De la came mécanique à la came électronique : la synergie hybride sur les tours multibroches mécaniques
La production de grandes séries dans des délais courts n’est plus le seul défi à relever pour rester compétitif. Aujourd’hui, les décolleteurs de précision sont contraints à un rééquilibrage délicat des facteurs de production : la fragmentation des commandes sur le marché impose des lots de plus en plus réduits. Ces derniers ne peuvent toutefois tolérer des augmentations trop significatives du temps cycle, afin de garantir le contrôle des coûts fixes et de préserver la marge par affaire.
En tant que constructeurs de tours multibroches, nous avons commencé à nous interroger il y a quelque temps déjà sur la manière d'accompagner nos clients face à ce défi quotidien et concret.
Si, il y a encore quelques années, la seule réponse possible résidait dans la précision constante de la came mécanique, l’automatisme industriel offre aujourd’hui une alternative gagnante : la flexibilité de la came électronique.
En collaboration avec l'un de nos clients, nous sommes entrés au cœur du sujet en concevant une solution sur mesure. Cette coopération a permis aux deux parties d’atteindre une étape importante : d’un côté, sa production a franchi un cap en termes de qualité ; de l'autre, chez AXIS, nous avons développé une nouvelle ressource pour être toujours plus proches de ceux qui choisissent de travailler avec nous.
Avant de vous présenter ce projet, revenons aux fondamentaux : dans ce premier article, nous comparerons le fonctionnement et les limites de la came mécanique par rapport à la came électronique. Nous vous donnerons ainsi les clés pour comprendre quand privilégier l’une par rapport à l’autre et quand, au contraire, la meilleure option consiste à les faire travailler en synergie.
Sur un tour multibroche, le cycle de travail nécessaire à la réalisation d'une pièce correspond à une rotation de 360° des arbres à cames. La synchronisation de toutes les opérations prévues sur les 6 ou 8 postes de travail du barillet est coordonnée par ce système cinématique. Il transforme le mouvement de rotation continu des arbres en mouvements rectilignes des chariots porte-outils et, par conséquent, des outils qui y sont montés.
Dans ce cas, les directions d'action des outils sont au nombre de deux :
- Cames radiales : elles déplacent les outils perpendiculairement à l'axe de la pièce, pour réaliser les opérations d'ébauche/finition extérieures et de coupe (telles que le dressage ou le tronçonnage).
- Cames axiales : elles déplacent les outils parallèlement à l'axe de la pièce, gérant les opérations frontales et de pénétration (telles que le perçage et le chariotage).
Chaque chariot étant commandé par une came spécifique et dédiée, chaque outil adopte une position linéaire définie et indépendante pour chaque degré ou intervalle de degrés du cycle de travail. Par conséquent, pour un même degré de rotation de l'arbre de commande, différents chariots exécutent des usinages indépendants, chacun avec sa propre valeur de déplacement et sa vitesse d'avance spécifique. Cette indépendance permet d'optimiser les temps cycle en adaptant parfaitement le mouvement de chaque outil à l'usinage propre au poste où il se trouve.
C'est précisément en raison de cette simultanéité d'action que le temps cycle final nécessaire pour produire la pièce est exclusivement déterminé par l'opération la plus longue parmi celles réparties sur les 6 ou 8 postes. La durée de toutes les autres opérations, exécutées en parallèle, est en effet entièrement masquée par la plus lente.
Il est important de souligner que cette rotation de 360° intègre également le temps mort dit « d'indexage » : une fraction des degrés du cycle est en effet utilisée pour reculer rapidement les chariots, faire pivoter (indexé) le barillet afin d'amener les broches au poste de travail suivant, puis le verrouiller en position pour le démarrage du cycle suivant.
Pour résumer la dynamique globale du processus : à chaque rotation du barillet, la barre métallique avance au premier poste pour pénétrer dans la zone d'usinage et commencer à être façonnée, tandis qu'au dernier poste, la pièce terminée est tronçonnée et évacuée hors du tour. Pendant ce temps, sur les postes intermédiaires, le diamètre de la barre est progressivement usiné.
Mais comment le simple mouvement rotatif d'un arbre se transforme-t-il en une séquence aussi complexe, précise et répétitive de mouvements géométriques linéaires propres aux chariots ? Grâce à la came mécanique.
Du point de vue constructif, la came mécanique est un disque plat en acier au profil dissymétrique, usiné avec des pentes de montée, des portions à rayon constant (temps d'arrêt) et des pentes de descente. Ce composant est claveté directement sur les arbres porte-cames (radiaux et axiaux) qui tournent en parfaite synchronisation et accueillent une came spécifique pour chaque position de travail.
Lors de la rotation de l'arbre, le profil extérieur de chaque came solidaire sert de piste au galet d'un levier. La poussée de ce levier se traduit par le mouvement linéaire du chariot porte-outil, concrétisant ainsi la transformation du mouvement rotatif en mouvement de travail rectiligne.
