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CNC gravure PCB


Par Steph, publié le

La machine réalisée ici est une machine qui sera quasiment dédiée à l'usinage de PCB. On pourra bien entendu l'utiliser pour graver des faces avants de boitiers ou tout autre choses.

Elle n'est absolument pas prévue pour usiner, ou alors il faudrait monter une autre broche plus puissante.

On va voir dans ce qui suit la ralisation de la partie mécanique, de la partie électronique et enfin logiciels. Pour cette dernière on supposera que les fichiers Gerber et Excellion sont réalisé et disponibles.

Présentation

La machine réalisée ici est une machine qui sera quasiment dédiée à l'usinage de PCB. On pourra bien entendu l'utiliser pour graver des faces avants de boitiers ou tout autre choses.

Elle n'est absolument pas prévue pour usiner, ou alors il faudrait monter une autre broche plus puissante.

On va voir dans ce qui suit la ralisation de la partie mécanique, de la partie électronique et enfin logiciels. Pour cette dernière on supposera que les fichiers Gerber et Excellion sont réalisé et disponibles.

 

Le cahier des charges

Partie mécanique

Le volume de travail

On parlera ici d'avantage de surface que de volume de travail, la machine étant destinée à usiner des pièces de faible épaisseur.Cette surface permettra la mise en oeuvre de PCB ayant les dimensions suivantes :

  • Maximum : 300 x 200 mm.
  • Autres : Toutes tailles inférieure à celle ci-dessus.

On pourra, vu les dimensions de la machine, usiner des plaque de PVC ou autre d'une dimension maximum de 300 x 300 mm.

L'épaisseur usinable, bien que pouvant aller au dela, sera fixée à 50 mm.

 

Les axes de travail

Axe X

L'axe X se déplacera de gauche à droite, son point "0" étant situé à l'extrémité gauche de la zone de travail. Sa course sera de 350 mm.

Le guidage sera réalisé à l'aide de rails supportés SBR12 - 400 mm fixés dans le portique fixe.

L'entraînement sera réalisé par une vis à billes SFU1204 - 400 mm, donc de Ø12 mm au pas de 4 mm. La vis sera entraînée par un moteur de type Néma 17 via un coupleur flexible. Les deux extrémités de la vis seront supportées par des paliers BK10 / BF10 à roulement à billes.

 

Axe Y

L'axe Y sera équipé d'une table se déplaçant d'avant en arrière. Le portique supportant l'axe X sera fixe. Il se déplacera du fond vers l'avant de la machine, son point "0" étant situé le plus en avant de la table. Sa course sera de 350 mm.

Etant donné l'utilisation d'une table translatée, il faudra configurer GRBL avec un axe Y inversé.

Le guidage sera réalisé à l'aide de rails supportés SBR12 - 400 mm fixés sur les montants du chassis.

L'entraînement sera réalisé par une vis à billes SFU1204 - 400 mm, donc de Ø12 mm au pas de 4 mm. La vis sera entraînée par un moteur de type Néma 17 via un coupleur flexible. Les deux extrémités de la vis seront supportées par des paliers BK10 / BF10 à roulement à billes.

 

Axe Z

L'axe Z se déplacera de haut en bas , son point "0" étant situé à la position la plus haute de la zone de travail. Sa course sera de 100 mm.

Le guidage sera réalisé à l'aide de rails supportés SBR12 - 150 mm fixés sur le chariot de l'axe X.

L'entraînement sera réalisé par une vis à billes SFU1204 - 150 mm, donc de Ø12 mm au pas de 4 mm. La vis sera entraînée par un moteur de type Néma 17 via un coupleur flexible. Les deux extrémités de la vis seront supportées par des paliers à roulement à bille.

Une attention toute particulière devra être portée sur la verticalité et plus exactement la perpendicularité avec le plan de travail. En effet, il faut prndre en compte que si on perce du double face et que la broche n'est pas bien perpendiculaire, on aura des trous oblongs...

Sur cet axe, sera monté un support qui sera utilisé pour fixer un comparateur (Métrologie), qui permettra de mesurer la planéité de la table. Un autr support, a fixer sur la table, permettra de mesurer la verticalité de la broche.

 

 

 

Les moteurs d'entraînement

Les moteurs pas à pas d'entraînement des axes seront des modèles de type Néma 17. Non encore définis, ils auront les caractéristiques minimum suivantes :

  • Deux phases, connexion à 4 fils.
  • Intensité max : 2 A.
  • Nombre de pas par tour : 200.
  • Angle de pas : 1,8°.
  • Couple de maintien : 60 N.cm.

