במהותו, כלי מכונה הוא כלי למכונה להנחות את נתיב הכלי - לא על ידי הדרכה ישירה, ידנית, כגון כלים ידניים וכמעט כל הכלים האנושיים, עד שאנשים המציאו כלי מכונה.
בקרה מספרית (NC) מתייחסת לשימוש בלוגיקה הניתנת לתכנות (נתונים בצורה של אותיות, מספרים, סמלים, מילים או צירופים) לשליטה אוטומטית בכלי עיבוד. לפני שהוא הופיע, כלי העיבוד נשלטו תמיד על ידי מפעילים ידניים.
בקרה מספרית מחשב (CNC) מתייחסת לשליחת הוראות מקודדות במדויק למיקרו-מעבד במערכת בקרת כלי העיבוד, כדי לשפר את הדיוק והעקביות. CNC שאנשים מדברים עליו היום כמעט כולם מתייחסים למכונות כרסום המחוברות למחשבים. מבחינה טכנית, ניתן להשתמש בו כדי לתאר כל מכונה הנשלטת על ידי מחשב.
במאה האחרונה, המצאות רבות הניחו את הבסיס לפיתוח של כלי מכונת CNC. כאן, אנו מסתכלים על ארבעה אלמנטים בסיסיים של פיתוח טכנולוגיית הבקרה הנומרית: כלי מכונות מוקדמים, כרטיסי ניקוב, מנגנוני סרוו ושפת תכנות של כלי תכנות אוטומטיים (APT).
כלי מכונות מוקדמים
במהלך המהפכה התעשייתית השנייה בבריטניה, ג'יימס וואט זכה לשבחים על יצירת מנוע הקיטור שהניע את המהפכה התעשייתית, אך הוא נתקל בקשיים בייצור הדיוק של צילינדרים של מנוע הקיטור עד לשנת 1775, ג'ון ג'ונווילקינסון יצר את מה שידוע בתור כלי המכונה הראשון בעולם עבור צילינדרים מנוע קיטור משעממים ונפתרה. גם המכונה המשעממת הזו תוכננה על ידי ווילקינסון על בסיס התותח המקורי שלו;
כרטיס ניקוב
בשנת 1725, Basile bouchon, עובד טקסטיל צרפתי, המציא שיטה לשליטה בנולים על ידי שימוש בנתונים מקודדים על סרטי נייר דרך סדרה של חורים. למרות שהיא פורצת דרך, גם החיסרון בשיטה זו בולט, כלומר היא עדיין זקוקה למפעילים. בשנת 1805, ג'וזף מארי ז'קארד אימץ את המושג הזה, אך הוא חוזק ופושט על ידי שימוש בקלפים מנוקבים חזקים יותר המסודרים ברצף, ובכך אוטומציה את התהליך. כרטיסים מחוררים אלה נחשבים באופן נרחב כבסיס למחשוב המודרני ומסמנים את סופה של תעשיית מלאכת היד הביתית באריגה.
מעניין שנולי ג'קארד זכו להתנגדות של אורגי משי באותה תקופה, שדאגו שהאוטומציה הזו תמנע מהם את עבודתם ופרנסתם. הם שרפו שוב ושוב את הנולים שהוכנסו לייצור; עם זאת, ההתנגדות שלהם התגלתה חסרת תועלת, מכיוון שהתעשייה הכירה ביתרונות של נולים אוטומטיים. עד 1812, 11,000 נולי אקארד היו בשימוש בצרפת.
כרטיסי ניקוב התפתחו בסוף המאה ה-19 ומצאו שימושים רבים, מטלגרף ועד פסנתר אוטומטי. למרות ששליטה מכנית הוכרעה על ידי קלפים מוקדמים, הממציא האמריקני הרמן הולרית' יצר טבולטור קלפי אגרוף אלקטרומכני, ששינה את כללי המשחק. המערכת שלו קיבלה פטנט בשנת 1889, כאשר עבד עבור לשכת המפקד האמריקאית.
הרמן הולרית הקים את חברת הטבולטור בשנת 1896 והתמזג עם ארבע חברות נוספות כדי להקים את IBM בשנת 1924. במחצית השנייה של המאה ה-20 נעשה שימוש לראשונה בכרטיסים מחוררים להזנת נתונים ואחסון של מחשבים ומכונות בקרה מספרית. הפורמט המקורי כולל חמש שורות של חורים, בעוד שבגרסאות הבאות יש שש, שבע, שמונה שורות או יותר.
