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Présenté par : ANDRIAMAHANDRY Solohery Siméon
Date de soutenance: 28 décembre 2016
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
DEPARTEMENT : SCIENCE DES MATERIAUX ET
METALLURGIE
Mémoire de fin d’études
en vue de l’obtention du Diplôme d'Etudes Approfondies
option Science des Matériaux
CONCEPTION ET REALISATION D’UNE MACHINE OUTIL
A COMMANDE NUMERIQUE (MOCN)
------------------------------
CAS D’UNE FRAISEUSE NUMERIQUE
Polytechnique, Premier partenaire des Professionnels
Présenté par : ANDRIAMAHANDRY Solohery Siméon
Président du jury: Monsieur RANDRIANARIVELO Fréderic, Maitre de conférences, Chef
de Mention Science des Matériaux et Métallurgie
Membres de jury:
Madame RAKOTOMALALA Zolimboahangy, Maitre de conférences
Monsieur RAKOTOSAONA Rijalalaina, Professeur
Monsieur RATSIMBAZAFY Mikaela, Maitre de conférences
Rapporteur: Monsieur RANAIVONIARIVO Velomanantsoa Gabriely, Professeur titulaire
Date de soutenance: 28 décembre 2016
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
DEPARTEMENT : SCIENCE DES MATERIAUX ET
METALLURGIE
Mémoire de fin d’études
en vue de l’obtention du Diplôme d'Etudes Approfondies
option Science des Matériaux
CONCEPTION ET REALISATION D’UNE MACHINE OUTIL
A COMMANDE NUMERIQUE (MOCN)
------------------------------
CAS D’UNE FRAISEUSE NUMERIQUE
Polytechnique, Premier partenaire des Professionnels
A
REMERCIEMENT
Je loue le seigneur pour toutes les grandes choses et merveilles qu’Il a fait pour moi.
Mes vifs remerciements s’adressent aux personnes suivantes sans lesquelles ce travail n’aurait
pas été réalisé :
Monsieur ANDRIANAHARISON Yvon, Professeur Titulaire, Directeur de l’Ecole
Supérieure Polytechnique d’Antananarivo,
Monsieur ANDRIANARY Philippe, Ancien Directeur de l’Ecole Supérieure
Polytechnique d’Antananarivo ;
Monsieur RANDRIANARIVELO Fréderic, Maitre de conférences, qui malgré ses
lourdes responsabilités, me fait l’honneur de présider le jury de la soutenance de ce
mémoire ;
Monsieur RANAIVONIARIVO Velomanantsoa Gabriely, Professeur titulaire, sous la
direction duquel, ces travaux ont été effectués, pour son aide, sa sympathie, sa
pédagogie et son expérience dont il a fait profiter et la confiance qu’il m’a accordé
tout au long de la préparation de ce mémoire.
Aux membres de jury qui ont accepté avec sympathie d’examiner ce travail et de
siéger à ma soutenance :
Madame RAKOTOMALALA Zolimboahangy, Maitre de conférences
Monsieur RAKOTOSAONA Rijalalaina, Professeur
Monsieur RATSIMBAZAFY Mikaela, Maitre de conférences
A toute ma famille, à qui j’adresse ma profonde considération, pour avoir été et pour être
toujours présents pour moi. Qu’ils trouvent dans ces lignes tous mes remerciements pour leur
amour et leur soutien.
Je remercie vivement mes amis et tous ceux qui n’ont pas ménagé leur force pour m’aider
dans mes recherches et surtout pour l’accomplissement de ce travail. Je vous en suis
reconnaissant et que Dieu vous bénisse dans tout ce que vous entreprenez.
B
SOMMAIRE
INTRODUCTION
PARTIE I. GENERALITES SUR LA CONCEPTION ET LA FABRICATION
ASSISTEES PAR ORDINATEUR
Chapitre I. LES PROCEDES DE MISE EN FORME [1]
I.1. Classification des procédés de mise en forme
I.2. Identification des procédés en fonction du matériau et du programme de production
Chapitre II. LA CONCEPTION ET FABRICATION ASSISTEES PAR ORDINATEUR
(CFAO)
II.1. Origines de la CFAO [3], [4], [5]
II.2. Avantages et inconvénients
II.3. La conception assistée par ordinateur (CAO)[6][7]
II.4. La fabrication assistée par ordinateur (FAO)
PARTIE II. REALISATION DE LA MACHINE-OUTIL A COMMANDE NUMERIQUE
Chapitre III. CHOIX DU TYPE DE MATERIAUX
III.1. Tubes en aluminium
III.2. Contreplaqué bois
III.3. Tubes métalliques
III.4. Conclusion sur le choix de la matière
Chapitre IV. LES DIFFERENTES PARTIES DE LA MACHINE-OUTIL
IV.1. Les glissières
IV.2. Les moteurs
IV.3. Entrainement de l'axe
Chapitre V. CONSTRUCTION DE LA MACHINE
V.1. Présentation du modèle.
V.2. Montage de la machine
Chapitre VI. COMPOSANTS ELECTRIQUES ET ELECTRONIQUES ET LOGICIEL DE
COMMANDE
VI.1. Alimentation électrique de la machine
VI.2. Composants électroniques
VI.3. Logiciel FAO
Chapitre VII. CALIBRATION ET TEST DE LA MACHINE
VII.1. Réglages mécaniques
VII.2. Réglage du pilote Polulu A4988
VII.3. Branchement des moteurs
C
VII.4. Interface utilisateur
VII.5. Test de linéarité, parallélisme et perpendicularité
VII.6. Test de la répétabilité
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE ET WEBOGRAPHIE
ANNEXES
D
LISTE DES FIGURES
Figure 1 : Procédé par enlèvement de matière ........................................................................................ 3
Figure 2: Procédé par ajout de matière .................................................................................................... 4
Figure 3: Procédé par moulage ................................................................................................................ 4
Figure 5: Triptyque Produit – Matériau – Procédé .................................................................................. 5
Figure 4: Procédé par déformation .......................................................................................................... 5
Figure 6: CAO Modèle Koala et sculpté par FAO .................................................................................. 6
Figure 7: Conception d'une MOCN avec SolidWorks 2013 ................................................................. 11
Figure 8: Création d'un circuit imprimé avec Fritzing .......................................................................... 11
Figure 9: NC 111A, premier CNC ........................................................................................................ 13
Figure 10: Fraiseuse numérique industrielle OPTIMUM F 80 ............................................................. 16
Figure 11: Fraiseuse numérique de fabrication artisanale ..................................................................... 16
Figure 12: Tour numérique moderne ..................................................................................................... 17
Figure 13: Découpe plasma ................................................................................................................... 17
Figure 14: Imprimante 3D .................................................................................................................... 18
Figure 15: Modèle structurel d'une machine-outil .............................................................................. 18
Figure 17: Carte perforée à 80 colonnes .............................................................................................. 19
Figure 16: Fonctionnement global d'une MOCN .............................................................................. 19
Figure 18: Fonctionnement d'une Commande Numérique .................................................................. 20
Figure 19: Automate programmable industriel (API) S7 300 Siemens ................................................. 24
Figure 20: Arduino Nano ...................................................................................................................... 25
Figure 21: Rapsberry PI ...................................................................................................................... 25
Figure 22: Trièdre droit et direct ......................................................................................................... 26
Figure 23: Système d'axes d'une MOCN à 3 axes ............................................................................... 27
Figure 24: Constituants d'un moteur pas-à-pas hybride ..................................................................... 28
Figure 25: Easy driver V4.3 .................................................................................................................. 29
Figure 26: Polulu A4988 ..................................................................................................................... 29
Figure 27: Vis à bille .......................................................................................................................... 30
Figure 28: Système de guidage linéaire de l'axe ................................................................................ 31
Figure 29: Exemple de MOCN fait avec de tube aluminium .............................................................. 34
Figure 30: Exemple de MOCN fait avec de contreplaqué ................................................................... 35
Figure 31: Exemple de MOCN fait avec de tube métallique ............................................................. 35
Figure 32: Glissière pour Axe X et Y .................................................................................................. 37
E
Figure 33: Coulisse à bille pour l'axe Z (type glissière de tiroir) ........................................................ 38
Figure 34: Spécification du moteur ....................................................................................................... 38
Figure 35: Système d'entrainement ..................................................................................................... 41
Figure 36: Modèle 3D et spécifications................................................................................................. 42
Figure 37: Boite d'alimentation d'un ordinateur de bureau ................................................................... 44
Figure 38: Broche d'une alimentation d'un ordinateur de bureau .......................................................... 44
Figure 39: Branchement de mise en marche de la boite d'alimentation ................................................ 45
Figure 40: Branchement de 2 boites d'alimentation en série ................................................................. 45
Figure 41: Boite d'alimentation de la machine ...................................................................................... 46
Figure 42: Arduino UNO ...................................................................................................................... 48
Figure 43: Montage des pilotes des moteurs ......................................................................................... 49
Figure 44: Création de circuit imprimé avec Fritzing ........................................................................... 50
Figure 45: Installation de Grbl avec Xloader ........................................................................................ 52
Figure 46: Réglage du Polulu A4988 .................................................................................................... 54
Figure 47: Identification pair du moteur ............................................................................................... 55
Figure 48: Interface utilisateur .............................................................................................................. 56
Figure 49:Test de linéarité, parallélisme et perpendicularité ................................................................ 68
Figure 50: Test de circularité ................................................................................................................. 69
Figure 51: Test de la répétabilité ........................................................................................................... 70
F
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1: Liste de quelques logiciels de CAO .................................................................................. 10
Tableau 2: Quelques logiciels FAO ...................................................................................................... 20
Tableau 3: Signification des lettres en Gcode ....................................................................................... 21
Tableau 4: Liste des fonctions préparatoire ......................................................................................... 22
Tableau 5: Exemple de Gcode avec explication .................................................................................. 23
Tableau 6: Polulu A4988 Micro-pas ..................................................................................................... 30
Tableau 7: Spécifications du moteur ..................................................................................................... 39
Tableau 8: Comparaison du moteur de récupération avec Nema 23HS22-1504S ................................ 40
Tableau 9: Matériaux nécessaires à la construction .............................................................................. 43
Tableau 10: Tableau comparatif de différentes cartes Arduino ............................................................ 47
Tableau 11: Affectation des sorties logiques [11] ................................................................................. 48
Tableau 12: Caractéristiques du Polulu A4988 [10] ............................................................................. 49
Tableau 13: configuration de la valeur du masque ................................................................................ 59
Tableau 14: Valeur pour le type de rapport ........................................................................................... 61
G
ABREVIATIONS ET ACRONYMES
ABS: Acrylonitrile Butadiène Styrène
CFAO: Conception et Fabrication Assistées par Ordinateur
CAO: Conception Assistées par Ordinateur
FAO: Fabrication Assistées par Ordinateur
CN: Commande Numérique
IA: Intelligence Artificielle
2D: 2 Dimensions
3D: 3 Dimensions
MOCN: Machine-Outil à Commande Numérique
CNC: Computer Numerical Control (Commande Numérique par Calculateur)
MIT: Massachusetts Institute of Technology
E/S: Entrée/Sortie
API: Automate programmable industriel
PWM: Pulse Width Modulation (Modulation de largeur d'impulsion)
USB: Universal Serial Bus
DEL: Diode Electroluminescente
EEPROM: Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory (mémoire morte
effaçable électriquement et programmable)
l: largeur
L: Longueur
H: hauteur
Φ: Diamètre
P: Poids
R: résistance
1
INTRODUCTION
A Madagascar, les machines-outils utilisés sont généralement des tours et des
fraiseuses universelles, qui sont utilisées manuellement par des personnes qualifiées.
Un tour conventionnel permet de faire l’usinage des pièces par enlèvement des
copeaux, en faisant tourner la pièce sur elle-même. Tandis que, une fraiseuse est utilisée pour
usiner tous types de pièces mécaniques, à l'unité ou en série, par enlèvement de matière à
partir de blocs ou parfois d'ébauches estampées ou moulées, à l'aide d'un outil coupant nommé
fraise. La productibilité de ces machines étant faible et lent.
Dans les pays développée, les machines-outils sont généralement commandées par ordinateur
d’où la nomination de « Fabrication Assistée par ordinateur ». Ces machines produisent des
pièces avec plus de précision et avec une vitesse plus grande.
L’objectif de notre étude, est de concevoir une machine à commande numérique,
capable d’usiner un matériau de dureté moyenne, par enlèvement de matière.
Pour atteindre notre objectif, notre travail qui s’intitule :
« Conception et réalisation d’une machine-outil à commande numérique (MOCN) -
cas d’une fraiseuse numérique » ;
Sera subdivisée en deux grandes parties. La première partie est consacrée sur les
méthodes de mise en forme des matériaux, la conception et fabrication assistée par ordinateur.
La conception et réalisation, proprement dite, de la machine est traitée dans la seconde partie.
2
PARTIE I. GENERALITES SUR LA CONCEPTION ET LA
FABRICATION ASSISTEES PAR ORDINATEUR
3
Chapitre I. LES PROCEDES DE MISE EN FORME [1]
I.1. Classification des procédés de mise en forme
On entend par procédé de mise en forme tout moyen permettant de passer du virtuel au réel.
On peut classifier les procédés dans quatre familles suivant la méthode de mise en forme.
I.1.1. Par enlèvement de matière ou procédé soustractive
On part d’un bloc, et on crée les formes de la pièce en enlevant la matière à l’aide d’un outil.
Exemple : usinage
Les procédés de réalisation pas enlèvement de matière les plus courant sont :
L’usinage à l’outil coupant,
L’électroérosion (usinage par étincelage),
L’enlèvement de matière par abrasion.
L’usinage à l’outil coupant regroupe les opérations de fraisage, de tournage et de perçage. La
mise en œuvre se fait sur des machines spécifiques comme un tour ou une fraiseuse que ce
soient manuel ou numérique.
I.1.2. Par ajout de matière ou procédé additive
On part d’un plateau vide, et on ajoute de la matière pour créer la pièce. La fabrication ne
nécessite aucun outil, on procède par un ajout successif de couche mince pour avoir la forme.
