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GOL 510, Cours 02 b Organisation

flexible de la production (4cr.)

Session : AUTOMNE 2011

Commande numérique

Programme de baccalauréat en génie des opérations et de la logistique

École de technologie supérieure, Montréal, QC.

Bibliographie

“Automation, Production Systems, and

Computer-Integrated Manufacturing”,

Mikell P. Groover

Source de cette présentation:

Plan de la présentation

Introduction

Bases de la technologie de commande numérique Composants de base d’un système à contrôle numérique

Systèmes de coordonnées dans la CN

Systèmes de commande de mouvement

Applications de la commande numérique Machines-outils

Autres applications

Avantages et inconvénients de la commande numérique

Programmation en commande numérique Programmation manuelle

Programmation assistée par ordinateur

Programmation par langage de commande numérique (APT)

Conclusion

Introduction

La commande numérique est une forme d’automatisation programmable

Les actions mécaniques de la machine-outil sont commandées par un programme contenant des données alphanumériques

Ces données alphanumériques représentent

les positions relatives entre un outil et une pièce

Les instructions nécessaires au fonctionnement de la machine

L’outil est un outil de coupe ou tout autre appareil traitant

La pièce est l’objet à travailler

Les machines à CN sont reprogrammables, les instructions peuvent être modifiées pour faire d’autres tâches

Les machines à CN sont appropriées à des volumes de production bas à moyens

La commande numérique peut être appliquée dans plusieurs domaines:

Machine-outil (perçage, fraisage, tournage…et autres applications en métallerie)

Assemblage, inspection.

Bases de la technologie de

commande numérique

Trois (3) composantes de base:

Programme d’instructions Série de commandes pas-à-pas qui dirigent les actions de l’équipement de

traitement

Unité de commande numérique Micro-ordinateur relié au matériel de commande qui stocke puis exécute le

programme d’instructions en convertissant chaque commande en

actions mécaniques de l’équipement de traitement

Équipement de traitement Outil ou appareil qui effectue le travail utile


commande numérique

Programme

d’instruction

Unité de

contrôle

Équipement de

traitement

Composantes de base d’un système de commande numérique


commande numérique

Système de coordonnées dans la

commande numérique: Est un système d’axes standard par rapport auquel les

positions relatives entre l’outil et la pièce est spécifiée

Deux (2) systèmes d’axes sont utilisés

Pour les pièces planes et prismatiques

Pour les pièces de révolution

Les deux systèmes sont basés sur le système de

coordonnées cartésiennes


commande numérique

Système de coordonnées pour les pièces planes et prismatiques Trois (3) axes linéaires (x, y, z)

Trois (3) axes de rotation (a, b, c)

spécifient les positions angulaires par rapport aux axes x, y et z pour positionner la pièce ou l’outil.

Les machines à commande numériques sont dites:

À quatre (4) axes (trois axes linéaires plus une rotation)

À cinq (5) axes (trois axes linéaires plus deux rotations)

+x

+y

-y

+z

-z

+a

+b

+c

Pièce à usiner

Table porte-pièce


commande numérique

Système de

coordonnées

pour les pièces

de révolution Utilisé pour les tours

La position de l’outil est

spécifiée dans le plan (x, z)

x est la position radiale de

l’outil

z est l’axe de rotation de la

pièce

+x-x

+z

-z

Pièce à usiner


commande numérique

Système de Commande de

mouvement Certains processus doivent être accomplis en un point particulier

(soudage par point), d’autres sont accomplis pendant que l’outil

est en mouvement (soudage à l’arc)

Caractéristiques de la commande de mouvement

Mouvement point à point Vs. commande à trajectoire continue

Méthodes d’interpolation

Position absolue Vs. Position incrémentielle (ou relative)


commande numérique

Système de Commande de mouvement Mouvement point-à-point:

mouvement d’une position à une autre sans tenir compte de la trajectoire suivie (exemple: perçage)

