Алексей Боголюбов - Творения рук человеческих (Естественная история машин)
Механизм — это приспособление для передачи и преобразования движения, а движение, в свою очередь,— обязательный атрибут машины; в этом ее существенное сходство с живым организмом.
Машина может состоять из одного или нескольких механизмов, которые выполняют различные функции. В своей совокупности они должны составить такую последовательность или цепь, которая, исходя из некоторого данного движения, преобразует его в тех целях, для выполнения которых и создана машина.
Выше уже говорилось, что в машине с древних времен различали три составные части: двигатель, передачу и орудие. Двигатель, или приемник, производит или принимает работу, предназначенную для приведения машины в действие; передача служит для распределения работы по рабочим органам машины, которых у машины может быть один или несколько.
Рабочие органы обязательны в каждой машине. Без них нет машины, если исходить из ее предназначения. Иными словами, рабочий орган — обязательное условие существования машины.
С давних же времен в состав машины иногда вводились еще органы, регулирующие ее ход, а иногда и управляющие им. Эти органы, очевидно, не входят в число трех обязательных.
Современная научно-техническая революция выявила наличие еще трех составных частей машины — регулирующей, логической и кибернетической, которые не обязательны, но которые все чаще встречаются в составе машин.
Интересно, что не только в каждой машине есть три вида обязательных составных частей и три необязательных, но подобное же разделение по основному назначению можно отнести и к самим машинам. Могут быть машины-двигатели, машины-передатчики, машины-орудия, логические машины и т. п. Так, например, токарный станок является рабочей машиной, или машиной-орудием. Но это в то же время и настоящая машина, в ее составе мы можем обнаружить двигатель, передачу, орудие, а возможно, и логическую группу (станки с программным управлением).
Продолжим наш анализ. Рассмотрим, из каких частей состоит механизм. Прежде всего, это — звено. Звеном называют «скелетную» часть механизма, т. е. его несущую конструкцию, но — и это надо обязательно иметь в виду — абстрагированную от физических свойств материала. Такими свойствами уже обладает та или иная деталь звена.
Число звеньев меньше числа механизмов. Известно около пяти тысяч механизмов, но звеньев же около двухсот. Сюда относятся рычаги, кулачки, зубчатые колеса, диски, «мальтийские кресты», винты и гайки, а также звенья, обладающие различными свойствами. В зависимости от своего назначения звенья могут иметь различную форму (например, зубчатые колеса: цилиндрические, конические, эллиптические, винтовые) и различные размеры.
С того времени, когда было выяснено, что машины состоят из механизмов, и до настоящего времени продолжаются попытки классификации всего этого непрерывно растущего множества. Их классифицировали по форме, по характеру передаваемого ими движения, по их функциональному значению, выясняли их теоретическую структуру. Все эти попытки вошли в фонд учения о машинах, но самая известная из них, получившая мировое признание, это классификация одного из основателей русской научной школы по теории механизмов и машинам Леонида Владимировича Ассура. Об этой классификации, разработку которой продолжила советская школа ученых-механиков, речь пойдет ниже.
Работа над систематикой механизмов не завершилась и сейчас, так как всегда обнаруживаются такие механизмы, которые не «вписываются» в общепринятую классификацию. Вплоть до настоящего времени разрабатываются и предлагаются новые квалификационные системы, основанные на различных принципах. Эти попытки имеют целью не только найти более точную универсальную систему механизмов, но и облегчить построение новых механизмов и машин, облегчить их синтез, а также дать возможность заменять механизмы одного строения другими, которые выполняют аналогичные преобразования движений.
Звенья не могут существовать в составе машины не связанными друг с другом. Каждые два звена сочленяются одно с другим кинематическими парами, которые на взаимное движение обоих звеньев накладывают определенные ограничения. Последовательность звеньев, связанных между собой кинематическими парами, называется кинематической цепью.
Таким образом, мы можем подойти и к определению механизма: механизм—это замкнутая последовательность звеньев, сочлененных между собой парами, при этом одно или несколько звеньев служит для приложения работы и одно или несколько других.—для получения полезной работ ы. Это ведущие и ведомые звенья. Их наличие в механизме обязательно, тогда как другие—промежуточные звенья — могут и отсутствовать.
Понятие замыкания цепи является достаточно широким. Цепь замыкается не только с помощью постоянной кинематической пары, но и в процессе рабочей операции. Рабочее орудие и обрабатываемый материал также образуют кинематическую пару. Расширение понятия замыкания в особенности пригодно при изучении таких цепей, как роботы и манипуляторы, которые в нерабочем состоянии представляют собой разомкнутые цепи.
