Vous êtes-vous déjà demandé ce qui se passe après avoir appuyé sur le bouton « Cycle Start » ? Lorsque vous appuyez sur le bouton vert « CYCLE START » sur le panneau de commande, la machine-outil commence à se déplacer selon le programme. L’ensemble du processus semble « magique » – mais derrière tout cela se cache un système collaboratif très rigoureux : un composant lit le programme, un autre convertit les instructions en signaux électriques, un autre fait tourner le moteur, un autre détecte en permanence le retour de position et un autre contrôle le liquide de refroidissement et le changement d’outil…
Ces « certains composants » constituent les cinq systèmes centraux des machines-outils CNC. Comprendre ces cinq systèmes ne consiste pas seulement à satisfaire la curiosité : lorsque la machine-outil tombe en panne, vous pouvez juger approximativement de quel maillon se situe le problème ; lorsque vous acquerrez des connaissances plus approfondies, vous disposerez d’un cadre clair pour comprendre le nouveau contenu.
Système 1 : dispositif CNC (contrôleur CNC) — Le « cerveau » de la machine-outil
(Source de l'image : Siemens) Le dispositif CNC est le cœur de l'ensemble de la machine-outil, que nous appelons souvent le « système CNC » ou contrôleur CNC. Son processus de travail est le suivant :
Lecture du programme : Lire le programme CN depuis la mémoire, la carte CF ou l'interface réseau
Décodage : « Traduire » des instructions telles que le code G et le code M en données que le système peut traiter en interne
Calcul d'interpolation : selon les instructions de mouvement, calculez le déplacement de chaque axe dans chaque unité de temps (il s'agit du calcul le plus fondamental : décomposer « du point A au point B » en d'innombrables petites étapes)
Émission d'instructions de contrôle : envoyer la quantité de mouvement de chaque axe au système d'asservissement sous forme de signaux électriques
Fonctions auxiliaires de coordination : Contrôlez les fonctions du code M telles que la vitesse de broche, le changement d'outil et le liquide de refroidissement
Le dispositif CNC exécute non seulement passivement le programme, mais reçoit également un retour de position en temps réel de chaque axe et corrige les écarts de mouvement à tout moment. Le panneau de commande et l'écran d'affichage que vous voyez habituellement sur la machine-outil sont l'interface d'interaction homme-machine du périphérique CNC : vous saisissez des programmes, modifiez les paramètres et vérifiez les coordonnées tout au long de cette interface pour communiquer avec le périphérique CNC.
Système 2 : système d'asservissement — Les « muscles » de la machine-outil
Le dispositif CNC émet une instruction « L'axe X se déplace de 0,001 mm », mais cette instruction doit être convertie en mouvement mécanique réel par le système d'asservissement. (Source de l'image : FANUC)
Le système d'asservissement se compose de deux parties :
Servo Drive : reçoit le signal de commande envoyé par le dispositif CNC, l'amplifie et le convertit en énergie électrique pour entraîner le moteur. C’est l’équivalent d’un « amplificateur de puissance » de précision.
Servomoteur : convertit l'énergie électrique en mouvement de rotation mécanique. La différence entre un servomoteur et un moteur ordinaire est que le servomoteur dispose d'un encodeur de position intégré, qui peut contrôler avec précision l'angle de rotation, et sa vitesse de réponse est extrêmement rapide : il peut démarrer, arrêter ou changer de vitesse en millisecondes.
Les machines-outils CNC disposent généralement de plusieurs ensembles de systèmes d'asservissement :
Un servo d'avance pour chacun des axes X, Y et Z : contrôle le mouvement de l'outil et de la table de travail
Servo de broche : contrôle la vitesse de rotation de la broche (outil)
L'objectif du servo de broche et du servo d'avance est légèrement différent : le servo d'avance recherche la précision de la position (la quantité de mouvement doit être précise) et le servo de broche recherche la stabilité de la vitesse (la vitesse doit être constante pendant la coupe et ne peut pas fluctuer en raison des changements dans la force de coupe). Pour les machines-outils à cinq axes, il existe deux ensembles supplémentaires de systèmes d'asservissement pour contrôler les axes de rotation (axes A/B/C), et il peut y avoir 5 à 6 ensembles de servos fonctionnant en même temps.
