L’histoire des machines CNC
John T. Parsons (1913-2007) de Parsons Corporation à Traverse City, MI est considéré comme le pionnier de la commande numérique, précurseur de la machine CNC moderne. Pour son travail, John Parsons a été appelé le père de la deuxième révolution industrielle. Il devait fabriquer des pales d’hélicoptères complexes et a rapidement compris que l’avenir de la fabrication passait par la connexion des machines aux ordinateurs. Aujourd’hui, on trouve des pièces fabriquées par CNC dans presque toutes les industries. Grâce aux machines CNC, nous disposons de biens moins chers, d’une défense nationale plus forte et d’un niveau de vie plus élevé que dans un monde non industrialisé. Dans cet article, nous allons explorer les origines de la machine CNC, les différents types de machines CNC, les programmes de machines CNC et les pratiques courantes des ateliers de machines CNC.
Les machines rencontrent l’ordinateur
En 1946, le mot « ordinateur » signifiait une machine de calcul fonctionnant avec une carte perforée. Même si Parsons Corporation n’avait fabriqué qu’une seule hélice auparavant, John Parsons a convaincu Sikorsky Helicopter qu’il pouvait produire des gabarits extrêmement précis pour l’assemblage et la fabrication des hélices. Il a fini par inventer une méthode d’ordinateur à carte perforée pour calculer les points sur une pale de rotor d’hélicoptère. Il a ensuite demandé à des opérateurs de tourner les roues jusqu’à ces points sur une fraiseuse de Cincinnati. Il a organisé un concours pour le nom de ce nouveau procédé et a donné 50 $ à la personne qui a inventé « Numerical Control » ou NC.
En 1958, il a déposé un brevet pour connecter l’ordinateur à la machine. Sa demande de brevet est arrivée trois mois avant le MIT, qui travaillait sur le concept qu’il avait lancé. Le MIT a utilisé ses concepts pour fabriquer l’équipement original et le licencié de M. Parsons (Bendix) a accordé des sous-licences à IBM, Fujitusu et GE, entre autres. Le concept de la CN a mis du temps à s’imposer. Selon M. Parsons, les personnes qui vendaient l’idée étaient des informaticiens et non des fabricants. Au début des années 1970, cependant, l’armée américaine elle-même a popularisé l’utilisation des ordinateurs à commande numérique en les construisant et en les louant à de nombreux fabricants. Le contrôleur CNC a évolué parallèlement à l’ordinateur, entraînant de plus en plus de productivité et d’automatisation dans les processus de fabrication, en particulier l’usinage.
Qu’est-ce que l’usinage CNC ?
Les machines CNC fabriquent des pièces dans le monde entier pour presque toutes les industries. Elles créent des choses à partir de plastiques, de métaux, d’aluminium, de bois et de nombreux autres matériaux durs. Le mot « CNC » signifie « Computer Numerical Control », mais aujourd’hui tout le monde l’appelle CNC. Alors, comment définir une machine CNC ? Toutes les machines automatisées à commande de mouvement ont trois composants principaux : une fonction de commande, un système d’entraînement/mouvement et un système de retour. L’usinage CNC consiste à utiliser une machine-outil pilotée par ordinateur pour produire une pièce à partir d’un matériau solide dans une forme différente
La CNC dépend d’instructions numériques généralement réalisées sur un logiciel de fabrication assistée par ordinateur (FAO) ou de conception assistée par ordinateur (CAO) comme SolidWorks ou MasterCAM. Le logiciel écrit un code G que le contrôleur de la machine CNC peut lire. Le programme informatique du contrôleur interprète le dessin et déplace les outils de coupe et/ou la pièce sur plusieurs axes pour découper la forme souhaitée dans la pièce. Le processus de découpe automatisé est beaucoup plus rapide et plus précis que le déplacement manuel des outils et des pièces, qui s’effectue à l’aide de leviers et d’engrenages sur les anciens équipements. Les machines CNC modernes contiennent plusieurs outils et effectuent de nombreux types de coupe. Le nombre de plans de mouvement (axes) et le nombre et les types d’outils auxquels la machine peut accéder automatiquement pendant le processus d’usinage déterminent la complexité de la pièce qu’une CNC peut réaliser.
Comment utiliser une machine CNC
Les machinistes CNC doivent acquérir des compétences à la fois en programmation et en travail du métal pour utiliser pleinement la puissance d’une machine CNC. Les écoles de métiers techniques et les programmes d’apprentissage font souvent commencer les étudiants sur des tours manuels pour qu’ils aient une idée de la façon de couper le métal. Le machiniste doit être capable d’envisager les trois dimensions. Aujourd’hui, les logiciels facilitent plus que jamais la fabrication de pièces complexes, car la forme de la pièce peut être dessinée virtuellement, puis des parcours d’outils peuvent être suggérés par le logiciel pour fabriquer ces pièces.
