MACHINE À COMMANDE NUMÉRIQUE 3 AXES

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1 BACCALAURÉAT SCIENCES ET TECHNOLOGIES INDUSTRIELLES Spécialité génie électronique Session 2007 Durée : 6 heures coefficient : 8 MACHINE À COMMANDE NUMÉRIQUE 3 AXES Tout document interdit Calculatrice à fonctionnement autonome autorisée (circulaire du 16/11/99) Ce sujet comporte : A - Analyse fonctionnelle du système : A1 à A7 B - : - Questions et documents réponse : BR1 à BR4 - Documentation : BAN1 à BAN5 C - Partie électronique : - Questions : C1 à C8 - Documents réponse : CR1 à CR3 - Documentation : CAN1 à CAN10

2 BACCALAURÉAT SCIENCES ET TECHNOLOGIES INDUSTRIELLES Spécialité génie électronique Session 2007 MACHINE À COMMANDE NUMÉRIQUE 3 AXES Analyse fonctionnelle Tout document interdit Calculatrice à fonctionnement autonome autorisée (circulaire du 16/11/99) Ce sujet comporte : Analyse fonctionnelle du système : A1 à A7

3 1. Présentation du système 1.1 Mise en situation L élimination de l utilisation de produits polluants participe à la préservation de l environnement. La commande numérique trois axes associée à son logiciel permet la réalisation non chimique de circuits imprimés. La société ISEL commercialise des petites machines à commande numérique pilotées par PC. Ces machines permettent l usinage sur trois axes des métaux légers, des matières plastiques, du bois. Une des orientations particulières du modèle étudié (CPM2018) est le gravage-perçage de circuit imprimé. 1.2 Fonction d usage À partir d une plaque d époxy cuivré, cette machine permet de détourer les pistes d un circuit imprimé ou percer ce même circuit, conformément à un plan dessiné à l aide d un logiciel sur micro-ordinateur. 1.3 Diagramme sagittal liaison série Machine à commande numérique trois axes OT Usinage Ordinateur Initialisation ou arrêt d'urgence Insertion carte Surveillance bris d'outil Plaque d'époxy Conduite logicielle de l'usinage Opérateur Info visuelle L objet de l étude est la machine à commande numérique trois axes. Présentation du système Page A1/7

4 2. Présentation de l objet technique 2.1 Mise en situation L objet technique est composé d une machine à commande numérique trois axes associée à son logiciel de commande. Cet ensemble est destiné à la réalisation non chimique de circuits imprimés. Cette technique de fraisage et perçage est un procédé purement mécanique au cours duquel les différentes pistes conductrices sont séparées par un fraisage de largeur réglable. Ce système permet de réaliser immédiatement, sur le poste de travail, un circuit imprimé et percé. Les données de fraisage et de perçage peuvent être prises en charge directement à partir de tous les systèmes de CAO courants. 2.2 Fonction globale Usiner une pièce à partir d un fichier représentatif d un typon dessiné par ordinateur. 2.3 Diagramme pieuvre FP : Percer ou fraiser automatiquement des plaques de circuit imprimé. Fc1 : S adapter au réseau EDF. Fc2 : Éliminer l utilisation de produits chimiques. Fc3 : Communiquer. Présentation du système Page A2/7

5 2.4 Description des éléments constitutifs La machine présente tous les critères de sécurité. Elle est munie d un capot de protection en plexiglass, d un arrêt d urgence (coup de poing), d interrupteurs anti-feu et d une condamnation d ouverture de capot munie d une serrure. Le fonctionnement de la machine ne nécessite qu une alimentation électrique 230V fournie par EDF. Les déplacements sur les trois axes (X, Y, Z) sont réalisés par des moteurs pas à pas hybrides quatre phases commandés en micro-pas. Ce type de commande, mais aussi des paliers linéaires à bille et une transformation de mouvement par vis à billes permettent d obtenir une précision de positionnement sur chaque axe de 0,01mm. Description des mouvements : - la table se déplace en translation par rapport au bâti sur l axe Y. - le chariot horizontal se déplace en translation par rapport au bâti sur l axe X. - le porte outil se déplace (verticalement) en translation par rapport au chariot horizontal sur l axe Z. Chariot Horizontal Table Porte outil Le moteur de la broche est un moteur à courant continu 230V/900W tournant à des vitesses réglables à l aide d une molette de à tr/min. 2.5 Diagramme FAST. Voir document page A Schéma fonctionnel du 1 er degré (Fonctions principales) Voir document page A 6 Présentation du système Page A3/7

