Ma C.N.C. F.L.T.M.

Ou

UNE PETITE FRAISEUSE NUMERIQUE REALISABLE PAR L'AMATEUR.


Je ne suis pas mécanicien.

Je n'ai pas d'outillage exceptionnel.

Je vous propose de me suivre dans la construction d'une PETITE fraiseuse à commande numérique.

Pourquoi j'ai décidé de construire cet outil :


1) Depuis longtemps je réalise des montages électroniques avec une finalisation sur circuit imprimé et les parties qui m'ennuient le plus se situent dans le perçage de ces circuits et la réalisation de boîtiers présentables.
En outre j'ai commencé à me préparer à la disparition prochaine des composants "traversants" en réalisant un four à refusion selon la description faite dans la revue ELEKTOR (Nį332 de janvier 2006) et dont j'ai discuté dans leur BLOG .
Comme je pense aussi qu'un peu de comportement rationnel envers l'environnement passe par la suppression des produits chimiques lorsque c'est possible la solution de gravure mécanique des circuits peut être une solution.

2) Il y a plusieurs années j'ai participé à un club de modélisme naval et ça me chatouille d'y replonger mais le handicap des années rend fastidieuse la découpe des couples et autres éléments constitutifs d'un modèle réduit. Une assistance robotisée serait agréable.

3) Je suis un grand-père comme d'autres et pour faire plaisir à mes petits-enfants je leur fabrique de temps à autre un jouet qui ne se trouve pas toujours dans les boutiques actuelles.

4) J'ai de bonnes aptitudes dans la réalisation d'outils et de compléments d'outils quand je souhaite me passer d'un investissement trop lourd pour un hobby dont je ne veux pourtant pas me priver.

Les sources d'inspiration :


Rendons grâces aux précurseurs.

Des modélistes émérites ont sauté le pas depuis de nombreuses années et je ne peux les citer tous. Quelques noms viendront au fil de mon discours quand la source sera clairement identifiable mais je ne vous propose maintenant que quelques sites internet tant français qu'étrangers :

- http://www.cnczone.com (USA) excellent lieu d'échange que je pratique de longue date. Il y a de la mécanique et de l'électronique à profusion.

- http://www.iprocam.com (France) c'était auparavant le site de NINOS, logiciel de CFAO en constante évolution de Jean-Noël Carlier qui s'est élargi à la distribution de kits d'électronique et de machines dédiés à la CNC.

- http://cnc25.free.fr (France) on y voit un tas de réalisations d'aspect parfois inquiétant mais qui toutes présentent l'avantage d'être économiques (avec quelques réserves).

- http://www.cncmaniac.com (Canada - français) où vous entendrez l'accent de la belle province rien qu'en lisant les textes de Jean-Pierre Michaud aux expressions typiques de ce "maniac" qui a quelques belles réalisations à montrer.

Il y a d'autres sites intéressants mais je vous laisse un peu chercher de votre côté en tapant simplement CNC dans votre moteur de recherche favori.

Je me suis fixé des limites :

1) Les matériaux de base devront être faciles à trouver, bon marché et faciles à travailler :

- j'ai volontairement écarté les matériels issus de casses industrielles, récupérateurs et ferrailleurs pour ne pas introduire un mouton à 5 pattes évidemment introuvable dans cette construction. Ceci dit rien ne vous empêche de partir dans cette voie souvent riche de trésors. J'ai d'ailleurs réalisé la liaison entre le socle général et le portique à l'aide de pieds de cloisons mobiles fort à la mode dans les bureaux il y a une vingtaine d'années dans ce qu'on appelait pompeusement "bureaux paysagers" mais je chercherai les moyens de remplacer ces pièces par des éléments "standards" du commerce ou facilement réalisables.

- l'ensemble du châssis et des chariots sera construit dans de l'aggloméré de catégorie "médium"en épaisseur 15 ou 18mm. C'est un compressé de fibres fines s'apparentant plus à l'isorel qu'au bois. Si votre fournisseur vous a toujours satisfait dans la précision de ses coupes tant en dimensions qu'en équerrages faites-lui découper vos panneaux. Certains panneaux soumis à des contraintes plus sévères devront être doublés par collage.
Pour fixer les moteurs pas à pas j'ai utilisé du contre-plaqué de 10mm et des morceaux de tasseaux dont je disposais mais le medium fera parfaitement l'affaire et la description, bien que basée sur ma construction, pourra être réalisée en utilisant ce matériau moyennant de légères adaptations.

