Historia del control numérico - History of numerical control

La historia del control numérico (NC) comenzó cuando la automatización de las máquinas herramienta incorporó por primera vez conceptos de lógica programable de forma abstracta, y continúa en la actualidad con la evolución continua de la tecnología de control numérico por computadora (CNC).

Las primeras máquinas NC se construyeron en las décadas de 1940 y 1950, basadas en herramientas existentes que fueron modificadas con motores que movían los controles para seguir los puntos introducidos en el sistema en cinta perforada . Estos primeros servomecanismos se aumentaron rápidamente con computadoras analógicas y digitales, creando las modernas máquinas herramienta CNC que han revolucionado los procesos de mecanizado .

Formas anteriores de automatización

Cámaras

Panel CNC Siemens.

La automatización del control de la máquina herramienta comenzó en el siglo XIX con levas que "tocaban" una máquina herramienta de la misma manera que las levas habían estado tocando cajas musicales u operando elaborados relojes de cuco durante mucho tiempo . Thomas Blanchard construyó sus tornos de copia de pistola (1820-1930), y el trabajo de personas como Christopher Miner Spencer convirtió el torno de torreta en la máquina de tornillo (1870). La automatización basada en levas ya había alcanzado un estado muy avanzado en la Primera Guerra Mundial (década de 1910).

Sin embargo, la automatización a través de levas es fundamentalmente diferente del control numérico porque no se puede programar de forma abstracta. Las levas pueden codificar información, pero obtener la información del nivel abstracto ( dibujo de ingeniería , modelo CAD u otra intención de diseño) en la leva es un proceso manual que requiere mecanizado o archivo . Por el contrario, el control numérico permite que la información se transfiera desde la intención del diseño al control de la máquina utilizando abstracciones como números y lenguajes de programación .

Varias formas de control programable de forma abstracta habían existido durante el siglo XIX: las del telar Jacquard , los pianos de tocar y las computadoras mecánicas iniciadas por Charles Babbage y otros. Estos desarrollos tenían el potencial de converger con la automatización del control de máquinas herramienta a partir de ese siglo, pero la convergencia no se produjo hasta muchas décadas después.

Control de trazador

La aplicación de la hidráulica a la automatización basada en levas dio como resultado máquinas de rastreo que usaban un lápiz óptico para rastrear una plantilla, como la enorme "Máquina Keller" de Pratt & Whitney , que podía copiar plantillas de varios pies de ancho. Otro enfoque fue la "grabación y reproducción", pionera en General Motors (GM) en la década de 1950, que utilizaba un sistema de almacenamiento para registrar los movimientos de un maquinista humano y luego reproducirlos a pedido. Los sistemas análogos son comunes incluso hoy en día, en particular el "torno de enseñanza", que da a los nuevos maquinistas una sensación práctica del proceso. Sin embargo, ninguno de estos era programable numéricamente y requería un maquinista experimentado en algún momento del proceso, porque la "programación" era física en lugar de numérica.

Servos y sincronizadores

Una barrera para la automatización completa fueron las tolerancias requeridas del proceso de mecanizado, que habitualmente son del orden de milésimas de pulgada . Aunque conectar algún tipo de control a un dispositivo de almacenamiento como tarjetas perforadas fue fácil, asegurarse de que los controles se movieran a la posición correcta con la precisión requerida fue otro problema. El movimiento de la herramienta dio como resultado fuerzas variables en los controles que significarían que una entrada lineal no daría como resultado un movimiento lineal de la herramienta. En otras palabras, un control como el del telar Jacquard no podía funcionar en máquinas herramienta porque sus movimientos no eran lo suficientemente fuertes; el metal que se cortaba "se defendía" con más fuerza de la que el control podía contrarrestar adecuadamente.

El desarrollo clave en esta área fue la introducción del servomecanismo , que produjo un movimiento potente y controlado, con información de medición de alta precisión. Unir dos servos juntos produjo una sincronización , donde los movimientos de un servo remoto coincidían con precisión con otro. Utilizando una variedad de sistemas mecánicos o eléctricos, se podía leer la salida de los sincronizadores para garantizar que se hubiera producido el movimiento adecuado (en otras palabras, formando un sistema de control de circuito cerrado).

La primera sugerencia seria de que los sincronizadores podrían usarse para el control del mecanizado fue hecha por Ernst FW Alexanderson , un inmigrante sueco a los Estados Unidos que trabaja en General Electric (GE). Alexanderson había trabajado en el problema de la amplificación del par que permitía que la pequeña salida de una computadora mecánica impulsara motores muy grandes, que GE utilizó como parte de un sistema de colocación de armas más grande para los barcos de la Armada de los EE . UU . Al igual que el mecanizado, la colocación de armas requiere una precisión muy alta (fracciones de grado) y las fuerzas durante el movimiento de las torretas de las armas no eran lineales, especialmente cuando los barcos se movían en olas.

