Usinage d'une cavité - Milling a hole

Après avoir modélisé la forme à usiner dans un outil de CAO, je peux avec le logiciel que j'ai développé, la positionner précisément sur la fraiseuse, et déclencher l'usinage en coordination avec la visualisation à l'écran.

Ci-dessous, la video de la pièce en cours d'usinage, dans une passe d'ébauche :

Et ci-dessous, la passe de finition (vitesse réduite, passages tous les 2/10 de millimètre) :

Fraisage d'une hémisphère - Milling a hemisphere

Fraisage en cours d'une sphère de diamètre 20mm, au sein d'un carré de 20x20mm.

Dans la video, on voit la fraise faire des allers-retours suivant Y. A chaque fin de course sur Y, la fraise se déplace sur X de 0,3mm pour la passe suivante. Pendant le parcours, la fraise monte puis redescend pour usiner le profil de la sphère.

Premiers usinages

J'ai fait les premiers essais d'usinage sur une chute de bois, avec un forêt de 0,8mm.
Motif réalisé : 10 trous de 5mm de profondeur, répartis sur un cercle de diamètre 20mm.



Même motif sur l'autre face, ainsi qu'un test de fraisage de pentagone.

Machine et perceuse

La perceuse de modéliste, fixée par un support sur le chariot de l'axe Z, porte une fraise sphérique de diamètre 2,5mm.

Pièces sur mesure

Cette photo montre les pièces usinées sur mesure pour la machine :
- logement de roulement (avec le roulement installé)
- bague d'adaptation 6x8
- manchon taraudé M6, et de diamètre extérieur 6,35mm, pour adaptation sur la durite

Montage des axes X et Y sur roulements

J'ai terminé l'usinage des logements des roulements pour les axes X et Y.
On voit sur cette photo :
- 2 logements
- 2 roulements à billes
- 2 bagues d'adaptation pour les tiges filetées de diamètre 6, et les roulements de diamètre intérieur 8
- les 2 tiges filetées, passées à la filière

La machine en action !

Photos complémentaires

Photos complémentaires (détails)

Détail du logement de roulement à billes (longeur 50mm) :




Le roulement à bille (extérieur 16mm, intérieur 8mm, hauteur 5mm) et sa bague d'adaptation maison 8mm x 6mm :

Vue d'ensemble de la machine avec ses moteurs

Détail du logement de roulement à bille

La photo ci-dessous montre le logement du roulement à bille


Le logement est usiné dans de l'aluminium.
Le roulement est logé dans un alésage de diamètre 16mm, profondeur 5mm (soit les dimensions du roulement).
Il est bloqué en translation par deux vis M3 et leur rondelle.
Le logement est fixé au chassis de la machine par deux vis M4.

Le roulement à bille est fixé à la tige filetée par une rondelle et un écrou de chaque côté. Comme la tige est de diamètre 6mm, et que le roulement a un diamètre intérieur de 8mm, j'ai dû réaliser au tour une bague d'adaptation en acier.

Premiers essais

Première difficulté lors de la mise en mouvement des moteurs : la rotation est régulièrement interrompue en raison des frottements trop importants.
Voici quelques remèdes qui ont porté leurs fruits :

- utilisation de durite de voitures pour accoupler le moteur à la tige filetée. L'élasticité de la durite permet de compenser les légers défauts de coaxialité, tout en transmettant le couple sans aucune déperdition
- passage des tiges filetées dans une filière M6, pour régulariser les filets. En effet les tiges filetées du commerce présentent des irrégularités qui nuisent au déplacement de l'écrou du chariot, même si cela n'est pas perceptible à la main.
- l'écrou de chariot étant fixé au chariot par deux vis, j'ai desserré légèrement ces dernières afin de rendre possible un peu de jeu en torsion pour l'écrou. Cela permet de compenser les légers défauts d'équerrage résultant d'une fixation sur la planche de bois, dont la surface n'est pas parfaite, et aussi déformable.



Voici un aperçu de la carte de contrôle des moteurs. J'ai ajouté la 3ème voie pour l'axe Z.
On la voit ici connectée à la carte du PIC par un cable en nappe, qui véhicule les signaux d'horloge de chaque axe, ainsi que les signaux de sens de rotation, pour chaque axe également.



Et maintenant, la machine peut commencer à travailler. Ci-dessous, quelques dessins (2D) :
- des segments de droite
- un cercle
- des spirales
- des étoiles à cinq branche

Il subsiste des problèmes de jeu, qui posent problème lorsqu'on change de sens de déplacement sur un axe. Le jeu est de l'ordre de 2 millimètres, il résulte :

- du jeu axial du moteur ;

- et du jeu dans la liaison tige filetée/écrou.