Le synchronisme cinématique parfait de ce mécanisme constitue une sécurité anti-collision intrinsèque : la liaison mécanique directe entre les arbres et les profils de cames garantit en effet une coordination constante, rigide et immuable entre les différents chariots.
Toutefois, face à cette précision mécanique, la principale limite du système apparaît lors du changement de série. Lorsque la géométrie de la pièce à usiner change, le tour doit être réglé à nouveau en remplaçant partiellement ou totalement les cames afin d'en adapter les courses et les mouvements. Cette intervention, réalisée manuellement par un régleur, engendre des temps d'arrêt machine prolongés qui réduisent la flexibilité de l'atelier, en particulier pour la gestion des petits lots.
C'est dans ce contexte que l'automatisme devient une ressource fondamentale grâce à la came électronique.
Son fonctionnement repose sur la relation synergique entre deux éléments fondamentaux gérés par un automate (API) : le Master (axe maître) et l'Slave (axe esclave).
Le Master représente la variable indépendante, c'est-à-dire le point de référence absolu sur lequel l'ensemble du système se synchronise. Le Slave est la variable dépendante, dont l'état cinématique (position, vitesse, accélération) est calculé à chaque instant en fonction de l'état du Master.
La loi mathématique qui régit cette relation s'écrit :
Pour transposer ce concept à la réalité d'un tour multibroche, prenons le déplacement des chariots porte-outils : le Master est un axe rotatif représentant l'intégralité du cycle machine (360°). La position réelle de l'arbre mécanique principal de la machine est lue à chaque instant par un codeur et traduite en signal numérique. Le Slave, quant à lui, est le chariot porte-outil, entraîné par un moteur indépendant qui se déplace en va-et-vient en suivant fidèlement le profil géométrique de la came électronique programmée dans le logiciel. En appliquant ce principe à plusieurs postes de travail, les chariots restent parfaitement synchronisés entre eux puisqu'ils se réfèrent tous exactement au même Master numérique.
En résumé : la came électronique remplace la liaison mécanique par une liaison logicielle, reproduisant par le code et avec une précision mathématique absolue l'action qu'un profil en acier accomplirait physiquement.
Cette numérisation du mouvement dépasse le cadre théorique : elle redéfinit l'efficacité productive tout en préservant les méthodes d'exploitation traditionnelles.
Sur les machines entièrement mécaniques, le régleur peut faire tourner la machine lentement à la main à l'aide d'un volant mécanique relié à l'arbre principal, afin de vérifier visuellement les mouvements, contrôler les points de passage critiques et s'assurer de l'absence de collision des outils. Le très grand avantage de la came électronique réside dans sa capacité à s'intégrer parfaitement à ce mode opératoire : lorsque l'opérateur agit sur le volant mécanique pour déplacer la machine manuellement, l'axe électronique détecte le déplacement de l'arbre principal (Master) et s'active en conséquence. Respectant rigoureusement sa loi de mouvement, ce chariot « Slave » avance ou recule en parfaite synchronisation avec la mécanique traditionnelle, exactement comme s'il était commandé par un profil physique en acier. Il en résulte une coordination totale entre les composants, éliminant à la racine tout risque de collision en phase de réglage ou de contrôle.
De plus, une fois la « recette » de mouvement d'une came définie et son bon fonctionnement validé, le rééquipement des positions ne nécessite plus aucune intervention manuelle. Pour passer à une nouvelle pièce, il suffit de sélectionner la recette (ou le jeu de recettes) directement depuis l'interface homme-machine (IHM / HMI). Le remplacement physique et la mise au point des cames mécaniques sont ainsi remplacés par un changement de format numérique instantané. L'intégration de la came électronique aux endroits les plus stratégiques de la machine transforme radicalement l'efficacité de production en réduisant significativement le temps de réglage (setup) : une réduction drastique des temps morts qui garantit une grande flexibilité, idéale également pour les séries réduites.
Cette approche hybride, basée sur des cames électroniques localisées, offre en outre un avantage net par rapport à l'intégration de chariots CNC classiques sur ces mêmes positions. En cas d'arrêt de cycle, un axe CNC traditionnel perdrait sa référence cinématique et nécessiterait une procédure d'initialisation ou de prise d'origine. À l'inverse, la came électronique reste constamment liée et synchronisée aux arbres porte-cames mécaniques : indépendamment des pauses ou des arrêts d'urgence, le Slave connaît toujours la position exacte du Master, annulant ainsi les temps de remise en cycle. On obtient ainsi la précision géométrique propre à la commande numérique — garantie par des moteurs brushless et des vis à billes — combinée à une technologie qui s'intègre à la perfection dans la cinématique intrinsèque du tour mécanique.
Ces notions de base étant posées, nous entrerons au cœur du projet dans le prochain article : nous vous présenterons notre première application d'une came électronique spéciale, dédiée aux opérations de reprise.
À ce lien, vous trouverez un court aperçu vidéo montrant comment les mouvements des deux cames électroniques sont analysés lentement grâce à l'utilisation de la manivelle
https://youtube.com/shorts/jVkGSquIUXE
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