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CNC 6040


Par Steph, publié le

Après la CNC pour la fabrication de PCB, façades de boîtiers et autres petites gravure, voici un article sur l'intégralité de la construction d'une CNC de type "6040".

  • Etude de chaque axe, puis montage et réglages.
  • Etude de l'électronique : Drivers, gestion machine, gestion périphériques et alimentations. 
  • Présentation de la chaîne logicielle utilisée.

Cette machine devra pouvoir usiner, graver et percer des matériaux tels que le plastique, le bois, les métaux "mous" (Aluminium, cuivre...). Les dimensions utilisables de la machine seront de 60 cm x 40 cm x 15 cm.

Présentation

Après la CNC pour la fabrication de PCB, façades de boîtiers et autres petites gravure, voici un article sur l'intégralité de la construction d'une CNC de type "6040" (Pour les dimensions totales de la machine).

  • Etude de chaque axe, puis montage et réglages.
  • Etude de l'électronique : Drivers, gestion machine, gestion périphériques et alimentations. 
  • Présentation de la chaîne logicielle utilisée.

Cette machine devra pouvoir usiner, graver et percer des matériaux tels que le plastique, le bois, les métaux "mous" (Aluminium, cuivre...).

Les dimensions utilisables de la machine seront de 50 cm x 30 cm x 10/12 cm.

La machine sera réalisée en aluminium plein et profilés aluminum. Une première maquette sera réalisée en MDF afin de parfaire les premiers réglages de base.

Pour l'électronique, rien ne sera acheté tout fait. Cet article sert en même temps que la réalisation de la machine, d'étude complète de la chaîne électronique dans son intégralité.

 

 

L'axe Y en cours d'étude

 

Le cahier des charges

Partie mécanique

Le châssis

Il sera constitué de 2 plaques en aluminium de 10mm situées à l'avant et à l'arrière de la machine. Ces plaques seront reliées par deux profils aluminium 30x90mm latéraux qui porteront les guides linéaires et un central de 50x50mm qui portera le palier arrière (BK12) et le moteur Néma23. Le palier avant (BF12) sera fixé à la face avant.

8 morceaux de profils aluminium 30x60 seront montés en "rigidifieur" entre les profils porteurs de 30x90mm et de 50x50mm.

Le chariot réalisé en aluminium de 10mm pour la liaison inter flancs et de 15mm pour les flancs sera entrainé la vis SFU1605 et glissera sur 4 paliers SBR20UU. Ses angles sont renforcés par les profils alu 1/4 de rond de 40x40mm.

 

Les axes de travail

Axe X

L'axe X se déplacera de gauche à droite, son point "0" étant situé à l'extrémité gauche de la zone de travail. Sa course sera de 300mm sur des rails de 400mm. Il ser mis en place sur le portique coulissant sur l'axe Z.

Le guidage sera réalisé à l'aide de deux rails portés SBR16.

L'entraînement sera réalisé par une vis à bille RM1605 de 450mm qui sera entraînée par un moteur de type Néma 23 par l'intermédiaire d'un coupleur flexible ou par courroie. La vis sera soutenue à ces deux extrémités par un palier à roulement à billes.

Axe Y

L'axe Y sera chargé de déplacé le portique mobile supportant l'axe X. Il se déplacera du fond vers l'avant de la machine, son point "0" étant situé à l'avant de celle-ci. Sa course sera de 500mm sur des rails de 600mm.

Le guidage sera réalisé à l'aide de deux rails portés SBR20.

L'entraînement sera réalisé par une vis à bille RM1605 de 650mm qui sera entraînée par un moteur de type Néma 23 par l'intermédiaire d'un coupleur flexible ou par courroie... La vis sera soutenue à ces deux extrémités par un palier à roulement à billes.

Axe Z

L'axe Z se déplacera de haut en bas , son point "0" étant situé à la position la plus haute de la zone de travail. Sa course sera de 100 à 120mm sur des axes de 150 à 200mm.

Le guidage sera réalisé à l'aide de deux rails portés SBR12.

L'entraînement sera réalisé par une vis à bille RM1605 de 150mm qui sera entraînée par un moteur de type Néma 23 par l'intermédiaire d'un coupleur flexible ou par courroie. La vis sera soutenue à ces deux extrémités par un palier à roulement à billes.

