Fabrication sur machines à commandes numériques dans un contexte multi-process

Présentation des DCN actuels

                   Les contrôleurs CN sont des produits de haute valeur ajoutée entrant en compte pour souvent plus de 30 % du prix des machines-outils. La technologie DCN est généralement considérée comme une mesure des technologies de fabrication d’un pays dont les principaux leaders sont actuellement l’Allemagne, les USA et le Japon [Suh’08a]. Les DCN regroupent un ensemble de technologies logicielles et matérielles qu’il est nécessaire d’appréhender pour en comprendre les grands principes et pouvoir les intégrer au système de fabrication. D’un point de vue global, un système à commande numérique est composé de trois unités : l’unité de commande constituée d’une interface utilisateur et permettant le contrôle de l’exécution des tâches, l’unité de pilotage regroupant les cartes d’axes et variateurs, et l’unité cinématique composée des moteurs et capteurs. La programmation de l’usinage d’une pièce est directement traitée au sein de l’unité de commande, ou directeur de commande numérique à proprement dit (il est aussi usuel de parler de ‘CN’ ou commande numérique comme raccourci pour désigner l’unité de commande). D’un point de vue fonctionnel, le DCN regroupe une Interface HommeMachine (IHM), un noyau de commande numérique (NCK : Numerical Control Kernel) et un automate programmable (PLC : Programmable Logic Control). Leur intégration au sein de la MOCN est schématisée Figure 4. D’un point de vue matériel, l’architecture d’un DCN est similaire à celle d’un ordinateur [Neuner’97]. L’exécution des calculs des unités IHM, NCK et PLC est traitée par un processeur principal. Un système de mémoire ROM et RAM permet le stockage des applications utilisateurs, des programmes pièce et des programmes PLC. Des entrées sorties analogiques/numériques sont disponibles pour la communication avec d’autres machines ou équipement externes. En interne, la communication entre la CN et l’unité de commande de puissance est numérique, permettant ainsi les échanges d’un large panel de données et la réduction du bruit par l’utilisation de câbles optiques. Les communications avec le matériel mécanique et les capteurs se fait par l’intermédiaire de protocoles de communication standards comme Profi-Bus, CAN Bus, InterBus-S, etc. D’un point de vue logiciel, l’IHM, le NCK et le PLC présentent des structures récurrentes d’implémentation constatées chez la majorité des constructeurs. L’IHM supporte les fonctions d’opérations, de réglage des paramètres, d’édition des programmes, de monitoring, d’alarme et d’assistance pour l’utilisateur. Les principales unités du NCK sont l’interpréteur, l’interpolateur, les contrôleurs d’accélération/décélération et de position :
ƒ L’interpréteur ou pré-processeur lit et interprète les blocs ASCII du programme pièce. C’est donc réellement lui qui traite le fichier code G et prépare les fonctions d’interpolation de la trajectoire. Plusieurs fonctions avancées peuvent être implémentées suivant les constructeurs. Les plus communément utilisées sont par exemple le Look Ahead statique (anticipation des blocs suivants pour la préparation des blocs en cours), les fonctions de contrôle feedforward (anticipation des consignes dynamiques), les fonctions d’interpolation NURBS, etc. Il stocke ensuite les données préparées dans un buffer interne pour l’exécution dans l’interpolateur.
ƒ Il existe deux grandes catégories d’interpolateur : matériels et logiciels. Les CN récentes utilisent en majorité des versions logicielles. Plusieurs algorithmes d’interpolation peuvent être implémentés basés sur les méthodes de pulsations de référence (interpolateur par approximation en escalier, par intégration numérique avec la version logicielle du DDA : Digital Differential Analyser, etc.) ou basés sur des méthodes d’échantillonnage des données (interpolateur d’Euler, de Taylor, de Tustin, etc.) [Suh’08a]. Un contrôle de l’accélération/décélération est exécuté avant ou après l’interpolation pour limiter les vibrations et chocs lors des mises en mouvement. Un Look Ahead Dynamique, calculé en temps réel, permet de limiter les dépassements lors des variations brutales d’accélération. À partir de la trajectoire et du profil de vitesse, l’interpolateur génère des positions de consignes pour chaque axe, échantillonnant ainsi la trajectoire suivant un pas de temps donné correspondant au temps de cycle de la boucle de position.
ƒ Le contrôleur de position ou contrôleur de boucle (Servo Control Loops) vise à réduire l’erreur de contour (plus petite distance entre la trajectoire programmée et la trajectoire réelle). Pour ceci, l’emploi de contrôleurs PID ou de système d’anticipation des forces dynamiques permettent de réduire l’erreur de poursuite et limitent l’erreur de contour.
Le PLC s’apparente à un automate programmable exécutant le contrôle séquentiel des changements d’outils, du chargement/déchargement des pièces, de la gestion des signaux d’entrées/sorties comme par exemple les arrêts d’urgence. De manière générale, il contrôle le comportement de la machine à l’exception des servomoteurs. Un circuit est dédié à la communication haute vitesse avec le NCK. Des programmes pour des applications dédiées peuvent être implémentés à partir d’un éditeur qui permet ensuite la compilation au sein de l’automate. Les DCN actuels concentrent donc un ensemble de technologies permettant la commande des tâches de la machine. La structure intrinsèque du DCN, et en particulier du NCK, rendent difficiles les modifications de comportement en dehors de l’intervention du constructeur. Dans la plupart des cas, il est même impossible de connaître exactement le comportement réel du DCN. Le NCK peut alors être considéré comme une « boîte noire » où seulement quelques paramètres, laissés accessibles par les constructeurs, peuvent être modifiés. Ceci pose problème pour l’intégration du DCN dans la chaîne numérique et en particulier lors des étapes de simulation et d’optimisation en amont. De même, un nombre considérable d’informations (capteurs, puissances consommées, temps de cycles, etc.) ne sont pas toujours accessibles alors que leur feed-back pourrait être utilisé pour le monitoring, le contrôle adaptatif, mais aussi pour d’autres applications plus en amont dans la chaîne numérique et la capitalisation de l’expérience. Pour palier ces manques, plusieurs propositions ont vu le jour proposant des architectures ouvertes de DCN et l’élaboration de CN virtuelles.

