Техносфера - Оценка и обеспечение точности металлорежущих станков. Системные и физические основы. Системная концепция эволюции

Содержание

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Глава 1. Технологическая эволюция и эволюция точности станков

в их историческом развитии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.1.

Концепции эволюции технологий, оборудования и производств. . . . . . . . . . . . 9

1.1.1.

Технологическое развитие и смена технологических укладов . . . . . . . . . . 9

1.1.2.

Технология, её определения, понятие и сущность . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.1.3.

Закономерности и оценка технологической эволюции и оборудования . . 25

1.1.4.

Эволюция и развитие системы и оборудования материального

производства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

1.1.5.

Единство феноменологических законов оценки показателей

эффективности технологий, оборудования, станков и производств . . . . . 55

Глава 2. Концепция эволюции технологий резания и металлорежущих станков . . . . . 93

1.2.

Металлорежущие станки в их историческом развитии. Эволюция

классификаций станков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

1.2.1.

Эволюция технологии и теории резания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

1.2.2.

Эволюция металлорежущих станков в парадигме технологических

укладов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

1.2.3.

Исторические особенности изменений в развитии металлорежущих

станков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

1.2.4.

Эволюция практики и теории проектирования металлорежущих

станков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

1.2.5.

Эволюция классификаций металлорежущих станков. . . . . . . . . . . . . . . 173

Глава 3. Концепция структуры и содержания понятий точности металлорежущих

станков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

1.3.

Эволюция понятия «точность металлорежущих станков» . . . . . . . . . . . . . . . . 236

1.3.1.

История причин возникновения понятия «точность» . . . . . . . . . . . . . . 236

1.3.2.

Эволюция сущности понятия «точность» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

1.3.3.

Эволюция количественных оценок понятия «точность» . . . . . . . . . . . . 273

Глава 4. Концепция эволюции структуры и содержания методов оценки точности

металлорежущих станков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286

1.4.

Эволюция методов оценки точности металлорежущих станков . . . . . . . . . . . 286

1.4.1.

Историческое развитие основ и методов тестирования

металлорежущих станков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286

1.4.2.

Классификация и структура методов оценки параметров точности

станков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

1.4.3.

