Nombre total de pages vues

jeudi 22 mars 2012

Une machine CNC

Auteur : Mohamed El MGHARI
Si vous visitez pour la première fois ce site, je vous recommande de voir d'abord cette vidéo.

Ce blog relate mes propres créations dans des domaines variés que je souhaite partager avec les bricoleurs passionnés. Ce blog présente constamment des nouveautés. 

Liste de mes vidéos : (Cette liste se met à jour continuellement)
1- Mon atelier
2- Montage d'une carte de pilotage d'un moteur pas-à-pas
3- Survoler en moins de 3 minutes mon blog
Schéma de la machine CNC


Je me suis intéressé à la construction d'une machine CNC à titre de curiosité. et cette idée m'a poussé à effectuer plusieurs investigations sur le Net qui m'ont permis de comprendre le mécanisme et le fonctionnement d'une telle machine. Certes, cela demande beaucoup de  patience mais c'est passionnant... Quand à la machine proprement dite, elle a été construite dans mon atelier. (Cliquez sur les photos pour zoomer)



Interface progiciel (Usinage)
En VB6, j'ai réalisé une application informatique pour le pilotage de ma machine CNC via le port parallèle dont voici l'une des interfaces :






Par contre la partie électronique servant à piloter les moteurs pas-à-pas a été abordée dans un premier lieu en faisant des montages basés sur des composants électroniques non spécialisés qui ont donné un résultat plus ou moins satisfaisant mais qui n'était pas suffisant (saut de pas, insuffisance de couple). Finalement le choix a été porté sur l'achat d'une carte spécialisée qui sera détaillée plus bas.

Caractéristiques de la machine CNC

Conçue pour graver en 2D et effectuer des perçages, gravures et découpes de précision dans le bois et ses dérivés, aluminium et graver à l’anglaise des circuits imprimés (PCB), cette machine possède les caractéristiques suivantes  :

   -  Construite entièrement en bois dur (Hêtre)
   -  Courses (X : 500 mm, Y : 350 mm, Z : 100 mm)
   -  Déplacement des axes sur glissières (genre tiroir)
   -  Entrainement des axes par tiges filetées de 8 mm de diamètre (pas de 1.25 mm)
  -  La carte Kier501 Connue aussi sous CNC3AX permettant de contrôler 3 moteurs pas à pas unipolaires ( 6 fils) à partir du port parallèle d’un simple PC
   -   Moteurs pas-à-pas : 57HS13 (moteur hybride)  raccordés en unipolaire
  - Alimentation 40 V- 7,2 A max en parallèle pour les 3 moteurs pas-à-pas et 5V- 500 mA maximum pour la carte électronique.
   -   Logiciel de pilotage de la carte : développé par mes soins.

Dessins de fabrication de la machine

                Les schémas de la machine ont été créés sous le logiciel de CAO INVENTOR 2008. Les côtes indiquées ont subi quelques modifications lors de la fabrication. Je vous laisse donc le soin de les adapter à votre convenance et selon vos besoins.
 (Cliquez sur les photos pour zoomer)

Socle (axe X)
Porte chariot Y
Chariot Y



Chariot X (vue de dessous)

Assemblage de la machine CNC (sans le chariot  porte-outil)

Photos réelles de la machine :



                                                                                                                                                                   

Machine CNC maison
Détail de fixation de l'axe Y


Machine CNC maison avec la carte KIER501











Détail des éléments de la machine :

Les tiges filetées sont montées sur des roulements et bloquées en translation (avec le minimum de jeu possible tout en laissant le degré de liberté rotation sans gêne) par 2 écrous de part et d’autre.  







L’une des extrémités de la tige filetée dépasse de 2 cm environ pour l’introduire dans le trou de 8 mm de l’accouplement.





Les chariots mobiles (axes X,Y et Z) sont traversés par la tige filetée par le biais d’une pièce métallique percée d’un trou de 8 mm et taraudée. Cette pièce est vissée évidemment sur une languette fixée solidement au chariot.



Support pour moteur pas-à-pas avec accouplement
Le support de fixation des moteurs et réalisé en bois et fixé au bâtis  de la machine par 4 vis à bois. Les moteurs sont fixés au support par 4 boulons de 5 mm de diamètre.

Pour pouvoir fixer aisément les pièces à usiner, j’ai vissé des lattes en bois de 10 * 50 cm tout au long de la table d’usinage de la machine. Ces lattes sont espacées de 8 mm permettant ainsi l’insertion des boulons de serrage de la pièce à usiner dans les rainures prévues à cet effet.












Pilotage de la machine CNC

Je ne vais pas aborder dans cet article la description et le fonctionnement du port parallèle d’un PC car le Net fourni une panoplie de descriptions qu’il est inutile de m’attarder là-dessus. Mais je résume en disant qu’un port parallèle possède 3 registres :

-          Le registre de données (sortie de données) situé à l’adresse hexadécimale :  &H378
-          Le registre d’état (Entrée de données) situé à l’adresse hexadécimale :  &H379
-          Le registre de contrôle (sortie de données aussi) situé à l’adresse hexadécimale :  &H37A

Les adresses de ces registres peuvent varier selon votre ordinateur mais en général celles indiquées sont les plus courantes.

