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Technologies de commande numérique

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Karim Mca

on 7 September 2014

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5.2.2. Boucles fermées

5.2.2.1. Boucle de position fermée
Le calcule envoie une information binaire (0-1) dans un convertisseur numérique analogique (CNA). Celui-ci transforme l'information en une tension variable de 0 à 10 V. Cette tension est acheminée vers un comparateur qui reçoit déjà une tension venant du capteur de position. Le comparateur analyse ces deux tensions et détermine un écart qui est envoyé dans un convertisseur analogique numérique (CAN). Celui-ci transforme la tension (valeur de l'écart) en une information binaire (0-1) qui entre dans le calculateur. Ce dernier .affiche la valeur du déplacement restant à effectuer. Lorsque l'écart mesuré par le comparateur est nul, le calculateur lance un ordre d'arrêt au moteur d'avance: le déplacement s'arrête, la cote est obtenue.

Technologies de la commande numérique
ISET Mahdia
1. Les procédés de mise en forme
1.1. Introduction

Les procédés de mise en forme ayant une incidence directe sur les caractéristiques morphologiques et mécaniques des pièces, il est nécessaire de connaître les principes physiques et technologiques de ceux-ci afin de concevoir efficacement nos produits.
Le choix d’un procédé de mise en forme est fonction du matériau retenu et des caractéristiques produit. En effet, chaque procédé dépend d’une famille de matériaux et impose ses règles de tracé. De la même manière, les caractéristiques pièces peuvent imposer un procédé.

2. Généralités sur les machines outils à commande numérique
3. Les différents types de commande numérique
Pour les machines sans interpolateur il est nécessaire de décomposer la trajectoire outil en segments de droite successifs et parallèles aux axes.
4. Organologie spécifique des MOCN
4.1. Vue d’ensemble
Une machine outil à commande numérique se compose de deux parties totalement distinctes:
La partie commande (directeur de commande numérique)
La partie opérative (partie mécanique).

5. Asservissements et éléments de commande des MOCN
5.1. Vue d’ensemble

5.1.1. Définition de l’asservissement
Un système asservi C'est un système à retour : L'évolution de la grandeur de sortie est surveillée au moyen d'un capteur qui la transforme en une grandeur image appelée retour.
C'est un système générateur d'écart : La grandeur de retour, image de la sortie, est comparée à la grandeur d'entrée par élaboration de la différence ou écart. Le but de l'asservissement est d'annuler en permanence cet écart, de manière à ce que la sortie suive l'entrée. La sortie est alors asservie à l'entrée.
C'est un système amplificateur : L'écart est une grandeur faible et lorsqu'on se rapproche du but elle devient insuffisante pour maintenir un signal de puissance en sortie. L'écart est donc amplifié.
L’asservissement existe dans le comportement humain :

Exemple :
• Le procédé de forgeage est retenu pour la fabrication d’essieu de camion car il améliore les caractéristiques mécaniques du matériau.
• Le procédé d’injection plastique est retenu pour la fabrication de coque de téléphone portable car il permet de grande cadence de production à faible coup.
D’autre part, les procédés peuvent être associés :

Exemple :
• Une obtention de pièce en fonderie, puis une reprise en usinage.
• Une obtention de pièce en frittage laser métal puis rectification.
On peut classifier les procédés dans quatre familles suivant la méthode de mise enforme :
- Par enlèvement de matière : On part d’un bloc, et on crée les formes de la pièce en enlevant la matière à l’aide d’un outil. Exemple : usinage
- Par ajout de matière : On part d’un plateau vide, et on ajoute de la matière pour créer la pièce. Exemple : dépôt de fil abs
- Par transformation (moulage) : On coule la matière à l’état liquide ou pâteux dans un moule, et on obtient la pièce après solidification. Exemple : Injection plastique
- Par déformation : On part d’un matériau en feuille que l’on déforme à l’aide d’un outillage spécifique. Exemple : Découpage

Figure 1 : première MOCN en 1952
2.3. Justification de la CN
2.3.1. Automaticité
Le premier avantage d’une CN est d’offrir aux machines qui en sont équipées un très haut niveau d’automaticité. Sur de telles machines, l’intervention de l’opérateur nécessaire pour assurer la production de pièces peut être considérablement réduite voire supprimée.
De nombreuses MOCN peuvent ainsi fonctionner sans aucune assistance pendant toute la durée de leur cycle d’usinage, laissant l’opérateur libre d’accomplir d’autres tâches en dehors du poste de travail. Cette caractéristique présente par ailleurs un certain nombre d’avantages moins palpables mais tout aussi importants, tels qu’une diminution notable de la fatigue de l’opérateur, moins d’erreurs d’origine humaine et un temps d’usinage constant et prévisible pour chaque pièce d’une même série.
Si l’on compare une MO conventionnelle et une MOCN, on peut considérer que le temps copeau est assez voisin sur les deux types de machines. En revanche, la productivité comparée de diverses catégories de machines de niveaux d’automatisation différents, c’est-à-dire ce même temps copeau ramené au temps effectif de production, est très différente compte tenu de la réduction importante des temps non productifs que l’on enregistre sur les machines à fort taux d’automatisation .

