Système de commande numérique personnalisé au coeur d’une machine de découpe laser révolutionnaire

La technologie de commande numérique personnalisée NUM aide Favor Laser, fabricant de machines de découpe  laser, à accélérer le développement de ses produits et à pénétrer de nouveaux marchés. Avec de nouveaux matériels et logiciels développés par NUM, cette société taiwanaise a mis au point une machine de haute précision produisant des pièces de toutes tailles à une vitesse d’avance atteignant 60 m/min. Cette nouvelle machine marque l’arrivée de Favor Laser sur le segment hautes performances du marché qu’elle entend pénétrer rapidement en associant les performances à une politique de prix agressive qui réduit les coûts de ces machines de l’ordre de 20 %.

Créée en 1994, Favor Laser est basée à New Taipei City (Taiwan) avec une représentation commerciale et des unités de fabrication à Shanghai (Chine). Jusqu’à présent la société produisait des machines de découpe laser pour le segment d’entrée de gamme; elle proposait quatre séries de machines correspondant à différents besoins, tels que la fabrication en petite série, la découpe de précision de petites pièces ou la production en grande série de pièces de grandes dimensions.

En 2010, Favor Laser a pris la décision stratégique d’élargir sa gamme de produits en développant une machine multifonctions hautes performances destinée au marché international actuellement dominé par quelques fabricants suisses, allemands et japonais. Les premières recherches de la société ont révélé que, en associant sa technologie de découpe laser avec une commande numérique hautement perfectionnée, elle pourrait produire une machine offrant les mêmes performances que les leaders du marché mais à un prix beaucoup plus bas.

Toutes les machines Favor Laser utilisent un nouveau système optique volant ; la tôle coupée est supportée sur une table fixe et la tête de coupe qui dirige le rayon laser se déplace horizontalement au-dessus de la tôle. Cette approche offre plusieurs avantages notables par rapport aux machines qui déplacent la pièce usinée sous un rayon laser. La faible masse constante de la tête de coupe facilite le positionnement rapide et précis, alors qu’une pièce mobile dont la masse varie au cours de la découpe est plus lente et plus difficile à réaliser car elle nécessite des systèmes de commande de mouvement complexes et coûteux pour maintenir la précision de découpe. Outre l’amélioration de la cadence et de la productivité de la machine, lorsqu’il s’agit de couper des pièces fines, la plus grande vitesse de coupe des lasers optiques volants évite l’accumulation de chaleur qui déforme les pièces.

La nouvelle machine laser XO de Favor Laser comporte quatre axes mais utilise deux moteurs pour l’axe X. Les axes X et Y gèrent le positionnement horizontal de la tête de coupe et l’axe Z contrôle la hauteur de la tête au-dessus de la pièce. Le quatrième axe (U) sert à charger et à décharger la matière à usiner. Un système optique adaptatif breveté compense la longueur du rayon laser qui varie en fonction de la position de tête de coupe par rapport à l’oscillateur laser. L’axe Z utilise un servomoteur rapide : l’espace entre la tête de coupe et la pièce usinée est surveillé et réglé en permanence pour maintenir la concentration du rayon et procurer une efficacité maximale de la coupe.

Après avoir examiné diverses options pour la commande numérique, Favor Laser était enthousiaste pour utiliser le système NUM Flexium 68 sur sa nouvelle machine XO. Le choix s’est porté sur ce système à la fois pour des raisons matérielles et logicielles : le matériel de commande de mouvement Flexium 68 correspondait très précisément au besoin de ce type de machine. De plus, il intégrait une souplesse de configuration pour de futures améliorations et il offrait des fonctionnalités logicielles uniques simplifiant la programmation d’applications. En particulier, la fonction DO (Dynamic Operator) propre à NUM a été jugée idéale pour le programme qui contrôle dynamiquement l’espace entre la tête de coupe et la pièce usinée. Utilisant des moyens rapides de calcul et de communication, cette fonction permet d’intégrer des cycles machines commandés par des événements au noyau temps réel de commande numérique.

Favor Laser recherchait également un fournisseur de systèmes de commande numérique qui était prêt à participer activement au développement de la machine XO dans le but de créer une solution quasi idéale. M. Lai, Directeur général de la société, déclare : « Après avoir choisi le système NUM d’après des critères techniques et économiques, nous avons eu le plaisir de découvrir que NUM Taiwan disposait du savoir-faire et des moyens techniques et, par-dessus tout, était volontiers disponible pour nous aider à chaque phase de l’étude. Grâce à cette aide, qui comprenait le développement de matériels et de logiciels personnalisés de commande numérique, nous avons pu commercialiser notre nouvelle machine XO en temps voulu et en respectant notre budget. Cette réduction des coûts de développement et de fabrication nous a offert un énorme avantage concurrentiel. Le prix de notre machine sera vraisemblablement inférieur de 20 à 30 % à celui de machines comparables de constructeurs japonais ou allemands. »

NUM fournit tous les composants pour la commande et le mouvement de la machine de découpe laser XO. Outre les moteurs, les variateurs et le noyau de commande numérique Flexium 68, cette machine utilise des entrées/sorties NUM Ethercat et un pupitre dual core FS152i  muni d’un écran plat de 15 pouces. NUM Taiwan a entièrement développé le logiciel de pilotage de la machine en suivant des règles ergonomiques rendant l’utilisation de celle-ci extrêmement simple. Actuellement disponible en Anglais et en Chinois traditionnel simplifié, l’IHM s’adapte facilement à d’autres langues pour le marché international par l’utilisation de nombreux graphiques, et la visualisation de la pièce en cours de découpe. Tout cela simplifie grandement l’utilisation de la machine et minimise la formation des utilisateurs.

