Difference between revisions of "Projets:Perso:2020:CharlyIsel"

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(→‎Etat de la machine, étapes du retrofit)
(→‎No risk, no fun)
 
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[[File:Charly2small.jpg|400px|thumb|La CNC CharlyRobot modèle 2266 (40x23) le jour de son arrivée, accueillie par la Proxxon CNC MF70]]
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[[File:Charly2small.jpg|400px|thumb|La CNC CharlyRobot modèle PM1 30 / 2266 (39x23) le jour de son arrivée, poussière comprise, accueillie par la Proxxon CNC MF70. La mise à niveau de la MF70 s'est limité à un sérieux décrassage/graissage, ajustement des lardons, remplacement des trois inters de fin de course totalement corrodés. ]]
  
 
=='''Pour qui, pourquoi ?'''==
 
=='''Pour qui, pourquoi ?'''==
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Pour ceux, enfin, qui ne possèdent pas le moindre iota de connaissance mécanique et qui sauront supporter les approximations et trahisons de l'auteur.  
 
Pour ceux, enfin, qui ne possèdent pas le moindre iota de connaissance mécanique et qui sauront supporter les approximations et trahisons de l'auteur.  
  
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=='''Etat de la machine, étapes du retrofit '''==
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=='''La logique de contrôle '''==
  
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Ce projet est en fait le résultat d'une confluence : l'arrivée inopinée d'une fraiseuse CNC Proxxon d'occasion vendue à faible prix (et spottée par F4GRX, qu'il soit béni) et la découverte, toujours pour un prix plus qu'attractif, d'un chassis de Charlyrobot. Les deux projets, chacun à un stade différent, seront menés de front compte tenu de la similitude des opérations à conduire
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Ce projet est en fait le résultat d'une confluence : l'arrivée inopinée d'une fraiseuse CNC Proxxon d'occasion vendue à faible prix (et spottée par F4GRX, qu'il soit béni) et la découverte, toujours pour un prix plus qu'attractif, d'un châssis de Charlyrobot motorisation et structure Isel. Les deux projets, chacun à un stade différent, seront menés de front compte tenu de la similitude des opérations à conduire. Une description de modernisation d'un châssis strictement identique se trouve sur le [https://www.usinages.com/threads/un-nouveau-avec-une-charlyrobot-emc2-sous-linux.24645/ forum Usinages]
  
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Une première électronique de pilotage destinée à la fraiseuse Proxxon est en cours de construction, et sert de projet d'entrainement préparatoire avant l'attaque du "gros" chantier Charly.  
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Une première électronique de pilotage destinée à la fraiseuse Proxxon est en cours de construction, et sert de projet préparatoire avant l'attaque du "gros" chantier Charly.  
  
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[[File:Charly2small.jpg|400px|thumb|Electronique de contrôle de la CNC Proxxon]]
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[[File:Drivers proxxon.jpg|400px|thumb|Electronique de contrôle de la CNC Proxxon réalisée en un peu moins d'une semaine de travail]]
  
 
Sur les conseils de Sebastien, il a été décidé d'éviter dans un premier temps les logiciels de pilotage complexes tel que LinuxCNC, mais plutôt de partir sur une solution simplifiée reposant sur [https://github.com/gnea/grbl  grbl ]et l'interface/transmetteur de Gcode [https://github.com/vlachoudis/bCNC "bCNC"].  
 
Sur les conseils de Sebastien, il a été décidé d'éviter dans un premier temps les logiciels de pilotage complexes tel que LinuxCNC, mais plutôt de partir sur une solution simplifiée reposant sur [https://github.com/gnea/grbl  grbl ]et l'interface/transmetteur de Gcode [https://github.com/vlachoudis/bCNC "bCNC"].  
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{{Boite|titre=Projet de documentation bCNC en Français|arrondi=5px|bordure=indianred|fond=Linen|flotte=left|couleurTitre=lightcoral|largeur=25%}}
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Afin de faciliter les premiers pas avec ce logiciel, quelques "recettes" d'utilisation ont été rédigées en Français<br />
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'''Cette documentation sera enrichie au fil du temps''' [[Projets:Lab:2020:bCNC_Wiki| Le premier chapitre]] disponible explique comment étalonner le repère Z=0 et gérer le changement d'outils au cours d'un même usinage  .<br />
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{{BoiteFin}}
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C'est, de loin, l'approche la plus économique et surtout la plus rapide, car elle existe déjà quasiment prête à l'emploi grâce à une entreprise Australienne, Protoneer.  
 
C'est, de loin, l'approche la plus économique et surtout la plus rapide, car elle existe déjà quasiment prête à l'emploi grâce à une entreprise Australienne, Protoneer.  
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Toute la documentation de ce '''Raspberry Pi CNC Hat''' est[https://wiki.protoneer.co.nz/Raspberry_Pi_CNC accessible sur le Wiki de Protoneer].
 
