Saut quantique dans le domaine du micro-usinage grâce à une CNC ouverte et rapide

Commande CNC sur base PC: précision et dynamique

| Rédacteur: Gilles Bordet

L’idée à la base : lors de l’usinage, seule la petite et légère pièce à usiner est déplacée et non pas la lourde unité d’outils.
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L’idée à la base : lors de l’usinage, seule la petite et légère pièce à usiner est déplacée et non pas la lourde unité d’outils. (Image: Willemin-Macodel SA)

>> Avec son centre d'usinage 701S, l’entreprise Willemin-Macodel a réalisé un véritable saut quantique dans le domaine de l’usinage des petites pièces, cela en exploitant pleinement et pour la première fois toute la dynamique et la rigidité de la cinématique Delta. Ceci a été rendu possible par la diminution des masses entraînées et par toute l’efficacité de la technique CNC sur base PC de Beckhoff. Les résultats sont une consommation d’énergie réduite d’un dixième et, selon les pièces, une durée d’usinage jusqu’à dix fois plus courte.

Sise à Delémont en Suisse, l’entreprise Willemin-Macodel est spécialisée dans les machines servant à l’usinage de petites pièces. Ses installations sont utilisées entre autres dans l’industrie horlogère, la technique médicale et l’industrie aéronautique. Le Directeur technique Denis Jeannerat précise à ce sujet : « Notre compétence-clé réside dans des machines ultra précises pour les procédés industriels globaux. En raison des difficultés liées à la fixation des petites pièces à usiner, la machine prend en charge toutes les étapes de l’usinage, sans la séparation classique entre les processus de tournage, de fraisage et de meulage. Il faut encore y ajouter la manipulation des pièces, c.-à-d. l’acheminement et l’évacuation méticuleuse des pièces à usiner. L’exemple parfait à cet égard est le centre d'usinage 701S présenté au salon EMO 2013. »

Une idée toute simple vientrévolutionner le micro-usinage

À première vue, l’idée à la base est simple : le centre de micro-usinage 701S abrite un robot Delta retourné pour ainsi dire « la tête en bas » qui déplace la pièce à usiner elle-même et non pas l’outil comme c’est habituellement le cas. Denis Jeannerat explique comme suit les réflexions qui ont menées à ce concept : « Dans nos marchés, on observe une forte tendance à miniaturiser les composants. Nous souhaitions ainsi développer une machine dont les dimensions sont proportionnelles à la taille des pièces à usiner. En effet, pour usiner une pièce de 2 voire de 20 g, il n’est pas pertinent de déplacer un chariot porte-outil de 100 kg intégré à une machine de 3 m de long et d’un poids de 12 t. Il est nettement plus judicieux de déplacer la faible masse de la pièce à usiner plutôt que l’outil. Ainsi, les masses à déplacer sont donc largement réduites et on passe par ce biais de quelque 500 à 800 kg pour un axe conventionnel, à seulement 2 kg. Et des moments d'inertie aussi faibles se laissent parfaitement maîtriser avec un robot Delta. »

En conséquence, le concept de base pour la nouvelle machine repose sur une cinématique parallèle à structure Delta, qui se distingue par un porte-pièce relié par trois bras. La stratégie d’usinage du 701S conçue pour les petites pièces à usiner (Ø 52 x 32 mm) place l’« interpolation circulaire » gourmande en calcul au centre. Le centre d’usinage se caractérise par un contrôle de trajectoire inférieur à 0,2 μm, une quasi insensibilité aux variations de température, ainsi que par sa précision et sa répétabilité très élevées. Une broche moteur hautes performances développée spécialement pour ce centre, présentant une vitesse maximale de 80.000 tr/min et sans porte-outil, assure en outre une rigidité statique et dynamique accrue, un très haut degré d'équilibrage et une très faible erreur de circularité (en deçà de 1 μm à la pointe de l’outil).

Cinématique de la machineparfaitement maîtrisée par le PC

Si le concept paraît simple, il nécessite cependant une dose énorme de développement et de savoir-faire tant au niveau de la construction qu'à celui de la technique de commande, comme l’explique Denis Jeannerat : « C’était pour nous un projet de longue haleine qui a débuté il y a plus de cinq ans. Ce sont surtout la mécanique et la technique d'entraînement qui ont nécessité de grandes dépenses en développement, cela afin d’accroître et de maîtriser le comportement dynamique. »

La décision de faire appel à une technique de commande sur base PC tombait déjà dès les phases initiales du projet. En effet, il était clair qu’elle seule, permettrait de réaliser les interpolations circulaires dispendieuses et les circuits de régulation suffisamment rapides. Denis Jeannerat ajoute à ce sujet : « En fin de compte, le but était de développer une machine extrêmement dynamique. La grande rigidité dynamique du système ne peut être obtenue qu’avec un PC Industriel performant qui puisse calculer rapidement les paramètres du circuit de régulation, surtout avec des masses à déplacer aussi réduites. »

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