Figure 2 : productivité comparée de diverses machines en fonction de leur degré d’automatisation
2.3.2. Flexibilité
Puisqu’elles sont pilotées à partir d’un programme, les MOCN peuvent usiner des pièces différentes aussi facilement que l’on charge un nouveau programme. Une fois vérifié puis exécuté pour la première série, ce programme peut être facilement rappelé lorsque la même série se représente.

Une MOCN se caractérise en outre par des temps de réglage très courts qui répondent parfaitement aux impératifs de la production en flux tendus.

La grande souplesse d’utilisation de la CN entraîne une quantité non négligeable d’autres avantages :
• changement aisé du programme d’usinage des pièces;
• réduction des en-cours de fabrication ;
• réduction des outillages et suppression des gabarits;
• diminution du nombre des outils spéciaux et des outils de forme ;
• réduction des temps de préparation et de réglage du poste de travail (la plupart des réglages, en particulier des outils, étant effectués hors machine) ;

• prise en compte rapide des modifications d’usinage (il est plus facile de modifier une ligne de programme qu’un outillage spécial ou un gabarit) ;
• définition plus rapide et plus fiable des conditions optimales d’usinage ;
• réduction du nombre de prises de pièces du fait de l’universalité de la machine ;
• diminution du temps d’attente entre les diverses machines d’usinage d’un atelier ;
• gain sur les surfaces au sol occupées dans l’atelier ;
• possibilité de réaliser des pièces complexes en gérant des déplacements simultanés sur plusieurs axes ;
• contrôle automatique des outils et des dimensions de pièces avec prise en compte par la CN des corrections à effectuer.

2.3.3. Sécurité
La CN a beaucoup contribué à améliorer la sécurité des machines :
• en premier lieu, parce qu’elle connaît très précisément l’enveloppe de travail dans laquelle doivent évoluer les outils (possibilité de mémorisation des courses maximales des organes mobiles) ;
• ensuite, parce qu’elle permet une simulation graphique hors usinage des programmes nouvellement créés pour vérification et détection des risques éventuels de collision ;
• enfin, parce qu’en exerçant une surveillance permanente de l’usinage en cours, elle peut décider d’en interrompre le déroulement et d’alerter l’opérateur en cas d’incident
Il est par ailleurs admis que le niveau de performances très élevé atteint par les MOCN conduit les constructeurs à prévoir des dispositifs de protection très élaborés (contre les projections de copeaux ou de liquide d’arrosage, notamment) qui ne s’imposent pas nécessairement sur une MO conventionnelle.

2.3.4. Nécessités économiques et techniques
Symbole de précision, de répétabilité, de fiabilité et de flexibilité, qualités primordiales dans une économie de marché où les produits se caractérisent en termes de prix, de qualité et de délai de mise à disposition, la CN se montre économiquement intéressante pour produire à l’unité ou en série toutes les sortes de pièces, même les plus simples.
Une fois vérifié et validé, un programme assure la réalisation de 2, 10 ou 1 000 pièces identiques avec la même régularité de précision et la même qualité d’usinage, sans que l’habileté de l’opérateur n’intervienne.
Il convient, en outre, de souligner que la CN ouvre de nouvelles perspectives en permettant la définition de pièces complexes qu’il est pratiquement impossible de concevoir et de fabriquer sur des MO conventionnelles.

2.4. Domaine d’utilisation et coût
Le système de fabrication le plus rentable est celui qui engendre le coût d’une pièce le plus bas. Ce coût est calculé par la formule suivante :











On constate que le coût total de fabrication par pièce varie en fonction de la quantité ZL d’une manière hyperbolique.
Si l’on considère le nombre de pièces usinées, le domaine d’utilisation économique de la MOCN se situe dans la petite et la moyenne séries. Les MO conventionnelles restent rentables pour des opérations simples où elles ont malgré tout tendance à être remplacées par des MOCN d’entrée de gamme.

Pour les grandes séries, le recours à des machines spéciales à automatisation rigide (machines transfert, tours à cames, fraiseuses de copiage) se montre encore très avantageux.
Si l’on représente le coût d’une pièce en fonction du nombre d’exemplaires à fabriquer, on peut déterminer les limites économiques d’utilisation de la CN.
Au-dessus de 5 pièces par série, l’usinage sur une MO à commande manuelle est plus rentable que sur une MOCN ; de la même façon, une machine spéciale le sera au-dessus de 5000 pièces par série.

