Zasadniczo obrabiarka jest narzędziem, które maszyna prowadzi po ścieżce narzędzia – a nie poprzez bezpośrednie, ręczne prowadzenie, jak w przypadku narzędzi ręcznych i prawie wszystkich narzędzi ludzkich, dopóki ludzie nie wynaleźli obrabiarki.
Sterowanie numeryczne (NC) odnosi się do wykorzystania programowalnej logiki (dane w postaci liter, cyfr, symboli, słów lub kombinacji) do automatycznego sterowania narzędziami obróbczymi. Zanim się pojawiło, narzędzia do obróbki były zawsze kontrolowane przez operatorów ręcznych.
Komputerowe sterowanie numeryczne (CNC) oznacza wysyłanie dokładnie zakodowanych instrukcji do mikroprocesora w systemie sterowania narzędziem obróbczym w celu poprawy dokładności i spójności. CNC, o którym dziś się mówi, prawie wszystko odnosi się do frezarek podłączonych do komputerów. Technicznie rzecz biorąc, można nim opisać dowolną maszynę sterowaną przez komputer.
W ubiegłym stuleciu wiele wynalazków położyło podwaliny pod rozwój obrabiarek CNC. Tutaj przyglądamy się czterem podstawowym elementom rozwoju technologii sterowania numerycznego: wczesnym obrabiarkom, kartom perforowanym, serwomechanizmom i językowi programowania automatycznych narzędzi programowania (APT).
Wczesne obrabiarki
Podczas drugiej rewolucji przemysłowej w Wielkiej Brytanii James Watt był chwalony za stworzenie silnika parowego, który napędzał rewolucję przemysłową, ale napotkał trudności w produkcji cylindrów silnika parowego z dokładnością do 1775 roku, kiedy John Johnwilkinson stworzył coś, co jest znane jako pierwsza na świecie obrabiarka do wytaczania cylindrów silników parowych i został rozwiązany. Ta wytaczarka została również zaprojektowana przez Wilkinsona w oparciu o jego oryginalne działo;
Karta dziurkacza
W 1725 roku Basile Bouchon, francuski robotnik tekstylny, wynalazł metodę kontrolowania krosien poprzez wykorzystanie zakodowanych danych na taśmach papierowych przechodzących przez szereg otworów. Choć jest to przełomowa metoda, oczywista jest także wada tej metody, czyli konieczność ciągłego stosowania operatorów. W 1805 roku Joseph Marie żakard przyjął tę koncepcję, ale została ona wzmocniona i uproszczona poprzez zastosowanie mocniejszych kart perforowanych ułożonych w kolejności, automatyzując w ten sposób proces. Te karty dziurkowane są powszechnie uważane za podstawę współczesnej informatyki i oznaczają koniec domowego przemysłu rękodzielniczego w tkactwie.
Co ciekawe, krosnom żakardowym sprzeciwiali się wówczas tkacze jedwabiu, obawiając się, że automatyzacja pozbawi ich pracy i środków do życia. Wielokrotnie palili wprowadzane do produkcji krosna; Jednak ich opór okazał się daremny, ponieważ przemysł dostrzegł zalety zautomatyzowanych krosien. Do 1812 roku we Francji używano 11 000 krosien żakardowych.
Karty dziurkowane powstały pod koniec XIX wieku i znalazły wiele zastosowań, od telegrafu po fortepian automatyczny. Chociaż o mechanicznym sterowaniu decydowały wczesne karty, amerykański wynalazca Herman Hollerith stworzył elektromechaniczny tabulator kart dziurkowanych, który zmienił zasady gry. Jego system został opatentowany w 1889 roku, kiedy pracował dla US Census Bureau.
Herman Hollerith założył firmę tabulatorową w 1896 r. i połączył się z czterema innymi firmami, tworząc IBM w 1924 r. W drugiej połowie XX wieku po raz pierwszy zastosowano karty dziurkowane do wprowadzania i przechowywania danych w komputerach i maszynach sterowanych numerycznie. Oryginalny format ma pięć rzędów otworów, natomiast kolejne wersje mają sześć, siedem, osiem lub więcej rzędów.