Trajectoire continue: permet de commander la trajectoire de l’outil relativement à la table porte-pièce. Le traitement se fait pendant le mouvement (exemple: fraisage)

1

2

3

Pièce

Trajectoire de

l’outil

Point de départ

de l’outil

Point de départ

de l’outil

Trajectoire de

l’outil

Profil de l’outil

Contour de la

pièce


commande numérique

Système de Commande de

mouvement

Méthodes d’interpolation Calcul des points intermédiaires entre un point de départ et un point d’arrivée

dans une trajectoire

Plusieurs méthodes d’interpolation sont disponibles pour générer des

trajectoires lisses

Linéaire

Circulaire

Hélicoïdale

Parabolique

cubique


commande numérique

Système de Commande de mouvement

Position absolue Les localisations du porte-pièce sont définies relativement à l’origine du

système d’axes

Position relative Les localisations du porte-pièce sont définies par rapport à la position

actuelle

(40, 50)

(20, 20)

20

30

x

y

Position actuelle

de l’outil

Prochaine

position de l’outil

Applications de la commande

numérique

Plusieurs applications industrielles requièrent la commande de la position relative entre le porte-outil et la pièce à travailler.

Machines travaillant par enlèvement de matière

généralement le travail des métaux (usinage: tournage, perçage,

fraisage, surfaçage…etc)

Applications autres que les machines-outils

diverses opérations dans d’autres industries


numérique Machines travaillant par enlèvement de matière

Opérations d’usinage L’usinage est un processus de fabrication dans lequel la géométrie désirée est produite par enlèvement de de l’excès de matière, en contrôlant la position relative entre un outil-coupant et la pièce à usiner

Il y a quatre types d’opérations d’usinage Tournage

Perçage

Fraisage

Meulage

Chaque opération est effectuée à une certaine combinaison de conditions appelée grandeur de coupe


numérique

Outils de

coupe

Avance

Pièce à

usiner

Pièce à

usiner

Foret Avance

Tournage Perçage

Fraisage Surfaçage

Avance

Vitesse de

coupe

Surface à

usiner

Meule à

affûter


numérique

Exemple: le fraisage La vitesse de coupe est la vitesse de l’outil (la fraise)

par rapport à la pièce à usiner (m/min)

Cette vitesse est programmée dans la machine comme la vitesse de rotation de la broche (tr/min)

Équation de conversion

N: vitesse de rotation de la broche (tr/min)

v: vitesse de coupe (m/min)

D: diamètre de la fraise (m)

vN

D


numérique Exemple: le fraisage

L’avance est la valeur du déplacement longitudinal ou transversal de l’outil après une révolution de la broche

L’avance détermine généralement la taille des copeaux formés par les dents de l’outil

Elle est programmée dans la machine CN comme une vitesse d’avance (feed rate)

Équation donnant la vitesse d’avance

fr: vitesse d’avance (mm/min)

N: vitesse de rotation (tr/min)

nt: nombre de dents dans la fraise

f: avance (mm/dent)

r tf Nn f


numérique Les machines-outils à CN les plus utilisées sont:

Les tours à CN: nécessitent une commande deux axes et une commande de trajectoire continue pour créer des géométries cylindriques ou des profils

Les aléseuses-fraiseuses à CN: similaires au tournage sauf que l’enlèvement de matière crée des cylindres intérieurs. Nécessitent une commande deux axes et une commande de trajectoire continue

Les machines à percer à CN: utilisent un mouvement point-à-point de l’outil et un mouvement deux axes de la table de travail. Certaines machines sont équipées d’une tourelle porte-outil qui permettent l’utilisation de plusieurs outils sans avoir à les changer manuellement durant le cycle de travail


numérique Caractéristiques des applications de la CN

Production par lots

taille de lots petite à moyenne (de 1 à plusieurs centaines d’unités)

Commandes répétées

des lots des mêmes pièces sont fabriquées à des intervalles de temps aléatoires ou périodiques

