им Я. Л. Геронимус. Вскоре эти семинары получают права филиалов Семинара И. И. Артоболевского и, таким образом, Московский семинар из институтского академического (каким он был основан) и городского (каким он стал в военные годы) становится Всесоюзным. В 1951 г. С. Н. Кожевников организует филиал Семинара в Днепропетровске; в том же году начинает работать филиал Семинара в Тбилиси под руководством Д. С. Тавхелидзе. С тех пор непрерывно организовывались все новые и новые филиалы Семинара в различных научных центрах.
Развитие научной школы - ч. 3
С 1943 по 1947 г. на заседаниях Семинара было заслушано около 100 докладов на различные темы теории механизмов и машин. На заседании Семинара, состоявшемся 3 ноября 1947 г. и посвященном 30-летию Великого Октября, И. И. Артоболевский прочитал доклад «Успехи советской теории механизмов и машин», в котором рассмотрел результаты советских исследований в этом направлении, в том числе и тех, которые были доложены на Семинаре. В докладе был сделан краткий анализ основных исследований, выполненных за истекшие пять лет. Интересно, что наиболее важные проблемы были поставлены и решены участниками Семинара.
Был начат выпуск трудов Семинара: в 1947 г. были выпущены 1-й и 2-й тома, а затем труды начали выходить отдельными выпусками, по четыре выпуска в томе.
Одной из самых важных и, пожалуй, самой трудоемкой работой из выполненных И. И. Артоболевским несомненно был его знаменитый справочник «Механизмы». Как уже было указано выше, он работал над ним во время войны, но в течение послевоенного пятилетия он также не оставлял этой работы, выпуская отдельные тома и постоянно их совершенствуя. Достаточно сказать, что т. 1 вышел в 1947 г., в 1948 г. он вышел вторым изданием и одновременно вышел т. 2. В 1949 г. вышел т. 3, в 1951 г.—т. 1 третьим изданием, т. 2 —вторым изданием и т. 4. Уже тот факт, что сразу же потребовались повторные издания, доказывает, что справочник нашел своего читателя. Справочник содержал схемы и краткое описание 4000 механизмов, причем включал не только механические системы, но также механизмы с гидравлическими, пневматическими и электрическими устройствами. Разработанная И. И. Артоболевским система кратких описаний, в которой приводилась характеристика механизма, оказалась чрезвычайно удобной для практического использования.
С синтезом механизмов было связано и другое направление научного творчества И. И. Артоболевского — теория механизмов для воспроизведения и огибания кривых. Начатая в военное время, эта тема особенно заинтересовала его в послевоенные годы. Несомненно, что кинематика таких механизмов заинтересовала его и в связи с составлением справочника: при составлении таблиц и описей механизмов выявились «пустые» места, заполнением которых он и занялся. Он спроектировал большое число рычажных механизмов для воспроизведения ряда алгебраических и трансцендентных кривых. Иногда механизмы получались излишне сложными, многозвенными и могли работать лишь на ограниченных участках, но с точки зрения теории важными являлись и решения такого типа. Тем самым выяснялась принципиальная возможность воспроизведения определенных типов кривых. После этого, моделируя рычажные механизмы средствами электротехники, электроники и т. д., можно было воспроизводить очень сложные траектории для выполнения требуемых технологических операций.
Развитие научной школы - ч. 5
Кроме того, применение приближенных методов дает возможность удовлетворять большему числу поставленных условий и, следовательно, позволяет получить механизм, более соответствующий тем разнообразным требованиям, которые предъявляются практикой к каждому реальному механизму». Авторы указывают далее на два метода синтеза механизмов, созданных Чебышевым. Первый из них основан на непосредственном применении теории функций, наименее уклоняющихся от нуля. В этом случае искомые размеры механизма определяются из условий наименьшего уклонения от нуля разности между заданной зависимостью y=f(x) и той зависимостью уы=Р(х), которая может быть воспроизведена механизмом. Второй метод основан на разложении функции, характеризующей отклонение от заданной зависимости в сходящийся ряд по степеням малого параметра.
Чтобы результатами Чебышева можно было воспользоваться в практической работе, авторы составили для наиболее интересных из них расчетные таблицы и график, при помощи которых можно определять необходимые параметры механизмов. Была обобщена известная теорема Робертса—Чебышева и показано, что существует бесконечное множество шестизвенных механизмов, описывающих одну и ту же шатунную кривую четырехзвен-ного механизма. Была также доказана аналогичная теорема для шестизвенного механизма, в соответствии с которой шатунная кривая шестизвенного механизма в общем случае может быть описана шестью различными шестизвенными механизмами.
Было указано затем, что идеи Чебышева могут развиваться и среди тех проблем, которые предстоит разрешить в этом направлении, особую важность имеют две следующие:
Проблема приближенного определения наилучшего приближения в тех случаях, когда заданная функция представлена ее графиком или таблицей;
Проблема приложения метода Чебышева к синтезу пространственных механизмов.
Были и другие научные направления, над которыми Иван Иванович работал в послевоенные годы: динамика машин, теория машин автоматического действия, история науки и техники.
Развитие научной школы - ч. 4
Первыми работами из этой серии были: «Механизмы для огибания конических сечений» (1946), «Механизмы для огибания эллипсов» (1949), «Механизм для решения квадратных уравнений вида х2—px + q = 0», «Механизм для возведения в куб», «Два механизма для черчения кривых высших порядков», «Механизм для решения квадратных уравнений вида а2+а2х+а3=0» (1951). Во всех этих и следующих работах И. И. Артоболевский как специалист по кинематической геометрии в первую очередь интересовался возможностью воспроизвести механически любые алгебраические кривые, не пользуясь при этом методом наслоения кинематических цепей, выполняющих простейшие операции, т. е. теми методами, которые были теоретически обоснованы Кемпе и которые использовали специалисты по счетно-решающей технике. Чтобы избежать излишней сложности, свойственной таким построениям, И. И. Артоболевский начал широко использовать такие геометрические элементы, как инверсионные устройства, механические преобразователи, дополнительные группы по Ассуру и пр.
Третье направление научной деятельности И. И. Артоболевского, вплотную примыкавшее к двум первым,— это исследование синтеза механизмов по Чебышеву. В ряде работ были описаны и изучены механизмы П. Л. Чебышева и исследовано его научное наследство в области теории механизмов. Результатом явилось новое направление приближенного синтеза механизмов, основанное на идеях П. Л. Чебышева и развитое И. И. Артоболевским и Н. И. Левитским и впоследствии ставшее важной частью научной деятельности Н. И. Левитского.
«Применение приближенных методов значительно расширяет круг задач синтеза механизмов, решаемых аналитическим путем. Существенно отметить, что, используя приближенные методы синтеза механизмов, можно не только дать решение многих, новых задач, но и в целом ряде случаев получить более удачное решение тех задач, которые были решены ранее при помощи теоретически точных методов. Объясняется это тем, что механизмы, теоретически точно воспроизводящие заданную зависимость, в действительности воспроизводят ее лишь приближенно вследствие погрешностей изготовления механизма, упругости его звеньев и других причин. При этом отклонения от заданной зависимости в теоретически точном механизме могут оказаться большими, чем в механизме, полученном при помощи приближенных методов синтеза механизмов, вследствие более неблагоприятных соотношений между размерами звеньев.
Механика машин - ч. 1
Перейдем теперь к его работам, связанным с постановкой преподавания теории механизмов и машин в высших учебных заведениях Советского Союза.
Своеобразной лабораторией для проверки методических идей служили для Ивана Ивановича кафедра в Институте химического машиностроения, а затем, с 1942 г. — кафедра теории механизмов и машин в Московском авиационном институте, которой он руководил до своих последних дней. По его инициативе в Институте химического машиностроения был введен лабораторный практикум по теории механизмов и машин. Вместе с Вяч. А. Зиновьевым и Б. В. Эдельштейном он начал работать над созданием задачника по этому предмету. На практических занятиях ставились задачи и проверялась относительная трудность и соответствие их тем знаниям, которые должны получить студенты в результате проработки курса. Сборник задач был опубликован в 1947 г., в 1951 г. вышло его второе переработанное издание.
