Les correcteurs et ajustements (CNC-4)

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Maintenant c’est au tour  des correcteurs et de la géométrie outil d’être mis en avant  dans ce quatrième volet qui fait partie d’un ensemble d’articles décrivant les commandes de machines-outil, les CNC.

      1. Régulation de mouvement en machine-outil.
      2. Présentation de trois systèmes de pilotage (un ancien, un astucieux et un open source).
      3. Le parcours d’outil, le générateur de trajectoire.
      4. Les correcteurs et les ajustements.

Rappel des précédents articles

Ce sera rapide si vous voulez plus de renseignements que ce rapide survol, les liens ci-dessus vous y aideront. On y parle de régulation de position et de systèmes de pilotage, le but est de contrôler le déplacement d’un chariot. Voici comment nous avons un peu arbitrairement séparé les éléments constitutifs d’une régulation de position :

système de pilotage, schéma général

Et maintenant, le résumé du deuxième article, un système de pilotage temps réel pour une régulation de position.

Parcours outil, résumé précédent article

Et pour le troisième article on parle parcours d’outil, donc des instructions envoyées à la CNC pour obtenir une pièce et ce que doit compléter le générateur de trajectoire.

correcteurs, schéma général CNC


Généralités

Nous ne définirons pas les termes génériques CAO(CAD), FAO(CAM), CNC(NC), Machine-outil ou encore IHM(HIM), à vous de faire “chauffer” le Web.

Par contre vous avez certainement saisi que le système de pilotage d’une machine-outil à CNC, et particulièrement son générateur de trajectoire,  doit être doté d’un puissant calculateur pour pouvoir compléter les données à transmettre aux variateurs/amplificateurs et autres systèmes annexes de la machine.

Le générateur de trajectoire

Malgré tout, revenons un petit peu sur ce générateur de trajectoire. Il doit calculer rapidement les instructions (les consignes) à envoyer aux divers moteurs de la machine. Vu les vitesses de déplacements des machines modernes cela demande de la réactivité, voir ci-dessous une petite illustration. Plusieurs axes travaillant en synchronisme, la vitesse est rapide mais pas exceptionnelle, mais beaucoup de lecture de bloc (ligne) du parcours d’outil et beaucoup de calcul de points intermédiaires et de vitesses. Exemple d’un centre d’usinage type fraisage, la première vidéo est complète (16’52) et la suivante en est juste un extrait (1’08) :

Après avoir visualisé, j’espère que vous “sentez” bien que notre générateur de trajectoire doit calculer très vite.

Afin de bien différencier les divers éléments d’une commande numérique, voici un exemple de ce qui n’est pas du ressort du générateur de trajectoire. Cette fonction de la machine, un changement d’outil, est supervisé par le système de pilotage. Mais les mouvements et leurs synchronismes sont définis à la construction de la machine, donc le système de pilotage doit juste “organiser” les actions en contrôlant, souvent via l’automate, les variateurs des actuateurs (électrique, pneumatique ou hydraulique). Le terme d’actuateurs me semble plus générique car dans l’industrie le terme moteur sous-entend ordinairement moteur électrique.

Voici une représentation d’un changement d’outil, le premier à une “vitesse visible”, notez le nombre de moteur et éléments annexes pour réaliser cette fonction sur un centre d’usinage (fraisage), le second  ……. je vous laisse apprécier !

L’instruction transmise par le parcours d’outil (exemple de G-code) pour un changement d’outil ce peut-être : “T2M6” (traduction : remplacer l’outil actuel par l’outil n°2).  Attention cet exemple est une instruction du parcours d’outil en G-code qui, je vous le rappelle, est un langage standard par machine ! 

La géométrie d’outil

Nous avons, jusqu’à présent, parlé que du mouvement de la machine sans tenir compte réellement de l’outil ou de la pièce/objet. Leurs géométries (formes) aussi bien celle de l’outil que celle de l’objet à réaliser n’ont pas été explicitement traitées. Pour rappel voici notre machine avec ces deux éléments indispensables, si on veut que cela serve à quelque chose !

correcteur, schéma machine

Qu’est-ce que l’outil ? Suivant la technique de fabrication que vous utilisez, il aura des formes et des noms différents : fraise, burin, jet, rayon, buse, etc. Ce que je veux dire, c’est quelle que soit la technique utilisée vous aurez une géométrie de votre outil, elle dépendra de multiples facteurs (dimension, température, luminosité, puissance, etc.), le terme de géométrie est en fait pas trop adapté, car il couvre aussi bien la forme géométrique de l’outil que les paramètres modifiants cette dernière, par exemple la température.

Vous pensez qu’une machine industrielle devrait inclure beaucoup de capteurs (l’être humain est un multi-capteurs extraordinaire pour machine artisanale) et intégrerait généralement les effets des variations mesurées sur la fabrication. J’ai volontairement mis le conditionnel, car, en réalité, on en est au balbutiement de ces intégrations de capteurs et la prise en compte directe de leurs informations dans le processus de fabrication. Exemple de recherche.

