«Начало жизненного пути Введение - ч. 1 ...»
Работы И. И. Артоболевского по синтезу механизмов и его идеи в этом направлении значительно оживили исследования в области теории механизмов и машин. Если в 30-х годах по синтезу механизмов были опубликованы лишь единичные работы и в основном они были посвящены геометрическому, структурному и реже экспериментальному синтезу, то начиная с первых же послевоенных лет тема синтеза становится одной из наиболее актуальных для советских машиноведов. В 1947 г. И. И. Артоболевский выступил со статьей, в которой дал обзор всех работ в области синтеза механизмов, выполненных за 30 лет Советской власти. Из более ранних он указал лишь на работу А. П. Малышева, опубликованную в 1923 г. и несколько развитую в 1933 г., в которой автор предложил метод структурного синтеза механизмов, основанный на изучении степеней свободы кинематических цепей и связей, накладываемых кинетическими парами, а также на работы С. А. Гершгорина о механизмах для воспроизведения математических зависимостей. В начале 30-х годов некоторые работы по синтезу механизмов были выполнены самим Й. Й. Артоболейским и Н. Г. Вруевичем. Со второй половины 30-х годов количество работ начинает увеличиваться, а их тематика становится все более и более разнообразной. Все же если не считать многих работ по синтезу конкретных видов механизмов (зубчатых, кулачковых, мальтийских и пр.), то внимание исследователей сосредоточивается на двух больших проблемах — теоретической и практической. К первой относятся попытки дать более или менее общие решения отыскания механизмов для воспроизведения кривых или отрезков кривых с учетом определенных кинематических параметров и динамических условий. Ко второй проблеме можно отнести работы по построению механизмов для воспроизведения определенных математических зависимостей.
Кроме указанных выше работ, к первой проблеме относится ряд исследований по теории шатунных кривых. Свойства последних изучали 3. Ш. Блох, В. В. Добровольский, Н. И. Левитский, М. В. Семенов и другие. Теорию геометрических мест синтеза и ряд конкретных задач метрического синтеза механизмов решил С. А. Черкудинов (он занимался, в частности, синтезом механизмов с приближенно-равномерным движением).
Начиная с 1940 г. И. И. Артоболевский работал над созданием синтеза механизмов для воспроизведения различных математических зависимостей. Серия работ на эту тему, завершенная монографией «Теория механизмов для воспроизведения плоских кривых» (1959 г.) явилась крупнейшим в мировой литературе опытом создания теории точного синтеза механизмов.
Материализация построений - ч. 1
Обосновывая созданный им геометро-алгебраический метод точного синтеза механизмов, И. И. Артоболевский писал: «Методы построения механизмов для воспроизведения плоских кривых различны. Широко развит так называемый аналитический метод, заключающийся в построении механизма как совокупности ряда кинематических цепей. Каждая из них выполняет те или иные простейшие математические операции. Комплекс таких операций должен удовлетворять заданной функциональной зависимости, выраженной в форме уравнения той кривой, которую должен воспроизводить проектируемый механизм. Этот метод, обладающий несомненной общностью, даже для уравнений простейших видов требует большого числа механизмов, выполняющих отдельные математические операции, что ограничивает его использование в рабочих машинах. Поэтому им пользуются в основном в математических машинах, счетно-решающих устройствах и приборах.
Чисто геометрический метод решения задач синтеза механизмов, заключающийся в использовании аппарата проективной геометрии также является весьма общим. Он заключается как бы в материализации построений проективной геометрии путем введения направляющих вместо лучей, «пальцев» вместо точек и т. д. Механизмы, полученные таким образом, отличаются очень большой сложностью и многозвенностью.
История развития этого раздела теории механизмов показала, что наиболее простые конструктивные решения получались путем синтеза отдельных геометрических свойств кинематических цепей с совокупностью аналитических и геометрических свойств тех кривых, которые должны были быть воспроизведены как траектории точек звеньев этих цепей» 8. Это последнее направление синтеза И. И. Артоболевский и назвал геометро-алгебраическим, ибо в нем сочетаются методы геометрии построений с аналитической теорией алгебраических и трансцендентных кривых.
Материализация построений - ч. 2
В 1940 г. И. И. Артоболевский построил шестизвенный кулисный коникограф, воспроизводящий конические сечения путем огибания их прямой. При этом он использовал свойство подер конических сечений. Следующие работы в этом направлении посвящены были подобным механизмам: на протяжении 1945—1958 гг. он построил несколько схем коникографов, основанных на использовании различных свойств кинематических цепей с низшими парами. Приблизительно с 1946 г. он начал работу над проектированием механизмов для воспроизведения кривых 2-го порядка путем вычерчивания и огибания.
Параллельно с поисками общих механизмов для воспроизведения конических сечений И. И. Артоболевский создает и механизмы для воспроизведения частных конических сечений — эллипсограф и гиперболограф. В 1951г. одновременно с выходом в свет третьего издания 1-го тома «Механизмов» в «Докладах АН СССР» появляются его статьи о механизмах для решения квадратных уравнений, механизме для возведения в куб, о двух механизи&х для черчения Кривых высших порядков. За ними последовали работы: «Механизмы для образования подер конических сечений» (1955), «О некоторых новых механизмах для образования плоских кривых» (1957), «Теория механизмов для образования подер и ее применение к циклическим кривым» (1957) и ряд других. Следует отметить, что И. И. Артоболевский считал свою работу завершенной после выхода в свет монографии «Теория механизмов для воспроизведения плоских кривых». До последних дней жизни он работал над улучшением и совершенствованием своего «Справочника», продолжал работу над синтезом новых механизмов, вел поисковые исследования в этом направлении.
Монография состоит из семи глав. В первой главе изложены общие соображения относительно воспроизведения кривых механизмами с высшими парами. Как указывает автор, эта глава имеет чисто методическое значение и не связана со следующими главами. Тем не менее она весьма существенна, так как в ней в весьма сжатой форме отражены исследования автора в области общей задачи синтеза механизмов с высшими парами.
Во второй главе монографии рассмотрены геометрические и кинематические свойства различных кинематических цепей, которые использованы в дальнейшем. К ним относится теорема Кемпе, некоторые исследования Чебышева и Сильвестера, использование свойств инверсоров, подер и некоторых видов преобразователей.
Материализация построений - ч. 3
Третья глава «Механическое воспроизведение прямых и окружностей» содержит анализ механизмов для точного воспроизведения отрезка прямой и дуги окружности. Некоторые решения, приведенные в этой главе, равно как и в предыдущей, принадлежат самому автору.
В четвертой, пятой и шестой главах рассмотрены те механизмы, над которыми в особенности работал И. И. Артоболевский: механизмы для механического воспроизведения алгебраических кривых до 4-го порядка включительно и некоторые механизмы для воспроизведения алгебраических кривых более высоких порядков; некоторые механизмы для воспроизведения кривых параболического и гиперболического типов высших порядков и некоторых наиболее распространенных трансцендентных кривых. Автор приводит методы воспроизведения кривых как замкнутого, как и незамкнутого вида, имеющих одну или несколько ветвей. Он указывает, что «в зависимости от Структуры механизма, метрических соотношений между размерами звеньев, углами передач движения и требованиями к собираемости и проворачиваемости звеньев рассмотренные механизмы только в частных случаях могут воспроизводить заданные кривые на всем интервале их изменения.
Для кривых незамкнутого вида, имеющих несколько ветвей, механическое их воспроизведение возможно только для отдельных участков или отдельных ветвей... При решении тех или иных инженерных задач, связанных, например, с обработкой изделия заданного профиля, или с перемещением точек исполнительных органов машин по заданным траекториям, или с выполнением математических операций и т. д., обычно требуется воспроизведение заданной закономерности на определенном интервале, длина которого устанавливается требованиями технологического или математического процессов». Интересно его замечание о том, что в некоторых случаях роль ведущих могут играть звенья, не связанные со стройкой и приводимые в движение дополнительной двухповодковой группой. Этот вопрос был изучен в 1955 г. С. Н. Кожевниковым.
Особое значение монографии И. И. Артоболевского заключается в том, что он развил в ней своеобразный метод точного синтеза механизмов. Может показаться, что между первыми его работами по синтезу плоских механизмов и методом, приведенным в монографии, нет ничего общего, но это не так. Начиная с середины 70-х годов в первых своих попытках разработки метода синтеза механизмов, который мог бы стать научной основой для решения практических задач, стоящих перед машиностроением, он исходил из положений кинематической геометрии; построенная им методика воспроизведения движения при помощи центроид и взаимоогибаемых кривых является теоретически точной, при этом возможен переход от синтеза с помощью высших кинематических пар к синтезу шарнирных механизмов.
