Technologie de commande numérique et machines-outils CNC
La technologie de commande numérique, abrégée en NC (Numerical Control), permet de contrôler les mouvements mécaniques et les processus de traitement à l'aide d'informations numériques. Aujourd'hui, la commande numérique moderne adoptant généralement le contrôle par ordinateur, elle est également connue sous le nom de commande numérique par ordinateur (CNC).
Pour réaliser le contrôle numérique des mouvements mécaniques et des processus de traitement, il est nécessaire d'équiper le matériel et les logiciels correspondants. L'ensemble matériel et logiciel utilisé pour mettre en œuvre le contrôle numérique est appelé système de commande numérique (Numerical Control System), dont le cœur est le dispositif de commande numérique (Numeric Controller).
Les machines commandées par commande numérique sont appelées machines-outils à commande numérique (CNC). Il s'agit d'un produit mécatronique typique qui intègre de manière exhaustive des technologies avancées telles que l'informatique, l'automatisation, la mesure de précision et la conception de machines-outils. Il constitue la pierre angulaire des technologies de fabrication modernes. Le contrôle des machines-outils est le domaine le plus ancien et le plus largement appliqué de la commande numérique. Par conséquent, le niveau des machines-outils à commande numérique reflète largement les performances, le niveau et l'évolution de la technologie actuelle.
Il existe différents types de machines-outils à commande numérique (CNC), notamment les machines-outils de perçage, de fraisage et d'alésage, les machines-outils de tournage, les machines-outils de rectification, les machines-outils d'électroérosion, les machines-outils de forgeage, les machines-outils d'usinage laser et d'autres machines-outils à commande numérique spécialisées. Toute machine-outil commandée par commande numérique est qualifiée de machine-outil à CN.
Les machines-outils CNC équipées d'un changeur d'outils automatique (ATC), à l'exception des tours CNC avec porte-outils rotatifs, sont appelées centres d'usinage (MC). Grâce au changement automatique des outils, les pièces peuvent effectuer plusieurs opérations d'usinage en un seul serrage, ce qui permet de concentrer et de combiner les processus. Cela réduit considérablement le temps d'usinage auxiliaire et améliore l'efficacité de la machine-outil. Parallèlement, le nombre d'installations et de positionnements de pièces est réduit, ce qui améliore la précision d'usinage. Les centres d'usinage sont actuellement les machines-outils CNC offrant la plus grande productivité et la plus large gamme d'applications.
Basée sur des machines-outils CNC, l'intégration de changeurs automatiques de palettes (APC) et d'autres dispositifs connexes donne naissance à une unité de traitement appelée cellule de fabrication flexible (FMC). La FMC permet non seulement la concentration et la combinaison des processus, mais aussi, grâce au changement automatique des palettes et à des fonctions de surveillance et de contrôle automatiques relativement complètes, elle permet un traitement automatisé pendant une certaine période, améliorant ainsi l'efficacité de l'équipement. La FMC constitue non seulement la base du système de fabrication flexible FMS (Flexible Manufacturing System), mais peut également être utilisée comme équipement de traitement automatisé indépendant. Son développement est donc très rapide.
Basé sur des FMC et des centres d'usinage, intégrant des systèmes logistiques, des robots industriels et des équipements associés, et contrôlé et géré par un système de contrôle centralisé et unifié, un tel système de fabrication est appelé système de fabrication flexible FMS (Flexible Manufacturing System). Le FMS permet non seulement d'effectuer des traitements automatisés sur de longues périodes, mais aussi de réaliser l'usinage complet de divers types de pièces et d'assemblages de composants, automatisant ainsi le processus de fabrication en atelier. Il s'agit d'un système de fabrication avancé hautement automatisé.
Avec les progrès constants de la science et de la technologie, pour s'adapter à l'évolution de la demande du marché, la fabrication moderne nécessite non seulement l'automatisation des processus de fabrication en atelier, mais aussi une automatisation complète, depuis la prévision du marché jusqu'à la prise de décision, en passant par la conception et la fabrication des produits, jusqu'à leur commercialisation. Le système complet de production et de fabrication, formé par l'intégration de ces exigences, est appelé système de fabrication intégré par ordinateur (SFI). Le SFI intègre organiquement une production et une activité commerciale à plus long terme, permettant une production intelligente plus efficace et plus flexible, représentant le plus haut niveau de développement des technologies de fabrication automatisée actuelles. Dans le SFI, l'intégration des équipements de production est non seulement caractérisée par l'information, mais surtout par l'intégration technologique et fonctionnelle. L'ordinateur est l'outil d'intégration, la technologie automatisée assistée par ordinateur en est la base, et l'échange et le partage d'informations et de données en constituent le pont. Le produit final peut être considéré comme la matérialisation de l'information et des données.
