Brevet FR2107843A1 — publié le 19720512

La présente invention est relative à une commande numérique qui peut être associée à un tour et qui est adaptable à la dureté de la substance constituant l'ouvrage dans le contrôle de la vitesse de rotation de la broche porte-ouvrage"et de la 5 vitesse de déplacement de façon à obtenir une durée de vie prédéterminée de l'outil de coupe en même temps qu'un volume maximum de métal enlevé pendant la vie de cet outil. les dispositifs de commande numérique du type à contournage permettant de contrôler la trajectoire de l'outil de 10 coupe d'une machine-outil par rapport à l'ouvrage en accord avec des données numériques d'entrée sont largement utilisés actuellement. L'information numérique fournie à la commande peut comprendre en plus des données relatives à la trajectoire désirée, la vitesse de déplacement de l'outil de coupe le long de la trajectoire 15 et la vitesse de rotation de la broche porte-ouvrage. les conditions exactes que la machine rencontrera en travaillant un ouvrage spécifique sont inconnues du programmeur lorsqu'il prépare les informations numériques d'entrée ; en conséquence, il doit se placer dans les conditions les plus défavora-20 bles que la machine est susceptible de rencontrer et programmer des vitesses de déplacement d'outil et de rotation de broche conservatrices. La variable la plus importante que le programmeur a à prendre en considération est la dureté de l'ouvrage qui doit être travaillé par la machine et qui peut varier dans de larges 25 gammes résultant d'un alliage de composition particulière, de variations dans le traitement thermique ou dans le durcissement de la substance résultant des travaux précédents auxquels elle a été soumise. Le programmeur introduit donc des vitesses de déplacement et de rotation suffisamment faibles pour permettre le travail de 30 la substance la plus dure que l'on est susceptible de roi contrer et dans le fonctionnement réel les vitesses de production plus élevées qui sont possibles avec une substance plus tendre sont donc ignorées. Une alternative consiste à prévoir une entrée manuelle permettant à un opérateur d'accroitre les vitesses de déplacement 35 et de rotation programmées. Mais bien souvent l'opérateur manuel n'est pas à même de reconnaître et de répondre à des conditions de coupe défavorables suffisamment vite pour éviter que l'outil et l'ouvrage ne soient endommagés. Aussi tend-il à adopter une attitude conservatrice dans l'accélération des vitesses program-40 mees d'où il résulte des performances inefficaces du système. COPY 71 33879 2 2107843 Afin d'éviter ces contre-performances on a mis au point des systèmes de commande numérique avec adaptation qui mesurent des paramètres associés à l'opération de coupe au fur et à mesure de son déroulement, tels que le couple ou la force de coupe, 5 la vibration de l'outil, la température de l'outil et qui contrôlent les vitesses de déplacement et de rotation de différentes manières, par exemple suivant une méthode d'optimalisation utilisant des mesures de réaction pour calculer les paramètres, l'efficacité de coupe de la machine, soit suivant une méthode en boucle 10 fermée utilisant des signaux de commande qui sont des fonctions directes des paramètres mesurés, soit suivant une méthode d'optimalisation à l'intérieur de limites qui ont été introduites au préalable dans le système et qui sont préservées par les signaux de réaction. 1 5 La présente invention est relative à un tel système adaptateur dans lequel la vitesse de déplacement de l'outil de ccut-pe et la vitesse de rotation de la broche d'un tour sont commandées en boucle fermée en fonction de la dureté de l'ouvrage par une mesure de l'effort de coupe exercé par l'outil afin d'obtenir une 20 durée de vie approximativement prédéterminée de l'outil et une optimalisation de la quantité de métal enlevée par l'outil de coupe durant sa vie. Suivant l'invention la commande numérique associée à un tour ayant une broche supportant l'ouvrage et un outil de coupe 25 qui peut être déplacé par rapport à l'ouvrage et qui est du type comportant : une source d'information numérique concernant une trajectoire -désirée de l'outil par rapport à l'ouvrage ; un dispositif d'entraînement pour disposer l'outil de coupe par rapport à l'ouvrage et un second dispositif d'entraînement à vitesse variable 30 pour la broche est caractérisée en ce qu'elle comprend : un détecteur d'effort de l'outil de coupe mesurant la force qui s'exerce entre l'ouvrage et l'outil de coupe en fonctionnement ; un calculateur commandant le déplacement causé par son.système d'entraînement sur l'outil de coupe en fonction des informations numériques 35 relatives à la trajectoire désirée et à la force mesurée ; ce calculateur commandant également la vitesse d'entrainement de la broche en fonction de la force mesurée de façon à assurer une durée de vie prédéterminée à l'outil de coupe. D'autres caractéristiques ressortiront de la des-40 cription qui va suivre et qui n'est donnée qu'à titre d'exemple. 