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Ma nouvelle fraiseuse portique CNC (Episode 4 : L’électronique!)

Quand on se lance dans un projet de construction d’une fraiseuse CNC maison, on est souvent intéressé par la construction mécanique ou par l’électronique, avec des connaissances qui vont avec et un attrait certain pour l’autre partie, mais pas forcément de comptétence. Pour ma part, je suis « plutôt » spécialisé en conception mécanique, alors même si l’aventure de la conception d’une machine sors un peu de mon champ d’activité habituel, j’ai les outils et les connaissances pour avancer sereinement.

En revanche l’électronique et son pendant informatique sont pour moi des activités mystérieuses que je me contente habituellement de regarder de loin.

Si vous êtes dans mon cas et que c’est votre premier montage CNC, pas de panique! C’est en fait relativement simple (je dis ça au bout du 5ème montage!). Le pilotage de nos CNC maison peut être réalisé finalement très facilement, pour peu qu’on nous ai un peu expliqué quoi faire et quoi acheter.

Dans cet article pas question de débat complexe entre servomoteurs et pas à pas, entre breakout board et carte d’interpolation, mach3 ou Linux CNC, usb ou DB25. Je m’y attarderais peut-être plus tard dans une série d’articles, mais pour le moment je n’en ai pas trop envie. Non, ce que j’ai envie de partager avec vous c’est comment ça marche, quoi acheter pour une machine de ce type et quel est l’investissement minimum.

Pour cette machine, j’ai fais le choix de la simplicité et de l’efficacité en fonction de mon expérience, de mes besoins et du matériel que j’avais en stock (c’est à dire finalement presque tout). Cependant si vous partez de 0, tous ces composants sont faciles à trouver et restent parmi les plus économiques du marché.

Comme vous l’aurez peut-être compris, je suis assez nul en électronique et en informatique. Cet article s’adresse plutôt aux débutants. Pour les experts, lisez le quand même et n’hésitez pas à me faire part d’erreurs, je les corrigerais.

Alors c’est parti pour une description complète de l’électronique de ma fraiseuse portique CNC! Schémas et photos à l’appuie!

L’architecture électronique d’une CNC maison :

L’architecture est finalement assez simple. On se base sur un enchainement de « briques » qui vont travailler en chaine pour permettre de transformer un code informatique normalisé, en un mouvement mécanique maitrisé. Avant de construire regardons les briques dont nous avons besoins :

Le G-code (code de programmation CNC, je ferais probablement un article sur comment le créer) est interprété dans un logiciel du PC (Mach3 dans mon cas) qui le transforme en instruction « physique » (des impulsions électriques)  en particulier un rythme (step, savamment calculé selon les paramètres de votre machine rentrés dans le logiciel pendant son paramétrage) et une direction (sens normal et sens inverse).

Ces instructions sont envoyées via un câble, dans mon cas sur le port parallèle. C’est l’un des éléments les plus complexes de cette réalisation : trouver un PC avec un port parallèle ! Je plaisante bien sur, celui-ci a été trouvé en 15mn sur le bon coin à 10km de chez moi pour 35€ souris, clavier et écran compris. Pas besoin de puissance pour nos applications, donc le premier venu sera sûrement le bon (Nota : XP c’est chouette!)

Le câble parallèle est relié côté machine à une Breakoutboard. La fonction de cette petite carte est double. Comme son nom l’indique, son rôle premier est d' »éclater » les données. Pour faire simple je dirais que ça va permettre de répartir les données du port parallèle vers des borniers à vis identifiés dans l’idée de piloter un système physique, pour nous ce sont en particulier les moteurs des axes.  La seconde fonction est l’isolation. Elle ne le font pas toutes, mais la plupart sont optocouplées, ce qui permet d’isoler électriquement (enfin normalement) le coté PC du côté machine, évitant ainsi d’endommager votre PC quand vous aurez raccordé le 220V sur une entrée en 5V max. Enfin, certaines cartes spécialisées intègrent des  fonctions supplémentaires (comme la mienne) comme un relais et un variateur 0-10V ou PWM pour piloter en particulier le fonctionnement de la broche.

