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Développement d'un contrôleur natif STEP-NC de machine-outil à commande numérique interopérable et compact

Julien Bechtold

Master's thesis (2022)

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Abstract

Most of modern computer numerical control (CNC) machine tools (CNCMTs) are still controlled by the ISO 6983 standard, commonly known as Code-G, which was invented in the 1950s and has undergone very little evolution. On the other hand, CNC has undergone significant innovations, the G-Code no longer meets the requirements of modern manufacturing and is an obstacle to the development of more intelligent and interoperable CNC. ISO 14649, commonly known as STEP-NC, is a control language for CNCMT that has been designed to replace the various languages (of which G-Code is a part) that make up today's CAD-CAM-CNC (Computer Aided Design, Computer Aided Manufacturing, Computer Numerical Control) industrialization digital chain with a modern, interoperable, and standardized communication protocol. It is an extension of the ISO 10303 standard called STEP, which allows the integration of the entire digital industrialization chain in a single standard. Unlike G-Code, which is a low-level language, including only a small amount of information (the path that the tool must follow) specific to each machine and only usable to transmit information between the post-processor and the CNCMT, STEP-NC is a high-level language that allows the storage of a large amount of high-level information from the design of the part to its manufacture, without loss of information. To exploit STEP-NC, it is necessary to design new CNCMT controllers compatible with this new standard. Indeed, STEP-NC contains the "what to make" information, but not the "how to make" information, unlike G-Code which only contains the machine-specific toolpath. The STEP-NC controller must then interpret this information and deduce the tool path. It is therefore more complex and requires more computing power. STEP-NC controller prototypes have been under development for the past two decades and prove the viability and benefits of STEP-NC, but the lack of a controller is still considered the main hindrance that limits the use of STEP-NC. This research project focuses on the development of a STEP-NC controller. The state of the art has highlighted the complexity, cost and cumbersome nature of the STEP-NC controller prototypes developed so far, which is a real obstacle to the use and popularization of the STEP-NC standard. The main objective of this research project is to develop an interpreted STEP-NC controller with an open architecture, focusing on cost reduction and reproducibility of the controller. For this purpose, the controller is based on a low cost and compact Raspberry Pi board that can be directly connected to a MOCN. The controller software is coded in C++, can interpret an ISO14649 file, generate a toolpath, simulate the toolpath, and send the information to the CNCMT to perform the machining. A turning part from the standard is machined on an EMCO PC TURN 55 CNC lathe to validate the operation of our controller. The tests showed that the controller is able to produce a standard part without using G-code on a Raspberry Pi directly installed in a CNC lathe. To conclude, this research project has shown that it was possible to realize an easily reproducible, inexpensive, and easily implemented STEP-NC controller in an existing commercial CNCMT.

Résumé

Les machines-outils à commande numérique (MOCN) sont encore aujourd'hui commandées par le standard ISO 6983, appelé communément Code-G, qui a été inventé dans les années 1950 et qui n'a connu que très peu d'évolution. A contrario, les MOCN ont connu d'importantes innovations, le Code-G ne répond aujourd'hui plus aux exigences de la fabrication moderne et constitue un obstacle au développement de MOCN plus intelligentes et interopérables. L'ISO 14649, communément appelée STEP-NC, est un langage de commande pour MOCN qui a été conçu pour remplacer les divers langages (dont le Code-G fait partie) qui composent aujourd'hui la chaine numérique d'industrialisation CAO - FAO - CN (Conception assistée par ordinateur, fabrication assistée par ordinateur, commande numérique) par un protocole de communication moderne, interopérable et normalisé. C'est une extension du standard ISO 10303 appelé STEP, qui permet d'intégrer toute la chaine numérique d'industrialisation dans un unique standard. Contrairement au Code-G, qui est un langage de bas niveau, incluant uniquement une faible quantité d'information (le parcours que doit suivre l'outil) spécifique à chaque machine et uniquement utilisable pour transmettre les informations entre le post-processeur et la MOCN, le STEP-NC est un langage de haut niveau qui permet un stockage d'une grande quantité d'information de haut niveau depuis la conception de la pièce jusqu'à sa fabrication, sans perte d'information. Afin d'exploiter le STEP-NC, il faut concevoir de nouveaux contrôleurs de MOCN compatibles avec ce nouveau standard. En effet, le STEP-NC contient les informations de « quoi produire », mais très peu d'information de « comment produire », contrairement au Code-G qui contient uniquement le parcours d'outils spécifique à la machine. Le contrôleur STEP-NC doit alors interpréter ces informations et en déduire le parcours d'outils. Il est alors bien plus complexe et demande une plus grande puissance de calcul. Des prototypes de contrôleur STEP-NC sont en cours de développement depuis une vingtaine d'années et prouvent la viabilité et les avantages du STEP-NC, mais le manque de contrôleur est toujours considéré comme le principal problème qui limite l'utilisation du STEP-NC. Ce projet de recherche se concentre sur le développement d'un contrôleur STEP-NC. L'état de l'art a permis de mettre en avant la complexité, le coût et l'encombrement des prototypes de contrôleur STEP-NC développés jusqu'ici, ce qui est un réel obstacle à l'utilisation et à la popularisation du standard STEP-NC. L'objectif principal de ce projet de recherche est de développer un contrôleur STEP-NC interprété à architecture ouverte, en mettant l'accent sur la réduction du coût, de l'encombrement et en permettant d'avoir un contrôleur facilement reproductible. Pour cela, le contrôleur est basé sur un micro-ordinateur Raspberry Pi, peu cher et compact, qui peut être directement connecté à une MOCN. Le logiciel du contrôleur est codé en C++, peut interpréter un fichier ISO14649, générer un parcours d'outil, simuler le parcours d'outil, et envoyer l'information à la MOCN pour réaliser l'usinage. Une pièce de tournage issue de la norme est usinée sur un tour à commande numérique EMCO PC TURN 55 pour valider le fonctionnement de notre contrôleur. Les tests ont montré que le contrôleur est capable de produire une pièce issue du standard ISO 14649, sans utiliser de Code-G sur un Raspberry Pi, directement installée dans un tour à commande numérique. Pour conclure, ce projet de recherche a permis de montrer qu'il était possible de réaliser un contrôleur STEP-NC interprété, facilement reproductible, peu coûteux et facilement implantable dans une MOCN commerciale existante.

Department: Department of Mathematics and Industrial Engineering
Program: Maîtrise recherche en génie industriel
Academic/Research Directors: Christophe Danjou and Walid Jomaa
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10459/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 01 Feb 2023 14:37
Last Modified: 08 Apr 2024 10:13
Cite in APA 7: Bechtold, J. (2022). Développement d'un contrôleur natif STEP-NC de machine-outil à commande numérique interopérable et compact [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10459/

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