Qu'est-ce que la technologie CNC et les machines-outils CNC, expliquez-les clairement tout de suite !

Qu'est-ce que la technologie CNC et les machines-outils CNC, expliquez-les clairement tout de suite !
Technologie CNC et CNC
La technologie de commande numérique (NC), abrégée en commande numérique, est une méthode de contrôle des mouvements mécaniques et des processus d'usinage à l'aide d'informations numériques. En raison de l'utilisation d'ordinateurs pour le contrôle dans les CNC modernes, elle peut également être appelée commande numérique informatisée (CNC).
Afin de réaliser un contrôle numérique des informations sur les mouvements mécaniques et les processus d'usinage, le matériel et les logiciels correspondants doivent être disponibles. Le matériel et les logiciels utilisés pour réaliser le contrôle des informations numériques sont collectivement appelés système de commande numérique, et le cœur du système de commande numérique est le contrôleur numérique.
Une machine-outil contrôlée par la technologie de commande numérique est appelée machine-outil à commande numérique (machine-outil à commande numérique). Il s'agit d'un produit intégré électromécanique typique qui intègre des technologies avancées telles que la technologie informatique, la technologie de contrôle automatique, la technologie de mesure de précision et la conception de machines-outils, et constitue le fondement de la technologie de fabrication moderne. Le contrôle des machines-outils est également le domaine de la technologie CNC le plus ancien et le plus largement utilisé. Par conséquent, le niveau des machines-outils CNC représente les performances, le niveau et l'orientation du développement de la technologie CNC actuelle.
Il existe différents types de machines-outils CNC, notamment les perceuses, fraiseuses et aléseuses, les tours, les rectifieuses, les machines de traitement électrique, les machines de forgeage, les machines de traitement laser et d'autres machines-outils CNC spécialisées à des fins spéciales. Toutes les machines-outils qui utilisent la technologie CNC pour le contrôle sont collectivement appelées machines-outils CN.
Une machine-outil CNC dotée d'un dispositif de changement d'outil automatique (ATC) (à l'exclusion des tours CNC avec porte-outils rotatifs) est appelée centre de machine (MC). Grâce à l'échange automatique d'outils, la pièce peut être chargée et serrée en une seule fois pour effectuer plusieurs étapes de traitement, obtenant ainsi une concentration et une intégration du processus, raccourcissant ainsi le temps de traitement auxiliaire et améliorant l'efficacité de la machine-outil ; Réduction du nombre de temps d'installation et de positionnement des pièces et amélioration de la précision de l'usinage. Le centre d'usinage est actuellement la machine-outil CNC la plus grande et la plus utilisée en termes de volume de production.
Sur la base du centre d'usinage, l'unité d'usinage composée de plusieurs changeurs automatiques de palettes (APC) et d'autres dispositifs associés est appelée Flexible Manufacturing Cell FMC. FMC réalise non seulement des processus centralisés et des processus composites, mais permet également un traitement sans personnel pendant une certaine période grâce à l'échange automatique d'établis (palettes) et à des fonctions de surveillance et de contrôle automatiques relativement complètes, améliorant ainsi encore l'efficacité de traitement de l'équipement. FMC n'est pas seulement la base du système de fabrication flexible (FMS), mais peut également être utilisé comme équipement de traitement automatisé indépendant, sa vitesse de développement est donc rapide.
Sur la base du FMC et des centres d'usinage, en ajoutant des systèmes logistiques, des robots industriels et des équipements associés, ainsi qu'un contrôle et une gestion centralisés et unifiés par un système de contrôle central, un tel système de fabrication est appelé système de fabrication flexible (FMS). FMS permet non seulement un traitement sans personnel à long terme, mais permet également le traitement et l'assemblage complets de plusieurs types de pièces, permettant ainsi l'automatisation du processus de fabrication en atelier. Il s’agit d’un système de fabrication avancé hautement automatisé.
