CNC et les robots

Pourquoi une CNC?
Lintérêt d'une CNC c'est de pouvoir réaliser toutes les pièces, ou presque, que l'on a besoin pour ses robots ou autres applications (meubles, jouets, cockpits, etc...) sans avoir besoin de sous-traiter. C'est bien pratique, surtout quand on doit faire ou refaire une pièce rapidement : pas besoin d'attendre une semaine ou plus pour avoir la pièce.
 

 
Pour de nombreux loisirs (robotique, modélisme,y compris le modélisme ferroviaire) il y a souvent des pièces à réaliser avec une CNC. Des CNC, plus petites, sont aussi utilisée dans la réalisation de circuit imprimés.
Pour du prototypage une CNC peut aussi avoir son utilité même si dans certains domaines elle tend à se faire remplacer par l'imprimante 3D, exemple les maquettes en architecture.
Selon l'équipement de la CNC elle peut aussi servir dans des domaines variés comme dans le textile, la publicité...
 
Comment faire une CNC?
Pour faire une CNC, il faut commencer par bien définir le cahier des charges : dimensions, matières à usiner, budget (quoique le budget il faut avoir une bonne marge). Il ne faut pas voir trop grand, plus c'est grand plus il y a de contraintes et le choix des matières à usiner peut apporter de réelles contraintes.
 

La machine peut être achetée en kit ou assemblée, on peut également tout faire soit même ou comme moi un mixte du kit et du tout faire soi même : j'ai dessiné toute la machine, les pièces à faire usiner et j'ai passé commande ensuite il ne reste plus qu'à tout assembler comme un jeu de Meccano.
Ces dernières solutions impliquent de bien étudier la conception de la machine pour éviter de grosses erreur et donc tout recommencer alors que la machine semble finit (c'est du vécu!).
Il existe des entreprises qui réalisent vos CNC sur mesure à partir de leur modèle, mais le budget est plus important au départ et certaines entreprises ne sont pas très sérieuses voir même des voleurs (encore du vécu!).
 
Comment se sert-on d'une CNC ?
Il faut commencer par concevoir les pièces à usiner dans un logiciel 2D ou 3D, je parlerai uniquement de 2D parce que les pièces dont j'ai besoin pour le moment ne requiert que la 2D et c'est beaucoup plus simple.

Ensuite il faut convertir le dessin en langage que la machine reconnaîtra : le G-code, cela se fait avec un logiciel adapté. On peut aussi dessiner la pièce dans un logiciel qui va générer le G-code ou même dans un logiciel qui va piloter la machine mais ces logiciels sont payant (plus ou moins cher) et quand on est habitué à dessiner avec un logiciel comme Autocad ou DrafSight on préfère garder ces logiciels.
L'un des logiciels les plus répandu pour le pilotage de machines est Mach3 pour lequel le G-code est indispensable. Une fois ce logiciel installé et paramétré pour piloter la CNC c'est un jeu d'enfant.

Des logiciel intégrés de CAO/FAO comme Ninos ou Galaad sont très intéressants puisqu'ils permettent d'aller du dessin de la pièce jusqu'à l'usinage de cette pièce sans passer par d'autres logiciels. Leurs grosses contraintes : ils sont payant et le matériel utilisable est limité.
 
Les différentes CNC :
Une CNC c'est une machine, Lorsque la commande numérique est assurée par un ordinateur, on parle parfois de machine CNC pour computer numerical control,
Il y a les CNC d'usinage qui font dans la 2D et la 3D (fraiseuse, tour, et plus connu de nous les amateurs, des fraiseuses CNC souvent appelées «router»), il y a aussi les CNC de découpe (plasma, jet d'eau et laser) :

• les CNC plasma sont très appréciées des amateurs et bricoleurs découpant des matériaux ferreux, puisque relativement simple à construire pour une puissance suffisante,
• les CNC laser sont aussi appréciées des amateurs et bricoleurs parce qu'elle font des découpe précises et propres et ne sont pas trop difficiles à construire cependant pour certaines matière cela demande des laser puissant et pas très accessible pour le bricoleur amateur.

Il existe principalement deux types de laser utilisés sur les CNC laser amateur :

• les diodes laser qui vont de quelques centaines de milliwatts à quelques dizaines de watts (elles sont difficiles à trouver au dessus de 5W). Elles sont facile à utiliser mais elles permettent la découpe et la gravure de matière non métalliques et de faible épaisseur.
• les laser CO2 allant de 40W à plusieurs centaines de watt (plusieurs milliers de watt sur les machines pro). L'amateur dépasse rarement les 100W parce que c'est très cher et la mise en uvre est très compliquée. Les capacités de découpe sont bien supérieures aux diodes laser.

