Les derniers développements en matière de commandes machine

La bande perforée d'autrefois a (presque) cédé la place à la commande vocale

La commande est un élément indispensable d'une machine-outil. En principe, elle effectue toujours le même travail que la première commande numérique de 1952. Cependant, la façon de procéder est complètement différente, tout comme les capacités des nouvelles commandes.

De la CN à la CNC

Le développement des premières commandes numériques remonte à la fin des années 40, lorsque les Américains cherchaient une solution pour produire des pièces plus rapidement pour leur armée de l'air. La première commande a été développée au Massachusetts Institute of Technology (MIT) pour une fraiseuse. Elle fonctionnait à peu près comme un vieux télex: le programme était fixé dans une bande perforée. Ce schéma de trous était lu par la commande et converti en signaux pour la fraiseuse.

Pourtant, après sa première présentation en 1952, il a fallu plusieurs décennies pour que ce concept puisse réellement commencer à progresser. Il fallait pour cela des microprocesseurs. La CN est alors devenue la CNC: Computerised Numeric Control (commande numérique informatisée). Depuis les Etats-Unis et via le Japon, la commande numérique s'est également imposée en Europe, notamment en Allemagne. L'ordre, la direction et la vitesse des mouvements mécaniques proviennent de la commande, tout comme les membres humains se déplacent à l'aide de signaux provenant du cerveau.

La commande CNC est le cerveau de la machine-outil

En fait, les commandes actuelles ne ressemblent que très peu à celles de la première génération, ou alors c'est que le programme est encore constitué de G-codes. Au niveau mondial, 2,6 milliards de dollars ont été dépensés en commandes CNC en 2022 (données: Research and Markets). Ce chiffre passera à 3,86 milliards de dollars d'ici 2030. Le facteur clé de la croissance du marché des commandes numériques est la numérisation.

L'industrie 4.0 et tout ce qui y est associé, comme l'automatisation et l'Internet industriel des objets, exigent non seulement de nouveaux développements dans le domaine des commandes proprement dites, mais ouvrent également de toutes nouvelles possibilités. Celles-ci sont soutenues par la croissance explosive de la puissance de calcul des ordinateurs, qui rend possibles, tant sur le plan technique que financier, des choses qui étaient considérées comme impossibles il y a seulement dix ans.

Que se passe-t-il actuellement ?

Dans le développement actuel des commandes CNC, l'accent a été mis ces dernières années sur l'interface homme-machine (IHM), en d'autres termes sur la convivialité. Cette évolution s'explique en partie par la pénurie mondiale de travailleurs qualifiés, qui oblige les fabricants à améliorer la facilité d'utilisation des machines.

D'un autre côté, il y a les applications typiques de l'industrie 4.0, telles que la surveillance en temps réel ou le réglage automatique des paramètres et la communication avec des dispositifs externes. Les constructeurs de machines sont donc confrontés à un choix plus difficile. Jusqu'à présent, la plupart essaient de garder leurs machines fermées. Cependant, la numérisation et certainement l'Internet industriel des objets exigent une  ouverture, pour faciliter l'échange de données.

Un sujet qui devient progressivement visible et qui est susceptible de recevoir plus d'attention dans les années à venir est la cybersécurité. A l'ère de l'industrie 4.0, les machines sont de plus en plus connectées au réseau de l'entreprise et, de plus en plus, à internet. Cela oblige les développeurs à placer la cybersécurité plus haut dans la liste des priorités.

Facilité d'utilisation

Par rapport à l'époque des premières poinçonneuses, la convivialité s'est grandement améliorée. Cette tendance s'est accélérée ces dernières années. Cela se traduit non seulement par des écrans de contrôle plus grands - jusqu'à 24 pouces, voire plus (certains fabricants proposent déjà deux écrans en standard) - mais aussi par une utilisation beaucoup plus intuitive.

Les fabricants de commandes se sont inspirés du marché des smartphones. Les fonctions de balayage et de zoom avant et arrière avec deux doigts sont désormais monnaie courante sur les machines-outils. La commande vocale sur les machines CNC est un développement relativement récent. Il y a quelques années, ce concept a fait l'objet d'une première démonstration à l'IMTS de Chicago, où, entre autres, un opérateur pouvait contrôler une machine CNC Okuma à l'aide de commandes vocales.

