Concept clé CNC n°1 : Maîtriser les fondamentaux de la commande numérique

Ceci est le premier article d'une série de 10 parties sur les concepts clés de la commande numérique par ordinateur. Pour une introduction à l'approche de cette série, lisez cet article.

Quels sont les avantages de la commande numérique ?

Le premier avantage offert par toutes les formes de machines-outils à commande numérique est l'automatisation améliorée. L'intervention de l'opérateur liée à la production de pièces peut être réduite ou éliminée. De nombreuses machines CNC peuvent fonctionner sans surveillance pendant tout leur cycle d'usinage, libérant l'opérateur pour d'autres tâches. Cela donne à l'utilisateur CNC plusieurs avantages annexes, notamment la réduction de la fatigue de l'opérateur, moins d'erreurs causées par l'erreur humaine, et un temps d'usinage constant et prévisible pour chaque pièce. Puisque la machine fonctionne sous contrôle de programme, le niveau de compétence requis de l'opérateur CNC (lié aux pratiques d'usinage de base) est également réduit par rapport à un tourneur produisant des pièces avec des machines-outils conventionnelles.

Le deuxième avantage majeur de la technologie CNC est la production de pièces cohérentes et précises. Les machines CNC d'aujourd'hui affichent des spécifications de précision et de répétabilité presque incroyables. Cela signifie qu'une fois un programme vérifié, deux, dix ou mille pièces identiques peuvent être facilement produites avec précision et cohérence.

Un troisième avantage offert par la plupart des formes de machines-outils CNC est la flexibilité. Puisque ces machines sont pilotées par des programmes, lancer une pièce différente est presque aussi facile que de charger un programme différent. Une fois qu'un programme a été vérifié et exécuté pour une série de production, il peut être facilement rappelé la prochaine fois que la pièce doit être lancée. Cela mène à un autre avantage : les changements de série rapides.

Puisque ces machines sont très faciles à monter et à faire fonctionner, et que les programmes peuvent être facilement chargés, elles permettent des temps de montage très courts. C'est impératif avec les exigences de production just-in-time d'aujourd'hui.

Contrôle du mouvement — Le cœur du CNC

La fonction la plus basique de toute machine CNC est le contrôle automatique, précis et cohérent du mouvement. Toutes les formes d'équipement CNC ont deux ou plusieurs directions de mouvement, appelées axes. Ces axes peuvent être positionnés avec précision et automatiquement le long de leurs courses. Les deux types d'axes les plus courants sont linéaires (entraînés le long d'un chemin droit) et rotatifs (entraînés le long d'un chemin circulaire).

Au lieu de provoquer le mouvement en tournant manuellement des manivelles et volants comme requis sur les machines-outils conventionnelles, les machines CNC permettent d'actionner les mouvements par des servomoteurs sous contrôle du CNC, et guidés par le programme de pièce. En général, le type de mouvement (rapide, linéaire et circulaire), les axes à mouvoir, la quantité de mouvement et le taux de mouvement (vitesse d'avance) sont programmables avec presque toutes les machines-outils CNC.

Une commande CNC exécutée dans la commande (généralement via un programme) dit au moteur d'entraînement de tourner un nombre précis de fois. La rotation du moteur d'entraînement fait à son tour tourner la vis à billes. Et la vis à billes entraîne l'axe linéaire. Un dispositif de rétroaction à l'extrémité opposée de la vis à billes permet à la commande de confirmer que le nombre commandé de rotations a eu lieu.

Bien qu'une analogie plutôt grossière, le même mouvement linéaire de base se trouve sur un étau de table courant. En tournant la manivelle de l'étau, vous faites tourner une vis de commande qui, à son tour, entraîne la mâchoire mobile de l'étau. En comparaison, un axe linéaire sur une machine-outil CNC est extrêmement précis. Le nombre de tours du moteur d'entraînement d'axe contrôle précisément la quantité de mouvement linéaire le long de l'axe.

