Im Wesentlichen handelt es sich bei einer Werkzeugmaschine um ein Werkzeug für die Maschine, um den Werkzeugweg zu leiten – nicht durch direkte, manuelle Führung, wie bei Handwerkzeugen und fast allen menschlichen Werkzeugen, bis Menschen die Werkzeugmaschine erfunden haben.
Numerische Steuerung (NC) bezieht sich auf die Verwendung programmierbarer Logik (Daten in Form von Buchstaben, Zahlen, Symbolen, Wörtern oder Kombinationen) zur automatischen Steuerung von Bearbeitungswerkzeugen. Bevor es auftauchte, wurden Verarbeitungswerkzeuge immer von manuellen Bedienern gesteuert.
Computer Numerische Steuerung (CNC) bezieht sich auf das Senden genau codierter Anweisungen an den Mikroprozessor im Steuerungssystem des Bearbeitungswerkzeugs, um die Genauigkeit und Konsistenz zu verbessern. CNC, von dem heute gesprochen wird, bezieht sich fast ausschließlich auf Fräsmaschinen, die an Computer angeschlossen sind. Technisch gesehen kann damit jede Maschine beschrieben werden, die von einem Computer gesteuert wird.
Im vergangenen Jahrhundert haben viele Erfindungen den Grundstein für die Entwicklung von CNC-Werkzeugmaschinen gelegt. Hier betrachten wir vier grundlegende Elemente der Entwicklung der numerischen Steuerungstechnologie: frühe Werkzeugmaschinen, Lochkarten, Servomechanismen und die Programmiersprache Automatic Programming Tools (APT).
Frühe Werkzeugmaschinen
Während der zweiten industriellen Revolution in Großbritannien wurde James Watt für die Entwicklung der Dampfmaschine gelobt, die die industrielle Revolution vorangetrieben hatte. Er hatte jedoch Schwierigkeiten, die Genauigkeit der Dampfmaschinenzylinder herzustellen, bis John John Wilkinson 1775 die sogenannte erste Werkzeugmaschine der Welt entwickelte zum Bohren von Dampfmaschinenzylindern und wurde gelöst. Diese Bohrmaschine wurde ebenfalls von Wilkinson auf der Grundlage seiner Originalkanone entworfen;
Lochkarte
Im Jahr 1725 erfand Basile Bouchon, ein französischer Textilarbeiter, eine Methode zur Steuerung von Webstühlen, indem er codierte Daten auf Papierbändern durch eine Reihe von Löchern verwendete. Obwohl es bahnbrechend ist, liegt auch der Nachteil dieser Methode auf der Hand: Sie benötigt immer noch Bediener. Im Jahr 1805 übernahm Joseph Marie Jacquard dieses Konzept, es wurde jedoch durch die Verwendung stärkerer Lochkarten, die in einer Reihe angeordnet waren, verstärkt und vereinfacht, wodurch der Prozess automatisiert wurde. Diese Lochkarten gelten weithin als Grundlage der modernen Computertechnik und markieren das Ende der heimischen Handwerksindustrie in der Weberei.
Interessanterweise stießen Seidenweber zu dieser Zeit auf Widerstand gegen Jacquard-Webstühle, da sie befürchteten, dass diese Automatisierung sie ihrer Arbeit und ihres Lebensunterhalts berauben würde. Sie verbrannten wiederholt die in Betrieb genommenen Webstühle; Ihr Widerstand erwies sich jedoch als zwecklos, da die Industrie die Vorteile automatisierter Webstühle erkannte. Bis 1812 waren in Frankreich 11.000 Jacquard-Webstühle im Einsatz.
Lochkarten wurden im späten 19. Jahrhundert entwickelt und fanden viele Verwendungsmöglichkeiten, vom Telegrafen bis zum automatischen Klavier. Obwohl die mechanische Steuerung durch frühe Karten bestimmt wurde, entwickelte der amerikanische Erfinder Herman Hollerith einen elektromechanischen Lochkarten-Tabulator, der die Spielregeln veränderte. Sein System wurde 1889 patentiert, als er für das US Census Bureau arbeitete.
Herman Hollerith gründete 1896 die Tabulator-Firma und fusionierte 1924 mit vier anderen Unternehmen zur Gründung von IBM. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden Lochkarten erstmals zur Dateneingabe und -speicherung von Computern und numerischen Steuerungsmaschinen verwendet. Das ursprüngliche Format hatte fünf Lochreihen, während die Folgeversionen sechs, sieben, acht oder mehr Reihen hatten.