La machine de découpe laser XO utilise exclusivement des servomoteurs brushless  NUM et des variateurs NUMDrive C. Pour la souplesse de fonctionnement, des moteurs à grande inertie BPG sont utilisés pour les axes principaux de positionnement X, Y et U (l'axe X utilise deux moteurs) alors que l'axe Z est équipé d'un moteur BPX à inertie moyenne avec un frein de blocage. Les axes X, Y et Z sont totalement interpolés pour le contrôle souple et permanent de la position de la tête de coupe et de sa hauteur au-dessus de la pièce usinée. La course de l’axe Z est égale à 100 mm ; les axes X et Y ont respectivement une course de 3 et 1,5 mètres. Avec cette grande zone de travail, associée à la précision de positionnement de seulement ±0.01 mm sur les axes X et Y, la machine XO est très polyvalente peut découper avec une grande précision plusieurs petites pièces ou de grandes pièces sur une seule tôle.

Le choix d’oscillateurs laser CO2 ayant des puissances de sortie de 3.3, 4 et 6 kW permet d’adapter le fonctionnement de la machine à la matière usinée pour procurer des vitesses de coupe atteignant 60 m/min. Pour une polyvalence maximale, la machine peut également effectuer diverses fonctions spécialisées d'usinage des métaux, y compris des micro-soudures et des micro-liaisons.

Pendant une opération de decoupe au laser, les conditions de fonctionnement peuvent changer soudainement et nécessiter un réglage rapide de nombreux paramètres afin de garantir des performances homogènes. Le contrôle de la puissance de sortie de l’oscillateur laser constitue un problème d’étude particulier et exige des moyens de communication très rapides et très stables. Pour répondre à ces besoins, NUM Taiwan a développé une carte spéciale de contrôle des trains d’impulsions pour l’oscillateur laser au CO2 de la machine XO. Complètement matérielle (le recours au logiciel impliquerait des limitations de synchronisation inacceptables), cette carte traduit les signaux de commande de la fréquence et du coefficient de service qui sont optiquement couplés à l’oscillateur pour minimiser les délais de transmission. Elle est adaptée à de nombreux oscillateurs laser du marché et réglable pour toute puissance de sortie de 1 à 10 kW par incréments de 1 kW. NUM prévoit d’ajouter prochainement cette carte à son catalogue pour la mettre à disposition d’autres fabricants.

Les performances des produits de commande numérique NUM et la réactivité de NUM Taiwan ont amené Favor Laser à revoir complètement sa stratégie de commande des machines. Outre l’utilisation exclusive des matériels et logiciels NUM pour sa nouvelle machine XO, la société prévoit de faire migrer tous ses produits vers la technologie NUM. Dans un premier temps, les machines laser d’entrée de gamme seront équipées de systèmes de commande numérique Flexium 6 ou Flexium 8 ; bien que ces machines soient produites dans l’usine Favor Laser de Chine, NUM Taiwan fournira toute l’assistance nécessaire.

Jusqu’à présent, toutes les machines Favor Laser sont conçues pour la découpe de tôles sur 2 dimensions en utilisant des oscillateurs au CO2. Néanmoins, la société envisage d’autres applications et examine actuellement les lasers fibre dans le but de pénétrer le marché du micro-usinage. Ce procédé peut usiner diverses matières telles que le cuivre, le bronze et l’aluminium, ce qui est pratiquement impossible avec des lasers au CO2. Un autre projet concerne une machine laser pour la coupe de tubes métalliques comportant des déplacements en 3D avec un axe rotatif C et une tête de robot. L’année prochaine, Favor Laser prévoit de développer une gamme de machines de poinçonnage pour compléter son offre à destinations des fabricants de chaudronnerie.

Tous ces nouveaux projets auront recours à la technologie de commande numérique NUM, comme l’explique M. Lai : « L’assistance exceptionnelle de NUM Taiwan pendant le développement de la machine laser XO a dépassé de loin nos attentes et produit d’excellents résultats. Ainsi, en plus de l’intégration des systèmes Flexium dans nos produits existants, nous avons décidé d’implanter la technologie NUM sur nos futures machines. Je suis certain que notre partenariat avec NUM placera Favor Laser dans la meilleure situation possible pour créer des solutions pour de nouvelles machines de découpe laser qui profiteront à nos clients. »