Chaque registre est composé de 8 bits (1 octet)  qui prennent la valeur 0 ou 1 et qui sont numérotés de la droite vers la gauche (le bit le plus faible et situé à droite de l’octet). Pour en comprendre le fonctionnement, je vous recommande de lire les cours relatifs à l’algèbre booléenne qui décrivent les différentes opérations effectuées sur les nombres binaires (AND, OR, NOR, etc …) ainsi que les articles concernant le port parallèle et ses connecteurs. Evidemment, sans bouger de son fauteuil, le Net met à votre disposition et sans effort, l’ensemble de ces informations.

Concernant ma machine et son pilotage, je reste compatible avec les ‘normes’ utilisées concernant l’horloge et le sens de rotation des moteurs pas-à-pas tout en ajoutant des adaptations dictées par mes propres besoins en agissant sur les bits du registre d’état et de contrôle. Ces adaptations ont été prises en compte et gérées par mon application informatique.

Le tableau synoptique suivant décrit la fonction et l’utilisation de chaque pin du connecteur du port parallèle et la couleur des fils du câble reliant la machine au PC  (qui peut changer en fonction du câble utilisé) :



Une fois ce cahier des charges arrêté, je me suis lancé dans la conception et la réalisation de la carte électronique jouant le rôle d’interface entre l’ordinateur et la carte de pilotage des moteurs.

Circuit électronique de commande des relais :
Schéma de commande des relais par ordinateur

Ce schéma décrit la connexion des relais électromagnétiques actionnés par le port parallèle pour commander les appareils électriques décrit dans le tableau ci-dessus (fraiseuse, aspirateur et autres). Vous constatez qu’il n’y a aucun lien direct entre l’alimentation de 12 V et le port parallèle du PC mais que la communication se passe à travers les opto-coupleurs 4N35 (ou équivalent) permettant l’isolation galvanique et qui sont excités par le courant fourni par le port parallèle (5V). Ces opto-coupleurs  jouent ici le rôle d’interrupteur  en laissant passer ou en bloquant la tension de 12V alimentant les relais. 

Cette précaution est primordiale car sans elle l’ordinateur risque d’être endommagé en cas de disfonctionnement ou de surcharge provoqués par toute carte externe reliée à l’ordinateur.

Les diodes IN4001 jouent le rôle de roue libre empêchant la destruction des opto-coupleurs en bloquant les pics de tension  de retour générés par l’enroulement des relais.

Les caractéristiques des relais dépendent de la puissance requise par les appareils électriques que vous voulez commander. Les petits carrés schématisent les borniers à vis.

Enfin, pour communiquer à l’ordinateur les ordres à exécuter  donnés par  l’opérateur de la machine (rotation manuelle et changement de sens de rotation des moteurs, Reset, fin de course des 3 chariots mobiles), le schéma suivant envoie au port (pins 10, 11, 12, 13 et 15) des impulsions de l’ordre de 5V par le biais de boutons poussoirs NO (normalement ouvert) ou NF(normalement fermé) ou selon le cas d’interrupteurs :
Transmission des ordres à l'ordinateur
 Ce schéma ne nécessite pas d’explication vu sa simplicité sauf que l’alimentation de 5V est une alimentation externe au PC (donc  à ne pas confondre avec celle fournie par le port parallèle). Mais il est impératif que la masse de cette alimentation et celle du PC soient connectées ensemble.
Ces deux montages ont été réalisés sur un seul circuit. Voir photos (Cliquez pour zoomer):
Carte de commande des relais(Verso)
Carte de commande des relais(Recto)








Ne possédant pas le matériel nécessaire pour confectionner des circuits imprimés, j’ai utilisé des fils électriques au lieu des pistes pour relier les différents composants. D’ailleurs l’un des objectifs attendus de cette machine CNC que je suis entrain de construire est la réalisation des PCB gravés à l’anglaise,  ce qui réduira considérablement le nombre de fils et donnera un aspect esthétique agréable aux différentes réalisations.

Passons à présent à la description de la carte de commande des moteurs …

En effectuant des recherches sur le Net, j’ai trouvé des schémas électroniques  pour  commander des moteurs  pas-à-pas  en utilisant  des circuits intégrés spécialisés (comme le L297 et L298) ou non (comme le CD4070, CD4027 etc…). Ce sont ces derniers qui ont  retenu particulièrement mon attention vu leur prix dérisoire ainsi que le faible nombre de composants  nécessaires pour réaliser le montage. Je profite de cette occasion pour remercier vivement l'auteur de ce site pour la clarté des explications qu'il a bien voulu semer sur le Net dans sa rubrique Astro - électronique. Après quelques adaptations des schémas proposés, j’ai réalisé un montage utilisant le port parallèle du PC au lieu du quartz ou du NE555. Là encore, je vous conseille de confectionner un circuit imprimé au lieu de vous perdre dans les multitudes de fils qui se chevauchent les uns sur les autres et soudés comme le montre les photos suivantes (Ha, Ha, Ha …) :

Schéma de la carte de commande d'un moteur pas-à-pas et sa réalisation :

Schéma à base de CD4070 et CD4027

La réalisation de ce schéma est illustrée par une vidéo

(en cas de problème cliquez sur ce lien : 
http://www.youtube.com/watch?v=aDSIFjJmqek&feature=youtu.be

Les 3 cartes de pilotage moteur pas-à-pas



Détrompez-vous ! Ça a marché !!!

