Rapport Pfe 3563a

Ministère de l’enseignement Supérieur et de la recherche Scientifique Université de Gabès Ecole Nationale d’Ingénieurs de Gabès Année universitaire : 2009 - 2010

Département Génie Electrique-Automatique

Projet de fin d’études Présenté à

L’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Gabès Département de Génie Electrique – Automatique

Réalisé par

Abdennaji Youssef Ahmadi Anouar

CONCEPTION ET REALISATION D’UNE COMMANDE NUMERIQUE D’UNE MACHINE DE DECOUPE LASER

Soutenu le 25/06/2010 devant le Jury :

Président : Membre : Encadrant academique: Encadrant industriel:

Mr DAHMAN Hassen Mme Salah Brini Saoussen Mr FARAH Mohamed Amine Mr BEN ABBES Rhaim

DEDICACES

‫اﻟﺤﻤﺪ ﷲ اﻟﺬي ﻫﺪاﻧﺎ ﻟﻬﺬا و ﻣﺎ ﻛﻨﺎ ﻟﻨﻬﺘﺪي ﻟﻮ ﻻ أن ﻫﺪاﻧﺎ اﷲ‬ Je dédie ce travail spécialement à ma mère, toute ma famille et tous mes amis.

Abdennaji Youssef

DEDECACES

Ceux qui m’ont aidé par leurs patiences, encouragements et conseils, pour être ce que je suis aujourd’hui, c’est grâce à eux que j’ai grandi dans la vie, je les remercie et les dédie ce travail.

Ahmadi Anouar

Remerciements Nous tenons à remercier tous ceux qui nous ont aidés pour la réalisation de ce travail et en premier lieu, notre encadrant Monsieur FARAH Mohammed Amine pour son aide, sa disponibilité, et ses précieux conseils. Notre gratitude s'adresse, aussi, à Monsieur DAHMAN Hassen pour nous avoir fait le grand honneur d'accepter d'être le président de ce jury. Qu'il trouve ici l'expression de notre profond respect. Nous tenons à exprimer notre vive gratitude à Madame SALAH BRINI Saoussen qui a bien voulu faire partie du jury de ce projet et pour l'intérêt qu'il a porté à ce travail. Qu'il soit remercié. Nos remerciements s'adressent également aux membres de société Ingénierie des Systèmes Industriels ISI qui nous ont offert l'ambiance favorable pour le déroulement de notre projet et qui par leur travaux et exposés nous ont suggérés et informés et spécialement Monsieur BEN ABBES Rhaim notre encadrant qu'il trouve ici le témoignage de notre profonde reconnaissance. Nos remerciements s’adressent aussi à Monsieur SIALA Zied pour sa disponibilité et ses conseils. Nous tenons à remercier aussi Monsieur AYDI Walid et JBALI Najmeddine pour leurs aides, leurs encouragements, et leurs précieux conseils. Nous tenons également à exprimer nos gratitudes à nos familles, nos amis, pour leurs aides à mener à terme ce travail Finalement, nous tenons à remercier tous ceux qui, de près ou de loin, nous ont apporté un soutient moral ou matériel.

TABLE DE MATIERES Introduction générale .........................................................................................................................1 Chapitre 1: Etude bibliographique .................................................................................................2 1.1. Généralités sur la commande numérique et la machine de découpe laser ....................3 1.1.1. La machine de découpe Laser ...........................................................................................3 1.1.2. Principe de fonctionnement d’une machine numérique ...............................................3 1.1.3. La Commande Numérique par Calculateur(CNC) ........................................................4 1.1.4. La Conception Assisté par Ordinateur (CAO)................................................................5 1.1.5. La Fabrication Assisté par Ordinateur (FAO) ...............................................................5 1.1.6. Le post-processeur .............................................................................................................5 Synthèse .............................................................................................................................................6 1.2. Les moteurs pas à pas ..............................................................................................................6 1.2.1. Principe de fonctionnement des moteurs pas à pas ......................................................6 1.2.2. Différents types de moteurs pas à pas .............................................................................7 1.2.3. Alimentation du moteur pas à pas ................................................................................ 10 1.2.4. Conclusion ....................................................................................................................... 11 1.3. Les microcontrôleurs de Microchip ................................................................................... 12 1.3.1. Introduction ..................................................................................................................... 12 1.3.2. Les différentes familles des PICs ................................................................................... 12 1.3.3. Organisation d’un PIC.................................................................................................... 12 1.4. Les afficheurs ......................................................................................................................... 14 Conclusion ...................................................................................................................................... 15 Chapitre 2: Etude technique ......................................................................................................... 16 Introduction .................................................................................................................................. 17 2.1. L’alimentation ........................................................................................................................ 17 2.2. L’unité principale .................................................................................................................. 17 2.3. Commande des moteurs pas à pas ...................................................................................... 17 2.3.1. Commande avec des bascules J-K et des transistors ................................................. 18 2.3.2. Commande avec un microcontrôleur et un amplificateur ULN ............................... 18 2.3.3. Commande avec le couple L297 et L298 ...................................................................... 19 2.4. Le pupitre ................................................................................................................................ 20 Conclusion ..................................................................................................................................... 20 Chapitre 3: Réalisation pratique .................................................................................................. 21 Introduction .................................................................................................................................. 22 3.1. La carte alimentation ............................................................................................................ 22 3.2. La carte à microcontrôleur .................................................................................................. 23 3.2.1. Choix de PIC ................................................................................................................... 23 3.2.2. Les entrées et les sorties ................................................................................................ 24