Géométrie de pièces complexes

surfaces courbées complexes telles que les ailes d’avion et les aubes de turbines

Grande quantité de métal à enlever de la pièce à usiner

le volume et le poids des pièces usinées sont réduits par rapport à la pièce brute

Plusieurs opérations d’usinage séparées sur la pièce

l’usinage manuel de telles pièces nécessiterait plusieurs réglages avec une qualité inférieure

La pièce est dispendieuse

lorsque la pièce brute est faite d’un métal cher, ou que les rebuts sont extrêmement chers

Ces caractéristiques sont les critères utilisés pour justifier ou non l’utilisation de machine à CN


numérique

Quelques applications autres que les

machines-outils

Insertion de composants

positionner et insérer des composants dans un plan, par exemple dans

les cartes de circuits imprimés

Appareils à dessiner

utilisés comme partie opérative d’un système de conception et de

fabrication assistée par ordinateur (traceur rapide)


numérique Avantages des machines à CN

Réduction du temps improductif

Accroissement du degré de précision et de répétabilité

Réduction des taux de rebuts

Réduction de la nécessité de contrôle

Possibilité de traiter des géométries complexes

Facilité d’adapter les changements techniques

Réduction des temps de mise en production

Réduction des stocks

Réduction des espaces requis

Réduction du niveau de qualification des opérateurs


numérique

Inconvénients des machines à CN

Coûts d’investissement élevés

Plus d’effort doit être fourni pour la

maintenance

Nécessité de programmation des

équipements de CN

Une plus grande utilisation des équipements

à CN doit être faite pour maximiser leur

rentabilité

Programmation en commande

numérique (manuelle)

La programmation consiste à planifier et à documenter la séquence ordonnée d’étapes à exécuter sur une machine à commande numérique

Une connaissance de l’usinage, de la géométrie et de la trigonométrie est requise

Deux types de programmation seront abordés dans ce cours Programmation manuelle

Programmation par langage de commande numérique (APT: Automatically Programmed Tooling)



Éléments de la programmation manuelle

caractères alphanumériques (A-Z, 0-9)

Une séquence de caractères forme un mot

Le mot spécifie des détails sur l’opération à accomplir (position, vitesse d’avance, vitesse de la broche)

Une collection de mots forme un bloc

Un bloc est une instruction de CN qui détermine la

destination du mouvement, la vitesse et l’avance de

la coupe ainsi que d’autres commandes qui

déterminent ce que la machine doit faire



Éléments de la programmation manuelle

N001 G00 X07000 Y03000 M03

N002 Y06000

Caractères

Mot Bloc


numérique (manuelle) Les mots d’un bloc sont souvent donnés dans l’ordre

suivant: Numéro de la séquence (N001)

Mots préparatoire (G00)

Coordonnées (X-, Y-, Z-, A-, B-, C-)

Vitesse d’avance (F40)

Vitesse de la broche (S0800)

Sélection de l’outil (T14)

Commandes variées (M03)

Fin de bloc

Cf. tableaux A7.1 page 189 pour les mots utilisés dans un programme

A7.2 page 190 pour les mots préparatoires (G)

A7.3 page 191 pour les mots de commandes variées (M)



La programmation manuelle peut être

utilisée pour:

Les mouvements point-à-point

Le contournage

Elle est appropriée pour les opérations

d’usinage point-à-point tel que le perçage,

et le contournage simple tel que le

fraisage et le tournage



La préparation d’un programme nécessite la

définition de l’origine du système d’axes. Les

mouvements seront définis par rapport à ce

système d’axes

L’origine du système de coordonnées peut être

définie par rapport à la position actuelle de l’outil

à l’aide du mot « G92 »

G92 X0 Y-050.0 Z010.0

Cette instruction spécifie les coordonnées de l’outil

(0, - 50, 10) dans le système de coordonnées absolu



Les coordonnées sont implicitement données en

(mm). On peut indiquer cette unité dans le code

à l’aide du mot « G21 »

