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数控机床的前世今生

2020-03-27汤彩萍

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       说到数控的前世,不得不提到两个美国人:John Parsons和Frank Stulen。Parsons提出了数控的思想,而Stulen作为技术专家,完成了Parsons的构想。

John Parsons

▲ John Parsons (1914~2007)

1 寂寞学徒生涯

       十五岁的时候,Parsons在美国底特律其父亲的工厂里做学徒。在二十世纪二十年代,没有什么快捷、精确的方法来制造产品。如果要做一个小小的下料模,只有在坯料中间打个孔,用划线器画出目标形状,然后在目标形状内再画一条线,作为钻头中心定位,接下来钻出一个一个紧挨着的孔,这样就可以敲出中间的坯料。

早期的轮廓制造法

▲ 早期的轮廓制造法

       但是轮廓上留下了一串尖角(cusps),对于这些尖角,当时Parsons一点都没有觉得有什么特别的印象和不寻常之处。  

2 从17到200

       十三年过去了,这个二十八岁的年轻学徒发现自己在制造业非常有特长,居然在密歇根北部开办了Parsons公司的制造工厂。当时正值二战期间,工厂主要制造战争用的炸药筒,Parsons接到了制造直升机空气螺旋桨叶片(rotor blade)的订单。

直升机部件

▲ 直升机部件

   为此他雇佣了Wright-Patterson空军基地的工程师Frank Stulen,Stulen于1946年4月开始为Parsons工作。我们都知道,当时计算机还只是一个梦想,世界上首台真正的数字电子计算机ENIAC还在宾希法尼亚大学处于完善之中。在那个时代,飞机工程师们只有两种计算工具可供选择:50厘米的计算尺,或者台式计算器。

       要制造螺旋桨叶片,模板是大问题。传统的方法是在每一块叶片模板上、下表面上的圆弧之间各确定17个坐标点,用曲线板连接这些坐标点,然后手工将轮廓切割出来,并锉成平滑的曲线过渡。坐标点的标准允差是±0.178mm,而点与点之间的曲线误差就没有办法检查了。

螺旋桨叶片

▲ 螺旋桨叶片

       Parsons想制造出非常精密的螺旋桨叶片,因此,他问Stulen是否能够将17个点外推至200个点,这样点与点之间的距离很小,轮廓上留下的尖点(cusps)之间的距离就只有0.038mm。

外推增加轮廓上的点

▲ 外推增加轮廓上的点

       因Stulen的兄弟在IBM工作,Stulen就考虑采用当时IBM的计算机(accounting machine)解决工程问题,他编写了早期的冲卡机程序,计算出所需的数据(200个坐标点的位置值)。

冲卡机程序卡片

▲ 冲卡机程序卡片

       Parsons让机械师在200个坐标点上钻孔,由于孔靠得非常近、交叠,就不需要再花时间锉削,只需机械师将工作台移动到各个坐标点上,钻孔,再移动到下一个点,如此重复。结果取得了惊人的成功!

       这样,到1947年的时候,Parsons公司就以前所未有的速度和精度制造直升飞机螺旋桨叶片的模板。从17个点到计算出200个坐标点,这不就是今天我们所熟知的插补的概念呢?

3 数控思想的诞生

    1948年4月,在底特律工厂锉尖角(cusps)的世界之外,Parsons的未来发生了戏剧性的转变——他接到了来自Wright-Patterson空军基地的图纸!

    图纸上是整体加强型机翼。当时,Lockheed公司设计了由喷气式引擎驱动的中程轰炸机,其速度比螺旋推进式飞机快得多,因此必须加强机翼以承受空气压力,但当强度足够时,其重量又使飞机难以起飞。因此必须提出新的结构—整体加强断面,每个断面都是锥形的。

    这在当时是难以想象的制造难题,当Parsons看到图纸那一刻,他坚信普通机床根本无法完成这种制造任务。

    决心已定,Parsons设计了锥形机翼的模型,Stulen通过计算设计了刀具设置的图纸。关键是:要做出锥形的机翼,大约需要800次机床刀具调整。设想由一个工人做那么多次调整,一天工作8小时,不能出一次错,否则价值几千美元的零件就报废了。看来靠人工是无法完成这样的零件的。

    就在这个时候,Parsons突然想到了cusps,他的思绪回到了二十年前底特律的车间里,就在一刹那,他想到螺旋桨叶片模板是在两轴基础上完成的,锥形机翼可以在三轴基础上制造,用计算数据控制机床运动加工精密的零件。Parsons公司递交了一份加工思想建议书。1949年6月,Parsons公司被授予合同。

4 第一台数控机床的诞生

    到此为止,实际上已经诞生了数控的思想,并做出了精度较高的模板,但生产效率太低。因为加工时,需要两个人同时在左右和前后方向操作丝杠的移动,这种效率根本无法满足当时美国空军的交货要求。因此Parsons下一步的设想就是要制造能够根据数字指令自动驱动电机的机床,即需要伺服机构以获得精确位置,这就是数控机床。

       麻省理工学院(MIT)有伺服实验室,John Parsons将合同转包给MIT,要求他们设计机床的伺服系统。

MIT伺服实验室

▲ MIT伺服实验室

    1952年,世界上首台数控机床在美国MIT展示。其控制系统全部采用电子管元件,体积之庞大,窥图可见一斑。据说,这台机床一开,整个费城(美国宾夕法尼亚州城市)的电灯顿时一下暗了很多,你懂的。

首台数控机床批量生产零件

▲ 首台数控机床批量生产零件

     当时还不知道用什么名词来命名这种技术呢!NC之路并不平坦,又花了近十年工夫,NC得以在机床展览会上亮相,使更多的人了解NC,接受了用数字化信息实现自动精确控制的技术,才定下 NC(Numerical Control,数控)这个名字。

▲ 老电影:Sperry公司的NC产品

5 今天的数控

    六十多年过去了,NC已发展成CNC(计算机数控),成为制造业不可缺少的一部分,完全改变了制造业的面貌。今天,数控技术正在成为先进制造系统工业4.0的基石。

▲ SIEMENS数控进军工业4.0(汤彩萍译 张伟字幕)

6 工匠精神造就NC

    回顾NC历史,我们发现竟然是一个工人发明了NC!Parsons没有大学文凭,从小什么活都干过,锉、钻、车、铣、磨,样样精通,日复一日,小小的cusps(尖角)就触发了他的灵感。这是偶然吗?我认为正是他内心对工作极度热爱、精益求精的态度所致。

    人有聪明的脑袋,但真正推动技术进步的是人的精神。正是Parsons专注的工匠精神,造就了数控技术的诞生,改变了一个时代。他虽然没有亲手制造出第一台数控机床,可他被公认为数控之父(the father of NC)。而Stulen是工程师,利用大学教育使思想变为现实,他同样具有工匠精神。中国当前缺的不就是千千万万的Parsons和Stulen吗?

责任编辑:杨培
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