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Dans cet article, nous allons aborder les bases du système de coordonnées de la CNC, notamment le système de coordonnées cartésiennes, le système de coordonnées de travail (WCS) et les décalages.

Vous utiliserez les principes de base de votre système de coordonnées de fraisage CNC partout, et pas seulement pour une seule machine CNC. Même les machines CNC les plus récentes sont fondamentalement les mêmes : elles utilisent des axes X, Y et Z pour définir l’espace de coordonnées à l’intérieur de la machine, et un outil (parfois une fraise, parfois une extrudeuse, parfois un faisceau laser) qui se déplace dans cet espace. La technologie peut changer, mais les principes de base restent essentiellement les mêmes. Dans cet article, nous allons aborder les bases du système de coordonnées de fraisage CNC, y compris le système de coordonnées cartésiennes, le système de coordonnées de travail (WCS, ou Work Coordinate System) et les décalages. 

Pourquoi les Coordonnées Sont Importantes pour le Fraisage CNC ? 

Les machines de fabrication additive construisent une pièce de bas en haut. Il n’y a aucun doute sur la position où la pièce commence sur la plaque de construction. Toutefois, une machine telle qu’une fraiseuse doit soustraire de la matière à un objet externe. Pour ce faire, la machine doit comprendre la position de la pièce à usiner dans l’espace physique. Si seulement c’était aussi simple que d’introduire un bloc de métal dans votre machine CNC et d’appuyer sur « go ». 

Les choses commencent à se compliquer lorsque l’on ajoute une variété d’outils de fraisage. Chaque outil a une longueur différente. Il en résulte un changement de la distance entre le point d’origine de la broche et la pièce à usiner. Ce point d’origine que vous venez de régler pour une fraise de 1 pouce ne sera pas adéquat pour une mèche de 3 pouces de long. 

Vous pouvez considérer le système de coordonnées comme la façon dont les machines CNC comprennent l’espace 3D. Sans un système de coordonnées adapté, votre machine CNC n’aurait absolument aucun moyen de savoir : 

• Où se trouve votre bloc de matériau 
• À quelle distance votre outil se trouve de votre pièce 

• Quels mouvements utiliser pour usiner votre pièce 

Le système de coordonnées peut sembler compliqué au premier abord, mais il peut être décomposé en éléments simples. Commençons d’abord par les bases du système de coordonnées cartésiennes. 

Principe de Base des Coordonnées Cartésiennes 

Presque toutes les machines CNC (Computer Numerical Control, ou Machine-Outil à Commande Numérique) utilisent un système de coordonnées cartésiennes basé sur des axes X, Y et Z. Ce système permet à une machine de se déplacer dans une direction spécifique le long d’un plan spécifique. 

Si l’on réduit le système cartésien à sa plus simple expression, on obtient une ligne numérique familière. Un point sur la ligne est désigné comme l’Origine. Tous les nombres situés à gauche de l’origine sont négatifs, tandis que les nombres situés à droite sont positifs. 

En combinant les axes X, Y et Z à des angles de 90 degrés, vous créez un espace tridimensionnel dans lequel votre machine CNC peut se déplacer. Chaque axe se rencontre à l’Origine. 

Lorsque deux axes sont reliés, ils forment un plan. Par exemple, lorsque les axes X et Y se rejoignent, vous obtenez un plan XY, dans lequel la plupart des travaux sont effectués sur les pièces 2,5D. Ces plans sont divisés en quatre quadrants, numérotés de 1 à 4, avec leurs propres valeurs positives et négatives. 

Un moyen facile de comprendre le système de coordonnées cartésiennes par rapport à votre machine CNC consiste à utiliser la Règle de la Main Droite. Tenez votre main, paume vers le haut, avec le pouce et l’index pointant vers l’extérieur, et le majeur pointant vers le haut. Placez votre main devant votre machine CNC, alignée avec la broche de la machine, et vous verrez que les axes s’alignent parfaitement. 

