Создание в Казахстане научной школы машиноведения

Машиностроение является одним из главных средств материализации научно-технических достижений, тех­нической и технологической реконструкции производ­ства, что особенно актуально в современных условиях развития экономики страны. Республика Казахстан ис­пытывает необходимость ускоренного создания новой техники и технологии, вынуждена решать пер­востепенные и неотложные задачи по выпуску освоен­ных и импортозамещающих машин и оборудования для базовых отраслей, среди которых особое место зани­мает нефтегазовое, горнометаллургическое и сельскохозяйственное машиностроение. Для решения этих задач республика располагает высоким научно-техническим потенциалом, высококвалифицированны­ми специалистами и машиностроительными предприя­тиями с достаточно насыщенным станочным парком, оборудованием и производственными площадями.

Теоретической основой машиностроения является машиноведение, которое, в свою очередь, базируется на теории механизмов и машин (ТММ). В ТММ изуча­ются методы анализа и синтеза (исследования и про­ектирования) механизмов, являющихся »скелетами» машин, т.е. именно в ТММ закладывается основа лю­бой машины. Согласно материалам «ТММ в XXI веке» Генеральных Ассамблей Международной федерации по ТММ, объединяющей в своем составе Нацио­нальные комитеты по ТММ более 50 стран мира, в т.ч. Национальный комитет по ТММ Республики Казахстан, в сферы деятельности ТММ входят также проблемы надежности и прочности машин, управление машина­ми, также современные направления механотроники и робототехники.

Ведущая роль в формировании науки ТММ принад­лежат русской, а затем советской школе по ТММ, бла­годаря исследованиям выдающихся ученых: математи­ка П.Л.Чебышева и механика И.И.Артоболевского. Именно по инициативе советских ученых-машинове­дов в 1965 г. была организована !РТоММ и ее первым президентом был избран академик И.И.Артоболевский — основоположник советской школы по ТММ.

Казахстанская научная школа по ТММ была создана известным ученым-механиком и государственным дея­телем, академиком НАН РК, академиком Международ­ной инженерной академии и Инженерной академии РК У.А.Джолдасбековым. Начало 60-х годов было началом становления ТММ, в т.ч. теории механизмов высоких классов (МВК) в Казахстане. МВК благодаря своим структурным особенностям, т.е. наличию изменяемых замкнутых контуров из подвижных звеньев, обладают широкими функциональными возможностями. Исполь­зование МВК в манипуляционных устройствах по сравнению с существующими антропоморфными (рукообразными) конструкциями роботов повышает точность позиционирования и быстродействие вследствие боль­шой жесткости, увеличивает грузоподъемность за счет распределения сил по контурным звеньям. Кроме того, в МВК имеется возможность реализации сложных про­граммных траекторий одного или нескольким рабочих органов, что значительно упрощает систему управле­ния манипуляционными роботами, созданными на базе МВК. Несмотря на большие функциональные возмож­ности, МВК не получали широкого применения в ин­женерной и конструкторской практике при создании новых машин и оборудования. Одной из главных при­чин слабого внедрения МВК в технике было отсутствие эффективных и доступных для инженеров методов их исследования и проектирования. Казахстанскими уче­ными под руководством академика У.А.Джолдасбекова разработаны методы анализа и синтеза МВК. Именно исследования в области МВК подняли казахстанских ученых-машиноведов на международный уровень. Ка­чественное исследование МВК, выявление их функци­ональных возможностей, определение путей исполь-зования в современном машиностроении возможны при наличии аналитических и численных методов анализа и синтеза. Поэтому следующим этапом в области ис­следования МВК явилась разработка аналитических и численных методов (академики ИА РК Ж. Ж. Байгунче-ков, М. М. Молдабеков; чл.-корр. ИА РК У. Т. Абдрахи-мов, С. М. Ибраев). Разработан метод условных обоб­щенных координат, сводящий системы трансцендент­ных уравнений замкнутости контуров к одному или к двум уравнениям с одним или с двумя неизвестными в зависимости от вида групп Ассура (с неравномерно или равномерно распределенными поводками) и позволя­ющий определить число сборок, проводить их иденти­фикацию и решить задачу о перемещениях. Составлены в матричной форме дифференциальные уравнения дви­жения МВК и разработаны методы их решения. На ос­нове принципа виртуальных перемещений определе­ны уравновешивающие сипы и момекты МВК и разрабо­таны алгоритмы аналитической кинетостатики методом замены ведущего звена и условных обобщенных коор­динат без и с учетом трения в кинематических парах. Разработаны методы структурно-кинематического син­теза МВК, основанные на решении задач о координа­ции движений двух подвижных плоскостей при помощи бинарных звеньев с вращательными и поступательными кинематическими парами.