Mechanizm serwa
Serwomechanizm to automatyczne urządzenie, które wykorzystuje indukcyjne sprzężenie zwrotne błędów w celu skorygowania działania maszyny lub mechanizmu. W niektórych przypadkach serwo umożliwia sterowanie urządzeniami o dużej mocy przez urządzenia o znacznie mniejszej mocy. Mechanizm serwo składa się z urządzenia sterowanego, innego urządzenia wydającego polecenia, przyrządu do wykrywania błędów, wzmacniacza sygnału błędu i urządzenia (serwomotoru), które koryguje błędy. Systemy serwo są zwykle używane do sterowania zmiennymi, takimi jak położenie i prędkość, a najczęściej są to układy elektryczne, pneumatyczne lub hydrauliczne.
Pierwszy elektryczny serwomechanizm został założony przez H. Calendar w Wielkiej Brytanii w 1896 roku. Do 1940 roku MIT utworzył specjalne laboratorium serwomechanizmów, które zrodziło się w wyniku rosnącego zainteresowania Wydziału Elektrotechniki tym tematem. W obróbce CNC układ serwo jest bardzo ważny, aby osiągnąć dokładność tolerancji wymaganą w procesie automatycznej obróbki.
Automatyczne narzędzie do programowania (APT)
Narzędzie do programowania automatycznego (APT) narodziło się w laboratorium serwomechanizmów Instytutu Technologicznego Massachusetts w 1956 roku. Jest twórczym osiągnięciem grupy zastosowań komputerowych. Jest to łatwy w użyciu język programowania wysokiego poziomu, który jest specjalnie używany do generowania instrukcji dla obrabiarek CNC. Oryginalna wersja była wcześniejsza niż FORTRAN, ale późniejsze wersje zostały przepisane przy użyciu Fortran.
Apt to język stworzony do współpracy z pierwszą maszyną NC MIT, która jest pierwszą na świecie maszyną NC. Następnie stał się standardem w programowaniu obrabiarek sterowanych komputerowo i był szeroko stosowany w latach 70. XX wieku. Później rozwój apt był sponsorowany przez siły powietrzne i ostatecznie został otwarty dla sektora cywilnego.
Douglas T. Ross, szef grupy aplikacji komputerowych, znany jest jako ojciec apt. Później ukuł termin „projektowanie wspomagane komputerowo” (CAD).
Narodziny sterowania numerycznego
Przed pojawieniem się obrabiarek CNC pierwszym krokiem był rozwój obrabiarek CNC i pierwszych obrabiarek CNC. Choć istnieją pewne różnice w różnych opisach szczegółów historycznych, pierwsza obrabiarka CNC jest nie tylko odpowiedzią na specyficzne wyzwania produkcyjne stojące przed wojskiem, ale także naturalnym rozwinięciem systemu kart dziurkowanych.
„Sterowanie cyfrowe wyznacza początek drugiej rewolucji przemysłowej i nadejście ery naukowej, w której sterowanie maszynami i procesami przemysłowymi zmieni się z nieprecyzyjnych projektów na dokładne”. – Stowarzyszenie Inżynierów Produkcji.
Amerykański wynalazca John T. Parsons (1913 – 2007) jest powszechnie uważany za ojca sterowania numerycznego. Opracował i wdrożył technologię sterowania numerycznego przy pomocy inżyniera lotniczego Franka L. Stulena. Jako syn producenta z Michigan, Parsons rozpoczął pracę jako monter w fabryce swojego ojca w wieku 14 lat. Później był właścicielem i operatorem wielu zakładów produkcyjnych w ramach rodzinnej firmy produkcyjnej Parsons.
Parsons posiada pierwszy patent NC i został wybrany do Galerii Sław Wynalazców Krajowych za pionierską pracę w dziedzinie sterowania numerycznego. Parsons ma w sumie 15 patentów, a kolejne 35 zostało przyznanych jego przedsiębiorstwu. W 2001 roku stowarzyszenie inżynierów produkcji przeprowadziło wywiad z Parsonsem, aby wszyscy mogli poznać jego historię z jego perspektywy.
Wczesny harmonogram NC
1942:John T. Parsons został podwykonawcą firmy Sikorsky Aircraft w celu produkcji łopat wirnika helikoptera.
1944:z powodu wady konstrukcyjnej belki skrzydłowej jedna z pierwszych 18 wyprodukowanych przez nich łopat uległa awarii, co spowodowało śmierć pilota. Pomysł Parsonsa polega na przebiciu łopaty wirnika metalem, aby ją wzmocnić, oraz wymianie kleju i śrub w celu przymocowania zespołu.
