Maîtriser les systèmes de coordonnées CNC : Guide pratique et clair

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Vous utiliserez les fondamentaux du système de coordonnées de fraisage CNC partout, pas seulement sur une machine particulière. Même les dernières machines CNC reposent sur le même principe : elles utilisent les axes X, Y et Z pour définir l'espace de coordonnées à l'intérieur de la machine, et un outil (fraise, extrudeuse, laser) se déplace dans cet espace. La technologie évolue, mais les fondamentaux restent essentiellement les mêmes. Dans cet article, nous couvrirons les bases du système de coordonnées CNC, y compris le système cartésien, le système de coordonnées de pièce (WCS) et les décalages.

Pourquoi les coordonnées sont-elles importantes pour le fraisage CNC ?

Les machines additives construisent une pièce depuis le bas. Il n'y a aucune ambiguïté sur l'endroit où la pièce commence sur le plateau. En revanche, une fraiseuse doit soustraire de la matière d'un objet externe. Pour ce faire, la machine doit comprendre la position du brut dans l'espace physique. Si seulement il suffisait d'insérer un bloc de métal dans votre CNC et d'appuyer sur « go ».

Les choses se compliquent avec la variété des outils de fraisage. Chaque outil a une longueur différente, ce qui modifie la distance entre le repère de la broche et la pièce. Le point d'origine que vous venez de définir pour une fraise de 25 mm ne fonctionnera pas pour un foret de 75 mm.

On peut voir le système de coordonnées comme la façon dont les machines CNC comprennent l'espace 3D. Sans lui, votre CNC n'aurait absolument aucun moyen de savoir :

• Où se trouve votre bloc de matière
• À quelle distance votre outil se trouve de votre pièce
• Quels mouvements utiliser pour usiner votre pièce

Le système de coordonnées peut sembler complexe au premier abord, mais il se décompose en composants simples. Commençons par les bases du système de coordonnées cartésien.

Fondamentaux cartésiens

Presque toutes les machines CNC utilisent un système de coordonnées cartésien basé sur les axes X, Y et Z. Ce système permet à la machine de se déplacer dans une direction précise le long d'un plan précis.

Réduisez le système cartésien à sa base, et vous obtenez une droite numérique familière. Un point sur la ligne est désigné comme Origine. Les nombres à gauche de l'Origine sont négatifs, ceux à droite sont positifs.

Combinez les axes X, Y et Z à angles de 90 degrés, et vous créez un espace tridimensionnel pour votre machine CNC. Chaque axe se rencontre à l'Origine.

Lorsque deux axes se connectent, ils forment un Plan. Par exemple, quand les axes X et Y se rencontrent, vous obtenez un plan XY, où la plupart du travail se fait sur des pièces 2,5D. Ces plans sont divisés en quatre quadrants, numérotés 1 à 4, avec leurs propres valeurs positives et négatives.

Un moyen simple de comprendre le système cartésien par rapport à votre machine CNC est d'utiliser la Règle de la main droite. Tendez la main paume vers le haut, pouce et index pointés vers l'extérieur, majeur pointé vers le haut. Placez votre main devant votre machine CNC, alignée avec la broche, et vous verrez les axes s'aligner parfaitement.

• Le majeur est l'axe Z.
• L'index est l'axe Y.
• Le pouce est l'axe X.

Comment une machine CNC utilise les coordonnées

En utilisant le système cartésien, nous contrôlons les machines CNC le long de chaque axe pour transformer un bloc de matière en pièce finie. Bien qu'il soit difficile de décrire les axes en termes relatifs, selon chaque axe, vous obtenez généralement les mouvements suivants du point de vue d'un opérateur face à la machine :

• L'axe X permet le mouvement « gauche » et « droite »
• L'axe Y permet le mouvement « avant » et « arrière »
• L'axe Z permet le mouvement « haut » et « bas »

Mettez tout cela ensemble, et vous avez une machine CNC qui peut couper les différents côtés d'une pièce dans le plan XY et à différentes profondeurs le long de l'axe Z. Qu'il s'agisse d'une fraiseuse, d'une routeuse ou d'un laser, elles utilisent toutes ce système de mouvement fondamental.

Le mouvement de votre CNC le long du système de coordonnées est toujours basé sur la façon dont votre outil se déplace, pas la table. Par exemple, augmenter la valeur de la coordonnée X déplace la table vers la gauche, mais du point de vue de l'outil, il se déplace vers la droite le long de la pièce.