Breakout Board
Breakout Board

Les informations de rythmes et de directions, désormais réparties par axes, sont envoyées vers des drivers pour moteur pas à pas. Ces drivers vont transformer ces informations de commande en puissance électrique dans les bobines des moteurs pas à pas, et faire s’animer votre jouet préféré. Pour ça on y câble les fils d’infos venant de la breakoutboard, les 4 fils du moteur pas à pas et une alimentation de puissance pour les moteurs pas à pas. A noter que les drivers doivent délivrer un courant adapté au moteur. Heureusement ils sont réglables, il faut juste vérifier que la valeur max du courant du moteur est dans la plage de réglage de driver.

Drivers Pas à Pas
Drivers Pas à Pas

Du coup, vous l’aurez deviné, il nous manque une alimentation. Les moteurs pas à pas sont pilotés en courant, la tension n’a donc pas besoin d’avoir une valeur précise. Sauf que plus il y en a mieux c’est. La limite de tension est donnée dans la notice de vos drivers. Dans le cadre de moteur Nema 23 (comme nous) en 5A max (comme nous), la tension la plus souvent admissible est 50V. Sauf que ça n’existe pas trop tout fait, donc on en prend une de 48V (et sauf que moi j’en ai une de 38V en stock, donc je vais faire avec). Pour la puissance, c’est pareil, n’hésitez pas à prendre du balaise pour être sûr de ne pas être sous dimensionné. Pour le calcul allons rendre visite à notre ami Georg Simon Ohm, inventeur de la loi du même nom!

Alimentation 48V
Alimentation 48V

Sachant que P=UI, Ptotal = nombre de moteur x Tension d’alimentation x Courant max du moteur. On sort les calculatrices :  3 x 48V x 5A = 720W. Certains vendeurs vous donnent parfois les valeurs tension / courant, sans mentionner la puissance. Il faudrait alors prendre du 48V – 15A (3×5  😉 ).

Il faut aussi prévoir une alimentation pour la breakout board et les petits accessoires (par exemple la pompe de refroidissement de la broche, le relai de l’aspirateur, une lumière de broche). Pas besoin de beaucoup de puissance, mais ne soyez pas trop radin, on a vite tendance à ajouter des choses. une 24V 3A (100W) est très bien!

Alimentation 24V
Alimentation 24V

Et pour finir, le dernier élément : les moteurs. A choisir selon vos contraintes mécaniques, mais c’est pareil, plus ils sont coupleux, mieux c’est. Il y a plusieurs formats de moteurs dont les dimensions sont standards sous l’appellation NEMA puis un nombre (17,23, 34 ….). Pour résumer, en gros : 17 c’est bien pour les petites applications (imprimantes 3D souvent), 23 pour nos petites machines, et 34 dès que ça devient plus lourd. Dans mon cas, ce sont des moteurs NEMA 23 que j’avais acheté en lot d’occasion, donc j’ai fait avec. Ils font 1,8n.m, ce qui est assez faible mais suffisant.

Nema 23
Nema 23

Il restera deux éléments à ajouter pour obtenir les infos minimum depuis la machine vers l’ordinateur : Des capteurs de fin de courses et un bouton d’arrêt d’urgence.

Capteur de fin de course
Capteur de fin de course
Arrêt d'urgence
Arrêt d’urgence

Même si vous pouvez très bien faire sans, je vous conseille vivement leur utilisation. Pour ma part je n’utilise PAS de fin de courses mécanique de sécurité, je laisse faire l’ordinateur  (je lui fais confiance, et honnêtement vu la puissance des moteurs en dépassement de course, ça craque un peu mais ça ne risque pas de casser grand chose). Par contre j’ai ajouté un capteur par axe pour gérer les prises d’origines machine, pour que le logiciel sache en début de cycle où il est physiquement. Ensuite le bouton d’arrêt d’urgence peut être emmulé sur l’ordinateur. Ça peut être suffisant, mais c’est beaucoup moins efficace qu’un gros champignon rouge en façade de la machine.