Toute la documentation de ce '''Raspberry Pi CNC Hat''' est[https://wiki.protoneer.co.nz/Raspberry_Pi_CNC accessible sur le Wiki de Protoneer].
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[[File:Protoneer.jpg|left|400px|thumb|La carte Protoneer connectée sur un Raspberry-Pi 3B+ (environ 30 euros, via eBay)]]
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Sur cette carte viennent se brancher des drivers genre Pololu. Si l'on envisage de commander des moteurs pas à pas plus puissants, une série de "jumpers" imprimés routent les signaux de commande vers des modules externes, tels que ces DQ542MA pouvant débiter 4 ampères par phase de manière ponctuelle (3A RMS)
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[[File:Drivers.JPG|center|400px|thumb|La fraiseuse Proxxon, pour plus de simplicité dans le projet, utilise les mêmes pilotes de moteur pas à pas que le chassis CharlyRobot. C'est une approche totalement "''overkill''", mais étant tombé sur un nid de DQ542, il n'y avait aucune raison de se restreindre. ]]
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'''L'électronique Protoneer supervise :'''
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* 3 ou 4 pilotes de moteurs pas à pas sur 3 axes (le quatrième moteur se limitant à recopier l'un des 3 axes principaux)
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* L'activation et la direction de la broche si celle-ci n'est pas indépendante
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* 3 circuits pour les interrupteurs fin de course pour chaque axe
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* Le déclenchement d'un circuit de refroidissement -ou d'une microlube-
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* Les commandes manuelles d'urgence Abort, Hold, Resume et Reset/Restart (Hold et Resume étant nécessaire lors de chaque changement d'outil)
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'''La logique de contrôle peut donc se résumer à :'''
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* Un micro-ordinateur Raspberry Pi chargé d'exécuter le logiciel de commande d'usinage et assure l'interface Homme/Machine (UHM)
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* Une carte Protoneer avec son simili-Arduino Nano qui récupère les commandes Gcode et les traduit en commandes d'actuateurs (moteurs pas à pas, électrovannes, relais marche/arrêt, capteurs de fin de course etc)
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* 3 ou 4 drivers de puissance pour moteurs pas à pas
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* Une alimentation 5V 4A destinée à alimenter le Raspberry et sa carte Protoneer
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* Une alimentation de puissance 24 V 10 ou 12 ampères qui fournira l'énergie nécessaire aux moteurs X, Y et Z
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* Un écran HDMI, un clavier, une souris (IHM)
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Plus spécifiquement pour le projet CharlyRobot :
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* Une alimentation de puissance consacrée à la broche
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* Une petite pompe à air destinée à la micro-lubrification de l'outil en cours d'utilisation
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=='''Opérations de maintenance '''==
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(opérations effectuées à ce jour)''
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* Nettoyage du châssis
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[[File:Nettoyage1sm.jpg|left|400px|thumb|Après élimination des résidus de ruban adhésif vieux de 30 ans, marquage au crayon papier (impossible à gommer sur une surface d'aluminium anodisé), caillots de graisse durcie, de poussière de bois et de copeaux métalliques formant un mortier compact. Les renforts de soufflets ont été recollés avec de la néoprène. Le nettoyage des tissus cartonnés a été réalisé avec un mélange vinaigre blanc/bicarbonate de soude, après un dépoussiérage à l'air comprimé ]]
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* Démontage, restauration et remontage des soufflets
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* Rectification des "impacts" de broche sur la table, vérification de la planéité au comparateur
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* Dégraissage des résidus (acétone, essence F, brosse à dents) qui dataient de plus de 30 ans et formaient une gangue solide sur toute les mécaniques de translation
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* Graissage des Vis à Billes et rails cylindriques
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* Contrôle des jeux et des déplacements. L'axe des X "gratte" dans le sens lévogyre, à la limite du blocage
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[[File:AxeXsm.jpg|left|400px|thumb|L'axe des X qui supporte le chariot Z : la masse de l'ensemble combiné à l'accumulation de limaille est probablement à l'origine de l'usure de la noix et des billes, lesquelles avaient perdu 2 dixièmes de mm pour certaines. Les paliers d'extrémité, affectés par un décentrement visible à l'oeil nu, ont été changés par des pièces plus ajustées]]
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* Démontage de l'ensemble X / Z, dépose de la VaB des X, démontage de la noix, nettoyage, rebillages successifs avec des billes roulées neuves. Cette noix contient trois circuits de billes, et l'un des circulateur, trop usé, est responsable du grippage. Les deux autres circuits ne sont plus très vaillants non plus
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[[File:Noix3sm.jpg|left|400px|thumb|Close up de la noix des X et des caillots de graisse, poussières et limailles qui ont peu à peu détruit le roulement. L'étroitesse de l'étrier de fixation interdit de remplacer cette noix par un équivalent à épaulement norme Europe]]
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* Rebillage final de l'axe des X avec seulement 2 circuits de billes, en attendant la commande d'une noix Hi Win de remplacement (l'histoire nous apprendra qu'il s'agissait là d'une douce illusion)
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[[File:Vab1sm.jpg|left|400px|thumb|Noix des X après 4 rebillages successifs et tests. Ce montage provisoire permettra d'effectuer les premiers étalonnages logiciels de la plateforme grbl en attendant un nouvel épisode de "Au bond de la noix" ]]
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* Changement des paliers de l'axe des X d'origine Isel, totalement excentrés d'origine, vérification des axez Z et Y
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(opérations prévues)''
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* Remontage -provisoire- de l'axe des X, du bloc Z, des pièces de capotage, et rebillage éventuel des roulements de rails
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* Remontage du capotage
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* Remontage des moteurs d'origine, qui seront peut-être à terme remplacés par des Nema 23 de plus forte puissance
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* Usinage du porte broche 1kW (à terme. Provisoirement, un moteur 500W jouera les mulets)
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* Construction/assemblage de l'électronique de commande (grbl/arduino/raspberry) intégrant les drivers 3 axes, la commande de microlube, les alimentations au même standard de branchement que l'électronique de la Proxxon
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=='''Changement de La Vis à Billes des X '''==
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Bien entendu, impossible de trouver une vis à bille Hi-Win adaptable sur le chassis Isel. Après moultes errements allant de la tentative de rebillage à la modification d'une VaB Chinoise, il a bien fallu se résoudre à commander une vis "sur mesure".
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Le sous-traitant choisi est Tuli, en raison de sa proximité et de la réactivité de son service client. Les tarifs sont... confortable mais justifiés. 40 euros de noix à triple circulation, 60 euros de vis à bille... mais 130 euros d'usinage à façon. On est très en deçà des tarifs SKF ou Rexroth, très au dessus des productions Chinoises.
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* Premier écueil, il n'existe pas de noix avec un pas identique à celle d'origine pour une vis de cette longueur. De 16x4, il a fallu passer à 16x5 (simple ajustement logiciel au niveau du contrôle de la machine). La modélisation de la Vis à Bille et de sa noix sous FreeCAD a été grandement facilité par l'importation directe d'un modèle de la noix au format STL, disponible sur le site du fabricant
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* Après mesures, la nouvelle noix Tuli rentre "tout juste" dans le chenal de l'axe des X, mais butte sur les mâchoires des guides à bille linéaires. Ce problème a nécessité de monter la noix "à l'envers" du montage originel.
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* En outre, le diamètre de la noix étant plus important que celui de la pièce d'origine (29mm contre les 26mm), il a fallu usiner un nouveau porte-noix fileté en M25 ISO.
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[[File:porte_noix.JPG|left|500px|thumb|Nécessité fait loi, la conception de ce porte noix a entrainé l'auteur à faire ses premiers pas sous FreeCAD -le Mooc MinesTelecoms venait à point nommé- et causé deux nuits blanches à Zenos qui, à grand renfort de tour, de fraiseuse et de perceuse numérique, est parvenu à un résultat mécaniquement remarquable]]
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[[File:Porte noix freecad.PNG|right|500px|thumb|Modélisation du nouveau porte-noix]]
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[[File:VAB freecad.PNG|left|500px|thumb|Modélisation de la vis à bille avec le modèle Tuli et le nouveau pas de vis]]
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[[File:Vab.jpg|right|500px|thumb|Réception de la nouvelle VaB sur mesure. En haut, l'ancienne VaB Isel]]
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* Second écueil : Le probable responsable de l'usure de la noix  semble être l'alignement peu orthodoxe de la vis avec ses roulements d'extrémité, lesquels roulement d'origine ne sont pas franchement coaxiaux
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[[File:Roulements_VaB.JPG|left|400px|thumb|Les deux roulements de gauche sont fortement amincis et décentrés à 8H. amincissement probablement lié à un défaut de fabrication. Les roulements de droite ne présentent pas ce défaut, mais ont dû, en revanche, subir un sérieux rodage pour que la rotule puisse pivoter dans son logement ]]
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* Troisième écueil : les supports en fonte d'aluminium, doivent être rôdés pour que le roulement puisse se positionner dans l'axe de la vis. Sans un léger passage à la toile Emery, il est impossible d'aligner les extrémités d'arbre et les moyeux. L'arbre lui-même a dû être très légèrement rôdé (abrasif 1000). Le rodage doit être très léger, pour ne pas créer de jeu entre la vis à bille et le moyeu du roulement, et entre le roulement lui-même et son support
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Le remontage s'effectue dans l'ordre inverse de dépose :
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* Nettoyage et graissage des 8 roulements linéaires, rebillage de deux d'entre eux avec des billes neuves
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[[File:Rails_lineaires.JPG|left|400px|thumb|Après un séjour de plus de 20 ou 30 ans dans une cave, la graisse avait finit par s'agglomérer en blocs solides et noirâtres, bloquant la circulation des billes. Nettoyage en local aéré à l'essence F, puis à l'alcool isopropylique, suivi par un léger graissage.]]
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* Insertion de la vis à bille dans son chenal
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* Glissement de chaque extrémité de la VaB dans les moyeux des roulements d'extrémité
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[[File:alignement_vab_roulements.JPG|left|400px|]]
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Montage de la vis Tuli et sa noix dans le chenal de l'axe X : tout rentre exactement à sa place, sans le moindre jeu.