3.3. Les cartes de commande des moteurs pas à pas ............................................................... 25 3.3.1. Choix de la carte ............................................................................................................. 25 3.3.2. Fonctionnement de la carte de commande .................................................................. 26 Conclusion ..................................................................................................................................... 26 Chapitre 4: Programmation et interface graphique ................................................................ 27 4.1. Le microcontrôleur PIC 18F4620 ...................................................................................... 28 4.1.1. Rôle de PIC en mode manuel ........................................................................................ 28 4.1.2. Rôle de PIC en mode automatique ............................................................................... 30 4.1.3. Configuration de la plate forme .................................................................................... 31 4.2. L’éditeur de texte : compilateur de langage CNC ............................................................ 31 4.3. Simulation de trajectoire à suivre ....................................................................................... 32 4.4. Langage de programmation ................................................................................................. 32 4.5. Interpolation de Bressenham .............................................................................................. 32 Conclusion ...................................................................................................................................... 37 Conclusion générale ......................................................................................................................... 38

ABREVIATIONS DSP

Digital Signal Processor

UAL

Unité Arithmétique et Logique

CNC

Commande Numérique par Calculateur

Om

Origine machine

Xm

abscisse outil machine

Ym

ordonnée outil machine

Zm

hauteur outil machine

Op

Origine pièce

OP

Origine Programme

CAO

Conception Assisté par Ordinateur

FAO

Fabrication Assisté par Ordinateur

DFN

Définition de Formes Numérisées

CFAO

Conception, Fabrication Assisté par Ordinateur

MOCN

Machine-Outil à Commande Numérique

RAM

Mémoire vive ou Mémoire PC (Random Access Memory)

ROM

Mémoire morte (Read Only Memory)

EEPROM

Mémoire morte effaçable électriquement et programmable (Electrically Erasable Read Only Memory)

USART

Emetteur-récepteur synchrone/asynchrone universel (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter)

SCI

Interface de communication série (serial communication interface)

LCD

Afficheurs à cristaux liquides (Liquid Crystal Display)

ASCII

Code américain normalisé pour l'échange d'information (American Standard Code for Information Interchange

PWM

Modulation de largeur d'impulsions (Pulse Width Modulation)

STEP

Standard pour l'échange de données de produit (STandard for the Exchange of Product model data en anglais)

ISO

Organisation internationale de normalisation (International Organization for Standardization)

IGES

Initial Graphics Exchange Specification

DXF

Drawing eXchange Format

LISTE DES FIGURES Figure 1. Décomposition d’une machine numérique Figure 2. Machine à trois axes Figure 3. Cycle d’une pièce fabriquée par une commande numérique (CFAO) Figure 4. Moteur pas à pas Figure 5. Principe de fonctionnement du moteur pas à pas Figure 6. Moteur pas à pas à aimant permanent Figure 7. Moteur pas à pas à reluctance variable

Figure 8. Schéma de principe de fonctionnement du moteur pas à pas à reluctance variable Figure 9. Moteur pas à pas hybride Figure 10. Alimentation unipolaire Figure 11. Alimentation bipolaire Figure 12. Architecture d’un microcontrôleur Figure 13. Schéma bloc d’un PIC (exemple 16F877) Figure 14. Commande des moteurs pas à pas à base des bascules J-K et des transistors Figure 15. Commande des moteurs pas à pas avec un microcontrôleur et un amplificateur Figure 16. Commande des moteurs pas à pas avec le couple L297 et L298 Figure 17. Circuit d’alimentation stabilisée Figure 18. Branchement du LM317 Figure 19. Configuration des ports du PIC Figure 20. Adaptation de tension PC ↔ PIC Figure21. Signal du circuit L297en mode biphasé Figure 22. Signal généré par le circuit de commande Figure 23. Droite à tracer Figure 24. Droite discrétisée Figure 25. Tracée d’une ligne avec l’interpolation de Bressenham Figure 26. Interpolation linéaire de Bressenham Figure 27. Adaptation de l’interpolation de Bressenham

