Introduction

Rappelons rapidement le principe de fonctionnement d’un circuit imprimé.

Un circuit électronique consiste en l’interconnexion de différents composants (résistances, condensateurs, circuits intégrés, …). Ces connexions électriques doivent être réalisées avec un matériau conducteur d’électricité; habituellement le cuivre. Sur un circuit imprimé, on appelle ces connexions des pistes. Pour tenir ces pistes, on fait appel à un substrat isolant: l’époxy ou la bakélite (bien que d’autres matériaux soient également utilisés). Chaque piste relie donc différents composants via leurs broches. Les broches des composants sont reliées aux pistes par des pastilles de cuivre: c’est une zone plus large que la piste (afin de pouvoir y percer un trou) qui permet à l’étain de soudure d’adhérer et offre une meilleure résistance mécanique. Un circuit imprimé peut avoir une ou deux (voir plus) couches de cuivre afin d’augmenter la complexité du circuit. Enfin, il est possible de conserver de grandes étendues de cuivre reliées à une masse d’alimentation (ou à un autre potentiel); on parle alors de plan de masse. Ils ont plusieurs avantages, parmi lesquels une meilleure immunité du circuit au bruit électromagnétique, une meilleure dissipation thermique, …

La réalisation de circuits imprimés peut s’appuyer sur deux principes différents, mais à la finalité identique : enlever le cuivre autour des pistes afin d’isoler celles-ci les unes envers les autres. Je vais citer deux principes largement répandus:

• L’attaque chimique
• La gravure à l’anglaise (ou gravure mécanique)

L’attaque chimique

Cette méthode ancienne et fiable repose sur l’utilisation d’un composé chimique capable d’attaquer et dissoudre le cuivre.

On commence par prendre une plaque d’époxy recouverte d’une couche de cuivre et d’une couche photosensible.

Pour éviter de ronger tout le cuivre du circuit imprimé, on imprime un typon (représentation physique des pistes imprimées en noir sur une feuille transparent). Ce typon est utilisé pour insoler le vernis photosensible. Ensuite, comme pour la photographie argentique, il faut plonger la plaque dans un bain de révélateur. A ce moment, le dessin des pistes devrait apparaitre sur la plaque. On enlève les résidus de vernis photosensible et on plonge la plaque dans un bain d’attaque chimique (perchlorure de fer ou acide chlorique + peroxyde d’hydrogène).

ATTENTION : ces produits sont agressifs (voir très agressifs) et très salissant pour le perchlorure de fer.

On enlève la plaque du bain d’attaque dès que le cuivre est complètement dissout. Il ne reste alors plus qu’à percer les trous dans les pastilles et souder les composants.

Cette méthode a fait ses preuves. Elle est relativement bon marché, nécessite un peu de matériel spécifique (banc à insoler et bain de gravure) et de produits chimiques. Par contre, elle nécessiter une très bonne maitrise du temps (insolation, révélation, gravure) qui ne peut s’obtenir qu’après moult essais et échecs. En outre, elle est très salissante et s’accommode mal des espaces clos (dégagements gazeux).

La gravure à l’anglaise

Cette méthode repose elle sur l’utilisation d’une fraiseuse pour usiner la couche de cuivre. En usinant les contours des pistes, on obtient un résultat similaire à la méthode chimique: les pistes sont isolées entre-elles. C’est cette méthode que je vais détailler dans cet article.

Du logiciel de CAO au module de FAO

La Conception Assistée par Ordinateur (CAO) nous permet de concevoir un circuit électronique en toute quiétude. Le lien est fort entre le schéma et le circuit imprimé: les logiciels de CAO actuels sont capables de rendre bien des services : contrôle électriques, contrôles dimensionnels, auto-routage, …

Cependant, la concrétisation d’une conception en un circuit imprimé fonctionnel reste encore une opération assez complexe. Voici ma chaine logicielle complète pour la réalisation de circuits imprimés:

NB : PERCIVAL et LANCELOT font tous les deux partie de l’environnement de FAO GALAAD.

On distingue trois grandes phases:

1. La conception du circuit proprement dite avec un logiciel de CAO, dans mon cas, EAGLE
2. La préparation à l’usinage avec PERCIVAL
3. L’usinage avec LANCELOT

Ces phases sont toujours reliées par un fichier descriptif du circuit imprimé : PERCIVAL attend un fichier Gerber en entrée et délivre un fichier PCB ou GCODE directement interprétable par le module d’usinage (LANCELOT).

Exportation du fichier Gerber avec EAGLE

ASTUCES :

• Il convient de ne pas définir de plan de masse dans EAGLE, la suite du processus en sera simplifiée. Le plan de masse sera géré par PERCIVAL.
• L’ajout de quatre repères en croix aux quatre coins du circuit va simplifier le réglage de la fraiseuse.

EAGLE comporte un module appelé CAM (Computer Aided Machining – équivalent anglo-saxon de FAO). Il est accessible depuis la fenêtre d’édition du circuit:

Ce module permet d’exporter différents types de fichiers d’usinage. On peut symétriser le circuit imprimé, le faire tourner, … Il est également possible de choisir les couches à exporter. La configuration du module CAM est appelée un job. Il est possible d’enregistrer ses jobs au format .cam pour les rappeler plus facilement et ne pas oublier d’étape.

