|
|
|
– Ладно, – сказал он. – Только один вопрос. Ответите – и все... Знаете в метро такие двери стеклянные, когда открываешь их, пружинят? Какая нужна минимальная сила, чтобы раздвинуть их?
|
Механика, удобная механизмам.Академик К. В. Фролов, вице-президент АН СССР и директор Института машиноведения, на XXVII съезде КПСС среди наиболее важных достижений науки, обещающих весомую помощь промышленности и сельскому хозяйству, назвал и разработку, о которой мы рассказываем в этом номере журнала. "На станкостроительном заводе "Красный пролетарий" организованы лаборатории Института машиноведения имени А. А. Благонравова АН СССР по проблемам надежности робототехнических систем, – рассказывал он делегатам съезда партии. – Именно благодаря совместной работе в короткие сроки, в предсъездовские дни, здесь создан опытно-промышленный образец робота принципиально нового типа, основанного на эффекте резонанса. При этом энергопотребление привода снижено в пять – семь раз, металлоемкость за счет применения композиционных материалов – до 30 процентов, в несколько раз повышена его надежность". Предисловие первое, о делах очень важных Роботы, гибкие автоматизированные производства, новые технологии – все это сегодня, что называется, на острие прогресса. С ними связывают новый уровень развития производительных сил, новый облик производства, прорыв к невиданной ранее производительности труда. Это, наконец, освобождение человека от рутинной, вредной, а то и просто опасной работы. Но буря восторга вокруг новой техники захлестывает порой те подводные камни, что скрываются на ее пути. Новое не отменяет старых истин. И для любой технологии, любого робота всегда будут существенны такие понятия, как надежность, энергоемкость, коэффициент полезного действия. На Всемирной выставке ЭКСПО-85, проходившей в городке Цукуба, в пятидесяти километрах от Токио, японские фирмы – признанные лидеры в мировом роботостроенин – демонстрировали много моделей этих железных трудяг с электронными "мозгами", которые совершенствуются и "умнеют" год от года. Вот робот, который умеет читать ноты, его пальцы бегло и четко ударяют по клавишам органа, ноги нажимают педали. Он делает все, что доступно музыканту, за исключением того, что придает неповторимости игре каждого виртуоза. Впрочем, как бы говорят устроители выставки, когда такой робот сядет за пульт управления, скажем, электростанцией, это и не понадобится. Но чисто механически он слаб – не требуется большой силы, чтобы нажать клавишу электронного органа или кнопку на пульте. Сила ему и не нужа – его достоинства совсем в другом. Ну а если все же нужна сила? Устанавливать на станок металлические болванки – это ведь не клавиши нажимать. Демонстрировался робот и на этот случай. Самый сильный в мире. Двурукий. Он поднимал штангу весом в двести килограммов, то есть столько, сколько поднимают в рывке тяжелоатлеты весовой категории до 110 килограммов. Его звали "Фанук Мэн", и он намного превосходил всех одноруких собратьев, которым пока больше восьмидесяти не одолеть. Но весил при этом не 110 и даже не 1100 килограммов, а ни много ни мало двадцать пять тонн! Теперь представьте себе, сколько энергии нужно, чтобы передвигать, поворачивать такую махину. А полезная работа та же, что и у штангиста, – перемещение на некоторое расстояние груза в двести килограммов. Здесь даже традиционная присказка "кпд, как у паровоза" не годится. У могучего "Фанук Мэна" он ниже. И точно так же обстоят дела и у прочих роботов. Да и не только у них. "Энергетический кризис" – камень преткновения для многих наисовременнейших технологий, хотя сами по себе эти технологии куда как хороши, а иной раз и просто незаменимы. Один из примеров – вибротехника. Вот что пишет известный специалист в этой области, вице-президент АН СССР академик К. В. Фролов: "Вибротехника "захлебнулась" в собственном энергетическом кризисе. Даже наращивание мощностей, которые во многих случаях уже достигли предельных величин, ставящих под сомнение эффективность самих технологий, не дает желаемых результатов. Преодоление энергетического барьера, например, только в одной ультразвуковой технологии позволило бы народному хозяйству экономить ежегодно сотни миллионов рублей". Так что же – старые истины ставят под сомнение новую технику? Предисловие второе, о делах очень личных Вступительные экзамены