top of page

Histoire des fraiseuses CNC

Histoire et évolution, du cutter industriel au modèle hobby

Le traitement mécanique de  fraisage  est bien connue et considérée comme une opération industrielle très normale, c'est-à-dire un travail mécanique à froid, qui fonctionne par enlèvement de copeaux, tout comme le tournage et le perçage, et qui s'effectue par l'action d'un outil tournant sur son axe, la fraise, sur une pièce en mouvement d'avance, qui est « sculptée » à la forme désirée.

Plus difficile à établir est l'histoire mouvementée de la fraiseuse, probablement née de manière obscure dans un atelier artisanal dans les premières décennies des années 1800 et rapidement devenue la pratique courante que nous connaissons aujourd'hui.

Nous sommes vers 1750, et à l'origine de la fraiseuse il y a le tour, souvent, pour limer les pièces plus rapidement qu'on ne pouvait le faire à la main, des limes rotatives étaient montées dessus.

Cependant, nous parlons d'un traitement très simple et grossier.
Vers 1760, nous trouvons les premières vraies fraiseuses, c'est-à-dire que vous ne revenez pas avec un outil spécial, mais des machines avec ce but précis et pur.
Dans
  1814  aux États-Unis, dans les deux arsenaux fédéraux, un modèle beaucoup plus avancé a été développé, pour le fraisage de boulons hexagonaux, en tout cas, encore dans ces décennies, le fraisage était considéré comme un moyen de gagner du temps sur l'ébauche puis la finition à la main. finir le travail.

STF_3.jpg

Ils étaient  inventions ultérieures, telles que le mouvement à trois axes intégré par Brown et Sharpe dans leur modèle exceptionnel de 1861, pour rendre possible un travail fini et ouvrir la voie à d'autres innovations, qui se sont poursuivies dans les années précédant le  PREMIÈRE GUERRE MONDIALE.

L'un des premiers brevets de cutter est daté de 1885,
C'est vers la fin de la Première Guerre mondiale que la recherche continue de la précision dans le traitement atteint un stade capital,
  c'est en effet dans ces années que la notion de dimensionnement relatif, c'est-à-dire de mesures, s'est approfondie  menée sur la pièce à partir d'un seul point de référence, et que la précision normale des machines atteint i  centièmes de millimètre,  ils ont été l'aube de la commande numérique des machines aujourd'hui considérées comme allant de soi.

Avec des pantographes ils permettaient de modeler les mouvements de la machine en traçant les lignes d'un modèle, il était possible de créer, déjà dans les années 1930, d'énormes fraiseuses comme la Cincinnati  Hydro-Tel, à ce point presque identique à ceux d'aujourd'hui si l'on laisse de côté le contrôle informatisé.

La technologie  après la guerre elle est marquée par l'aboutissement du développement des servomécanismes, et par la naissance des technologies
numérique. Créé par
  investissements  recherche militaire,
 

la technologie s'est répandue plus rapidement précisément dans le secteur industriel et mécanique, dans ce cas comme dans de nombreux autres cas typiques des années 40 et 50 du siècle dernier.

STF_4.jpg
STF_5.jpg

Dans les décennies suivantes, la commande numérique a évolué vers le contrôle informatisé des machines, jusqu'à l'explosion technologique des années 1980 qui, avec l'ordinateur personnel, a amené les machines à commande numérique jusque dans les plus petits ateliers.

Au XXe siècle, l'accélération technologique due à la diffusion des technologies de l'information et de la microélectronique a permis  aux entreprises de disposer de nouvelles technologies qui, utilisées de manière appropriée, leur permettent de répondre aux besoins du marché et d'optimiser la qualité tout en minimisant les coûts.
La machine-outil à commande numérique (MU/CN) est à la base du processus d'informatisation du cycle de production, pour la production en petites et moyennes séries à moindre coût.


Grâce à cela, il a été possible de réduire considérablement le temps de préparation de la machine pour le traitement de différentes pièces avec le simple remplacement d'un programme précis élaboré par un programme CAM et transféré via un support magnétique (clé USB),  soit directement via câble réseau, à la machine d'exploitation, remplaçant ainsi les bandes perforées préhistoriques utilisées par les premières machines CNC.

STF_6.jpg
STF_7.jpg

Le langage de programmation et le CAM

Le code ISO

Toute machine à commande numérique, qu'il s'agisse d'une fraiseuse, d'un tour ou d'une rectifieuse, a besoin de recevoir des "instructions" sur la façon de déplacer ses axes ou ses mécanismes, ces instructions sont écrites dans un format spécial aussi appelé code ISO ou code machine.

Le code ISO est un langage machine spécial et relativement simple que la CNC est capable de comprendre et d'exécuter.