Материализация построений - ч. 5
В этой главе развиты идеи И. И. Артоболевского, опубликованные им в предыдущих работах по синтезу механизмов. Значительно более подробно рассмотрены вопросы практического применения этих идей и их увязка с задачами практического конструирования. То же самое относится и к двум следующим главам, содержащим теорию синтеза трехзвенных механизмов с центроидной парой и парой качения и скольжения и синтезу многозвенных механизмов подобной же структуры. При этом исследования, выполненные различными учеными, приведены к единому методу. Синтез кулачковых механизмов и теорию приближенных алгебраических методов синтеза механизмов написал для монографии Н. И. Левитский, синтез мальтийских механизмов и приближенные методы, основанные на кинематической геометрии, написал С. А. Черкудинов.
Таким образом, в монографии освещены важнейшие методы синтеза механизмов, имеющие практическое значение для машиностроения. В частности, ряд механизмов, созданных И. И. Артоболевским, имел не только теоретическое значение: их можно было использовать для обработки поверхностей второго порядка, в том числе цилиндров, имеющих в своем сечении кривые второго порядка.
Но многое еще надо было сделать. В докладе на Втором совещании по основным проблемам теории механизмов и машин Иван Иванович указал на некоторые недостатки теории: методы синтеза механизмов излагались в чрезмерно общем виде и не - сопровождались инженерно-расчетными материалами, почти отсутствовали исследования по синтезу механизмов с учетом динамических характеристик.
Те задачи, которые он ставил, он ставил в первую очередь для себя и своих учеников, и поэтому на протяжении следующих лет шла интенсивная исследовательская работа в указанных им направлениях.
Материализация построений - ч. 4
В том же 1959 г., в котором вышла в свет монография о механизмах для воспроизведения плоских кривых, была опубликована и вторая монография, написанная И. И. Артоболевским, Н. И. Левитским, С. А. Черкудиновым и посвященная синтезу плоских механизмов. Значение этой монографии трудно переоценить. Она явилась своеобразной энциклопедией научно-инженерной мысли в деле создания новых механизмов, которые можно было бы применять, в частности, в теории машин автоматического действия.
Авторы монографии специально подчеркнули важность последней задачи. Так как основной проблемой автоматизации той или иной отрасли производства является создание соответствующих машин, то конструкторы должны знать теорию и методы расчета механизмов, входящих в состав функциональных устройств машин-автоматов. А эта задача и определяет в значительной степени развитие синтеза механизмов. Необходимо создать такие методы проектирования механизмов, которые позволили бы конструкторам быстро и рационально проектировать механизмы современной техники.
И. И. Артоболевский написал первые шесть глав монографии, посвященные точным методам синтеза механизмов. При этом глава шестая в определенной степени соответствует теоретическому содержанию предыдущей монографии.
В первой главе рассмотрены основные виды плоских механизмов и их структура. Здесь исследованы трехзвенные, четырехзвенные, пятизвенные и шестизвенные механизмы с низшими и высшими парами. Вторая глава, так же как и первая, является вводной: в ней изложены основные сведения из кинематической геометрии. Теория точных методов синтеза механизмов приведена в третьей главе, которая посвящена вопросам синтеза трехзвенных центроидных механизмов.
Теория линейно-огибающих шатунных кривых - ч. 1
В 60-х годах И. И. Артоболевский продолжал исследования в области точных методов синтеза механизмов. На Третьем совещании по основным проблемам теории машин и механизмов он выступил с докладом «Теория линейно-огибающих шатунных кривых». В этой работе, а также в нескольких работах, опубликованных ранее, он рассмотрел теорию линейно-огибающих шатунных кривых четырехзвенных механизмов с низшими парами. В них уравнения линейно-огибающих кривых даны в параметрической форме: #=#(6), у = уф), где 6 —один из углов, определяющих положение механизма. Под линейно-огибающей кривой автор понимает кривую, огибающую положения прямой, произвольно расположенной в плоскости шатуна четырехзвенного механизма. В статье приведен вывод условий соответствия механизмов с вычерчиваемыми ими кривыми.
Несколько позже (в марте 1962 г.) И. И. Артоболевский доложил следующую работу из той же серии, в определенной степени завершающей тему «Кривизна линейно-огибающих шатунных кривых». Учитывая, что приведенные уравнения в параметрической форме в большинстве случаев являются сложными выражениями, в состав которых входит много радикалов и тригонометрических функций, и что их аналитическое решение является весьма громоздким, он предложил находить радиус кривизны и центры кривизны линейно-огибающих шатунных кривых с помощью геометрических построений.
При этом он рассмотрел несколько известных методов и показал, что метод Бобилье требует большого числа геометрических построений и аналитических расчетов. Более простым является использование уравнения Эйлера—Савари, хотя и оно имеет свои недостатки, которых можно избежать при помощи дополнительных геометрических построений. В статье приведено несколько вариантов таких построений.
Следующей и завершающей работой этого цикла была статья «Механизмы для воспроизведения параболических и гиперболических кривых», опубликованная в 1964 г. Но на этом работа не была закончена. Сразу же после этого Иван Иванович коренным образом переработал и значительно пополнил свой справочник, использовав при этом материалы цикла по точному синтезу механизмов.
Во Франции принято называть математика геометром, возможно, потому, что едва ли не все математики, создавшие славу французской науке, занимались геометрией. Иван Иванович был геометром по преимуществу, и его работы по кинематической геометрии и по ее применениям к теории механизмов в полном смысле этого слова являются классическими.
Теория линейно-огибающих шатунных кривых - ч. 2
В 1965 г. И. И. Артоболевский выступил со статьей «Основные проблемы современной теории машин», в которой сделал оценку современного состояния науки о машинах и указал на те задачи, которые встали перед ней в связи с известными решениями XXII съезда КПСС о развитии фундаментальных наук, что имело уже прямое отношение к теории механизмов и машин как одной из отраслей механики. Выше было указано, что начиная приблизительно со второй половины 50-х годов механика машин уже приобрела все черты, свойственные фундаментальной науке.
Наиболее существенным обстоятельством стало то, что изменилось само понятие объекта исследования — машин, ибо изменилась сама машина. Как писал И. И. Артоболевский, «еще в 50-х годах нашего столетия мы определяли машину как устройство, создаваемое человеком для замены его физического труда с целью повышения производительности труда и его облегчения. Этому определению соответствовало разделение всех машин на три основных класса: энергетические, транспортные и технологические машины.
В настоящее время машины могут заменять не только физический труд человека, но и его умственный труд, а в некоторых случаях и его физиологические функции. В самом деле, появились контрольно-управляющие машины и устройства, математические машины, выполняющие различные логические операции и, наконец, кибернетические машины и устройства, заменяющие в некоторых случаях отдельные органы человека, как, например, машины для опознавания образа, протезные устройства и манипуляторы, искусственные сердце и почка и т. д. Следовательно, к трем указанным классам машин мы можем прибавить еще три класса: контрольно-управляющие, логические, кибернетические машины и устройства.
Таким образом, современное обобщенное определение машины может быть дано как устройство, создаваемое человеком для использования законов природы с целью облегчения физического и умственного труда, увеличения его производительности и облегчения путем частичной или полной замены человека в его трудовых и физиологических функциях».
Естественно, что такое положение с объектом исследования не могло не повлиять и па направления самих исследований, тем более, что, как указал И. И. Артоболевский, целью, к которой должны стремиться исследователи, решая задачи полной автоматизации и механизации производственных процессов, является создание автоматической системы машин. Советская школа имеет в своем арсенале большое количество методов и решенных проблем, но все это может служить лишь базой для создания общей теории автоматических систем машин.
Теория линейно-огибающих шатунных кривых - ч. 3
Разбирая вопросы анализа и синтеза механизмов, которые были решены к 1965 г., Иван Иванович отметил, что на развитие соответствующих методов значительное влияние оказало применение электронных цифровых вычислительных машин. Появились работы, в которых не только излагались результаты решения задач с использованием этих машин, но и было создано много справочных таблиц и графиков, причем наиболее полно справочные материалы представлены по анализу и синтезу плоских рычажных механизмов. На основании этих материалов можно утверждать, что задача синтеза какого-либо рычажного механизма может считаться решенной, если определены и показаны области существования искомого решения, или, как теперь принято говорить, области существования механизма. В некоторых случаях области существования механизмов в той их части, где располагаются практически пригодные механизмы, оказываются очень небольшими, т. е. только для некоторых комбинаций заданных величин можно найти механизм, удовлетворяющий условиям воспроизведения заданного движения.
Мы видели, что значительную долю в решении задач проблемы синтеза рычажных механизмов внесли труды самого И. И. Артоболевского, а также труды его учеников и сотрудников, зачастую выполненные при его участии. Что касается проблемы пространственных механизмов, то при решении задач их синтеза имели место те же тенденции, что и в решении плоской задачи. Но специфические трудности задач не дали возможности исследователям создать графики по анализу и синтезу таких механизмов, они имеются лишь для ограниченного числа случаев. В основном же исследования были направлены на упрощение методов анализа и синтеза простейших пространственных механизмов и на распространение полученных результатов на иные виды механизмов.