Servomechanismus
Der Servomechanismus ist ein automatisches Gerät, das eine induktive Fehlerrückführung nutzt, um die Leistung der Maschine oder des Mechanismus zu korrigieren. In einigen Fällen ermöglicht der Servo die Steuerung von Geräten mit hoher Leistung durch Geräte mit viel geringerer Leistung. Der Servomechanismus besteht aus einem gesteuerten Gerät, einem weiteren Gerät, das Befehle gibt, einem Fehlererkennungsinstrument, einem Fehlersignalverstärker und einem Gerät (Servomotor), das Fehler korrigiert. Servosysteme werden in der Regel zur Steuerung von Variablen wie Position und Geschwindigkeit eingesetzt und sind am häufigsten elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch.
Der erste elektrische Servomechanismus wurde 1896 von H. Calendar in Großbritannien erfunden. 1940 richtete das MIT ein spezielles Labor für Servomechanismen ein, das aus der zunehmenden Aufmerksamkeit der Abteilung für Elektrotechnik für dieses Thema entstand. Bei der CNC-Bearbeitung ist das Servosystem sehr wichtig, um die für den automatischen Bearbeitungsprozess erforderliche Toleranzgenauigkeit zu erreichen.
Automatisches Programmiertool (APT)
Das Automatic Programming Tool (APT) wurde 1956 im Servomechanismus-Labor des Massachusetts Institute of Technology geboren. Es ist eine kreative Errungenschaft der Computeranwendungsgruppe. Es handelt sich um eine einfach zu bedienende Hochprogrammiersprache, die speziell zur Generierung von Anweisungen für CNC-Werkzeugmaschinen verwendet wird. Die Originalversion war früher als FORTRAN, spätere Versionen wurden jedoch mit Fortran neu geschrieben.
Apt ist eine Sprache, die für die Zusammenarbeit mit der ersten NC-Maschine des MIT, der ersten NC-Maschine der Welt, entwickelt wurde. Anschließend entwickelte es sich zum Standard der computergesteuerten Werkzeugmaschinenprogrammierung und fand in den 1970er Jahren breite Anwendung. Später wurde die Entwicklung von apt von der Luftwaffe gefördert und schließlich für den zivilen Sektor geöffnet.
Douglas T. Ross, der Leiter der Computeranwendungsgruppe, gilt als Vater von apt. Später prägte er den Begriff „Computer Aided Design“ (CAD).
Die Geburt der numerischen Steuerung
Vor dem Aufkommen von CNC-Werkzeugmaschinen gab es zunächst die Entwicklung von CNC-Werkzeugmaschinen und die ersten CNC-Werkzeugmaschinen. Obwohl es in den unterschiedlichen Beschreibungen historischer Details einige Unterschiede gibt, ist die erste CNC-Werkzeugmaschine nicht nur eine Antwort auf die spezifischen Fertigungsherausforderungen des Militärs, sondern auch eine natürliche Weiterentwicklung des Lochkartensystems.
„Die digitale Steuerung markiert den Beginn der zweiten industriellen Revolution und den Beginn des wissenschaftlichen Zeitalters, in dem sich die Steuerung von Maschinen und industriellen Prozessen von ungenauen Entwürfen zu genauen wandeln wird.“ – Verband der Fertigungsingenieure.
Der amerikanische Erfinder John T. Parsons (1913 – 2007) gilt weithin als Vater der numerischen Steuerung. Mit Hilfe des Flugzeugingenieurs Frank L. Stulen konzipierte und implementierte er die numerische Steuerungstechnologie. Als Sohn eines Fabrikanten in Michigan begann Parsons im Alter von 14 Jahren als Monteur in der Fabrik seines Vaters zu arbeiten. Später besaß und betrieb er eine Reihe von Produktionsstätten des Familienunternehmens Parsons Manufacturing Company.
Parsons besitzt das erste NC-Patent und wurde für seine Pionierarbeit auf dem Gebiet der numerischen Steuerung in die National Inventors Hall of Fame aufgenommen. Insgesamt verfügt Parsons über 15 Patente, weitere 35 sind seinem Unternehmen erteilt. Die Gesellschaft der Fertigungsingenieure interviewte Parsons im Jahr 2001, um allen seine Geschichte aus seiner Sicht näher zu bringen.
Früher NC-Zeitplan
1942:John T. Parsons wurde von Sikorsky Aircraft mit der Herstellung von Hubschrauberrotorblättern beauftragt.
1944:Aufgrund eines Konstruktionsfehlers am Flügelträger versagte eines der ersten 18 von ihnen hergestellten Blätter, was zum Tod des Piloten führte. Die Idee von Parsons besteht darin, das Rotorblatt mit Metall zu stanzen, um es stärker zu machen, und Kleber und Schrauben zu ersetzen, um die Baugruppe zu befestigen.