En noviembre de 1931, Alexanderson sugirió al Departamento de Ingeniería Industrial que los mismos sistemas podrían usarse para impulsar las entradas de las máquinas herramienta, lo que le permite seguir el contorno de una plantilla sin el fuerte contacto físico que necesitan las herramientas existentes como la Máquina Keller. Afirmó que se trataba de "una cuestión de desarrollo de ingeniería directa". Sin embargo, el concepto se adelantó a su tiempo desde una perspectiva de desarrollo empresarial , y GE no se tomó el asunto en serio hasta años después, cuando otros fueron pioneros en el campo.

Parsons Corp. y Sikorsky

El nacimiento de Carolina del Norte generalmente se atribuye a John T. Parsons y Frank L. Stulen , que trabajan en Parsons Corp. de Traverse City, Michigan. Por este aporte, fueron galardonados conjuntamente con la Medalla Nacional de Tecnología en 1985 por "Revolucionar la producción de automóviles y aviones con controles numéricos para máquinas".

En 1942, el ex director de producción de Ford Trimotor , Bill Stout , le dijo a Parsons que los helicópteros serían la "próxima gran novedad" . Llamó a Sikorsky Aircraft para preguntar sobre un posible trabajo y pronto consiguió un contrato para construir los largueros de madera en las palas del rotor . En ese momento, las palas del rotor (alas giratorias) se construyeron de la misma manera que las alas fijas , que consistían en un larguero tubular de acero con largueros (o más exactamente costillas ) colocados en ellos para proporcionar la forma aerodinámica que luego se cubría con un piel estresada . Los largueros de los rotores se construyeron a partir de un diseño proporcionado por Sikorsky, que se envió a Parsons como una serie de 17 puntos que definen el contorno. Parsons luego tuvo que "completar" los puntos con una curva francesa para generar un contorno. Se construyó una plantilla de madera para formar el exterior del contorno, y las piezas de madera que formaban el larguero se colocaron bajo presión contra el interior de la plantilla para que formaran la curva adecuada. Luego, se ensamblaron una serie de elementos de celosía dentro de este esquema para proporcionar resistencia.

Después de establecer la producción en una fábrica de muebles en desuso y aumentar la producción, una de las cuchillas falló y se atribuyó a un problema en el larguero. Al menos parte del problema parecía provenir de la soldadura por puntos de un collar de metal en el larguero al larguero de metal. El collar se incorporó al larguero durante la construcción, luego se deslizó sobre el larguero y se soldó en la posición adecuada. Parsons sugirió un nuevo método para unir los largueros directamente al larguero usando adhesivos, nunca antes probado en un diseño de avión.

Ese desarrollo llevó a Parsons a considerar la posibilidad de utilizar largueros de metal estampado en lugar de madera. Estos no solo serían mucho más fuertes, sino también mucho más fáciles de hacer, ya que eliminarían la compleja colocación y el pegamento y atornillado de la madera. Duplicar esto en un punzón de metal requeriría que la plantilla de madera sea reemplazada por una herramienta de corte de metal hecha de acero para herramientas . Tal dispositivo no sería fácil de producir dado el complejo esquema. En busca de ideas, Parsons visitó Wright Field para ver a Frank L. Stulen , director de la rama de ala giratoria de Propeller Lab. Durante su conversación, Stulen concluyó que Parsons realmente no sabía de qué estaba hablando. Parsons se dio cuenta de que Stulen había llegado a esta conclusión y lo contrató en el acto. Stulen comenzó a trabajar el 1 de abril de 1946 y contrató a tres nuevos ingenieros para que se unieran a él.

El hermano de Stulen trabajaba en Curtis Wright Propeller y mencionó que estaban usando calculadoras de tarjetas perforadas para cálculos de ingeniería. Stulen decidió adoptar la idea de ejecutar cálculos de tensión en los rotores, los primeros cálculos automatizados detallados en rotores de helicópteros. Cuando Parsons vio lo que Stulen estaba haciendo con las máquinas de tarjetas perforadas, le preguntó a Stulen si podían usarse para generar un contorno con 200 puntos en lugar de los 17 que se les dieron, y compensar cada punto con el radio de una herramienta de corte de molino. Si corta en cada uno de esos puntos, produciría un corte relativamente preciso del larguero. Esto podría cortar el acero de la herramienta y luego limarse fácilmente a una plantilla lisa para estampar largueros de metal.

Stullen no tuvo problemas para hacer un programa de este tipo y lo utilizó para producir grandes tablas de números que se llevarían al piso de la máquina. Aquí, un operador lee los números de los gráficos a otros dos operadores, uno en cada uno de los ejes X e Y. Para cada par de números, los operadores moverían el cabezal de corte al lugar indicado y luego bajarían la herramienta para hacer el corte. A esto se le llamó el "método por números", o más técnicamente, "posicionamiento de corte por inmersión". Era un prototipo de trabajo intensivo del mecanizado de 2,5 ejes actual (mecanizado de dos ejes y medio).