71 33879 3 2107843 A cet effet on se reportera au dessin joint dans lequel la figure unique représente un mode de réalisation de la commande numérique suivant l'invention. Un'ouvrage 10 est représenté comme entrainé en ro-5 tation sous l'effet d'un entrainement de broche 12 et est travaillé par un outil de coupe 14 déplacé radialement par rapport à l'axe de rotation de l'ouvrage par un entrainement 16 suivant l'axe des X et parallèlement à l'axe de rotation de l'ouvrage par un entrainement 18 suivant l'axe des Z. L*entrainement 16 suivant l'axe des 10 X déplace l'outil de coupe 14 sur des rails 20 et lui-même est porté par un support mobile 22 déplacé sur des rails 24 par 1'entrainement 18 suivant l'axe des Z. la commande de l'invention fournit des signaux de commande à 1'entrainement de broche 12, à 1'entrainement 16 sui-15 vant l'axe des X et à 1'entrainement 18 suivant l'axe des Z en accord avec les informations contenues sur une bande perforée 28 classique à 8 voies. Les informations sont codées sur la bande sous la forme linéaire-codé-décimal avec chaque symbole alpha-numérique s'étendant sur la largeur de la bande. La bande comprend certains 20 blocs d'informations initiaux contenant des informations qui restent constantes durant toute l'opération de coupe considérée. Elle contient en outre une série de blocs dont chacun définit un segment du déplacement commandé et fournit d'autres informations en relation avec le segment considéré. Suivant la présente invention, 25 un bloc d'information intial contient les données suivantes : QUANTITE CHIFFRE LE MOINS ' SIGNIFICATIF UNITE EN ABREGE Durée de vie prévue de l'outil 0.1 minut e TL IPR maximum 0.0001 IPR IPR max. IPR minimum 0.0001 IPR IPR min. Force de coupe constante - profondeur de coupe nulle 1 .0 livre FC0 Force de coupe constante suivant la profondeur de la coupe 1 .0 livre par cm de profondeur de coupe FPK SFM maximum 0.1 SFM SFM max. RT?M îrn ni muni 0.1 SFM SFM min. 71 33879 4 2107843 QUANTITE CHIFFRE LE MOINS • SIGNIFICATIF i i UNITE j EN ABREGE Constante d'échel f le de vitesses de 10.000 J CSK coupe i Constante d'expo I sant de vitesse .01 } CSQ de coupe ; La quantité IPR correspond à l'avance de l'outil de coupe pour une rotation d'un tour complet de broche et la quan-10 tité SFM correspond à la vitesse relative désirée de l'outil de coupe et de l'ouvrage en centimètres de surface par minute. Un bloc type d'informations contenu sur la bande comporte : un code indiquant un début de bloc puis un nombreL X, un nombres Z, un nombre de profondeur de coupe en millièmes de •15 centimètre et un code de fin de bloc. Toutes ces informations sont codées conformément à la pratique de la commande numérique courante. L'information contenue sur la bande est convertie en signaux électriques par un lecteur de bande 30 qui lit un mot par intervalle de temps élémentaire et le transmet à une unité 32 20 de décodage et d'emmagasinage apte à déterminer la direction à donner à chaque information et qui la garde en réserve jusqu'à ce qu'elle soit réclamée par le système. L'unité 32 commande aussi l'avance du lecteur 30. L'information fournie par le bloc initial est conservée dans l'unité 32 de décodage et d'emmagasinage pendant 25 tout le fonctionnement de la machine, tandis que l'information relative à tout autre bloc n'est emmagasinée que jusqu'au moment où le bloc suivant est lu à son tour. L'unité de décodage et d'emmagasinage 32 ainsi que toutes les autres unités d'électronique à l'exception du lecteur 30 30 des interpolateurs 44, 50, 52, sont décrites comme ayant des identités particulières uniquement dans un but d'illustration. Suivant l'invention leurs fonctions sont exécutées par un calculateur universel programmé de façon appropriée. Ce calculateur peut être du type "Calculateur micro-système, modèle 810". D'autres types 35 de calculateurs pourraient être utilisés ou l'ensemble réalisé à l'aide d'un montage approprié de circuits élémentaires correctement