Много задач было решено по синтезу конкретных механизмов с высшими парами. Так было выяснено, что выбор движения для кулачковых механизмов следует производить не только с учетом заданных кинематических и динамических параметров, но и с учетом технологии их изготовления. Применение комбинированных кулачково-рычажных механизмов дало возможность решить задачу о минимизации давлений в высшей паре.
Эти исследования были продолжены. Так, на Шестом совещании по основным проблемам теории механизмов и машин (Ленинград, январь 1971 г.) были сделаны доклады по некоторым частным построениям рычажных механизмов, по теории точности, по синтезу пространственных механизмов, по синтезу кулачковых и зубчато-рычажных механизмов. Новых проблем поставлено не было, и в сущности все исследования сводились к отдельным частным случаям ранее рассмотренных задач.
Появились новые проблемы на стыке учения о машинах автоматического действия, синтеза механизмов и динамики машин; существенное значение получил динамический синтез механизмов. И, что весьма существенно, в чисто теоретическую проблему синтеза механизмов к началу 70-х годов начали проникать экспериментальные методы.
Проблема
Проблема динамики машин - ч. 1
И. И. Артоболевский был учеником В. П. Горячкина — создателя земледельческой механики и одного из основоположников теории технологических машин. Эта последняя проблема заинтересовала его еще в студенческие годы, она пронизывает все его творчество, он постоянно к ней возвращается, анализирует разные ее аспекты, ее влияние на развитие «классических» направлений теории механизмов и машин, ставит ее экспериментальную сторону и переходит, наконец, к исследованию машин в реальных условиях их работы с учетом многих технологических и эксплуатационных факторов.
Естественно, что он сам не мог бы охватить всех тех вопросов, которые возникали в связи с расширением предмета динамики машин и появлением целого ряда направлений «на стыке», хотя и сам сделал в различных ее направлениях не так уж мало. Но роль и значение главы школы в том и заключается, чтобы не только самому пробивать новые пути, но и щедро делиться своими идеями со своими учениками и последователями.
К проблеме динамики машин относятся два больших ее раздела: собственно динамика машин и кинетостатика механизмов. Первый раздел возник в XIX в., но некоторые идеи были высказаны еще раньше Эйлером и Карно. Динамика машин оформилась как наука в XIX в. на базе изучения основного универсального и транспортного двигателя века — паровой машины, и таким, в сущности, и продолжало оставаться ее основное содержание вплоть до начала 40-х годов нашего века, хотя уже в 20-х годах было начато изучение динамики технологических машин.
И. И. Артоболевский начал работать в области динамики машин с 1930 г. В этом году была опубликована его работа о самобалансирующем механизме Бюлера. Работы 1931—1933 гг. в основном посвящены разным вопросам динамики машин, и лишь с 1935 г. его интересы постепенно переходят в сторону кинематики, причем кинематики пространственных механизмов. Но на протяжении всех 30-х годов он не перестает заниматься динамикой машин. Интересы его в этом направлении весьма разнообразны. Некоторые из его работ примыкают к направлению, начатому В. П. Горячкиным. Так, в статье «Динамика ножевых аппаратов» (1933 г.) он решает несколько задач динамики жатвенных машин. Пользуясь уравнением живых сил, он строит диаграмму зависимости коэффициента неравномерности хода от числа оборотов, тем самым обеспечивая для конструктора возможность подобрать необходимые массы машины и оптимальное число оборотов. Во второй части статьи он решает задачу уравновешивания сил инерции.
Проблема динамики машин - ч. 2
В работе «Основные задачи динамики кривошипно-шатунных механизмов сельскохозяйственных машин» (1935 г.) он рассмотрел задачу о разгоне машины, ее установившемся движении и выбеге при действующих силах, являющихся функциями положений. В совместной работе с С. И. Артоболевским и Б. В. Эдельштейном И. И. Артоболевский изучил вопрос об уравновешивании механизмов сельскохозяйственных машин, затем он обобщил задачу уравновешивания динамических давлений в рабочих машинах (1935 г.) и далее рассмотрел ее для случая рабочих машин со сложными кинематическими схемами (1938 г.). Совместно с С. И. Артоболевским и Б. В. Эдельштейном он изучил уравновешивание щековых камнедробилок (1937 г.) и динамику компрессоров (1939 г.). Так было начато исследование динамики технологических машин.
Кинетостатическое исследование механизмов было начато в трудах Р. Прелля, Н. Е. Жуковского и Ф. Виттенбауэра. Л. В. Ассур решал эту задачу применительно к предложенной им классификации плоских механизмов.
В творчестве И. И. Артоболевского кинетостатическое исследование встречается впервые в 1933 г. в статье «Графические методы силового расчета механизмов». В этой статье он использует принципы Даламбера и Лагранжа и указывает на возможность применения диаграмм Кремоны и Риттера, пользуясь не планом механизма, а планом его скоростей.
Как известно, первое систематическое изложение кинетостатики плоских механизмов было дано Н. Г. Бруевичем, который принял за основу своих рассуждений систематику Ассура. В 1938 г. в своей монографии, посвященной теории плоских механизмов и базирующейся на развитой автором классификации Ассура, И. И. Артоболевский изложил основные положения кинетостатики и дал определение давлений в парах механизмов 1, II и III классов по этой классификации. Наконец, в университетском курсе 1940 г. он привел в систему кинетостатику механизмов и динамику машин, создав, таким образом, «стандартное» изложение, которым до сих пор пользуется советская высшая школа.
Исследования 40-х годов открываются работой об определении маховых масс в машинах.
Первую теоретическую справку о применении маховика дал в 1810 г. горный инженер А. Геыиво. Он писал: «Очень часто к вращающимся машинам добавляют одно или два очень тяжелых колеса... которые называются маховиками; они служат для увеличения массы машины, и к ним можно приложить все, что сказано о машине: маховики служат для поддержания равномерности движения в случае, если двигатель или сопротивление испытывают мгновенные изменения; они сохраняют движение, когда действие двигателя или сопротивления прерывается, и противодействуют резкому изменению скорости, что могло бы привести к поломке машины... Маховики устанавливаются на всех машинах, движение которых должно быть равномерным, а скорость — постоянной...». Гениво указывает при этом, что при расчете маховиков следует исходить из момента инерции; маховикам следует придавать возможно большие размеры.
Проблема динамики машин - ч. 3
В 1819 г. Навье переиздал «Гидравлическую архитектуру» Белидора со своими дополнениями, в одном из которых содержался первый расчет маховика. Затем этим вопросом занимались Понселе, Кориолис, Морен и ряд других ученых. Приближенный метод расчета маховика предложил в 1872 г. Радингер. Метод этот обладает большой простотой, так как не требует построения диаграммы кинетической энергии механизма, но является неточным. Из так называемых точных методов наибольшее распространение получил метод Виттенбауэра. Метод этот основан на построении кривой зависимости приращения кинетической энергии от приведенной массы звеньев механизма.
Однако принципиальная точность этого метода оказывается лишь кажущейся, так как довольно сложные построения приводят в результате к значительной ошибке, и он оказывается менее точным, чем приближенные методы.
Н. И. Мерцалов предложил в 1914 г. метод, который в 1939 г. был развит Е. М. Гутьяром. В этом методе построение диаграммы Виттенбауэра не является обязательным, а нахождение положений ведущего звена механизма по соответствующим максимальной и минимальной его скоростям достигается построением основной диаграммы приращения кинетической энергии и двух диаграмм приращения кинетической энергии от приведенных масс, подсчитанных для крайних значений скорости ведущего звена. Этот метод дает результаты более точные, чем метод Виттенбауэра; все же точность недостаточна и здесь.
Метод, предложенный И. И. Артоболевским, является точным. В нем сочетается простота метода Радингера с полной принципиальной точностью методов Виттенбауэра или Мерцалова—Гутьяра. Для определения маховых масс строится диаграмма тангенциальных сил, или моментов, из которой находится работа движущих сил за полный цикл, после чего из уравнения живых сил получается величина момента инерции махового колеса.
Эта работа была доложена на Семинаре по ТММ И октября 1943 г. В 1948—1952 гг. И. И. Артоболевский частично в соавторстве публикует цикл работ, посвященных исследованию уравнения движения машинного агрегата. Он получил обобщенное дифференциальное уравнение движения машинного агрегата при внешних силах и массах, являющихся функциями положения, скорости и времени движения звена приведения, причем показал, что задача эта в общем случае является существенно нелинейной. Им была исследована задача о возможности замены переменной приведенной массы звеньев фашинного агрегата фиктивной постоянной массой, что в некоторых случаях упрощает решение задачи о движении машинного агрегата. Он ввел понятие о безразмерном коэффициенте динамичности, позволяющем оценивать энергетические и кинематические характеристики машины.
