1 Programmation des machines-outils à commande numérique (MOCN) Etienne LEFUR e

1 Programmation des machines-outils à commande numérique (MOCN) Etienne LEFUR et Christophe SOHIER - Ecole Normale Supérieure de CACHAN 1. Introduction La programmation des Machines-Outils à Commande Numérique (MOCN) est le maillon essentiel entre la modélisation des pièces et leur réalisation partielle ou totale. De très nombreuses technologies de fabrication sont maintenant pilotées par des commandes numériques : tournage, fraisage, électroé- rosion, rectification, affûtage, pliage, poinçonnage, découpes, etc... avec à l’intérieur de ces grandes familles une forte variété d’architectures physiques de machines et de directeurs de commande numé- rique (DCN). En amont aussi il y a pléthore de logiciels de Conception Assistée par Ordinateur (CAO) plus ou moins orientés vers des métiers spécifiques. On voit donc pourquoi l’intégration entre la conception et la fabrication est difficile. En Licence de Technologie Mécanique ce concept est illustré sur une pièce simple nécessitant des opérations de fraisage dans le plan XY. Néanmoins à partir d’un modèle CATIA de la pièce, il faut passer par les étapes successives : - générer les trajectoires d’usinage, - ajouter éventuellement des instructions particulières indispensables, - traduire ces trajectoires et ces instructions en utilisant un post-processeur, - vérifier éventuellement le programme ainsi généré, - transférer le programme dans le DCN de la MOCN, - et exécuter le programme. En Maîtrise de Technologie Mécanique, nous proposons ici un approfondissement de la program- mation des MOCN en limitant l’étude au tournage et au fraisage. Cet enseignement a pour objectif de donner aux étudiants le moyen de développer des applications industrielles de Fabrication Assistée par Ordinateur (FAO) de plus en plus «intelligentes» : post-processeurs spécifiques, usinage grande vitesse (UGV), palpage sur MOCN, etc... Il a aussi pour but de donner aux Normaliens agrégés les connaissances nécessaires pour enseigner dans les Sections de Techniciens Supérieurs suivantes : productique mécanique, microtechnique, étude et réalisation d’outillage (ERO) ainsi que dans la filière pré-bac de Sciences et Techniques Industrielles. Nous commençons par une découverte rapide des MOCN : les composants des directeurs de commande numérique, la définition normalisée des axes, la comparaison avec les machines tradition- nelle, les principes de base d’une utilisation rationnelle de ces moyens de production dont il convient de maximiser le taux de rendement synthétique (TRS) : temps passé à produire des pièces bonnes divisé par le temps d’ouverture de l’atelier. Pour commencer nous abordons la programmation en tournage. Elle est plus simple car ces machines possèdent généralement deux axes de déplacement. Nous considérons qu’avec un jeu d’instructions réduit, que nous avons regroupé dans un glossaire, il est possible de programmer 80% des phases de tournage courantes directement à l’aide d’un éditeur de texte. Un simulateur de trajec- toires, du type du logiciel LI_CN, permet ensuite de mettre au point rapidement les programmes ainsi écrits. L’étude des cycles automatiques et de la correction de rayon d’outil normale au profil est détaillée. Puis nous décrivons la programmation en fraisage. Nous nous limitons aux machines à trois axes et au centre d’usinage quatre axes à broche horizontale et plateau tournant (axe B). L’étude des cycles fixes est détaillée. Afin de mieux comprendre le fonctionnement, la mise en oeuvre et le réglage des MOCN, une modélisation géométrique simple résumée par une équation vectorielle est proposée. Pour finir nous apportons des éléments de réflexion sur l’intégration des systèmes de fabrication assistée par ordinateur (FAO) et les fonctionnalités des directeurs de commande numérique. 2 2. Composants et programmation des MOCN 2.1. Comparaison entre les machines traditionnelles et les MOCN Commençons par les inconvénients des MOCN ; elles en ont au moins trois et il ne faudrait surtout pas les sous-estimer. Le premier inconvénient est certainement son coût horaire très élevé du à un investissement important : une machine à trois axes de bonne qualité, correctement outillée, coûte près d’un million de francs (1MF). Bien souvent la rentabilité de cet investissement passe par une organisa- tion du travail en équipe (2 ou 3 équipes), générant aussi des inconvénients induits. Le second incon- vénient est justement lié aux difficultés de programmation et le recours systématique à un système de FAO qu’il faut choisir en fonction de ses besoins, acheter et maîtriser par une formation importante des utilisateurs. Le troisième inconvénient est relatif à la maintenance coûteuse de ces machines : d’une part à cause du coût élevé des composants réparés ou changés, d’autre part à cause des pertes dues à l’immobilisation de la machine et enfin à cause de la rareté des ressources pluridisciplinaires internes ou externes capables