In sostanza, la macchina utensile è uno strumento che consente alla macchina di guidare il percorso dell'utensile, non tramite una guida manuale diretta, come gli strumenti manuali e quasi tutti gli strumenti umani, fino a quando le persone non hanno inventato la macchina utensile.
Il controllo numerico (NC) si riferisce all'uso della logica programmabile (dati sotto forma di lettere, numeri, simboli, parole o combinazioni) per controllare automaticamente gli utensili di lavorazione. Prima della sua comparsa, gli strumenti di lavorazione erano sempre controllati da operatori manuali.
Il controllo numerico computerizzato (CNC) si riferisce all'invio di istruzioni accuratamente codificate al microprocessore nel sistema di controllo dell'utensile di lavorazione, in modo da migliorare la precisione e la coerenza. I CNC di cui si parla oggi si riferiscono quasi tutti a fresatrici collegate a computer. Tecnicamente può essere usato per descrivere qualsiasi macchina controllata da un computer.
Nel secolo scorso, molte invenzioni hanno gettato le basi per lo sviluppo di macchine utensili CNC. Qui esamineremo quattro elementi fondamentali dello sviluppo della tecnologia di controllo numerico: le prime macchine utensili, le schede perforate, i servomeccanismi e il linguaggio di programmazione degli strumenti di programmazione automatica (APT).
Le prime macchine utensili
Durante la seconda rivoluzione industriale in Gran Bretagna, James Watt fu elogiato per aver creato il motore a vapore che alimentò la rivoluzione industriale, ma incontrò difficoltà nella produzione dei cilindri dei motori a vapore con la precisione fino al 1775, John Johnwilkinson creò quella che è conosciuta come la prima macchina utensile al mondo per noiosi cilindri di motori a vapore ed è stato risolto. Anche questa alesatrice è progettata da Wilkinson sulla base del suo cannone originale;
Carta perforata
Nel 1725 Basile Bouchon, un operaio tessile francese, inventò un metodo per controllare i telai utilizzando dati codificati su nastri di carta attraverso una serie di fori. Sebbene sia innovativo, è evidente anche lo svantaggio di questo metodo, ovvero che necessita ancora di operatori. Nel 1805, Joseph Marie jacquard adottò questo concetto, ma lo rafforzò e lo semplificò utilizzando schede perforate più robuste disposte in sequenza, automatizzando così il processo. Queste schede perforate sono ampiamente considerate la base dell'informatica moderna e segnano la fine dell'industria artigianale della tessitura.
È interessante notare che all’epoca i telai jacquard incontravano resistenza da parte dei tessitori di seta, che temevano che questa automazione li avrebbe privati del lavoro e dei mezzi di sussistenza. Bruciarono ripetutamente i telai messi in produzione; Tuttavia, la loro resistenza si rivelò inutile, perché l’industria riconobbe i vantaggi dei telai automatizzati. Nel 1812 in Francia erano in uso 11.000 telai jacquard.
Le schede perforate si svilupparono alla fine del 1800 e trovarono molti usi, dal telegrafo al pianoforte automatico. Sebbene il controllo meccanico fosse deciso dalle prime carte, l'inventore americano Herman Hollerith creò un tabulatore elettromeccanico di schede perforate, che cambiò le regole del gioco. Il suo sistema fu brevettato nel 1889, quando lavorava per l'US Census Bureau.
Herman Hollerith fondò l'azienda di tabulatori nel 1896 e si unì ad altre quattro società per fondare l'IBM nel 1924. Nella seconda metà del XX secolo, le schede perforate furono utilizzate per la prima volta per l'immissione e la memorizzazione dei dati di computer e macchine a controllo numerico. Il formato originale prevede cinque file di fori, mentre le versioni successive ne hanno sei, sette, otto o più.