- le système de guidage est confié à des glissières de tiroirs. Il en existe de plusieurs dimensions permettant une course plus ou moins importante qu'il est possible d'amplifier en limant les 2 bossages situés à une extrémité qui, en usage normal, font office de frein. Ces glissières se trouvent sans difficultés dans les grandes surfaces de bricolage et il est possible d'en récupérer des longues dans d'anciennes photocopieuses à plateau coulissant ou dans des tiroirs de pharmacies (si votre apothicaire remplace son équipement). Certaines glissières (parmi les plus rigides) sont de type à placer à l'horizontale sous un plateau coulissant (plan de travail) alors que la plupart sont à placer verticalement de part et d'autre du tiroir. Ces 2 conceptions diffèrent très peu et peuvent être utilisées indifféremment dans notre cas.

- le système d'entraînement sera, de façon minimaliste, réalisé en tiges filetées reliées par manchon souple aux axes de moteurs pas à pas. Un système d'écrous à rattrapage de jeu permettant d'obtenir une précision raisonnable. Il faudra pour cela, en plus des tiges filetées de longueur adéquate à la course à réaliser, une petite longueur de tube acier carré ainsi qu'une petite longueur de règle "de maçon" en aluminium de 50mm x 15mm.

2) L'outillage à utiliser doit pouvoir se trouver chez tout bricoleur moyen. J'ai fait usage d'une perceuse sur colonne de bas de gamme mais une perceuse classique bien maniée devrait faire aussi bien. J'ai ajusté la taille de boulons en les coupant et les meulant mais des boulons de taille correcte peuvent éventuellement faire l'affaire. Il vous faut :

- une perceuse (sur colonne serait un +) avec un jeu de forets à métaux (3,2mm, 4mm, 6mm, 8mm et 10 ou 12mm) et une "scie cloche" à lames multiples de préférence longues (en fonction des moteurs et du moteur de broche, bien que pour creuser son berceau il soit possible de travailler à la râpe demi-ronde et fignoler à la lime demi-ronde) et une mèche à bois de 25mm au minimum.

- un touret à meuler si vous avez à ajuster la taille de vos boulons et si vous voulez éviter la lime pour fignoler les extrémités des tiges filetées coupées à la scie à métaux.

- une scie égoïne pour le médium.

- une scie à métaux.

- quelques limes (c'est mieux que des râpes pour la finition du medium).

- un tourne-vis cruciforme ou posidriv/philips ou à lame plate selon la visserie utilisée (lame plate pour les boulons "poëliers" et en principe posidriv/philips Nį2).

- quelques clés plates ou un jeu de "noix" adaptables sur une clé à cliquets (utilisation majoritaire de visserie de 6mm donc clé de 10mm).

3) L'électro-mécanique et l'électronique doivent pouvoir être de conception amateur, pas d'achat tout cousu obligatoire encore que ce soit une solution pas nécessairement très onéreuse.

- les moteurs d'entraînement des axes sont de type pas à pas unipolaires ou bipolaires. Le service minimum devra se situer dans des matériels consommant environ 1 ampère par phase. Nous verrons plus loin que la tension (parfois) indiquée sur les moteurs n'a que peu d'importance. Le couple n'étant que rarement indiqué sur les matériels de récupération ainsi que sur la plupart des matériels neufs (il est parfois possible de trouver sur le net les fiches de caractéristiques) nous nous basons uniquement sur l'intensité indiquée.

- l'électronique peut être choisie en "tout cousu", il en existe quelques kits pas trop onéreux mais je proposerai 2 versions de "drivers", l'une sera pour piloter des moteurs bipolaires (ou des unipolaires utilisés en bipolaires) et l'autre sera pour piloter des moteurs unipolaires utilisés comme tels et en mode "diphasé" nous verrons ce que signifie ce terme qui concerne la façon de faire fonctionner un moteur unipolaire avec le couple le plus élevé possible.

Avant d'entrer dans le vif du sujet je vous propose quelques images de la partie mécanique de ma fraiseuse dans son état au 4 décembre 2006.
Vue globale de la fraiseuse Une vue globale pour se donner une idée. On voit aussi la mini-perceuse qui sera utilisée comme moteur de broche.
Une vue du portique sur lequel coulisse le chariot de l'axe X lui-même porteur du chariot de l'axe Z sur lequel on aperçoit le berceau du moteur de broche. Axes X et Z
Vue globale de la fraiseuse Une vue sur la liaison entre le moteur pas à pas et la tige filetée qui déplace le chariot de l'axe Y. On aperçoit le bout de tuyau type air comprimé et un peu la bague de serrage. On peut voir dans l'image ci-dessus le même type de liaison pour le déplacement de l'axe Z.

Bonne année 2007 à tous !!!!!

Excusez-moi, c'est la période !!!!!

Les plans de la mécanique.