Эволюция принципов и содержание методов оценки точности станков 314

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350

Введение
Под методом я разумею достоверные и легкие правила,
строго соблюдая которые, человек никогда не примет
ничего ложного за истинное и, шаг за шагом
преумножая знание, придет к истинному познанию
всего того, что он будет способен познать.
Р. Декарт
В монографии в исторически обозримой перспективе по доступным литера-
турным источникам c 1893 г. по настоящее время рассматриваются техноло-
гические методы обработки резанием и металлорежущие станки, реализую-
щие их. Обобщены и систематизированы направления и достижения
научных исследований в теории резания и создании станков их уровень со-
вершенства и эффективности. На примере металлорежущих станков, как
движущего фактора долгосрочного развития даётся обоснование уровня зна-
чимости и эффективности изменений в экономическом развитии во взаи-
мосвязи с парадигмой технологических укладов. Методология системного
анализа даёт возможность проводить оценку и измерение уровня развития
на основании нормативного значения ресурсоэффективности как степени
совершенства достижимых показателей технологии, которая реализуется в
конструкции станка или технологического оборудования, которые её реали-
зуют. Даются подходы к оценке факторов, формирование которых зависит
от технического и технологического состояния по обеспечению достижимо-
сти максимальных значений, обусловленных технологическими возможно-
стями их реализации в промышленности и экономике.
Научно-технический прогресс в области материального производства
обусловлен применением научных и технических достижений, базирующих-
ся на изучении физических процессов, явлений, систем и структур, спо-
собов, форм и видов их взаимодействий, приводящих к созданию более
эффективных технологий, машин, оборудования, а также к совершенствова-
нию существующих способов производства изделий. Материальное произ-
водство как система состоит из двух элементов: предмета с присущими ему
свойствами и технологии его изготовления. Это обусловливает принципиа-
льную возможность развития такой системы в двух направлениях: 1 — совер-
шенствование и создание нового предмета (машин, оборудования), и 2 —
создание новых технологий производства.
Совершенствование и создание новых предметов (деталей, устройств,
механизмов и машин), вызываемое развитием нужд и потребностей обще-
ства, изменение и формирование новых функциональных и качественных
свойств предметов, их характеристик и параметров обусловливают соответст-
вующие требования к изменению, развитию и созданию новых процессов
как технического, так и технологического оборудования, а также его (обо-
рудования) технико-технологических и иных параметров и характеристик,
в частности производительности, точности и эффективности, которая опре-
деляется затратами ресурсов на их создание и эксплуатацию.
Развитие сложных технико-технологических систем происходит в на-
правлении достижения ими максимальной степени идеальности их функци-
онирования, что происходит как в рамках совершенствования существую-
щих конструктивных решений, так и при принципиальном изменении
конструктивных решений на новых физических принципах или их сочета-
нии. Такое направление развития определяется и обусловливается за счет
всестороннего использования более глубинных физико-химических свойств
материи и энергии при их взаимодействии. Это приводит к переходу на но-
вый уровень структурных составляющих технико-технологических систем —
с макро- до микро- и наноуровня.
Требования к необходимости достижения изделиями высоких показателей
степени идеальности (точности) и её постоянный рост особенно ярко прояв-
ляются в таких отраслях, как астрономическая, авиационная, космическая,
атомная, электронная, медицинская, биологическая и некоторых других.
Металлорежущие станки, технологическое оборудование и системы яв-
ляются основными средствами производства деталей как элементной базы
для всех перечисленных выше отраслей промышленности, и поэтому к ним
предъявляются ещё более высокие и жесткие требования точности, произво-
дительности и эффективности.
Высокие требования к достижимым параметрам точности обрабатывае-
мым на станках изделий обусловливают необходимость постоянного увели-
чения точности самих металлорежущих станков. В течение многих десятиле-
тий инженерами и специалистами постоянно проводятся работы по
достижению требуемых высоких параметров и характеристик точности стан-
ков, формирование которых обусловливается на всех этапах их жизненного
цикла — при проектировании, производстве и промышленной эксплуатации
станков.
Представления, понятия и степень их глубины, системность и адекват-
ность модели формирования указанных характеристик и описание процесса
их функционирования являются важнейшим средством определения их состо-
яния, эволюции и тенденций развития.Процесс развития науки (знаний), тех-
ники, технологий, оборудования и производств происходит одновременно по
общим закономерностям, с разной скоростью, взаимосвязанно и взаимообус-
ловленно. Одновременно с этим развиваются и их видовые, функциональные,
конструктивные решения, построения, конфигурации, а также производ-
ственное разнообразие и разновидности использования и применения.
Развитие научно-технического прогресса в области материального произ-
водства обусловлено применением научных и технических достижений, ба-
зирующихся на изучении физических процессов, явлений, систем и струк-
тур, способов, форм и видов их взаимодействий, приводящих к созданию
новых технологических принципов, более эффективных технологий, машин,
оборудования, а также к совершенствованию существующих способов про-
изводства изделий.
Введение 7
Машиностроение — основа технологической, экономической и оборон-
ной независимости любого государства. Станкоинструментальная промыш-
ленность является важнейшей системообразующей и фондообразующей от-
раслью, состояние которой во многом определяет уровень развития
российского машиностроения и всей экономики.
Настоящая монография «Оценка и обеспечение точности металлорежу-
щих станков. Системные и физические основы»» состоит из двух частей:
первая — «Системная концепция эволюции», в которой анализируются наи-
более общие и системно значимые для понимания исторического пути раз-
вития станков решённые проблемы, методы и способы их создания с обо-
снованием нерешенных задач как требование промышленности. В части 2
«Физические основы точности станков» в системном единстве с первой ча-
стью даны современные представления и физические закономерности сути
методов оценок точности станков исходя из физических явлений и эффек-
тов, которые и определяют в том числе физические пределы точности стан-
ков и/или их составляющих.
Надеюсь, настоящая монография будет полезна широкому кругу специа-
листов, инженеров и научных работников как в сфере производства метал-
лорежущих станков, так и в сфере их применения.
А.П. Кузнецов
8 Введение
ÃËÀÂÀ 1
ÒÅÕÍÎËÎÃÈ×ÅÑÊÀß ÝÂÎËÞÖÈß
È ÝÂÎËÞÖÈß ÒÎ×ÍÎÑÒÈ
ÑÒÀÍÊÎÂ Â ÈÕ ÈÑÒÎÐÈ×ÅÑÊÎÌ
ÐÀÇÂÈÒÈÈ
Прежде всего научись каждую вещь называть
её именем: это первая и важнейшая из всех наук.
Пифагор Сбмосский
1.1. Концепции эволюции технологий,
оборудования и производств
1.1.1. Технологическое развитие и смена
технологических укладов
Процесс развития науки (знаний), техники, технологий, оборудования
и производств происходит одновременно по общим закономерностям, с раз-
ной скоростью, взаимосвязанно и взаимообусловленно. Одновременно
с этим развиваются и их видовые, функциональные, конструктивные реше-
ния, построения, конфигурации, а также производственное разнообразие
и разновидности использования и применения. Научно-технический про-
гресс в области материального производства обусловлен применением науч-
ных и технических достижений, базирующихся на изучении физических
процессов, явлений, систем и структур, способов, форм и видов их взаимо-
действий, приводящих к созданию более эффективных технологий, машин,
оборудования, а также к совершенствованию существующих способов про-
изводства изделий.
Следовательно, рассматривая понятие «развитие», «эволюция», мы всегда
подразумеваем прежде всего систему, которую согласно работе [1] можно
определить как множество составляющих элементов, их связей (отношений)
и взаимодействий между собой и между ними и внешней средой, обеспечи-
вающее присущую данной системе целостность, качественную определён-
ность и целенаправленность. В системах происходят процессы преобразова-
ний, в результате которых осуществляется изменение состояний элементов.
Входные элементы поступают в систему и преобразуются ею. Выходные эле-
менты являются результатом процесса преобразования. Окружающая сре-
да — это совокупность систем, изменение свойств которых преобразует
свойства элементов и системы, а свойства окружающей среды также могут
изменяться под воздействием самой системы.
Система S представляет собой [2] упорядоченную пару S = (A,R), где А —
множество элементов, R — множество отношений между элементами А, что
позволяет на системном уровне для практических целей рассматривать два
класса задач: первый — система базируется на элементах определенных ти-
пов (при этом никакой определенный тип отношений не фиксируется); вто-
рой — система базируется на отношениях определенных типов (в этом слу-
чае тип элементов, для которых определены отношения, не задается).
Понятием «элемент» будем определять минимальный и далее неделимый
в рамках системы компонент, т.е. он является неделимым по отношению
к данной системе, в других же отношениях он сам может быть системой. Би-
нарные отношения между элементами определяют их свойства.
Следовательно, состояние элемента характеризуется устойчивыми отно-
шениями, а изменение отношений влечет за собой изменение состояний
элементов.
Тогда функции системы определяют виды, формы, параметры и характе-
ристики свойств системы.
Относительно структуры системы элементы делят на внешние A S i
н
1 ( 1 ) и
внутренние A S i
в
1 ( 1 ), а связи и отношения определяются только между эле-
ментами и системами:
A S A S A S i
в
i
н
1 ( 1 ) [ 1 ( 1 ), 1 ( 1 )]— элементы системы 1;
RA S i
в
1 1 ( ) — отношения между внутренними элементами системы 1;
RA S i
н
1 1 ( ) — отношения между внешними элементами;
R R S R S A S
A S
A S A S
i
н
i
н
i
н
i
н
1 1
2 2
1 1 2 2 ( ) 1 2
( )
[ ( ) ( ), ( ) ( )] — отношения между внешними элемента-
ми системы 1;
R S RA S S RA S S i
в
i
1 1 1 н 1 1 1 1 1
( ) [ ( ) ( ), ( ) ( )]— отношения между элементами системы 1;
S A S RS A S A S R S i
в
i
н
A S i
в 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1
[ ( ), ( )][ ( ), ( )],[ ( ) ( 1 1 1 1
),RA ( S ) (S )] i
н — структура сис-
темы;
A S A S A S i
н
i
( ) [ ( ), н ( )] 1
2
1 1 2 2 — общие элементы системы, объединенной из сис-
тем 1 и 2;
R R S R S A S
A S
A S A S
i
н
i
н
i
н
i
н
1 1
2 2
1 1 2 2 ( ) 1 2
( )
[ ( ) ( ), ( ) ( )] — отношения между внешними элемента-
ми системы 1 и системы 2;
S A S A S R S R S i
н
i
н
A S A S i
н
i
н 1
2
1 1 2 2 1 1 1 2 2 [ ( ), ( )],[ ( ) ( ), ( ) ( 2 )] — новая система — результат
объединения систем 1и 2.
Таким образом, структура системы — совокупность элементов системы
и связей между ними.
Процессы характеризуются поведением системы и изменением её
свойств и состояний при взаимодействии элементов и при воздействии на
саму систему, т.е. последовательностью изменений состояний и пространст-
венно-временным изменением свойств объекта.
В настоящее время применяются многочисленные способы обработки,
получения и формирования деталей и изделий, разнообразные технологиче-
ские процессы и оборудование для их осуществления. Тенденции повыше-
ния производительности, точности, надежности, гибкости, экономичности
и эффективности как производственного и технологического оборудования,
так и всей системы производства, создание производств со всё меньшим
участием человека, потребность в разработке перестраиваемых и перенала-
10 Глава 1. Технологическая эволюция и эволюция точности станков
в их историческом развитии
живаемых производств на базе оборудования с переменной структурой,
с широким спектром технологических методов воздействия на объект произ-