Tarjetas perforadas y primeros intentos en NC

En ese momento, Parsons concibió una máquina herramienta totalmente automatizada. Con suficientes puntos en el contorno, no se necesitaría ningún trabajo manual para limpiarlo. Sin embargo, con la operación manual, el tiempo que se ahorraba al hacer que la pieza coincidiera más con el contorno se compensaba con el tiempo necesario para mover los controles. Si las entradas de la máquina estuvieran conectadas directamente al lector de tarjetas, este retraso y cualquier error manual asociado se eliminaría y la cantidad de puntos podría aumentar drásticamente. Tal máquina podría perforar repetidamente plantillas perfectamente precisas a pedido. Pero en ese momento Parsons no tenía fondos para desarrollar sus ideas.

Cuando uno de los vendedores de Parsons estaba de visita en Wright Field , se le informó de los problemas que estaba teniendo la recién formada Fuerza Aérea de los Estados Unidos con los nuevos diseños propulsados ​​por reactores. Preguntó si Parsons tenía algo para ayudarlos. Parsons le mostró a Lockheed su idea de un molino automático, pero no estaban interesados. Decidieron utilizar fotocopiadoras de plantillas de 5 ejes para producir los largueros, cortando a partir de una plantilla de metal, y ya habían pedido la costosa máquina cortadora. Pero como señaló Parsons:

Ahora imagina la situación por un minuto. Lockheed se había contratado para diseñar una máquina para fabricar estas alas. Esta máquina tenía cinco ejes de movimiento del cortador, y cada uno de ellos se controlaba con un trazador mediante una plantilla. Nadie estaba usando mi método para hacer plantillas, así que imagínense las posibilidades que iban a tener de hacer una forma precisa de perfil aerodinámico con plantillas inexactas.

Las preocupaciones de Parson pronto se hicieron realidad, y las protestas de Lockheed de que podían solucionar el problema finalmente sonaron huecas. En 1949, la Fuerza Aérea organizó fondos para que Parsons construyera sus máquinas por su cuenta. Los primeros trabajos con Snyder Machine & Tool Corp demostraron que el sistema de accionamiento directo de los controles de los motores no proporcionaba la precisión necesaria para configurar la máquina para un corte perfectamente uniforme. Dado que los controles mecánicos no respondían de forma lineal, no se podía conducir simplemente con una determinada cantidad de potencia, porque las diferentes fuerzas significaban que la misma cantidad de potencia no siempre produciría la misma cantidad de movimiento en los controles. No importa cuántos puntos haya incluido, el esquema seguirá siendo aproximado. Parsons se enfrentó al mismo problema que había impedido la convergencia de los controles de tipo Jacquard con el mecanizado.

Primera máquina comercial controlada numéricamente

En 1952, Arma Corporation, que había realizado mucho trabajo de defensa en telémetros durante la guerra, anunció el primer torno comercial controlado numéricamente, desarrollado por el Dr. FW Cunningham. El primer torno automático de Arma se fabricó en 1948 y se anunció en 1950.

Parsons Corp. y MIT

Este no era un problema imposible de resolver, pero requeriría algún tipo de sistema de retroalimentación, como un selsyn , para medir directamente qué tan lejos habían girado los controles. Frente a la difícil tarea de la construcción de un sistema de este tipo, en la primavera de 1949 se volvió a Parsons Gordon S. Brown 's Laboratorio de Servomecanismos en el MIT , que era un líder mundial en sistemas de computación y de retroalimentación mecánicos. Durante la guerra, el Laboratorio había construido una serie de dispositivos complejos impulsados ​​por motor, como los sistemas de torreta de cañones motorizados para el Boeing B-29 Superfortress y el sistema de seguimiento automático para el radar SCR-584 . Naturalmente, estaban adaptados a la transferencia tecnológica a un prototipo de la máquina automatizada "por números" de Parsons.

El equipo del MIT fue dirigido por William Pease asistido por James McDonough. Rápidamente llegaron a la conclusión de que el diseño de Parsons podría mejorarse en gran medida; Si la máquina no cortara simplemente en los puntos A y B, sino que se moviera suavemente entre los puntos, entonces no solo haría un corte perfectamente liso, sino que podría hacerlo con muchos menos puntos: la fresa podría cortar líneas directamente en lugar de tener para definir una gran cantidad de puntos de corte para "simular" una línea. Se llegó a un acuerdo de tres vías entre Parsons, MIT y la Fuerza Aérea, y el proyecto se ejecutó oficialmente de julio de 1949 a junio de 1950. El contrato requería la construcción de dos "máquinas de fresado Card-a-matic", un prototipo y un sistema de producción. Ambos se entregarán a Parsons para que los adjunte a uno de sus molinos con el fin de desarrollar un sistema entregable para cortar largueros.

En cambio, en 1950, el MIT compró un molino excedente de Cincinnati Milling Machine Company "Hydro-Tel" propio y concertó un nuevo contrato directamente con la Fuerza Aérea que dejó a Parsons fuera del desarrollo posterior. Parsons comentaría más tarde que "nunca soñó que alguien tan respetable como el MIT seguiría adelante deliberadamente y se haría cargo de mi proyecto". A pesar de que el desarrollo se entregó al MIT, Parsons solicitó una patente sobre "Aparato controlado por motor para posicionar máquinas herramienta" el 5 de mayo de 1952, lo que provocó que el MIT solicitara un "Servo-sistema de control numérico" el 14 de agosto de 1952. Parsons recibió la patente estadounidense 2.820.187 el 14 de enero de 1958 y la empresa vendió una licencia exclusiva a Bendix . IBM , Fujitsu y General Electric obtuvieron sublicencias después de haber comenzado el desarrollo de sus propios dispositivos.