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* Vissage sans serrage des vis de fixation des roulements
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[[File:visserie_roulements.JPG|left|400px|]]
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* Vissage du porte-noix sur le chariot du porte broche, avec contrôle au comparateur du parallélisme du corps de la noix et des rails de guidage linéaire
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* Serrage des vis des roulements en prenant garde à ne pas contraindre la vis à bille
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* Pose du circlip de blocage coté moteur
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* Pose de l'écrou de blocage sur l'autre extrémité
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* Serrage des blocages de moyeu (vis 6 pans creux sans tête) sur chaque roulement
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Ces opérations effectuées, il ne devrait y avoir aucun jeu latéral de l'axe des X, la noix doit se déplacer sans effort d'une extrémité à l'autre.
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=='''Modification du porte broche '''==
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Le diamètre de la broche provisoire 500W est de 52mm, le support de broche d'origine est de 42mm. L'écartement des fixations du nouveau porte broche  est incompatible avec l'espacement des gorges du profilé situés sur le chariot de l'axe Z.
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"Broche provisoire" car la tenue mécanique de ce moteur est... au mieux "très relative" (pour 20 euros alimentation comprise, il ne faut pas s'attendre à un modèle du genre, le centrage du moteur étant assuré par un joint torique en caoutchouc), mais amplement suffisante pour effectuer les premiers essais.
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[[File:porte-broche.JPG|left|400px|thumb|10 mm d'écart entre ces deux porte-broche. En arrière-plan, le support originel, au premier plan le porte-broche du moteur fabriqué en Chine. Ecart également des alésages destinés aux vis de fixation.]]
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Pour contourner ce problème sans modifier la structure du chariot, il a été décidé d'ajouter une plaque intermédiaire de profilé 20x20 (quadruple rails). Le choix du rail 20x20 est dicté par l'écart vertical entre les vis M6 de fixation du support de broche (2 cm) 
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[[File:alesage_filetage_support.JPG|left|400px|thumb|La plaque d'adaptation a été taraudée dans la masse en M6 pour ancrer le support de broche, et alésée pour laisser passer les fixations du chariot de l'axe Z ]]
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Cet ensemble est alésé et taraudé au format du porte-broche, et 4 autres alésages M6 situés proches des 4 coins de la plaque servent à faire passer les vis de fixation de ladite plaque à l'aplomb des rails en T du chariot (espacement de 50)
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[[File:broche_montage.JPG|left|400px|thumb|l'ensemble broche, porte broche, plaque intermédiaire et structure de l'axe Z]]
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=='''Electronique de commande'''==
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Réalisé dans un rack "de récupération", cette centrale de commande est la copie conforme du contrôleur réalisé pour la fraiseuse Proxxon :
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* Chapeau Protoneer pour Raspberry Pi (3B+),
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* drivers de puissance,
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* alimentation 24V  15 (une 36V eût été préférable... si vous vous aventurez sur un tel chemin, optez pour la tension la plus élevée possible, compatible avec la tension de service de vos drivers)
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* alimentation 5V pour le Raspberry Pi. Si possible de qualité (MeanWell si votre budget le permet)
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* alimentation du moteur de broche (provisoire)
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* interface de contrôle de moteur de broche (M/A, direction et conversion PWM vers 0-10V "mach3" style, soit un pcb original pondu sous Kicad, soit une verrue à base de récupération et détournement de carte P0wArduino)
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* sortie vidéo pour écran de contrôle Pi-CNC
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* IHM de base (Restart/Resume/Hold/Abort et réglage du Z, voir les fournisseur de boutons "Jacky's tuning" étanches et solides)
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* si résultats concluants, une microlube à base de compresseur d'aquarium ou ensemble compresseur/aérographe modifié.
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[[File:Commande_drivers_2.jpg|left|700px|thumb|Câblage du rack de commande : au centre, les drivers des trois axes, câblage de puissance nettement séparée du reste du câblage. Sur la gauche, le bloc 24V 15A, à droite, le variateur qui alimente la broche en 0/100V, sur le bas, l'alimentation 5V et l'ensemble Raspberry pi 3B+ et son "chapeau" de commande Protoneer. On remarque, en haut, à droite, le rail DIN de distribution 220V. Chaque toron spécifique est protégé par un tube de ferrite assurant la réjection du mode commun]]
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[[File:Cablage avant.jpg|left|500px|thumb|La vue avant montre comment ont été routés les boutons d'intervention manuelle (Restart, Hold, Resume, Abort), ainsi que la découpe d'accès aux connecteurs USB et Ethernet du Raspberry Pi]]
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[[File:Cablage arriere.jpg|right|500px|thumb|La vue arrière du chassis dévoile les torons de sortie vers les moteurs pas à pas (connecteurs dB9)et du fil devant aboutir au capteur d'étalonnage de position (fil brun volant). N'apparaissent pas les câbles de sortie vidéo HDMI et les fils de commande du moteur de broche (M/A, vitesse, sens de rotation). A noter, vers le centre droit de l'image, les deux vis de mise à la masse  châssis, à partir desquels partent, en câblage "étoile", les différents "gnd" de référence pour les modules électronique et le raccordement à la terre "secteur". ]]
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[[File:Broche elec.jpg|left|300px|thumb|La broche nécessite une commande de vitesse par variation de tension 0/10 V (norme "mach3"), et un inverseur de polarité pour changer le sens de rotation de l'outil. La carte protoneer ne délivre qu'un signal logique TTL pour commander le sens de rotation, et un train d'impulsions PWM pour asservir la vitesse. Il est donc nécessaire d'ajouter une petite électronique capable de piloter le relais d'inversion de tension et convertir le PWM en une rampe de tension acceptable.]]
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[[File:Broche elec 3.jpg|right|300px|thumb|Logée à coté du Raspberry Pi, la carte de commande de puissance reçoit en entrée les signaux de pilotage provenant de la carte Protoneer, un rail 24V, une entrée 0/100V en amont du relais d'inversion de sens de rotation, et une sortie courant continu variable de 0 à 10V pour la commande de vitesse]]
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[[File:Broche elec 2.jpg|center|300px|thumb|Une carte P0warduino [[Projets:Lab:2016:Ardui_P0wa]] sans le moindre Arduino mais avec trois étages de commutation de puissance a donc été sacrifiée. Quelques coups énergiques de perceuse ont permis d'y ajouter un relais double repos-travail et la quincaillerie nécessaire pour éviter la moindre contrainte mécanique sur les câbles. Cette bidouille infâme contrôle également une sortie 0/24V destinée à exciter le relais de mise en fonction de la ''microlube'' lorsqu'elle sera installée.]]
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[[File:Setup_sur_table.jpg|left|500px|thumb|La photo de famille, à comparer à celle situé en tête de page.]]
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[[File:Façade.jpg|right|450px|right|thumb|Le coffret une fois fermé viendra s'encastrer sur un tiroir 19 pouces situé sous la CNC CharlyRobot. La façade provisoire -avant gravure à la CNC bien entendu- est réalisée en mode quick & dirty avec des feuilles de vinyle imprimés laser]]
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[[File:Hello world.jpg|left|400px|thumb|Première impression "à l'aveugle" d'un gcode généré avec CamBam, aucun réglage spécifique particulier n'ayant encore été réalisé. So far, so good, l'on peut considérer que le projet "''retrofit Isel''" est techniquement achevé. Reste à ajuster les paramètres fins et apprendre à s'en servir, ce qui risque d'être un peu plus laborieux que d'utiliser la Charly2U du Lab en mode nobrainer.]]
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[[File:Lube small.jpg|right|600px|thumb|Configuration quasi finale, avec, sur le bloc des Z, l'ajout d'une plaque porte-accessoire soutenant les attaches du réservoir d'huile de coupe, le tuyau locline de la micro-lubrification relié à un petit compresseur via un tuyau flexible, et une fixation pour le connecteur d'alimentation de la broche. Sur le plateau de la machine, le capteur de réglage de Z. Sur la gauche, le boitier de commande et son moniteur. Il est probable que celui-ci disparaisse et soit remplacé par un écran d'ordinateur portable cannibalisé, lequel viendra se rabattre sur le dessus du boitier en position refermée.]]
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='''Retrofit du retrofit:'''=
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Cette première phase achevée, la machine-outil est configurée, testée et mise en service. Très rapidement, l'ubris du monteur et quelques usinages ont incité à accroitre la puissance de l'ensemble. Une sorte de "CNC de Jackie" en quelques sortes.
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l’étape suivante consiste donc à installer une broche un peu plus puissante. Le moteur choisi développe 2.2 kW de puissance refroidie par liquide, mais une 1.5 kW aurait mieux convenu.
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Ses principaux avantages :
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*  Refroidissement liquide qui fonctionne y compris à basse vitesse, contrairement au refroidissement « air » qui est moins efficace lorsque le ventilateur tourne trop lentement
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* Vitesse d’usinage plus rapide, à 24 000 tm, contre 10 000 pour la broche 500W
 +
* puissance plus adaptée au travail du métal
 +
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'''Ses principaux inconvénients''' :
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 +
* Un poids de près de 9 kg qui sollicite plus l’axe Z et les moteurs pas à pas X et Y
 +
* Un circuit de refroidissement relativement lourd, encombrant et compliqué
 +
* Nécessité d’usinage d’une plaque intermédiaire pour fixer l’étau du moteur de broche et la plaque de l’axe Z
 +
* Nécessité d’utiliser un convertisseur mono vers triphasé à fréquence variable -100 à 400 Hz-, qui pilotera le moteur de broche (vitesse, gestion des temps de mise en rotation et freinage, sens de rotation). Ce convertisseur (VFD) est un périphérique programmable nécessitant un paramétrage en fonction du moteur de broche d’une part, et des ordres envoyés par bcnc d’autre part
 +
* Considérablement moins de tolérance à l’erreur, risques de casse proportionnels à l’accroissement de puissance
 +
 +
==='''Usinage de la semelle d’étau de broche'''===
 +
 +
Cette plaque d’aluminium de 15mm d’épaisseur est percée de
 +
*  8 alésages pour vis BTR M6 qui viennent fixer la plaque sur le chariot de l’axe Z, chaque trou étant fraisé pour noyer la tête de vis dans la masse
 +
* 6 alésages perpendiculaires aux premiers pour autant de vis BTR M6 destinées à fixer l’étau de broche, avec un chambrage de tête identique mais situé sur l’autre face de la plaque
 +
Cette plaque a été dessinée sous Freecad, la traduction en gcode est l’œuvre de CamBam et la pièce a été usinée avec la broche 500W, fraise monoflute de 3mm de diamètre.
 +
 +
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<br style="clear: both" />
