Réalisation d'une machine CNC pour les circuits imprimés

Université Abdelmalek Essaadi Faculté des Sciences et Technique de Tanger Département Génie Electrique

Réalisation d’une machine à 3 axes pour les circuits imprimés

M3A Ce travail est réalisé par le binôme Anass DOUKANI & Mohssine MOUMNI, encadrée par le professeur Salaheddine HAMDOUNE.

Dernière Mise-à-jour le 12 juin 2016

Réalisation d’une Machine à 3 Axes pour les circuits imprimés

Réalisation d’une machine à 3 axes pour les circuits imprimés

M3A

Ce travail est réalisé par le binôme Anass DOUKANI & Mohssine MOUMNI, encadrée par le professeur Salaheddine HAMDOUNE.

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Mémoire de Projet de Fin d’Etude

Sommaire

Notation ...................................................................................................................................................................4 Introduction ............................................................................................................................................................5 1. Partie 1 : la partie mécanique de la machine ............................................................................................... 6 1.1. La machine à trois axes pour les circuits imprimés .......................................................................................6 1.1.1. Définition ..............................................................................................................................................6 1.1.2. Réalisation des circuits imprimés .........................................................................................................6 1.2. Conception de la machine ............................................................................................................................6 1.3. Désigne de la machine .................................................................................................................................7 1.4. Dimensions de la machine ...........................................................................................................................7 1.5. Fabrication et montage de la machine ........................................................................................................8 1.5.1. Construction de la machine ..................................................................................................................8 1.5.2. Assemblage de la machine ...................................................................................................................9 1.6. Détection des erreurs ................................................................................................................................11 1.6.1. Amélioration de la machine ...............................................................................................................11 1.6.2. L’essaie de parallélisme ......................................................................................................................11 1.6.3. L’essaie de frottement ........................................................................................................................11 2. Partie 2 : la partie électrique de la machine .....................................................................................................12 2.1. Fonctionnement d’un moteur pas à pas bipolaire ......................................................................................12 2.1.1. Définition .............................................................................................................................................12 2.1.2. Représentation schématique d’un moteur Bipolaire .........................................................................12 2.1.3. Les différentes commandes d’un moteur Bipolaire ...........................................................................12 2.1.4. Mode monophasé ...............................................................................................................................14 2.1.5. Mode Full steppe ................................................................................................................................14 2.1.6. Mode Half steppe ...............................................................................................................................14 2.2. Fonctionnement du Pololu A4988 ..............................................................................................................14 2.2.1. Définition ............................................................................................................................................14 2.2.2. Représentation schématique des broches du A4988 .........................................................................14 2.3. Fonctionnement du Arduino UNO .............................................................................................................15 2.3.1. Définition ............................................................................................................................................15 2.3.2. Représentation schématique des ports du Arduino UNO .................................................................15 2.4. Les circuits électroniques utilisés dans la machine ....................................................................................16 2.5. Configuration du µC pour supporter le G-code .........................................................................................16 2.5.1. Définition du G-code ..........................................................................................................................16

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2.5.2. La configuration du µC .......................................................................................................................17 2.6. Câblage de la machine ...............................................................................................................................17 2.6.1. Fils électriques ....................................................................................................................................17 2.6.2. Assemblage des fils électriques ..........................................................................................................17 2.6.3. La résistance maximale des fils ..........................................................................................................17 2.7. Puissance électrique ..................................................................................................................................18 2.7.1. Puissance électrique maximale ..........................................................................................................18 2.7.2. Perte par échauffement maximale .....................................................................................................18 2.7.3. Puissance totale maximale .................................................................................................................18 3. Partie 3 : La partie de la commande de la machine .........................................................................................19 3.1. Processus de la réalisation d’un circuit imprimé .......................................................................................19 3.2. Description du processus de la fabrication assisté par ordinateur FAO ....................................................19 3.3. EAGLE CAD .................................................................................................................................................19 3.3.1. Définition ............................................................................................................................................19 3.3.2. Description de la réalisation d’un circuit dans EAGLE CAD ................................................................20 3.4. Universal G-Code Sender UGCS .................................................................................................................22 3.4.1. Définition ............................................................................................................................................22 3.4.2. Configuration des échelles dans UGCS ..............................................................................................22 3.4.3. Description de l’envoie du G-Code ....................................................................................................23 Conclusion .............................................................................................................................................................24 Références .............................................................................................................................................................25 Design de la machine ............................................................................................................................................26 Annexe A ...............................................................................................................................................................27 Annexe B ...............................................................................................................................................................28 Annexe C ...............................................................................................................................................................30 Annexe D ...............................................................................................................................................................33 Annexe E ...............................................................................................................................................................37

…

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Notation Symboles utilisés dans le document (A1)

voir le paragraphe A1 dans l’Annexe A

(B2)

voir le paragraphe B2 dans l’Annexe B

(C3)

voir le paragraphe C3 dans l’Annexe C

Ombre bleu représente une note ou une définition : Tiges de guidage* Tiges de guidage (A4) : ce sont des barres rondes lisse en acier trempé chromé permet d’assurer le guidage en translation dans un seul axe.