 

 

La table d'usinage

La table d'usinage sera réalisée en aluminum de 15 mm et aura les dimensions suivantes : 350 x 350 mm. Sa surface comportera un réseau de trous taraudés M5 au pas de 25 ou 30 mm.

L'usinage de PCB demandant une grande précision en horizontalité, elle sera surfacée en place sur la machine.

Sur son côté gauche et son côté avant, seront fixés des barres de guidage qui formeront un angle de 90° en bas à gauche permettant de caler le support de PCB. Une troisième barre amovible permettra de venir coincer le support de PCB, elle sera bridée à la table grace aux trous de fixation. Les barres de guidage seront elles aussi perforées afin de pouvoir brider les PCB.

Afin de pouvoir réaliser des PCB double faces et de ne pas risquer de toucher la table notament au perçage et au détourage, le BCB à usiné sera monté de la sorte :

  • Un martyr "jetable" en MDF de 5 mm de la taille de la platine à usiner sera calé et maintenu sur la table avec un adhésif "double face".
  • Le PCB sera collé sur le martyr de la même manière.
  • La hauteur des barres de maintien de la table sera de 8 mm, de manière à légèrement dépasser du couple MDF/PCB pour bien le caler.

L'avantage du martyr jetable est double, voir triple :

  • Protection de la table et des outils en cas de légère erreur.
  • Maintien par perçage du modèle des pions de centrage en cas de réalisation double faces.
  • Prix de revient extrêmement réduit, le MDF en 5 mm revient à moins de 40 cents pour un martyr de 300 x 200 mm...

 

La broche

Afin de fraiser correctement les pistes de PCB, il est extrêmement important d'avoir une vitesse de rotation élevée. Par contre, trés peu d'effort latéraux pour la gravure et le perçage. Les seuls efforts seront ceux occasionnés par le détourage, il suffira de multiplier les passes :)

Il nous faut donc un matériel peu puissant, mais tournant vite et acceptant les outils en Ø 1/4".

J'ai acheté à cette occasion une mini broche Proxxon "Micromot 50/EF" qui a les caractéristiques suivantes :

  • Alimentation : 12 à 18 V CC.
  • Puissance : 40 W.
  • Vitesse de rotation : 5 000 à 20 000 tr/mn (Variateur intégré).
  • Couple : Important, même à basse vitesse.
  • Diamètre du corps : 35 mm.
  • Diamètre collet : 20 mm.
  • Longueur hors tout : 220 mm.
  • Poids : 230g.
  • Refroidie par air.
  • Mandrin : A serrage rapide avec six pinces acier (1, 1.5, 2, 2.4 3 et 3.2 mm).
  • Montée sur roulements à billes.

Elle sera montée sur un support spécial de type "Renkforce RF1000".

 

 

Les outils

Il va nous falloir trois types d'outils :

  • Une pointe de gravure pour le tracé des pistes.
  • Un jeu de forêts pour les perçages.
  • Une fraise pour le détourage.

La gravure

Aprés de nombreux essais il s'avère que ce sont des pointes à graver à 45° et 0.1 mm de largeur de coupe en bout qui font, et de loin, le meilleur travail. Adoptées !

Afin de parfaire encore la qualité, une légère couche de glycérine sera appliqèe sur le PCB avant gravure. De plus la glycérine limitera la dispersion des poussières d'époxy qui ne sont pas vraiment bonnes pour la santé...

 

 

Le perçage

On utilisera, qui l'eut cru, des forêts ! Afin d'avoir une bonne prise dans le mandrin on utilisera des modèles avec tige 1/4". Les diamètres nécessaires pour le perçage des PCB allant de 0.6 mm à 3 mm.

Le détourage

Pour le détourage sera utilisée une petite fraise au carbure de Ø 2 mm.

 

Partie électronique

Pilotage de la machine

Le pilotage de la machine sera confiée à un Arduino de type UNO flashé avec la dernière version de Grbl qui est actuellement la 1.1f.

La liaison au PC pourra se faire au choix, grace à un petit inverseur mécanique, par l'USB ou par Bluetooth. L'Arduino et le module Bluetooth seront donc alimentés par une source de tension (9V) générée par l'alimentation de la machine.

 

Drivers moteurs pas à pas

On utilise un shield V3 équipé de 3 drivers Pololu, modèles DRV8825.

 

 

Fins de courses

Deux fins de courses seront montés sur chaque axe de la machine.

Un servira à la procédure de "Homing" de la machine et les deux feront fonction d'arrêt d'urgence si pas erreur ils étaient actionnés. Ils auront alors la même fonction que le bouton poussoir d'arrêt d'urgence et il sera nécessaire de faire un reset de la machine.