Figure 3 : domaine d’utilisation des MOCN
Figure 4 : Contournage machine sans calculateur
Figure 5 : Machine avec Interpolateur linéaire
Inconvénients: calcul d’un grand nombre de points et risques d’erreurs importants- programme très long (ruban perforé difficile à manipuler)
Pour les machines avec interpolateur linéaire le problème n’est pas complètement corrigé
Avec l’interpolation circulaire on a :
Figure 6. Machine avec Interpolateur circulaire
On classe les machines à commande numérique suivant le mode de déplacement des tables supports de pièce.
Trois générations des machines à commande numérique ont été développées dans l’industrie :


Machines point à point

Machines paraxiales

Machines en contournage

3.1. Machines point à point
Avec la commande de point à point, l'outil est porté à une certaine position par rapport à la pièce à usiner (ou vice versa), comme défini. Ces positions sont abordées à la vitesse maximale (vitesse rapide) de sorte que les déplacements des axes sont réalisés simultanément ou séparément. Pendant ce processus, l'outil n'est pas en prise. Ce n'est qu'après la consigne de position est atteinte dans tous les axes, que l'usinage ou la soudure est commencée.

Application: machines de forage, machines de soudage par points, robots pointeurs, perceuses, taraudeuses, poinçonneuse.
Figure 7 Perçage d’une entretoise
3.2. Machine paraxiales
L'usinage de la pièce ou autre opération sur une machine à commande de trajet linéaire est réalisé, à l'avance programmée, le long de lignes droites situées parallèlement aux axes du système de coordonnées.
L'ordre et la longueur des trajets de déplacement des axes individuels se traduiront sur la pièce à usiner.
La commande de trajectoire linéaire n’est donc plus utilisée sur les machines modernes.

Application: fraiseuse à cycles

Figure 8 opération paraxiale de fraisage
Figure 9 Opération paraxiale de tournage
3.3. Machines en contournage
La commande de contournage permet à plusieurs axes de se déplacer simultanément au cours de l'usinage.
Les déplacements doivent être synchronisés l'un à l'autre afin d'obtenir le trajet désiré.
Alors, le système de commande est muni d'une unité de calcul électronique (interpolateur) contrôlant le mouvement dans les directions d'axe par rapport à l'autre.

Application: Fraiseuses, tours, oxycoupeurs, rectifieuses, machines à déclencher l'érosion...
La commande de contournage, à son tour, est divisée en les types suivants:

Figure 10. contournage
On distingue :
- Le contournage 2D : il fournit les déplacements d'outils linéaires et circulaires dans un plan fixe. Un troisième axe existant ne peut être commandé qu’indépendamment des deux autres axes.
- Le contournage 21/2 D : Lors de la génération des mouvements linéaires et circulaires d'outils à l'aide de contournage 2 ½ D, il est possible de passer pour les trois plans principaux une après l'autre. Le troisième axe peut seulement être alimenté de façon indépendante.
- Le contournage 3D : Un contournage 3D fournit en continu les mouvements d'outils linéaires et circulaires, c'est à dire les mouvements des trois axes peuvent
être liés et synchronisés.

Figure 11. Schéma de principe d’un système automatisé
Figure 12. Structure d’une MOCN
4.2. Les bâtis

4.2.1. Généralités
Le bâti supporte l'ensemble des organes mécaniques de la
machine. La qualité et la précision du travail sur une machine est entre autre fonction de la rigidité du bâti et de la précision des point d'appui et de fixation disposés sur le bâti.
En fonctionnement, la machine, et notamment le bâti se déforment. ces déformation son dues aux variation de température et aux efforts exercés par les organes mécaniques.

Ces déformation doivent être connues et réduites au maximum.
La rigidité du bâti est donc dans la plupart des cas la qualité première.
Les bâtis doivent être si rigides que possible pour ne pas favoriser les vibrations
• Leur rôle est de maintenir en place les autres composantes de la machine
• Stabilité thermique et sous charge
• Doit permettre le maximum de flexibilité pendant l’usinage
Du point de vue forme on distingue les bâtis ouverts et les bâtis fermés :

Figure 13. Cadre ouvert et cadre fermé
Le bâti à cadre fermé est plus rigide
4.2.2. Bâtis conventionnels en acier ou fonte
Les bâtis conventionnels en acier ou fonte sont généralement moulés ou mécanosoudés.