Augmenter la coordonnée de l'axe Z ferait monter la broche, la diminuer la ferait descendre dans la pièce. Vous coupez dans la pièce, ce qui correspond à une coordonnée négative sur l'axe Z.

Si lire cela vous a plus confus qu'avant, ne vous inquiétez pas. Comprendre la différence entre le mouvement de l'outil et de la table est plus facile à montrer qu'à expliquer. Regardez la vidéo ci-dessous de Robert Cowan pour voir cela en action :

L'Origine de votre machine CNC

Chaque machine CNC a son propre point d'origine interne appelé Machine Home (Point machine). Lorsque votre CNC démarre, elle ne sait pas où elle se trouve dans l'espace physique et nécessite un étalonnage pour se repérer.

Lors de ce processus, les trois axes de votre CNC se déplacent vers leur limite mécanique maximale. Une fois une limite atteinte, un signal est envoyé au contrôleur qui enregistre la position d'origine pour cet axe. Quand cela se produit pour les trois axes, la machine est « homée » (initialisée).

Sous le capot, le processus peut varier d'une machine à l'autre. Certaines ont un interrupteur de fin de course physique qui signale au contrôleur qu'un axe a atteint sa limite. D'autres ont un système servo complet qui rend ce processus incroyablement fluide et précis. Un contrôleur de machine envoie un signal via un circuit imprimé à un servomoteur, qui se connecte à chaque axe de la machine. Le servomoteur fait tourner une vis à billes attachée à la table de votre CNC, la faisant bouger.

Le mouvement aller-retour de la table communique les changements de coordonnées instantanément avec des précisions jusqu'à 0,005 mm (0,0002 pouces).

Comment les machinistes utilisent les coordonnées CNC

Jusqu'ici, nous avons parlé de la façon dont une machine CNC utilise son système de coordonnées interne. Le problème est que ce système n'est pas facile à référencer pour nous, humains. Par exemple, quand votre CNC trouve sa position d'origine, elle se trouve généralement aux limites mécaniques extrêmes des axes X, Y et Z. Imaginez devoir utiliser ces valeurs extrêmes comme point de départ pour votre programme CNC. Quel cauchemar.

Pour faciliter l'écriture des programmes CNC, nous utilisons un système de coordonnées différent, conçu pour la manipulation humaine, appelé Système de Coordonnées de Pièce ou WCS (Work Coordinate System). Le WCS définit un point d'origine particulier sur un bloc de matière, généralement dans un logiciel FAO comme Fusion 360.

Vous pouvez définir n'importe quel point sur un bloc de matière comme point d'origine pour un WCS. Une fois un point d'origine établi, vous devrez le localiser à l'intérieur de votre machine CNC à l'aide d'un palpeur de bord, d'un comparateur, d'une sonde ou d'une autre méthode de localisation.

Choisir un point d'origine pour votre WCS demande une planification soignée. Gardez ces points à l'esprit :

• L'origine devra être trouvée par des moyens mécaniques avec un palpeur ou une sonde
• Des origines répétables font gagner du temps lors du changement de pièces
• L'origine doit tenir compte des tolérances requises pour les opérations en aval

Il pourrait y avoir un article complet sur le choix du point d'origine optimal, surtout pour chaque configuration ultérieure à mesure que l'empilement des tolérances augmente. Assurez-vous de garder à l'esprit les tolérances des caractéristiques usinées précédemment, votre mécanisme de localisation et votre machine pour garantir que votre pièce finale est conforme.

Comment les coordonnées CNC et humaines interagissent

Comme mentionné ci-dessus, les opérateurs humains utilisent un WCS, qui fournit un ensemble de coordonnées facile pour écrire un programme CNC. Cependant, ces coordonnées sont toujours différentes de celles de la machine, alors comment votre machine CNC aligne-t-elle les deux ? Avec des décalages (offsets).

Une machine CNC utilisera un décalage de pièce pour déterminer la différence de distance entre votre WCS et sa propre position d'origine. Ces décalages sont stockés dans le contrôleur de la machine et sont généralement accessibles dans une table de décalages.

Ici, nous voyons plusieurs décalages programmés : G54, G55 et G59. Quel est l'avantage d'avoir plusieurs décalages ? Si vous usinez plusieurs pièces en un seul travail, chaque pièce peut se voir attribuer son propre décalage. Cela permet à la machine CNC de relier précisément son système de coordonnées à plusieurs pièces à différents endroits et de réaliser plusieurs configurations à la fois.