La programmation actuelle des MOCN de la FAO à la CN

                Programmer une machine à commande numérique consiste à générer une gamme de fabrication et les programmes pièce correspondants. À partir d’un dessin ou du modèle 3D de la pièce, une série de processus permet d’obtenir les programmes pièce. Les étapes 1 à 6 de la Figure 6 constituent une phase de préparation de la fabrication où la pièce est analysée et une stratégie de fabrication est mise en place. Cette planification des processus de fabrication (« Process Planning ») est effectuée par un programmeur ou un opérateur machine et nécessite une connaissance approfondie des machines-outils, de leur DCN, des outils et théories de fabrication. Beaucoup d’études ont permis de mettre en place des outils informatisés d’aide à la planification des opérations de fabrication (CAPP : Computer Aided Process Planning) [Wang’07b]. À l’étape 7, la génération du programme pièce peut être effectuée de façon manuelle ou automatique (Figure 7). La programmation manuelle consiste à directement éditer un programme pièce dans un langage standard. Elle demande des connaissances poussées et ne permet pas de traiter des pièces compliquées. Les avantages principaux résident dans la possibilité de programmation rapide d’opérations simples et dans le peu d’investissement à concéder. Le recours à la programmation complète manuelle est aujourd’hui très limité, et parfois utilisé dans le cas de modifications ponctuelles d’erreurs de programme. La programmation automatique s’appuie principalement sur une programmation conversationnelle (signifie qu’il existe une conversion automatique de l’environnement graphique utilisateur en code CN) en ligne (conversationnel machine) et hors ligne (conversationnel FAO). La programmation hors ligne s’appuie sur des logiciels de fabrication assistée par ordinateur et permettent la génération du code CN (ou code G) après une étape de post-processing. La programmation en ligne ou « embarquée » permet de programmer la machine directement à partir de son IHM. Nous détaillons dans les paragraphes suivants ces deux types de programmation les plus répandus aujourd’hui.