В 1946—1947 гг. по инициативе кафедры теории механизмов и машин было введено курсовое проектирование по механике машин и были разработаны первые задания. Правда, до этого времени в институте уже выполнялись лабораторные и графические работы, главным образом по следующим темам: составление схем механизмов, исследование различных типов передач, определение моментов инерции различных тел.
Среди сотрудников кафедры, работавших на ней в послевоенные годы, были Т. С. Жегалова, И. П. Никитина, А. С. Шевченко, Г. А. Барсов и др.
В 1951 г. И. И. Артоболевский издал свой переработанный и дополненный курс. С тех пор он переиздавался неоднократно, и его учебник стал главным учебником советской высшей технической школы в этой области. В 1947 — 1951 гг. Иван Иванович составляет программы для механических и механико-машиностроительных специальностей и тем самым вводит преподавание теории механизмов и машин в определенные, строго очерченные рамки. Если сравнить методику преподавания механики машин в советской высшей школе с преподаванием других дисциплин общетехнического цикла, то, пожалуй, нельзя указать предмета, методика преподавания которого была так органически слита с его содержанием. Естественно, что при преподавании и тут сохранялась индивидуальность лектора и, кроме того, в те же годы выходили учебники и учебные пособия других авторов различного методического достоинства, зачастую очень высокого. Несмотря на это, вся методика преподавания курса теории механизмов и машин в Советском Союзе начиная с послевоенных лет находилась под идейным влиянием И. И. Артоболевского и развивалась, следуя его идеям.
Механика машин - ч. 2
Несомненно, что важное значение в этом отношении имел Семинар и его филиалы, однако их влияние было в определенной степени ограниченным. В деле объединения усилий всех специалистов советской школы теории механизмов и машин особенно важную роль выполнили совещания, которые начали созывать с 1954 г.
Первое совещание по основным проблемам теории машин и механизмов было проведено Институтом машиноведения АН СССР 14—16 июня 1954 г. Дата эта чрезвычайно знаменательна сама по себе: к этому времени в основном было закончено восстановление народного хозяйства страны, разрушенного войной. Произведена была хозяйственная перестройка, и к середине 50-х годов можно (хотя и условно) отнести начало современной научно-технической революции.
Непосредственной целью совещания было стремление установить на основе анализа состояния теории механизмов и машин и тех задач, которые ставили перед ней отраслевые направления машиностроения, главные направления дальнейшего ее развития.
В совещании приняли участие более 350 ученых и инженеров, представлявших 120 организаций.
Совещание открылось докладом И. И. Артоболевского «Современное состояние теории машин и ее ближайшие задачи», в котором он сразу же указал на новые направления в науке о машинах.
Иван Иванович сформулировал основное, главное определение теории машин. Он указал, что «теория машин — это наука, изучающая механику машин во взаимосвязи с рабочими процессами, ими выполняемыми. Задача теории машин заключается в том, чтобы на базе наших знаний в области естественных наук (математики, физики, химии и биологии) создавать машины, обеспечивающие выполнение задаваемого рабочего процесса, обладающие высокой эффективностью и минимальным расходом энергии при максимальном облегчении труда рабочего.
Из этой задачи вытекают основные проблемы, составляющие содержание теории машин: теория рабочих процессов, механика машин (кинематика и динамика машин), теория построения машин автоматического действия»3. Интересным здесь является замечание И. И. Артоболевского о глубокой связи теории машин с естественными науками, в частности с биологией. Замечание это явилось весьма существенным для дальнейшего развития науки о машинах: идея эта очень быстро была принята на вооружение специалистами в области теории машин.
Механика машин - ч. 3
Доклад состоял из трех разделов. В первом разделе, посвященном теории рабочих процессов, он рассмотрел основные задачи, стоящие перед этой теорией. Он подчеркнул, что в теории машин рабочие процессы рассматриваются не во всей совокупности тех явлений, которые составляют их содержание, а лишь относительно тех из них, которые связаны с механикой самой машины. Остановившись далее на том, что теория рабочих процессов должна прежде всего установить оптимальное число рабочих операций, а также на ее связи с геометрией рабочего органа и с необходимостью учета тех сил сопротивления, которые должен преодолевать рабочий орган, И. И. Артоболевский учел и те трудности, которые возникают при изучении теории рабочих процессов. Трудности эти «заключаются в том, что это изучение нельзя вести в отрыве от геометрии рабочего органа, кинематики и динамики исполнительного механизма. Если при данной технологии рабочего процесса необходима определенная геометрия рабочего органа и предъявляются известные требования к кинематике и динамике исполнительного механизма, то применение новых геометрических форм рабочих органов или новых типов исполнительных механизмов сплошь и рядом изменяет технологию рабочего процесса...
Различные по своей кинематике исполнительные механизмы, построенные для выполнения одного и того же рабочего процесса, могут оказать существенное влияние на изменение всей технологии этого процесса».
И. И. Артоболевский отметил, что для большего числа машин рабочие процессы изучены недостаточно. Это касается в первую очередь сельскохозяйственных, землеройных и дорожных машин (хотя для этих машин основы теории рабочих процессов разработал В. П. Горячкин), затем машин горной, металлургической, силикатной, строительной и некоторых других отраслей промышленности. Остановившись на основных задачах теории рабочих процессов, он отметил следующие: дальнейшее развитие механики и физики тех сред и явлений, которые сопутствуют или определяют выполняемые машинами технологические процессы; создание основ теории проектирования рациональной геометрии рабочих органов исходя из заданной технологии рабочего процесса и наивыгоднейшего режима; изучение поведения обрабатываемого объекта при взаимодействии с рабочим органом в зависимое! и от геометрии этого органа и закона его движения; изучение механических характеристик исполнительных органов. Последняя из поставленных задач требует постановки экспериментов, а поэтому важное значение приобретает вопрос о развитии методов и приборов для регистрации перемещений, ускорений, скоростей, сил и мощности. В развитии экспериментальных методов исследования важную роль должны сыграть новые электронные устройства, радиоактивные изотопы, пьезоэффект, акустические и электромагнитные устройства и другие средства современной физики.
Механика машин - ч. 4
Выше было сказано о создании в Институте машиноведения экспериментальной лаборатории по динамике машин. Теперь И. И. Артоболевский обобщает свои идеи: он ставит перед специалистами задачу — переходить к экспериментальным методам исследования, иначе говоря, исследовать реальную машину в процессе ее работы. Это уже совсем новая (для теории механизмов и машин) постановка вопроса — эксперимент переходит от подчиненного положения в положение одного из важнейших средств исследования.
Рассматривая проблему механики машин, И. И. Артоболевский отметил, что динамика машин достаточно хорошо исследована лишь применительно к машинам-двигателям; вопросы же динамики рабочих машин изучены недостаточно. Сложность кинематических схем этих машин, недостаточная изученность действующих в них сил, своеобразие режимов движения — все это значительно затрудняет исследование динамики технологических машин.
К важнейшим задачам механики машин И. И. Артоболевский прежде всего отнес теорию пространственных механизмов в ее применении к схемам двигателей. «Необходимо также развивать вопросы упругих колебаний отдельных узлов двигателей и их деталей, вопросы балансировки и уравновешивания отдельных узлов и машин в целом. Важным и до сих пор недостаточно разработанным является вопрос о конструкциях опор валов двигателей и их смазке, обеспечивающих надежную работу при больших давлениях и скоростях и значительных перепадах температуры. Очень слабо изучены вопросы соударения элементов кинематических пар механизмов двигателей. Существенным вопросом для кинематики и динамики двигателей будет вопрос об энергетическом балансе двигателей, т. е. об учете паразитных сопротивлений в них, понижающих коэффициент полезного действия этих машин. Требуют дальнейшего развития вопросы динамики неустановившихся режимов движения машин-двигателей и теории их регулирования».