Seulement, mon allégresse n’a pas trop duré. En effet dès que je dépasse un certain seuil de vitesse de rotation, le moteur coince ou avale des pas !!! est-ce dû à la lenteur des  opto-coupleurs 4N35, à la valeur de certaines résistances ou simplement à la qualité de l’alimentation utilisée (récupérée d’une imprimante) ? je n’ai voulu ni passer à des opto-coupleurs plus rapides ni à la recherche d’autres schémas, mais mon choix s’est porté carrément sur l’achat de la CNC3AX  en me basant sur ses caractéristiques et sur les commentaires des internautes relatifs aux pilotages des moteurs pas-à-pas proposés sur le marché. ma satisfaction était totale (je ne fais nullement de pub!!!) Voici la carte :

Photo de la carte CNC3ax

La carte Kier501
Alimentation et câblage de la carte Kier501

d'une manière générale, l’alimentation des cartes de commande est différente de celle des moteurs pas-à-pas. 

Ce schéma décrit clairement  la manière dont les alimentations sont utilisées (cliquez pour zoomer) :
Schéma de principe Carte pilotage machine CNC
La Kier501 doit être alimentée par une alimentation fournissant (5V, 500 mA max) redressée sans qu’elle soit régulée puisque la régulation est assurée par la carte elle-même.
Dans mon cas j’ai fait le montage suivant connecté à la carte :

Quant à l’alimentation des moteurs, celle-ci doit fournir une tension de 40 V max (restriction du constructeur). Evidemment  les  caractéristiques de cette alimentation vont de paire avec celles des moteurs utilisés. De même, il est possible d'utiliser une seule alimentation pour attaquer la carte de puissance des moteurs en parallèle.

D’autre part, la connexion de la carte aux différentes alimentations et aux moteurs ainsi que les réglages à effectuer et les précautions à prendre sont décrits dans  le document fourni par le constructeur.

En ce qui me concerne, je n’ai pas utilisé les jumpers situés du côté du connecteur DB25 puisque j’ai conçu mon propre interfaçage (décrit plus haut) pour gérer les fins de course des 3 axes et commander la fraiseuse, l’aspirateur et  utiliser certaines fonctionnalités gérées par mon application informatique.

Cliquez sur ce lien pour lire la suite :




Je veux bien parler de mon expérience dans ce domaine passionnant à condition que ce sujet plaise aux internautes. Prière me contacter pour émettre votre opinion. merci.

Mon email : blogger.maroc@gmail.com



14 commentaires:

  1. Je trouve déjà impressionnant ce que vous avez fait comme travaux à la maison grâce a cet atelier, mais là avec ce que vous venez de rajouter vous m’impressionnez encore plus
    Toutes mes félicitations
    Anas MAHMOUKI

    RépondreSupprimer
  2. This is great! Excellent job....It is amazing how much you developed and created within your own house...The CNC machine design looks fantastic....Please share more videos on how this machine works.

    Mr. Thursday.

    RépondreSupprimer
    Réponses
    1. Thank you Mr Thursday,
      It's only a question of some days for sharing videos about my CNC machine working.

      Supprimer
  3. Salut Oncle,
    C est avec plaisir que je revisite encore ton blog. tiens moi au courant quand tu finira le remplacement des " deux petits moteurs restants".
    je passerai chez toi volontiers pour assister à une démo.
    Mariem

    RépondreSupprimer
  4. Vraiment sympa ton site, des infos claires et on voit qu'on a affaire à un passionné qui essaye !! Cordialement yannick de france.
    Bravo.

    RépondreSupprimer
    Réponses
    1. bonsoir yannick de france,
      que veux-tu dire par un passionné qui essaye!! s'agit-il d'une phrase incomplète?

      Supprimer
  5. salut, merci bien pour le travaille c magnifique mes comment tu faire l'application informatique pour le pilotage ?

    RépondreSupprimer
  6. j'ai besoin d'acheté des moteur pas a pas ici au maroc mais jai rien trouvé peut tu m'aidé svp?

    RépondreSupprimer
    Réponses
    1. j'ai des moteurs pas à pas à vendre ainsi que la carte cnc3ax

      Supprimer
  7. salam a tous c a combien le pas a pas une autre question d'ou ta acheter les coupleur
    merci

    RépondreSupprimer
  8. salut
    merci pour votre explication mais j'ai une question :concernant la partie électronique peut on utiliser la carte arduino uno au lieu de se que vous avez utiliser parce-que c'est ce que se trouve dans notre marché . et concernant la partie informatique y'a-t'il d'autre logiciel plus facile que vous avez utiliser comme isis ,logic pic ...... et je vous remercie d'avance

    RépondreSupprimer