Voici les grandes lignes à respecter pour l’export vers PERCIVAL d’un circuit simple face:

• Device: GERBER_RS274X
• Mirror
• pos. Coord
• Optimize
• Layers 16, 17, 18:
  • Bottom
  • Pads
  • Vias

Par extension, voici les grandes lignes à respecter pour l’export vers PERCIVAL de la face supérieure d’un circuit double face:

• Device: GERBER_RS274X
• pos. Coord
• Optimize
• Layers 1, 17, 18:
  • Top
  • Pads
  • Vias

Voici les deux fichiers .cam que j’utilise:

• percival_bottom.cam
• percival_top.cam

Pour générer le fichier Gerber, cliquer simplement sur « Process Job » et le tour est joué.

Importation du fichier Gerber dans PERCIVAL

Pour importer le fichier Gerber dans PERCIVAL, il faut passer par le menu Fichier -> Ouvrir -> Nouveau Circuit (Ctrl + O). Pointer ensuite sur le fichier .grb généré par EAGLE. Une incompatibilité du format Gerber généré par EAGLE va causer l’apparition de ce message d’erreur:

Rien de grave cependant: PERCIVAL nous informe simplement que le fichier Gerber ne contient pas les définitions des pastilles. D’une certaine façon, cela nous arrange puisque nous allons reconfigurer toutes les pastilles du circuit pour optimiser l’usinage. Après validation du message, un assistant de configuration des pastilles s’ouvre:

Les pastilles concernées s’allument en rouge sur le circuit. Il est alors possible de modifier leur forme, leurs dimensions, le diamètre de perçage, …

Il faut passer en revue toutes les pastilles de la carte (en navigant avec les boutons « < » et « >« ) pour définir tous ces paramètres. Il est facile de voir quelle taille de pastille va causer un court-circuit ou bien sera trop petite par rapport au diamètre de perçage.

Une fois cette tâche effectuée, on se rend compte que certaines pastilles n’ont pas été traitées:

Le problème provient de la manière utilisée par EAGLE pour exporter les pastilles oblongues: elles sont définies comme des pistes dans le fichier. Pour convertir ces « pistes » en pastille, il faut simplement faire un clic droit sur l’une d’elle et choisir définir comme pastille. PERCIVAL propose alors gentiment de transformer toutes les autres pastilles équivalentes. A vous de voir si PERCIVAL ne fait pas un excès de zèle en convertissant en pastille des pistes bien réelles.

Une fois les torts rétablis et les fausses pistes transformées en pastilles, il convient de refaire l’étape précédente en rouvrant l’assistant de configuration de pastilles (clic droit sur la pastille a configurer -> Editer les pastilles identiques).

Gestion des plans de masse

Avec la gravure à l’anglaise, le plan de masse est quasiment intrinsèque. En effet, à moins de faire en sorte que la fraiseuse retire tout le cuivre inutile, celle-ci na va faire qu’un simple détourage. Il va donc demeurer de grandes zones cuivrées autour des pistes. Il convient alors de les relier à la masse. Cette opération s’effectue dans PERCIVAL et requiert un peu d’attention. En effet, il faut identifier sur le circuit quelles sont les broches et pistes reliées à la masse. Ensuite, il faudra passer chaque piste une par une en faisant un Clic droit -> Définir comme plan-masse. Les pistes appartenant au plan de masse sont symbolisées en marron.

Il est également possible de convertir les pastilles reliées au plan de masse en pastilles thermiques. Cela va grandement simplifier le repérage et la soudure desdites pastilles. Pour ce faire, activer l’outil Pastille thermique (en choisissant l’orientation de la pastille) et cliquer les pastilles à convertir.

Cette fois-ci quand PERCIVAL propose de convertir les pastilles identiques, il est recommandé de ne pas le faire. Une croix apparait en légère surimpression sur les pastilles thermiques.

Réglage de l’origine du circuit

Pour usiner le circuit imprimé, le module d’usinage va nécessiter la prise d’origine de la pièce. Cette origine sera d’autant plus simple à régler si elle se situe sur le bord de la carte. Dans PERCIVAL, il est possible de positionner deux croix: une rouge et une bleue.

Ces croix pourront servir d’origine pièce au module d’usinage. Pour positionner précisément ces croix, il convient au préalable d’avoir prévu des repères dans EAGLE (une petite croix dans chaque angle dessinée avec des pistes sur chacune des faces à usiner). Une fois l’outil activé en mode « Pointage manuel », il suffit de cliquer sur l’extrémité d’une piste ou une pastille pour y positionner la croix.

Le circuit est maintenant prêt pour le calcul des contours d’isolation.

Calcul des contours d’isolation

Les contours d’isolation sont les chemins que suivra la fraise afin d’isoler électriquement les pistes du circuit. Le calcul des contours dépend principalement de deux facteurs:

• La forme de l’outil
• La largeur d’isolation entre la piste et le plan de masse

Le premier facteur se règle dans le menu Paramètres -> Bibliothèque d’outils.

Ce menu permet de déclarer les différents outils en votre disposition. Ainsi, PERCIVAL adapteras les calculs d’isolation et de perçage à la forme et au diamètre des outils disponibles. En outre, le module d’usinage sera à même de vous demander d’installer le bon outil avant chaque phase de gravure ou de perçage.

J’utilise personnellement ces outils:

• Un stylet conique à 60° pour l’isolation (soie de 3.17mm)
• Un foret de 0.8mm pour les perçages (soie de 3.17mm)
• Une fraise à rainurer de 2mm pour le détourage

Il est possible de remplir le nombre de dents et la vitesse de la broche pour chaque outil. PERCIVAL calcul ainsi les vitesses avance optimales pour l’usinage.

