Действительно, Виллис создал наиболее совершенную для того времени классификацию механизмов. Рёло создал механические модели механизмов и их элементов, введя понятие о кинематической паре, кинематической цепи и кинематической схеме. Чебышев устанавливает аналитическую связь между числом звеньев и числом кинематических пар механизмов, т. е. дает основы структуры механизмов и показывает, каким мощным аппаратом является математика для решения задач анализа и синтеза механизмов.
Теперь, когда мы, хотя и очень приближенно, установили начало становления теории механизмов и машин как науки, нет необходимости подробно излагать историю ее развития от второй половины XIX в. до наших дней. Перечислим только некоторых ученых, с именами которых связано развитие науки о машинах. В России это были Петров, Орлов, Вышнеградский, Сомов, Жуковский, Гохман, Горячкин, Мерцалов, Ассур и другие: в Германии — Грюблер, Мор, Бурместер, Грасгоф, Бах, Виттенбауэр, Альт и другие.
В США фактически до 40-х годов не было школы в области теории механизмов и машин, и только после 40-х годов появляются первые работы американских ученых. В настоящее время американская школа представляет собой крупное направление в области теории механизмов и машин.
Широкое развитие теория механизмов и машин после второй мировой войны получила в социалистических странах, а также в Италии, Голландии, Австралии, Канаде и в ряде других стран.
Теория механизмов и машин всегда была одной из многих ветвей того дерева, которое мы называем механикой. В последние годы в связи с автоматизацией производства и научных исследований механика машин все шире начинает использовать достижения современной теории управления. Происходит как бы симбиоз механики машин и теории управления: на стыке этих наук вырастает новая по существу, но богатая опытом прошлого наука «механика машин и управления машинами».
Нелегко прогнозировать будущее науки, особенно в век бурного развития науки и техники.
Еще великий русский ученый химик Д. И. Менделеев писал: «Границ научному познанию и предсказанию предвидеть невозможно».
Современная ТММ и её направления
Основным направлением развития современной техники является автоматизация всех видов производства с целью облегчить физический труд людей, повысить производительность их труда, улучшить качество изделий, обеспечить возможность широкого выпуска изделий массового производства.
Одновременно с ростом автоматизации физического труда в настоящее время важнейшей становится проблема автоматизации и интеллектуального труда человека, замена человека машиной в решении различных логических задач. Автоматизация физического и интеллектуального труда требует создания новых механизмов, машин-автоматов и систем машин автоматического действия.
В решении задач автоматизации важнейшая роль принадлежит теории механизмов и машин — научной базы машиностроения.
Как указывалось выше, теория и проектирование машин и систем машин автоматического действия родились на стыке двух наук: механики машин и теории управления. Механика машин развивалась и развивается на базе теории механизмов и машин, а теория управления — на базе классической теории регулирования. Привлекая к решению своих задач аппарат современной математики, достижения в области физических наук, используя теоретическую механику, теорию информации, кибернетику, электронику и другие фундаментальные науки, механика машин и теория управления машинами призвана развивать инженерные методы анализа и синтеза машин-автоматов и систем машин автоматического действия.
Если обратиться к истории развития машиностроения, то на всех этапах создания тех или иных машин разрабатывались и соответствующие методы управления ими. Достаточно вспомнить игрушки-автоматы, созданные многими умельцами в XVII—XVIII вв., жаккардовые ткацкие станки, паровые машины и другие двигатели, снабженные регуляторами, механические пианолы и тому подобные механизмы и машины. Но до середины нашего века управление машинами и механизмами лежало в основном на человеке, а следовательно, если так можно сказать, «спектр управления» механизмами и машинами находился в пределах физиологических и биомеханических возможностей человека.
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.