connectés. Le fonctionnement des unités contenues dans le calculateur universel va être décrit en termes fonctionnels suffisamment détaillés pour permettre à un analyseur de systèmes ayant de l'ex-40 périence dans les systèmes en temps réel, de mettre au point un 71 33879 5 2107843 programme de commande approprié pour un calculateur suffisamment grand pour exécuter les opérations requises ou pour permettre à un technicien compétent en matière de circuits numériques de développer un circuit à connexions permanentes capable d'exécuter ces 5 fonctions. La donnée relative à l'espérance de vie de l'outil, TL, est transmise par l'unité 32 à un détecteur 34 de durée de vie d'outil qui mesure aussi le temps durant lequel l'opération de coupe est exécutée. Ces deux quantités sont continuellement comparées 10 et quand elles sont égales, une forme d'alarme appropriée, 36, visuelle ou auditive, est excitée pour prévenir l'opérateur humain que le temps est venu de changer l'outil. Ceci lui évite la tâche d'inspectër régulièrement l'outil au sujet de son usure. Les quantités FCO, FPK, IPR max. et IPR min. sont 15 utilisées pour calculer une quantité IPR et cette fonction du calculateur est illustrée comme étant exécutée par une unité 38. L'unité 38 reçoit aussi le signal de sortie d'un détecteur de force de coupe 40 relié à l'outil 14 qui mesure la force normale exercée par l'ouvrage sur l'outil de coupe. Cette mesure 20 est réalisée en installant des jauges de contrainte sur les boulons qui retiennent le tour-révolver de l'outil à son montant. Toute autre technique équivalente conviendrait également. L'unité 38 calcule d'abord un point de réglage de la force de coupe qui est une fonction de la profondeur de coupe 25 suivant l'équation suivante : point de réglage = FCO + (D.FPK) Les constantes FCO et FPK sont déterminées empiriquement au moyen d'une série de tests qui déterminent la force maximum de sécurité qui peut être imposée à 1'outil pour toute pro-30 fondeur particulière de coupe. Ces valeurs empiriques ne sont valables que pour une forme particulière d'outil de coupe et doivent être modifiées lorsque l'on change d'outil de coupe. Le point de réglage ainsi que le signal de sortie du détecteur de force de coupe 40 sont utilisés périodiquement pour calculer et mettre à jour 35 un signal IPR d'après l'équation : nouvel IPR _ Point de réglage.Force Force de coupe actuelle x ancien IPR Ce calcul est fait à Intervalles réguliers et augmente IPR d'une manière effectivement aiaptable d'un pourcentage de sa différence par rapport au point de réglage jusqu'à ce qu'il 40 soit égal à ce point de réglage. Cette valeur calculée pour IPR 71 33879 6 2107843 est comparé avec ces valeurs maximum et minimum et si elle excède ces valeurs, la valeur limite dépassée est utilisée par le système de préférence à la valeur calculée. Le nombre IPR ainsi choisi est ensuite utilisé pour 5 calculer un nombre - de vitesse de déplacement (PRÎT). Cette fonction est exécutée par le contrôleur programmé et est illustrée comme étant exécutée par une imité 42 qui reçoit les nombres IPR, le nombreux et le nombre hZ de l'unité de décodage et d'emmagasinage 32. Le calcul consiste à résoudre .l'équation : 10 PRU = IPR.K dans laquelle E est une constante du système et qui n'a.pas besoin d'être changée. Le nombre de vitesse de déplacement est utilisé en liaison avec un train d'impulsion-s dérivé d'un transducteur 46 15 relié à 1'entrainement de broche 12 au moyen d'un engrenage approprié. Le transducteur 46 fournit une impulsion de sortie pour chaque rotation élémentaire de la broche. Il est de type connu et peut comprendre trois balais si bien que le sens de la rotation peut être déduit des instants d'apparition des impulsions sur ces trois 20 balais. Le transducteur 46 exécute cette interprétation ; il annule des impulsions redondantes survenant du fait des vibrations de l'unité et transmet son train d'impulsions de sortie à un synchro-nisseur 48 qui met la cadence d'apparition des impulsions en accord avec la cadence générale de fonctionnement du système. 