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!
Несмотря на свое древнее происхождение, рычажные механизмы развивались чрезвычайно медленно. С известной степенью приближения к ним можно отнести ось с коленом — привод ворота. От этого колена, как уже отмечалось, ведет свое начало коленчатый вал, нашедший применение в двигателях внутреннего сгорания.
Нужно сказать, что все механизмы, и в первую очередь рычажные, выполняли какую-то определенную задачу: они воспроизводили те движения, которые умел выполнять человек. Но не просто воспроизводили (если бы это было так, то в них не было бы нужды), а придавали этим движениям новое качество — либо увеличивали, либо, наоборот, уменьшали скорость, а зато приумножали силу... К понятию работы ученые пришли путем многих и длительных размышлений в течение последних столетий, но сущность закона: то, что «выигрываем в силе, проигрываем в пути», была известна еще с античных времен, а возможно, и раньше.
В составе машин рычажные механизмы появляются относительно поздно. Во второй четверти XIII в. архитектор Виллар де Оннекур собрал в своей «записной книжке» эскизы различных строительных и механических конструкций, с которыми ему пришлось иметь дело. Здесь есть, в частности, чертеж лесопильной мельницы с водяным приводом, основным механизмом которой является шарнирный четырехзвенник. На протяжении следующих четырех столетий было изобретено всего несколько шарнирных механизмов.
Лишь в конце XVIII в. оживляется работа над созданием рычажных механизмов, и связано это было с изобретением паровой машины. В первой части книги уже говорилось о том, что Уатт для своей машины изобрел механизм параллелограмма, благодаря которому возвратно-поступательное движение поршня преобразовывалось в движение рабочих машин. Говорилось и о том, что еще до параллелограмма Уатта был изобретен кривошипно-ползунный механизм для преобразования движения поршня во вращательное движение кривошипа. Так, в состав машин вошли кривошипно-ползунный механизм, основной механизм первых универсальных энергетических машин, и параллелограмм Уатта, одно из самых гениальных изобретений в истории техники. Сам изобретатель писал о нем так: «... хоть я и не особенно забочусь о своей славе, однако горжусь изобретением параллелограмма более, чем любым другим моим изобретением».