Électronique

Le choix du système électronique a été guidé par la recherche de simplicité, de fiabilité et par la volonté de disposer d'un système configurable en profondeur. Il était également primordial de retenir une architecture éprouvée, pour laquelle une documentation abondante est disponible en ligne.

Différentes solutions existent pour motoriser les trois axes :

• Moteur pas à pas : solution simple, économique et offrant un couple élevé à basse vitesse. En contrepartie, l'absence de retour d'information ne permet pas de détecter une éventuelle perte de pas.
• Moteur pas à pas avec encodeur (boucle fermée) : conserve les avantages des pas à pas tout en permettant de détecter et de corriger les erreurs de position. Solution plus coûteuse et nécessitant une électronique plus complexe.
• Servo moteur : meilleures performances en précision, vitesse et dynamique, mais coût plus élevé et mise en œuvre plus complexe.

Compte tenu de la précision des vis à billes MPS et des efforts de coupe relativement faibles attendus sur cette machine, le choix s'est porté sur des moteurs pas à pas en boucle ouverte. Cette solution présente l'avantage d'être simple à mettre en œuvre tout en répondant aux exigences de précision de la machine.

Moteurs

Les axes X et Y s'appuient sur des moteurs pas à pas hybrides Nema 23. Ces moteurs possèdent un pas tous les 0,9°, soit 400 pas par tour. Divisible en micro-pas par 16 et rapporté au pas des vis à billes MPS de 2 mm, cela permet d'atteindre jusqu'à 3200 positions par millimètre, soit environ 1/3 de micron. Le couple de 1,2 Nm est suffisant pour notre utilisation. Pour l'axe Z, le moteur est un Nema 17 de 1,3 A avec un pas tous les 1,8°.

Carte CNC

Le principe est simple : la carte, alimentée électriquement, reçoit les consignes de déplacement provenant de l'ordinateur puis les convertit en signaux STEP/DIR destinés aux drivers des moteurs. Ces derniers assurent l'interface de puissance entre la carte et les moteurs.

La première carte utilisée, une BSMCE04U, s'est rapidement révélée trop limitée. Son architecture nécessitait une alimentation dédiée à la carte et une seconde pour les trois drivers, ce qui complexifiait le câblage et s'est accompagné de problèmes de surchauffe lors des premiers essais. Sa communication USB, dépendante du plugin Mach3, offrait par ailleurs moins de possibilités qu'une liaison port parallèle.

Sur les conseils de Jonathan Urvoy, la carte a été remplacée par une JP-3163B, qui utilise une interface LPT et intègre directement trois drivers basés sur le circuit Toshiba TB6560AHQ, capables de délivrer jusqu'à 3 A. Une carte Ethernet de type AXBB-E aurait également constitué une solution pertinente, mais le manque de retour d'expérience dans l'entourage du projet a conduit à privilégier une solution déjà éprouvée.

Logiciels

Mach3 demeure l'un des logiciels les plus répandus pour les machines CNC de petite et moyenne taille. Stable, largement configurable et relativement économique, il bénéficie d'une importante communauté et d'une documentation abondante.

La FAO est réalisée avec CamBam, un logiciel simple à prendre en main qui dispose nativement d'un post-processeur compatible Mach3. Cette machine étant principalement destinée à des opérations 2,5 axes, CamBam constitue un choix pertinent : interface rudimentaire mais couvrant largement les besoins, avec une génération fiable et rapide des parcours d'outils.

Ordinateur

Le choix du branchement en port parallèle impose de trouver un ordinateur d'ancienne génération possédant ce type de port. Cela représente néanmoins un avantage de stabilité : la station tourne sous Windows 7.

La première carte de contrôle, la BSMCE04U, s'est rapidement révélée trop limitée. Son inconvénient principal résidait dans la communication USB : les commandes générées par Mach3 devaient transiter par un plugin spécifique avant d'être transmises à la carte. Sur cette carte d'entrée de gamme, ce plugin ne prenait en charge qu'un nombre limité de fonctionnalités, restreignant les possibilités de configuration.

La JP-3163B intègre directement les trois drivers des moteurs pas à pas, ce qui simplifie considérablement le câblage et permet d'utiliser une seule alimentation pour l'ensemble du système.

L'alimentation 24 V initialement prévue pour les drivers de la première carte présentait des phénomènes de surchauffe. Le nouveau choix s'est porté sur une alimentation à découpage 24 V destinée à des applications d'éclairage LED, déjà éprouvée sur une machine conçue par Jonathan Urvoy. Le modèle retenu développe 400 W, largement suffisant pour la carte et ses trois drivers de 3 A.