• Le majeur est l’axe Z. 
• L’index est l’axe Y. 
• Le pouce est l’axe X. 

Comment une Machine CNC Utilise-t-elle les Coordonnées 

En utilisant le système de coordonnées cartésiennes, nous contrôlons les mouvements des machines CNC le long de chaque axe afin de transformer un bloc de matériau en une pièce finie. Bien qu’il soit difficile de décrire les axes en termes relatifs, on obtient généralement les mouvements suivants sur chaque axe du point de vue d’un opérateur faisant face à la machine : 

• L’axe X permet un mouvement « à gauche » et « à droite ». 
• L’axe Y permet de se déplacer « vers l’avant » et « vers l’arrière ». 
• L’axe Z permet le mouvement « vers le haut » et « vers le bas ». 

Rassemblez tous ces éléments et vous obtenez une machine CNC capable de découper les différentes faces d’une pièce dans le plan XY et à différentes profondeurs le long de l’axe Z. Que ce soit une fraiseuse, une toupie ou un laser, on utilise toujours ce système fondamental de mouvement. 

Le mouvement de votre CNC le long du système de coordonnées est toujours basé sur la façon dont votre outil se déplace, sans prendre en considération les mouvements de la table. Par exemple, le fait d’augmenter la valeur de la coordonnée X permet de déplacer la table vers la gauche, mais du point de vue de l’outil, elle se déplace vers la droite le long d’une pièce à usiner. 

Le fait d’augmenter la coordonnée de l’axe Z permet de déplacer la broche vers le haut, et le fait de la diminuer permet de la faire descendre dans une pièce. Vous fraisez la pièce, ce qui correspond à une coordonnée d’axe Z négative. 

Si la lecture de cette partie vous a laissé encore plus perplexe qu’avant, ne vous inquiétez pas. Comprendre la différence entre le mouvement de votre outil et le mouvement de votre table est plus facile à montrer qu’à expliquer avec des mots. Regardez la vidéo ci-dessous de Robert Cowan pour voir à quoi cela ressemble en pratique :  

L’Origine de Votre Machine CNC 

Chaque machine CNC possède son propre point interne d’origine appelé Machine Home. Lorsque votre machine CNC démarre pour la première fois, elle n’a aucune idée de l’endroit où elle se trouve dans l’espace physique. Elle a donc besoin d’un étalonnage pour trouver ses repères. 

Lorsque ce processus est lancé, les trois axes de votre CNC se déplacent vers leur limite mécanique maximale. Lorsqu’une limite est atteinte, un signal est envoyé à un contrôleur qui enregistre la position initiale pour cet axe particulier. Une fois ceci est réalisé pour les trois axes, la machine est maintenant « en position initiale »(homed). 

Le processus peut varier d’une machine à l’autre en fonction de ses composantes internes. Sur certaines machines, un interrupteur de fin de course physique signale au contrôleur que la machine a atteint la limite d’un axe. Sur d’autres machines, un système d’asservissement complet est en place et rend ce processus extrêmement fluide et précis. Le contrôleur de la machine envoie un signal par le biais d’une carte de circuit à un servomoteur. Ce dernier est relié à chaque axe de la machine. Le servomoteur fait tourner une vis à billes fixée à la table de votre machine CNC, ce qui la fait bouger. 

Le mouvement de va-et-vient de la table communique instantanément les changements de coordonnées avec une précision allant jusqu’à 0,0002 pouce. 

Comment les Machinistes Utilisent les Coordonnées CNC 

Jusqu’ici, nous avons parlé de la façon dont une machine CNC utilise son système de coordonnées interne. Le problème qui se pose, c’est que ce système de coordonnées n’est pas très facile à référencer pour nous, les humains. Par exemple, lorsque votre Machine-Outil à Commande Numérique (CNC) trouve sa Position Initiale (Home Position), elle est généralement soumise à des limitations mécaniques extrêmes le long des axes X, Y et Z. Imaginez que vous deviez utiliser ces valeurs de coordonnées extrêmes comme point de départ de votre programme CNC. Quel cauchemar ! 