Bien que certains fabricants de machines aient réagi avec enthousiasme, cette IHM n'a pas encore été commercialisée. Cela contraste avec, par exemple, les applications de commande vocale dans les voitures modernes, qui commencent à se banaliser. Néanmoins, les chercheurs continuent de travailler sur ce projet. La difficulté réside dans le fait que les micros doivent être insensibles aux nombreux bruits présents dans un environnement de production. En outre, le logiciel ne peut pas fonctionner dans le cloud, mais sur un serveur local, sans connexion internet.

En Allemagne, certains établissements d'enseignement supérieur et universités travaillent conjointement sur la commande vocale des machines à commande numérique. A l'occasion de l'EMO Hanovre 2023, ils présenteront leurs résultats via une fraiseuse à 5 axes et un robot à 4 axes, tous deux commandés par la voix.

Plus qu'un programme

L'évolution de l'IHM s'explique en partie par le fait que l'opérateur de la machine CNC ne se contente plus de créer le programme et de contrôler l'opération.

Certaines commandes disposent d'un gestionnaire d'outils intégré, qui permet à l'opérateur d'accéder à la planification et aux commandes qui doivent encore être traitées. Toutes les informations dont l'opérateur a besoin sont accessibles à partir de l'écran de contrôle de la machine. Il s'agit notamment des données relatives aux outils, y compris les modèles 3D, les informations sur la durée de vie des outils, la détection des collisions, etc.

La programmation est facilitée par les fabricants qui intègrent des cycles pour les opérations les plus courantes que l'opérateur choisit et pour lesquelles un nombre limité de données doit être introduit.

Programmation

L'augmentation de la puissance de calcul des ordinateurs et l'avènement d'algorithmes puissants conduisent à une évolution intéressante: les commandes CNC deviennent plus intelligentes et peuvent, dans une certaine mesure, prendre en charge la programmation au niveau de la machine, voire rendre les programmes de FAO moins nécessaires. Cette évolution n'en est encore qu'à ses débuts.

Un fabricant qui promet de générer le programme en grande partie automatiquement sur base d'un fichier STEP parle pour l'instant de pièces relativement simples. Mais lors de la prochaine édition de l'EMO, certains fabricants montreront qu'ils peuvent également programmer des surfaces de forme libre, c'est-à-dire des pièces 5 axes plus complexes, beaucoup plus rapidement en le faisant de manière partiellement automatique. Parfois, il suffit de sélectionner des surfaces pour que l'usinage soit automatiquement programmé; parfois, il suffit de sélectionner un contour sur l'écran tactile pour que le logiciel génère automatiquement les règles de programmation.

Cette évolution doit être considérée principalement comme une étape permettant aux opérateurs de CNC moins expérimentés de créer plus rapidement un bon programme. En outre, grâce aux outils de simulation qui sont souvent intégrés de nos jours, l'opérateur peut virtuellement vérifier le programme avant que les premiers copeaux ne soient fabriqués. De nos jours, la simulation est presque toujours incluse dans les commandes CNC modernes. Dans les nouvelles versions, il s'agit de vérifier non seulement les collisions des outils avec la machine, mais aussi avec les outils de fixation. Ce contrôle peut être effectué manuellement ou automatiquement.

Les dernières versions des commandes mettent également l'accent sur la réduction des émissions de CO₂. Le Green Deal européen exigeant des grands fabricants qu'ils enregistrent les données d'émission, ce qui se répercutera progressivement sur les petites entreprises, les constructeurs de machines recherchent des solutions pour enregistrer les émissions de CO₂ d'une opération.

Surveillance

L'ère de l'industrie 4.0 est synonyme de transfert constant de données entre le monde réel et le monde numérique. Dans l'industrie des machines-outils, on voit cela se refléter dans de nombreux systèmes de surveillance. Parfois, ceux-ci sont intégrés au système de commande, parfois il s'agit d'applications logicielles qui reposent comme une carapace sur le système de commande.

Les options de surveillance vont au-delà de la simple surveillance; elles peuvent également intervenir dans le programme si nécessaire. Par exemple, une option courante est l'alimentation adaptative: la commande ajuste automatiquement l'alimentation en fonction des données mesurées dans la machine. Cela permet d'optimiser le programme pendant l'usinage afin de réduire le temps de cycle.

Une autre option dans ce domaine consiste à trouver automatiquement le bon équilibre entre vitesse et qualité. A l'aide d'un curseur sur l'écran tactile, l'opérateur indique ce qui est le plus important - un temps d'usinage plus court ou une qualité supérieure - et la commande règle les conditions de coupe pour se rapprocher le plus possible de l'image idéale.

