Une perforatrice à électro-aimant bistable
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L'électro-aimant est l'idée qui semble souvent la plus simple lorsque l'on veut réaliser une perforatrice pour la musique de nos orgues de barbarie, car il procure naturellement le mouvement requis. Pour des supports papier c'est assez courant, mais plus rare dès qu'il s'agit de carton en raison de la puissance requise.

La solution la plus triviale repose sur un électro-aimant à noyau mobile rappelé par un ressort. La force de celui-ci doit être suffisante pour extraire le poinçon de la matrice lors de la remontée mais elle s'oppose à la descente. Et le moment où cette force en opposition est maximale est précisément celui où on en a le plus besoin pour transpercer le carton ! Il y a donc un comportement assez paradoxal dans ce principe, auquel on remédie habituellement en augmentant la puissance de l'électro-aimant.

L'idée ici est de supprimer ce ressort en utilisant un électro-aimant dit "bistable" dont les 2 sens de déplacement du noyau sont actifs selon la direction du courant qui alimente la bobine. Dans un sens on descend le poinçon et lorsqu'il est en bas, il suffit d'inverser le courant pour le remonter. On dispose donc de la totalité de la puissance pour chacune des 2 actions.

J'ai essayé de trouver des modèle commerciaux de ce type d'électro-aimant, mais à part ceux qui sont destinés à des verrous (trop faibles) ou quelques autres dont la disponibilité au niveau amateur est plus qu'hypothétique, on ne trouve pas grand chose. Je me suis donc lancé dans la fabrication de la chose.

 

L'électro-aimant bistable

Principe

Le noyau est constitué d'un aimant permanent et il est donc polarisé. Les 2 bobines sont alimentées simultanément et produisent des champs magnétiques opposés : L'une tire le noyau pendant que l'autre le pousse et vice versa lorsque l'on inverse le courant. C'est le moment de ressortir le petit bonhomme d'Ampère ;o)

Le fonctionnement n'est pas des plus intuitifs et on aurait parfois envie que les champs des bobines ne soient pas opposés. Pour faciliter la compréhension, on peu masquer une bobine et on verra que celle qui est visible va successivement repousser puis attirer le noyau. Et il faut se dire que simultanément, l'autre bobine fait exactement l'inverse.

On peut aussi dire qu'au départ d'un mouvement, l'aimant se situe à l'extérieur de la bobine qui l'attire et à l'intérieur de celle qui le repousse.

Et puis une fois que l'électro-aimant est construit, c'est facile de modifier le sens des champs et de constater que... de cette manière ça fonctionne et pas de l'autre ;o)

Documentation

Cette réalisation est librement inspirée de ce brevet : https://patents.google.com/patent/US4533890A/en ainsi que de cette publication :  Fast acting, long stroke, bistable solenoids with moving permanent magnets  (Pour ceux que cela intéresse, je dispose du document IEEE complet).

On y apprend en particulier que dès que l'on veut des longs déplacements, la combinaison de la répulsion magnétique et de l'attraction permettent une vitesse d'action plus élevée que l'attraction seule.

Et puis pour que ce soit clair, le résultat obtenu repose sur une bonne dose d'empirisme, d'inévitables tâtonnements, ainsi qu'un "certain nombre" d'essais. Et si le dispositif présenté ici s'acquitte parfaitement de la fonction pour laquelle je l'ai destiné, je n'ai pas forcément une idée précise de la manière dont il faudrait le construire pour des puissances plus importantes, de plus grands déplacements ou que sais-je. Alors si cela vous tente, faites comme moi : essayez.

Construction

Pour simplifier la mise en oeuvre dans la machine, le poinçon est directement porté par la tige-guide du noyau.

- Le noyau est composé de deux aimants néodyme en anneaux de 15x6 mm. Ils sont enfilés sur une tige en laiton de 8 mm entre 2 bagues en fer de 14x6 mm maintenues en place par des goupilles rivetées. Sa longueur totale est donc de 24 mm et sa course sera de 10 mm qui me semblent être confortable pour transpercer du carton.