d’intervenir. Malgré cela, les avantages directs et induits sont considérables. Dans les technologies de tournage et fraisage, l’utilisation des MOCN a permis d’éliminer beaucoup d’opérations de forme, supprimant du même coup de nombreux outillages spécifiques en ARS affûtés aux dimensions de la forme désirée. Cela est dû aux possibilités de contournage en interpolation linéaire et circulaire des chanfreins et des congés de raccordement. Il en est de même des gabarits de copiage dont l’élaboration était longue, délicate et coûteuse. Comme les MOCN sont avant tout des machines automatisées, il en résulte une forte diminution des temps morts. Les différents mouvements sont enchaînés automatiquement sans l’intervention d’un opérateur et les vitesses de déplacement hors usinage sont élevées (de 1.500 à 60.000 mm/min). C’est aussi le cas du changement d’outil. Par ailleurs les technologies utilisées ont également permis l’utilisation effective de conditions de coupe optimisées grâce à des variations continues des vitesses de broche et d’avance. Ceci conduit à une meilleure utilisation des outils et à un accroissement de la qualité des surfaces obtenues en terme d’état de surface et de précision dimensionnelle. Cette meilleure précision des usinages réalisés est également obtenue grâce à des capteurs de position dont la résolution théorique est comprise entre 0,5 µm et 20 µm (0,02 mm). De plus le contrôle et la correc- tion sont automatisable. Nous verrons dans le paragraphe sur l’utilisation rationnelle des MOCN que le temps de change- ment de série peut être fortement réduit moyennant des moyens communs de mesure d’outil et de porte pièce. Cela permet de réduire la taille des lots ce qui entraîne une meilleure réactivité de l’atelier aux besoins commerciaux exigés par les clients. Une plus grande fiabilité des usinages aussi bien en terme de qualité que de délai améliore consi- dérablement la gestion de l’atelier. Le temps effectivement passé à réaliser un lot de pièces est proche de la prévision du bureau des méthodes transmise à la gestion de production. Enfin, et c’est un facteur souvent décisif, les MOCN donnent la possibilité de réaliser des pièces que l’on ne sait pas fabriquer autrement : filetage torrique pour une prothèse de hanche, formes complexes directement issues du système de CAO, etc... Figure 1 : suppression de certains outils de forme broche pièce outil à 45° forme à 45° 3 2.2. Eléments de base d’un directeur de commande numérique Le directeur de commande numérique (DCN) est composé de la partie commande du système auto- matisé qu’est une machine outil. Il contient les éléments suivants : (1) Unité de traitement composée de mémoire et d’un microprocesseur pour le traitement des programme CN, la génération des trajectoires (calcul des points de passage sur un cercle en interpola- tion circulaire) et le pilotage de l’ensemble du système. (2) Pupitre de commande composé d’un clavier et d’un écran servant d’interface avec l’opérateur pour la sélection des programmes, l’éditions des programmes, le saisie des paramètres de réglage, la visualisation graphique, la sélection des modes d’utilisation de la machine. (3) Cartes d’axes pour l’asservissement numérique de la position des éléments mobiles de la machine : amplificateur, comparateur, correcteur. (4) Automate programmable industriel (API) pour le traitement des fonctions annexes relevant de l’automatique séquentielle : lubrification, sens de rotation de la broche, évolution du magasin d’outils, arrêt d’urgence, ouverture carter, etc... (5) Carte de communication avec un PC pour le téléchargement des programmes depuis un PC vers le DCN en utilisant la liaison série RS232. Les paramètres sont : la vitesse de transmission (géné- ralement 9600 bauds), le contrôle de parité, le port de communication, ... Les programmes dont la taille est inférieure à la capacité mémoire du DCN, sont entièrement chargés en mémoire avant d’être exécutés. Les autres programmes, généralement issus du système de CFAO, dont la taille est supé- rieure à la capacité mémoire du DCN, sont chargés et exécutés en "mode passant". Au fur et à mesure que les blocs sont exécutés, les blocs suivants sont chargés automatiquement. En plus de ces éléments de base, les DCN actuels sont maintenant équipés sur une base de PC d’un disque dur, d’un lecteur de disquette et d’une carte de communication de type Ethernet. Les composants de la MOCN sont : moteurs d’axes, moteurs de broche, boite de vitesse, capteur de vitesse, capteurs de position, et plus rarement capteurs d’effort et capteurs de température. Leurs caractéristiques ne sont pas détaillées ici. Figure 2 : éléments essentiels d’un DCN Bus de transmission et d’échange des informations Unité de traitement (1) Pupitre de comman- de (2) Automate program- mable in- dustriel(4) Carte de communi- cation (5) Alimenta- tion uploads/Industriel/ programmation-des-mocn-intoduction-pour-partie-softe-rest-000-pdf.pdf

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