Et la broche dans tout ça?

J’ai volontairement séparé la broche des éléments de mouvements parce que finalement ce qui est décrit au paragraphe précédent est commun à plein de types de machines cnc (fraiseuse, tour, laser, fil chaud, …).

Dans mon application de fraiseuse portique CNC, je fais beaucoup de gravure et de découpe de matériaux tendres avec des fraises de petits diamètres. La solution pour ces applications réside dans l’utilisation d’une broche haute fréquence (jusqu’à 24000 tr/min). Comme je ne suis vraiment pas le seul dans ce genre d’application, les fabricants ont sorti plusieurs broches de ce type. Pour une question de coût et de simplicité, je me suis orienté vers la même chose que tout le monde, et j’ai pris une broche chinoise, refroidie par eau, en 1,5kW. C’est finalement un moteur triphasé haute fréquence (jusqu’à 400Hz), auquel on a adjoint un bon guidage en rotation (4 roulements) pour supporter les efforts de coupe du petit porte-outil intégré.

Broche Haute Fréquence
Broche Haute Fréquence

Pour piloter tout ça, on fait varier la fréquence de l’alimentation du moteur. Pour cela on utilise un variateur de fréquence en 230V. Ce boîtier va convertir du 230V 50hz monophasé en triphasé et en adapter la fréquence pour faire varier la vitesse du moteur de la broche. Et puisque tout ceci est bien conçu, ce pilotage va pouvoir se faire par l’ordinateur en reliant le variateur de fréquence au relai de commande et au variateur 0-10V de la breakout board.

Variateur de fréquence
Variateur de fréquence

Un beau tas de fils savamment agencés pour relier tout ça, et votre CNC sera prête à CNCiser! (Ne vous inquiétez pas je vous explique en détail le câblage un peu plus tard, dans mon article suivant!) En attendant, voici un petit schéma du câblage de principe :

ohmyfab-fraiseuse-cnc-cablage

Mais alors combien ça coûte tout ça?

Pas facile à dire, ça peut aller du simple au quadruple voir plus. Par exemple, un driver CNC pour un NEMA 23 peut aller de 25 à 100€ environ selon sa provenance, sa qualité et ses performances. Et honnêtement pour avoir du matériel de différentes origines, à part quelques arnaques, on en a pour son argent en investissant plus. Alors c’est à vous de fixer le prix et la performance que vous voulez atteindre.

Pour ma part, il s’agit d’une machine low-cost (j’ai plus d’argent), qui ne va couper que des matériaux tendres et pour laquelle mes besoins de productivité sont très faibles. Du coup, ce que je peux vous offrir c’est la liste des composants et de leur coût pour refaire une version similaire à la mienne (en achetant tout ce coup-ci, mais du matériel « asiatique » pas cher sur des sites comme e-bay ou aliexpress). Je n’ai pas mis de lien, parce que je ne veux privilégier aucun vendeur, et parce que les annonces de ces sites ont la fâcheuse tendance à disparaitre avec le temps. Je vous laisse donc chercher.

