Chapitre 1 : Fonctionnement des MOCN

Chapitre 1 : Fonctionnement des MOCN Ce chapitre a deux objectifs. D une part de familiariser le lecteur au vocabulaire conventionnellement utilisé à propos des machines outil à commande numérique. D autre part de lui apporter quelques éléments concernant les solutions technologiques utilisées pour la réalisation de ces machines. Ces connaissances sont indispensables pour savoir identifier l objet réel et ses défauts de fonctionnement qui seront l objet d une modélisation. 3

Définitions 1. DÉFINITIONS 1.1. M.O.C.N. Les machines à commande numérique (MOCN) sont des machines partiellement ou totalement automatisées. Les ordres de mouvement des différents organes sont donnés par programmation. En particulier, les positions successives de l outil par rapport à la pièce sont exprimées sous forme numérique. Elles sont définies dans un système de coordonnées dont la nomenclature est normalisée (NF Z68-020) 1.2. AXE Un degré de liberté d un organe de machine est appelé AXE si l actionneur du mouvement est asservi en vitesse et position, et s il peut être synchronisé avec un autre degré de liberté pour obtenir un déplacement qui n est pas parallèle à une direction principale du système de coordonnées. Il permet d obtenir une position, par une instruction numérique, à la résolution du moyen de mesure près. 1.3. DEMI-AXE Un degré de liberté d un organe de machine est appelé DEMI-AXE si l actionneur du mouvement est asservi en vitesse et position, sans pouvoir être synchronisé avec un autre degré de liberté. 1.4. AXE SEQUENTIEL Un degré de liberté d un organe de machine est appelé AXE SEQUENTIEL si l actionneur du mouvement n est pas asservi en vitesse et position. Le nombre de positions obtenues de façon automatique est très limité. Exemples: déplacement d une contre-pointe, plateau tournant indexé à quatre positions, broche indexée tous les 15 degrés,... Remarques: On emploie rarement le nom d axe pour les organes tels que: mouvement d un magasin d outils, tourelle, mandrin, palettiseur... L asservissement de commande d un axe ou demi-axe est souvent réalisée en boucle fermée, mais on rencontre aussi des déplacements par moteur pas à pas avec une commande en boucle ouverte. Une MOCN est un système automatisé dans lequel on peut dissocier les fonctions en partie commande (PC) et partie opérative (PO). 4

STRUCTURE D UNE MOCN 2. STRUCTURE D UNE MOCN 2.1. Partie commande Les fonctions de la PC sont assurées par des sous ensembles: le directeur de commande numérique (DCN), les interfaces avec la PO, les interfaces de communication avec l utilisateur et les autres PC, 2.1.1. Directeur de commande Le directeur de commande et l automate programmable sont deux systèmes à base de microprocesseurs. Le directeur de commande a pour fonctions: le pilotage et la synchronisation des axes de mouvement, la gestion des programmes, le paramètrage des dimensions des outils, du porte-pièces, de la machine, la communication avec l extérieur. L automate programmable est chargé de l automatisation de la machine. Il échange des informations avec le DCN, l opérateur et la PO. Les informations d entrée sont: l état des capteurs, l état des préactionneurs les ordres de l opérateur via les boutons du pupitre. Les informations de sortie sont: la commande des préactionneurs, l autorisation de fournir l énergie aux préactionneurs, l état des voyants du pupitre. 2.1.2. Les interfaces PC / PO L interface automate / PO est constituée de cartes entrées-sorties, elles transforment des informations binaires (dites aussi tout ou rien ). L interface DCN / PO est constituée de cartes d axes et de variateurs de vitesse. Ces organes sont chargés de réaliser l asservissement en vitesse et en position de chacun des mouvements outil/pièce. Pour chaque mouvement, la carte d axe contrôle la position, et le variateur contrôle la vitesse. La boucle d asservissement en vitesse est un élément actif de la boucle de position. (voir shéma fig. 4) La carte d axe reçoit, d une part une consigne de position que le DCN synchronise avec les autres axes, et d autre part, une image de la position réelle du mobile fournie par un capteur. En fonction de la différence entre ces deux informations, que l on appelle erreur de poursuite, elle élabore la consigne de vitesse pour le variateur. Le variateur doit fournir l énergie nécessaire au moteur pour maintenir sa vitesse constante, quelque soit le couple résistant. Pour cela il compare la consigne reçue de la carte d axe et l image de la vitesse réelle du mobile, et fait varier la tension d alimentation du moteur en fonction de cette différence. 5