Ombre verte représente une application numérique : Pmax4=172.8 mW Ombre rouge représente une rubrique ou icône : Run ULP [1]

Une référence dans la bibliographie

4 M3A


Introduction

L’objectif de ce projet est de réaliser une machine à commande numérique par un calculateur CNC capable de fabriqué les cartes électroniques. L’objectif de ce document est de présenter les principales étapes de la réalisation de la machine M3A. Nous avons divisé ce document sur trois parties, une partie mécanique qui décrit le cadre de la conception et la réalisation mécanique de la machine, une partie électrique qui décrit l’étude des circuits utilisés et dernièrement une partie qui détaille la façon de communication avec le système. Chaque partie décrit par un résumer de leur contenue. Chaque élément utilisé est décrit par une description, référence, prix …etc. Nous avons utilisé seulement les logiciels de synthèse. Dans tous les parties du projet, on a fait la meilleure conception et le désigne, moins cher, pratique et plus efficace possible. L’idée la plus essentiel dans ce projet est de faire le maximum pour chercher les pièces déjà utilisée ailleurs qui sont sous un bon état et les pièces périmé qui sont retraité de son fonctionnement et qui sont sous un état peut servir et occupé une fonction dans le projet. On exerce le recyclage en même temps cela coute moins cher.

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Partie 1

La première partie du rapport concerne la partie mécanique de la machine et détaille le cadre de l’étude, les problématiques du sujet et leurs solutions, ainsi que toutes les étapes essentielles de fabrication des éléments de la machine et les causes du choix du design définitif. 1. La machine à trois axes pour les circuits imprimés 1.1. Définition C’est une machine qui se déplace sur trois axes, fait toutes les translations possibles dans l’espace, avec une forme adaptée pour usiner les plaques électroniques. 1.2. Réalisation des circuits imprimé Les plaques électroniques imprimés contiennent une couche fine du métal conducteur utilisé dans l’électronique (le cuivre par exemple), l’outil de la machine usine la partie à débarrasser, perce les places des composantes électroniques (résistance par exemple) et coupe le design désirable.

Le PCB Brut

Le système ou la machine d’usinage

La carte électronique prête

Figure1.1. Du produit brut au produit usiné

2. Conception de la machine La machine à trois axes translate dans l’espace (Tx, Ty, Tz) selon les coordonnées cartésiennes (x, y, z) Figure1.2. La translation dans chaque axe est occupée par un moteur pas à pas et le système vis/écrou.

X Y Z

Translation   

Rotation

3 Translations

0 Rotations

Figure1.2. Coordonnée cartésienne et degré de liberté du système

6 M3A


3. Design de la machine Selon la conception choisie précédemment (§2), nous avons proposé deux designs différents Figure1.3.

Figure1.3(a). Le 1er désigne

Figure1.3(b). Le 2nd désigne

Désigne 1 ⨳Une surface de travaille 215×305mm² ⨳Deux moteurs pour l’axe y ⨳Deux tiges filetées pour l’axe y ⨳Deux blocs de guidage pour les tiges filetées de l’axe y ⨳8 alésages pour fixer les vis et tiges de l’axe y

Désigne 2 ⨳Une surface de travaille 235×305mm² ⨳Un moteur pour chaque axe ⨳Une tige filetée pour chaque axe ⨳Il y’a des blocs qui support le roulement linéaire de l’axe y ⨳6 alésages pour fixer la vis et les tiges de l’axe y

Tableau1.1. Comparaison entre les deux désignes

Le premier design a besoin de beaucoup plus de pièces que le second : 1 moteur pas à pas, 1 tige filetée, 2 blocs de guidages, 2 alésages ce qui coûte 405 DH. Tableau 1.2. Libellé Stepper Motors Tige fileté Bloc de guidage Alésage Totale

Prix (DH) 20 85 100 50 405

Qte 1 1 2 2

Prix×Qte 20 85 200 100

Tableau1.2. Prix de la différence entre les deux designs

Nous avons choisi le design 2 car il est plus pratique et a une grande surface de travail effectif.

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4.Dimensions de la machine Pour choisir les dimensions d’une machine qui fabrique les cartes électroniques, il suffit de choisir un course horizontale (x, y) de surface de travail effectif presque égale au format A4, avec un déplacement vertical assez petit (millimétrique) pour désigner et percer les positions des composantes électroniques. Ce déplacement peut être assez petit car l’épaisseur des cartes électronique les plus utilisées est inférieure à 2mm. Dans la fabrication de la série, ce format ne peut pas répondre. Pour cela, nous avons choisi une course des axes de mouvement horizontale (x, y) assez importante et une course verticale suffisante. Tableau1.3.

Travail effectif des trois axes de la machine [mm] Dimension du format A4 [mm]

X 235 210

Y 305 297

Z 95

Tableau1.3. La longueur de travail effectif des trois axes de la machine avec le format A4

5. Fabrication de la machine 5.1. Construction de la machine Pour construire la machine, nous avons commencé par la construction du châssis avec une corner de Fer (A3), puis fixé les caches du châssis de polymère (A6) avec les VIS FPH 4 (C22-2) Figure1 .4(a). Comme deuxième tâche, nous avons coupé la tôle (A1) selon les dimensions désirées, et fabriqué les deux rainures comme indiquée dans le design 2. Après nous avons fabriqué les supports des tiges de guidage* (A4) et les 8 supports (A7) dans l’atelier de fabrication privé (B2) Figure1.4(b). En fin, nous avons dimensionné et fabriqué manuellement les bras de la machine (A2) qui lie l’axe y avec l’axe x Figure1.4(c). Tiges de guidage (A4) : ce sont des barres rondes lisses en acier trempé chromé permettant d’assurer le guidage en translation dans un seul axe. [1]

Le scie

Corner

Le bras

Polymère

Les bras fabriqués (a) Châssis de la machine avec

(b) Un aperçu dans l’atelier lors

leur cache de polymère

de la fabrication des supports

(c) Un aperçu lors de la fabrication manuelle du bras

Figure1.4.