в институт, наверное, памятны каждому, кто сдавал их. Помню свои экзамены и я. Физика была почему-то последней, а вдобавок я, согласно алфавиту, шел в самом хвосте. Экзаменатор слушал, опустив голову и разглядывая на своем столе что-то, известное только ему. Было уже все сказано по билету, и я замолчал, вежливо покашливая, чтобы привлечь его внимание. Он поднял голову, подпер ее рукой. Глаза его были обалдевшими от усталости. – Ладно, – сказал он. – Только один вопрос. Ответите – и все... Знаете в метро такие двери стеклянные, когда открываешь их, пружинят? Какая нужна минимальная сила, чтобы раздвинуть их? – Сколь угодно малая, – ответил я довольно быстро, потому что на меня, что называется, "снизошло". – Лишь бы она воздействовала в такт раскачиванию двери и толкала ее в НУЖНОМ направлении. Вроде как раскачивают качели. Не знаю, кто был доволен больше – я или экзаменатор. Маленький трудяга – опытный образец Он стоит на столе, непривычно маленький, выкрашенный в спокойную бежевую краску, и, пощелкивая своими металлическими суставами, поворачивается, хватает детальки, переносит их в нужное место н аккуратно кладет. Его зовут МАРС – манипуляцнонная авторезонансная система – и он умеет не больше, чем серийно выпускаемые роботы. Поднимает такой же груз, с той же точностью устанавливает в нужные позиции. Но только при этом время его перемещения меньше в три раза, вес меньше в девять раз и во столько же – потребляемая мощность. Отсюда и кпд в девять раз больше, чем у серийного.
Стробоскопическая съемка движения робота МАРС. У краев снимка вспышки сгущаются – робот ускоряется от начальной позиции и замедляется на подходе к конечной. Когда руководитель разработки, доктор технических наук Владимир Ильич Бабицкнй из Института машиноведения имени А. А. Благонравова АН СССР, рассказал о нем на Московском станкостроительном заводе "Красный пролетарий", ему не поверили. Бабицкнй обещал привезти МАРС, если так можно выразиться, на "очную ставку". "Хорошо, – сказали ему на заводе – грузовик мы вам дадим". Обошлись без грузовика – робот приехал на завод на заднем сиденье личного автомобиля и так же деловито начал переставлять детальки на столе у руководства. "Все равно, так не может быть", – шутили на заводе. Это была первая, веселая реакция. Сейчас роботом заинтересованы уже вполне серьезно: его технические характеристики, о которых только что шла речь, делают эту заинтересованность вполне понятной. При ближайшем рассмотрении обращает на себя внимание вот еще что: он не подрагивает, останавливаясь в крайних позициях, как это бывает у прочих роботов. "И неудивительно, – говорит Бабицкий, – ведь ему удобно останавливаться именно в этих точках, а у других роботов движение искусственно прерывается в нужном месте. Остановите резко движущуюся систему, – конечно, она какое-то время будет колебаться". И в выключенном состоянии МАРС удивляет – он упруго подвижен в каждом своем звене. Нажмешь на него сверху, и он качается некоторое время вверх-вниз. Толкнешь – качается вправо-влево. Такой мягкостью обладает расслабленная человеческая рука. Секрет робота отражен в одном из слов его названия – "авторезонансный". Слово это ключевое, потому и нуждается в пояснении. Разговор об этом начался в кабинете Бабицкого, н в нем участвовал кандидат технических наук Владимир Константинович Асташев. Топор с крыльями В лекциях и публичных выступлениях Бабицкий любит рассказывать коротенькую притчу. Современные двигатели настолько мощны и при этом компактны, а системы управления настолько изощренны, что в принципе можно заставить летать топор. Но элементарный здравый смысл подсказывает, что все же лучше сначала приделать к топору крылья н придать ему обтекаемую форму. Смысл притчи гораздо сложнее ее самой: не увлекаясь системами управления, сначала "выжать" все из конструкции машины, то есть из объекта управления. Уметь тщательно рассчитывать и настраивать его. Машину можно уподобить скрипке, а систему управления – смычку в руке, его держащей. Как бы ни была виртуозна рука, из плохой скрипки много не получишь – звучит-то, в конечной счете, она. ...