Fabrication d’une fraiseuse numérique.

Depuis plusieurs mois, j’hésitais entre me diriger vers une imprimante 3D ou vers une fraiseuse numérique. Et, bien que leurs finalités soient assez différentes, il reste quand même pas mal de similitudes. Les possibilités sont variées : un produit tout monté, plus cher mais a priori, sans problème, une création maison, intéressant mais risqué ou un kit qu’il faut juste assembler, un bon compromis.

Au final, j’ai choisi une quatrième solution que je n’avais pas envisagée, j’ai eu entre les mains 'Build your own CNC machine' et ça a été la révélation … des instructions complètes et détaillées sur la construction d’une fraiseuse numérique d’une taille convenable (zone de travail de +/- 1000mmx500mm) faite en MDF. Ce n’est certainement pas l’état de l’art du point de vue fraiseuse, mais tenter l’expérience me semblait tout à fait réaliste, même si je n’avais jamais abordé un projet aussi ambitieux. De plus, ayant fait l’acquisition récemment d’une scie table, c’était le projet idéal pour l’inaugurer. 

Je ne vais pas entrer dans les détails techniques de la réalisation de la fraiseuse et encore moins poster les plans de celle-ci vu qu’ils font partie intégrante du livre. Je poste plutôt les photos des différentes étapes qui m’ont permis d’arriver à un résultat fonctionnel.

Le travail que je vous décris ici représente une grosse centaine d’heures de boulot … peut-être un peu plus, j’avoue ne pas avoir vraiment compté de manière précise. J’ai fait au fur et à mesure du projet quelques ajustements, principalement parce que les plans sont en mesures impériales et non en mesures métriques.

Pour les éléments mécaniques, j’ai commencé par essayer de me fournir auprès de chez moi, mais ce n’était pas évident. Un petit tour sur ebay m’a permis de trouver assez bien d’éléments, mais malheureusement à des prix relativement élevés … et n’étant pas sûr du résultat final, je voulais limiter les risques. Je me suis finalement rabattu  sur le site du livre (http://buildyourcnc.com) qui offrait des prix tout à fait compétitifs même en incluant la livraison. J’y ai commandé les roulements à billes, les moteurs pas-à-pas, les contrôleurs et les systèmes de couplage :

Une fois le matériel minimal acquis, j’ai entamé la réalisation de la base qui est composée de deux plaques de MDF de 1200x600x18mm boulonnées. Les plaques supportent les deux rails sur lesquels vont venir se déplacer la partie mobile  : 

Avant de continuer, j’ai effectué une première rectification : les rails d’origine se sont avérés trop petits et ne m’inspiraient guère confiance … J’ai préféré assurer, vu qu’une grosse partie de la fraiseuse repose dessus. En plus de cela, les petites cornières en alu avaient tendance à bomber au milieu de la longueur une fois les vis serrées.

Voilà qui est plus rassurant. Le pont mobile de la fraiseuse est soutenu lui aussi par deux rails sur lesquels viennent se placer des roulements à billes : 

Il a fallut être assez précis avec le placement des roulements à billes vu qu’ils soutiennent le pont et qu’aucun jeu n’est permis.

Avant de placer le pont, j’ai du fixer les pieds de la base. Dans ceux-ci sont enchâssés deux roulements à billes dans lesquels la tige filetée de l’axe principal va venir se placer. Ici aussi, un alignement parfait était indispensable afin que le moteur ne force jamais :

La tige filetée sera placée plus tard … J’ai cherché en vain des tiges filetées de plus d’un mètre, mais c’est loin d’être standard. Idéalement il faudrait des vis à billes, qui sont prévues pour ce genre d’utilisation, mais leur prix risquait de faire exploser mon budget, je me suis donc rabattu sur un produit plus courant et surtout beaucoup moins cher. Je pourrai toujours remplacer mes axes plus tard. 

L’étape suivante fut la mise en place des côtés et de la partie basse du pont : 

Les rails avec les roulements à billes sont soutenus par la tête des vis, elles-même boulonnées à l’arrière. Cela s’avère très solide et permet un réglage fin de la position du rail.

La largeur de la partie basse a été mesurée une fois les pièces latérales finies,  vu que la distance entre les deux côtés dépend en partie de la taille des rails en alu. On peut voir aussi les roulements à billes de l’axe secondaire.

La partie haute du pont est renforcée afin de limiter le travail de la structure. Nous retrouvons ici la même chose que pour l’axe principal, deux rails en alu vont soutenir la partie mobile allant de droite à gauche.

