Open CNC : optimized interpolation for 5-axis high speed machining of complex surfaces

Le processus de fabrication des pièces usinées arrive à maturité concernant la fabrication assistée par ordinateur et la maîtrise du procédé d’usinage. Aujourd’hui, les perspectives d’améliorations importantes sont liées à l’optimisation de la commande numérique et de ses interactions avec le reste du processus de fabrication. L’objectif de cette thèse est donc de maîtriser les briques de base de la commande numérique pour optimiser le processus d’usinage 5 axes grande vitesse des surfaces complexes. La création d’une commande numérique ouverte nécessite le développement des algorithmes qui transforment le programme d’usinage en consignes échantillonnées pour les axes de la machine. La première partie des travaux consiste à rendre la géométrie suffisamment continue notamment pour les trajets interpolés linéairement en 5 axes qui présentent des discontinuités en tangence. Ensuite, l’interpolation temporelle du trajet crée la trajectoire d’usinage respectant les contraintes cinématiques et en particulier le jerk de chacun des 5 axes de la machine. L’implémentation matérielle de ces algorithmes permet de piloter une machine d’usinage grande vitesse 5 axes avec une commande numérique ouverte. Ainsi, les verrous technologiques associés aux commandes numériques industrielles sont levés et la chaîne numérique est entièrement contrôlée de la CFAO jusqu’au déplacement des axes. La maîtrise complète de la commande numérique offre la possibilité de définir exactement le trajet d’usinage à partir de la CAO sans introduire les écarts géométriques inhérents aux formats de description standards. L’interpolation de la trajectoire d’usinage directement sur la surface à usiner améliore de manière significative la qualité et la productivité de l’usinage des surfaces complexes. La commande numérique PREMIUM-OpenCNC permet la validation expérimentale de ces travaux et ouvre de nombreuses autres voies d’amélioration du processus de fabrication.The manufacturing process reaches maturity concerning Computer Aided Manufacturing and cutting process performances. Nowadays, major improvements are linked to the optimization of the Computer Numerical Control and its interactions with the rest of the manufacturing process. The aim of this thesis is to control the basic components of a CNC in order to optimize the 5-axis high speed machining process of complex surfaces. The realization of an open CNC requires the development of algorithms which transform the machining program into command setpoints for the machine drives. The first part of this thesis allows to round the 5-axis discontinuities caused by the linear tool path interpolation commonly used. Then, a feedrate interpolation algorithm computes the trajectory while respecting the kinematical constraints of the machine and especially the jerk of each axis. The implementation of this work allows to control a 5-axis high speed machine with an open CNC. Hence, the technological barriers that prevent CNC optimizations are removed and the manufacturing process is under control from CAD/CAM to axis displacement. The complete control over the CNC offers the possibility to define the tool path exactly from Computer Aided Design entities without introducing any geometrical deviation generally induced by standard NC code. The direct interpolation of the trajectory on the machined surface significantly improves the quality and the productivity of complex surface machining. The PREMIUM-OpenCNC allows to prove experimentally the efficiency of this work and opens new ways for future manufacturing process improvements