Проблема динамики машин - ч. 4
В области экспериментальной динамики И. И. Артоболевского начинает интересовать задача возможного приближения исследования к реальным условиям работы машины. В нескольких работах, вышедших из печати в 1948—1950 гг. в соавторстве с Н. П. Раевским, В. Т. Костицыным и с другими, И. И. Артоболевский решил ряд задач, имевших принципиальное значение. Так, в экспериментально-теоретическом исследовании, посвященном изучению движения вала, вращающегося в подшипнике без смазки со значительным зазором, было указано, что, по мнению авторов, этой статьей начиналась серия работ по изучению движений реальных механизмов. В частности, касаясь темы исследования, авторы писали: «Введение в идеальную (беззазорную) кинематическую цепь принужденного движения зазоров с точки зрения структуры механизмов превращает ее в цепь со многими степенями подвижности. Фактически и при наличии зазоров движение кинематической цепи будет обычно принужденным и вполне определенным, так как силы, действующие на звенья цепи и элементы ее кинематических пар, накладывают дополнительные связи, устраняющие кажущуюся неопределенность в движении кинематической цепи. Конечно, при этом движение реальной кинематической цепи будет уже отличным от движения идеальной цепи. Исследование вопроса о действительном движении реальной кинематической цепи в общем случае представляет значительные трудности и требует тщательного теоретического и экспериментального изучения влияния сил, действующих на кинематическую цепь, на закон ее движения».
Такой подход к задаче о кинематической цепи был совершенно новым для механики машин: впервые была ясно высказана мысль о том, что чисто теоретическое исследование может дать результаты, далеко отстоящие от действительных, и требуется дополнительное экспериментальное исследование. Напомним, что в начале XIX в. по той же причине зашла в тупик гидродинамика, и лишь благодаря сочетанию теоретических и экспериментальных исследований смогла преодолеть противоречия между теорией и фактом.
Подобное же значение имела и другая статья тех же авторов, посвященная исследованию давлений на опоры штанги кулачкового механизма (1950 г.). Здесь экспериментальное исследование, выполненное на специально сконструированном оборудовании, подтвердило правильность теоретического исследования.
Влияние зазоров в кинематических парах - ч. 1
В дальнейшем тема исследования динамики реальных машин в действительных условиях их работы и связанная с этим необходимость эксперимента в динамике проходит через все научное творчество И. И. Артоболевского. По его инициативе в отделе динамики машин Института машиноведения была создана экспериментальная лаборатория. Уже на Первом совещании по основным проблемам теории механизмов и машин в своем докладе он неоднократно обращается к этой теме и показывает, в каких направлениях динамики машин необходимо экспериментальное исследование.
Среди важнейших вопросов динамики машин, которые И. И. Артоболевский выдвинул на совещании, существенное место занимала динамика рабочих машин, вопрос учета упругих деформаций звеньев, влияние зазоров в кинематических парах на действительную динамику машин, учет сил трения в машинах, силовой расчет механизмов с учетом сил трения, динамика машинных агрегатов, учет изменения массы обрабатываемого продукта. Как известно, уже в следующие годы многие из этих задач были или разрешены, или их исследование было значительно продвинуто. Тем самым советская школа теории машин и механизмов уже в 50-х годах показала свою жизнеспособность и свой высокий научный уровень.
В 1956 г. исполнилось 20 лет работы Семинара, и в своем докладе по этому поводу И. И. Артоболевский указал, что в развитии теории машин важное место должны занять вопросы динамики машин. «Широкое развитие должны получить вопросы, связанные с методами силового расчета механизмов как в части развития теоретических методов расчета, так и в части развития экспериментальной динамики. Далее идут вопросы динамики машин, связанные с учетом упругости всей системы и изучением влияния зазоров в кинематических парах на Динамику механизмов. Важное место должны занять вопросы, связанные с изучением режима работы машин и теорией регулирования этих режимов. Необходимо разрабатывать вопросы теории динамических систем с несколькими степенями свободы применительно к различным типам машин и механизмов. Важнейшее значение в развитии динамики механизмов будут иметь вопросы динамики тех машин, в которых массы обрабатываемого продукта переменны, а также вопросы, связанные с созданием устройств, обеспечивающих автоматическое управление и контроль за технологическими процессами, выполняемыми машинами» 3.
Влияние зазоров в кинематических парах - ч. 2
В целом ряде производств — в машиностроении, на строительстве, в горном деле, в обогащении полезных ископаемых — важное значение получили машины и механизмы вибрационного и виброударного действия. Эти машины применяются при выполнении различных технологических операций: на уплотнении, сепарации, транспортировании и измельчении различных материалов, погружении в грунт свай, шпунтов и труб, для беспиловочного резания древесины, заливки металла в формы, на отбое угля и руды, а также на многих других. Весьма существенным этапом в исследовании вибромашин является изучение динамических характеристик сил взаимодействия среды с рабочим органом машины. Причиной этого является то, что в ряде процессов, в частности при погружении, резании, транспортировании, сепарации, силы взаимодействия существенно влияют на динамику процесса. В цикле работ, выполненных И. И. Артоболевским в соавторстве со своими учениками и сотрудниками, такое исследование было проведено применительно к процессу вибропогружения свай; ряд статей был посвящен общим вопросам проблемы машин вибрационного действия.
С общей теорией рабочих машин связана также проблема пневматических и гидравлических устройств. Методика исследования таких устройств значительно отличается от методики исследования механизмов с жесткими звеньями —их кинематику нельзя рассматривать изолированно от динамики. Поэтому исследование движения механизмов с пневматическими или гидравлическими устройствами следует вести путем составления и решения дифференциальных уравнений их движения совместно с уравнениями, характеризующими силы, возникающие при движении той среды, которая входит в состав этих устройств.
Основной трудностью исследования динамических задач для механизмов с пневматическими и гидравлическими устройствами «является определение тех сил, которые должны войти в основные дифференциальные уравнения движения механизма. Эти силы зависят от физических свойств тех сред, которые входят в пневмо - и гидроустройства, от гидродинамических законов движения этих сред, от внешнего и внутреннего трения, возникающего в процессе движения частиц этих сред, от температур, при которых происходит процесс, от перепада давлений и т. д. Поэтому исследование подобпых механизмов представляет собой комплексную задачу, при решении которой сочетаются методы теории механизмов и машин и методы газо - и гидромеханики.
Влияние зазоров в кинематических парах - ч. 3
Применение уравнений газо - или гидромеханики к исследованию указанного типа механизмов для случаев инженерных расчетов конкретных объектов затрудняется тем, что в эти уравнения входят коэффициенты, характеризующие различные свойства газовых и жидкостных сред пневматических или гидравлических устройств. Эти коэффициенты мало изучены, так же как мало изучены и те общие газодинамические и гидродинамические процессы, которые происходят в современных пневмо - и гидроустройствах. Между тем без знания этих коэффициентов и динамики процессов нельзя произвести полного и достаточно точного инженерного расчета пневмо - и гидроустройств, применяемых в современных механизмах».
Так как такого типа механизмы очень важны для современного машиностроения, тем более, что их применение в рабочих машинах постоянно возрастает, лаборатория динамики машин поставила под руководством И. И. Артоболевского ряд теоретико-экспериментальных исследований с целью создания рациональных методов расчета пневмо- и гидромеханизмов. В качестве первого объекта исследования был выбран механизм быстродействующего пневматического устройства полуавтомата для электрической контактной точечной сварки листового железа.
К этому времени интерес к пневматическим механизмам возрос в значительной степени, что объяснялось их важным значением в машинах автоматического действия. Несколько позже И. И. Артоболевский отметил, что следует уделять большое внимание созданию инженерных методов динамического расчета механизмов с пневматическими устройствами. Необходимо разрабатывать как теорию их синтеза, так и методы экспериментального исследования. «Ввиду сложности расчета механизмов с пневматическими устройствами, который в большинстве случаев сводится к численному, приближенному решению системы нелинейных дифференциальных уравнений, желательно развивать работу в направлении создания различного рода справочных материалов, графиков и пособий для проектирования пневматических устройств». Уже в течение второй половины 50-х — начала 60-х годов количество работ по пневматическому и гидравлическому приводам настолько возросло, что на Третьем совещании по основным проблемам теории механизмов и машин соответствующие доклады пришлось заслушивать на отдельной секции.
Влияние зазоров в кинематических парах - ч. 4
В своих докладах, посвященных основным проблемам современной динамики машин и прочитанных в конце января—начале февраля 1960 г. на Семинаре и на Первом Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике, Иван Иванович подвел итоги достигнутых в этом направлении результатов и наметил дальнейшие пути исследований. Он указал на очень существенное обстоятельство, характеризующее динамику машин при переходе от исследования машин с идеально жесткими звеньями к машинам, в которых учитывается упругость звеньев и в состав которых входят не только механические системы,— невозможность раздельного рассмотрения обеих основных задач динамики машин.
