Кто придумал станок с ЧПУ, лазер и промышленного робота: инженеры, с которых началась отрасль

Кто что придумал: сводная таблица

Числовое управление: Джон Парсонс и лаборатория MIT

Джон Парсонс (1913–2007) руководил компанией Parsons Corporation в городке Траверс-Сити, штат Мичиган, которая делала лопасти несущих винтов для вертолётов. Чтобы точно вывести профиль лопасти, нужно было рассчитать множество точек кривой. С 1 апреля 1946 года к нему пришёл инженер Фрэнк Стулен, и они стали считать эти точки на машинах с перфокартами. Тогда словом «компьютер» называли именно такой счётный аппарат.

Отсюда и выросла идея Парсонса. Если координаты всё равно лежат на перфокартах, станок может читать их сам, без оператора, который вручную выставляет каждую точку и ошибается. В 1948 году компания получила заказ на сужающиеся крылья для военных самолётов, а в 1949-м ВВС США выделили деньги на разработку станка. Весной 1949 года Парсонс позвал на помощь лабораторию сервомеханизмов Массачусетского технологического института (MIT): у него была идея, а у лаборатории опыт с приводами, которые точно отрабатывают заданное положение.

Дальше история повернулась не в пользу Парсонса. MIT купил списанный фрезерный станок Hydro-Tel фирмы Cincinnati Milling Machine, заключил прямой контракт с ВВС и продолжил работу без него. В сентябре 1952 года лаборатория публично показала станок с числовым управлением, и в том же месяце о нём написал Scientific American. Парсонс подал свой патент 5 мая 1952 года и получил его 14 января 1958 года (US 2 820 187), а одним из первых лицензиатов в 1955 году стала компания Bendix. Признание пришло позже. В 1985 году Парсонс и Стулен получили Национальную медаль США в области технологий, а в 1993-м Парсонса включили в Национальный зал славы изобретателей.

Программы для станка: Ханратти, Росс и Безье

Станок, который читает числа, сразу породил новую задачу: кто-то должен эти числа написать. Во второй половине 1950-х в MIT группа Дугласа Росса разработала язык APT, где траекторию инструмента описывали через точки и линии. Параллельно Патрик Ханратти (1931–2019), работавший в General Electric, в 1957 году написал программу PRONTO, и она дошла до коммерческого применения раньше APT. В 1961 году Ханратти перешёл в исследовательские лаборатории General Motors, а в 1971-м основал собственную компанию Manufacturing and Consulting Services. Его называют отцом CAD/CAM. Компания Ханратти утверждала, что около 70% трёхмерных систем CAD/CAM восходят к его коду, но независимого подтверждения этой оценки нет.

Француз Пьер Безье (1910–1999) проработал в Renault с 1933 по 1975 год и прошёл путь от наладчика до директора отделения станков. Он проектировал агрегатные станки, на которых обрабатывали блоки двигателей Renault 4CV, а его отделение выпускало в том числе сверлильные и фрезерные станки с ЧПУ. С 1960 года Безье занялся компьютерным проектированием, и в 1968 году заработала система UNISURF, которой описывали поверхности кузова. Кривые, названные его именем, первым разработал в 1959 году Поль де Кастельжо, а Безье их популяризировал. Сегодня с ними работает каждый, кто рисует макет в векторном редакторе: опорные точки и «усы» у линии и есть кривая Безье.

Лазер: от мазера Басова и Прохорова до рубина Меймана

Лазеру предшествовал мазер, генератор микроволнового излучения. Николай Басов (1922–2001) и Александр Прохоров (1916–2002) работали в Физическом институте АН СССР (ФИАН). В 1953 году они сформулировали основные принципы квантового усиления и генерации, в 1954-м создали первый квантовый генератор на пучке молекул аммиака, а в 1955-м предложили трёхуровневую схему создания инверсной населённости. В 1958 году Прохоров предложил использовать в квантовых генераторах открытый резонатор, то есть пару зеркал, между которыми ходит излучение. Такие зеркала стоят по торцам каждой CO2-трубки в мастерской. В 1964 году Басов и Прохоров вместе с американцем Чарльзом Таунсом получили Нобелевскую премию по физике за фундаментальные работы в области квантовой электроники.

Первый работающий лазер запустил американский физик Теодор Мейман (1927–2007) 16 мая 1960 года в лабораториях компании Hughes в Малибу. Активной средой был синтетический розовый рубин производства Linde (подразделение Union Carbide), а накачку давала спиральная ксеноновая лампа-вспышка. О результате компания объявила на пресс-конференции в Манхэттене 7 июля 1960 года, а 6 августа вышла статья Меймана в журнале Nature.

CO2-лазер Кумара Пателя и первый рез стали

Кумар Пател родился в 1938 году в индийском городе Барамати, учился в Стэнфорде и пришёл работать в Bell Labs. В 1964 году он создал лазер на углекислом газе. Основные линии его излучения лежат около 9,6 и 10,6 мкм, а отношение выходной мощности к мощности накачки достигает 20%. Смесь в трубке содержит 10–20% CO2, 10–20% азота, несколько процентов водорода или ксенона, остальное гелий. Это тот же принцип, по которому работают трубки современных CO2-станков для фанеры, акрила и кожи. В 1996 году Пател получил Национальную научную медаль США с формулировкой, где прямо упомянуто изобретение CO2-лазера.