Они с Асташевым кончали один институт, а потом попали на разные места работы: Бабицкий – в Институт машиноведения, Асташев – в конструкторское бюро, занимавшееся ультразвуковой обработкой материалов. Первый увлекся механикой виброударных процессов, одним из сложнейших разделов теоретической механики, хотя и реализуется он в таком, казалось бы, примитивном инструменте, как отбойный молоток. Второй занялся конструированием станков для ультразвуковой обработки. Встречались, рассказывали друг другу о своей работе. Ультразвуковая обработка – процесс в своем роде уникальный. Ему поддаются материалы, совершенно не пригодные к традиционным технологиям – резке, фрезеровке, обточке. Сверхтвердые материалы и хрупкая керамика, стекло и драгоценные камни – это перечень лишь самых ярких достижений. Выглядит все довольно просто: вибратор с волноводом, на конце которого насажен инструмент, опущены в ванну с абразивом, а на дне ванны закреплено обрабатываемое изделие. Вибратор передает колебания инструменту и... А вот что дальше, было непонятно. Исследования показали, что ультразвуковая обработка – это внброударный процесс. Частицы абразива подобны миллионам крохотных отбойных молотков, колеблющихся под действием ультразвука. Возникает очень сложная колебательная система, которую раньше никто не учитывал. Ультразвуковые станки завод выпускает настроенными на пик резонансной кривой – на режим, в котором их колебания наиболее интенсивны. Эти прекрасные станки опускали свои волноводы в ванны с абразивом н деталью и моментально становились плохими: процесс стремительно "съезжал" с крутой резонансной кривой, и его эффективность падала. Чтобы компенсировать это, стали добавлять мощности в вибратор. В результате кпд оказывался на уровне двух-трех процентов. И уникальная технология упиралась в тот самый энергетический барьер, о котором пишет академик К. В. Фролов. Чтобы преодолеть его, надо было научить машину наилучшим образом реагировать на все ситуации, встречающиеся ей в работе, – приделать ей "крылья", научить "звучать". Большая волновая наука Еще до войны советские физики, академики Л. И. Мандельштам и А. А. Андронов, создали школу теории колебаний. К этой школе принадлежащими считают себя и герои нашей статьи, хотя формально они не учились ни у того, ни у другого академика. Но в науке гораздо важнее духовная принадлежность. Колебания присущи практически любой системе в природе. Дело лишь в приспособленности к ним. Есть системы, специально созданные для этого, они и называются колебательными. Внутренние характеристики такой системы определяют частоту, на которой она колеблется после, скажем, начального толчка, – ее собственную частоту. Если периодически компенсировать потери энергии на трение, на сопротивление, то колебания перестанут затухать и могут продолжаться бесконечно долго. Это будет уже автоколебательная система. Для ее работы обязательна обратная связь, которая должна следить, когда добавлять энергию. Автоколебательная система имеет одно из важнейших свойств, называемое "раскачкой": она способна после включения источника энергии сама, без первичного толчка, увеличить амплитуду колебаний от нуля до некоторой характерной для неё величины. В нашем журнале уже много писалось о нелинейности и нелинейных процессах в природе. Автоколебательная система – сердце любого радиопередающего и приемного устройства, любого телевизора, частотомера, да и просто часов, будь то механические или электронные, – эта система принципиально нелинейна. В теории строго доказывается, что какой-либо нелинейный элемент обязателен для автоколебаний. Линейность просто неспособна создать устойчивые колебания. Столь же сложно и явление нелинейного резонанса, когда колебательная система меняет свои резонансные свойства в зависимости от амплитуды колебаний. Возбудить и, главное, стабилизировать такой резонанс в условиях меняющихся режимов сложно вдвойне: система все время стремится как бы ускользнуть с пика характеристики. Ей, однако, это не удается, если раскачивающая сила по определенному закону, специфическому для каждой конкретной системы, будет следить за изменением собственной частоты. Система как бы войдет в резонанс сама с собой. Это явление академик А. А. Андронов назвал авторезонансом. Термин устойчиво вошел в науку. Итак, было понятие и были основы теории. Правда, всего лишь основы. В классической, почти тысячестраничной монографии А. А. Андронова, А. А. Внтта и С. Э. Хайкнна авторезонансу отведено только семь страниц. Так что перед учеными, задумавшими использовать это явление в ультразвуковой