מנגנון סרוו
מנגנון סרוו הוא התקן אוטומטי, המשתמש במשוב אינדוקטיבי שגיאה כדי לתקן את הביצועים של המכונה או המנגנון. במקרים מסוימים, סרוו מאפשר לשלוט במכשירים בעלי הספק גבוה על ידי מכשירים בעלי הספק נמוך בהרבה. מנגנון הסרוו מורכב ממכשיר מבוקר, מכשיר נוסף שנותן פקודות, מכשיר לזיהוי שגיאות, מגבר אות שגיאה ומכשיר (מנוע סרוו) המתקן שגיאות. מערכות סרוו משמשות בדרך כלל לשליטה על משתנים כמו מיקום ומהירות, והנפוצות ביותר הן חשמליות, פנאומטיות או הידראוליות.
מנגנון הסרוו החשמלי הראשון נוסד על ידי H. Calendar בבריטניה בשנת 1896. עד 1940, MIT יצרה מעבדת מנגנון סרוו מיוחד, שמקורה בתשומת הלב הגוברת של המחלקה להנדסת חשמל לנושא זה. בעיבוד CNC, מערכת סרוו חשובה מאוד כדי להשיג את דיוק הסובלנות הנדרש בתהליך עיבוד אוטומטי.
כלי תכנות אוטומטי (APT)
כלי תכנות אוטומטי (APT) נולד במעבדת מנגנון הסרוו של המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס בשנת 1956. זהו הישג יצירתי של קבוצת יישומי המחשב. זוהי שפת תכנות קלה לשימוש ברמה גבוהה, המשמשת במיוחד להפקת הוראות עבור כלי מכונת CNC. הגרסה המקורית הייתה מוקדמת יותר מ- FORTRAN, אך גרסאות מאוחרות יותר שוכתבו עם Fortran.
Apt היא שפה שנוצרה לעבודה עם מכונת ה-NC הראשונה של MIT, שהיא מכונת ה-NC הראשונה בעולם. אחר כך הוא המשיך להפוך לסטנדרט של תכנות כלי מכונה נשלטי מחשב, והיה בשימוש נרחב בשנות ה-70. מאוחר יותר, הפיתוח של apt נעשה בחסות חיל האוויר ובסופו של דבר נפתח למגזר האזרחי.
דאגלס טי רוס, ראש קבוצת יישומי המחשב, ידוע כאביו של apt. מאוחר יותר הוא טבע את המונח "עיצוב בעזרת מחשב" (CAD).
הולדת שליטה מספרית
לפני הופעת מכונת CNC, הראשון הוא פיתוח מכונת CNC וכלי CNC הראשונים. למרות שיש כמה הבדלים בתיאורים השונים של פרטים היסטוריים, כלי מכונת ה-CNC הראשון הוא לא רק תגובה לאתגרי הייצור הספציפיים העומדים בפני הצבא, אלא גם התפתחות טבעית של מערכת כרטיסי הניקוב.
"שליטה דיגיטלית מסמנת את תחילתה של המהפכה התעשייתית השנייה והגעתו של העידן המדעי שבו השליטה במכונות ובתהליכים תעשייתיים תשתנה מטיוטות לא מדויקות למדויקות". – איגוד מהנדסי ייצור.
הממציא האמריקאי ג'ון ט. פרסונס (1913 - 2007) נחשב באופן נרחב כאבי השליטה המספרית. הוא הגה והטמיע טכנולוגיית בקרה מספרית בעזרתו של מהנדס המטוסים פרנק ל. שטולן. כבן של יצרן במישיגן, פרסונס החל לעבוד כהרכבה במפעל של אביו בגיל 14. מאוחר יותר, הוא החזיק והפעיל מספר מפעלי ייצור תחת חברת הייצור של העסק המשפחתי Parsons.
לפרסונס יש את הפטנט הראשון של NC ונבחרה להיכל התהילה הלאומי של הממציאים על עבודתה החלוצית בתחום הבקרה הנומרית. לפרסונס יש בסך הכל 15 פטנטים, ועוד 35 מוענקים למפעלו. אגודת מהנדסי הייצור ראיינה את פרסונס ב-2001 כדי שכולם ידעו את הסיפור שלו מנקודת המבט שלו.
לוח זמנים מוקדם של NC
1942:ג'ון טי פרסונס קיבל קבלנות משנה על ידי סיקורסקי איירקראפט לייצור להבי רוטור מסוקים.
1944:עקב פגם התכנון של קורת הכנף, אחד מ-18 הלהבים הראשונים שהם ייצרו נכשל, וכתוצאה מכך מותו של הטייס. הרעיון של פרסונס הוא לנקב את להב הרוטור במתכת כדי לחזק אותו ולהחליף דבק וברגים כדי להדק את המכלול.