Brut Enlever la matière
Pièce usinée
Copeaux
Centre d’usinage
Figure 1 : Procédé par enlèvement de matière
4
Exemple : Impression 3D par dépôt de fil ABS
I.1.3. Par transformation (moulage)
On coule la matière à l’état liquide ou pâteux dans un moule, et on obtient la pièce après
solidification.
Exemple : Injection plastique
I.1.4. Par déformation
On part d’un matériau en feuille que l’on déforme à l’aide d’un outillage spécifique.
Exemple : Découpage
Bobine fil
ABS
Ajouter la matière Pièce réelle
ABS
Imprimante 3D
Matière en
fusion
Injecter la matière
(moule) Pièce moulée
Machine à
injection plastique
Figure 3: Procédé par moulage
Figure 2: Procédé par ajout de matière
5
I.2. Identification des procédés en fonction du matériau et du programme de
production
Chaque procédé dépend essentiellement du matériau et du nombre de pièce à réaliser. On
retrouve ainsi le triptyque Produit – Matériau – Procédé.
Figure 5: Triptyque Produit – Matériau – Procédé
Matériau en
feuille
Découper la
matière
Pièce
découpée
Presse à découper
Chute
Figure 4: Procédé par déformation
6
Figure 6: CAO Modèle Koala et sculpté par FAO
Chapitre II. LA CONCEPTION ET FABRICATION ASSISTEES PAR
ORDINATEUR (CFAO)
La conception et fabrication assistées par ordinateur (CFAO) est la synthèse de la conception
assistée par ordinateur (CAO) et de la fabrication assistée par ordinateur (FAO) apparue avec
l'introduction des machines-outils à commande numérique.
L'idée est qu'un système de CAO dispose précisément de toutes les informations nécessaires
pour créer le programme d'une machine-outil à commande numérique et que dans ces
conditions traiter les deux questions séparément représenterait une perte de temps et d'argent,
sans compter les risques d'erreur de transcription.[2]
II.1. Origines de la CFAO [3], [4], [5]
La Conception assistée par Ordinateur CAO avait ses origines dans trois sources distinctes,
qui servent également à mettre en évidence les opérations de base que les systèmes de CAO
fournissent. La première source de CAO résultait des tentatives d'automatisation du processus
de modélisation. Ces développements ont été mis au point par les Laboratoires de recherche
de General Motors au début des années 1960. L'un des avantages majeurs de la modélisation
informatique par rapport aux méthodes traditionnelles de modélisation est que le premier peut
être rapidement corrigé ou manipulé en modifiant les paramètres d'un modèle. La deuxième
source de CAO était l'essai de dessins par simulation. L'utilisation de la modélisation
informatique pour tester les produits a été lancée par des industries de haute technologie
comme l'aérospatiale et les semi-conducteurs. La troisième source de développement de la
7
CAO résulte des efforts visant à faciliter le passage du processus de conception au processus
de fabrication en utilisant des technologies de commande numérique (CN), qui ont été
largement utilisées dans de nombreuses applications au milieu des années 1960. C'est cette
source qui a entraîné le lien entre la CAO et la Fabrication Assistée par Ordinateur ou FAO.
L'une des tendances les plus importantes des technologies CFAO est l'intégration toujours
plus serrée entre les phases de conception et de fabrication des processus de production basés
sur la CFAO.
Le développement de la CAO et de la FAO et en particulier la liaison entre les deux ont
surmonté les défauts traditionnels de CN en termes de dépense, facilité d'utilisation et vitesse
en permettant la conception et la fabrication d'une pièce à partir du même système de codage
des données géométriques. Cette innovation a considérablement raccourci la période entre la
conception et la fabrication et a considérablement élargi la portée des processus de production
pour lesquels la machinerie automatisée pourrait être utilisée économiquement. Tout aussi
important, CFAO a donné au concepteur un contrôle beaucoup plus direct sur le processus de
production, créant la possibilité de processus de conception et de fabrication complètement
intégrés.
La croissance rapide de l'utilisation des technologies CFAO après le début des années 1970 a
été rendue possible grâce au développement de puces de silicium produites en série et au
microprocesseur, ce qui a permis d'obtenir des ordinateurs plus abordables. À mesure que le
prix des ordinateurs a continué de diminuer et que leur puissance de traitement s'est
améliorée, l'utilisation de la CFAO s'est élargi des grandes entreprises utilisant des techniques
de production de masse à grande échelle à des entreprises de toutes tailles. La portée des
opérations auxquelles la CFAO a été appliquée s'est également élargie. En plus de la mise en
forme des pièces par des procédés traditionnels tels que l'emboutissage, le perçage, le fraisage
et le meulage, la CFAO est utilisée par les entreprises qui produisent des produits
électroniques grand public, des composants électroniques, des plastiques moulés et une foule
d'autres produits . Les ordinateurs sont également utilisés pour contrôler un certain nombre de
procédés de fabrication tels que le traitement chimique qui ne sont pas strictement définis
comme FAO car les données de contrôle ne sont pas basées sur des paramètres géométriques.
En utilisant la CAO, il est possible de simuler en trois dimensions le mouvement d'une pièce à
travers un processus de production. Ce procédé permet de simuler les vitesses d'avance, les
angles et les vitesses des machines-outils, la position des pinces de maintien partielles, ainsi
que les contraintes de portée et autres limitant les opérations d'une machine. Le
8
développement continu de la simulation de divers procédés de fabrication est l'un des
principaux moyens par lesquels les systèmes CAO et FAO sont de plus en plus intégrés. Les
systèmes CFAO facilitent également la communication entre les personnes impliquées dans la
conception, la fabrication et d'autres processus. Ceci est particulièrement important lorsqu'une
entreprise contracte une autre pour concevoir ou produire un composant.
II.2. Avantages et inconvénients
La modélisation avec les systèmes de CAO offre un certain nombre d'avantages par rapport
aux méthodes traditionnelles de modélisation qui utilisent des règles, des équerres, des
compas, des crayons. Par exemple, les dessins peuvent être modifiés sans effacer et
redessiner. Les systèmes de CAO offrent également des fonctionnalités de «zoom» analogues
à un objectif d'appareil photo, grâce auxquelles un concepteur peut agrandir certains éléments
d'un modèle pour faciliter l'inspection. Les modèles informatiques sont typiquement
tridimensionnels et peuvent être tournés sur n'importe quel axe, tout comme on pourrait faire
pivoter un modèle tridimensionnel réel dans la main, ce qui permet au concepteur de mieux
comprendre l'objet. Les systèmes CAO se prêtent également à la modélisation de dessins
découpés, dans lesquels la forme interne d'une pièce est révélée, et à illustrer les relations
spatiales entre un système de pièces.
Pour comprendre la CAO, il est également utile de comprendre ce que la CAO ne peut pas
faire. Les systèmes de CAO n'ont aucun moyen de comprendre les concepts du monde réel,
tels que la nature de l'objet conçu ou la fonction que l'objet servira. Les systèmes de CAO
fonctionnent par leur capacité à codifier des concepts géométriques. Ainsi, le processus de
conception utilisant la CAO consiste à transférer l'idée d'un concepteur dans un modèle
géométrique formel. Les efforts pour développer une «intelligence artificielle» (IA)
informatisée n'ont pas encore réussi à pénétrer au-delà de la mécanique - représentée par la
modélisation géométrique (basée sur des règles).
La recherche et le développement dans le domaine des systèmes d'ingénierie traitent d'autres
limitations de la CAO. Ce champ est dérivé de la recherche effectuée en IA. Un exemple de
système d'ingénierie consiste à intégrer des informations sur la nature des matériaux - leur
poids, leur résistance à la traction, leur flexibilité, etc…, dans le logiciel de CAO. En incluant
cette information et d'autres, le système de CAO pourrait alors «savoir» ce qu'un ingénieur
expert sait quand cet ingénieur crée une conception. Le système pourrait alors imiter le
modèle de pensée de l'ingénieur et effectivement «créer» plus de la conception. Les systèmes
9
experts peuvent impliquer la mise en œuvre de principes plus abstraits, tels que la nature de la
gravité et du frottement, ou la fonction et la relation des pièces couramment utilisées, comme
les leviers ou les écrous et boulons. Les systèmes d'ingénierie peuvent également changer la
façon dont les données sont stockées et récupérées dans les systèmes CFAO, en remplaçant le
système hiérarchique par un système offrant une plus grande souplesse. De tels concepts
futuristes dépendent tous de notre capacité d'analyser les processus de décision humaine et de
les traduire en équivalents mécaniques si possible.
L'un des principaux domaines de développement des technologies de CAO est la simulation
des performances. Parmi les types de simulation les plus courants, on peut citer les essais de
contrainte et la modélisation du processus par lequel une pièce peut être fabriquée ou les
relations dynamiques entre un système de pièces. Dans les essais de contraintes, les surfaces
de modèle sont représentées par une grille ou un maillage, qui se déforment lorsque la pièce
subit une contrainte physique ou thermique simulée. Les tests de dynamique fonctionnent
comme un complément ou un substitut aux prototypes de construction. La facilité avec
laquelle les spécifications d'une pièce peut être modifiée facilite le développement
d'efficacités dynamiques optimales, à la fois en ce qui concerne le fonctionnement d'un
système de pièces et la fabrication d'une quelconque pièce donnée. La simulation est
également utilisée dans l'automatisation de la conception électronique, dans laquelle le flux
simulé de courant à travers un circuit permet de tester rapidement diverses configurations de
composants.
Les processus de conception et de fabrication sont, dans un certain sens, conceptuellement
séparables. Pourtant, le processus de conception doit être entrepris avec une compréhension
de la nature du processus de production. Il est nécessaire, par exemple, pour un concepteur de
connaître les propriétés des matériaux avec lesquels la pièce pourrait être construite, les
diverses techniques par lesquelles la pièce pourrait être façonnée et l'échelle de production qui
est économiquement viable. Le chevauchement conceptuel entre la conception et la
fabrication suggère les avantages potentiels de la CAO et de la FAO et la raison pour laquelle
ils sont généralement considérés ensemble comme un système.
Les développements techniques récents ont eu un impact fondamental sur l'utilité des
systèmes CFAO. Par exemple, la puissance de traitement croissante des ordinateurs
personnels leur a donné la viabilité comme un véhicule pour l'application CFAO. Une autre
tendance importante est l'établissement d'une norme CFAO unique, de sorte que différents
paquets de données peuvent être échangés sans retards de fabrication et de livraison, des
10
révisions de conception inutiles et d'autres problèmes qui continuent de troubler certaines
initiatives CFAO. Enfin, le logiciel CFAO continue d'évoluer dans des domaines tels que la
représentation visuelle et l'intégration des applications de modélisation et de test.
II.3. La conception assistée par ordinateur (CAO)[6][7]
La CAO ou conception assistée par ordinateur est utilisée par les architectes, les ingénieurs,
les rédacteurs, les artistes et d'autres pour créer des dessins de précision ou des illustrations
techniques. Le logiciel de CAO peut être utilisé pour créer des dessins en deux dimensions
(2D) ou des modèles tridimensionnels (3D).
La CAO utilise comme matériel un ordinateur qui doit être puissant et, le plus important, un
logiciel de conception. La CAO peut être utilisée dans diffèrent domaine telle que la
mécanique, l'électronique, l'électricité, bâtiments et travaux public, etc.
Il y a plusieurs types de logiciel CAO selon le domaine d'utilisation et il y en a même qui peut
être utilisés dans plusieurs domaines. Le tableau 1 ci-dessous décrit quelques-uns de ces
logiciels classifiés selon leur domaine et illustrés par quelques exemples (figures 7 et 8):
Tableau 1: Liste de quelques logiciels de CAO
Domaine Nom du
logiciel Développeur Site Web
Type de
licence
Mécanique
SolidWorks Dassault
Systèmes www.solidworks.fr Commercial
AutoCAD Autodesk www.autodesk.fr Commercial
Sketchup Google www.sketchup.com Gratuit
Solid Edge SIEMENS www.digicad.fr/solid-edge Commercial
FreeCAD Juergen
Riegel https://www.freecadweb.org/ Gratuit
Electronique
Eagle
(Easily
Applicable
Graphical
Layout
Editor)
CadSoft
Computer
GmbH
www.autodesk.com/products/eagle Commercial
Fritzing
Interaction
Design Lab
Potsdam
http://fritzing.org Gratuit
BTP ArchiCAD Graphisoft https://archicad.fr Commercial
11
Figure 7: Conception d'une MOCN avec SolidWorks 2013
Figure 8: Création d'un circuit imprimé avec Fritzing
12
II.4. La fabrication assistée par ordinateur (FAO)
La FAO ou Fabrication Assistée par Ordinateur est une forme d'automatisme où les
ordinateurs communiquent les instructions codés à partir de la CAO directement à la machine-
outil à commande numérique pour créer la pièce.
II.4.1. Machine-Outil à Commande Numérique (MOCN)
II.4.1.1. Définition
Une machine-outil à commande numérique (MOCN, ou simplement CN) est une machine-
outil dotée d'une commande numérique. Lorsque la commande numérique est assurée par un
ordinateur, on parle parfois de machine CNC pour « Computer Numerical Control », francisé
en « Commande Numérique par Calculateur ». [2]
II.4.1.2. Historique [8][9]
La commande numérique ou CN a été développé à la fin des années 1940 et au début des
années 1950 par John T. Parsons en collaboration avec le MIT (Massachusetts Institute of
Technology). Il a été développé pour aider dans l'effort de fabrication après-guerre. Les pièces
d'aéronefs devenaient de plus en plus complexes et exigeaient un niveau de précision que les
opérateurs humains ne pouvaient atteindre.
Au début, les machines étaient câblées, puis les instructions étaient données à l'aide de cartons
perforés à partir de 1952. Cinq ans plus tard, des machines CN étaient installées dans des
environnements de production de métaux partout aux États-Unis. Au milieu des années 60, la
technologie CN jouait un rôle dominant dans l'industrie.
La plupart des programmes de machines ont été enregistrés sur un carton perforé ou une
bande d'aluminium jusqu'au environ de 1980. Dans les années 1970 et 1980, la croissance de
la technologie des microprocesseurs a permis aux ordinateurs d'être connectés directement à
des machines CN utilisant des câbles, d'où le terme CNC ou "Computer Numerical Control"
traduit en Français par Machine-Outil à Commande Numérique ou MOCN.