STRUCTURE D UNE MOCN 2.2. Partie Opérative 2.2.1. Motorisation Deux types d actionneurs sont utilisés dans les axes numérisés: Le premier a été le moteur à courant continu. Ses deux principales caractéristiques sont les suivantes: La fréquence de rotation du rotor est proportionnelle à la tension d alimentation. Le courant consommé est proportionnel au couple résistant appliqué au rotor. Pour réguler sa vitesse il faut donc faire varier la tension à ses bornes tout en maintenant une alimentation en intensité suffisante pour fournir le couple mécanique nécessaire à l entraînement du mobile. Aujourd hui on utilise aussi des moteurs à courant alternatif (moteur asynchrone). Pour faire varier sa vitesse on agit sur la fréquence du courant qui l alimente. 2.2.2. Mesure de la vitesse Les capteurs de vitesse utilisés sont généralement des génératrices-tachymétriques. Ces dispositifs ont la propriété de fournir une tension électrique proportionnelle à la fréquence de rotation de leur axe. Ils peuvent être intégrés au moteur à la construction. Une autre solution consiste à calculer la dérivée de la mesure de position. 2.2.3. Mesure de la position Les capteurs de position diffèrent par: Le type de mouvement mesuré: linéaire ou rotatif. La nature de l information délivrée: Quand le déplacement du mobile entraine une variation continue d une grandeur électrique (capteurs résistifs) ou magnétique (capteurs inductifs, transformateurs variables), l information est dite analogique. Les capteurs incrémentaux (générateur d impulsion et compteur), ou les codeurs fournissent une information numérique. La nature de la lecture (ou détection du mouvement): La mesure est dite absolue pour un codeur, dans ce cas la position est définie par rapport à l origine au moyen d un code binaire (code GRAY). Elle est dite relative pour capteur incrémental. Le déplacement est mesuré comme un agrandissement de la coordonnée par rapport à la position précédente. On parle de mesure semi-absolue dans le cas d un codeur rotatif qui effectue des mesures sur plusieurs tours, ou pour un resolver qui ne permet une mesure absolue que sur un trés petit déplacement. Il est alors nécessaire de complèter cette mesure par un comptage des tours. 6

Fonctionnement d un axe 3. FONCTIONNEMENT D UN AXE 3.1. Génération des consignes de position L interpolateur a pour rôle de générer les consignes de positions pour chacun des axes et de les synchroniser. Ces informations sont calculées périodiquement à une cadence constante (dite fréquence d horloge) en fonction de la trajectoire à réaliser. 3.1.1. Exemple: Dans le plan d interpolation (X,Y), la trajectoire à réaliser est l arc de cercle de rayon R, d angle A dans le sens horraire, de centre C(Xc,Yc), au départ de P0(X0,Y0). La vitesse d avance est de Vf y P(t) + Calculer les coordonnées (x,y) du point courant P en fonction du temps (à t = 0 : P = P0) Combien l interpolateur générera-t-il de consignes (x,y) sachant que la période d horloge est de 10 ms.? + + P0 C x Figure 2: Interpolation circulaire Application numérique : R = 50 mm ; A = 2 π rd ; Vf = 100 mm/mn 3.1.2. Rampes d accélération et de décélération On désire une vitesse constante sur la plus grande partie possible de la trajectoire. Cela signifie que les phases d accélération et de décélération devront être les plus courtes possible. L accélération maximale (ou la durée du passage de la vitesse zéro à la vitesse maxi) sera ajustée en fonction des performances de l axe et de l inertie mécanique à vaincre. Les rampes de transition peuvent avoir différentes formes rampes linéaires rampes paraboliques rampes sinusoïdales V V V dv ------ dt t dv ------ dt t dv ------ dt t t t t Figure 3: Rampes d accélération 7

3.2. Asservissement en vitesse Fonctionnement d un axe Chaque carte d axe fourni une consigne de vitesse (C.V.) au variateur correspondant. Le variateur de vitesse a pour fonction de comparer la mesure de la vitesse réelle du moteur avec la consigne et d adapter l énergie électrique à fournir au moteur. Dans le cas d un moteur à courant continu: Dans le cas où un couple résistant freine le moteur, l intensité du courant électrique consommé augmente, il faudra imposer une tension plus grande pour l accélérer; Dans le cas où il faut ralentir le moteur (parce qu il est entrainé par l inertie de l axe) il faut diminuer la tension à ses bornes et dissiper l énergie électrique dans des résistances. 8

Images 4. IMAGES Les images ci-dessous permettent d appercevoir ces différents organes. 9

