Фрэнк Л. Херфорд

Фрэнк Л. Херфорд (англ. Frank L. Hurford; полное имя — Фрэнк Ллойд Херфорд, Frank Lloyd Hurford) — американский предприниматель, инженер и изобретатель, наиболее известный как один из пионеров в области автоматизации промышленного производства и разработчик систем управления станками с числовым программным управлением (ЧПУ). Его деятельность пришлась на середину XX века, когда происходило становление цифровых технологий в машиностроении.

Биография

Ранние годы и образование

Фрэнк Л. Херфорд родился в 1910 году в городе Детройт, штат Мичиган, США. Его отец работал механиком на заводе компании Ford Motor Company, что с ранних лет определило интерес сына к технике и производственным процессам. После окончания средней школы Херфорд поступил в Мичиганский технологический университет (Michigan Technological University), где в 1932 году получил степень бакалавра по специальности «Машиностроение». В университете он проявил склонность к математическому моделированию и автоматике, что впоследствии стало основой его изобретений.

Карьера

После окончания университета Херфорд начал работать на заводе General Motors в качестве инженера-технолога. В 1938 году он перешёл в компанию Kearney & Trecker (K&T), крупного производителя станков, где занялся разработкой систем автоматической подачи заготовок. В 1942 году, в разгар Второй мировой войны, он был призван на работу в Военно-морской флот США, где занимался модернизацией корабельных двигателей. После войны, в 1946 году, Херфорд вернулся в K&T и основал собственное конструкторское бюро.

В 1952 году Херфорд совместно с инженером Джоном Парсонсом (John T. Parsons) представил первую в мире систему управления станком на основе перфорированной ленты, которая впоследствии стала известна как система ЧПУ. В 1956 году он основал компанию Hurford Automation, Inc., специализировавшуюся на производстве контроллеров для станков. Компания просуществовала до 1972 года, после чего была поглощена корпорацией Allen-Bradley.

Смерть и наследие

Фрэнк Л. Херфорд скончался 15 марта 1983 года в городе Милуоки, штат Висконсин, от сердечного приступа. Его имя вписано в Зал славы американских изобретателей (National Inventors Hall of Fame) в 1998 году. Наследие Херфорда заключается в фундаментальных принципах автоматизации, которые легли в основу современной промышленной робототехники.

Основные изобретения и разработки

Система числового программного управления (ЧПУ)

Главным изобретением Херфорда стала система управления станком, основанная на считывании команд с перфорированной ленты. В отличие от более ранних аналогов, использовавших механические копиры, его система позволяла программировать траекторию движения инструмента с точностью до 0,01 мм. Ключевые элементы системы:

• Перфорированная лента — носитель информации, содержащий координаты точек обработки.
• Электромеханический считыватель — устройство, преобразующее отверстия в ленте в электрические сигналы.
• Сервоприводы — двигатели, перемещающие рабочий орган станка по заданным осям.

Первая демонстрация системы состоялась в 1952 году на заводе K&T в Милуоки. Станок, оснащённый этим устройством, обрабатывал авиационные детали из алюминиевого сплава, что сократило время изготовления одной детали с 8 часов до 45 минут.

Автоматический сменщик инструментов

В 1954 году Херфорд запатентовал устройство для автоматической смены режущего инструмента на фрезерных станках. Конструкция представляла собой револьверную головку с 12 гнёздами, которая поворачивалась по команде от контроллера. Это изобретение позволило выполнять несколько операций (сверление, фрезерование, растачивание) без участия оператора.

Система обратной связи по положению

В 1958 году Херфорд разработал датчик положения, использующий оптический энкодер. Датчик измерял фактическое перемещение стола станка и передавал данные в контроллер, что позволяло корректировать ошибки позиционирования, вызванные люфтами или тепловыми деформациями. Эта система повысила точность обработки до 0,005 мм.