1946:ludzie chcieli stworzyć narzędzie produkcyjne umożliwiające dokładną produkcję ostrzy, co było ogromnym i złożonym wyzwaniem ze względu na ówczesne warunki. Dlatego Parsons zatrudnił inżyniera lotniczego Franka Stulena i wraz z trzema innymi osobami utworzył zespół inżynierów. Stulen pomyślał o użyciu kart dziurkowanych IBM do określenia poziomu naprężenia ostrza i wynajął do tego projektu siedem maszyn IBM.
W 1948 roku cel polegający na łatwej zmianie sekwencji ruchu automatycznych obrabiarek został osiągnięty na dwa główne sposoby – w porównaniu z ustawieniem po prostu ustalonej sekwencji ruchu – i jest realizowany na dwa główne sposoby: sterowanie traserem i sterowanie cyfrowe. Jak widać, najpierw trzeba wykonać fizyczny model obiektu (lub przynajmniej kompletny rysunek, np. telefon hydroelektryczny Cincinnati Cable Traker). Drugim nie jest uzupełnienie obrazu obiektu lub części, a jedynie jego abstrakcja: modele matematyczne i instrukcje maszynowe.
1949:siły powietrzne USA potrzebują pomocy ultraprecyzyjnej konstrukcji skrzydła. Parsons sprzedał swoją maszynę CNC i zdobył kontrakt o wartości 200 000 dolarów, aby urzeczywistnić to przedsięwzięcie.
1949:Parsons i Stulen współpracowali z firmą Snyder machine & Tool Corp. przy opracowywaniu maszyn i zdali sobie sprawę, że do zapewnienia dokładnej pracy maszyn potrzebne są serwomotory. Parsons zlecił podwykonawstwo układu serwo „frezarki Card-a-matic” do serwomechanizmu Laboratorium Technologii Massachusetts Institute.
1952 (maj): Parsons złożył wniosek patentowy na „urządzenie sterujące silnikiem do pozycjonowania obrabiarek”. Patent przyznał w 1958 roku.
1952 (sierpień):w odpowiedzi MIT złożył wniosek o patent na „serwosystem sterowania numerycznego”.
Po drugiej wojnie światowej Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych podpisały kilka kontraktów z firmą Parsons w celu dalszego rozwoju innowacji w zakresie obróbki NC opracowanej przez jej założyciela, Johna Parsonsa. Parsons był zainteresowany eksperymentami przeprowadzanymi w laboratorium serwomechanizmów MIT i zaproponował, aby w 1949 r. MIT zostało podwykonawcą projektu w celu zapewnienia wiedzy specjalistycznej w zakresie automatycznego sterowania. W ciągu następnych 10 lat MIT przejął kontrolę nad całym projektem, ponieważ wizja „trzyosiowej ciągłej kontroli ścieżki” laboratorium serwomechanizmów zastąpiła pierwotną koncepcję Parsonsa dotyczącą „pozycjonowania cięcia w skrawaniu”. Problemy zawsze kształtują technologię, ale ta wyjątkowa historia opisana przez historyka Davida Noble’a stała się ważnym kamieniem milowym w historii technologii.
1952:MIT zademonstrował system pasów perforowanych z 7 szynami, który jest złożony i kosztowny (250 lamp próżniowych, 175 przekaźników w pięciu szafkach wielkości lodówki).
Oryginalną frezarką CNC MIT z 1952 roku była firma Hydro Tel, zmodyfikowana 3-osiowa frezarka z Cincinnati.
We wrześniu 1952 roku w czasopiśmie „automatic control” czasopisma „Scientific American” ukazało się siedem artykułów na temat „samoregulującej się maszyny, która reprezentuje rewolucję naukową i technologiczną, która skutecznie ukształtuje przyszłość ludzkości”.
1955:Kontrola Concord (złożona z członków pierwotnego zespołu MIT) stworzyła kartę numeryczną, która zastąpiła perforowaną taśmę w maszynach NC MIT czytnikiem taśm opracowanym przez GE.
Przechowywanie taśm
1958:Parsons uzyskał patent amerykański nr 2820187 i sprzedał wyłączną licencję firmie Bendix. IBM, Fujitsu i General Electric uzyskały sublicencje po rozpoczęciu opracowywania własnych maszyn.
1958:MIT opublikował raport na temat ekonomii NC, z którego wynika, że obecna maszyna NC tak naprawdę nie oszczędzała czasu, ale przeniosła siłę roboczą z warsztatu fabrycznego do ludzi zajmujących się produkcją pasów perforowanych.
Czas publikacji: 19 lipca 2022 r