Fraiseuse à commande numérique

J'ai choisi de vous présenter ici la fraiseuse à commande numérique que vient de réaliser Bruno. L'idée lui trottait dans la tête depuis pas mal de temps et il s'est finalement lancé. Je n'ai apporté ma maigre contribution que pour les problèmes linguistiques et d'apprentissage des logiciels.
Les heures de recherches passées sur Internet lui ont permis de réunir plusieurs sources d'inspiration et de concevoir la machine présentée ci-dessous.

Nb : Suite à plusieurs demandes, je précise que la fraiseuse a été réalisée sans plan. Vous pouvez toutefois vous inspirer librement des photos si vous le souhaitez.

1- Le cahier des charges :

C'est le cahier des charges plutôt ambitieux que s'est fixé Bruno qui a orienté les choix techniques de chaque élément de la fraiseuse :
- la mécanique
- la motorisation
- l'électronique
- les logiciels

Ce cahier des charges est le suivant :
- découpe du dépron
- découpe du bois (balsa, contreplaqué, médium, ...)
- découpe de l'aluminium
- découpe éventuelle de l'acier
- découpe de vinyle
- fraisage 3D
- table traçante
- course mini (X, Y, Z) : 1000 x 300 x 150 mm
- précision d'usinage : 0.01 mm

2- La mécanique :

    a- le châssis : les contraintes liées à l'usinage de l'aluminium (voire de l'acier) imposent d'avoir une mécanique rigide. Pas question alors de la bâtir en utilisant des règles de maçon en aluminium. C'est donc une structure à base de tubes en acier qui compose le châssis de la machine ainsi que les chariots des différents axes. L'ensemble des roulements équipant les chariots sont des roulements de roller dont le prix de revient est des plus avantageux. L'assemblage du châssis par points de soudure à l'arc est somme toute assez rapide (bon je dis ça comme si c'était moi qui l'avait fait mais je crois que Bruno ne me contredira pas J). Sur la dernière photo, on voit le châssis posé sur le bac de récupération de lubrifiant en aluminium.
La surface de travail obtenue est de 1005 x 345 mm et la course utile en Z n'est finalement que de 135 mm pour ne pas compromettre la rigidité de l'axe Y.

    b- la transmission : là encore le choix a été orienté par les matériaux qui seront usinés. La transmission par courroies manquant de rigidité, c'est donc une vis qui se chargera d'entraîner les chariots.
Un astucieux système de vis trapézoïdale  + roulements (trouvé sur CNC Loisir) s'est substitué aux vis à billes dont le coût reste très élevé. Divers calculs et essais ont été nécessaire afin de trouver la combinaison optimale entre la vis et le roulement. La solution retenue est une vis d'un diamètre de 16 mm et d'un pas de 4 mm associée à un roulement type 61805. La pression sur les roulements par ressort (par opposition à un système rigide) permet d'absorber les petits défauts de la vis (déformations, imperfections d'alignement).

3- L'électronique :

   a- l'alimentation : pas de réalisation personnelle pour cette partie puisqu'il s'agit d'un ancien chargeur de récupération qui sort une tension régulée de 27 Vdc et un courant max de 10A. Le boîtier de l'alimentation a également été utilisé pour y intégrer la carte de pilotage des moteurs, le relais de commande de la broche et tous les connecteurs de raccordement des moteurs et des auxiliaires.

   b- la carte de pilotage des moteurs : il était initialement prévu d'utiliser la carte SYSTRIUM mais devant les difficultés rencontrées actuellement par le fabricant pour la fournir (ou même pour répondre aux e-mails L), le choix s'est finalement porté sur une carte 4 axes similaire (le 4ème axe sera sans doute ajouté ultérieurement sur la machine). Il s'agit de la carte XS-3525/8S-4 de XYLOTEX, fabricant Américain également distribué en Europe par SIMPLY CNC

   c- motorisation : les premiers essais ont été faits avec des moteurs OLIVETTI (voir première photo) dont l'attrait principal était le prix : 30 € les trois (!). S'ils ont toutefois permis de réaliser les premiers tests, ils ont très rapidement montré leurs limites, principalement en terme de couple. Ils ont donc été remplacés par des moteurs beaucoup plus puissants mais dont le courant restait compatible avec la carte XYLOTEX (2.5 A / phase). Ils s'agit de moteurs 200 pas / tour type 23LC100-025-8W dont le couple est de 2 Nm (0.6 Nm pour les premiers moteurs). Le gain est flagrant mais les vitesses de déplacement restaient très décevantes lors des premiers essais. Ce problème sera abordé dans le chapitre consacré aux logiciels. La configuration a été faite en huitième de pas (soit 1600 pas / tour), ce qui donne une précision de déplacement théorique de 2.5 microns.

