Pfe Machine 3 Axes [PDF]

Zitiervorschau

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE DIRECTION GENERALE DES ETUDES TECHNOLOGIQUES

INSTITUT SUPERIEUR DES ETUDES TECHNOLOGIQUES DE DJERBA

DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE

Mécatronique

STAGE DE FIN D’ETUDES FRAISEUSE CNC A 3 AXES Centre de Formation en Mécatronique de Borj Cedria

Elaboré par : - Nadhem khazri

- Jamel Aloui Encadré par : - Issa Abichou à l’ISET - Adel cherni à l’entreprise

Année universitaire : 2017/2018

Dép.

GM

N°

…………..

Référence

Remerciements Remerciements premièrement, nous remercions Dieu, le tout puissant, de nous avoir donné la santé et la volonté pour faire cet humble travail. Nous tenons à exprimer notre remerciement vif à notre promoteur M.Adel cherni pour l’aide et pour ces conseils précieux qu’il nous a donné durant notre étude et la réalisation de ce travail. Nous remercions aussi notre professeur M.Issa Abichou pour leur aide et sacrifices. Au niveau personnel, ce projet nous a appris à nous organiser, à planifier notre travail, à Travailler avec persévérance pour pouvoir faire face aux problèmes et fut une bonne expérience pour pouvoir mettre à l'épreuve nos compétences et nous a permis de nous rendre compte que nous avions les compétences pour pouvoir développer, travailler sur un projet technique de manière presque autonome. En fin nos remerciements s'adressent ainsi aux les membres de jury d'avoir accepté juger et évaluer notre travail.

Nous dédions cet humble travail, a ceux qui nous aidons à trouver ce PFE, faire ce modeste travail par leur conseil et leur encouragement :  Nos parents : Salem & Moufida khazri

Salah & Malika Aloui  Notre encadrant : M.Adel Cherni.  Notre professeur : M.Issa Abichou.

Sommaire INTRODUCTION GENERALE.......................................................................................... 1 Chapitre 1 : Etude Bibliographique .................................................................................... 2 I.

Introduction ................................................................................................................. 2

II.

Les différents types de machines CNC ..................................................................... 2 1.

Machines qui sont rénovées .................................................................................. 2

2.

Machines conçues sur mesure pour le fonctionnement de CNC ............................. 3 Les composants d’une fraiseuse CNC ....................................................................... 8

III. 1.

Partie opérative ..................................................................................................... 8

3.

Portes outils ........................................................................................................ 11

4.

Portes pièces ....................................................................................................... 11

2.

Partie dialogue et commande .............................................................................. 12

IV.

Conclusion ............................................................................................................. 13

Chapitre 2 : Choix des composants de la Partie opérative ................................................ 14 I.

Introduction ............................................................................................................... 14

II.

Broche .................................................................................................................... 14

III.

Inverseurs à usage général pour moteurs asynchrones triphasés .............................. 15

1.

Rôle et choix....................................................................................................... 15

2.

Caractéristiques principales ................................................................................. 15

IV.

Axes de déplacement .............................................................................................. 16

1.

Moteur ................................................................................................................ 16

B.

Les Avantages .................................................................................................... 17

2.

Système d’entrainement (Vis + écrou)................................................................. 17

3.

Support d’extrémités pour VIS A BILLES .......................................................... 20

A.

Palier fixe type .................................................................................................... 20

V.

Accouplement ........................................................................................................ 22

VI.

Guidage en translation ............................................................................................ 22

1.

Description et choix ............................................................................................ 22

2.

Caractéristiques .................................................................................................. 22

VII.

Le Capteur fin de course ......................................................................................... 23

1.

L'alimentation ..................................................................................................... 24

2.

La communication .............................................................................................. 24

VIII.

Table de fraisage ................................................................................................. 24

1.

Fonctionnalité ..................................................................................................... 24

2.

Données techniques ............................................................................................ 25

IX.

Conclusion ............................................................................................................. 25

Chapitre3 : Choix des composants de la Partie commande .............................................. 26 I.

Introduction ............................................................................................................... 26

II.

Carte Arduino UNO................................................................................................ 26 1.

Description et choix ............................................................................................ 26

2.

Caractéristiques du module Arduino Uno............................................................ 26

3.

Configuration Arduino Uno ................................................................................ 27

4.

Alimentation ....................................................................................................... 28

5.

Description du logiciel Arduino .......................................................................... 28

III.

Conclusion ............................................................................................................. 29

Chapitre 4 : Choix des composants de la Partie dialogue ................................................. 30 I.

Introduction ............................................................................................................... 30

II.

Diadoque systèmes ................................................................................................. 30 1.

Drivers M542C ................................................................................................... 30

A.

Branchement et connexion .................................................................................. 32

III.

Dialogue opérateur machine ................................................................................... 34

1.

Logiciel de pilotage de la machine CNC ............................................................. 34

2.

Mode de commande ............................................................................................ 35

3.

Langage de programmation la machine CNC ...................................................... 39

4.

Programme GRBL .............................................................................................. 39

5.

La communication avec la carte Arduino ............................................................ 40

6.

Chaine soft .......................................................................................................... 41

IV.

Conclusion ............................................................................................................. 43

Chapitre 5 : Caractéristiques et réalisation....................................................................... 44 I.

Introduction ............................................................................................................... 44

II.

Description générale ............................................................................................... 44

III.

Caractéristiques de la machine détaillée .................................................................. 44

1.

Description et application ................................................................................... 45

IV.

Réalisation ............................................................................................................. 46

V.

Conclusion ............................................................................................................. 47

Chapitre 6 : Étude économique ......................................................................................... 48 I.

Introduction ............................................................................................................... 48

II.

Tableaux du budget total de la machine .................................................................. 48

III.

Conclusion ............................................................................................................. 49

Conclusion générale ............................................................................................................ 50 Bibliographiques ................................................................................................................. 52 ANNEXE ............................................................................................................................. 53

Table des figures Figure II:1 : Fraiseuse ............................................................................................................. 3 Figure II:2 : Tour .................................................................................................................... 3 Figure II:4 Fraiseuse ............................................................................................................... 4 Figure II:3: Router .................................................................................................................. 4 Figure II:5 Coupeur de plasma CN ......................................................................................... 5 Figure II:6 : Cutter Laser CNC ............................................................................................... 5 Figure II:7 Imprimante 3D ...................................................................................................... 6 Figure II:8 : Machine Pick and place ....................................................................................... 7 Figure II:9 : Machines CNC à 5 axes ...................................................................................... 7 Figure III:1-Axe de déplacement ............................................................................................ 8 Figure III:2-Moteurs à aimants pérennants et hybride ............................................................. 9 Figure III:3 : Système vis à billes KGT ................................................................................... 9 Figure III:4 : Système vis trapézoïdales TGT .......................................................................... 9 Figure III:5AK-EK Figure III:6FK Figure III:7 BF ..................................................................................................................... 10 Figure III:8AF Figure III:9FF ....................................................................................................................... 10 Figure III:10 : LFS-12-11 Figure III:11 : LFS-8-4 Figure III:12 : LFS-12-10 ..................................................................................................... 10 Figure III:13:Broche + Inverseur Figure III:14: Broche électrique ............................................................................................ 11 Figure III:15: RE 40 Figure III:16: PT 25 .............................................................................................................. 11 Figure III:17:RF41 ............................................................................................................... 12 Figure III:18: Arduino Uno Figure III:19:Mach3 ............................................................................................................. 12 Figure III:20: Driver de TB6600HG Figure III:21: Driver d’Arduino et Mach3 ............................................................................. 13 Figure II:1:Broche GDZ-18 .................................................................................................. 15 Figure III:1- Inverseur .......................................................................................................... 16 Figure IV:1:Moteur pas à pas type Nema 23 ......................................................................... 16 Figure IV:2:Vis à bille .......................................................................................................... 18 Figure IV:3:Vis à billes avec extrémités usinées ................................................................... 18 Figure IV:4:Système vis à billes à un filet en coupe .............................................................. 19 Figure IV:5: Écrou à bille avec retour à un seul chemin-Ø16 ................................................ 20 Figure IV:6: palier fixe type FK ............................................................................................ 21 Figure IV:8: palier libre type FF ........................................................................................... 21 Figure V:1: Accouplement .................................................................................................... 22 Figure VI:2:LFS-12-11 ......................................................................................................... 23 Figure VII:1:Capteur de fin de course ................................................................................... 23 Figure VIII:1:PT 50 .............................................................................................................. 24 Figure II:2- carte Arduino UNO............................................................................................ 27