Décalages d'outils

Il est assez courant d'utiliser plusieurs outils pour le même travail, mais vous avez besoin d'un moyen de tenir compte des différentes longueurs d'outils. Programmer des décalages d'outils dans votre machine CNC rend cela facile. Avec un décalage d'outil programmé, votre machine CNC saura exactement jusqu'où chaque outil s'étend depuis la broche. Il existe plusieurs façons d'enregistrer un décalage d'outil :

• Mode manuel (Jogging). Déplacez l'outil de la position d'origine de la machine à la position zéro de la pièce. La distance parcourue est mesurée et entrée comme décalage de l'outil.
• Bloc de précision. Réglez tous les outils à une position Z commune au sommet d'un bloc de précision 1-2-3 reposant sur la table de la machine.
• Palpage. Utilisez une sonde pour déterminer le décalage de l'outil automatiquement. C'est la méthode la plus efficace mais aussi la plus coûteuse, car elle nécessite l'équipement de palpage.

Mettre tout ensemble

Maintenant que nous avons tous nos fondamentaux de coordonnées en place, parcourons un ensemble d'exemples de travaux. Nous utilisons une pièce déjà usinée manuellement pour définir une forme externe. Maintenant, nous devons utiliser une machine CNC pour percer des trous, faire des poches et une rainure.

Travail 1
Nous devons d'abord fixer et établir nos axes et point d'origine :

• La pièce est serrée dans un étau, boulonnée à notre table de machine, et équerée aux axes de la machine.
• Cela maintient l'axe X du WCS aligné avec l'axe X de la machine.
• La face gauche de la pièce repose contre un butoir d'étau. Cela établit un origine d'axe X répétable.
• Puisque l'un des mors de l'étau est fixe, nous pouvons utiliser ce mors pour déterminer un origine d'axe Y répétable, en localisant cette position avec un palpeur ou une sonde.

Avec notre WCS en place, notre machine comprend maintenant la position du brut par rapport à ses propres coordonnées internes. Le processus d'usinage commence par l'usinage de la poche et le perçage des trous sur la première face de la pièce.

Travail 2
Maintenant, la pièce doit être retournée pour travailler sur l'autre face. Comme nous venons de retourner la pièce de 180 degrés, le contour externe était symétrique, et les décalages X et Y précédents étaient répétables, le WCS ne changera pas. Nous utilisons aussi le même outil, donc le même décalage Z peut être utilisé.

Une variable importante à garder à l'esprit ici est la force de serrage de votre étau. Si vous ne l'avez pas encore vu dans votre atelier, les machinistes marquent généralement la position fermée d'un étau avec un marqueur noir ou utilisent une clé dynamométrique. Pourquoi font-ils cela ? Pour créer une pression de serrage constante lors du déplacement ou de la rotation des pièces. Les changements de pression de serrage peuvent entraîner des différences de positionnement de la pièce ou d'autres défaillances comme la déformation ou le gauchissement, selon la géométrie de la pièce. En supposant que notre force de serrage est à peu près la même, le Travail 2 peut maintenant être usiné.

Travail 3
Maintenant, nous devons percer des trous, ce qui nécessite de mettre la pièce sur sa tranche. Cette rotation ne change pas l'origine XY du WCS. Cependant, nous avons maintenant une distance de parcours plus courte entre notre outil et la pièce.

Cela nécessite un nouveau décalage, qui déplacera le point d'origine au coin supérieur de la pièce. Nous avons également retiré les cales pour augmenter la surface de serrage et abaissé le butoir d'étau, pour qu'il se connecte avec la face de la pièce au lieu de la poche du bas.

Nous pouvons toujours utiliser deux de nos plans de référence d'origine ici pour compléter le Travail 3.

C'est un exemple simple ; la pièce est carrée, l'origine XY était répétable pour les trois configurations, et même l'origine Z n'a changé qu'une seule fois. Mais le processus de réflexion sur l'alignement du bridage, la répétabilité et la précision des caractéristiques précédentes est important, et vous vous retrouverez à refaire ces étapes de base encore et encore.

Prêt à usiner

Vous avez maintenant la précision des connaissances en coordonnées CNC dans votre boîte à outils de machiniste. Utilisez-la où que votre carrière vous mène ! Les Systèmes de Coordonnées de Pièce (WCS) comblent le fossé entre les coordonnées internes de la machine et votre programme CNC. Ces trois systèmes travaillent ensemble pour localiser et usiner des pièces avec une qualité constante, encore et encore. Que vous utilisiez une Bridgeport, une Tormach ou une Haas, le système de coordonnées reste toujours vrai.

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