Essentiellement, la machine-outil est un outil permettant à la machine de guider la trajectoire de l'outil – et non par un guidage manuel direct, comme les outils manuels et presque tous les outils humains, jusqu'à ce que les gens inventent la machine-outil.
La commande numérique (NC) fait référence à l'utilisation d'une logique programmable (données sous forme de lettres, de chiffres, de symboles, de mots ou de combinaisons) pour contrôler automatiquement les outils d'usinage. Avant leur apparition, les outils de transformation étaient toujours contrôlés par des opérateurs manuels.
La commande numérique par ordinateur (CNC) fait référence à l'envoi d'instructions codées avec précision au microprocesseur du système de contrôle de l'outil d'usinage, afin d'améliorer la précision et la cohérence. Les CNC dont on parle aujourd’hui font presque toutes référence à des fraiseuses connectées à des ordinateurs. Techniquement parlant, il peut être utilisé pour décrire toute machine contrôlée par un ordinateur.
Au cours du siècle dernier, de nombreuses inventions ont jeté les bases du développement des machines-outils CNC. Nous examinons ici quatre éléments fondamentaux du développement de la technologie de commande numérique : les premières machines-outils, les cartes perforées, les servomécanismes et le langage de programmation des outils de programmation automatique (APT).
Les premières machines-outils
Au cours de la deuxième révolution industrielle en Grande-Bretagne, James Watt a été félicité pour avoir créé la machine à vapeur qui a propulsé la révolution industrielle, mais il a rencontré des difficultés pour fabriquer des cylindres de machine à vapeur précis jusqu'en 1775, John Johnwilkinson a créé ce qui est connu comme la première machine-outil au monde. pour les cylindres ennuyeux des machines à vapeur et a été résolu. Cette aléseuse est également conçue par Wilkinson sur la base de son canon original ;
Carte perforée
En 1725, Basile Bouchon, un ouvrier textile français, a inventé une méthode de contrôle des métiers à tisser en utilisant des données codées sur des bandes de papier à travers une série de trous. Bien qu’elle soit révolutionnaire, l’inconvénient de cette méthode est également évident, c’est-à-dire qu’elle nécessite toujours des opérateurs. En 1805, Joseph Marie Jacquard adopte ce concept, mais il est renforcé et simplifié par l'utilisation de cartes perforées plus résistantes disposées en séquence, automatisant ainsi le processus. Ces cartes perforées sont largement considérées comme la base de l’informatique moderne et marquent la fin de l’industrie artisanale du tissage.
Il est intéressant de noter que les tisserands de soie de l’époque s’opposaient aux métiers à tisser jacquard, qui craignaient que cette automatisation ne les prive de leur emploi et de leurs moyens de subsistance. Ils ont brûlé à plusieurs reprises les métiers à tisser mis en production ; Cependant, leur résistance s’est avérée vaine, car l’industrie a reconnu les avantages des métiers à tisser automatisés. En 1812, 11 000 métiers jacquard étaient utilisés en France.
Les cartes perforées se sont développées à la fin des années 1800 et ont trouvé de nombreuses utilisations, du télégraphe au piano automatique. Bien que le contrôle mécanique ait été décidé par les premières cartes, l'inventeur américain Herman Hollerith a créé une tabulatrice électromécanique de cartes perforées, qui a changé les règles du jeu. Son système a été breveté en 1889, alors qu'il travaillait pour le Bureau du recensement des États-Unis.
Herman Hollerith a fondé la société de tabulation en 1896 et a fusionné avec quatre autres sociétés pour créer IBM en 1924. Dans la seconde moitié du XXe siècle, les cartes perforées ont été utilisées pour la première fois pour la saisie et le stockage de données sur les ordinateurs et les machines à commande numérique. Le format original comporte cinq rangées de trous, tandis que les versions suivantes comportent six, sept, huit rangées ou plus.