Avec le développement de la technologie, afin de s'adapter à la demande en constante évolution du marché, l'industrie manufacturière moderne doit non seulement développer l'automatisation des processus de fabrication en atelier, mais également parvenir à une automatisation complète de la prévision du marché, de la prise de décision en matière de production, des produits. conception, fabrication de produits jusqu'à la vente de produits. Le système de production et de fabrication complet composé de ces exigences est appelé système de fabrication intégré par ordinateur (CIMS). CIMS intègre de manière organique une production et une activité commerciale plus longues, atteignant une efficacité et une flexibilité plus élevées dans la production intelligente, qui constitue aujourd'hui l'étape la plus élevée du développement de la technologie de fabrication automatisée. Dans CIMS, il ne s'agit pas seulement de l'intégration des équipements de production, mais aussi de l'intégration de la technologie et des fonctionnalités caractérisées par l'information. Les ordinateurs sont des outils intégrés, la technologie des unités d'automatisation assistée par ordinateur est le fondement de l'intégration, et l'échange et le partage d'informations et de données sont le pont de l'intégration. Le produit final formé peut être considéré comme l’incarnation matérielle d’informations et de données.
Système CNC et ses composants
Les composants de base d'un système CNC
Le système CNC est au cœur de tout équipement CNC. L'objet de contrôle principal d'un système CNC est le déplacement de l'axe de coordonnées (y compris la vitesse de mouvement, la direction, la position, etc.), et ses informations de contrôle proviennent principalement de programmes d'usinage CNC ou de contrôle de mouvement. Par conséquent, en tant que composant le plus élémentaire d'un système CNC, il doit comprendre trois parties : le dispositif d'entrée/sortie du programme, le dispositif CNC et le servomoteur.
La fonction du dispositif d'entrée/sortie est d'entrer et de sortir des données telles que des programmes d'usinage CNC ou de contrôle de mouvement, des données d'usinage et de contrôle, des paramètres de machine-outil, des positions d'axe de coordonnées et des états de commutateur de détection. Le clavier et l'écran sont les dispositifs d'entrée/sortie les plus élémentaires, essentiels à tout équipement CNC. De plus, selon le système CNC, il peut également être équipé de lecteurs photoélectriques, de lecteurs de bandes magnétiques ou de lecteurs de disquettes. En tant que périphérique, un ordinateur est actuellement l'un des périphériques d'entrée/sortie couramment utilisés.
Le dispositif CNC est le cœur du système CNC. Il se compose de circuits d’interface d’entrée/sortie, de contrôleurs, d’unités arithmétiques et de mémoire. La fonction d'un périphérique CNC est de compiler, calculer et traiter les données saisies à partir du périphérique d'entrée via des circuits logiques internes ou un logiciel de contrôle, et de produire diverses informations et instructions pour contrôler diverses parties de la machine-outil afin d'effectuer des actions spécifiées.
Parmi ces informations et instructions de contrôle, les plus élémentaires sont les instructions d'avance, de direction d'avance et de déplacement d'avance de l'axe de coordonnées. Il est généré par une opération d'interpolation, fournie au servomoteur, amplifiée par le pilote, et contrôle finalement le déplacement de l'axe de coordonnées. Il détermine directement la trajectoire de mouvement de l'outil ou l'axe de coordonnées.
De plus, en fonction du système et de l'équipement, par exemple sur les machines-outils CNC, il peut également y avoir des commandes de vitesse de broche, de direction et de démarrage/arrêt ; Instructions de sélection et d'échange des outils de coupe ; Instructions de démarrage et d'arrêt des dispositifs de refroidissement et de lubrification ; Instructions pour desserrer et serrer les pièces ; Instructions auxiliaires telles que diviser l'établi. Dans les systèmes CNC, ils sont fournis aux dispositifs de commande auxiliaires externes sous forme de signaux via des interfaces. Les dispositifs de commande auxiliaires compilent et effectuent les opérations logiques nécessaires sur les signaux ci-dessus, les amplifient et pilotent les dispositifs d'exécution correspondants pour piloter les composants mécaniques de la machine-outil, les dispositifs auxiliaires hydrauliques et pneumatiques afin d'effectuer les actions spécifiées.