Comment le mouvement d'axe est commandé — Comprendre les systèmes de coordonnées

Il serait impossible pour l'utilisateur CNC de commander le mouvement d'axe en essayant de dire à chaque moteur d'entraînement d'axe combien de fois tourner pour commander une quantité de mouvement linéaire donnée. (Ce serait comme devoir deviner combien de tours de la poignée d'un étau de table feront avancer la mâchoire mobile d'exactement un pouce !) Au lieu de cela, toutes les commandes CNC permettent de commander le mouvement d'axe d'une manière beaucoup plus simple et logique en utilisant une forme de système de coordonnées. Les deux systèmes les plus populaires utilisés avec les machines CNC sont le système de coordonnées rectangulaire — ou « cartésien » — et le système de coordonnées polaires. De loin, le plus courant est le système de coordonnées rectangulaire.

Une application très courante du système de coordonnées rectangulaire est le graphique.

Prenons ce que nous savons maintenant sur les graphiques et relions-le au mouvement d'axe CNC. Au lieu de tracer des points théoriques pour représenter des idées conceptuelles, le programmeur CNC va tracer des points d'arrivée physiques pour les mouvements d'axes. Les axes sont divisés en incréments. Mais au lieu d'être divisés en incréments d'idées conceptuelles comme le temps et la productivité, chaque axe linéaire du système de coordonnées rectangulaires d'une machine CNC est divisé en incréments de mesure. En mode pouce, le plus petit incrément peut être de 0,0001 pouce. En mode métrique, le plus petit incrément peut être de 0,001 millimètre. (Au fait, pour l'axe rotatif, l'incrément est de 0,001 degré.)

Chaque axe dans le système de coordonnées de la machine CNC doit commencer quelque part. Pour les besoins du CNC, ce point d'origine est communément appelé le point zéro programme (aussi appelé zéro pièce, zéro pièce, ou origine programme). Typiquement, le point zéro programme est choisi comme le point où toutes les dimensions commencent.

Avec cette technique, si le programmeur souhaite que l'outil soit envoyé à une position d'un pouce à droite du point zéro programme, X1.0 est commandé. Si le programmeur souhaite que l'outil se déplace à une position d'un pouce au-dessus du point zéro programme, Y1.0 est commandé. La commande déterminera automatiquement combien de fois faire tourner chaque moteur d'entraînement d'axe et vis à billes pour que l'axe atteigne le point de destination commandé. Cela permet au programmeur de commander le mouvement d'axe d'une manière très logique.

Avec les exemples donnés jusqu'à présent, tous les points se trouvaient en haut et à droite du point zéro programme. Cette zone en haut et à droite du point zéro programme s'appelle un quadrant (dans ce cas, le quadrant numéro un). Il n'est pas rare sur les machines CNC que les points d'arrivée nécessaires dans le programme se trouvent dans d'autres quadrants. Quand cela se produit, au moins une des coordonnées doit être spécifiée comme négative. La Figure 1 montre une application courante où les points d'arrivée se trouvent dans les quatre quadrants et où des coordonnées négatives doivent être spécifiées.

Mouvement absolu versus incrémental

Toutes les discussions jusqu'à ce point supposent que le mode absolu de programmation est utilisé. En mode absolu, les points d'arrivée pour tous les mouvements seront spécifiés à partir du point zéro programme. Pour les débutants, c'est généralement la meilleure et la plus facile méthode pour spécifier les points d'arrivée pour les commandes de mouvement. Cependant, il existe une autre façon de spécifier les points d'arrivée pour le mouvement d'axe.

En mode incrémental, les points d'arrivée pour les mouvements sont spécifiés à partir de la position actuelle de l'outil, pas du zéro programme. Avec cette méthode de commande de mouvement, le programmeur doit toujours se demander : « De combien dois-je déplacer l'outil ? » Bien qu'il y ait des moments où le mode incrémental peut être très utile, en général, c'est la méthode la plus encombrante et difficile.