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[[File:Verso sans vis.jpg|left|350px|thumb|la plaque "brut d'usinage"]]
 +
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[[File:Semelle recto.jpg|Right|350px|thumb|... avec les vis de fixation]]
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[[File:Etau de broche sur semelle.jpg|center|350px|thumb|la semelle avec l'étau de broche, prête à être glissée sur la plaque du chariot de l'axe X/Z]]
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<br style="clear: both" />
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=='''Modification des chaines de tirage'''==
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La chaine de tirage initialement installée le long de l’axe X s’est avérée bien trop étroite pour contenir le câble d’alimentation triphasé (blindé, plus conséquent que le « monophasé 100V » du moteur 500W), les tubes aller et retour du circuit de refroidissement, et le tube d’air sous pression de la microlubrification. Elle est remplacée par une chaine 50x20mm à maillons ouvrables. Cette chaine repose en grande partie sur la face supérieur du portique
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Une seconde chaine est également installé sur le chemin de l’axe Y, qui ne supporte que les câbles d’alimentation des moteurs pas à pas X et Z. Cette chaine est soutenue par une cornière en aluminium, elle-même fixée sur le châssis de la machine.
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[[File:Nouvelle chaine tirage.jpg|right|400px|thumb|La nouvelle chaine de tirage à maillons ouvrable offre des dimensions plus "confortables" (50x20mm intérieur) et enserre les tuyaux pneumatique de la lubrification, le circuit de refroidissement de broche, le câble de commande du moteur pas à pas de l'axe Z et le câble d'alimentation 220V triphasé du moteur de broche]]
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[[File:Chaine tirage-Y-laterale.jpg|left|400px|thumb|La chaine latérale guide les câbles des moteurs pas à pas des axes X et Z.. et rien d'autre.]]
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=='''Panneau arrière de support VFD, refroidissement hydraulique, lubrification'''==
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Très souvent, les retrofits de CNC portique utilisent l’arbre horizontal du portique pour supporter les périphériques accessoires. Mais la masse du moteur de broche étant déjà assez conséquence, il a été décidé de regrouper ces périphériques sur un panneau fixe, solidaire du châssis de la machine-outil.
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Le panneau est découpé dans une feuille d’aluminium boulonnée sur trois cornières également en aluminium, elles-mêmes vissées sur les empiètements et le plateau de la CNC. La plaque est doublée d’une couche de stratifié (imitation bois du plus bel effet), collée sur la plaque alu. Le sandwich aluminium/colle silicone/stratifié amorti sensiblement les vibrations de la machine.
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[[File:Panneau AR Alu.jpg|left|400px|thumb|La plaque de support occupe toute la largeur du tablier de la CNC, et sert à la fois de superstructure de fixation pour les différentes éléments périphériques (électronique VFD, lubrification, pneumatique) et de cloison fermant la partie arrière de la machine et confinant les copeaux dans l'espace d'usinage ]]
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==='''Circuit de refroidissement'''===
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Un premier tuyau de 6mm de diamètre relie le moteur de broche à une pompe « haute » alimentée en 12Vcc, qui refoule le liquide de refroidissement dans un échangeur de chaleur (radiateur équipé de deux ventilateurs également alimentés en 12V). Le liquide refroidi s’écoule ensuite dans un réservoir tampon d’une contenance de 400 ml. Ce réservoir est solidaire d’une seconde pompe qui expédie à son tour le liquide dans le moteur de broche. Le volume totale de liquide circulant dans le réservoir, la tuyauterie, le radiateur, le corps de broche et les moteurs de pompe avoisine les 700 ml. La longueur totale de la tuyauterie s’approche des 5 mètres
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La tension de 12V utilisée par les deux pompes et les deux ventilateurs est fournie par une alimentation à découpage, elle-même branchée au panneau arrière du rack de commande
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[[File:Panneau arriere commande.JPG|left|500px|thumb|Rare photo d'un enfant naturel de Cthulhu et d'une pompe]]
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==='''Circuit de lubrification'''===
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Il se limite à un seul élément : la pompe à air à basse pression. Il s’agit d’une pompe pour aquarium intégrant deux pompes doubles à membrane -soit 4 sorties-. Ces sorties sont reliées entre elles par une buse et routée via un tuyau de 6mm vers l’injecteur à effet venturi maintenu en extrémité d’une loc-line. Le réservoir d’huile de coupe, fixé sur le chariot de l’axe X, fonctionne par gravité. Le débit est réglé par un robinet de « goutte à goutte » médical. L’ensemble de ce système de microlubrification basse pression est commercialisé par [https://www.cncfraises.fr/212-microlubrification CNC Fraises]  et conçu par  [https://thebreizmaker.wordpress.com/microlubrification-diy/ The Breizh Maker] 
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==='''VFD:'''===
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Sur le bloc VFD partent 4 câbles :
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Le 220V triphasé 100/400 Hz à fréquence variable en direction du moteur
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Le 220V monophasé 50 Hz d’alimentation (activé ou non à partir du rack de commande)
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Un faisceau de câbles de contrôle de vitesse -0/10V- et sens de rotation, également relié au rack de commande.
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=='''Modification du rack de commande'''==
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Le bloc d’alimentation à tension variable 0/100V du moteur 500W est enlevé
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La logique de contrôle de sens de rotation et de conversion pwm/0-10V est remplacée par une carte d’interface à 4 relais, un module dédié de conversion PWM/ 0-10V plus efficace, un convertisseur de tension step down qui transforme une tension 24V en 11V qui alimentera à son tour le convertisseur pwm mentionné.
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Les relais sont directement pilotés par la carte Protoneer. Un premier relais assure l’inversion du sens de rotation, un second relais récupère la commande de microlubrification et excite un second relais, plus puissant, qui à son tour alimente en 220V la sortie sur laquelle vient se brancher la pompe basse pression.
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L’activation du moteur de broche est commandée par un bouton-poussoir en façade du rack de commande (ce qui ne change rien au mode de fonctionnement précédent). Ce bouton ferme un circuit 24V qui vient activer le relais de puissance qui alimente le VFD
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Les différents borniers de répartition du courant secteur, les relais de puissance et le bornier de la tension de service 24V sont fixés sur des rails DIN.
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[[File:Cablage 220 24 filtrage 5V.JPG|left|600px|thumb|La distribution du 220V et du 24V est concentrée sur deux rails DIN distincts. Les commutations de puissance sont effectuées par des relais et routés dans des faisceaux bien distincts des torons consacrés aux commandes "signaux logiques" basse tension]]
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Le panneau arrière a également été usiné pour supporter
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* L’entrée générale 220V sur connecteur IEC20, 4 sorties 220V permanente sur IEC14 (refroidissement broche/circuit hydraulique, moniteur vidéo, éclairage de la table d’usinage),
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*  Deux IEC14 de sortie « alimentation du VFD », commutée par relais interne « moteur on »
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* Deux IEC14 de sortie relais « microlube », commutées par la carte Protoneer et bcnc, dont une prise pour le compresseur, l’autre pour une éventuelle électrovanne de lubrifiant (non encore installée)
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* Une sortie dB15 de commande logique de rotation de broche (vers le boitier VFD)
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* Un inter M/A qui ferme un circuit 24V (tension permanente dès que le connecteur IEC20 est branché) et excite un relais de puissance général 20 A monté sur rail DIN.
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[[File:Face arriere.jpg|left|500px|thumb|La façade arrière avant montage]]
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[[File:Face arrière hd.JPG|right|750px|thumb|La même avec ses faisceaux de câbles branchés]]
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=='''No risk, no fun'''==
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Les premiers essais se sont soldés par un échec cuisant. A chaque interruption du relais de commande de la microlubrification, bcnc se mettait en rideau, avec une alerte majeure invoquant un déclanchement de sonde de fin de course ou du capteur de Z. Une rapide mesure à l’oscilloscope montrait la présence d’une impulsion transitoire assez prononcée sur le rail 5V alimentant le Raspberry Pi.
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Après avoir progressivement « dégraissé » toute la circuiterie microlub, ajouté un condensateur de 4700 uF sur le 5V, découplé la bobine du relais 220V avec une 100nF, le canard était toujours vivant. En continuant de remonter le signal de commande, il a bien fallu se rendre à l’évidence que la carte « multi-relais » de premier niveau (celle directement branchée à la carte Protoneer) ne possédait strictement aucune capa de filtrage aux bornes des bobines. Une paire de capa 100nF/10nF sur chaque composant et un tantale de 3.3uF sur l’entrée 5V a résolu la question.
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[[File:Decouplage deparasitage.jpg|left|400px|thumb|Petits prix mais conception déplorable qui a nécessité l'ajout de quelques verrues sur l'interface "relais" pilotée par la carte Protoneer ]]
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[[File:Alim_filtre.JPG|right|500px|thumb|Montage à blanc "non fixé" du filtre secteur (un grand merci à Christian pour la richesse de ses fonds de tiroir) et de l'alimentation 24V "permanente". Cet ajout implique un déplacement des deux rails DIN et un léger toilettage du câblage qui, avec le temps est les multiples modifications, tend à se transformer une pelote inextricable]]
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Un filtre secteur conséquent (30A) et une alimentation d’amorçage 24V (mise sous tension générale commandée par relais) ont également été ajoutés après coup. Pour isoler l’électronique de commande de parasites provenant du courant secteur, et pour éviter d’injecter trop de perturbations générées par les commutations diverses et le VFD.
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[[File:Cnc1 cablage.jpg|right|500px|thumb|toillettage du câblage après ajout d'un filtre secteur et d'une alimentation 24V "de veille"]]
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=='''Extensions qu'il reste à monter '''==
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* Un bouton d'arrêt d'urgence
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* Un tiroir à glissière situé sous la CNC pour y loger le boitier de commande, le clavier, la souris...
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* Un râtelier à fraises
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* A plus longue échéance, le remplacement des moteurs pas à pas par des servomoteurs, en d'autres termes, élimination de l'alimentation 24V de puissance pour un bloc 50V (alimentation de serveur ou gros routeur) suppression du "hat" Protoneer pour un contrôleur à base de fpga genre [http://store.mesanet.com/index.php?route=product/product&product_id=290 carte Mesa], et pilotage via LinuxCNC.

