MEC3530 – Fabrication assistée

par ordinateur et machines outils

Automne 2013
Cours 1 – Structures mécaniques des
Machines outils à commande numérique
Victor Calatoru, Ph.D., ing.
Feuille de route
 Place et rôle de la commande numérique
dans la fabrication moderne
 Tendances dans le développement des
machines outils à commande numérique
 Structures cinématiques typiques des MOCN
(pour les centres d’usinage en fraisage)
 Les systèmes de coordonnées des MOCN
 Exemples d’autres types de machines à
commande numérique
 Critères pour choisir la bonne MOCN
Place de la commande numérique
dans l’industrialisation moderne
 Atout : possibilité d’interfacer le résultat de la
conception avec la fabrication
 La commande numérique utilisée pour le contrôle du
déplacement des outils de coupe
 Fabrication en grande série ou en masse (industrie de
l’automobile, robotisation)
 Fabrication en petits lots (prototypage, produits uniques,
cration des formes complexes)
 Atout : Contrôle précis des paramètres des procédés
continus
 industrie chimique, alimentaire, traitement des eaux
 Prise des mesures, assemblage, opérations de
finitions, autres procédés de fabrication
 À quoi sert la commande numérique ?
 La commande numérique est un procédé
automatisé de positionnement.

 A partir d’informations numériques

fournies à l’aide d’un programme, un
organe mobile peut se déplacer suivant
une trajectoire donnée à une position
définie par les coordonnées.
 Machines traditionnelles

 L’opérateur doit contrôler le fonctionnement en tout

moment;
 L’opérateur change l’outil, le brut et commande tous les
réglages des paramètres;
 Machines spécialisées, capables de suivre des
trajectoires matérialisées;
 Limitations assez sévères des paramètres de travail de
la machine.
 Fonctions d’un opérateur pour MOCN
 Assurer la fixation de la pièce et des outils;
 Sélectionner ou choisir les vitesses et les
profondeurs de coupe et les avances;
 Compenser les variations des outils;
 Vérifier l’état de fonctionnement de la machine;
 Effectuer les procédures de mise en marche et
arrêt de la machine;
 Contrôler les mouvements d’approche, d’usinage et
de retrait des outils;
 Vérifier la qualité de l’usinage;
Taches à la fois plus faciles mais plus
techniques que pour l’usinage conventionnel
Utilisation des ordinateurs pour la
commande numérique
Le contrôleur (l’ordinateur) est utilisé pour:

 Le pilotage de l’outil et des axes motrices principales

et secondaires;
 Pilotage d’autres systèmes auxiliaires (lubrification,
magasins d’outils, évacuation des copeaux, etc.);
 En tant qu’aide è la programmation et opération
directe par l’opérateur;
 Compensation des erreurs et des variations
géométriques des outils;
 Contrôle intégré;
 Autodiagnostic et manutention automatisés;
 Connexion en réseau pour transfert de données;
Domaine d’application des MOCN

Tour automatique à cames Fay (1921)

 Avantages des MOCN en production

 La possibilité de réaliser des pièces complexes, autrement

irréalisables sur des machines classiques;
 Universalité et flexibilité supérieure par rapport aux machines
classiques;
 La diminution des temps d’arrêt pour contrôle dimensionnel et
réglages; diminution des temps morts; diminution du temps de
fixation et dégagement des pièces et outils, surtout avec des
systèmes automatisées de changement des outils et pièces
palettisées;
 Meilleur rapport temps de coupe/temps d’arrêt;
 Moins de surveillance et moins de manœuvres manuelles de la
part des opérateurs;
 Rendement et qualité constantes;
 Réduction du nombre des machines nécessaires pour une
production donnée;
 Avantages au niveau organisationnel
 Possibilité d’embaucher des opérateurs ayant des
compétences plus ciblés;
 Contrôle plus facile des pièces et des temps d’utilisation des
machines et des outils;
 Possibilité d’exécuter sur demande des programmes pour des
séries réduites; réduction des stocks;
 Les opérations communes peuvent être décalées pour le
deuxième ou troisième quart de travail;
 Migration plus facile d’une MOCN à une autre, pour les
opérateurs ainsi que pour les pièces usinées; moins
d’expérience sur une certaine machine demandée;
 Changement de production plus facile;
 La séparation des phases de préparation et de production des
pièces;
Désavantages
 Prix d’acquisition toujours plus élevé que pour les
machines conventionnelles;
 Frais d’entretien plus élevées à cause de la
complexité accrue; moins des possibilités de
réparations à l’interne;
 Moins de tolérance aux erreurs;
 Environnement plus contrôlé à cause des systèmes
électroniques et de la précision supérieure
(température, vibrations, poussières, humidité, etc.)
 Qualifications assez poussées pour les techniciens;
Les machines à CN sont arrivées !
 Évolution des MOCN