Images Figure 4: Schéma des asservissements en vitesse et position avec un moteur à CC + - Actionneurs Capteurs + - A Mesure de la vitesse Mesure de la position Commande Numérique Interpolateur Interfaces Automate Ecran Clavier Autres P.C. DIRECTEUR de COMMANDES CARTE ENTREE SORTIE c.p. x c.p. y c.p. z m.p.r. CARTE d AXE Abréviations: c.p. consigne de position m.p.r. mesure de la position réelle c.v. cnsigne de vitesse m.v.r. mesure de la vitesse réelle DT. dynamo tachymétrique (capteur de vitesse) Energie Boucle de vitesse c.v. m.v.r. VARIATEUR DT MOTEUR Axe z capt. 10

Images 4.1. Capteurs de position 4.1.1. Principe de fonctionnement Deux technologies sont couramment employées: les capteurs photo-électriques et les capteurs utilisant le principe de l induction, appelés inductosyn. Les procédés sont identiques pour les capteurs linéaires ( fig. 5 ), ou circulaires ( fig. 6 ). 4.1.2. Procédé optique Des cellules photo-sensibles fournissent deux signaux proportionnels à l intensité lumineuse reçue d un faisceau qui a traversé une règle gravée et un masque mobile. Ces deux signaux de période p sont déphasés de p/4. Ils sont transformés en signaux binaires (deux niveaux), afin d être exploités par le compteur d impulsions. Deux signaux sont nécessaires pour pouvoir discriminer le sens de déplacement. On peut éventuellement diviser la résolution du capteur (initialement le pas de la règle) en échantilonnant les signaux triangulaires issus des cellules photo-sensibles. Figure 5: capteur linéaire Figure 6: capteur circulaire 11

4.1.3. Principe Images Deux capteurs photosensibles c1 & c2 produisent un signal électrique proportionnel à l éclairement reçu. Les faisceaux lumineux qui leur parviennent ont traversé la règle et un masque (m1 & m2) comportant chacun une succession de traits opaques de pas p=0,02 mm. Règle Masque m1 Masque m2 décalage = pas / 4 pas Capteur 1 Capteur 2 0 Imax / 2 Imax Imax / 2 Imax Imax / 2 Imax / 2 0 Figure 7: Etats d éclairement caractéristiques des 2 capteurs La gravure du masque m2 est décallé de p/4 par rapport à la gravure m1. Les signaux périodiques issus des capteurs c1 et c2 sont ainsi déphasés de p/4. Une demi période est ensuite dicretisée en 10 niveaux d éclairement pour obtenir une résolution de 0,02 / 2 x10 = 0,001 mm. 12

4.1.4. Procédé induction Images Pour les règles Inductosyn, un circuit électrique gravé sur une règle ( fig. 8 ) est parcouru par un courant alternatif, il génère un champ magnétique. Le curseur est un circuit de même nature, il produit par phénomène d induction un courant électrique dont la tension moyenne varie en fonction du déplacement relatif curseur/règle. o Ue o Us1 eff x 0 p/4 p p p/4 Us2 eff p/4 x o Us1 o o Us2 o 0 p Figure 8: Règle Inductosyn Le même procédé est utilisé sur des circuits de forme circulaire pour fabriquer des capteurs de position angulaire. D autres capteurs circulaires utilisent le phénomène d induction. On y a remplacé le cicuit imprimé par des bobines pour créer le champ magnétique. On nomme ce produit Resolver. 13

Images 4.2. Influence de la position du capteur En fonction de sa position dans la chaîne cinématique de l axe, le capteur peut s affranchir de certains défauts géométriques. Mesure sur le moteur Le capteur ne prend pas en compte: le jeu du réducteur, les défauts du réducteur, l erreur de pas de la vis, la déformation de la vis, les défauts de l écrou. Mesure en bout de vis Le capteur ne prend pas en compte: l erreur de pas de la vis, la déformation de la vis, les défauts de l écrou. capteur de position moteur moteur réducteur réducteur vis vis mobile écrou mobile écrou capteur de position Mesure directe sur le mobile C est la solution idéale géométriquement, mais elle est plus chère et rend l asservissement plus instable. réducteur vis mobile écrou moteur capteur de position 14

Guidages 5. GUIDAGES 5.1. Vis et glissières à billes Pour éliminer le jeu entre les parties mobiles et les parties fixes, on introduit des éléments roulants (billes ou rouleaux) aux interfaces. On supprime ainsi le frottement. 15

Guidages Les écrous à rouleaux satellites permettent d obtenir des sytèmes vis-écrou de grande précision avec des pas trés fins. Dans cette réalisation, les rouleaux sont maintenus parallèles à la vis grâce à des dentures à leurs extrémités. En engrenant avec des couronnes solidaires de l écrou la position eangulaires des extrémité reste constante. 16

Guidages 5.2. Broches Broche haute fréquence, à guidage magnétique, pour l usinage à grande vitesse Attachement d outil avec mise en position cône/face 17

Guidages 18