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Petites misères électroniques

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Construction

Il y a beaucoup d'écrous, de roulements et de barres, mais la construction est relativement rapide, car c'est du travail en série.

Pour percer les trous dans les barres, il faut absolument se faire un guide de perçage, car la facilité de réglage de la machine et sa fluidité de fonctionnement dépendent du bon centrage des trous. Pointer est long, et n'améliore que peu la précision. On peut corriger le tir avec une lime queue de rat, mais c'est un peu long…

Une perceuse à colonne est absolument indispensable pour faire des trous bien droits.

Voir les plans pour le guide de perçage. Une bonne précision de réalisation des guides est indispensable. Les tasseaux devraient être collés en plus du vissage (Epoxy).

Il faut percer directement au diamètre 8.5 mm, sans avant-trous, qui entraîneraient un risque d'excentration du foret. En plus, cela permet d'aller beaucoup plus vite.

Pour le perçage des règles aluminium l'utilisation d'un guide de perçage est lui aussi impératif, l'âme centrale faisant dévoyer irrémédiablement les forets, même montés vraiment très courts.

Si vous avez besoin de repercer certains équipements (pignons), il est impératif d'utiliser un foret à centrer pour ouvrir un cone de guidage de votre foret. Si vous essayer de percer directement dans un trou avec un foret, vous n'avez *aucune* chance que le deuxième trou soit concentrique au premier, surtout si vous percez dans du plastique. Percer en diamètres progressifs est tout aussi inutile. Un foret à centrer est un outil qui se trouve dans tout atelier de mécanique, mais il n'y a aucun espoir d'en trouver chez Bricomachin, l'usinage, ce n'est pas trop leur rayon. Votre salut viendra de 'Electronique diffusion', qui vends des machines outils, et ou on trouve un jeu de 3 forets à centrer en page 12.71 du catalogue 2002-2003, pour 12 Euros. C'est du matériel distribué par Proxxon, juste aux dimensions qui vont bien, car il y a un foret à centrer en diamètre 8 et un autre en diamètre 6.
L'écrou d'entraînement de l'axe Z est un insert à visser dans du bois qui est en laiton (à trouver au rayon assemblage de meubles). Il a été ovalisé à coup de marteau pour diminuer le jeu. Il faut y aller doucement et tester sur toute la longueur de la tige filetée, car les tiges standard ne sont pas très régulières.

Pour centrer correctement les tiges filetées dans les roulements, il faut enrouler dans le filetage un fil de cuivre. Personnellement j'ai utilisé du ruban adhésif, mais ce n'est pas bien précis. C'est impératif pour centrer les tiges filetées d'enroulement des câbles dans le cas d'un entraînement à câble. D'autres ont essayé le ruban téflon de plomberie.

Lors du vissage des liteaux constituant le plan de travail, enfonçez bien les vis (de 3mm), afin d'éviter de les attaquer à la fraise lorsque vous surfacerez votre plan de travail (indispensable).

Montage de la défonceuse.
Si votre défonceuse est équipée d'un col de serrage, la meilleure solution est de faire un support qui permette un serrage/desserrage rapide de ce col, pour pouvoir sortir la défonceuse (c'est le moyen le plus rapide pour changer les fraises). Dans le cas contraire, vous pouvez laisser le support d'origine et le fixer sur le chariot. C'est ce que j'avait fait avec la Black et Decker, mais c'est un peu lourd.
Avec la Kress, tel que prévu sur les plans, pas de problème.
Sur certaines défonceuses, vous devrez démonter le capotage pour retirer les butées de coulissement vers le haut. Celà vous permettra de sortir la défonceuse aisément de son support. N'oubliez pas de retirer les ressorts. Je les avais laissés provisoirement, et j'ai posé la défonçeuse tête en bas. Au moment du desserrage, le support m'a littéralement jailli dans les dents, ce qui n'est guère agréable. Je vous rassure, c'est surtout mon amour-propre qui a été blessé...