Mécanisme d'asservissement
Le servomécanisme est un dispositif automatique qui utilise un retour inductif d'erreur pour corriger les performances de la machine ou du mécanisme. Dans certains cas, le servo permet de contrôler des appareils de forte puissance par des appareils de puissance beaucoup plus faible. Le servomécanisme est composé d'un dispositif contrôlé, d'un autre dispositif qui donne des commandes, d'un instrument de détection d'erreurs, d'un amplificateur de signal d'erreur et d'un dispositif (servomoteur) qui corrige les erreurs. Les systèmes servo sont généralement utilisés pour contrôler des variables telles que la position et la vitesse, et les plus courants sont électriques, pneumatiques ou hydrauliques.
Le premier servomécanisme électrique a été fondé par H. Calendar en Grande-Bretagne en 1896. En 1940, le MIT a créé un laboratoire spécial de servomécanismes, né de l'attention croissante du Département de génie électrique à ce sujet. Dans l'usinage CNC, le système d'asservissement est très important pour atteindre la précision de tolérance requise par le processus d'usinage automatique.
Outil de programmation automatique (APT)
L'outil de programmation automatique (APT) est né dans le laboratoire de servomécanismes du Massachusetts Institute of Technology en 1956. Il s'agit d'une réalisation créative du groupe d'applications informatiques. Il s'agit d'un langage de programmation de haut niveau facile à utiliser, spécialement utilisé pour générer des instructions pour les machines-outils CNC. La version originale était antérieure à FORTRAN, mais les versions ultérieures ont été réécrites avec Fortran.
Apt est un langage créé pour fonctionner avec la première machine à commande numérique du MIT, qui est la première machine à commande numérique au monde. Ensuite, il a continué à devenir la norme en matière de programmation de machines-outils contrôlées par ordinateur et a été largement utilisé dans les années 1970. Plus tard, le développement d'apt a été parrainé par l'armée de l'air et a finalement été ouvert au secteur civil.
Douglas T. Ross, chef du groupe des applications informatiques, est connu comme le père d'apt. Il a ensuite inventé le terme « conception assistée par ordinateur » (CAO).
La naissance de la commande numérique
Avant l'émergence des machines-outils CNC, le premier est le développement des machines-outils CNC et des premières machines-outils CNC. Bien qu'il existe certaines différences dans les différentes descriptions des détails historiques, la première machine-outil CNC n'est pas seulement une réponse aux défis de fabrication spécifiques rencontrés par l'armée, mais aussi une évolution naturelle du système de cartes perforées.
"Le contrôle numérique marque le début de la deuxième révolution industrielle et l'arrivée de l'ère scientifique dans laquelle le contrôle des machines et des processus industriels passera de projets imprécis à des projets précis." – Association des ingénieurs de fabrication.
L'inventeur américain John T. Parsons (1913 – 2007) est largement considéré comme le père de la commande numérique. Il a conçu et mis en œuvre la technologie de commande numérique avec l'aide de l'ingénieur aéronautique Frank L. Stulen. En tant que fils d'un fabricant du Michigan, Parsons a commencé à travailler comme assembleur dans l'usine de son père à l'âge de 14 ans. Plus tard, il a possédé et exploité un certain nombre d'usines de fabrication sous l'entreprise familiale Parsons Manufacturing Company.
Parsons possède le premier brevet NC et a été sélectionné au Temple de la renommée des inventeurs nationaux pour son travail de pionnier dans le domaine de la commande numérique. Parsons possède un total de 15 brevets et 35 autres sont accordés à son entreprise. La société des ingénieurs de fabrication a interviewé Parsons en 2001 pour faire connaître à tous son histoire, de son point de vue.
Calendrier NC précoce
1942 :John T. Parsons a été sous-traité par Sikorsky Aircraft pour fabriquer des pales de rotor d'hélicoptère.
1944 :en raison d'un défaut de conception de la poutre de l'aile, l'une des 18 premières pales fabriquées est tombée en panne, entraînant la mort du pilote. L'idée de Parsons est de poinçonner la pale du rotor avec du métal pour la rendre plus solide et de remplacer la colle et les vis pour fixer l'ensemble.