Machines très couteuses, pour

applications spéciales

Machines qui forment la base de la

production industrielle commune

Machines pour des bricoleurs,

accessibles et peu dispendieuses
 Évolution de l’usinage à commande numérique

Usinage
conventionnel
1952 1960 1972 1980
Introduction de concept de
l’usinage à CN l’usinage CN

1947 – John T. Parsons (1913-2007) et US Air Force définissent les critères

pour développer une machine-outil capable d’usiner des surfaces complexes
avec des tolérances serrées et une bonne répétabilité.
1952 – La première MOCN est construite par MIT.
1959 – MIT lance le langage de programmation Automatic Programmed
Tools (APT), pour faciliter la tâche des programmeurs.
1960 – Apparition de la Direct Numerical Control (DNC). Les programmes
sont envoyés directement à la MOCN
1968 – Kearney & Trecker mettent en vente le premier centre d’usinage
1970’s – Les MOCN communes & Distributed Numerical Control (DNC)
1980’s – Introduction des premières systèmes CAO graphiques pour Unix et
PC
1990’s – Chute de prix dans la technologie des MOCN
1997 – Les systèmes “Open Modular Architecture Control (OMAC)” basés
sur PC-Windows/NT pour remplacer les contrôleurs “firmware”. MOCN datant des années 1980 - présente la combinaison
technologique entre une machine-outil et un ordinateur
(Collections de Henry Ford Museum & Greenfield Village.)
Comparaison entre une MOCN conventionnelle
et un centre d’usinage à CN moderne
 Fraiseuses conventionnelles

Fraise horizontale universelle Fraise verticale Fraise verticale à tête de bélier

 Le fraisage conventionnel

 3 axes linéaires, axe de rotation en option

 Table d’indexation optionnelle
 Trajectoires linéaires, interdépendance
possible entre les mouvements
 Disposition horizontale ou verticale de
l’arbre principal
 Usinage avec le bout ou le flanc de l’outil
 Surfaces générés planes ou profilées,
occasionnellement sur des directrices
non-linéaires
 Types de base de MOCN

Fraiseuse Centre d’usinage

Tour
Structure des MOCN
Progression des coûts pour la
programmation des MOCN

5X(ADV)

SOFTWARE
5X
TRAINING
POST
3D
SIMULATOR

2D

0 10000 20000 30000 40000

 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
 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

 Tour à commande
numérique Mazak
(LRFV)
Assemblage d’une MOCN
Assemblage d’une MOCN
Assemblage d’une MOCN
Assemblage d’une MOCN
Assemblage d’une MOCN
Assemblage d’une MOCN
Assemblage d’une MOCN
Assemblage d’une MOCN
Assemblage d’une MOCN
Assemblage d’une MOCN
Assemblage d’une MOCN
Assemblage d’une MOCN
Assemblage d’une MOCN
Assemblage d’une MOCN
Assemblage d’une MOCN
Assemblage d’une MOCN
Assemblage d’une MOCN
Assemblage d’une MOCN
Répartition des axes pour des
différentes configurations de MOCN
Différentes types de cinématiques des MOCN
Types de structures MOCN
Types de structures MOCN
Types de structures MOCN
 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
(linéaires) & D, E (rotatifs)
 Axes tertiaires (P, Q, R)
Cinématique XY/Z Matsuura MC-760VX
Cinématique XY/Z (Beaver VC55)

Au zéro machine, coin droit arrière

de la table sous la broche
Cinématique BAX/ZY Mazatech H6305X
Cinématique CXY/ZB (DMG DMC-60T)
 Centre d’usinage à commande
numérique avec arbre vertical

 La plus commune des structures.

