Machines CNC modernes : plus de vitesse, précision et facilité pour l'usinage complexe

Les CNC deviennent plus rapides, plus intelligentes et plus faciles à utiliser

C'est l'acronyme machine-outil que vous ne prenez jamais la peine de mettre en mots : CNC. Et la plupart du temps, c'est probablement OK de voir votre « commande numérique par ordinateur » comme une boîte noire faisant de la magie. Mais si vous luttez avec l'usinage haute vitesse, avez besoin de meilleures finitions de surface ou plus de précision, avez des problèmes de formation et rétention, ou voulez une meilleure maîtrise de votre efficacité de production, la réponse pourrait bien être les dernières itérations de ces trois petites lettres.

Qui a besoin de la vitesse ?

Comme tout ce qui est lié à l'informatique, les CNC deviennent constamment plus rapides. Pour prendre quelques exemples dans l'array éblouissant de specs que vous verrez, les contrôles Heidenhain traitent des blocs de données en une demi-milliseconde, le Siemens SINUMERIK 840D sl peut contrôler jusqu'à 31 axes et 10 canaux d'usinage avec un seul processeur, et le compteur d'impulsions monte jusqu'à 32 millions par tour dans les derniers entraînements et moteurs FANUC. Qui a besoin de ce genre de puissance ?

D'abord, quiconque essaye de déplacer plusieurs axes simultanément, surtout s'ils doivent le faire rapidement. Tom Maxwell, ingénieur d'application senior, Fagor Automation-USA (Elk Grove Village, IL) a pointé spécifiquement l'utilisation accrue de composites dans l'aérospatial où « les routeurs 5 axes haute vitesse plus rapides nécessitent couramment plus de puissance de traitement. Nous voyons aussi un besoin pour l'usinage haute vitesse de l'aluminium en 5 axes sur centres d'usinage haute performance. »

Ou comme l'a dit Gisbert Ledvon, responsable développement commercial TNC chez Heidenhain : « L'usinage haute vitesse exige des avances rapides et des charges de copeau constantes. Vous voulez transférer la chaleur dans le copeau et pas dans l'outil. Mais si le contrôle est trop lent pour gérer les données venant de votre système CAO/FAO ou post-processeur, vous ne pourrez pas garantir une charge de copeau constante, ce qui brûle l'outil très vite. Vous n'obtenez pas non plus la même finition de surface ou précision. Des contrôles plus rapides sont aussi nécessaires pour faire tourner les broches jusqu'à 80-100 000 tr/min, encore pour maintenir une charge de copeau constante. Le CNC est un gros composant du succès dans ces domaines. »

Les machines qui combinent méthodes d'usinage, comme les machines tour-fraisage ou machines qui fraisent et rectifient, pilotent aussi le besoin de processeurs ultra-rapides. « Si, par exemple, la pièce n'est pas centrée sur la table d'une fraiseuse et vous voulez faire une opération de tournage, vous auriez du mouvement dans tous les axes, pas juste les axes rotatifs », a dit Ledvon.

Steve Holmes, développeur d'affaires, Siemens Industry Inc., Division Digital Factory, Machine Tool Business (Elk Grove Village, IL) a ajouté un autre exemple : Robots contrôlés par le CNC d'un centre d'usinage pour la manipulation de pièces et aussi l'usinage léger, comme l'ébavurage. Le contrôle SINUMERIK 840D a une fonction appelée « Run My Robot » qui élimine le besoin d'un contrôle séparé ou PLC pour un autre robot. Le contrôle dédie simplement un autre canal à cette tâche.

D'un autre côté, prenez garde que la vitesse que vous pensez obtenir d'un contrôle ne soit pas entravée par un autre composant. Comme l'a expliqué Jody Michaels, responsable ventes national, FANUC America Corp. (Hoffman Estates, IL) : « Nous avons des concurrents qui revendiquent des fonctionnalités comme une anticipation de 25 000 blocs. C'est bien, mais si vous n'avez pas la vitesse de traitement dans le CPU et les entraînements et moteurs pour répondre vite, peu importe jusqu'où vous regardez devant. Vous pourriez mettre un moteur de 1000 ch sur un tracteur John Deere, mais ça ne veut pas dire qu'il va aller à 150 miles par heure. Il vous faut le système complet. »