Pour calculer les contours d’isolation, il faut utiliser le menu Usinage -> Contours d’isolation -> Calculer les contours. Il est possible de choisir le nombre de passes à réaliser autour des pistes et des pastilles. Plus ce nombre est élevé, plus large sera le contour d’isolation, mais plus long sera l’usinage. Pour ma part, je me contente de deux contours successifs et d’un contour supplémentaire autour des pastilles. Quand le calcul est terminé, PERCIVAL affiche un rendu du résultat final. Les contours affichés en rouges sont ceux qui ont été « forcés » par le logiciel, les pastilles ou pistes adjacentes étant trop proches.

Il est également possible de gérer le détourage de la carte (découpe du circuit à la fraise) en ajoutant ou non pontets de maintien.

Usinage du circuit

Positionner la carte à usiner

Pour fixer la carte à usiner sur la table de la fraiseuse, j’utilise pour ma part du Scotch double faces transparent « extra-fort »:

https://www.leroymerlin.fr/v3/p/produits/adhesif-scotch-fixation-double-face-interieur-exterieur-l1-5mxl19mm-transparent-e1400097015

Il présente l’avantage d’avoir une épaisseur suffisante pour ne pas usiner la table de la fraiseuse. Il est en outre assez simple à décoller.

Un petit carré d’adhésif dans chaque coin et un au centre de la carte suffisent à maintenir le circuit en place pendant tout l’usinage.

Lancer l’usinage

L’usinage du circuit n’est alors plus qu’une « simple » formalité. Il suffit de choisir le menu Usinage -> Fraisage, et de choisir Chainer automatiquement au module d’usinage. Le fichier GCODE est automatiquement généré et passé à LANCELOT pour la gravure.

ATTENTION : Si le circuit a été inversé à la génération du fichier GERBER (mirror activé pour la face du dessous dans EAGLE), il convient de ne pas activer l’inversion horizontale à ce moment du processus.

LANCELOT est lancé automatiquement.

La première page permet de configurer l’usinage. Le tableau en haut à gauche récapitule les différentes phases de la réalisation. Il est possible de les activer (entouré en vert) ou de les désactiver (barré de rouge) à volonté. Chaque phase est associée à un outil et repérée par le numéro de l’outil dans le magasin. Il est également possible de surcharger les paramètres d’usinage (profondeur des passes, vitesse d’avance, …). Enfin, il est possible de tourner ou symétriser le circuit, au cas où une erreur se serait glissé dans le processus précédent.

La deuxième page permet de positionner la carte sur la table d’usinage. Il faut prendre l’origine de la carte (croix rouge, croix bleue ou bien un coin du circuit) en X et Y. Pour le réglage de la hauteur d’outil, deux méthodes sont disponibles:

• La machine est équipée d’un capteur de hauteur d’outil mobile
• Le positionnement de l’outil à fleur de la carte

Pour la première méthode, il convient de se référer à la notice d’utilisation du logiciel LANCELOT. Pour la seconde, je préconise une astuce à base d’Ohmmètre. ATTENTION : toute cette manipulation devra être effectuée broche hors tension, vous allez entrer en contact avec l’outil.

• Installer l’outil dans la broche
• Amener l’outil à quelques millimètres de la surface de la carte
• Passer le pilotage en mode 1mm ou 1/10mm selon la distance entre l’outil et la carte
• Mettre l’Ohmmètre en mode continuité (bip quand les pointes de touche se touchent)
• Mettre une pointe sur la carte (partie cuivrée) l’autre sur le mandrin de la broche (ou directement l’outil si le mandrin est en plastique)
• Descendre l’outil progressivement et doucement jusqu’au bip de l’Ohmmètre
• Cliquer sur Z – ok

ATTENTION : avec un foret de 0.8mm, cette manipulation peut s’avérer destructrice pour l’outil sir la vitesse de descente est trop élevée.

Une fois l’origine réglée, il est alors possible de lancer l’Usinage Automatique (ou de faire une simulation avant d’ouvrir les hostilités).

Si tout fonctionne comme prévu, LANCELOT devrait aller au bout de la première phase avant de demander un changement d’outil. Il convient alors de refaire la prise d’origine en Z.

Voici le résultat pour un circuit simple face basé autour d’un PIC18F4550 :

[metaslider id=910]

Voici deux petites vidéos de l’outil en action (Attention, le volume sonore est un peu élevé…):

Conclusion

Avec le bon outillage, il est aisé de passer d’une conception virtuelle à un circuit bien réel. Il est tout a fait normal d’éprouver une certaine appréhension lors des premiers mouvement de la broche. J’ai cassé quelques outils et gâché un certain nombre de cartes avant de pleinement prendre en main les différents modules logiciels du processus. Il est important d’être méthodique de bout en bout. Le processus que je présente ici n’est bien sûr pas parole d’évangiles, cependant, il fonctionne à merveille chez moi.

Bonnes réalisations !

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Cet article fait suite à un précédent.

Introduction

Pour piloter ma fraiseuse, j’ai choisi la suite logiciel GALAAD. C’est un ensemble de logiciels dédiés CFAO. Plusieurs arguments ont justifié ce choix:

1. IronWood vend un pack qui comprend la machine, la carte d’interpolation Pulsebox NxTG
2. La dite carte d’interpolation est compatible plug’n’play avec GALAAD
3. J’ai eu l’occasion de voir réaliser des circuits imprimés avec cette suite logiciel à l’IUT d’Annecy
4. GALAAD est développé par des français
5. La licence d’utilisation adaptée à mes besoins n’est pas très onéreuse
6. GALAAD est compatible Windows 7, 8, 10
7. Je suis fan de Kamelott (et alors ?)

GALAAD est livré sur CD. Pensez-y, de nos jours les PC sont de moins en moins équipés de lecteurs optiques.

Une version d’évaluation est disponible ici: galaad.net

La licence de base n’a besoin de rien d’autre que le CD d’installation. En revanche, la version intégrale a besoin d’un dongle USB pour obtenir la licence d’utilisation.