Среди важнейших направлений в динамике машин, которые к 1960 г. уже прочно вошли в науку и обусловили ее все убыстряющийся отход от классических методов ис следования машин и механизмов с жесткими звеньями, И. И. Артоболевский отметил: учет влияния упругости звеньев системы на ее кинематическую точность и на величины динамических реакций в отдельных кинематических парах, обусловленный форсированием машин по скоростям и нагрузкам; исследование систем, движение которых осуществляется за счет деформации упругих звеньев или элементов и описывается дифференциальными уравнениями и которое производится лишь совместно в кинематической и динамической части; теорию и методику расчета гидравлических и пневматических устройств и механизмов.
Иван Иванович отметил, что в развитии этих направлений предстоит сделать еще многое: необходимо разрабатывать методы кинематического и динамического синтеза гидроустройств по заданным законам движения; провести исследование неустановившегося движения и устойчивости движения гидроприводов и других гидроустройств, исследование гидроустройств и гидроприводов в целях получения их общих характеристик и отдельно — сил сопротивления. В области пневматических устройств следует создать теорию их синтеза, а также выполнить экспериментальные исследования. Так как расчет механизмов с пневматическими устройствами сводится в большинстве случаев к приближенному численному решению системы нелинейных, дифференциальных уравнений и является сложным, необходимо создавать различного рода справочные материалы, что, очевидно, возможно лишь при использовании счетно-решающих и моделирующих электронных машин. Следует отметить, что в Днепропетровском металлургическом институте на кафедре теории механизмов и машин С. Н. Кожевников со своими сотрудниками в 60-х годах провел ряд исследований в области гидропневматических механизмов и поставил ряд экспериментов.
Экспериментальная динамика - ч. 1
И. И. Артоболевский специально рассмотрел метод моделирования с помощью математических машин как одного из важнейших средств динамики и проектирования машин и механизмов. Этот метод можно использовать для оценки влияния отдельных параметров на поведение системы, моделирования натурных испытаний, исследования динамической точности систем путем моделирования только уравнений возмущения. Он указал на большое значение для техники таких машин, которые обладают свойствами приспосабливаемости, т. е. могут автоматически изменять свою структуру в зависимости от внешних условий, продолжая выполнять свои функциональные задачи. Наконец, особенный интерес имеет разработка методов обеспечения устойчивости нелинейных систем путем создания ультраустойчивых систем, обладающих такой автоматически изменяемой структурой. Разработка этой проблемы еще только начата.
Он указал также на чрезвычайно важное значение развития экспериментальной динамики.
В самом начале 60-х годов в поле зрения И. И. Артоболевского и его учеников появилась новая проблема динамики машин, важность которой трудно переоценить,— проблема динамики машин и механизмов с переменной массой. В большом числе случаев оказалось необходимым учитывать при решении задач динамики технологических машин не только массы их звеньев, но и массу продукта, находящегося в процессе обработки. Масса эта меняется, а следовательно, меняется и масса тех звеньев, с которыми обрабатываемый продукт находится в жесткой связи. К таким машинам относятся многие машины строительной и горной промышленности, полиграфические машины, вибрационные и виброударные машины типа конвейеров, грохотов, сепараторов, классификаторов, сельскохозяйственные машины, машины кабельной промышленности и многие другие. Динамика тел переменной массы была разработана применительно к движению ракет. В конце 30-х и в 40-х годах были сделаны попытки применить методы динамики тела переменной массы к динамическому расчету электропривода, не увенчавшиеся особым успехом,— задача оказалась сложной.
Экспериментальная динамика - ч. 3
И. И. Артоболевский в статье6 рассматривает состояние динамики машин уже с новых позиций: динамические процессы исследуются для реальных машин; в рассмотрение вводятся переходные режимы; значительно повышается роль математического аппарата; машины как системы с упругими звеньями, обладающие разного рода нелинейностями, изучаются не только в идеализированных схемах, но и как системы с распределенными параметрами, описываемые дифференциальными уравнениями в частных производных. «В основу большинства исследований машин как механических систем положен спектральный анализ, в результате которого определяются собственные частоты системы. Для стационарных процессов в системах, описываемых нелинейными дифференциальными уравнениями, используется метод малого параметра и гармонической линеаризации, весьма эффективной при малых отклонениях и исследованиях, относящихся к проблеме устойчивости движения машины... Следует от метить, что, по-видимому, один из перспективных методов, позволяющих решить широкий круг задач в области динамики машин — метод интегральных уравнений». Он отметил далее большую важность изучения механизмов переменной структуры, тем более, что соответствующая проблема практически остается неизученной. Изучение динамики механизмов переменной структуры, если к тому же будут учтены упругие свойства звеньев, даст возможность заложить основы динамического синтеза таких механизмов.
К новым задачам динамики машин Артоболевский отнес и динамику механизмов, в состав которых входят звенья с переменными массами (с учетом обрабатываемого продукта), у которых меняется не только масса, но и момент инерции и положение центров тяжести.
В следующих докладах, в частности в докладе на Четвертом совещании по основным проблемам теории механизмов и машин (16 июня 1964 г.), эти проблемы уточняются, ставятся некоторые новые: проблема ускорений 2-го порядка и их воздействий на механические системы; динамика механизмов с гибкими звеньями; динамика механизмов, в состав которых входят звенья с массой, не являющейся детерминированной функцией положения, скорости и времени.
В эти годы в Харькове под руководством Я. Л. Геронимуса разрабатывались геометрические и аналитические методы анализа и синтеза механизмов, а также их динамики.
Экспериментальная динамика - ч. 2
Теперь в связи с форсированием силовых и скоростных режимов технологических машин самого разнообразного назначения и с внедрением автоматизации решение задачи стало практически необходимым, и ее решением занялся И. И. Артоболевский вместе со своим учеником А. П. Бессоновым. В совместном докладе на Третьем Всесоюзном совещании по основным проблемам теории механизмов и машин они воспользовались уравнениями Лагранжа 2-го рода для системы с переменными массами (в форме, предложенной В. С. Новоселовым) и применили его для составления уравнения движения плоского механизма с переменной массой; в качестве примера был исследован кривошишю-ползунный механизм с меняющейся массой ползуна.
На ту же тему И. И. Артоболевским совместно с А. П. Бессоновым и А. В. Шляхтиным сделан доклад в конце января 1964 г. на заседании Второго Всесоюзного съезда по теоретической и прикладной механике. В дальнейшем в направлении динамики тела переменной массы существенных результатов добился А. П. Бессонов.
А. П. Бессонов, один из ближайших учеников И. И. Артоболевского, окончил в 1948 г. Московский авиационный институт, затем был там же его аспирантом при кафедре теории механизмов и машин. В 1965 г. он защитил диссертацию на степень доктора технических наук. С 1966 г. он руководит лабораторией общей динамики машин в Институте машиноведения АН СССР, одновременно продолжая свою педагогическую деятельность в Московском авиационном институте. Его основные работы относятся к динамике машин, в частности к динамике машинных агрегатов, динамике механизмов с переменной массой звеньев, теории машин шагающего типа, динамике вибрационных механизмов.
Динамика линейных и нелинейных колебаний упругих систем - ч. 1
В Днепропетровске, а позже в Киеве под руководством С. Н. Кожевникова было создано направление динамики тяжелых машин. Сам С. Н. Кожевников исследовал широкий круг задач, охватывающий переходные и неустановившиеся процессы с учетом упругости звеньев при наличии зазоров в сочленениях. Им были изучены машины, имеющие постоянные приведенные дискретные массы, связанные упругими звеньями. Были решены также некоторые вопросы динамики механизмов с несколькими степенями свободы.
Ученик Кожевникова А. Н. Голубенцев развил принципы расчета переходных процессов в машинах, представляющих многомассовые разветвленные схемы, исследовал динамику линейных и нелинейных колебаний упругих систем. Им были развить методы анализа динамики систем с помощью уравнений, содержащих интегралы с переменным верхним пределом.
В 1966—1968 гг. И. И. Артоболевский совместно с В. А. Зиновьевым и Н. В. Умновым приступил к новым исследованиям в области динамики машин — изучению динамики машинного агрегата с вариатором. Первые доклады на эту тему были зачитаны на Семинаре по ТММ в сентябре 1966 г. и на Пятом совещании по основным проблемам теории механизмов и машин в мае 1967 г.
Основной особенностью механических систем с вариаторами является то, что заданный закон изменения передаточного движения, рассматриваемый как уравнение неголономной связи, влечет за собой невозможность использования уравнений Лагранжа 2-го рода и для вывода уравнений движения таких систем приходится применять более сложные уравнения — уравнения Аппеля или уравнения Лагранжа 1-го рода с неопределенными множителями. Авторами было показано, что при линейной характеристике двигателя и нагрузки, зависящей от времени, уравнение движения является существенно линейным; ими были решены некоторые задачи синтеза систем и изучена методика синтеза изодромной системы с линейно возрастающей нагрузкой.