L’avantage :
- Procès de fabrication assez commun et maitrisé

Les inconvénients :
- Accumulent beaucoup des contraintes résiduelles
- Stabilité dimensionnelle réduite, variable en temps

Figure 14. bâtis (a) bâti coulé intégrant les guidages
(b) bâti soudé intégrant les guidages

Notons que les bâtis coulés absorbent mieux les vibrations.
4.2.3. Bâtis en époxy armé au granite/ Bâti en béton armé de fibres de polymères
Bâti monobloc en composites époxy avec du granite comme remplissage. La stabilité thermique et la capacité d’absorption de vibrations est 6 fois meilleure que celle de la fonte.

Figure 15. Bâti de machine UGV Mikron HSM 600
L’avance : jusqu’à 40 m/min, broche de 32 kW.
Figure 16. Bâti en béton armé de fibres de polymères
4.3. Guidages

4.3.1. Généralités
Au fil du temps, les guidages sur rails se sont imposés comme solution standard pour les mouvements linéaires. Ces guidages sur rails ont été développés spécialement pour les applications qui nécessitent des guidages ayant une précision de guidage et une rigidité élevées, comme les machines-outils.

Le rôle des guidages et des roulements est de :
- Limiter les mouvements des parties mobiles seulement aux directions necessaries;
- Diminuer les forces de friction tout en gardant les jeux au minimum;
- Couper, autant que possible, la transmission des vibrations;
- Assurer un appui uniforme sur toute la longueur utile du guidage.
Pour satisfaire ces rôles certaines conditions sont nécessaires :
- Ne pas générer des vibrations
- Déformations minimales
- Éviter le réchauffement
- Durabilité élevée, entretien et réparation facile

Figure 18. Différents systèmes de guidage
Figure 19. Guidage ouverts à roulements
Pour répondre aux exigences des différentes conditions d’environnement, les guidages linéaires doivent être adaptés au niveau du matériau, de la graisse, du traitement de surface de la méthode de protection contre la poussière, de la haute vitesse, de la capacité plus élevée.
On distingue les guidages suivants :
- Guidages à billes sur arbres
- Guidages à rouleaux sur rails
- Guidages à billes sur rails et guidages eLINE
- Guidages à galets
- Les glissières hydrostatiques
- Coussinets hydrostatiques / hydrodynamiques

4.3.2. Guidages à billes sur arbres

La première solution, est d'utiliser des guides linéaire monté sur des supports situé de chaque côté de l'axe. Il est important que ces guides aient un diamètre suffisant pour ne pas courber. Plus la machines est grande, plus le diamètre devra être important. Pour une petite machine (dimension de la surface de travail environ 200*150mm) des guides de 12 à 16mm de diamètre conviendront. Les guides doivent aussi être dans une matière dure comme de l'acier trempé où de l'inox trempé de manière à ne pas s'user par frottement.

Figure 20. Paliers à 2 roulements
exécution fermée - pour montage en saillie

exécution ouverte - pour montage sur support
Si les paliers sont séparés alors les guides doivent être parfaitement parallèles entre eux. Sinon le chariot se déplacera difficilement dessus.
Figure 21. Paliers séparés
Figure 22. Roulements à billes linéaires
4.3.3. Guidages sur rails
On distingue les guidages à rouleau pour des efforts important et les guidages à bille pour les vitesses importantes

Figure 23. Guidage à rouleaux et guidage à billes
4.3.3.1. Guidages à rouleaux sur rail
Les patins de guidage à rouleaux possèdent une structure en acier trempé par induction et rectifié, munie de quatre circuits de recirculation à rouleaux.

Figure 24. Guidage à rouleaux
4.3.3.2. Guidages à billes sur rail
Les patins de guidage de taille moyenne possèdent quatre rangées de billes. Les patins de guidage miniature en possèdent deux.

Figure 25. Guidage à billes
Les guidages sur rails eLINE servent pour la construction mécanique légère et pour les mouvements de manipulation et de positionnement, pour lesquels une réalisation économique alliée à une forte capacité de charge sont de toute première importance.
Figure 26. guidage eLINE
4.3.4. Guidages à galets
Ces guidages utilisent des roulements a deux rangées de billes a contact oblique, étanchéité à vie (réserve d’huile de grand volume), éléments graisseur – racleur des deux côtés pour un déplacement particulièrement souple

Figure 27. guidage à galets
4.3.5. Les glissières hydrostatiques
La lubrification hydrostatique sert à former un film lubrifiant entre les organes (par exemple chariot porte-outils et glissière de guidage), de manière à réduire l'usure et les mouvements saccadés au démarrage (stick-slip). À cet effet, l'huile est débitée sous pression entre les surfaces de frottement. Les organes sont donc isolés l'un de l'autre même lorsqu'ils sont à l'arrêt.

