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GOL 510, Cours 02 b Organisation
flexible de la production (4cr.)
Session : AUTOMNE 2011
Commande numérique
Programme de baccalauréat en génie des opérations et de la logistique
École de technologie supérieure, Montréal, QC.

Bibliographie
“Automation, Production Systems, and
Computer-Integrated Manufacturing”,
Mikell P. Groover
Source de cette présentation:

Plan de la présentation
 Introduction
 Bases de la technologie de commande numérique
 Composants de base d’un système à contrôle numérique
 Systèmes de coordonnées dans la CN
 Systèmes de commande de mouvement
 Applications de la commande numérique
 Machines-outils
 Autres applications
 Avantages et inconvénients de la commande numérique
 Programmation en commande numérique
 Programmation manuelle
 Programmation assistée par ordinateur
 Programmation par langage de commande numérique (APT)
 Conclusion

Introduction
 La commande numérique est une forme d’automatisation programmable
 Les actions mécaniques de la machine-outil sont commandées par un
programme contenant des données alphanumériques
 Ces données alphanumériques représentent
 les positions relatives entre un outil et une pièce
 Les instructions nécessaires au fonctionnement de la machine
 L’outil est un outil de coupe ou tout autre appareil traitant
 La pièce est l’objet à travailler
 Les machines à CN sont reprogrammables, les instructions peuvent être
modifiées pour faire d’autres tâches
 Les machines à CN sont appropriées à des volumes de production bas à
moyens
 La commande numérique peut être appliquée dans plusieurs domaines:
 Machine-outil (perçage, fraisage, tournage…et autres applications en
métallerie)
 Assemblage, inspection.

Bases de la technologie de
commande numérique
Trois (3) composantes de base:
 Programme d’instructions
Série de commandes pas-à-pas qui dirigent les actions de l’équipement de
traitement
 Unité de commande numérique
Micro-ordinateur relié au matériel de commande qui stocke puis exécute le
programme d’instructions en convertissant chaque commande en
actions mécaniques de l’équipement de traitement
 Équipement de traitement
Outil ou appareil qui effectue le travail utile

commande numérique
Programme
d’instruction
Unité de
contrôle
Équipement de
traitement
Composantes de base d’un système de commande numérique

commande numérique
Système de coordonnées dans la
commande numérique:
 Est un système d’axes standard par rapport auquel les
positions relatives entre l’outil et la pièce est spécifiée
 Deux (2) systèmes d’axes sont utilisés
Pour les pièces planes et prismatiques
Pour les pièces de révolution
 Les deux systèmes sont basés sur le système de
coordonnées cartésiennes

commande numérique
Système de
coordonnées pour
les pièces planes
et prismatiques
 Trois (3) axes linéaires (x, y, z)
 Trois (3) axes de rotation (a, b, c)
spécifient les positions angulaires par
rapport aux axes x, y et z pour
positionner la pièce ou l’outil.
 Les machines à commande
numériques sont dites:
À quatre (4) axes (trois axes
linéaires plus une rotation)
À cinq (5) axes (trois axes
linéaires plus deux rotations)
+x
+y
-y
+z
-z
+a
+b
+c
Pièce à usiner
Table porte-pièce

commande numérique
Système de
coordonnées
pour les pièces
de révolution
 Utilisé pour les tours
 La position de l’outil est
spécifiée dans le plan (x, z)
 x est la position radiale de
l’outil
 z est l’axe de rotation de la
pièce
+x
-x
+z
-z
Pièce à usiner

commande numérique
Système de Commande de
mouvement
 Certains processus doivent être accomplis en un point particulier
(soudage par point), d’autres sont accomplis pendant que l’outil
est en mouvement (soudage à l’arc)
 Caractéristiques de la commande de mouvement
Mouvement point à point Vs. commande à trajectoire continue
Méthodes d’interpolation
Position absolue Vs. Position incrémentielle (ou relative)