обработке, стояла труднейшая задача. Дело началось с построения модели так называемого "хрупкого разрушения обрабатываемого материала частицами абразива в виброударном режиме". Появилась физическая ясность процесса, умение описать его в понятиях теории колебаний. А дальше – рассматривать и вибратор, и волновод, и ванну с абразивом, и материал как единую колебательную снстему. И наконец, понимание того, как замкнуть процесс обратной связью, чтобы "вогнать" его в режим авторезонанса. Это и были результаты, на которые ушли годы. Энергия, уходящая на разрушение материала и потери в системе, добавляется, как и прежде, из электрической сети. Но теперь система черпает ее в том темпе и тех количествах, которые необходимы ей в каждый данный момент обработки. И, кроме того, энергии нужно гораздо меньше, потому что она уходит на поддержание колебаний с той частотой, на которой готова качаться сама система. Здесь – большая колебательная наука. Она во всем: в расчете вибратора, резонатора, волновые потери в котором должны согласовываться по частоте и фазе с потерями на разрушение, и даже в зазоре между вибратором и датчиком обратной связи. Суворову принадлежит крылатая фраза: "Тяжело в учении – легко в бою". В нашем случае сложнейшая теория, тяжелые объемистые расчеты вылились в конструкцию настолько простую, что сам станок был сделан буквально за неделю. С новой точки зрения Авторезонансный подход дает совершенно новый взгляд на старые, хорошо известные разделы механики и теории машин. В шлифовальных и строгальных станках есть стол с закрепленной деталью, который совершает возвратно-поступательное движение. Он приводится в движение электромотором через редуктор. Сначала стол разгоняется в одну сторону, потом тормозится, разгоняется в противоположную сторону, вновь тормозится и вновь разгоняется. Но если сконструировать систему как колебательную, авторезонансную, то двигателю не надо будет ни разгонять, ни тормозить, ни останавливать стол, ведь маятник сам останавливается в крайних положениях, а лишь подталкивать, компенсируя потери на трение и обработку металла. Редуктор и система управления им, рассчитываемые, по сути дела, по законам радиофизики, – согласитесь, это нечто новое. Используя эти формулы, удалось добиться многого, что на первый взгляд кажется чудом, и находит, конечно, вполне материалистическое объяснение. Например, робот, описанный в этой статье, не подрагивает в крайних позициях, и это удивительно лишь до тех пор, пока не станет ясно, что позиции эти просто-напросто крайние точки его колебаний. Он сам готов остановиться в них, сам разгоняется при выходе из этих точек. Физические колебания – это непрерывный переход одного вида энергии, в данном случае механической, в другой. Остановленный в крайней точке, робот накопил в этот момент в упругом элементе потенциальную энергию. Освободи его, и она начнет переходить в кинетическую – звено двинется в нужную сторону. А двигатель слегка подтолкнет, восполняя потери на трение. Возникает, конечно, вопрос: а где же взять первоначальную энергию на запуск робота? Ведь мощность двигателя чуть ли не в двадцать раз меньше той, что развивается при движении звена. В случае с маленьким МАРСом все просто; его рукой устанавливают в одно из крайних положений, то есть взводят, как курок у пистолета перед первым выстрелом. А как быть, если робот создан, чтобы перемещать не полкилограмма, как МАРС, а, скажем, в сто раз больше? Оказывается, никак. Достаточно включить робот, и он под действием внутренних процессов в системе обязательно качнется, хотя бы на долю миллиметра. Этого достаточно. Обратная связь подхватит это движение, добавит через усилитель чуть-чуть энергии – робот качнется на больший угол. Потом еще на больший, еще, еще... Через несколько тактов качания он дойдет до одного из крайних положений, остановится в нем и будет готов к работе. Со стороны это выглядит впечатляюще – он как бы с ничего, словно раздумывая, работать ему или нет, покачивает своей рукой, все увеличивая и увеличивая амплитуду движений. Но, с другой стороны, надо знать физику. Ведь раскачивает же маленький ребенок тяжелые качели, которые потом и взрослому-то остановить не под силу. Точно так же, "с ничего" включается и станок для ультразвуковой обработки. Но в нем это приводит к существенному упрощению конструкции – выкидывается задающий генератор. Он не нужен – система раскачается сама. Общая задача может быть поставлена так: движение механизма надо формировать как собственное, на собственной частоте, то есть сделать так, чтобы нужное движение машины было удобно для нее самой. Пока что во всех существующих конструкциях движения вынужденные. Мы не думаем о машине – она же неживая, что с ней церемониться! В результате приходится преодолевать инерцию звеньев, деформировать упругие элементы и тратить на это значительную часть энергии из той общей, что уходит на весь процесс. Удобные для машины движения резко снижают эти ненужные затраты. И если на каждом движении каждой машины получать выигрыш энергии в десяток раз, тут уж... сами понимаете. На этом дело, однако, не кончается. Спроектированная новым образом система неожиданно получает и новые свойства. Ну возьмем хотя бы тот же робот. Подняв деталь некоторого веса, он тем самым вносит существенные изменения в параметры своей колебательной системы. Примерно так же повел бы себя маятник, к которому прикрепили дополнительный груз. Обретя иные внутренние характеристики, система меняет и собственную частоту. Это изменение можно оценить и, следовательно, измерить массу груза. Без дополнительных датчиков робот получает способность чувствовать переносимый груз. А ведь проблема очувствления – одна из центральных в робототехнике. Или проблема уменьшения времени холостых ходов. Здесь она тоже решается автоматически: сняли деталь – увеличилась частота колебаний, и рука робота гораздо быстрее возвращается в исходную позицию. И это лишь начало. Ученые группы Бабицкого разрабатывают все новые теоретические ответвления, видят все новые сферы приложения. Появились ученики и последователи в институтах и на предприятиях страны. Они получают авторские свидетельства на устройства, на способы. Работают с открытыми глазами потому, что стоят на прочном теоретическом фундаменте. Ну и, наконец, нельзя не упомянуть, хотя бы кратко, еще об одной области, где можно и должно изучать авторезонанс, – о биологии и в первую очередь о биомеханике. Ведь рука или нога – это тоже механизмы со своими звеньями, шарнирами, двигателями или, привычнее говоря, костями, суставами, мышцами. Неужели природа, создавая живые машины, позабыла о таком мощном способе экономии энергии? Вряд ли. Известен такой опыт: бегунам на бедра, чуть повыше колен, надевали своего рода "кандалы", связывающие их ноги резиновым амортизатором. Казалось бы, они должны только мешать. Так оно и было, но лишь на первых тренировках. А затем испытуемые стали бегать с ними куда быстрее, чем без них. Теперь-то понятно, что произошло. Наша центральная нервная система живо приспособилась к новой упругой связи, появившейся в ее двигательном аппарате, и научилась использовать энергию растянутой резины. А мышцы действовали затем подобно тем самым маломощным двигателям в роботе: добавляли малые порции энергии взамен растраченной на трение, сопротивление воздуха и так далее в систему, имеющую благодаря резине гораздо более высокую частоту. Типичная авторезонансная картина. Недавно появились статьи, рассматривающие ходьбу как авторезонансный процесс. Может быть, таким же процессом является рысь у многих животных, ведь этот аллюр очень экономен, им можно пробегать десятки километров. В общем, дел для биомехаников здесь хватает. А начинать им придется далеко не с пустого места. Технические перспективы О том, насколько выигрышен МАРС в сравнении с серийным роботом, речь уже шла. Правда, он пока делает сравнительно простые движения. Но таких манипуляторов, действующих по принципу "подал-принял", требуется 80 – 90 процентов от общего количества. Обрабатывает деталь станок, а робот его обслуживает. Технические выгоды авторезонансного робота не кончаются им самим. Одно дело – управлять двигателем мощностью в сотни ватт и совсем другое – миниатюрным четырех-пятнваттником. Становятся не нужны усилители, сигналы управления могут идти непосредственно с интегральных схем, а значит, вместо электронного "шкафа" – маленькая "нашлепка" на робот. Изумительна по простоте и конструкция робота. С первого взгляда она кажется даже примитивной. Впрочем, с точки зрения "внешней" механики, так оно и есть. Весь "ум" конструкции – в ее динамике, он спрятан в тех формулах и расчетах, которые легли в ее основу. А