В те же годы И. И. Артоболевский приступает совместно с В. С, Лощининым к исследованиям по динамике машинных агрегатов на предельных режимах движения, завершенным монографией, опубликованной в 1977 г. посмертно. Это направление, генетически связанное с исследованиями И. И. Артоболевского об уравнениях движения машины и ее устойчивости режима движения, было начато исследованиями некоторых свойств хода звена приведения машинного агрегата. Сущность проблемы заключается в установлении и анализе понятия асимптотически устойчивых предельных режимов движения машин, характерных для большинства машинных агрегатов, время разгона и торможения которых мало по сравнению с общим временем их движения. На этих режимах выявляются основные закономерности в поведении параметров, описывающих динамику многих машинных агрегатов. «Как показывают экспериментальные и теоретические исследования, предельные режимы относительно одного какого-либо параметра, как правило, порождают возникновение соответствующих предельных режимов в поведении других параметров, описывающих динамику механических систем. Такие режимы, в частности, удается обнаружить в поведении кинетической энергии, угловых скоростей и ускорений. звеньев, в распределении инерционных сил и динамических нагрузок, возникающих в кинематических парах, в поведении динамической неравномерности работ и мощностей, развиваемых машинными агрегатами». При этом в основном принимается модель машинного агрегата с жесткими звеньями, причем массы обрабатываемого продукта распределяются на исполнительных - звеньях в виде функций угла поворота звена приведения.
Динамика линейных и нелинейных колебаний упругих систем - ч. 2
Это направление динамики машин в определенной степени является дальнейшим развитием некоторых идей механики тела переменной массы, динамики машин с динамическими характеристиками двигателей с учетом упругих свойств звеньев и налагаемых на них связей; изучение движения машин на предельных режимах является одной из важных проблем современной динамики машин. Таким образом, направление, развернутое в трудах И. И. Артоболевского и: В. С. Лощинина, открывает новую страницу в истории механики машин благодаря тому, что в их совместных работах (и в монографии) не только решены определенные задачи теории, но и поставлен целый ряд проблем, еще ждущих своего разрешения.
Последней проблемой, разработку которой И. И. Артоболевский начал в 70-х годах в сотрудничестве с М. Д. Генкиным и В. П. Сергеевым, явилась акустическая динамика машин, первая публикация по которой была сделана в 1968 г. Эта проблема связана с изучением причин и источников шумовых эффектов в машинах и с разработкой задач динамики машин, связанных с полной или частичной локализацией шумов. Методы акустической динамики машин сводятся к нахождению возможностей для устранения вредных высокочастотных колебаний в машинах и к снижению уровня шумов. Важность этой проблемы для современной техники очевидна: ее назначение — создавать новые машины и машинные агрегаты с минимальными шумовыми эффектами, что благотворно отразится как на здоровье операторов, так и на здоровье всех людей, входящих в контакт с машинами.
Как известно, в настоящее время проблема индустриальных и транспортных шумов и их влияния на здоровье человека (в частности, на его нервную систему) стала важной социальной проблемой, а поэтому и сама акустическая динамика машин и ее результаты выходят за пределы чисто научно-технической проблемы.
С той же проблемой соприкасается задача (также входящая в акустическую динамику машин) об использовании шумовых эффектов, с помощью которых можно определять возможные неисправности в машинах путем изучения спектра частот и амплитуд колебаний.
Естественно, что снижение вибраций в машинах повышает и качество их работы, удлиняет срок службы, а также благоприятно влияет на сохранность как производственных, так и соседствующих с ними сооружений и конструкций.
Динамика линейных и нелинейных колебаний упругих систем - ч. 4
В связи с внедрением в промышленность автоматических систем типа роботов, манипуляторов, шагающих машин и др. необходимо развитие динамики механизмов со многими степенями свободы, методов приведения сил и масс в механизмах этого вида. Особую роль в развитии динамики машин играют вопросы колебаний в машинах. С одной стороны, это вопросы борьбы с вибрациями путем создания виброустойчивых конструкций машин и механизмов, с другой стороны, это использование эффекта вибраций для выполнения различных технологических процессов и создание новых двигателей и вибрационных механизмов, обладающих требуемыми кинематическими характеристиками. Должны получить широкое развитие методы балансировки роторов и уравновешивание механизмов с учетом конструктивного их оформления, зазоров, смазки и упругости. Требуется создание теории специальных устройств типа виброгасителей, амортизаторов, демпферов и т. д.
Важной социальной проблемой является изучение влияния вибраций на организм человека и разработка средств вибрационной его защиты. Перспективным является направление, связанное с использованием источников вибрации с малыми амплитудами и большими частотами для различных приборов, медицинского оборудования, для создания двигателей с вращательным и поступательным движением». В своей статье И. И. Артоболевский коснулся также вопросов акустической динамики машин и экспериментальных методов исследования.
Естественно, что на страницах этой главы нельзя было указать на все направления того важного вклада, который внес И. И. Артоболевский в науку по динамике машин. Как мы видели, не исчерпывался его личный вклад в развитие этого важнейшего научного направления: он постоянно направлял широкие круги специалистов в области теории механизмов и машин на разработку новых проблем и оценивал важность для науки отдельных проблем. Следует отметить также, что некоторые проблемы были общими для динамики машин, теории машин автоматического действия и иногда синтеза механизмов. Поэтому его вклад в развитие динамики машин является весьма значительным.
Следует также отметить, что отечественным ученым принадлежит важнейший задел и постановка наибольшего числа проблем в области динамики машин, что в первую очередь является заслугой И. И. Артоболевского и его школы.
Динамика линейных и нелинейных колебаний упругих систем - ч. 3
В дни работы XXV съезда КПСС (февраль 1976 г.) И. И. Артоболевский опубликовал в журнале «Машиноведение» большую статью с описанием результатов, которых, добились советские ученые. В статье он поставил ряд новых проблем, указав на важнейшие направления дальнейшей исследовательской работы советских машиноведов, развил проблематику динамики машин.
И. И. Артоболевский указал на важное значение развития методов динамики машин, в особенности машин тяжелого машиностроения, в связи с характерным для периода научно-технической революции форсированием их скоростей, а также повышением их силовых, энергетических и точностных характеристик. «В ближайшее время,— писал он,— должны получить развитие методы изучения динамических режимов машин как в периоды установившихся, так и в периоды неустановившихся движений, работающих в сложных вибрационных режимах. Особенное значение изучение неустановившихся режимов имеет для транспортных машин, грузоподъемных машин и вибромашин.
Во многих случаях при составлении уравнений движения машин инерционные коэффициенты не постоянны, а являются функцией положения, скорости или времени. Это, например, имеет место при исследовании технологических машин с изменяемой массой обрабатываемого объекта: конвейеров, погрузочно-разгрузочных машин и печатных машин. Вот почему развитие динамики машин с переменной массой звеньев имеет такое большое значение для техники. Но не только массы могут быть переменными, а сама структура механизмов в отдельных случаях может изменяться в зависимости от требуемого закона технологического процесса.
Робототехника
Роботы и манипуляторы - ч. 1
Проблема создания механизмов автономного действия привлекла И. И. Артоболевского своей общностью, многоплановостью и тесными взаимосвязями со всеми направлениями теории механизмов и машин, с прикладной и вычислительной математикой, кибернетикой, электроникой, с самым современным машиностроением и приборостроением и, вероятно, еще и тем, что она стояла на самом переднем крае борьбы за технический прогресс.
Несмотря на всю яркость и современность, эта проблема не была новой. Точнее говоря, первые идеи создания «механического человека» появились одновременно с изобретением первых машин, в середине первого тысячелетия до н. э. В средние века, на стыке астрологических и алхимических учений, появляется учение о «философском камне» — панацее от всех болезней, способном омолодить человека и продлить его жизнь. Возникает и робкая (и отнюдь не безопасная для своего времени) идея о возможности создания самого человека, может быть и не человека еще, а «человечка» (гомункулуса). Затем, значительно позже, начинает выкристаллизовываться мысль о «человеке-машине».
Одним из первых мысль о подобии животных машинам высказал Р. Декарт (1596—1650). Он считал, что это «ничуть не покажется странным тем, кто знает, сколько различных автоматов или самодвижущихся ма шин может произвести человеческое искусство, пользуясь при этом немногими частями в сравнении со множеством костей, мускулов, нервов, артерий, вен и всех других частей, находящихся в теле каждого животного» \ Тогда же попытались приложить законы механики к явлениям животного мира. Выдающийся врач и физиолог Вильям Гарвей (1578—1657), открывший большой круг кровообращения, сделал попытку количественно оценить поток крови в теле по законам механики того времени. Сердце сравнивалось с гидравлической машиной.