Le servomoteur est généralement composé d'un servoamplificateur (également appelé pilote, servo-unité) et d'un actionneur. Sur les machines-outils CNC, les servomoteurs AC sont généralement utilisés comme actionneurs ; Les moteurs linéaires ont été utilisés dans les machines d'usinage avancées à grande vitesse. De plus, les servomoteurs à courant continu étaient également utilisés sur les machines-outils CNC produites avant les années 1980 ; Pour les machines-outils CNC simples, il est également utile comme actionneur. La forme du servoamplificateur dépend de l'actionneur et doit être utilisé conjointement avec le moteur d'entraînement.
Les éléments ci-dessus constituent les composants les plus fondamentaux d’un système CNC. Avec le développement de la technologie CNC et l’amélioration des performances des machines-outils, les exigences fonctionnelles du système augmentent également. Afin de répondre aux exigences de contrôle des différentes machines-outils, de garantir l'intégrité et l'unité du système CNC et de faciliter l'utilisation par l'utilisateur, des systèmes CNC plus avancés sont couramment utilisés, généralement équipés de contrôleurs programmables internes comme dispositifs de contrôle auxiliaires pour les machines-outils. De plus, sur les machines-outils de découpe des métaux, le dispositif d'entraînement de broche peut également faire partie du système CNC ; Sur les machines-outils CNC en boucle fermée, les dispositifs de mesure et de détection sont également essentiels pour les systèmes CNC. Pour les systèmes CNC avancés, parfois même des ordinateurs sont utilisés comme interface homme-machine et gestion des données, dispositifs d'entrée/sortie, rendant ainsi les fonctions du système CNC plus fortes et les performances plus complètes.
En bref, la composition d'un système CNC dépend des performances du système de contrôle et des exigences de contrôle spécifiques de l'équipement. Sa configuration et sa composition présentent des différences significatives. En plus des trois composants les plus fondamentaux du dispositif d'entrée/sortie du programme d'usinage, du dispositif CNC et du servomoteur, il peut également y avoir davantage de dispositifs de contrôle. La case en pointillés de la figure 1-1 représente un système de commande numérique par ordinateur.
Concepts de CN, CNC, SV et PLC
NC (CNC), SV et PLC (PC, PMC) sont les abréviations anglaises les plus couramment utilisées dans les équipements CNC, qui ont des significations différentes selon les situations d'utilisation pratique.
NC (CNC) NC et CNC sont des abréviations anglaises couramment utilisées pour Commande numérique et Commande numérique informatisée, respectivement. En raison de l'utilisation du contrôle informatique dans les CNC modernes, on peut considérer que les significations de NC et CNC sont complètement équivalentes. Dans les applications d'ingénierie, selon différents scénarios d'utilisation, NC (CNC) a généralement trois significations différentes : au sens large, elle représente une technologie de contrôle - la technologie CNC ; Au sens étroit, il représente une entité d'un système de contrôle - un système CNC ; De plus, il peut également représenter un dispositif de contrôle spécifique - un dispositif CNC.
SVSV est une abréviation anglaise couramment utilisée pour Servo Drive. Selon la norme japonaise JIS, il s'agit d'un mécanisme de contrôle qui utilise la position, la direction et l'état d'un objet comme variables de contrôle pour suivre toute modification de la valeur cible. En bref, il s'agit d'un dispositif de contrôle capable de suivre automatiquement des grandeurs physiques telles que la position cible.
Sur les machines-outils CNC, le rôle du servomoteur a principalement deux aspects : premièrement, faire tourner l'axe de coordonnées à la vitesse donnée par le dispositif CNC ; La seconde consiste à positionner l'axe de coordonnées en fonction de la position donnée par le dispositif CNC.