Dans l’atelier de fabrication (B2), nous avons dimensionné et fabriqué les tiges filetées* (A8). 8 M3A


Tige fileté (A8) : barre a une section ronde dans leur surface latérale un balayage d’une forme triangulaire le long d’une hélice ou bien un filetage tout simplement. La tige filetée est un composant élémentaire d’un système vis/écrou (la tige filetée joue le rôle de la vis). [2] Après la fabrication de tiges filetées, nous avons, bien sûr, besoin des écrous* (A28) pour compléter le système vis/noix*. Nous avons proposé, au départ, des écrous en bronze, mais s’était trop cher. Pour surmonter ce problème nous avons fabriqué les écrous en polymère (A28) manuellement à l’aide des outils à tarauder (C24). Ecrou (A28) : est un composant du système vis/écrou destiné à l’assemblage de pièces ou à la transformation de mouvement. [2] Le système vis-noix : parfois appelé vis-écrou, est un mécanisme d’entrainement en translation. Lorsque la vis tourne, la noix est entrainée en translation. [1] Après les alésages des 8 supports (A7) pour les tiges (A4), nous avons réalisé 4 trous dans chacun des 4 supports taraudés et dans les 4 autres 2 trous taraudés pour chacune manuellement à l’aide d’une visseuse Figure1.5(a) et des outils à tarauder Figure1.5(b), ce qui fait 24 trous taraudés en totale.

(a) La visseuse utilisée dans

la fabrication

(b) Les outils à tarauder

(c) Un aperçu lors du

utilisés

taraudage

Figure1.5.

5.2. Assemblage de la machine Après la réalisation du design sur les bras (A7), nous avons réalisé des trous alésés, et nous avons assemblé toutes ces pièces fabriquées précédemment en ajoutant les tiges de guidage (A4), les tiges filetées (A8), l’axe z (A26), les roulements à billes* (A9), les roulements linéaires* (A10) et les vis (C22), et nous avons monté les tiges filetées avec les écrous (A28) à l’aide des vis (C22-1 & C22-2). Roulement à billes (A9) : est un organe qui assure une liaison mobile entre deux éléments d'un mécanisme roulant l'un sur l'autre. Il permet d'assurer la rotation des tiges filetées. [2]

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Roulement linéaire (A10) : appelé également coussinet à billes, qui permet le guidage sur arbre, elle est constituée d’une cage polymérique avec des segments de pistes en acier dur. Ce composant mécanique assure un mouvement à faible frottement. [2] Dans chaque extrémité d’une tige filetée, nous avons fixé une poulie à l’aide des vis de pression (les vis de pression sont intégrées dans la poulie). La dernière étape dans la partie mécanique, est la fixation des moteurs pas à pas. Nous avons commencé par fixer dans les axes y et z les moteurs pas à pas (A13) et les courroies* (A5) dans les poulies (A14) (selon le principe de transmission de puissance par poulie et courroie) à l’aide des vis (C22-1 & C22-2) et les vis de pression Figure1.6(a). Courroie (A5) : permet la transmission de puissance entre deux arbres éloignés, avec modification du couple transmis et de la vitesse. [1] Nous avons fixé le moteur pas à pas de l’axe x à l’aide d’un accouplement* par un tube de caoutchouc(A27) Figure1.6(b). Accouplement (A27) : assure la liaison mécanique entre un arbre moteur et un arbre récepteur. [2] Après nous avons passé à la fixation des capteurs de fin course* (A17) à l’aide des petites parties du polymère (A6) Figure1.6(c), chaque axe a deux capteurs de fin course. Capteur de fin course (A17) : un capteur de position mécanique, il établit un circuit électrique lorsqu’il est actionné par un chariot. [1]

Moteurs pas à pas Courroie L’axe x

Poulie

Accouplement Capteur fin course

(a) Transmission avec une courroie

(b) Accouplement avec caoutchouc (c) Capteur fin de course de l’axe x

Figure1.6.

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Nous avons modifié le moteur d’usinage qu’on a récupéré (A26). On a fabriqué un support souple de masse réduite (C19) pour relaxer un peu le moteur pas à pas de l’axe z, car ce moteur va assurer des translations verticales (translations durs). Comme modification, nous avons éliminé des parties supplémentaires pour réduire le poids. Nous avons ajouté des roulements linéaires (A10) pour guidé le chariot z dans l’axe x et des roulements à billes (A9) pour fixer la tige filetée (A8) dans le chariot. Nous avons ajouté des supports pour fixer l’écrou de plastique. Et dernièrement on a ajouté le moteur de broche. Figure1.7. Tige de guidage

Roulement à bille Tige filetée Bras

Z

Z Moteur de broche

Accouplement

Moteurs pas à pas Mandrine

Avant

Après

Figure1.7. L’axe z avant et après la modification

6. Détection des erreurs Dans cette partie nous avons contrôlé la qualité des mouvements et l’assemblage pour détecter les problèmes et les régler sur le champ. 6.1. Amélioration de la machine Nous avons fait la détection des erreurs à l’aide de deux méthodes d’essais qui sont : l’essaie de parallélisme et l’essaie de frottement. 6.2. L’essaie de parallélisme L’essai de parallélisme détecte les tiges qui ne sont pas parallèles. On cherche à améliorer leur parallélisme en modifiant leur emplacement (fabriquer des rainures à la place des trous). 6.3. L’essaie de frottement L’essai de frottement ce fait on libérant le chariot de la tige filetée (A8) on dévissant l’écrou (A28). S’il n’y a pas de frottement le chariot glisse avec une grande vitesse. Si non, il faut modifier l’emplacement des tiges on utilisant la même technique de parallélisme.