Avantages :
• grande rigidité, effet d'amortissement élevé ;
• durée de vie illimitée des paliers ;
• absence totale de mouvements saccadés (slip-stick) ;
• absence d'usure des surfaces de glissement ;
• grande stabilité thermique ;
• prévention efficace des collisions ;
• précision de positionnement absolue ;
• très grande précision d'usinage.

Figure 28. Glissière hydrostatique
4.3.6. Coussinets hydrostatiques /hydrodynamiques
Leur conception permet la formation d’un film de lubrifiant qui sépare complètement les surfaces solides de l’arbre et son alésage.
Les paliers hydrodynamiques doivent atteindre une certaine vitesse de rotation pour que s’établisse un régime stable de lubrification.
Les paliers hydrostatiques fonctionnent également sur le principe de la séparation des surfaces solides par un film de lubrifiant dont la pression et la circulation sont assurées dès le démarrage à l’aide de pompes. Ces deux types de paliers permettent de grandes vitesses de rotation.

Figure 29. Coussinets hydrostatiques
4.4. Unités d’entraînement
Le choix de l’entraînement est décisif et détermine les caractéristiques des axes linéaires.

Entraînements par vis à billes :
Rigidité élevée, performances et répétabilité importantes

Entraînement par courroie crantée :
Pour les courses longues et avec une dynamique élevée, ne nécessite pas d’entretien

Moteur linéaire :
Pour grandes vitesses de déplacement et accélérations importantes, cycles courts, précision de positionnement élevée, ne nécessite pas d’entretien

Entraînement pneumatique :
Moteur inutile, déplacement vers les fins de course

4.4.1. Entraînements par vis à billes

La vis à billes est un Assemblage d’une vis à billes, d’un écrou à billes et de billes, qui est capable de transformer un mouvement de rotation en mouvement linéaire et vice versa. Les éléments roulants de l’assemblage sont des billes.

Figure 30. Vis à recirculation de billes
4.4.2. Entraînement par courroie crantée
Les chariots linéaires avec entraînement par courroie crantée sont avec exécution fermée ou ouverte avec supports d’arbres

Figure 31. Entraînement par courroie crantée
4.4.3. Entraînement par moteur linéaire
Le déplacement linéaire est en fait obtenu en utilisant les propriétés de l’électromagnétisme. La tige (slider) comporte des aimants en Néodyme montés dans un tube de précision en acier inoxydable. Le stator situé dans le cylindre externe comprend les bobinages du moteur, le guidage du slider et un microprocesseur intégré qui assure les fonctions de mesure de position, la communication et la surveillance de la température du moteur.
La translation de la tige (slider) est due à la force opposant les pôles de même nom résultant du champ magnétique alternatif créé par le stator et du champ magnétique des aimants.

Figure 32. Principe du moteur linéaire
4.5. Broche
Les broches permettent la rotation de la pièce ou de l’outil.
L’axe de la broche principale est l’axe Z.

Figure 33. broche d’une machine à commande numérique
4.6. Magasins d'outils et systèmes de changement d'outils

4.6.1. Généralités

Sur les fraiseuses et centres d'usinage à commande numérique, la production d'une pièce fait appel généralement à plusieurs outils. Sur les machines-outils performantes, le changement des outils est exécuté par un changeur d'outils automatique. Un magasin stocke les outils nécessaires. Il existe plusieurs types de magasins:

• Dans les magasins linéaires, les outils sont à plat ou suspendus les uns à côté des autres sur une ou plusieurs rangées.
• Le magasin à plateau est généralement disposé latéralement, derrière ou au dessus de la broche
• Dans le magasin à anneaux, les outils sont disposés sur deux ou trois anneaux concentriques.
• Le magasin à chaîne existe avec chaîne simple ou double et sa longueur peut être modifiée en cas de besoin.
• Sur un magasin à cassettes, plusieurs cassettes échangeables abritent les outils.

4.6.2. Magasin d’outils rotatif
Les machines à commande numérique disposent souvent de mémoires d'outils et de dispositifs automatiques de changement d'outils pour que l'usinage de la pièce se fasse sans intervention manuelle. La connaissance de l'organisation des outils et du changement d'outil automatique est nécessaire pour créer le programme.

Figure 34. Magasin d’outils rotatif
4.6.3. Magasin d’outils en chaine
Figure 35. Magasin d’outils en chaine
Figure 34. Magasin d’outils rotatif
4.7. Systèmes de refroidissement et lubrification
Figure 37. Différents systèmes de refroidissement
4.8. Convoyeurs pour copeaux
Le rôle du convoyeur des copeaux est :
- Séparation mécanique ou magnétique des copeaux du liquide de coupe
- Stockage facile des copeaux
- Filtration en vue du recyclage du liquide de coupe
- Refroidissement du liquide de coupe

Figure 38. Convoyeur pour copeaux
5.3.2. Servomoteurs
Un servomoteur est un moteur électrique spécifique pour un déplacement angulaire.
Un servomoteur contient un :
1.
Un moteur électrique CC
2.
Une réduction en sortie de ce moteur pour avoir du couple
3.
Un potentiomètre qui induit une résistance variable en fonction de la position angulaire de sortie,donc le potentiomètre
est lié à l’axe du moteur.
4.
Un asservissement électronique pour contrôler la position angulaire
Un servomoteur est constitué de trois fils :
Noir : masse
Rouge : Vcc : 4,8 Vcc à 6 Vcc (suivant le couple voulu)
Jaune : signal de commande
La couleur dépend du constructeur (FUTABA, HITEC, ..)