6 2.7 Étude fonctionnelle de 2 ème degré des Fonctions Principales Schéma fonctionnel de 2 ème degré de FP1. Liaison Données série Adresse 16 Mémorisation PE24V OUVP M/A Traitement des données Réalisation des codes de commande ALE FS12 FS2 8 D0 à D7 FCX 2 CS_EPROM RD FCY FCZ 2 2 FS11 FS1 Décodage d'adresse FS3 FS13 2 CS_CNA OPTO_OUT OPTO_IN A1 WR CE2L 2 MOTBROCHE VERP Schéma fonctionnel de 2 ème degré de FP2. 12V Tension de référence FS13 FS25 VREF Consigne D0 à D7 8 Conversion numérique/ analogique 2 voies FS21 FS9 VA VB Amplification et décalage FS22 FS10 UM1C1 Amplification de puissance FS11 FS23 Phase 1 Écriture WR CS_CNA Sélection voie A1 CE2 UM1C2 Amplification de puissance FS24 FS12 Phase 2 Présentation du système Page A4/7

7 Schéma fonctionnel de 2 ème degré de FP3. VERP MOTBROCHE1 MOTBROCHE2 CE2L OPTO_OUT Vérrouillage des informations 4 Amplification de puissance Liaison non galvanique FS31 FS32 FS33 FS4 FS5 FS6 4 VÉRROUILLAGE PORTE MOTEUR BROCHE CE Schéma fonctionnel de 2 ème degré de FP4. RD OPTO_IN 2 +24V PE24V Axe X Ouverture porte Marche/Arrêt Fin de course 1 Fin de course 2 Liaison non galvanique 9 Vérrouillage des informations OUVP M/A FC1X FC2X Axe Y Axe Z Fin de course 1 Fin de course 2 Fin de course 1 Fin de course 2 FS7 FS41 FS42 FS8 FC1Y FC2Y FC1Z FC2Z Présentation du système Page A5/7

8 Schéma fonctionnel du 1 er degré (Fonctions principales) Micro-ordinateur Liaison série 2 OPTO_IN Lecture Gestion du processus FP1 FT331A Consigne 8 Sélection voie Sélection CNA Ecriture X YZ Commande des moteurs d'axe +24V Ouverture porte Marche/Arrêt Axe X Fin de course 1 Fin de course 2 Fin de course 1 Axe Y Fin de course 2 Axe Z Fin de course 1 Fin de course 2 Energie EDF Alimentations FA Interface d'entrée FT331B (=FP4) +5V +12V -12V PE24V OUVP M/A FC1X FC2X FC1Y FC2Y FC1Z FC2Z Verrouillage porte VERP MOTBROCHE1 MOTBROCHE2 CE2L Interface de sortie FP3 OPTO_OUT FT331C Moteur broche CE2 Phase 1 Moteur d'axe X FP2 2 FT332 FT333 2 Déplacement du chariot FT334 Phase 2 Moteur d'axe X 24V Présentation du système Page A6/7

9 FP FP1 : Usiner un circuit imprimé FT1 :Maintenir le circuit imprimé sur la table Fixations mécaniques FT2 : Faire tourner la broche (outil) Moteur à courant continu FT3 : Déplacer la broche (outil) par rapport au circuit imprimé FT31 : Déplacer la table suivant l'axe Y FT32 : Déplacer le porte outil verticalement suivant l'axe Z Remarque : Les fonctions FT31 et FT32 se décomposent de façon similaire à FT33 FP Diagramme F.A.S.T limité à FP1 et aux frontières de l'étude FT33 : Déplacer le chariot horizontalement suivant l'axe X Diagramme FAST limité à FP et aux frontières de l étude FT331 : Générer les ordres de commande FT332 : Convertir les consignes numériques en signaux de commande analogiques FT333 : Distribuer l'énergie électrique Gestion de processus microprogrammé Convertisseur Numérique Analogique Amplificateur de puissance (L292) FT334 : Convertir l'énergie électrique en énergie mécanique de rotation Moteur pas à pas FT335 : Adapter l'énergie mécanique de rotation Transmission poulie / courroie FT336 : Transformer l'énergie mécanique de rotation en énergie mécanique de translation Système vis à bille / écrou FT 337 : Guider en translation Coulisseau Présentation du système Page A7/7

10 BACCALAURÉAT SCIENCES ET TECHNOLOGIES INDUSTRIELLES Spécialité génie électronique Session 2007 MACHINE À COMMANDE NUMÉRIQUE 3 AXES Durée conseillée 1h30 Lecture du sujet : 5mn 2 - Etude de l avance linéaire : 25mn 3 - Etude de l axe motorisé : 40mn 4 - Etude graphique : 20mn Tout document interdit Calculatrice à fonctionnement autonome autorisée (circulaire du 16/11/99) Cette partie contient : - Questions et documents réponse : BR1 à BR4 - Documentation : BAN1 à BAN5

