náhled|Číslicově řízený soustruh Číslicové řízení (NC) slouží k automatizaci obráběcích a jiných strojů, které jsou, na rozdíl od klasických strojů, ovládaných ručně přes ruční kola nebo páky, či mechanicky automatizované vačky, obsluhovány abstraktně programovanými příkazy nahranými na paměťovém médiu. První číslicově řízené stroje byly vytvořeny ve 40. a 50. letech 20. století a to na základě stávajících nástrojů, které byly vybaveny motory řízenými instrukcemi na děrované pásce. Tyto rané servomechanismy byly rapidně vylepšeny analogovými či digitálními počítači, vytvářejícími tak moderní počítačově číslicově řízené (CNC) obráběcí stroje, které přinesly revoluci ve výrobních procesech.

V moderních CNC systémech, které zahrnují princip konec-konec, je design komponentů vysoce automatizovaný s využitím Computer-Aided Design (CAD) a Computer-Aided Manufacturing (CAM) programů. Tyto programy produkují počítačový soubor, který je interpretován k výpisu příkazů potřebných k provozu konkrétního stroje skrz postprocesor, které jsou následně nahrány do CNC stroje pro samotnou výrobu. Protože jakákoliv konkrétní komponenta může vyžadovat použití mnoha různých obráběcích nástrojů – pily, atd. – moderní stroje často kombinují více nástrojů do jediné „buňky“. V ostatních případech je použit větší počet různých strojů s externím řízením a lidské či robotické obsluhy, které přemisťují obrobky mezi stroji. V každém případě je komplexní série kroků potřebná k výrobě jakékoli části vysoce automatizovaná a vytvářený obrobek je téměř shodný s CAD návrhem.

Historie

Dřívější formy automatizace

Vačky Automatizace řízení obráběcího stroje začalo v roce 1800 s vačkami, které „hnaly“ obráběcí stroje podobným způsobem jako již dlouho v hudebních skříních nebo provozně komplikovaných kukačkových hodinách. Thomas Blanchard postavil jeho pažbu-kopírovací soustruhy (1820-1830) a práce člověka jako je Christopher Miner Spencer, který vyvinul revolverový soustruh na závity (1870). Automatizace založená na vačkách již dosáhla velmi pokročilé úrovně už za první světové války (1910).

Nicméně, automatizace pomocí vačky se zásadně liší od číslicového řízení, protože nemůže být abstraktně programována. Vačka sice může kódovat informace, ale dostat informace z abstraktní úrovně technického kreslení do vačky je již ruční proces, který vyžaduje vyřezávání a nebo obrábění a plnění.

Různé formy abstraktně programovatelného řízení již existovaly v průběhu roku 1800, těmi jsou: Jacquardův tkalcovský stav, piano a mechanické počítače propagované Charlesem Babbagem a dalšími. Tento vývoj měl potenciál pro přiblížení s automatizovaném řízení začínajícím v tomto století, ale stalo se tak až o mnoho desítek let později.

Ovládání pohybu Použití hydrauliky ve vačkově založené automatizaci vyústilo v trasovací stroje, které používají předlohu k vytrasování šablony, jako např. enormní Pratt & Whitney „Keller Machine“, který mohl kopírovat šablony o rozměrech několika metrů. Dalším přístupem je „zaznamenej a zopakuj“, který byl propagován firmou General Motors (GM) v roce 1950. Používal úložný systém pro záznam pohybu lidského strojníka a pak jejich ho na povel přehrával. Analogické systémy jsou běžné i dnes, zejména „učící se soustruh“, který dává novým strojníkům praktický pocit pro proces. Žádné z nich však nebyly číslicově programovatelné a vyžadují zkušeného strojníka v určitém okamžiku procesu, protože programování je fyzické, nikoliv numerické.

Serva a selsyny Jediná bariéra pro kompletní automatizaci byly požadované tolerance během procesu obrábění, které jsou běžně v řádech tisícin palce. Přestože propojení nějakého druhu řízení a úložného zařízení, jako byly děrné štítky, bylo snadné, zajistit, aby řízení pohybovalo motory na správnou pozici s požadovanou přesností, to byl jiný problém. Pohyb nástroje vyústil v různé síly na řízení, což znamenalo, že lineární vstup by nevyústil v lineární pohyb nástroje. Klíčovým vývojem v této oblasti bylo zavedení servomechanismů, které vytvářely vysoce přesné informace o měření. Nasazením dvou servomechanismů spolu vznikl selsyn, kde pohybu vzdáleného serva přesně odpovídal jiný. Pomocí různých mechanických či elektrických systémů mohly být výstupy selsynů čteny a pomoci tak zajistit řádný pohyb (jinými slovy, tvoří uzavřenou smyčku řídícího systému).