- La bobine est composée de 2 enroulements superposés. Celui du bas est plus important que celui du haut car à la base, je voulais privilégier l'attraction en descente. Mais je ne suis pas certain que cela soit utile. A tester une autre fois.

Le fil utilisé est du 46/100 (42/100 de cuivre). On a 840 spires en haut et 940 en bas, pour des résistances respectives de 7.3 et 8.1 Ohms (58 m et 65 m de fil). Les 2 bobines étant alimentées en parallèle, le système de commande verra 3.84 Ohms et devra donc être capable de délivrer 7 A sous les 27V de la tension choisie.

Remarque : Cette bobine doit être solide car mécaniquement, elle constitue l'un des points d'application des forces qui s'exercent sur le noyau. Sur l'une de mes bobines d'essai les joues d'extrémité se sont arrachées sous la poussée des spires.
Le tube est un morceau de canne à pêche en fibre de verre, tout est assemblé à l'époxy et les bobines sont elle-même imprégnées d'époxy liquide. On obtient un bloc bien rigide mais... indémontable.

A toutes fins utiles, voici quelques cotes relevées sur la pièce que j'ai réalisée.

Il est impératif  :

- Que le circuit magnétique soit fermé. D'où l'armature de section 30x4 mm, qu'il n'est d'ailleurs pas des plus facile de cintrer correctement quand on ne dispose que d'un simple étau. Après plusieurs ratages et moyennant quelques astuces, j'ai fini par obtenir quelques chose de pas trop mal.

- Que la tige-guide du noyau soit constituée d'un matériau non magnétique, faute de quoi les lignes de champ sont court-circuitées par cette tige et la puissance mécanique obtenue est dérisoire. Je ne suis pas certain que le mariage du laiton qui coulisse dans du bronze soit des plus heureux. S'il faut refaire, j'essayerai une tige en inox, mais ce sera sans doute plus difficile d'y réaliser le logement carré du poinçon.

- D'empêcher le noyau de coller aux extrémités car le champ produit pas les bobines est alors insuffisant pour s'opposer à celui de ces aimants au collage. D'où un espace de 2 mm à chaque extrémité procuré par des joints de plomberie montés à l'extérieur.

Compromis. Toute cette histoire est avant tout une affaire de compromis, entre ce qu'il faudrait dans l'idéal et ce dont on dispose ou dont le coût est raisonnable, ou de ce que l'on est effectivement capable de réaliser.

bulletLes aimants devraient être seuls sur la tige guide mais il faut bien les faire tenir et pour avoir essayé, un collage ne tient pas longtemps. D'où la présence des bagues de chaque côté.
bulletEn principe, on devrait avoir des contre-noyaux jusqu'à mi-bobine de chaque côté. Du fait de la présence des bagues, ils ont été réduits au plus court et ces bagues sont en quelques sortes des contre-noyaux... mobiles. Pour un résultat semble-t-il assez équivalent (?)
bulletOn gagnerait de la puissance mécanique en travaillant à une tension plus élevée mais le module de contrôle utilisé ne supporte que 27 V. Dans ces conditions, il est néanmoins possible de perforer deux épaisseurs de carton de 4/10 mm superposées, mais pas trois. A 50 V on perfore largement 1 mm, mais la puissance absorbée est quasiment multiplié par 4 et il en va de même pour l'échauffement qui en découle. A voir donc en fonction de ce dont on a besoin.
bulletEt puis bien sûr, l'armature devrait être constituée d'un vrai matériau à la perméabilité magnétique maitrisée et non d'un simple acier bas de gamme.

Fournitures

bulletOn trouve des aimants néodyme en anneau de 15x6 alésage 8 chez aimant-boutique
bulletLe fil pour le bobinage chez wires.co.uk  ( Prendre du 0.425 en bobine de 500 g).

Contrôle du relais

Il est facilité par l'emploi d'un module type "IBT-2" initialement destiné à la commande des moteurs de traction en modélisme (il en existe d'autres). Il comporte un pont en H à base de deux BTN7960 pouvant passer jusqu'à 50 A sous 27 V max.