  • Un ordi complet avec port parallèle : de 30 à 50€ sur le bon coin.
  • Breakout bord CNC: je n’ai pas trouvé moins cher que cette machine là (pourtant si simple et efficace quand on a un port parallèle). Entre 7 et 10€
  • Drivers Pas à pas : J’ai utilisé les modèles HY-DIV268N-5A à base de TB 6600 et qui permettent de piloter des moteurs bipolaires 4 fils de 0,2 à 5A. C’est limite en qualité et ils sont mal protégés. Attentions aux erreurs de câblage et aux surtensions / surchauffe. Ils ne pardonnent rien.Par contre une fois en place et bien réglé, je n’ai pas eu de problème de fiabilité. On les trouve pour environ 27€ / pièce, soit 81€ les 3.
  • Alimentation de puissance : une alimentation 48V de 720W coute minimum entre 70 et 100€.
  • Alimentation de commande : une alimentation 24V de 100W coute minimum 25€.
  • Moteur pas à pas : Mes moteurs correspondent à des NEMA 23 2N.m 3A 4 fils (bipolaires). On en trouve sur tout l’internet entre 25 et 30€ pièces. On va faire le tout à 80€ environ.
  • Arrêt d’urgence : Minimum 5€
  • Capteur de fin de course : 4€ pièce soit 12€
  • Broche : un broche 1,5kW coute environ 120€
  • Variateur de fréquence :  un variateur de fréquence chinois pour 1,5kW est à 110€ environ
  • Pompinette : pour le refroidissement de la broche une petite pompe coûte 12€ environ.
  • Câblage : sauf si vous avez un bon stock de fils, câbles et tuyaux, il faut ajouter au moins 50€ pour tout raccorder.

On arrive à un total de 600€ environ. C’est en partant sur du matériel neuf, mais de provenance asiatique acheté directement là bas. N’ayez pas peur de commander là bas, les vendeurs font très attention à leur réputation et donc sont très serviables. Certains parlent même français. Attention aux droits de douanes pour les produits de valeur, ça va très vite. Privilégiez alors des vendeurs qui ont des dépôts en Allemagne au Royaume-uni. Mais pour le reste je suis souvent très satisfait du service

600€ , c’est à mon avis vraiment le minimum à investir pour avoir quelque chose qui marche correctement. Vous pouvez explorer le marché de l’occasion, mais il est très petit et on y trouve essentiellement des produits de grandes marques et finalement les prix grimpent vite. C’est, pour moi, plus l’occasion d’essayer d’acheter du matériel de meilleure qualité au même prix, mais il faut être patient et y passer énormément de temps.

A cela vous devrez ajouter une licence Mach3 (175€) (ou maintenant mach4 hobby (200€) ) sauf si vous souhaitez passer à Linux et profiter de la gratuité de LinuxCNC.

Voilà un peu mon explication du fonctionnement électronique d’une CNC et des choix que j’ai fait pour les composants de ma fraiseuse.

OhmyFab - Fraiseuse CNC - Platine électrique

Rendez-vous dans quelques jours pour le câblage et le paramétrage de tout ça! Bientôt les premiers copeaux, je suis tout fou!

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3 thoughts on “Ma nouvelle fraiseuse portique CNC (Episode 4 : L’électronique!)

  1. Yannick Ould Slimane

    Bonjour Laurent,

    Impatient de voir ton prochaine article qui détail ton électronique. Peux tu me donner quelques éléments sur le branchement de tes contacts OM et FC, justement avec la carte (breakout board) que tu utilise car je vais avoir la même.
    Merci par avance et bravo pour tes travaux très inspirant.

    Yannick

    1. Laurent

      Bonjour,
      Je n’ai jamais sorti l’article sur l’électronique… il est pourtant à moitié écrit. Mais c’est la partie qui me plait le moins alors je traine souvent la patte ;).

      Concernant les OM et FC, je n’ai mis qu’un switch d’un coté. La prise d’origine se fait au démarrage, puis le reste des FC est géré par le logiciel. Concernant le hardware, ce sont des simples switch AliExpress.com Product – LXW5 LXW5-11D1 travel switch Limit Switch 3 Screw Terminal Micro Switch » rel= »noopener » target= »_blank »>acheté chez les chinois comme ceux-là.

      Sinon pour le câblage ils sont raccordés entre une sortie du +5V et une entrée puis paramétrées dans Mach3 en X+, Y+ et Z+. Lorsque la machine tape le switch, l’entrée passe au niveau haut.

  2. Guerrero Christophe

    Bonjour,
    Félicitations pour ton montage. J’ai quasiment le même sans la broche.
    J’ai un problème, lors d’usinage dans le vide , je perds des drivers (les lumières d’alarme
    clignotent) , que me conseilles tu ?

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