1946:Man wollte ein Fertigungswerkzeug zur präzisen Herstellung von Klingen entwickeln, was für die damaligen Verhältnisse eine große und komplexe Herausforderung darstellte. Deshalb stellte Parsons den Flugzeugingenieur Frank Stulen ein und bildete mit drei weiteren Personen ein Ingenieurteam. Stulen dachte darüber nach, IBM-Lochkarten zu verwenden, um den Belastungsgrad der Klinge zu bestimmen, und mietete für das Projekt sieben IBM-Maschinen.
Im Jahr 1948 wurde das Ziel, den Bewegungsablauf automatischer Werkzeugmaschinen einfach zu ändern, im Wesentlichen auf zwei Arten erreicht – im Vergleich zur bloßen Einstellung eines festen Bewegungsablaufs – und wird im Wesentlichen auf zwei Arten umgesetzt: Tastersteuerung und digitale Steuerung. Wie wir sehen können, muss zunächst ein physisches Modell des Objekts erstellt werden (oder zumindest eine vollständige Zeichnung, z. B. Cincinnati Cable Tracer, Wasserkrafttelefon). Die zweite besteht nicht darin, das Bild des Objekts oder Teils zu vervollständigen, sondern nur darin zu abstrahieren: mathematische Modelle und Maschinenanweisungen.
1949:Die US-Luftwaffe benötigt die Hilfe einer hochpräzisen Flügelstruktur. Parsons verkaufte seine CNC-Maschine und erhielt einen Auftrag im Wert von 200.000 US-Dollar, um sie in die Realität umzusetzen.
1949:Parsons und Stulen arbeiteten mit Snyder Machine & Tool Corp. an der Entwicklung von Maschinen und stellten fest, dass sie Servomotoren benötigten, damit die Maschinen präzise arbeiten. Parsons vergab das Servosystem der „Card-a-matic-Fräsmaschine“ an das Servomechanismus-Laboratorium des Massachusetts Institute of Technology.
1952 (Mai): Parsons meldete ein Patent für „Motorsteuergerät zur Positionierung von Werkzeugmaschinen“ an. Er erteilte das Patent 1958.
1952 (August):Als Reaktion darauf meldete das MIT ein Patent für ein „numerisch gesteuertes Servosystem“ an.
Nach dem Zweiten Weltkrieg unterzeichnete die US Air Force mehrere Verträge mit Parsons, um die von ihrem Gründer John Parsons entwickelte NC-Bearbeitungsinnovation weiterzuentwickeln. Parsons interessierte sich für die Experimente, die im Labor für Servomechanismen des MIT durchgeführt wurden, und schlug vor, dass das MIT 1949 Subunternehmer des Projekts werden sollte, um Fachwissen in der automatischen Steuerung bereitzustellen. In den nächsten 10 Jahren erlangte das MIT die Kontrolle über das gesamte Projekt, da die Vision einer „dreiachsigen kontinuierlichen Bahnsteuerung“ des Servolabors Parsons' ursprüngliches Konzept der „Schnitt-in-Schnitt-Positionierung“ ersetzte. Technologie wird immer von Problemen geprägt, aber diese besondere Geschichte des Historikers David Noble ist zu einem wichtigen Meilenstein in der Geschichte der Technologie geworden.
1952:Das MIT demonstrierte sein 7-Schienen-Lochbandsystem, das komplex und teuer ist (250 Vakuumröhren, 175 Relais, in fünf kühlschrankgroßen Schränken).
Die ursprüngliche CNC-Fräsmaschine von MIT im Jahr 1952 war Hydro Tel, ein modifiziertes 3-Achsen-Fräsmaschinenunternehmen aus Cincinnati.
In der Zeitschrift „Automatic Control“ von Scientific American im September 1952 gibt es sieben Artikel über „selbstregulierende Maschinen, die eine wissenschaftliche und technologische Revolution darstellen, die die Zukunft der Menschheit effektiv gestalten wird“.
1955:Concord Controls (bestehend aus Mitgliedern des ursprünglichen MIT-Teams) entwickelten Numericard, das das perforierte Band auf MIT NC-Maschinen durch den von GE entwickelten Bandleser ersetzte.
Bandspeicher
1958:Parsons erhielt das US-Patent 2820187 und verkaufte die exklusive Lizenz an Bendix. IBM, Fujitsu und General Electric erhielten alle Unterlizenzen, nachdem sie mit der Entwicklung eigener Maschinen begonnen hatten.
1958:Das MIT veröffentlichte einen Bericht über NC-Ökonomie, der zu dem Schluss kam, dass die aktuelle NC-Maschine nicht wirklich Zeit sparte, sondern die Arbeitskräfte von der Fabrikwerkstatt auf die Leute verlagerte, die perforierte Bänder herstellten.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 19. Juli 2022