Les lacunes de l’ISO 6983 (code G)

                 De nombreux progrès ont été effectués à chaque extrémité de la chaîne numérique, avec d’une part le développement de suites CFAO avec des capacités de calcul adaptées à la programmation avancée des MOCN, et d’autre part des DCN technologiquement évolués et capables de traiter, d’interpréter et de mettre en œuvre des usinages complexes. Il existe cependant un véritable verrou technologique et idéologique dans l’approche actuelle de programmation des moyens de fabrication avec l’utilisation du code G. Ceci se traduit directement par un manque d’intégration de la fabrication et du DCN au sein de la chaîne numérique. L’étude de la chaîne numérique actuelle a permis de mettre en avant les principales lacunes du code G :
ƒ utilisation de post-processeurs onéreux, sources de pertes d’information, et dédiés à une unique configuration logiciel FAO/DCN/machine,
ƒ non transportabilité des programmes pièce d’une machine à l’autre,
ƒ code G non adapté à la programmation des courbes complexes et pertes d’information lors des discrétisations et approximations,
ƒ modifications pied-machine difficiles et contrôle limité de l’exécution du programme,
ƒ flux unidirectionnel de l’information : absence de feed-back possible de la CN vers la CFAO. Cela entraîne des difficultés de communication, de correction, de préservation et capitalisation de l’expérience atelier,
ƒ le code G ne peut être utilisé comme support d’échange des données de fabrication d’un logiciel FAO vers un autre.

Une programmation basée sur la notion d’entités

                La définition des entités de fabrication est un prérequis important pour la mise en œuvre et la diffusion du standard STEP-NC [Xu’06]. Les entités actuellement définies dans STEP-NC s’appuient sur le protocole d’application STEP AP224. Beaucoup de travaux se sont intéressés à la manière de reconnaître automatiquement des entités de fabrication à partir d’une géométrie STEP AP203 ou AP214 [Kumar’10]. La notion d’entités de fabrication est très directement liée au procédé de fabrication utilisé [Mantyla’96]. Ainsi, une même géométrie de pièce mène à des entités de fabrication différentes en usinage et en fabrication par ajout de matière. Il existe aujourd’hui peu de systèmes permettant de reconnaître automatiquement et de façon fiable les entités de fabrication, en particulier dans le cas de formes complexes ou d’esthétique [Stroud’06]. L’utilisateur est encore aujourd’hui sollicité dans la plupart des cas, en particulier lors du recours à plusieurs procédés. Rosso et al. montrent cependant que les entités de fabrication de l’ISO 14649 Part10 supportent parfaitement le cas de tournage-fraisage de pièces asymétriques [Rosso’04]. Pour des applications STEP-NC, deux principaux outils permettent la reconnaissance des entités de fabrication pour le fraisage. Le module FBMach (Feature-Based Machining) du logiciel ST-Plan développé par STEP Tools Inc. [STEPTools’10] contient une librairie d’entités d’usinage ainsi que des algorithmes de reconnaissance pour entités surfaciques ou volumiques (utilisation de trois approches possibles : reconnaissance automatique, interactive et manuelle [Han’00]). Le module PosSFP (Shop Floor Programming) de l’université de PosTech en Corée du Sud permet aussi de générer automatiquement des entités STEP AP224 à partir d’un fichier STEP AP203 [Suh’02a; Suh’02c; Suh’03]. Certains des travaux de cette thèse ont porté sur l’utilisation et l’implémentation de nouvelles possibilités dans le module PosSFP que nous serons amenés à présenter plus en détail au chapitre 3.