Système 3 : Corps mécanique de machine-outil — Squelette et articulations
Le servomoteur génère un mouvement de rotation, mais la machine-outil effectue un mouvement linéaire et un positionnement rotatif de l'outil. Il est nécessaire de convertir la rotation du moteur en un mouvement précis des différentes parties de la machine-outil, qui repose sur le corps mécanique. Les principaux composants du corps mécanique :
Lit/châssis : structure de base de la machine-outil, généralement constituée de fonte ou de tôle d'acier soudée. Un bon lit a une rigidité élevée et une bonne résistance aux vibrations, ce qui est la condition préalable pour garantir la précision du traitement. (Machine optique à deux lignes et à trois axes)
Guide/voie linéaire : la « piste » qui guide la table de travail et la tête de broche pour qu'elles se déplacent dans une direction spécifique. Les centres d'usinage modernes adoptent généralement des guides roulants linéaires, qui présentent un faible frottement, une haute précision et une réponse rapide. Les machines-outils de haute précision utiliseront des guides hydrostatiques avec une friction presque nulle.
Vis à billes : la pièce centrale qui convertit le mouvement de rotation du servomoteur en mouvement linéaire de la table de travail. La vis à billes transmet la force par le roulement de billes d'acier internes, avec un frottement extrêmement faible, et peut atteindre une précision de positionnement de l'ordre du micron.
Broche : composant central qui serre l'outil et tourne à grande vitesse. La précision (rond-rond) de la broche affecte directement la précision du traitement, et la vitesse maximale de la broche détermine la vitesse à laquelle vous pouvez traiter. Les broches à grande vitesse peuvent atteindre 40 000 tr/min ou même plus. (Source de l'image : Luoyi)
Système 4 : Système de détection et de rétroaction — Les yeux du contrôle en boucle fermée
Il s’agit d’un système très critique que de nombreux débutants ne connaissent pas grand-chose. Le système CNC demande au servomoteur de « faire 10 tours », mais comment sait-il que le moteur a réellement tourné exactement 10 tours ? L’outil a-t-il réellement parcouru la distance demandée ? Il s'appuie sur le système de détection et de retour d'information, dont la fonction est de mesurer la position réelle en temps réel et de la renvoyer au dispositif CNC, permettant au système de corriger automatiquement l'écart en fonction de l'erreur.
Ce cycle « émission d'instructions → exécution → détection des valeurs réelles → comparaison des écarts → correction des instructions » est appelé contrôle en boucle fermée, qui est le mécanisme de base pour garantir la précision de la CNC.
Il existe deux types de composants de détection couramment utilisés :
Encodeur rotatif : installé sur l’arbre du servomoteur pour détecter l’angle de rotation du moteur. Puisqu'il détecte l'extrémité du moteur plutôt que l'extrémité de la table de travail, il existe toujours des erreurs telles que la déformation élastique de la vis, qui appartient au contrôle en boucle semi-fermée. La plupart des centres d'usinage adoptent ce schéma et la précision du positionnement est généralement de ±0,005 à 0,01 mm.
Échelle linéaire : directement installée à côté du rail de guidage de la machine-outil pour mesurer le déplacement linéaire réel de la table de travail. Parce qu'il mesure directement la position de la table de travail, il élimine les erreurs dans les liaisons de transmission telles que la vis à billes, appartenant à un contrôle en boucle fermée avec une plus grande précision (jusqu'à ± 0,001 mm). Les machines-outils de haute précision et les machines-outils de précision à cinq axes sont généralement équipées de balances linéaires. (Échelle linéaire RENISHAW)
Système 5 : Système de fonctions auxiliaires — Permettre à la machine-outil de « fonctionner »
Les quatre premiers systèmes garantissent ensemble que l'outil peut se déplacer avec précision. Mais pour véritablement achever le traitement, une série de fonctions auxiliaires sont nécessaires :
Changeur d'outils automatique (ATC) : L'une des caractéristiques les plus importantes des centres d'usinage. Le magasin d'outils stocke plusieurs outils et le manipulateur termine automatiquement l'ensemble du processus lors du changement d'outil, ce qui ne prend généralement que quelques secondes. La capacité du magasin d'outils varie de 8 à plus de 100 outils.
Système de refroidissement : Beaucoup de chaleur est générée entre l’outil et la pièce pendant le traitement. Le liquide de refroidissement est responsable du refroidissement, de la lubrification et de l'élimination des copeaux. Les méthodes courantes incluent le refroidissement par pulvérisation externe, le refroidissement interne (pulvérisation directement sur la zone de coupe à travers la broche et le trou central de l'outil), etc.
Système pneumatique/hydraulique : utilisé pour les actions nécessitant une force importante, telles que le serrage de pièces, les actions de changement d'outil et le relâchement de l'outil de broche.