La máquina del MIT

El MIT instaló engranajes en las distintas entradas del volante y los impulsó con cadenas de rodillos conectadas a motores, uno para cada uno de los tres ejes de la máquina (X, Y y Z). El controlador asociado constaba de cinco gabinetes del tamaño de un refrigerador que, en conjunto, eran casi tan grandes como el molino al que estaban conectados. Tres de los gabinetes contenían los controladores de motor, un controlador para cada motor y los otros dos el sistema de lectura digital.

A diferencia del diseño de tarjeta perforada original de Parsons, el diseño del MIT usaba cinta perforada estándar de 7 pistas para la entrada. Tres de las pistas se utilizaron para controlar los diferentes ejes de la máquina, mientras que las otras cuatro codificaron diversa información de control. La cinta se leyó en un gabinete que también albergaba seis registros de hardware basados ​​en relés , dos para cada eje. Con cada operación de lectura, el punto leído anteriormente se copiaba en el registro "punto inicial" y el recién leído en el registro "punto final". La cinta se leyó continuamente y el número en los registros se incrementó con cada agujero encontrado en su pista de control hasta que se encontró una instrucción de "parada", cuatro agujeros en una línea.

El gabinete final contenía un reloj que enviaba pulsos a través de los registros, los comparaba y generaba pulsos de salida que se interpolaban entre los puntos. Por ejemplo, si los puntos estuvieran muy separados, la salida tendría pulsos con cada ciclo de reloj, mientras que los puntos poco espaciados solo generarían pulsos después de múltiples ciclos de reloj. Los pulsos se enviaron a un registro de suma en los controladores del motor, contando el número de pulsos cada vez que se recibieron. Los registros de suma se conectaron a un convertidor de digital a analógico que aumentaba la potencia de los motores a medida que aumentaba el recuento en los registros, lo que hacía que los controles se movieran más rápido.

Los registros se redujeron mediante codificadores conectados a los motores y al molino mismo, lo que reduciría el recuento en uno por cada grado de rotación. Una vez que se alcanzaba el segundo punto, el contador mantendría un cero, los pulsos del reloj se detendrían y los motores dejarían de girar. Cada rotación de 1 grado de los controles produjo un movimiento de 0,0005 pulgadas del cabezal de corte. El programador podía controlar la velocidad del corte seleccionando puntos más cercanos entre sí para movimientos lentos, o más separados para movimientos rápidos.

El sistema se demostró públicamente en septiembre de 1952, apareciendo en el Scientific American de ese mes . El sistema del MIT fue un éxito sobresaliente desde cualquier medida técnica, haciendo rápidamente cualquier corte complejo con una precisión extremadamente alta que no se podía duplicar fácilmente a mano. Sin embargo, el sistema era terriblemente complejo, incluidos 250 tubos de vacío , 175 relés y numerosas piezas móviles, lo que reducía su fiabilidad en un entorno de producción. También era caro; la factura total presentada a la Fuerza Aérea fue de $ 360.000,14 ($ 2.641.727,63 en dólares de 2005). Entre 1952 y 1956, el sistema se utilizó para elaborar una serie de diseños únicos para varias empresas de aviación, con el fin de estudiar su impacto económico potencial.

Proliferación de NC

Los proyectos de la máquina de fresado y control numérico de la Fuerza Aérea concluyeron formalmente en 1953, pero el desarrollo continuó en Giddings y Lewis Machine Tool Co. y en otras ubicaciones. En 1955, muchos miembros del equipo del MIT se marcharon para formar Concord Controls, una empresa comercial de Carolina del Norte con el respaldo de Giddings, que produjo el controlador Numericord . Numericord era similar al diseño del MIT, pero reemplazó la cinta perforadora con un lector de cinta magnética en el que estaba trabajando General Electric. La cinta contenía una serie de señales de diferentes fases, que codificaban directamente el ángulo de los distintos controles. La cinta se reproducía a una velocidad constante en el controlador, que fijaba la mitad del selsyn en los ángulos codificados, mientras que el lado remoto estaba conectado a los controles de la máquina. Los diseños todavía estaban codificados en cinta de papel, pero las cintas se transfirieron a un lector / escritor que las convirtió en forma magnética. Las magtapes podrían usarse en cualquiera de las máquinas en el piso, donde los controladores se redujeron en gran medida en complejidad. Desarrollada para producir matrices de alta precisión para una prensa de despellejado de aviones, la Numericord "NC5" entró en funcionamiento en la planta de G&L en Fond du Lac, WI en 1955.

Monarch Machine Tool también desarrolló un torno de control numérico a partir de 1952. Hicieron una demostración de su máquina en el Chicago Machine Tool Show de 1955 (predecesor del IMTS actual ), junto con varios otros proveedores con máquinas de cinta perforada o de cinta de papel que estaban completamente desarrollado o en forma de prototipo. Estos incluyeron el Milwaukee-Matic II de Kearney & Trecker que podría cambiar su herramienta de corte bajo control numérico, una característica común en las máquinas modernas.