commande numérique
Système de
Commande de
mouvement
 Mouvement point-à-point:
mouvement d’une position à une
autre sans tenir compte de la
trajectoire suivie (exemple:
perçage)
 Trajectoire continue: permet de
commander la trajectoire de l’outil
relativement à la table porte-
pièce. Le traitement se fait
pendant le mouvement (exemple:
fraisage)
1
2
3
Pièce
Trajectoire de
l’outil
Point de départ
de l’outil
Point de départ
de l’outil
Trajectoire de
l’outil
Profil de l’outil
Contour de la
pièce

commande numérique
Système de Commande de
mouvement
Méthodes d’interpolation
Calcul des points intermédiaires entre un point de départ et un point d’arrivée
dans une trajectoire
 Plusieurs méthodes d’interpolation sont disponibles pour générer des
trajectoires lisses
Linéaire
Circulaire
Hélicoïdale
Parabolique
cubique

commande numérique
Système de Commande de mouvement
 Position absolue
Les localisations du porte-pièce sont définies relativement à l’origine du
système d’axes
 Position relative
Les localisations du porte-pièce sont définies par rapport à la position
actuelle
(40, 50)
(20, 20)
20
30
x
y
Position actuelle
de l’outil
Prochaine
position de l’outil

Applications de la commande
numérique
Plusieurs applications industrielles
requièrent la commande de la position
relative entre le porte-outil et la pièce à
travailler.
 Machines travaillant par enlèvement de
matière
généralement le travail des métaux (usinage: tournage, perçage,
fraisage, surfaçage…etc)
 Applications autres que les machines-outils
diverses opérations dans d’autres industries

numérique
Machines travaillant par enlèvement de matière
 Opérations d’usinage
L’usinage est un processus de fabrication dans lequel la
géométrie désirée est produite par enlèvement de de l’excès
de matière, en contrôlant la position relative entre un outil-
coupant et la pièce à usiner
Il y a quatre types d’opérations d’usinage
Tournage
Perçage
Fraisage
Meulage
Chaque opération est effectuée à une certaine
combinaison de conditions appelée grandeur de
coupe

numérique
Outils de
coupe
Avance
Pièce à
usiner
Pièce à
usiner
Foret
Avance
Tournage Perçage
Fraisage
Surfaçage
Avance
Vitesse de
coupe
Surface à
usiner
Meule à
affûter

numérique
Exemple: le fraisage
 La vitesse de coupe est la vitesse de l’outil (la fraise)
par rapport à la pièce à usiner (m/min)
 Cette vitesse est programmée dans la machine
comme la vitesse de rotation de la broche (tr/min)
 Équation de conversion
N: vitesse de rotation de la broche (tr/min)
v: vitesse de coupe (m/min)
D: diamètre de la fraise (m)
v
N
D



numérique
 Exemple: le fraisage
 L’avance est la valeur du déplacement longitudinal ou
transversal de l’outil après une révolution de la broche
 L’avance détermine généralement la taille des copeaux formés
par les dents de l’outil
 Elle est programmée dans la machine CN comme une vitesse
d’avance (feed rate)
 Équation donnant la vitesse d’avance
fr: vitesse d’avance (mm/min)
N: vitesse de rotation (tr/min)
nt: nombre de dents dans la fraise
f: avance (mm/dent)
r t
f Nn f


numérique
Les machines-outils à CN les plus utilisées sont:
 Les tours à CN: nécessitent une commande deux axes et
une commande de trajectoire continue pour créer des
géométries cylindriques ou des profils
 Les aléseuses-fraiseuses à CN: similaires au tournage
sauf que l’enlèvement de matière crée des cylindres
intérieurs. Nécessitent une commande deux axes et une
commande de trajectoire continue
 Les machines à percer à CN: utilisent un mouvement
point-à-point de l’outil et un mouvement deux axes de la
table de travail. Certaines machines sont équipées d’une
tourelle porte-outil qui permettent l’utilisation de plusieurs
outils sans avoir à les changer manuellement durant le
cycle de travail