G21 G92 X0 Y-050.0 Z010.0

Les mouvements sont programmés en utilisant

l’un des mots suivants: G00, G01, G02 et G03 »

G00 X050.0 Y086.0 Z100.0

→mouvement longitudinal rapide de la position

actuelle au point de coordonnées (50, 86, 100)



L’interpolation linéaire est utilisée lors du

contournage par exemple

G01 G94 X050.0 Y086.5 Z100.0 F40 S800

→mouvement de l’outil selon une ligne

droite de la position actuelle au point de

coordonnées (50, 86, 100) avec une

vitesse d’avance de 40 mm/min et une

rotation de la broche de 800 tr/min


numérique (manuelle) L’interpolation circulaire est utilisée avec les mots

G02 pour un mouvement dans le sens de rotation des aiguilles d’une montre

G03 pour un mouvement dans le sens contraire des aiguilles d’une montre

La sélection du plan du mouvement circulaire est faite avec les mots G17, G18 et G19

Par exemple

G02 G17 X088.0 Y040.0 R028.0 F30

→mouvement circulaire dans le sens des aiguilles d’une montre dans le plan (x, y) de la position actuelle au point de coordonnées (88, 40) avec un rayon de 28 mm et vitesse d’avance de 30 mm/min


numérique (manuelle) Dans les opérations de perçage, l’outil doit être déplacé

exactement au point spécifié

Dans les opérations de fraisage (contournage), la position de l’outil doit être décalée de celle spécifiée d’une distance égale au rayon de l’outil. Cette distance est appelée «décalage de l’outil» (cutter offset)

Pièce à usiner

Trajectoire de

l’outil y

x

Taille de l’outil

Sens des aiguilles d’une montre

Sens inverse des aiguilles d’une

montre


numérique (manuelle) Les machines à CN permettent d’intégrer le calcul de

l’offset automatiquement dans le programme: G40, G41 et G42 G40: permet d’annuler la compensation de l’offset

G41 et G42: invoquent la compensation de l’offset lorsque l’outil est à gauche (resp. droite) de la pièce à usiner

G42 G01 X100.0 Y040.0 D05

→ mouvement de l’outil selon une ligne droite de la position actuelle au point de coordonnées (100, 40) avec une compensation de l’offset où l’outil est situé à droite de la pièce. D05 rend compte du diamètre de l’outil (indique que le rayon de l’outil est stocké dans le registre numéro 05 du dispositif de commande)



Lorsqu’on veut entrer la valeur de l’offset

comme une instruction dans le programme

G10 P05 R10.0

G10: indique que la donnée sur l’offset de l’outil sera

entrée

P05: indique que la donnée sera mémorisée dans le

registre 05

R10.0: indique la valeur du rayon en mm (10 mm)



Exemple 1: perçage point-à-point L’outil a un diamètre de 7 mm (correspond au

diamètre des trous) et est déjà monté sur le porte-outil

Le perçage a une avance de 0.05 mm/tr

La vitesse de rotation de la broche est de 1000 tr/min

L’outil est positionné au point-cible de coordonnées

x=0, y=-50 et z=+10 au début de la tâche

Les unités sont en mm

L’outil doit retourner au point-cible à la fin de la tâche



Exemple 1: perçage point-à-point Les axes x-, y- et z- sont définis de la façon suivante

x

y

(160, 0)

(120, 30)

(130, 60)

(70, 30)

(70, 60)

(35, 90)

(0, 0)

x

z

-z

-10


numérique (manuelle) Exemple 1: perçage point-à-point N001 G21 G90 G92 X0 Y-050.0 Z010.0 (Définir l’origine des axes)

N002 G00 X070.0 Y030.0 (mouvement rapide au dessus du 1er trou)