Роботы и манипуляторы - ч. 2
Эти и подобные идеи получили достаточно широкое распространение. Можно выделить в XVII—XVIII вв. три отчетливых направления поисков. К первому принадлежали математики Л. Эйлер (1707—1783) и Д. Бернулли (1700—1782), которые применили законы механики для объяснения некоторых физиологических явлений. Наиболее ярким представителем второго философского направления был французский врач и философ Ж. де Ламетри (1700—1751), который в 1747 г. издал в Лондоне трактат «Человек-машина», сожженный затем рукой палача. Он считал, что человека можно построить, как и любую другую машину.
К третьему направлению принадлежали механики-изобретатели, старавшиеся на практике воспроизвести эти «летавшие в воздухе» идеи. Наиболее известный из них —Вокансон (1709—1782), построивший ряд автоматов, которые воспроизводили движения живых существ.
В середине XIX в. великий русский математик П. Л. Чебышев экспериментировал над своими механизмами с целью приближенного воспроизведения некоторых кривых. «Кроме указанных выше... Чебышев создает два оригинальных сложных механизма: „переступающий механизм" и „гребной механизм". Эти механизмы, выполненные им в виде довольно значительных по размерам моделей, использовались Чебышевым в практических целях. Механизмы эти, правда, не имеют пока большого практического значения, их скорее следует отнести к разряду остроумных „игрушек", над созданием которых, как это известно из истории техники, часто трудились величайшие представители науки и техники... В этих „игрушках" наравне со всеми остальными механизмами Чебышева мы видим реальные воплощения исключительной технической интуиции Чебышева». Это было написано в годы Великой Отечественной войны (1945 г.), а уже через четверть столетия подтвердилась справедливость этого замечания: идеи Чебышева были использованы при создании механизмов-роботов и манипуляторов.
Вновь проблема роботов возникает уже в XX в. Само слово «робот» было «выдумано» чешским писателем Карелом Чапеком весной 1920 г. Однако и первые роботы имели принципиальное отличие от человекоподобных игрушек, «андроидов» XVIII в. Те слишком походили на людей, их внешность вполне соответствовала вкусам эпохи рококо. Они писали, играли на клавесине, предназначались для увеселения и удивления публики. Роботы конца 20-х — начала 30-х годов напоминают людей лишь «в целом», но зато предназначены для выполнения определенной полезной работы. Одним из первых роботов был «Телевокс», построенный в США инженером Уэнсли, работавшим в компании Вестингауза. Робот получал команды в виде свистков различного тона, которые принимали реле, чувствительные к звуку, реле и приводили механизм в движение. Он сразу же получил практическое применение: его поставили наблюдать за уровпем воды в резервуаре Пентагона в Вашингтоне.
Роботы и манипуляторы - ч. 3
Подобные механизмы были созданы в конце 20-х годов в Швейцарии, Англии и Франции. Швейцарский робот «Сабор-IV» был высотой около 225 см и массой до 200 кг. Он работал на коротких волнах, а механические движения воспроизводил при помощи 20 маленьких сервомоторов, расположенных в нужных точках каркаса робота. Сабор передвигался на двух ногах: после шага нога автоматически затормаживалась и включалась вторая нога для следующего шага. Он имел органы связи с внешним миром: вопрос, заданный ему через микрофон (уши), передавался через приемник (мозг) и антенны (волосы) на командный пост. «Сердце» Сабора состояло из восьми батарей, а система «кровообращения» — из полукилометрового электрического провода.
Среди роботов, построенных в 30-х годах, был также робот-солдат ростом в 250 см и массой около 450 кг. Он двигался с помощью бензинового мотора мощностью в 20 л. с. Команды он принимал по радио и был вооружен дубинкой и... баллоном с удушливым газом.
Эти первые роботы были «специалистами»: они могли выполнять одну-две операции, движения их были элементарными и перестроить их с одной операции на другую было почти невозможно. С «андроидами» XVIII в. их роднило происхождение: они были результатом творчества изобретателей, иногда очень одаренных. Но для XX в. этого было уже мало — нужна была наука.
Очень интересную «периодизацию» попыток создания «механического человека» предложил Лабадье. Он различает три эпохи: боги, люди, машины. В античном мире мечтали об одушевлении статуй - и верили в возможность этого; движущиеся фигурки Герона Александрийского и других механиков эпохи эллинизма зачастую являлись объектами поклонения. В XVIII в. пытались создать «механического человека» по своему образу и подобию на основании идей Декарта и других. Наконец, изобретатели первой четверти XX в. начали создавать машины определенного назначения, имитируя человека. Они уже догадывались, что можно построить машину, которая сможет выполнять некоторые функции человека, но не умели этого делать, не хватало знаний.
Одним из первых попытался создать теорию построения роботов испанский инженер и ученый Л. Торрес-Кеведо (1852—1936). Он развил идеи о возможности построения автоматов, которые в процессе работы могут оценивать внешние условия и действовать в соответствии с принятым решением. В этом случае связи вообще не должны быть постоянными: в случае необходимости автомат должен резко изменить связи между своими элементами, а следовательно, и свою структуру.
Роботы и манипуляторы - ч. 4
Для демонстрации своих идей и для их практической проверки Торрес-Кеведо построил робот «Телекин», который принимал, оценивал и выполнял приказы, переданные ему по радио, и «Игрока в шахматы». Впрочем, возможности этого робота были весьма ограниченными: он играл ферзем и белым королем против черного короля, которого вел человек.
Так появились на сцене роботы. Появление манипуляторов было более драматичным: первые эксперименты с делящимися веществами и поиски критических величин урансодержащего устройства, достаточных для цепной реакции, выполняли вручную. Последствия этого известны, и оказалось необходимым срочно изобрести манипуляторы. Вторым важным потребителем «механических рук» оказались глубоководные исследования. Затем было установлено, что в ряде технологических процессов автономно действующий механизм может с успехом заменить человека.
Советская школа теории механизмов и машин стала заниматься проблемами роботов и манипуляторов во второй половине 50-х годов. Так, в марте 1958 г. на Втором всесоюзном совещании по основным проблемам теории механизмов и машин И. И. Артоболевский затронул проблему «стыковки» наук, в частности «стыковки» науки о механизмах и кибернетики. Он указал на работы по созданию биоэлектрической системы управления, которые были выполнены коллективом ученых Института машиноведения. В 60-х годах в работах над диагностическими машинами И. И. Артоболевский вплотную подошел к постановке новой проблемы.
В июле 1965 г. в Москве был созван Первый симпозиум по теории и принципам устройства манипуляторов. Симпозиум открылся докладом А. Е. Кобринского и Ю. А. Степаненко, в котором были освещены основные проблемы теории манипуляторов. Было отмечено, что манипулятор представляет собой сложную пространственную систему с большим числом степеней свободы. Сложной проблемой является также управление манипулятором, не просты и процессы взаимодействия, протекающие в системе оператор—манипулятор—объект манипулирования. Создание теории манипуляторов требует развития методов биомеханики и теории систем автоматического управления. Авторы остановились на анализе некоторых систем манипуляторов с ручным управлением, указав, что здесь особое значение приобретают экспериментальные методы исследования, позволяющие выявить существенные особенности построения движений при управлении сложной биотехнической системой. Были рассмотрены вопрос о маневренности манипулятора, зависящей от числа степеней свободы, задача оптимизации движения, а также некоторые специальные случаи управления.
Рабочий орган манипулятора - ч. 1
В других докладах были рассмотрены вопросы кинематики и динамики рабочего органа манипулятора, переходные процессы, экспериментальные методы исследования. Труды Первого симпозиума в определенной степени отразили первые шаги советских исследователей в этой новой для них области. Примечательно, что уже в этих исследованиях были решены многие вопросы теории манипуляторов, которая с этого времени становится одним из важнейших направлений теории механизмов.
Второй симпозиум по теории и принципам устройства манипуляторов состоялся в феврале 1968 г. Как указали в своем докладе И. И. Артоболевский и А. Е. Кобринский, только применявшиеся в то время в космической технике «человекоподобные» устройства можно было отнести по меньшей мере к трем группам. Первая — манипуляторы, предназначенные для выполнения работ в космическом пространстве и на поверхности планет. В эту группу входят как простейшие, так и весьма сложные устройства.
Ко второй группе относятся надеваемые на оператора устройства типа экзоскелета (буквально «наружный скелет»), имеющие число степеней свободы достаточное, чтобы не стеснять движений оператора.
Третья группа — педипуляторы — охватывает устройства, предназначенные для воспроизведения или имитирования двигательных функций ног.
На симпозиуме были заслушаны доклады по весьма широкой тематике. Были рассмотрены вопросы кинематического и динамического анализа манипуляторов, методы их проектирования и управления. Ряд докладов был посвящен вопросам, смежным с биомеханикой: рассматривалась синхронность и гетеросинхронность движений нижних и верхних конечностей человека, моделирование некоторых двигательных функций человеческой руки. Был поднят вопрос о возможности создания и эксплуатации манипуляторов, управляемых вычислительными машинами и обладающими определенной автономией.