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Partie 2

C’est la partie électrique, le câblage la programmation, les problématiques du sujet dans chaque étape et les techniques de leurs résolutions, ainsi que toutes les étapes essentielles (prototypages et réalisation des circuits) et les causes du choix de chaque élément utilisé. 1.Fonctionnement d’un moteur pas à pas Bipolaire : 1.1. Définition : Un moteur pas à pas permet de transformer une impulsion électrique en mouvement angulaire. Il permet d’obtenir une précision extraordinaire grâce à leurs conceptions. Il existe plusieurs types de moteurs pas à pas. Nous avons étudié et utilisé seulement les moteurs de type bipolaire. [3] 1.2. Représentation schématique d’un moteur Bipolaire :

Figure2.1. Représentation schématique simplifier d’un moteur pas à pas Bipolaire

Ce moteur peut alimenter sous trois séquences différentes : Mode monophasé, Mode Full-Steppe (biphasé) et le Mode Half-Steppe (demi-pas).

1.3. Les différentes commandes d’un moteur Bipolaire : Le Tableau2.1. Présente les différentes commandes pour chaque mode.

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1a 1

Monophasé 1b 2a 0 -

2b -

1a 1

Full-Steppe 1b 2a 0 1

2b 0

-

-

1

0

0

1

1

0

0

1

-

-

0

1

0

1

-

-

0

1

1

0

0

1

1 : Représente l’état haut

0 : Représente l’état bas

1a 1 1 0 0 0 1

Half-Steppe 1b 2a 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0

2b 0 0 0 1 1 1

- : Représente circuit ouvert

Tableau2.1. Les différentes commandes pour les trois modes

Pour l’étude des trois modes, nous avons réalisé le circuit de la Figure2.2. : un moteur pas à pas, Arduino UNO, le circuit intégrer L293D et une source qui fournit 12V.

Moteur pas à pas bipolaire

Arduino UNO

Circuit intégrer L293D Alimentation 12V

Figure2.2. Le circuit d’essaie

1.4. Mode monophasé : Dans le mode monophasé, le couple n’est pas important puisqu’un seul enroulement est alimenté pour effectuer un pas. Voir Code Arduino1 dans l’Annexe D.

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1.5. Mode Full-Steppe (biphasé) : C’est dans le mode biphasé que le moteur développera la plus grande puissance (couple élevé) car les deux phases seront alimentées en même temps. Voir Code Arduino2 dans l’Annexe D. 1.6. Mode Half-Steppe (demi pas) : Ce mode permet de doubler le nombre de pas qu’un moteur peut effectuer par tour, mais cette précision supplémentaire engendre un couple irrégulier. En effet dans ce mode, la commande du moteur est un mélange des modes Full-Steppe (biphasé) et monophasé. Dans ce cas si la charge est importante des pas risquent de sauter, ce qui n’est pas le but recherché. Voir Code Arduino3 dans l’Annexe D.

2. Fonctionnement du Pololu Stepper Motors Driver A4988 : 2.1. Définition : Le A4988 est un circuit électronique permettant de contrôler un moteur pas à pas avec différents modes. Son interface de puissance est assurée par des pentes en H réalisé par des MosFets N-channel. [4] 2.2. Représentation schématique des broches du A4988 :

Stepper Motors

Figure2.3. Circuit de contrôle d’un moteur à l’aide du A4988 et µC

Les broches VDD et GND avec une tension (3 - 5.5 V) et les broches VMOT et GND avec une tension (8 – 35 V). Le A4988 fonctionne sous cinq modes selon les états (LOW or HIGH) des broches MS1, MS2 et MS3 Tableau2.2. Et par défaut il utilise le mode full-step s’il n’a aucun mode sélectionné.

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MS1 L H L H H

MS2 L L H H H

MS3 L L L L H L : LOW

Le Mode Sélectionné Full Step Half Step Quarter Step Eighth Step Sixteenth Step H : HIGH

Tableau2.2. Les différentes modes de fonctionnement du A4988

3. Fonctionnement de la carte Arduino UNO : 3.1. Définition : Le UNO est une carte microcontrôleur basée sur le ATmega328P. Ce microcontrôleur peut être programmé pour analyser et produire des signaux électriques, de manière à effectuer des tâches très diverses comme la domotique (le contrôle des appareils domestiques - éclairage, chauffage…), le pilotage d'un robot, de l'informatique Embarquée. [5] 3.2. Représentation schématique des broches de la carte Arduino UNO : Dans notre cas nous avons utilisé le UNO pour contrôler la machine à trois axes, donc selon le schéma nous avons défini les 13 broches utilisés Figure2.4. & Tableau2.3. :

Figure2.4. Les broches de la carte UNO Broche2 Broche3 Broche4 Broche5 Broche6 Broche7 Broche8 Broche9 Broche10 Broche11 Broche12 5V GND