Câblage

Le câblage de la carte est relativement simple : chaque moteur possède quatre câbles à connecter. Il faut ensuite régler les interrupteurs présents sur la carte.

Interrupteurs de la carte

• SW1, SW2, SW3 : réglage de l'intensité envoyée aux moteurs — 3 A pour les axes X et Y, 1,5 A pour l'axe Z.
• K1, K2 : sélection du nombre de micro-pas (division par 2, 8 ou 16). Division par 16 retenue pour les trois axes, sans perte de pas observée.
• K3, K4 : réduction du courant au repos (25 %, 50 % ou 100 %) pour limiter l'échauffement lorsque le moteur est immobile.

Fin de course

Des capteurs de fin de course sont installés sur les axes X et Y. Ils permettent de déclencher l'arrêt de la machine avant que les axes ne dépassent les courses admissibles des vis à billes, limitant ainsi les risques de détérioration mécanique.

Les quatre capteurs sont raccordés à une seule entrée du port parallèle (LPT), configurée sur la broche 11 (entrée limite X). Ce choix découle d'un comportement observé avec Mach3 : la configuration des capteurs sur des entrées distinctes pour les limites X et Y entraînait des erreurs de fonctionnement. Le regroupement sur une entrée unique constitue une solution compatible avec la configuration retenue.

Gestion de la broche

La gestion de la broche Nakanishi aurait pu être intégrée à la carte CNC afin de piloter directement la vitesse depuis Mach3 — solution particulièrement adaptée aux bibliothèques d'outils et aux changements automatiques.

Dans le cadre de cette machine, cette intégration n'a pas été retenue. Le changement d'outil étant manuel et les broches Nakanishi étant conçues pour fonctionner avec leur propre contrôleur dédié, il est plus pertinent de conserver un contrôle indépendant. Ce choix garde également un accès direct et simple aux réglages de vitesse via le contrôleur externe, sans dépendre du logiciel CNC.

Très répandu pour les CNC amateurs et les machines de prototypage, Mach3 a été recommandé par Jonathan Urvoy et Luc Monnet. Il permet d'atteindre la précision visée tout en offrant une grande stabilité et de nombreuses possibilités de configuration.

Lors du pilotage, chaque axe est commandé par deux signaux :

• STEP — chaque impulsion envoyée correspond à un déplacement d'un pas moteur. Le nombre total d'impulsions détermine la position atteinte.
• DIR — indique le sens de rotation, horaire ou antihoraire.

L'ordinateur est relié à la carte de contrôle par port parallèle (LPT). Mach3 génère directement les signaux STEP et DIR sur les broches du connecteur, sans plugin de communication spécifique. Chaque broche est associée à une fonction définie dans la configuration de Mach3. Six broches sont utilisées pour le pilotage des trois axes :

L'interface de Mach3 est relativement sobre mais entièrement personnalisable. Le logiciel MachScreen permet de modifier l'interface graphique pour l'adapter aux besoins de l'utilisateur. Il est ainsi possible d'afficher les positions des axes avec une résolution au micron plutôt qu'au centième de millimètre (affichage au micron ne signifie pas précision au micron).

Différents réglages des moteurs doivent être réalisés dans Mach3 afin d'assurer un fonctionnement optimal de la machine. La première étape consiste à définir le nombre de pas par millimètre en fonction du réglage des interrupteurs de micro-pas K1 et K2 ainsi que du pas des vis à billes (2 mm). Avec une division en 1/16 de pas, les moteurs des axes X et Y sont ainsi configurés à 3200 pas/mm. Le réglage de l'axe Z a été réalisé de manière plus empirique. Le moteur ayant été livré sans documentation technique suffisamment détaillée, le nombre théorique de pas par millimètre n'a pas pu être déterminé avec certitude. La fonction « Configuration automatique des axes » (Set Steps per Unit) de Mach3 a donc été utilisée. Cette procédure consiste à demander un déplacement connu dans Mach3, à mesurer le déplacement réellement effectué à l'aide d'un comparateur, puis à renseigner cette valeur dans le logiciel. Mach3 calcule alors automatiquement le nombre de pas par millimètre à appliquer. Dans le cas de l'axe Z, configuré avec une division en 1/8 de pas, le réglage obtenu est de 4050 pas/mm.