Figure 39. Boucle d’asservissement humaine
5.1.2. Terminologie
CN/CNC : Commande numérique (à calculateur). Aujourd’hui, il n’y a plus lieu de distinguer CN et CNC outre le contrôle numérique du mouvement, une CNC offre des possibilités de calculs évolués (tangence, intersection, décalage d’outils, etc.)
DNC : Direct Numerical Control (commande numérique directe). Antérieurement signifiait qu’un ordinateur central pilotait plusieurs machines-outils, c’est-à-dire qu’il n’y avait pas de directeur de commande numérique sur la machine. Aujourd’hui DNC signifie souvent qu’une MOCN est reliée à un ordinateur par une liaison RS-232, ou Ethernet. DNC est parfois utilisé lorsque le programme en cours d’exécution n’est pas dans la mémoire locale du contrôleur mais téléchargé en direct depuis un ordinateur.

Les principaux modules qui constituent la commande numérique sont les suivants :
• Unité centrale de traitement à micro-processeur.
• une mémoire, support du logiciel et des données d’usinage.
• des modules d’interfaces avec les axes.
• un automate programmable.
L’information peut provenir d’un calculateur central par une liaison directe entre la commande numérique et le calculateur (DNC) c’est le cas dans les ateliers flexibles.

Figure 40. (a) NC (b) CNC (c) DNC
L’ordinateur qui équipe un CNC permet:
- Le pilotage des déplacements programmés ou manuels, en partant du tableau de commande;
- La commande intégrée et simultanée de plusieurs axes et plusieurs fonctions auxiliaires;
- Le calcul des trajectoires, des interpolations et des compensations automatiques;
- La connectivité de la machine en vue du transfert du programme;
- Différents fonctions d’assistance à la programmation;

5.2. Commande d’axe d’une MOCN
Le système de commande est en boucle ouverte ou en boucle fermée.

5.2.1. Boucle ouverte
Sur certaines MOCN il n'est pas nécessaire de contrôler à tout instant la vitesse d'avance et la position de l'outil (par exemple les perceuses, les presse-plieuses), Pour ces machines, l'important est d’arriver à la position programmée, la solution technologique retenue utilise des moteurs pas à pas et une boucle d'asservissement ouverte. Le calculateur envoie une information binaire, correspondant au déplacement à obtenir, dans un décompteur à présélection qui est un élément électronique permettant de mémoriser cette valeur binaire. Le décompteur à présélection est relié à un générateur d'impulsions qui lui envoie une fréquence d'oscillation liée à la vitesse programmée. Les impulsions résultant de la fréquence d'oscillation sont décomptées de la valeur binaire conservée en mémoire. Tant que le décompte n'est pas achevé (valeur binaire égale à 0) l'oscillateur alimente, par l'intermédiaire du décompteur à présélection, le moteur pas à pas relié au système vis écrou.

Lorsque le décompte est terminé le moteur pas .à pas ne reçoit plus d'impulsion, il se bloque et le déplacement s'arrête: la position programmée est atteinte. Notons que la fréquence d'oscillation est proportionnelle à la vitesse programmée.
La boucle de positionnement ouverte est utilisable quand il n’y a pas d’usinage pendant le déplacement (perçage, soudage en coordonnées).
Elle est applicable surtout quand les déplacements sur les axes sont indépendantes

Figure 41. Boucle ouverte de positionnement
Figure 42. boucle de position fermée
5.2.2.2. Boucle de vitesse fermée

Le calculateur envoie, à un instant donné, une information binaire (0-1) dans un convertisseur numérique analogique (CNA). Celui-ci transforme l'information en une tension variable de 0 à 10 V. Cette tension est acheminée vers un comparateur qui reçoit déjà une tension venant de la dynamo tachymétrique montée sur la vis, ou sur l'arbre moteur. Le comparateur analyse ces deux tensions et achemine directement la différence de tension vers le variateur qui ajuste ainsi la vitesse du moteur. Lorsque les tensions venant du CNA et de la dynamo sont identiques, la vitesse de rotation de la vis correspond à la vitesse programmée. Notons que la comparaison des tensions est effectuée en permanence.