Step pulse x axis ; branché avec la pin STEP du A4988 de l’axe x Step pulse y axis ; Branché avec la pin STEP du A4988 de l’axe y Step pulse z axis ; Branché avec la pin STEP du A4988 de l’axe z Direction x axis ; Branché avec la pin DIR du A4988 de l’axe x Direction y axis ; Branché avec la pin DIR du A4988 de l’axe y Direction z axis ; Branché avec la pin DIR du A4988 de l’axe z Stepper enable/disable ; Branché avec la pin NOT ENABLE du A4988 des 3 axes Limit x axis ; Branché avec les 2 capteurs fin course de l’axe x Limit y axis ; Branché avec les 2 capteurs fin course de l’axe y Limit z axis ; Branché avec les 2 capteurs fin course de l’axe z Spindle enable ; Brancher le moteur de broche Alimentation ; branché avec la pin VDD du A4988 Ground ; branché avec la pin GND du A4988

Tableau2.3. Définition des broches utilisés dans le contrôle des moteurs

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4. Les circuits électroniques utilisés dans la machine : Selon la conception de la machine qui contient 3 moteurs pas à pas, on doit utiliser 3 stepper Motors, drivers A4988, Arduino UNO et 6 capteurs fin de course : Figure2.5.

Moteur pas à pas bipolaire

A4988 Capteur fin de course

Alimentation 12V

Alimentation 12V

Relais

Arduino UNO Bouton Reset

Moteur de broche

Redresseur

Figure2.5. Le montage des moteurs de la machine CNC

5. Configuration du µC pour supporter le G-code : 5.1. Définition du G-code : Un langage destiné aux machines à commande numérique par calculateur CNC. Ce langage est disponible sous plusieurs variantes, mais c'est la norme RS-274D qui est la plus utilisée. Dans le langage G-code, les commandes sont définies dans des lignes (ou blocs). Chaque ligne décrit une action précise que la machine doit réaliser, par exemple : se déplacer au point de coordonnées cartésiennes, tracer une ligne ou un arc de rayon R, …etc. [6] 5.2. La configuration du µC : Pour configurer le µC de la carte Arduino UNO pour supporter le G-code il faut suivre ces instructions :

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 Premièrement il faut télécharger le fichier Grbl* de l’extension .hex ‘grbl_v0_9a_edge_328p_16mhz_9600_build20121210.hex ’ d’après le site web : (https://github.com/grbl/grbl/downloads)

 Ensuite, télécharger le mini logiciel XLAODER, voici le lien : (http://xloader.russemotto.com/XLoader.zip)

 Maintenant il faut utiliser le mini logiciel XLAODER pour graver le fichier .hex dans le microcontrôleur de la carte Arduino UNO. Pour contrôlé les moteurs, on va utiliser le logiciel de synthèse Unversal G-Code Sender (https://github.com/winder/Universal-G-Code-Sender), qui permet de communiquer avec la carte Arduino. Grbl* : est un, open source, contrôleur CNC de fraisage libre de haute performance écrit en C optimisé qui fonctionnera sur les microcontrôleurs en générale. [7] 6. Câblage de la machine : 6.1. Fils électriques : Dans la réalisation du circuit de contrôle, nous avons utilisé des fils électriques*(A29) de cuivre de section 1.5mm². Fils électrique (A29): est le composant électro technique servant au transport de l’électricité, Il est constitué d'un matériau conducteur, souvent entouré d'une enveloppe isolante. [1] Ce constat est a priori vrai sur les courtes distances, mais dès que la longueur devient importante, les pertes par effet Joule (échauffement) n’est pas négligeable surtout pour des fortes intensités. 6.2. Assemblage des fils électriques : Nous avons utilisé la gaine tressée*(A30) en polyester pour rassembler tous les fils électriques de la machine. Gaine tressée (A30) : permet de rassembler plusieurs fils ou câbles. Leur fort facteur d'extensibilité permet le passage des connecteurs. [1] Pour protéger le câblage électrique du moteur d’usinage, nous avons utilisé la gaine électrique ICTA*(A31), afin qu’aucun contact accidentel ne soit possible. Gaine électrique ICTA (A31) : Un système de conduit isolant et souple. Cette gamme de gaines possède la particularité d'être très résistante, notamment à la chaleur, à l'écrasement et aux chocs. 6.3. La résistance maximale des fils : On va utiliser la formule suivante pour calculé la résistance maximale : Rmax = 𝝆.Lmax/s \ R : Résistance[Ω] 𝝆: Résistivité [Ω.m] L : Longueur fil [m] s : section fil [m²] Les dimensions utilisées sont : Lmax = 900mm, s = 1.5mm², 𝝆cu = 18µΩ.mm donc Rmax = 10.8 mΩ Cette résistance n’est pas influente, car elle est négligeable.