Commandes multicanaux

Non seulement le nombre d'axes qu'une commande CNC moderne peut contrôler a considérablement augmenté (jusqu'à plus de 200 axes pour certaines commandes), mais les commandes avancées sont également des versions multicanaux. Dans ce cas, le nombre de canaux peut atteindre plus de 40.

Cela permet, par exemple, d'intégrer la commande du robot dans la commande CNC, de sorte que l'opérateur programme le robot - ou cobot - dans le même environnement que la machine. Là encore, la convivialité est le principal moteur de ce développement, tout comme la réduction du nombre d'opérateurs CNC expérimentés. En même temps, cela réduit les temps de programmation.

Jumeaux numériques

Le grand changement qui s'opère actuellement dans l'industrie est la création d'un jumeau numérique (digital twin). Cela va plus loin que le modèle CAO 3D. Il s'agit d'un modèle théorique, alors que le jumeau numérique est une véritable représentation de la vie réelle, en ajoutant les données d'usinage de la machine au modèle 3D.

Le jumeau numérique est considéré comme très prometteur, notamment en matière de durabilité. En effet, il permet de fusionner les données de la phase de conception, de la production et de l'utilisation.

Les jumeaux numériques joueront un rôle à toutes les étapes du processus de fabrication

Le grand défi, cependant, est qu'il y a peu d'homogénéité dans la manière dont les machines stockent leurs données. Le monde numérique existe dans l'échange simple et standardisé de données afin qu'elles puissent être analysées par d'autres et suivies d'une action.

Cette discussion fait rage actuellement, les constructeurs de machines allemands proposant une interface standard avec umati. Umati est désormais adopté comme norme de communication non seulement par les fabricants de machines-outils, mais aussi par les fabricants de robots et les producteurs d'autres équipements nécessaires à l'usinage.

Cybersécurité

L'inconvénient de la numérisation et de la connexion des machines à commande numérique à internet est qu'elles deviennent plus vulnérables aux cyberattaques. La probabilité d'une telle attaque est faible, mais si elle se produit, les conséquences sont considérables. Surtout si des pirates informatiques parviennent à accéder aux programmes des commandes. La cybersécurité exigera davantage d'attention de la part des développeurs de systèmes de commande dans les années à venir.

Les grands développeurs de CNC
Bien qu'il existe de nombreux développeurs de commandes numériques, le marché est dominé par une poignée d'acteurs qui sont souvent puissants au niveau régional.
- Fanuc est le plus grand fournisseur mondial et a une présence très dominante, en particulier en Asie.
- Pendant des années, Siemens a été le choix évident des métallurgistes, en particulier dans les pays européens germanophones, mais il s'est depuis forgé une solide position dans le monde entier. Siemens fait d'ailleurs partie des pionniers: dès 1961, le groupe allemand a déposé un brevet pour la commande numérique des machines-outils.
- Heidenhain est présent dans le monde entier, mais est particulièrement fort en Allemagne. Heidenhain a été l'un des premiers à développer une alternative au code G, klartext. Ce concept est également repris dans la dernière commande. 
- Mitsubishi Electric est moins connu en Europe en tant que commande, mais Mazak Mazatrol, par exemple, est un développement conjoint de Mitsubishi et du constructeur de machines japonais. Mazatrol a introduit la commande par dialogue, qui est également une alternative aux codes G.
- Mazak est l'un des rares constructeurs de machines à proposer sa propre commande, ou plutôt sa propre version basée sur la commande Mitsubishi. Avec Smooth AI, Mazak ouvre la voie à l'intelligence artificielle.
- Okuma est un autre constructeur de machines qui développe ses propres commandes. Depuis les années 60, Okuma développe ses propres commandes OSP, dont la version P500 sera présentée à l'EMO de cette année.
- La société américaine Haas construit également ses propres commandes pour les machines-outils. Avec son système de programmation VSP, Haas souhaite principalement fournir aux opérateurs un outil permettant de créer rapidement des programmes en code G.
- Hurco est l'autre fabricant américain qui, avec sa commande WinMax, souhaite aller un peu plus loin que de nombreux grands constructeurs de machines. L'option de programmation rapide et facile basée sur un fichier STEP sera étendue cette année à la possibilité de programmer des surfaces de forme libre de cette manière.
- Parmi les autres développeurs de commandes CNC figurent Fagor, NUM et la société chinoise Wuhan Huazhong Numerical Control.