Il s'est écoulé quelques semaines depuis cette "mise en appétit" mais je ne me suis pas vraiment mis en hibernation. A ce stade de l'exposé de la construction je souhaitais vous apporter de la matière à travailler.
Je me suis mis sur la planche à dessins (électronique bien entendu) et j'ai eu l'intention de m'attaquer aux logiciels spécifiques de dessin industriel.
J'ai essayé AUTOCAD, DESIGNCAD, TURBOCAD et j'en ai bavé. Finalement je me suis rabattu sur COREL DRAW que je manie pas trop maladroitement sans toutefois le maîtriser vraiment et j'ai obtenu un résultat supportable (il ferait peut-être frémir un professionnel du TE et de l'EQUERRE mais je trouve l'ensemble lisible).
Je vous propose, au format PDF, une dizaine de planches descriptives du chassis de la fraiseuse.
Les planches comportent toutes l'échelle à respecter en souhaitant que vos imprimantes soient bien calibrées et que leurs pilotes soient bien paramétrés.
Toutes les cotes sont en millimètres.

- les supports des moteurs pas à pas pour l'AXE X, pour l'AXE Y et pour l'AXE Z. Vous noterez quelques petites différences qui sont dûes aux contraintes apparues en cours de construction. Ceci sera certainement dans une future version.
- Les supports de chariots pour l'AXE X, c'est le portique sur les photos, pour l'AXE Y, c'est le support général de la machine et pour l'AXE Z qui constitue aussi le chariot de l'axe X. Sur ces supporte de chariots vous voyez les baguettes d'espacement, pièces de medium de 15mm sur lesquelles seront fixées les glissières de tiroirs (ou coulisses). Leur largeur de 30mm permettent d'utiliser indifféremment les modèles de 17 ou 27mm de large.
- Les chariots mobiles pour l'AXE X, comme vu ci-dessus c'est aussi le support de l'axe Z (notez la découpe exécutée à cause de l'encombrement du moteur d'entraînement du chariot), pour l'AXE Y et pour l'AXE Z qui supportera le moteur de broche. Les berceaux seront à usiner en fonction de l'outil que vous choisirez.
- Le dessin type de bloc d'entraînement des chariots qui permet de diminuer considérablement le jeu entre les tiges filetées et les écrous solidaires des chariots. Toutes les explications sont sur la planche elle-même.
- Enfin quelques dessins dont le système de rattrapage de jeu sans son emballage en "règle de maçon" et les cotes d'encombrement et de perçage pour les moteurs pas à pas.
Maintenant que toutes les pièces sont créées voyons comment elles se combinent et ce que cela donne sous les 3 angles de vue traditionnels.
- D'abord une vue de face, qui nous montre clairement qu'il reste de la marge sur l'axe X entre les pieds et qu'il suffirait d'allonger le support côté moteur pas à pas pour se passer de la découpe dans le chariot X (cette découpe permet d'allonger la course vers la gauche). On voit aussi que le chariot de l'axe Z ne repose pas totalement sur ses coulisses et que celles-ci, en position haute, passent de part et d'autre du support moteur. C'est encore pour disposer d'une course plus importante.
- Ensuite une vue latérale qui ne nous apprend rien de très particulier si ce n'est que le support moteur de l'axe X est découpé pour permettre d'augmenter la course vers la gauche.
- Enfin une vue de dessus qui montre bien la marge dont on dispose sur l'axe X ainsi que (de façon moins nette) sur l'axe Y.

Quelques conseils


D'abord parlons du matériau MEDIUM (MDF ou Medium Density Fiber).
C'est un aggloméré de fines particules de bois subissant un collage sous pression et chaleur. La finesse de ses particules permettent de l'usiner avec une extrême finesse. On le dit très sensible à l'humidité mais il en existe une qualité hydrofuge malheureusement difficile à trouver.
Sa surface a un aspect glacé et il est raisonnable de poncer ces surfaces lorsqu'il faudra les coller.
Le collage se fera avec une colle à bois de préférence à prise rapide et on veillera à assurer un bon serrage des pièces. L'utilisation de quelques vis dont on aura pré-percé les trous avant n'étant pas superflu pour éviter tout glissement des plaques sur la colle fraîche (faites l'expérience avec de simples serre-joints!!!!).
Evitez absolument les vissages par la tranche des panneaux car il y a risques d'éclatement/fissurage comme le bois qui a tendance à éclater. J'ai tenu compte de ce phénomène dans les plans que je mets à votre disposition. Par contre il semble possible d'utiliser des vis à métaux directement dans le medium, je ne parle pas des vis auto-taraudeuses mais de vis classiques utilisées en mécanique. Pour cela percer au diamètre intérieur du filetage de la vis. Je ne connais pas la tenue dans le temps de ce type de fixation (il est prudent d'éviter les vissages / dévissages successifs). J'ai réalisé quelques fixations de ce type pour en vérifier la fiabilité.
Comme vous ne trouverez probablement pas de medium hydrofuge il faut le protéger. Je ne l'ai pas encore fait mais j'ai entendu parler de quelques recettes où il est question d'huile de vidange (berk!!) ou d'huile de lin (long à sécher). Je pense que quelques couches de peinture glycérophtalique seront suffisantes.
Demain je pars écumer les magasins de bricolage à la recherche des moyens de liaison entre le support global et le support de l'axe X en remplacement des pièces providentielles que j'ai utilisées. On en reparlera.