Avant de quitter le sujet de la vitesse, il vaut la peine de noter que la plupart des CNC modernes incluent une fonction généralement appelée « contrôle d'avance adaptatif », qui utilise la charge de broche mesurée pour ajuster la vitesse de coupe. Par exemple, si vous coupez « de l'air », le contrôle accélère automatiquement l'avance au maximum que vous avez réglé. Quand l'outil est enfoui dans la coupe, le contrôle ralentit l'avance pour maintenir un couple constant et sûr. Tout à la volée. Comme Ledvon le voit, cette fonctionnalité est particulièrement bonne pour « l'usinage sans surveillance et le fraisage trochoïdal. Elle optimise encore davantage les packages CAO/FAO qui ajustent les vitesses d'usinage basées sur le volume de matière enlevée prédit. »

Précision plus élevée, meilleures finitions

Comme nous l'avons déjà suggéré, les contrôles avancés offrent bien plus que la capacité de gérer la complexité cinématique et les processus multiples, ou la capacité d'usiner plus vite. Peut-être le plus important, ils offrent une précision d'usinage plus élevée et des finitions de surface améliorées pour les moules et matrices et autres applications où ces facteurs sont critiques. Une approche commune, exemplifiée par Fagor, est le double retour qui utilise à la fois l'encodeur du moteur numérique et un encodeur linéaire absolu séparé pour informer le contrôle. Maxwell a dit que cela « permet des précisions bien plus élevées, tout en maintenant un mouvement fluide. »

Paul J. Gray, responsable, planification de trajectoire, conception frontale, R&D pour le constructeur de machines Hurco (Indianapolis) a dit que le contrôle WinMax de l'entreprise avait besoin de plus de puissance de traitement pour supporter ses algorithmes brevetés de contrôle basé sur tolérance UltiMotion, qui ont livré une réduction de 25 % du temps de cycle pour l'usinage 4 et 5 axes. Mais plus que ça, les nouvelles machines 5 axes de Hurco comportent des moteurs de couple d'axe rotatif à entraînement direct qui tirent plein parti de la réponse dynamique élevée d'UltiMotion pour livrer des finitions de surface plus lisses.

La mention d'« algorithmes » nous ramène à la perception commune que les CNC modernes sont une boîte noire. En effet, il y a souvent des programmes sophistiqués qui tournent en arrière-plan qui vont bien au-delà de simplement exécuter les mouvements définis par votre programme d'usinage.

Un exemple clé est la réinterprétation des courbes spline qui sortent de votre post-processeur CAO/FAO. Comme l'a expliqué Ledvon, de tels contours ont typiquement des points qui tombent juste en dehors du rayon d'une courbe donnée.

« Forcer une machine à aller de point en point le long d'un tel contour peut créer des vibrations et des marques de jaugeage sur votre pièce. Sur le contrôle Heidenhain, vous pouvez établir une bande passante de quelques microns et permettre à la machine de bouger en douceur dans cette bande de tolérance autour du contour programmé. Le contrôle optimise aussi la vitesse et l'avance selon la forme du contour, tout en maintenant la précision. » Heidenhain appelle cette fonctionnalité Advance Dynamic Prediction (ADP), et elle est commune sur les contrôles avancés. FANUC, par exemple, appelle sa version Smooth Tolerance Control.

Il y a aussi une pléthore de fonctionnalités qui corrigent les erreurs inhérentes aux machines, comme le Adaptive Chatter Control (ACC) de Heidenhain. « Nous travaillons avec le constructeur de machines-outils pour déterminer comment les vibrations peuvent se produire dans leurs machines, car cela diffère de machine à machine », a dit Ledvon. « Et nous déterminons quelle action le contrôle devrait prendre pour éliminer de tels harmoniques quand ils se produisent, ce qui diffère encore de machine à machine. Le constructeur met ces données dans l'automate, qui les renvoie au contrôle, et ça tourne automatiquement. »

Heidenhain, FANUC, et d'autres ont aussi des fonctions qui compensent les erreurs de position dépendantes de l'accélération au point centre outil. Par exemple, Ledvon a dit, la masse et l'inertie peuvent causer des mouvements de tangage pendant le freinage et l'accélération, résultant en erreurs de position non reconnues par les encodeurs de position.