Le système de contrôle numérique et ses composants
Les composants de base du système de commande numérique
Le système de commande numérique d'une machine-outil CNC est au cœur de tout équipement de commande numérique. Son principal objet de contrôle est le déplacement des axes de coordonnées (vitesse, direction, position, etc.) et ses informations de contrôle proviennent principalement de programmes de traitement ou de contrôle de mouvement. Par conséquent, les composants de base d'un système de commande numérique comprennent : le périphérique d'entrée/sortie de programme, le dispositif de commande numérique et le servomoteur.
Le rôle du périphérique d'entrée/sortie est de saisir et de transmettre des données telles que les programmes de traitement de commande numérique ou de contrôle de mouvement, les données de traitement et de contrôle, les paramètres de la machine-outil, les positions des axes de coordonnées et l'état des commutateurs de détection. Le clavier et l'écran sont les périphériques d'entrée/sortie les plus élémentaires nécessaires à tout équipement de commande numérique. De plus, selon le système de commande numérique, des périphériques tels que des lecteurs photoélectriques, des lecteurs de bande ou des lecteurs de disquettes peuvent également être installés. En tant que périphérique, l'ordinateur est actuellement l'un des périphériques d'entrée/sortie les plus utilisés.
Le dispositif de commande numérique est le composant central du système de commande numérique. Il se compose de circuits d'interface d'entrée/sortie, de contrôleurs, d'unités arithmétiques et d'une mémoire. Son rôle est de compiler, calculer et traiter les données saisies par le dispositif d'entrée via le circuit logique interne ou le logiciel de commande, et de générer divers types d'informations et d'instructions pour commander les différents composants de la machine-outil et exécuter des actions spécifiques.
Parmi ces informations et instructions de contrôle, les plus élémentaires sont les instructions de vitesse, de direction et de déplacement d'avance des axes de coordonnées. Elles sont générées après des calculs d'interpolation, transmises au servomoteur, amplifiées par le pilote, et contrôlent finalement le déplacement des axes de coordonnées. Ceci détermine directement la trajectoire de l'outil ou des axes de coordonnées.
De plus, selon le système et l'équipement, par exemple sur une machine-outil CNC, des instructions peuvent également être fournies, telles que la vitesse de rotation, le sens de rotation, le démarrage/arrêt de la broche ; les instructions de sélection et de remplacement d'outils ; les instructions de démarrage/arrêt des dispositifs de refroidissement et de lubrification ; les instructions de desserrage et de serrage de la pièce ; l'indexation de la table de travail et d'autres instructions auxiliaires. Dans le système de commande numérique, ces instructions sont transmises au dispositif de commande auxiliaire externe sous forme de signaux via l'interface. Ce dispositif effectue la compilation et les opérations logiques nécessaires sur ces signaux, les amplifie et pilote les actionneurs correspondants pour piloter les composants mécaniques et les dispositifs auxiliaires hydrauliques et pneumatiques de la machine-outil afin d'exécuter les actions spécifiées par les instructions.
Le servomoteur est généralement composé de servoamplificateurs (également appelés pilotes, servomoteurs) et d'actionneurs. Sur les machines-outils CNC, les servomoteurs à courant alternatif sont généralement utilisés comme actionneurs ; sur les machines-outils d'usinage haute vitesse avancées, les moteurs linéaires ont commencé à être utilisés. De plus, sur les machines-outils CNC produites avant les années 1980, on utilisait parfois des servomoteurs à courant continu ; pour les machines-outils CNC simples, des moteurs pas à pas étaient également utilisés comme actionneurs. La forme du servoamplificateur dépend de l'actionneur et doit être utilisée en conjonction avec le moteur d'entraînement.