Et rebelote pour l’axe suivant : 

Je suis passé après à l’assemblage de la tête se déplaçant sur le pont :

J’ai attendu d’avoir terminé le gros oeuvre des trois axes pour choisir une défonceuse. J’ai pris un modèle assez petit qui ne déforcerait pas la structure à cause de son poids, et qui avait comme autre avantage d’être assez bon marché (+/- 60€). Le bouton marche arrêt étant de type poussoir, j’ai usiné une petite pièce en bois qui appuie toujours dessus, j’avais dans l’idée de ne pas perdre la garantie de l’appareil … 

Mais après avoir étudié les différentes possibilités de fixation de la défonceuse sur ma base, j’ai pris l’option de démonter les ‘pistons’ de l’appareil (adieu garantie) et de placer le patin sous mon support en bois. Ceci a comme double avantage de descendre le moteur plus bas et donc d’exposer plus la fraise (donc rainures plus profondes), mais surtout de permettre un démontage aisé de l’appareil afin d’en changer la tête.

L’axe de la défonceuse reste ainsi assez proche du centre de la structure, ce qui limite aussi l’effet de levier. 

Les 3 tiges filetées pouvaient maintenant être placées. J’ai commencé par la plus courte, question de me faire la main : 

Le placement semblait assez simple, j’ai donc testé le deuxième axe en plaçant en plus le support du moteur :

Après avoir effectué un premier test du moteur, il s’est avéré que les vibrations étaient bien trop fortes. La source du problème était l’espace entre la tige filetée qui a un diamètre de 12mm et l’intérieur du roulement à billes, ainsi que l’espace entre la tige filetée et le système de couplage : tout était hors axe. Le système de serrage ne permettait pas de placer l’axe au centre du coupleur, il manquait très peu, mais suffisamment pour générer beaucoup de vibrations. Après plusieurs tests, c’est une bague en papier alu qui a donné les meilleurs résultats pour combler l’espace du système de couplage, même en serrant elle ne s’écrasait pas. Par contre, pour centrer l’axe dans les roulements à billes, j’ai utilisé du Teflon qui est plus souple et qui amortit bien les vibrations résiduelles.

Même chose pour l’axe tertiaire avec un peu de mise en place propre des câbles :

J’ai utilisé des tubes souples pour passer les connexions des moteurs (4 fils par moteurs) : 

J’avais toujours le problème de l’axe principal qui faisait plus d’un mètre, j’ai finalement assemblé deux tiges filetées avec un boulon plus large bien calé avec une pointe de colle et un second boulon pour éviter tout mouvement :

Après avoir placé les moteurs sur les trois axes et câblé les contrôleurs, il fallait commander tout ça. Je suis parti sur une solution légère, je voulais éviter d’avoir un PC installé dans ma cave et, j’avoue aussi, avoir un panneau de contrôle sur mesure me plaisait mieux. Je me suis tourné vers ce que je connaissais le mieux, à savoir la plateforme arduino. J’ai pris un mega pour simplifier la connectique et éviter les multiplexeurs et autres chips externes. Pour relier au panneau de contrôle, j’ai fait un shield de debounce hardware, ce qui évite de devoir gérer ce problème en software, le résultat est propre et simple.

La première version du panneau utilisait des boutons poussoirs qui visiblement n’appréciaient guère la poussière, j’en ai perdu 2 en 2 jours. J’ai donc opté pour des boutons poussoirs étanches que j’avais en stock, ils sont plus durs mais bien plus adaptés. J’en ai profité pour placer un joystick pour le déplacement manuel de la fraiseuse, c’est plus intuitif que des boutons en croix.

Quand la fraiseuse sera totalement opérationnelle, je me ferai un nouveau panneau sur mesure qui finira parfaitement la machine.

Une fois le tout cablé, je suis passé aux premiers tests de base intégrés dans les options du panneau de contrôle : 

Une fois le fonctionnement de base validé, il fallait pouvoir envoyer des schémas plus complexes. Pour ce faire, j’ai aussi ajouté un lecteur de carte sd permettant de lire des fichiers en GCode. Il me reste encore un peu de debugging à faire, la fraise à tendance à descendre de plus en plus lorsque le code est complexe, j’ai déjà eu quelques sueurs froides, mais les premiers résultats sont prometteurs : 

Il reste encore pas mal de travail, surtout du côté software, pour pouvoir utiliser l’appareil de manière confortable.

Pour ce qui est du chantier en cours, j’ai dèjà mis aussi deux couches de vernis sur le MDF pour éviter que celui-ci ne gonfle à cause de l’humidité. J’ai aussi commencé à placer des contacts de bout de course pour permettre une calibration plus simple de l’appareil. Cela me permettra de faire le zérotage de la machine et de m’assurer que les découpes se feront toujours au même endroit. 

Pour conclure, voici une courte vidéo de la machine en action :

  1. domoduino a publié ce billet
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