 

Débarrassé de son radiateur inutile ici, il trouve facilement sa place dans la tête. Son contrôle est simplissime et au départ j'avais mis un double monostable 74LS221. Ceci étant, une petite arduino Nano permet d'effectuer ce travail de manière un peu plus agile, d'effectuer un contrôle de cycle, d'optimiser l'utilisation de l'énergie et donc in fine de limiter l'échauffement.

La machine proprement dite

Après la perforatrice laser, on pourrait résumer par : "On prend les mêmes et on recommence".

C'est la même idée de n'utiliser quasiment que du matériel disponible commercialement, à commencer par la carte de commande en version Grbl 1.1. Ce type de carte supporte donc le mode laser ($32 = 1) ce qui va permettre de commander le poinçon sans la moindre modification du firmware Grbl standard, simplement en utilisant la sortie PWM activée sur chaque G1. En résumé : Avec G0 X Y on bouge et avec G1 Z on perce.

La construction s'effectue de manière modulaire, ces unités étant ensuite montées dans un coffret en contreplaqué de 12 mm qui sert de chassis.

Les moteurs

On me les a donnés (merci Guy B.) mais ils ne portent pas le moindre marquage. Ils sont au format Nema 17 avec une longueur de 48 mm et des enroulements de 1.8 Ohms. Il est possible que ce soient des Rattm 17HS8401.
A rapprocher également de ceux qui équipent les imprimantes 3D Reprap : Wantai 42BYGHW609 (2 Ohms) ou KySan 42BYGH4803 (2.8 Ohms)
En tous cas, contrôlés en courant à 1.2 A ils font parfaitement le boulot et sans vraiment chauffer.

La tête de perforation

En forme de "C" comme habituellement, elle porte l'électro-aimant à sa partie supérieure. Essentiellement c'est une "boite" de 29 mm de large, faite de tôle d'alu de 2 mm assemblée par collage à l'époxy puis rivetage sur du profilé de 25x12 mm en U pendant que la colle prend. La rigidité est excellente et la masse totale est tout juste inférieure à 1 kg.

Le poinçon est un tronçon de barre d'acier HSS au cobalt de section 3x3 mm (outils de tour). La matrice est constituée d'un assemblage de 4 morceaux de la même barre maintenus par serrage dans une pièce en alu en forme de "U". Comme sur ma première machine quoi.

Elle renferme le module IBT2 ainsi que l'arduino Nano qui lui est associée. Comme le poinçon est carré, une tige coulissante supérieure empêche le noyau de tourner et effectue également le masquage d'une fourche optique qui détermine le moment où le carton est traversé.

Le schéma Eagle de la cartelette arduino peut être téléchargé ici.
Il est possible que le code arduino de la Nano évolue un peu. Si cela vous intéresse, contactez-moi pour le code source le plus à jour.

   
 

Le guidage de la tête

Il s'agit essentiellement d'un chariot équipé de 2 douilles à billes de longueur 45 mm, qui coulisse sur 2 barres de 8 mm. La tête est montée de manière à ce que son centre de gravité tombe au milieu de ce chariot.

Amortissement
Les supports d'extrémité sont montés sur 4 silent-blocs (matériel de maintenance pour tronçonneuse : épaisseur 10 mm, diamètre 15 mm). Ce n'était pas prévu au départ et lors des premiers essais, la machine se promenait toute seule sur l'établi au rythme des coups de poinçon, tout en faisant un bruit de mitraillette fort désagréable (n'est-ce pas Jean Claude ;o)). Ces silent blocs améliorent pas mal les choses.

Le déplacement de la tête (axe X)

La photo parle d'elle-même...

L'avance carton (axe Y)

Le rouleau mesure 40 mm de diamètre. Transmission par courroie sur des poulies respectivement de 20 dents côté moteur et 32 dents sur le rouleau.

L'électronique

Une alimentation à découpage de 24 V - 9A et une carte Grbl 1.1. L'alim a été modifiée pour sortir 27 V de façon à fonctionner au maximum admis par la carte IBT2, par la mise en parallèle d'une résistance sur l'une des résistances du pont de contre-réaction.