На базе разработанных аналитических и численных методов анализа и синтеза МВК созданы принципиаль­но новые, не имеющие аналогов в мировой практике, грузоподъемные, погрузочно-разгрузочные и грузозах­ватные устройства, которые защищены более 100 ав­торскими свидетельствами и патентами, в том числе Великобритании, Германии, Италии, Финляндии, Че­хии, Польши. Изготовлены опытно-промышленные партии подъемников ВШ-6 и ВШД-8, подмостей меха­низированных ПМ-4, ПМ-6, ПМ-12и грейферных по­грузчиков. На грузоподъемное устройство ВШ-6 про­дана лицензия фирме «Мего-18 Новембри» (Югосла­вия).

Созданные грузоподъемные и погрузочно-разгру­зочные устройства построены на базе плоских одноподвижных МВК, т.е. они работают в одной плоскости и по одной жестко заданной программе, т.е. траекто­рии. Поэтому эти устройства имеют ограниченное при­менение, в основном в строительстве для монтажных и ремонтных работ. Кроме того, из-за практически невоз­можности изготовления строго параллельных осей вра­щения шарниров в плоских МВК возникают избыточ­ные связи, что приводит к резкому увеличению сил реакции и трения в шарнирах. Увеличение сил реак­ции в шарнирах, в свою очередь, приводит к возраста­нию массы конструкции и снижению его КПД, В связи с этим были начаты исследования по созданию теории пространственных МВК со многими степенями свобо­ды (Ж. Ж. Байгунчеков, С. У. Джолдасбеков, Б. К. Нурахметов). Пространственные МВК по сравнению с плоскими МВК имеют следующие преимущества: уст­раняются избыточные связи, что приводит к снижению значений сил реакций и трения в кинематических па­рах и уменьшению их энерго- и материалоемкости; увеличивается зона обслуживания за счет использова­ния пространственных кинематических цепей и увели­чения числа степеней свободы; устранение избыточ­ных связей и увеличение зоны обслуживания позволяют расширить область применения пространственных МВК и создать на их базе нефтегазовые, горнометаллурги­ческие и сельскохозяйственные машины с малой энер­го- и материалоемкостью.

Наряду с исследованиями МВК казахстанскими уче­ными-машиноведами проводятся исследования дина­мики механизмов с переменными параметрами и с уче­том упругости звеньев, роторных систем (Г.У.Уалиев, Е.Р.Рахимов, А.Ч-Джомартов, Ж.К. Масанов, Р.К.Наурыз-баев, Е.С.Темирбеков, А.К.Тулешов), а также в облас­ти надежности и прочности машин (Ш.М.Айталиев, М.Р.Нургужин, Ж.О.Кульсеитов, Т.П.Раимбердиев, Ж.Н.Касымбек, Ж.Б.Бакиров).

В области машиноведения в настоящее время бур­но развивается механотроника, объединяющая в себе базисные знания трех фундаментально-прикладных областей: механики машин, электроники и информа­ционных технологий. Сам термин «механотроника» объединяет понятия «механика» и «электроника». Кон­цепция механотроники, сформулированная японской фирмой «Yashikawa Electric Corp/, признана специали­стами во всем мире как современная и перспективная методология производственной автоматизации. Меха-нотроника принята в качестве одного из девяти при­оритетов развития науки в Ттратегии-2030» РК как ос­нова пятого—шестого технологических укладов. Клас­сическим примером механотронного устройства явля­ется робот, представляющий собой объект, созданный на основе исполнительного механизма (манипулятора) и микропроцессорной техники.

В последнее время в мировой практике развития робототехники наблюдается тенденция использования манипуляторов с замкнутыми кинематическими цепя­ми или так называемых параллельных манипуляторов (ПМ). При этом основным критерием построения мани­пул яционных роботов является выполнение техноло­гической операции минимальными энергозатратами, не обязательно подражая движению руки человека.

Благодаря наличию замкнутых кинематических це­пей ПМ воспринимают нагрузку как пространственные формы и потому обладают высокой грузоподъемнос­тью и жесткостью. Возможность расположения всех или части двигателей на стойке или вблизи нее позволяет добиться большей скорости и точности, поскольку не происходит суммирования ошибок, обусловленных дви­гателями. Высокая удельная грузоподъемность и хо­рошие динамические показатели обеспечивают исполь­зование таких систем в условиях быстроменяющихся динамических нагрузок.

Однако задачу проектирования манипуляционных роботов можно поставить в более широком виде, рас­сматривая манипуляционный робот как механизм с эле­ментами управления. Такая постановка проблемы проектирования манипуляционных роботов путем оп­тимального сочетания их механики и управления (элек­троники) соответствует современной концепции меха—нотроники (механика т электроника) как методологии разработки простой, надежной и дешевой технологи­ческой автоматизации. По-видимому, не случайно, что именно в Японии, занимающей лидирующее положе­ние в производстве и применении промышленных ро­ботов, где возникла концепция механотроники, поня­тие промышленный робот включает себе кроме авто­матических манипуляторов и простейшие автоперато-ры, т.е. механизмы с одной степенью свободы.

