Qu'est-ce qu'un système de fabrication flexible ? Types, caractéristiques et structure

L'automatisation traditionnelle à grand volume est rigide. Elle offre une excellente productivité pour quelques produits stables, mais ne permet pas de s'adapter efficacement aux petits lots et à une grande diversité de produits. Des équipements automatisés et des systèmes de fabrication flexibles ont été développés pour répondre à ce besoin.

Équipements de production flexibles

L'équipement de base d'un système de fabrication flexible comprend des machines-outils CNC, des robots, des véhicules à guidage automatique et des systèmes de stockage automatisés.

Une machine CNC est commandée par un ordinateur ou un contrôleur électronique dédié. La séquence d'usinage, les paramètres de processus et les mouvements de la machine sont codés dans un programme de commande numérique, puis saisis dans la CNC, qui pilote alors automatiquement la machine. Une boucle de rétroaction de position est souvent ajoutée afin de former un système en boucle fermée et d'améliorer la précision. Pour être efficaces, les utilisateurs doivent néanmoins maîtriser la planification des processus, la sélection des paramètres de coupe, le choix des outils et des dispositifs de fixation, la mesure des outils, la connaissance de la machine et les compétences en programmation.

1. Classification par procédé

1. Machines CNC en général. Les tours, fraiseuses, aléseuses, perceuses, rectifieuses, profileuses d'engrenages et machines à tailler les engrenages de la série CNC effectuent les mêmes opérations de base que leurs équivalents conventionnels, mais permettent de produire automatiquement des formes complexes.
2. Centres d'usinage avec changement automatique d'outils. Un centre d'usinage est équipé d'un magasin pouvant contenir entre 10 et 100 outils environ, ainsi que d'un changeur d'outils automatique. Une fois la pièce mise en place, il peut automatiquement fraiser, tourner, aléser, percer et aléser la pièce.
3. Machines multiaxiales CNC. Ces machines commandent un plus grand nombre d'axes, généralement entre trois et cinq.

2. Classification par trajectoire d'usinage

1. Commande point à point. La commande se déplace avec précision d'une position à une autre sans interruption pendant le déplacement. Les aléseuses à coordonnées et les perceuses CNC en sont des exemples typiques.
2. Commande linéaire point à point. Le contrôleur gère à la fois la position des extrémités et la trajectoire rectiligne entre ces points, généralement le long d'un axe de la machine. La découpe peut s'effectuer le long d'un axe de coordonnées, et d'autres fonctions auxiliaires sont disponibles.
3. Contrôle des contours. La commande à trajectoire continue coordonne deux axes ou plus et régule la vitesse et la position tout au long de la coupe, ce qui permet d'obtenir des formes complexes. Parmi les machines typiques, on trouve les tours CNC, les rectifieuses, les fraiseuses et les centres d'usinage.

Un centre d'usinage de profilage tel que le FHN100T comprend généralement des unités de déplacement sur les axes X, Y et Z, un plateau rotatif pour l'usinage multiface, un changeur d'outils automatique (ATC) et un contrôleur CNC.

Son système de commande associe une commande séquentielle à des fonctions tactiles, de gestion et d'adaptation. Les codes T permettent de sélectionner les outils, les codes S commandent la vitesse de la broche et la table rotative assure l'indexation.

Les fonctions de détection tactile permettent de centrer automatiquement un outil par rapport au point de référence de la broche, de détecter une rupture d'outil et d'arrêter la machine, de réduire le temps de coupe à vide en se déplaçant à une vitesse d'avance deux fois supérieure à celle de la coupe jusqu'au contact, de corriger les plans de référence X/Y/Z afin de compenser les variations thermiques et les variations de dimensions de la pièce, et de mesurer le diamètre des alésages afin que le système puisse ajuster automatiquement l'outil.

Les fonctions de gestion comparent la durée de vie prédéfinie de l'outil à son utilisation réelle, remplacent automatiquement l'outil par un outil de réserve et surveillent les informations de fonctionnement à des fins de diagnostic des pannes.

La commande adaptative (AC) utilise des capteurs installés sur les moteurs d'avance des axes et de la broche pour surveiller la charge. Une charge comprise dans la plage définie est normale. Si elle descend en dessous de cette plage, l'avance peut être augmentée afin de réduire la durée du cycle ; si elle dépasse cette plage, l'avance est réduite pour protéger l'outil.