Les composants ci-dessus constituent les composants de base d'un système de commande numérique. Avec le développement continu de la technologie de commande numérique et l'amélioration des performances des machines-outils, les exigences fonctionnelles du système augmentent également. Pour répondre aux exigences de contrôle des différentes machines-outils, garantir l'intégrité et l'uniformité du système de commande numérique et faciliter son utilisation, les systèmes de commande numérique avancés couramment utilisés intègrent généralement un automate programmable interne comme dispositif de commande auxiliaire. De plus, sur les machines-outils d'usinage par enlèvement de copeaux, le dispositif d'entraînement de broche peut également faire partie du système de commande numérique ; sur les machines-outils CNC en boucle fermée, les dispositifs de mesure et de détection sont également indispensables. Pour les systèmes de commande numérique avancés, un ordinateur est parfois même utilisé comme interface homme-machine, pour la gestion des données et les périphériques d'entrée/sortie, ce qui optimise les fonctions et les performances du système.
En conclusion, la composition du système de commande numérique dépend de ses performances et des exigences spécifiques de l'équipement. Sa configuration et sa composition présentent des différences significatives. Outre les trois composants de base que sont le périphérique d'entrée/sortie du programme de traitement, le dispositif de commande numérique et le servomoteur, d'autres dispositifs de commande peuvent être utilisés. Le cadre en pointillés de la figure 1-1 représente le système de commande numérique par ordinateur.
Les concepts de NC, CNC, SV et PLC
NC (CNC), SV et PLC (PC, PMC) sont des abréviations anglaises très couramment utilisées dans les équipements de contrôle numérique et ont des significations différentes selon les occasions dans les applications pratiques.
NC (CNC) : NC et CNC sont les abréviations anglaises courantes de Numerical Control et Computerized Numerical Control, respectivement. Étant donné que les commandes numériques modernes adoptent toutes le contrôle par ordinateur, on peut considérer que les significations de NC et de CNC sont identiques. Dans les applications d'ingénierie, selon le cas d'utilisation, NC (CNC) a généralement trois significations différentes : au sens large, il représente une technologie de contrôle (la commande numérique) ; au sens strict, il représente une entité d'un système de contrôle (le système de commande numérique) ; il peut également désigner un dispositif de contrôle spécifique (le dispositif de commande numérique).
SV : SV est l'abréviation anglaise courante de servomoteur (Servo Drive, abrégé en servo). Selon les termes prescrits par la norme japonaise JIS, il s'agit d'un « mécanisme de contrôle qui prend la position, la direction et l'état d'un objet comme grandeurs de contrôle et suit les variations arbitraires de la valeur cible ». En bref, il s'agit d'un dispositif de contrôle capable de suivre automatiquement des grandeurs physiques telles que la position cible.
Sur les machines-outils CNC, le rôle du servomoteur se reflète principalement dans deux aspects : premièrement, il permet aux axes de coordonnées de fonctionner à la vitesse donnée par le dispositif de commande numérique ; deuxièmement, il permet aux axes de coordonnées d'être positionnés en fonction de la position donnée par le dispositif de commande numérique.
Les objets de contrôle du servomoteur sont généralement le déplacement et la vitesse des axes de coordonnées de la machine-outil ; l'actionneur est un servomoteur ; la partie qui contrôle et amplifie le signal de commande d'entrée est souvent appelée servo-amplificateur (également connu sous le nom de pilote, amplificateur, servo-unité, etc.), qui est le cœur du servomoteur.
Le servomoteur peut non seulement être utilisé en conjonction avec la commande numérique, mais aussi seul comme système d'accompagnement de la position (vitesse). C'est pourquoi on l'appelle souvent « système servo ». Sur les premiers systèmes de commande numérique, le contrôle de position était généralement intégré à la commande numérique, et le servomoteur assurait uniquement le contrôle de la vitesse. C'est pourquoi on l'appelait souvent « unité de contrôle de vitesse ».
PLC : PC est l'abréviation anglaise de Programmable Controller. Avec la popularité croissante des ordinateurs personnels, afin d'éviter toute confusion avec les ordinateurs personnels (également appelés PC), les automates programmables sont désormais généralement appelés automates programmables (PLC) ou contrôleurs de machines programmables (PMC). Par conséquent, sur les machines-outils à commande numérique, PC, PLC et PMC ont exactement la même signification.