L'objet de contrôle du servomoteur est généralement le déplacement et la vitesse de l'axe de coordonnées de la machine-outil ; Le mécanisme d'exécution est un servo ; La partie qui contrôle et amplifie les signaux de commande d'entrée est souvent appelée servoamplificateur (également appelé pilote, amplificateur, servo-unité, etc.), qui constitue le cœur du servomoteur.
Le servomoteur peut non seulement être utilisé conjointement avec des appareils CNC, mais également comme position (vitesse) distincte accompagnant le système, c'est pourquoi il est souvent appelé système d'asservissement. Dans les premiers systèmes CNC, la partie contrôle de position était généralement intégrée à la CNC et le servomoteur effectuait uniquement le contrôle de la vitesse. Par conséquent, le servomoteur est souvent appelé unité de contrôle de vitesse.
PLCPC signifie Contrôleur Programmable. Avec la popularité croissante des ordinateurs personnels, afin d'éviter toute confusion avec les ordinateurs personnels (également appelés PC), les automates programmables (PLC) sont généralement appelés contrôleurs de machines programmables (PMC). Par conséquent, dans les machines-outils CNC, PC, PLC et PMC ont exactement la même signification.
Le PLC présente les caractéristiques d'une réponse rapide, de performances fiables, d'une utilisation pratique, d'une programmation et d'un débogage faciles et peut piloter directement certains appareils électriques de machines-outils. Par conséquent, il est largement utilisé comme dispositif de contrôle auxiliaire pour les équipements CNC. À l'heure actuelle, la plupart des systèmes CNC sont équipés d'automates internes pour traiter les instructions auxiliaires des machines-outils CNC, ce qui simplifie considérablement les dispositifs de contrôle auxiliaires des machines-outils. De plus, dans de nombreuses situations, des modules fonctionnels spéciaux tels que le module de contrôle d'axe et le module de positionnement du PLC peuvent également être directement utilisés pour réaliser un contrôle de position de point, un contrôle linéaire et un contrôle de contour simple, formant des machines-outils spéciales CNC ou des lignes de production CNC.
Composition et principes d'usinage des machines-outils à commande numérique
Les composants de base des machines-outils CNC
Les machines-outils CNC sont les équipements CNC les plus typiques. Afin de comprendre la composition de base des machines-outils CNC, il est d'abord nécessaire d'analyser le processus de travail d'usinage de pièces sur les machines-outils CNC. Sur les machines-outils CNC, afin de traiter des pièces, les étapes suivantes peuvent être suivies :
Selon le modèle et le plan de processus de la pièce traitée, utilisez le code et le format de programme prescrits pour écrire la trajectoire de mouvement de l'outil, le processus d'usinage, les paramètres de processus, la quantité de coupe, etc. dans un formulaire de commande que le système CNC peut reconnaître, c'est-à-dire , écrivez le programme d'usinage.
Entrez le programme d'usinage dans le dispositif CNC.
Le dispositif CNC décode et traite le programme d'entrée (code) et envoie les signaux de commande correspondants aux dispositifs de servomoteur et aux dispositifs de contrôle de fonction auxiliaire de chaque axe de coordonnées pour contrôler le mouvement des divers composants de la machine-outil.
Pendant le processus de mouvement, le système CNC doit détecter en permanence la position de l'axe de coordonnées de la machine-outil, l'état du commutateur de déplacement et le comparer aux exigences du programme pour déterminer l'action suivante jusqu'à ce que les pièces qualifiées soient traitées.
L'opérateur peut observer et inspecter la situation d'usinage et l'état de fonctionnement de la machine-outil à tout moment et, si nécessaire, ajuster l'action de la machine-outil et le programme d'usinage pour garantir le fonctionnement sûr et fiable de la machine-outil.
De là, on peut voir qu'en tant que composant de base d'une machine-outil CNC, elle doit inclure : un dispositif d'entrée/sortie, un dispositif CNC, un servomoteur et un dispositif de rétroaction, un dispositif de commande auxiliaire et un corps de machine, etc. Chiffre 1-1).