Pour faciliter l’écriture des programmes CNC, nous utilisons un système de coordonnées différent, conçu pour faciliter l’utilisation de la machine par les humains, appelé Système de Coordonnées de Travail ou WCS (Word Coordinate System). Le WCS définit un point d’origine particulier sur un bloc de matériau, généralement dans un logiciel de FAO comme Fusion 360.

Vous pouvez définir n’importe quel point sur un bloc de matériau comme point d’origine d’un WCS. Une fois le point d’origine établi, vous allez devoir le localiser à l’intérieur de votre machine CNC à l’aide d’un palpeur d’arête, d’un comparateur à cadran, d’une sonde, ou d’une autre méthode de localisation. 

Le choix d’un point d’origine pour votre WCS nécessite une planification minutieuse. Gardez les points suivants à l’esprit pendant le processus : 

• L’origine devra être localisée en utilisant des moyens mécaniques à l’aide d’un palpeur d’arêtes ou d’une sonde 
• Les points d’origine réutilisable permettent de gagner du temps lorsqu’on échange les pièces. 

• L’origine doit tenir compte des tolérances requises pour les opérations en aval. 

Un autre blog entier pourrait être consacré à la sélection du point d’origine le plus optimal, en particulier pour chaque opération ultérieure, lorsque la tolérance accumulée commence à augmenter. Veillez à garder à l’esprit les tolérances des éléments précédemment usinés, ainsi que votre mécanisme de localisation et votre machine pour vous assurer que votre pièce finale est conforme aux spécifications. 

Interactions entre les Coordonnées de la CNC et les Coordonnées de Travail 

Comme nous l’avons mentionné ci-dessus, les opérateurs humains utilisent un WCS (Système de Coordonnées de Travail), qui fournit un ensemble de coordonnées facile à utiliser pour écrire un programme CNC. Cependant, ces coordonnées sont toujours différentes de celles d’une machine. Alors comment est-ce que votre machine CNC aligne-t-elle les deux ? Avec des décalages. 

Une machine CNC utilise un décalage de travail pour déterminer la différence de distance entre votre WCS et sa propre position initiale. Ces décalages sont mémorisés dans le contrôleur de la machine et sont généralement accessibles dans une table de décalage. 

Ici, nous pouvons voir que plusieurs décalages sont programmés : G54, G55 et G59. Quel est l’avantage d’avoir plusieurs décalages ? Si vous usinez plusieurs pièces à la fois, chaque pièce peut se voir attribuer son propre décalage. Cela permet à la machine CNC de relier avec précision son système de coordonnées à plusieurs pièces situées à différents endroits et de réaliser plusieurs réglages à la fois. 

Décalages d’Outils 

Il est assez courant d’utiliser plusieurs outils pour un même travail. Toutefois, vous avez besoin d’un moyen pour tenir compte des différentes longueurs d’outils. La programmation des décalages d’outils dans votre machine CNC facilite ce travail. En programmant un décalage d’outil, votre machine CNC saura exactement la distance entre la broche et le point extrémité de chaque outil. Il existe plusieurs façons d’enregistrer un décalage d’outil : 

• Jogging. Déplacez l’outil de la position initiale de la machine à la position zéro de la pièce. La distance parcourue est mesurée et saisie comme décalage de l’outil. 
• Bloc de précision. Réglez tous les outils sur une position Z commune au sommet d’un bloc de précision 1-2-3 reposant sur la table de la machine. 
• Palpage. Utilisez un palpeur pour déterminer automatiquement le décalage de l’outil. C’est la méthode la plus efficace, mais aussi la plus coûteuse, car elle nécessite un équipement de palpage. 

Mise en situation pratique 

Maintenant que nous avons mis en place tous les principes de base des coordonnées, nous allons passer en revue un exemple de projet constitué de 3 étapes pratiques. Nous utilisons une pièce qui a déjà été usinée manuellement pour définir une forme extérieure. Nous devons maintenant utiliser une machine CNC pour fraiser des trous, des poches et une fente. 