Figure II:3:Câblages Arduino avec les drivers ...................................................................... 27 Figure II:4:Alimentation 48v ................................................................................................ 28 Figure II:6: Interface du logiciel Arduino ............................................................................. 29 Figure II:2:Drivers M542C ................................................................................................... 30 Figure II:3: Connexion entre Contrôleur et Driver ............................................................... 32 Figure II:4:Branchement et connexion .................................................................................. 32 Figure II:5:Connexion drivers avec les moteurs ................................................................... 34 Figure III:1: Universal G code Sender................................................................................... 35 Figure III:2:l'interface de “g code Sender” on mode manuel ................................................. 35 Figure III:3:l'interface de “G code Sender” choisir le fichier G code ..................................... 35 Figure III:4-l'interface de “G code sender” choisir le fichier G code ..................................... 36 Figure III:5-l'interface de “g code sender” on mode automatique .......................................... 36 Figure III:6:Envoyé fichée G code ........................................................................................ 36 Figure III:7- Envoyé fichée G code....................................................................................... 37 Figure III:8-Mode manuel .................................................................................................... 38 Figure III:9:Diagramme de GRBL code ................................................................................ 40 Figure III:10:La chaîne numérique simplifiée ....................................................................... 42 Figure III:1:Fraiseuse CNC 3 axe ......................................................................................... 45 Figure IV:1-Fraiseuse CNC .................................................................................................. 46 Figure IV:1-Câblage électrique et électronique ..................................................................... 46

Liste des tableaux Tableau 1-Caractéristiques de la broche (GDZ-18-2) ............................................................ 14 Tableau 2:Caractéristique de table ........................................................................................ 25 Tableau 3:Configurations arduino UNO................................................................................ 27 Tableau 4 : Configuration de P1et P2.................................................................................... 33 Tableau 5: descriptions général de CNC ............................................................................... 44 Tableau 6: Caractéristiques de CNC ..................................................................................... 44 Tableau 7: Pois des pièces fabriqué ....................................................................................... 48 Tableau 8: Prix les pièces achetées ....................................................................................... 49

INTRODUCTION GENERALE

INTRODUCTION GENERALE

Computer Numerical Control (CNC) a été développé pour l'automatisation des machines-outils. Cela supprime l'élément manuel d'un homme tournant une poignée et le remplace par un actionneur qui peut être contrôlé avec précision.

Lorsque la technologie CNC a vu le jour dans les années 1940, ils ont adapté les machines existantes, en les modifiant pour s'adapter aux moteurs qui déplaceraient les commandes. A ce moment, ils utilisaient du ruban perforé pour programmer les mouvements de la machine.

Au fil des années, la technologie a évoluée, de même que les machines CNC. Comme les ordinateurs sont devenus plus puissants, les options pour CNC ont commencé à croître et à croître. La précision et le contrôle sont devenus plus serrés, plus rapides, plus faciles à programmer et la possibilité de réaliser des usinages complexes est devenue une réalité. Il a révolutionné les processus d'usinage.

Une meilleure question serait de savoir ce qu'ils ne peuvent pas faire ? Les machines CNC sont de toutes formes et tailles pour toutes sortes de tâches. Machines de fraisage pour la coupe de métaux, tours pour la mise en forme de ronds, râpes pour couper de gros morceaux de bois, de tôle et de plastique. Des imprimantes 3D pour construire des modèles tridimensionnels couche par couche - ce sont toutes des formes de machines CNC.

Compte tenu du fait que nous disposons de nombreux types de machines aux quelles la technologie CNC peut être appliquée et de nombreux types de matériaux que nous pouvons couper / sculpter / imprimer / graver, le potentiel de la CNC est quasiment illimité.

1

Chapitre 1 : Etude Bibliographique

Chapitre 1 : Etude Bibliographique

I.

Introduction

CNC, il s'agit d'un outil qui est découpé dans un matériau et qui est un outil mécanique en trois dimensions, que plus (4-5-6axes ...). La commande ce faire avec un logiciel qui permet de dessiner la pièce que l'on veut fabriquer. Ce logiciel transforme le dessin en lignes de commandes qui seront envoyées à la machine pour faire "bouger" l'outil. Une carte de commande traite ces lignes de commandes et transforme les signaux de puissance aux systèmes de mouvement de la machine (moteurs). En général, avec une CNC, une machine contrôlée par ordinateur, qui coupe précisément la partie qui est dessinée. Cette coupe peut se faire de différents manière et avec différent machines CNC, tel que la découpe à fil chaud, fraiseuse CNC, jet d’eau à haut pression…etc. Dans ce chapitre, on va présenter les différentes machines CNC utilisés que ce soit pour l’usinage, découpage, impression 3D, gravure …etc.

II.

Les différents types de machines CNC

1. Machines qui sont rénovées A. Fraiseuse Les fraiseuses sont souvent modernisées avec la technologie CNC. Ce processus consiste à retirer tous les mécanismes intégrés à la machine pour faciliter le fonctionnement humain, tels que : les volants et l'électronique DRO (Digital Read Out). La machine aura généralement ses vieilles vis de plomb remplacées par des vis à billes de très haute précision et diverses nouvelles montures construites pour monter les actionneurs (moteurs pas à pas ou servomoteurs) à la machine (Figure II 1).

2

Chapitre 1 : Etude Bibliographique

Figure II: 1 : Fraiseuse

.

B. Tour Tout comme les fraiseuses, les tours sont souvent équipés de la technologie CNC exactement de la même manière (Figure II 2).

Figure II: 2 : Tour

2. Machines conçues sur mesure pour le fonctionnement de CNC A. Router : Ce sont des machines construites exclusivement pour être exploitées par la technologie CNC et n'ont généralement pas d'interface humaine autre que l'ordinateur. Les routeurs sont généralement destinés à la production de pièces de plus grandes dimensions et sont généralement construits avec l'idée de couper le bois, les plastiques et la tôle en tête. Les routeurs se trouvent également le plus souvent dans une configuration de coordonnées

3

Chapitre 1 : Etude Bibliographique cartésiennes à 3 axes (X, Y et Z). Un montage sur 3 axes permettra de découper des profils, de réaliser des poches et d'effectuer des usinages en relief en 3 dimensions (Figure II-3). Il existe également des routeurs CNC à 4, 5 ou même 6 axes (les axes supplémentaires sont rotatifs et permettent de faire tourner l'outil autour de la pièce ou inversement), ces machines sont plus adaptées à la découpe de formes plus complexes ou de prototypes.

Figure II: 3: Router

B. Fraiseuse : Il existe aujourd'hui de nombreuses fraiseuses qui ont été construites spécifiquement pour la commande numérique par ordinateur au lieu d'être rééquipées ultérieurement. Certaines de ces machines sont absolument massives, ont des changeurs d'outils intégrés, des mécanismes d'alimentation automatique pour le chargement dans le matériau et divers capteurs électriques pour un usinage surveillé en toute sécurité (Figure II-4).

Figure II: 4Fraiseuse

4

Chapitre 1 : Etude Bibliographique

C. Coupeur de plasma commande numérique par ordinateur : Les découpeuses à plasma CNC sont très similaires aux routeurs CNC en termes de taille et de configuration. Cependant, les pinces coupantes au plasma ne nécessitent pas une configuration aussi puissante car, plutôt que de traîner un outil en rotation dans un matériau, elles volent au-dessus de la table avec une torche à plasma. Les coupeurs de plasma sont faits pour couper des formes de profil bidimensionnelles en tôle (Figure II-5).

Figure II: 5Coupeur de plasma CN

D. Cutter Laser CNC : Les découpeuses laser CNC suivent le même principe que les coupeuses plasma, sauf qu'elles utilisent un laser puissant pour effectuer la découpe. Les découpeurs au laser sont souvent bons pour couper du bois, du plastique et du métal ; chacun aura besoin d'une force de laser différente adaptée au matériau en fonction de la dureté et de l'épaisseur (Figure II-6).