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7. Puissance électrique : 7.1. Puissance électrique maximale : Nous avons utilisé 3 moteurs pas à pas différents, donc on va calculer la puissance maximale pour majoré la puissance totale consommé par les trois moteurs. On va utiliser la formule suivante pour calculer la puissance : P = V.I \ P : Puissance[W] V : Voltage[V] I : Intensité[A] Pour chaque moteur pas à pas, on a : V = 12V, Imax = 1.31A donc Pmax1 = 15.72 W Pour le moteur de broche, on a : V = 220V, Imax = 0.76A donc Pmax2 = 167.2 W 7.2. Perte par échauffement maximale : Lorsque la longueur du fil électrique augmente, la résistance augmente (R = 𝝆.L/s) et pour une intensité I donnée, les pertes par échauffement maximale (Pmax = Rmax.I²max) augmente et si la chaleur dégagée est trop importante, le fil peut fondre. Pour chaque moteur pas à pas, on a : Rmax = 10.8 mΩ, Imax = 1.31 A donc Pmax3 = 18.53 mW Pour le moteur de broche, on a : Rmax = 10.8 mΩ, Imax = 0.76A donc Pmax4 = 6.24 mW 7.3. Puissance total maximale : La puissance total consomer par le système est : Ptotal = 3×Pmax1+Pmax2+3×Pmax3+Pmax4

⇒

Ptotal = 214.422 W

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Partie Réalisation d’une3 Machine à 3 Axes pour les circuits imprimés C’est la partie de commande, configuration des programmes et logiciels utilisés, ainsi que toutes les étapes suites pour réaliser un circuit imprimé usiné. 1. Processus de le réalisation d’un circuit imprimé :

Circuit électronique -Observation expérimentale -Modèle conceptuel

Fabrication

Modèle graphique -Mise en esquisse : Troue, traits, …

Analyse graphique -Bien posé -Bien dessiné -Bien conditionné

Calcul et Contrôle

Programmation Langage G-Code

Produit Fabriqué -Visualisation -Analyse de résultat

La tâche à réaliser dans cette partie

2. Description du processus de fabrication assisté par ordinateur : Dans cette partie, nous utiliserons deux logiciels, sont :  Eagle CAD  Universal G Code Sender Le 1er logiciel utilisé pour dessiner les circuits et convertir le dessin sous format G-Code, le 2nd logiciel envoie le G-Code vers les contrôleurs.

3. Eagle CAD : 3.1. Définition : Eagle (Easily Applicable Graphical Layout Editor) est un logiciel de CAO des circuits imprimés. Il contient un éditeur des schémas, un logiciel de routage de circuit imprimé avec une fonction d'auto routage, et un éditeur de bibliothèques. Le logiciel est fourni avec une série de bibliothèques de composants de base. C'est un logiciel multiplateforme. [8]

19 ∎2016


3.2. Description de la réalisation du circuit dans Eagle CAD : Etape1 : Ouvrir l’application Eagle CAD et créer un nouveau projet (dans notre cas est nommé pcb_test). Etape2 : ajouter une nouvelle source de module Schematic, après il faut réaliser le circuit.

Etape3 : Cliquer sur l’icône Generate/switch to board, puis il faut réorganiser les composantes électroniques (crée dans Etape2) et tracer les trajets du circuit.

20 M3A


Etape4 : Cliquer sur l’icône Run ULP (Le plateforme pcb-gcode-setup.ulp), puis il faut configurer les paramètres de position, les dimensions des outils utilisés etc…

Remarque : après la réalisation des étapes précédentes, il faut cliquer sur l’icône Accept pour générer les deux fichiers en G-Code.

21 ∎2016


4. Universal G-Code Sender UGCS : 4.1. Définition : Le Universal G-Code Sender est un logiciel de synthèse, distribué comme un paquet qui envoie le GCode créé par un ordinateur, vers les contrôleurs des moteurs à travers un µC qui exécute le G-Code (Arduino).

4.2. Configuration des échelles dans UGCS : Selon le principe de transmission de mouvement*, nous avons configurer les échelles des axes dans UGCS. Transmission de mouvement* : Est un dispositif mécanique permettant de transmettre un mouvement d’une pièce à une autre. Cet élément de la chaine d’énergie a pour fonction l’adaptation du couple et de la vitesse entre l’organe moteur et l’organe entrainé. [9] D’après le nombre des dents de la poulie motrice et la poulie réceptrice, on peut configurer les échelles on utilise l’équation suivante : 200 pas/tr →

𝑵₁ ×1.5 𝑵₂

𝒎𝒎 telle que N1et N2 représentent respectivement le nombre des dents de la

poulie motrice et réceptrice*. Poulie motrice et réceptrice* : La poulie réceptrice est entrainée en rotation par l’intermédiaire d’une courroie. Cette dernière est entrainée par une poulie motrice. Figure3. [9] Pour l’axe x on a utilisé un accouplement direct donc

200 pas/tr → 1.5 𝒎𝒎

Pour l’axe y : N1=20 ; N2=12

donc

200 pas/tr → 2.5 𝒎𝒎

Pour l’axe z : N1=20 ; N2=12

donc

200 pas/tr → 2.5 𝒎𝒎

Moteur électrique Poulie Motrice

Courroie Poulie réceptrice

Figure3.1. Schéma cinématique de la transmission de mouvement par poulie et courroie

22 M3A


4.3. Description de l’envoie du G-Code : Etape1 : Pour simuler le fichier en G-Code sur la carte Arduino UNO, il faut d’abord Connecter la carte Arduino UNO avec l’ordinateur. Etape2 : Ouvrir l’application UGCS et cliquer sur actualiser, après sélectionner le port souhaité. Etape3 : sélectionner la rubrique Mode Fichier, après nous ajoutons le fichier d’extension .TAP (spéciale pour les gravures .etch) nommé précédemment pcb_test. etch, puis cliquer sur les icônes envoie pour lancer la fabrication et sur visualiser pour observer la simulation. Remarque : une fois la fabrication de la première tâche termine, on peut ajouter le fichier .TAP (spécial pour les trous .drill) nommé précédemment pcb_test.drill, après il faut suivre les mêmes étapes mentionnées précédemment.