Резать металл лазером первыми начали британцы. В мае 1967 года Питер Хоулдкрофт, заместитель научного директора британского Института сварки (TWI), подвёл к сфокусированному лучу CO2-лазера струю кислорода и разрезал стальной лист толщиной 1 мм. Опыт ставили в лаборатории SERL в Харлоу, лазером управлял Артур Салливан.

Результаты Салливан и Хоулдкрофт опубликовали в августе 1967 года в British Welding Journal под заголовком «Газоструйная лазерная резка». Первым настоящим станком для лазерной резки TWI считает установку, которую компания BOC в 1970 году поставила шотландскому производителю штанцевых форм William Thynes. В 1975 году швейцарская Laser Work AG предложила, вероятно, первую серийную систему CO2-резки с подвижной оптикой, то есть с головой, которая ездит над неподвижным листом, как у большинства станков сегодня.

Для сравнения масштаба: в октябре 2026 года на выставке EuroBLECH в Ганновере показывают листовые волоконные станки мощностью 60 кВт. Это в 200 раз больше, чем у лазера Хоулдкрофта (расчёт: 60 000 Вт / 300 Вт).

Волоконный лазер: Элиас Снитцер и Валентин Гапонцев

Элиас Снитцер (1925–2012) пришёл в компанию American Optical в 1959 году. В 1961-м его группа в Саутбридже, штат Массачусетс, собрала и запустила первый в мире волоконный лазер на стекле, легированном неодимом. Через три года та же команда показала первый волоконный усилитель, статью об этом Снитцер и Чарльз Костер опубликовали в 1964 году в Applied Optics. В 2012 году IEEE установил в Саутбридже памятную доску в честь этой работы.

Тогда волокно оставалось лабораторной технологией. Путь в цех ему проложил Валентин Гапонцев (1939–2021), уроженец Москвы, выпускник Львовского политехнического института 1961 года. С 1967 года он работал в Институте радиотехники и электроники АН СССР, а в 1990 году, в 51 год, основал IPG Photonics в небольшой лаборатории под Москвой. В декабре 1991 года Гапонцев и Александр Шестаков создали во Фрязине НТО «ИРЭ-Полюс». В 1998 году появилась американская IPG Photonics Corporation, а в 2006 году компания вышла на биржу и привлекла больше 90 млн долларов. В 2011 году Гапонцев получил Государственную премию России в области науки и технологий.

Скорость, с которой росла мощность волокна, видна по цифрам. В 2001 году одномодовые иттербиевые волоконные лазеры давали в непрерывном режиме 100 Вт, а в 2014 году показали 30 кВт при сложении нескольких пучков. Сегодня источники IPG стоят во многих волоконных станках для резки, сварки и маркировки, рядом с китайскими Raycus и MAX Photonics.

Робот у станка: Девол и Энгельбергер

Американский изобретатель Джордж Девол (1912–2011) подал заявку на патент «Программируемый перенос изделий» 10 декабря 1954 года и получил его 13 июня 1961 года (US 2 988 237). Это описание манипулятора, который запоминает последовательность движений и повторяет её. В 1956 году на вечеринке в Уэстпорте Девол познакомился с инженером Джозефом Энгельбергером (1925–2015), и вместе они основали Unimation, первую в мире компанию по производству роботов.

Первого робота Unimate продали General Motors в 1960 году и в 1961-м установили на заводе Inland Fisher Guide в Юинг-Тауншипе, штат Нью-Джерси. Он весил 4000 фунтов, это около 1,8 т (расчёт: 4000 × 0,4536 кг), снимал с линии литые детали и приваривал их к кузовам. Энгельбергера называют отцом робототехники. Он написал книги «Робототехника на практике» (1980) и «Робототехника в сфере услуг» (1989), а с 1977 года американская ассоциация робототехники ежегодно вручает премии его имени. Девола включили в Национальный зал славы изобретателей в 2011 году.

Задачи у первого робота были те же, что и сегодня: тяжёлая, горячая и монотонная работа у станка. Как подобрать робота под такую операцию, мы разбирали в статье о нагрузке, вылете и числе осей.

3D-печать: Чарльз Халл

3D-печать появилась на два десятилетия позже остальных технологий из этой статьи. В 1984 году американец Чарльз Халл запатентовал стереолитографию, послойное отверждение фотополимера ультрафиолетовым лазером, а в 1986 году основал компанию 3D Systems. Подробно о нём, о французских и японских изобретателях, которые опередили его с заявками, и о Скотте Крампе с технологией FDM мы рассказали в истории 3D-принтера.

Что из этой истории полезно практику

Большая часть этих изобретений живёт в оборудовании почти без изменений, и знание истории помогает понять устройство станка:

• Зеркала на торцах CO2-трубки образуют открытый резонатор, который Прохоров предложил в 1958 году, поэтому мощность трубки зависит от того, насколько точно эти зеркала выставлены и не помутнели ли они.
• Обратная связь по положению, которую в MIT делали в 1949–1952 годах, осталась основой привода оси: контроллер сравнивает заданную координату с фактической и подтягивает ось к цели.
• Траектории в CAM и векторных редакторах описаны теми же сплайнами и кривыми Безье, что и кузов Renault в 1968 году, поэтому неаккуратные узлы кривой превращаются в рывки инструмента.
• Кислород при резке чёрной стали работает так же, как в опыте Хоулдкрофта: газ поддерживает горение металла и выдувает расплав из реза.