Carte de commande.
Si vous n'avez aucune expérience en électronique, je vous conseille d'acheter une carte déjà assemblée, car la réalisation (et les essais, surtout !) d'une telle carte représente du travail, et un risque d'échec important.
Je vous recommande la carte Systrium, de très bonne facture, complète et d'un prix intéressant (240 Euros).
Si vous désirez construire vos cartes vous même, il faudra tabler sur un coût composants tout compris de l'ordre de 100 Euros, avec le/les radiateurs et la connectique.
A ce prix, il faut ajouter le prix des câbles, de tous les connecteurs, du boitier et du ventilateur, comptez encore une bonne centaine d'Euros.

Rayonnement électromagnétique :
Mettez votre électronique dans un boitier métallique, une carte à hacheur (PWM) rayonne vraiment beaucoup de parasites, et votre ordinateur pourrait ne pas trop aimer. Utilisez des câbles blindés (4 x 0.22 mm2 + blindage), y compris pour les fins de courses. Attention, la défonçeuse parasite aussi pas mal le système.
Mettez vos équipements à la terre.

Par quoi commençer ?
Si vous décidez de faire vous même vos cartes électroniques, commencez par là, c'est le travail le plus long et le plus délicat.
Sinon, il faut commencer par approvisionner les courroies, engrenages et moteurs, car la machine peut éventuellement devoir être légèrement modifiée en fonction de ce que vous trouverez.

Monter les prises de raccordement moteur :
Généralement les moteurs sont équipés de prise de raccordement genre molex KK. Il faut donc monter sur la câble une prise mâle compatible. Ces prises n'ayant pas de boîtier, pour avoir un montage propre il faut :
. Enfiler de la gaine thermorétractable sur les fils
. Enfiler une gaine thermorétractable plus grande autour du câble
. Souder les fils
. Amener les gaines de fils au dessus des soudures et rétreindre au pistolet à air chaud
. Amener la gaine de câble au dessus de l'ensemble et rétreindre.

L'arrêt d'urgence :
Attention, la plupart des cartes de contrôle coupent l'alimentation de puissance des moteurs en cas d'arrêt d'urgence. Dans le cas de la machine Otocoup, celà entraînerait la chute du chariot sous son poids, c'est donc à éviter absolument. Il faut simplement bloquer les tops de l'ordinateur. Sur mes cartes, je coupe les signaux qui vont de l'ordinateur à la carte en coupant les buffers. Si vous ne pouvez pas faire celà, il faut soit :
- Renvoyer un signal d'arrêt à l'ordinateur, certains programmes le permettent, mais ce n'est pas très sur.
- Couper l'alimentation de l'ordinateur. Je sais que c'est un peu barbare, mais c'est garanti.

La sécurité :
. Après avoir réglé la tension des courroies, utilisez un adhésif de freinage d'écrou sur les tendeurs.
. Tous les écrous des poulies et galets des transmissions doivent être arrêtés avec de l'adhésif de freinage d'écrou.
. C'est une bonne idée de bloquer de même la totalité des écrous de la machine
. Vérifiez le fonctionnement du coffret électrique et l'isolement entre le secteur et les signaux électroniques avant de le relier à la carte de contrôle.
. Ne mettez pas en route la machine avant d'avoir mis en place l'arrêt d'urgence :
   - Sur la tête de défoncage/percage
   - Sur l'ordinateur/la carte de contrôle
. Avant de lancer la défonceuse une première fois, faites une vérification générale.
. Lunettes de sécurité et casque antibruit indispensables