První vážný návrh, že selsyny by mohly být použity pro obráběcí řízení, byl proveden Ernstem F.W. Alexandersonem, švédským přistěhovalcem do USA, pracující v General Electric (GE). Alexanderson pracoval na problému točivého momentu zesílení, kde malý výstup dovolil mechanickému počítači řídit velké motory, které GE použila jako součást většího zbraňového systému pro lodě amerického námořnictva. Stejně jako obrábění, uložení zbraní vyžaduje velmi vysokou přesnost, mnohem menší než jeden stupeň a síly během pohybu dělových věží byly nelineární. V prosinci 1931 Alexanderson navrhl katedře průmyslového inženýrství, že stejný systém by mohl být použit k řízení vstupů obráběcích strojů, které umožní sledovat obrys šablony bez silného fyzického kontaktu, které potřebovaly tehdy stávající stroje jako Kellerův stroj. Prohlásil, že to byla „záležitost přímého inženýrského rozvoje“. Nicméně, návrh předběhl svou dobu z pohledu rozvoje podnikání a GE nebralo věc vážně až o mnoho let později, kdy se jiní stali průkopníky v oboru.

Parsons a vynález NC Vznik NC je obecně přičítáno Johnu T. Parsonsovi, strojníkovi a prodavačovi v obráběcí společnosti jeho otce, Parsons Corp.

V roce 1942 mu bylo řečeno, že helikoptéry se stanou „další velkou věcí“ a to bývalým šéfem Ford Trimotor production, Billem Stoutem. Zavolal tedy do Sikorsky Aircraft kvůli možné práci a brzy dostal smlouvu na vyrobení dřevěných podélníků k rotorům. Některé z problémů, které se během výroby vyskytly, zřejmě pramenily z bodového svařování kovových límců na podélnících na kovovém bidlu, Parsons navrhl nový způsob upevnění svlaků k ráhnu pomocí lepidla, nikdy předtím vyzkoušeném na letadlovém designu.

Tento vývoj vedl Parsonse ke zvážení možnosti použití lisovaných kovových svlaků místo dřevěných, což by bylo mnohem silnější a snáze vyrobitelné. Podélníky pro rotory byly postaveny na základě návrhu, který poskytl Sikorsky, a které byly zaslány Parsonsovi jako série 17 bodů definujících obrys. Parsons pak musel doplnit body francouzskými křivkami, aby mohl vytvořit osnovu, kterou mohl použít jako šablonu pro vyrobení přípravků pro dřevěné svlaky. Vytvoření kovořezného nástroje schopného řezat tento konkrétní tvar se avšak ukázalo být obtížné. Parsons šel k Wright Field za Frankem Stulenem, vedoucím Propeller Lab Rotary Ring Branch. Během jejich rozhovoru Stulen došel k závěru, že Parsons opravdu neví, o čem mluví. Parsons si to uvědomil a Stulena na místě najal. Stulen se dal do práce 1. dubna 1946 a najal tři nové inženýry, aby se k němu přidali.

Stulenův bratr Curtis pracoval pro Wright Propeller a zmínil se, že používají děrno-štítkové kalkulačky pro inženýrské výpočty. Stulen se rozhodl přijmout nápad a nechat proběhnout pevnostní výpočty na rotory, první přesnější automatizované výpočty na rotory helikoptér. Když Parsons viděl, co Stulen dělá s děrno-štítkovými stroji, zeptal se Stulena, jestli by nemohly být použity ke generování osnovy s 200 body místo se 17, které dostali od Sikorski Aircraft a vyrovnat tak každý bod o poloměr frézového řezného nástroje. Řezem v každém z těchto bodů by bylo možné vyrobit relativně přesný výřez z náročnější tvrdé oceli a mohlo by to být snadno vybroušeno až k hladkým tvarům. Výsledný nástroj by byl užitečný, jako šablona pro lisování kovových svlaků. Stulen neměl problém s vytvořením takového programu a používal jej k vytvoření velkých tabulek čísel, které by se vzaly na strojírenské patro. Tady by jeden z operátorů četl čísla dalším dvěma, každý na ose X a Y, a oni by pohybovali řezací hlavou do tohoto bodu a udělali řez. Takto se jmenovala metoda „podle čísel“.