Structure et unités intégrées au système XMIS

               Nous proposons dans un premier temps une vision globale de la structure du système XMIS avec la description générale des unités qui le composent. Nous étudierons par la suite les liens et standards supports de l’échange des informations entre ces différentes unités, ce qui constitue le cœur de l’apport d’un tel système. Le système XMIS est ainsi composé des principales unités suivantes (Figure 57) :
ƒ Unité projet de production (PPU pour Project Production Unit) : elle permet de gérer l’ensemble des données de haut niveau du projet de production. Elle réalise ainsi le lien avec l’ensemble des autres services de la plate-forme PLM incluant les services de développement produit, le marketing, la maintenance, les approvisionnements, les ventes, etc. Les informations pertinentes peuvent ainsi être partagées via l’unité projet de production de l’entreprise mais aussi avec les intervenants externes (sous-traitants, collaborateurs, clients, etc.). L’unité PPU a pour rôle la centralisation, le tri et la gestion de la visibilité des données. L’objectif est la disponibilité des bonnes informations au bon endroit pour un besoin spécifique.
ƒ Unité de planification (PU pour Planning Unit) : elle permet de traiter les données de design de la pièce (géométrie, matériaux, tolérances, etc.) pour la planification du processus de fabrication. Plusieurs aspects sont considérés en lien avec l’unité PPU. Les gammes et entités de fabrication sont sélectionnées en accord avec les procédés de fabrication choisis, les ressources disponibles, le savoirfaire de l’entreprise et des sous-traitants.
ƒ Unité d’analyse process (PAU pour Process Analysis Unit) : suite au choix d’un moyen de production, l’unité d’analyse process met en œuvre les outils de simulation, d’optimisation et de vérification pour la fabrication sur une machine spécifique. Ceci inclut le séquencement des opérations de fabrication, le choix des conditions et des outils, la génération et vérification des trajectoires outils. Cette unité est en lien direct avec des bases de données de fabrication de l’unité PPU et de façon bidirectionnelle (optimisation possible à partir de l’expérience et retour pour capitalisation de l’expérience).
ƒ Unité de commande (PCU ou Process Control Unit) : elle permet le pilotage en ligne et la surveillance du moyen de production. Elle exécute l’optimisation, la compensation en ligne, le diagnostic et le contrôle adaptatif sur la machine. Les unités d’analyse process et de commande partagent physiquement, suivant la structure de l’entreprise, des applications embarquées sur les moyens de fabrication, communes à l’ensemble d’un atelier ou centralisées au niveau management de la production.
ƒ Unité de diagnostic (PDU ou Process Diagnosis Unit) : elle permet d’exécuter les outils de contrôle et d’analyse de conformité des pièces, et la validation de la qualité de la production. Elle inclut le diagnostic a posteriori du comportement machine et l’analyse des corrections. La capitalisation de l’expérience pied machine peut ainsi être réalisée avec un « feed-back » en direction des autres unités par l’intermédiaire de l’unité projet de production PPU. Les unités décrites constituent des regroupements d’outils et de modules qui communiquent ensemble avec les standards des technologies d’information et de communication (ICT). Ces standards représentent aujourd’hui un important verrou technologique de l’échange des données de production ainsi qu’une cause directe de perte d’informations et de manque d’interopérabilité entre applications. Les standards de communication supportés par le système XMIS visent à combler ce manque.