numérique
 Caractéristiques des applications de la CN
 Production par lots
taille de lots petite à moyenne (de 1 à plusieurs centaines d’unités)
 Commandes répétées
des lots des mêmes pièces sont fabriquées à des intervalles de temps aléatoires ou
périodiques
 Géométrie de pièces complexes
surfaces courbées complexes telles que les ailes d’avion et les aubes de turbines
 Grande quantité de métal à enlever de la pièce à usiner
le volume et le poids des pièces usinées sont réduits par rapport à la pièce brute
 Plusieurs opérations d’usinage séparées sur la pièce
l’usinage manuel de telles pièces nécessiterait plusieurs réglages avec une qualité inférieure
 La pièce est dispendieuse
lorsque la pièce brute est faite d’un métal cher, ou que les rebuts sont extrêmement chers
 Ces caractéristiques sont les critères utilisés pour justifier ou non l’utilisation
de machine à CN

numérique
Quelques applications autres que les
machines-outils
 Insertion de composants
positionner et insérer des composants dans un plan, par exemple dans
les cartes de circuits imprimés
 Appareils à dessiner
utilisés comme partie opérative d’un système de conception et de
fabrication assistée par ordinateur (traceur rapide)

numérique
Avantages des machines à CN
 Réduction du temps improductif
 Accroissement du degré de précision et de
répétabilité
 Réduction des taux de rebuts
 Réduction de la nécessité de contrôle
 Possibilité de traiter des géométries complexes
 Facilité d’adapter les changements techniques
 Réduction des temps de mise en production
 Réduction des stocks
 Réduction des espaces requis
 Réduction du niveau de qualification des opérateurs

numérique
Inconvénients des machines à CN
 Coûts d’investissement élevés
 Plus d’effort doit être fourni pour la
maintenance
 Nécessité de programmation des
équipements de CN
 Une plus grande utilisation des équipements
à CN doit être faite pour maximiser leur
rentabilité

Programmation en commande
numérique (manuelle)
La programmation consiste à planifier et à
documenter la séquence ordonnée d’étapes à
exécuter sur une machine à commande
numérique
Une connaissance de l’usinage, de la géométrie
et de la trigonométrie est requise
Deux types de programmation seront abordés
dans ce cours
 Programmation manuelle
 Programmation par langage de commande
numérique (APT: Automatically Programmed Tooling)

Éléments de la programmation manuelle
 caractères alphanumériques (A-Z, 0-9)
 Une séquence de caractères forme un mot
 Le mot spécifie des détails sur l’opération à accomplir
(position, vitesse d’avance, vitesse de la broche)
 Une collection de mots forme un bloc
 Un bloc est une instruction de CN qui détermine la
destination du mouvement, la vitesse et l’avance de
la coupe ainsi que d’autres commandes qui
déterminent ce que la machine doit faire

Éléments de la programmation manuelle
N001 G00 X07000 Y03000 M03
N002 Y06000
Caractères
Mot
Bloc

 Les mots d’un bloc sont souvent donnés dans l’ordre
suivant:
 Numéro de la séquence (N001)
 Mots préparatoire (G00)
 Coordonnées (X-, Y-, Z-, A-, B-, C-)
 Vitesse d’avance (F40)
 Vitesse de la broche (S0800)
 Sélection de l’outil (T14)
 Commandes variées (M03)
 Fin de bloc
 Cf. tableaux
 A7.1 page 189 pour les mots utilisés dans un programme
 A7.2 page 190 pour les mots préparatoires (G)
 A7.3 page 191 pour les mots de commandes variées (M)

La programmation manuelle peut être
utilisée pour:
 Les mouvements point-à-point
 Le contournage
Elle est appropriée pour les opérations
d’usinage point-à-point tel que le perçage,
et le contournage simple tel que le
fraisage et le tournage

La préparation d’un programme nécessite la
définition de l’origine du système d’axes. Les
mouvements seront définis par rapport à ce
système d’axes
L’origine du système de coordonnées peut être
définie par rapport à la position actuelle de l’outil
à l’aide du mot « G92 »
G92 X0 Y-050.0 Z010.0
Cette instruction spécifie les coordonnées de l’outil
(0, - 50, 10) dans le système de coordonnées absolu