Type de logiciel couramment utilisé dans le processus d’usinage CNC
Dessin assisté par ordinateur (CAO)
Le logiciel de CAO est le point de départ de la plupart des projets CNC. Il existe de nombreux logiciels de CAO différents, mais tous sont utilisés pour créer des conceptions. Les programmes de CAO les plus populaires comprennent AutoCAD, SolidWorks et Rhino3D. Il existe également des solutions de CAO basées sur le cloud, et certaines offrent des capacités de FAO ou s’intègrent avec des logiciels de FAO mieux que d’autres.
Fabrication assistée par ordinateur (FAO)
Les machines à commande numérique utilisent souvent des programmes créés par des logiciels de FAO. La FAO permet aux utilisateurs de mettre en place un » arbre de travail » pour organiser le flux de travail, définir les trajets d’outils et exécuter des simulations de coupe avant que la machine n’effectue une coupe réelle. Souvent, les programmes de FAO fonctionnent comme des extensions du logiciel de CAO et génèrent le code G qui indique aux outils de la CNC et aux pièces mobiles de la pièce où aller. Les assistants des logiciels de FAO rendent la programmation d’une machine CNC plus facile que jamais. Les logiciels de FAO les plus populaires sont Mastercam, Edgecam, OneCNC, HSMWorks et Solidcam. Mastercam et Edgecam représentent près de 50 % de la part de marché de la FAO haut de gamme selon un rapport de 2015.
Qu’est-ce qu’une commande numérique distribuée ?
La commande numérique directe qui est devenue la commande numérique distribuée (DNC)
Les commandes numériques directes étaient utilisées pour gérer les programmes CN et les paramètres des machines. Elles permettaient aux programmes de se déplacer sur un réseau depuis un ordinateur central vers des ordinateurs embarqués appelés unités de commande de la machine (MCU). Appelée à l’origine « commande numérique directe », elle permettait de contourner le besoin de ruban papier, mais lorsque l’ordinateur tombait en panne, toutes ses machines tombaient en panne.
La commande numérique distribuée utilise un réseau d’ordinateurs pour coordonner le fonctionnement de plusieurs machines en fournissant un programme à la CNC. La mémoire de la CNC contient le programme et l’opérateur peut recueillir, modifier et renvoyer le programme.
Les programmes DNC modernes peuvent faire ce qui suit :
- Édition – Peuvent exécuter un programme NC pendant que d’autres sont en cours d’édition
- Comparer – Comparer côte à côte les programmes NC originaux et édités et voir les éditions
- Restart – Lorsqu’un outil se brise, le programme peut être arrêté et redémarre là où il s’est arrêté
- Suivi des tâches – Les opérateurs peuvent pointer dans les tâches et suivre la configuration et le temps d’exécution, par exemple
- Affichage des dessins – Montrer des photos, dessins CAO des outils, des montages et des pièces de finition
- Interfaces d’écran avancées – Usinage à touche unique
- Gestion avancée de la base de données – Organise et maintient les données là où elles peuvent être récupérées facilement
Collecte de données de fabrication (MDC)
Le logiciel MDC peut inclure toutes les fonctions du logiciel DNC plus la collecte de données supplémentaires et leur analyse pour l’efficacité globale de l’équipement (OEE). L’efficacité globale de l’équipement dépend des éléments suivants : Qualité – le nombre de produits qui répondent aux normes de qualité sur l’ensemble des produits fabriqués Disponibilité – pourcentage du temps planifié pendant lequel l’équipement spécifié fonctionne ou produit des pièces Performance – vitesse de fonctionnement réelle par rapport à la vitesse de fonctionnement planifiée ou idéale de l’équipement.
OEE = Qualité x Disponibilité x Performance
OEE est une mesure de performance clé (KPI) pour de nombreux ateliers d’usinage.
Solutions de surveillance des machines
Le logiciel de surveillance des machines peut être intégré au logiciel DNC ou MDC ou acheté séparément. Avec les solutions de surveillance des machines, les données de la machine telles que le réglage, le temps d’exécution et le temps d’arrêt sont automatiquement collectées et combinées avec les données humaines telles que les codes de raison pour fournir une compréhension à la fois historique et en temps réel du déroulement des travaux. Les machines à commande numérique modernes collectent jusqu’à 200 types de données, et les logiciels de surveillance des machines peuvent rendre ces données utiles à tous, de l’atelier à l’étage supérieur. Des sociétés comme Memex proposent un logiciel (Tempus) qui prend les données de n’importe quel type de machine CNC et les place dans un format de base de données standardisé qui peut être affiché dans des tableaux et des graphiques significatifs. Une norme de données utilisée par la plupart des solutions de surveillance des machines et qui a gagné du terrain aux États-Unis s’appelle MTConnect. Aujourd’hui, de nombreuses machines-outils CNC neuves sont équipées pour fournir des données dans ce format. Les machines plus anciennes peuvent encore fournir des informations précieuses grâce à des adaptateurs. La surveillance des machines CNC s’est généralisée au cours des dernières années seulement, et de nouvelles solutions logicielles sont toujours en cours de développement.