водства обусловливают необходимость разработки новых системных методов
анализа для реализации указанных задач и создания новых конструкций,
в полном объёме реализующих различные физические процессы.
Это вызывает необходимость более глубокого и всестороннего структур-
ного и системного описания (для представления технологий и оборудова-
ния) и анализа элементов системы, их связей и отношений, взаимодействия
между элементами системы и окружающими системами и их элементами,
состояний и свойств, а также физических процессов и явлений, протекаю-
щих при воздействии на систему и внутри неё.
Развитие сложных технико-технологических, киберфизических производ-
ственных систем происходит в направлении достижения ими максимальной
степени идеальности функционирования. Этот процесс идет как в рамках со-
вершенствования существующих конструктивных решений, так и при прин-
ципиальном изменении конструктивных решений, основанных на новых
физических принципах или их сочетаниях. Такое направление развития об-
условлено всесторонним использованием глубинных физико-химических
свойств материи и энергии при их взаимодействии. Например, особенность
мехатронных устройств и механизмов обусловлена соединением в них трех на-
чал — энергетического, информационного и управляющего, что и определяет
получение принципиально новых конструкторских решений. Всё это приво-
дит к переходу на новый уровень структурных составляющих технико-техно-
логических систем — с макро- до микро- и наноуровня (рис. 1.1.1, а, б). Для
упомянутого прогресса наиболее важным направлением развития стали, на-
пример, миниатюризация компонентов (рис. 1.1.1, а), появление микроэлек-
тромеханических систем, микрооптоэлектромеханических и тому подобных
систем, реализующих новые свойства материалов, физические принципы вза-
имодействия, явления и эффекты, которые базируются на широком примене-
нии фундаментальных, теоретических знаний об этом.
Однако основными элементами, сдерживающими миниатюризацию тех-
нических систем, являются исполнительные (силовые) компоненты.
Требования к необходимости достижения изделиями высоких показателей
степени идеальности (точности) и ее постоянный рост особенно ярко прояв-
ляются в астрономическом и медицинском приборостроении, авиационной,
космической, атомной, электронной, биологической и некоторых других от-
раслях. Неслучайно для этих отраслей и производств введены ограничения на
поставку оборудования согласно Вассенаарским договоренностям — междуна-
родному соглашению в области контроля над экспортом обычных вооруже-
ний, подписанному в 1995 году представителями 28 государств. Участники
Вассенаарских договоренностей (в настоящее время ими являются 42 госуда-
рства) разрабатывают режим контроля за товарами двойного назначения, ко-
торые могут быть использованы для создания вооружений и военной техники.
В соответствии с перечнем товаров двойного назначения к компетенциям
станкостроения относится «Категория 2. Обработка материалов. 2.1. Системы,
оборудование и компоненты», которая включает металлорежущие станки, как
1.1. Концепции эволюции технологий, оборудования и производств 11
12 Глава 1. Технологическая эволюция и эволюция точности станков
в их историческом развитии
б)
Рис. 1.1.1. Развитие компонентов технических и информационных сис-
тем [3] (а); размеры физических структур и уровней их примене-
ния [4] (б)
а)
правило, токарной, фрезерной, шлифовальной групп, а также пяти- и более
осевые станки. Для них установлены критерии(й) точности, например точ-
ность позиционирования менее 3 мкм или менее 2—5 мкм для каждой груп-
пы станков. Очевидно, что станки нанометровой точности автоматически
подпадают под это ограничение. Для всех станков каждой модели может
использоваться значение заявленной точности, например, позиционирования,
полученное не в результате индивидуальных механических испытаний, а рас-
считанное в соответствии с международным стандартом ISO 230-2-2014 или
его национальным эквивалентом. Заявленная точность означает величину
точности, устанавливаемую производителем в качестве показателя, отражаю-
щего точность всех станков определенной модели.
В относительно недалёком историческом периоде времени для нашей
страны введение ограничений не является таким абсолютно новым факто-
ром: например, в 1930 г. США ввели очередной антидемпинговый пакет сан-
кций; в 1948 г. Министерство торговли США ограничило экспорт стратеги-
ческих материалов, оборудования и вооружений; в 1949 г. по инициативе
США был создан Координационный комитет по экспортному контролю,
куда входили и 17 западных стран (КОКОМ прекратил свою деятельность
в 1994 г.); в 1962 г. США и ряд западных стран ввели запрет на поставку
труб большого диаметра; в 1975 г. — поправки Джексона — Вэника к закону
о торговле США; в 1981 г. — запрет на поставку американскими компания-
ми в СССР электронного и нефтегазового оборудования; в 1982 г. — дирек-
тива NSDD-66 о расширении списка экспортных ограничений в рамках
КОКОМ; в 1996 г. — Вассеннаарские договоренности.
В результате качественного изменения технических систем в ходе эволю-
ционного развития технологических укладов возник ряд важных вопросов,
связанных с созданием, организацией производственных технологий и про-
изводственных систем и управлением ими. Усложнился процесс подготовки
и принятия решений, возросла роль конструкторских и проектных организа-
ций, перерабатывающих информацию и материализующих ее в методиче-
ских указаниях, документах и чертежах, определяющих создаваемую техни-
ческую систему.
В настоящее время во всех технологически развитых странах происходит
рост количества и разнообразия выпускаемых изделий. Ускорение выпуска
новых изделий может быть определено не только быстрым обновлением
и освоением их выпуска, но и увеличением количества их однотипных видов
(разнообразие), а также усложнением самих изделий. Появление новых
форм и видов изделия, выполняющего конкретные технические задачи, про-
диктовано использованием и практическим применением технически и тех-
нологически осуществимых новых физических законов и явлений. Чрезвы-
чайным разнообразием отличаются также изделия одного семейства,
а увеличение количества видов происходит и в результате неизбежной спе-
циализации. Речь идет не только о количественном росте — сами изделия
становятся сложнее и состоят из большого числа изделий, их составляющих,
наконец, резко возрос уровень технологии. Быстрая замена новых изделий
новейшими рассматривается как показатель научно-технического прогресса.
1.1. Концепции эволюции технологий, оборудования и производств 13
Обобщение знаний о характерных особенностях этого процесса позволя-
ет их систематизировать, стандартизировать, выделяя общие принципы,
классифицировать устойчивые свойства и состояния на разных уровнях об-
щности, что определяет и укрепляет понимание условий, методов, способов
направлений и прогнозов изменений как частей, так и систем.
Тенденции развития фундаментальных наук и интенсивное развитие тех-
нико-технологической науки в условиях «прагматизации» социального зака-
за на научную деятельность [8], отражающие объективный процесс бурного
развития технологий в глобальном мире, создают новые вызовы для разви-
тия науки и требуют адекватного ответа, пересмотра, уточнения концепций
и оценок техники, создания новых подходов и моделей, в том числе с испо-
льзованием новой парадигмы глобального будущего и устойчивого зелёного
развития, информационного потенциала и др.
Таким образом, масштаб рассматриваемых размеров (рис. 1.1.2) определя-
ет разные составляющие и виды науки, техники, технологий и производств,
которые формируют процессы их создания и развития, хотя и другие свойства
и состояния объектов и продуктов также принимаются в рассмотрение, но
размер является объективной однозначно понимаемой, достаточно и относи-
тельно легко измеряемой различными средствами контроля величиной.
Известны некоторые научные положения и обоснования методов оцен-
ки, анализа и прогнозирования эволюции изменений и закономерностей
социального, технологического, экономического развития. Широкое при-
знание получили классификации шести экономических циклов различной
длительности [9] (Дж. Китчина — до 5 лет, К. Жугляра — до 15 лет, С. Куз-
14 Глава 1. Технологическая эволюция и эволюция точности станков
в их историческом развитии
Рис. 1.1.2. Относительный масштаб природных/искусственных предметов [5]
неца — до 25 лет, Кондратьева — до 60 лет ) и волн развития Н.Д. Кондрать-
ева (динамика экономической конъюнктуры) [6] — рис. 1.1.3, б, шести
технологических укладов с описанием их признаков в работе С.Ю. Глазьева
[7, стр. 95—160] — рис. 1.1.3, а, новая модель эволюции технологий и техно-
логических укладов в парадигме глобального будущего и зеленого развития
С.В. Кричевского [8] — рис. 1.1.3, в, а также индустриальных этапов (рево-
люций) развития (от industry 1.0 (1784—1870 гг.), 2.0 (1870—1969 гг.),
3.0 (1969—2016 гг.), 4.0 (2016 — н.в.) и до 5.0 (нет сведений) — рис. 1.1.3, г
и три производственные революции [10] (аграрная — 12 3 тыс. лет назад;
промышленная — последняя треть ХV века—первая треть ХIX в., кибернети-
ческая — 1950—2070 гг.) — рис. 1.1.3, д.
В настоящее время считается, что мировая экономика в своем развитии
прошла пять технологических укладов и приближается к шестому технологи-
ческому укладу (ТУ). 1-й ТУ (1770—1830): ядро уклада — текстильная про-
мышленность; 2-й ТУ (1830—1880): ядро уклада — паровое судоходство, до-
быча угля, развитие железнодорожного транспорта; 3-й ТУ (1880—1930):
ядро уклада — черная металлургия, железные дороги, кораблестроение, про-
изводство взрывчатых веществ; 4-й ТУ (1930—1970): ядро уклада — автомо-
билестроение, самолетостроение, нефтехимия; 5-й ТУ (1970 — н.в.): ядро
уклада — электронная промышленность, вычислительная техника, опти-
ко-волоконная техника, программное обеспечение, телекоммуникации; 6-й
ТУ будет основываться на биотехнологиях, нанотехнологиях, робототехнике,
технологиях виртуальной реальности и др.
Технологическое развитие экономики происходит в виде последователь-
ной смены технологических укладов. К настоящему времени можно выде-
лить жизненные циклы пяти последовательно сменявших друг друга ТУ,
включая доминирующий в структуре современной экономики, ядро которо-
го составляют комплекс информационно-коммуникационных технологий
и микроэлектроника (рис. 1.1.3, а). Смена ТУ опосредуется технологически-
1.1. Концепции эволюции технологий, оборудования и производств 15
а)
Рис. 1.1.3. Схема видов и период развития технологических укладов [6, 106] (а)
16 Глава 1. Технологическая эволюция и эволюция точности станков
в их историческом развитии
в)
Рис. 1.1.3 (продолжение). Ввзаимосвязь волн и технологического уклада (б);
модель эволюции технологий и технологических укладов [8] (в)
б)
1.1. Концепции эволюции технологий, оборудования и производств 17
д)
г)
е)
Рис. 1.1.3 (окончание). Характеристика индустриальных революций (г); соот-
ношение длительности кондратьевских волн / технологических
укладов и длительности этапов промышленного и научно-кибер-
нетического принципов производства — особенность четвертой
К-волны в связи с началом кибернетической [10, 105] (д); диффу-
зия инноваций вдоль подъемов циклов экономической активности
Н.Д. Кондратьева [105] (е)
ми революциями, кардинально меняющими структуру экономики и систему
экономических оценок.
В работах 1993—2009 гг. С.Ю. Глазьев вводит в научный оборот понятие
«жизненный цикл технологического уклада» (рис. 1.1.3, б), которое охваты-
вает период примерно в сто лет с тремя вершинами (локальными) в его раз-
витии. Первая вершина связана с инвестициями, питаемыми сформировав-
шимися производствами текущей волны, но направляемыми на создание
задела в перспективных технологиях и продуктах, фактически с вложения-
ми, ведущими к зарождению новой длинной волны. Вторая вершина опреде-
ляется теми возможностями усовершенствования технологий и продуктов
достигшей фазы зрелости волны, которые открываются в ходе НИОКР по
технологиям следующей волны. Третья вершина связана с развитием новей-
шего технологического комплекса (кластера базовых нововведений новой