Les erreurs dépendent en partie de la rigidité des glissières, de la distance entre le point d'application de la force d'avance et le centre de masse, ainsi que de la distance entre le centre de masse et le point centre outil. Donc, Heidenhain partenaire avec le constructeur de machine pour comprendre la mécanique de la machine et fait des calculs basés sur cette compréhension pour corriger ces erreurs d'accélération. Ledvon a ajouté que de tels ajustements ne représentent que quelques microns et peuvent donc ne pas toujours être nécessaires, selon l'application.

La terminologie de FANUC donne un bon sens de certaines des fonctions apparemment magiques additionnelles maintenant disponibles pour le constructeur de machines-outils, et donc l'utilisateur : Smart Spindle Acc/Dec, Smart Feed Rate Acc/Dec, Smart Backlash Compensation, et Smart Thermal Control.

Michaels a souligné que Smart Spindle Acc/Dec sert aussi à économiser sur les coûts énergétiques car les programmes CAO/FAO sortent souvent de gros changements de vitesses de broche qui consommeraient sinon plus d'électricité que nécessaire. Mais produire de meilleures pièces est le bénéfice principal de la plupart de ces fonctionnalités. Ou, comme il l'a résumé, « Avec le contrôle de tolérance d'aujourd'hui et la haute réponse de nos moteurs et entraînements, il se passe tellement de choses en arrière-plan que votre pièce usinée ressemble à une finition polie. »

Avancées dans les IHM

Comme vous pourriez vous y attendre, les avancées récentes dans l'interface homme-machine (IHM) incluent des designs pilotés par icônes et le genre de contrôle du bout des doigts popularisé par les smartphones (pincer pour réduire une image, écarter pour zoomer, etc.). Même FANUC, dont l'IHM omniprésente n'avait pas beaucoup changé en 25 ans, offre maintenant ce que Michaels a décrit comme « une interface très différente. Un écran d'accueil qui ne ressemble en rien à un écran FANUC, avec des rangées de différentes icônes pour données d'outils, édition de votre programme, maintenance, etc. Vous pouvez aussi la personnaliser, par exemple en ajoutant une appli de programmation d'un autre vendeur. Le plus important, cela rend l'exécution de notre contrôle bien plus acceptée par les milléniaux. »

Mais les changements ne sont pas juste une concession aux milléniaux. Les vendeurs CNC ont réussi à non seulement donner à l'opérateur machine plus de capacité de programmation indépendante de la CAO/FAO hors ligne, ils l'ont rendue relativement facile.

Gray a dit que le nouveau système de Programmation Conversationnelle Graphique de Hurco donne aux opérateurs la capacité d' « importer des fichiers CAO modèle solide et simplement cliquer sur les caractéristiques de pièce qu'ils veulent couper pour générer le programme de pièce. Il orientera même automatiquement les machines 5 axes pour couper des caractéristiques 3+2 axes. La simplicité en programmation n'améliore pas seulement la productivité opérateur, elle élimine davantage des sources d'erreur humaine dans la séquence de production. »

Siemens, Heidenhain, et d'autres offrent la même capacité et Holmes a ajouté que la capacité d'utiliser n'importe quel cycle préprogrammé 3 axes standard sur n'importe quel plan incliné élimine le besoin d'un système CAO/FAO cher pour pièces 5 faces.

Holmes a aussi observé que « les IHM avancées d'aujourd'hui vont au-delà de la vérification visuelle basique. Elles offrent la vérification graphique 3D de la programmation, configuration outils et broches, palpage pièce, efficacité des trajectoires, et elles supportent une gamme de nouvelles capacités, comme l'évitement de collision rendues faisables par la vérification visuelle. En plus, la même expérience de vérification visuelle peut être eue à travers l'atelier, du 3 axes au 3+2 et jusqu'au 5 axes complet. »

Gray a objecté que les graphiques sur contrôle et systèmes de simulation machine ne sont plus spéciaux, et « c'est du côté programmation que la plupart des contrôles faiblissent, particulièrement pour l'usinage 5 axes. » Pour adresser cela, Hurco « a développé un type de programme universel pour la programmation conversationnelle et NC qui coupera la même pièce sur n'importe quelle machine Hurco 5 axes indépendamment de sa configuration sans avoir à faire de changements au programme de pièce », a-t-il dit. « Cela simplifie la formation opérateur 5 axes et offre une flexibilité de production considérable à nos clients. »

Le degré auquel les programmes écrits pour une machine peuvent tourner sur une autre (programmation indépendante de la cinématique) est un autre focus pour Siemens.