В динамике рабочих машин основным является вопрос учета упругости звеньев механизмов — во многих механизмах входящие в их состав упругие звенья подвергаются значительным деформациям. Для изучения закона движения рабочих органов этих механизмов обычная теория малых колебаний недостаточна и требуется создание новых математических методов исследования законов их движения, связанных с решением нелинейных дифференциальных уравнений».
Машины автоматического действия - ч. 1
Следующие проблемы механики машин связаны с вопросами теории трения, в частности с гидродинамической теорией трения, с явлением удара в кинематических парах, с теорией гидравлических, пневматических, электрических и электронных устройств и с вопросами расчета комбинированных механизмов с разнообразными устройствами. Важной задачей теории машин является также определение производственных сопротивлений ж крутящих моментов на ведущем звене исполнительных механизмов с помощью экспериментального исследования.
Далее Иван Иванович отметил еще ряд задач механики машин, над которыми следовало работать в дальнейшем: это вопросы теории регулирования рабочих машин; динамика машинных агрегатов в неразрывной связи рабочей машины, двигателя и регулирующего устройства; учет массы обрабатываемого продукта; динамика машин с него лономными связями; изучение движения машинных агрегатов при силах и массах, зависящих от кинематических параметров; неустановившиеся режимы движения машинных агрегатов; теория точности механизмов; развитие теории и средств балансировки и автобалансировки роторов; уравновешивание машин ударно-вибрационного типа; создание теории демпфирующих устройств и устройств для гашения колебаний.
Многие задачи, поставленные в докладе, были затем решены, при этом значительная часть соответствующих исследований принадлежала самому Артоболевскому. Уже в этих наметках важнейших работ по механике машин многие положения в равной мере можно было бы отнести и к динамике машин, и к теории машин автоматического действия. Это лишь доказывало, что последняя постепенно становилась органически неотъемлемой частью теории механизмов, которая значительно расширила свой диапазон, распространив исследования на технологические машины автоматического и неавтоматического действия.
Машины автоматического действия - ч. 2
Все более важное значение начинает приобретать эксперимент — он становится неотъемлемой и важнейшей частью исследования наравне с теоретической подготовкой.
В теории машин автоматического действия И. И. Артоболевский указал на две важнейшие ее проблемы: создание методов расчета производительности и эффективности машин-автоматов и развитие методов проектирования кинематических схем механизмов машин-автоматов.
Первая проблема почти не разработана. Однако вопросы критериев производительности и эффективности рабочих машин, в свою очередь, зависят от целого ряда проблем науки о машинах. К ним относятся: научная классификация рабочих машин; проблема изучения энергетического баланса машин-автоматов; изучение энергоемкости машинных агрегатов.
Соответственно есть ряд вопросов, связанных с развитием методов расчета и проектирования механизмов машин-автоматов. Это в первую очередь — установление принципиальной кинематической схемы машины-автомата, которая основывается на ее общей циклограмме. Затем следует создать классификацию механизмов по их структуре и функциональному назначению, так как существующая классификация не отражает функционального целевого назначения механизма.
Несомненно, что вопрос о необходимости создания новой, «конструктивной» классификации механизмов возник у И. И. Артоболевского в связи с его непрерывной работой над созданием и улучшением справочника по механизмам. Создание такой классификации не только имело бы важное практическое значение, но и обеспечило бы связь теории механизмов с практикой конструирования современных машин и механизмов.
При создании схемы машины автоматического действия надо также учесть, что основные группы механизмов рабочих машин (исполнительные механизмы, механизмы передачи движения и механизмы управления, контроля и блокировки) хотя и имеют много общего, но и обладают некоторыми специфическими особенностями. Наиболее важными являются исполнительные механизмы, для проектирования которых необходимо задать закон движения рабочих органов. Последний должен полностью отвечать требованиям технологического процесса. Все необходимые для проектирования зависимости могут быть представлены в аналитической форме — в виде соответствующих уравнений или геометрически — в форме кривых, построенных в соответствующей системе координат.
Перемещение рабочего органа может быть задано в виде точного или приближенного закона. В первом случае наиболее надежными будут механизмы с одними только жесткими звеньями — это прежде всего кулачково-рычажные механизмы. Механизмы с электрическими и электронными устройствами пока не обладают достаточно стабильным движением, но их дальнейшее усовершенствование, по-видимому, сможет дать благоприятные результаты. Движение механизмов с гидравлическими и пневматическими устройствами также нестабильно, и поэтому они не могут быть рекомендованы. Что касается осуществления приближенного закона движения, то для этого можно использовать кулачково-рычажные, рычажные, зубчато-рычажные, механизмы некруглых зубчатых колес, мальтийские и цевочные, а также комбинированные механизмы.
Машины автоматического действия - ч. 3
И. И. Артоболевский остановился затем на проблемах проектирования кулачковых и рычажных механизмов с одними низшими парами, различных типов зубчатых передач и мальтийских механизмов, пространственных механизмов, механизмов для передачи движения, механизмов управления, контроля и блокировки. Затем он остановился на значении счетно-решающих устройств для дальнейшего развития машин автоматического действия.
Доклад И. И. Артоболевского на первом совещании по основным проблемам теории механизмов и машин явился первым программным документом советской школы теории механизмов и машин и имел громадное значение не только для советской, но и для мировой науки. В этом докладе в очень ясной и отчетливой форме были отмечены те проблемы и задачи, которые еще не решены или над которыми еще следует работать. Таким образом, доклад стал своеобразным планом-прогнозом дальнейшего развития науки. Можно сказать, что этим выступлением Артоболевского теория механизмов и машин была переведена из разряда прикладных наук в разряд наук фундаментальных; он указал при этом, что для ее дальнейшего развития следует воспользоваться всей мощью фундаментальных наук — математики, механики, физики и даже биологии.
На совещании было прочитано семь докладов, посвященных различным направлениям теории механизмов и машин в применении к отдельным видам машин. Были рассмотрены вопросы, относящиеся к станкостроению (В. И. Дикушин и А. П. Владзиевский), механизации сельского хозяйства (И. Ф. Василенко), к машинам текстильной, легкой и пищевой промышленности (В. Т. Костицын), проблемам теории металлургических машин и оборудования (С. Н. Кожевников), к теории и расчету строительных машин (Н. Г. Домбровский), проектированию и расчету счетных машин (Н. Н. Тресвятский). Доклад о подготовке кадров специалистов в области теории машин и механизмов сделал А. П. Малышев.
Машины автоматического действия - ч. 4
В докладах было поднято много интересных вопросов, впрочем, большинство из них все же относилось к специальному машиностроению и лишь в меньшей степени они перекликались с идеями, которые высказал И. И. Артоболевский. Лишь доклад С. Н. Кожевникова был целиком посвящен исследованию важных проблем динамики технологических машин на оригинальной экспериментальной базе, и в докладе В. Т. Костицына были развиты на конкретном материале некоторые положения доклада Артоболевского.
По докладам была проведена дискуссия. Н. Е. Кобринский поставил вопрос о применении при исследованиях средств вычислительной техники, позволяющих моделировать кинематические и динамические процессы, происходящие в машинах, а также механизировать решение соответствующих уравнений. А. И. Макаров на примере текстильной техники показал необходимость достижения устойчивой и стабильной работы механизма при высокой скорости, для чего нужно комплексно решать все вопросы их динамики, учитывая вибрацию, балансировку, долговечность опор, режимы пуска и останова и потребляемую мощность. В. А. Юдин отметил необходимость развития экспериментальных работ в области теории машин, так как только эксперимент может значительно дополнить теоретическое исследование и дать ему правильное направление. Н. П. Раевский рассказал об измерительной технике и о тех возможностях, которые она предоставляет для проведения экспериментального исследования. Д. С. Тавхелидзе говорил о кинетостатическом исследовании механизма с двумя степенями свободы. Л. Н. Решетов остановился на вопросе создания новых, более совершенных механизмов, которые необходимы для дальнейшего развития мощных средств производства и максимальной механизации и автоматизации технологических процессов. Л. В. Петрокас рекомендовал расширить число участников Семинара и его филиалов, привлекая к ним работников конструкторских бюро и отраслевых научно-исследовательских институтов.
