Реферат: Теория механизмов и машин для инженеров
Поистине революционную роль в системах управления и автоматизации производства сыграло появление математических счетно-решающих машин и устройств. Их «спектры» оказались безгранично большими, чем «спектры» человека. Но, может быть, самое главное заключается в том, что с помощью этих машин стало возможным заменить человека не только в процессах управления машинами, но и в выполнении многих других интеллектуальных функций, требующих решения сложнейших логических задач. С помощью этих машин стали возможными анализ многозвенных, с большим числом степеней свободы механизмов, решение задач оптимального синтеза как отдельных механизмов, так и сложных машин и систем машин автоматического действия, решение задач проектирования многокритериальных и многопараметрических машинных устройств, программное управление большинством современных машин, управление новыми машинами с устройствами биомеханического вида типа манипуляторов, роботов, шагающих и других машин.
Научное единство механики машин и теории управления машинами весьма наглядно и, на наш взгляд, убедительно показано на примерах решения проблем современной теории механизмов и машин.
Остановимся только на проблеме общей теория машин и систем машин автоматического действия. В ближайшие годы все более широкое применение в производстве получат машины автоматы, автоматизирующие самые различные технологические процессы как в промышленности, так и в сельском хозяйстве. Широкое применение машины-автоматы и устройства автоматического действия получат для решения различных научно-исследовательских задач, в частности при исследовании законов природы, изучении космоса, глубин земли и океанов. Вновь создаваемые машины-автоматы должны обладать высокой эффективностью выполнения технологического процесса, удовлетворять требуемым экономическим показателям и иметь автоматическое управление, максимально освобождающее человека от контроля за работой машины. В целях повышения производительности труда, увеличения количества выпускаемой продукции, улучшения экономических показателей производства будут создаваться не только машины-автоматы, но и системы машин автоматического действия в форме различных поточных линий, переходящих в заводы-автоматы.
Отличительной чертой машин-автоматов и систем автоматического действия ближайшего будущего будет высокий уровень управления ими по самым различным параметрам, критериям и показателям. Система управления в зависимости от требований, которые предъявляются к управляемому объекту, и от условий, в которых он работает, могут иметь логические элементы электронного, пневматического, гидравлического и механического типов. Системы управления могут содержать блок памяти и блоки, которые обеспечивают автоматическую поднастройку и адаптацию управляемых объектов, позволяющие качественно выполнять требуемый технологический процесс при изменяющихся внешних условиях. Создание системы машин автоматического действия потребует разработки методов вероятностного и структурно-логического их анализа и синтеза с учетом их производительности, эффективности, надежности, качества продукции, экономичности и точности действия. Для анализа и синтеза таких систем потребуется создание и развитие специальных формализованных языков, ориентированных на решение проблем синтеза, развития новых математических методов решения задач структурного синтеза с широким использованием теории исследования операций.
Процессу функционирования больших технологических систем и процессу их синтеза свойственна известная неопределенность, вызванная неполнотой информации об условиях эксплуатации, о качестве используемых систем и т.п. Для анализа и синтеза технологических систем подобного типа, если их рассматривать как системы с неполной информацией, могут быть использованы аналитические методы, к которым относятся вероятностные схемы случайных величин и случайных функций, математический аппарат теории массового обслуживания и т. д. В исходных случаях и при полной неопределенности тех или иных условий работы технологических систем может быть использована теория игр.
Необходимо дальнейшее развитие теории алгоритмических процессов проектирования систем машин автоматического действия.
Любая машина, в том числе и машина-автомат, представляет совокупность механизмов, выполняющих различные операции: технологические, транспортные управляющие и т. д. Многообразие этих механизмов очень велико, их можно классифицировать по различным признакам в зависимости от поставленной задачи анализа или синтеза. Наиболее удобна классификация по видам тех элементов, которые входят в состав того или иного механизма. Так, мы различаем механизмы только с жесткими звеньями и механизмы, у которых кроме жестких звеньев, имеются гидравлические пневматические, электрические, наконец, электронные и фотоэлектронные элементы.
Развитие методов анализа и синтеза механизмов указанными элементами составляет одну из главных задач современной теории механизмов.
Так как при решении задач синтеза механизмов чаще всего мы имеем дело с многокритериальными системами, задачи синтеза связаны обычно с поиском оптимальных вариантов Нахождение оптимальных вариантов и, чаще, областей, в которых существуют эти вариант, требует развития теории оптимального синтеза механизмов. Решение подобных задач, как правило, возможно только с помощью ЭВМ, а это требует разработки соответствующих алгоритмов и программ.
Большие задачи стоят в области анализа и синтеза механизмов передач. Здесь в первую очередь надо отметить необходимость дальнейшего развития синтеза зубчатых механизмов, особенно пространственных волновых зубчато-рычажных и т. д.