Je vous retrouve enfin! Je n'ai pas passé tout ce temps à la recherche de cette "pièce rare" mais j'ai quand même bien cherché et je suis resté sur ma faim. A part quelques équerres moulées pour tablettes qui sont de taille assez limitée rien de fiable sur le marché de détail pour bricoleur moyen. Il va falloir passer à la construction "FLTM" à moins que l'un d'entre-vous ne fasse une trouvaille et la communique sur le BLOG.
La solution la plus simple consiste à construire ces pièces de jonction dans le "même métal" que les autres éléments du chassis mais on procédera à un assemblage par équerres métalliques pour éviter d'éclater le médium en vissant dans la tranche. On peut utiliser les équerres métalliques prévues pour assembler les bois de charpentes, les vis à métaux traverseront le médium et le serrage se fera en intercalant une rondelle large et épaisse pour éviter toute déformation préjudiciable au bois.
j'ai dessiné une version du pied en médium et les vues modifiées pour ceux que cela intéresse.

Les glissières


Comme signalé ce sont des glissières de tiroir qui sont utilisées comme moyen de guidage. Vraiment pas onéreux par rapport aux moyens concurrents, résistance et précision raisonnables elles présentent en outre l'avantage de ne pas être trop difficiles à régler pour peu qu'on prenne quelques précautions au montage.
J'ai utilisé des modèles de 17mm de largeur fixées par boulons poŽliers de 4mm de diamètre pour mon prototype (il n'y avait que ces modèles en rayon) et, si je ne pense pas qu'il y ait de problème de tenue dans la durée, je regrette ce choix en raison des difficultés de vissage car l'épaisseur des têtes de vis gênaient le passage du chariot porte roulements.
Ceci m'a obligé à Adapter les boulonsadapter mes boulons poŽliers en en réduisant l'épaisseur des têtes au touret (gaffe aux doigts). Si en plus cela ressemble au tracé d'un terrain de sports c'est que deux arcs diamétralement opposés ont également été limés, pas besoin de tourne-vis, ça se coince tout seul dans le rail.
La bonne solution (à mon très humble avis) est d'utiliser des glissières de 27mm, le métal est légèrement plus épais (on passe d'1mm à 1,2mm) et les boulons n'ont plus de difficultés à se glisser dans leurs trous sans qu'il soit nécessaire de les mutiler. Un simple fraisage des trous est nécessaire pour que l'évasement du collet du filetage au niveau de la tête de vis puisse prendre place sans déformation de la glissière.
Toute médaille ayant son revers, on ne trouve pas (je n'ai pas trouvé) de glissières de moins de 278mm dans cette gamme et l'usage d'un tourne-vis devient nécessaire pour maintenir le boulon.
Pour information les glissières de 278mm x 27mm x 2mm (d'épaisseur de métal annoncé mais 1,2mm mesuré) permettent une course maxi de 400mm et coûtent un peu plus de 6 euros la paire et les grands modèles que j'ai choisi pour ma future version font 438mm x 27mm x 2mm pour une course maxi de 713mm et coûtent un peu moins de 8 euros la paire.
Pour assurer le parallélisme les baguettes d'espacement seront alignées par rapport à UN SEUL BORD de la pièce où elles doivent être fixées.
Les glissières devront être implantées sur la pièce la plus petite en premier (au minimum poser les boulons si des écrous peuvent les bloquer de l'autre côté du médium car l'accès en sera quasiment impossible par la suite même en course maximale. Ici aussi on s'aligne sur UN SEUL BORD de la pièce et on réalise l'écartement grace à des entretoises (on peut à cet effet utiliser des coupes ébarbées de "règles de maçon" juxtaposées dont les côtes sont d'une bonne précision si elles n'ont pas reçu de coup). On ne "bloque" pas les écrous.
On positionne les boulons sur l'autre partie des glissières. En position d'extension minimale on en fixe (serrer sans bloquer) une extrémité de chaque paire en la centrant au mieux. On fait coulisser au maximum dans la direction où les glissières viennent d'être fixées et on peut fixer (serrer sans bloquer) les écrous de l'autre extrémité.
En coulissant alternativement de part et d'autre on vérifie l'absence de point dur et on serre progressivement les écrous des extrémités. Les écrous intermédiaires seront alors bloqués.