Dans mon cas, je l’utilise sur un PC portable MSI GT683 tournant sous Windows 10 sans aucun problème de compatibilité ou d’instabilité.

D’autres solutions logicielles existent. En voici quelques unes avec les raisons qui m’ont fait y renoncer:

Mach3 CNC

http://www.machsupport.com/software/mach3/

Il s’agit d’un logiciel d’ancienne génération conçu pour piloter une machine à commande numérique directement via le port parallèle d’un PC. Pour les plus jeunes d’entre vous, le port parallèle était largement présent sur les PC et utilisé entre autre pour communiquer avec des imprimantes. Le port parallèle est accessible via une prise SubD-25. Bien connu des électroniciens (les niveaux électriques sont compatibles TTL 5V), ils tendent à disparaitre et ne sont même plus pris en charge par les versions de Windows supérieures à Vista.

Du coup Mach3 ne fonctionne que sous Windows Xp 32 bits sur un PC suffisamment vieux pour être équipé d’un port parallèle. Pas très pérenne comme solution… En outrer, le noyau de Mach3 (utilisé pour interpoler les déplacements de la machine et piloter les moteurs pas à pas) fonctionne également sous Windows. Le maitre mot du pilotage de fraiseuse est la bonne maitrise des signaux de pilotage. Or la régularité d’exécution d’un programme sous Windows est exécrable. Il suffit de brancher un périphérique USB, de lancer la calculatrice Windows, ou simplement d’avoir l’écran de veille du PC pour introduire un jitter immonde dans n’importe quel programme s’exécutant sur la machine. Croyez-moi, j’ai suffisamment pratiqué les systèmes temps réel pour vous déconseiller vivement cette solution.

Elle a cependant un avantage: pas besoin de carte électronique supplémentaire: on connecte directement la fraiseuse au PC via un prolongateur Sub-D 25.

PS: Une nouvelle version, curieusement appelée Mach4 (…) est sortie récemment. Je n’ai pas eu l’occasion de la prendre en main. Je n’émettrai donc aucun avis dessus.

Linux CNC

http://linuxcnc.org/

Il s’agit du cousin gratuit et Open Source de Mach3. Il se distingue principalement par le fait qu’il ne s’exécute que sous Linux.

Je ne suis pas linuxophobe, mais la majorité des logiciels que je compte utiliser pour fabriquer des pièces avec ma fraiseuse ne sont disponibles que sous Windows.

Je ne l’ai pas utilisé donc je ne suis pas le mieux placé pour en parler. Cependant, il existe des patch au noyau Linux pour exécuter des programmes temps réel et Linux CNC semble compatible. Il est donc fortement probable que les résultats soient meilleurs qu’avec Mach 3.

Description de la suite GALAAD

A l’inverse, des applications comme celles présentées ci-dessus qui s’occupent exclusivement du pilotage de la machine, GALAAD offre une solution intégrée allant du dessin à l’usinage. Voici les différents composants de GALAAD:

• GALAAD: module de CAO pour fraisage
• GAWAIN: module de CAO pour tournage
• KAY: module d’usinage/impression 3D
• KYNON: module de programmation script
• LANCELOT: module d’usinage 2.5D
• OWEIN: éditeur de fichiers GCode avec prévisualisation
• PERCIVAL: module de préparation à l’usinage de circuits imprimés

Vous aurez certainement identifié les différents chevaliers de la table ronde.

Les modules en vert sont inclus dans la licence de base. Le reste des modules est uniquement disponible en évaluation 30 jours. La licence de base peut paraitre restreinte, cependant elle offre les fonctions les plus intéressantes: pilotage de la machine et usinage de circuit imprimé. Il faudra par contre utiliser des logiciels tiers pour la conception et le dessin des pièces à réaliser.

ATTENTION: Percival n’est en aucun cas un logiciel de CAO électronique. Il sert uniquement à mettre en forme le PCB avant fabrication ; en tenant compte des outils disponibles sur la machine, des en simplifiant la gravure double face, … La CAO est toujours à réaliser par un logiciel conventionnel type EAGLE ou Proteus.

Installation et Mises à Jour

La suite GALAAD s’installe « à l’ancienne »: tout le contenu est copié dans le dossier C:\Galaad. Il n’y a pas de dépendances critiques avec la base de registre ou des DLL du système enfouies dans le System32. Une fois l’installation terminée, un dossier Galaad apparait également sur le bureau: il contient les raccourcis vers les différents modules.

Pour mettre à jour Galaad, rien de plus simple: il suffit de télécharger le patch au format compressé ZIP sur le site officiel et de l’extraire dans C:\Galaad en acceptant de remplacer les fichiers existants. On a beau dire, la simplicité à du bon !

Première utilisation

Connecter la Pulsebox NxTG sur le PC via le cordon USB fourni. Côté fraiseuse, j’ai dû utiliser un prolongateur Sub-D 25 (inclus) car le boitier de la Pulsebox est trop épais pour se loger dans la fente prévue pour la connectique de la StepCraft.

Les drivers devraient s’installer automatiquement:

Aucun driver particulier ne devrait être requis pour l’installation sur les versions de Windows récentes.

Démarrer ensuite le logiciel GALAAD (ignorer l’avertissement de sécurité de Windows…). Acquitter le popup informant des 30 jours de démo et ouvrir le menu Paramètres > Machine > Complets.

La fenêtre de configuration apparait.

Paramètres mécaniques

La première page permet de configurer les paramètres mécaniques de la machine.