На совещании выступали также Н. И. Колчин, Я. М. Раскин, М. А. Скуридин, Л. А. Ротинян, И. И. Капустин и другие.
В своем заключительном слове И. И. Артоболевский сказал, что идеей совещания было как можно больше приблизить специалистов по теории машин и механизмов к тем громадным практическим задачам, которые стоя перед советским машиностроением. По его мнению, эта цель в определенной степени была достигнута.
Совещание приняло решение, в котором, в частности, было указано на необходимость разработки теории рабочих процессов, дальнейшей разработки теории рабочих машин и автоматов и продолжении исследования в области теории передаточных механизмов. В решении была отмечена также большая роль экспериментальных методов исследования в развитии дальнейших работ в области теории механизмов и машин.
Таким образом, на совещании были определены цели науки о машинах, дальнейшие пути ее развития. Тем самым в определенной степени были скоординированы усилия ученых, работавших в области механики машин, и они окончательно были объединены в единую школу.
Автоматизация
Проблемы автоматизации - ч. 1
Проблемы, связанные с автоматизацией производства, - являются одними из самых важных, если не важнейшими для современной научно-технической революции. Эти проблемы оказались в поле зрения советских ученых в самом начале 30-х годов, т. е. в первые годы первой советской пятилетки.
И это было совершенно естественно. Создавая новое машиностроение и изыскивая способы улучшения и удешевления его продукции при минимальных трудовых затратах, советская наука и техника обратились к автоматизации как к оптимальному решению, тем более что оно было подсказано и знаменитыми прогнозами Карла Маркса и Фридриха Энгельса. Затем в середине 50-х годов, на рубеже научно-технической революции, автоматизация производства, и в частности теория машин автоматического действия, начинают занимать все более и более существенное место среди интересов машиноведов, а также механиков и машиностроителей.
Машинами автоматического действия И. И. Артоболевский начал интересоваться еще во второй половине 30-х годов. Машины сельскохозяйственного производства (молотилки, комбайны), химической промышленности и авиационная техника, с которыми Ивану Ивановичу пришлось столкнуться в 30-х содах, уже включали более или менее существенные элементы автоматизации. Кроме того, в ряде производств уже существовали автоматы — это относится, в частности, к металлообрабатывающим станкам-автоматам, автоматам пищевой, табачной и полиграфической промышленности. Вместе с С. И. Артоболевским, Г. А. Шаумяном и В. А. Юдиным он работает над созданием метода анализа машин-автоматов.
Первый том монографии «Методы анализа машин-автоматов», посвященный структурному анализу, был опубликован в 1945 г. В этой работе была предпринята интересная попытка увязать методы анализа и синтеза механизмов (что выполнили И. И. Артоболевский и B. А. Юдин) с анализом и синтезом машин (Г. А. Шаумян и С. И. Артоболевский). Второй том этой работы, посвященный вопросам кинематики и кинетостатики автоматов, вышел в 1949 г.
Проблемы автоматизации - ч. 2
К этому времени советская наука уже имела значительный задел в науке об автоматах и технологических машинах. Упомянем лишь о некоторых таких работах. Так,
C. И. Артоболевский, который с 1933 по 1957 г. руководил кафедрой теории машин и механизмов в Московском энергетическом институте, опубликовал в 1949 г. монографию «Машины-автоматы», в которой детально проанализировал рабочие машины и установил, что их механизмы можно подразделить на четыре основные группы: исполнительные, трансмиссионные, установочные и механизмы управления технологическим процессом. Он указал на характерную для рабочих машин тенденцию полного исключения из технологического процесса ручного труда и возможно полной автоматизации операций регулирования и контроля технологического процесса и выпускаемой продукции. С. И. Артоболевский делит рабочие машины и машины-автоматы на две характерные группы (в зависимости от методов исследования и расчета кинематических схем). К первой группе он отнес молотилки, комбайны, прокатные станы, волочилки; ко второй — автоматы различных типов. Рабочие органы машин первой группы могут внутри цикла быть в любых относительных положениях, во второй группе относительное положение рабочих органов для каждого момента времени должно быть вполне определенным и единственно возможным. Это обстоятельство является основным при расчете и проектировании рабочих органов. В работе приведена подробная классификация рабочих органов по кинематическим признакам, типовые кинематические схемы исполнительных механизмов, а также типовые схемы машин-автоматов и их синтеза.
В 1950 г. вышла в свет его работа «К вопросу о производительности рабочих (технологических) машин», а в 1952 г.— «Методы определения выпускной способности машин-автоматов», где автор уточнил классификацию машин-автоматов, исследовал принципы проектирования рабочих машин и закон движения рабочего звена.
Г. А. Шаумян изучал станки-автоматы с начала 30-х годов вначале как инженер, а затем как преподаватель и позже — профессор Московского высшего технического училища. В 1946 г. он опубликовал работу «Основы теории проектирования станков-автоматов», в которой развил идею об общности, существующей между машинами автоматического действия разного технологического назначения. Он разработал теорию производительности рабочих машин, позволяющую заранее анализировать производительность проектируемой машины и предусматривать как в конструкции, так и в способах ее эксплуатации условия, обеспечивающие получение запроектированной производительности. Книга содержала также структурный анализ автоматов, главным образом их приводов и систем управления. В 1949 г. книга вышла во втором дополненном издании, а в 1952 г. он опубликовал свой известный учебник «Автоматы».
Проблемы автоматизации - ч. 3
Первые автоматические линии появились в конце 30-х годов. В 40-х и в первой половине 50-х годов были созданы автоматические линии для обработки валов электродвигателей, цилиндрических и конических зубчатых колес, шлицевых валов; была сделана попытка создать полностью автоматизированное предприятие по производству автомобильных поршней. Результаты внедрения автоматических линий и их теория были изучены и обобщены в работах Г. А. Шаумяна (1949 г.) и А. П. Владзиевского (1951 г.), однако многие вопросы теории машин-автоматов и автоматических линий оказались дискуссионными. В частности, в 1949—1950 гг. была развернута дискуссия по книге Г. А. Шаумяна, в которой приняли участие многие ученые из Московского высшего технического училища и из ЭНИМСа, а также ряд ведущих конструкторов. При этом были подвергнуты критике основные положения, выдвинутые Г. А. Шаумяном.
Переход к исследованию машин технологического назначения, машин автоматического действия и автоматических линий показал, что во многих случаях нельзя ограничиваться изучением кинематического скелета машины: в теории механизмов и машин изучение машин, изготовленных из реальных материалов, обладающих свойством упругости, с учетом того, что кинематические пары в действительности изготовляются с большими или меньшими зазорами, которые увеличиваются вследствие трения, было одним из стимулов развития экспериментальных методов исследования. Так, в работе, выполненной в 1942 г. И. И. Артоболевским, В. Т. Костицыным и Н. П. Раевским, было описано движение вала, вращающегося в подшипнике без смазки и со значительным зазором.
В 1948 г. для учета влияния зазоров в кинематических парах Н. П. Раевским и А. Е. Кобринским был поставлен эксперимент по исследованию движения шарнирного параллелограмма с дополнительным спарником. Обычными методами кинетостатики усилия в кинематических парах с пассивными связями определить нельзя, так как число неизвестных превышает число уравнений, которые можно составить для схемы механизма. В 1950 г. И. И. Артоболевский, В. Т. Костицын и Н. П. Раевский выполнили экспериментальные и теоретические исследования по определению давлений на опору штанги кулачкового механизма, а также изучили циклограммы Мишин автоматического действия. В 1953 г. И. И. Артоболевский в соавторстве с Е. В. Герц, А. Е. Кобринским и Н. П. Раевским исследовал динамику пневматических механизмов и предложил метод расчета поршневого пневматического устройства с золотниковым распределением. В ряде статей и выступлений И. И. Артоболевский сформулировал проблемы исследований в области теории машин автоматического действия, в том числе экспериментальных.