Les machine à jet d'eau été réservées, jusque là, aux industriel et gros artisans, elles sont très cher et leur exploitation coûte cher, mais avec le projet (kicstarter) cela pourra atteindre le bricoleur mais la taille restera assez réduite.

Pour les robot, ça sert à réaliser des pièces simples ou complexes de manière précise, peu importe la matière utilisée.
J'ai déjà vu certains qui avaient pour projet de transformer leur CNC en imprimante 3D, dans l'idée les deux machines ne sont pas si différentes que ça mais les contraintes ne sont pas les même.
 
Composants :
Chassis
Le châssis peut être en acier mécano-soudé, c'est robuste mais il faut être équipé et avoir des compétence, notamment en soudure ? C'est ce que je prévois sur ma prochaine CNC pour usiner de l'alu de grande dimensions.

 
Le châssis peut aussi être réaliser en alu soudé avec encore plus de contraintes que l'acier puisque l'alu est plus difficile à souder et il faut un équipement approprié.
Il peut aussi être fait en profilés alu que l'on assemble par vissage. C'est la méthode que j'ai choisi pour ma CNC. Cette méthode est déconseillée par les « pro de la CNC » malgré le nombre de CNC de ce type que l'on peut voir sur le Net, rien que les vidéos sur Youtube montre bien que c'est possible.

 
Certains font leur châssis en MDF (un dérivé du bois), et le résultat n'est pas si mal que ça.

 
La rigidité du châssis est très importante pour la précision et cela en fonction de la matière à usiner, on aura pas besoin de la même rigidité si on veux usiner de l'alu ou si on veux découper du vinyle.
 
Motorisation
La majorité des CNC amateur sont motorisées avec des moteurs pas à pas de différentes tailles et puissance. Dans le commerce on peut trouver des CNC de découpe/gravure avec diode laser équipées de moteur pas à pas NEMA 17, comme sur beaucoup d'imprimante 3D.

On voit aussi beaucoup de CNC construites avec des moteurs NEMA23 ou NEMA34 et dans certains cas un mixte des deux : la mienne est équipée de moteurs NEMA34 pour les axes Y et de moteurs NEMA23 sur les axes X et Z.
Sur les CNC «pro» ceux sont en général des servomoteur AC ou DC c'est plus puissant, plus rapide, plus précis et il y a un retour d'information confirmant la rotation correcte du servomoteur, ce qui manque aux moteurs pas à pas classiques d'où l'apparition des moteurs pas à pas hybride.
Les servomoteurs sont rarement utilisés sur les CNC amateur en raison de leur prix élevés et aussi parce que la puissance des moteurs pas à pas suffit souvent pour les amateurs.
 
Entrainement
La transmission peut se faire de différentes manières :

• par vis à billes, ce qui offre une bonne transmission du couple, une bonne précision et peut convenir à la plupart des CNC pas trop grande et ne demandant pas une vitesse trop élevée. Sur les grande longueur de vis à bille il est souvent constaté des vibrations.

• par courroie, ce qui offre des possibilités de longueurs plus importantes et des vitesses de déplacement assez importante mais pas très résistantes aux efforts. Comme système est pas cher et simple à mettre en uvre il est très utilisé sur les CNC plasma et laser.

• Par ensemble pignon/crémaillère à denture droite ou hélicoïdale. Cette méthode a comme avantage : la vitesse et autorise des efforts importants. Le gros problème c'est la précision en raison du jeu dans ce système mais avec un mécanisme adapté on peut réduire ce jeu.

 
Pour toutes ces méthodes l'entraînement peut être

• direct : soit le moteur est «branché» en direct dur la vis à billes, soit la poulie ou le pignon est sur l'axe du moteur.
• Indirect : un ensemble poulies/courroie s'intercale entre le moteur et ce qu'il doit entraîner, l'avantage on transmet plus de couple au mécanisme et réduit la vitesse.
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Les outils :
Sur une CNC on peut trouver différents outils :

• la diode laser, l'ensemble laser CO2, ou le plasma, enfin si on peut appeler ça des outils
• la fraiseuse, et les fraises ou forets qui vont avec
• les porte-lames simples pour la découpe de papier, cartons, vinyle, textile
• des porte-lames oscillants pour la découpe de papier, cartons, vinyle, textile
• des porte-crayons
• des outils plus exotiques

Un petit glossaire :

• Mach3 : logiciel de pilotage de CNC gratuit ou payant (la version a des limitations disparaissant dans la version payante
• Ninos et Galaad : logiciel intégré de CAO/FAO
• Freecad : logiciel gratuit de conception 3D
• Solidworks : logiciel payant de conception et simulation 3D
• DraftSight : logiciel gratuit de DAO en 2D
• Autocad : logiciel payant de DAO en 2D
• Dxf : format de fichiers de dessin 2D le plus répandu
• Stl : format de fichier 3D très répandu pour l'impression 3D.
• G-code : langage utilisé pour piloter la machine CNC ou imprimante 3D.
• Broche : le moteur qui reçoit les outils de coupe