Pour la StepCraft 420, voici la configuration à appliquer:

• Modèle: StepCraft ; 420 LPT (PulseBox)
• Type: 3 axes (ou 4 axes si équipée d’une tête d’impression 3D)
• Courses utiles:
  • X: 300 mm
  • Y: 420 mm
  • Z: 150 mm
• Pas des vis à billes:
  • X: 3 mm
  • Y: 3 mm
  • Z: 3 mm
•  Résolution des moteurs:
• • X: 400 pas/tour
  • Y: 400 pas/tour
  • Z: 400 pas/tour
• Axe supplémentaire (si équipée d’une tête d’impression 3D):
  • 4ème Axe: Axe E d’extrusion
  • Résolution: 200 pas/mm

Paramètres de commande numérique

La deuxième page concerne la commande numérique. A savoir la Pulsebox.

Pour utiliser la Pulsebox NxTG, voici ma configuration:

• Type: AxeMotion ; PulseBox NxtG
• Buffer mémoire locale cochée
• Interpol. 3D cochée
• Port: USB
• Baudrate: 115200
• Parité: Aucune
• Bits de donnée: 8
• Bits de stop: 1
• Contrôle de flux: Aucun
• Course de référence:
  • Position: Nord-Ouest
  • Séquence: ZYXAB
  • Avertir avant d’effectuer cochée

Paramètres avancés de la PulseBox NxtG

En cliquant sur le bouton Plus de la page de configuration de la commande numérique, après sélection du module de pilotage, une boite de configuration avancée apparait:

Il s’agit d’adapter la configuration de la PulseBox à la machine StepCraft.

Voici ma configuration:

• Fréquence Start/Stop: 200 Hz
• Accélération: 50 kHz/s
• Signal d’erreur ou arrêt sur l’entrée 2
• Pilotage manuel au JogPad cochée
• Utiliser les vecteurs à pente cochée
• Vitesse d’approche: 50 mm/s
• Dégagement hors contacts: 1 mm
• Affectation des signaux SUB-D25:
  • Ligne 1: Sortie N°1
  • Ligne 2: Direction X
  • Ligne 3: Impulsions X
  • Ligne 4: Direction Y
  • Ligne 5: Impulsions Y
  • Ligne 6: Direction Z
  • Ligne 7: Impulsions Z
  • Ligne 8: Direction A
  • Ligne 9: Impulsions A
  • Ligne 10: Entrée N°1
  • Ligne 11: Entrée N°2
  • Ligne 12: Entrée N°3
  • Ligne 13: Entrée N°4
  • Ligne 14: Sortie N°2
  • Ligne 15: Entée N°5
  • Ligne 16: Sortie N°3
  • Ligne 17: Sortie PWM
• Affectation des signaux broches 1 à 9:
  • Broche 2: Sortie N°4
  • Broche 3: Sortie N°5
  • Broche 4: Sortie N°6
  • Broche 5: Entrée N°6
  • Broche 6: Entrée N°7
  • Broche 7: Entrée N°8
  • Broche 8: Entrée N°9
  • Broche 9: Entée N°10

Paramètres de la broche

La troisième page concerne la broche d’usinage.

Il est possible de laisser les paramètres par défaut, à savoir Aucune Broche. En effet, la StepCraft n’est pas équipée pour piloter une broche. Dans mon cas, la broche Kress est munie d’un variateur réglable à la main et d’un interrupteur Marche/Arrêt manuel. J’envisage cependant de la piloter avec un contacteur en utilisant l’une des sorties DO de la Pulsebox. Dans ce cas, il faut configurer GALAAD pour utiliser une broche standard en lui donnant les sorties à activer pour la mise en route. Je donnerais plus de détails quand le relais sera installé et testé.

Paramètres de vitesse

La quatrième page concerne les vitesses atteignables par la fraiseuse. Si elles sont trop élevées, la machine ne fonctionnera pas correctement. Voici une configuration satisfaisante:

• Vitesse mini: 6mm/min
• Vitesse maxi: 3000 mm/min
• Multiplicateur: 1
• Course de référence: 600 mm/min
• Mouvement inactifs XY: 3000 mm/min
• Descentes inactives Z: 3000 mm/min
• Remontées Z: 3000 mm/min
• Descente sur capteur: 600 mm/min
• Descente du palpeur: 600 mm/min
• Pilotage manuel:
  • Valeurs par défaut:
    • XY: 600 mm/min
    • Z: 600 mm/min
  • Accélération progressive cochée
  • Répétition cochée

Paramètres avancés

Viennent ensuite les paramètres avancés:

Les facteurs d’échelle sont à 1.

Les axes de déplacement X, Y, Z et E sont respectivement associés aux Canaux 1, 2, 3, et 4. Petit bémol tout de même: la commande de l’axe 1 est inversée.

Les corrections de perpendicularité et de rattrapage des jeux sont à évaluer et renseigner par vos soins. Je n’ai pas encore pris le temps de les mesurer: les valeurs sont donc à 0.

Paramètres des Entrées/Sorties

Voici enfin le moment de configurer les E/S de la machine.

Pour une StepCraft de base, il suffit éventuellement de lui dire d’arrêter l’usinage si l’entrée correspondant à l’arrêt d’urgence est active. Dans mon cas, j’ai simplement configuré mon calibrateur de hauteur d’outil.

Premiers mouvements

Les premiers mouvements à réaliser sont une prise d’origine machine.

Pour ce faire, quitter GALAAD et lancer LANCELOT.