Un informe de Boeing señaló que "el control numérico ha demostrado que puede reducir costos, reducir los plazos de entrega, mejorar la calidad, reducir las herramientas y aumentar la productividad". A pesar de estos desarrollos y de las críticas entusiastas de los pocos usuarios, la aceptación de NC fue relativamente lenta. Como Parsons señaló más tarde:

El concepto NC era tan extraño para los fabricantes, y tan lento de asimilar, que el propio Ejército de los EE. UU. Finalmente tuvo que construir 120 máquinas NC y arrendarlas a varios fabricantes para comenzar a popularizar su uso.

En 1958, el MIT publicó su informe sobre la economía de Carolina del Norte. Llegaron a la conclusión de que las herramientas eran competitivas con los operadores humanos, pero simplemente trasladaron el tiempo desde el mecanizado hasta la creación de las cintas. En Forces of Production , Noble afirma que este era el punto en lo que respecta a la Fuerza Aérea; trasladar el proceso de la planta de producción altamente sindicalizada a la oficina de diseño de cuello blanco no sindicalizada . El contexto cultural de principios de la década de 1950, un segundo susto rojo con un miedo generalizado a una brecha de bombarderos y a la subversión doméstica , arroja luz sobre esta interpretación. Se temía fuertemente que Occidente perdiera la carrera de producción de defensa frente a los comunistas, y que el poder sindicalista era un camino hacia la pérdida, ya sea por "volverse demasiado blando" (menos producción, mayor gasto unitario) o incluso por la simpatía y subversión comunista dentro de sindicatos (que surgen de su tema común de empoderar a la clase trabajadora).

Aparte de las ineficiencias económicas que mostraron los primeros intentos de CN, el tiempo y el esfuerzo necesarios en la creación de las cintas también introdujeron posibilidades de errores de producción. Esta sería una motivación para los contratos de la Fuerza Aérea en curso en 1958 como el proyecto de Herramienta Programada Automáticamente y el informe, luego proyecto posterior, Diseño Asistido por Computadora: Una Declaración de Objetivos 1960 de Douglas (Doug) T. Ross .

Llega el CNC

Muchos de los comandos de las partes experimentales se programaron "a mano" para producir las cintas perforadas que se utilizaron como entrada. Durante el desarrollo de Whirlwind , la computadora en tiempo real del MIT, John Runyon codificó una serie de subrutinas para producir estas cintas bajo control informático. Los usuarios podían ingresar una lista de puntos y velocidades, y el programa calcularía los puntos necesarios y generaría automáticamente la cinta perforada. En un caso, este proceso redujo el tiempo necesario para producir la lista de instrucciones y fresar la pieza de 8 horas a 15 minutos. Esto llevó a una propuesta a la Fuerza Aérea para producir un lenguaje de "programación" generalizado para el control numérico, que fue aceptado en junio de 1956. Doug Ross recibió el liderazgo del proyecto y fue nombrado jefe de otro departamento de investigación del MIT recién creado. Eligió nombrar la unidad como Grupo de Aplicaciones Informáticas, sintiendo que la palabra "aplicación" encajaba con la visión de que las máquinas de propósito general podrían ser "programadas" para desempeñar muchas funciones.

A partir de septiembre, Ross y Pople diseñaron un lenguaje para el control de máquinas que se basaba en puntos y líneas, y lo desarrollaron durante varios años en el lenguaje de programación APT . En 1957, la Asociación de Industrias Aeronáuticas (AIA) y el Comando de Material Aéreo en la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson se unieron al MIT para estandarizar este trabajo y producir un sistema NC totalmente controlado por computadora. El 25 de febrero de 1959, el equipo combinado celebró una conferencia de prensa en la que se mostraron los resultados, incluido un cenicero de aluminio mecanizado en 3D que se entregó en el kit de prensa . En 1959 también describieron el uso de APT en un molino de 60 pies en Boeing desde 1957.

Mientras tanto, Patrick Hanratty estaba haciendo desarrollos similares en GE como parte de su asociación con G&L en Numericord. Su lenguaje, PRONTO, ganó el uso comercial de APT cuando se lanzó en 1958. Hanratty luego pasó a desarrollar caracteres de tinta magnética MICR que se utilizaron en el procesamiento de cheques, antes de pasar a General Motors para trabajar en el innovador sistema CAD DAC-1 .

APT pronto se amplió para incluir curvas "reales" en 2D-APT-II. Con su lanzamiento al dominio público , el MIT redujo su enfoque en NC a medida que avanzaba hacia los experimentos CAD. El desarrollo de APT fue recogido con la AIA en San Diego, y en 1962, por el Instituto de Investigación Tecnológica de Illinois. El trabajo para hacer de APT un estándar internacional comenzó en 1963 bajo USASI X3.4.7, pero cualquier fabricante de máquinas NC tenía la libertad de agregar sus propias adiciones únicas (como PRONTO), por lo que la estandarización no se completó hasta 1968, cuando había 25 opcionales. complementos para el sistema básico.

