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Les bases de la commande numérique par ordinateur
par Mike Lynch, CNC Concepts, Inc.

Pour mieux comprendre les enjeux associés à l’utilisation de vos données de Rhino dans le cadre d’un processus d’usinage ou de découpe à commande numérique par ordinateur, il est fondamental de bien saisir ce qu’est la commande numérique par ordinateur et comment fonctionnent ces machines. Nous espérons que cet article vous éclairera.

CNC – Commande numérique par ordinateur – À partir de données numériques et avec un programme de FAO, un ordinateur est capable de contrôler, d’automatiser et de surveiller les mouvements d’une machine. La machine peut être une fraiseuse, un tour, une toupie, une soudeuse, une meuleuse, une machine de découpe au laser ou au jet d’eau, une machine d’emboutissage de feuilles de métal, un robot ou bien d’autres types de machines. Pour les machines industrielles de grande taille, l’ordinateur est généralement un contrôleur dédié intégré. Pour les machines moins professionnelles, ou avec certaines adaptations, l’ordinateur peut être un PC externe. Le contrôleur CNC fonctionne avec une série de moteurs et de composants d’entraînement pour déplacer et contrôler les axes de la machine et ainsi exécuter les mouvements programmés. Sur les machines industrielles, il y a généralement un système sophistiqué de remontée des données qui contrôle et ajuste en continu la vitesse et la position de la machine de découpe.

Machines CNC de bureau – Il existe de nombreuses machines à commande numérique plus petites conçues pour les amateurs. En général, elles sont plus légères, moins rigides, moins précises, plus lentes et moins onéreuses que les versions industrielles, mais font du bon travail pour usiner des objets à partir de matériaux plus tendres comme le plastique, la mousse ou la cire. Certaines machines de bureau fonctionnent comme une imprimante. D’autres ont leur propre système de commande fermé et même parfois un logiciel de FAO dédié. Certaines fonctionnent aussi à partir d’un code G standard. Il existe des machines de bureau fonctionnant selon les normes de l’industrie avec des contrôleurs dédiés pour exécuter de petits travaux de précision.

FAO – Fabrication assistée par ordinateur – La FAO désigne l’utilisation de diverses suites logicielles pour créer des parcours d’usinage et des codes NC afin de faire fonctionner une machine à commande numérique à partir de données d’un modèle informatique 3D (CAO). Lorsque la conception et la fabrication par ordinateur sont utilisées ensemble, on parle généralement de CAO/FAO.

Remarque : la FAO ne pilote pas la machine à commande numérique ; elle ne fait que créer le code que la machine doit suivre. Il ne s’agit pas non plus d’une opération automatique qui importerait votre modèle CAO et recracherait le code NC. La programmation FAO, comme la modélisation 3D, requiert des connaissances et de l’expérience pour exécuter le programme, développer des stratégies d’usinage et savoir quels outils et opérations utiliser dans chaque situation pour obtenir les meilleurs résultats. S’il existe des programmes simples qui permettent à des utilisateurs inexpérimentés de se lancer sans grande difficulté, des modèles plus sophistiqués requerront un certain investissement de temps et d’argent pour que l’utilisateur devienne compétent.

Code pour la commande numérique – Il s’agit d’un langage informatique spécial relativement simple qu’une machine à commande numérique est capable de comprendre et d’exécuter. À l’origine, ces langages ont été créés pour programmer des pièces directement à partir du clavier de la machine sans l’aide d’un programme de FAO. Ils disent à la machine quels mouvements exécuter, un par un, et contrôlent d’autres fonctions de la machine comme le mandrin, les vitesses d’alimentation ou le refroidissement. Le langage le plus courant est le code G ou code ISO, un langage de programmation alphanumérique simple mis au point pour les premières machines à commande par ordinateur dans les années 1970.