« Cette approche permet au même programme de tourner sur plusieurs machines 5 axes qui ont différentes cinématiques sans le besoin d'un post-processeur séparé pour chaque machine-outil », a dit Holmes. « Avec la programmation indépendante de la cinématique, les programmes CNC générés sont aussi indépendants de la machine, résultant en plus de flexibilité pour l'usinage 5 axes. Donc, prenez une pièce écrite pour une machine avec tête articulée et déplacez-la sur un centre d'usinage vertical sans tête articulée mais avec table trunnion. Le contrôle réoriente automatiquement le programme pour faire tourner la pièce sur cette machine. » Et les pièces n'ont pas à être programmées avec le propre package CAO/FAO de Siemens, NX. Tout package standard fera l'affaire.

En même temps, Siemens est peut-être unique en offrant à la fois un système CNC complet et un package logiciel CAO/FAO ; les deux sont si intégrés que les changements à l'un sont immédiatement reflétés dans l'autre sans post-traitement. Avec leur portée plus large, Siemens et FANUC offrent aussi tous deux des « IHM universelles » qui apparaissent similaires du fraisage au tournage au rectification, facilitant la formation.

Maxwell a dit que Fagor offre une nouvelle fonctionnalité qui « permet à l'utilisateur de sélectionner le matériau et l'outillage et de récupérer des avances et vitesses de base pour la pièce particulière qu'ils programment. Fagor a aussi implémenté un ajustement opérateur à la volée entre vitesse et précision pour augmenter la vitesse pendant les opérations d'ébauche, mais la précision pendant la finition. »

Sur la même ligne, Holmes a dit que les contrôles Siemens incluent « des cycles d'usinage haute vitesse qui permettent à l'opérateur d'ajuster facilement le processus d'usinage pour ébauche, semi-finition ou finition, le tout en changeant seulement une ou deux valeurs dans le cycle. »

Autres aides au réglage

En plus des interfaces intuitives, les CNC d'aujourd'hui aident aussi l'opérateur avec des guides pour chaque fonction. Siemens inclut plus de 100 courts clips vidéo, appelés Animated Elements, qui illustrent virtuellement chaque champ dans les cycles préprogrammés ou opérations de réglage.

Heidenhain a un nouveau système appelé VSC (Visual Setup Control) qui prend une photo de votre réglage après que vous ayez optimisé l'orientation de la pièce dans le serrage, le serrage des boulons, etc. Le contrôle compare alors cette image aux réglages subséquents dans la même série de production et alerte l'opérateur à toute anomalie, comme une clé laissée sur la pièce ou un trou manquant, lui donnant l'option de continuer, passer à la palette suivante, ou arrêter pour action corrective. VSC est si sensible que la caméra reconnaît même une tête de boulon qui n'est pas parfaitement plate due à un sur-serrage.

KinematicsOpt est une autre fonctionnalité intrigante de Heidenhain. « Mettez une sphère de calibration sur la table », a dit Ledvon. « La palpe touche la circonférence de la sphère à différents angles et calibre automatiquement la machine exactement au point de pivot central, ce qui est critique pour les applications 5 axes. C'est une fonctionnalité très puissante, surtout s'il y a une déviation de température dans l'atelier pendant la journée. Vous pouvez charger une palette avec la balle de calibration pendant le quart et la machine peut se recalibrer automatiquement avant de couper le prochain lot de pièces. »

Hurco et Siemens fournissent aussi cette fonctionnalité pour machines avec axes rotatifs dans toute configuration cinématique avec la capacité additionnelle d'inclure des cycles de palpage de ligne centrale dans le programme de pièce pour mesure automatique pendant la production.