Justo cuando APT se lanzaba a principios de la década de 1960, estaba llegando al mercado una segunda generación de computadoras transistorizadas de menor costo que podían procesar volúmenes mucho mayores de información en entornos de producción. Esto redujo el costo de programación de las máquinas NC y, a mediados de la década de 1960, las carreras de APT representaban un tercio de todo el tiempo de computación en las grandes empresas de aviación.

CADCAM se encuentra con CNC

Ejemplo CAD CNC.

Mientras el Laboratorio de Servomecanismos estaba desarrollando su primer molino, en 1953, el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT eliminó el requisito de que los estudiantes universitarios tomen cursos de dibujo. Los instructores que anteriormente enseñaban estos programas se fusionaron en la División de Diseño, donde comenzó una discusión informal sobre el diseño computarizado. Mientras tanto, el Laboratorio de Sistemas Electrónicos, el recién rebautizado Laboratorio de Servomecanismos, había estado discutiendo si el diseño comenzaría o no con diagramas de papel en el futuro.

En enero de 1959, se celebró una reunión informal en la que participaron personas tanto del Laboratorio de Sistemas Electrónicos como de la División de Diseño del Departamento de Ingeniería Mecánica. Siguieron reuniones formales en abril y mayo, que dieron como resultado el "Proyecto de diseño asistido por computadora". En diciembre de 1959, la Fuerza Aérea emitió un contrato de un año con ESL por $ 223,000 para financiar el proyecto, incluidos $ 20,800 destinados a 104 horas de tiempo de computadora a $ 200 por hora. Esto resultó ser demasiado poco para el ambicioso programa que tenían en mente. En 1959 fue mucho dinero. Los ingenieros recién graduados ganaban quizás entre $ 500 y $ 600 por mes en ese momento. Para aumentar el compromiso de la Fuerza Aérea, Ross repitió el éxito del modelo de desarrollo APT. El Programa Cooperativo AED, que finalmente se desarrolló durante un período de cinco años, contaba con personal corporativo externo, mano de obra de diseño profundamente experimentada prestada por las empresas. Algunos se trasladan al MIT durante medio año a 14 o 18 meses a la vez. Ross luego estimó este valor en casi seis millones de dólares en apoyo al trabajo de desarrollo de AED, investigación de sistemas y compiladores. AED era un trabajo de ingeniería de software independiente de la máquina y una extensión de ALGOL 60, el estándar para la publicación de algoritmos por parte de científicos informáticos de investigación. El desarrollo comenzó en paralelo en el IBM 709 y el TX-0 que luego permitió que los proyectos se ejecutaran en varios sitios. El sistema de desarrollo de sistemas y cálculo de ingeniería, AED , fue lanzado al dominio público en marzo de 1965.

En 1959, General Motors inició un proyecto experimental para digitalizar, almacenar e imprimir los numerosos bocetos de diseño que se generaban en los distintos departamentos de diseño de GM. Cuando el concepto básico demostró que podía funcionar, comenzaron el proyecto DAC-1 - Diseño aumentado por computadora - con IBM para desarrollar una versión de producción. Una parte del proyecto DAC fue la conversión directa de diagramas de papel en modelos 3D, que luego se convirtieron en comandos APT y se cortaron en fresadoras. En noviembre de 1963, un diseño para la tapa de un baúl pasó de un boceto en papel 2D a un prototipo de arcilla en 3D por primera vez. Con la excepción del boceto inicial, el ciclo de diseño a producción se había cerrado.

Mientras tanto, el Lincoln Labs externo del MIT estaba construyendo computadoras para probar nuevos diseños transistorizados. El objetivo final era esencialmente un Torbellino transistorizado conocido como TX-2 , pero para probar varios diseños de circuitos se construyó primero una versión más pequeña conocida como TX-0 . Cuando comenzó la construcción de TX-2, el tiempo en TX-0 se liberó y esto llevó a una serie de experimentos que involucraron entrada interactiva y uso de la pantalla CRT de la máquina para gráficos. Un mayor desarrollo de estos conceptos llevó al innovador programa Sketchpad de Ivan Sutherland en el TX-2.

Sutherland se mudó a la Universidad de Utah después de su trabajo con Sketchpad, pero inspiró a otros graduados del MIT a intentar el primer sistema CAD verdadero. Se trataba de Electronic Drafting Machine (EDM), vendida a Control Data y conocida como "Digigraphics", que Lockheed utilizó para fabricar piezas de producción para el C-5 Galaxy , el primer ejemplo de un sistema de producción CAD / CNC de extremo a extremo.

En 1970 había una amplia variedad de empresas de CAD, incluidas Intergraph , Applicon , Computervision , Auto-trol Technology , UGS Corp. y otras, así como grandes proveedores como CDC e IBM.

Proliferación de CNC

Lector de cinta de papel en una máquina de control numérico por computadora (CNC) .

