II. Eléments de la machine-outil à commande numérique

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Chapitre 2 : Eléments de la machine-outil à commande numérique
II. Eléments de la machine-outil à commande numérique
Une M.O.C.N. est avant tout une machine-outil de précision associée à un automate de
commande de qualité. La technologie de la machine n’est pas banale : une attention
particulière a été accordée à la rigidité, à la réduction des frottements et à la maîtrise des
forces d’inertie afin d’autoriser des mouvements fréquents à vitesses et accélérations élevées
sans apparition d’usure et perte de précision. Pour la réalisation des déplacements la plupart
des constructeurs ont adopté des guidages par glissières à galets et des entraînements par vis à
billes précontraintes.
II.1 Directeur de commande
Toutes les commandes numériques sont aujourd’hui à microprocesseur, soit intégré
dans le directeur de commande, soit appartenant à un ordinateur pilotant la machine en
commande directe. La liaison entre la partie proprement informatique et la machine est
assurée par un automate programmable (donc à microprocesseur) qui assure la gestion des
capteurs et des actionneurs, et par des cartes spécialisées qui assurent le contrôle des
asservissements d’axes.
Principe :
Mise en route de vitesse de broche et de vitesse
EPROM
RAM
d’avance
Automate
Armoire à relais
Microprocesseur
Pupitre
RS232
Ecran
Interpolateur
Interpolateur
Interpolateur
Axe X
Axe X
Axe X
Axe X
Axe X
Axe X
Interface
Entrée/Sortie
Lecteur
Perforateur
Commande et asservissement
Figure 4 : Schéma de principe d’un directeur de commande à microprocesseur (C.N.C.)
-
L’automate est programmé par le constructeur de la machine pour l’adapter à la
gestion des organes physiques de la machine.
Notes de cours de Farid ASMA 2007/2008
8
-
Autour du microprocesseur on trouve une mémoire morte (R.O.M.) qui stocke le
logiciel système, une mémoire vive (R.A.M.) qui stocke les programmes pièces, un
interpolateur qui effectue les calculs sous contrôle du microprocesseur et à partir des
données que ce dernier lui fournit. Les différents pas d’interpolation sont envoyés aux
systèmes de commande d’axes.
-
Un BUS de communication assure les liaisons et reçoit les informations données par
les capteurs de vitesses et de déplacements.
II.2 Asservissements et capteurs de position et de vitesse
La précision susceptible d’être atteinte sur les M.O.C.N. est étroitement dépendante de
la précision des mesures de position ainsi que du contrôle des déplacements. Sur les machines
de qualité le directeur de commande connaît la position de consigne (position à atteindre) et la
position réelle du mobile. Ces valeurs sont comparées pour en déduire le déplacement à
effectuer.
La nature de ce signal (écart entre la consigne et la position instantanée) dépend de la nature
des capteurs de position utilisés : elle est de nature analogique avec des capteurs inductifs
(règles INDUCTOSYN, résolveurs) ou de type numérique (variation par incrément) comme
avec les capteurs optiques (disques ou règles gravés).
Pour améliorer le positionnement et la trajectoire, il convient de contrôler aussi les
vitesses de déplacement : les capteurs de vitesse peuvent être de deux types (analogiques si
l’on emploie une dynamo-tachymétrique, incrémental par décompte d’impulsions lumineuses
à travers un disque percé de trous ou d’encoches à sa périphérie).
II.2.1 Mode de fonctionnement du système de mesure
a. Mesure digitale absolue
-
Méthode de mesure absolue
Le code utilisé est le binaire réfléchi ou binaire décimal réfléchi (Code GRAY). Pour
traiter les informations recueillies on doit passer en code binaire naturel.
Code GRAY
Digit
0
1
2
3
4
5
6
4321
0000
0001
0011
0010
0110
1110
1010
9
7
8
9
1011
1001
1000
Figure 5 : Mesure numérique des déplacements
-
méthode des doubles tests appliquée en décodage binaire- décimal (indirecte)
Lorsqu’on utilise des codeurs rotatifs il est nécessaire, pour couvrir toute l’étendue de mesure,
qu’ils soient reliés par de trains d’engrenages de rapport convenable.