Latest revision as of 15:52, 27 April 2021

Retrofit de CNC CharlyRobot génération Isel


La CNC CharlyRobot modèle PM1 30 / 2266 (39x23) le jour de son arrivée, poussière comprise, accueillie par la Proxxon CNC MF70. La mise à niveau de la MF70 s'est limité à un sérieux décrassage/graissage, ajustement des lardons, remplacement des trois inters de fin de course totalement corrodés.

Pour qui, pourquoi ?

Pour tous ceux qui n'ont pas la patience de plancher sur un hypothétique cahier des charges, lequel de toute manière ne saurait être défini puisque reposant sur le principe de la permanence des choses...

Pour ceux, également, qui ont mis la main sur une de ces nombreuses machines achetées par l'Education Nationale et qui se retrouvent sur le marché des "secondes mains".

Pour ceux, enfin, qui ne possèdent pas le moindre iota de connaissance mécanique et qui sauront supporter les approximations et trahisons de l'auteur.

La logique de contrôle

Ce projet est en fait le résultat d'une confluence : l'arrivée inopinée d'une fraiseuse CNC Proxxon d'occasion vendue à faible prix (et spottée par F4GRX, qu'il soit béni) et la découverte, toujours pour un prix plus qu'attractif, d'un châssis de Charlyrobot motorisation et structure Isel. Les deux projets, chacun à un stade différent, seront menés de front compte tenu de la similitude des opérations à conduire. Une description de modernisation d'un châssis strictement identique se trouve sur le forum Usinages

Une première électronique de pilotage destinée à la fraiseuse Proxxon est en cours de construction, et sert de projet préparatoire avant l'attaque du "gros" chantier Charly.

Electronique de contrôle de la CNC Proxxon réalisée en un peu moins d'une semaine de travail

Sur les conseils de Sebastien, il a été décidé d'éviter dans un premier temps les logiciels de pilotage complexes tel que LinuxCNC, mais plutôt de partir sur une solution simplifiée reposant sur grbl et l'interface/transmetteur de Gcode "bCNC".

Projet de documentation bCNC en Français

Afin de faciliter les premiers pas avec ce logiciel, quelques "recettes" d'utilisation ont été rédigées en Français
Cette documentation sera enrichie au fil du temps Le premier chapitre disponible explique comment étalonner le repère Z=0 et gérer le changement d'outils au cours d'un même usinage .


C'est, de loin, l'approche la plus économique et surtout la plus rapide, car elle existe déjà quasiment prête à l'emploi grâce à une entreprise Australienne, Protoneer.

Celle-ci commercialise une carte open hardware, open source à base de microcontroleur Atmel (lequel est chargé de supporter grbl) et qui se monte en "piggy back" sur un SoC Raspberry-Pi.

Un Raspi qui fait tourner l'un des logiciels de contrôle sous Linux Raspbian tel que bCNC, ou joue le rôle de serveur d'administration/contrôle à distance via un service Web et une interface html.


Toute la documentation de ce Raspberry Pi CNC Hat estaccessible sur le Wiki de Protoneer.


La carte Protoneer connectée sur un Raspberry-Pi 3B+ (environ 30 euros, via eBay)

Sur cette carte viennent se brancher des drivers genre Pololu. Si l'on envisage de commander des moteurs pas à pas plus puissants, une série de "jumpers" imprimés routent les signaux de commande vers des modules externes, tels que ces DQ542MA pouvant débiter 4 ampères par phase de manière ponctuelle (3A RMS)

La fraiseuse Proxxon, pour plus de simplicité dans le projet, utilise les mêmes pilotes de moteur pas à pas que le chassis CharlyRobot. C'est une approche totalement "overkill", mais étant tombé sur un nid de DQ542, il n'y avait aucune raison de se restreindre.



L'électronique Protoneer supervise :

  • 3 ou 4 pilotes de moteurs pas à pas sur 3 axes (le quatrième moteur se limitant à recopier l'un des 3 axes principaux)
  • L'activation et la direction de la broche si celle-ci n'est pas indépendante
  • 3 circuits pour les interrupteurs fin de course pour chaque axe
  • Le déclenchement d'un circuit de refroidissement -ou d'une microlube-
  • Les commandes manuelles d'urgence Abort, Hold, Resume et Reset/Restart (Hold et Resume étant nécessaire lors de chaque changement d'outil)

La logique de contrôle peut donc se résumer à :

  • Un micro-ordinateur Raspberry Pi chargé d'exécuter le logiciel de commande d'usinage et assure l'interface Homme/Machine (UHM)
  • Une carte Protoneer avec son simili-Arduino Nano qui récupère les commandes Gcode et les traduit en commandes d'actuateurs (moteurs pas à pas, électrovannes, relais marche/arrêt, capteurs de fin de course etc)
  • 3 ou 4 drivers de puissance pour moteurs pas à pas
  • Une alimentation 5V 4A destinée à alimenter le Raspberry et sa carte Protoneer
  • Une alimentation de puissance 24 V 10 ou 12 ampères qui fournira l'énergie nécessaire aux moteurs X, Y et Z
  • Un écran HDMI, un clavier, une souris (IHM)

Plus spécifiquement pour le projet CharlyRobot :

  • Une alimentation de puissance consacrée à la broche
  • Une petite pompe à air destinée à la micro-lubrification de l'outil en cours d'utilisation

Opérations de maintenance

(opérations effectuées à ce jour)