Figure II: 6 : Cutter Laser CNC

5

Chapitre 1 : Etude Bibliographique

E. Imprimante 3D : Une imprimante 3D utilise une configuration similaire à celle d'un routeur CNC ou d'un cutter laser, mais à la différence de ces machines, elle fait de la machine additive par opposition à l'usinage soustractif. Au lieu de commencer avec un morceau de matériau solide et d'enlever des morceaux de ce matériau pour finir avec la pièce désirée, l'imprimante 3D commence avec une toile vierge et construit une partie couche par couche. L'imprimante 3D le fait soit en utilisant une extrudeuse qui pousse un matériau (typiquement en plastique) à partir d'une minuscule buse, soit en utilisant un laser qui solidifie rapidement une poudre ou un liquide (Figure II-7).

Figure II: 7 Imprimante 3D

F. Machine Pick and place : Une machine Pick and place utilise à nouveau une configuration similaire à celle d'un routeur CNC ou d'un cutter laser. Cette fois, au lieu d’utilisé un outil pour couper un matériau, il y a plusieurs petites buses qui ramassent les composants électriques en utilisant un aspirateur. La machine se déplace ensuite vers un emplacement souhaité et place ce composant électrique sur la carte de circuit imprimé (d'où le nom et le lieu) (Figure II-8). Les machines Pick and Place se déplacent très rapidement et sont utilisées pour placer les centaines, voire les milliers de composants électriques qui composent les périphériques tels 6

Chapitre 1 : Etude Bibliographique que les cartes mères d'ordinateurs, les téléphones / tablettes et à peu près tout ce qui a une carte de circuit imprimé.

Figure II: 8 : Machine Pick and place

G. Machines CNC à 5 axes : Les machines CNC à 5 axes ajoutent deux axes rotatifs à la configuration typique à trois axes. Les axes rotatifs permettent des usinages beaucoup plus complexes pour produire des pièces qui seraient impossibles / impossibles à réaliser sur un routeur ou une fraiseuse CNC "normale" (Figure II-9).

Figure II: 9 : Machines CNC à 5 axes

7

Chapitre 1 : Etude Bibliographique

Les composants d’une fraiseuse CNC

III.

Elle est composée de trois parties :  Partie commande.  Partie opérative.  Partie dialogue.

1. Partie opérative A. Axe de déplacement Les axes de déplacement sont constitués par trois parties (Figure III-1) (voir annexe page 8) : 

Motorisation.



Système d’entrainement.



Guidage.

Figure III: 1-Axe de déplacement

a. Moteur pas à pas : Les moteurs pas à pas sont très utilisés dans toutes les applications mécaniques ou l’on doit contrôler simplement la position ou la vitesse d’un système en boucle ouverte. Ces moteurs sont par exemple utilisés dans les imprimantes jet d’encre ou laser, pour positionner les têtes d’impression ou pour l’avancée du papier. La commande des moteurs pas à pas est relativement simple car on n’a pas besoin d’accessoires tels que des codeurs pour connaître la position, chaque impulsion du système de commande les fait avancer d’un pas. Il existe 3 types de moteurs pas à pas, à aimants permanents, à réluctance variable ou hybrides (Figure III-2).

8

Chapitre 1 : Etude Bibliographique

Figure III: 2-Moteurs à aimants pérennants et hybride

b. Système vis écrou Ils existent deux types de système vis-écrou : Les vis à billes (Figure III-3) (voir annexe page 10) sont particulièrement adaptées aux applications dans les machines-outils et les ensembles automatisés de transfert, manipulation, assemblage, emballage, etc. Pour les applications à faible taux de service et ne nécessitant pas une aussi grande précision, les vis trapézoïdales à filets roulés (Figure III-4) qui, associées avec des écrous en bronze, acier ou plastique, constituent des entraînements économiques à forte capacité de charge. 

. Système vis à billes KGT :

Figure III: 3 : Système vis à billes KGT

 Système vis trapézoïdales TGT :

Figure III: 4 : Système vis trapézoïdales TGT

9

Chapitre 1 : Etude Bibliographique

c. Paliers de guidage Les paliers fixes et libres standards à vis à billes et trapézoïdales .Les paliers BK, FK et AK (Figure III-5-6-7) disposent de deux roulements à contact conique. Le palier est directement monté sur l’embout de la vis à billes et bloqué à l’aide d’un écrou de serrage

Figure III:5AK-EK

Figure III:6FK

Figure III:7 BF

Les paliers FF et AF (Figures III-8-9) se montent directement sur l’autre extrémité de la vis à billes et se bloquent avec un circlips (voire annexe pages 15, 16).

Figure III:8AF

Figure III:9FF

d. Axe de Guidage Les vis assurant le déplacement des chariots, ces derniers doivent être guidés et soutenus. C’est le rôle des axes de guidage linéaire. On a plusieurs types (Figures III-10-11-12) (voir annexe), le choix d’axe est basé selon la charge qui soumise on site (voire annexe pages 1,2) :

Figure III: 10 : LFS-12-11

Figure III: 11 : LFS-8-4

10

Figure III: 12 : LFS-12-10

Chapitre 1 : Etude Bibliographique

3. Portes outils : La broche assure le mouvement de rotation à l'outil de coupe. La fraise doit être fixée sur la broche par l'intermédiaire d'une douille, d'un mandrin ou de sa partie conique. Elle est l’une des composants principaux du CNC. Le choix s’effectuer selon des critères bien définis comme la puissance, le type d’usinage…etc. On y a plusieurs types comme (Figure III-13-14) commandé par un variateur de la vitesse ou avec un servomoteur.

Figure III:13: Broche + Inverseur

Figure III: 14: Broche électrique

4. Portes pièces : La forme de table du travail se change selon l’efficacité du fraise, le type d’usinage fourni et de la matière qui a été fabriquée (acier, aluminium, bois …).Le choix du table en matière et forme selon le type d’usinage produire, par exemple l’usinage d’acier ou d’aluminium nécessite une table robuste en aluminium pour éviter la corrosion et supporter tous les types de charge (Figures III-15-16-17) (voir annexe).

Figure III:15: RE 40

Figure III:16: PT 25

11

Chapitre 1 : Etude Bibliographique

Figure III:17:RF41

2. Partie dialogue et commande A. Contrôleurs et Driver Le microcontrôleur est le cœur du CNC, On a plusieurs cartes de commande (amateur) dans les fraiseuses CNC qui remplacent le directeur de commande numérique dans l’industrie (Figure III -18-19) on site ;  Arduino  Mach3 Loader  Tb6560 (extra…)

Figure III:18: Arduino Uno

Figure III:19:Mach3

Ensuite, chaque contrôleur est généralement équipé par son driver et qui agit sur la commande du moteur pas à pas (Figures III-20-21) :

12

Chapitre 1 : Etude Bibliographique

Figure III:21: Driver d’Arduino et Mach3

Figure III:20: Driver de TB6600HG

IV.

Conclusion

Ce premier chapitre est une étude générale sur les machines à commande numérique, dans une première partie on cite les différents CNC qui sont les plus utilisés dans l’industrie. Ensuite, les composants de la fraiseuse CNC qui sont repartis sur trois parties : commande, opérative et dialogue dans une deuxième partie. La réalisation d’une machine à commande numérique, doit tenir compte des contraintes qu’il faut respecter. Pour notre Faiseuse CNC à 3 axes on a respecté la contrainte d’étude et du choix.

13

Chapitre 2 : Choix des composants de la Partie opérative

Chapitre 2 : Choix des composants de la Partie opérative I.

Introduction

Après avoir décrit les différents types de machines à commande numérique et les composants du CNC en général, on va s’intéresser à notre fraiseuse CNC. Ce chapitre est consacré à la présentation des différents composants qu’on a choisie pour la partie opérative de fraiseuse CNC 3 axes (x, y, z). La partie opérative est essentiellement composée de trois constituants :  La porte outil (La broche)  La porte pièce(Table)  Les axes de déplacement

II.

Broche

La broche constitue l’élément tournant de la fraiseuse CNC (mouvement de coupe) sur la quelle sera monté l’outil coupant utilisé pour l’usinage on a choisi une broche de type (GDZ18-2) (figure 2-1) avec un moteur de quatre incidences avec une puissance de 800(W). Les caractéristiques de cette broche sont illustres dans le table-1. N ° de Modèle

GDZ-18-2

Source d'énergie

Moteur AC Onduleur

Mode de démarrage

24000 tr/min

La vitesse Taille

65mm

Longueur

210mm

Puissance

800W

Tension

220 V

Courant

5A 400Hz

Fréquence Refroidissement

Eau

Collet

Er11 Graisse 3

Lubrification Phase

Tableau : 1-Caractéristiques de la broche (GDZ-18-2)

14

Chapitre 2 : Choix des composants de la Partie opérative

Figure II: 1: Broche GDZ-18-2

III.