волны), главным образом на собственной основе.
Необходимо отметить, что в работе [7, стр. 32] процесс эволюции техно-
логий рассматривается как отмирание или замещение вследствие вытесне-
ния устаревших технологий под превосходством развивающихся новых и их
диффузии, т.е. методологический подход схож с теорией эволюции в биоло-
гическом мире. Кроме этого, утверждается [7, стр. 32], что «моделирование
экономической динамики трактует НТП (научно-технический прогресс) как
процесс повышения эффективности использования ресурса. Этот подход
соответствует реальным экономическим процессам лишь в период экстен-
сивного расширения доминирующих технологических укладов…». Причем
смена технологических укладов происходит лишь с достижением доминиру-
ющим технологическим укладом пределов роста (см. рис. 1.1.3, а, б, д) и па-
дением прибыльности составляющих его производств, при этом начинается
массовое перераспределение ресурсов в технологической цепи нового техно-
логического уклада, и этот процесс может быть назван технологической
революцией. К. Маркс в своих исследованиях указывал, что любой экономи-
ческий строй может развиваться лишь до состояния наибольшей эффектив-
ности.
Что касается понятия «технологический уклад», то в работе [7, стр. 61] отме-
чается: «…в технологической структуре экономики можно выделить группы тех-
нологических совокупностей, связанных друг с другом технологическими цепями
и образующих воспроизводящиеся целостности — технологический уклад». Каж-
дый такой уклад представляет собой целостное и устойчивое образование,
в рамках которого осуществляется замкнутый цикл, включающий добычу и по-
лучение первичных ресурсов, все стадии их переработки и выпуск набора ко-
нечных продуктов, удовлетворяющего соответствующему типу общественного
потребления», а его ядро образует комплекс базисных совокупностей техноло-
гически сопряженных производств, также технологический уклад характеризу-
ется единым техническим уровнем составляющих его производств, связанных
горизонтальными и вертикальными потоками качественно однородных ресур-
сов, опирающихся на общие ресурсы квалифицированной рабочей силы,
общий научно-технический потенциал и пр. В работе [8] приводится, как отме-
чено, более ёмкое определение технологического уклада: «доминирующий эколо-
18 Глава 1. Технологическая эволюция и эволюция точности станков
в их историческом развитии
гический режим взаимодействия общества с окружающей средой, который опреде-
ляется совокупностью технологий, преобладающих в конкретный период». Свод
наиболее общих или близких трактовок понятия «технологический уклад» при-
веден в табл. 1.1.1.
Таблица 1.1.1. Определения понятия «технологический уклад» [9]
Автор Определение
К. Маркс Строй как способ производства, которому соответствуют экономи-
ческие отношения, определенные данным способом производства,
при смене которого меняются и экономические отношения
В.И. Ленин «Тип общественно-производственных отношений, который не
определяет характера экономического базиса общества, а сущест-
вует наряду с другими укладами в данной экономической системе»
Й. Шумпетер Уклад как совокупность институциональных, экономических, со-
циальных и политических элементов общества
Н.Д. Кондратьев Для каждого большого цикла характерен определенный уровень
развития производительных сил, который и понимается как «тех-
нологический уклад»
К. Перес Технико-экономическая парадигма (ТЭП) — наиболее эффектив-
ная практическая модель, возникшая на основе практического
применения новых технологий и воплощающая новые и всесто-
ронние критерии для наиболее эффективных и прибыльных про-
дуктов, процессов, бизнес-организаций и моделей рыночного по-
ведения
С.Ю. Глазьев Технологический уклад как целостный комплекс технологически
сопряженных производств, как макроэкономический воспроизвод-
ственный контур, охватывающий все стадии переработки ресурсов
и соответствующий тип непроизводственного потребления
В.И. Белоусов,
А.В. Белоусов
Комплекс освоенных прорывных, революционных инноваций
(изобретений), обеспечивающих количественный и качественный
скачок в развитии производительных сил человеческого общества
Ю.И. Хаустов,
Б.Л. Соловьев,
В.П. Бочаров
Система производственных отношений, являющихся обществен-
ной формой функционирования определенного технологического
способа производства, находящегося на стадии формирования,
развития и разложения и сосуществующего с другой системой
А.В. Синицкий Технико-экономический уклад — система технологически сопря-
женных производств и адекватных им институтов
Таким образом, приведенные выше классификации методов анализа эво-
люций и развития укладов, производственных сил, процессов, технологий,
оборудования и систем обусловлены и определены основными признаками
их появления и разделения, которыми в первую очередь являются новые
1.1. Концепции эволюции технологий, оборудования и производств 19
технологии; а ядром применения новых технологии являются новые отрасли
производств и соответствующие этим технологиям новые виды машин, обо-
рудование, производственные системы, организационно-производственные,
экономические и общественные составляющие части или элементы.
Следовательно, исходя из вышеприведённого понятия системы наиболее об-
щими и системообразующими принципами такого рассмотрения отличитель-
ных и/или содержательных классификационных признаков (циклы развития,
технологические уклады, индустриальные этапы, промышленные революции) яв-
ляются методы, процессы, способы взаимосвязанного и взаимообусловленного
преобразования и/или передачи материалов, энергии и информации, что и фор-
мирует технические, технологические, производственные, организационные,
экономические и общественные подсистемы этого системного процесса в про-
странстве и во времени.
1.1.2. Технология, её определения,
понятие и сущность
С позиции рассматриваемых авторами методов оценки и закономерностей
эволюции как системного понятия отметим, что во всех случаях элементом
системы названо (принято) понятие «технология» или сочетание «технологи-
ческий» с, например, укладом, суверенитетом и т.п. Поскольку понятие
«технология» трактуется неоднозначно, то и определение «технологический»
имеет несколько смыслов, изменяющихся в соответствии со стоящим рядом
подлежащим. Аристотель выделил деятельность, специфическую для челове-
ка, в особое понятие, получившее в его философии название «праксис». Он
применял это понятие не только к стороне материального производства, но
и к области межличностных, социальных, нравственных и даже политиче-
ских отношений. Термин «технология» впервые ввёл в 1772 г. профессор
Геттингенского университета И. Бекман для обозначения ремесленного
искусства, включающего в себя профессиональные навыки и эмпирические
представления об орудиях труда и трудовых операциях.
«Наука в ее современном понимании исследует законы природы, а «тех$
нология» использует их для удовлетворения потребностей человека, в своей
основе таких же, как и во времена египетских фараонов. Одеть, накормить,
дать крышу над головой, переместить из одного места в другое, охранить нас
от болезней — вот задача технологии» (Лем С. Сумма технологий. АСТ, 1964).
Философская трактовка сущности технологии переводит её в не техниче-
ское состояние значения этого понимания, точнее не только и не столько
в техническое, т.е. в трактовку преобразований, трансформации, которые
сообразны и соответствуют целям человеческой деятельности вообще и обес-
печивают их достижение.
Поэтому приведем наиболее значимые с точки зрения нашего системно-
го рассмотрения определения понятия «технология» и его производных,
смежных или близких понятий, которые известны как по литературным, так
и по научным и нормативным источникам.
20 Глава 1. Технологическая эволюция и эволюция точности станков
в их историческом развитии
— «Технология (от греч. techno — «искусство, мастерство, умение» и logos —
«слово, учение») обозначает науку, знание, учение; совокупность методов
обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья,
материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства
продукции. Задача технологии как науки — выявление физических, хими-
ческих, механических и других закономерностей с целью определения
и использования на практике наиболее эффективных и экономичных про-
изводственных процессов» (Сов. энциклопедия слов, 1987).
— Технологическая форма движения материи — глобальная совокупность ма-
териальных процессов вещественно-энергетического взаимодействия об-
щества и природы, протекающих в системах техники и формирующих тех-
носферу и ноосферу (по теории академика В.И. Вернадского [10]).
— «Технологии, то есть обусловленные состоянием знаний и общественной
эффективностью способы достижения целей, поставленных обществом,
в том числе и таких, которые никто, приступая к делу, не имел в виду»
(Лем С. Сумма технологий. Мир, 1968).
— «Технология» понимается одновременно как мастерство и как наука о пре-
образовании сырья (материалов, энергии, информации) в нужный про-
дукт. Отсюда вытекает, что технология представляет собой науку об эф-
фективных способах преобразовательной деятельности» (Литова З. А.
Сущность понятия «технология» на современном этапе. Ученые записки.
Электронный научный журнал Курского государственного университета.
2019. № 2 (50). Т. 1).
— Технология (technology) означает широкую область целенаправленного
применения физических наук, наук о жизни и наук о поведении. Сюда
входит целиком понятие техники, а также медицина, сельское хозяйство,
организация управления и прочие области знания со всей их материаль-
ной частью и теоретическими принципами (Войтов И. В. [и др.] Миро-
вые тенденции анализа и оценок состояния и развития технологического про-
гнозирования и достижений промышленных производств / под ред. И. В. Вой-
това. — Минск: БГУ, 2013. — 472 с.).
— Технология — совокупность научно и практически обоснованных операций
и процессов, необходимых для производства одного или нескольких видов
высокотехнологичной продукции (Федеральный Закон «О технологической
политике в Российской Федерации», проект).
— Технология — применение научных знаний, теоретических и практических
методов, технических средств, профессионального мастерства для реше-
ния поставленной проблемы (ISO 16290:2013(R). Космические системы.
Определение уровней и критериев оценки технологической готовности (TRL)
космических систем и их элементов).
— Технология — совокупность методов и (или) последовательность произ-
водственных операций и процессов, средств, в том числе технических,
обеспечивающих их реализацию, и используемых ресурсов (научных зна-
ний, материальных, энергетических, финансовых, информационных,
управленческих), необходимых для получения конечной продукции (то-
варов, услуг) с заданными параметрами (Методика определения уровней
1.1. Концепции эволюции технологий, оборудования и производств 21
готовности технологии. Министерство образования и науки РФ 11 июля
2017 г. № ГТ-57/14вн).
— Технология означает информацию, необходимую для «разработки»,
«производства», «использования», эксплуатации, установки, техническо-
го обслуживания, ремонта, перепланировки или переоборудования (или
других терминов, указанных в ECCN (Export Control Classification Number)
на CCL (Commerce Control List), которые регулируют «технологию»
изделия.
Примечание 1: технология может быть представлена в любой материаль-
ной или нематериальной форме, такой как письменные или устные со-
общения, схемы, чертежи, фотографии, планы, диаграммы, модели, фор-
мулы, таблицы, технические проекты и спецификации, файлы для авто-
матизированного проектирования, руководства или документация, элек-
тронные носители или информация, выявленная при визуальном
осмотре.
Примечание 2: модификация конструкции существующего изделия создает
новое изделие, а технология для модифицированного дизайна — это тех-
нология для разработки или производства нового изделия (The Export
Administration Regulations / Правила администрирования экспорта США.
Part 772. P. 44).
— Технология — это практическое применение знаний, позволяющее сделать
что-то совершенно новое или сделать что-то совершенно новым способом