  • Nettoyage du châssis


Après élimination des résidus de ruban adhésif vieux de 30 ans, marquage au crayon papier (impossible à gommer sur une surface d'aluminium anodisé), caillots de graisse durcie, de poussière de bois et de copeaux métalliques formant un mortier compact. Les renforts de soufflets ont été recollés avec de la néoprène. Le nettoyage des tissus cartonnés a été réalisé avec un mélange vinaigre blanc/bicarbonate de soude, après un dépoussiérage à l'air comprimé


  • Démontage, restauration et remontage des soufflets
  • Rectification des "impacts" de broche sur la table, vérification de la planéité au comparateur
  • Dégraissage des résidus (acétone, essence F, brosse à dents) qui dataient de plus de 30 ans et formaient une gangue solide sur toute les mécaniques de translation
  • Graissage des Vis à Billes et rails cylindriques
  • Contrôle des jeux et des déplacements. L'axe des X "gratte" dans le sens lévogyre, à la limite du blocage


L'axe des X qui supporte le chariot Z : la masse de l'ensemble combiné à l'accumulation de limaille est probablement à l'origine de l'usure de la noix et des billes, lesquelles avaient perdu 2 dixièmes de mm pour certaines. Les paliers d'extrémité, affectés par un décentrement visible à l'oeil nu, ont été changés par des pièces plus ajustées



  • Démontage de l'ensemble X / Z, dépose de la VaB des X, démontage de la noix, nettoyage, rebillages successifs avec des billes roulées neuves. Cette noix contient trois circuits de billes, et l'un des circulateur, trop usé, est responsable du grippage. Les deux autres circuits ne sont plus très vaillants non plus


Close up de la noix des X et des caillots de graisse, poussières et limailles qui ont peu à peu détruit le roulement. L'étroitesse de l'étrier de fixation interdit de remplacer cette noix par un équivalent à épaulement norme Europe



  • Rebillage final de l'axe des X avec seulement 2 circuits de billes, en attendant la commande d'une noix Hi Win de remplacement (l'histoire nous apprendra qu'il s'agissait là d'une douce illusion)


Noix des X après 4 rebillages successifs et tests. Ce montage provisoire permettra d'effectuer les premiers étalonnages logiciels de la plateforme grbl en attendant un nouvel épisode de "Au bond de la noix"



  • Changement des paliers de l'axe des X d'origine Isel, totalement excentrés d'origine, vérification des axez Z et Y

(opérations prévues)

  • Remontage -provisoire- de l'axe des X, du bloc Z, des pièces de capotage, et rebillage éventuel des roulements de rails
  • Remontage du capotage
  • Remontage des moteurs d'origine, qui seront peut-être à terme remplacés par des Nema 23 de plus forte puissance
  • Usinage du porte broche 1kW (à terme. Provisoirement, un moteur 500W jouera les mulets)
  • Construction/assemblage de l'électronique de commande (grbl/arduino/raspberry) intégrant les drivers 3 axes, la commande de microlube, les alimentations au même standard de branchement que l'électronique de la Proxxon

Changement de La Vis à Billes des X

Bien entendu, impossible de trouver une vis à bille Hi-Win adaptable sur le chassis Isel. Après moultes errements allant de la tentative de rebillage à la modification d'une VaB Chinoise, il a bien fallu se résoudre à commander une vis "sur mesure".

Le sous-traitant choisi est Tuli, en raison de sa proximité et de la réactivité de son service client. Les tarifs sont... confortable mais justifiés. 40 euros de noix à triple circulation, 60 euros de vis à bille... mais 130 euros d'usinage à façon. On est très en deçà des tarifs SKF ou Rexroth, très au dessus des productions Chinoises.

  • Premier écueil, il n'existe pas de noix avec un pas identique à celle d'origine pour une vis de cette longueur. De 16x4, il a fallu passer à 16x5 (simple ajustement logiciel au niveau du contrôle de la machine). La modélisation de la Vis à Bille et de sa noix sous FreeCAD a été grandement facilité par l'importation directe d'un modèle de la noix au format STL, disponible sur le site du fabricant
  • Après mesures, la nouvelle noix Tuli rentre "tout juste" dans le chenal de l'axe des X, mais butte sur les mâchoires des guides à bille linéaires. Ce problème a nécessité de monter la noix "à l'envers" du montage originel.
  • En outre, le diamètre de la noix étant plus important que celui de la pièce d'origine (29mm contre les 26mm), il a fallu usiner un nouveau porte-noix fileté en M25 ISO.
Nécessité fait loi, la conception de ce porte noix a entrainé l'auteur à faire ses premiers pas sous FreeCAD -le Mooc MinesTelecoms venait à point nommé- et causé deux nuits blanches à Zenos qui, à grand renfort de tour, de fraiseuse et de perceuse numérique, est parvenu à un résultat mécaniquement remarquable
Modélisation du nouveau porte-noix


Modélisation de la vis à bille avec le modèle Tuli et le nouveau pas de vis
Réception de la nouvelle VaB sur mesure. En haut, l'ancienne VaB Isel



  • Second écueil : Le probable responsable de l'usure de la noix semble être l'alignement peu orthodoxe de la vis avec ses roulements d'extrémité, lesquels roulement d'origine ne sont pas franchement coaxiaux
Les deux roulements de gauche sont fortement amincis et décentrés à 8H. amincissement probablement lié à un défaut de fabrication. Les roulements de droite ne présentent pas ce défaut, mais ont dû, en revanche, subir un sérieux rodage pour que la rotule puisse pivoter dans son logement


  • Troisième écueil : les supports en fonte d'aluminium, doivent être rôdés pour que le roulement puisse se positionner dans l'axe de la vis. Sans un léger passage à la toile Emery, il est impossible d'aligner les extrémités d'arbre et les moyeux. L'arbre lui-même a dû être très légèrement rôdé (abrasif 1000). Le rodage doit être très léger, pour ne pas créer de jeu entre la vis à bille et le moyeu du roulement, et entre le roulement lui-même et son support 
Le remontage s'effectue dans l'ordre inverse de dépose :
  • Nettoyage et graissage des 8 roulements linéaires, rebillage de deux d'entre eux avec des billes neuves
Après un séjour de plus de 20 ou 30 ans dans une cave, la graisse avait finit par s'agglomérer en blocs solides et noirâtres, bloquant la circulation des billes. Nettoyage en local aéré à l'essence F, puis à l'alcool isopropylique, suivi par un léger graissage.


  • Insertion de la vis à bille dans son chenal
  • Glissement de chaque extrémité de la VaB dans les moyeux des roulements d'extrémité
Alignement vab roulements.JPG


Montage de la vis Tuli et sa noix dans le chenal de l'axe X : tout rentre exactement à sa place, sans le moindre jeu.


  • Vissage sans serrage des vis de fixation des roulements
Visserie roulements.JPG



  • Vissage du porte-noix sur le chariot du porte broche, avec contrôle au comparateur du parallélisme du corps de la noix et des rails de guidage linéaire
  • Serrage des vis des roulements en prenant garde à ne pas contraindre la vis à bille
  • Pose du circlip de blocage coté moteur
  • Pose de l'écrou de blocage sur l'autre extrémité
  • Serrage des blocages de moyeu (vis 6 pans creux sans tête) sur chaque roulement

Ces opérations effectuées, il ne devrait y avoir aucun jeu latéral de l'axe des X, la noix doit se déplacer sans effort d'une extrémité à l'autre.

Modification du porte broche

Le diamètre de la broche provisoire 500W est de 52mm, le support de broche d'origine est de 42mm. L'écartement des fixations du nouveau porte broche est incompatible avec l'espacement des gorges du profilé situés sur le chariot de l'axe Z.

"Broche provisoire" car la tenue mécanique de ce moteur est... au mieux "très relative" (pour 20 euros alimentation comprise, il ne faut pas s'attendre à un modèle du genre, le centrage du moteur étant assuré par un joint torique en caoutchouc), mais amplement suffisante pour effectuer les premiers essais.

10 mm d'écart entre ces deux porte-broche. En arrière-plan, le support originel, au premier plan le porte-broche du moteur fabriqué en Chine. Ecart également des alésages destinés aux vis de fixation.