23 ∎2016


Conclusion

Notre projet de fin d’étude au sein de la faculté des sciences et techniques de Tanger, avait comme objectif de réaliser la machine à trois axes pour les circuits imprimés M3A. Premièrement, nous avons réalisé la partie mécanique de la machine et après recevoir les composants de commande, nous avons réalisé le circuit de contrôle, ainsi réaliser les premiers essais pour configurer les contrôleurs. Notre prochain but, c’est de réaliser un robot qui peut souder les composantes électroniques dans les plaquettes électroniques.

24 M3A


References [1] https://fr.wikipedia.org/wiki. Consulter le 16 Mai 2016. [2] C, Hazard (2002). MEMOTECH : Dessin technique Norme CAO. Paris : CASTEILLA, 457p. [3] Ptrice, Oguic (2004). Moteur pas à pas et PC (2nd édition). Paris : ETSF, 170p. https://www.genie-electromecanique.com

[4] https://www.pololu.com/product/1182. Consulter le 02 Mai 2016. [5] https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction. Consulter le 18 Mai 2016. [6] https://www.cnccookbook.com/img/CONCCookbook/eBooks. Consulter le 18 Mai 2016. [7] https://www.civade.com/post/2014/01/02/Arduino-et-GRBL-I-incontournable-solution-pour-piloter-une-petit-cnc. Consulter le 23 Mai 2016. [8] Tom Clarke, © Imperial College London, 2005,2006, 2007, 2008. https://intranet.ee.ic.ac.uk/t.clarke/EAGLE/. Consulter le

04 Juin 2016.

[9] Mtaalah, Mohamed (2014). Transmission de mouvement, Tlemcen, Algeria : Abou Bakr Belkaid University of Tlemcen, Note de cours. 10p.

25 ∎2016

7 8

7 8

1 2

1

3

Z

4 5 6

2

9

3 4 5

10 11

6

12

9 10 11

z

12

x y

N° 1 2 3 4 5 6

Code A A13 A4 A8 A27 A18

Description Moteur pas à pas Tige de guidage de l’axe x Tige fileté Moteur de l’usinage Accouplement entre moteur et mandrine Mandrine

N° 7 8 9 10 11 12

Code A A14 A11 A2 A1 A3 A6

Description Poulie Roulement linéaire de l’axe x Bras en aluminium La table de la machine Cadre de la machine en Fer Cache de la machine en polymère

26 ∎2016

M3A

ANNEXE A

Id

Code Image ANNEXE C

Recycler

A1²

C5

Oui

A2

C6

Oui

A3

C9

Non

A4

C1

Oui

A5

C10

Oui

A6

C4

Oui

A7

C8

Oui

A8

C7

Non

A9

C11

Oui

A10

C2

Non

A11

C3

Oui

A12

C22

Non

A13 A14 A15 A16

C12 C21 C14

Non Non

A17 A18 A19

C27 C15

Oui Oui Non

Opérations

Meulage Perçage Sciage Soudage Découpage Meulage

Découpage Perçage Fraisage Perçage Alésage Taraudage Tournage

Oui

A20 A21 A22 A23 A24 A25 A26 A27 A28 A29

C17 C16 & C18

C13 C20 C23 C26 C27

Non Non Oui Oui Oui Non Oui Oui Oui Oui

A30 A31

C28 C29

Oui Oui

Perçage Taraudage

Description

Matière

Tôle 500×400×3mm Les bras de liaisons entre les axes x et y Corner 6000×10×1mm Tige de guidage Ø 20−500mm Ø 10−500mm Courroie Différente size Cache du cadre 1200×250×3mm Supports des tiges Ø20−50×45×45mm

Aluminium

Code référence ANNEXE B B4

Aluminium

B4

Fer

B2

Tige filetée Ø10−1000mm Roulement à billes Différente size Roulement linéaire Différente size (A) Roulement linéaire Différente size (B) Sacher des vis/écrou différente size Stepper Motors Poulie Arduino Uno Stepper Motors Drivers A4988 End stop Mandrin Plaque de prototypage Jumpers Male&Female pin La gaine Fils électrique Supports Tube d’enrobage L’axe z Tube de caoutchouc Ecrou de polymère Fils électrique de section 1.5mm Différente size ICTA

Acier inoxydable

Site/Site web

B4

B5 Polymère

B1

Aluminium

B3

Droguerie B5 Banggood.com B1 Mr Bricolage B1 Banggood.com Banggood.com Banggood.com B5 B5 Banggood.com Banggood.com Banggood.com B1 B1 B1 Banggood.com

Caoutchouc Polymère Cuivre + Enrobage Polyester

B1 B1 B1 B1 B1 B1

27 ∎2016

M3A

ANNEXE C Annexe C

C1

C3

C2

C4

C5

C7

C8

C6

C9

30 ∎2016

M3A

C10

C11

C12

C14

C16

C17

C18 C13

C15

C19

C21

C27

C20

31 ∎2016

M3A

C24

C22

C23

C25

C26

C27 C29

C28

32 ∎2016

M3A

ANNEXE E Les prix de tous les composants et les opérations utiliser dans la machine.

