По същество машинният инструмент е инструмент за машината, който да насочва пътя на инструмента – не чрез директно, ръчно насочване, като ръчните инструменти и почти всички човешки инструменти, докато хората не изобретяват машинния инструмент.
Цифровото управление (NC) се отнася до използването на програмируема логика (данни под формата на букви, цифри, символи, думи или комбинации) за автоматично управление на машинни инструменти.Преди да се появят, инструментите за обработка винаги са били управлявани от ръчни оператори.
Компютърно цифрово управление (CNC) се отнася до изпращане на точно кодирани инструкции към микропроцесора в системата за управление на обработващия инструмент, така че да се подобри точността и последователността.CNC, за които хората говорят днес, почти всички се отнасят до фрезови машини, свързани с компютри.От техническа гледна точка може да се използва за описание на всяка машина, управлявана от компютър.
През миналия век много изобретения поставиха основата за развитието на CNC машинни инструменти.Тук разглеждаме четири основни елемента от развитието на технологията за цифрово управление: ранни машинни инструменти, перфокарти, серво механизми и програмен език за инструменти за автоматично програмиране (APT).
Ранни машинни инструменти
По време на втората индустриална революция във Великобритания Джеймс Уат беше възхваляван за създаването на парната машина, която задвижи индустриалната революция, но той срещна трудности при производството на точността на цилиндрите на парната машина до 1775 г. Джон Джонуилкинсън създаде това, което е известно като първата в света машинна машина за пробиване на цилиндри на парни машини и беше решен.Тази скучна машина също е проектирана от Уилкинсън въз основа на неговото оригинално оръдие;
Перфокарта
През 1725 г. Базил Бушон, френски текстилен работник, изобретява метод за управление на станове чрез използване на кодирани данни върху хартиени ленти през поредица от дупки.Въпреки че е новаторски, недостатъкът на този метод също е очевиден, тоест той все още се нуждае от оператори.През 1805 г. Джоузеф Мари Жакард възприема тази концепция, но тя е подсилена и опростена чрез използване на по-здрави перфокарти, подредени последователно, като по този начин автоматизира процеса.Тези перфокарти се считат широко за основата на съвременните компютри и бележат края на индустрията за домашно занаятчийство в тъкането.
Интересното е, че жакардовите станове се съпротивляваха на тъкачите на коприна по това време, които се притесняваха, че тази автоматизация ще ги лиши от работата и прехраната им.Те многократно изгаряха въведените в производство станове;Тяхната съпротива обаче се оказва безсмислена, тъй като индустрията признава предимствата на автоматизираните станове.До 1812 г. във Франция са били използвани 11 000 жакардови станове.
Перфокартите са разработени в края на 1800 г. и са намерили много приложения, от телеграф до автоматично пиано.Въпреки че механичното управление се определя от ранните карти, американският изобретател Херман Холерит създава електромеханичен табулатор за перфокарти, който променя правилата на играта.Неговата система е патентована през 1889 г., когато той работи за Бюрото за преброяване на населението на САЩ.
Херман Холерит основава компанията за табулатори през 1896 г. и се слива с четири други компании, за да създаде IBM през 1924 г. През втората половина на 20-ти век перфокартите са използвани за първи път за въвеждане и съхранение на данни на компютри и машини за цифрово управление.Оригиналният формат има пет реда дупки, докато следващите версии имат шест, седем, осем или повече реда.
Серво механизъм
Серво механизъм е автоматично устройство, което използва индуктивна обратна връзка за грешка, за да коригира работата на машината или механизма.В някои случаи сервото позволява устройства с висока мощност да бъдат управлявани от устройства с много по-ниска мощност.Серво механизмът се състои от управлявано устройство, друго устройство, което дава команди, инструмент за откриване на грешки, усилвател на сигнала за грешка и устройство (серво мотор), което коригира грешките.Серво системите обикновено се използват за управление на променливи като позиция и скорост, а най-често срещаните са електрически, пневматични или хидравлични.
Първият електрически серво механизъм е създаден от H. calendar във Великобритания през 1896 г. До 1940 г. MIT създава специална лаборатория за серво механизми, която произхожда от нарастващото внимание на катедрата по електротехника към тази тема.При обработката с ЦПУ серво системата е много важна за постигане на точността на толеранса, изисквана от автоматичния процес на обработка.
Инструмент за автоматично програмиране (APT)
Инструментът за автоматично програмиране (APT) е роден в лабораторията за серво механизми на Масачузетския технологичен институт през 1956 г. Това е творческо постижение на групата за компютърни приложения.Това е лесен за използване език за програмиране на високо ниво, който се използва специално за генериране на инструкции за CNC машинни инструменти.Оригиналната версия е по-стара от FORTRAN, но по-късните версии са пренаписани с Fortran.
Apt е език, създаден да работи с първата NC машина на MIT, която е първата в света NC машина.След това той продължава да се превръща в стандарт за компютърно контролирано програмиране на машинни инструменти и се използва широко през 70-те години.По-късно разработването на apt беше спонсорирано от военновъздушните сили и в крайна сметка беше отворено за гражданския сектор.
Дъглас Т. Рос, ръководителят на групата за компютърни приложения, е известен като бащата на apt.По-късно той измисля термина „компютърно подпомагано проектиране“ (CAD).
