Точная механика

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск
Набор концевых мер от 2 до 100 мм.
Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Механика
Классическая механика
\(\vec{F} = m \vec{a}\).
Второй закон Ньютона
История классической механики

Точная механика — научная и инженерная дисциплина, занимающаяся разработкой теории, а также проектированием и изготовлением точных механических систем (в том числе приборов точной механики, измерительных устройств, прецизионного оборудования, гидравлики, ювелирного дела и т. д.). Основное отличие от применяемых механических устройств, предназначенных для совершения полезной работы состоит в том, что их создание и применение обеспечивает более жёсткий контроль получения основных продуктов с определёнными параметрами, свойствами. Важнейшим этапом становления точной механики был период создания приборов времени (механические часы) и оптических приборов (микроскоп и др.).

Точная механика является средством управления при создании продуктов с заданными характеристиками (размерами, формой, материалом, свойствами материала и т. д.; например, при приёмочном контроле или в режиме активного контроля с автоподналадкой силовых систем (например, режущего инструмента при обработке и получении деталей с заданными размерами). В настоящее время благодаря точной механике и системам активного контроля процессов изготовления машин, существуют отдельные участки, цеха, где ро́боты осуществляют весь производственный процесс выпуска машин без участия человека. Система работы «автопилотов» в самолётах даёт возможность полностью автоматизировать полёт, и даже произвести подъём и посадку самолёта и т. д.

Точная механика является разделом более общей дисциплины — Механики. Основной акцент делается на рассмотрении научных и инженерных вопросов метрологии, технологии проектирования и изготовления точных механических систем (оптико-механических устройств, приборов точной механики, контрольно измерительной оснастки, прецизионного оборудования).

История[править]

Развитие точной механики и её выделение из механики, формирование точной механики, как отрасли прикладной науки — тесно связано с запросами человечества и самой историей науки. Можно выделить ряд направлений, в которых задачи механики требовали особенного внимания к точности изготовления устройств. В первую очередь это измерение углов и расстояний (астрономия), измерение времени, счётные и музыкальные устройства, оптические приборы.

Астрономические приборы[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Астрономия Древней Греции
Небесный глобус
астролябия

Еще в III веке до н. э. александрийские астрономы использовали для определения координат небесных тел чисто механические устройства.

Почти все начинающие любители астрономии полагают, что первый прибор по астрономии, который они должны иметь — это хотя-бы небольшой телескоп, или хотя бы бинокль, или монокуляр. Но множество открытий древние астрономы совершили с помощью более простых механических устройств: они пользовались различными расчерченными на градусы (в прямом смысле слова) деревянными палочками и перекладинами, квадратиками и кружочками больших и малых размеров. Это были разные астрономические посохи, высотомеры, секстанты, квадранты и трикветры. Ими пользовались древнегреческие астрономы (а они почти все эти инструменты впервые и создали), и Аристарх, и Гиппарх, и Птолемей. В средние века арабские астрономы довели эти механические измерительные приборы почти до совершенства. Использовались эти приборы для решения задач самого раннего, тогда только рождавшегося раздела астрономии — астрометрии, которая занималась вопросами изучения небесных светил — для расчета положений светил на небесной сфере, расстояний между звездами; определением по небу времени, и поэтому они и называются угломерными инструментами. Как и все приборы они требовали большей точности. Потому их делали для этого как можно большими, а у арабских астрономов они стали настоящими громадинами, так квадранты достигали радиуса 60 м Николай Коперник с помощью таких приборов определял координаты планет и рассчитал по ним свою гелиоцентрическую систему.

Впоследствии, в XV и XVI веках в обиход вошли устройства типа армилярной сферы, глобуса (земного и небесного), астролябии, диоптра и т. п.

В эпоху Возрождения высокого совершенства достигло искусство создания и применения весьма точных угломерных инструментов. Точность производимых измерений была доведена до предела, ограниченного возможностями глаза наблюдателя. Таким образом с помощью точной механики решались те проблемы, которые в дальнейшем стало возможным решать лишь на новом техническом уровне, с помощью оптических приборов. В дальнейшем Тихо де Браге довёл точность измерения координат небесных тел до такого совершенства, что Кеплер смог на основе его данных построить теорию движения планет.