 

Le volume de travail

Le volume de travail dépend directement de la course de chacun des axes qui seront approximativement les suivants :

  • Axe X : 300 mm.
  • Axe Y : 500 mm.
  • Axe Z : 100 mm.

Nous verrons donc cela en cours d'étude plus avancée de la machine.

 

Les guides de translation

Les guides seront des modèles SBR et auront les diamètres et les longueurs suivantes :

  • Axe X : SBR16 - 400 mm.
  • Axe Y : SBR20 - 600 mm.
  • Axe Z : SBR12 - 200 mm.

 

Les vis d'entraînement

les vis d'entraînement sont des modèles à billes RM1605, pas de 5 mm et auront les logueurs suivantes :

  • Axe X : 450 mm.
  • Axe Y : 650 mm.
  • Axe Z : 150 mm.

D'un côté elles sont couplées au moteur de l'axe correspondant par l'intermédiaire d'accouplement souples et soutenues par un palier à billes et de l'autre elles sont soutenues par un autre palier à billes.

 

Les moteurs d'entraînement

Les moteurs pas à pas d'entraînement des axes seront des modèles de type Néma 23 de référence : 323HS30-2804S.

  • Deux phases, connexion à 4 fils.
  • Intensité max : 2,8 A.
  • Nombre de pas par tour : 200.
  • Angle de pas : 1,8°.
  • Couple de maintien : 1.89 N.m.
  • Inductance : 5.4 mH (A 1 KHz)

 

La table d'usinage

La table d'usinage sera en aluminium massif rainurée de chez IronWood. C'est un modèle AL6040 d'épaisseur 20mm. Il s'agit d'une table de précision fournies avec un certificat de contrôle métrologique. Elle est de fabrication Allemande. 

La table sera réglée horizontalement, puis fixée sur la machine.

Par ailleurs, la table sera éclairée et le point d'usinage sera repéré par une croix générée par une diode laser avec lentille spéciale. Le laser sera fixé de manière réglable sur le chariot de l'axe Z. Une caméra pourra filmer le travail en cours.

Une buse aspirante sera mise en place, ainsi que des protections anti-poussière.

 

Le moteur broche

Pour le moment, la broche n'est pas encore budgétisée, affaire à suivre donc...

 

Partie électronique

Pilotage de la machine

Le pilotage de la machine sera confié à GRBL-Méga v1.1.

 

Contrôleur de la machine

C'est un Arduino de type Mega2560 Pro mini, version IO 5V, qui sera chargé de piloter la machine.

En effet ce pilote devra pouvoir discuter avec un autre Arduino de même type chargé lui de gérer les interfaces "IHM", et un Raspberry Pi zéro W qui gérera la totalité de la machine via Wifi.

 

Drivers moteurs pas à pas

Les drivers des moteurs 323HS30-2804S seront élaborés à partir de circuits intégrés TB6600HG de chez Toshiba avec les caractéristiques principales suivantes :

  • Gestion des moteurs a 2 phases.
  • Micro pas :  1/1 à 1/16.
  • Tension d'alimentation : 50 V CC.
  • Intensité amx. : 4,5 A.
  • Protections : Courant, tension et température.
  • ...

Les drivers seront donc élaborés à partir de la datasheet de Tosshiba et des informations recueillies sur le net.

Toutes les entrées seront attaquées par des opto coupleurs.

Bien que la machine soit prévue pour être utilisée via GRBL, la carte électronique permettra une commande par Mach3 ou autre, via une interface parallèle.

 

Fins de courses

Deux fins de courses seront montés sur chaque axe de la machine.

Un sur les deux servira à la procédure de "Homing" de la machine et les deux feront fonction d'arrêt d'urgence si pas erreur ils étaient actionnés. Ils auront alors la même fonction que le bouton poussoir d'arrêt d'urgence et il sera nécessaire de faire un reset de la machine.

Les fins de course seront des modèles "NF" (Normalement fermé) pour des mesures de sécurité. En effet si un fil se coupait, si une soudure lâchait ou autre, alors le système le détectera. Ils seront donc câblés en série. On pensera aux paramètres de GRBL...

Les fins de courses seront isolés du système par des opto coupleurs et les entrées découplées par un condensateur, ce qui garantira un fonctionnement sans parasitage externe.

Suite à une information de Gilles, des capteurs inductifs seront utilisés.

 

Bouton d'arrêt d'urgence

Comme son nom l'indique, ce bouton ne servira qu'en cas d'urgence. Une action sur ce bouton stoppe toute action et oblige à faire un reset de la machine.