Раждането на цифровото управление
Преди появата на CNC машинни инструменти, първото е разработването на CNC машини и първите CNC машини.Въпреки че има някои разлики в различните описания на исторически детайли, първата машина с ЦПУ е не само отговор на специфичните производствени предизвикателства, пред които е изправена армията, но и естествено развитие на системата с перфокарти.
„Дигиталното управление бележи началото на втората индустриална революция и настъпването на научната ера, в която управлението на машините и индустриалните процеси ще се промени от непрецизни чертежи към точни.“– Асоциация на производствените инженери.
Американският изобретател Джон Т. Парсънс (1913 – 2007) е широко смятан за баща на цифровото управление.Той замисли и внедри технологията за цифрово управление с помощта на авиоинженера Франк Л. Стулен.Като син на производител в Мичиган, Парсънс започва работа като монтажник във фабриката на баща си на 14-годишна възраст. По-късно той притежава и управлява редица производствени предприятия в рамките на семейния бизнес Parsons manufacturing company.
Parsons има първия NC патент и е избран в Националната зала на славата на изобретателите за пионерската си работа в областта на цифровото управление.Парсънс има общо 15 патента, а други 35 са предоставени на неговото предприятие.Обществото на производствените инженери интервюира Парсънс през 2001 г., за да позволи на всички да разберат историята му от неговата гледна точка.
Ранен NC график
1942:Джон Т. Парсънс беше нает от Sikorsky Aircraft за производство на роторни перки на хеликоптер.
1944:поради конструктивния дефект на лъча на крилото, една от първите 18 перки, които те произвеждат, се провали, което доведе до смъртта на пилота.Идеята на Парсънс е да пробие перката на ротора с метал, за да я направи по-здрава и да замени лепилото и винтовете за закрепване на модула.
1946:хората искаха да създадат производствен инструмент за прецизно производство на остриета, което беше огромно и сложно предизвикателство за условията по онова време.Затова Парсънс наема авиоинженера Франк Стулен и сформира инженерен екип с още трима души.Stulen се сети да използва перфокарти на IBM, за да определи нивото на напрежение върху острието, и те наеха седем машини на IBM за проекта.
През 1948 г. целта за лесна промяна на последователността на движение на автоматичните металорежещи машини беше постигната по два основни начина – в сравнение с простото задаване на фиксирана последователност на движение – и се изпълнява по два основни начина: контрол на трасира и цифров контрол.Както виждаме, първият трябва да направи физически модел на обекта (или поне пълен чертеж, като Cincinnati cable tracer hydropower phone).Второто не е да завършите изображението на обекта или частта, а само да го абстрахирате: математически модели и машинни инструкции.
1949:ВВС на САЩ се нуждаят от помощта на ултра прецизна структура на крилото.Парсънс продаде своята CNC машина и спечели договор на стойност $200 000, за да го превърне в реалност.
1949:Парсънс и Стулен работят със Snyder machine & tool Corp. за разработване на машини и осъзнават, че имат нужда от серво мотори, за да накарат машините да работят точно.Parsons възлага подизпълнител на сервосистемата на „card-a-matic milling machine“ на лабораторията за серво механизъм на Масачузетския технологичен институт.
1952 (май): Парсънс кандидатства за патент за „устройство за управление на мотор за позициониране на машинни инструменти“.Той издава патента през 1958 г.
1952 (август):в отговор MIT кандидатства за патент за „серво система с цифрово управление“.
След Втората световна война американските военновъздушни сили подписаха няколко договора с Парсънс за по-нататъшно развитие на иновациите за обработка с NC, направени от основателя Джон Парсънс.Парсънс се интересува от експериментите, които се провеждат в лабораторията за серво механизми на MIT и предлага MIT да стане подизпълнител на проекта през 1949 г., за да предостави опит в автоматичното управление.През следващите 10 години Масачузетският технологичен институт пое контрола над целия проект, тъй като визията за „триосно непрекъснато управление на пътя“ на серво лаборатория замени първоначалната концепция на Парсънс за „разрязване при позициониране на рязане“.Проблемите винаги оформят технологията, но тази специална история, записана от историка Дейвид Ноубъл, се превърна във важен крайъгълен камък в историята на технологиите.
1952:Масачузетският технологичен институт демонстрира тяхната 7-релсова перфорирана ремъчна система, която е сложна и скъпа (250 вакуумни тръби, 175 релета, в пет шкафа с размер на хладилник).
Оригиналната CNC фреза на MIT през 1952 г. беше hydro Tel, модифицирана компания за фрезови машини с 3 оси в Синсинати.
Има седем статии за „саморегулираща се машина, която представлява научна и технологична революция, която ефективно ще оформи бъдещето на човечеството“ в списание „автоматично управление“ на Scientific American през септември 1952 г.
1955:Контролите на Concord (съставени от членове на първоначалния екип на MIT) създадоха цифрова карта, която замени перфорираната лента на машините с NC MIT с четеца на лента, разработен от GE.
Съхранение на лента
1958:Parsons получи американски патент 2820187 и продаде изключителния лиценз на Bendix.IBM, Fujitsu и General Electric получиха подлицензи, след като започнаха да разработват свои собствени машини.
1958:Масачузетският технологичен институт публикува доклад за икономиката на NC, който заключава, че настоящата машина с NC всъщност не спестява време, а прехвърля работната сила от фабричния цех към хората, които правят перфорирани ремъци.
Време на публикуване: 19 юли 2022 г