Câblage PC :
Le câblage de la partie commande est important et pas forcément très simple, il existe des armoires toutes prêtes pour les CNC donc là il n'y a plus qu'à connecter dessus les moteurs, les capteurs, la broche et autres accessoires s'il y a.
J'ai conçu le câblage de mon armoire, ce n'est pas si compliqué quand on a tous les éléments. Mais j'ai finit par avoir l'aide d'un électricien à la retraite, ensemble on a ajouté des sécurités qui ne sont toujours présentes dans les CNC : plusieurs Arrêt d'urgence avec relais pour une mise sous tensions de l'armoire sans mise en marche de la partie puissance de la machine (moteur, broche, etc...)
 
La matière première :
La matière première à utiliser sur la CNC varie en fonction de ce que l'on veut faire et aussi en fonction de la machine
On peut usiner de l'alu et autre métaux non ferreux, du bois ou dérivés, du plastique sur des CNC de type 'router'.
Sur une CNC avec un porte-lame ou laser on peut découper du vinyle*, du tissus, du papier, du carton, etc...
Sur une CNC laser** on peut aussi découper des matières plastiques, du contre-plaqué, du métal (si laser très puissant).
Sur une CNC plasma on peut découper tout métaux conducteurs, même s'il est déconseillé, en tant qu'amateur de découper certains métaux parce que la découpe est dangereuse, comme la découpe de l'aluminium, ou parce que les gaz dégagés par la découpe sont très dangereux
 
* Le vinyle est rarement coupé au laser.
** La découpe laser de certains matériaux dégage des gaz dangereux.
 
Les alternatives
Les vis à billes sur les grandes longueurs semblent vibrer ou se déformer il est conseillé de choisir un plus gros diamètre au moins pour éviter les déformations mais sur de vraies grandes longueurs il faut choisir un autre moyen. Sur ma futur CNC d'une longueur de 4m pour l'usinage de plaque d'alu je prévois d'utiliser soit une crémaillère et un pignon hélicoïdale soit une gros vis à bille (35mm) mais elle sera fixe et c'est l'écrou qui tournera sur la vis à bille, c'est une solution peut courante et complexe.
L'ensemble pignon/crémaillère fait souvent envie par sa simplicité mais la contrainte du rattrapage de jeu repousse souvent.
La courroie n'a pas le problème de jeu ou de vibration, elle juste être bien tendue elle peut être une alternative à la vis à billes sur les petites CNC d'usinage mais attention aux matières que la CNC pourra usiner. La courroie est plus adaptée aux laser ou plasma quoi qu'il ait débat à ce sujet par des «pro de la CNC ».
Une machine lourde et rigide peut parfois être nécessaire pour éviter les vibrations et autres désagréments lors de l'usinage de certaines matières.
La grosse CNC que je conçois pour l'usinage de l'alu pèserait entre 2 et 3 tonnes, toute en acier, si elle voit le jour.
 
Acheter tout fait, à monter ou faire soi-même ?
La question pour l'acquisition d'une CNC est : Faut-il construire sa machine, l'acheter toute faite ou l'acheter en kit ?
Chaque solution présente ses avantages :

• Acheter tout fait, c'est un gain de temps et on a une machine fonctionnelle et fiable. Le budget sera certainement le plus important et en une seule fois (hors facilités de paiement)
• Acheter en kit, temps de montage sera réduit (pas de réflexion sur la conception) et c'est garanti d'avoir une machine fonctionnelle si les instruction de montage sont suivies (quand il y en a ...)
• Tout faire soi même, c'est long à concevoir et réaliser et il y a des risques de mauvaises surprise à la fin et devoir tout reprendre (c'est encore du vécu), mais cela présente un gros avantages, on peut avoir exactement ce que l'on veut. Le budget peut s'en trouvé réduit, surtout s'il y a de la récup mais il faut être équipé ou faire sous-traiter dans certains cas

Se fournir
Il existe de nombreux revendeurs spécialisés dans les pièces pour CNC ou CNC complètes, même les fabricants de moteurs pas à pas propose des kits de motorisation complet (moteurs, alims, drivers et parfois carte de contrôle) pour CNC.
 
Pour les pièces réalisées sur mesure je choisi de les faire réaliser en France, en local quand c'est possible.
Pour l'ensemble des pièces détachées j'achète à l'étranger pour une raison de coût à moins de trouver des offres intéressantes en France.
 
Expérience
Ma CNC est toujours en construction (problème de conception puis problème perso) mais juste vu fonctionner le Charly-robot de l'entreprise où j'étais. Et ma CNC plasma est perdu dans les méandres du système français.