Les coordonnées sont implicitement données en
(mm). On peut indiquer cette unité dans le code
à l’aide du mot « G21 »
G21 G92 X0 Y-050.0 Z010.0
Les mouvements sont programmés en utilisant
l’un des mots suivants: G00, G01, G02 et G03 »
G00 X050.0 Y086.0 Z100.0
→mouvement longitudinal rapide de la position
actuelle au point de coordonnées (50, 86, 100)

L’interpolation linéaire est utilisée lors du
contournage par exemple
G01 G94 X050.0 Y086.5 Z100.0 F40 S800
→mouvement de l’outil selon une ligne
droite de la position actuelle au point de
coordonnées (50, 86, 100) avec une
vitesse d’avance de 40 mm/min et une
rotation de la broche de 800 tr/min

 L’interpolation circulaire est utilisée avec les mots
 G02 pour un mouvement dans le sens de rotation des aiguilles d’une montre
 G03 pour un mouvement dans le sens contraire des aiguilles d’une montre
 La sélection du plan du mouvement circulaire est faite
avec les mots G17, G18 et G19
 Par exemple
G02 G17 X088.0 Y040.0 R028.0 F30
→mouvement circulaire dans le sens des aiguilles d’une
montre dans le plan (x, y) de la position actuelle au point
de coordonnées (88, 40) avec un rayon de 28 mm et
vitesse d’avance de 30 mm/min

 Dans les opérations de perçage, l’outil doit être déplacé
exactement au point spécifié
 Dans les opérations de fraisage (contournage), la
position de l’outil doit être décalée de celle spécifiée
d’une distance égale au rayon de l’outil. Cette distance
est appelée «décalage de l’outil» (cutter offset)
Pièce à usiner
Trajectoire de
l’outil
y
x
Taille de l’outil
Sens des aiguilles d’une montre
Sens inverse des aiguilles d’une
montre

 Les machines à CN permettent d’intégrer le calcul de
l’offset automatiquement dans le programme: G40, G41
et G42
 G40: permet d’annuler la compensation de l’offset
 G41 et G42: invoquent la compensation de l’offset lorsque l’outil
est à gauche (resp. droite) de la pièce à usiner
G42 G01 X100.0 Y040.0 D05
→ mouvement de l’outil selon une ligne droite de la position
actuelle au point de coordonnées (100, 40) avec une
compensation de l’offset où l’outil est situé à droite de la pièce.
D05 rend compte du diamètre de l’outil (indique que le rayon de
l’outil est stocké dans le registre numéro 05 du dispositif de
commande)

Lorsqu’on veut entrer la valeur de l’offset
comme une instruction dans le programme
G10 P05 R10.0
G10: indique que la donnée sur l’offset de l’outil sera
entrée
P05: indique que la donnée sera mémorisée dans le
registre 05
R10.0: indique la valeur du rayon en mm (10 mm)

Exemple 1: perçage point-à-point
 L’outil a un diamètre de 7 mm (correspond au
diamètre des trous) et est déjà monté sur le porte-outil
 Le perçage a une avance de 0.05 mm/tr
 La vitesse de rotation de la broche est de 1000 tr/min
 L’outil est positionné au point-cible de coordonnées
x=0, y=-50 et z=+10 au début de la tâche
 Les unités sont en mm
 L’outil doit retourner au point-cible à la fin de la tâche

Exemple 1: perçage point-à-point
 Les axes x-, y- et z- sont définis de la façon suivante
x
y
(160, 0)
(120, 30)
(130, 60)
(70, 30)
(70, 60)
(35, 90)
(0, 0)
x
z
-z
-10