25 Le signal de sortie du synchroniseur 48 ainsi que le nombre de vitesse de déplacement en provenance de l'unité 42 sont transmis à un interpolateur 44 de vitesse de déplacement qui est de préférence du type analyseur numérique différentiel connu en soi et qui engendre un train d'impulsions de sortie à ■une cadence 30 proportionnelle au train d'impulsions en provenance du synchroniseur 48 et au nombre de vitesse de déplacement en provenance de l'unité 42. L!interpolateur 44 ainsi que les autres interpola-teurs 50 et 52 du système ne font pas partie du calculateur uni-35 versel mais sont rattachés à lui par des connexions permanentes, Ceci est réalisé pour éviter une surcharge du calculateur universel grâce au processus simple d'interpolation à cadence, rapide. Le signal de sortie de 1'interpolateur 44;de vitesse de déplacement est transmis à un interpolateur 50 d'axe aes 40 x et à un interpolateur 52 d'axe des Z. Ces unités reçoivent aussi 71 33879 7 2107843 les nombres h.X etfc»Z respectivement de l'unité de décodage et d'emmagasinage 32 et engendrent des trains d'impulsions de sortie proportionnelles à ces nombres ainsi qu'au train d'impulsions en provenance de 1'interpolateur 44. le train d'impulsions à la sortie 5 de 1'interpolateur 50 d'axe des X est transmis à un servo-mécanisme 16 d'entrainement suivant l'axe des X de préférence du type à analogie de phase connu en soi qui cause un déplacement élémentaire pour chaque impulsion reçue. Le train d'impulsions à la sortie de 1'interpolâteu? 10 52 d'axe des Z est transmis à un servo-mécanisme 18 d'entrainement suivant l'axe des Z. Par conséquent, l'outil de coupe 14 est déplacé suivant les axes XetZàdes cadences proportionnelles aux nombres de commande contenus dans le bloc particulier de la bande qui vient d'être lu ainsi qu'au nombre de vitesse de déplacement qui a été 1 5 calculé. Le signal à la sortie de l'unité 42 qui calcule les nombres de vitesse de déplacement est aussi utilisé pour calculer un nombre SFM défini précédemment. Ce calcul est exécuté par le calculateur universel en un point approprié de son cycle de fonc-20 tionnement. On supposera à titre d'illustration que cette opération est exécutée dans l'unité 60. Le calcul effectué est : SFM = CSK.IPR.CSQ Les constantes CSK et CSQ sont prises dans le bloc initial de la bande telles qu'elles ont été décodées et emmagasinées 25 dans l'unité 32. Ces constantes sont déduites empiriquement à l'aide de tests de la vitesse de rotation de coupe exigée pour obtenir une durée de vie de l'outil donnée pour une charge de coupe particulière. L'équation a été déduite d'un modèle mathématique du processus de coupe et d'autres équations qui se montrent compa-30 tibles avec les données de 1'expérience pourraient aussi être utilisées. Le nombre SFM calculé est utilisé en association avec le signal représentant le rayon de la coupe qui doit être produite pour commander la vitesse de rotation de broche. Ce calcul 35 est illustré comme étant exécuté dans une unité 62 qui reçoit le signal de sortie du dispositif d'emmagasinage 64 de rayon R. L'emmagasinage 64 reçoit les impulsions de commande de l'axe des X et les emmagasine à l'aide d'un compteur bidirectionnel pour calculer un nombre égal au rayon de coupe effectif, le résultat est 40 transmis à l'unité 62 en même temps que le nombre SFM. Le nombre 71 33879 8 2107843 SFM est divisé par le rayon pour engendrer un. nombre RPM, c'est à dire le nombre de rotations par minute, la valeur calculée du nombre RPM est utilisée pour commander la vitesse de rotation de 11entrainement de broche 12. 5 En fonctionnement le lecteur de bande 30 lit l'in formation initiale contenue dans le premier bloc de la bande perforée 28, puis cette information est décodée et emmagasinée dans le calculateur universel, cette fonction étant localisée dans l'élément 32 dans un but illustratif. Le bloc suivant qui concerne le 1o premier segment du déplacement est lu ensuite par le lecteur 30 et en se basant sur la profondeur programmée de coupe on calcule un point de réglage de la force de coupe et on le compare à la force de coupe réelle pour en déduire un nombre IPR. Ce nombre, ou sa valeur limite la plus voisine dans le cas où il la dépasse, 15 est emmagasiné et utilisé en même temps que les informations hX et&Z contenues dans le bloc qui vient d'être lu pour calculer un nombre de vitesse de déplacement. Ce nombre de vitesse de déplacement est calculé de façon à obtenir un nombre IPR constant indépendant de la longueur du segment de déplacement qui est commandé. 20 Le nombre de vitesse de déplacement est interpolé en fonction de la vitesse de rotation de la broche pour en déduire des commandes de vitesse de déplacement pour les interpolateurs 50 et 52 qui engendrent des trains d'impulsions qui sont utilisés pour commander les déplacements respectivement selon les axes X et Z. De 25 cette façon le déplacement commandé de l'outil en centimètres par tour de rotation de broche est obtenu et cette quantité est modifiée périodiquement pour parvenir au point de réglage IPR. Si la dureté de l'ouvrage augmente, la valeur IPR diminue et par conséquent le système s'adapte à la dureté de l'ouvrage. 