Annuler l’ouverture de fichier. Un popup apparait pour prévenir que la machine fait effectuer une course de référence. A ce moment, il convient de garder la main posée et prête à l’action sur le bouton d’arrêt d’urgence. Au cas où un contact de prise d’origine soit mal câblé ou défectueux, il serait dommage d’emmener un axe en butée. Peu de dommages sont à prévoir dans ce cas: les moteurs pas à pas vont « gripper » et sauter des pas. Le couple exercé n’est pas suffisant pour véritablement endommager la machine, mais le bruit n’a rien de plaisant…

Cliquer sur OK et observez votre fraiseuse qui se positionne au fond à gauche avec l’axe Z tout en haut.

Félicitation: votre StepCraft semble fonctionner et fonctionnelle !!!

Pour aller plus loin dans les tests, il est possible d’utiliser la palette de pilotage manuel:

Une croix directionnelle et deux sélecteurs haut/bas permettent de déplacer la broche. Les commandes sont également accessibles au clavier: flèches directionnelles pour XY et +/- du pavé numérique pour Z.

Il est également possible de tracer 4 formes de base en mode manuel, de gauche à droite sur l’IHM:

• Un perçage à une position X,Y et une profondeur Z
• Une ligne entre la position courante et une position cible X, Y à la profondeur et vitesse voulue
• Un rectangle entre la position courante et une position X, Y à la profondeur et vitesse voulue
• Un cercle autour de la position courante avec le rayon et la vitesse voulue.

Ces formes de base, associées à l’installation d’un bon stylo à bille sur la fraiseuse et l’utilisation d’une feuille de papier vont permettre en première approche de vérifier les paramètres de la machine.

Normalement, tous les modules de GALAAD interdisent les mouvements impossibles à la machine. Concrètement, il est impossible de taper les fins de courses en pilotage manuel (contrairement au mode Déblocage manuel accessible depuis le module GALAAD). Attention cependant pour les déplacements à proximité des extrémités: des parties de ma tête d’impression 3D sont entrées en collision avec les montants de la fraiseuse. Préférez du coup travailler au centre de la zone de travail: la rigidité de la StepCraft et la précision des moteurs l’autorisent sans aucun problème.

Je reviendrai plus longuement sur l’utilisation des différents modules de GALAAD au fil d’autres articles sur la CFAO.

A Bientôt pour de nouvelles aventures !

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Le kit Stepcraft contient l’intégralité des pièces mécaniques, de la visserie et de l’accastillage en tout genre.

Pour le montage, il vous faudra vous munir des outils suivants:

• Un jeu de clés allen (de 1.5mm à 5mm coudées)
• Un jeu de clés plates (de 5.5mm à 10mm)
• Une pince à bec
• Un canif
• Une paire de petits tournevis plats d’électricien
• Un rouleau de scotch d’électricien
• un tube de colle cyanoacrylate (Super Glu)
• Un peu d’huile
• Du temps libre

Le kit est fourni avec une notice de montage aussi détaillé que les notices de LEGO ! Ainsi équipé, le montage est réellement une partie de plaisir.

Pour plus de détails et d’informations, des clips vidéos explicatifs sont disponibles sur youtube.

Pour ne pas plagier la notice de montage, je vais plutôt mettre en valeur les points d’achoppement possible et toutes les erreurs que j’ai commises pour vous éviter de les imiter.

Tout d’abord, le montage ne pose pas de difficultés techniques majeures. Il suffit juste d’être attentionné et de suivre les étapes dans l’ordre:

1 – Le montage de la plaque de couplage des axes X et Z

Cette partie du montage commence par l’installation des deux capteurs de prise d’origine machine (la POM dans le jargon). Ils sont montés sur des entretoises, bien protégés au milieu de la plaque. La détection d’origine à lieu lorsqu’une glissière en aluminium entre en contact avec le bâtis de l’axe. La glissière transmet alors le mouvement vers le capteur. Penser juste à ne pas trop bloquer les vis qui maintiennent la glissière, bien que des rondelles soit présentes pour la laisser libre de ses mouvements.

Les capteurs sont câblés en série; il n’y a donc que deux fils à tirer. Ils sont logés dans des lumières taillées dans la masse de la plaque de couplage et maintenus en place par des plaques de plastique rigide autocollantes (visibles en blanc sur la photo). Une rotule en plastique permet de recevoir les deux gaines annelées qui guideront les câbles des capteurs et des moteurs.

La plaque de couplage reçoit les dispositifs de guidage pour les axes X et Z. Ils sont constitués de quatre galets en laiton montés chacun sur deux roulements à bille graissés à vie. Deux galets par axe son fixe, les deux autres sont montés dans des trous oblongs et munis d’une vis transversale de réglage. Cette vis permettra d’éliminer les jeux de guidage. Enfin, un écrou trapézoïdal par axe est monté au milieu de la plaque. Ils sont prévus pour recevoir les vis de 10mm chargées de transmettre les mouvements de rotation.

Cette phase de montage ne présente aucune difficultés. Il faudra simplement veiller à ne pas trop serrer les vis en prise dans les pièces en laiton. Ce dernier étant très tendre, un serrage trop intense détruira irrémédiablement le filet du filetage. Il faudra également essayer de « centrer » les écrous trapézoïdaux. Concrètement, il faut engager la vis à la main et vérifier à la louche que l’amplitude du jeux de cette dernière dans l’écrou soit réparti équitablement par rapport à l’axe de la plaque.