(«способность стран создавать и использовать новые технологии будет
определять национальную мощь») (The European Space Agency (ESA) / Евро-
пейское космическое агентство).
— Технология — это практическое применение научных знаний, а также
изобретение и использование устройств для улучшения производитель-
ности человека (Lewis J.A. Center for Strategic and International Studies
(CSIS)).
— Технология — выраженный в объективной форме результат научно-техни-
ческой деятельности, который включает в себя в том или ином сочетании
изобретения, полезные модели, промышленные образцы, программы для
ЭВМ или другие результаты интеллектуальной деятельности, подлежащие
правовой охране в соответствии с действующим законодательством, и мо-
жет служить технологической основой определенной практической деяте-
льности в гражданской или военной сфере.
(П р и м е ч а н и е: включает в себя методы и технику производства това-
ров и услуг, а также их практическую реализацию в виде технологических
процессов, организационных и технических систем (ГОСТ Р 57194.1 — 2016.
Трансфер технологий. Общие положения)).
— Технология — обусловленная состоянием знаний и общественной эффек-
тивностью совокупность приемов, способов, методов, операций и процес-
сов повторяемого, в конечном счете воспроизводимого и, как правило,
документированного воздействия кем-то или чем-то на кого-то или на
что-то в осуществление явной или предполагаемой цели изменения состо-
яния, свойств, формы объекта (вещества, материала, энергии, инфор-
22 Глава 1. Технологическая эволюция и эволюция точности станков
в их историческом развитии
мации) или явления с получением неопределенных или ожидаемых ре-
зультатов.
1. Технология означает как используемую технологию, так и способ, метод и прием, которым
Тобъект спроектирован, построен, эксплуатируется и выводится из эксплуатации перед его
ликвидацией с утилизацией обезвреженных частей и удалением опасных составляющих.
2. Технологией называют также сами операции добычи, обработки, транспортирования, хра-
нения, контроля, являющиеся частью общего производственного процесса.
3. Технология — способ объединения физических, химических, технологических и других
процессов получения, обработки или переработки сырья, материалов, полуфабрикатов или
изделий, осуществляемых в разных отраслях промышленности, с трудовыми процессами
в целостную систему, производящую новую продукцию (работы, услуги).
4. Технология материалосберегающая обеспечивает получение готового продукта производст-
ва или его части либо без образования отходов материалов (безотходный технологический
процесс), либо с минимальными отходами, не утилизируемыми в данном, а также в ка-
ких-либо других видах производства (малоотходный технологический процесс).
5. Технология ресурсосберегающая — обобщенное название технологий, в которых технологи-
ческий процесс обеспечивается при минимальном расходе энергии, затратах на основные
и вспомогательные материалы, заработную плату рабочим основного производства при за-
данном качестве и требуемой производительности труда.
6. Технология безотходная — термин, часто употребляемый в литературе для обозначения ма-
лоотходных технологических процессов.
7. Технология материального производства — процесс, определяемый совокупностью средств
и методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья или мате-
риала. Технология изменяет качество или первоначальное состояние материи в целях полу-
чения материального продукта.
8. Технология информационная — процесс, использующий совокупность средств и методов
сбора, обработки и передачи данных (первичной информации) для получения информации
нового качества о состоянии объекта, процесса или явления (информационного продукта).
9. Технология включает биотехнологию.
10. Под технологией управления на предприятии, как правило, понимается закрепленный
в технологических регламентах порядок управления конкретной операцией или иным меро-
приятием с целью обеспечения заданного уровня качества и безопасности продукции или
соответствия мероприятия установленным требованиям ([ГОСТ Р 56828.15—2016. Наилуч-
шие доступные технологии. Термины и определения).
В работе [12] предлагается классификация и виды технологий, которые
свойственны технологическим укладам и их эволюции (рис. 1.1.4).
Приведенная подборка (составлена автором) определений понятия
«технология» и их эволюция указывает на широкий как практический, так
и философский смысл сущности и толкований, которые выходят за рамки
однозначного и утилитарного понимания. Поэтому при применении поня-
тия «технология» целесообразно указывать, в каком системном значении
оно применяется (от предметного до общественно-экономического), т.к.
без этого контекста изложение материала на его основе может быть неод-
нозначно, а иногда и диаметрально противоположно понято. Иными сло-
вами, технология — это тоже система с множеством свойств, которые опре-
деляют её саму и её поведение во взаимосвязи с внутренним и внешним
окружением.
Рассматривая приведенные выше определения понятия «технология»
с позиции понятия «система», которое мы привели выше, следует отме-
тить:
1) во всех случаях понятие «технология» выступает как системное, т.к. опи-
сывает ту или иную большую совокупность процессов, явлений, событий;
1.1. Концепции эволюции технологий, оборудования и производств 23
2) отличительным качеством понятия «технология» являются доминирующие
элементы системы (в определениях они, т.е. элементы, как правило, пере-
числены в именительном падеже);
3) связи между этими элементами системы, как правило, не обозначены и не
поименованы, а следовательно, не определена структура понятия как
свойство самой системы;
4) цель(-и) системы носит(-ят) узконаправленный характер, или не отвеча-
ет(-ют), или не определяется(-ются) как основная функция и её характе-
ристики.
24 Глава 1. Технологическая эволюция и эволюция точности станков
в их историческом развитии
Рис. 1.1.4. Классификация технологий и эволюции их изменения [12]
Тем не менее в каждом случае из приведенных выше в понятии «техно$
логия» присутствуют признаки в большей или меньшей степени раскрытия
образа рассматриваемой системы и в рамках не всегда очерченной, но инту-
итивно понятной области её существования позволяют решать с разной сте-
пенью точности круг поставленных задач с применением соответствующих
методов описания на основании исходных данных, обусловленных доступ-
ными свойствами элементов системы.
Учитывая сказанное, приведем предлагаемое наиболее общее, как пред-
ставляется, определение этого понятия.
Технология — это взаимосвязанные и взаимообусловленные способы, методы,
процессы, явления, эффекты, форма передачи и/или преобразования (трансфор-
мации) материи, энергии, информации, их свойств, видов, форм и состояний
в пространстве и времени для эффективного достижения поставленных или тре-
буемых обществу целей(-и) и задач, обеспечивающих производство материальной,
энергетической и информационной продукции, объектов и оказание услуг.
1.1.3. Закономерности и оценка технологической
эволюции и оборудования
Следует также заметить, что графическое представление функции (одного
аргумента) отражает изменение во времени её одного (измеряемого или, воз-
можно, применяемого в виде аргумента как совокупности, так и/или удель-
ных параметров) характерного и значимого рассматриваемого параметра или
характеристики. Из этого следует, что волна, уклад, фаза, этап и другие ис-
пользуемые характеристики являются насколько определенным, настолько
же и неопределенным набором обязательных или необходимых данных или
совокупностью их равнозначных закономерностей.
Как следует из приведенных авторами методологий эволюционного раз-
вития и её исследований, в качестве параметров или характеристик рас-
сматриваются в основном обобщенные значения следующих показателей:
объём или количество выпуска продукции (автомобилей, телефонов, трак-
торов, сырья, материалов….); суммарная стоимость одноимённой продук-
ции; количество патентов и/или публикаций по классам, видам; добыча
полезных ископаемых как в стоимостном, так и в натуральном выражениях
по видам и т.п. Иными словами, исходной информацией для анализа, оце-
нок, прогнозов и выводов являются статистические данные в соответствии
с принятыми классификаторами видов продукции, объектов, изделий
и/или экономической деятельности. Другие производные, удельные или
обобщенные параметры и характеристики, очевидно, частично могут быть
получены на основании этих исходных данных, а ряд сведений, парамет-
ров, характеристик технологий и их свойств как самостоятельный объект и
продукт рассмотрения, а также их характерные отличительные параметры
практически не доступны для применения в области знаний оперируемых
понятий эволюции, уклада, этапа, волны. Это носит скорее междисципли-
нарный характер и, возможно, требует более пристального рассмотрения.
1.1. Концепции эволюции технологий, оборудования и производств 25
В [8] и других работах этого автора поставлены только общие задачи
и предложено количественное изменение или эволюция количества техноло-
гий (см. рис. 1.1.2, б), присущих технологическим укладам, на основании
предположения о такой количественной оценке, которая изложена в работе
[13], при этом не дано обоснование оценок (схожесть лишь в начальном пе-
риоде), которые в [8] отличаются от [13], а также положений о поглощении
и исчезновении технологий в новых технологических укладах. Тем не менее
сама постановка проблемы и попытка предложить принцип метода количе-
ственной оценки заслуживают внимания.
Еще одной значимой и существенной особенностью являются методоло-
гия и математическое описание закономерности изменения эволюции в це-
лом, так же как и показателей эволюционного развития экономики, в том
числе техники, технологии, технических и технологических систем и иссле-
дований их закономерностей. Суть вопроса такова: как бы мы ни определя-
ли технологию, она обязательно всегда имеет предел её значений— либо
в виде предела для конкретной технологии, либо в виде максимально дости-
жимого (идеального, теоретического) значения, либо в виде достижимости
предельных свойств, параметров, характеристик продукта, объекта, изделия,
получаемых этой технологией.
На основе многочисленных исследований, результатов их эксперимен-
тального подтверждения стало ясно, понятно и принято, что во многих слу-
чаях можно считать характерной закономерность, когда изменения и эво-
люционное развитие значений анализируемых показателей, параметров
и характеристик во времени или когда изменение затрат труда, стоимости
и т.п. происходят [15—19] по так называемой S-образной кривой (рис. 1.1.5, а)
или, как её ещё называют, «сигмоиде» (сигмоидальная s-образная или логис-
тическая функция). Появилась эта функция (кривая) в конце XIX века, когда
ученые обнаружили, что колония бактерий сначала зарождается, потом лави-
нообразно нарастает, а затем численность микроорганизмов стабилизируется
(Чапман Р.Н., 1928, 1931 гг.). По такому же закону проходит эволюционное
развитие живых организмов и множество физических процессов. Позже стало
понятно, что по тому же принципу развиваются технические системы, и S-об-
разные кривые (рис. 1.1.5, а) стали постоянными спутниками инженеров, ко-
торые придали сигмоидам особый смысл. Они также заметили, что на этапе
зарождения любая техническая система проигрывает своим предшественни-
кам, а потом, на второй стадии, догоняет и перегоняет их по эффективности
(рис. 1.1.5, в). Это указывается в работах таких авторов, как Е. Роджерс
(1971 г.), Г.С. Альтшуллер (1979 г.), Г. Менш (1975 г.), Р. Фостер (1987 г.),
С.Ю. Глазьев (1992 г.), Р.М. Нижегородцев (1997 г.) и др.
Если сравниваются две или более технические или технологические сис-
темы, целесообразным является попарное рассмотрение S-образных кривых
для каждой пары на одном графике. При этом их взаимное расположение
друг относительно друга может быть различным, но при этом можно выде-
лить три принципиально разных варианта взаимного расположения: кривые
не пересекаются — 1; кривые пересекаются в одной общей точке — 2; кри-
вые пересекаются в двух точках — 3.
26 Глава 1. Технологическая эволюция и эволюция точности станков