Проблемы автоматизации - ч. 4
Важность экспериментального исследования для изучения машин и построения действенной теории механизмов и машин, вызвала заинтересованность и в самом эксперименте. Если раньше эксперимент производили при помощи имеющегося оборудования и лабораторных средств, то теперь это оказалось совершенно недостаточным. Происходило становление нового научного направления, включившего разработку методик эксперимента, математической обработки результатов эксперимента и создание необходимых приборов и оборудования. В 1952 г. Н. П. Раевский опубликовал монографию «Методы экспериментального исследования механических параметров машин», годом позже С. Н. Кожевников в соавторстве с Я. М. Рас-киным и Л. И. Цехновичем опубликовал статью «Аппаратура для исследования рабочих машин», в которой описывались приборы, спроектированные и изготовленные на кафедре теории механизмов и машин Днепропетровского металлургического института, которой он тогда руководил. Статья содержала описание аппаратуры для измерения и регистрации перемещений, снятия циклограмм, определения скоростей и ускорений, сил и моментов и пр.
В 1954 г. Н. П. Раевский возглавил секцию экспериментальных методов исследования машин Семинара по теории механизмов и машин. Лаборатория экспериментальной динамики, которой он заведовал, стала центром экспериментального направления в науке о машинах. Здесь работники научно-исследовательских институтов, преподаватели высших учебных заведений, заводские инженеры и конструкторы получали консультации, проходили стажировку. Сотрудники лаборатории проводили также исследования машин на предприятиях различных отраслей промышленности, на заводах и полигонах.
22 февраля 1954 г. на Семинаре был доложен совместный доклад И. И. Артоболевского, Е. В. Герц, А. Е. Кобринского и Н. П. Раевского «Теоретическое и экспериментальное исследование пневматического привода сварочных машин», в котором была изложена методика приближенного расчета поршневого пневматического устройства. В качестве примера был рассмотрен расчет пневматического привода сварочной машины, а также приведены результаты экспериментального исследования этого привода. В связи с возросшим числом исследований в области экспериментальных методов в 1954 г. был выпущен специальный выпуск «Трудов семинара по ТММ», № 59, целиком посвященный экспериментальным исследованиям.
Конструирование машин-автоматов - ч. 1
Проблемы изучения реальных машин и связанные с этим экспериментальные исследования, а также проблемы теории технологических машин вообще как автоматического действия, так и неавтоматических к середине 50-х годов стали объектом исследований, проводимых научно-исследовательскими и учебными институтами. Начиная с 1954 г. эти исследования частично координировал отдел теории механизмов и машин Института машиноведения АН СССР.
С 16 по 21 ноября 1953 г. Институт машиноведения провел совещание по автоматизации технологических процессов в машиностроении. С программным докладом на тему «Основные задачи теории механизмов и машин в области конструирования машин-автоматов» выступил И. И. Артоболевский. Он указал на три важнейших задачи теории: создание механики типовых технологических процессов, выполняемых машинами-автоматами; создание теории производительности машин-автоматов; развитие методов расчета и проектирования механизмов машин-автоматов. Относительно первой задачи он остановился на анализе сущности технологических процессов — подобные процессы могут обслуживать различные отрасли производства. «Так, например, процессы дробления и измельчения материалов встречаются в горнорудной, мукомольной промышленности, в промышленности строительных материалов и др.; процесс сегрегации сыпучих материалов является общим для сельского хозяйства, горной, обогатительной и силикатной промышленности. Обработка давлением и прокатом является общей для машиностроения, промышленности строительных материалов, пластических масс, резиновой промышленности и др. Многие процессы широко распространены в одной большой области промышленности, как, например, процесс кручения и вытягивания нитей в текстильном производстве. Некоторые технологические процессы в ближайшее время станут неотъемлемой частью всех автоматических производств, например процессы упаковки массовых изделий, загрузки и питания современных автоматов».
Конструирование машин-автоматов - ч. 2
Таким образом, как указал И. И. Артоболевский, необходимо подвергнуть исследованию физику и механику технологических процессов. В таком же положении находится теория производительности рабочих машин, тем более, что нет даже четкого определения производительности и нет ясности в вопросе о параметрах, от которых она зависит. Необходимо определить критерии производительности, а этого нельзя сделать без четкой классификации рабочих машин: теория машин должна начинаться с их классификации.
Нельзя построить теорию машин-автоматов в отрыве от двигателей, которые должны составить неотделимую их часть. И. И. Артоболевский остановился затем на роли счетно-решающих устройств, с помощью которых к началу 50-х годов уже начали выполнять ряд операций: подсчет готовой массовой продукции, ее статистический контроль и другие вопросы, связанные с разработкой программных задающих устройств, регулирующих рабочие процессы. Надо создать систему механизмов, которые будут управлять технологическим процессом, обеспечивая программу обработки, заданную в форме некоторой математической зависимости.
Следующей важнейшей задачей является установление принципиальной кинематической схемы машины автоматического действия, основной базой которой будет циклограмма. В дополнение к существующим классификациям надо создать классификацию механизмов по функциональному признаку, с помощью которой конструкторы могли бы рационально подбирать механизмы. Что касается последних, то их можно разделить на три группы: исполнительные, механизмы передачи движения и прочие механизмы (управления, блокировки, контроля, регулирования и др.). Они имеют много общего, но у них есть и специфические особенности.
В своем докладе И. И. Артоболевский неоднократно обращался к вопросу экспериментальных методов, указывал на их необходимость для всех этапов работы при создании машин автоматического действия. Указал он и на то, что в распоряжении исследователей имеется недостаточный ассортимент аппаратуры. В первую очередь необходимо разработать датчики различных типов, обладающие большей чувствительностью, чем существующие, надежные усилители тока, дифференцирующие и интегрирующие устройства. Но одновременно с развитием экспериментальных методов надо развивать и инженерные методы теоретического исследования, т. е. соответствующие технические науки. Несколько позже Артоболевский уточнил эту мысль.
Конструирование машин-автоматов - ч. 3
Анализируя развитие отдельных групп механизмов, применяемых в машинах автоматического действия, Иван Иванович остановился на особой важности исполнительных механизмов. Он отметил, в частности, что кинематические цепи исполнительных механизмов в результате динамических нагрузок могут иметь, мгновенные и конечные по времени разрывы. При этом общая кинематическая цепь как бы расчленяется на частные кинематические цепи; движение каждой из них описывается самостоятельным уравнением. Следовательно, рассмотрение движения всего механизма в целом сводится к решению системы соответствующих уравнений движения и уравнений связи между звеньями кинематической цепи. Этого можно достичь лишь при совместной работе специалистов по теории механизмов, теории упругости, теории колебаний и специалистов по общим вопросам аналитической механики.
Рассмотрев положение с исследованиями в области конкретных типов механизмов, применяемых в построении машин-автоматов, а также с методами их кинематического и динамического анализа, Иван Иванович заметил, что конструкторы все еще недостаточно используют рычажные механизмы, а также пространственные механизмы, с помощью которых многие задачи решаются значительно проще. При этом он указал также на неправильный подход конструкторов к обеспечению требуемого пространственного движения. «Чаще всего,— сказал он,— когда ставится задача о выполнении пространственного движения рабочего органа, конструктор решает ее путем разложения движения по соответствующим осям координат и получает требуемое движение путем согласованного движения трех механизмов, каждый из которых обеспечивает движение вдоль одной из осей координат. Полученный таким образом механизм отличается сложностью конструкции и большими габаритами. Более конструктивным могло бы быть решение путем использования пространственных механизмов, позволяющее непосредственно воспроизводить заданное пространственное движение рабочего органа».
В связи с начавшейся в середине 50-х годов научно-технической революцией значение проблемы автоматизации и создания машин-автоматов и автоматических линий перешагнуло границы интересов машиноведов и специалистов в области механики машин. Эти проблемы с 15 по 20 октября 1956 г. были рассмотрены на сессии Академии наук СССР, посвященной проблемам автоматизации производства, деятельное участие в которой принял И. И. Артоболевский.