El precio de los ciclos de computadora cayó drásticamente durante la década de 1960 con la introducción generalizada de miniordenadores útiles . Con el tiempo, se hizo menos costoso manejar el control del motor y la retroalimentación con un programa de computadora que con los servosistemas dedicados. Se dedicaron pequeñas computadoras a un solo molino, colocando todo el proceso en una pequeña caja. Las computadoras PDP-8 y Data General Nova eran comunes en estos roles. La introducción del microprocesador en la década de 1970 redujo aún más el costo de implementación y, en la actualidad, casi todas las máquinas CNC utilizan algún tipo de microprocesador para manejar todas las operaciones.

La introducción de máquinas CNC de bajo costo cambió radicalmente la industria manufacturera. Las curvas son tan fáciles de cortar como las líneas rectas, las estructuras tridimensionales complejas son relativamente fáciles de producir y el número de pasos de mecanizado que requerían la acción humana se ha reducido drásticamente. Con la mayor automatización de los procesos de fabricación con mecanizado CNC, se han logrado mejoras considerables en la consistencia y la calidad sin esfuerzo para el operador. La automatización del CNC redujo la frecuencia de errores y proporcionó a los operadores de CNC tiempo para realizar tareas adicionales. La automatización CNC también permite una mayor flexibilidad en la forma en que se mantienen las piezas en el proceso de fabricación y el tiempo necesario para cambiar la máquina para producir diferentes componentes. Además, a medida que aumenta la demanda de operadores de CNC, la automatización se convierte en una opción más viable que la mano de obra.

A principios de la década de 1970, las economías occidentales se vieron envueltas en un lento crecimiento económico y un aumento de los costos de empleo, y las máquinas NC comenzaron a ser más atractivas. Los principales proveedores estadounidenses tardaron en responder a la demanda de máquinas adecuadas para sistemas NC de menor costo, y en este vacío entraron los alemanes. En 1979, las ventas de máquinas alemanas (por ejemplo, Siemens Sinumerik ) superaron los diseños estadounidenses por primera vez. Este ciclo se repitió rápidamente y, en 1980, Japón había asumido una posición de liderazgo y las ventas en Estados Unidos caían constantemente. Una vez que se ubicó en la posición # 1 en términos de ventas en una lista de las diez principales que consistía en su totalidad en empresas estadounidenses en 1971, en 1987 Cincinnati Milacron ocupaba el octavo lugar en una tabla fuertemente dominada por empresas japonesas.

Muchos investigadores han comentado que el enfoque de EE. UU. En aplicaciones de gama alta los dejó en una situación poco competitiva cuando la recesión económica a principios de la década de 1970 llevó a una demanda mucho mayor de sistemas NC de bajo costo. A diferencia de las empresas estadounidenses, que se habían centrado en el mercado aeroespacial altamente rentable, los fabricantes alemanes y japoneses se centraron en los segmentos de menor beneficio desde el principio y pudieron entrar en los mercados de bajo coste con mucha más facilidad. Además, las grandes empresas japonesas establecieron sus propias filiales o reforzaron sus divisiones de máquinas para producir las máquinas que necesitaban. Esto fue visto como un esfuerzo nacional y alentado en gran medida por MITI, el Ministerio de Industria y Comercio Internacional de Japón. En los primeros años del desarrollo, MITI proporcionó recursos enfocados para la transferencia de conocimientos tecnológicos. Los esfuerzos nacionales en Estados Unidos se centraron en la manufactura integrada desde la perspectiva histórica que mantuvo el sector de defensa. Esto evolucionó a finales de la década de 1980, cuando se reconoció la llamada crisis de la máquina herramienta, en una serie de programas que buscaban ampliar la transferencia de conocimientos a los fabricantes de herramientas domésticos. La Fuerza Aérea patrocinó el Programa de Controladores de Próxima Generación 1989 como ejemplo. Este proceso continuó durante la década de 1990 hasta la actualidad gracias a las incubadoras de DARPA y una miríada de becas de investigación.

A medida que evolucionaron la informática y las redes, también lo hizo el control numérico directo (DNC). Su coexistencia a largo plazo con variantes menos interconectadas de NC y CNC se explica por el hecho de que las empresas individuales tienden a quedarse con lo que sea rentable, y su tiempo y dinero para probar alternativas es limitado. Esto explica por qué los modelos de máquina-herramienta y los medios de almacenamiento en cinta persisten de manera protegida incluso a medida que avanza el estado de la técnica.

Bricolaje, hobby y CNC personal

Los desarrollos recientes en CNC a pequeña escala han sido posibilitados, en gran parte, por el proyecto Enhanced Machine Controller en 1989 del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), una agencia del Departamento de Comercio del Gobierno de los Estados Unidos. EMC [LinuxCNC] es un programa de dominio público que opera bajo el sistema operativo Linux y trabaja en hardware basado en PC. Después de que finalizó el proyecto NIST, el desarrollo continuó, lo que llevó a LinuxCNC, que tiene la licencia GNU General Public License y Lesser GNU General Public License (GPL y LGPL). Las derivaciones del software EMC original también han dado lugar a varios programas patentados basados ​​en PC de bajo costo, en particular TurboCNC y Mach3, así como a sistemas integrados basados ​​en hardware propietario. La disponibilidad de estos programas de control basados ​​en PC ha llevado al desarrollo de CNC DIY , lo que permite a los aficionados construir los suyos propios utilizando diseños de hardware de código abierto . La misma arquitectura básica ha permitido a fabricantes, como Sherline y Taig, producir fresadoras de sobremesa ligeras llave en mano para aficionados.