   d- la broche : la solution la plus économique était d'utiliser une fraiseuse type DREMEL mais celle-ci a été délaissée au profit d'une motorisation KRESS de 900 W / 30000 Rpm qui assure une puissance et une durée de vie bien supérieure.

   e- les auxiliaires : cette catégorie regroupe les équipements supplémentaires nécessaires ou tout simplement utiles lors des cycles d'usinage :
- aspiration pour la découpe de dépron ou de bois
- lubrification pour l'usinage de l'aluminium ou de l'acier
- 2 lasers dont la vocation est de permettre des prises d'origine pièce plus aisées (en X et en Y). Ils ont été faits à partir de pointeurs (que l'on trouve pour 3 € sur un site d'enchères bien connu) qui ont été modifiés afin de rendre le rayon plus fin.

Les photos seront mises en ligne prochainement

   f- le tableau de commande : on retrouve ici une prise USB pour le transfert des fichiers sur le PC ainsi que l'ensemble des interrupteurs de commande :
- mise sous tension générale
- arrêt d'urgence
- validation de la rotation de la broche
- validation de l'arrosage
- validation de l'aspiration
- allumage des lasers

 

4- La fonction table traçante :

La mise au point d'un système fiable et acceptant les irrégularités éventuelles de la zone de traçage passait inévitablement par l'association d'un crayon et d'un ressort. Jusque là rien de bien complexe mais trouver un crayon pouvant écrire fin, sur divers supports, se prêtant facilement à ce type de montage et pouvant être guidé avec un jeu quasi nul a nécessité pas mal de recherche. Et puis un jour, presque par hasard, Bruno est tombé sur des recharges de stylos STABILO qui correspondaient exactement à ce dont il avait besoin. Voici à quoi ressemble le montage définitif :

 

5- La fonction table de découpe de vinyle :

Contrairement au crayon, la pression exercée sur la lame doit impérativement être constante quelle que soit la course de l'axe Z. Ce n'est donc pas un ressort mais des poids qui seront utilisés ici (variables suivant le matériau découpé). Deux roulements uniquement graissés au pétrole lampant afin d'avoir une rotation la plus libre possible et logés dans le tube se chargent du guidage de la lame (Ø 2 mm). Le fonctionnement est idéal et la lame suit parfaitement le tracé, y compris dans des courbes dont le rayon est < 1mm

 

6- Les logiciels :

Ce chapitre semblait être, sur le papier, le plus simple à mettre en oeuvre. Cela s'est avéré beaucoup plus long et complexe que prévu et nous a valu de passer de nombreuses nuits d'essais et de mise au point. Détaillons ci-dessous les différents logiciels nécessaires :

   a- pilotage des moteurs : le plan initial était d'utiliser un logiciel du nom de NINOS. Ce software à l'utilisation très intuitive a l'avantage de regrouper plusieurs fonctions dont un module CAO 2D 1/2, un module de gravure anglaise et un post processeur. Toutefois le principe de pilotage des moteurs via le port LPT de l'ordinateur ne neutralisant pas les interruptions générées par Windows, les vitesses de déplacement ne dépassaient pas 10 mm/s. A noter que cette vitesse lente est également due à la transmission par vis qui nécessite une vitesse de rotation des moteurs beaucoup plus importante qu'avec une transmission par courroies. D'autres logiciels tels que GALAAD ont été envisagés mais l'interface série de ce dernier le rendait incompatible avec la carte XYLOTEX (à moins d'y adjoindre une carte interpolateur qui aurait inévitablement fait monter la facture). Il fallait donc un logiciel utilisant une gestion différente du port LPT, ce qui est le cas de MACH 3 de chez ARTSOFT. Les vitesses de déplacement n'ont alors plus rien à voir puisqu'il est désormais possible de dépasser les 60 mm/s (la différence est fulgurante !). La prise en main de ce soft est certes plus complexe mais ARTSOFT (dont l'équipe est très réactive) met à disposition sur son site plusieurs outils d'aide dont un forum ainsi et de nombreux tutoriaux sous forme de vidéo (maîtrise de l'anglais indispensable). C'est également un produit plus abouti et dont les capacités sont très étendues. Ci dessous quelques screenshots de MACH 3 :