LISTE DES ORGANIGRAMMES Organigramme 1. Programme principal Organigramme 2. Le mode manuel

LISTE DES TABLEAUX Tableau 1. Classification des moteurs pas à pas en fonction du nombre de pas Tableau 2. Avantages et inconvénients des moteurs pas à pas

Abdennaji Youssef et Ahmadi Anouar

Commande numérique d’une machine de découpe laser

Introduction Générale ISI est un bureau d’étude en électrique et automatique industriel. Leur dernier projet est une machine de découpe laser avec la norme ISO de commande numérique (code G). Concevoir la partie commande de cette machine fait appel à des algorithmes d’interpolation, commande des moteurs pas à pas, asservissement, interfaçage Homme-Machine… En effet, actuellement, les systèmes à commande numérique représentent le moyen de production le plus important. Notre objectif est d’avoir l’initiative de proposer une conception ainsi que la réalisation d’un prototype. Nous nous intéressons dans la première partie de notre mémoire à l’étude des systèmes numériques, les moteurs pas à pas et les microcontrôleurs. Dans la seconde partie, nous allons élaborer l’étude technique de notre commande numérique puis nous allons expliquer le choix des différents éléments utilisés (microcontrôleur et carte de commande des moteurs pas à pas…). Ensuite, nous allons expliquer le fonctionnement de la machine en expliquant le programme implémenté dans le PIC et la partie de supervision sur l’ordinateur.

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Chapitre 1: Etude bibliographique

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Chapitre 1 : Etude bibliographique 1.1. Généralités sur la commande numérique et la machine de découpe laser Durant ces dernières années, la commande des machines électriques a subi des progrès significatifs. Ces progrès sont essentiellement dus à la révolution technologique en informatique industriel, ce qui a permis le développement de solutions numériques efficaces avec une possibilité d'implanter des algorithmes plus complexes. Ces commandes sont en majorité basées sur les microprocesseurs, les DSP (Digital Signal Processor) et les microcontrôleurs PIC. Ces processeurs sont équipés d'unité arithmétique et logique (UAL) dédiée à la réalisation des calculs arithmétiques. Ils intègrent également des périphériques tels que les convertisseurs analogiques/numériques et les « timers » bien adaptés aux besoins de commande de machines électriques. 1.1.1. La machine de découpe laser La machine de découpe laser est une machine qui est très précise : sa précision est de l’ordre de micromètre. Il s’agit d’une tète commandée par des moteurs pour assurer son déplacement sur deux axes. Cette technique est la plus moderne et elle n’est commandée que numériquement. Notez qu’une machine à tète laser peut faire une découpe comme elle peut graver sur quelques matériaux. 1.1.2. Principe de fonctionnement d’une machine numérique Les machines à commande numérique sont devenues des moyens de production incontournables dans l’industrie. Elles permettent des cadences de production importantes et facilitent l’obtention de surfaces complexes (formes arrondies …). Ce type de machine se compose ainsi de deux parties complémentaires (figure 1): v La partie opérative v La partie commande La partie opérative comporte les axes de déplacement et la tète. La partie commande permet de piloter la partie opérative. Elle est composée d’un calculateur (CNC) et d’éléments électroniques capables de piloter les moteurs : les cartes d’axes.

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Figure 1. Décomposition d’une machine numérique

Des ordres vont être générés vers la commande par le biais d’un code machine ou par action manuelle de l’opérateur. La commande va traiter ces informations et générer des consignes afin d’obtenir les déplacements voulus par le biais des moteurs d’axes. Des contrôles de vitesse et de position seront alors effectués de manière continue par la machine. Il existe 3 principaux types de référentiels à prendre en compte (figure 2): v L’origine machine (Om) qui correspond à la position de référence de la machine où Xm=0, Ym=0 et Zm=0 (s’il y en a). v L’origine pièce (Op) qui peut être décalée par rapport à l’origine machine. v L’origine Programme (OP) qui est généralement confondu avec Op pour faciliter l’usinage.