Приборы времени[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Часы

[1], [2]

Переносимые часы производства мастерской Хенляйна в Нюрнберге, XVI век, первая половина

Развитие точной механики значительно продвинулось вперёд благодаря изобретению Христианом Гюйгенсом механических маятниковых часов, а также созданием навигационных приборов, секстантов и т. п., что дало толчок к интенсивному мореплаванию и началу эпохи великих географических открытий. Развитию часового дела способствовала деятельность ремесленников Швейцарии и Германии, где особенно прославились мастера Нюрнберга и, среди них изготовитель замков и часов Петер Хенляйн, считающийся создателем безмаятникового часового механизма[3]. Со временем стало модным заключать часовой механизм карманных часов в футляр сферической формы. После этого за такими часами, начало производству которых было положено в Нюрнберге, закрепилось название «Нюрнбергские яйца». Для дорогих часов изготавливаются специальные шкатулки для часов, в том числе с автоподзаводом.

В этом же направлении шло создание часов с боем, а также различных механических музыкальных инструментов, в том числе и действующих по заданной программе. К их числу можно отнести кариллон, музыкальные шкатулки, механическое пианино и уличную шарманку.

В настоящее время часовой механизм является стандартным компонентом профессионального телескопа, находящегося на земной поверхности, позволяющий компенсировать влияние вращения Земли.

Оптические приборы[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Оптические приборы

Создание зрительной трубы и микроскопа вызвало к жизни разработку оборудования, необходимого для точной механической обработки металлов и стекла (шестерни и линзы).

Точные измерения и основы теории ошибок[править]

Измерения размеров[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Измерения размеров

Измерение — контрольно-метрологическая операция для определения большинства принятых в науке и технике величин, которая сводится в основном к измерению длин, масс и промежутков времени.

Измерения, например, (геометрического) размера детали, длины волны электромагнитного излучения, скорости перемещения сигнала и т.д. производятся при помощи эталонных мер, контрольно-измерительных средств выбранных из условия величины допуска проверяемых величин.

Получившееся числовое значение определяет действительный размер измеряемой величины, называемой значением физической величины. Измерение физической величины опытным путём проводится с помощью различных контрольно-измерительных средств измерений — мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, систем, установок и т.д. Контрольно-измерительные операции можно разделить:

  • Аттестация самих средств измерения в службах ОТК, метрологических лабораториях, в центральной метрологической службе Главного метролога региона; При этом службы ОТК формируются на предприятиях, выпускающих продукцию. Как правило в условиях массового производства используются средства контроля: предельный меритель, контрольные приспособления с калибрами для настройки, разного рода штангенциркули, нутромеры, скобы — разные: жёсткие предельные, индикаторные и т. д. Эти средства поверяются в метрологических службах предприятия, которые оснащены универсальными и прецизионными средствами контроля, как оптическими микроскопами, плитками йогансона, столами чугунными, гранитными, имеющие предельно высокую точность поверхности и т. д. Приборы и мерительные средства контроля этих метрологических служб проходят по графику аттестацию в Главных службах метролога, например, города.
  • Метод измерений — приёмка или аттестация средств контроля определяется на основании техпроцессов, паспортов, аттестатов (определение годности) всех мерительных средств. При эксплуатации имеет место износ и изменение допустимых значений размера, поэтому, как правило, все контрольно-измерительные средства имеют допуск и предельные размеры износа, которые рассчитываются.

Контрольно-измерительный инструмент и метрологические средства аттестации рассчитываются или подбираются в зависимости от проверяемого допуска на размеры в проверяемых изделиях. Точность измерения размера определяется средством контроля, имеющего свою точность. Например, при контроле линейного размера 100 c допуском плюс-минус 0,500 мм, выбирается контрольное приспособление с точностью в пределах 10 % проверяемого допуска. Штангенциркуль с нониусом в 0,05 мм обеспечивает точность контроля — годность детали в пределах допуска с точностью плюс-минус 0,05 мм (Размер 100 считается годным в случаях 99,45 и 100,55мм).