Pour le supprimer, je vais, comme je l'ai déjà fait sur l'axe Z, monter la tige sur un roulement à bille, qui sera pris dans un logement en aluminium.

Carte de commande des moteurs

J'ai rajouté une voie "Y" à la carte qui contrôle les moteurs pas-à-pas :




En haut de la photo, on voit les 2 circuits intégrés L297.

En dessous, on aperçoit 2 séries de 4 transistors BD139 et de 4 diodes roue-libre pour alimenter les 4 phases des moteurs.

J'ai également ajouté des borniers pour fiabiliser l'ensemble.

Il me reste à faire la voie Z, et cette carte sera alors terminée.

Elle pourra ensuite être connectée à la carte Microchip par 8 fils : une masse, et pour chacun des 3 moteurs : un signal d'impulsion et un signal de sens de rotation. Ajoutons pour finir un fil permettant de choisir entre les modes full-step et half-step.


L'ensemble sera donc constitué de la chaîne suivante :

PC ---(USB)---> Carte Microchip ---(8 fils)---> Carte L297 ---> 3 moteurs ---> chariots machine.

Pour l'alimentation, la carte Microchip est alimentée par le port USB du PC. De même pour la partie basse tension de la carte L297. La partie "haute tension" (12V) de cette dernière requiert en revanche une alimentation spécifique, pouvant débiter 12 V x 1 A. C'est justement le rôle de l'alimentation que j'ai construite avant ce projet.

Un peu de mécanique...

Voici les pièces en acier que j'ai usinées :

- les pièces cylindriques permettent d'accoupler chaque moteur à sa tige filetée (assurant la translation du chariot X, Y ou Z associé),

- les pièces rectangulaires sont les écrous "maison" engagés dans la tige filetée, et fixés à chaque chariot.






Ci-dessous, une photo de l'accouplement de l'axe Z après assemblage. La partie supérieure est alésée à 6,35mm (diamètre de l'arbre du moteur), la partie inférieure est taraudée à 6mm (diamètre de la tige filetée).



Pour l'instant, il y a des passages où le moteur se bloque en raison de différents frottements :
- les glissières des tiroirs ont des points durs
- le parallélisme des glissières, même si je l'ai contrôlé au pied à coulisse, n'est sans doute pas parfait (je n'ai d'ailleurs aucune garantie sur la rectitude des glissières)
- la coaxialité imparfaite de la liaison moteur/tige filetée engendre des torsions.

Il me reste à peaufiner tout cela pour arriver à un ensemble qui se déplace sans problème d'un bout à l'autre de la course. Il faudra en plus qu'il reste un peu de puissance au moteur pour déplacer la fraise en plein travail (ce qui occasionnera des efforts supplémentaires à compenser par le moteur).

Programmation sur PC

Afin de tester la communication entre le PC et la carte Microchip, j'ai développé :

1) un programme embarqué sur la carte, qui intègre une pile de communication USB, un protocole HID personnalisé pour recevoir les consignes de déplacement depuis le PC, et un algorithme Bresenham 3D pour gérer les déplacement en ligne droite.

2) un programme en C# sur le PC, qui intègre la librairie USB/HID de Florian Leitner (merci à lui !), et une interface graphique élémentaire pour piloter la machine manuellement. J'ai dû modifier la librairie de Florian car la réception des paquets USB depuis la carte faisait planter le programme (appel à WriteFile bloquant). J'ai remplacé le fonctionnement multithread par un appel synchrone à la lecture des données USB. Voici une copie d'écran de l'appli :

Microcontrôleur Microchip

J'ai reçu la carte d'expérimentation Microchip USB que j'ai commandée il y a 2 jours, la voici en photo :




Cette carte va servir à recevoir les consignes de déplacement des trois moteurs en provenance de l'ordinateur, et à les convertir en déplacements élémentaires pour chacun des moteurs, par un algorithme de Bresenham 3D.

Les signaux en sortie de cette carte seront ensuite envoyés à la carte que j'ai construite à base de L297 (cf. vidéo), pour être convertis en signaux 4 phases pour chacun des moteurs, puis amplifiés pour alimenter les bobines des moteurs.

L'appareil "PICkit" présent sur la photo permet, une fois branché à la carte d'expérimentation, de programmer le micro-contrôleur directement depuis le PC, sans avoir à le retirer de son support. Ce micro-contrôleur est un PIC18F14K50.

Fin de la partie menuiserie (2)

On voit ici un gros plan sur l'arrière de la machine et sur l'axe Z.