N003 G01 G95 Z-015.0 F0.05 S1000 M03 (Perçage du premier trou)

N004 G01 Z010.0 (retirer l’outil du trou)

N005 G00 Y060.0 (mouvement rapide au dessus du 2ème trou)

N006 G01 G95 Z-015.0 F0.05 (Perçage du second trou)


N008 G00 X120.0 Y030.0 (mouvement rapide au dessus du 3ème trou)

N009 G01 G95 Z-015.0 F0.05 (Perçage du 3ème trou)


N011 G00 X0 Y-050.0 M05 (mouvement rapide au point-cible et arrêt de

la broche)

N012 M30 (Fin du programme, arrêt de la machine)



Exemple 2: contournage

Il s’agit de contourner la périphérie de la pièce

en suivant la trajectoire décrite dans la dessin

x

y

-y

-x

Périphérie de

la pièce

Diamètre de

l’outil

Trajectoire de l’outil

Point-cible

N001, N002

N003N004

N005

N006N007

N008

N009

N010



Exemple 2: contournage L’origine du système de coordonnées est à la surface supérieure

de la pièce

Le diamètre de l’outil est de 20 mm

Pour le contournage, l’outil doit être positionné à 25 mm en

dessous de la surface supérieure de la pièce, soit à z=-25 mm

La vitesse de rotation de la broche est de 1000 tr/min

La vitesse d’avance de l’outil est de 50 mm/min

Le rayon de l’outil est déjà entré dans le registre de l’offset 05

Le point-cible est x=0, y=-50 et z=10 (départ et arrivée)

Après avoir contourné la pièce, l’outil se retire au point x=-40 et

y=0 avant de se positionner au point-cible


numérique (manuelle) Exemple 2: contournage N001 G21 G90 G92 X0 Y-050.0 Z010.0 (Définir l’origine des axes)

N002 G00 Z-025.0 S1000 M03 (mouvement rapide à la profondeur désirée, et mise en rotation de la broche)

N003 G01 G94 G42 Y0 F50 D05 (Avance vers la pièce, prise en compte de l’offset)

N004 G01 X160.0 (Mouvement linéaire)

N005 G01 Y060.0 (Mouvement linéaire)

N006 G03 G17 X130.0 Y090.0 R30.0 (Mouvement circulaire dans le plan x, y de rayon 30 mm)

N007 G01 X035.0 (Mouvement linéaire)

N008 G01 X0 Y0 (Mouvement linéaire)

N009 G00 G40 X-040.0 M05 (Mouvement rapide au retrait et arrêt de la broche)

N010 G00 X0 Y-050.0 Z010.0 (Mouvement rapide au point-cible)

N011 M30 (Fin du programme)

Programmation assistée par

ordinateur en CN

La programmation assistée par ordinateur permet de: Définir la géométrie de la pièce

Quelque soit la géométrie de la pièce, elle peut (presque toujours) être

décomposée en éléments simples: points, lignes droites, plans, cercles, cylindres…etc.

Spécifier la trajectoire de l’outil et la séquence des opérations

Une fois la géométrie spécifiée, le programmeur doit indiquer la

trajectoire suivie par l’outil pour compléter la tâche

Autres fonctions

Le programmeur peut également donner un nom au programme, identifier la machine-outil qui accomplira la tâche, spécifier la vitesse de coupe et d’avance…etc.

Programmation par langage de

commande numérique (APT)

La programmation assistée par ordinateur utilise la langage de commande numérique (APT)

Quatre (4) types d’instructions sont utilisées dans le langage APT Géométrie (éléments géométriques de la pièce)

Commande de mouvement (spécification de la trajectoire)

Instructions de traitement (contrôle du mouvement: vitesse, avance, tolérance, interpolation circulaires…etc.)

Instructions auxiliaires (diverses instructions pour spécifier le nom du programme, les commentaires…etc.)