Ce langage était à l'origine utilisé pour programmer l'usinage directement sur la machine, avec un clavier alphanumérique, sans l'utilisation de logiciel de FAO.

C'est une séquence de commandes simples, que la machine exécute dans l'ordre, et quelques autres instructions standards, telles que le nombre de tours de broche et les vitesses de déplacement dans diverses situations (travail, montée, descente, rapide, etc.).

Le langage le plus courant est le G Code ou ISO Code, un langage simple développé pour les premières machines CNC dans les années 1970.

STF_8.jpg
STF_9.jpg

La caméra

La définition de la FAO est : Fabrication Assistée par Ordinateur,  fait référence à l'utilisation de divers progiciels pour créer un code ISO et faire fonctionner une CNC, sur la base d'un modèle 3D (CAO) de données.

Autrefois, lorsque le traitement était complexe, on s'est rendu compte que devoir programmer directement sur la machine en utilisant les codes ISO manuellement, devenait très complexe, long et difficile à modifier.
C'est grâce aux programmes FAO qu'il a été rendu possible de convertir le dessin de l'usinage à effectuer (2D ou 3D), directement en code ISO, avec la possibilité de simuler l'usinage et de vérifier la précision de la trajectoire de l'outil. Il est important de noter qu'en réalité ce n'est pas le CAM qui contrôle directement la machine, mais seulement crée le code du chemin à suivre.
La programmation FAO, comme la modélisation 3D, nécessite des connaissances et une expérience en gestion de programme, développement de stratégies d'usinage,
  connaissant en profondeur les fonctions et les outils à utiliser dans chaque situation, nous pouvons obtenir les meilleurs résultats.
Il existe des centaines de types de programmes de FAO, les plus connus sont Mastercam, GibsCam, RhinoCam, certains sont spécifiques au type de traitement, voir ArtCam dans le secteur objet ou CopperCam pour le fraisage des circuits imprimés.

STF_10.jpg
STF_11.jpg

Le post-processeur

Alors que le Code ISO est en fait un langage « standard », les constructeurs de machines sont libres de le personnaliser, d'intégrer des fonctions supplémentaires propres à chaque machine : pour cette raison le G-Code créé pour une machine peut ne pas convenir à une autre. .
Certains fabricants ont même développé leurs propres langages de programmation, comme Heidenhain, Mazak/Mazatrol.
Par conséquent, pour traduire les trajectoires d'outils calculées par le logiciel de FAO dans un langage spécifique pour la machine unique, un logiciel "pont" supplémentaire est nécessaire, appelé Postprocesseur, qui, une fois correctement configuré, se charge de traduire le code générique dans un langage spécifique. à la machine pour laquelle il a été compilé. 
Cela permet à n'importe quel CAM de calculer des itinéraires pour n'importe quelle machine.

Cycle d'écoulement

Ce qui suit est le résumé de la façon dont une pièce conçue par CAO est transformée en une pièce finie.

STF_12.jpg

Physiquement  le programme CAM peut être présent dans un ordinateur à proximité de la fraiseuse CNC, c'est l'opérateur qui utilise la fraise qui utilise la CAM, puisqu'il connaît toutes les caractéristiques de la matière à usiner et des différents outils de fraisage présents dans la machine.
Dans d'autres situations, les stations CAD et CAM sont situées dans un bureau technique, et à partir de là, le chemin de l'outil est envoyé à la machine via une connexion réseau ou des supports de stockage tels que des clés USB.
Dans les fraiseuses CNC de dernière génération, grâce à des consoles de machines de plus en plus sophistiquées, il est possible de concevoir et de réaliser des traitements FAO directement sur la machine, ce qui nécessite un haut niveau de spécialisation de l'opérateur.

Evolution "physique" de la fraise

La transformation de la mécanique de la machine était extraordinaire.
Les premières coupeuses manuelles étaient une fierté de la technologie mécanique, à l'intérieur il y avait des dizaines de pièces mécaniques qui les composaient; engrenages, arbres, boîte de vitesses, guides, cinématique, cames, etc. etc.

Chaque mouvement était mécanique et ce n'est que grâce à la cinématique qu'il était possible d'effectuer certains mouvements des axes et des avances automatiques.

La même variation de vitesse de la broche était possible grâce à un système à courroie ou à une boîte de vitesses à engrenages.
Toutes ces pièces mécaniques présentaient des inconvénients différents : elles nécessitaient une lubrification, étaient sujettes à l'usure et aux jeux de fonctionnement, aux casses et à l'entretien périodique, ainsi qu'à un coût élevé de la machine elle-même.

Avec l'évolution technologique de l'électronique et des servomécanismes, beaucoup de ces pièces mécaniques ont été complètement remplacées et avec plus de fonctionnalités.

STF_14.jpg

Désormais, un simple moteur électrique triphasé commandé par un onduleur permet une plage de vitesse de broche illimitée.