L'automate programmable (API) offre les avantages d'une réactivité rapide, de performances fiables, d'une utilisation pratique, d'une programmation et d'un débogage aisés, et peut piloter directement certains équipements électriques de machines-outils. De ce fait, il est largement utilisé comme dispositif de commande auxiliaire pour les équipements à commande numérique. Actuellement, la plupart des systèmes de commande numérique intègrent un API interne pour le traitement des instructions auxiliaires des machines-outils CNC, simplifiant ainsi considérablement le dispositif de commande auxiliaire de la machine-outil. De plus, grâce à des modules fonctionnels spécifiques tels que le module de contrôle d'axe et le module de positionnement, l'API peut souvent être utilisé directement pour le contrôle de position ponctuelle, le contrôle linéaire et le contrôle de contour simple, créant ainsi des machines-outils CNC spéciales ou des lignes de production CNC.
Le principe de composition et de traitement des machines-outils CNC
La composition de base des machines-outils CNC
Les machines-outils CNC sont les équipements à commande numérique les plus courants. Pour clarifier leur composition de base, il est nécessaire d'analyser leur processus d'usinage. Sur ces machines, les étapes suivantes peuvent être mises en œuvre :
Selon les dessins et les plans de processus des pièces à traiter, en utilisant les codes prescrits et les formats de programme, écrivez la trajectoire de mouvement des outils, le processus de traitement, les paramètres de processus, les paramètres de coupe, etc. dans le formulaire d'instructions reconnaissable par le système de commande numérique, c'est-à-dire écrivez le programme de traitement.
Saisissez le programme de traitement écrit dans le dispositif de commande numérique.
Le dispositif de commande numérique décode et traite le programme d'entrée (code) et envoie les signaux de commande correspondants aux dispositifs d'entraînement servo et aux dispositifs de contrôle de fonction auxiliaire de chaque axe de coordonnées pour contrôler le mouvement de chaque composant de la machine-outil.
Pendant le mouvement, le système de commande numérique doit détecter à tout moment la position des axes de coordonnées de la machine-outil, l'état des commutateurs de déplacement, etc., et les comparer aux exigences du programme pour déterminer l'action suivante jusqu'à ce que les pièces qualifiées soient traitées.
L'opérateur peut observer et inspecter à tout moment les conditions d'usinage et l'état de fonctionnement de la machine-outil. Si nécessaire, des ajustements des actions et des programmes d'usinage sont également nécessaires pour garantir un fonctionnement sûr et fiable de la machine-outil.
On peut voir qu'en tant que composition de base d'une machine-outil CNC, elle doit inclure : des dispositifs d'entrée/sortie, des dispositifs de commande numérique, des servomoteurs et des dispositifs de rétroaction, des dispositifs de commande auxiliaires et le corps de la machine-outil.
La composition des machines-outils CNC
Le système de commande numérique (CNC) permet de contrôler le traitement de la machine-outil. Actuellement, la plupart des systèmes de commande numérique utilisent la commande numérique par ordinateur (CNC). Le dispositif d'entrée/sortie, le dispositif de commande numérique, le servomoteur et le dispositif de rétroaction illustrés sur la figure constituent le système de commande numérique de la machine-outil, dont le rôle a été décrit précédemment. Les autres composants sont brièvement présentés ci-dessous.
Dispositif de retour de mesure : Il s'agit du maillon de détection d'une machine-outil CNC en boucle fermée (semi-fermée). Son rôle est de détecter la vitesse et le déplacement réels de l'actionneur (par exemple, le porte-outil) ou de la table de travail grâce à des éléments de mesure modernes tels que des codeurs d'impulsions, des résolveurs, des synchroniseurs à induction, des réseaux, des règles magnétiques et des instruments de mesure laser. Ces informations sont ensuite transmises au servomoteur ou à la commande numérique, et la compensation de la vitesse d'avance ou de l'erreur de mouvement de l'actionneur est réalisée afin d'améliorer la précision du mécanisme de mouvement. La position d'installation du dispositif de détection et la position de retour du signal de détection dépendent de la structure du système de commande numérique. Les codeurs d'impulsions intégrés au servomoteur, les tachymètres et les réseaux linéaires sont des composants de détection couramment utilisés.