Table des matières

CHAPITRE 1. INTRODUCTION
1.1 INTRODUCTION GENERALE – CONTEXTE INDUSTRIEL
1.2 PROBLEMATIQUE GENERALE ET CONTRIBUTIONS
1.2.1 Axe 1 : Intégrer la programmation basée entités
1.2.2 Axe 2 : Evolution du système de fabrication
1.2.3 Axe 3 : Prise en compte d’un contexte multi-process
1.2.4 Axe 4 : Ouverture au milieu industriel et validation des concepts
1.3 CONTEXTE DE L’ETUDE
1.4 PLAN DE LECTURE DE LA THESE
CHAPITRE 2. PROGRAMMATION AVANCEE DES MACHINES A COMMANDE NUMERIQUE
2.1 LA CHAINE NUMERIQUE DE FABRICATION
2.1.1 Modèles courants
2.1.2 Le DCN dans la chaîne numérique de fabrication
2.1.2.1 Présentation des DCN actuels
2.1.2.2 CN ouvertes
2.1.2.3 CN virtuelles
2.1.3 Discussion
2.2 ECHANGES DES DONNEES AU SEIN DE LA CHAINE NUMERIQUE DE FABRICATION
2.2.1 Echanges au sein de la suite CFAO
2.2.2 De la FAO à la CN
2.2.2.1 La programmation actuelle des MOCN de la FAO à la CN
2.2.2.2 Programmation hors ligne : Langage Type, post-processeurs et code G
2.2.2.3 Programmation propriétaire conversationnelle machine
2.2.2.4 Discussion
2.2.3 Feed-back de la CN vers la CFAO
2.2.4 Les lacunes de l’ISO 6983 (code G)
2.2.5 Discussions et évolutions de la programmation des MOCN
2.3 STEP-NC : LE STANDARD DE REFERENCE POUR LA PROGRAMMATION BASEE ENTITES
2.3.1 Une nouvelle vision de la chaîne numérique
2.3.2 Les apports de la programmation basée entités
2.3.3 Une recherche internationale, universitaire et industrielle
2.4 LE STANDARD STEP-NC
2.4.1 Le standard STEP
2.4.1.1 Objectifs de STEP
2.4.1.2 Modélisation EXPRESS
2.4.1.3 Structure de STEP et protocoles d’application
2.4.2 Normalisation de STEP-NC
2.4.2.1 Modèle interprété (AIM) et modèle de référence (ARM)
2.4.2.2 Structure de la norme ISO 14649
2.4.2.3 Syntaxe d’un programme STEP-NC ISO 14649
2.4.2.4 Méthode d’implémentation STEP Part 21 et Part 28
2.5 TRAVAUX S’APPUYANT SUR LE STANDARD STEP-NC
2.5.1 Un enjeu majeur : l’interopérabilité
2.5.2 Une programmation basée sur la notion d’entités
2.5.3 Planification du processus de fabrication (CAPP)
2.5.4 Interprétation, exécution et contrôle de la fabrication à partir de STEP-NC
2.5.4.1 Les systèmes conventionnels utilisant STEP-NC
2.5.4.2 Les contrôleurs interprétant STEP-NC
2.5.4.3 Les systèmes STEP-NC avancés, intelligents et collaboratifs
2.5.5 Inspection et fabrication en boucle fermée
2.6 CONCLUSIONS ET DISCUSSION
CHAPITRE 3. INTEGRATION DE LA PROGRAMMATION BASEE ENTITES STEP-NC
3.1 PROBLEMATIQUE ET CONTEXTE DE L’ETUDE
3.2 PLACE DE LA CN DANS LA CHAINE NUMERIQUE STEP-NC [LAGUIONIE’09A]
3.2.1 Introduction du concept de CN étendue
3.2.2 Vers la programmation avancée des MOCN
3.2.2.1 Programmation STEP-NC Interprétée
3.2.2.2 Programmation STEP-NC Intégrée
3.2.2.3 Programmation STEP-NC Avancée
3.3 CONTRIBUTIONS A L’EVOLUTION DU STANDARD STEP-NC
3.4 INTEGRATION DE STRATEGIES D’USINAGE INNOVANTES AU STANDARD STEP-NC [LAGUIONIE’08A]
3.4.1 Les stratégies d’usinage actuelles dans la norme STEP-NC
3.4.2 Présentation des trajectoires à motifs : applications à l’usinage trochoïdal et au tréflage
3.4.2.1 Présentation de l’usinage trochoïdal
3.4.2.2 Présentation du tréflage
3.4.2.3 Description par trajectoires à motifs
3.4.3 Proposition d’intégration au standard STEP-NC
3.4.4 Validation de la proposition et mise en œuvre [Laguionie’08b]
3.4.4.1 Génération de programmes STEP-NC intégrant les stratégies à motifs : implémentation dans le logiciel PosSFP
3.4.4.2 Mise au point d’un interpréteur
3.4.4.3 Mise en œuvre pratique
3.4.5 Conclusion
3.5 ELABORATION D’UN MODELE FONCTIONNEL DES MOCN : ISO 14649 PART 110 [LAGUIONIE’09D]
3.5.1 Nécessité d’un modèle fonctionnel STEP-NC des MOCN