Par exemple pour effectuer un usinage “artistique”, la parfaite connaissance de la forme de l’outil est nécessaire pour un obtenir un résultat un correct.

On admet assez facilement (la “dure” réalité nous l’impose) que la définition de la géométrie d’un outil, n’est généralement pas cantonnée à un paramètre et que souvent ces valeurs ne sont pas parfaitement connues et de plus varient dans le temps, modifiés par l’usure, la température, la réflexion, la pression, etc. Pour la machine, vous l’avez compris, c’est la géométrie de l’outil (comprendre le terme “géométrie” au sens très large de la physique) qui permets ce transfert de valeurs. Bien sûr ces paramètres sont théoriques en premier temps (par exemple au niveau de la FAO), ce sont des valeurs espérées, vendues et celles réelles ne sont pas tout à fait pareilles. Vous comprenez instinctivement que la géométrie de l’outil doit être connue, définie de toutes les façons. Ces paramètres, ce sont par exemple la puissance pour un rayon laser, une pression et une buse pour un jet d’eau, la température et une buse pour la dépose de plastique, le diamètre et la longueur pour un fraisage, les apports de gaz et la puissance pour la soudure, etc.

Chaque technique à des paramètres propres que la machine et plus particulièrement le système de pilotage doit intégrer. Certaine fois, c’est implicite et relativement fixe, par exemple “le diamètre du rayon laser”, dans ce cas c’est lors de la construction de la machine que ce paramètre est introduit. Quoique il en soit, a un moment ou un autre chaque paramètre qui influence la fabrication doit être connu pour obtenir le résultat souhaité. Par exemple la température d’ambiance lors de la dépose de plastique type ABS avec une imprimante 3D “grand public”. Dans cet exemple particulier, la FAO, le parcours d’outils et le système de pilotage de la machine ne tiennent pas compte de ce paramètre, c’est à l’humain de l’intégrer dans sa procédure de fabrication.

Un paramètre (exemple arbitraire)

Prenons un outil simple avec un seul paramètre. Pour rendre notre analyse la plus large possible, nous allons prendre le paramètre : diamètre de l’outil. Ce peut être le diamètre de la fraise, du jet d’eau ou de gaz, du faisceau laser, de la buse, etc.

Imaginons que nous devions élaborer un objet, donc sa forme de base est le cercle, on doit faire un cylindre pour parler simplement. La FAO au moment de produire le parcours d’outil vous demandera de définir le diamètre de votre outil et celui de votre cylindre. Jusque-là, pas de soucis généralement vous connaissez l’outil que vous allez utiliser, enfin j’espère 🙄 !

correcteurs, schéma principe

Juste pour préciser, si vous avez une machine avec ajout/buse (type imprimante 3d) votre outil se trouve bien-entendu à l’intérieur du cylindre à produire, votre buse c’est (outil). Prenons le cas du jet d’eau par exemple, l’outil se trouve à l’extérieur de l’objet et pour obtenir un beau cylindre la FAO intégrera le diamètre de l’outil, qui est la géométrie de votre outil. C’est là qu’il faut être bien clair, la valeur introduite, c’est l’espoir que votre diamètre d’outil réel correspond à la valeur définie théoriquement !  Et là vous devez bien sûr, sentir le hiatus. Vous avez parfaitement défini votre objet et votre outil, malgré cela votre cylindre ne fait pas le bon diamètre (on ne tient pas compte de erreur de forme). Que faire ?

Les correcteurs

Appelés aussi compensateurs ou encore offsets, les correcteurs sont nécessaires, dans notre exemple de fabrication de cylindre, pour palier un outil qui n’est probablement pas un cylindre parfait et dont le diamètre n’est pas exactement celui prévu. Vous pensiez que votre outil à un diamètre de 10mm mais en fait, il est vu par le cylindre fabriqué comme ayant un diamètre de 10,002 (diamètre, mal rond, conique, etc.). C’est très précis, oui c’est vrai, mais notez surtout que la différence entre la théorie et la réalité est toujours présente. Bien sûr, il est possible d’avoir de la chance, la théorie colle parfaitement avec réalité, mais la loi de Murphy est toujours active. Je vous laisse lire l’article sur les incertitudes de mesure, comme exemple de la différence entre la théorie et la réalité.

Donc pour palier ce genre de problème et quand même produire des objets (c’est le but au final) sur beaucoup de machine-outils CNC,  on peut attribuer une (plusieurs) valeur(s) correctrice(s) à un outil. Ces valeurs sont appelées naturellement : “correcteurs”. Voici comment, cela se présente généralement en G-code (encore une fois c’est une application par machine), mais surtout, prenez cela comme exemple de principe.