Soyez prudent lors des commandes de mouvement. Les débutants ont tendance à penser incrémentalement. Si vous travaillez en mode absolu (comme les débutants devraient), le programmeur devrait toujours se demander « À quelle position l'outil doit-il être déplacé ? » Cette position est relative au zéro programme, pas de la position actuelle de l'outil. La Figure 2 montre deux séries de mouvements identiques, l'une en mode incrémental et l'autre en mode absolu.

Outre le fait de rendre très facile la détermination de la position actuelle pour toute commande, un autre avantage du travail en mode absolu concerne les erreurs commises lors des commandes de mouvement. En mode absolu, si une erreur de mouvement est commise dans une commande du programme, un seul mouvement sera incorrect. D'un autre côté, si une erreur est commise pendant les mouvements incrémentaux, tous les mouvements à partir du point de l'erreur seront également incorrects.

Attribution du zéro programme

Gardez à l'esprit que la commande CNC doit être informée de l'emplacement du point zéro programme d'une manière ou d'une autre. Comment cela est fait varie considérablement d'une machine CNC et d'une commande à l'autre. Une méthode plus ancienne consiste à attribuer le zéro programme dans le programme. Avec cette méthode, le programmeur dit à la commande à quelle distance il se trouve du point zéro programme à la position de départ de la machine. Cela se fait généralement avec une commande G92 (ou G50) au moins au début du programme et éventuellement au début de chaque outil.

Une façon généralement meilleure d'attribuer le zéro programme est par une forme de correction. Les fabricants de commandes de centres d'usinage appellent couramment les corrections utilisées pour attribuer le zéro programme des corrections de montage. Les fabricants de centres de tournage appellent couramment les corrections utilisées pour attribuer le zéro programme pour chaque outil des corrections de géométrie. Plus de détails sur la façon dont le zéro programme peut être attribué seront présentés lors du concept clé numéro quatre.

Autres points sur le mouvement d'axe

Jusqu'à présent, notre préoccupation principale a été de vous montrer comment déterminer le point d'arrivée de chaque commande de mouvement. Comme vous l'avez vu, cela nécessite une compréhension du système de coordonnées rectangulaire. Cependant, il y a d'autres préoccupations sur la façon dont un mouvement se déroulera. Par exemple, le type de mouvement (rapide, ligne droite, circulaire, etc.) et le taux de mouvement (vitesse d'avance) seront aussi une préoccupation pour le programmeur. Nous en discuterons lors du concept clé numéro trois.

Le programme CNC

Presque toutes les commandes CNC actuelles utilisent un format d'adresse mot pour la programmation. (Les seules exceptions sont certaines commandes conversationnelles.) Par format d'adresse mot, nous voulons dire que le programme CNC est composé de commandes de type phrase. Chaque commande est composée de mots CNC, chacun ayant une adresse lettre et une valeur numérique. L'adresse lettre (X, Y, Z, etc.) dit à la commande le type de mot et la valeur numérique dit à la commande la valeur du mot. Utilisés comme les mots et phrases en langue française, les mots dans une commande CNC disent à la machine CNC ce que nous souhaitons faire à ce moment.

Chaque mot a une adresse lettre et une valeur numérique. L'adresse lettre dit à la commande le type de mot. Les fabricants de commandes CNC varient quant à la façon dont ils déterminent les noms de mots (adresses lettres) et leurs significations. Le programmeur CNC débutant doit se référer au manuel de programmation du fabricant de la commande pour déterminer les noms de mots et significations. Voici une liste brève de certains types de mots et leurs spécifications d'adresse lettre courantes.

Comme vous pouvez le voir, beaucoup d'adresses lettres sont choisies de manière logique (T pour outil, S pour broche, F pour vitesse d'avance, etc.). Quelques-unes nécessitent de la mémorisation.