Des servomoteurs contrôlés par des drivers spéciaux permettent des mouvements interpolés avec une précision millième.

La machine devient ainsi beaucoup plus simple mécaniquement, mais fortement plus complexe électroniquement.
On est ainsi passé de problèmes mécaniques dus aux vibrations de pièces mobiles ou au jeu des mécanismes cinématiques à des problèmes dus à des interférences électroniques, des « bugs » de programme ou des bris de cartes électroniques.

Si auparavant une fraise mécanique manuelle avait une durée pratiquement illimitée liée uniquement au remplacement de pièces mécaniques facilement reconstructibles, aujourd'hui les fraiseuses CNC modernes ont leur cycle de vie lié à l'approvisionnement des cartes électroniques qui les composent, et celles-ci ne restent pas en production pour de longs temps.
En fait, cependant, les fraises CNC d'aujourd'hui permettent un usinage beaucoup plus complexe et plus rapide que les anciennes fraises mécaniques manuelles.

STF_15.jpg
STF_16.jpg

Composants d'une machine-outil à commande numérique

 Les principaux éléments qui composent une machine-outil à commande numérique sont : les unités de direction, les guides, les servomécanismes et les transducteurs.

L'unité du gouvernement

L'unité du gouvernement  c'est le système qui reçoit et/ou crée les trajectoires d'outils, puis les traite en signaux qui vont commander les servomécanismes qui vont déplacer physiquement les axes de la machine.
L'évolution de cette unité a été remarquable au cours des dernières années, permettant le contrôle de jusqu'à 7 axes interpolés avec la gestion de processus complexes.
Le nombre d'axes dans une fraiseuse CNC varie normalement de 3 à 7 axes, la gestion d'une fraiseuse 3 axes est relativement simple en terme de programmation des trajectoires d'outils, à partir de 4 axes, il faut utiliser une plus CAM .complexe et spécialisé, qui permet le contrôle des collisions entre les axes et la pièce.
Une planification incorrecte de l'itinéraire peut causer des dommages graves et coûteux à la machine.
Sur le marché aujourd'hui les commandes les plus courantes sont : Fanuc, Siemens, Selca  Et  Heidenhain, également en  monde des loisirs, des commandes simples sont nées, qui ont cependant des fonctionnalités respectables.
Une commande industrielle est essentiellement composée d'une console constituée d'un écran LCD où il est possible de voir le code ISO, l'usinage, la position des axes, la vitesse d'usinage et toutes les commandes actives de la machine.

La console s'interface ensuite avec le panneau électronique du contrôleur, où résident les pilotes d'alimentation de chaque axe.
Le driver est une carte électronique qui commande électriquement un servomoteur.
En plus des pilotes, il y a un onduleur qui ajuste la vitesse de rotation de l'électrobroche,  toute une série de relais de contrôle pour les dispositifs auxiliaires de la machine, tels que les électrovannes, l'unité de changement d'outil, le liquide de refroidissement et les systèmes de sécurité.
L'ensemble du panneau de commande est géré par un ou plusieurs automates qui communiquent avec le pupitre de commande.
Le panneau électronique est normalement placé dans la partie arrière de la machine, à l'abri de la poussière et de l'huile, et est souvent réfrigéré par un petit climatiseur qui régule l'humidité et la température à l'intérieur.

STF_17.jpg
STF_18.jpg
STF_20.jpg

Les guides

Les guides sont les pièces sur lesquelles glissent les glissières, c'est la pièce la plus importante qui conditionne la précision de la machine-outil.
Les types de guides les plus utilisés sont :
De type fonte sur fonte (ou queue d'aronde), c'est l'un des premiers systèmes utilisés à la fois dans les fraiseuses mécaniques et les tours.
Facile à réaliser, à faible coût et avec possibilité de réglage.
C'est un système encore utilisé sur les machines manuelles à faible coût
Ils peuvent être recouverts de matériau composite pour réduire les frottements.
Les guides prismatiques à recirculation de billes, grâce à la réduction des coûts de leur production, sont le système le plus utilisé dans les machines-outils d'aujourd'hui.
Ils ont une précision inférieure au centième de millimètre, un faible coefficient de frottement, la possibilité de régler le jeu, une longue durée de vie grâce à la recirculation continue des billes pendant le mouvement.

STF_21.jpg
STF_22.jpg

Les servomécanismes

Il servomeccanismo è il dispositivo che permette di trasformare un segnale elettrico in un movimento meccanico, è l'organo che permette la maggior parte dei movimenti della macchina, quali gli spostamenti degli assi e il cambio utensile, il servomeccanismo riceve i segnali dall' unità di Control.