Post-processeur - Si le code G est considéré comme la norme, chaque fabricant peut modifier certaines parties comme des fonctions auxiliaires. Ainsi, il peut arriver que le code G créé pour une machine ne fonctionne pas forcément pour une autre. Il y a aussi des fabricants de machines, comme Heidenhain ou Mazak, qui ont développé leurs propres langages de programmation. Par conséquent, pour traduire les parcours directement calculés du logiciel de FAO en code NC spécifique que la machine à commande numérique comprendra, un pont logiciel appelé post-processeur est nécessaire. Une fois configuré correctement, le post-processeur génère le code approprié pour la machine sélectionnée, de sorte que, en théorie au moins, tout système de FAO peut générer un code pour n’importe quelle machine. Les post-processeurs peuvent être livrés avec le système de FAO ou achetés séparément.

Vous trouverez ici un résumé des étapes nécessaires pour envoyer un modèle numérique vers une fraiseuse à commande numérique.

Les machines à commande numérique peuvent avoir plusieurs axes de mouvement et ces mouvements peuvent être linéaires ou rotatifs. De nombreuses machines ont les deux types. Les machines de découpe, au laser ou au jet d’eau, n’ont généralement que deux axes (X et Y) alors que les fraiseuses en ont au moins trois (X, Y et Z) et peuvent aussi avoir des axes rotatifs. Une fraiseuse à cinq axes possède trois axes linéaires et deux axes rotatifs, ce qui permet à la fraise de fonctionner dans un hémisphère complet de 180º, voire parfois plus. On trouve aussi des lasers à cinq axes. Un bras robotisé peut avoir plus de cinq axes.

Selon leur ancienneté et leur niveau de sophistication, les machines à commande numérique peuvent être limitées aux capacités de leurs systèmes de contrôle et d’entraînement. La plupart des contrôleurs CNC ne comprennent que les mouvements en ligne droite et les arcs de cercle. De même, dans de nombreuses machines, les arcs sont restreints aux principaux plans XYZ. Les mouvements des axes rotatifs peuvent être considérés comme des mouvements linéaires, utilisant simplement des degrés au lieu de distances. Pour créer des mouvements d’arcs ou des mouvements linéaires formant un angle avec les axes principaux, il doit y avoir une interpolation (un déplacement précis synchronisé) entre deux ou plusieurs axes. Des axes linéaires et rotatifs peuvent aussi être en interpolation simultanément. Dans le cas des machines à cinq axes, les cinq axes doivent être parfaitement synchronisés (ce qui n’est pas une chose facile).

La vitesse à laquelle le contrôleur de la machine peut recevoir et traiter les données entrantes, transmettre les commandes au système d'entraînement et surveiller la vitesse et la position de la machine est cruciale. Les machines plus anciennes et moins chères sont évidemment moins performantes, tout comme un vieil ordinateur fonctionnera moins bien et plus lentement qu’un ordinateur neuf (voire pas du tout) pour des tâches exigeantes.

Un problème récurrent concerne la manière dont vous allez préparer vos fichiers et faire votre programmation de FAO afin que la machine qui exécute vos pièces fonctionne sans heurts et efficacement avec les données. Attendu que la plupart des contrôleurs CNC ne comprennent que les arcs et les lignes, toute forme qui n’est pas descriptible avec de telles entités doit être convertie en une forme utilisable. C’est en général le cas des splines, à savoir les courbes NURBS générales qui ne sont ni des arcs ni des lignes et les surfaces 3D. Certains systèmes de bureau ne sont pas capables de comprendre des arcs de cercle ; toute la géométrie doit donc être convertie en polylignes.

Les splines peuvent être découpées en segments de ligne, en arcs tangents ou en une combinaison des deux. La première option serait comme une série de cordes sur votre spline, touchant la spline à chaque extrémité et ayant une certaine déviation au milieu. Vous pouvez aussi transformer votre spline en polyligne. Moins vous utilisez de segments, plus l’approximation sera grossière et plus le résultat comptera de facettes. En affinant, vous augmentez la précision de l’approximation mais augmentez aussi énormément le nombre de segments. Comme vous pouvez l’imaginer, une série d’arcs peut être capable de se rapprocher de votre spline dans les tolérances avec un nombre plus réduit de pièces plus longues. C’est la raison pour laquelle on préfère généralement la conversion en arcs à la conversion en polylignes, en particulier pour les utilisateurs qui travaillent sur des machines plus anciennes. Avec les machines modernes, ce problème se pose moins.