Par mesure de sécurite, les fins de course seront des modèles "NF" (Normalement fermé). En effet si un fil se coupait, si une soudure lâchait ou autre, alors le système le détectera. Ils seront donc câblés en série. On pensera aux paramètres de GRBL...

Les fins de courses seront isolés du système par des opto coupleurs, ce qui garantira un fonctionnement sans parasitage externe. Un condensateur de 0.1µF sera câblé entre le fil actif de chaque ligne de fin de course et la masse, au plus près de la carte d'interface. En effet il n'y a rien de plus pénible qu'un usinage qui s'arrête en cours car une "action" fin de course a été détectée alors qu'il s'agit d'un simple parasite.

Les fins de courses seront raccordés avec du câble blindé trés souple que l'on trouvera chez tout marchand de musique.

 

 

Bouton d'arrêt d'urgence

Comme son nom l'indique, ce bouton ne servira qu'en cas d'urgence. Une action sur ce bouton stoppe toute action et oblige à faire un reset de la machine.

Comme les fins de courses, le bouton d'arrêt d'urgence sera isolé du système par un opto coupleur, ce qui garantira un fonctionnement sans parasitage externe. Lui aussi utilisera un condenstauer et du câble blindé.

 

 

Variateur de broche

Là broche étant déja équipée d'un variateur, ce point reste à voir...

 

 

Alimentations

Réseau 240 V AC

Le réseau 240 V alimentant notre machine sera protégé par une varistance pour limiter les risques de surtension et d'un filtre efficace qui évitera aux parasites de circuler sur le réseau de distribution de l'habitation...

Le transformateur de l'alimentation sera un modèle toroïdal qui génére peu de rayonnement par rapport à un transformateur classique à carcasse d'acier, qui pèse beaucoup moins lourd, qui ne vibre pas et qui ne rayonne pas si on prends quelques précautions.

Le transfo sera alimenté par le réseau 240V via un interrupteur bipolaire et protégé par un fusible.

 

 

Shield et moteurs

Un pont redresseur, un condensateur de filtrage et un de découplage fourniront le 24 V CC.

 

Arduino et le Bluetooth

Ils seront alimentés depuis le 24 V CC par l'intermédiaire d'un petit module "Step Down" réglé entre 9 et 10 V.

 

Broche

La broche sera alimentée par son bloc d'alimentation livré dans le coffret. Avoir pour la commande broche : Relais et variateur PWM...

 

Câblage

Les parties à câbler sont les suivantes :

  • Fins de courses.
  • Arrêt d'urgence.
  • Moteurs.
  • Broche.
  • Alimentations.

Pour les fins de courses, l'arrêt d'urgence et les moteurs pas à pas on utilisera impérativement du câble blindé.

Le câblage des alimentations sera réalisé en torsadant les fils.

 

 

Liaison équipotentielle

La masse générale de la machine sera reliée à la "terre" du réseau EDF. Une attention toute particulière sera portée sur d'éventuelles "boucles de masse" afin de les éliminer et de générer le moins possible de courants induits.

 

Partie logiciels

Système d'exploitation

Peu importe, il suffit d'en avir un !

 

Gestionnaire embarqué du Gcode

Un Arduino UNO R3 est utilisé, la version de GRBL sera donc celle dédiée à ce micro-contrôleur : 1.1f (Dernière version à ce jour.).

 

Envoie du Gcode au système

bCNC sera utilisé par choix personnel... On pourrait aussi utiliser la dernière version d'UGS qui dorénavant permet pas mal de choses.

Une fonction indispensable est l'auto nivelage. cette fonction permet de "scanner" la surface à usiner et d'apporter les corrections de hauteur de manière totalement automatique lors de la gravure.

 

Création du Gcode pour les PCB

On en parlera pas ici, mais il faut aupréalable avoir déssiné le PCB avec un logiciel comme Kicad ou Eagle afin de disposer des fichiers Gerber et Excellion. Gerber pour la gravure et le détourage, Excellion pour le perçage.

Plusieurs solutions s'offrent à nous... Personellement j'utilise FlatCAM ou CopperCAM; mais il y en a beaucoup d'autres... L'important étant de pouvoir modifier la largeur des pistes la largeur de leur isolation et les caractéristiques exactes des outils utilisés. En général le chemin entre l'usinage des difféentes pistes n'est pas trés optimisés et des aller retour inutiles sont générateur de perte de temps.

Pour sa part, bCNC intègre un optimiseur de gcode trés efficace et simple d'utilisation.

 

La réalisation

 

A suivre...

 

 


Publié par Steph le : 25/12/2017 & mis à jour le : 26/01/2018
Mots-clefs : CNC, GRBL, DRV8825, UNO, NEMA17

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