в их историческом развитии
1.1. Концепции эволюции технологий, оборудования и производств 27
б)
в)
Рис. 1.1.5. Характерный вид S-образной функции (а); сценарии видов S-об-
разных функций развития (б); сценарии изменений новых видов
технологий, техники, систем (в)
а)
Переход к новому технологическому оборудованию, изделию происходит
при следующих наиболее вероятных циклах исчерпания возможностей кон-
струкции [14]:
а) при неизменном физическом принципе действия улучшаются параметры,
характеристики, свойства технического объекта (оборудования, машины)
до приближения их к оптимальным, достижимым, идеальным или эффек-
тивным (рис. 1.1.5, б, кривая 1);
б) после исчерпания возможностей улучшения (рис. 1.1.5, б, кривая 1* или
1**) изменения происходят по следующим циклам: а) происходит переход
к более рациональной структуре, после чего развитие опять идёт по циклу
а) до приближения параметров, характеристик, свойств технического объ-
екта этой структуры к глобальному экстремуму или пределу для данного
физического принципа действия (рис. 1.1.5, б, кривая 1 или 1**);
в) после исчерпания возможностей циклов а) и б) осуществляется переход
к созданию технического объекта на другом принципе или физической
природе действия (рис. 1.1.5, в, кривая 2 или 4).
Заметим, что логика конкурентного технологического сдвига была опре-
делена Р. Фостером как «S—S-переход». Согласно его представлениям,
развитие возможно только на основе новой технологической платформы,
графически описываемой «технологическим разрывом» S—S- перехода. Вве-
денные им понятия технологического предела и технологического разрыва
закономерности развития моделируются логистической кривой. Р. Фостер
заменяет концепцию эволюционно непрерывного замещения одной техно-
логии другой гипотезой неожиданной инновации, переводящей прежнюю
траекторию роста на новую логистическую кривую более высокого уровня,
так как появление конкурента (технологии, продукта или услуги) возможно
на любом участке логистической кривой. В этой связи многие исследователи
технологических скачков едины во мнении, что переход на новую логисти-
ческую траекторию возможен и необходим еще на экспоненциальном участ-
ке предыдущей логистической кривой.
Скорость роста теоретической кривой 1 в реальности не всегда дости-
жима, и развитие происходит по кривой 1** или 1*, что обусловливается
для технических и технологических систем тем, что реализация идеальной
закономерности (достижимость идеального значения главного рассматрива-
емого параметра, свойства) часто невозможна или недостижима из-за тре-
бований идеальности всех составляющих частей и элементов, которые фор-
мируют и реализуют главную функцию с соответствующими также
идеальными показателями, характеристиками, свойствами. Кривая функ-
ции 1* (на рис. 1.1.5, б, в отмечены N*) не достигает идеального теоретиче-
ского уровня в отличие от кривой N* в силу множества как технико-техно-
логических, так и организационно-экономических причин. Этот факт
можно определить как КПД или эффективность технологии, оборудования,
производственной или технологической системы (см., например, на
рис. 1.1.5, б разность значений KB1 — KB1* или KB1 — KB1**). Значения
и период применимости новых процессов (рис. 1.1.5, в, кривые 2, 3, 4) ха-
рактеризуются как временем начала их развития, скоростью, так и значе-
28 Глава 1. Технологическая эволюция и эволюция точности станков
в их историческом развитии
нием величины параметра, свойства в начальной стадии (на рис. 1.1.5,
в показаны разные процессы (кривая 2, 3, 4) с одинаковым уровнем дости-
гаемого идеального значения, но с разными характерами, аналогичные
рис. 1.1.5, б). Из этого следует, что процесс перехода на новые технологии
достаточно продолжительный, их выбор имеет не всегда однозначную
и достаточную определенность. Необходимо заметить, что, возможно, бо-
лее логично, учитывая достаточное количество случайных сочетаний пара-
метров, свойств элементов [14], определяющих достижимость значений
идеальности, рассматривать характер изменения S-образной кривой как
случайную функцию. Это требует отдельного рассмотрения.
Развитие технологического объекта по описанному сценарию иллюст-
рируется [14] так называемой S-образной кривой (рис. 1.1.5, б), оно проис-
ходит до уровня Кх достижения предельных показателей, параметров, ха-
рактеристик, свойств, а также возможностей физического явления, на
котором базируется технология, процесс и применяемый в оборудовании
физический принцип действия. В моменты TA1 и TB1 появляется новый
технологический объект на одном и том же физическом принципе дейст-
вия. Возможности развития (рис. 1.1.5, б) определяются расстоянием от КX1
до КA1 и КB1, т.е. степенью достижения предельного уровня. Очевидно, что
улучшать технологический объект В1 не имеет большого технического
и экономического смысла и нужно переходить на другой принцип его дей-
ствия, так как время (затраты) на развитие ТX1 — ТВ1 от уровня КВ1 до КХ1
существенно превышает изменение достигаемого эффекта (КХ1 — КВ1) в от-
личие от предыдущих соотношений затрат (времени) ТВ1 — ТА1 и измене-
ния (КВ1 — КА1) в получаемом эффекте (рис. 1.1.5, б). В действительности
(рис. 1.1.5, б, кривая 1*) реализация этой схемы развития технологического
объекта и его промышленного применения происходит по близкой или по-
хожей схеме (имеются в виду колебания вокруг закономерности) с отстава-
нием как по времени, так и по величине достижения значений параметров
и характеристик кривой 1 физически достижимых и обусловленных физи-
ческими явлениями и процессом. А совершенство технологического обору-
дования и реализация им функций обеспечения физических явлений
и процессов потенциально недостижимы в силу потерь (энергии, материи
и информации) в структуре и конструкции оборудования, реализующих
иные физические явления и процессы, преобразование которых обеспечи-
вает протекание заданной в технологии физического явления. На
рис. 1.1.5, б это показано как отставание кривых 1 и 1* (или 1**), а отно-
шение КХ1*/КХ1 = Е является показателем эффективности технологического
процесса или оборудования по достигаемым показателям физического яв-
ления или процесса.
Таким образом, эволюция развития достижимых показателей, парамет-
ров, характеристик, свойств технологического оборудования обусловлена
в первую очередь требованиями, потребностями и направлениями развития
общества, и в частности промышленности. Это определяет и необходимый
для этого уровень развития технологий, требования к её деталям, узлам, ме-
ханизмам, устройствам и системам, потенциал технологий и процессов, ис-
1.1. Концепции эволюции технологий, оборудования и производств 29
пользуемые ими физические принципы и явления, уровень их совершенства
и др. Следовательно, учитывая изложенное, представляется возможным
представлять процесс изменения (эволюцию) достижимых показателей, па-
раметров, характеристик технологического оборудования в соответствии
с рис. 1.1.5, б, в, обосновывающим развитие с применением различных фи-
зических принципов создания машин, реализующих те или иные техноло-
гии, положенные в основу их функционирования.
Развитие (рис. 1.1.5, б, в) технологий и технологического оборудования
идет в направлении роста (приближения к физико-технической идеально-
сти) и увеличения полезных характеристик и свойств (мощности, произво-
дительности, точности, жесткости, прочности и т. п.) с одновременным
устранением причин потерь при функционировании (трение, износ, вибра-
ции, прочность, потеря времени и т.д.) и снижением затрат (вес, трудоем-
кость, габариты и т.п.) на их производство. В то же время относительные
показатели технологического оборудования (КПД, эффективность, надеж-
ность) и удельные показатели определяют обобщенные или интегральные
свойства. Технические и физические характеристики и свойства технологий
и оборудования, особенно средств производства, являются главной и наибо-
лее важной частью, определяющей их полезность и, соответственно, эффек-
тивность, конкурентоспособность и прогрессивность.
Каждый раз, когда прогресс производственной технологии уже не мо-
жет обеспечить значительный рост производительности и эффективности
на смену существующему технологическому оборудованию, машине требу-
ется новая, более совершенная конструкция. Это дает новый толчок разви-
тию, что будет продолжаться до тех пор, пока и новое технологическое
оборудование, машина не исчерпают себя. Таким образом, развитие техно-
логий и технологических машин есть сочетание непрерывного прогресса
самой технологии с периодическими революционными преобразованиями
конструкции.
Идеальным считается технологическое оборудование с максимально пол-
ным использованием потенциала физических законов, явлений, процессов,
возможностей конструкции и технологии, реализующих этот физико-техни-
ческий потенциал.
Научной основой создания новых технологий служат:
— открытие и/или использование в новом сочетании неизвестных (не при-
меняемых) ранее физических процессов и явлений и их электрофизико-
химических механизмов воздействия на материал. На практике это при-
водит к разработке новых высоких технологий с уникальными возможно-
стями;
— непрерывное совершенствование широко применяемых в промышленно-
сти методов, способов и средств в следующих направлениях: разработка
технологического оборудования и устройств с расширенными функцио-
нальными возможностями; совершенствование конструкций, инструмен-
тов и материалов; улучшение технологических свойств обрабатываемых
материалов; оптимизация параметров; использование дополнительных ис-
точников энергии и др.;
30 Глава 1. Технологическая эволюция и эволюция точности станков
в их историческом развитии
— исследование новых, ранее неизученных или неизвестных процессов и яв-
лений физического механизма, принципа того или иного метода.
Поэтому систематизация знаний о состоянии и развитии технологий
и оборудования, их конструктивного и иного разнообразия, потребность
в этом знании для целей эффективного применения, планирования и разви-
тия определяют объективную необходимость в разработке классификаций
и классификаторов процессов, закономерностей и эволюций развития. А сам
процесс обоснования эволюции является достаточно сложным и далеко не
всегда очевидным. Методология и практика проведения системного анализа
эволюционных явлений и процессов требуют в качестве исходных прин-
ципов изучать их в качестве целостных объектов и систем с позиций теории
холизма.
Математическое описание S-образной кривой имеет принципиальное
значение как для анализа, так и для прогнозирования эволюционных про-
цессов развития, а также понимания закономерностей их формирования,
формы и сути структурной зависимости от элементов системы этого процес-
са. В работах [15, 16, 17, 18, 19] изложены обоснования и дан общий вывод
уравнения S-образной кривой. Далее приведем и рассмотрим отдельные по-
ложения и выводы для практического применения этой математической за-
висимости.
Логистическая кривая (см. рис.1.1.5, а), следуя смыслу, логике и обосно-
ваниям в указанных выше работах, имеет математическое выражение, реше-
ние которого и определяет функцию S-образной кривой:
dy
dt
(y k1) (k2 y), (1)
где t — параметр, выражающий совокупные затраты общества на развитие
данной технологии (это могут быть затраты времени, денег или любого дру-
гого ресурса); y — технологически значимый результат, характеристика, па-
раметр, достигаемый данной технологией (он также может быть выражен
в натуральных или стоимостных единицах); — положительная постоянная
(параметр «масштаба»), определяющая крутизну подъема данной кривой;
k1 и k2 — положительные константы, ограничивающие (соответственно сни-
зу и сверху) результат функционирования технологии. При этом k1 — это
нижняя граница y (t), выражающая исходные, стартовые, предельно низкие
возможности технологии, а k2 — ее технологический предел, характеризую-
щий максимально высокие ее возможности.
Обобщенная логистическая кривая описывается функцией, являющейся
результатом решения дифференциального уравнения вида
dy
dt
f (t) (y k1) (k2 y). (2)
Тогда общее решение уравнения (2) будет определятся выражением
y t k
k k t
t b
k
k k
b t
( )
( ) ()
( )
( )
[ ( )]