Composition d'un servomécanisme

Un amplificateur est une carte électronique qui reçoit les signaux d'une unité de contrôle, les amplifie et les transforme en certaines formes d'onde. Il vérifie également que tous les signaux de mouvement sont exécutés par l'unité de contrôle (système en boucle fermée). 
Unité de puissance, cette unité reçoit les signaux préalablement amplifiés et modulés et délivre le courant et la tension nécessaires au fonctionnement de l'unité de contrôle. L'amplificateur et l'unité de puissance sont normalement intégrés dans une seule carte également appelée "pilote de commande de servomoteur"
L'unité de contrôle est la partie finale qui transforme l'énergie électrique en mouvement mécanique, il s'agit généralement d'un moteur électrique associé à un transducteur (encodeur), il est  généralement appelé "Servomoteur".
Normalement, les servomoteurs  ils fonctionnent selon le principe de rétroaction, où la quantité de contrôle à l'entrée est comparée à la quantité à la sortie, mesurée avec une sorte de transducteur. Toute différence entre la valeur réelle et la valeur souhaitée est amplifiée et utilisée pour faire fonctionner le système dans le sens nécessaire pour réduire ou éliminer l'erreur.

STF_24.jpg
STF_25.jpg

Transmission de mouvement

Pour la transmission du mouvement, dans les machines-outils, on utilise des vis à billes, car elles transforment un mouvement de rotation en un mouvement de translation avec une efficacité maximale.
Les billes circulent dans le chemin de roulement et sont ramenées à leur point de départ au moyen de tuyaux de retour (conduits), qui peuvent être internes ou externes.
Par rapport à la vis trapézoïdale, le frottement est considérablement réduit et l'énergie pour entraîner la vis (ou l'écrou) est réduite d'autant.
Compte tenu du très faible frottement, il est possible d'obtenir un rendement mécanique de 90 % avec par conséquent moins d'usure, une longue durée de vie et une excellente fiabilité dans la précision de positionnement.

STF_26.jpg

Systèmes de contrôle

Dans les machines-outils à CN, il existe deux systèmes fondamentaux :

  • BOUCLE OUVERTE (boucle ouverte)

  • BOUCLE FERMEE (boucle fermée)

Contrôle en boucle ouverte

C'est une technique de contrôle par opposition au contrôle par rétroaction. Il s'en distingue par l'absence d'une mesure directe de la grandeur à contrôler, puisque l'entrée du système à contrôler est calculée sur la base des caractéristiques connues de ce système et sur la mesure éventuelle des perturbations agissant sur ce. Les signaux de la centrale sont directement transformés en mouvements et donc en positions, sans contrôle par rapport à la position à atteindre.

Avantages

STF_34.jpg
  • L'absence de mesure directe de la quantité à contrôler a un impact positif sur le coût et le temps de mise en œuvre du contrôleur, ainsi que sur le poids.

  • La capacité d'éliminer  capteurs  pour la mesure de la quantité à contrôler elle présente également un avantage en termes de  fiabilité, car le bon fonctionnement du système de contrôle ne dépendra pas du fonctionnement du capteur ou du système d'acquisition de données lu par le capteur.

  • L'absence de retards dans la lecture de la sortie mesurée (dus à la dynamique du système ou des capteurs) garantit une meilleure promptitude de réponse.

Inconvénients

  • La nécessité de développer un modèle mathématique précis entraîne des tests expérimentaux sur le système avec une augmentation conséquente des coûts de développement.

  • Mauvaise robustesse aux variations paramétriques du modèle, dues au vieillissement des composants.

  • Mauvaise robustesse en présence de perturbations agissant sur le système.

Ce système est normalement utilisé sur les fraises CNC pour un usage amateur en raison du faible coût et de la disponibilité facile des pilotes de commande.
Les servomoteurs utilisés sont des moteurs pas à pas, leur précision est toujours excellente, considérant qu'ils sont actuellement utilisés sur toutes les imprimantes.

Contrôle en boucle fermée

Dans un système de contrôle en boucle fermée, la fonction d'entrée est déterminée sur la base du comportement du système, tel qu'exprimé par la tendance de ses sorties. Ce type de contrôle est appelé contrôle de rétroaction car les sorties sont renvoyées à l'entrée. Dans ce type de système, il existe une ou deux boucles de rétroaction qui détectent en permanence la différence entre la position instantanée et celle à atteindre, tant pour les déplacements que pour les vitesses.

Avantages

STF_35.jpg
  • Précision des mouvements avec possibilité de paramétrer la marge d'erreur.

  • Arrêt immédiat du système en cas d'erreur due à des problèmes mécaniques ou électriques

  • Grandes possibilités de réglage des vitesses d'accélération / décélération des unités de mouvement

Inconvénients

  • Coût élevé du système.

  • Une plus grande attention dans le câblage des servomoteurs pour éviter les interférences électriques.

bottom of page