Fondamentalement, le contrôle numérique est une technique de contrôle des machines plutôt
qu'un type spécifique de machine. Les CNC ont été construits à l'origine pour l'usinage du
métal. Ils ont ensuite été adaptés pour d'autres industries telles que le bois, le tissu, la mousse
13
et les plastiques pour n'en nommer que quelques-uns. Toutes ces machines ont quelques
caractéristiques en commun qui sont:
un programme (instructions)
un contrôleur
une machine-outil.
Les routeurs en bois diffèrent de leurs cousins de travail des métaux en ce qu'ils ne sont pas
soumis aux mêmes forces de charge et de vibrations. Ils tournent plus vite, jusqu'à 24000 tr /
min et ont des tables de travail plus larges. Ils utilisent des outils et des porte-outils plus petits
et travaillent à des vitesses d'usinage plus rapides Jusqu'à 30 m / min. Une autre différence est
qu'ils ne nécessitent pas le même niveau de précision. Les applications de travail des métaux
exigent généralement une précision beaucoup plus grande et des tolérances plus serrées que
pour l'usinage du bois.
M. IsaoShoda prétend avoir construit le premier CNC dans le monde et il l'a exposé à la foire
internationale d'Osaka en 1968. (Modèle: NC-111A)
Figure 9: NC 111A, premier CNC
Au début des années 70, l'avènement du premier CNC est apparu dans l'industrie aérospatiale
et contrôlée par un Ordinateur central qui est un ordinateur de grande puissance de traitement.
À la fin des années 70, les foreuses CN ont été les premières à apparaître dans l'industrie du
bois. Ils ont été appelés machines point à point parce qu'ils ont déplacé une perceuse d'un
point à l'autre et fait un trou. Le terme point à point a été inventé à partir d'une méthode
14
d'assemblage de circuit électronique avant 1950, précèdent le circuit imprimé qui requiert des
assembleurs électroniques professionnels.
D'autres événements ayant eu un impact sur la technologie MOCN étaient:
Milieu de l'année 1970: premier microprocesseur (Intel 8080)
Fin des années 1970: Premier MOCN 5 axes dans le travail du bois.
Aujourd'hui, les MOCN sont utilisées dans plusieurs industries de fabrication pour la découpe
de tôles par le découpage plasma ou laser, et même l'ancêtre de la fameuse imprimante 3D ou
tridimensionnelle.
II.4.1.3. Avantage des MOCN
Alors que les applications spécifiques des MOCN varient largement d'une machine à l'autre,
toutes ces machines sophistiquées sont devenues largement utilisées dans une variété
d'industries. Quelques-uns des principaux avantages offerts par la technologie CNC sont
décrits ci-après:
a) Automatisation
Le premier avantage offert par toutes les formes de MOCN est l'automatisation améliorée. Le
niveau de compétence de l'opérateur dans la production du travail peut être réduit ou éliminé.
De nombreuses MOCN peuvent fonctionner sans surveillance pendant tout leur cycle
d'usinage, ce qui libère l'opérateur de faire d'autres tâches. Cela donne plusieurs avantages,
dont une fatigue réduite de l'opérateur, moins d'erreurs causées par des erreurs humaines, un
temps d'usinage constant et prévisible pour chaque pièce.
b) Précision
Le deuxième avantage majeur de la technologie CNC est la cohérence et la précision sur les
pièces de travail. Cette précision se trouve dans la plage de 0,05 à 0,10 mm et une répétabilité
proche ou supérieure à 0,02mm. Cela signifie qu'une fois qu'un programme est vérifié, deux,
dix ou mille pièces de travail identiques peuvent être facilement produites avec la même
précision et la même cohérence.
15
c) Flexibilité
Un troisième avantage offert par la plupart des formes de MOCN est la flexibilité. Puisque
ces machines sont exécutées à partir de programmes informatiques, travailler sur une pièce
différente est aussi simple que de charger un programme différent.
Cela conduit à un autre avantage, le changement rapide. Étant donné que ces machines sont
très faciles à installer et à exécuter, et compte tenu de la facilité avec laquelle les programmes
peuvent être chargés, ils permettent un temps de mise en place très court. Ceci est essentiel
avec l'environnement de production juste-à-temps d'aujourd'hui.
La réduction du nombre de machines nécessaires dans un atelier de fabrication du bois est un
autre avantage digne de mention. Dans le passé, un grand nombre de machines dédiées étaient
nécessaires pour produire des meubles ou des armoires. Avec l'avènement de cette
technologie, cette réalité a radicalement changé.
II.4.1.4. Inconvénients des MOCN
Les MOCN présentent aussi quelques inconvénients dont les principaux sont :
Elles sont couteuses ainsi que leurs réparations ;
Elles n'éliminent pas toutes les erreurs. L'opérateur peut faire une erreur sur la
commande, peut faire un alignement incorrect.
II.4.1.5. Types de MOCN
Il existe plusieurs types de MOCN. Elles peuvent être classées en deux catégories selon le
type de procédé:
Par la méthode soustractive ou par enlèvement de matière:
Fraiseuse numérique,
Tour numérique,
Découpe plasma.
Par la méthode additive, comme l'imprimante 3D
16
Figure 10: Fraiseuse numérique industrielle OPTIMUM F 80 [13]
Figure 11: Fraiseuse numérique de fabrication artisanale [14]
17
Figure 12: Tour numérique moderne [15]
Figure 13: Découpe plasma [16]
18
Figure 14: Imprimante 3D
II.4.1.6. Structure d'une MOCN
Une MOCN peut être représentée par un système bouclé où chaque élément contribue à la
réalisation du contrat fonctionnel. La commande de la machine consiste à mettre en position
relative ses différents éléments.
Figure 15: Modèle structurel d'une machine-outil
Outils
Pièce
Porte-pièce
Machine-outils
Porte outils
19
Une MOCN est divisée en 2 grandes parties:
La partie commande
La partie opérative
a) La partie commande
La partie commande est une commande numérique qui donne des ordres à la partie opérative.
Une commande numérique est une sorte d'automatisme dans laquelle les ordres de
mouvements ou de déplacements, la vitesse de ces déplacements et leur précision sont donnés
à partir d'informations numériques.
Avant la naissance de l'ordinateur que l'on utilise aujourd'hui, la partie commande numérique
est faite par un carton perforé. Les informations sont ainsi codées par des petits trous qu'un
lecteur transcrit et communique à la partie opérative.
Figure 17: Carte perforée à 80 colonnes
Partie Commande Câble liaison Partie Opérative
Figure 16: Fonctionnement global d'une MOCN
20
Mais avec un ordinateur, on utilise un logiciel FAO et un calculateur numérique ou Directeur
de Commande Numérique (DCN) d’où le terme de Commande Numérique par Calculateur
(CNC). Le logiciel lit les codes qui sont de type code géométrique (G-code) et l'envoi au
Directeur de Commande Numérique.
b) La partie logicielle
Le logiciel en FAO sert à transcrire les modèles conçus lors de la CAO en code géométrique
ou Gcode et de les exécuter. Il y a une large gamme de logiciel FAO ; il y en a qui sont des
logiciels libres, commerciaux, professionnels et même à exécuter en ligne sur internet. Sont
présentés ci-dessous quelques exemples.
Tableau 2: Quelques logiciels FAO
Logiciel Catégorie
GRBL Controller Libre
Mach3 Commerciale
GcodeSender Libre
Easel En ligne
MasterCAM Commerciale
LinuxCNC Libre
G-code:
Gcode ou "Geometric Code" (également RS-274), qui a de nombreuses variantes, est le nom
commun pour le langage de programmation de commande numérique (CN). Il est utilisé
principalement dans la FAO pour contrôler les machines-outils automatiques. Le Gcode est
parfois appelé langage de programmation G.
Figure 18: Fonctionnement d'une Commande Numérique
G-code Post-processeur MOCN
21
Gcode est un langage dans laquelle on dit aux machines-outils à commande numérique
comment faire quelque chose. Le «comment» est défini par des instructions sur où déplacer,
la vitesse de déplacement, et quel chemin suivre. La situation la plus courante est que, au sein
d'une machine-outil, un outil de coupe est déplacé conformément à ces instructions par un
chemin d'outil et coupe le matériau pour ne laisser que la pièce finie. Le même concept
s'étend également aux procédés additifs tels que l'impression 3D et les instruments de mesure.
Le Gcode est composé d'une séquence de lettres alphanumériques dont la signification est
résumée dans les tableaux suivants.
Tableau 3: Signification des lettres en Gcode
Lettre Significations
G Fonctions préparatoires, fonctions d'appel de mode d'interpolation (G 0),
cycle machine
X, Y, Z, A,
B, Coordonnées de points
S, F Vitesses, avances
M Fonctions auxiliaires qui permettent d'enclencher la lubrification, de
changer d'outil, ou de déclencher des accessoires.
R Rayon d'arc ou option passée à un sous-programme
P Temps de pause ou option passée à un sous-programme ou appel de sous-
programme
T Sélection d'outil
I Centre X des données d'un arc
J Centre Y des données d'un arc
K Centre Z des données d'un arc
D Diamètre de coupe ou décalage pour l'épaisseur d'outil
H décalage pour la hauteur de l'outil
22
Tableau 4: Liste des fonctions préparatoire
Code Signification
G00 Déplacement rapide
G01 Interpolation linéaire
G02 Interpolation circulaire (sens horaire, anti-trigo)
G03 Interpolation circulaire (sens anti-horaire, trigo)
G04 Arrêt programme et ouverture carter (pour nettoyer) (temporisation - suivi
de l'argument F ou X en secondes)
G10/G11 Écriture de données / Effacement de données (suivi de l'argument L suivant
le type de données à écrire)
G17 Sélection du plan X-Y
G18 Sélection du plan X-Z
G19 Sélection du plan Y-Z
G20 Programmation en pouces
G21 Programmation en mm
G28 Retour à la position d'origine
G31 Saute la fonction (mode Interrupt utilisé pour les capteurs et les mesures
pièces et de longueur d'outil)
G33 Filetage à pas constant
G34 Filetage à pas variable
G40 Pas de compensation de rayon d'outil
G41 Compensation de rayon d'outil à gauche
G42 Compensation de rayon d'outil à droite
G54 à G59 Activation du décalage d'origine pièce (Offset)
G68 / G68.1 Activation du mode "Plan incliné" (Tilted plane working) pour les centres
d'usinage 5 axes
G71 / G71.7 Cycle d'ébauche suivant l'axe Z (appel de profil balisé entre les arguments P
et Q)
G76 / G76.7 Cycle de filetage
G69 Annulation du mode Tilted plane working (Plan incliné)
G84 Cycle de taraudage rigide
G90 Déplacements en coordonnées absolues
G91 Déplacements en coordonnées relatives
G94/G95 Déplacement en pouces par minute/pouce par tour
G96 ; G97 Vitesse de coupe constante (vitesse de surface constante) ; Vitesse de
rotation constante ou annulation de G96
23
Tableau 5: Exemple de Gcode avec explication
G-Code Signification
N01 M216 Mise en route du contrôleur de charge
N015 G20 T00 G99 Programmation en pouces, annulation des décalages outils,
avance en pouces/révolution.
N02 G00 X20 Z20 Déplacement rapide en dehors de la pièce, pour donner le
point de départ de l'outil
N03 G50 S2000 Définit la vitesse de rotation maximum de la broche
N04 T03 Choisit l'outil #3 dans le carrousel
N05 G96 S854 M42 M03
M08
Découpe à vitesse variable, 854 pieds/min, grande vitesse
de broche, démarrage de la broche en rotation horaires,
démarrage de la lubrification
N06 G00 X1.1 Z1.1 T0303
Déplacement rapide vers un point situé à 0,1 pouce du bout
de la barre et à 0,05 pouce du bord, en utilisant les valeurs
de réglage de l'outil #3
N07 M01 Arrêt optionnel
N08 G01 Z1.0 F.05 Avance horizontalement, en avance de travail, jusqu'à ce
que l'outil soit à 1 pouce de la référence
N09 X0.0 Descend jusqu'à ce que l'outil soit au centre - en face du
bout de la barre
N10 G00 Z1.1 Avance rapide à 0,1 pouce du bout de la barre
N11 X1.0 Avance rapide jusqu'à la position correspondant au diamètre
extérieur fini
N12 G01 Z0.0 Avance horizontalement, en avance de travail, en coupant la
barre à 1 pouce de diamètre jusqu'à la référence
N13 G00 X1.1 Avance rapide en s'écartant de 0,05 pouce de la surface de
la pièce
N14 X20 Z20 S'éloigne de la pièce, toujours en avance rapide
N15 M05 M09 Arrête la broche et coupe l'arrosage
N16 M215 Coupe le contrôleur de charge
N17 M30 Fin du programme
24
Le post-processeur
Le post-processeur est le cœur de la commande numérique. C'est un automate programmable
qui effectue les fonctions suivantes:
Lire les instructions codées (Gcode).
Décoder les instructions codées (Gcode).
Pour implémenter des interpolations (linéaires, circulaires et hélicoïdales) pour
générer des ordres de mouvement d'axe.
Alimenter les commandes de mouvement d'axe vers les circuits amplificateurs (pilote)
pour l'entraînement des mécanismes d'axe.
Recevoir les signaux de retour de position et de vitesse pour chaque axe
d'entraînement.
Mettre en œuvre des fonctions de commande auxiliaires telles que le liquide de
refroidissement ou la marche ou arrêt de la broche et le changement d'outil.
Selon le cas, on peut utiliser différents types d'automates programmables. Mais quel que soit
le type, ces automates ont toujours un microprocesseur, une source d'alimentation, des entrées
et des sorties logiques et analogiques, un module de communication. Le nombre
d'Entrée/Sortie (E/S), la vitesse du microprocesseur, et la capacité des mémoires qui
définissent la puissance et de leur utilisation qui varie de l'industrielle à la domotique. Par
exemple, pour l'application industrielle, il y a plusieurs marques et constructeurs, la figure 19
en montre un exemple. Mais pour l'application domestique, il y a par exemple l'Arduino le
Rapsberry Pi.