/**
T01
......... 
G01 Xa Ya G41
.........
 */

Ce que l’on peut dire vous avez une partie qui définit la trajectoire, ce sont les termes G01 Xa Za qui demande de se déplacer en ligne droite (G01) au point ‘a’ (Xa Ya). Pour rappel en G-code : soit un mouvement est linéaire soit il suit un arc de cercle, c’est la très grande majorité des mouvements en machine-outils. Ce qui nous intéresse ici ce sont les deux termes T01 et G41. Le premier définit l’outil utilisé, car il est possible d’avoir plusieurs outils dans une CNC et le second définit le correcteur. Ne vous inquiétez pas, la valeur du correcteur n’est pas figée à 41, c’est le code pour  dire “prenez en compte le correcteur du rayon de l’outil en cours pour ce déplacement”. Voilà pour le principe, un des éléments à tenir compte corriger la trajectoire suivant la valeur du paramètre ; c’est le sens de la correction. Par convention, il est souvent appliqué en tenant compte du mouvement : G41 outil à gauche et G42 outil à droite. Pour plus de renseignements sur les corrections, voici quelques sites orientés fraisage : site 1, site 2

Schéma de principe, c’est juste pour une idée, ne pas prendre cela comme un dogme 😆 

correcteurs, exemple G-code

En fin de compte, on demande au générateur de trajectoire de (re)calculer un parcours d’outil légèrement décalé, selon les valeurs des correcteurs, par rapport celui défini par la FAO.

Comment définir vos diamètres réels ou vos correcteurs? Souvent cela demande soit une mesure très précise de l’outil avant utilisation, soit un parcours d’essai et une mesure puis une correction, d’où leurs noms : correcteurs. Certains appellent ce type de valeur (les correcteurs) “facteur d’usure” ce qui peut-être vrai mais en fait ce type de paramètres couvrent une plus large vérité que seulement l’usure de votre outil. Encore une remarque, l’idée qui a prévalu à l’introduction de ces correcteurs/compensateurs/offsets, c’est d’avoir de petites variations, pour ajuster, mais rien ne vous empêche de mettre de grandes valeurs, simplement attention à des comportements, malgré tout prévisibles de votre machine, mais qui pourraient vous surprendre. 😮

Exemple de G-code de fraisage avec correcteur pour une CNC Fanuc, c’est juste mis là comme démonstration, illustration. Les deux lignes qui nous intéressent sont celle avec G41 (prise en compte d’une compensation d’outil et G40 fin de cette prise en compte.

/**
N10 G90G21M06T02
N20 G00X40Y-40Z25
N30 Z-2
N40 G01G41X40Y10F100
N50 R12.5
N60 X70
N70 G91Y30
N80 X-60
N90 Y-30
N100 X40
N110 G90G00G40M05Y-40
N120 M30Z25
 */

Les ajustements

Dans cette partie, on parle d’ajustements, mais en fait, c’est la même approche que la géométrie d’outil mais pour l’objet en cours de fabrication, particulièrement utilisé pour les orientations de brut ou de support. Un exemple, trouver le centre d’un trou, vidéo de (3’59).

Mesure et “balancement” de la pièce, encore des calculs pour le générateur de trajectoire. Quand il s’agit de reprendre une pièce en partie fabriquée (fonderie, assemblage, marquage, traitement, pliage, etc) la connaissance de la position et de l’orientation du “brut” est nécessaire.ce terme de “brut” est à prendre en un sens large, bloc de matière, pièce en partie fabriquée, assemblage de pièces, etc.

Beaucoup de machines intègrent un système de mesure automatique de la position du “brut” à traiter. Donc en fin compte c’est encore une fois au générateur de trajectoire de modifier, d’ajuster le parcours d’outil à la position/orientation du “brut” afin de corriger le parcours d’outil, on parle généralement dans ce cas d’ajustement du parcours d’outil. En fin compte, c’est encore des paramètres à tenir compte pour générer un bon parcours d’outil. Exemple d’une recherche de centre en automatique (0’12)

En G-code, vous trouverez plusieurs mots (G53, G54, G92, etc.) qui permettent un ajustage/recalage du “brut”, mais encore une fois, conformez-vous au manuel de votre machine, car rien n’est réellement standard.

Conclusion

Comme toujours, la réalité s’impose, donc il faut en tenir compte d’une façon ou d’une autre. Les correcteurs et les ajustements sont des aides pour approcher cette réalité malgré un ensemble d’instructions qui suivent une théorie prédéfinie (la géométrie d’outil, de “brut” et le parcours d’outil).

La machine qui est au plus près du travail devra (doit) intégrer de plus en plus de capteurs et d’intelligence (c’est dit 🙄 ) depuis que l’homme s’éloigne du lieu effectif de ce travail.