Figure 2. Machine à trois axes 1.1.3. La commande numérique par calculateur(CNC) C’est en 1942 aux États-Unis que la CN a commencé à être exploitée, pour permettre l’usinage de pompes à injection pour moteurs d’avions. Il s’agissait en fait de cames, dont le profil complexe était irréalisable au moyen d’une machine traditionnelle. La commande numérique a pour tâche de générer des mouvements d’axes. Ces instructions qui viennent du programme pièce ou de l’opérateur machine consisteront en une position et une vitesse de

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déplacement. Le processeur de la commande numérique va alors générer une consigne afin qu’on puisse commander les moteurs d’axes. Elle aura également pour tâche, lors du déplacement des axes, de vérifier la position de ces derniers et dans certain cas, la vitesse de déplacement. Les commandes numériques actuelles sont capables d’effectuer des mouvements en combinant simultanément les positions sur les axes X, Y et Z. Elles s’appellent commande numérique par calculateur. De plus, elles sont capables de gérer plusieurs axes simultanément. On parle alors d’interpolation. Cette dernière peut être linéaire ou circulaire selon la consigne générée par le microcontrôleur de la partie commande. Le rôle de ce processeur est d’interpréter un code machine que l’on appelle un code G, puis de générer les signaux de commande des axes et de la broche. 1.1.4. La Conception Assistée par Ordinateur (CAO) « La CAO permet de concevoir des systèmes dont la complexité dée la capacité de l'être humain comme par exemple en micro-électronique ». Dans notre cas, on s’intéresse à la conception des formes de deux dimensions. Un progiciel tel que Autocad et SolidWorks génère un fichier qui simule la surface, et qui est compréhensible par d’autre progiciel de fabrication assisté par ordinateur. 1.1.5. La Fabrication Assisté par Ordinateur (FAO) La conception de la surface à obtenir est donc réalisée à l'aide d'un progiciel de conception assistée par ordinateur (CAO): on nomme le fichier ainsi obtenu "DFN" pour Définition de Formes Numérisées. Cette modélisation est ensuite « exportée » dans un fichier intermédiaire en utilisant un standard d'échange comme IGES, STEP, DXF ou autre. Certains outils de FAO sont capables de relire directement les fichiers des grands fournisseurs de CAO. Dans d'autres cas, la CAO et la FAO sont complètement intégrées et ne nécessitent pas de transfert. Pour ces progiciels, on parle de CFAO. 1.1.6. Le post-processeur C’est un petit programme utilitaire qui transforme des trajectoires en format neutre en trajectoires en repère MOCN (machine-outil à commande numérique). Ce traducteur tien compte de la cinématique de la machine, de ses courses et de ses capacités. Il signale les erreurs et exprime les trajectoires dans le langage spécifique à la machine [1]. Chaque machine possède donc son propre post-processeur (figure 3).

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Synthèse

Figure 3. Cycle d’une pièce fabriquée par une commande numérique (CFAO)

1.2. Les moteurs pas à pas 1.2.1. Principe de fonctionnement des moteurs pas à pas Ces moteurs comme tous les autres moteurs comportent un rotor et un stator. Le schéma de la figure 4 ci dessous est une représentation simple d'un moteur pas à pas. Plus le nombre d'aimants et de bobines augmente, plus le nombre de pas sera plus grand, et plus la précision augmente [2].

Figure 4. Moteur pas à pas

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Un moteur pas à pas transforme une impulsion électrique en une énergie mécanique permettant le déplacement angulaire du rotor, appelé « pas ». La figure 5 présente le principe de fonctionnement du moteur pas à pas [3].

Figure 5. Principe de fonctionnement du moteur pas à pas

Nous trouvons sur le marché, des moteurs possédant un nombre de pas différents les uns des autres qui assure la précision désirée dans le positionnement. Ce nombre de pas est standardisé et il est le critère le plus important pour le choix d’un moteur. Le tableau 1 résume les valeurs les plus utilisées.

Tableau 1. Classification des moteurs pas à pas en fonction du nombre de pas Nombre de pas par 20

24

48

100

200

400

tour Rotation de l’axe

18 degrés 15 degrés 7.5 degrés 3.6 degrés 1.8 degrés

1.2.2. Différents types de moteurs pas à pas Il y a trois principaux types de moteurs pas à pas : v Les moteurs à aimants permanents v Les moteurs à réluctance variable v Les moteurs hybrides

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0.9 Degrés



1.2.2.1. Moteurs à aimant permanent Les moteurs à aimants permanents sont constitués par le rotor qui possède des pôles NORD et SUD. À cause des aimants permanents, le rotor reste freiné à sa dernière position lorsque le bloc d'alimentation cesse de fournir des impulsions. Une façon simple de voir le système, est de placer une boussole entre deux aimants. Suivant la bobine qui est alimentée et le sens du courant, l'aimant va s'aligner avec le champ (figure 6).