Figure 19: Automate programmable industriel (API) S7 300 Siemens
Alimentation Module des signaux
E/S
Unité Central: Microprocesseur
+ Communication + mémoires
25
Figure 20: Arduino Nano
Figure 21: Rapsberry PI
c) Partie opérative
La partie opérative est la machine proprement dite. Elle est composée par des moteurs qui
commandent les axes, le système d'entrainement et l'outil.
26
Systèmes d'axes des MOCN
Un axe est un degré de mobilité de la machine participant aux déplacements de la pièce par
rapport à l'outil ou l'inverse. En fait, un tour numérique possède 2 axes et une fraiseuse 3 axes.
Mais on peut avoir aujourd'hui un MOCN jusqu'à 5 axes avec plus de libertés pour réaliser
des pièces plus complexes.
Ce qui nous intéresse le plus dans cette étude est la fraiseuse numérique à trois axes qui sont
normalisés par un trièdre droit et direct X, Y et Z et peut être définis par la règle des trois
doigts.
L'axe Z de la machine est un axe confondu avec celui de la broche de la machine. Le sens
positif de de cet axe est donné par le sens d'éloignement de l'outil par rapport à la pièce. La
détermination de l'axe X entre les 2 axes restants se fait en identifiant celui qui permet le plus
grand déplacement. Le sens positif de X est déterminé par le sens logique d'éloignement de
l'outil par rapport à la pièce. L'axe Y est déterminé à partir de Z et grâce à la règle du trièdre
direct.
Z+
X+
Y+
O
Figure 22: Trièdre droit et direct
27
Figure 23: Système d'axes d'une MOCN à 3 axes
Motorisation
Les moteurs utilisés pour la commande des axes sont dans la plupart des cas des moteurs pas-
à-pas à cause de leur haute résolution et de leur précision. Mais on peut aussi utiliser des
servomoteurs et des moteurs simples mais pour ces derniers il faut utiliser un système à
boucle fermé c'est-à-dire avec des capteurs de position.
Moteur pas-à-pas [2]
Un moteur pas à pas est un moteur "à impulsions" qui modifie la position angulaire du rotor
en "pas".
Il existe trois types de moteur pas-à-pas:
le moteur à réluctance variable:ces moteurs sont composés d'un barreau de fer doux
et d'un certain nombre de bobines. Lorsqu'on alimente une bobine, le champ
magnétique cherche à minimiser le passage dans l'air. Ainsi l'entrefer entre la bobine
et le barreau se réduit. Le barreau s'aligne avec le champ magnétique pour obtenir une
réluctance minimale. On alimente la phase 1, puis la phase 2, puis la phase 3... Si nous
X+
Y+
Z+
28
souhaitons changer le sens du moteur, il suffit de changer l'ordre d'alimentation des
bobines.
le moteur à aimants permanents: Les moteurs à aimants permanents sont semblables
aux moteurs à réluctance variable, sauf que le rotor possède des pôles NORD et SUD.
À cause des aimants permanents, le rotor reste freiné à sa dernière position lorsque le
bloc d'alimentation cesse de fournir des impulsions.
le moteur hybride: qui est une combinaison des deux technologies précédentes. Le
moteur pas à pas hybride emprunte du moteur à aimant permanent et de la machine à
réluctance variable. Il est donc à réluctance variable mais avec un rotor à aimants
permanents. L'avantage est un nombre de pas très élevé.
Figure 24: Constituants d'un moteur pas-à-pas hybride
Les moteurs pas-à-pas ne fonctionnent pas directement par un courant continue même si on
dit qu'ils sont alimentés par un courant continue mais par des impulsions. C'est pourquoi il
faut un pilote ou "driver" en anglais pour faire tourner le moteur. Il existe plusieurs types de
pilote sur le marché mais le choix dépend surtout de la puissance voulue. Il y par exemple le
"Easy driver" et le Polulu A4988.
29
Figure 25: Easy driver V4.3
Figure 26: Polulu A4988
Ces moteurs peuvent aussi fonctionner en mode pas complet, démi-pas, quart de pas, huitième
de pas et même en seizième de pas que l'on nomme micro-pas. L'avantage du Micro-pasest
que la résolution du moteur augmente avec une vibration minimale. Ce choix se fait sur le
pilote du moteur. Par exemple pour le Polulu A4988, ce réglage se fait par un signal 5V sur
les broches MS1, MS2 et MS3. Le tableau suivant résume les cas possible de Micro-pas: [10]
30
Tableau 6: Polulu A4988 Micro-pas
MS1 MS2 MS3 Micro-pas
Off Off Off Pas complet
On Off Off Démi-pas
Off On Off Quart de pas
On On Off Huitième de pas
On On On Seizième de pas
Système d'entrainement des axes
Il y a plusieurs méthodes pour l'entrainement des axes, mais le choix dépend de l'utilisation,
de la force utilisée, de la vitesse d'avancement… :
Entrainement par courroie cranté: rapide et haute précision mais peu de couple généré.
Utilisé pour les découpes plasma et laser.
Entrainement par vis: couple fort mais vitesse lente etprésence de jeu entre les pièces
pour les vis trapézoïdales. Pour plus de précision, on utilise le plus souvent des vis à
bille.
Entrainement par chaine: vitesse rapide et couple fort mais se détériore rapidement s'il
y a présence de poussière.
Figure 27: Vis à bille
31
Figure 28: Système de guidage linéaire de l'axe
Pour réduire les frottements lors de l'entrainement des axes, on utilise des glissières à billes ou
des glissières à roulement.
32
PARTIE II. REALISATION DE LA MACHINE-OUTIL A
COMMANDE NUMERIQUE
33
INTRODUCTION
Le procédé qu'on va utiliser est le procédé par enlèvement de matière ou la méthode
soustractive. On a pour la machine, le choix entre un tour numérique ou une fraiseuse
numérique.
Pour produire une large gamme de pièces, il nous faut donc beaucoup d'axes (trois au
minimum).
Un tour numérique ne possède que deux (2) axes et ne peut fabriquer que des pièces de
révolution c'est-à-dire que la pièce obtenue est de type circulaire.
Une fraiseuse peut bien répondre à notre objectif, car elle possède trois (3) axes X, Y et Z.
Elle peut donc fabriquer des pièces bidimensionnelles et tridimensionnelles. Une fraiseuse
peut aussi travailler différents types de matériaux, ayant une dureté moyenne, que ce soit du
plastique, de l'aluminium, du bois et même du matériau composite.
La machine qu'on va construire est donc une fraiseuse numérique car elle correspond bien à
notre attente.
La première étape de la réalisation est la modélisation de notre machine. C'est une conception
assistée par ordinateur. Le but est de pouvoir simuler le système qu'on va créer et de ne pas
gaspiller du temps et de la matière. Pour notre étude, nous avons opté pour le logiciel CAO
« Solidworks 2013 ». Ce logiciel est simple à utiliser et peut simuler conjointement les
mouvements ainsi que les contraintes.
Mais avant de concevoir notre modèle 3D avec Solidworks 2013, il faut tout d'abord définir le
type de matériaux qu'on va utiliser pour la construction.
34
Chapitre III. CHOIX DU TYPE DE MATERIAUX
III.1. Tubes en aluminium
Il existe des tubes en aluminium conçus spécialement pour une fraiseuse numérique. Il existe
même des sites internet spécialisé pour ces ventes.
L'avantage de l'aluminium dans cette réalisation est qu'il est très léger et a un bon
comportement vis-à-vis de l’oxydation par l’oxygène de l’air. Les tubes sont très droits et très
précis. Au niveau esthétique, il a aussi une belle apparence.
Figure 29: Exemple de MOCN fait avec de tube aluminium
L'inconvénient de ce type de matériau est son prix de revient très élevé et son montage ne
peut pas se faire avec une soudure mais avec des équerre et des boulons ou des vis ce qui met
en jeu la robustesse.
III.2. Contreplaqué bois
On peut aussi utiliser le bois ou plus précisément le contreplaqué pour la fabrication. Le cadre
en contreplaqués est facile à construire, bon marché et très précis. Il présente cependant des
inconvénients ; comme sa sensibilité à l’humidité qui va influencer sur la durée de vie et la
robustesse de la machine. Il faut aussi des rails pour ce dernier.
35
Figure 30: Exemple de MOCN fait avec de contreplaqué
III.3. Tubes métalliques
Les tubes métalliques de section carrée et/ou rectangulaire peuvent aussi convenir pour la
construction. La forme rectangulaire présente plus de résistance à la flexion mais est un peu
difficile pour l'assemblage. Tandis que les tubes de section carréesontplus faciles à assembler.
Les tubes métalliques sont facilement soudables, même avec une soudure à l'arc. Ils peuvent
être utilisés directement comme glissière de la machine. Ils sont aussi moins couteux que leurs
cousins aluminium et aussi plus robuste, toute fois ils sont pénalisés par leur poids.
Figure 31: Exemple de MOCN fait avec de tube métallique
36
III.4. Conclusion sur le choix de la matière
Notre machine doit être robuste, facile à construire, et le moins couteux possible. Au vu de
l’analyse sommaire que nous avons effectué, ce sont les tubes métalliques qui répondent le
mieux à notre attente.
On va donc utiliser des tubes métalliques de section carrée, avec deux sections
différentes mais de même épaisseur 1 mm :
des tubes de section 40mm X40mm ;
des tubes de section 20mm X 20mm.
La base est faite de tubes carrés de 40mm et le chariot avec des tubes de 20mm.
37
Chapitre IV. LES DIFFERENTES PARTIES DE LA MACHINE-OUTIL
IV.1. Les glissières
Les glissières assurent le mouvement de chaque axe. Elles diminuent les frottements et les
vibrations.
La glissière à billes est très pratique mais elle est très couteuse et difficile à trouver sur le
marché.
La glissière à roulement quant à elle peut être fabriquée et représente un bon rendement. Elle
peut donc être utilisée pour les axes X et Y. Des tubes carrés de 20mm, des boulons et écrous
de 8mm de diamètre ou de type M8 sont ainsi utilisés. Les roulements utilisés sont des
« 608 » car leur diamètre intérieur coïncide bien avec le boulon M8.
Figure 32: Glissière pour Axe X et Y
Ce type de coulisseau est très encombrant pour l'axe Z. Une glissière de tiroir est plus
convenable pour cet axe.
Glissière:
tube carré
40mm
Coulisseau:
tube carrée
20mm
Roulement
608
Boulon M8
Ecrou M8
Tension
ajustable
38
L l
h
Stator
Rotor
Dents
rotor
Bobine
stator
Figure 34: Spécification du moteur
Figure 33: Coulisse à bille pour l'axe Z (type glissière de tiroir)
IV.2. Les moteurs
Notre fraiseuse possède 3 axes, donc il nous faut trois moteurs au minimum pour
l'entrainement. On peut utiliser 2 types de moteurs: des servomoteurs et des moteurs pas-à-
pas.
Les servomoteurs sont très silencieux et sont très précis aussi. Ils sont aussi équipés d'un
système de positionnement et donc peuvent être utilisés en boucle fermé. Mais ils sont très
couteux et difficile d'en procurer sur le marché.
Les moteurs pas-à-pas quant à eux sont faciles à trouver sur le marché et leurs prix sont plus
abordables comparésà ceux des servomoteurs. Ils sont utilisés dans beaucoup de domaines et
dans différentes machines industrielles. Les moteurs pas-à-pas qu'on va utiliser sont de
récupération d'une machine d'une usine textile.
Malheureusement les moteurs ne présentent aucune identification. Il faut donc identifier le
type de ces moteurs.
39
Les spécifications du moteur sont résumées dans le tableau suivant:
Tableau 7: Spécifications du moteur
Désignation Symbole Valeur
Largeur l 57mm
Hauteur h 57mm
Longueur L 56mm
Diamètre de l'axe Φ 6,35mm
Poids P 700 g
Nombre de dents du rotor 200
Nombre de fils de sortie 4 fils
Nombre de bobine sur le stator 8
Résistance de la phase R 3.5ohms
On peut résumer ces spécifications, avec les observations y afférant comme suit :
Le moteur est un moteur pas-à-pas hybride.
Le moteur possède 4 fils donc c'est un moteur pas-à-pas hybride bipolaire.
Le rotor possède 200 dents qui déterminent le nombre de pas par révolution :
200pas/révolution
L'angle de pas est déterminé par la formule:
α =360°
𝑁𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑠 𝑟é𝑣𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛=
360°
200= 1,8°
En faisant une comparaison des spécifications ci-dessus, on voit que le moteur est proche d’un
moteur pas-à-pas Nema 23. Nous présentons dans le tableau 8une comparaison des
spécifications des deux moteurs:
40
Tableau 8: Comparaison du moteur de récupération avec Nema 23HS22-1504S
Désignation Moteur récupéré Nema 23
Largeur 57mm 57mm
Hauteur 57mm 57mm
Longueur 56mm 56mm
Diamètre de l'axe 6,3mm 6,35mm
Poids 700 g 700 g
Type du moteur Pas-à-pas bipolaire Pas-à-pas bipolaire
Nombre de fils 4 4
Angle de pas 1.8° 1.8°
Nombre de pas par révolution 200 200
Résistance de la phase 3.5ohms 3.6ohms
Couple moteur 1.16Nm
Courant par phase 1.5A
Tension recommandée 24-48V
Inductance 13mH±20%(1KHz)
Numéro du modèle 23HS22-1504S
Notre moteur est donc identique au moteur pas-à-pas Nema 23 modèle 23HS22-1504S.
IV.3. Entrainement de l'axe
Comme on l’a déjà vue dans la première partie, il y a trois types d'entrainement dont par
courroie crantée, par vis et par chaine. La courroie est rapide mais le couple est faible. On va
donc choisir la vis.
Une vis à bille est l'idéale mais elle est chère et difficile à trouver sur le marché. La vis
trapézoïdale fera donc l'affaire car elle peut durer longtemps même si elle a un peu de jeu.
Toute fois comme on a besoin d'une vis de 1m de longueur, le modèle trapézoïdale est
difficile à trouver, on a donc choisi une tige filetée de diamètre 8mm, avec pas normal. On
peut avoir un couple plus fort mais la vitesse d'avancement est très lente.
Cette dernière utilisée avec un écrou M8 représente beaucoup de jeu qui diminue la résolution
de la machine et peut aussi foirer rapidement. Pour résoudre ce problème, on a créé un bloc de
41
plastique taraudé. Ceci présente moins de jeu et les frottements sont aussi minimes car on
utilise du plastique autolubrifiant.