2 – Le montage de l’axe Z

La deuxième étape consiste à assembler l’axe Z de la machine. Elle commence par l’accouplement de la vis au moteur pas à pas. Une butée métallique doit être collée à la Super Glu sur le moteur. On veillera à ne se coller ni les doigts, ni l’axe du moteur. Un accouplement en laiton est bridé sur l’axe du moteur et sur la vis. Une goute d’huile ou de graisse sur la butée est nécessaire pour limiter les frottements: la butée va supporter tout le poids de l’axe Z… Les 4 fils du moteur pas à pas sont en vrac. Il sont à glisser dans une gaine annelée pour les protéger. Un morceau de scotch d’électricien fait parfaitement l’affaire pour aiguiller les fils dans la gaine. Le moteur est fixé par quatre vis sur une plaque elle-même vissée à l’une des extrémité du profilé de guidage. L’autre extrémité de l’axe est constitué de la plaque porte outil. La vis de transmission est montée sur roulement à bille au niveau de cette plaque. L’outil est prévu pour se monter dans un trou de 43mm fendu et serré par une vis.

Dans l’ordre, on glisse la plaque de couplage dans le profilé, on introduit la vis dans l’écrou et on approche au maximum la plaque de couplage du moteur. Ensuite, on serre les trois vis qui fixe le support moteur sur le profilé. On approche la plaque de couplage au plus près du porte outil, à l’autre extrémité de la vis, et on serre les trois vis de fixation dans le profilé. On s’assure ainsi du bon centrage du moteur et du porte outil. Sans cette précaution, la vis ne serait pas concentrique avec le profilé et l’axe pourrait méchamment gripper. Cette manipulation sera à mener pour chacune des vis de la fraiseuse.

Les deux vis montés sur deux des galets de la plaque de centrage permettent de supprimer les jeux.

3 – Le montage de l’axe X (la potence)

La potence supportant l’axe X est constituée de deux plaques d’aluminium massif et d’un profilé de guidage. La première étape est d’accoupler la vis au moteur. Le même principe que pour l’axe Z est employé.

Chaque montant de la potence est équipé de quatre galets de guidage et d’un écrou. En effet, l’axe Y sera muni de deux vis de transmission. Le réglage des galets de la potence et du centrage des écrou est à effectuer de manière préliminaire avant l’assemblage de l’axe Y. Une fois les réglage terminé, on peut insérer la plaque de couplage de l’axe Z dans le profilé et mettre la vis en place. Avant de serrer les montants de la potence sur le profiler, veiller à bien amener l’axe Z au plus proche du côté concerné, encore une fois afin de garantir un bon centrage de la vis de transmission. Enfin, il faut passer les câbles de l’axe Z dans une lumière le long d’un des montant. Ils sont maintenus en place par des plaques de plastique autocollant. Prenez garde en manipulant la potence, l’ensemble commence à peser un certain poids.

4 – Préparation de l’axe Y

L’axe Y représente le plus gros morceau de la machine: il en constitue la base. Avant de commencer son assemblage, il est nécessaire de réaliser quelques sous assemblages.

Le premier d’entre eux est le moteur de l’axe Y. Ce dernier est motorisé par un moteur pas à pas plus gros que les deux autres axes. Il est couplé sur les deux vis de transmission par une courroie crantée. Il faut donc commencer par monter la poulie crantée sur le moteur. Elle est bridée sur l’axes par une petite vis sans tête. Attention de ne pas la perdre !

Le deuxième sous ensemble est le troisième capteur de prise d’origine. Le switch est monté sur une équerre en aluminium à l’aide de deux vis.

Ensuite, il faut assembler les deux capots latéraux qui vont protéger les transmissions de l’axe Y. Ces capots sont constitués d’une longueur de profilé d’aluminium articulée autour de deux pionts en nylon montés à force dans deux rainures. Ils sont maintenus en position par deux billes montées sur ressort. Elles sont elles aussi montées à force dans deux rainures. Enfin, un joint plat en silicone est glissé dans une fente tout le long du profilé. Il empêchera les copeaux de se coincer dans la transmission.

5 – Assemblage de l’axe Y et de la base de la machine

La base de la machine est supportée par deux profilé de guidage. Ils sont maintenus à chaque extrémité par deux plaques d’aluminium massif. La plaque de derrière reçoit le capteur fin de course, le moteur pas à pas, le galet tendeur de courroie et la première partie du capot de dessous. Les deux profilés de guidage sont vissés sur cette plaque. On ne serrera pas les vis avant d’avoir mis les vis de transmission. Les deux profilés sont munis du même joint plat en silicone que les capots de protection.

Le fond de la machine se glisse dans deux rainures en bas des profilés afin de conférer à l’ensemble un début de rigidité.

La face avant reçoit elle le bouton d’arrêt d’urgence.

Vient maintenant la phase de l’assemblage final. On monte les deux profilés sur la plaque de derrière sans serrer les vis. On glisse la potence à sa place dans les deux rails de guidage de l’axe. On serre les quatre galets de guidage pour supprimer les jeux. On introduit les deux vis de transmission dans les écrous, sans les engager dans leur roulements à bille. Il faut contrôler le jeux des vis: en jouant avec cette dernière de haut en bas, l’écart par rapport à l’axe doit être réparti équitablement. Il est possible d’utiliser le roulement à bille comme point de repère. Ensuite, il est possible de monter les vis en position et de serrer le plaque de derrière, après avoir ramener la potence en butée sur la plaque de derrière.

La prochaine étape consiste à installer la transmission: une poulie crantée sur chaque vis, une courroie pour synchroniser le tout et un galet tendeur pour maintenir la courroie en place. Il est capital de s’assurer que les deux montant de la potence sont parfaitement alignés avant d’engager les crans de la courroie sur les poulies. Pour se faire, il est possible d’utiliser en guise de cale les pieds de la machine en plastique dur. Une fois la courroie bien en place, un capot en aluminium recouvre la transmission et la protège des chocs mécaniques.