1946 :les gens voulaient créer un outil de fabrication pour produire des lames avec précision, ce qui représentait un défi énorme et complexe dans les conditions de l'époque. Par conséquent, Parsons a embauché l'ingénieur aéronautique Frank Stulen et a formé une équipe d'ingénierie avec trois autres personnes. Stulen a pensé à utiliser des cartes perforées IBM pour déterminer le niveau de contrainte sur la lame et a loué sept machines IBM pour le projet.
En 1948, l'objectif consistant à modifier facilement la séquence de mouvements des machines-outils automatiques a été atteint de deux manières principales – par rapport au simple réglage d'une séquence de mouvements fixe – et est réalisé de deux manières principales : la commande par traceur et la commande numérique. Comme nous pouvons le voir, le premier doit réaliser un modèle physique de l'objet (ou au moins un dessin complet, comme le téléphone hydroélectrique Cincinnati Cable Tracer). La seconde n’est pas de compléter l’image de l’objet ou de la pièce, mais seulement de l’abstraire : modèles mathématiques et instructions machine.
1949 :l'armée de l'air américaine a besoin de l'aide d'une structure d'aile ultra précise. Parsons a vendu sa machine CNC et a remporté un contrat d'une valeur de 200 000 $ pour en faire une réalité.
1949 :Parsons et Stulen ont travaillé avec Snyder machine & tool Corp. pour développer des machines et ont réalisé qu'ils avaient besoin de servomoteurs pour faire fonctionner les machines avec précision. Parsons a sous-traité le système d'asservissement de la « fraiseuse card-a-matic » au laboratoire de servomécanismes du Massachusetts Institute of Technology.
1952 (mai) : Parsons dépose une demande de brevet pour un « dispositif de commande de moteur pour le positionnement de machines-outils ». Il a accordé le brevet en 1958.
1952 (août) :en réponse, le MIT a déposé une demande de brevet pour un « système d'asservissement à commande numérique ».
Après la Seconde Guerre mondiale, l'US Air Force a signé plusieurs contrats avec Parsons pour développer davantage l'innovation d'usinage CN réalisée par son fondateur John Parsons. Parsons s'est intéressé aux expériences menées dans le laboratoire de servomécanismes du MIT et a proposé que le MIT devienne sous-traitant du projet en 1949 pour apporter son expertise en contrôle automatique. Au cours des 10 années suivantes, le MIT a pris le contrôle de l'ensemble du projet, car la vision du « contrôle de trajectoire continue sur trois axes » du laboratoire d'asservissement a remplacé le concept original de Parsons de « positionnement de coupe en coupe ». Les problèmes façonnent toujours la technologie, mais cette histoire particulière enregistrée par l’historien David Noble est devenue une étape importante dans l’histoire de la technologie.
1952 :Le MIT a présenté son système à courroie perforée à 7 rails, complexe et coûteux (250 tubes à vide, 175 relais, dans cinq armoires de la taille d'un réfrigérateur).
La fraiseuse CNC originale du MIT en 1952 était Hydro Tel, une société de fraiseuses à 3 axes modifiée de Cincinnati.
Il y a sept articles sur « la machine autorégulée, qui représente une révolution scientifique et technologique qui façonnera efficacement l’avenir de l’humanité » dans la revue « automatic control » de Scientific American en septembre 1952.
1955 :Concord Controls (composé de membres de l'équipe originale du MIT) a créé Numericard, qui a remplacé la bande perforée des machines MIT NC par le lecteur de bande développé par GE.
Stockage sur bande
1958 :Parsons a obtenu le brevet américain 2820187 et a vendu la licence exclusive à Bendix. IBM, Fujitsu et General Electric ont tous obtenu des sous-licences après avoir commencé à développer leurs propres machines.
1958 :Le MIT a publié un rapport sur l'économie de la CN, qui concluait que la machine à CN actuelle ne permettait pas vraiment de gagner du temps, mais transférait la main-d'œuvre de l'atelier de l'usine vers les personnes qui fabriquaient les courroies perforées.
Heure de publication : 19 juillet 2022