Ecrou en plastique
Tige fileté M8
Figure 35: Système d'entrainement
42
Chapitre V. CONSTRUCTION DE LA MACHINE
V.1. Présentation du modèle.
Les dimensions de notre machine sont :
Longueur : 104 cm,
Largeur : 64 cm, et
Hauteur : 40 cm à partir du plateau d'usinage.
Avec un espace d'usinage maximum de 80cm en X, 40cm en Y et 12cm en Z, soit 38 400 cm3
de volume utile.
Ci- dessous une représentation 3D du modèle avec les nomenclatures. Les plans détaillés sont
donnés en Annexes.
V.2. Montage de la machine
La construction nécessite une grande précision au niveau de la mesure et de la
perpendicularité. Une mauvaise coupe des tubes peut entraîner une mauvaise perpendicularité.
La construction commence par la base et suit la séquence suivante : le chariot X, le chariot Y,
l’axe Z, emplacement des moteurs et de la plateforme.
Moteur X
Chariot X
Moteur Y
Moteur Z Broche
Coulisseau X
Plateforme
d'usinage
Chariot Y
Tige fileté
M8
X+
Y+
Z+
104cm
64cm
40cm
Figure 36: Modèle 3D et spécifications
43
Nous présentons dans le tableau ci-dessous la liste des matériaux nécessaire pour la
construction:
Tableau 9: Matériaux nécessaires à la construction
Désignation Quantité Unité
Tube carré 40mm x 1mm 2 Barres de 6m
Tube carré 20mm x 1mm 2 Barres de 6m
Fer plat 20mm x 3mm 1 mètre
Boulon mécanique M8/ 40mm 16 Pièces
Goujon M8 x 100mm 8 Pièces
Ecrou M8 92 Pièces
Boulon poêlier M4/ 30mm 14 Pièces
Ecrou M4 14 Pièces
Roulement à bille 608 30 Pièces
Vis à tête cylindrique à 6 pans creux M4 x 8mm 12 Pièces
Plateforme en bois 960mm x 560mm 1 Pièces
Baguette de soudure 2.5 30 Pièces
44
Chapitre VI. COMPOSANTS ELECTRIQUES ET ELECTRONIQUES ET
LOGICIEL DE COMMANDE
VI.1. Alimentation électrique de la machine
Notre machine utilise trois moteurs pas-à-pas dont la tension recommandée est de 24V et
1.5A. La puissance nécessaire est donc 24V*1.5A*3=108Watts. Le directeur de commande
utilise une source de 5V. Il nous faut donc une alimentation courant continue de 24V et de 5V
avec une puissance de 100W.
Une alimentation d'un ordinateur de bureau correspond bien à ces critères. Celle-ci donne un
courant continu 5V, 12V et -12V avec une puissance 100W. Le courant continu de sortie aussi
est très stable.
Figure 37: Boite d'alimentation d'un ordinateur de bureau
Figure 38: Broche d'une alimentation d'un ordinateur de bureau
Si on branche la prise sur le secteur, la boite ne fonctionne pas. Pour faire fonctionner la boite
d'alimentation, il faut exciter la broche Power On. Il faut donc connecter le fil vert avec une
masse(Noir).
45
Figure 40: Branchement de 2 boites d'alimentation en série
Figure 39: Branchement de mise en marche de la boite d'alimentation
On peut avoir 24V en utilisant -12V et 12V mais la puissance est un peu faible. Pour avoir
plus de puissance, on va donc utiliser 2 boites d'alimentations branchées en série.
Alimentation 1 Alimentation 2
- 24V +
46
Figure 41: Boite d'alimentation de la machine
VI.2. Composants électroniques
Les composants électroniques d'une MOCN sont l'automate programmable et les pilotes des
moteurs pas-à-pas.
VI.2.1. L'automate programmable
L'automate programmable assure la transcription des Gcode en langage compréhensible par
les moteurs c'est-à-dire sous forme d'impulsions électriques.
On peut choisir entre plusieurs types, mais l'Arduino est la plus simple, avec un prix
abordable et facile à trouver sur le marché. Mais il y a encore plusieurs types d'Arduino.[12]
Alim
1
Alim
2
47
Tableau 10: Tableau comparatif de différentes cartes Arduino
UNO R3 Leonardo Mega 2560 DUE Mini Nano
Microcontrôleur ATmega
328P
ATmega
32u4
ATmega
2560
AT91SAM
3X8E
ATmega3
28P
ATmega
328P
Cadencement
Horloge 16 MHz 16 MHz 16 MHz 84 MHz 16 MHz 16 MHz
Tension de
fonctionnement 5V 5V 5V 3,3V 5V 5V
Entrée/Sortie
Numérique 14/6 20/7 54/15 54/12 14/6 14/6
Entrée/Sortie
Analogique
(PWM*)
6/0 12/0 16/0 12/2 8/0 8/0
Mémoire vive 32 Ko 32 Ko 256 Ko 512 Ko 32 Ko 32 Ko
Dimensions 68x53mm 68x53mm 101x53mm 101x53mm 30x18mm 45x18mm
*PWM=Pulse Width Modulation (Modulation de largeur d'impulsion)
Tout d’abord, si on veut commencer à programmer à moindre coût, alors l'UNO est idéale.
Si on préfère brancher une multitude de capteurs, utiliser plusieurs périphériques en série,
alors la Mega est parfaite pour ça.
Si on veut les mêmes propriétés que la Mega, mais avec une puissance de calcul supérieure,
alors c’est plutôt la DUE qu’il nous faut.
Enfin, si on cherche à miniaturiser notre système, une Mini ou une Nano est parfaite.
Un moteur a besoin de 2 sorties logiques, une pour la direction et une pour le pas, et comme
on a 3 moteurs, il nous faut donc au total 6 sorties pour les moteurs.
On aussi besoin de 3 entrées logiques pour les interrupteurs de fin de course.
On a besoin donc au total 9 E/S c'est-à-dire 9 broches logiques : Une carte Arduino UNO
conviendra bien pour notre machine.
48
Figure 42: Arduino UNO
L'Arduino UNO est connecté à un ordinateur par USB. Une application spéciale
téléchargeable sur internet IDE Arduino doit être installée pour utiliser Arduino.
Les sorties logiques utilisées pour le pilotage des moteur sont résumées dans le tableau
suivant:
Tableau 11: Affectation des sorties logiques [11]
Axe X Axe Y Axe Z
Pas Pin 2 Pin 3 Pin 4
Direction Pin 5 Pin 6 Pin 7
49
VI.2.2. Pilotes des Moteurs
Chaque moteur pas-à-pas a besoin d'un pilote pour fonctionner. Le pilote disponible sur le
marché est le Polulu A4988 dont les caractéristiques sont indiquées dans le tableau ci-
dessous.
Tableau 12: Caractéristiques du Polulu A4988 [10]
Tension charge Max 35V
Courant sortie 2A
Voltage sortie logique -0,3 à 5,5V
Tension de sortie moteur -2 à 37V
Plage de température -20 à 85°C
Le montage des pilotes des moteurs est présenté sur la figure 43
Figure 43: Montage des pilotes des moteurs
Z
Y
X
24V
DC
50
Pour que le branchement ne soit pas trop encombré et pour éviter une perte de courant, on a
créé un circuit imprimé avec Fritzing.
La Méthode comprend plusieurs étapes :
imprimer le typon avec une imprimante laser sur un papier photo ;
repasser le typon sur une plaque de cuivre et l'encre fond et décolle du papier photo en
collant sur la plaque ;
plonger le tout dans de l'eau savonneuse pour que le papier se détache ;
rincer à l'eau et on enlève les restes du papier de la plaque ;
préparer la solution de Perchlorure de fer pour l'attaque du cuivre ;
chauffer un peu pour une meilleure dissolution ;
laisser la plaque 15 minutes dans la solution jusqu'à dissolution de la plaque de cuivre
en ne laissant que la partie recouverte par l'encre ;
retirer du bain et rincer à l'eau en grattant l'encre avec de la paille de fer très fine ;
percer les trous pour les soudages.
Ci-après la réaction chimique de dissolution: 2FeCl3 + Cu → 2FeCl2 + CuCl2
Figure 44: Création de circuit imprimé avec Fritzing
4
1
2 3
5 6
7
8
9
51
La place des pilotes sont respectivement sur1, 2 et 3 pour X, Y et Z, X 0, Y0, Z0 ;
avec 0 indication pour l'orientation du petit potentiomètre sur le pilote Polulu.
4, 5 et 6 sont des pins males montés en cavalier ou strap (ou jumper en anglais) pour la
sélection de mode d'utilisation des pilotes ou Micro-pas.
7 sont des connecteurs terminaux pour des interrupteurs de positions limites pour les Axes
X, Y et Z.
8 sont des pins males 2,54mm que l'on connecte respectivement avec les pins - (Ground),
+ (+5V), sorties logiques 2, 5, 3, 6, 4, 7, 9, 10, 12 de la carte Arduino UNO.
9 est un connecteur terminal pour l'alimentation 24 Volts.
VI.3. Logiciel FAO
Plusieurs types de logiciels peuvent être utilisés pour la commande de la machine. Mais on va
choisir Grbl qui est le plus simple et de plus gratuit.
Grbl est un logiciel libre, pour les machines 3 axes, exécuté sur un Arduino, qui analyse le
GCode reçu. Il construit un modèle mathématique des actions à effectuer, et exécute ces
mouvements en envoyant un flot continu de pulsions hautes fréquences aux moteurs pas à pas.
Le seul petit détail, c’est que Grbl n’a aucune interface utilisateur, par différence avec Mach3,
ou encore LinuxCNC, qui tous répondent à la même définition, mais permettent de piloter la
machine depuis des écrans appropriés. Il faut donc disposer d’un autre logiciel, exécuté sur
une autre machine, en liaison avec Arduino, pour pouvoir interagir avec la machine. Il existe
plusieurs de ces logiciels, et on a choisi d’utiliser UniversalGCode Sender.
Grbl est téléchargeable sur internet sur le site Github sous forme de fichier hex. Pour
l'installer, il faut connecter l'Arduino avec l'ordinateur par USB. Deux méthodes existent pour
l'installer, soit dans le logiciel IDE Arduino, soit en utilisant un petit logiciel "Xloader" gratuit
téléchargeable sur Github aussi. Cette dernière méthode est la plus simple.
On a téléchargé la dernière version de Grbl, Grbl v0.9j Atmega328p 16mhz 115200baud :
On connecte l'Arduino sur le port USB de l'ordinateur.
52
On vérifie bien que l'Arduino est bien connecté à l'ordinateur en vérifiant dans le
gestionnaire de périphériques.
On lance l'application Xloader : on choisit le chemin du fichier hex de Grbl, le type de
la carte Arduino, UNO pour notre cas, le port COM, Baud rate à 115 200
On clique sur le bouton "Upload" pour télécharger le fichier dans la carte Arduino.
Figure 45: Installation de Grbl avec Xloader
Puisque Grbl n'a pas d'interface, il nous faut donc une interface utilisateur. On peut le tester en
utilisant l'IDE Arduino mais la plus simple est d'utiliser un controller qui est Universal Gcode
Sender. Ce logiciel est téléchargeable aussi sur Github mais il nécessite Java pour fonctionner.
53
Chapitre VII. CALIBRATION ET TEST DE LA MACHINE
Une fois la construction et l'assemblage de la machine finie complètement, il ne reste à faire
que les réglages et calibrations.
VII.1. Réglages mécaniques
Les réglages mécaniques se font au niveau des coulisses des axes X et Y et au niveau des
tiges filetés d'entrainement.
VII.1.1. Réglages des coulisses
Les coulisses assurent le bon glissement des chariots sans frottements. Le réglage se fait au
niveau de l’alignement des roulements et du serrage (Figure 32). Les roulements doivent bien
être alignés car un mauvais alignement génère un effet de virage et augment le frottement.
Sila coulisse est aussi trop serrée, il y a beaucoup de frottements. Si par contre, il est mal
serré, il y a présence de jeux et ces jeux provoquent une mauvaise résolution de la machine.
VII.1.2. Réglages des tiges filetées
Les tiges filetées assurent l'entrainement des axes en transformant la rotation des moteurs en
mouvement de translation. Un mauvais réglage engendre des vibrations et une mauvaise
résolution de la machine. Le réglage se fait donc au niveau des écrous intérieurs :
Les deux écrous à chaque extrémité doivent être bien serrés contre eux sinon ils vont
se desserrer quand la tige va tourner.
Si la tige est trop serrée sur les deux extrémités par les pairs d'écrous, la tige va fléchir
et ne va pas tourner correctement à cause des frottements.
Si la tige est mal serrée sur les deux extrémités par les pairs d'écrous, il existe un jeu
linéaire qui va affecter la résolution et la précision de la machine.
VII.2. Réglage du pilote Polulu A4988
Le courant délivré par le pilote a besoin d'être ajusté aux spécifications du moteur pour lui
garantir un bon fonctionnement. Ce réglage s'effectue en tournant le potentiomètre présent sur
le dessus des modules Polulu.
Le Polulu A4988 peut délivrer un courant jusqu'à 2A. Mais si le courant est trop élevé, le
moteur pas-à-pas va générer du bruit, va chauffer et même sauter des pas et l'amplificateur
54
Polulu lui aussi va chauffer et même griller. Au contraire, si le courant trop bas, le moteur va
manquer de couple et ne tourne pas.
La méthode consiste à adapter le courant limite délivré par la carte à celui du moteur. Cette
opération est facilitée par la relation qui existe entre la tension mesurable au point de
référence et le courant délivré au moteur. On alimente la carte Polulu avec un courant de 5V
et 24V mais on ne branche pas encore le moteur. [10][
Imax = Vréf * 2,5Vréf = Imax / 2,5
Comme pour notre moteur, le courant maximum pour chaque phase est de 1,5 A donc :
Vréf = 1,5 /2,5 = 0,6 V
On tourne le petit potentiomètre dans le sens d'une aiguille d'une montre pour monter Vréfet
dans le sens contraire pour diminuer.