Ci-dessous, le moteur dans sa position définitive, mais pas encore fixé.
L'axe du moteur est cylindrique et sans aucun méplat, par conséquent, pour l'accoupler avec une tige filetée, je vais devoir fabriquer une pièce spéciale en acier, avec un filetage d'un côté, et un alésage de l'autre, pourvu d'une vis de serrage.
Comme en plus, le diamètre de l'axe est de 6,35mm (1/4 de pouce), j'ai dû me procurer un foret spécial ayant ce diamètre d'outre-manche.



Pour finir, une photo de mon atelier de menuiserie. Un jour, je rangerai...



Prochaine partie : la mécanique. Au programme :
- usinage des 3 accouplements moteur/tige filetée ;
- usinage des 3 écrous spéciaux assurant la liaison tige filetée - chariot ;
- fixation des moteurs sur leur support (et ajustement pour une coaxialité maximale avec les écrous fixes des chariots) ;
- fixation du support de la fraiseuse (il s'agira pour l'instant d'une perceuse de modélisme genre Proxon) sur le chariot Z.

Montage : fin de la partie menuiserie

Après quelques heures de sciage, ponçage, défonçage, fraisage, perçage, vissage, ajustage, voici la machine montée :


Les 3 chariots X, Y et Z sont montés sur des glissières de tiroir trouvés en "GSB" (grande surface de bricolage). J'ai dû les adapter à la fraiseuse en taraudant plusieurs trous afin de pouvoir les visser sur le chassis et les chariots, sans que les vis ne gênent leur fonctionnement.

Comme il y a deux glissières par chariot, le point délicat est que celles-ci soient rigoureusement parallèles, sans quoi le coulissement n'est pas possible.

Il a par ailleurs fallu fraiser à la défonceuse des logements pour les têtes de vis.




Détail des deux chassis superposés X et Y :



Les planchettes disposées en bout de course de chaque axe sont les supports de chaque moteur, qui assureront la translation des chariots par le biais d'une tige filetée et d'un écrou fixé sous chaque chariot.

Machine à commande numérique : c'est parti !

J'ai acheté le bois et la quincaillerie pour démarrer la construction, advienne que pourra. Le panneau de bois, du latté-collé en chêne, était bradé à 5 euros. Une affaire à saisir !

Ci-dessous, deux chutes après la découpe de la vingtaine de pièces de bois qui constitueront la machine.

Une machine à commande numérique : un projet à bas coût ?

Voici, en projet, une machine à commande numérique 3 axes, qui pourrait être motorisée par le moteur pas-à-pas de l'article précédent... et qui pourrait être construite à frais réduits.

Cette machine pourrait être pilotée par le montage électronique de l'article précédent, répliqué en 3 exemplaires pour les 3 axes de la machine. Ces montages pourraient eux-mêmes être contrôlés par un microcontrôleur de type PIC18, qui serait lui-même commandé via USB par un PC. Microchip, le constructeur de ces microcontrôleurs, fournit bon nombre d'exemples pour mettre en oeuvre une interface USB, ainsi qu'un environnement de développement gratuit. Il faudra ensuite réaliser un logiciel de commande numérique qui tournera sur PC, pour calculer la trajectoire de l'outil de coupe afin de pouvoir usiner la forme souhaitée.

Encore pas mal de travail en perspective, même si la conception de la mécanique est maintenant terminée, et les plans prêts à être imprimés :

Contrôleur de moteur pas-à-pas / Stepper engine driver

Ce circuit permet de contrôler un moteur pas-à-pas, grâce au circuit intégré L297. Les signaux des 4 phases sont amplifiés par des transistors BC239. En parallèle de chaque bobine du moteur, une diode roue-libre permet d'éviter la détérioration des transistors par les extra-courants de rupture. La carte est connectée à un générateur d'impulsions (au dessus de l'oscilloscope), qui permet de faire varier la vitesse de rotation du moteur. L'oscilloscope montre les signaux produits par le L297, et amplifiés par les transistors (et déformés par l'effect inductif des bobines).

Une alimentation double variable et stabilisée

Faite à partir de deux kits basés sur le LM317, et d'un boîtier des années 60 au style délicieusement désuet, cette alimentation permet de débiter jusqu'à 2x20V sous 1A. Deux potentiomètres permettent de régler la tension de chaque voie. Un commutateur central permet de choisir entre 3 modes de fonctionnement :
- masse commune aux deux voies ;
- 2 voies indépendantes ;
- 2 voies mises en série - permettant notamment d'avoir une alimentation symétrique pour amplificateurs opérationnels.




On aperçoit ici les deux kits d'alimentation, équipés des LM317 pourvus de leur radiateur.