La fácil disponibilidad del software basado en PC y la información de soporte de Mach3, escrito por Art Fenerty, permite a cualquier persona con algo de tiempo y experiencia técnica fabricar piezas complejas para uso doméstico y prototipo. Fenerty es considerado uno de los principales fundadores del mecanizado CNC para PC basado en Windows.

Finalmente, la arquitectura casera se comercializó por completo y se utilizó para crear maquinaria más grande adecuada para aplicaciones comerciales e industriales. Esta clase de equipo se ha denominado CNC personal. Paralelamente a la evolución de las computadoras personales, Personal CNC tiene sus raíces en el control basado en PC y EMC, pero ha evolucionado hasta el punto en que puede reemplazar equipos convencionales más grandes en muchos casos. Al igual que con la computadora personal , el CNC personal se caracteriza por equipos cuyo tamaño, capacidades y precio de venta original lo hacen útil para las personas, y que está destinado a ser operado directamente por un usuario final, a menudo sin capacitación profesional en tecnología CNC.

Hoy dia

Los lectores de cinta todavía se pueden encontrar en las instalaciones actuales de CNC, ya que las máquinas herramienta tienen una larga vida útil. También se utilizan otros métodos de transferencia de programas CNC a máquinas herramienta, como disquetes o conexión directa de una computadora portátil. Las cintas de mylar perforadas son más robustas. Los disquetes , las unidades flash USB y las redes de área local han reemplazado las cintas hasta cierto punto, especialmente en entornos más grandes que están altamente integrados.

La proliferación de CNC llevó a la necesidad de nuevos estándares de CNC que no estuvieran gravados por licencias o conceptos de diseño particulares, como extensiones propietarias de APT. Varios "estándares" diferentes proliferaron durante un tiempo, a menudo basados ​​en lenguajes de marcado de gráficos vectoriales admitidos por trazadores . Desde entonces, uno de esos estándares se ha vuelto muy común, el " código G " que se usó originalmente en los trazadores de Gerber Scientific y luego se adaptó para el uso de CNC. El formato de archivo llegó a ser tan ampliamente utilizado que se ha incorporado a un estándar EIA . A su vez, si bien el código G es el lenguaje predominante utilizado por las máquinas CNC en la actualidad, existe un impulso para suplantarlo con STEP-NC , un sistema que fue diseñado deliberadamente para CNC, en lugar de crecer a partir de un estándar de trazador existente.

Si bien el código G es el método más común de programación, algunos fabricantes de máquinas-herramienta / control también han inventado sus propios métodos de programación "conversacionales" patentados, tratando de facilitar la programación de partes simples y realizar configuraciones y modificaciones en el máquina más fácil (como Mazatrol de Mazak, IGF de Okuma y Hurco). Estos han tenido un éxito variable.

Un avance más reciente en los intérpretes de CNC es el soporte de comandos lógicos, conocido como programación paramétrica (también conocida como programación macro). Los programas paramétricos incluyen tanto comandos de dispositivo como un lenguaje de control similar al BASIC . El programador puede hacer declaraciones if / then / else, ciclos, llamadas a subprogramas, realizar varias operaciones aritméticas y manipular variables para crear un gran grado de libertad dentro de un programa. Se puede programar una línea completa de productos de diferentes tamaños utilizando lógica y matemáticas simples para crear y escalar una gama completa de piezas, o crear una pieza de stock que se puede escalar a cualquier tamaño que demande el cliente.

Desde aproximadamente 2006, se ha sugerido y perseguido la idea de fomentar la convergencia con CNC y DNC de varias tendencias en otras partes del mundo de la tecnología de la información que aún no han afectado mucho a CNC y DNC. Una de estas tendencias es la combinación de una mayor recopilación de datos (más sensores), un intercambio de datos mayor y más automatizado (mediante la creación de nuevos esquemas XML abiertos estándar de la industria ) y la minería de datos para producir un nuevo nivel de inteligencia empresarial y automatización del flujo de trabajo en fabricación. Otra de estas tendencias es la aparición de API ampliamente publicadas junto con los estándares de datos abiertos antes mencionados para fomentar un ecosistema de aplicaciones y mashups generados por el usuario , que pueden ser tanto abiertos como comerciales, en otras palabras, tomando la nueva cultura de TI de los mercados de aplicaciones. que comenzó en el desarrollo web y el desarrollo de aplicaciones para teléfonos inteligentes y lo extendió a CNC, DNC y los otros sistemas de automatización de fábrica que están conectados en red con CNC / DNC. MTConnect es un esfuerzo líder para llevar estas ideas a una implementación exitosa.

Ver también

Referencias

Fuentes citadas

Otras lecturas