Inverseurs à usage général pour moteurs asynchrones triphasés

1. Rôle et choix Le variateur de la vitesse de type Sinus N (figure III-1) est un inverseur de fréquence qui transforme le courant monophasé à un courant triphasé car la broche fonctionne avec un courant triphasé. Premièrement on a choisi ce variateur avec broche simple est moins chère que la broche électrique unique (équipée par un servomoteur).

2. Caractéristiques principales 

Inductance d'entrée monophasée



Inductance d'entrée CC



Inductance de sortie triphasée



Ferrites de sortie



Réglage de la fréquence de sortie de 0 à 400 Hz



Réduction du bruit moteur grâce à une modulation aléatoire et fréquence porteuse jusqu'à 15kHz

15

Chapitre 2 : Choix des composants de la Partie opérative

Figure III: 1- Inverseur

IV.

Axes de déplacement

L’axe de déplacement met en mouvement les parties mobiles de la machine, il est constitué par : 

Moteur



Système d’entrainement



Guidage

1. Moteur

Figure IV: 1: Moteur pas à pas type Nema 23

Le moteur Nema 23 (Figure IV-1) est un moteur pas à pas hybride emprunte du moteur à aimant permanent et de la machine à réluctance variable. Il est donc à réluctance variable mais avec un rotor à aimants permanents. L'avantage est un nombre de pas très élevés,

16

Chapitre 2 : Choix des composants de la Partie opérative Le choix du moteur selon notre besoin ; d’ une part le moteur hybride est plus précis que les autres types et mémorise la position, d’autre part son couple est moyen et il suffit aux besoins de la machine, son prix est acceptable dans le cadre d’utilisation éducatif.

A. Caractéristiques            

Norme du moteur pas à pas : NEMA 23 Couple 4 N.m Dimensions : 56x56x54.5mm Poids : 720g Diamètre de l’axe : Ø6.35 x ~19.1 mm Nombre de phase : 2 Nombre de pas : 200 Pas angulaire : 1,8° Connexion : 4 fils Résistance/phase : 0,9 Ohm par phase Inductance/phase : 2,5 mH par phase Courant/phase : 2,8 A par phase

B. Les Avantages      

Haute précision Lisse mouvement Le mouvement faible bruit Un grand nombre de pas par tour Mémoire de position Un amortissement interne important

2. Système d’entrainement (Vis + écrou) A. Les vis à billes : Les vis à billes sont particulièrement adaptées aux applications dans les machines-outils et les ensembles automatisés de transfert, manipulation, assemblage, emballage, etc. On a choisi le vis à billes pour notre CNC, les trois axes X, Y et Z permettant le déplacement de l’outil dans les six directions (Figure IV-3) (voir annexe page 11), sont mus grâce à la rotation de vis tournant dans l’un ou l’autre sens, selon la direction désirée, associées à des écrous solidaires des chariots. On obtient alors la transformation d’un mouvement de rotation en mouvement de translation.

17

Chapitre 2 : Choix des composants de la Partie opérative Afin d’obtenir une très grande précision dans ces mouvements tout en éliminant le jeu, notre choix s’est porté sur un système vis/écrou à billes (Figure IV-3). Comme tout système vis/écrou, les deux composants sont pourvus d’un filet. Cependant ces deux filets n’entrent pas en contact et sont utilisés pour la mise en place de billes de roulement qui permettent la rotation de la vis ou de l’écrou. Les billes se déplaçant à l’intérieur de l’écrou, de dernier est muni de tubes ou de canaux de recirculation qui permettent de ramener les billes à leur point de départ lorsqu’elles sont arrivées à l’extrémité de l’écrou. 

Les principaux avantages de ce système sont, pour les vis à billes de qualité, l’absence de jeu et une quasi-inexistence de frottement permettant d’éliminer l’usure des pièces.



Elles permettent de réaliser une translation souple, rapide et grande pressions très élevée.



Le seul inconvénient que présente ce système est son prix, surtout lorsqu’il doit être multiplié par trois afin d’équiper les axes X, Y et Z. Cependant, c’est un réel gage de précision et de fiabilité non négligeable.

Figure IV:2: Vis à bille

Figure IV: 3: Vis à billes avec extrémités usinées

18

Chapitre 2 : Choix des composants de la Partie opérative

B. Ecrous à billes a. Description et choix : Les écrous à billes forment d'une certaine manière le cœur d'un entraînement à vis à billes pour quelle raison on a choisi un écrou de haute gamme (Figure IV-4) (voir annexe page 12). La qualité de l'écrou est déterminante pour les caractéristiques de fonctionnement de l'unité complète. Les chemins de roulement, les ajustements et les extrémités de l'ébauche trempée de l'écrou sont rectifiés au cours d'une même opération, ce qui permet d'obtenir une qualité exceptionnelle : • Avec trous de fixation pour l'écrou à billes à flasque KGF ou rainure de clavette pour l'écrou à billes cylindrique KGM. • Peuvent être combinés entre eux pour former des ensembles pré chargés sans jeu. • Avec différents procédés de recirculation des billes optimisés en fonction du diamètre et du pas de la vis. • Avec joints racleurs profilés qui réduisent les pertes de lubrifiant et empêchent la pénétration d'impuretés. b. Recirculation des billes : On a choisi le Système vis à billes à un filet car il est efficace et moins couteux que les autres modèles. A chaque tour de vis, les billes sont sorties du filet et contraintes de reculer d'un pas grâce à un déflecteur en matière synthétique armée. Cette conception garantit une bonne douceur de fonctionnement tout en assurant un encombrement radial minimal.

Figure IV: 4: Système vis à billes à un filet en coupe

19

Chapitre 2 : Choix des composants de la Partie opérative

Figure IV: 5: Écrou à bille avec retour à un seul chemin-Ø16

c. Caractéristiques : • Matériau 16MnCr5 ou 20MnCr5, pressé, durci, poli • Versions pour Broche à recirculation de billes Ø16 mm • Emplacements de noix : 2,5 / 4/5/10 mm • Les balles sont redirigées en interne • Comme boîtier de bloc avec fixation de base • Régression par les graisseurs 90 °, 0 ° d. Facteurs de charge : Pas 5 mm

Ø nominal 16 mm

charge dynamique 4600 N

charge statique 7200 N

3. Support d’extrémités pour VIS A BILLES A. Palier fixe type : Les paliers BK ou FK disposent deux roulements a contact conique .On a choisi le palier FK qui est directement monté sur l’embout de vis à billes et bloqué à l’aide d’un écroue de serrage (Figure IV-6) (voir annexe pages 14,15). Nous préconisons de faire cet assemblage en déposant du frein filet sur le filetage de vis à billes. Une fois cette opération finalisée, vous devez bloquer la vis qui située sur l’écrou de précision.

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Chapitre 2 : Choix des composants de la Partie opérative

Figure IV: 6: palier fixe type FK

B. Palier libre type : Les paliers BF ou FF se montent directement sur l’autre extrémité de vis à bille et se bloque avec un circlips. On n’a pas choisi ce palier FF (Figure IV-7) (voir annexe pages 13,15), car il est lié avec FK.

Figure IV: 7: palier libre type FF

L’assemblage et le montage des paliers sur la vis à billes sont très simples dans toutes les configurations possibles pour cette raison on a choisi ce système. La grande qualité de fabrication des paliers garanties la résistance à la charge axiale et la précision de l’application. Les paliers peuvent aisément se monter en lieu et placer de la plupart des paliers du marché.

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Chapitre 2 : Choix des composants de la Partie opérative

V.

Accouplement

Figure V: 1: Accouplement

L’accouplement est un dispositif de liaison entre deux arbres en rotation, permettant la transmission du couple. Dans notre cas on a choisi un accouplement rigide (Figure V-6) qui accouple le moteur pas à pas et vis à bille de diamètre 12 mm en aluminium qui a été fabriqué avec une autre CNC.

VI.