Petites misères électroniques


Voilà, j'ai fini ma première carte à base de L297/L298 (de conception personnelle). Elle fonctionne, mais ça s'est passé un peu dans la douleur. Je vais vous exposer un peu mes petites misères, non pas pour que vous compatissiez, mais je crois que ça peut être de quelque utilité… Il faut d'abord que je précise que je débute en électronique, et que la qualité de mes soudures laisse un peu à désirer. J'ai fait faire les circuits imprimés chez Electrome, à Bordeaux, et ils sont étamés à chaud.
J'ai d'abord monté le régulateur de tension de la carte plancher pour avoir une alimentation 5V.
J'ai ensuite réalisé la première carte de commande moteur, avec quelques difficultés, car il y a des plans de cuivre qui rendent le soudage difficile. Les petites soudures ont été faites avec un fer de 15W, ce qui semble être la bonne taille. J'ai commencé les grosses soudures avec ce fer, mais le résultat était mauvais, j'ai donc repris les soudures avec un pistolet à souder 100W. C'était mieux, mais j'ai fini avec de sérieux pavés de soudures. J'ai essayé d'alléger avec la tresse à dessouder, mais le résultat global n'était pas fameux. J'ai vérifié par transparence le circuit et aussi à l'ohmmètre.
Apparemment tout était OK, j'ai mis la logique sous tension sans problème apparent et réglé l'intensité très bas (env. 0.7 A), puis j'ai alimenté la partie puissance (en 13.5V). Le L298 n'avait pas de radiateur, mais il est équipé en interne d'une protection thermique. Rien ne fonctionnait, le moteur n'était visiblement pas sous tension. Au troisième essai, le L298 s'est mis à chauffer beaucoup et a s'est apparemment détruit.
Plutôt embêté, je ne savais pas quoi faire du tout. J'ai alors commencé une deuxième carte en dégageant préalablement à la minifraise les plans de masse autour des pistes, mais surtout entre temps, j'ai fait des progrès en soudure.
J'ai aussi monté le L298 sur support, ce qui est normalement déconseillé, mais vu ce qui est arrivé au premier…
A la mise sous tension, net progrès, le moteur est sous tension, mais il ne veut pas tourner, même en inversant les fils d'un bobinage. Il frétille un coup en avant, un coup en arrière. Je pousse un peu l'intensité, pour voir si tout chauffe gentiment. Ca va, mais pas de progrès sur la rotation. Je revérifie pour la nième fois le schéma, c'est bon… Je vérifie que le premier L298 est bien effectivement cramé, ce qui se confirme, snif…
Il faut préciser que pour les tests, j'ai fait un montage en fils volants (environ 30 cm de long), et mon générateur d'impulsion, c'est un bouton poussoir. Visiblement, le L298 n'apprécie pas trop d'être sur support, le système est instable. Donc, je remonte le L298 soudé sur la carte. C'est nettement mieux, stable, et pratiquement deux fois plus de couple au moteur (!!!), mais mon moteur ne veut toujours pas tourner régulièrement. Et ça chauffe deux fois plus !
Bon, mais qu'est-ce qui se passe ? Un bon moment de réflexion plus tard, me revient le remarque d'un amateur d'électronique très éclairé à propos du découplage et du fonctionnement parfois totalement aléatoire de l'électronique logique. Bon, un condensateur de découplage 100nF sur mon inverseur et un autre sur le poussoir et là, tiens, ça tourne nettement plus régulièrement, même s'il y a encore des hésitations et des retours en arrière. Ah, enfin, je tiens le bon bout !
Je transporte mon fourbi dans le garage et essaie sur l'axe vertical. Tiens, ça marche nettement mieux que sur la table. Deux raisons possibles : Il fait froid dans l'atelier et surtout mes fils sont déployés en longueur au lieu d'être en boucle. Sauf que, vu ma première mauvaise expérience, j'ai rajouté à titre de fusible un Polyswitch 1.5A (je n'en ai pas d'autre), et de temps en temps, le moteur lâche et mon chariot dégringole sous son propre poids. Soit le fusible disjoncte, soit la protection thermique du L298 se met en grève, car il chauffe beaucoup. Comment est-ce possible d'utiliser 2 x 2 ampères avec un fusible de 1.5A ? Simple, mais j'avais oublié : J'alimente en 13.5V, et mes moteurs sont des 2.6V, et le hacheur du L297 lisse joyeusement tout ça... La puissance disponible est donc suffisante.
La suite : J'ai construit une deuxième carte, qui elle, fonctionne sans la moindre hésitation....
J'ai fait une partie de la commande manuelle, et avec le générateur d'impulsions les deux cartes marchent parfaitement.
Juste une petite chose, en bougeant mon montage provisoire, j'ai fait un court-circuit avec le 13V, et j'ai grillé le circuit de commande L297. Après avoir grillé le pont L298, j'ai fait la complète, là...