   b- post processeur : le post processeur est le logiciel qui permet de générer un GCode (ou code ISO) à partir d'un plan CAO et qui sera par la suite exploité par MACH 3. Ce code, ou programme, est entre autre composé des coordonnées des différents axes tout au long du cycle d'usinage. MACH 3 intègre désormais ce type de soft (LAZYCAM) mais les essais que nous avons pu faire ne se sont pas avérés concluants (version en cours d'évaluation et qui nécessitera probablement plusieurs mois de mise au point). De plus LAZYCAM ne permet pas de générer des fichiers d'usinage 3D. Nous nous sommes alors tournés vers MASTERCAM X dont les possibilités n'ont d'égal que le temps nécessaire à son apprentissage J (usinage 2D, 3D, simulations d'usinage, CAO 2D et 3D, ...). Je ne rentrerai pas dans le détail mais il répond totalement aux besoins et voici quelques screenshots de ce logiciel :

   c- CAO : du côté de la conception des pièces, le choix n'a pas encore été arrêté mais plusieurs logiciels pourront être utilisés, comme AUTOCAD 2000 LT (qui est certes limité au dessin 2D mais qui reste simple et rapide d'utilisation) ou encore MASTERCAM X, SOLIDWORKS ou CATIA pour la conception 3D.
En ce qui concerne les fonctions "annexes" comme la découpe de vinyle, peu de motifs existant au format CAO (dxf, dwg, ...), il fallait donc trouver un moyen de convertir une image (bmp, jpg, ...) dans un format exploitable par le post processeur. Il existe de nombreux logiciels dits "de vectorisation" qui permettent de générer un fichier dxf à partir d'une image mais les résultats restent assez approximatifs. Il y en a toutefois un qui, moyennant une retouche préalable de l'image, donne des fichiers relativement exploitables. Il s'agit de SCANVECTOR qui est téléchargeable ici (click droit : enregistrer la cible sous) dans sa première version qui permet d'exporter des dxf mais limités en taille.
Si toutefois vous connaissez des banques de dessins téléchargeables dans l'un des formats de CAO, n'hésitez pas à me le faire savoir +  J

 

7- La fraiseuse CNC complète :

Bon je parle, je parle, mais vous n'avez même pas encore vu à quoi elle ressemblait dans son intégralité cette fraiseuse. Voici donc quelques photos de la machine terminée (ou presque)

				Voici l'installation à son emplacement définitif

 

8- Les réalisations :

Vous l'aurez compris, la fraiseuse est encore en phase de mise au point et la "production en série" n'a pas encore débutée mais j'essaierai de compléter cette galerie au fur et à mesure des réalisations. Quelques vidéos de sont également disponibles ici.

Bon OK elle ne sert à rien mais c'est la première pièce officielle. Ca se fête non ?!	Le premier travail "utile" de la CNC a en fait été de la découpe de vinyle pour faire la déco d'un hélico. Le résultat est parfait comme vous pouvez le constater. D'autres découpes bien plus petites ont été faites et la seule difficulté vient de la faible adhérence du vinyle sur son support.	Voici une nouvelle réalisation avec la fraiseuse. Il s'agit d'un pupitre en médium pour la nouvelle PCM9XII de Bruno (ce pupitre sera bientôt peint)	L'avantage avec une CN c'est qu'on peut se permettre quelques fantaisies comme la gravure (sinon vous pouvez toujours essayer avec une Dremel J)	2 petites photos pour vous montrer le pupitre une fois terminé		La réalisation des guignols en époxy pour les avions indoor est devenue un jeu d'enfant !
Voici le premier essai de fraisage dans l'aluminium pour réaliser un support pour le MVVS 215 installé dans le Giles 202	Le support a été réalisé dans une plaque de 8 mm d'épaisseur et le résultat est nickel (dans le 1/100 ème)	Autre découpe dans l'alu pour la réalisation d'un support de plaque minéralogique de moto.	L'alu a cette fois-ci une épaisseur plus faible : 2 mm	Ermax n'a qu'à bien se tenir J	Il n'y a pas que le modélisme dans la vie ...	Il y a aussi Barbie J
Maison entièrement réalisée à la CN dans du contre-plaqué	Fraisage dans du médium (toujours rien à voir avec le modélisme !)

 

9- Les liens utiles :

- CNC loisir : la bible
- Aeromaniac : pas mal d'infos
- Simply CNC : importateur européen de Xylotex
- Xylotex : fabricant de la carte 4 axes
- CNC-Modellbaushop : là où la broche Kress a été achetée
- CNC Zone : une mine d'infos ... en anglais
- Artsoft : logiciel MACH 3
- Stappenmotor.nl : moteurs pas à pas
- Engraving Majosoft : plein d'infos diverses
- Cutting Edge CNC : source d'inspiration pour la découpe de vinyle