Guidage en translation

1. Description et choix Les vis assurent le déplacement des chariots, ces derniers doivent être guidés et soutenus. C’est le rôle des axes de guidage linéaire. Les axes de guidage et la vis doivent absolument être parallèles entre eux et perpendiculaires à leurs points d’attache. Le choix des axes de guidages se fait selon la course désirée, l’axe de déplacement et les charges à supporter. Dans notre cas, la course des axes est définie pour x à 420mm, y à 290mm et pour Z à 100mm. Donc on a choisie des axes soutenu visé sur un socle en aluminium et qui dont absolument rectiligne. Des trous présents sur le support permettent de les fixer sur le profilé. Le model choisi est LFS-12-11 avec glissière en aluminium (Figure VI-1) (voir annexe pages 3,4,5) dont les caractéristiques suivant.

2. Caractéristiques • L 20 x H 31 mm • Arbre en acier de précision Ø 12 22

Chapitre 2 : Choix des composants de la Partie opérative • Profil de boîtier d'arbre en aluminium, naturellement anodisé • Sécurisation d'en bas avec M6 rail taraudé dans la rainure en T surface • Longueurs spéciales disponibles sur demande • Poids : env. 1,3 kg / m

A. Lames en aluminium • Avec guide à recirculation de billes. • Inserts de rainure en T M6. • Option de système de lubrification centrale. • Réglable pour ne pas jouer. • Option : version en acier inoxydable.

Figure VI:1: LFS-12-11

VII.

Le Capteur fin de course

Ce capteur de fin de course ou détecteur de position, la détection ce faire par contacte d’un objet extérieur sur le levier. Le choix se faire sur ce capteur car il n’est pas cher et simple à la programmation .on a fait un obstacle sur le raye de guidage pour le commande de ce dernier.

Figure VII: 1: Capteur de fin de course

23

Chapitre 2 : Choix des composants de la Partie opérative

1. L'alimentation Le + : Fil rouge Le - : Fil noir Si le capteur est correctement alimenté : Del verte allumée

2. La communication Capteur non en fin de course : Envoi du signal 0 depuis la borne C (Del Rouge éteinte) Capteur en fin de course : Envoi du signal 1 depuis la borne C (Del rouge allumée) Voici le schéma de câblage :-A = pin de l’Arduino, + = +5v, Les barres parallèles = GND.

VIII.

Table de fraisage

La table de fraisage ou la porte pièce c’est du support de fixation. On a choisi ce type de table car en peux travailler avec les deux faces et robuste. Les données techniques sont illustrées dans le tableau ci-dessous (voir annexe page 7).

Figure VIII: 1: PT 50

1. Fonctionnalité 

Ce profil structurel est en aluminium extrudé.



Quatorze rainures en T sont prévues, sept d'un côté et sept de l'autre.



Les rainures en T sont utilisées pour serrer les pièces en position.



Plusieurs plaques de table peuvent être jointes ensemble pour faire une surface de table de n'importe quelle largeur désirée.



Les rainures en T sont conçues pour utiliser des écrous carrés M6, des écrous en T ou des bandes d'écrous M6 (décrits dans notre section des accessoires).

24

Chapitre 2 : Choix des composants de la Partie opérative 

Cette plaque de table robuste est conçue pour être utilisée comme plate-forme de montage universelle et convient aux tables de machines qui utilisent des rainures en T pour maintenir la pièce à usiner, les jauges et les appareils d'essai.



REMARQUE : Cette plaque de table à usage intensif a les deux faces fraisées à plat.

2. Données techniques Section transversale

5636.3 mm2

Poids / mètre

15,69 kg / m

Moment d'inertie Ix

25,1 cm4

Moment d'inertie Iy

7219.9 cm4 Max

Torsion

0,5 mm / m

Planéité

0,5 mm / m

Tolérance de fabrication selon DIN

1748/4

Matériau

Aluminium Tableau 2: Caractéristique de table

IX.

Conclusion

Ce premier chapitre s’appuie essentiellement sur les éléments qui constituent la partie opérative de notre CNC. Pour faire les choix, on a fait recours à un document standard d’une société Allemande. On faisant les choix des composants, on a tenu compte d’un facteur important c’est que la machine à usage éducatif et non pas industriel.

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Chapitre3 : Choix des composants de la Partie commande

Chapitre3 : Choix des composants de la Partie commande

I.

Introduction

Après avoir décrit les éléments qui constituent la partie opérative, nous allons maintenant entamer la partie commande qui va commander tout le système. Commençons tout d’abord par une description théorique des différents composants qu’on a utilisés pour pouvoir réaliser notre commande.

II.

Carte Arduino UNO 1. Description et choix

La carte Arduino est une carte électronique basée autour d’un microcontrôleur et de composants minimum pour réaliser des fonctions plus ou moins évoluées à bas coût. Elle possède une interface USB pour la programmer. C’est une plateforme open-source qui est basée sur une simple carte à microcontrôleur (de la famille AVR), et un logiciel, véritable environnement de développement intégré, pour écrire, compiler et transférer le programme vers la carte à microcontrôleur .Le choix de la carte Arduino UNO est tenir compte de deux facteur ; le premier , elle est simple à la programmation et la deuxième n’est pas chère( Figure II-6).

2. Caractéristiques du module Arduino Uno La carte Arduino Uno, prêtée est une carte à microcontrôleur basée sur un Atmega328p. Cette carte dispose : 

Broches numériques d’entrées/sorties.



Entrées analogiques.



Quatre UART (port série matériel).



Quartz 16Mhz.



Connexion USB.



Connecteur d’alimentation jack.



Connecteur ICSP.



Bouton de réinitialisation. 26

Chapitre3 : Choix des composants de la Partie commande

3. Configuration Arduino Uno On a fait la configuration des ports selon notre besoin, elle est illustrer dans ce tableau

Figure II: 1- carte Arduino UNO

Type X step Y step Z step X dir Y dir Z dir désactiver X limit Y limit Z limit Broche Répertoire de la broche Liquide refroidissement Réinitialiser Prise d’alimentation Début

UNO ports# 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 A3 A0 A1 A2

Tableau 3: Configurations Arduino UNO

En outre voilà le câblage de l’Arduino Uno avec drivers et alimentation ;

Figure II: 2: Câblages Arduino avec les drivers

27

Chapitre3 : Choix des composants de la Partie commande

4. Alimentation La carte Arduino Uno peut-être alimentée soit via la connexion USB (qui fournit 5V jusqu'à 500mA) ou à l'aide d'une alimentation externe. La source d'alimentation est sélectionnée automatiquement par la carte. Pour assurer le fonctionnement de nos cartes électroniques, nous avons besoin d’une alimentation continue de 5VDC et 12VDC : 

5V DC 200mA : alimentation pour la partie commande.



12V DC 2A : alimentation pour la partie puissance.

Figure II: 3: Alimentation 48v

5. Description du logiciel Arduino Le logiciel de programmation des modules Arduino est une application Java, libre et multiplateformes, serve d’éditeur de code et de compilateur, et qui peut transférer le programme à travers la liaison série (RS232, Bluetooth ou USB selon le module) (Figure II5). Il est également possible de se passer de l’interface Arduino, et de compiler les programmes en ligne de commande. Le langage de programmation utilisé est le C++, compilé avec avr-g++, et lié à la bibliothèque de développement Arduino, permettant l’utilisation de la carte et de ses entrées/sorties. La mise en place de ce langage standard rend aisé le développement de programme sur les plates-formes Arduino, à toute personne qui maitrise le C ou le C++. Afin de pouvoir programmer la carte Arduino, il faudra le logiciel Arduino pour charger le code en question. Le logiciel Arduino a pour fonctions principales :  Pouvoir écrire et compiler des programmes pour la carte.  Arduino Se connecté avec la carte Arduino pour y transférer. 28

Chapitre3 : Choix des composants de la Partie commande  les programmes Communiquer avec la carte Arduino. Le logiciel Arduino intègre également un TERMINAL SERIE (fenêtre séparée) qui permet d’afficher des messages textes reçus de la carte Arduino et d’envoyer des caractères vers la carte Arduino.

Figure II:4: Interface du logiciel Arduino

III.

Conclusion

Ce chapitre on a permis de maîtriser les options de notre carte Arduino Uno avec circuit de commande et ses caractéristiques afin de les exploiter d’une manière correcte. Nous avons présenté également des principes et des fonctions différentes de la programmation dédiée à la carte Arduino Uno, le plus populaire et le plus célèbre de la gamme. Ce chapitre relève ainsi une utilité majeure pour ce qui suit puisqu’il détaille des notions exploitées au sein de la partie réalisation de notre projet

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Chapitre 4 : Choix des composants de la Partie dialogue

Chapitre 4 : Choix des composants de la Partie dialogue I.