 Présente 3 axes de déplacement
linéaire, avec la possibilité
d’ajout d’une structure
fournissant 1 ou 2 axes de
rotation (plateau rotatif et –
optionnel – inclinable.
 Schémas des centres de fraisage à CN

Représentation d’un centre à

CN horizontal à 5 axes

Représentation d’un centre à

CN vertical à 3 axes
 Système d’axes de coordonnées

Coordonnées des points

Axes, origine et quadrants

Système d’axes pour un tour

Z+

Éloignement
X+
Axes, plans et vues
 Les origines des systèmes de coordonnées

 Origine machine : OM – Position physique d’un

point de l’élément mobile, butée détectée par un
contact électrique lors de l’initialisation en POM.

 Origine mesure : Om – 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 mémorisé permanent dans le contrôleur
par le constructeur.
 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.
 Positionnement de l’origine pièce : PREF

Le positionnement de l’origine pièce (Op) peut être

introduit :
 Automatiquement, en faisant correspondre l’Op et la position
courante de la machine. En mode PREF, on introduit au
clavier : *X Y Z. L’affichage correspondra à la valeur absolue
des positions atteintes par les axes X Y Z, à la suite des
déplacements réalisées après la prise d’origine (POM).
« Tangenter la pièce »

 Manuellement; en mode PREF, on introduit pour chaque axe

les valeurs en X Y Z, que l’on désire affecter à chaque
coordonnée.
 Les décalages
Décalage d’origine
Il est possible au cours d’un programme de changer d’origine
pour faciliter la programmation (simplicité du code). On fait
alors un décalage d’origine par une instruction codée.

DEC1 : c’est le décalage qui définit l’écart entre l’origine pièce

Op et l’origine programme OP. Il est connu du programmeur
et introduit au clavier.
 Décalage programmé (G59 X… Y… Z…) : il peut être utilisé

pour déterminer les origines de plusieurs parties en usinage.

 Les décalages
 En programmation absolue (G90), G59 X… définit la
valeur du décalage par rapport à l’origine programme,
appliqué aux cotes suivantes. L’introduction d’un autre
G59 X… annule et remplace le précédent.

 En programmation relative (G91), G59 X… définit la

valeur du décalage appliqué à la première cote suivant
le G59. Un autre G59 modifiera la première cote le
suivant mais la position en valeur absolue se trouvera
décalée de la somme de tous les G59 programmés
Les origines
Représentation graphique du PREF et du DEC
fraisage vertical (à gauche) et fraisage horizontal (à droite)
Machines à rectifier à commande numérique
Bridgeport- Harig CNC surface grinder Supertec Surface Grinder
Sandretto Injection molding machine
Machines pour usinage par décharge électrique
Charmilles CNC Wire EDM Mitsubishi CNC EDM
Perceuses à commande numérique
Fanuc Robodrill EDM Drillmate
 Ajout des axes de rotation supplémentaires
 Structure Kitamura Mytrunnion 1
 2 axes de rotation placés à 90°
Données techniques Mytrunnion-1

Diamètre de la surface de travail 120 mm

Déplacements linéaires (X,Y,Z) 356 x 510 x 460 mm

Axe d’inclinaison (A) -110° ~ 30°

Précision d’indexage 0.001°

Axe de rotation (C) 360°

Machine Haas VF6-TR40 avec trunnion
Axes de rotation non-perpendiculaires
 Les machines à pieds – les
hexapodes et les nanopodes

Lacet
Plateforme

Membre composé /
capteur linéaire

Roulis Outil

Tangage Pièce usinée

Machine VOH 1000 (hexapode

à broche verticale)
Espace de travail 600 X 600 X
800 mm
Avance : max 30 m/min
Accélération maximale : 0,5 g
Précision volumique : 20 μm
Puissance maximale 37,5 kW
Couple maximal : 49 N·m
Conversion d’une machine conventionnelle
en MOCN (retrofitting)

 Bridgeport EZ Trak CNC

vertical milling machine
Questions ?