Pour contourner ce problème sans modifier la structure du chariot, il a été décidé d'ajouter une plaque intermédiaire de profilé 20x20 (quadruple rails). Le choix du rail 20x20 est dicté par l'écart vertical entre les vis M6 de fixation du support de broche (2 cm)

La plaque d'adaptation a été taraudée dans la masse en M6 pour ancrer le support de broche, et alésée pour laisser passer les fixations du chariot de l'axe Z


Cet ensemble est alésé et taraudé au format du porte-broche, et 4 autres alésages M6 situés proches des 4 coins de la plaque servent à faire passer les vis de fixation de ladite plaque à l'aplomb des rails en T du chariot (espacement de 50)

l'ensemble broche, porte broche, plaque intermédiaire et structure de l'axe Z


Electronique de commande

Réalisé dans un rack "de récupération", cette centrale de commande est la copie conforme du contrôleur réalisé pour la fraiseuse Proxxon :

  • Chapeau Protoneer pour Raspberry Pi (3B+),
  • drivers de puissance,
  • alimentation 24V 15 (une 36V eût été préférable... si vous vous aventurez sur un tel chemin, optez pour la tension la plus élevée possible, compatible avec la tension de service de vos drivers)
  • alimentation 5V pour le Raspberry Pi. Si possible de qualité (MeanWell si votre budget le permet)
  • alimentation du moteur de broche (provisoire)
  • interface de contrôle de moteur de broche (M/A, direction et conversion PWM vers 0-10V "mach3" style, soit un pcb original pondu sous Kicad, soit une verrue à base de récupération et détournement de carte P0wArduino)
  • sortie vidéo pour écran de contrôle Pi-CNC
  • IHM de base (Restart/Resume/Hold/Abort et réglage du Z, voir les fournisseur de boutons "Jacky's tuning" étanches et solides)
  • si résultats concluants, une microlube à base de compresseur d'aquarium ou ensemble compresseur/aérographe modifié.
Câblage du rack de commande : au centre, les drivers des trois axes, câblage de puissance nettement séparée du reste du câblage. Sur la gauche, le bloc 24V 15A, à droite, le variateur qui alimente la broche en 0/100V, sur le bas, l'alimentation 5V et l'ensemble Raspberry pi 3B+ et son "chapeau" de commande Protoneer. On remarque, en haut, à droite, le rail DIN de distribution 220V. Chaque toron spécifique est protégé par un tube de ferrite assurant la réjection du mode commun


La vue avant montre comment ont été routés les boutons d'intervention manuelle (Restart, Hold, Resume, Abort), ainsi que la découpe d'accès aux connecteurs USB et Ethernet du Raspberry Pi
La vue arrière du chassis dévoile les torons de sortie vers les moteurs pas à pas (connecteurs dB9)et du fil devant aboutir au capteur d'étalonnage de position (fil brun volant). N'apparaissent pas les câbles de sortie vidéo HDMI et les fils de commande du moteur de broche (M/A, vitesse, sens de rotation). A noter, vers le centre droit de l'image, les deux vis de mise à la masse châssis, à partir desquels partent, en câblage "étoile", les différents "gnd" de référence pour les modules électronique et le raccordement à la terre "secteur".


La broche nécessite une commande de vitesse par variation de tension 0/10 V (norme "mach3"), et un inverseur de polarité pour changer le sens de rotation de l'outil. La carte protoneer ne délivre qu'un signal logique TTL pour commander le sens de rotation, et un train d'impulsions PWM pour asservir la vitesse. Il est donc nécessaire d'ajouter une petite électronique capable de piloter le relais d'inversion de tension et convertir le PWM en une rampe de tension acceptable.
Logée à coté du Raspberry Pi, la carte de commande de puissance reçoit en entrée les signaux de pilotage provenant de la carte Protoneer, un rail 24V, une entrée 0/100V en amont du relais d'inversion de sens de rotation, et une sortie courant continu variable de 0 à 10V pour la commande de vitesse
Une carte P0warduino Projets:Lab:2016:Ardui_P0wa sans le moindre Arduino mais avec trois étages de commutation de puissance a donc été sacrifiée. Quelques coups énergiques de perceuse ont permis d'y ajouter un relais double repos-travail et la quincaillerie nécessaire pour éviter la moindre contrainte mécanique sur les câbles. Cette bidouille infâme contrôle également une sortie 0/24V destinée à exciter le relais de mise en fonction de la microlube lorsqu'elle sera installée.



La photo de famille, à comparer à celle situé en tête de page.
Le coffret une fois fermé viendra s'encastrer sur un tiroir 19 pouces situé sous la CNC CharlyRobot. La façade provisoire -avant gravure à la CNC bien entendu- est réalisée en mode quick & dirty avec des feuilles de vinyle imprimés laser


Première impression "à l'aveugle" d'un gcode généré avec CamBam, aucun réglage spécifique particulier n'ayant encore été réalisé. So far, so good, l'on peut considérer que le projet "retrofit Isel" est techniquement achevé. Reste à ajuster les paramètres fins et apprendre à s'en servir, ce qui risque d'être un peu plus laborieux que d'utiliser la Charly2U du Lab en mode nobrainer.


Configuration quasi finale, avec, sur le bloc des Z, l'ajout d'une plaque porte-accessoire soutenant les attaches du réservoir d'huile de coupe, le tuyau locline de la micro-lubrification relié à un petit compresseur via un tuyau flexible, et une fixation pour le connecteur d'alimentation de la broche. Sur le plateau de la machine, le capteur de réglage de Z. Sur la gauche, le boitier de commande et son moniteur. Il est probable que celui-ci disparaisse et soit remplacé par un écran d'ordinateur portable cannibalisé, lequel viendra se rabattre sur le dessus du boitier en position refermée.



Retrofit du retrofit:

Cette première phase achevée, la machine-outil est configurée, testée et mise en service. Très rapidement, l'ubris du monteur et quelques usinages ont incité à accroitre la puissance de l'ensemble. Une sorte de "CNC de Jackie" en quelques sortes.

l’étape suivante consiste donc à installer une broche un peu plus puissante. Le moteur choisi développe 2.2 kW de puissance refroidie par liquide, mais une 1.5 kW aurait mieux convenu. Ses principaux avantages :

  • Refroidissement liquide qui fonctionne y compris à basse vitesse, contrairement au refroidissement « air » qui est moins efficace lorsque le ventilateur tourne trop lentement
  • Vitesse d’usinage plus rapide, à 24 000 tm, contre 10 000 pour la broche 500W
  • puissance plus adaptée au travail du métal

Ses principaux inconvénients :

  • Un poids de près de 9 kg qui sollicite plus l’axe Z et les moteurs pas à pas X et Y
  • Un circuit de refroidissement relativement lourd, encombrant et compliqué
  • Nécessité d’usinage d’une plaque intermédiaire pour fixer l’étau du moteur de broche et la plaque de l’axe Z
  • Nécessité d’utiliser un convertisseur mono vers triphasé à fréquence variable -100 à 400 Hz-, qui pilotera le moteur de broche (vitesse, gestion des temps de mise en rotation et freinage, sens de rotation). Ce convertisseur (VFD) est un périphérique programmable nécessitant un paramétrage en fonction du moteur de broche d’une part, et des ordres envoyés par bcnc d’autre part
  • Considérablement moins de tolérance à l’erreur, risques de casse proportionnels à l’accroissement de puissance

Usinage de la semelle d’étau de broche

Cette plaque d’aluminium de 15mm d’épaisseur est percée de

  • 8 alésages pour vis BTR M6 qui viennent fixer la plaque sur le chariot de l’axe Z, chaque trou étant fraisé pour noyer la tête de vis dans la masse
  • 6 alésages perpendiculaires aux premiers pour autant de vis BTR M6 destinées à fixer l’étau de broche, avec un chambrage de tête identique mais situé sur l’autre face de la plaque

Cette plaque a été dessinée sous Freecad, la traduction en gcode est l’œuvre de CamBam et la pièce a été usinée avec la broche 500W, fraise monoflute de 3mm de diamètre.



la plaque "brut d'usinage"
... avec les vis de fixation
la semelle avec l'étau de broche, prête à être glissée sur la plaque du chariot de l'axe X/Z


Modification des chaines de tirage

La chaine de tirage initialement installée le long de l’axe X s’est avérée bien trop étroite pour contenir le câble d’alimentation triphasé (blindé, plus conséquent que le « monophasé 100V » du moteur 500W), les tubes aller et retour du circuit de refroidissement, et le tube d’air sous pression de la microlubrification. Elle est remplacée par une chaine 50x20mm à maillons ouvrables. Cette chaine repose en grande partie sur la face supérieur du portique

Une seconde chaine est également installé sur le chemin de l’axe Y, qui ne supporte que les câbles d’alimentation des moteurs pas à pas X et Z. Cette chaine est soutenue par une cornière en aluminium, elle-même fixée sur le châssis de la machine.