Introduction

Les machines à commande numérique sont complètement pilotées par ordinateur. Pour que la machine comprenne les instructions données par l’ordinateur de contrôle, il faut que ces instructions soient transmises dans un langage de programmation spécial, qui est le Gcode. Les outils informatiques actuels de la chaine soft CAO permettent de se passer de la connaissance pratique du langage, mais pour ceux qui voudraient éventuellement faire des programmes simples directement avec un éditeur pour les envoyer dans le contrôleur ARDUINO, il est important de connaitre quelques bases de ce langage.

II.

Diadoque systèmes 1. Drivers M542C

A. Description Le M542CV2.0 est une haute performance micro stepping lecteur basé sur pur-courant sinusoïdal technologie de contrôle (Figure II-2). En raison de la technologie d'auto-ajustement (auto-ajuster le courant contrôle paramètres) en fonction à différents moteurs, le moteur peut fonctionner avec plus petit bruit, de chauffage inférieur, plus lisse mouvement et ont de meilleures performances à une vitesse plus élevée que la plupart des lecteurs dans les marchés. Il est adapté pour moteur 2-phases et phases hybrides moteurs pas à pas

Figure II:1:Drivers M542C

30

Chapitre 4 : Choix des composants de la Partie dialogue

B. Avantages et Caractéristique 

Extrêmement coût-efficace



Bonne performance à haute vitesse.



tension D'alimentation jusqu'à + 50 VDC.



courant De Sortie jusqu'à 4.2A.



la technologie D'auto-ajustement.



Pur-courant sinusoïdal technologie de contrôle.



entrée D'impulsions de fréquence jusqu'à 300 KHz.



15 résolutions sélectionnables en décimal et binaire, jusqu'à 25,600 étapes/rev.



compatible TTL (aussi bien pour Arduino que pour automates ...).



réduction automatique de consommation à vide.



convient pour moteurs unipolaires et bipolaires.



protection contre les surtensions et les surintensités.



protection contre les erreurs de raccordement moteur.



Alimentation : 20 à 36 Vcc



Intensité réglable : 1,31 à 3,2 A (0,94 à 2,3 A rms)



Intensité logique : 10 mA



Mode micro-step : jusqu'à 25600 pas/tour



Indication : diode rouge et verte



Température de service : 0°C à 50°C



Dimensions : 116 x 69 x 26,5 mm

Ces avantages qui nous permet de choisir ce type de driver car il est compatible et performant pour notre carte.

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Chapitre 4 : Choix des composants de la Partie dialogue

A. Connexion entre Arduino et Driver :

Figure II:2: Connexion entre Contrôleur et Driver

B. Branchement et connexion :

Figure II:3: Branchement et connexion

Le M542C V2.0 a deux connecteurs, connecteurP1 pour des signaux de commande connexions, et connecteur P2 pour puissance et moteur connexions

P1 Fonction

M542C Détails

PUL +

signal d’impulsion : En impulsion unique (impulsion/direction) mode, cette entrée représente signal d'impulsion, chaque front montant ou descendant active (ensemble par à l'intérieur cavalier J1) ; 4-5 V quand PUL-HIGH, 00.5 V quand PUL-LOW. en mode à double impulsion (pulse/pulse), cette entrée représente dans le sens horaire (CW) pulse, active à niveau haut ou

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Chapitre 4 : Choix des composants de la Partie dialogue

PUL-

DIR +

DIR-

ENA +

bas niveau (ensemble par à l'intérieur cavalier J1, J2). pour réponse fiable, impulsion largeur devrait être plus que 1.5 µ ; s. série connecter résistances pour de limitation de courant quand + 12 V ou + 24 V utilisé. le même que DIR et ENA signaux.

DIR signal : En simple-mode d'impulsion, ce signal a faible/haute tension niveaux, représentant deux directions de rotation du moteur ; en doublemode d'impulsion (ensemble par à l'intérieur cavalier J3), ce signal est contre-horloge (CCW) pulse, active à niveau haut ou bas niveau (ensemble par à l'intérieur cavalier J1, J2). pour mouvement fiable réponse, DIR signal devrait être à venir de PUL signale par 5 µ ; s au moins. 4-5 V quand DIR-HIGH, 0-0.5 V quand DIR-LOW. s'il vous plaît note que rotation direction est également liée à moteur-drive câblage match. l'échange de la connexion de deux fils pour une bobine au lecteur va inverse direction du mouvement. signal de validation : Ce signal est utilisé pour activer/désactiver le lecteur. haute niveau (NPN signal de commande, PNP et Différentiel signaux de commande sont au contraire, à savoir Faible niveau pour permettre.) pour permettre le lecteur et faible niveau pour désactiver le lecteur. habituellement NE SONT PAS BRANCHÉS (ACTIVÉ).

P2 Fonction

M542C Détails

+ VDC

alimentation, 20 ~ 50 VDC, y compris fluctuation de tension et la tension D'EMF.

GND

puissance Au Sol.

un +, un-

moteur Phase Un

B +, B-

moteur Phase B Tableau 4 : Configuration de P1et P2

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Chapitre 4 : Choix des composants de la Partie dialogue

C. Connexion avec les moteurs :

Figure II:4: Connexion drivers avec les moteurs

III.

Dialogue opérateur machine

1. Logiciel de pilotage de la machine CNC Universal G code Sender est un expéditeur multi-plate-forme compatible Java GR-code. Utilisez ce programme pour exécuter une machine CNC contrôlée par GRBL. Une fois téléchargé, connectez la carte UNO USB à votre ordinateur et prenez note du port COM auquel il est connecté .La solution la plus fonctionnelle que nous trouvons est une évolution d’Universal G code Sender (développé initialement par l'auteur de GRBL.

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Chapitre 4 : Choix des composants de la Partie dialogue

Figure III: 1: Universal G code Sender

2. Mode de commande Il y’a deux mode utilise dans ce programme soit mode manuel ou mode automatique pour commande le machine CNC, Le programme fournit spéciale boutons dans l'interface de base qui contrôle chaque moteur séparément, Ce qui fonctionne ces boutons après choisi le mode manuel.

Figure III: 2:l'interface de “g code Sender” on mode manuel

Pour l’utilisation graphique : le mode automatique, Charge notre fichier G-code : dans l'onglet "file mode" faites "browse" et sélectionnez fichier G-code (.nc) précédemment créé. En faisant "visualize" nous pourrons vérifier notre tracé et le chemin emprunté par l’outil : en rouge les zone de travail (Z0).

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Chapitre 4 : Choix des composants de la Partie dialogue

Figure III: 4-l'interface de “G code Sender” choisir le fichier G code

Figure III: 5-l'interface de “g code Sender” on mode automatique

Faire le zéro (le "home") : dans l'onglet "machine control" déplacez l'outil avec les boutons X, Y et Z. Nous pouvons modifier le pas de déplacement en modifiant le "step size". Une fois l'outil positionner là où vous souhaitez établir le zéro (en contact avec notre support) cliquez sur "reset zéro". Pour lancer le travail : retournez dans l'onglet file mode et cliquez sur "Send".

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Chapitre 4 : Choix des composants de la Partie dialogue

Figure III: 7- Envoyé fichée G code

A. Mode Configuration : Autre que le mode manuel et le mode automatique, il y a le mode configuration. Dans ce mode, nous pouvons configurer les dimensions de la table. Afin de configurer les dimensions, l’opérateur est appelé à mettre la tête aux coins inverses de l’origine table après le lancement d’une prise d’origine. Cela est nécessaire pour mémoriser les distances maximales des axes X et Y. et la vitesse et nombre de pas par unité de tel moteur.

a. Mode manuel En mode manuel, l’opérateur peut commander les moteurs directement par les boutons (X+,X-,Y+,Y-,Z+,Z-,..) dans la programme de transfert G-code , si En cliquant sur ses boutons nous générons un instruction de code G qui envoyé à la carte de commande pour commander le moteur connecté avec ce bouton.