В тех случаях, когда невозможно выполнить измерение (не указан допуск, практикуется оценка таких величин по условным шкалам, таблицам, например, Шкала Рихтера интенсивности землетрясений, Шкала Мооса — шкала твёрдости минералов

Наука, которая занимается измерениями, создания эталонов мер и т. д., аттестацией средств измерения называется метрологией.

Основы неопределённости измерений[править]

Неопределённость измере́ний (или как составляющая основ теории ошибок) — оценка отклонения величины измеренного значения величины от её истинного значения. Погрешность измерения (неопределённость измерения) является характеристикой (мерой) точности измерения.

Поскольку выяснить с абсолютной точностью истинное значение любой величины невозможно, то невозможно и указать величину отклонения измеренного значения от истинного (В любых случаях добиться абсолютного совпадения размеров годных изделий при сравнении их между собой или эталоном невозможно, так как сам эталон при аттестации не может маркироваться с абсолютным расчётным значением размера. Он маркируется по действительному полученному размеру (относительному). При этом не учитываются погрешности самих средств его аттестации, имеющих собственно минимально-достижимую (расчётную) погрешность)). Термины ошибка измерения и погрешность измерения используются как синонимы (см. БСЭ)). Но оценить величину этого отклонения возможно, например, при помощи статистических методов. В данном случае за истинное значение принимается среднестатистическое значение, полученное при статистической обработке результатов серии измерений. Это полученное значение не является точным, а лишь наиболее вероятным. Поэтому в измерениях необходимо указывать, какова их точность. Для этого вместе с полученным результатом указывается погрешность измерений. Например, запись T=2.8±0.1 c. означает, что истинное значение величины T лежит в интервале от 2.7 с. до 2.9 с. некоторой оговоренной вероятностью (см. доверительный интервал, доверительная вероятность, стандартная ошибка).

В 2006 году на международном уровне был принят новый документ, диктующий условия проведения измерений и установивший новые правила сличения государственных эталонов. Понятие «погрешность» стало устаревать, вместо него было введено понятие «неопределенность измерений» (Международный стандарт ИСО/МЭК 17025).

Контроль размеров[править]

Допуски и посадки[править]

Допуск[править]

До́пуск — разность между наибольшим и наименьшим предельными значениями размеров, массовой доли, массы и задаётся на геометрические размеры деталей, на механические, физические и химические их свойства.

Определяется (выбирается) исходя из технологических требований точности к изделию (продукту). Изделие или продукт, находящийся в пределах допуска, является годным (допустимым).

Допуск в российских стандартах — абсолютная величина.

Посадка[править]

Посадка — способ соединения сопрягаемых деталей машин, оборудования и приборов ( оптических устройств), определяемый зазором или натягом, то есть разностью их размеров до сборки согласно с назначенным допуском.

Система Допуски и посадки существует в двух вариантах:

  • Система вала — основным размером является размер вала, а размер отверстия выбирается с различным зазором или натягом;
  • Система отверстия — основным размером является размер отверстия, а размер вала задаётся с необходимым зазором или натягом.

Виды посадок определяют степень свободы относительного перемещения деталей и характеризуются как: посадка с зазором, посадка с натягом, переходная посадка.

  • Посадка с зазором — соединение с гарантированным зазором, то есть наименьший предельный размер отверстия больше наибольшего предельного размера вала[4] или равен ему.
  • Посадка с натягом — соединение с гарантированным натягом, то есть наибольший предельный размер отверстия меньше наименьшего предельного размера вала или равен ему.
  • Переходная посадка — соединение с возможным зазором или натягом в зависимости от действительных размеров вала и отверстия.