Конструирование машин-автоматов - ч. 4
На пленарном заседании: академии И. И. Артоболевский, А. А. Благонравов, В. И. Дикушин и В. С. Кулебакин выступили с совместным докладом «Задачи технических наук в развитии машин и технологических процессов в связи с автоматизацией», в котором было указано место технических наук в деле развития проблемы автоматизации и указаны основные научные направления, связанные с проблемой. При этом, «говоря о задачах науки в связи с проблемой автоматизации всех областей народного хозяйства, необходимо иметь в виду комплексное изучение и природу производственных процессов, их взаимосвязь с внешней средой и свойства всех элементов, входящих в автоматическую систему, включая исполнительные органы рабочих машин, средств управления и регулирования процессов и источники энергии». Авторы доклада заявили, что цель доклада — показать огромные перспективы для технических наук в деле создания совершенных средств автоматизации. Важнейшими задачами технических наук являются проблема управления процессами, проблема обеспечепия надежности и стабильности работы систем и ряд других проблем, которые учли бы органическую связь между комплексной автоматической системой управления. Простое приспособление средств автоматизации к существующему технологическому процессу лишь изредка может привести к оптимальному построению автоматизированного. производства — необходим принципиально новый технологический процесс. Поэтому и задачей технических наук является очень большое количество разнообразных исследований, относящихся к объекту автоматизации, к природе технологического процесса, влиянию на него условий внешней среды. «Поэтому проблема автоматизации народного хозяйства с точки зрения технических наук — это проблема новых материалов с заданными свойствами, это проблема рационального построения исполнительных органов машин с учетом их взаимодействия с материалами, это проблема многостороннего изучения как физических, химических, так и механических процессов с целью полного овладения ими и разработка методов активного воздействия на их развитие, это проблема изучения динамики сложных комплексных систем, это проблема экономного использования энергетических ресурсов, это проблема оптимальных методов преобразования энергии, наконец, это проблема построения технических средств производства, обеспечивающих наибольший экономический эффект». Таким образом, для решения проблем автоматизации необходимо было развернуть широкий фронт исследований в области технических наук.
На секции сессии АН СССР, посвященной теории и методам расчета и проектирования механизмов машин-автоматов и автоматических линий И. И. Артоболевский прочитал доклад «Задачи теории машин и механизмов в развитии методов расчета и проектирования машин автоматического действия». Как и в предыдущих своих докладах по вопросам теории машин-автоматов, он отметил достижения советской школы и поставил ряд новых задач на ближайшее время. В качестве основных факторов прогресса современного машиностроения он указал на повышение скоростей работы машин, форсирование нагрузок на элементы машин, максимальную автоматизацию процессов, выполняемых машиной. С этими факторами также связаны задачи, которые необходимо решать исследователям.
Развитие машин-автоматов - ч. 1
Машины автоматического действия работают по определенной программе, причем большее число машин работает по одной заданной программе; привод исполнительных механизмов осуществляется в таких автоматах кинематическими цепями механического типа. Другой тип автоматов — машины, у которых программа варьируется в широких пределах, к их числу, в частности, относятся металлообрабатывающие автоматы, ткацкие станки типа жаккардовых, наборные полиграфические машины. Обычно на новую программу их переналаживают механическими средствами, что ограничивает число возможных вариантов программы. Поэтому начали переходить к системам, у которых программа кодируется в виде перфокарт, с записью на магнитной ленте и пр. С помощью электрических, фотоэлектрических или электронных систем такая программа передается исполнительному механизму, источникам мощности, контрольным устройствам и т. д., причем предварительно она перерабатывается целым рядом промежуточных устройств.
Развитие подобных машин-автоматов наиболее перспективно.
К важнейшим задачам теории машин-автоматов относятся следующие:
Разработка принципиальных схем автоматов обеих групп;
Подбор механизмов для осуществления движений; разработка методов синтеза механизмов машин-автоматов;
Силовой расчет машин-автоматов с учетом упругости, деформаций звеньев, вибраций;
Выбор и синтез схем передаточных механизмов;
Разработка кода для машин-автоматов;
Изучение динамики систем пульсирующего режима;
Изучение режимов движения механизмов машин-автоматов с программным управлением как машинных агрегатов;
Изучение динамики систем автоматического регулирования и контроля;
Синтез механизмов для воспроизведения математических зависимостей;
Изучение истинного движения систем с несколькими степенями свободы;
Учет изменения массы;
Исследование сил движущих и сил производственного и непроизводственного сопротивления.
И. И, Артоболевский детально проанализировал каждый из этих вопросов, выяснил их сущность и те задачи, которые из них вытекают или от них зависят. Он остановился затем на роли математических методов в теории машин и механизмов и указал на важнейшие математические направления, которые применяют в науке о машинах, а также на значение исследований в области физики и химии, которые необходимы для исследования и проектирования машин автоматического действия с новыми устройствами и элементами измерительной техники.
Развитие машин-автоматов - ч. 2
На сессии были зачитаны доклады по всем направлениям теории машин автоматического действия. В частности, на секции, руководимой И. И. Артоболевским, состоялись доклады: А. П. Владзиевского «Состояние и задачи теории автоматических линий», С. И. Артоболевского «Основные задачи общей теории машин-автоматов», Н. И. Левитского и С. А. Черкудинова «Современные направления в развитии теории синтеза механизмов машин-автоматов», С. Н. Кожевникова «Пути автоматизации машин в металлургическом производстве» и ряд других. Характерно, что почти во всех докладах, в том числе и в докладе И. И. Артоболевского, постоянно упоминалось о возрастающей роли экспериментальных методов исследования и связанных с этим проблемах.
Некоторые из проблем, отмеченных И. И. Артоболевским в качестве узловых для развития теории автоматического действия, он решил сам или в соавторстве с другими исследователями. Рассмотрим лишь некоторые из его работ, выполненных в этом направлении.
Так, в совместной работе И. И. Артоболевского и М. Л. Быховского «О программном управлении металлообрабатывающими станками» исследуется научно-техническая задача, относящаяся к новому направлению машин-автоматов второй группы. В статье приведена блок-схема системы цифрового управления станком. Описаны принципиальные основы систем программного управления и указаны их достоинства и преимущества, важнейшим из которых является возможность централизованного управления группой станков с учетом движения материалов и полуфабрикатов. Отмечено, что подобные задачи следует решать комплексно.
В Москве с 24 по 28 марта 1958 г. проходило Второе всесоюзное совещание по основным проблемам теории механизмов и машин. На этот раз доклады и сообщения обсуждались на пяти секциях, одна из которых была целиком посвящена теории машин автоматического действия. Организовал эту секцию и руководил ею С. И. Артоболевский. Он прочитал доклад на тему «О структуре технологических машин-автоматов и ее роли в развитии их общей (межотраслевой) теории», в котором показал технологическую машину как комплекс элементарных структурных цепей, классифицировал перемещения и соответствующие им приводы, выявил три рода технологических машин, установил формулы для расчета теоретической производительности этих трех родов.
Развитие машин-автоматов - ч. 3
К этому времени на предприятиях значительно возросло число машин автоматического действия и автоматических линий. Этому способствовало быстрое развитие теоретических исследований в этом направлении. Наука в действительности становилась производительной силой. С другой стороны, развитие техники машин-автоматов и требования производства ставили перед наукой все новые и новые задачи. Дальнейшие исследования в области теории машин-автоматов развивались в комплексе с исследованиями кулачковых механизмов, пневмо - и гидропривода, с теорией электронных вычислительных машин и моделирующих машин. Основной задачей теории машин автоматического действия становится разработка методов синтеза систем, автоматизирующих производственные процессы с максимальной экономической эффективностью.