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Chapitre 4 : Choix des composants de la Partie dialogue

Mouvement continu

Réglage de vitesse

Mode Manuel

Lancement d'une prise d'origine

Retour à zéro Mémorisation des coordonnées actuelles comme origine programme Figure III:8-Mode manuel

o Mouvement continue : lors de déplacement des moteurs, si l’opérateur appui sur un bouton de déplacement, la tête se déplace d’une manière continue avec une vitesse réglable. o Incrémentation par pas : pour un réglage fin, plusieurs distances de déplacement sont proposées. Dans ce mode, un seul appui génère un déplacement d’une seule unité choisie par l’opérateur. o Réglage de la vitesse : la vitesse de la tête en mode manuel est réglable. Le choix de cette vitesse est limité par la vitesse minimale et maximale indiquées au manuel des moteurs (Vmin, Vmax). o Retour à zéro : il s’agit de déplacer la tête à l’origine absolue. Ce qui diffère de la prise d’origine décrite précédemment c’est que la tête retourne à l’origine sans passer par les butées, donc il est basé sur l’estimation de la position calculé par l’Arduino. o Retour à l’origine programme : l’origine programme est par défaut l’origine absolue de la table, en fait, c’est l’origine du texte ou image. Cette origine peut être changée par le code en G en mode automatique ou même manuellement.

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Chapitre 4 : Choix des composants de la Partie dialogue o Mémoriser l’origine programme : si l’opérateur veut changer cette origine, il doit déplacer la tête manuellement à l’aide du déplacement continu et l’incrémentation par pas, puis il exécute la mémorisation.

b. Mode automatique : En mode automatique, la carte Arduino Uno reçoit les instructions en G-code et les exécute l’une après l’autre. Il y a plusieurs étapes pour achever cette tâche. Commençant par la réception de l’instruction jusqu’à la commande des moteurs et de la tête. Si l’opérateur clique sur le bouton «send » après le chargement de fichier G-code (soit texte ou image) dans le programme de transfert, l’Arduino fonctionne en mode automatique, le Arduino entre dans une boucle et prêt pour recevoir les données.

3. Langage de programmation la machine CNC Un langage de programmation est un langage permettant à un être humain d'écrire un ensemble d'instructions (code source) qui seront directement converties en langage machine grâce à un compilateur (c'est la compilation). L'exécution d'un programme Arduino s'effectue de manière séquentielle, c'est-à-dire que les instructions sont exécutées les unes à la suite des autres. Voyons plus en détail la structure d'un programme écrit en Arduino. Le programme utilise l’équipe de Grbl est une le programme de commande dans la carte Arduino.

4. Programme GRBL Grbl est un micro logiciel libre développé sur Arduino pour contrôler des graveuses CNC (Computer Numerical Control), i.e. des fraiseuses munis d'une tête mobile contrôlée en X, Y et Z par un ordinateur. Grbl interprète du G-code (cf. plus bas) et déplace en conséquence un outil sur 3 axes (X, Y et Z). Il comprend de multiples optimisations sur l'usage et le déplacement des moteurs afin de gérer correctement les accélérations, les trajectoires... l'organigramme qui assure ce micro logiciel. Voici l’organigramme fonctionnel de GRBL.

39

Chapitre 4 : Choix des composants de la Partie dialogue

La communication avec la carte Arduino

La communication série (Le protocole USB)

Code de l’opération

Le fonctions: procès Commande

Algorithmique Graphique

Algorithme de Bresenham

Dessin 2D

Bibliothèques de la commande des moteurs

Les bibliothèques accélération et moteur pas à pas

Figure III:9: Diagramme de GRBL code

5. La communication avec la carte Arduino La communication série est indispensable pour dialoguer avec Arduino puisque c'est le mode de transmission utilisé pour communiquer avec la carte. Les protocoles de communication série le plus connus sont : Le protocole USB. 

Serial. Begin (speed) (configuration de la vitesse de communication Série).



Serial.available () (donne combien de caractères disponibles dans la zone tampon Série).



Serial. Read () (lit les données Série).



Serial.print (data) (envoie des données Série).



Serial.println (data) (envoie des données Série suivies de caractères spécifiques).

 L'avantage de la communication série est qu'elle nécessite moins de lignes, donc moins de broches, donc moins de composants. Son coût est donc plus faible. 40

Chapitre 4 : Choix des composants de la Partie dialogue

6. Chaine soft La chaîne numérique est constituée de l’ensemble des étapes en partant de la préconception du produit jusqu’à sa production et sa qualification. Elle met en œuvre néré flexion sur le besoin fonctionnel, le triptyque produit matériau procédé, sur le processus ainsi que sur les moyens. Dans le cas d’une pièce destinée à être usinée sur machine à commande numérique et dans le cadre de notre étude, nous pourrons simplifier notre vision de la chaîne numérique à un schéma plus classique, réduit et pragmatique : 

Post-processeurs son rôle est de transformer un fichier CL (cutter location file) OU APT en un fichier adapté pour être lu par la commande numérique, c'est-à-dire en code G



CAO : c’est la conception assisté par ordinateur à l’aide des logiciels spécifiques. Ce dernier permettant de concevoir, de tester virtuellement et de réaliser des produits manufacturés et les outils pour les fabriquer.



FAO (Fabrication assisté par ordinateur) est d'écrire le fichier contenant le programme de pilotage d'une machine-outil à commande numérique. Ce fichier va décrire précisément les mouvements que doit exécuter la machine-outil pour réaliser la pièce demandée. On appelle également ce type de fichiers : programme ISO ou blocs ISO.



Le STEP-NC (STEP compliant Numerical Control) est un standard d’échange de données pour la programmation de commande numérique. Il est basé sur le standard STEP (Standard for the Exchange of Product model data, Standard pour l'échange de données de produit) et permet d'intégrer complètement la chaîne numérique CAOCFAO-CN

On a choisi le solidworks 2018 car il est la dernière version du solide pour lequel on à faire le CAO avec l’étatisation de l’Esprit 2017 pour avoir le G code (transféré le CAO en FAO).

41

Chapitre 4 : Choix des composants de la Partie dialogue

Figure III:10: La chaîne numérique simplifiée

42

Chapitre 4 : Choix des composants de la Partie dialogue

IV.

Conclusion

Pour avoir la bonne manipulation de la CNC, li faut respecter les contraintes de la partie dialogue qui consiste la communication avec les logiciels du conduit et les composant du base pour le bon fonctionnement. La partie dialogue c’est une partie important, qui assure la communication entre la partie commande et opérative et le fonctionnement final du CNC.

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Chapitre 5 : Caractéristiques et réalisation

Chapitre 5 : Caractéristiques et réalisation I.

Introduction

Ce chapitre est un résumé des principaux caractéristiques de la fraiseuse CNC sont lustrés dans les tableaux si dessous qui permettre le récepteur de connaitre les obstinons du machine d’une part et d’autre part la description du CNC que peut faire.

II.

Description générale

Nom du produit Utilisation Voyage de fonctionnement d'axe de XYZ puissance d'axe Tension

Fraiseuse CNC 3 Axes Coupe de fraisage de perçage de gravure 420*290*100mm 240W 220V

Tableau 5: descriptions général de CNC

III.

Caractéristiques de la machine détaillée

Course de fonctionnant efficace

420(X) mm* 290 (Y) mm*100(Z) mm

Dimension de forme d'Apparence

720*370*870 mm

Dimension de Max. pièce de travail

0.12 m3

Dimension de table de travail

500*375 mm

Matériaux

Aluminium

Unités d'entraînement

Glissement des unités

Axe X

Vis et écrou à bille D 16mm, L 563mm

Axe Y

Vis et écrou à bille D 16mm, L 453mm

Axe Z

Vis et écrou à bille D 16mm, L 453mm

Axe X Axe Y

Type : T 50, D 12mm, L 500 mm Type : T 50, D 12mm, L 500 mm

Axe Z

Type : T 50, D 12mm, L 500 mm

Type de moteur de progression Type de Broche Vitesse de gravure

Nema23, 4 N.m, 1,8 deg/pas GDZ-18-2, 24000 tr/min, 800W, 400Hz, Er11 50~1500mm/min

Interface de communication

par la connexion parallèle avec l'ordinateur de bureau

Tension de machine

220V

Microcontrôleur Logiciel de commande

Arduino Uno Universal G code Sender. Tableau 6: Caractéristiques de CNC

44

Chapitre 5 : Caractéristiques et réalisation

Figure III:1: Fraiseuse CNC 3 axe

1. Description et application CNC Router, c'est une machine de bureau contrôlée utilisée pour les genres de gravure et de fraisage de matériel tel que le bois, le PCB, le PVC, les composés, les plastiques, la pierre, l'acrylique, la mousse et ainsi de suite. Il est adapté pour l'industrie, Recherche technologique, création de design publicitaire, arts, éducation, projet d'étudiant et objectifs de passe-temps. Pour traiter la réalisation de maquettes de bâtiment, PCB, enseignes publicitaires, illustration, artisanat, maquette aéronautique, pièces RC modèle, etc Vous pouvez créer beaucoup le bel article en utilisant votre tête et vos mains magiques ! CNC est un mini structure pour la gravure, le fraisage, petit et très pratique. Pourrais-tu gravure au bureau ou à la maison. Vous pouvez faire votre propre chantier dans n'importe quel logiciel de FAO (tel que Art Cam ou autre logiciel qui peut générer du code G), contrôlé par machine par le logiciel Arduino, charger votre code G à Grbl, puis opération de démarrage de machine CNC. 45

Chapitre 5 : Caractéristiques et réalisation

IV.