Взаимозаменяемость и унификация[править]

Взаимозаменяемость[править]

Взаимозаменяемость — характеристики элементов конструкции, изготовленных с определённой точностью геометрических, механических, электрических и иных параметров, способных обеспечивать заданные эксплуатационные показатели вне зависимости от времени и места изготовления при сборке, ремонте и замене этих элементов.

Для облегчения выполнения условий взаимозаменяемости рекомедуется использовать нормальные линейные размеры, установленные по ГОСТ 6636 на основе стандартных рядов предпочтительных чисел по ГОСТ 8032.

Взаимозаменяемость бывает:

  • полная взаимозаменяемость (требуемые характеристики у всех элементов);
  • неполная (частичная) взаимозаменяемость (часть элементов с погрешностью (характеристикой) больше чем допуск на сборку, при этом возникает риск не собрать изделие);
  • групповая (требуемые характеристики достигаются путём включения элементов, принадлежащей общей группе заранее измеренных и рассортированных);
  • регулировка (требуемые характеристики достигаются регулировкой специального элемента путём изменения места, положения или введения дополнительного элемента);
  • пригонка (для достижения заданных свойств конструкции изменяют параметры элемента (заранее назначенного) необходимые для успешной сборки).[5]

Унификация[править]

Унифика́ция — (от. лат. unus — один, facio — делаю; объединение) — приведение к единообразию, к единой форме или системе.[6]

Механические измерительные устройсва контроля размеров[править]

Дигитальный ‎штангенциркуль
Один из первых образцов теодолита

На принципе диоптра были основаны первые угломерные приборы, получившие в геодезической практике название теодолитов и нивелиров, обычный штангенциркул сегодня способен произвести замеры с точностью 0,01м. Например, один из способов измерения, когда метод измерения производится при помощи оценки размера по шкале нанесенных точных рисок, где расстояния между рисками выбираются в зависимости от требуемой точности замера и по положению визирной риски движка на шкале визуально определяется размер. [7]

Предельный измерительный инструмент[править]

Резьбовой калибр-предельный меритель‎. Унего имется проходной и непроходной калибры, которые обозначены: ПР,НЕ

В раздел точной механики входит большая группа контрольно-измерительного инструмента (мерителя) типа калибров, мастерплиток, шаблонов, лекал, угломеров, штангенциркулей, индикаторных скоб, линеек, нутромеров и т. д.. То есть средств измерения размеров и оценки точности поверхностей не оснащённых оптическими системами. В данном случае используется принцип работы проходных и непроходных калибров, рассчитанных с учётом предельно-допускаемых отклонений (допуска) на сам размер. Это удобно для работы в условиях массового производства, когда необходима скорость контрольных операций приёмки продукции при низкой квалификации работников с гарантированной оценкой качества, с малой затрат умственного и зрительного напряжения. Годность деталей определяется: если проходной калибр проходит (проверка отверстия), а непроходной — не проходит, то деталь годная.

Техника точной механики[править]

Вычислительная техника[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Вычислительная техника

Древнейшим примитивным прибором механики, связанным с вычислениями, является абак, используемый до настоящего времени в модификации, известной нам, как конторские счёты.

Наиболее древним вычислительным прибором, позволяющим моделировать движение небесных тел, был найденный на дне моря возле греческого острова Антикетира в 1901 сложнейший механизм, образованный комбинацией шестерёнок. Прибор оказался на морском дне около 85 -60 года до Р.Х. Возможность создания такого механизма при существовавших до сего времени представлениях об уровне техники того времени кажется невероятным. Предположительно прибор использовался для установления даты начала Олимпийских игр.