В июне 1961 г. в Москве состоялось 3-е совещание по основным проблемам теории механизмов и машин. Руководитель секции теории машин-автоматов С. И. Артоболевский в докладе «Современное состояние теории машин автоматического действия» указал на то, что подавляющее большинство машин автоматического действия составляют технологические машины, развитие которых и определяет положение общей теории. Он подвел итоги проделанной советскими учеными работы и указал, что задачей совещания является не только подведение итогов, но и определение направлений дальнейшего развития основных разделов науки о машинах. Необходимо установить, какие дополнительные требования будут предъявлять к этой науке в ближайшие годы процессы автоматизации производства.
В 1964 г. в Киеве было проведено 4-е совещание по основным проблемам теории механизмов и машин. На секции теории машин-автоматов и пневмогидропривода были рассмотрены вопросы теории проектирования автоматов, автоматических роторных линий, пневматических и гидравлических систем автоматического управления. Рассматривались вопросы биоэлектрического управления протезами.
Развитие машин-автоматов - ч. 5
Кроме этого, должен быть поставлен цикл курсов, обеспечивающих определение прочных режимов на основании последних достижений науки, курс экспериментальной динамики. Конечно, все эти курсы должны базироваться на хорошей подготовке по механике и математике; при этом некоторые разделы математики, такие как дифференциальные уравнения математической физики, операционное исчисление, интегро-дифференциальные уравнения, методы малого параметра, гармонической линеаризации и др. нужно читать на третьем году обучения».
Исследования И. И. Артоболевского, выполненные им в конце 60-х — начале 70-х годов, вытекали из той программы, которую он разработал еще в середине 50-х годов и к которой неоднократно обращался. В круг его научных интересов продолжали входить и такие общие проблемы, как, например, оптимальный синтез машин-автоматов и некоторые более частные вопросы — теории металлообрабатывающих станков-автоматов, загрузочных устройств автоматического действия и некоторые другие. В частности, он продолжал в содружестве с А. А. Вишневским и М. Л. Быховским работы по созданию автоматических диагностических машин. Они явились переходной ступенью к робототехнике, которая составила важное направление в его научном творчестве 70-х годов. Ниже мы коснемся лишь некоторых из вопросов теории машин автоматического действия, над которыми он работал.
Развитие машин-автоматов - ч. 4
В докладе «Основные проблемы современной теории машин», зачитанном на киевском совещании, И. И. Артоболевский обратил внимание на этапы в развитии науки о машинах, которые нашли свое отражение в тематике совещаний. На 2-м совещании больше всего докладов было посвящено анализу и синтезу механизмов, а на 3-м и 4-м — динамике машин. Увеличилось число докладов по теории машин автоматического действия и по теории ппевмо - и гидропривода. Значительно изменилась и направленность докладов: больше внимания стали уделять динамическому анализу режимов движения сложных механических систем, использованию аналоговых моделей для изучения динамических явлений, теории машин вибрационного действия, динамике машин с переменной массой звеньев, динамике нелинейных механических и электромеханических систем, теории колебаний и устойчивости машин и механизмов в периодических и переходных режимах. С развитием научно-технической революции существенно изменилось само понятие машины. Возникли новые классы машин: контрольно-управляющие, логические, кибернетические, что, в свою очередь, вызвало расширение диапазона исследований в области теории механизмов и машин. Поэтому особое внимание было обращено на подготовку кадров преподавателей и исследователей в области механики машин. В 1965 г. И. И. Артоболевский и С. Н. Кожевников выступили по этому вопросу со статьей в журнале «Вестник высшей школы». Они указали на следующие три важные задачи, стоящие перед советской высшей технической школой в отношении курса теории механизмов и машин: предполагалось ввести на старших курсах второй концентр ТММ, программа которого была бы согласована с конкретной специальностью; создать стандартные лаборатории по всему курсу; организовать специальную подготовку преподавателей по теории механизмов и машин; создать особую специальность по ТММ. «Для подготовки специалистов такого профиля отдельные разделы теории механизмов следует выделить в спецкурс; студентам должны преподаваться отдельные курсы по пневмо - и гидромеханизмам, по электроприводу в обычном представлении, а также курсы автоматизации производственных процессов, теории автоматического регулирования, промышленной электроники, теории колебаний.
Техническое исполнение - ч. 1
В двух статьях, опубликованных в 1969 г.. в «Докладах АН СССР» и написанных совместно с Д. Я. Ильинским и И. И. Капустиным, И. И. Артоболевский исследовал синтез машин-автоматов в зависимости от их производительности и вывел некоторые условия оптимального синтеза. Была развита классификация механизмов по их функциональному назначению, разработанная Артоболевским еще в первой половине 60-х годов. Было отмечено, что теория синтеза функциональных элементов машин-автоматов развита недостаточно; однако принципы и методы синтеза элементарных механизмов во многом применимы не только к задачам синтеза функциональных элементов машин-автоматов, но и к синтезу самих машин автоматического действия. Эта проблема основывается на успехах теории производительности и надежности машин, на достижениях теории исследования операций и общей теории систем, а также на развитии агрегатных принципов машиностроения. Авторы выбрали целевую функцию, выражающую себестоимость единицы продукции, и с помощью нелинейного программирования сформулировали требования к оптимизации показателей надежности механизмов и устройств автоматов.
В начале 60-х годов И. И. Артоболевский заинтересовался вопросами автоматизации медицинской диагностики. Совместно с академиком АМН СССР А. А. Вишневским и М. Л. Быховским он провел в Институте хирургии им. А. В. Вишневского экспериментально-исследовательскую работу, в результате которой была создана автоматическая информационная система, реализующая поиск клинического прецедента. Эта система основана на сопоставлении симптомов, наблюдающихся у данного больного и тех симптомов, которые были ранее зарегистрированы у иных больных. «Все архивные случаи, включенные в информационную систему, образуют информационный массив. Каждый новый клинический случай, для которого мы ищем прецедент, попарно автоматически сравнивается...со случаями информационного массива и при совпадении соответствующего номера массива извлекается (или номеров, если их несколько). С другой стороны, данный новый клинический случай сам пополняет информационный архив».
Что касается технического исполнения этой системы, то оно было основано на применении счетно-аналитических машин, в частности табулятора, который был модифицирован и к нему была добавлена специальная электронно-релейная логическая схема. Модификация табулятора заключалась в замене приемного кармана другим, включающим два магазина. Направление карты в тот или иной магазин осуществлялось под воздействием электрического импульса на исполнительный электромагнит. В информационной системе этот управляющий импульс возникает на выходе электронной схемы сравнения.
Техническое исполнение - ч. 3
Авторы нашли, что созданная ими система для решения задач биологической, или, конкретнее, медицинской диагностики, может быть использована также и для решения задач технической диагностики. В статье изложены три основных логических процесса, служащих для решения задач диагностики: детерминистская логика, информационно-вероятностная логика и логика, основанная на принципе фазового интервала. Затем развивается идея создания динамической системы. Это означает, что диагностический процесс не должен быть статическим. Динамическая же процедура диагноза «начинается с простых исследований, затем на основании полученных данных проводится диагностическая оценка. Если оказывается, что данных недостаточно, то система указывает, какое следующее испытание из группы более точных следует произвести. Если на основании результатов, полученных от нового испытания, можно окончательно поставить диагноз, то испытание прекращается. В противном случае опять указывается испытание, вносящее дополнительную информацию. Таким образом, диагностический процесс включает в себя как оценку медицинской информации, так и управление собственно процессом диагноза». И, наконец (что весьма существенно), указано на то, что излагаемые методы позволяют автоматически улучшать качественные показатели диагностической системы в процессе ее работы, т. е. налицо организация самообучающегося процесса.
Таким образом, видно, что многочисленные работы И. И. Артоболевского по вопросам теории машин автоматического действия связаны с теорией синтеза механизмов и с динамикой машин. В 70-х годах он неоднократно выступал и по общим вопросам теории машин автоматического действия на международных и всесоюзных съездах, на совещаниях и специализированных симпозиумах. Следует все же указать, что Артоболевскому во всей его научной и инженерной деятельности было свойственно стремление к поиску наиболее общих решений, как бы трудны они ни были. А это обстоятельство, в свою очередь, определило и те многократные пересечения различных направлений науки о машинах, о которых была речь выше.