11 BACCALAURÉAT SCIENCES ET TECHNOLOGIES INDUSTRIELLES Spécialité génie électronique Session 2007 MACHINE À COMMANDE NUMÉRIQUE 3 AXES - Questions et documents réponse : BR1 à BR4

12 Partie Mécanique : Étude de la Fonction FT33 1 Présentation du système L étude porte sur «l axe motorisé X» de la CPM 2018 permettant le déplacement du chariot horizontal suivant l'axe X (voir dans la documentation page BAN5). Moteur pas à pas Coulisseau L axe motorisé X est constitué d une avance linéaire entraînée par un moteur pas-à-pas par l intermédiaire d une transmission par poulies et courroie crantée. Moteur pas à pas Avance linéaire Transmission poulies-courroie Transmission poulies-courroie 2 - Étude de l avance linéaire Chariot Horizontal On étudie, dans un premier temps «l avance linéaire» seule, représentée sur les documents suivants : Documentation page BAN1 : Plan en perspective de l avance linéaire ; Documentation page BAN2 : Nomenclature ; Documentation page BAN3 : Plan d ensemble de l avance linéaire. Le chariot est lié au coulisseau et la semelle, le bâti est fixe. Coulisseau (13) Ecrou à billes (7) z Palier à billes (5) Vis à billes (6) y Bâti Palier linéaire à billes (14) x Semelle (2) questions et documents réponse Page BR1/4

13 Q1 - Compléter les classes d équivalence ci-dessous coulisseau et vis en vous aidant de la documentation pages BAN1, BAN2 et BAN3 : Classe Bâti : {1,3,4,5,8,9,10,11,15,16,17,19,20,21,27 } Classe Coulisseau: { 2, } Liaison 2 : Classe Vis : { 6, } Q2 - Compléter le graphe des liaisons en donnant le nom et l orientation des liaisons 2 et 3 : Classe Vis Liaison 1 : Rotule Graphe des liaisons Classe Coulisseau Liaison 3 : Classe Bâti Q3 - Compléter le schéma cinématique ci-dessous, en représentant le schéma normalisé des liaisons 2 et 3: Classe Coulisseau Schéma cinématique y Classe Vis x Classe Bâti Q4 - À partir de la documentation page BAN4, définir le nom et les principaux avantages des éléments qui réalisent les liaisons ci-dessous : - LIAISONS 1 : - LIAISONS 2 : - LIAISONS 3 : questions et documents réponse Page BR2/4

14 3 - Étude de l axe motorisé X La translation du chariot horizontal sur l axe X est obtenue grâce à la chaîne cinématique : Moteur Transmission Poulies-Courroie Transmission Vis-Écrou Chariot Moteur pas à pas Nm = 720tr.mn -1 Cm = 0,88N.m - en fonctionnement normal : 48 pas/tour - en commande micropas : 480 pas/tour Caractéristiques Poulies: 25 dents dp1 = dp2 = 20mm Rendement : η p = 0,94 Caractéristiques Vis : Pas p v =5mm Diamètre : d v = 16mm Nb de filet : 1 Rendement : η v = 0,92 Poulie P2 z x y Vt Vis ω v Poulie P1 Q5 - Quelle est la valeur du déplacement minimal en mm, effectué par le chariot, en commande micro-pas, noté résolution r. Comparer avec la précision annoncée par le constructeur et conclure : Chariot Moteur Q6 - Déterminer la vitesse de rotation de la vis, N v en tr.mn -1 : Q7 -Déterminer la vitesse de translation du chariot V c en mm.s -1 ; comparer avec la vitesse donnée par le constructeur dans la documentation page BAN5 : Q8 - Compte tenu des données de déplacement sur les 3 axes mentionnés dans la documentation page BAN5, déterminer la durée du déplacement total du chariot suivant X, noté T t : Bâti ω m questions et documents réponse Page BR3/4

15 Q9 - Déterminer la puissance nominale du moteur, notée Pm : Q10 - Déterminer le rendement global η g : Q11 - Déterminer la puissance utile au niveau du chariot Pc : Q12 - Déterminer l effort maximal admissible suivant x, noté Fx (sachant que P = F.V avec P la puissance, F la force et V la vitesse pour un mouvement de translation) : 4 - Étude graphique : Q13 - À l aide de la documentation pages BAN1 et BAN3, compléter les vues du coulisseau 13, sans arêtes cachées : - Vue de face (à compléter); - Vue de dessous (à compléter) ; - Vue de droite (complète). Les vues seront représentées à l échelle 0,8 :1, c'est-à-dire à la même échelle que le plan d ensemble de la documentation page BAN3, aux instruments et au crayon. questions et documents réponse Page BR4/4