Figure 43. Boucle de vitesse fermée
5.2.2.3. Boucle d’asservissement double (vitesse et positionnement)
Le but est de contrôler à tout moment la vitesse d'avance et la position de "outil par rapport à la pièce et relier ces informations au mouvement Programmé.
Sur les MOCN la connaissance de la position de l'outil par rapport à la pièce est obtenue par l'intermédiaire d'un capteur de position. Les informations recueillies sont analysées par le CNC et comparées aux informations contenues dans le programme d'usinage (cote à atteindre) .C'est le calculateur qui remplace l'analyse de l'opérateur, et qui décide-en fonction de la cote mesurée-de la poursuite ou de l'interruption de l'usinage. De même, la vitesse d'avance est gérée par le CNC. Elle est fixe, et fait partie d'une donnée du programme d'usinage, en avance linéaire. Elle est variable, et calculée à tout instant en fonction de la position de l'outil par rapport à la pièce, en avance circulaire.
En outre, le CNC peut gérer une décélération de la vitesse d'avance à l'approche de la cote à atteindre -de manière à ne pas la dépasser (opération d'accostage).
Figure 44. Boucle d’asservissement double (vitesse et positionnement)
5.3. Les moteurs

5.3.1. Moteurs pas à pas
Le moteur pas à pas constitue un convertisseur électromécanique destiné à transformer le signal électrique (impulsion ou train d'impulsions de pilotage) en déplacement (angulaire ou linéaire) mécanique.
Au point de vue électrotechnique, le moteur classique ressemble à la machine synchrone, dont le stator (le plus souvent à pôles saillants) porte les enroulements de pilotage et le rotor (presque toujours à pôles saillants) est soit muni d’aimants permanents (structure dite polarisée ou active), soit constitué par une pièce ferromagnétique dentée (structure dite réluctante ou passive).

Avantages
•Positionnement avec une certaine immobilisation
•Peu dispendieux
•Robuste et fiable
•Précision de positionnement relativement bonne
•Asservissement simple (pas de boucle d’asservissement requise)
•Pas d’ajustement

5.4. Les systèmes de mesure
On distingue :
- Boucles fermés de positionnement;
- Limiteurs de course;
- Détecteur d’outil;
- Mesure par palpage de la pièce usinée;
- Systèmes de prévention de la surcharge;
- Détection du bris d’outil;
- Autres.

5.4.1. Mesure de position
Avec les machines-outils à commande numérique, chaque axe nécessite son propre système de mesure de distance pour retourner la position réelle momentanée au régulateur de position.

Figure 45. Moteure Pas à Pas
Figure 45. Servomoteur
Figure 45. Les systèmes de mesure
Il ya les possibilités suivantes:
Incrémentale, absolue, directe et indirecte

Figure 46.Balayage photoélectrique selon le principe de mesure par projection avec règle en acier et balayage à une fenêtre (LIDA 100)(procédé en lumière incidente)
Figure 47.Balayage photoélectrique selo, le principe de mesure par projection
avec règle en verre et balayage avec 4 fenêtres (procédé en lumière passante)
Figure 48.Système de mesure angulaire avec capteur rotatif incrémental
Figure 49.Système de mesure avec capteur rotatif absolul
Avec les machines-outils à commande numérique, les méthodes de mesure de position , numériques incrémentales prédominent.
Figure 50.Caractéristiques de conception de Fraiseuse CNC
Figure 51.Système de mesure
1.Les origines des systèmes de coordonnées

Origine machine : OM
- V Position physique d'un point de l'élément mobile, butée détecter par un contact électrique lors de l'initialisation en POM.
Origine mesure : Om
- V C'est un point défini (sur chaque axe) par le constructeur de la machine. Il permet de définir l'origine absolue de la mesure.

La distance Origine Machine / Origine Mesure est un paramètre mémorise permanent dans le contrôleur par le constructeur.
6. Les différentes machines à commande numérique
Figure 51.Type de base de MOCN
3. Amplificateur électrique
4. Moteur
5. Dynamo tachymétrique
7. Capteur de position (directe)
6. Capteur de position (indirecte)
2. Adaptateur
1. Armoire (cabinet) decommande
Figure 52.Structure typique d’une MOCN
1. Armoire (cabinet) de commande
2. Adaptateur
3. Amplificateur électrique
4. Moteur
5. Dynamo tachymétrique
6. Capteur de position (indirecte)
7. Capteur de position (directe)
8. Vis à billes
Figure 53.Structure typique d’une MOCN : Tour à commande numérique Mazak (LRFV)
Figure 54.Répartition des axes pour des différentes configurations de MOCN
Figure 55.Répartition des axes pour des différentes configurations de MOCN
Figure 56.Système de coordonnées complexe (axes secondaires)
Axe X : mouvement principal (portail)
Axe Y : traverse
Axe Z : mouvement axial de la broche
Axes A, B, C : rotations
Axes secondaires : U, V, W (lineaires) & D, E (rotatifs)
Axes tertiaires (P, Q, R)
Figure 57.Schémas des centres de fraisage à CN
Représentation d’un centre à CN vertical à 3 axes
Représentation d’un centre à CN horizontal à 5 axes
Figure 58.Système d’axes de coordonnées
Coordonnées des points
Axes, origine et quadrants
Figure 59.Système d’axes pour un tour
2.Les origines des systèmes de coordonnées