Figure 6 : Disque codé, mesure des rotations
10
Figure 7 : Disques codés reliés par des trains d’engrenage
Application à un système de deux codeurs (deux chiffres décimaux) :
Le codeur des unités possède une seule ligne d’organes de lectures disposés sur un
rayon qui matérialise l’origine. Le codeur des dizaines possède deux lignes d’organes de
lectures décalées d’un angle fonction du jeu total par rapport au rayon d’origine. Si un digit 0
est lu sur la piste la plus proche du centre du premier codeur (4e digit) la ligne d’organes de
lectures à sélectionner sur le codeur d’ordre immédiatement supérieur sera celle située du coté
des chiffres les plus élevés, et inversement si c’est un digit 1 qui est lu sur le premier codeur,
c’est la ligne située vers les chiffres les plus faibles qui sera sélectionnée sur le codeur
suivant.
Ce système est valable quel que soit le nombre de codeurs.
Mesure incrémentale
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Figure 8 : Disques codés reliés par des trains d’engrenage
Dispositif de FERRANTI
Le dispositif est composé de :
-
Une règle en acier portant 100 traits au pouce fixée sur l’organe mobile ;
-
Un disque en verre sur lequel est reproduite une spirale d’Archimède ayant le même
pas que les graduations précédentes ;
-
Une cellule photoélectrique de mesure ;
-
Une source lumineuse.
Le système fonctionne par réflexion de la lumière sur la règle. Le disque tourne à une vitesse
constante étant entraîné par un moteur synchrone à la fréquence de 104 Hz
-
si le chariot est immobile, le signal donné par la photodiode est semblable au flux
modulé par la spirale seule mais avec un déphasage constant ;
-
si la règle se déplace un déphasage va se produire dont le sens dépendra du sens du
mouvement. La variation de la fréquence du signal de la cellule de mesure est
proportionnelle à la vitesse de déplacement.
Mesure digitale incrémentale
(1) Capteur linéaire :
Le système est composé de :
12
-
une règle DIADUR portant des zones transparentes et des zones opaques (espacées de
0.01mm),
-
un réticule palpeur servant à agrandir la piste et définir la zone de balayage,
-
une source lumineuse,
-
un condenseur
-
des cellules photo- voltaïques au silicium délivrant le signal.
Figure 9 :(1) méthode directe
(2) Capteur rotatif
La règle est remplacée par un disque DIADUR à réseau radial de traits.
Figure 10 : (2) méthode indirecte
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Figure 11 : (3) méthode des franges de MOIRE
(3) franges de moire
Ce capteur utilise un curseur, un réseau de traits de même pas que la grille, mais dont
l’inclinaison permet l’apparition de franges de moire qui se déplacent perpendiculairement au
mouvement du curseur.
Les cellules photoélectriques judicieusement placées permettent le comptage des franges et
également la détection du sens du déplacement. La distance entre les franges est évidemment
fonction de l’angle d’inclinaison du curseur qui agit comme un amplificateur.
Mesure analogique absolue
a- Règle Inductosyn : ce système est constitué de
-
une règle métallique qui comporte un circuit d’un pas de p=2mm
-
un curseur lié au chariot de la machine possédant deux enroulements au même
pas que celui de la règle décalés d’un quart de pas.
Si on alimente l’enroulement de la règle par une tension e1 = E1 sin (ωt ) , il apparaît aux
bornes des enroulements du curseur deux tensions alternatives :
e 2 = KE1 cos θ sin (ωt ) ,
avec
x
θ = 2π , et
p
e′2 = KE1 sin θ sin (ωt )
Les amplitudes des deux tension E 2 et E′2 sont les composantes d’un vecteur qui tourne de
2π chaque fois que le déplacement x sera égal au pas.
14
Figure 12 : Règle Inductosyn
b- Principe des résolveurs
Le principe utilisé pour les règles Inductosyn est appliqué aux résolveurs composés
d’un rotor et d’un stator diphasé. Les deux enroulements statoriques des résolveurs sont
décalés de 90°.