Voilà, c'est un peu long, mais j'espère que vous aurez compris à la lumière de mes tristes expériences que :

A propos du montage du L298 sur un support, c'est néanmoins possible, si vous arrivez à trouver des embouts supports plus haut que la normale, et qui assurent un bon contact sur une patte plate.
En fait les supports usuels autres que les supports de circuits sont prévus pour des broches carrées de 0.635 x 0.635 mm. Or les broches des L298 sont beaucoup moins épaisses et le contact est souvent très mal assuré, d'ou un fonctionnement aléatoire pour un circuit qui passe de fortes intensités (4 Ampères sur la broche d'alimentation).

Réglages

Appui des roulements :
Tous les roulements doivent porter. Si vos trous ne sont pas bien centrés dans vos barres, il se peut que certains roulements ne portent pas. Il faut alors serrer un peu. Celà rendra le fonctionnement du chariot un peu dur. Dans les cas graves, il faut démonter l'ensemble et ajuster les trous à la lime queue de rat.
Pour vérifier le bon serrage, essayer de faire tourner les roulements à la main, chariot immobilisé. Ils doivent pouvoir tourner, mais avec une certaine difficulté, du fait de l'appui.

Jeu sur les engrenages :
Il est très important de n'avoir absolument aucun jeu sur les engrenages, ils faut même qu'ils soient bien serrés. Si vous n'avez pas réussi à reperçer le trou bien au milieu, il faut acheter d'autres engrenages et recommencer (...).
Si vous avez du jeu :
. Sur le chariot des X, vous aurez à basse vitesse des résonances entraînant un bruit et des vibrations considérables. On ne peut pas les éliminer complètement, mais on peut les réduire en 'serrant' un peu les engrenages (s'ils sont en plastique).
. Sur le chariot des Y, lors d'inversions de sens ou de transitions de vitesses, le rattrapage de jeu entrainera un choc sur le moteur pas à pas, d'autant plus important que le chariot est suspendu aux câbles/courroies, il va perdre un pas, ce qui sous le poids, entraîne la perte d'une série de pas et la chute du chariot.

Mon entraînement est à câbles, et j'ai un glissement important. Il faut que je tende les câbles très fortement pour éliminer ce glissement. C'est l'une des raisons pour lesquelles les plans actuels ne proposent qu'un entraînement à courroies, même si c'est sensiblement plus cher. L'autre raison, c'est la rigidité, qui pour les câbles est un peu insuffisante.

N'oubliez pas de régler la perpendicularité. Tracer deux traits perpendiculaires et mesurez la diagonale.
Après réglage, montez une règle d'appui verticale.
Usinez la surface d'appui avec une fraise de grand diamètre.
Usinez vos règles d'appui, comme celà, vous serez certain de leur parallélisme avec la course !

 

Essais préliminaires

J'ai procédé à quelques essais préliminaires avec la commande manuelle. Ca fonctionne, et la puissance est suffisante.
Mais il y a néanmoins des réglages qu'il est impératif de respecter.
J'ai fait les essais sur l'axe vertical, ou le chariot (8 kg équipé) est suspendu, et donc les efforts très importants.
Dans ces conditions, la moindre perte de pas se traduit instanément par une chute du chariot qui descend jusqu'en bas, car la perte de pas fait 'décrocher' le moteur, et la gravité ne diminue pas, elle...
La carte n'était pas réglée au maximum, parce que le fusible (Polyswitch) est un peu limite. La tension d'alimentation de 13.8 V pour un moteur bipolaire 2.6V, 2A.
Si on est en mode plein pas le chariot décroche à la moindre accélération et lors d'une inversion de sens. En mode demi-pas, on est parfaitement stable, sans jamais décrocher. Le fonctionnement est très fluide. Un petite vibration sans influence sur le chariot est observée à bas régime (environ 200 demi-pas seconde) . La vitesse maximum (1400 demi-pas/seconde) est obtenue sans problème, et on peut même faire une inversion de sens à vitesse maximum avec cependant quelques rares décrochages et une bonne secousse sur le chariot. On peut démarrer à 1400 demi-pas/sec avec quelques rares décrochages. C'est probablement plus ou moins la vitesse maximum sans gestion de l'accélération.
J'ai modifié le générateur de tops qui peut donc atteindre maintenant 4200 demi-pas par seconde. Le moteur fonctionne sans problème à cette vitesse là à vide, mais avec un couple très fortement réduit, que j'estime plus ou moins à 1/4 du couple nominal. En charge, je suis arrivé à un maximum de 2400 demi-pas par seconde (6 tours secondes) en accélérant progressivement. Comme je le supposais, 1400 demi-pas seconde est le maximum possible sans gestion de l'accélération (pour cette tension d'alimentation, mais en remplaçant l'alimentation 13.8 V par une alimentation 30 à 40V, on peut certainement beacoup améliorer la capacité en vitesse avec/sans accélération). Nota : La tension est pratiquement sans influence sur le couple à l'arrêt, elle joue uniquement à haute vitesse.