On installe les deux capots de protection des vis en glissant les deux pions en nylon dans les trous idoines. On ajoute les deux butées à bille au bout des vis de transmission et on ajoute la face avant de la machine. Avant de serrer les vis, bien ramener la potence en butée sur la face avant.

La fraiseuse commence à ressembler à quelque chose. Plus que la dernière ligne droite: le câblage!

6 – Câblage des actionneurs et installation de la carte de commande

Il s’agit maintenant de ramener tous les câbles de la machine vers le logement prévus sous le fond du châssis. Ce logement accueil la carte de commande. Une face-arrière en plastique découpée selon les empreintes des différents connecteurs évite l’entrée de copeaux dans le logement de la carte. Cette dernière se monte sur six entretoises. Avant de monter la carte dans son emplacement, il faut lui brancher le module d’interface PC. Il en existe trois différents: port parallèle, liaison série RS232 ou USB. Il s’agit d’une petite carte électronique munie d’un connecteur à broches d’un coté et de la prise PC de l’autre. Dans mon cas, il s’agit d’un module pour port parallèle: le carte ne contient aucune électrique et se contente de router les signaux de commande vers un SUB-D 25. Chaque moteur pas à pas est prévu pour se brancher sur un bornier quatre broches à vis. Un bornier plus grand reçoit les capteurs de POM, l’arrêt d’urgence et le calibreur de hauteur d’outil (en option, mais indispensable). Un couvercle monté dans une rainure et fixé par deux vis vient refermer le logement de la carte de pilotage.

7 – Fignolage

Avant la première mise en route, il reste quelques détails à régler:

1. Installer les pieds autocollants sous les profilés de guidage
2. Glisser le plan de travail dans les rainures du châssis
3. Monter la plaque de fixation du plan de travail (prévu pour être facilement démontée)
4. Coller les stickers qui vont bien
5. préparer les deux barres de bridage pour tenir vos pièces
6. Graisser généreusement les parties en mouvement avec la graisse fournie

Vous voilà fin près à usiner !

Reste quand même à installer le logiciel, configurer la machine, dessiner des pièces, …

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Je cherchais depuis un certain temps une fraiseuse CNC capable d’usiner des matériaux tendres (bois, plastiques, laiton…), de graver des circuits imprimés à l’anglaise et, éventuellement, d’imprimer en 3D. Après avoir pas mal parcouru le web, je suis tombé sur le châssis StepCraft au détour d’un site web:

• Châssis en aluminium
• Guidage dans des profilés extrudés par des galets laiton
• Déplacement par 4 vis trapézoïdales (2 pour le déplacement de la potence et une pour les deux axes restant)
• Possibilité d’ajouter un extrudeur de plastique ou un 4ème axe pour faire du tournage
• Conception allemande (?)
• Tarif relativement abordable
• Distribué en France par IronWood

Je profite de cet article pour remercier le sérieux et l’efficacité de ces derniers.

J’ai donc opté pour un châssis de taille intermédiaire: la StepCraft 420. IronWood propose un pack châssis + Carte d’interpolation PulseBox NxTG + Galaad (licence Kay/Lancelot/Percival uniquement).

La carte d’interpolation évite d’avoir à utiliser le port parallèle d’un PC (qui doit donc fonctionner sous Windows Xp…) en se connectant en USB. Pour ma part, j’utilise un PC portable sous Windows 10 sans aucun problème de compatibilité. En outre, la Pulsebox NxTG décharge le PC du pilotage direct de la machine, ce qui accroit la régularité de l’usinage (Windows n’est définitivement pas un OS temps réel…) et la stabilité.

Enfin, la suite de FAO GALAAD, de conception française, propose différents modules adaptés à la majorité des conditions d’utilisation. La licence restreinte vendue avec la machine propose néanmoins un module d’usinage 3D nommé KAY (capable de gérer jusqu’à 5 axes), un module d’usinage 2D 1/2 nommé LANCELOT (très bien adapté à la gravure des circuits imprimés) et un module de réalisation de Circuit Imprimés nommé Percival. Ce dernier est plus un logiciel de post traitement qui permet de gérer les parcourt d’outils, la réalisation de circuits double face, etc …

L’ensemble Pulsebox/GALAAD est plug’n’play. J’ai été surpris de la simplicité et de la rapidité d’installation des outils logiciels. Moins de 30 minutes après la fin de l’assemblage, je pilotais ma fraiseuse!

A l’instar d’IronWood, Galaad dispose d’un support technique réactif et pertinent.

Phase 0 – Réception

Le châssis de la fraiseuse est livrée dans un colis soigneusement emballé, avec une quantité de chips en polystyrène assez impressionnante. Le carton pèse pas moins de 15 kg!

On y trouve:

• 4 profilés d’aluminium extrudé en 3 longueurs différentes (2 pour Y, 1 pour X et 1 pour Z)
• Deux flasques avant et arrière en aluminium massif de 10mm pré-percé
• Deux montants de la potence également en aluminium massif de 10mm
• Une plaque de couplage X/Z également en aluminium massif de 10mm
• Le support de broche également en aluminium massif de 10mm
• 4 vis trapézoïdale et 4 écrous laiton
• Une transmission poulies/courroie pour synchroniser les deux vis de l’axe Y
• Un lot de 16 galets de guidage en laiton (chacun comprenant le galet, deux roulements à billes et un axe)
• 3 moteurs pas à pas Nanotec (deux puissances différentes)
• L’électronique de pilotage
• Des capots pour protéger les parties sensibles (électronique et transmissions)
• Un plan de travail en MDF
• Deux brides à vis pour tenir les pièces pendant l’usinage
• Une alimentation à découpage 30Vdc/90W
• De la quincaillerie en tout gendre (vis, rondelles, …)

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