К проблеме роботов и манипуляторов И. И. Артоболевский подошел не только как ученый, но и как конструктор. Он обосновал важность этой проблемы для народного хозяйства и вообще для технического развития страны. Кроме того, сущность проблемы доказывала, что тот путь, который он предложил еще в середине 30-х годов и характеризовавшийся предварительным глубоким изучением структуры механизмов, является правильным. В проблеме «роботы и манипуляторы» вопросы структуры заняли очень важное место, которое, очевидно, и в дальнейшем обеспечит «мостик» между инженерными задачами и математическим аппаратом, пригодным для их разрешения.
В 1970 г. И. И. Артоболевский и А. Е. Кобринский опубликовали совместную статью «Роботы», в которой проанализировали идею автономных машин, автоматически выполняющих ряд двигательных функций.
Рабочий орган манипулятора - ч. 2
«Органы чувств человека, обслуживающие его двигательные функции, каковы бы ни были их природа и механизмы, можно условно разделить на две группы:
1) осуществляющие сбор информации лишь в процессе движений — глобальных, региональных, локальных, реализуемых порознь или совместно (например, осязание);
2) способные собирать информацию независимо от процесса движения (например, зрение, обоняние).
«Органы чувств» робота должны быть в этом смысле адекватны органам чувств человека, т. е. должны уметь собирать информацию как в процессе движения, так и независимо от него. Именно в этих направлениях ведутся сейчас исследования, направленные на повышение степени «очувствления» роботов. Примерами здесь могут служить рука МН-1, обладающая «осязанием» и собирающая информацию в процессе движения, поиска (действующая приблизительно так, как действует слепой), а также манипулятор М1Т и опорно-двигательная система SRI, обладающие «зрением», благодаря чему слепой поиск заменяется целенаправленными действиями, что значительно снижает необходимый объем движений при реализации даже самых простых задач.
Как следует из сказанного ранее, совершенство искусственных «органов чувств», их чувствительность и разрешающая способность в настоящее время неизмеримо низки по сравнению с естественными. Их эффективность пока еще недостаточна для обеспечения сколько-нибудь существенного обеспечения автономности робота. Тем не менее работы в этом направлении ведутся весьма интенсивно, и недостаток информации не мешает догадаться о том, что с течением времени «самостоятельность» роботов в отношении реализации целенаправленных движений будет возрастать».
Авторы подняли затем еще один, не менее важный вопрос, относящийся к совершенствованию роботов и манипуляторов. Это — проблема «искусственного интеллекта». Попытки моделирования и искусственного воспроизведения некоторых атрибутов человеческого разума, к которым относятся возможность диалога между роботом и оператором, владение речью, эвристическими действиями, умение планировать свои поступки, прогнозировать события, обучаться и пр., находятся пока еще в начальной стадии. Авторы подчеркивают, что для настоящего времени наиболее важной задачей теории роботов является овладение роботами чисто механическими двигательными функциями.
Рабочий орган манипулятора - ч. 3
Одновременно И. И. Артоболевский работает над связанной с проблемой роботов проблемой шагающих машин. В докладе, составленном И. И. Артоболевским, А. П. Бессоновым и Н. В. Умновым и прочитанном от их имени на Четвертом совещании по основным проблемам ТММ в Ленинграде, были определены требования к шагающему «механизму» и решены важнейшие динамические задачи, связанные с проблемой.
Исследования проблем машин автоматического действия и роботов И. И. Артоболевский сопровождал научной пропагандой. В газетах и научно-популярных журналах он публикует статьи с целью ознакомить широкую советскую общественность с роботами и манипуляторами, с перспективами проблемы, с достигнутыми результатами и с уровнем, которого достигла советская наука в этом направлении. Проблему он рассматривает со всех точек зрения, обращая особое внимание на необходимость подготовки соответствующих специалистов.
Третий симпозиум по теории и принципам устройства манипуляторов состоялся в феврале 1970 г. Тематика докладов, зачитанных на нем, значительно расширилась по сравнению с предыдущими симпозиумами. Были отмечены три важнейшие направления научно-технических работ: развитие методов геометрического, кинематического и динамического анализа и синтеза исполнительных механизмов манипулятора; развитие теории и методов расчета и проектирования систем передачи энергии и управляющих сигналов от задающих органов системы к ее исполнительным механизмам, а также систем сбора информации в рабочей зоне и передачи сигналов обратной связи на задающие органы; проблема взаимодействия манипулятора и оператора.
Однако эти направления не исчерпывают всей сложности проблемы. Так выяснилась необходимость развивать исследований еще в трех новых направлениях: создание промышленных роботов, предназначенных для выполнения определенных технологических операций; обогащение функциональных возможностей искусственных рук за счет оснащения их датчиками, устройствами и системами взаимодействия с окружающей средой (взаимодействие манипулятора с ЭВМ); создание систем и устройств «шагающего» типа.
Рабочий орган манипулятора - ч. 4
Таким образом, на первых трех симпозиумах советские ученые значительно продвинули общее решение проблемы роботов и манипуляторов. Наметились перспективы применения в целях автоматизации целого ряда технологических операций так называемых промышленных роботов. Промышленный робот является манипулятором автоматического действия, оснащенным системой цифрового программного управления. Он обладает большой гибкостью исполнительных органов, имеющих высокую подвижность и легкость переналадки двигательных функций, обеспечиваемую системой цифрового управления.
На Третьем симпозиуме были доложены работы ленинградских ученых, которые впервые в СССР провели исследования по управлению движениями руки манипулятора от ЭЦВМ. «Ряд аспектов этой работы представляет большой научный интерес. Необходимо отметить прежде всего подход к созданию новых проблемно-ориентированных языков, позволяющих наиболее эффективным образом разрабатывать алгоритмы „поведения" механической руки. Не менее важны и перспективны попытки решения вопросов очувствления манипулятора, позволяющие создать техническую систему, активно взаимодействующую с окружающим ее внешним миром, обладающую определенными адаптивными свойствами, и ряда других вопросов, связанных с ориентировкой руки, процессами поиска и т. д.»
В 1972 г. в Москве состоялся Четвертый симпозиум по теории и принципам устройства манипуляторов. К этому времени уже была выявлена острая потребность самых различных отраслей народного хозяйства в системах типа роботов, манипуляторов, педипуляторов, шаговых устройств. В докладах были освещены результаты работ по созданию манипуляторов копирующего типа различной структуры и различного функционального назначения, а также по манипуляторным системам с автоматическим управлением.
Специальная теория роботов - ч. 1
Во всех передовых в промышленном отношении странах в этот период проводились экспериментальные и производственные исследования вновь создаваемых и проектируемых манипуляторов и роботов. Были созданы различные системы стационарных и мобильных манипуляторов, в том числе большой грузоподъемности.
Во важной проблемой все еще оставалось их качество. Из-за особенностей структуры манипуляторов и связанных с ними задач управления степенями свободы возрастает продолжительность выполнения рабочей операции с помощью манипулятора по сравнению с ручным ее исполнением в 3—10 раз. А это означает, что для выполнения одной и той же работы вместо одного оператора надо поставить от 3 до 10 машин и к ним от 3 до 10 операторов.
Важной проблемой оставалось и создание шагающих машин, которые во многих случаях имеют преимущества перед колесными машинами.
«Перспективны исследования, связанные с повышением функциональности систем типа «робот». Разработка новых систем очувствления, систем искусственного зрения, устройств переработки информации, так называемого искусственного интеллекта, систем обобщенного управления, в которых как единая система работают оператор—ЭЦВМ—робот,— это только краткий перечень тематики, приближающей техническое устройство к нашему представлению о роботе с широкими функциональными свойствами.
Манипулятор, педипулятор, шагающая машина, робот—все это сложные машинные агрегаты. Их создание требует применения и развития современных методов теории машин, теории автоматического управления, теории информации. Мало того, уже сейчас очевидно, насколько полезным может оказаться участие в этих работах биофизиков и физиологов, ибо попытки искусственно воспроизвести и воплотить в технической системе двигательные, чувственные, интеллектуальные функции живого организма неизбежно связаны с необходимостью проникнуть возможно глубже в механизмы их естественной реализации. Таким образом, интенсивное развитие робототехники неизбежно сопряжено с формированием и развитием специальной теории роботов».
Специальная теория роботов - ч. 2
С целью объединения усилий всех советских институтов, лабораторий и отдельных специалистов, работающих над различными вопросами робототехники, по предложению И. И. Артоболевского и под его руководством в 1973 г. был организован в составе Отделения механики и процессов управления Академии наук СССР Научный совет по теории и принципам устройства роботов и манипуляторов.
В 1974 г. состоялся Пятый симпозиум по теории и принципам устройства роботов и манипуляторов.