La nouvelle chaine de tirage à maillons ouvrable offre des dimensions plus "confortables" (50x20mm intérieur) et enserre les tuyaux pneumatique de la lubrification, le circuit de refroidissement de broche, le câble de commande du moteur pas à pas de l'axe Z et le câble d'alimentation 220V triphasé du moteur de broche
La chaine latérale guide les câbles des moteurs pas à pas des axes X et Z.. et rien d'autre.


Panneau arrière de support VFD, refroidissement hydraulique, lubrification

Très souvent, les retrofits de CNC portique utilisent l’arbre horizontal du portique pour supporter les périphériques accessoires. Mais la masse du moteur de broche étant déjà assez conséquence, il a été décidé de regrouper ces périphériques sur un panneau fixe, solidaire du châssis de la machine-outil. Le panneau est découpé dans une feuille d’aluminium boulonnée sur trois cornières également en aluminium, elles-mêmes vissées sur les empiètements et le plateau de la CNC. La plaque est doublée d’une couche de stratifié (imitation bois du plus bel effet), collée sur la plaque alu. Le sandwich aluminium/colle silicone/stratifié amorti sensiblement les vibrations de la machine.

La plaque de support occupe toute la largeur du tablier de la CNC, et sert à la fois de superstructure de fixation pour les différentes éléments périphériques (électronique VFD, lubrification, pneumatique) et de cloison fermant la partie arrière de la machine et confinant les copeaux dans l'espace d'usinage


Circuit de refroidissement

Un premier tuyau de 6mm de diamètre relie le moteur de broche à une pompe « haute » alimentée en 12Vcc, qui refoule le liquide de refroidissement dans un échangeur de chaleur (radiateur équipé de deux ventilateurs également alimentés en 12V). Le liquide refroidi s’écoule ensuite dans un réservoir tampon d’une contenance de 400 ml. Ce réservoir est solidaire d’une seconde pompe qui expédie à son tour le liquide dans le moteur de broche. Le volume totale de liquide circulant dans le réservoir, la tuyauterie, le radiateur, le corps de broche et les moteurs de pompe avoisine les 700 ml. La longueur totale de la tuyauterie s’approche des 5 mètres La tension de 12V utilisée par les deux pompes et les deux ventilateurs est fournie par une alimentation à découpage, elle-même branchée au panneau arrière du rack de commande

Rare photo d'un enfant naturel de Cthulhu et d'une pompe


Circuit de lubrification

Il se limite à un seul élément : la pompe à air à basse pression. Il s’agit d’une pompe pour aquarium intégrant deux pompes doubles à membrane -soit 4 sorties-. Ces sorties sont reliées entre elles par une buse et routée via un tuyau de 6mm vers l’injecteur à effet venturi maintenu en extrémité d’une loc-line. Le réservoir d’huile de coupe, fixé sur le chariot de l’axe X, fonctionne par gravité. Le débit est réglé par un robinet de « goutte à goutte » médical. L’ensemble de ce système de microlubrification basse pression est commercialisé par CNC Fraises et conçu par The Breizh Maker



VFD:

Sur le bloc VFD partent 4 câbles : Le 220V triphasé 100/400 Hz à fréquence variable en direction du moteur Le 220V monophasé 50 Hz d’alimentation (activé ou non à partir du rack de commande) Un faisceau de câbles de contrôle de vitesse -0/10V- et sens de rotation, également relié au rack de commande.

Modification du rack de commande

Le bloc d’alimentation à tension variable 0/100V du moteur 500W est enlevé La logique de contrôle de sens de rotation et de conversion pwm/0-10V est remplacée par une carte d’interface à 4 relais, un module dédié de conversion PWM/ 0-10V plus efficace, un convertisseur de tension step down qui transforme une tension 24V en 11V qui alimentera à son tour le convertisseur pwm mentionné. Les relais sont directement pilotés par la carte Protoneer. Un premier relais assure l’inversion du sens de rotation, un second relais récupère la commande de microlubrification et excite un second relais, plus puissant, qui à son tour alimente en 220V la sortie sur laquelle vient se brancher la pompe basse pression. L’activation du moteur de broche est commandée par un bouton-poussoir en façade du rack de commande (ce qui ne change rien au mode de fonctionnement précédent). Ce bouton ferme un circuit 24V qui vient activer le relais de puissance qui alimente le VFD Les différents borniers de répartition du courant secteur, les relais de puissance et le bornier de la tension de service 24V sont fixés sur des rails DIN.

La distribution du 220V et du 24V est concentrée sur deux rails DIN distincts. Les commutations de puissance sont effectuées par des relais et routés dans des faisceaux bien distincts des torons consacrés aux commandes "signaux logiques" basse tension


Le panneau arrière a également été usiné pour supporter

  • L’entrée générale 220V sur connecteur IEC20, 4 sorties 220V permanente sur IEC14 (refroidissement broche/circuit hydraulique, moniteur vidéo, éclairage de la table d’usinage),
  • Deux IEC14 de sortie « alimentation du VFD », commutée par relais interne « moteur on »
  • Deux IEC14 de sortie relais « microlube », commutées par la carte Protoneer et bcnc, dont une prise pour le compresseur, l’autre pour une éventuelle électrovanne de lubrifiant (non encore installée)
  • Une sortie dB15 de commande logique de rotation de broche (vers le boitier VFD)
  • Un inter M/A qui ferme un circuit 24V (tension permanente dès que le connecteur IEC20 est branché) et excite un relais de puissance général 20 A monté sur rail DIN.
La façade arrière avant montage
La même avec ses faisceaux de câbles branchés



No risk, no fun

Les premiers essais se sont soldés par un échec cuisant. A chaque interruption du relais de commande de la microlubrification, bcnc se mettait en rideau, avec une alerte majeure invoquant un déclanchement de sonde de fin de course ou du capteur de Z. Une rapide mesure à l’oscilloscope montrait la présence d’une impulsion transitoire assez prononcée sur le rail 5V alimentant le Raspberry Pi.

Après avoir progressivement « dégraissé » toute la circuiterie microlub, ajouté un condensateur de 4700 uF sur le 5V, découplé la bobine du relais 220V avec une 100nF, le canard était toujours vivant. En continuant de remonter le signal de commande, il a bien fallu se rendre à l’évidence que la carte « multi-relais » de premier niveau (celle directement branchée à la carte Protoneer) ne possédait strictement aucune capa de filtrage aux bornes des bobines. Une paire de capa 100nF/10nF sur chaque composant et un tantale de 3.3uF sur l’entrée 5V a résolu la question.

Petits prix mais conception déplorable qui a nécessité l'ajout de quelques verrues sur l'interface "relais" pilotée par la carte Protoneer


Montage à blanc "non fixé" du filtre secteur (un grand merci à Christian pour la richesse de ses fonds de tiroir) et de l'alimentation 24V "permanente". Cet ajout implique un déplacement des deux rails DIN et un léger toilettage du câblage qui, avec le temps est les multiples modifications, tend à se transformer une pelote inextricable



Un filtre secteur conséquent (30A) et une alimentation d’amorçage 24V (mise sous tension générale commandée par relais) ont également été ajoutés après coup. Pour isoler l’électronique de commande de parasites provenant du courant secteur, et pour éviter d’injecter trop de perturbations générées par les commutations diverses et le VFD.

toillettage du câblage après ajout d'un filtre secteur et d'une alimentation 24V "de veille"

Extensions qu'il reste à monter

  • Un bouton d'arrêt d'urgence
  • Un tiroir à glissière situé sous la CNC pour y loger le boitier de commande, le clavier, la souris...
  • Un râtelier à fraises
  • A plus longue échéance, le remplacement des moteurs pas à pas par des servomoteurs, en d'autres termes, élimination de l'alimentation 24V de puissance pour un bloc 50V (alimentation de serveur ou gros routeur) suppression du "hat" Protoneer pour un contrôleur à base de fpga genre carte Mesa, et pilotage via LinuxCNC.
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