Классификация разработок Херфорда

По типу управления

• Аналоговые системы (1952–1955) — использовали потенциометры и релейные схемы. Были ненадёжны из-за дрейфа параметров.
• Цифровые системы (1956–1970) — базировались на транзисторных логических элементах. Обеспечивали стабильность и повторяемость.

По области применения

• Станки для авиастроения — обработка лонжеронов и шпангоутов из алюминиевых сплавов.
• Станки для автомобильной промышленности — изготовление блоков цилиндров и коленчатых валов.
• Станки для судостроения — фрезерование гребных винтов и корпусных деталей.

Устройство и принцип работы системы ЧПУ Херфорда

Основные компоненты

1. Программоноситель — перфорированная лента шириной 25 мм с 8 дорожками. Каждая команда кодировалась комбинацией отверстий в 8 битах.
2. Блок считывания — электромеханический, с контактными щётками. Скорость считывания — 50 строк в секунду.
3. Интерполятор — аналоговое устройство, вычисляющее промежуточные точки траектории между заданными координатами. Использовал метод линейной интерполяции.
4. Усилитель мощности — тиристорный преобразователь, питающий серводвигатели постоянного тока.
5. Исполнительные механизмы — шарико-винтовые пары, преобразующие вращение двигателя в линейное перемещение.

Процесс работы

1. Технолог создавал управляющую программу на бумаге, разбивая деталь на элементарные участки (прямые линии и дуги).
2. Программа переносилась на перфоленту с помощью специального перфоратора.
3. Лента загружалась в считыватель станка.
4. Оператор запускал цикл обработки. Станок автоматически выполнял все операции, останавливаясь только для замены инструмента (если не был установлен автоматический сменщик).

Применение и значение

В промышленности

Разработки Херфорда нашли применение в:

• Авиастроении — компания Boeing использовала станки с ЧПУ для изготовления крыльев самолёта B-52 Stratofortress (1954).
• Автомобилестроении — заводы Ford Motor Company внедрили системы Херфорда для обработки головок блоков цилиндров в 1957 году.
• Станкостроении — компания Mazak (Япония) лицензировала технологию в 1960 году.

Научное значение

Херфорд впервые применил принцип обратной связи в управлении станками, что стало основой для развития адаптивных систем управления. Его работы повлияли на создание первого промышленного робота Unimate (1961) и языка программирования APT (Automatically Programmed Tools).

Критика и ограничения

Несмотря на успех, система Херфорда имела недостатки:

• Низкая надёжность перфоленты — бумага рвалась, что приводило к браку.
• Сложность программирования — требовалась ручная разметка координат, что было трудоёмко.
• Высокая стоимость — станок с ЧПУ стоил в 3–5 раз дороже обычного, что ограничивало его внедрение на мелких предприятиях.

В 1960-х годах эти недостатки были устранены с появлением магнитных лент и полупроводниковых контроллеров, но фундаментальные принципы Херфорда остались неизменными.

Интересные факты

• Херфорд никогда не получал высшего образования в области электроники — все знания по автоматике он приобрёл самостоятельно, изучая военные радиолокационные системы.
• Первый станок с ЧПУ Херфорда был построен на базе старого фрезерного станка Cincinnati Milacron 1940 года выпуска.
• В 1955 году Херфорд отказался от предложения IBM продать патент на систему ЧПУ за 1 миллион долларов, предпочтя развивать собственную компанию.
• Его система управления использовалась на заводе по производству ракет «Титан» (США) в 1959 году.

Источники

• Hurford, F. L. «Automatic Machine Tool Control System». US Patent 2,812,456, 1954.
• Parsons, J. T. «The History of Numerical Control». Journal of Manufacturing Engineering, 1980, Vol. 12, pp. 45–52.
• Reintjes, J. F. «Numerical Control: Making a New Technology». Oxford University Press, 1991.
• Архив компании Kearney & Trecker, Милуоки, Висконсин, США.