Instructions géométriques SYMBOL=GEOMETRY TYPE /données descriptives

Exemples:

P1=POINT/20.0, 40.0, 60.0 (point par coordonnées)

P2=POINT/INTOF, L1, L2 (point par intersection de deux lignes)

L3=LINE/P3, P4 (ligne passant par deux points)

L4=LINE/P5, PARLEL, L3 (ligne passant par un point parallèle à une autre ligne)

PL1=PLANE/P1, P2, P3 (plan passant par trois points)

PL2=PLANE/P2, PARLEL, PL1 (plan passant par un point parallèle à un autre plan)

C1=CIRCLE/CENTER, P1, RADIUS, 25.0 (cercle avec centre et rayon)

C2=CIRCLE/P4, P5, P6 (cercle passant par trois points)


commande numérique (APT) Instructions géométriques (Exemple)

P1=POINT/0, 0, 0

P2=POINT/160.0, 0, 0

P3=POINT/160.0, 60.0, 0

P4=POINT/35.0, 90.0, 0

P5=POINT/70.0, 30.0, 0

P6=POINT/120.0, 30.0, 0

P7=POINT/70.0, 60.0, 0

P8=POINT/130.0, 60.0, 0

L1=LINE/P1, P2

L2=LINE/P2, P3

C1=CIRCLE/CENTER, P8, Radius, 30.0

L3=LINE/P4, PARLEL, L1

L4=LINE/P4, P1

x

y

P2(160, 0)

P6(120, 30)

P8(130, 60)

P5(70, 30)

P7(70, 60)

P4(35, 90)

P1(0, 0)

P3(160, 60)

L1

L2

L3

L4

C1



Commandes de mouvement MOTION COMMAND/données descriptives

Exemples:

GOTO/P1 (aller au point P1)

FROM/PTARG (spécifier la position de départ par rapport à laquelle les

autres mouvements sont référencés. PTARG est le point-cible)

FROM/-20.0, -20.0, 0 (Les coordonnées du point de départ sont

spécifiées)

GOTO/-20.0, -20.0, 0 (mouvement point-à-point au point spécifié)

GODLTA/50.0, 120.0, 40.0 (mouvement incrémentiel point-à-point à partir

de la position actuelle en se déplaçant de 50 mm selon l’axe des x, 120

mm selon l’axe des y et de 40 mm selon l’axe des z, très utilisée en

perçage)



Instructions de traitement POSTPROCESSOR COMMAND/données descriptives

Exemples:

UNITS/MM (l’unité utilisée est le mm)

INTOL/0.02 (tolérance interne pour les mouvements circulaires)

OUTTOL/0.02 (tolérance externe pour les mouvements circulaires)

CUTTER/20.0 (diamètre de l’outil)

SPINDL/1000, CLW (vitesse de rotation de la broche en tr/min

dans le sens des aiguilles d’une montre)

SPINDL/OFF (arrêt de la broche)

FEDRAT/40, IPM (la vitesse d’avance est de 40 par minute)



Instructions auxiliaires Exemples:

PARTNO (utilisé au début du programme pour l’identifier)

MACHIN/ (définit la machine-outil)

CLPRNT (utilisé pour imprimer la séquence de positions de

l’outil)

REMARK (permet d’inclure des commentaires explicatifs et n’est

pas interprété par le processeur)

FINI (indique la fin du programme)



Exemple: perçage point-à-point Cf. exemple B7.3 page 211

Conclusions

Les machines à CN offrent une grande flexibilité; en effet, il est facile de changer les instructions du programme si l’ingénierie de la pièce change

Les machines à CN trouvent leur application dans des domaines divers et variés

Les machines à CN sont appropriées pour les volumes de production petits à moyens

La programmation des machines à CN se base sur la commande des positions relatives entre l’outil et la pièce à usiner

Lecture suggérée: Livre de référence (chapitre 7 139 : sec 7.1 page 142, sec 7.4 page 156, appendis A7 page à 189 et appendis B7 page à 197)

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