1
2 1
1
2 1
1 1

, (3)
1.1. Концепции эволюции технологий, оборудования и производств 31
где (t) exp[(k k ) f ( )d ]
t
t
2 1
0

, b 0 — произвольное число.
Или в общем виде выражение (3) запишем:
y t k
k k
b t
k
k k
b k
( )
( )
[ ( )]
( )
exp[ (

1
2 1
1 1
2 1
2
1
1

k f d
t
t
1
0
) (
)
]
. (4)
И тогда решение уравнения (1) можно получить из (4) при f (
) const:
y t k
k k
b k k t
( )
( )
exp[ ( ) ]

1
2 1
1 2 1
. (5)
Наиболее общим случаем характеристического вида логистических кри-
вых порядка более единицы является логиста, которую находят, решая сле-
дующее дифференциальное уравнение 1-го порядка:
dy
dt
a yt
y t
K t m ( )[
( )
( )
1 ], (6)
где y t
K
bi e
a t
i
m
i
( )

1
1
, K t K b
a
a
i e
i
m
a t
i
m
( ) [ ( ) i ]

1 1
1
1
1 , a b i , i 0 являются
константами, am max ai K lim y(t).
График функции (6) для значений m = 2 будет иметь вид, приведенный
на рис. 1.1.6, как суперпозиция двух логистических функций.
Очевидно, что указанное выше математическое описание логистических
кривых является только инструментом, практическое применение которого
обусловлено многими исходными положениями, ограничениями и обосно-
32 Глава 1. Технологическая эволюция и эволюция точности станков
в их историческом развитии
Рис. 1.1.6. S-образная кривая с несколькими перегибами
ванностью допущений к рассматриваемым параметрам, характеристикам,
показателям, их обоснованному выбору и достоверности, а также исходя из
поставленной и достигаемой цели.
Значительную роль играют полнота и точность полученной начальной
или исходной информации. Чем точнее данные и чем большую часть S-об-
разной кривой они охватывают, тем меньше уровень неопределенности.
Другими словами, можно выделить более точный предел и крутизну кривой
с большим набором данных. Этот эффект вызывает определенные трудности
в применении S-образных кривых для прогноза передовых технологий, кото-
рые едва ли пережили «период младенчества» и находятся на ранней стадии
своего развития. Однако если после построения первой производной
(см. рис. 1.1.5, а) она перешла точку перегиба (рис. 1.1.6, точки t1 и t3), то,
основываясь на предположении об их повторяемости, кривую можно будет
восстановить, зеркально отобразив начальный участок (рис. 1.1.6, точки
0—t1). Тем самым будущее представляется непрерывным продолжением не-
давнего прошлого и, следовательно, на него распространяются установлен-
ные ранее закономерности.
К приведенным зависимостям (1), (5), (6) необходимо сделать оговорку:
несмотря на то что в целом они достаточно удовлетворительно описывают
функцию, особенно учитывая величины значений по оси абсцисс (например
время), при этом на начальных этапах функции строго математически суще-
ствует погрешность. Так, рассмотрим для простейшей функции (1) и (5) их
значения в характерных точках при t = 0 и t =
для значений k1 = 0 и k1 0,
для исходных данных изменения функции y(t) соответственно от k1 = 0 до
максимума k2 и от k1 до k2.
В первом случае для k1 = 0 и k2 = k2 получим при t = 0 и t =
:
y k
k k
b k k t
k
b
( )
( )
exp[ ( ) ]
( )
e
0
1
0
0
1 1
2 1
2 1
2