ведь чем проще механизм, тем он надежнее, тем проще его обслуживать и ремонтировать. И все же, как мне показалось, любимое дитя группы Бабицкого – вибрационная и, в частности, ультразвуковая техника. О достоинствах станка их конструкции мы уже говорили. Но вот еще некоторые факты и цифры. Станок для ультразвуковой обработки материалов одной западной фирмы, демонстрировавшийся недавно на выставке в Москве, потребляет мощность 1100 ватт при усилии 6 килограммов. Авторезонансный потребляет на таких усилиях меньше сорока ватт. С двух-трех до пятидесяти процентов повышается кпд, в десятки раз – производительность. Не правда ли, впечатляет? Тем не менее это начало. Начало широкого использования в технологии мощного ультразвука. До сих пор из-за неумения, а вернее незнания, не удавалось довести до обрабатываемого материала большую мощность. Известны лишь некоторые достоинства ультразвука: с его помощью можно очищать поверхность металла, сваривать, смешивать жидкости, не смешиваемые в обычных условиях, размалывать. Гораздо больше неизвестно, нуждается в проверке, в конкретных цифрах н графиках. Знали, например, что воздействие ультразвука повышает пластичность металла. Но как, насколько? И вот по рекомендации института вводят в конструкцию пресса для штамповки установку, конечно же, рассчитанную на работу в режиме авторезонанса, чтобы заставить штамп вибрировать во время работы. Выигрыш от этого должен быть – это все знали заранее, но результат просто ошеломил. Вместо усилия в двадцать тонн понадобилось четыреста килограммов – в пятьдесят раз меньше. Теперь представьте себе, насколько легче конструкция пресса, рассчитаного на усилие в пятьдесят раз меньше, насколько компактнее и легче должен быть его фундамент, высота и ширина здания, в котором он находится, и так далее. А после этого умножьте на количество прессов в стране. Ученые нескольких академических институтов составили целый перечень задач, где мощный ультразвук способен произвести настоящий переворот. Наряду с проблемами машиностроения, металлообработки, материаловедения, там есть и совсем неожиданные для неспециалиста, – например, производство дрожжей и сыра. Оказывается, и там получается существенная выгода. Вибрационная технология значительно шире, чем применение ультразвука. Есть процессы, где не нужны колебания столь высокой частоты. Но с физической точки зрения – это все равно колебания, а следовательно, и их можно перевести в авторсзонансный режим. В лаборатории мне показывали вибрационную платформу, которая с помощью уже описанных принципов способна к авторезонансу. Правда, пока это только макет. Кроме прочих, здесь есть н вполне извинительная причина: промышленный образец не влез бы не только в лабораторию, но, возможно, и в здание института. Ведь такие платформы применяются в устройствах очень крупногабаритных. Например, в грохотах – машинах для механической сортировки сыпучих материалов, используемых на всех обогатительных фабриках, шахтах, карьерах для добычи щебня. Вибраторы разгружают вагоны, в которых песок или гравий так плотно спрессовался от бесчисленных толчков на стыках рельсов, что другим способом их и не опорожнишь. И всюду авторезонанс поможет сэкономить миллионы, а может быть, и десятки миллионов киловатт-часов электроэнергии, облегчить и упростить конструкции машин. А есть еще вибротранспорт, есть еще... Всего не перечесть. "Были бы условия, можно было бы перебрать многие области техники, привнося туда эти принципы", – говорит Бабицкий. И это действительно так. Я не рассказал еще об измерениях в режиме авторезонанса, об оригинальных способах взвешивания в автоколебательном режиме (ситуация сама по себе занятная – на исходе XX века получено авторское свидетельство на новый способ измерения силы), да и о многом другом. И все это в опытных образцах, в макетах, в расчетах. А сколько еще в задумках, в прикидках... Ясно одно: в механике, в теории машин и механизмов открыта интересная глава. На ее основе может произойти существенный сдвиг в конструировании и технологии. И, пожалуй, даже самим создателям этого нового направления сейчас неизвестно, сколько еще неожиданного будет дописано в нее. |
| Дата публикации: 15 января 2004 года | В начало |
| Источник информации:
« Знание – сила», № 6, 1986.
Электронная версия. |
© "От молекул до планет", 2006 (2002)... |