Composant Corner Polymère Aluminium Sacher des vis Tiges Acier inox Roulement Roulement linéaire Mandrin 6×fin de course 3×Stepper Motors drivers A4988 3×moteurs pas à pas Arduino UNO Plaque de prototypage Jumpers Female pin Male pin

Prix(DH)

Câble électrique

La gaine Tube d'enrobage Alimentation Outils Poulie

30 15 237 26 215 132 20 80 20 30

Recycler Non Oui Oui Non Non Oui Oui Oui Oui Oui

Id A3 A6 A1,2,7 A12 A8 A4 A9 A10,11 A18 A17

200 50 150 11 5 10 14 10 10 35 280 40 65

Non Oui Non Non Non Non Non Oui Oui Non Non Non Non

A16 A13 A15 A19 A20 A21 A21 A23 A22 A25

Somme Composant

1685

Somme Fabrication

600

Total

A14

2285

37 ∎2016

M3A

ANNEXE D ⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳Le code Arduino1 ⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34.

int pin1 = 8; int pin2 = 9; int pin3 = 10; int pin4 = 11; int tempstep ; void setup() { pinMode(pin1,OUTPUT); pinMode(pin2,OUTPUT); pinMode(pin3,OUTPUT); pinMode(pin4,OUTPUT); tempstep = 10 ; } void loop() { digitalWrite(pin1,LOW); digitalWrite(pin2,LOW); digitalWrite(pin3,LOW); digitalWrite(pin4,HIGH); delay(tempstep); digitalWrite(pin1,LOW); digitalWrite(pin2,LOW); digitalWrite(pin3,HIGH); digitalWrite(pin4,LOW); delay(tempstep); digitalWrite(pin1,LOW); digitalWrite(pin2,HIGH); digitalWrite(pin3,LOW); digitalWrite(pin4,LOW); delay(tempstep); digitalWrite(pin1,HIGH); digitalWrite(pin2,LOW); digitalWrite(pin3,LOW); digitalWrite(pin4,LOW); delay(tempstep); }

33 ∎2016

M3A

⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳Le code Arduino2 ⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳

35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57. 58. 59. 60. 61. 62. 63. 64. 65. 66. 67. 68.

int pin1 = 8; int pin2 = 9; int pin3 = 10; int pin4 = 11; int tempstep ; void setup() { pinMode(pin1,OUTPUT); pinMode(pin2,OUTPUT); pinMode(pin3,OUTPUT); pinMode(pin4,OUTPUT); tempstep = 10 ; } void loop() { digitalWrite(pin1,LOW); digitalWrite(pin2,HIGH); digitalWrite(pin3,LOW); digitalWrite(pin4,HIGH); delay(tempstep); digitalWrite(pin1,HIGH); digitalWrite(pin2,LOW); digitalWrite(pin3,LOW); digitalWrite(pin4,HIGH); delay(tempstep); digitalWrite(pin1,HIGH); digitalWrite(pin2,LOW); digitalWrite(pin3,HIGH); digitalWrite(pin4,LOW); delay(tempstep); digitalWrite(pin1,LOW); digitalWrite(pin2,HIGH); digitalWrite(pin3,HIGH); digitalWrite(pin4,LOW); delay(tempstep); }

34 ∎2016

M3A

⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳Le code Arduino3 ⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳⨳

69. 70. 71. 72. 73. 74. 75. 76. 77. 78. 79. 80. 81. 82. 83. 84. 85. 86. 87. 88. 89. 90. 91. 92. 93. 94. 95. 96. 97. 98. 99. 100. 101.

int pin1 = 8; int pin2 = 9; int pin3 = 10; int pin4 = 11; int tempstep ; void setup() { pinMode(pin1,OUTPUT); pinMode(pin2,OUTPUT); pinMode(pin3,OUTPUT); pinMode(pin4,OUTPUT); tempstep = 10 ; } void loop() { digitalWrite(pin1,HIGH); digitalWrite(pin2,LOW); digitalWrite(pin3,LOW); digitalWrite(pin4,LOW); delay(tempstep); digitalWrite(pin1,HIGH); digitalWrite(pin2,LOW); digitalWrite(pin3,HIGH); digitalWrite(pin4,LOW); delay(tempstep); digitalWrite(pin1,LOW); digitalWrite(pin2,LOW); digitalWrite(pin3,HIGH); digitalWrite(pin4,LOW); delay(tempstep); digitalWrite(pin1,LOW); digitalWrite(pin2,HIGH); digitalWrite(pin3,HIGH); digitalWrite(pin4,LOW); delay(tempstep);

35 ∎2016

M3A

102. 103. 104. 105. 106. 107. 108. 109. 110. 111. 112. 113. 114. 115. 116. 117. 118. 119. 120. 121. 122.

digitalWrite(pin1,LOW); digitalWrite(pin2,HIGH); digitalWrite(pin3,LOW); digitalWrite(pin4,LOW); delay(tempstep); digitalWrite(pin1,LOW); digitalWrite(pin2,HIGH); digitalWrite(pin3,LOW); digitalWrite(pin4,HIGH); delay(tempstep); digitalWrite(pin1,LOW); digitalWrite(pin2,LOW); digitalWrite(pin3,LOW); digitalWrite(pin4,HIGH); delay(tempstep); digitalWrite(pin1,HIGH); digitalWrite(pin2,LOW); digitalWrite(pin3,LOW); digitalWrite(pin4,HIGH); delay(tempstep); }

36 ∎2016

M3A

[email protected]

Réalisation d'une machine CNC pour les circuits imprimés

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