16 BACCALAURÉAT SCIENCES ET TECHNOLOGIES INDUSTRIELLES Spécialité génie électronique Session 2007 MACHINE À COMMANDE NUMÉRIQUE 3 AXES - Documentation : BAN1 à BAN5

17 z x y AVANCE LINÉAIRE EN PERSPECTIVE documentation Page BAN1/5

18 documentation Page BAN2/5

19 AVANCE LINÉAIRE FORMAT A3 ECHELLE 0,8 :1 documentation Page BAN3/5

20 Documentation ISEL Vis à billes de diamètre 16 mm Acier CF 53, trempé par induction Tolérance ISO classe 7 Les vis à billes isel sont des composants de haute qualité, précis et résistants à l'usure, qui transforment les mouvements rotatifs en mouvements linéaires avec des frottements minimes. Le rendement de ces vis à billes est au minimum de 90% (à titre de comparaison, les vis à filet trapézoïdale ont un rendement moyen de 50%). Elles disposent de plusieurs canaux de re-circulation de billes, leur nombre dépend du pas de l'écrou. Les vis à billes isel ont des chemins de roulement trempés et polis dans lesquels les billes roulent pratiquement sans s'user ce qui leur assure une longue durée de vie. Les vis à billes ont des couples de démarrage nettement plus faibles que les vis à filet trapézoïdal. Pour les vis à billes, le frottement au démarrage est à peine plus élevé que pendant le fonctionnement. Guidages linéaires à billes Les paliers linéaires à billes isel permettent de réaliser des avances ayant une précision de guidage de 0,01mm/m avec des vitesses de déplacement de 5m/sec environ. Le bloc du palier est rectifié et poli sur toutes ses faces. La précision de parallélisme des deux circuits de billes est de 0,005mm. La cage en matière plastique servant à la circulation des billes est pourvue d'un trou pour assurer la lubrification du palier. Les paliers linéaires à billes isel sont conçus pour se déplacer sur des ronds de diamètre 12mm. Il faut au moins deux paliers pour réaliser une avance linéaire. Quatre circuits de billes se déplacent donc parallèlement avec un angle de 90 sur un rond de diamètre 12mm. Tous les guidages linéaires isel sont des profilés en aluminium extrudé. Tous les rails de guidages sont des ronds de précision Ø8 h6 et Ø16 h6 en acier de dureté HRC 60±2. Les billes des paliers linéaires, prisonnières dans les chemins de roulement en circuit fermé, sont ramenées en permanence dans la zone de charge par les mouvements du palier. Paliers à billes «appliques» à deux trous de fixation - Corps de palier en thermoplastique ; - Roulement à une rangée de billes ; - Roulement auto-aligneur. Les roulements à billes auto-aligneurs, autorisent un rotulage, c'est-à-dire une inclinaison de quelques degrés de l arbre par rapport au palier, qui compensent d éventuels défauts d alignement. documentation Page BAN4/5

21 Documentation ISEL Commande numérique CPM Les systèmes compacts des séries CPM sont constitués de machine 3D à commande numérique prêtes à raccorder pour la formation et les applications industrielles, et cela pour un rapport prestation/prix exceptionnel. Les machines sont appropriées pour l'usinage du bois, des plastiques, des métaux légers, des cartes électroniques, etc. et avec une gamme étendue d'accessoires utilisables de différentes manières. Chariot Horizontal CPM 4030 CPM 3020 CPM 2018 Construction Structure à chassis avec capot de protection Type Portique Courses (X / Y / Z) en mm 400 / 300 / / 200 / / 150 / 90 Vitesses (X / Y / Z) en mm/s 60 / 60 / 60 avec vis à bille 16 * 10mm Guidages Guidage de précision en acier sans jeu à roulement à billes linéaires Hauteur de passage (sous Z) en mm Dimensions de la table de bridage en mm 600 x x x 250 Dimensions extérieures en mm 780 x 850 x x 650 x x 600 x 690 Poids en kg Motorisation Moteurs pas à pas 2 phases Hightorque Commandes Commande pas à pas microstep 4 axes Liaison RS 232 (fonctionne avec un adaptateur usb / série) Applications Équipements fabrication de plaque de signalisation fabrication de maquette d'architecture découpe de carte prototypage éducation fraisage, découpe et gravure usinage de poche usinage 3D bijouterie usinage de surface cylindrique (en option) 4 axes micro-pas intégrés aucune carte additionnelle nécessaire dans le PC construction robuste en aluminium pour l'industrie vis a billes à ajustement sans jeu moteur de broche UFM 500 (500W / rpm) (en option sur la CPM 4030) espace de travail fermé conformément aux normes de sécurité CE logiciel de pilotage fonctionne avec n'importe quel PC du commerce (pilotage USB en option) disponible en version 115V capteur de mesure d'outil, dispositif de micropulvérisation / jet documentation Page BAN5/5