Повышение энергетических, силовых и скоростных характеристик машин автоматического действия, высокие требования к их точности и надежности обусловливают развитие в ближайшие годы методов динамического исследования и расчета машин.
Необходимо развивать методы изучения динамических режимов машин как в периоды установившихся так и в периоды неустановившихся движений. Получит дальнейшее развитие динамика машин с переменной массой звеньев и переменной структурой.
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 и создание новых двигателей и вибрационных механизмов, обладающих требуемыми кинематическими характеристиками. «Все в мире вибрирует» — это не просто фраза, а реальная действительность, с которой мы должны считаться и уметь извлекать выгоду из нее.
Важной социальной проблемой являются изучение влияния вибраций на организм человека и разработка средств его вибрационной защиты. Перспективно направление, связанное с использованием источников вибрации с малыми амплитудами и большими частотами для различных приборов, медицинского оборудования, для создания движителей с вращательным и поступательным движением и т. д.
В этой области также важную социальную задачу призваны решить исследования причин и источников шумовых эффектов в машинах и разработка задач динамики. машин, связанных с полной или частичной локализацией шумов определенных уровней. Одновременно надо продолжать изыскания по использованию шумовых дефектов для технической диагностики машин.
К машинам автоматического действия относится новый класс машин, получающий широкое применение в технике. Это роботы, манипуляторы, шагающие и ползающие машины и т. п. Эти машины позволяют осуществлять самые сложные движения исполнительных органов и тем самым автоматизировать широкий круг технологических операций. Особое значение эти машины и системы будут иметь в тех случаях, когда необходимо освободить человека от работы в тяжелых, вредных или опасных условиях, как, например, высокая температура, повышенная радиоактивность, наличие вредных газов и химических продуктов. С помощью этих машин человек может быть освобожден от утомительных и монотонных операций на конвейерах, поточных линиях, от выполнения тяжелых погрузочно-разгрузочных работ. С помощью промышленных роботов может воспроизводиться огромное количество операций по транспортировке обрабатываемого объекта, закреплению и раскреплению их в обрабатывающих машинах, по упаковке, расфасовке, при контрольных операциях.
Подобные автоматические машины и системы уже нашли и будут далее находить применение при проведении научных исследований в космосе, в глубинах и на дне океанов, под землей. Замена человека на всех тяжелых, утомительных, трудных операциях имеет громадное социальное значение, так как она коренным образом освобождает человека от тяжелого физического труда, предоставляя человеку функции управления и введения в систему необходимой дополнительной информации. Рабочие органы этих машин, как правило, представляют собой сложные по структуре пространственные кинематические цепи со многими степенями свободы.
Задача изучения механики роботов, манипуляторов, шагающих и других машин и систем тесно переплетается с задачами управления в самом широком понимании вопросов управления, т. е. включая разработку искусственного интеллекта для них. В первую очередь должны быть развиты работы по структурному, кинематическому и динамическому анализу и синтезу различных схем механизмов, роботов, манипуляторов, шагающих и других машин и систем.
Промышленные роботы и манипуляторы, управляемые оператором или с помощью программного устройства, могут быть отнесены к роботам первого поколения. В настоящее время должны получить быстрое развитие работы по созданию роботов последующего поколения, обладающих некоторыми органами чувств человека, например, осязанием, слухом, видением, обонянием, и способных воспринимать некоторую неощутимую человеком 'информацию, например, реагировать на ультразвук, на электромагнитные и тепловые поля и т.д. К роботам еще более позднего поколения будут относиться устройства, обладающие искусственным интеллектом. В решение этой последней проблемы входят создание методов описания окружающего мира и формирования этого мира в памяти роботов, разработка специальных формализованных языков как средства для управления роботами, их обучения и управления их поведением. К проблеме искусственного интеллекта для роботов тесно примыкает проблема взаимодействия робота со средой и человеком, а также вопросы взаимодействия между человеком и роботом. Сюда относятся разработка способов общения человека с роботом, выявление характеристик в системе «человек—робот», а также исследование распределения функций между человеком и роботом в зависимости от степени автономности последнего.
Одной из важнейших в этом научном направлении является проблема создания автоматических локомоционных машин, в том числе передвигающихся с помощью конечностей, т. е. проблема механики и управления шагающими машинами и другими подобными устройствами. Создание локомоционных устройств, передвигающихся с помощью конечностей, требует решения задач структурного, кинематического и динамического анализа и синтеза механизмов, выбора и проектирования двигателей, разработки легких, малогабаритных и мощных приводов с высоким КПД. К этой проблеме относятся и задачи разработки экзоскелетонов, т.е. устройств, совершенствующих силовые параметры человека, увеличива