Figure 6. Moteur pas à pas à aimant permanent

1.2.2.2. Moteur à réluctance variable Le moteur à réluctance variable possède un rotor en acier doux non magnétique. Ce rotor est constitué d’un nombre de pôles supérieurs à celui du stator (figure 7).

Figure 7. Moteur pas à pas à reluctance variable

A chaque impulsion de la commande, la phase suivante du stator est alimentée. On constate que les pôles du rotor les plus proches des bobines alimentées se positionnent en face de ces dernières. Suivant l’ordre d’alimentation des phases du stator, on peut choisir le sens de rotation (figure 8).

8



Figure 8. Schéma de principe de fonctionnement du moteur pas à pas à reluctance variable

1.2.2.3. Moteurs hybrides Les moteurs hybrides sont à haute résolution. Le nombre de pas par tour est très important. Ce moteur utilise les deux principes précédents, ce qui permet d’exploiter les caractéristiques intéressantes de chacun des deux. Le rotor comporte en périphérie des dentures en matériau perméable, polarisées par aimant (figure 9).

Figure 9. Moteur pas à pas hybride

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1.2.3. Alimentation du moteur pas à pas 1.2.3.1. Alimentation unipolaire du moteur pas à pas Pour simplifier l’électronique de commande, on construit des moteurs pas à pas à alimentation unipolaire, constitués de deux bobinages à point milieu (figure 10), soit quatre demi-phases, dont cinq fils sont sortis si les points milieux sont réunis.

Figure 10. Alimentation unipolaire

Les commutateurs K1-2 et K3-4 permettent l’alimentation des bobines en régime impulsionnel individuel (état 1 ou 0). Fermons K1-2 sur la position 1, un courant positif circule dans la phase A, le rotor tourne d’un pas de 90° pour adopter une position d’équilibre statique stable dans la direction du flux maximal. Fermons ensuite K 3-4 sur la position 3, un courant positif circule dans la phase C provoquant une nouvelle rotation du rotor d’un pas de 90°. Fermons maintenant K 1-2 sur la position 2, un courant positif circule dans la phase B entraînant le rotor d’un autre pas de 90°. Fermons, enfin, K-3-4 sur la position 4, un courant positif circule dans la phase D positionnant le rotor à sa position initiale. Ici aussi, nous avons effectué un tour complet. Ce système de commande est plus intéressant parce qu'il ne dépend pas de l'ordre d'alimentation des phases. Mais les performances sont nettement plus médiocres en ce qui concerne le couple et la puissance pour un même encombrement.

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1.2.3.2. Alimentation bipolaire du moteur pas à pas Le courant est de signe alterné grâce à l’interrupteur /commutateur. Le principe d’alimentation des phases est simple, on alimente d’abord B1 (figure 10) avec un courant positif, le rotor tourne alors de 90° pour se positionner en position d’équilibre en direction du flux maximal. Ensuite on alimente B2 par un courant positif également, le rotor tourne de nouveau de 90°. Alimentons maintenant B1 avec un courant négatif, une fois encore le rotor fait un pas de 90°. Enfin, alimentons B2 avec un courant négatif, le rotor reprend sa position initiale. Ainsi nous avons effectué un cycle complet.

Figure 11. Alimentation bipolaire

1.2.4. Conclusion Les moteurs pas à pas ne peuvent pas déer une vitesse de rotation assez haute, au-delà de cette vitesse, le moteur ne tourne plus, il vibre (mais cela n'endommage pas le moteur). Ils sont cependant assez puissants, et dans la plupart des applications il n'est pas nécessaire de démultiplier leur couple.