Réalisation

La première partie c’est la fabrication des pièces mécaniques avec une Fraiseuse CNC d’un profil industriel (voire l’annexe de la conception par solidworks)

Figure IV:1-Fraiseuse CNC

La deuxième partie c’est le câblage électrique et électronique

Figure IV:2-Câblage électrique et électronique

46

Chapitre 5 : Caractéristiques et réalisation

V.

Conclusion

Comme nous venons de le voir dans ce chapitre, beaucoup des travaux ont été réalisés concernant la machine CNC, nous avons présenté le logiciel utilisé pour la commande de machine CNC. Pour réaliser cette commande on a utilisé une carte microcontrôleur "Arduino Uno" qui possède un espace de programmation adéquat. Cette carte sert à contrôler les moteurs pas à pas hybride. A l'aide du logiciel nous avons stoker les codes G dans la carte Arduino Uno. Pour finir, nous branchons les moteurs pas à pas, et nous testons la carte de commande des moteurs pas à pas. La machine CNC fonctionne correctement et répond aux différentes paramètres et commandes.

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Chapitre 6 : Étude économique

Chapitre 6 : Étude économique I.

Introduction

Dans ce chapitre, on a fait une étude économique approximative des pièces achetées et des pièces fabriquées qu’ils sont illustré dans tableaux ci-dessus.

II.

Tableaux du budget total de la machine Les pièces fabriquées

Masse

Portique gauche/ droite

1180 g *2

Portique haut

1300 g

Portique bas

467 g

Cadre

451g*2

Support palier grande

160 g* 2

Support palier petite

51 g* 2

Table

1617 g

Support table

2240 g

4 pièces de cadre haut

1447 g

Support axe Z

124g * 2

Accouplement

26 g * 3 Somme : 11018 g

Tableau 7: Pois des pièces fabriqué



REMARQUE : Un kilo d’aluminium est égale à 17 DT, on a fait la règle de trois : 1000 g

17 DT

11018 g

X DT

La perte de matière brute apeurée de 5 kg (prix 85 DT). La somme total des pièces usinées est égal à 273,377 DT avec le temps de fabrication avec des CNC est égale : 301 DT*12 Jours* 6 heures = 2160 DT.

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Chapitre 6 : Étude économique

Les pièces achetées

Prix en DT

Moteur pas à pas Nema 23

89 DT *3

Vis à bille

96 DT *3

Pâlies FF+FK

84 DT *3

Écrou à bille

21 DT *3

Broche & pompe à eau & support du broche & variateur Carte Arduino UNO

699 DT 38.5 DT

Drivers M542C

420 DT*3

Porte pièce

90 DT

Alimentation 48V

72 DT

Rail linéaire de guide + Rail Curseur

140 DT*6

Le capteur fin de course

6 DT*6 Somme : 4607,5 DT

Tableau 8: Prix les pièces achetées

 La somme totale de la fraiseuse est à lors du 4880,877 DT sans compte le coût de la fabrication car les pièces son fabriqué dans le centre.

III.

Conclusion

Le coût estimatif totale de notre fraiseuse est acceptable et moins couteux que les Routeurs Car notre CNC à usage éducatif et non pas industrie.

49

Conclusion générale

Conclusion générale L’élaboration de ce travail dans le cadre du projet de la fin d’étude, on a permis d’approfondir nos connaissances théoriques en mécanique ,informatique, électronique et d’acquérir une bonne expérience au niveau de la réalisation pratique. Lors de cette manipulation, on a essayé de fournir l’automatisation de commande de trois moteurs pas à pas appliqué à la machine CNC. Notre projet de fin d’étude consiste à détailler ainsi qu'à réaliser une carte électronique de commande de trois moteurs pas à pas et les drivers. Ce projet m’a donné une meilleure idée sur la complémentarité entre le volet théorique et le volet pratique. Dans la première partie, nous avons d’abord entamé la première étape qui est basée sur la présentation des types les machine CNC et la deuxième étape consiste sur la description d’une façon général des composants d’une fraiseuse CNC que nous avons étudié en détail. Dans les autres parties ont été réservés essentiellement au fonctionnement de notre fraiseuse à commande numérique. Dans la deuxième partie, nous avons fait une description et une mise en œuvre sur le choix de la partie opérative, tenant compte des contraintes, le choix est retenu selon un objectif éducatif. Dans la troisième partie, nous avons fait une description et la mise en œuvre le choix de la partie commande est validé avec les mêmes arguments comme la partie présidente. Ensuite, la quatrième partie, c’est la partie dialogue est consacrée à des logiciels pour cette raison, plusieurs étapes ont été envisagées : Nous avons validé la faisabilité et le bon fonctionnement des circuits déjà développées théoriquement. Implémentation des circuits simulés sur la carte Arduino Uno. Finalement, notre travail nous a permis la réalisation pratique, et le test des différentes cartes assemblées, nous affirmons que nous avons achevé notre tâche demandée : l’avantage de notre commande est qu’elle est à la norme de la commande numérique des machines à 3 axes professionnelles. Toutefois, elle peut être facilement exploitée pour ajouter une commande d’imprimante 3D, Coupeur de plasma, Pick…ect) ou ajouter même un quatrième axe. Nous 50

Conclusion générale avons rencontré plusieurs problèmes durant la conception de la commande et la réalisation pratique (protocole de communication, couple des moteurs, programmation Arduino…), mais grâce à ce que nous avons appris durant nos études académiques et l’assistance de nos encadrant, nous avons pu surmener ces difficultés En fait, ce projet a été une source de découverte de plusieurs domaines d’études telles que l’informatique pour la programmation embarquée et le design des schémas électroniques, sans oublier le savoir-faire dans le domaine électronique et mécanique qui consiste à réaliser des systèmes complexes. En perspective, plusieurs points sont à approfondir et ouvrent la voie à de nouveaux axes de travaux : Contrôle des autres axes (imprimante 3D). Application de la commande avec modèle intelligent. L’utilisation de la communication sans fils entre le système d’acquisition et le PC.

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ANNEXE

Bibliographiques 

https://www.isel.com/en/products/cnc-systems/cnc-milling-machines.html



https://github.com/gnea/grbl/wiki



https://grabcad.com/library?query=stepper%20moteur



https://fr.aliexpress.com/?src=google&albch=fbrnd&acnt=304-4109721&isdl=y&aff_short_key=UneMJZVf&albcp=249251668&albag=52561445245& slnk=&trgt=kwd307027587988&plac=&crea=263261573196&netw=s&device=c&mtctp=b&memo1= 1t2&aff_platform=google&gclid=CjwKCAjw9e3YBRBcEiwAzjCJumj2zs1w4AHdMQeHKjv5feRaRWhoV2kyZahOvg-Fl_ZbTNwolmeDxoCOtkQAvD_BwE



https://letmeknow.fr/blog/2016/07/11/piloter-une-cnc-avec-arduino-et-grbl/



http://ohmyfab.fr/quel-logiciel-cao-gratuit/



https://czhanqi.en.made-in-china.com/product-group/jMgxCYbUZrVv/water-coolingspindle-GDZ-series-catalog-1.html



https://forum.arduino.cc/index.php?topic=319007.0



http://santerno.com/eng/industrial-automation/sinus-n/#1490783231726-3b1dac4ee8de

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