 Exemple 1: perçage point-à-point
 N001 G21 G90 G92 X0 Y-050.0 Z010.0 (Définir l’origine des axes)
 N002 G00 X070.0 Y030.0 (mouvement rapide au dessus du 1er trou)
 N003 G01 G95 Z-015.0 F0.05 S1000 M03 (Perçage du premier trou)
 N004 G01 Z010.0 (retirer l’outil du trou)
 N005 G00 Y060.0 (mouvement rapide au dessus du 2ème trou)
 N006 G01 G95 Z-015.0 F0.05 (Perçage du second trou)
 N008 G00 X120.0 Y030.0 (mouvement rapide au dessus du 3ème trou)
 N009 G01 G95 Z-015.0 F0.05 (Perçage du 3ème trou)
 N011 G00 X0 Y-050.0 M05 (mouvement rapide au point-cible et arrêt de
la broche)
 N012 M30 (Fin du programme, arrêt de la machine)

Exemple 2: contournage
Il s’agit de contourner la périphérie de la pièce
en suivant la trajectoire décrite dans la dessin
x
y
-y
-x
Périphérie de
la pièce
Diamètre de
l’outil
Trajectoire de l’outil
Point-cible
N001, N002
N003
N004
N005
N006
N007
N008
N009
N010

 L’origine du système de coordonnées est à la surface supérieure
de la pièce
 Le diamètre de l’outil est de 20 mm
 Pour le contournage, l’outil doit être positionné à 25 mm en
dessous de la surface supérieure de la pièce, soit à z=-25 mm
 La vitesse de rotation de la broche est de 1000 tr/min
 La vitesse d’avance de l’outil est de 50 mm/min
 Le rayon de l’outil est déjà entré dans le registre de l’offset 05
 Le point-cible est x=0, y=-50 et z=10 (départ et arrivée)
 Après avoir contourné la pièce, l’outil se retire au point x=-40 et
y=0 avant de se positionner au point-cible

 N001 G21 G90 G92 X0 Y-050.0 Z010.0 (Définir l’origine des axes)
 N002 G00 Z-025.0 S1000 M03 (mouvement rapide à la profondeur
désirée, et mise en rotation de la broche)
 N003 G01 G94 G42 Y0 F50 D05 (Avance vers la pièce, prise en compte
de l’offset)
 N004 G01 X160.0 (Mouvement linéaire)
 N005 G01 Y060.0 (Mouvement linéaire)
 N006 G03 G17 X130.0 Y090.0 R30.0 (Mouvement circulaire dans le
plan x, y de rayon 30 mm)
 N007 G01 X035.0 (Mouvement linéaire)
 N008 G01 X0 Y0 (Mouvement linéaire)
 N009 G00 G40 X-040.0 M05 (Mouvement rapide au retrait et arrêt de la
broche)
 N010 G00 X0 Y-050.0 Z010.0 (Mouvement rapide au point-cible)
 N011 M30 (Fin du programme)

Programmation assistée par
ordinateur en CN
La programmation assistée par ordinateur
permet de:
 Définir la géométrie de la pièce
Quelque soit la géométrie de la pièce, elle peut (presque toujours) être
décomposée en éléments simples: points, lignes droites, plans, cercles,
cylindres…etc.
 Spécifier la trajectoire de l’outil et la séquence des opérations
Une fois la géométrie spécifiée, le programmeur doit indiquer la
trajectoire suivie par l’outil pour compléter la tâche
 Autres fonctions
Le programmeur peut également donner un nom au programme,
identifier la machine-outil qui accomplira la tâche, spécifier la vitesse de
coupe et d’avance…etc.

Programmation par langage de
commande numérique (APT)
La programmation assistée par ordinateur
utilise la langage de commande
numérique (APT)
Quatre (4) types d’instructions sont
utilisées dans le langage APT
 Géométrie (éléments géométriques de la pièce)
 Commande de mouvement (spécification de la trajectoire)
 Instructions de traitement (contrôle du mouvement: vitesse,
avance, tolérance, interpolation circulaires…etc.)
 Instructions auxiliaires (diverses instructions pour spécifier le
nom du programme, les commentaires…etc.)