Étape 1 

Nous devons d’abord établir nos axes et notre point d’origine : 

• La pièce est serrée dans un étau, boulonnée à la table de la machine et mise à l’équerre par rapport aux axes de la machine. 
• Cela permet de maintenir l’axe X du WCS aligné avec l’axe X de la machine. 
• La partie gauche de la face s’appuie sur une Butée d’Étau. Cela permet d’établir une origine réutilisable de l’axe X. 
• Comme l’un des mors de l’étau est fix, nous pouvons utiliser ce mors pour déterminer une origine réutilisable de l’axe Y, et ce, à l’aide d’un palpeur ou d’une sonde. 

Lorsque notre WCS est en place, notre machine comprend maintenant la position de la pièce à usiner par rapport à ses propres coordonnées internes. Le processus d’usinage commence par l’usinage de la poche et le fraisage des trous sur le premier côté de la pièce. 

Étape 2 

Il faut maintenant retourner la pièce pour travailler sur l’autre face. Comme nous venons de retourner la pièce de 180 degrés, que le contour extérieur était symétrique, et que les décalages X et Y précédents étaient réutilisables, le WCS ne changera pas. Nous utilisons également le même outil. Par conséquent, on peut utiliser le même décalage Z. 

Une variable importante à garder à l’esprit ici est la force de serrage de votre étau. Si vous ne l’avez pas déjà vu dans votre atelier, les machinistes marquent généralement la position fermée d’un étau avec un marqueur noir ou utilisent une clé dynamométrique. Pourquoi font-ils cela ? Pour créer une pression de serrage constante lors du déplacement ou de la rotation des pièces. Les variations de la pression de serrage peuvent entraîner des différences dans le positionnement d’une pièce, ou d’autres défaillances telles que la déformation ou la courbure de la pièce, et ce, en fonction de sa géométrie. En supposant que notre force de serrage est plus ou moins la même, on peut enchaîner l’étape 2 d’usinage. 

Étape 3 

Nous devons maintenant fraiser quelques trous sur le côté, ce qui nécessite de faire pivoter la pièce sur son extrémité. Cette rotation ne modifie pas l’origine XY du WCS. Cependant, la distance de déplacement entre l’outil et la pièce est maintenant plus courte. 

Cela nécessite l’utilisation d’un nouveau décalage, qui déplacera le point d’origine vers le coin supérieur de la pièce. Nous avons également supprimé les parallèles pour augmenter la surface de serrage, et abaissé la Butée d’Étau afin qu’elle se connecte à la surface externe de la pièce à usiner plutôt qu’à la poche inférieure. 

Nous pouvons encore utiliser deux de nos plans de référence originaux pour terminer l’étape 3. 

Il s’agit d’un exemple simple : la pièce est carrée, l’origine XY a pu être réutilisée pour les trois réglages, et même l’origine Z n’a changé qu’une seule fois. Mais le processus de réflexion sur l’alignement du serrage, la répétabilité, et la précision des caractéristiques précédentes sont des éléments importants, et vous vous retrouverez en train de répéter ces étapes de base encore et encore. 

À vous de jouer 

Maintenant que vous avez la précision des coordonnées CNC dans votre ceinture à outils de machiniste, vous pouvez l’utiliser partout où votre carrière vous mène ! Les systèmes de coordonnées de travail (WCS) comblent le fossé entre les coordonnées internes de la machine et votre programme CNC. Ces trois systèmes fonctionnent ensemble pour localiser avec précision et usiner des pièces avec une qualité constante à maintes reprises. Que vous utilisiez une machine CNC de Bridgeport, Tormach ou Haas, le système de coordonnées ne change jamais. 

Vous êtes prêt à entrer les coordonnées de votre prochain projet CNC à l’aide d’un logiciel de CAO/FAO intégré ? Essayez Fusion 360 dès aujourd’hui !