Meccanismo servo
Il servomeccanismo è un dispositivo automatico che utilizza il feedback induttivo dell'errore per correggere le prestazioni della macchina o del meccanismo. In alcuni casi, il servo consente di controllare dispositivi ad alta potenza da dispositivi con potenza molto inferiore. Il servomeccanismo è composto da un dispositivo controllato, un altro dispositivo che fornisce comandi, uno strumento di rilevamento degli errori, un amplificatore del segnale di errore e un dispositivo (servomotore) che corregge gli errori. I servosistemi vengono solitamente utilizzati per controllare variabili quali posizione e velocità e i più comuni sono elettrici, pneumatici o idraulici.
Il primo servomeccanismo elettrico fu fondato da H. Calendar in Gran Bretagna nel 1896. Nel 1940, il MIT creò uno speciale laboratorio di servomeccanismi, che ebbe origine dalla crescente attenzione del Dipartimento di ingegneria elettrica a questo argomento. Nella lavorazione CNC, il servosistema è molto importante per ottenere la precisione di tolleranza richiesta dal processo di lavorazione automatica.
Strumento di programmazione automatica (APT)
Lo strumento di programmazione automatica (APT) è nato nel laboratorio dei servomeccanismi del Massachusetts Institute of Technology nel 1956. È un risultato creativo del gruppo di applicazioni informatiche. È un linguaggio di programmazione di alto livello facile da usare, utilizzato appositamente per generare istruzioni per macchine utensili CNC. La versione originale era precedente a FORTRAN, ma le versioni successive furono riscritte con Fortran.
Apt è un linguaggio creato per funzionare con la prima macchina NC del MIT, che è la prima macchina NC al mondo. Successivamente ha continuato a diventare lo standard per la programmazione di macchine utensili controllate da computer ed è stato ampiamente utilizzato negli anni '70. Successivamente, lo sviluppo di apt fu sponsorizzato dall'aeronautica militare e alla fine fu aperto al settore civile.
Douglas T. Ross, il capo del gruppo di applicazioni informatiche, è conosciuto come il padre di apt. Successivamente coniò il termine “progettazione assistita da computer” (CAD).
La nascita del controllo numerico
Prima dell'emergere delle macchine utensili CNC, il primo è lo sviluppo delle macchine utensili CNC e delle prime macchine utensili CNC. Sebbene vi siano alcune differenze nelle diverse descrizioni dei dettagli storici, la prima macchina utensile CNC non è solo una risposta alle specifiche sfide produttive affrontate dai militari, ma anche uno sviluppo naturale del sistema a schede perforate.
“Il controllo digitale segna l’inizio della seconda rivoluzione industriale e l’arrivo dell’era scientifica in cui il controllo delle macchine e dei processi industriali passerà da disegni imprecisi a controlli accurati.” – Associazione degli ingegneri di produzione.
L'inventore americano John T. Parsons (1913 – 2007) è ampiamente considerato il padre del controllo numerico. Ha ideato e implementato la tecnologia di controllo numerico con l'aiuto dell'ingegnere aeronautico Frank L. Stulen. Figlio di un produttore del Michigan, Parsons iniziò a lavorare come assemblatore nella fabbrica di suo padre all'età di 14 anni. Successivamente, possedeva e gestiva una serie di stabilimenti di produzione sotto l'azienda di famiglia Parsons Manufacturing Company.
Parsons ha il primo brevetto NC ed è stata selezionata nella National Inventors Hall of fame per il suo lavoro pionieristico nel campo del controllo numerico. Parsons possiede un totale di 15 brevetti e altri 35 sono concessi alla sua impresa. La Society of Manufacturing Engineers ha intervistato Parsons nel 2001 per far conoscere a tutti la sua storia dal suo punto di vista.
Programma NC anticipato
1942:John T. Parsons venne subappaltato dalla Sikorsky Aircraft per la produzione delle pale dei rotori degli elicotteri.
1944:a causa di un difetto di progettazione della trave alare, una delle prime 18 pale prodotte si ruppe, provocando la morte del pilota. L'idea di Parsons è quella di perforare la pala del rotore con del metallo per renderla più resistente e sostituire colla e viti per fissare il gruppo.