Étant donné que les servomoteurs avancés adoptent tous la technologie de servocommande numérique (appelée servomoteur numérique), un bus est généralement utilisé pour la connexion entre le servomoteur et la commande numérique. Dans la plupart des cas, le signal de retour est connecté au servomoteur et transmis à la commande numérique via le bus. Dans de rares cas, ou lors de l'utilisation de servomoteurs analogiques (communément appelés servomoteurs analogiques), le dispositif de retour doit être directement connecté à la commande numérique.
Mécanisme de commande auxiliaire et mécanisme de transmission d'avance : Situé entre la commande numérique et les composants mécaniques et hydrauliques de la machine-outil, il reçoit principalement les instructions de vitesse et de direction de la broche, ainsi que les instructions de marche/arrêt émises par la commande numérique ; les instructions de sélection et de remplacement d'outils ; les instructions de marche/arrêt des dispositifs de refroidissement et de lubrification ; les signaux d'instructions auxiliaires tels que le desserrage et le serrage des pièces et des composants de la machine-outil, l'indexation de la table de travail, et les signaux d'état des interrupteurs de détection de la machine-outil. Après compilation, jugement logique et amplification de puissance nécessaires, les actionneurs correspondants sont directement pilotés pour piloter les composants mécaniques, hydrauliques et pneumatiques auxiliaires de la machine-outil afin d'exécuter les actions spécifiées par les instructions. Il est généralement composé d'un automate programmable (API) et d'un circuit de commande à courant fort. L'API peut être intégré à la CNC (API intégré) ou relativement indépendant (API externe).
Le corps de la machine-outil, c'est-à-dire sa structure mécanique, comprend également les systèmes d'entraînement principaux, les systèmes d'entraînement d'avance, les bancs, les tables de travail, les dispositifs de mouvement auxiliaires, les systèmes hydrauliques et pneumatiques, les systèmes de lubrification, les dispositifs de refroidissement, les systèmes d'évacuation des copeaux, les systèmes de protection, etc. Cependant, pour répondre aux exigences de la commande numérique et optimiser les performances de la machine-outil, celle-ci a subi d'importantes modifications en termes d'agencement général, d'esthétique, de structure du système de transmission, de système d'outillage et de performances opérationnelles. Les composants mécaniques de la machine-outil comprennent le banc, le boîtier, la colonne, le rail de guidage, la table de travail, la broche, le mécanisme d'avance, le mécanisme de changement d'outil, etc.
Le principe de l'usinage CNC
Sur les machines-outils de découpe de métaux traditionnelles, lors du traitement des pièces, l'opérateur doit modifier en permanence des paramètres tels que la trajectoire de mouvement et la vitesse de déplacement de l'outil en fonction des exigences du dessin, afin que l'outil effectue le traitement de coupe sur la pièce et traite enfin les pièces qualifiées.
L'usinage des machines-outils CNC repose essentiellement sur le principe « différentiel ». Son principe de fonctionnement et son processus peuvent être brièvement décrits comme suit :
En fonction de la trajectoire de l'outil requise par le programme de traitement, le dispositif de commande numérique différencie la trajectoire le long des axes de coordonnées correspondants de la machine-outil avec la quantité de mouvement minimale (équivalent d'impulsion) (△X, △Y dans la figure 1-2) et calcule le nombre d'impulsions que chaque axe de coordonnées doit déplacer.
Grâce au logiciel « interpolation » ou au calculateur « interpolation » du dispositif de commande numérique, la trajectoire requise est ajustée avec une polyligne équivalente en unités « unité de mouvement minimum » et la polyligne ajustée la plus proche de la trajectoire théorique est trouvée.
Selon la trajectoire de la polyligne ajustée, le dispositif de commande numérique attribue en continu des impulsions d'avance aux axes de coordonnées correspondants et permet aux axes de coordonnées de la machine-outil de se déplacer en fonction des impulsions attribuées via un servomoteur.
On constate que : premièrement, tant que la quantité minimale de mouvement (équivalent impulsionnel) de la machine-outil CNC est suffisamment faible, la polyligne ajustée utilisée peut remplacer la courbe théorique de manière équivalente. Deuxièmement, en modifiant la méthode d'allocation des impulsions des axes de coordonnées, la forme de la polyligne ajustée peut être modifiée, permettant ainsi de modifier la trajectoire d'usinage. Troisièmement, tant que la fréquence de…