Pour les surfaces, le type d’approximation est le même type que pour les splines, mais multiplié de nombreuses fois dans la direction transversale avec un espace intermédiaire (que l’on appelle généralement le pas). En général, les surfaces sont réalisées en utilisant tous les segments de ligne, mais dans certains cas il est possible d’utiliser des arcs ou une combinaison de lignes et d’arcs.

La taille et le nombre de segments sont déterminés par la précision requise et la méthode choisie et influenceront directement l’exécution. Trop de segments courts bloqueront les machines les plus anciennes, et trop peu produiront une pièce à facettes. C’est généralement dans le système de FAO que l’approximation est réalisée. Avec un opérateur compétent qui sait ce dont l’utilisateur a besoin et ce que la machine peut prendre en charge, il n’y a généralement pas de problème. Mais certains systèmes de FAO ne prennent pas en charge les splines ou certains types de surfaces et vous devrez alors d’abord convertir ces entités dans le logiciel de CAO (Rhino) avant de passer à la FAO. Le processus de traduction de CAO à FAO (à travers un format neutre comme IGES, DXF, etc.) peut aussi parfois poser problème, selon la qualité des fonctions d’importation et exportation des programmes.

Vous pouvez avoir un projet à :

2 axes si toutes les découpes sont réalisées sur le même plan. Dans ce cas, la fraiseuse ne se déplace pas du tout sur le plan Z (vertical). En général, on peut avoir une interpolation des axes X et Y pour créer des lignes obliques et des arcs de cercle.

2,5 axes si toutes les découpes sont réalisées entièrement sur des plans parallèles au plan principal mais pas nécessairement à la même hauteur ou profondeur. Dans ce cas, la fraiseuse peut se déplacer sur le plan Z (vertical) pour changer de niveau, mais pas simultanément avec les mouvements X et Y. L’exception serait le cas où la fraiseuse peut réaliser une interpolation hélicoïdale, c’est à dire faire un cercle en X et Y tout en se déplaçant simultanément sur l’axe des Z pour former une hélice (par exemple le fraisage de filet).

Dans la catégorie précédente, on trouve également les machines qui peuvent réaliser une interpolation simultanée de 2 axes quels qu’ils soient, mais pas 3. Cela permet de fabriquer un nombre limité d’objets 3D en découpant sur les plans XZ ou YZ, par exemple, mais beaucoup moins qu’avec l’interpolation de 3 axes.

3 axes si votre découpe requiert simultanément le mouvement contrôlé des axes X,Y et Z, ce qui est le cas de la plupart des surfaces de forme libre.

4 axes s’il inclut tout ce qui précède plus 1 mouvement d’axe rotatif. Il existe deux possibilités : Interpolation simultanée des 4 axes (également appelé usinage véritable à 4 axes). Ou usinage 4 axes positionnel, où le 4ème axe sert à repositionner la pièce entre les opérations des 3 axes, mais ne se déplace pas réellement pendant l’usinage.

5 axes s’il inclut tout ce qui précède plus 2 mouvements d’axes rotatifs. Outre l’usinage véritable à 5 axes (5 axes qui se déplacent simultanément pendant l’usinage), vous trouvez aussi souvent 3 plus 2 ou 3 axes d’usinage + 2 axes indépendants qui ne font que positionner la pièce, ainsi que dans des cas plus rares 4 plus 1 ou usinage continu à 4 axes + un 5ème axe consacré au positionnement. Sujet complexe, n’est-ce pas ?

–MSH 28.10.07