Figure 46: Réglage du Polulu A4988
VII.3. Branchement des moteurs
Les moteurs pas-a-pas bipolaires ont 4 fils d'alimentation, 2 fils pour chaque phase. Mais
avant de brancher les moteurs sur notre carte pour les pilotes qu'on a créés précédemment, il
faut identifier les pairs de fils des moteurs car ces derniers ne comportent aucune indication.
0,6V
55
L'identification se base sur le schéma d'un moteur pas-à-pas bipolaire. Puisque le rotor est en
partie fait avec de l'aimant, et que le stator est constitué de bobine, le fait de faire tourner le
rotor génère du courant sur les bobines. On va donc allumer une diode électroluminescente
(DEL) sur le courant induit et si la diode s'allume, cela veut dire que les 2 fils font un pair.
VII.4. Interface utilisateur
L'interface Homme-Machine qu'on va utiliser est l'Universal Gcode Sender. C'est une
application qui ne nécessite aucune installation mais exécutable directement. L'Arduino est
connecté à l'ordinateur, le programme Grbl est téléchargé dans la carte Arduino, la carte des
pilotes est bien branchée et allumée, alors on exécute l'application l'Universal Gcode Sender.
La première chose à faire si la fenêtre s'ouvre est de sélectionner le port de communication de
l'Arduino que l'on peut trouver dans le gestionnaire de périphériques. Ensuite la vitesse de
communication Baud, 115 200 pour notre cas car on utilise Grbl V1.1e, firmwareGrbl, et on
clique sur le bouton "Ouvrir". La communication est établie si Grbl 1.1e ['$' for help] est
écrite sur la Console et on peut faire des commandes soit manuellement dans l'onglet
"Commandes" soit automatiquement dans l'onglet "Contrôle machine". Si le moteur ne tourne
pas dans le bon sens avec les commandes des axes dans l'onglet "contrôle machine", on
échange tout simplement le branchement d'un seul pair de fil du moteur mais pas les deux
pairs.
Figure 47: Identification pair du moteur
56
Figure 48: Interface utilisateur
VII.4.1. Configuration de Grbl [11]
Pour afficher les paramètres, on tape $$ sur la ligne de commande manuelle après avoir
connecté à Grbl. Grbl doit répondre avec une liste des paramètres actuels du système, comme
indiqué dans l'exemple ci-dessous. Tous ces paramètres sont persistants et conservés dans
l'EEPROM, donc si on les met hors tension, ils seront chargés à nouveau la prochaine fois
qu'on allumera l'Arduino.
>>> $$
$0=10 (step pulse, usec)
$1=25 (stepidledelay, msec)
$2=0 (step port invert mask:00000000)
$3=0 (dir port invert mask:00000000)
$4=0 (stepenableinvert, bool)
$5=0 (limit pins invert, bool)
$6=0 (probe pin invert, bool)
57
$10=10 (status report mask:00001010)
$11=0.010 (junctiondeviation, mm)
$12=1.000 (arc tolerance, mm)
$13=1 (report inches, bool)
$20=0 (soft limits, bool)
$21=0 (hard limits, bool)
$22=0 (homing cycle, bool)
$23=3 (homing dirinvert mask:00000011)
$24=100.000 (homing feed, mm/min)
$25=500.000 (homing seek, mm/min)
$26=250 (homing debounce, msec)
$27=10.000 (homing pull-off, mm)
$100=2560.000 (x, step/mm)
$101=2560.000 (y, step/mm)
$102=2560.000 (z, step/mm)
$110=500.000 (x max rate, mm/min)
$111=500.000 (y max rate, mm/min)
$112=500.000 (z max rate, mm/min)
$120=10.000 (x accel, mm/sec^2)
$121=10.000 (y accel, mm/sec^2)
$122=10.000 (z accel, mm/sec^2)
$130=750.000 (x max travel, mm)
$131=400.000 (y max travel, mm)
$132=120.000 (z max travel, mm)
Ok
La commande $ x = val (dont x un nombre et val la valeur) enregistre ou modifie un
paramètre Grbl, ce qui peut être fait manuellement en envoyant cette commande lorsqu'elle
est connectée à Grbl.
Exemple:
Pour modifier manuellement, l'option d'impulsion de pas de microsecondes à 10µs, on tape 0
$ = 10, suivie par une entrée.
58
$0 – Step pulse, microseconds
Les pilotes des moteurs pas à pas sont évalués pour une certaine longueur d'impulsion
minimum. Notre Polulu A4988 à une valeur minimum de 1µs. On choisit les impulsions les
plus courtes que les pilotes puissent reconnaître de façon fiable. Si les impulsions sont trop
longues, on peut rencontrer des problèmes lors de l'exécution du système à des taux
d'alimentation et d'impulsion très élevés, car les impulsions peuvent commencer à se
chevaucher. Ce qui est recommandé est quelque chose autour de 10 microsecondes, qui est la
valeur par défaut.
$1 - Stepidledelay, msec
Chaque fois que les moteurs terminent un mouvement et s'arrêtent, Grbl retarde la
désactivation des moteurs par cette valeur. Ou, on peut toujours garder les axes activés
(alimentés de manière à maintenir la position) en réglant cette valeur au maximum de 255
millisecondes.
Le temps de blocage de ralenti pas à pas est le temps que Grbl gardera les moteurs verrouillés
avant de désactiver. Selon le système, on peut le mettre à zéro et le désactiver. Sur d'autres, on
peut avoir besoin de 25 à 50 millisecondes pour s'assurer que les axes s'arrêtent complètement
avant de désactiver. C'est pour aider à tenir compte des moteurs de machine qui n'aiment pas
être laissés sur de longues périodes de temps sans faire quelque chose. Aussi, on garde à
l'esprit que certains pilotes pas à pas ne se souviennent pas de la micro étape qu'ils ont arrêté
sur, donc lorsqu'on réactive, on peut assister à certaines étapes «perdues» en raison de cela.
Dans ce cas, on maintient les moteurs activés via $ 1 = 255.
$2 – Step port invertmask:binary
Ce réglage inverse le signal d'impulsion. Par défaut, un signal d'étape démarre à la normale-
basse et passe à l'état haut lors d'un événement d'impulsion. Après un temps d'impulsion réglé
à 0 $, la broche se remet à bas, jusqu'à l'événement d'impulsion suivante. Lorsqu'il est inversé,
le comportement de l'impulsion passe de normal-haut à bas pendant l'impulsion et retourne à
haut. Dans la plupart des cas, on n'aura pas besoin d'utiliser ce paramètre, mais cela peut être
utile pour certains pilotes qui ont des exigences particulières. Par exemple, un retard artificiel
entre la broche de direction et l'impulsion peut être créé en inversant la broche de pas.
Ce paramètre de masquage inversé est une valeur qui stocke les axes à inverser en tant que
bits. On n'a vraiment pas besoin de comprendre complètement comment cela fonctionne. Il
59
vous suffit d'entrer la valeur des paramètres pour les axes qu'on veut inverser. Par exemple, si
on veut inverser les axes X et Z, on envoie $ 2 = 5 à Grbl et le paramètre devrait maintenant
lire $ 2 = 5 (masque d'inversion de port d'étape: 00000101).
Tableau 13: configuration de la valeur du masque
Valeur Masque Inverse X Inverse Y Inverse Z
0 00000000 N N N
1 00000001 O N N
2 00000010 N O N
3 00000011 O O N
4 00000100 N N O
5 00000101 O N O
6 00000110 N O O
7 00000111 O O O
$3 – Direction port invertmask:binary
Ce réglage inverse le signal de direction pour chaque axe. Par défaut, Grbl suppose que les
axes se déplacent dans un sens positif lorsque le signal de goupille de direction est bas et un
sens négatif quand la goupille est haut. Souvent, les axes ne se déplacent pas de cette façon
avec certaines machines. Ce réglage inverse le signal de pin de direction pour les axes qui se
déplacent dans le sens inverse.
Ce paramètre de masque inversé fonctionne exactement comme le masque d'inversion du pas
et stocke les axes à inverser en tant que bit flags. Pour configurer ce paramètre, il suffit
d'envoyer la valeur des axes que vous voulez inverser. On utilise le tableau ci-dessus (Tableau
13). Par exemple, si on veut inverser la direction de l'axe Y seulement, on doit envoyer $ 3 =
2 à Grbl et le paramètre devrait maintenant lire $ 3 = 2 (dir port inverter masque: 00000010).
$4 - Stepenableinvert, bool
Par défaut, le pin d'activation pas à pas est activé à l'état haut et désactivé à l'état bas. Si la
configuration a besoin du contraire, on inverse simplement le pin de validation pas à pas en
tapant $ 4 = 1 et $ 4 = 0 pour désactiver.
60
$5 - Limit pins invert, bool
Par défaut, les pins de limite sont maintenues normalement élevés avec la résistance de
rappel interne de l'Arduino. Quand un pin limite est l'état bas, Grbl interprète cela comme
déclenché. Pour le comportement inverse, il suffit d'inverser les pins de limite en tapant $ 5 =
1, $ 5 = 0 pour désactiver.
$6 - Probe pin invert, bool
Par défaut, le pin de la sonde est maintenu à l'état haut avec la résistance de rappel interne de
l'Arduino. Lorsque le pin de la sonde est l'état bas, Grbl interprète cela comme déclenché.
Pour le comportement opposé, il suffit d'inverser le pin de sonde en tapant $ 6 = 1. Désactiver
avec 6 $ = 0.
$10 - Status report mask:binary
Ce paramètre détermine quelles données en temps réel Grbl rapporte-t-il à l'utilisateur quand
un "?" Le rapport d'état est envoyé. Par défaut, Grbl renverra son état de fonctionnement (ne
peut pas être éteint), la position de la machine et la position de travail (position machine avec
décalages de coordonnées et autres décalages appliqués). Trois fonctionnalités de rapports
supplémentaires sont disponibles pour les interfaces ou les utilisateurs qui configurent les
machines, y compris le tampon RX série, l'utilisation du tampon du bloc planificateur et les
états des pins limites (haut ou bas, indiqués dans l'ordre ZYX).
Pour les définir, on utilise le tableau ci-dessous pour déterminer quelles données on souhaite
que Grbl renvoie. On sélectionne les types de rapport qu'on souhaite voir dans les rapports
d'état et ajoutez leurs valeurs ensemble. C'est la valeur qu'on utilise pour envoyer à Grbl. Par
exemple, si on a besoin de rapport de machines et de postes de travail, on ajoute les valeurs 1
et 2 et on envoie Grbl 10 $ = 3 pour le définir. Ou, si on a besoin uniquement de la position de
la machine et de l'état limite de la broche, on ajoute les valeurs 1 et 16 et on envoie à Grbl $
10 = 17.
61
Tableau 14: Valeur pour le type de rapport
Type de rapport Valeur
Position machine 1
Position de travail 2
Planner Buffer 4
RX Buffer 8
Pins limites 16
$11 - Junction deviation, mm
L'écart de jonction est utilisé par le gestionnaire d'accélération pour déterminer la vitesse à
laquelle il peut se déplacer par les jonctions de segment de ligne d'un chemin de programme
de Gcode. Par exemple, si le chemin du G code à un virage serré de 10 degrés à venir et que la
machine se déplace à pleine vitesse, ce réglage permet de déterminer combien la machine doit
ralentir pour passer en toute sécurité le coin sans perdre de pas.
La façon de le calculer est un peu compliquée, mais, en général, des valeurs plus élevées
donnent un mouvement plus rapide dans les coins, tout en augmentant le risque de perdre des
pas et de se positionner. Les valeurs inférieures rendent le gestionnaire d'accélération plus
prudent et conduisent à des virages plus soigneux et plus lents. Donc, si on rencontre des
problèmes lorsque la machine tente de prendre un coin trop vite, on diminue cette valeur pour
la ralentir en entrant dans les coins. Si on veut que la machine se déplace plus rapidement à
travers les jonctions, on augmente cette valeur pour l'accélérer.
$12 – Arc tolerance, mm
Grbl fait les arcs et les hélices avec G2 et G3, en les subdivisant en petites lignes minuscules,
de sorte que la précision de traçage de l'arc ne soit jamais inférieure à cette valeur. On n'aura
probablement jamais besoin d'ajuster ce réglage, puisque 0.002mm est bien en dessous de la
précision de la plupart des machines. Mais si on constate que les cercles sont trop grossiers ou
que le traçage à l'arc fonctionne lentement, on ajuste ce réglage. Les valeurs inférieures
donnent une plus grande précision, mais peuvent conduire à des problèmes de performances
en surchargeant Grbl avec trop de minuscules lignes. Alternativement, les valeurs plus élevées
62
tracent une précision inférieure, mais peuvent accélérer la performance arc puisque Grbl a
moins de lignes à traiter.
La tolérance d'arc est définie comme la distance perpendiculaire maximum d'un segment de
ligne avec ses points d'extrémité se trouvant sur l'arc. Avec une certaine géométrie de base, on
résolve pour la longueur des segments de ligne pour tracer l'arc qui satisfait ce paramètre. La
modélisation des arcs de cette façon est grande, car les segments de ligne d'arc s'ajustent et
s'étalent automatiquement avec la longueur pour assurer une performance de traçage d'arc
optimale, tout en ne perdant jamais la précision.
$13 - Report inches, bool
Grbl dispose d'une fonctionnalité de rapport de positionnement en temps réel pour fournir à
l'utilisateur une rétroaction sur l'endroit où est la machine exactement à ce moment-là, ainsi
que des paramètres pour les décalages de coordonnées et le sondage. Par défaut, il est
configuré pour signaler en mm, mais en envoyant une commande $ 13 = 1, ces fonctionnalités
de rapport seront désormais en pouces. $ 13 = 0 pour revenir à mm.
$20 - Soft limits, bool
Les limites virtuelles sont une caractéristique de sécurité qui empêche la machine de déplacer
trop loin et au-delà de ces limites, de s'écraser ou de casser quelque chose de coûteux. Il
fonctionne en connaissant les limites de déplacement maximales pour chaque axe et où Grbl
est en coordonnées machine. Chaque fois qu'un nouveau Gcode est envoyé à Grbl, il vérifie si
on a accidentellement dépassé l'espace machine. S'il est activé, Grbl met tous en pause
immédiatement où qu'elle soit, arrêter la broche et le liquide de refroidissement, puis envoie
une alarme au système indiquant le problème. La position de la machine sera retenue par la
suite, car elle n'est pas due à un arrêt forcé immédiat comme des limites physiques.