J'ai essayé le mode 'Enable chopping' et 'Phase chopping' (mode de circulation du courant dans le pont lors des passages de pas). Le mode 'Enable chopping' fait siffler et chauffer le moteur, et aussi fait chauffer le pont et les résistance de shunt. Or j'ai pu observer (en mode demi-pas), des décrochages (moindres qu'en mode plein pas), lorsque l'on est en mode 'Enable chopping'. Le bon mode est donc celui ou ça chauffe moins et ou ça ne siffle pas !

J'ai essayé un moteur Unipolaire 6 fils 5V, 1.4A taille Nema34 (la taille au dessus du précédent), câblé en bipolaire.
Un premier câblage avec les point milieux 'à l'air', ce qui nous fait une tension nominale de 10V. A l'arrêt, le couple est supérieur, mais en rotation la perte de couple est très importante. Comme conseillé ailleurs, j'ai essayé en câblant entre les points milieu et une des extrémités des bobines, ce qui fait que seule la moitié des bobinages est utilisée. La chute de couple n'est pas énorme, et le comportement en vitesse nettement meilleur. Néanmoins, contrairement au 'petit' moteur bipolaire 2.6V, il ne peut pas atteindre la vitesse maximum de 4200 demi-pas/seconde, il décroche aux alentours de 3000. Clairement, ce moteur 5V a besoin d'une tension d'alimentation supérieure, au moins 24V. Bien que pas très satisfaisant pour l'esprit, le montage en bipolaire sur seulement la moitié des bobinages est meilleur pour le fonctionnement à une certaine vitesse, car un moteur unipolaire monté en bipolaire a trop d'inductance, et donc besoin de beaucoup de tension. Par ailleurs, un montage en bipolaire 'normal' donne environ 30% de couple en plus qu'un montage unipolaire, et le montage sur la moitié des bobinages doit être assez proche en couple d'un montage unipolaire, mais avec une possibilité de vitesse nettement réduite... Vous suivez toujours ? En bref, avec un moteur Unipolaire 6 fils (c'est différent pour un huit fils), il vaut mieux une carte unipolaire...

Le câble en nappe utilisé ne chauffe pas du tout. Chaque fil de puissance est doublé, mais ça ne fait quand même pas une bien grosse section. Néanmoins, je ne recommande pas un tel montage, qui constitue un fantastique générateur de parasites, du fait de l'absence de blindage et de la très grande longueur (5 m pour le moteur du chariot vertical). Le hacheur génère du 30kHz sous des fortes intensités, ça nous fait une fameuse antenne radioélectrique ! Il faut impérativement utiliser des câbles blindés.
Je prépare une page sur la connectique et le câblage, à venir...

Quelques photos du montage d'essais :

 

Plus costaud !

Cette machine est prévue pour un usage amateur, et sa durabilité ne prétend pas être exceptionnelle, en particulier à cause du matage des règles aluminium.

Aussi, comme il y a toujours des furieux qui en veulent encore plus, voici quelques pistes pour renforcer la machine.

Renforcement des pistes de glissières horizontales

Tout simplement remplacer les règles aluminium par des tubes acier 80 x 80. Elles sont fixes, le poids est donc indifférent. Voir les plans.