Il y a deux adresses lettres (G et M) qui permettent de désigner des fonctions spéciales. La fonction préparatoire (G) est couramment utilisée pour définir des modes. Nous avons déjà introduit le mode absolu, spécifié par G90, et le mode incrémental, spécifié par G91. Ce ne sont que deux des fonctions préparatoires utilisées. Vous devez vous référer au manuel de votre fabricant de commande pour trouver la liste des fonctions pour votre machine.

Comme les fonctions préparatoires, les fonctions diverses (mots M) permettent une variété de fonctions spéciales. Les fonctions diverses sont généralement utilisées comme interrupteurs programmables (comme broche marche/arrêt, lubrifiant marche/arrêt, etc.). Elles sont aussi utilisées pour permettre la programmation de nombreuses autres fonctions programmables de la machine-outil CNC.

Pour un débutant, tout cela peut sembler que la programmation CNC nécessite beaucoup de mémorisation. Mais soyez assuré qu'il n'y a que 30 à 40 mots différents utilisés en programmation CNC. Si vous considérez l'apprentissage de la programmation manuelle CNC comme l'apprentissage d'une langue étrangère qui n'a que 40 mots, cela ne devrait pas sembler trop difficile.

Programmation avec point décimal

Certaines adresses lettres (mots CNC) permettent la spécification de nombres réels (nombres nécessitant des parties d'un nombre entier). Les exemples incluent le désignateur d'axe X (X), le désignateur d'axe Y (Y) et le désignateur de rayon (R). Presque toutes les commandes CNC de modèles actuels permettent l'utilisation d'un point décimal dans la spécification de chaque adresse lettre. Par exemple, X3.0625 peut être utilisé pour spécifier une position le long de l'axe X.

D'un autre côté, certaines adresses lettres sont utilisées pour spécifier des nombres entiers. Les exemples incluent le désignateur de vitesse de broche (S), le désignateur de poste d'outil (T), les numéros de séquence (N), les fonctions préparatoires (G) et les fonctions diverses (M). Pour ces types de mots, la plupart des commandes n'autorisent pas l'utilisation d'un point décimal. Le programmeur débutant doit se référer au manuel de programmation du fabricant de la commande CNC pour savoir quels mots permettent l'utilisation d'un point décimal.

Autres fonctions programmables

Tous les CNC sauf les plus simples ont des fonctions programmables autres que le simple mouvement d'axe. Avec les équipements CNC complets d'aujourd'hui, presque tout sur la machine est programmable. Les centres d'usinage CNC, par exemple, permettent de programmer la vitesse et la direction de la broche, le lubrifiant, le changement d'outil, et de nombreuses autres fonctions de la machine. De manière similaire, les centres de tournage CNC permettent la vitesse et la direction de la broche, le lubrifiant, l'indexation de la tourelle, et la contre-pointe. Et toutes les formes d'équipement CNC auront leur propre ensemble de fonctions programmables. De plus, certains accessoires comme les systèmes de palpage, les systèmes de mesure de longueur d'outil, les changeurs de palette et les systèmes de contrôle adaptatif peuvent aussi être disponibles et nécessiteront des considérations de programmation.

La liste des fonctions programmables variera considérablement d'une machine à l'autre, et l'utilisateur doit apprendre ces fonctions programmables pour chaque machine CNC à utiliser. Dans le concept clé numéro deux, nous examinerons de plus près ce qui est typiquement programmable sur différentes formes de machines-outils CNC.

En savoir plus sur les concepts clés de la commande numérique :

Concept clé CNC n°2 — Connaître votre machine

Concept clé CNC n°3 — Comprendre les types de mouvement CNC

Concept clé CNC n°4 — Les formes de compensation

Concept clé CNC n°5 — L'importance de la mise en forme du programme

Concept clé CNC n°6 — Méthodes de programmation CNC

Concept clé CNC n°7 — Connaître la machine du point de vue de l'opérateur

Concept clé CNC n°8 — Les modes de fonctionnement de la machine

Concept clé CNC n°9 — Les séquences clés d'opération

Concept clé CNC n°10 — Vérifier les programmes CNC en toute sécurité