REMARQUE: Les limites virtuelles exigent que le repérage soit activé et que les réglages de
déplacement maximaux soient précis, car Grbl doit savoir où il se trouve. $ 20 = 1 pour
activer, et $ 20 = 0 pour désactiver.
$21 - Hard limits, bool
Les limites physiques travaillent essentiellement de la même façon que les limites internes,
mais utilisent des interrupteurs physiques à la place. En fait, on place des interrupteurs
63
(mécaniques, magnétiques ou optiques) près de la fin de chaque axe, ou à un endroit où il
pourrait y avoir des problèmes si le programme se déplace trop loin où il ne devrait pas.
Lorsque l'interrupteur est déclenché, il arrêtera immédiatement tout mouvement, arrêtera le
liquide de refroidissement et la broche (s'il est connecté) et passe en mode d'alarme, ce qui
oblige à vérifier la machine et à réinitialiser tout.
Pour utiliser les limites physiques avec Grbl, les pins de limite sont maintenues à l'état haut
avec une résistance de rappel (pull-up) interne, donc ce qu’on doit faire, c’est de brancher un
interrupteur normalement ouvert avec le pin et la masse et activer les limites physiques avec $
21 = 1. (Désactiver avec $ 21 = 0.) Il faut vivement prendre des mesures de prévention des
interférences électriques. Si on veut une limite pour les deux extrémités de déplacement d'un
des axes, il faut juste brancher les deux interrupteurs en parallèle avec le pin et la masse, donc
si l'un d'eux se déclenche, il déclenche la limite physique.
$22 - Homing cycle, bool
Le cycle homing est utilisé pour localiser avec une position connue et la cohérence sur une
machine chaque fois qu'on démarre Grbl. En d'autres termes, on sait à chaque fois où on est
exactement à un moment donné. Par exemple, on commence à usiner quelque chose ou on est
sur le point de commencer la prochaine étape dans un travail et l'alimentation s'éteint, on
redémarre Grbl et ce dernier n'a aucune idée où il est, donc on est obligé de déterminer où on
est. Si on a un homing, on a toujours le point de référence zéro de la machine, donc tout ce
qu'on a à faire est d'exécuter le cycle de homing et de reprendre là où on l'a laissé.
Pour configurer le cycle pour Grbl, on doit avoir des interrupteurs de fins de course dans une
position fixe. Généralement, ils sont installés dans le point le plus éloigné de +X, +Y et +Z de
chaque axe. On branche les fins de course avec les pins de limite et la masse, tout comme
avec les limites physiques, et permettre le repérage. Mais, on peut aussi utiliser les
interrupteurs de fin de course pour les deux limites et homing.
Par défaut, le cycle homing de Grbl déplace l'axe Z positif en premier pour effacer l'espace de
travail, puis déplace à la fois les axes X et Y en même temps dans la direction positive.
Il est aussi à noter que lorsque homing est activé. Grbl verrouillera toutes les commandes
Gcode jusqu'à ce qu'on effectue un cycle de homing. Cela signifie qu'aucun mouvement d'axe
64
n'est possible, à moins que le verrou soit désactivé ($ X). Dans la plupart des cas, c'est une
fonction de sécurité pour empêcher les utilisateurs de faire une erreur de positionnement.
$23 - Homing dirinvertmask, int:binary
Par défaut, Grbl suppose que les seuils de fin de course homing sont dans le sens positif, en
déplaçant d'abord l'axe Z positif, puis les axes X et Y positifs avant d'essayer de localiser
précisément la position zéro en faisant un va-et-vient lent autour de l'interrupteur. Si la
machine a un interrupteur de fin de course dans le sens négatif, le masque de direction de
retour peut inverser la direction des axes. Il fonctionne exactement comme l'inversion du pin
de pas et le sens d'inversion du pin de masques, où tout ce qu'on a à faire est d'envoyer la
valeur dans le tableau pour indiquer les axes qu'on veut inverser et recherche dans la direction
opposée.
$24 - Homing feed, mm/min
Le cycle d'homing recherche d'abord les interrupteurs de fins de course à un taux
d'avancement plus élevé, et après qu'il les trouve, il se déplace à une vitesse d'avance plus
lente dans l'emplacement précis des zéro machines. Le taux d'avancement Homing est ce taux
plus lent. On le règle sur n'importe quelle valeur de taux qui fournit une localisation zéro
machine répétable et précise.
$25 - Homing seek, mm/min
Le taux de recherche Homing est le taux dans lequel il essaie premièrement de chercher les
interrupteurs de fin de course.
$26 - Homing debounce, ms
Chaque fois qu'un commutateur déclenche, certains d'entre eux peuvent avoir des bruits
électriques ou mécaniques qui rebondissent le signal haut et bas pendant quelques
millisecondes avant de se stabiliser. Pour résoudre ce problème, on doit amortir le signal, soit
par le matériel avec une sorte de filtre de signaux ou par logiciel avec un court délai pour
laisser le signal finir le rebondissement. Grbl laisse un court délai pour le homing lors de la
localisation de la position zéro de la machine. On règle cette valeur de retard au besoin de
l'interrupteur pour obtenir un homing répétable. Dans la plupart des cas, 5 à 25 millisecondes
conviennent.
65
$27 - Homing pull-off, mm
Pour fonctionner bien avec la fonctionnalité de limites physiques, où homing peut partager les
mêmes interrupteurs de fin de course, le cycle homing se retire de tous les interrupteurs de fin
de course par cette distance de retrait après qu'il a terminé. En d'autres termes, cela aide à
empêcher le déclenchement accidentel de la limite physique après un cycle de homing.
$100, $101 et $102 – (X,Yet Z steps/mm)
Grbl a besoin de savoir jusqu'à quel point chaque étape prendra l'outil en réalité. Pour calculer
les pas / mm pour un axe de la machine, on doit connaître:
La distance en mm parcouru par tour du moteur pas à pas. Cela dépend de
l'engrenage de transmission pour les courroies ou du pas de vis pour
l'entrainement par vis.
Le nombre de pas par révolution des moteurs pas à pas
Le micro-pas du contrôleur (généralement 1, 2, 4, 8 ou 16).
Les pas / mm peuvent alors être calculés comme suit:
𝑃𝑎𝑠
𝑚𝑚=
𝑁𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑠 𝑝𝑎𝑟 𝑟é𝑣𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛 ∗ 𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑝𝑎𝑠
𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑒𝑛 𝑚𝑚 𝑝𝑎𝑟 𝑟é𝑣𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛
Pour notre cas:
- Nombre de pas par révolution de notre moteur pas à pas est 200 pas/ révolution
- Micro-pas = 16
- Distance en mm par révolution: on a utilisé une tige fileté M8 pour notre système
d'entrainement pour les axes X, Y et Z qui est égale à 1,25 mm (Annexe IX)
𝑃𝑎𝑠
𝑚𝑚=
200 ∗ 16
1.25= 2560
$110, $111 and $112 – [X,Y,Z] Max rate, mm/min
Ils définissent la vitesse maximale de déplacement que chaque axe peut accepter. Chaque fois
que Grbl planifie un déplacement, il vérifie si le déplacement fait que l'un ou l'autre de ces
66
axes individuels dépasse leur vitesse maximale. Si c'est le cas, il ralentira le mouvement pour
s'assurer qu'aucun des axes ne dépasse les limites maximales de vitesse. Cela signifie que
chaque axe a sa propre vitesse indépendante, ce qui est extrêmement utile pour limiter l'axe Z
typiquement plus lent.
La façon la plus simple de déterminer ces valeurs est de tester chaque axe, un à la fois, en
augmentant lentement les réglages de la vitesse maximale et en le déplaçant. Par exemple,
pour tester l'axe X, on envoie à Grbl quelque chose comme G0 X50 avec une distance de
déplacement suffisante pour que l'axe accélère jusqu'à sa vitesse maximale. On saura qu'on a
atteint le seuil de vitesse maximale lorsque les moteurs s'arrêtent. Ça va faire du bruit, mais ne
devrait pas endommager les moteurs. On entre un réglage de 10 à 20% en dessous de cette
valeur, de sorte qu'on peut tenir compte de l'usure, la friction et la masse de la pièce / outil.
Ensuite, on répète pour les autres axes.
Après plusieurs tests pour chaque axe, on a fixé les valeurs suivantes:
$110=500 (500 mm/min pour l'axe X)
$111=500 (500 mm/min pour l'axe Y)
$112=400 (400 mm/min pour l'axe Z)
$120, $121, $122 – [X,Y,Z] Acceleration, mm/sec^2
Ceci définit les paramètres d'accélération des axes en mm par seconde carré (mm.s-2). Une
valeur inférieure rend Grbl plus aisé dans le mouvement plus lent, tandis qu'une valeur plus
élevée rend le déplacement plus difficile mais atteint les avances désirées beaucoup plus
rapidement. Tout comme le réglage de la vitesse maximale, chaque axe a sa propre valeur
d'accélération et est indépendant l'un de l'autre. Cela signifie qu'un mouvement multiaxes ne
s'accélérera que le plus rapidement possible.
Aussi, comme pour le réglage de la vitesse maximale, le moyen le plus simple de déterminer
les valeurs de ce paramètre est de tester individuellement chaque axe avec des valeurs
d'augmentation lente jusqu'à ce que le moteur s'arrête. On finalise ensuite le réglage
d'accélération avec une valeur de 10 à 20% en dessous de cette valeur absolue maximale. Cela
doit tenir compte de l'usure, de la friction et de l'inertie de masse.
67
Après plusieurs tests pour chaque axe, on a remarqué que la valeur par défaut de Grbl qui est
10 donne un résultat satisfaisant.
$130, $131, $132 – [X,Y,Z] Max travel, mm
Ceci définit le déplacement maximum d'un bout à l'autre pour chaque axe en mm. Ceci n'est
utile que si on a des limites virtuels (et homing) activées, car cette fonction est uniquement
utilisée par la fonction de limite virtuel de Grbl pour vérifier si on a dépassé les limites de la
machine avec une commande de mouvement.
VII.5. Test de linéarité, parallélisme et perpendicularité
Ce test se fait sur les axes X et Y en traçant des lignes droites parallèles et perpendiculaires et
de vérifier ainsi la linéarité, le parallélisme et la perpendicularité. Dans ce cas, on va créer un
programme capable de vérifier ces tests (Annexe). On va utiliser notre machine comme une
imprimante et on va donc placer à l'axe Z un stylo au lieu d'une fraiseuse. Le résultat obtenu
sera scanné et ensuite analysé en plaçant des rectangles en superposition (Figure 49 en rouge).
On constate que les lignes sont droites, parallèles et perpendiculaires.
68
Figure 49:Test de linéarité, parallélisme et perpendicularité
Pour la circularité on va exécuter un programme nommé « cercle concentrique » qui dessine des
cercles concentriques dont les rayons progressent de 1cm. En numérisant et coïncidant ces cercles
avec des cercles que l’on dessine sur un ordinateur on constate que ces derniers se coïncident bien et
sont concentriques.
69
Figure 50: Test de circularité
VII.6. Test de la répétabilité
La répétabilité est une notion qui quantifie la capacité à reproduire une action ou une série
d'actions. La répétabilité est une notion utilisée en productique pour optimiser un procédé.
Pour ce test, on va exécuter 5 fois un programme nommé "cercle_etoile" (Annexe . On vérifie
ensuite si les lignes sont superposées ou s'il y a décalage. On constate que les lignes sont bien
superposées.
70
Figure 51: Test de la répétabilité
71
CONCLUSION
L’objectif de cette étude est de concevoir et réaliser une machine-outil à commande
numérique. Elle nous permet d’avoir une machine automatique,
Une fraiseuse numérique a été réalisée commençant par l’utilisation de la CAO avec
Solidworks. Le modèle est fait avec des tubes carrés, et les glissières avec des roulements à
billes pour réduire les frottements. L’entrainement de chaque axe est réalisé avec des tiges
filetées qui transforment le mouvement de rotation des moteurs en mouvement de translation.
Apres identification, les moteurs pas à pas utilisés ont les mêmes caractéristiques que le Nema
23. Les pilotes utilisées pour ces derniers sont le Polulu A4988 qui s’alimente avec un courant
continue 24Volt fourni par deux alimentations d’ordinateur de bureau branchées en série. Le
post processeur utilisé est l’Arduino UNO.
Des réglages mécaniques sont utiles pour les glissières de l’axe X et Y. des réglages de
courant et du micro-pas sont aussi nécessaires pour le pilote. On a choisi de faire un micro-pas
seizième car ceci donne une meilleure résolution de la machine avec moins de vibration.
On a choisi Grbl comme logiciel de FAO car il est plus performant et c’est un logiciel libre.
Grbl est envoyé dans l’Arduino en utilisant une application Xloader, il nécessite Universal
Gcode Sender comme interface homme-machine.
D’après les tests faits, on a pu constater que la machine est précise, et capable de travailler sur
les matériaux semi dur.
Durant cette étude, on a remarqué que l’on peut étendre cette machine en utilisant une
extrudeuse, à la place de la fraiseuse, pour en faire une imprimante 3D car ce dernier utilise
aussi trois axes.
Ce travail, qui a bien abouti à la réalisation d’une machine-outil à commande numérique,
mérite d’être approfondi et étendu à d’autres types d’applications.