Origine pièce : Op
– Indépendante du système de mesure, l’
Op
est définie par un point de la pièce sur lequel il est possible de se positionner.

Origine programme : OP
– Indépendante du système de mesure, l’
OP
est l’origine du trièdre référence qui sert au programmeur pour établir son programme. Il faut indiquer au contrôleur quelle est cette position.
Figure 60.Les origines
2.1. Définition
Une Machine-Outil à Commande Numérique (M.O.C.N.) est une machine d'usinage à cycle automatique programmable.
Le terme "commande numérique" est générique et a été retenue parce que la machine est commandée par des "consignes" numériques fournies par un calculateur. En d'autres termes, on peut dire que les organes mobiles de la machine sont motorisés et qu'un automatisme assure la commande et dans la plupart des cas le contrôle de la position et/ou de la vitesse.
Ce type de machine se compose ainsi de deux parties complémentaires :
- la partie opérative (c'est la machine-outil : elle agit directement sur le produit à réaliser);
- la partie commande (c'est la commande numérique : elle permet d'élaborer des ordres en fonction des consignes et des comptes-rendus).

2.2. Historique
Les travaux menés par Falcon et Jacquard à la fin du XVIIIe siècle ont montré qu’il était possible de commander les mouvements d’une machine à partir d’informations transmises par un carton perforé. Leur métier à tisser de 1805 fut le premier équipement à être doté de cette technique et, de ce point de vue, il peut être considéré comme l’ancêtre de la commande numérique.
Il faut cependant rattacher l’exploitation industrielle de la CN au développement de l’électronique.

En 1947, à Traverse City dans l’État du Michigan, John Parsons fabrique pour le compte de l’US Air Force des pales d’hélicoptère par reproduction. Pour façonner ses gabarits, il utilise une méthode consistant à percer plusieurs centaines de trous faiblement espacés de manière à approcher le profil théorique. L’emplacement et la profondeur de chaque trou sont calculés avec précision par un ordinateur IBM à cartes perforées. La finition de la surface est obtenue par des opérations manuelles de polissage.

Mais, lorsque l’US Air Force confie à ce même Parsons la réalisation de pièces de formes encore plus complexes pour ses futurs avions supersoniques, celui-ci réalise que sa méthode est trop approximative et que seul un usinage continu en 3 dimensions sera en mesure de donner satisfaction.

Au printemps 1949, il confie alors au Massachusetts Institute of Technology (MIT) le soin de développer des asservissements capables de piloter une machine qui recevra des instructions intermittentes à partir d’un lecteur de cartes.

Cette machine, une fraiseuse prototype Cincinnati à broche verticale, conçue pour exécuter des déplacements simultanés suivant 3 axes, est officiellement présentée en septembre 1952 dans le Servomechanisms Laboratory du MIT. L’information mathématique étant la base du concept, on lui donne le nom de numerical control. Il aurait pu tout aussi bien s’appeler commande symbolique! Il faut encore attendre quelques années de vastes fonds de l’US Air Force et l’appui des chercheurs du MIT pour rendre la première MOCN réellement opérationnelle. Les différentes étapes de développement de la CN sont les suivantes :

1954 : Bendix acquiert le brevet de Parsons et fabrique la première CN industrielle.
1955 à Font du Lac (Wisconsin), le constructeur américain Giddins & Lewis commercialise la première MOCN.
1959 : apparition de la CN en Europe (foire de Hanovre).
1964 : en France, la Télémécanique Éléctrique lance la CN NUM 100 conçue à base de relais Téléstatic.
1968 : la CN adopte les circuits intégrés ; elle devient plus compacte et plus puissante.
1972 : les minicalculateurs remplacent les logiques câblées ; la CN devient CNC.
1976 : développement des CN à microprocesseurs.
1984 : apparition de fonctions graphiques évoluées et du mode de programmation conversationnel.
1986 : les CN s’intègrent dans les réseaux de communication, début de l’ère de la fabrication flexible (CIM).
1990 : développement des CN à microprocesseurs 32 bits
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