1946:אנשים רצו ליצור כלי ייצור לייצור להבים בצורה מדויקת, מה שהיה אתגר עצום ומורכב עבור התנאים באותה תקופה. לכן, פרסונס שכר את מהנדס המטוסים פרנק סטולן והקים צוות הנדסה עם שלושה אנשים נוספים. סטולן חשב להשתמש בכרטיסי ניקוב של IBM כדי לקבוע את רמת הלחץ על הלהב, והם שכרו שבע מכונות IBM עבור הפרויקט.
בשנת 1948, המטרה של שינוי קל של רצף התנועה של כלי מכונות אוטומטיים הושגה בשתי דרכים עיקריות - בהשוואה רק לקביעת רצף תנועה קבוע - והיא מתבצעת בשתי דרכים עיקריות: בקרת מעקב ובקרה דיגיטלית. כפי שאנו יכולים לראות, הראשון צריך ליצור מודל פיזי של האובייקט (או לפחות ציור שלם, כגון טלפון כוח-הידרו-כוח של סינסינטי). השני הוא לא להשלים את התמונה של האובייקט או החלק, אלא רק להפשט אותו: מודלים מתמטיים והוראות מכונה.
1949:חיל האוויר האמריקני זקוק לעזרה של מבנה כנף מדויק במיוחד. פרסונס מכר את מכונת ה-CNC שלו וזכה בחוזה בשווי 200,000 דולר כדי להפוך אותה למציאות.
1949:Parsons ו-stulen עבדו עם Snyder Machine & Tool Corp. כדי לפתח מכונות והבינו שהם צריכים מנועי סרוו כדי לגרום למכונות לעבוד בצורה מדויקת. פרסונס שכר את מערכת הסרוו של "מכונת כרסום כרטיס-א-מאטיק" למעבדת מנגנון הסרוו של המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס.
1952 (מאי): פרסונס הגיש בקשה לפטנט על "מכשיר בקרת מנוע למיצוב מכונות". הוא העניק את הפטנט ב-1958.
1952 (אוגוסט):בתגובה, MIT הגישה בקשה לפטנט עבור "מערכת סרוו בקרה מספרית".
לאחר מלחמת העולם השנייה, חיל האוויר האמריקני חתם על מספר חוזים עם פרסונס להמשך פיתוח חדשנות העיבוד ה-NC שנעשו על ידי מייסדו ג'ון פרסונס. פרסונס התעניין בניסויים המתבצעים במעבדת מנגנון הסרוו של MIT והציע ש-MIT יהפוך לקבלן משנה לפרויקט ב-1949 כדי לספק מומחיות בבקרה אוטומטית. בעשר השנים הבאות, MIT השיגה שליטה על כל הפרויקט, מכיוון שהחזון של "בקרת נתיב רציף תלת צירים" של מעבדת סרוו החליף את התפיסה המקורית של פרסונס של "חתך במיקום חיתוך". בעיות תמיד מעצבות את הטכנולוגיה, אבל הסיפור המיוחד הזה שתיעד ההיסטוריון דייוויד אציל הפך לאבן דרך חשובה בהיסטוריה של הטכנולוגיה.
1952:MIT הדגימה את מערכת החגורות המחוררות עם 7 מסילות, שהיא מורכבת ויקרה (250 צינורות ואקום, 175 ממסרים, בחמישה ארונות בגודל מקרר).
מכונת כרסום CNC המקורית של MIT בשנת 1952 הייתה הידרו טל, חברת מכונות כרסום בעלת 3 צירים שונה מסינסינטי.
ישנם שבעה מאמרים על "מכונת ויסות עצמית, המייצגת מהפכה מדעית וטכנולוגית שתעצב למעשה את עתיד האנושות" בכתב העת "שליטה אוטומטית" של סיינטיפיק אמריקן בספטמבר, 1952.
1955:פקדי קונקורד (המורכבים מחברי הצוות המקורי של MIT) יצרו את numericard, שהחליף את הסרט המחורר במכונות MIT NC בקורא הקלטות שפותח על ידי GE.
אחסון קלטות
1958:פרסונס השיגה פטנט אמריקאי 2820187 ומכרה את הרישיון הבלעדי לבנדיקס. יבמ, פוג'יטסו וג'נרל אלקטריק קיבלו כולן רישיונות משנה לאחר שהחלו לפתח מכונות משלהן.
1958:MIT פרסם דו"ח על כלכלת NC, שהסיק שמכונת ה-NC הנוכחית לא באמת חסכה זמן, אלא העבירה את כוח העבודה מבית המלאכה של המפעל לאנשים שיצרו חגורות מחוררות.
זמן פרסום: 19 ביולי 2022