Finalement, bien que tous les contrôles soient réglés en usine basé sur le serrage attendu, la taille de pièce, etc., les changements sur le terrain (intentionnels ou non) nécessitent parfois des ajustements. Donc FANUC et d'autres permettent ce que Michaels a appelé « une certaine quantité d'auto-réglage que vous pouvez faire vous-même. »

Maxwell a dit, « le réglage automatique des axes utilisant le logiciel Fagor Finetune est maintenant une fonctionnalité standard. Ce logiciel règle les paramètres du CNC et entraînements en utilisant des diagrammes de Bode pour optimiser les fonctionnalités de coupe haute vitesse. Fagor et d'autres fournissent aussi un oscilloscope intégré au CNC pour un réglage avancé supplémentaire. »

De qui est le contrôle, au fait ?

Avant de quitter le sujet des IHM, il vaut la peine de noter que l'interface réellement présentée à l'opérateur est souvent partiellement, sinon entièrement, la création du constructeur de machines-outils et non du vendeur CNC. Par le même token, vous avez souvent plusieurs options de contrôle du même constructeur, donc ça vaut le coup de s'éduquer sur ce qui existe.

Par exemple, derrière le front-end CELOS de DMG Mori, vous trouverez soit un contrôle FANUC, Siemens, Mitsubishi, ou Heidenhain, bien que dans le dernier exemple il ne tourne pas en arrière-plan mais côte à côte sur le même écran.

Michaels a dit, « Makino utilise principalement FANUC mais vous ne le sauriez pas. Ils utilisent ce qu'on appelle Panel i, avec notre contrôle en arrière-plan branché sur un ordinateur qui présente un écran vidéo à l'utilisateur. Les centres d'usinage verticaux et horizontaux standards et tours utilisent souvent l'IHM FANUC standard. Applications plus spécialisées, comme le rectification, ont généralement l'IHM propre de l'OEM. Les machines de coupe d'engrenages Gleason enterrent le contrôle FANUC avec son IHM spécialisée. Un autre exemple inclut les tours Weiler, qui tournent avec des contrôles Siemens avec une IHM « si personnalisée par le constructeur que vous ne le sauriez pas », a dit Holmes.

Exploiter la puissance des données

« L'Industrie 4.0 et l'Internet Industriel des Objets sont sans doute les forces motrices les plus importantes dans l'industrie d'aujourd'hui », a dit Gray. « L'information est la clé pour prendre des décisions plus intelligentes et les machines CNC d'aujourd'hui sont attendues pour publier des informations de productivité et pertinentes pour la production et pour mettre en réseau avec d'autres dispositifs intelligents pour réduire les temps de réglage et coûts. »

Dans le cadre de cet effort, Hurco fournit librement une interface open-source vers son contrôle sur GitHub et s'associe avec un certain nombre d'entreprises de robotique et surveillance de productivité pour élargir les capacités d'interconnexion de son contrôle.

Alors que le contrôle Heidenhain peut vous dire virtuellement tout ce qui se passe en grand détail, Ledvon a dit que son système StateMonitor rend facile d'obtenir un ensemble de données relativement contraint sur des choses comme broche allumée, broche éteinte, et codes d'erreur qui fournissent « des analyses très claires et décisives sans tout le tracas. » Cela permet aussi à l'opérateur de fournir une entrée sur pourquoi la machine ne tournait pas, ce qui peut être un point de données critique qu'un système entièrement automatisé ne capturerait pas.

Une vision prospective de l'Industrie 4.0 est MindSphere de Siemens, une plateforme cloud à architecture ouverte où des machines de différents fabricants téléversent des données de façon sécurisée pour être stockées, analysées, et surveillées de n'importe où dans le monde. Des machines avec capteurs intelligents qui surveillent vibration, consommation de courant, température, et autres facteurs téléversent des rapports d'état vers MindSphere.

Si, par exemple, un capteur détecte une vibration anormale venant de l'axe Y d'un certain type de machine-outil, il peut déterminer (basé sur des algorithmes dérivés de grandes quantités de données intelligentes rassemblées d'autres utilisateurs) que la vibration est due à un roulement qui s'use sur la vis à billes de l'axe Y. Cette pièce peut alors être commandée et expédiée au client avant qu'il ne soit même au courant du problème. Cela va au-delà de la maintenance préventive vers la maintenance prédictive. Un grand pas en avant.