Очень важной характеристикой цепей служит число их степеней свободы. Дело в том, что каждое тело, взятое отдельно, имеет в пространстве шесть степеней свободы: оно может сделать прямолинейное движение в направлении всех трех осей в прямоугольной системе координат и криволинейное — вокруг тех же трех осей. Но реально оно может двигаться в каком-то одном направлении. Так, камень, брошенный в каком-либо направлении, в своем полете опишет определенную траекторию, форма которой будет определяться силой броска, земным тяготением, плотностью и движениями воздуха, сопротивлением воздуха, зависящим от формы камня. Аналогично этому происходит полет артиллерийского снаряда с тем лишь отличием, что в этом случае траектория полета предсказывается с некоторой возможной ошибкой.
В машине необходимая траектория движения рабочего звена должна быть точной и заранее предсказанной, что достигается с помощью связей, наложенных на движение звеньев. Именно для этого и создаются кинематические пары. Каждая пара в зависимости от конфигурации и ряда условий соприкосновения звеньев накладывает от одной до пяти связей и, таким образом, допускает от пяти до одной степени свободы. Если мы сможем вычислить числа связей, накладываемых на цепь всеми кинематическими парами, то в результате получим число степеней свободы исследуемого механизма.
По конструктивным признакам основные механизмы можно свести в следующие группы: 1) стержневые, или рычажные (шарнирные) механизмы; 2) фрикционные механизмы; 3) зубчатые механизмы; 4) кулачковые механизмы; 5) механизмы с гибкими звеньями; 6) винтовые механизмы; 7) механизмы с упругими звеньями; 8) комбинированные механизмы; 9) механизмы переменной структуры; 10) механизмы движения с остановками; 11) гидравлические механизмы; 12) пневматические механизмы; 13) электромагнитные механизмы; 14) электронные механизмы.
Естественно, что в эту классификацию не укладываются многие механизмы, применяемые в настоящее время при построении машин. Однако перечисленные группы охватывают большинство элементов — звеньев механизмов, которые известны на практике. Рассмотрим эти группы.
Рычажные механизмы. Происхождение стержневых, или рычажных, механизмов очень древнее: их прообразом был рычаг, одно из наиболее старых орудий, освоенных человеком.
Рычаг является как бы удлинением руки человека. Если рассматривать движения, возможные для тела человека, точнее, для его скелета, то окажется, что мы имеем дело с системой связанных между собой стержней. Суставы, связывающие между собой стержни, есть ничто иное, как кинематические пары, и они дают возможность звеньям всей кинематической цепи (скелета) совершать такие движения в пространстве, которые разрешает форма суставов. Суставы различаются между собой. Некоторые из них, как, например, сустав плеча, обеспечивают возможность пространственного движения руки: этот сустав идентичен сферической паре, применяемой в пространственных механизмах. Она называется сферической потому, что в ней одна сфера (головка стержня) вращается в сферической чашке (подшипнике). Другие суставы, например суставы пальцев, дают возможность только плоского движения. Таким образом, тело человека можно рассматривать как механизм очень сложной структуры, состоящий из (условно) прямолинейных звеньев, связанных между собой кинематическими парами. На протяжении двух тысячелетий усилия многих механиков были направлены на то, чтобы построить искусственный механизм, подобный этому.
В XVI—XVII вв. некоторые художники-маньеристы также пытались привести человека к совокупности звеньев, связанных шарнирами, но такие попытки не дали ожидаемого результата. Многого удалось добиться уже в наше время (в последней трети XX в.), когда вплотную занялись робототехникой. Правда, полностью скопировать движение человеческой руки, например, пока ни один робот или манипулятор не может. Рука человека, рассматриваемая как кинематическая цепь, имеет 22 степени свободы, тогда как для манипулятора 7—8 степеней свободы уже труднодостижимы. Все же поиски подобия здесь несомненны. То же самое и в еще большей степени относится к механизмам протезов, которые должны взять на себя действие отсутствующих органов человеческого тела. Правда, и теоретически и даже практически можно построить механизм, кинематика которого допускала бы 22 степени свободы и даже выше, но создание системы управления всеми этими звеньями, и притом так, чтобы в результате получалось одно определенное и точное движение, представляет собой непреодолимую (во всяком случае для настоящего времени) трудность. Иначе говоря, можно получить скелет без мускулов!