Le prix est comparable, mais ça rouille… Il faut utiliser des huiles de protection. Attention à ne pas faire rentrer en contact les huiles de protection avec l'intérieur de vos roulements.

Renforcement des courroies

Une autre voie est d'utiliser des courroies plus modernes que les courroies HTD, courroies Polychain GT, mais la disponibilité soit des courroies au mètre, soit des poulies de commande est problématique. Pour le moment.

Mettre le turbo

Vu la démultiplication,la vitesse de déplacement dépend surtout de la capacité de votre électronique et de votre logiciel (pour la gestion des accélérations, notamment).

Néanmoins, si vous voulez aller plus vite, plus loin, plus fort…, vous pouvez monter des moteurs plus puissants. En taille Nema 23 (57 x 57), on peut trouver des moteurs développant jusqu'à 18 kg.cm de couple, ce qui permet d'utiliser les plans existants, en changeant juste le diamètre de la poulie d'entraînement de la courroie.

Néanmoins, un moteur Nema 23 de fort couple peut être plus cher qu'un moteur en taille NEMA 34 (la taille au-dessus) de couple équivalent. De plus, si vous faites de la récupération (de photocopieur notamment), il y a de fortes chances que vous récupériez des moteurs NEMA 34. A vous de voir, car acheter neuf des moteurs pas à pas puissants n'est pas facile, ni économique.

 

Améliorations

Tête(s) de fraisage

On peut envisager le montage d'une deuxième tête de l'autre coté de la poutre, chaque tête pouvant être équipée d'une fraise différente. Ou aussi d'avoir d'un coté la défonceuse, et de l'autre une perçeuse.

Table à dépression de maintien

Pour maintenir vos pièces, il est possible de monter une table à dépression.
Deux plaques d'aggloméré ou de Triply, séparées par des tasseaux (interrompus, pour laisser circuler l'air), mais avec un cadre périphérique étanche, peuvent, avec l'aide d'un aspirateur puissant, faire une table à dépression pour maintenir vos pièces en place. C'est souhaitable si vous usinez des panneaux minces. La plaque supérieure, d'une épaisseur de 12 à 15 mm, serait perçée de trous de diamètre 1.5 mm, tous les 50 mm.
Notez que ces chiffres sont théoriques, et que je n'ai pas essayé. Mais vu que vous avez la machine pour faire les trous automatiquement déjà toute prête, ce n'est pas si difficile d'essayer...
On peut tenter de faire une dérivation sur le ventilateur d'aspiration principal, mais je craint que son efficacité s'en ressente...

Patin d'appui

Une autre alternative pour maintenir les panneaux est d'avoir, installé concentriquement à la fraise, un patin d'appui maintenu par ressorts. Ce patin devra être fait dans un plastique glissant, genre polyéthylène. Sur le site de Haase, à la page accessoires, on peut voir un tel patin.

Un changeur d'outils automatique

Pour construire une tête de détourage, une bonne solution est d'avoir un arbre nu monté sur roulements, et le moteur à coté de l'arbre, sortie vers le haut, avec un entraînement par courroie. Compte tenu de la chute de prix rapide des moteurs sans balais et de l'électronique associée, il serait peut-être envisageable de faire ceci avec du matériel de modéliste, ce qui permettrait un gain de poids substantiel (Les têtes professionnelles utilisent des moteurs avec des générateurs hautes fréquence). La durabilité, surtout des roulements, en appui latéral permanent, serait à étudier.Celà permettrait d'avoir un arbre creux, ouvrant la possibilité d'avoir une pince automatique, et donc de faire un changeur d'outils automatiques. la fraiseuse possède déjà les déplacements transversaux et axiaux, ne reste plus que le problème des pinces...
Il semble que les changeurs professionnels soient plutot basés sur des maintiens de fraise magnétiques, avec des taquets d'arrêt en rotation. On peut faire un maintien avec un aimant permanent, et une éjection pneumatique ? ou éléctromagnétique ? Dans tous les cas, pour une question de sécurité, le maintien de la fraise devra être assuré en cas de coupure d'énergie. A étudier...