Systèmes de fabrication flexibles : caractéristiques, types et structure

Un système de fabrication flexible (FMS) intègre un système d'information et de contrôle, des installations de stockage et de manutention des matériaux, ainsi qu'un ensemble de machines CNC. S'appuyant sur la technologie des groupes, il définit les processus applicables à une famille de pièces, sélectionne les machines et les solutions logistiques compatibles, et utilise un système de commande informatisé pour produire efficacement différentes pièces par lots, tout en adaptant la gamme de produits en fonction de l'évolution de la demande.

Caractéristiques et domaine d'application

Un système FMS comprend généralement plusieurs machines de type CNC et centres d’usinage, ainsi que des systèmes de chargement et de déchargement automatiques, de stockage et de transfert de matériaux, le tout sous le contrôle centralisé d’un ordinateur. Par rapport à une automatisation rigide, il offre :

• Grande flexibilité pour les pièces apparentées présentant des exigences de fabrication différentes.
• Automatisation poussée, y compris le fonctionnement sans surveillance.
• Taux d'utilisation élevé des équipements grâce à la réduction des temps de réglage et autres temps auxiliaires.
• Haute productivité.
• Réduction des coûts de main-d'œuvre directe et amélioration de la rentabilité.

Un système de gestion de la fabrication (FMS) peut prendre en charge aussi bien la production à l'unité et en petites séries que la production mixte à moyen et grand volume, alliant ainsi flexibilité, qualité et efficacité.

Types de FMS

1. Cellule de fabrication flexible (FMC). Une machine CNC à commande numérique ou un centre d'usinage est associé à un convoyeur à palettes circulaire ou ovale, ou à un robot industriel. Elle permet de changer de pièce sans s'arrêter et constitue l'unité de base d'un système de fabrication automatisé (FMS) plus vaste.
2. Système de fabrication flexible. Deux machines CNC ou plus, des centres d'usinage ou des cellules sont reliés par des véhicules guidés sur rail ou autonomes, voire des robots ; le système comprend également un chargement automatique par palettes ou par robots, un stockage automatisé, ainsi que des fonctions intégrées de planification, d'ordonnancement et de surveillance par ordinateur.
3. Ligne de production flexible. Plusieurs centres d'usinage ou machines de type CNC, dont certaines sont partiellement spécialisées, sont disposés selon l'ordre des opérations. La ligne peut fonctionner selon un rythme de production fixe, mais elle peut être rapidement adaptée aux changements de produit et conserve les fonctionnalités d'un système de fabrication flexible (FMS).

Composition et contrôle du système

Un système de fabrication intégré (FMS) comprend des systèmes logistiques et informatiques, chacun composé de plusieurs sous-systèmes. Son équipement de traitement principal se compose généralement de deux à six centres de fraisage-alésage verticaux ou horizontaux et de centres de tournage. Des convoyeurs, des véhicules guidés ou autonomes et des robots industriels peuvent former des systèmes de transfert linéaires, en boucle ou en réseau. Le stockage peut s'effectuer dans un entrepôt automatisé à rayonnages en hauteur équipé d'un transstockeur, ou bien au sol à l'aide de stations de palettes.

Une palette fait office de dispositif de déplacement. Elle transporte le dispositif de fixation de la pièce et la pièce à usiner comme un seul ensemble, est déplacée par le système de manutention, puis positionnée et serrée automatiquement sur la table de la machine. Les stations de palettes peuvent également servir de stockage temporaire et de zone tampon. Des zones de stockage distinctes peuvent accueillir des ébauches, des pièces finies, des outils et des dispositifs de fixation. Des postes de nettoyage, d'ébavurage, de mesure et de contrôle peuvent être intégrés selon les besoins.

Le système de contrôle relie plusieurs ordinateurs et contrôleurs d'équipements via un réseau, selon une architecture hiérarchique. Son fonctionnement couvre quatre domaines :

1. Planification des processus. Définir les processus à partir des exigences relatives aux produits et les adapter de manière dynamique aux modifications du calendrier.
2. Planification et ordonnancement de la production. Assurer une production équilibrée et un taux d'utilisation élevé des équipements.
3. Contrôle des postes de travail et des équipements. Coordonner les machines-outils, les systèmes de transfert et de stockage des matériaux, les machines de mesure, les équipements de nettoyage, les robots et autres dispositifs.
4. Surveillance de l'état et assurance qualité. Surveiller et contrôler le système afin qu'il fonctionne en toute sécurité, de manière fiable, normale et avec une qualité constante.