В Институте механики и машиноведения им. У.А. Джолдасбекова МОН РК (ИММаш), являющимся един­ственным в республике, который занимается пробле­мами машиноведения, впервые исследуются пробле­мы создания параллельных манипуляторов с функцио­нально независимыми приводами (ПМ с ФНП) на базе многолетних научных результатов, полученных в об­ласти анализа и синтеза плоских и пространственных механизмов высоких классов со многими степенями свободы.

ПМ с ФНП назван параллельный манипулятор, у которого за каждую составляющую движения охвата «отвечает’¹ отдельный привод, т.е. происходит функ­циональное разделение работы приводов.

В настоящее время в ИММаш МОН РК выполняется программа фундаментальных исследований «Разрабо­тать методы анализа и синтеза ПМ с ФНП», согласно которой разработан принцип формирования ПМ с ФНП из отдельных структурных модулей (СМ), сформулиро­ваны и решены аппроксимационные задачи синтеза СМ ПМ с ФНП методами Чебышевского и квадратического приближений, синтезированы принципиально новые позиционирующие и ориентирующие ПМ с ФНП, кото­рые защищены патентами РК.

Перспективами развития научного направления по ПФИ «Разработать методы анализа и синтеза ПМ с ФНП» являются исследования по динамике и прочности, мно­гокритериальной оптимизации, разработки САПР и си­стем управления ПМ с ФНП, а также создание на их базе высокоэффективных машин для нефтегазовой и горнорудной промышленности, а также транспорта (станки-качалки, буровые оборудования, устройства по хранению и транспортировке нефти, виброударные механизмы, шагающие транспортные средства повы­шенной проходимости и др.).

Исследования по данному фундаментальному на­правлению требуют консолидацию ученых республики в области механики, машиноведения, машиностроения, материаловедения, информационных технологий. Ос­новной научно-технический потенциал страны по ма­шиностроению, станкостроению и технологии маши­ностроения (М.Р.Тусупбеков, А.Н.Нуржанов, Т.М.Мен-дебаев)_: подъемно-транспортным, горным и металлур­гическим машинам (С.А.Джиенкулов, А.Т.Филимонов, Л.А.Крупник, А.Ф.Цеховой, И.Н.Столповских, Х.Г.Аха-нов, НХДавильбеков), конструкционным материалам (О.К.Дуйсемалиев, САМашеков) находится в КазНТУ им, К.И.Сатпаева, Некоторые ученые-машиностроите­ли работают в других вузах республики; М.М.Жасимов (Павлодарский государственный университет им. С.То-райгырова), ИАЯнцен (КарГТУ), РАКабашеви Р.Т.Таукелов (Казахская академия транспорта и коммуника­ций) и др. Ученые в области управления и информаци­онных технологий работают в КазГУ им. аль-Фараби (Ш,С. Смагулов.Т.Н.Бияров), КазНТУ им. К.И.Сатпаева (Д.Н.Шукаев, Г.З.Казиев, Д.Ж.Сыздыков, М.К.Шуакаев), Институте проблем информатики и управления (А.А. Ашимов, М.Б.Айдарханов).

Согласно Концепции об интеграции образования и науки в соответствии с пунктом 4.3.1.12 «Осуществить поэтапную интеграцию научных учреждений и высших учебных заведений», Постановления Правительства РК «План мероприятий по реализации Программы действий Правительства РК на 2000 — 2002 годы» Jfc367 от 7 мар­та 2000 г. заключен генеральный договор о сотрудни­честве между КазНТУ им. К.И.Сатпаева и ИМ Маш им. УА Джолдасбекова, где сосредоточен основной науч­но-технический потенциал республики в области ма­шиноведения и машиностроения. На базе ма­шиностроительного факультета и факультета химичес­кой технологии и полиграфии в КазНТУ создан Инсти­тут машиностроения, технологий и экологии (ИМТиЭ). Этими двумя институтами совместно с РГП «Институт экономических исследований¹⁵ Министерства экономи­ки и торговли (МЭиТ) РК разработана Программа раз­вития нефтегазового машиностроения РК на 2001 -2005 годы, сопровождаемая созданием новых технологий, охраной окружающей среды и подготовкой кадров по этим направлениям. Проведен анализ современного состояния отечественных производств для нефтегазо­добывающего комплекса, разработана общая концеп­ция развития нефтегазового машиностроения Казахста­на, представлены методы и механизмы реализации программы. Выполняются совместные работы с ОАО «АЗТМ» и МНТЦ «Машиностроение» МЭиТ РК. В облас­ти образования в ИМТиЭ с участием ученых ИММаш получены лицензии на новые специальности 2502-Динамика и прочность машин, 3502-Механотроника и робототехника, 3702-Системы автоматизированного проектирования и осуществлен прием-студентов по этим перспективным специальностям, открыта новая вы­пускающая кафедра «механотроника и робототехника».