La commande proprement dite du relais est le signal PWM qui est envoyé vers l'arduino de la tête. En retour, le contrôle de cycle de celle-ci agit si nécessaire sur la carte Grbl via les broches A1 et A2, respectivement Pause et Start (vérifier leur présence). Si quelque chose se passe mal, Pause est mis à 0, avec pour effet de stopper immédiatement l'exécution du Grbl avant la commande suivante. Lorsque le défaut est levé, Pause est remis à 1 et une impulsion à 0 est envoyée sur Start qui libère l'exécution du code.

 

Côté tête, le contrôle de cycle se base sur l'observation de la fourche optique en même temps que le déroulement d'une temporisation.
- Le premier front du signal PWM déclenche l'application sur l'IBT-2 de la commande de descente à pleine puissance.
- Dès que le carton est transpercé, la commande de descente est remplacée par une commande de remontée, à pleine puissance d'abord, puis avec une décroissance en cosinus pour une durée identique à celle de la descente dès que l'on est sorti du carton, de façon à limiter les forces d'impact en fin de course.


Allure générale de la commande de poinçon


Le temps de descente moyen dans du carton est de l'ordre de 8 ms et la totalité d'un cycle dure moins de 20 ms. La commande du poinçon est effectuée par des G1 Z1 alternant avec des G1 Z-1. On a donc 2 mm de course fictive sur Z de manière à procurer une temporisation. A F6000 par exemple et pour une accélération $122 = 3000, la durée mesurée de la commande PWM est de 46 ms qui définit en conséquence la borne maximale pour l'exécution d'une perforation.

Drivers de moteurs
Ils sont basés sur des TMC2208 qui sont réputés pour effectuer un contrôle plus silencieux que les habituels A4988 ou DRV8825 et c'est manifestement le cas. Et puis la cartelette qui les supporte est mieux conçue, en particulier du côté du radiateur monté à l'opposé de la puce et qui de fait ne vient pas effleurer d'un peu trop près les composants voisins.

Interface

Le contrôle de la machine peut s'effectuer directement par un petit logiciel maison appelé Perfo_G qui n'est autre que celui de la perfo laser désormais enrichit d'un mode poinçon (à télécharger ici). Du coup et même si ça ne sert pas à grand chose car la vraie machine est plus intéressante à regarder, on peut voir le "film" du poinçonnage sur l'écran du PC en même temps que le travail s'exécute.

Le logiciel enregistre le fichier Gcode sous Mes documents/PerfoG/temp. Ce fichier peut être envoyé tel quel par n'importe quel "Gcode sender" et en particulier par ces petit modules autonomes que l'on trouve dans le commerce chinois. Pour ma part j'ai réutilisé le même MKS TFT24 que pour la laser. Je mettrai prochainement à disposition un firmware personnalisé.

Paramétrage

Voici les paramètres $ de ma configuration Grbl.

Et ça marche comment ?

Avec des réglages identiques pour les 3 axes : 8000 mm/mn et accélération de 3000 mm/s², à F6000 on obtient le résultat suivant.

Performances

En l'absence de tout déplacement, l'électro-aimant peut effectuer 50 mouvements par seconde. Avec les paramètres de cette démo, la vitesse moyenne obtenue relevée sur un carton complet et en incluant bien sûr la durée des déplacements X-Y est un peu supérieure à 7 perforations par seconde. Mais ça peut aller encore bien plus vite, genre plus de 10 trous par seconde, en moyenne. ;o)
La puissance instantanée consommée par l'électro-aimant est de 180W, mais seulement pendant 10% du temps dans le cas de la vidéo. Ce qui donne une moyenne d'environ 18 W qui font que l'électro-aimant ne chauffe quasiment pas sur ce coup-là.

Evolution

Je suis en train de faire évoluer une carte Grbl minimale 2 axes que j'avais desssinée autour d'une arduino Nano pour un traceur laser, en lui ajoutant les broches A1 et A2. Elle pourra servir pour cette machine, dispensant de l'approvisionnement d'une carte toute faite.
Et puis... Je vais essayer de construire un autre électro-aimant, qui sera forcément un peu différent. ;o)