30 Afin d'obtenir une durée de vie constante de l'ou til qui soit indépendante de ces variations en IPR, le nombre IPR est utilisé pour calculer un nombre SFM approprié. Ce nombre à son tour est exploité en fonction du rayon actuel de la partie soumise à l'action de coupe pour calculer un nombre RPM qui contrôle la 35 vitesse de rotation de la broche. De cette façon, le nombre de centimètres par tour de broche s'adapte à la dureté de l'ouvrage et la vitesse de rotation de broche est modifiée pour maintenir constante la durée de vie de l'outil de coupe en dépit des variations du nombre de vitesse de déplacement. 40 Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée 71 33879 9 2107843 au mode de réalisation représenté titre d'exemple. Il appartiendrait nombreuses modifications sans pour présente invention. et décrit qui ne l'a été qu'à au technicien d!y apporter de autant sortir du cadre de la 71 33879 10 2107843 BEVEEDIOAT IONS 1 ) Commande numérique associée à un tour ayant une broche supportant l'ouvrage et un outil de coupe déplaçable par rapport à l'ouvrage, du type comportant : une source d'informations 5 numériques concernant une trajectoire désirée de l'outil par rapport à l'ouvrage; un dispositif d'entrainement pour déplacer l'outil par rapport à l'ouvrage et un second dispositif d'entrainement à vitesse variable pour la broche, caractérisée en ce qu'elle comprend : un détecteur d'efforts de l'outil de coupe mesurant la force 10 qui s'exerce entre l'ouvrage et l'outil de coupe lors du fonctionnement ; une calculatrice universelle : commandant le déplacement causé par son système d'entrainement sur l'outil de coupe en fonction des informations numériques relatives à la trajectoire désirée et à la force mesurée ; commandant également la vitesse d'en-15 trainement de rotation de broche en fonction de la force mesurée, de façon à assurer une durée de vie prédéterminée à l'outil de coupe. 2) Commande numérique suivant la revendication 1 , caractérisée en ce que la sortie du dispositif d'entrainement de broche est connectée à la partie du calculateur commandant la vi- 20 tesse de déplacement de l'outil de coupe par l'intermédiaire d'un transducteur -et d'un synchroniseur. 3) Commande numérique suivant la revendication 1., caractérisée en ce que les informations numériques contiennent une information relative à la force maximum autorisée qui peut être 25 exercée entre l'outil de coupe et l'ouvrage et en ce que la vitesse de déplacement du système d'entrainement de l'outil de coupe est calculée par le calculateur comme étant fonction du rapport entre la force actuelle mesurée et la force maximum autorisée. 4) Commande numérique suivant les revendications 1 ^0 et 3 caractérisée en ce que les informations numériques contiennent également la profondeur de la coupe qui doit être entreprise ; en ce que le calculateur déduit des informations numériques fournies une valeur désirée de la force s'exerçant entre outil et ouvrage ; en ce que le calculateur déduit une valeur de vitesse de déplace-35 ment de la force dë coupe mesurée actuelle et de la force de coupe désirée et calculée, et en ce que le déplacement de l'outil par rapport à l'ouvrage ainsi que la vitesse de rotation de broche sont contrôlés en accord avec la vitesse de déplacement calculée et les informations numériques. 40 5) Commande numérique suivant les revendications 1 71 33879 n 2107843 et 4, caractérisée en ce que la partie de la calculatrice effectuant le calcul de la vitesse de rotation de broche en fonction de la vitesse de déplacement calculée comporte un dispositif d'appréciation du rayon de la coupe en formation et une partie engendrant 5 un signal constant destiné à produire une vitesse constante de déplacement entre l'outil de coupe et la surface de l'ouvrage qui soit indépendante du rayon de la coupe. 6) Commande numérique suivant la revendication 4, caractérisée en ce que les informations numériques comprennent 10 une information relative à la durée de vie de l'outil, en ce que le dispositif comprend un détecteur de durée de vie déterminant la durée de vie de l'outil actuellement en fonction, comparant cette détermination à le. valeur programmée et ergendrant une alarme lorsque les deux quantités sent égales.