xp[ ( ) ]

k
k
b
k
2 b
2 2
0 0 1 1 1
,
y k
k k
b k k t
k
b
( )
( )
exp[ ( ) ]
( )
e

1
2 1
2 1
2
1
0
0
1 xp[ ( )
]

k
k
b
k
2
2
2 0 1 0
.
Во втором случае для k1 0 и k2 = k2 получим при t = 0 и t =
:
y k
k k
b k k t
k
k k
b
( )
( )
exp[ ( ) ]
( )
0
1 1 1
2 1
2 1
1
2 1

exp[ ( ) ]
( )
k k
k
k k
2 1 b
1
2 1
0 1
,
y k
k k
b k k t
k
k k
b
( )
( )
exp[ ( ) ]
( )

1
2 1
2 1
1
2 1
1 1

exp[ ( ) ]
( )
k k
k k k k
2 1
1 2 1 2.
Из приведенных выражений следует, что величина ошибки обратно
пропорциональна коэффициенту b и её абсолютное значение пропорцио-
нально пределу функции. При этом величина ошибки изменяется по зави-
симости, которая обратна функции y(t) и представляет собой Z-образную
функцию.
Следует обратить внимание, что при определении по исходным данным
или на основании иных данных параметров k1, k2, , b функции y(t) необ-
1.1. Концепции эволюции технологий, оборудования и производств 33
ходимо обоснование или допущение диапазона их возможных изменений
для достижения требуемой точности. Рассмотрим на примере выраже-
ния (5). Примем допущение, что функция y(t) достигает своего предельно-
го значения, равного, например, 95% от значения k2 или в общем виде
(1 – Д) k2. Для простоты вычислений примем k1 = 0. Тогда можно записать
равенство
( )
exp( )
1
1 2
2
2

k
k
b k t
. (7)
Преобразуем его к виду
b k t

exp[( 2 )] 1

, или b k t

1 exp[( 2 )], или
1
2

b exp[( k t)].
Решая его относительно , находим, что

ln
( )
( )
ln
( )
ln( )
(
1 1
2 2

b
k t
b
k t)
ln
( )

1
1
2

b
k t
. (8)
Тогда получим следующие границы изменений параметра :
при t 0,
происходит скачок функции, а при t
0 и не зави-
сит от значения b и k2 ;
при b 0, ( N) / (k2 t), при b / (1 ) 0 и не зависит от значе-
ния k2 и t; при b
, (N) / (k2 t); при k2 b
1

ln
( — )

, 1 / t.
Следовательно, определение области возможного существования и раз-
вития функции при трёх относительно неопределенных переменных пара-
метрах k2, , b (время часто считается достаточно определенной величиной)
требует особого внимания и обоснования. Единицей измерения являет-
ся величина, обратная произведению параметра, характеристики, свойства,
умноженных на время (затраты): например [(1/рубль)·час(год)], которая ха-
рактеризует темп их изменения.
Необходимо отметить, что логистические функции могут также описыва-
ться и иными видами их математических выражений:
y t
K
t b
( )
exp[ ( )]

1
при 0, b 0 и b или y t
K
t b
( )
exp( )

1
.
Но ни в одном исследовании указанных выше авторов теорий эволюции
и развития [15, 16, 17, 18, 19] не приведены такие параметры или характери-
стики, как точность оборудования и её изменение, удельная точность по ка-
кому-либо параметру, например затраченной энергии, стоимости и т.п.
В настоящее время известна только одна работа [20] (работы других авторов
в разной степени её повторяют или дополняют), которая в тех же значениях
функции изменения во времени приводит некоторую обобщенную величину
точности — достижимую точность обработки, мкм (рис. 1.1.7). Необходимо
заметить, что в настоящее время применяются следующие характеристики
видов обработки и их обобщенных понятий, приведенных на рис. 1.1.7:
34 Глава 1. Технологическая эволюция и эволюция точности станков
в их историческом развитии
1) традиционная (стандартная, ординарная) обработка: точение, фрезерова-
ние, прецизионное точение, шлифование, полирование, хонингование,
обработка на станках с ЧПУ;
2) прецизионные виды обработки: координатно-расточная, координатно-
шлифовальная, суперфинишное полирование, шлифование, алмазное то-
чение и шлифование;
3) высокопрецизионная обработка: высокопрецизионное шлифование, при-
тирание, полирование;
4) ультрапрецизионная обработка: атомарная, молекулярная, ионно-лучевая,
нанопроцессы и нанообработка.
Сверхточная (ультрапрецизионная) обработка относится к предельным
возможностям технологии производственного процесса, при котором дости-
гается обработка материала на самом низком уровне, то есть на атомном
уровне. Известно, что расстояния в решетке между двумя атомами составля-
ют порядка 0,2 0,4·10-9 м, следовательно, сверхточная обработка относится
к технологиям по обработке или к процессу удалению с точностью до 1 нм.
Этот процесс также называется обработкой «атомарных битов». Для уда-
ления или обработки атомных битов необходима чрезвычайно большая
плотность энергии, эквивалентная энергии связи атомов. Обычные режущие
1.1. Концепции эволюции технологий, оборудования и производств 35
Рис. 1.1.7. Изменение (эволюция) достижимой точности [20]
инструменты не обладают ни высокой прочностью, чтобы выдерживать вы-
сокую удельную энергию резания, ни твердостью, чтобы выдерживать износ
инструмента. Таким образом, сверхточная обработка подразумевает исполь-
зование инструментов из монокристаллического алмаза для сверхтонкой
резки или очень мелких абразивов для притирки или полировки.
Таким образом, показаны с единой системной позиции эволюция
и достижение достижимой точности детали (обработки) и технологического
оборудования, которые обеспечивают реализацию и функциональную спо-
собность оборудования достигать этот показатель. В частности, для метал-
лообрабатывающих станков такая точность обусловлена в первую очередь
требованиями, потребностями и направлениями развития общества и, в ча-
стности, промышленности, которая создаёт такие высокоточные изделия,
продукты, объекты.
Это определяет и необходимый уровень развития техники и технологий,
требования к деталям, узлам, механизмам, устройствам и системам, потен-
циал технологий и процессов, используемые ими физические принципы
и явления, уровень их совершенства и т. п., а следовательно, характеризует
и технологический уклад.
Как видно из графика (рис. 1.1.7), закономерность изменения достижи-
мой точности существенным образом отличается от графиков изменения во
времени технологических укладов и тенденций их эволюционного изме-
нения.
Таким образом, анализируя составляющие характеристики графика
(рис. 1.1.7), можно видеть, что совершенно обоснованно указан параметр
«достижимая точность обработки» и её изменение во времени, а в качестве
объекта рассмотрения выбраны технологии — методы обработки, их свойст-
во создавать изделия с предельно возможной точностью для разных пе-
риодов времени развития или эволюции промышленности (технического во-
площения методов обработки) и в соответствии с возникающими
потребностями общества. Отметим, что исторический процесс повышения
точности [22] происходил относительно быстро: к 1776 г., согласно письму
Дж. Уатта (James Watt), можно было получить точность (до 2000 мкм) рас-
точки (диаметр около 560 мм) цилиндра длиной 72 дюйма (1828,8 мм) в тол-
щину (в виде щупа) шестипенсовой монетки. По данным (1775 г.) Дж. Уил-
кинсона (Wilkinson), расточка цилиндра диаметром 57 дюйма (1447,8 мм)
производилась с такой же достижимой точностью до 2000 мкм. Темп роста
достижимой точности изготовления особенно высок в наше время. Она воз-
растала в 10 раз за каждые 20 лет. Так, относительная погрешность изготов-
ления в 1940 г. составляла 10-4, в 1960 г. — 10-5, в 1980 г. — 10-6 м. В научной
литературе приводятся схемы изменения достижимой точности обработки
с 1900 по 1980 гг. с прогнозными значениями до 2000—2020 гг. Начиная
с работы N. Taniguchi (1974, 1983, 1988 и 1994 гг.) последующие модифика-
ции этой схемы (по отношению к первоначальной) опубликованы с различ-
ной степенью полноты и детализации видов станков и технологических про-
цессов в работах P.A. McKeown (1987 г.), G Byrne, D Dornfeld, B. Denkena
(2003 г.). В этих работах также приведены схемы изменения достижимой