PLC (Programmable Logic Controller) : Le dispositif CNC gère uniquement le contrôle de mouvement, tandis qu'un grand nombre de commandes de quantité de commutateurs sur la machine-outil (changement d'outil, commutateur de liquide de refroidissement, verrouillage de la porte de protection, etc.) sont gérées par le PLC intégré. Le PLC et le dispositif CNC coopèrent pour former un système complet de contrôle de machine-outil.
Flux de signal des cinq systèmes centraux (Comprendre en un coup d'œil)
Le processus de travail de l'ensemble du système peut être compris grâce à une chaîne de signaux : c'est tout ce qui se passe après « avoir appuyé sur le démarrage du cycle », un processus de contrôle précis en boucle fermée qui se répète des milliers de fois par seconde.
Introduction aux grandes marques de systèmes CNC
Après avoir compris le rôle du dispositif CNC, faisons connaissance avec les principales marques du marché :
FANUC : Une marque japonaise avec la plus grande part de marché mondiale et un taux d'occupation extrêmement élevé dans les usines nationales. Le système est stable et fiable, avec un écosystème technique complet, ce qui en fait le premier choix pour l'apprentissage de niveau débutant (les exemples d'opérations ultérieurs de cette série se concentreront principalement sur FANUC).
Siemens SINUMERIK : Une marque allemande, la configuration grand public des machines-outils de style européen. SINUMERIK ONE est un système d'installation de machines-outils haut de gamme doté de fonctions puissantes et d'un support parfait sur cinq axes, mais la courbe d'apprentissage est abrupte. Il est largement utilisé dans les domaines automobile et aérospatial nationaux.
Heidenhain TNC : une marque allemande spécialisée dans les centres d'usinage de fraisage, avec le support fonctionnel à cinq axes le plus raffiné et une grande réputation dans les domaines de l'aérospatiale et des moules de précision.
Les marques nationales se sont développées rapidement ces dernières années et les principaux représentants sont les suivants :
| Marque | Entreprise affiliée | Principaux avantages | Positionnement sur le marché | Prise en charge de cinq axes |
| Huazhong Type 9 | CNC Huazhong | CPU domestique, indépendant et contrôlable | Remplacement domestique de milieu à bas de gamme | Général |
| GSK | CNC de Guangzhou | Avantage de prix, installations de support complètes | Machines-outils économiques | Général |
| Kédé GNC62 | Kede CNC | Liaison à cinq axes et traitement des composites par tournage-fraisage | Marché moyen et haut de gamme | Bon |
| Syntec | Technologie Syntec | Forte compatibilité CAM, interface conviviale | Milieu de gamme, croissance la plus rapide dans le domaine des cinq axes | Bon |
Focus spécial : le système Syntec – la force principale du système domestique à cinq axes
Parmi de nombreux systèmes CNC nationaux, Syntec a joué un rôle particulièrement important dans le domaine du traitement à cinq axes ces dernières années et est devenu l'un des systèmes avec le taux d'installation le plus élevé de machines-outils nationales à cinq axes.
Les principaux avantages de Syntec sont les suivants : une compatibilité extrêmement forte avec les logiciels de FAO, prenant en charge la sortie post-traitement de presque tous les logiciels de FAO traditionnels ; Le G-code est fondamentalement compatible avec les systèmes CNC FANUC, l'interface de fonctionnement est conviviale pour les débutants et le coût d'apprentissage est inférieur à celui des systèmes européens et américains traditionnels ; en même temps, il fonctionne de manière stable dans les fonctions clés telles que le RTCP à cinq axes et le contrôle des axes d'outils, ce qui est une raison importante pour laquelle un grand nombre de fabricants de machines-outils à cinq axes choisissent Syntec comme système de configuration standard.
Si vous ou votre entreprise envisagez d'acheter une machine-outil nationale à cinq axes ou souhaitez comprendre l'état de développement des systèmes nationaux, vous pouvez prêter attention au système Syntec, qui propose également de nombreuses ressources d'apprentissage en ligne. Dans les démonstrations pratiques ultérieures de cette série, nous envisagerons également d'ajouter des exemples de fonctionnement du système Syntec.
Résumé de cet article
· Dispositif CNC : le cerveau, qui lit les programmes, effectue des calculs d'interpolation et émet des instructions de mouvement.
· Système servo : les muscles qui entraînent le mouvement précis de chaque moteur d'axe
· Corps mécanique : le squelette, y compris le lit, le rail de guidage, la vis à billes et la broche
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