Od tohoto okamžiku Parsons představil plně automatizované nástroje. S dostatkem bodů na obryse by nebyla potřeby žádné manuální práce, avšak s ručním ovládáním čas ušetřený tím, že části více odpovídaly obrysu byl vyrovnán časem potřebným k vykonáváním kontrol. Jestliže strojní vstupy byly připojeny přímo k čtečkám děrovaných karet, toto zpoždění, a všechny související manuální chyby, by byly odstraněny a počet bodů by mohl být dramaticky navýšen. Takový stroj by mohl opakovaně vytvářet perfektně přesné šablony na příkaz. Ale v té době neměl Parsons dostatek finančních prostředků pro rozvoj jeho nápadů.

Když jeden z Parsonsových prodejců byl na návštěvě ve firmě Wright Field, bylo mu řečeno o problémech, které mělo letectvo Spojených států s designy nových letadel. Zeptali se, jestli Parsons nemá něco, čím by jim pomohl. Parsons ukázal společnosti Lockheed jeho představu automatického obrábění, ale jim to bylo lhostejné. Rozhodli se použít pětiosou šablonu kopírující stroje k výrobě stingerů, řezání z kovové šablony a už měli objednaný drahý obráběcí stroj. Ale jak Parsons poznamenal:

„Nyní si jen prostě představte tu situaci na minutku. Lockheed dostal kontrakt na návrh a výrobu těchto křídel. Ten stroj byl schopen obrábět v pěti osách, z nichž každá byla stopovací ovládaná použitím šablony. Nikdo nepoužíval moji metodu vytváření šablon, takže si stačí představit, jaké měli šance vytvořit přesný tvar profilu s nepřesnou šablonu.“

Parsonsovy obavy se brzy staly skutečností a protesty firmy Lockheed, které říkali, že mohou problém vyřešit, nakonec zněly celkem dutě. V roce 1949 letectvo zařídilo Parsonsovi financování, aby mohl postavit obráběcí stroje podle sebe. Raná práce s Snyder Machine & Tool Corp prokázala, že systém přímého řízení ovládacích prvků motorů nedokázal dodat potřebnou přesnost k nastavení stroje pro dokonale hladké obrábění. Vzhledem k tomu, že mechanické řízení neodpovídalo lineárně, nemohlo být jednoduše řízeno s daným množstvím energie, protože různé síly znamenaly stejné množství energie, což by ne vždy produkovalo stejné množství pohybu ovládacích prvků. Nezáleželo na tom, kolik bodů se zadalo, osnovy byly stále hrubé.

Vstup MIT Toto však nebyl neřešitelný problém, ale vyžadovalo by to nějaký druh zpětnovazebného systému, podobně jako selsyny: Bylo třeba přímo měřit, jak daleko řízení skutečně zašlo. Konfrontován náročným úkolem vytvoření takovéhoto systému, na jaře roku 1949 se Parsons obrátil na Gordona S. Brownovo servomechanismovou laboratoř na MIT, která byla světovým lídrem v oblasti mechanických výpočtů a zpětnovazebních systémů. Během války stavěla laboratoř množství složitých motorem poháněných zařízení jako jsou motorizované systémy věžových zbraní pro Boeing B-29 Superfortress a automatického sledovacího radaru SCR-584. MIT se pro přenos technologií do Parsonsova prototypu automatického zařízení „podle čísel“ přirozeně hodil.

Tým MIT vedl William Pease s pomocí Jamese McDonougha. Rychle došli k závěru, že Parsonsův návrh by mohl být v mnohém vylepšen; pokud stroj neměl jednoduše řezat z bodu A do bodu B, ale místo toho se hladce stěhoval mezi body, pak nejen že by to udělalo dokonale hladký řez, ale mohlo by se tak učinit s mnoha méně body – fréza by mohla vyřezat linie přímo, než definování velkého množství řezacích bodů k „simulaci“. Třístranná dohoda byla domluvena mezi Parsonsem, MIT a americkým letectvem a projekt oficiálně začal od července 1949 až do června 1950. Smlouva volala po stavbě dvou „kartu-čtecích frézek“ prototypů s výrobním systémem. Obě měly být předány Parsonsovi pro upevnění na jednu ze svých fréz s cílem vytvořit dodávatelný systém pro řezání svlaků.