Figure 1-1 Composition des machines-outils CNC
La boîte en pointillés de la figure 1-1 est collectivement appelée système CNC, qui réalise le contrôle de l'usinage de l'hôte de la machine-outil. À l'heure actuelle, la plupart des systèmes CNC utilisent la commande numérique par ordinateur (CNC). Le système CNC de la machine-outil composé de dispositifs d'entrée/sortie, de dispositifs CNC, de servomoteurs et de dispositifs de rétroaction dans la figure a été décrit ci-dessus. Ci-dessous, nous présenterons brièvement les autres composants.
Le dispositif de retour de mesure est le lien de détection des machines-outils CNC en boucle fermée (semi-boucle fermée). Sa fonction est de détecter la vitesse de déplacement réelle et le déplacement des composants d'exécution (tels que les porte-outils, etc.) ou des établis grâce à des composants de mesure modernes tels que des codeurs d'impulsions, des transformateurs rotatifs, des inductosynes, des réseaux, des règles magnétiques et des instruments de mesure laser. et retour au dispositif d'asservissement ou au dispositif CNC, et compenser la vitesse d'avance ou l'erreur de mouvement de l'actionneur pour atteindre l'objectif d'améliorer la précision du mécanisme de mouvement. L'installation des dispositifs de détection et la position du retour du signal de détection dépendent de la forme structurelle du système CNC. Les codeurs d'impulsions intégrés aux servos, les machines de mesure de vitesse et les réseaux linéaires sont des composants de détection couramment utilisés.
En raison de l'utilisation de la technologie des servomoteurs numériques (appelée servo numérique) dans les systèmes d'asservissement avancés, les servomoteurs et les dispositifs CNC sont généralement connectés via un bus ; Dans la plupart des cas, les signaux de retour sont connectés aux servomoteurs et transmis aux appareils CNC via un bus. Dans quelques cas seulement ou lors de l'utilisation d'un servomoteur à commande analogique (communément appelé servo analogique), le dispositif de retour d'information doit être directement connecté au dispositif CNC.
Le mécanisme de commande auxiliaire et le mécanisme de transmission d'alimentation sont des composants de commande situés entre le dispositif CNC et les composants mécaniques et hydrauliques de la machine-outil. Sa fonction principale est de recevoir les commandes de vitesse de broche, de direction et de démarrage et d'arrêt émises par le dispositif CNC ; Échange de sélection d'outils ; Instructions de démarrage et d'arrêt pour les dispositifs de refroidissement et de lubrification ; Les signaux de commande auxiliaires pour le desserrage et le serrage de la rotation de la table de travail des pièces et des composants de la machine-outil, ainsi que les signaux d'état des commutateurs de détection sur la machine-outil, sont directement pilotés par la compilation, le jugement logique et l'amplification de puissance nécessaires pour piloter les composants d'exécution correspondants. , entraînant les composants mécaniques de la machine-outil, les dispositifs auxiliaires hydrauliques et pneumatiques pour effectuer les actions spécifiées dans les instructions. Il est généralement contrôlé par PLC et par une forte électricité

Le mécanisme de commande auxiliaire et le mécanisme de transmission d'alimentation sont des composants de commande situés entre le dispositif CNC et les composants mécaniques et hydrauliques de la machine-outil. Sa fonction principale est de recevoir les commandes de vitesse de broche, de direction et de démarrage et d'arrêt émises par le dispositif CNC ; Échange de sélection d'outils ; Instructions de démarrage et d'arrêt pour les dispositifs de refroidissement et de lubrification ; Les signaux de commande auxiliaires pour le desserrage et le serrage de la rotation de la table de travail des pièces et des composants de la machine-outil, ainsi que les signaux d'état des commutateurs de détection sur la machine-outil, sont directement pilotés par la compilation, le jugement logique et l'amplification de puissance nécessaires pour piloter les composants d'exécution correspondants. , entraînant les composants mécaniques de la machine-outil, les dispositifs auxiliaires hydrauliques et pneumatiques pour effectuer les actions spécifiées dans les instructions. Il est généralement composé d'un API et d'un circuit de contrôle haute tension, et l'API peut être intégré à une structure CNC (API intégré) ou relativement indépendant (API externe).