72
BIBLIOGRAPHIE ET WEBOGRAPHIE
1. Microtech L. ARAGON: LES PROCEDES DE MISE EN FORME;
2. https://fr.wikipedia.org/wiki
3. BEN YOUNES Jalel: Notes de Cours; Fabrication assistée par ordinateur, 2004
4. http://www.leprothesiste.com/2016/05/historique-sur-la-cfao-conception-et.html
5. jean-louis-etienne-mazamet.entmip.fr/lectureFichiergw.do?ID_FICHIER=1866
6. Andrew Mustun: Introduction à la conception assistée par ordinateur (CAO)
7. http://www.cadazz.com/cad-software-history.htm
8. http://www.cnc.com/the-history-of-computer-numerical-control-cnc (Novembre 2016)
9. teleensm.ummto.dz/pluginfile.php/110733/mod_resource/content/0/chapitre_1.pdf
10. https://www.pololu.com/ (Décembre 2016)
11. https://github.com/grbl/ (Décembre 2016)
12. www.txrobotic.com (Novembre 2016)
13. http://www.vynckier.biz/fr/machines-cnc/f80cnc-2
14. https://fr.pinterest.com/chevdrag/cnc/
15. http://www.directindustry.fr/prod/cmz/product-67097-533049.html
16. http://www.bobsweldinginc.com/cnc-plasma-cutting-services.php
17. https://3dprint.com/3191/lulzbot-taz-4-3d-printer/
ANNEXES
ANNEXES
I
Annexe I: Dessin n°1-Plan de la base
II
Annexe II: Dessin n°2-Plan chariot X haut
III
Annexe III: Dessin n°3 – Chariot X bas
IV
Annexe IV: Dessin n°4 – Plan chariot Y Pièce 1
V
Annexe V: Dessin n°5 – Plan chariot Y pièce 2
VI
Annexe VI: Dessin n°6 – Plan porte outils pièce 1
VII
Annexe VII: Dessin n°7 – Plan Porte outils pièce 2
VIII
Annexe VIII: Dessin n°8 – Assemblage chariot X
IX
Annexe IX: Filetage métrique à pas standard
Diamètre
nominal
Pas de vis en
mm
Diamètre intérieur de
l'écrou en mm
M1 0,25 0,729
M1,1 0,25 0,829
M1,2 0,25 0,929
M1,4 0,3 1,075
M1,6 0,35 1,221
M2 0,4 1,567
M2,5 0,45 2,013
M3 0,5 2,459
M4 0,7 3,242
M5 0,8 4,134
M6 1 4,918
M8 1,25 6,647
M10 1,5 8,376
M12 1,75 10,106
M14 2 11,835
M16 2 13,835
M18 2,5 15,294
M20 2,5 17,294
M22 2,5 19,294
M24 3 20,752
M27 3 23,752
M30 3,5 26,211
M33 3,5 29,211
M36 4 31,67
M39 4 34,67
M42 4,5 37,129
M45 4,5 40,129
M48 5 42,588
M52 5 46,588
M56 5,5 50,047
M60 5,5 54,047
M64 6 57,505
X
Annexe X: Exécution du programme « Cercle étoile »
1. Ouvrir Uiversal Gcode Sender
2. Choisir le port de l’Arduino (ex COM3)
3. Choisir le Baudrate (Baud) à 115200
4. Cliquer sur bouton ouvrir. La console doit afficher :
**** Connected to COM4 @ 115200 baud ****
Grbl 1.1e ['$' for help]
5. Dans l’onglet Contrôle Machine, positionner la broche à la position zéro voulue
6. Cliquer sur le bouton « Reset position zéro »
7. Dans l’onglet « mode fichier », cliquer sur le bouton « Parcourir » et choisir le fichier
« Cercle_etoile.nc »
8. Cliquer sur le bouton « Visualiser » pour voir le fichier
9. Cliquer sur le bouton « Envoi » pour exécuter le Gcode, l’avancement de l’exécution
est visible sur la console.
10. Une fenêtre s’ouvre si le travail est terminé.
Ci-dessous le Gcode du programme « Cercle_etoile.nc »
(Generated by PartKam Version 0.05) G21 G90 G40 (follow path 1) G0 Z10 T0 M6 G17 M3 G0 X7.168274111675127 Y56.4236040609137 G1 Z-1 F800 G2 X8.129441624365482 Y66.58883248730965 I54.248730964467 J0 F1500 G2 X10.82994923857868 Y75.61675126903553 I45.41370558375634 J-8.66243654822335 G2 X15.304568527918782 Y83.91370558375634 I42.71319796954315 J-17.69289340101523 G2 X21.81218274111675 Y91.77918781725887 I44.86802030456853 J-30.492385786802032 G2 X29.68020304568528 Y98.28680203045685 I38.360406091370564 J-38.360406091370564 G2 X37.974619289340104 Y102.76142131979695 I25.987309644670052 J-38.236040609137056 G2 X47.005076142131976 Y105.46192893401015 I17.69289340101523 J-42.71319796954315 G2 X57.16751269035533 Y106.4238578680203 I10.164974619289339 J-53.286802030456855 G2 X67.33248730964468 Y105.46192893401015 I0 J-54.248730964467 G2 X76.36294416243655 Y102.76142131979695 I-8.66243654822335 J-45.41370558375634 G2 X84.65736040609137 Y98.28680203045685 I-17.69289340101523 J-42.71319796954315 G2 X92.5228426395939 Y91.77918781725887 I-30.492385786802032 J-44.86802030456853 G2 X99.03045685279189 Y83.91370558375634 I-38.360406091370564 J-38.360406091370564 G2 X103.50761421319797 Y75.61675126903553 I-38.236040609137056 J-25.987309644670052 G2 X106.20812182741118 Y66.58883248730965 I-42.71319796954315 J-17.69289340101523 G2 X107.16751269035534 Y56.423857868020306 I-53.286802030456855 J-10.164974619289339 G2 X106.20812182741118 Y46.25888324873096 I-54.248730964467 J0 G2 X103.50761421319797 Y37.22842639593908 I-45.41370558375634 J8.66243654822335 G2 X99.03045685279189 Y28.934010152284266 I-42.71319796954315 J17.69289340101523 G2 X92.5228426395939 Y21.068527918781726 I-44.86802030456853 J30.492385786802032 G2 X84.65736040609137 Y14.560913705583756 I-38.360406091370564 J38.360406091370564 G2 X76.36294416243655 Y10.083756345177665 I-25.987309644670052 J38.236040609137056 G2 X67.33248730964468 Y7.383248730964467 I-17.69289340101523 J42.71319796954315 G2 X57.16751269035533 Y6.423857868020305 I-10.164974619289339 J53.286802030456855 G2 X47.005076142131976 Y7.383248730964467 I0 J54.248730964467 G2 X37.974619289340104 Y10.083756345177665 I8.66243654822335 J45.41370558375634 G2 X29.68020304568528 Y14.560913705583756 I17.69289340101523 J42.71319796954315 G2 X21.81218274111675 Y21.068527918781726 I30.492385786802032 J44.86802030456853 G2 X15.304568527918782 Y28.934010152284266 I38.360406091370564 J38.360406091370564 G2 X10.82994923857868 Y37.22842639593908 I38.236040609137056 J25.987309644670052 G2 X8.129441624365482 Y46.25888324873096 I42.71319796954315 J17.69289340101523 G2 X7.16751269035533 Y56.423857868020306 I53.286802030456855 J10.164974619289339 G0 Z10 G0 X57.130710659898476 Y106.21928934010153 G1 Z-1 F800 G1 X69.63197969543147 Y77.87055837563452 F1500 G1 X100.43147208121826 Y81.21827411167513 G1 X82.13197969543147 Y56.21827411167513 G1 X100.43147208121826 Y31.218274111675125 G1 X69.63197969543147 Y34.568527918781726 G1 X57.13197969543147 Y6.218274111675127
XI
G1 X44.63197969543147 Y34.568527918781726 G1 X13.829949238578681 Y31.218274111675125 G1 X32.13197969543147 Y56.21827411167513 G1 X13.829949238578681 Y81.21827411167513 G1 X44.63197969543147 Y77.87055837563452 G1 X57.13197969543147 Y106.21827411167513 G0 Z10 M5 M30
Table des matières
INTRODUCTION ................................................................................................................................... 1
PARTIE I. GENERALITES SUR LA CONCEPTION ET LA FABRICATION ASSISTEES PAR
ORDINATEUR ....................................................................................................................................... 2
Chapitre I. LES PROCEDES DE MISE EN FORME [1] ................................................................. 3
I.1. Classification des procédés de mise en forme ......................................................................... 3
I.1.1. Par enlèvement de matière ou procédé soustractive ........................................................ 3
I.1.2. Par ajout de matière ou procédé additive ......................................................................... 3
I.1.3. Par transformation (moulage) .......................................................................................... 4
I.1.4. Par déformation ............................................................................................................... 4
I.2. Identification des procédés en fonction du matériau et du programme de production ............ 5
Chapitre II. LA CONCEPTION ET FABRICATION ASSISTEES PAR ORDINATEUR (CFAO) 6
II.1. Origines de la CFAO [3], [4], [5] ............................................................................................ 6
II.2. Avantages et inconvénients ..................................................................................................... 8
II.3. La conception assistée par ordinateur (CAO)[6][7] .............................................................. 10
II.4. La fabrication assistée par ordinateur (FAO) ........................................................................ 12
II.4.1. Machine-Outil à Commande Numérique (MOCN) ....................................................... 12
PARTIE II. REALISATION DE LA MACHINE-OUTIL A COMMANDE NUMERIQUE .......... 32
Chapitre III. CHOIX DU TYPE DE MATERIAUX ......................................................................... 34
III.1. Tubes en aluminium .......................................................................................................... 34
III.2. Contreplaqué bois .............................................................................................................. 34
III.3. Tubes métalliques .............................................................................................................. 35
III.4. Conclusion sur le choix de la matière ................................................................................ 36
Chapitre IV. LES DIFFERENTES PARTIES DE LA MACHINE-OUTIL ...................................... 37
IV.1. Les glissières ..................................................................................................................... 37
IV.2. Les moteurs ....................................................................................................................... 38
IV.3. Entrainement de l'axe ........................................................................................................ 40
Chapitre V. CONSTRUCTION DE LA MACHINE ........................................................................ 42
V.1. Présentation du modèle. ........................................................................................................ 42
V.2. Montage de la machine .......................................................................................................... 42
Chapitre VI. COMPOSANTS ELECTRIQUES ET ELECTRONIQUES ET LOGICIEL DE
COMMANDE 44
VI.1. Alimentation électrique de la machine .............................................................................. 44
VI.2. Composants électroniques ................................................................................................. 46
VI.2.1. L'automate programmable ............................................................................................. 46
VI.2.2. Pilotes des Moteurs ....................................................................................................... 49
VI.3. Logiciel FAO ..................................................................................................................... 51
Chapitre VII. CALIBRATION ET TEST DE LA MACHINE ....................................................... 53
VII.1. Réglages mécaniques ........................................................................................................ 53
VII.1.1. Réglages des coulisses ............................................................................................... 53
VII.1.2. Réglages des tiges filetées ......................................................................................... 53
VII.2. Réglage du pilote Polulu A4988 ........................................................................................ 53
VII.3. Branchement des moteurs.................................................................................................. 54
VII.4. Interface utilisateur ............................................................................................................ 55
VII.4.1. Configuration de Grbl [11] ........................................................................................ 56
VII.5. Test de linéarité, parallélisme et perpendicularité ............................................................. 67
VII.6. Test de la répétabilité ........................................................................................................ 69
CONCLUSION ..................................................................................................................................... 71
BIBLIOGRAPHIE ET WEBOGRAPHIE ............................................................................................ 72
ANNEXES .............................................................................................................................................. 1
Annexe I: Dessin n°1-Plan de la base ......................................................................................... I
Annexe II: Dessin n°2-Plan chariot X haut ................................................................................II
Annexe III: Dessin n°3 – Chariot X bas ................................................................................... III
Annexe IV: Dessin n°4 – Plan chariot Y Pièce 1 ..................................................................... IV
Annexe V: Dessin n°5 – Plan chariot Y pièce 2 ....................................................................... V
Annexe VI: Dessin n°6 – Plan porte outils pièce 1 .................................................................. VI
Annexe VII: Dessin n°7 – Plan Porte outils piece 2 ............................................................... VII
Annexe VIII: Dessin n°8 – Assemblage chariot X ............................................................... VIII
Annexe IX: Filetage métrique à pas standard .......................................................................... IX
Annexe X: Exécution du programme « Cercle étoile » ............................................................ X
Auteur : ANDRIAMAHANDRY Solohery Siméon
Titre : CONCEPTION ET REALISATION D’UNE MACHINE OUTIL
A COMMANDE NUMERIQUE (MOCN), CAS D’UNE FRAISEUSE
NUMERIQUE
Nombre de pages : 70
Nombre des tableaux : 14
Nombre des figures : 51
RESUME
La conception et la réalisation d’une machine à outil à commande numérique est l’objectif de
notre étude.
La FAO (Fabrication Assistée par Ordinateur) transforme le modèle conçu par la CAO
(Conception Assisté par Ordinateur) en un code géométrique appelé Gcode (geometrical code) et utilise
une machine-outil à commande numérique (MOCN) pour réaliser une pièce. Une MOCN confectionne la
pièce généralement par enlèvement de matière, en utilisant une fraiseuse numérique qui possède trois axes
X, Y et Z ; commandés chacun par un moteur pas à pas. Ces moteurs sont commandés par un post
processeurs, qui calcul les Gcodes en transformant ces derniers en impulsions électriques. Ces impulsions
sont amplifiées par des amplificateurs électroniques ou les pilotes. Grbl est utilisé comme logiciel de FAO
et Universal Gcode Sender comme interface homme-machine.
Des tests de perpendicularité, linéarité, circularité et de répétabilité ont été fait sur la machine pour vérifier
la précision de la machine.
Mots clés : CAO, FAO, MOCN, CNC, Gcode, fraiseuse, commande numérique
ABSTRACT
The goal of this thesis is a Computerized Numerical Control (CNC) milling machine designing
and manufacturing.
The Computer-Aided Manufacturing (CAM) model transforms the computer-aided design (CAD)
model into a geometric code called GCode (geometrical code) and uses a CNC to make a part. CNC
milling machine makes the work piece generally by removing material, using a digital milling machine
that has three X, Y and Z axes; Each controlled by a stepping motor. These motors are controlled by a
post processor, which calculates the Gcodes by transforming it latter into electrical pulses. These pulses
are amplified by electronic amplifiers or drivers.
Tests of perpendicularity, linearity, circularity and repeatability were performed on the machine to
check the calibration of the machine.
Key words: CNC, CAD, CAM, Gcode, milling machine, numerical control
Coordonnées de l’auteur: Adresse : Mahafaly Antsirabe Madagascar ;
Email : [email protected]
Directeur de mémoire: Professeur RANAIVONIARIVO Gabriely