Существует мнение, что это — не единственный прибор, являющийся, по существу, аналоговым компьютером. Во всяком случае в I веке до Р. Х. Цицерон описывал "Сферу Архимеда"как своеобразный планетарий, воспроизводивший движение Солнца, Луны и пяти известных в то время планет.[8]

Старая и современная логарифмические линейки

В 1614 году Джон Непер ввёл в математику понятие логарифма, а в 1617 году изготовил первую логарифмическую линейку, которая позволила механизировать математические действия умножения и деления.[9]

Принято считать, что первый механический счётный прибор типа арифмометра был создан Лейбницом после знакомства с Х. Гюйгенсом в 1683 году. Это позволило механизировать математические действия сложения и вычитания. Так была создана инструментальная база для проведения инженерных расчетов в точной механике и оптике, без принципиальных изменений обеспечивавшая массовые инженерные расчёты вплоть до широкого внедрения в практику во второй половине XX века электронной вычислительной техники.

Робототехника[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Андроид

Особым направлением точной механики было создание автоматов, в том числе имитирующих человека -андроидов[10], [11], [12]

Гироскопические приборы и устройства[править]

Серьёзным достижением в точной механике стало изобретение Фуко в 1852 году гироскопа, давшего возможность перейти от использования магнитного компаса, к гирокомпасу, изобретенному в 1908 году Г.Аншуц-Кэмпфе.

Впервые гироскоп нашёл своё применение в военном деле (прибор Обри), позволивший существенно увеличить точность торпедного оружия. На этом же принципе основан автопилот, идея и схема которого были предложены в 1898 году Циолковским, и современные системы наведения управляемого оружия.[13], [14], [15], [16], [17], [18]

Точная механика в России[править]

Искусные мастера в области точной механики работали и в России. К их числу относятся Нартов и Кулибин. В русской литературной классике собирательным образом специалиста в области создания точных механизмов является пресловутый Левша Лескова[19].Значительный вклад в теорию точных измерений внесли Ломоносов, Менделеев и академик Купфер, представлявший в 1859 г Россию на съезде Международной ассоциации по введению единообразной системы мер и весов в Брэдфорде.

В ХХ веке в Петербурге были созданы, а затем, уже в Ленинграде — Ленинградский Институт Точной Механики и Оптики (ЛИТМО).

См. также[править]

Ссылки[править]

  1. Аксельрод З. М. Проектирование часов и часовых систем.- Л., 1981. 328 с
  2. Аксельрод З. М. Теория и проектирование приборов времени: Учебник.- Л., 1969. 487 с.
  3. Комментарии к экспонату. Немецкий Музей. Нюрнберг. 2008 год
  4. Наружный элемент как цилиндрический так и не цилиндрический.
  5. Соболев Е. А.,Шляхтер Л. М. Взаимозаменяемость и технические измерения.- М.; Л.400 с.
  6. БСЭ. Статья «Унификация»
  7. Богуславский М. Г.,Цейтлин Я. М. Приборы и методы точных измерений длин и углов.- М.,1976.358 с.
  8. http://www.antikythera-mechanism.gr
  9. Пояснительный текст к экспонатам. Немецкий национальный музей. Нюрнберг.2008 год
  10. Дрожжин Разумные машины. 1936 ,
  11. Тертычный В. Ю. Синтез управляемых механических систем.- Л.,1993.336 с.
  12. Подлипенский В. С.,Сабинин Ю. А., Юрчук Л. Ю. Элементы и устройства автоматики: Учебник для вузов.- СПб.,1995.472 с.
  13. Бессекерский В. А.,Иванов В. А., Самотокин Б. Б. Орбитальное гирокомпасирование/Под ред. Самотокина Б. Б.- СПб.,1993.256 с
  14. Богданович М. М.,Ильин П. А. Гироскопические приборы и устройства. Основы теории.- Л.,1961.360 с.
  15. Сергеев М. А. Наземные гирокомпасы. Теория и расчёт -Л.,1969.231.
  16. Ухов К. С. Навигация:Учебник для вузов.;4-е издание, перераб. и доп.- Л.,1954.448 с.
  17. Иванов В. А. Метрологическое обеспечение гироприборов.- М.,1981,160 с.
  18. Слив Э. И. Прикладная теория инерциальной навигации.- Л.,1972.120 с.
  19. Лесков Н. С. Левша — повесть, 1881 год

Навигация[править]