Весьма важную роль во всем творчестве И. И. Артоболевского сыграла тема синтеза механизмов.
Техническое исполнение - ч. 2
Описанная выше система была создана в лаборатории кибернетики Института хирургии им. А. В. Вишневского на базе ЭВМ и предназначена для диагностики врожденных пороков сердца. Ее внутренняя организация состояла из двух частей. Первая —это медицинская память, вторая—логический процесс мышления, позволяющий сопоставлять симптомы, полученные при исследовании больного, с накопленным медицинским опытом.
Так как такое направление является принципиальным, то авторы системы предложили обобщить ее применение, распространив ее и на заболевания иного типа, а также на создание общей диагностической системы. Они указали также на возможность создания на основе диагностических машин систем автоматической оценки информации и управления жизненными функциями организма вовремя операции. Кроме того, диагностические системы можно развивать и в ином направлении — вводя в них не только данные текущего состояния больного, но и данные, связанные с развитием его организма на протяжении всей его жизни.
Таким образом, в этой работе речь шла уже о создании кибернетических машин, о пересечении идей теории машин автоматического действия с идеями кибернетики. Этот вопрос был всегда в поле зрения Ивана Ивановича. В дальнейшем выкристаллизовалась тема роботов и манипуляторов, которая явилась своеобразным синтезом машин автоматического действия и кибернетических машин.
Синтез
Проблема синтеза механизмов - ч. 1
Проблема синтеза механизмов интересовала И. И. Артоболевского на протяжении почти всех 30-х годов. В 1939 г. он опубликовал монографию «Синтез плоских механизмов», в которой обобщил задачи геометрического синтеза механизмов и установил общие приемы синтеза сложных кинематических цепей. Он показал, что при определенном методическом подходе к решению задач синтеза механизмов можно всегда получить несколько последовательных решений, из которых можно затем выбрать такие, которые удовлетворяют заданным условиям работы.
Он определяет понятие следующим образом: «Синтез механизмов имеет своей целью воспроизведение заданного движения одной или нескольких систем путем взаимного воздействия этих систем друг на друга... Главной задачей синтеза является задача об осуществлении механизма, обеспечивающего заданное движение отдельных его звеньев. При решении этих задач должны быть приняты во внимание все условия, обеспечивающие воспроизводимое движение. К числу этих условий в первую очередь должны быть отнесены следующие: условия правильной структуры синтезируемого механизма, условие кинематической точности воспроизводимого движения и, наконец, условие возможности воспроизведения синтезируемого механизма заданного движения с точки зрения динамики».
При построении общего решения с помощью центроид И. И. Артоболевский вводит понятие бицентроиды. «Бицентроидой называется, — пишет он, — геометрическое место центров мгновенного вращения в относительном движении двух каких-либо систем, принадлежащее неподвижной плоскости».
Общую задачу о воспроизведении движения Артоболевский решает для механизмов с высшими парами методом центроид и методом взаимноогибаемых кривых. В некоторых частных случаях то же движение можно осуществить точно или приближенно с помощью механизмов низшими парами. Он указывает, что «задача о воспроизведении движения посредством механизма с низшими парами может быть решена, если будут найдены точки центроид, описывающие в относительном движении дуги окружностей, отрезки прямых или участки шатунных кривых. В том случае, если будут найдены точки, точно описывающие указанные траектории, может быть создан механизм с низшими парами, точно воспроизводящий заданное движение.
В большинстве случаев удается отыскать точки, только приближенно описывающие эти траектории. В этом случае можно получить механизм с низшими парами, приближенно воспроизводящий заданное движение».
Проблема синтеза механизмов - ч. 2
Для нахождения точек, которые могут двигаться по таким траекториям, И. И. Артоболевский рекомендует использовать три метода: Бурместера и Альта, Крауса и метод Pay. Первый метод — графоаналитический и основан на изучении кинематических свойств построенных центроид в относительном движении. С помощью теоремы Савари определяют радиусы кривизны центроид и находят поворотные круги для ряда положений, а затем определяют точки, движущиеся прямолинейно, или круговые точки, в зависимости от задания. На этих траекториях выбирают несколько точек, и задача сводится к построению шарнирного четырехзвенника, у которого одна из точек шатуна проходит через выбранные точки.
Метод Крауса заключается в воспроизведении траектории, совпадающей в 8 или 9 точках с заданной. При решении соответствующей задачи следует обращать особое внимание на метрические соотношения между звеньями, чтобы кинематическая цепь не оказалась непригодной.
Метод Pay — чисто экспериментальный, и сущность его сводится к поискам подходящих траекторий, воспроизводимых точками, связанными с шатунами шарнирного четырехзвенника или кривошипно-ползунного механизма.
В сущности, трудно добавить что-либо к изложенному в монографии И. И. Артоболевского. Синтез конца 30-х годов сводился к описанным приемам для механизмов с низшими парами и к развитому им самим общему методу синтеза механизмов с высшими парами.
В военные годы Иван Иванович продолжил свои работы в области синтеза механизмов. Тогда же началась очень трудоемкая работа по изучению, приведению в порядок и осмысливанию наследия П. Л. Чебышева в области теории механизмов. Результатом явилось своеобразное научное открытие, получившее важное практическое значение,— синтез механизмов по Чебышеву.
Проблема синтеза механизмов - ч. 3
П. Л. Чебышев пришел к своему методу непростым путем: изучив построенные им самим механизмы, он развил глубокую математическую теорию приближения функций полиномами, наименее уклоняющимися от нуля4. Полученные результаты он применил к построению нужных ему механизмов. Сам он не писал о своих рассуждениях по этому поводу, и поэтому восстанавливать их пришлось на основании изучения косвенных источников. В 1945 г. в сборнике «Научное наследие П. Л. Чебышева (Вып. 2, «Теория механизмов») по этому вопросу опубликованы статьи: И. И. Артоболевского и Н. И. Ле-витского, в которой были изложены результаты исследований этих механизмов; 3. Ш. Блоха, которым была рассмотрена математическая часть проблемы метрического синтеза механизмов.
Для изучения механизмов пришлось использовать:
А) мемуары самого Чебышева, собранные в его «Сочинениях», изданных Академией наук в двух томах: том I был издан в 1899 г., а том II — в 1907 г.;
Б) некоторые модели механизмов, сохранившиеся после смерти Чебышева;
В) некоторые фотоснимки с моделей и устройств, не сохранившихся в натуре;
Г) литературные материалы различных авторов, упоминающих о некоторых механизмах Чебышева.
Обычно в русской и зарубежной литературе имя Чебышева связывают с синтезом направляющих механизмов, причем в качестве примеров указываются два-три приближенных прямолинейно-направляющих механизма, созданных Чебышевым. Анализ механизмов Чебышева показывает, что диапазон его творчества был гораздо шире. Чебышевым был решен более обширный круг задач, включающий в себя лишь как одну из задач задачу о синтезе приближенно-направляющих механизмов. Используя свойства шатунных кривых, имеющих симметрию, он решает задачи о синтезе шарнирных механизмов с остановками, шарнирных механизмов для воспроизведения двух качаний коромысла за один оборот кривошипа, шарнирных, механизмов для передачи вращательного движения и т. д.
Таким образом, в области теории механизмов основной заслугой Чебышева является «глубокое изучение симметричных шатунных кривых и их использование в самых различных задачах синтеза шарнирных механизмов. Анализ свойств этих кривых привел Чебышева к постановке ряда задач, относящихся к теории синтеза приближенно-направляющих механизмов, шатунные кривые которых на всем своем протяжении или на некоторых участках приближаются к прямым или дугам окружностей. Кроме того, Чебышевым был разрешен и ряд задач синтеза конкретных механизмов (парораспределения, весов, пресса, регуляторов и др.)».
Проблема синтеза механизмов - ч. 4