Si on alimente le rotor par une tension e1 = E1 sin (ωt ) , il apparaît aux bornes des deux
enroulements statoriques deux tensions alternatives :
eS1 = KE1 sin θ sin (ωt )
eS2 = KE1 cos θ sin (ωt )
Les amplitudes des deux tensions E S1 et E S2 sont les composantes d’un vecteur tournant.
Figure 13 : Résolveurs
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c- Mesure Mixte
L’ensemble comporte deux systèmes de mesure, l’un grossier solidaire du chariot
principal, l’autre, à grande définition, solidaire du chariot auxiliaire et n’ayant à assurer
que de faibles déplacements. Ces déplacements peuvent être mesurés par des systèmes
émetteurs d’impulsions, lesquelles sont dirigées vers un compteur, vers les ordres
supérieurs pour le système grossier, vers les ordres inférieurs pour le système fin.
Mode de fonctionnement de la machine-outil : niveaux d’asservissement
La fonction principale d’une CN est de contrôler en permanence les déplacements des
divers organes mobiles de la machine, en vitesse comme en position.
Chaque axe de déplacement est donc assujetti à un asservissement en boucle fermée, dont
le principe consiste à mesurer continuellement la position réelle du mobile et à la
comparer avec la grandeur d’entrée, ou position de consigne, que délivre la CN pour
atteindre la nouvelle position programmée (figure ). Dès que l’écart entre les deux
mesures s’annule, le mobile s’arrête.
Le déplacement de la table ou de l’outil d’un point à un autre implique la connaissance :
-
de l’axe (X, Y, Z,...) sur lequel le déplacement doit s’effectuer ;
-
des coordonnées du point à atteindre ;
-
du sens de déplacement (+ ou –) ;
-
de la vitesse de déplacement de la table ou de l’outil.
Les CN modernes permettent de contrôler simultanément plusieurs axes linéaires ou
rotatifs (en général de 2 à 5) et de les interpoler entre eux afin de suivre avec précision une
trajectoire quelconque dans l’espace.
On rencontre sur les machines divers types d’asservissements :
-
Les commandes de position simples sans boucle de retour :
On ne les rencontre que sur les machines de faible capacité. Elles utilisent en général des
moteurs pas à pas commandés par un nombre d’impulsions proportionnel au déplacement
à assurer. Sous l’action du couple résistant, il peut arriver que la rotation ne corresponde
pas exactement à l’ordre (glissement).
Cette technique est réservée pour les équipements légers.
-
Les asservissements avec boucle retour en position :
16
De façon à comparer à tout instant la position du mobile avec la valeur de consigne. Ils
utilisent des moteurs à courant continu à collecteur dans lesquels le couple moteur est
proportionnel au courant induit.
Ce type de commande n’assure pas un positionnement très précis lorsque les vitesses sont
élevées (on peut par inertie dépasser la valeur de consigne). De plus en plus, on utilise des
moteurs synchrones autopilotés (BRUSHLESS) qui offrent une facilité de mise en œuvre et
un entretien réduit.
-
Les asservissements de position avec boucle auxiliaire de vitesse :
Afin de réguler la vitesse du moteur à vitesse faible, pour pouvoir réaliser des décélérations en
vue d’assurer un accostage de la valeur de consigne à vitesse réduite et ainsi se positionner
avec précision.
Figure 14 : Schéma de principe d’un asservissement
II.3 Eléments technologiques de la machine
II.3.1 Bac électronique
II.3.2 Supports d’information
II.3.3 Le pupitre de commande
Le pupitre de commande opérateur est un terminal à partir duquel s’effectue
l’exploitation de la CN. Conçu pour être intégré à la machine, encastré en armoire ou installé
en pendentif, il regroupe essentiellement un clavier alphanumérique, un écran de visualisation
et un certain nombre de touches de fonction d’aide à l’opérateur. Le pupitre opérateur est
généralement accompagné d’un pupitre orienté machine sur lequel figurent tous les éléments
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