1946:le persone volevano creare uno strumento di produzione per produrre con precisione le lame, il che rappresentava una sfida enorme e complessa per le condizioni di quel tempo. Pertanto, Parsons assunse l'ingegnere aeronautico Frank Stulen e formò un team di ingegneri con altre tre persone. Stulen pensò di utilizzare le schede perforate IBM per determinare il livello di stress sulla lama e noleggiarono sette macchine IBM per il progetto.
Nel 1948, l’obiettivo di modificare facilmente la sequenza di movimento delle macchine utensili automatiche fu raggiunto in due modi principali – rispetto alla semplice impostazione di una sequenza di movimento fissa – e viene perseguito in due modi principali: controllo tracciante e controllo digitale. Come possiamo vedere, per prima cosa è necessario realizzare un modello fisico dell'oggetto (o almeno un disegno completo, come il telefono idroelettrico tracciacavi di Cincinnati). Il secondo non è completare l'immagine dell'oggetto o della parte, ma solo astrarla: modelli matematici e istruzioni della macchina.
1949:l'aeronautica americana ha bisogno dell'aiuto di una struttura alare ultra precisa. Parsons ha venduto la sua macchina CNC e ha vinto un contratto del valore di 200.000 dollari per realizzarla.
1949:Parsons e Stulen hanno lavorato con Snyder Machine & Tool Corp. per sviluppare macchine e si sono resi conto che avevano bisogno di servomotori per far funzionare le macchine in modo accurato. Parsons ha subappaltato il servosistema della “fresatrice card-a-matic” al Servomeccanismo Laboratorio del Massachusetts Institute of Technology.
1952 (maggio): Parsons richiede un brevetto per “dispositivo di controllo motore per il posizionamento di macchine utensili”. Ha concesso il brevetto nel 1958.
1952 (agosto):in risposta, il MIT ha richiesto un brevetto per un “servosistema di controllo numerico”.
Dopo la seconda guerra mondiale, l'aeronautica americana firmò diversi contratti con Parsons per sviluppare ulteriormente l'innovazione della lavorazione a controllo numerico introdotta dal suo fondatore John Parsons. Parsons era interessato agli esperimenti condotti nel laboratorio dei servomeccanismi del MIT e propose che il MIT diventasse un subappaltatore del progetto nel 1949 per fornire competenze nel controllo automatico. Nei successivi 10 anni, il MIT ottenne il controllo dell'intero progetto, perché la visione del “controllo del percorso continuo a tre assi” del servolaboratorio sostituì il concetto originale di Parsons di “taglio nel posizionamento del taglio”. I problemi modellano sempre la tecnologia, ma questa storia speciale registrata dallo storico David Noble è diventata un'importante pietra miliare nella storia della tecnologia.
1952:Il MIT ha dimostrato il suo sistema di nastri perforati a 7 binari, che è complesso e costoso (250 tubi a vuoto, 175 relè, in cinque armadi delle dimensioni di un frigorifero).
La fresatrice CNC originale del MIT nel 1952 era Hydro Tel, un'azienda modificata di fresatrici a 3 assi di Cincinnati.
Ci sono sette articoli sulla “macchina autoregolante, che rappresenta una rivoluzione scientifica e tecnologica che plasmerà effettivamente il futuro dell’umanità” nella rivista “controllo automatico” di Scientific American nel settembre 1952.
1955:I controlli Concord (composti da membri del team originale del MIT) crearono la numericard, che sostituì il nastro perforato sulle macchine NC del MIT con il lettore di nastri sviluppato da GE.
Archiviazione su nastro
1958:Parsons ottenne il brevetto statunitense 2820187 e vendette la licenza esclusiva a Bendix. IBM, Fujitsu e General Electric ottennero tutte sublicenze dopo aver iniziato a sviluppare le proprie macchine.
1958:Il MIT ha pubblicato un rapporto sull'economia NC, in cui concludeva che l'attuale macchina NC non ha realmente fatto risparmiare tempo, ma ha trasferito la forza lavoro dall'officina della fabbrica alle persone che producevano nastri perforati.
Orario di pubblicazione: 19 luglio 2022