Instructions géométriques
SYMBOL=GEOMETRY TYPE /données descriptives
 Exemples:
P1=POINT/20.0, 40.0, 60.0 (point par coordonnées)
P2=POINT/INTOF, L1, L2 (point par intersection de deux lignes)
L3=LINE/P3, P4 (ligne passant par deux points)
L4=LINE/P5, PARLEL, L3 (ligne passant par un point parallèle à
une autre ligne)
PL1=PLANE/P1, P2, P3 (plan passant par trois points)
PL2=PLANE/P2, PARLEL, PL1 (plan passant par un point parallèle
à un autre plan)
C1=CIRCLE/CENTER, P1, RADIUS, 25.0 (cercle avec centre et
rayon)
C2=CIRCLE/P4, P5, P6 (cercle passant par trois points)

 Instructions géométriques (Exemple)
P1=POINT/0, 0, 0
P2=POINT/160.0, 0, 0
P3=POINT/160.0, 60.0, 0
P4=POINT/35.0, 90.0, 0
P5=POINT/70.0, 30.0, 0
P6=POINT/120.0, 30.0, 0
P7=POINT/70.0, 60.0, 0
P8=POINT/130.0, 60.0, 0
L1=LINE/P1, P2
L2=LINE/P2, P3
C1=CIRCLE/CENTER, P8, Radius, 30.0
L3=LINE/P4, PARLEL, L1
L4=LINE/P4, P1
x
y
P2(160, 0)
P6(120, 30)
P8(130, 60)
P5(70, 30)
P7(70, 60)
P4(35, 90)
P1(0, 0)
P3(160, 60)
L1
L2
L3
L4
C1

Commandes de mouvement
MOTION COMMAND/données descriptives
 Exemples:
GOTO/P1 (aller au point P1)
FROM/PTARG (spécifier la position de départ par rapport à laquelle les
autres mouvements sont référencés. PTARG est le point-cible)
FROM/-20.0, -20.0, 0 (Les coordonnées du point de départ sont
spécifiées)
GOTO/-20.0, -20.0, 0 (mouvement point-à-point au point spécifié)
GODLTA/50.0, 120.0, 40.0 (mouvement incrémentiel point-à-point à partir
de la position actuelle en se déplaçant de 50 mm selon l’axe des x, 120
mm selon l’axe des y et de 40 mm selon l’axe des z, très utilisée en
perçage)

Instructions de traitement
POSTPROCESSOR COMMAND/données descriptives
 Exemples:
UNITS/MM (l’unité utilisée est le mm)
INTOL/0.02 (tolérance interne pour les mouvements circulaires)
OUTTOL/0.02 (tolérance externe pour les mouvements circulaires)
CUTTER/20.0 (diamètre de l’outil)
SPINDL/1000, CLW (vitesse de rotation de la broche en tr/min
dans le sens des aiguilles d’une montre)
SPINDL/OFF (arrêt de la broche)
FEDRAT/40, IPM (la vitesse d’avance est de 40 par minute)

Instructions auxiliaires
 Exemples:
PARTNO (utilisé au début du programme pour l’identifier)
MACHIN/ (définit la machine-outil)
CLPRNT (utilisé pour imprimer la séquence de positions de
l’outil)
REMARK (permet d’inclure des commentaires explicatifs et n’est
pas interprété par le processeur)
FINI (indique la fin du programme)

Exemple: perçage point-à-point
Cf. exemple B7.3 page 211

Conclusions
Les machines à CN offrent une grande flexibilité;
en effet, il est facile de changer les instructions
du programme si l’ingénierie de la pièce change
Les machines à CN trouvent leur application
dans des domaines divers et variés
Les machines à CN sont appropriées pour les
volumes de production petits à moyens
La programmation des machines à CN se base
sur la commande des positions relatives entre
l’outil et la pièce à usiner
Lecture suggérée: Livre de référence (chapitre 7 139 :
sec 7.1 page 142, sec 7.4 page 156, appendis A7 page à 189 et appendis
B7 page à 197)

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