Que sont les machines CNC ?

L'histoire des machines CNC
John T. Parsons (1913-2007) de Parsons Corporation à Traverse City, Michigan est considéré comme le pionnier de la commande numérique, précurseur de la machine CNC moderne.Pour son travail, John Parsons a été surnommé le père de la 2ème révolution industrielle.Il avait besoin de fabriquer des pales d'hélicoptère complexes et s'est vite rendu compte que l'avenir de la fabrication consistait à connecter les machines aux ordinateurs.Aujourd’hui, on trouve des pièces fabriquées par CNC dans presque tous les secteurs.Grâce aux machines CNC, nous disposons de produits moins chers, d’une défense nationale plus solide et d’un niveau de vie plus élevé que ce qui est possible dans un monde non industrialisé.Dans cet article, nous explorerons les origines de la machine CNC, les différents types de machines CNC, les programmes de machines CNC et les pratiques courantes des ateliers d'usinage CNC.

Les machines rencontrent l’ordinateur
En 1946, le mot « ordinateur » désignait une machine de calcul actionnée par carte perforée.Même si Parsons Corporation n'avait fabriqué qu'une seule hélice auparavant, John Parsons a convaincu Sikorsky Helicopter qu'elle pouvait produire des modèles extrêmement précis pour l'assemblage et la fabrication d'hélices.Il a fini par inventer une méthode informatique à base de cartes perforées pour calculer des points sur une pale de rotor d'hélicoptère.Ensuite, il a demandé aux opérateurs de faire tourner les roues vers ces points sur une fraiseuse de Cincinnati.Il a organisé un concours pour le nom de ce nouveau processus et a donné 50 $ à la personne qui a inventé la « commande numérique » ou NC.

En 1958, il dépose 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 d'origine et le titulaire de licence de M. Parsons (Bendix) a concédé une sous-licence à IBM, Fujitusu et GE, entre autres.Le concept NC a mis du temps à faire son chemin.Selon M. Parsons, les vendeurs de l'idée étaient des informaticiens plutôt que des fabricants.Cependant, au début des années 1970, 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.Ils créent des objets 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 définissez-vous une machine CNC ?Toutes les machines de contrôle de mouvement automatisées comportent trois composants principaux : une fonction de commande, un système d'entraînement/de mouvement et un système de rétroaction.L'usinage CNC est le processus consistant à utiliser une machine-outil pilotée par ordinateur pour produire une pièce à partir d'un matériau solide sous une forme différente.

La CNC dépend d'instructions numériques généralement réalisées sur des logiciels 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 sur le contrôleur interprète la conception 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 précis qu’un mouvement manuel des outils et des pièces effectué avec des leviers et des engrenages sur des équipements plus anciens.Les machines CNC modernes contiennent plusieurs outils et effectuent de nombreux types de coupes.Le nombre de plans de mouvement (axes) ainsi que le nombre et les types d'outils auxquels la machine peut accéder automatiquement pendant le processus d'usinage déterminent la complexité d'une pièce qu'une CNC peut réaliser.

Comment utiliser une machine CNC ?
Les machinistes CNC doivent acquérir des compétences en programmation et en travail des métaux pour exploiter pleinement la puissance d'une machine CNC.Les écoles de métiers techniques et les programmes d'apprentissage font souvent débuter les étudiants sur des tours manuels pour avoir une idée de la façon de couper le métal.Le machiniste doit être capable de visualiser 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 et des trajectoires d'outils peuvent ensuite être suggérées 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 populaires incluent 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 mieux que d'autres aux logiciels de FAO.

Fabrication Assistée par Ordinateur (FAO)
Les machines CNC utilisent souvent des programmes créés par un logiciel CAM.CAM permet aux utilisateurs de configurer une « arborescence de tâches » pour organiser le flux de travail, définir les parcours d'outils et exécuter des simulations de découpe avant que la machine n'effectue une véritable découpe.Souvent, les programmes de FAO fonctionnent comme des modules complémentaires aux logiciels de CAO et génèrent un code G qui indique aux outils CNC et aux pièces mobiles des pièces où aller.Les assistants du logiciel de FAO facilitent plus que jamais la programmation d'une machine CNC.Les logiciels de FAO populaires incluent Mastercam, Edgecam, OneCNC, HSMWorks et Solidcam.Mastercam et Edgecam représentent près de 50 % des parts de marché de la FAO haut de gamme selon un rapport de 2015.

Qu'est-ce qu'une commande numérique distribuée ?
Commande Numérique Directe devenue Commande Numérique Distribuée (DNC)
Des commandes numériques directes ont été utilisées pour gérer les programmes CN et les paramètres de la machine.Il permettait aux programmes de se déplacer sur un réseau depuis un ordinateur central vers des ordinateurs embarqués appelés unités de contrôle de machine (MCU).Initialement appelé « Contrôle numérique direct », il évitait le besoin de bande de 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 transmettant un programme à la CNC.La mémoire CNC contient le programme et l'opérateur peut collecter, modifier et renvoyer le programme.

Les programmes DNC modernes peuvent effectuer les opérations suivantes :
● Édition – Peut exécuter un programme CN pendant que d'autres sont en cours d'édition.
● Comparer – Comparez côte à côte les programmes CN originaux et modifiés et consultez les modifications.
● Redémarrer – Lorsqu'un outil tombe en panne, le programme peut être arrêté et redémarré là où il s'était arrêté.
● Suivi des tâches – Les opérateurs peuvent pointer les tâches et suivre la configuration et la durée d'exécution, par exemple.
● Affichage des dessins – Afficher des photos, des dessins CAO d'outils, de montages et de pièces de finition.
● Interfaces d'écran avancées – Usinage en une seule touche.
● Gestion avancée de la base de données – Organise et conserve les données là où elles peuvent être facilement récupérées.