3.5.2 Construction et normalisation du MTFM
3.5.3 Cas d’utilisation proposés et intégration au modèle
3.5.3.1 Cas d’utilisation liés à la simulation de l’usinage
3.5.3.2 Spécificités fonctionnelles des machines à structure parallèle
3.5.3.3 Intégration au modèle
3.5.4 Conclusion
3.6 CONCLUSIONS ET DISCUSSIONS
CHAPITRE 4. SYSTEME ETENDU DE FABRICATION INTEGREE
4.1 PROBLEMATIQUE
4.2 PRESENTATION DU SYSTEME ETENDU DE FABRICATION XMIS
4.2.1 Contexte d’entreprise
4.2.2 Présentation du système étendu de fabrication intégrée (XMIS)
4.2.3 Structure et unités intégrées au système XMIS
4.3 ÉCHANGES DES DONNEES DANS XMIS
4.3.1 Standards ICT, OC et CN
4.3.2 Données CN génériques et données CN optimisées pour une machine
4.4 GESTION DE DONNEES DE PRODUCTION
4.4.1 Pipeline d’échange des données de fabrication (MIP)
4.4.2 Usine numérique de production avec le système XMIS
4.4.3 Conclusion, apports et discussion
4.5 CAO ETENDUE ET CN ETENDUE
4.5.1 Intégration du système étendu de fabrication
4.5.2 CAO étendue (XCAD)
4.5.3 CN étendue (XCNC) [Laguionie’10]
4.6 INTEGRATION DE XCNC DANS UN CONTEXTE INDUSTRIEL ET APPORTS 
4.7 CONCLUSION
CHAPITRE 5. INTEGRATION DU CONTEXTE MULTI-PROCESS
5.1 PROBLEMATIQUE
5.2 PRESENTATION DU CONTEXTE DE L’ETUDE
5.2.1 Définition du domaine d’étude multi-process
5.2.2 La programmation actuelle des différents procédés
5.2.2.1 Chaîne numérique basée code G actuelle
5.2.2.2 Machines multi-process
5.2.2.3 Discussion
5.2.3 STEP-NC : un standard commun à différents procédés
5.2.4 Domaines de compétence et fabrication par ajout de matière
5.3 PROGRAMMATION D’ENTITES MULTI-PROCESS STEP-NC
5.3.1 Présentation du concept
5.3.2 Construction de données STEP-NC multi-process
5.3.3 Apports de l’approche basée entités multi-process
5.4 CONCEPT D’ESPACE DE SIMULATION DANS UN ENVIRONNEMENT MULTI-PROCESS [LAGUIONIE’09C]
5.4.1 Modélisation d’un environnement global de simulation
5.4.2 Interactions entre espaces de simulation
5.4.3 Apports du concept d’espaces de simulation
5.5 MISE EN ŒUVRE DES OUTILS DE SIMULATION DANS LA CHAINE NUMERIQUE STEP-NC [LAGUIONIE’10]
5.5.1 Illustration des relations inter-process par un cas d’étude
5.5.2 Implémentation dans la chaîne STEP-NC IRCCyN
5.6 DISCUSSION ET CONCLUSION
CHAPITRE 6. MISE EN ŒUVRE DANS UN ENVIRONNEMENT MULTI-PROCESS
6.1 PROBLEMATIQUE
6.2 PLATE-FORME D’IMPLEMENTATION SPAIM
6.2.1 Situation vis-à-vis de l’existant
6.2.2 Contexte de l’étude et méthode d’implémentation choisie
6.3 INTERFACE CN ETENDUE : CAS DU FRAISAGE [LAGUIONIE’09B]
6.3.1 Présentation de la plate-forme SPAIM
6.3.2 Architecture de la plate-forme
6.3.2.1 Vue générale
6.3.2.2 Interface homme-machine (IHM)
6.3.2.3 Module de génération des trajectoires
6.3.2.4 Outils et modèle fonctionnel de la machine
6.3.3 Simulation et optimisation « process » pour le fraisage
6.3.4 Pièces tests
6.3.4.1 Pièce 2D½
6.3.4.2 Pièce aéronautique
6.3.5 Chaîne numérique réalisée, apports et discussions
6.4 SPAIM : SYSTEME INTEGRE DE FABRICATION ETENDUE DANS UN CONTEXTE MULTI-PROCESS [LAGUIONIE’10]
6.4.1 Intégration de la fabrication additive
6.4.2 Exemples d’application
6.4.2.1 Exemple 1 : traitement des entités spécifiques à la fabrication additive
6.4.2.2 Exemple 2 : matrice d’emboutissage réalisée en multi-process
6.4.3 Architecture étendue de la plate-forme SPAIM et apports
6.5 CONCLUSION ET DISCUSSIONS
CHAPITRE 7. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
7.1 SYNTHESE DES TRAVAUX
7.2 CONCLUSIONS ET DISCUSSIONS
7.3 PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE

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