Comme les fins de courses, le bouton d'arrêt d'urgence sera isolé du système par un opto coupleur, ce qui garantira un fonctionnement sans parasitage externe.

A des fins de sécurité, le bouton d'arrêt d'urgence enverra un ordre d'arrêt à GRBL (Ou Mach3), et de plus il coupera physiquement et totalement, l'alimentation électrique de la machine.

 

Variateur de broche

Il sera défini parès le choix de la broche, bien entendu..

 

Contrôleur annexe

Un second Arduino, de même type que le contrôleur principal pour ne pas mélanger les genres, sera chargé de fonctions annexes et sera rélié aux IO du principal via une interface spécifique.

Il sera capable d'effectuer les actions suivantes :

  • Indiquer les tensions et courants en temps réel des alimentations et des moteurs.
  • Indiquer la position de chaque axe en temps réel.
  • Indiquer l'état du drivers (Informations émanant du TB6600HG).
  • Connecter un boîtier de commandes manuelles des 3 axes, de la broche et des fonctions de GRBL et autres.

 

Alimentations

Réseau 240 V AC

Le réseau 240 V alimentant notre machine sera protégé des parasites par un filtre spécifique et le primaire du transformateur recevra une varistance pour limiter les risques de surtension.

Le transformateur sera un modèle toroïdal qui génére peu de rayonnement par rapport à un transformateur classique à carcasse d'acier.

Le transfo sera alimenté via un interrupteur bipolaire et protégé par un fusible.

 

Moteurs

Par sécurité et afin de garder de la marge sur les 50 V CC accepté par les TB6600HG, on alimentera les moteurs en 36 V CC proprement filtrée par de gros condensateurs.

Une étude ser faite pour rendre éventuellement cette alimentation ajustable et régulée sur une plage de 36 à 48 V CC.

Pour vérifier le courant nominal, ce qui reste peu simple à calculer (IMOT, rendements, foisonnement...), des essais et mesures seront fait grandeur nature :)

 

Arduinos et Raspberry

Les arduinos seront alimentés en 9 V CC (Pour rappel, il n'y a pas de port USB sur les Mega2560 Pro mini.) et le Raspberry 5 V CC

L'alimentation des Arduinos est donnée pour une valeur comprise entre 7 et 12 V CC, 9 V CC est donc un bon compromit. 

 

Broche

A suivre...

 

Câblage

Les parties à câbler sont les suivantes :

  • Détecteurs inductifs (Fins de courses).
  • Arrêt d'urgence.
  • Moteurs.
  • Broche.
  • Alimentations.
  • Liaisons IO entre les Arduinos et le Raspberry.

Pour les fins de courses, l'arrêt d'urgence, les moteurs pas à pas et la broche on utilisera impérativement du câble blindé.

Le câblage des alimentations sera réalisé en torsadant les fils.

Pour le reste, on verra plus loin en avançant dans l'étude.

 

Liaison équipotentielle

La masse générale de la machine sera reliée à la "terre" du réseau EDF. Une attention toute particulière sera portée sur d'éventuelles "boucles de masse" afin de les éliminer et de générer le moins possible de courants induits.

 

Partie logiciels

Système d'exploitation

Pour les essais Windows 10 Pro sera utilisé puisqu'il équipe mon poste de travail principal. La liaison sera réalisé avec un port série virtuel et un adaptateur.

Par la suite, il suffira de transférer les fichiers Gcode sur le raspberry de la machine via le Wifi, puis de s'y connecter en SSH pour gérer le fonctionnement.

 

Gestionnaire embarqué du Gcode

Des Arduinos Mega2560 Pro Mini sont utilisés, la version de GRBL sera donc celle dédiée à ce micro-contrôleur.

 

Envoie du Gcode au système

B CNC sera utilisé du fait des grandes capacités... il est écrit en Python et fonctionne plutôt pas mal.

 

Création du Gcode pour les PCB

A voir... Ceci est déconnecté de la machine, ce sera donc des versions Windows pour aller sur mon poste de travail.

 

Création des PCB

A voir... Ceci est déconnecté de la machine, ce sera donc des versions Windows pour aller sur mon poste de travail.

 


Publié par Steph le : 31/12/2017 & mis à jour le : 12/02/2018
Mots-clefs : CNC, GRBL, TB6600HG, MEGA, NEMA23

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