Collecte de données de fabrication (MDC)
Le logiciel MDC peut inclure toutes les fonctions du logiciel DNC, ainsi que collecter des données supplémentaires et les analyser 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 parmi tous les produits fabriqués. Disponibilité – pourcentage du temps prévu pendant lequel l'équipement spécifié fonctionne ou produit des pièces. Performance – vitesse de fonctionnement réelle par rapport au fonctionnement planifié ou idéal. tarif de l'équipement.

OEE = Qualité x Disponibilité x Performance
L'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 des machines telles que la configuration, le temps d'exécution et les temps d'arrêt sont automatiquement collectées et combinées avec des données humaines telles que les codes de raison pour fournir une compréhension à la fois historique et en temps réel du fonctionnement des tâches.Les machines CNC modernes collectent jusqu'à 200 types de données, et un logiciel de surveillance des machines peut rendre ces données utiles à tous, de l'atelier au dernier étage.Des entreprises comme Memex proposent un logiciel (Tempus) qui récupère les données de tout type de machine CNC et les intègre dans un format de base de données standardisé qui peut être affiché sous forme de tableaux et de 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 nouvelles machines-outils CNC sont équipées pour fournir des données dans ce format.Les machines plus anciennes peuvent toujours fournir des informations précieuses grâce aux adaptateurs.La surveillance des machines CNC est devenue courante au cours des dernières années et de nouvelles solutions logicielles sont toujours en 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 comme programmé sur le 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 routage et les tours.Les machines CNC peuvent même ramasser et déplacer des articles sur une chaîne de montage.

Vous trouverez ci-dessous 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 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.

Routeurs :Les routeurs CNC sont généralement utilisés pour couper de grandes dimensions dans le bois, le métal, les tôles et les plastiques.Les routeurs standard fonctionnent sur des coordonnées à 3 axes, ce qui leur permet de couper en trois dimensions.Cependant, vous pouvez également acheter des machines 4,5 et 6 axes pour des modèles prototypes et des formes complexes.

Fraisage :Les fraiseuses manuelles utilisent des volants et des vis mères pour articuler un outil de coupe sur une pièce à usiner.Dans une fraiseuse CNC, la CNC déplace les vis à billes de haute précision jusqu'aux coordonnées exactes programmées à la place.Les fraiseuses CNC sont disponibles dans une large gamme de tailles et de types et peuvent fonctionner sur plusieurs axes.

Coupeurs de plasma :Le découpeur plasma CNC utilise un laser puissant pour couper.La plupart des découpeurs plasma découpent des formes programmées dans une feuille ou une plaque.

Imprimante 3D:Une imprimante 3D utilise le programme pour lui indiquer où déposer de petits morceaux de matériau pour créer la forme souhaitée.Les pièces 3D sont construites couche par couche avec un laser pour solidifier le liquide ou la puissance au fur et à mesure que les couches grandissent.

Machine de sélection et de placement :Une machine CNC « pick and place » fonctionne de la même manière qu'un routeur CNC, mais au lieu de couper du matériau, la machine est dotée de nombreuses petites buses qui ramassent les composants à l'aide d'un aspirateur, les déplacent vers l'emplacement souhaité et les déposent.Ceux-ci servent à fabriquer des tables, des cartes mères d'ordinateurs et d'autres ensembles électriques (entre autres).

Les machines CNC peuvent faire beaucoup de choses.Aujourd’hui, la technologie informatique peut être installée sur presque 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.

Rassembler le tout : comment les ateliers d'usinage CNC fabriquent des pièces
Le fonctionnement d'une CNC implique à la fois l'ordinateur (contrôleur) et une configuration physique.Un processus typique d'atelier d'usinage ressemble à ceci :

Un ingénieur de conception crée la conception dans le programme de CAO et l'envoie à un programmeur CNC.Le programmeur ouvre le fichier dans le programme CAM pour décider des outils nécessaires et créer le programme CN pour la CNC.Il ou elle envoie le programme CN à la machine CNC et fournit une liste de la configuration d'outillage correcte à un opérateur.Un opérateur de configuration charge les outils comme indiqué et charge la matière première (ou la pièce).Il ou elle analyse ensuite des échantillons et les mesure avec des outils d'assurance qualité pour vérifier que la machine CNC fabrique des pièces conformément aux spécifications.En règle générale, l'opérateur d'installation fournit un premier article au service qualité qui vérifie toutes les dimensions et approuve l'installation.La machine CNC ou les machines associées sont chargées de suffisamment de matière première pour fabriquer le nombre souhaité de pièces, et un opérateur de machine veille à ce que la machine continue de fonctionner, fabriquant des pièces selon les spécifications.et a de la matière première.En fonction du travail à accomplir, il est souvent possible de faire fonctionner des machines CNC sans la présence d'un opérateur.Les pièces finies sont automatiquement déplacées vers une zone désignée.

Les fabricants d’aujourd’hui peuvent automatiser presque tous les processus avec suffisamment de temps, de ressources et d’imagination.La matière première peut être introduite dans une machine et les pièces terminées peuvent en ressortir emballées et prêtes à l'emploi.Les fabricants s'appuient sur une large gamme de machines CNC pour fabriquer des produits de manière rapide, précise et rentable.