Quels sont les différents types de machines CNC?
Il existe aujourd’hui d’innombrables types de machines CNC. Les machines CNC sont des machines-outils qui coupent ou déplacent des matériaux selon la programmation du contrôleur, comme décrit ci-dessus. Le type de découpe peut varier de la découpe plasma à la découpe laser, en passant par le fraisage, le détourage et les tours. Les machines CNC peuvent même prendre et déplacer des articles sur une ligne d’assemblage.
Voici les types de base de machines CNC :
Tours : ce type de CNC fait tourner la pièce et déplace l’outil de coupe vers la pièce. Un tour de base est à 2 axes, mais de nombreux autres axes peuvent être ajoutés pour augmenter la complexité de la coupe possible. Le matériau tourne sur une broche et est pressé contre un outil de meulage ou de sculpture qui donne la forme souhaitée. Les tours sont utilisés pour fabriquer des objets symétriques comme des sphères, des cônes ou des cylindres. De nombreuses machines CNC sont multifonctions et combinent tous les types de découpe.
Toupies : Les routeurs CNC sont généralement utilisés pour découper de grandes dimensions dans le bois, le métal, les feuilles et les plastiques. Les routeurs standard fonctionnent sur des coordonnées à 3 axes, ils peuvent donc couper en trois dimensions. Cependant, vous pouvez également acheter des machines à 4,5 et 6 axes pour les modèles prototypes et les formes complexes.
Fraisage : Les fraiseuses manuelles utilisent des manivelles et des vis-mère pour articuler un outil de coupe sur une pièce. Dans une fraiseuse CNC, la CNC déplace des vis à billes de haute précision aux coordonnées exactes programmées à la place. Les fraiseuses CNC existent dans un large éventail de tailles et de types et peuvent fonctionner sur plusieurs axes.
Coupeurs plasma : Le découpeur plasma CNC utilise un laser puissant pour couper. La plupart des découpeurs plasma découpent des formes programmées dans des feuilles ou des plaques.
Imprimante 3D : Une imprimante 3D utilise le programme pour lui indiquer où déposer de petits morceaux de matériau pour construire la forme souhaitée. Les pièces 3D sont construites couche par couche avec un laser pour solidifier le liquide ou le pouvoir à mesure que les couches grandissent.
Machine de prélèvement et de placement : Une machine CNC « pick and place » fonctionne de la même manière qu’un routeur CNC, mais au lieu de couper le matériau, la machine a de nombreuses petites buses qui prennent les composants à l’aide d’un vide, les déplacent à l’endroit souhaité et les posent. Elles sont utilisées pour fabriquer des tables, des cartes mères d’ordinateurs et d’autres assemblages électriques (entre autres choses.)
Les machines CNC peuvent faire beaucoup de choses. Aujourd’hui, la technologie informatique peut être mise sur à peu près toutes les machines imaginables. La CNC remplace l’interface humaine nécessaire pour déplacer les pièces de la machine afin d’obtenir le résultat souhaité. Les CNC d’aujourd’hui sont capables de partir d’une matière première, comme un bloc d’acier, et de fabriquer une pièce très complexe avec des tolérances précises et une répétabilité étonnante.
Mettre tout cela ensemble : Comment les ateliers d’usinage CNC fabriquent des pièces
L’exploitation d’une CNC implique à la fois l’ordinateur (contrôleur) et une installation physique. Un processus typique d’un atelier d’usinage ressemble à ceci :
Un ingénieur concepteur crée la conception dans le programme de CAO et l’envoie à un programmeur CNC. Le programmeur ouvre le fichier dans le programme de FAO pour décider des outils nécessaires et créer le programme NC pour la CNC. Il ou elle envoie le programme NC à la machine CNC et fournit une liste de la configuration correcte des outils à un opérateur. L’opérateur de réglage charge les outils selon les instructions et charge la matière première (ou la pièce). Il ou elle fait ensuite tourner des échantillons de pièces et les mesure avec des outils d’assurance qualité pour vérifier que la machine CNC fabrique des pièces conformes aux spécifications. En général, l’opérateur de réglage fournit une première pièce au service qualité qui vérifie toutes les dimensions et approuve le réglage. La machine CNC ou les machines associées sont chargées avec suffisamment de matière première pour fabriquer le nombre de pièces souhaité, et un opérateur de machine se tient prêt à intervenir pour s’assurer que la machine continue de fonctionner, fabrique des pièces selon les spécifications et dispose de matière première. En fonction de la tâche à accomplir, il est souvent possible de faire fonctionner les machines à commande numérique « en mode veille » sans la présence d’un opérateur. Les pièces finies sont déplacées automatiquement dans une zone désignée.