Le corps de la machine-outil est le composant structurel mécanique d'une machine-outil CNC, qui est également composé du système de transmission principal, du système de transmission d'alimentation, du lit, de la table de travail, des dispositifs de mouvement auxiliaires, du système pneumatique hydraulique, du système de lubrification, du dispositif de refroidissement, de l'élimination des copeaux, système de protection et autres pièces. Mais afin de répondre aux exigences de la CNC et d'utiliser pleinement les performances de la machine-outil, celle-ci a subi des changements importants dans sa disposition globale, son apparence, la structure du système de transmission, le système d'outils et les performances opérationnelles. Les composants mécaniques de la machine-outil comprennent le lit, la boîte, la colonne, le rail de guidage, l'établi, la broche, le mécanisme d'alimentation, le mécanisme de commutation d'outils, etc.
Principes de l'usinage CNC
Sur les machines-outils traditionnelles de découpe des métaux, lors de l'usinage de pièces, les opérateurs doivent modifier en permanence les paramètres de trajectoire et de vitesse de mouvement de l'outil en fonction des exigences du dessin, afin que l'outil puisse couper la pièce et finalement produire des pièces qualifiées.
L'usinage des machines-outils CNC applique essentiellement le principe de différenciation. Le principe de fonctionnement et le processus peuvent être brièvement décrits comme suit
Le dispositif de commande numérique différencie la trajectoire de l'outil en fonction des exigences du programme d'usinage en fonction de l'axe de coordonnées correspondant de la machine-outil, avec la quantité de mouvement minimale (équivalent d'impulsion) (△ X, △ Y sur la figure 1-2), et calcule le nombre d'impulsions qui doivent être déplacées sur chaque axe de coordonnées.
Le logiciel d'interpolation ou l'algorithme d'interpolation du dispositif CNC est utilisé pour ajuster la trajectoire requise avec une ligne équivalente en unités de « unité de mouvement minimum » et trouver la ligne d'ajustement la plus proche de la trajectoire théorique.
③ Le dispositif CNC attribue en continu des impulsions d'alimentation à l'axe de coordonnées correspondant en fonction de la trajectoire de la ligne ajustée et entraîne l'axe de coordonnées de la machine à se déplacer en fonction de l'impulsion attribuée via le servomoteur.
De ce qui précède, on peut voir que premièrement, tant que le mouvement minimum (équivalent d'impulsion) de la machine-outil CNC est suffisamment petit, la ligne d'ajustement utilisée peut effectivement remplacer la courbe théorique. Deuxièmement, tant que la méthode de distribution d'impulsions de l'axe de coordonnées est modifiée, la forme de la ligne ajustée peut être modifiée, atteignant ainsi l'objectif de modifier la trajectoire d'usinage. Troisièmement, tant que la fréquence de l'impulsion attribuée est modifiée, la vitesse de déplacement de l'axe de coordonnées (outil) peut être modifiée. Cela permet d'atteindre l'objectif fondamental de contrôler la trajectoire du mouvement de l'outil dans les machines-outils CNC.
La méthode permettant de déterminer certains points intermédiaires entre des points connus dans une trajectoire idéale (contour) basée sur une fonction mathématique donnée, par densification des points de données, est appelée interpolation. Le nombre d'axes de coordonnées pouvant participer simultanément à l'interpolation est appelé nombre d'axes de liaison. Évidemment, plus une machine-outil CNC possède d’axes de liaison, plus ses performances d’usinage des contours sont fortes. Par conséquent, le nombre d’axes de liaison est un indicateur technique important pour mesurer les performances des machines-outils CNC.