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Tableau 2. Avantages et inconvénients des moteurs pas à pas Avantages

Inconvénients

v Asservissement de position ou de vitesse en boucle ouverte

v Positionnement discret v Faible vitesse maximale

v Fort couple à basse vitesse

v Bruyant, source d’oscillations

v Simplicité de mise en œuvre

v Faible puissance

v Positionnement statique

v Faible rendement

v Fiabilité v Faible prix

1.3. Les microcontrôleurs de Microchip 1.3.1. Introduction Les microcontrôleurs intègrent en un seul circuit toutes les ressources propres à un système minimum contrairement à un microprocesseur qui lui nécessite des fonctionnalités extérieur. Donc un PIC n’est rien d’autre qu’un microprocesseur, c’est à dire une unité de traitement de l’information à laquelle on a ajouté des périphériques internes permettant de réaliser des montages sans nécessiter l’ajout de composants externes. A savoir, une RAM, une ROM, une EEPROM, des ports d’entrée/sortie et pour quelque PIC il y a un convertisseur analogiquenumérique… 1.3.2. Les différentes familles des PICs Il existe trois familles de PIC : v Base-Line : Les instructions sont codées sur 12 bits v Mid-rang : Les instructions sont codées sur 14 bits v High-End : Les instructions sont codées sur 16 bits 1.3.3. Organisation d’un PIC Nous avons indiqué précédemment qu’un microcontrôleur intègre toutes les ressources propres à un système minimum, en effet, la structure d’un PIC est résumée en général au schéma suivant (figures 12 et 13) :

12



Figure 12. Architecture d’un microcontrôleur

Figure 13. Schéma bloc d’un PIC (exemple 16F877)

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1.3.3.1. Le processeur C’est le cœur du PIC car c’est ici que se font les calculs et le traitement des instructions, de plus, le processeur du PIC contient une Unité Arithmétique et Logique(UAL) qui exécute une seule instruction à la fois. 1.3.3.2. La mémoire RAM Lorsqu’un programme "tourne" il fait souvent des calculs intermédiaires par exemple un décomptage

pour

une

temporisation,

pour

stocker

ces

calculs

temporaires

les

microcontrôleurs possèdent de la mémoire RAM interne. 1.3.3.3. La mémoire EEPROM L’EEPROM est une mémoire qu’on peut lire et écrire depuis le programme. Les données stockées dans cette mémoire sont conservées après une coupure de courant et sont très utiles pour conserver des paramètres semi-permanents. 1.3.3.4. Les ports d'Entrée/Sortie Un microcontrôleur PIC possède des entrées/sorties configurables individuellement(TRIS). L’intérêt d’un microcontrôleur réside tout à la fois dans le nombre d’entrée/sortie disponible mais aussi dans leur souplesse de programmation. 1.3.3.6. La liaison série USART La liaison USART (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter) ou SCI (serial communication interface) du PIC peut fonctionner soit en mode synchrone ou asynchrone.

1.4. Les afficheurs Les afficheurs sont un moyen très efficace pour communiquer avec un opérateur. Ils servent à décrire l’état de la machine (menu, liste des erreurs, niveau de progression…) On trouve plusieurs types d’afficheurs, le plus simple est l’afficheur sept segments. On trouve aussi les afficheurs LCDs qui servent à afficher des caractères alphanumériques et les symboles. Et enfin les afficheurs graphiques que affichent des courbes et des images en pixels.

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Conclusion L’étude bibliographique faite durant ce premier chapitre, s’appuie essentiellement sur quelques notions de la commande numérique, des moteurs pas à pas et des microcontrôleurs PIC, elles sont nécessaires pour tenir compte des contraintes que toute réalisation se rapporte à ces études qui devraient être respectées.

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Chapitre 2: Etude technique

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Chapitre 2: Etude technique Introduction Afin de réaliser une commande numérique de deux moteurs pas à pas et une tête laser, nous avons divisé ce projet en divers unités : v Une alimentation v Une unité principale v Un interfaçage entre l’unité principale et la partie opérative v Une interface graphique et un pupitre qui assurent la communication entre l’opérateur et la machine.

2.1. L’alimentation Pour assurer le fonctionnement des nos cartes électroniques, nous avons besoin d’une alimentation continue de 5VDC et 24VDC : v 5VDC 200mA: alimentation pour la partie commande. v 24VDC 2,5A: alimentation pour la partie puissance.

2.2. L’unité principale Le rôle de cette unité est de traiter les informations envoyées par l’ordinateur (mode automatique), ainsi que demandées par l’opérateur via une autre interface de communication (mode manuel).

2.3. Commande des moteurs pas à pas Plusieurs types de commande peuvent être envisagés quand il s’agit d’un moteur pas à pas [4]. Parmi ces commandes nous citons : v La commande avec des bascules J-K et transistors. v La commande avec un microcontrôleur et un amplificateur de la famille ULN. v La commande avec le couple L297 et L298

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2.3.1. Commande avec des bascules J-K et des transistors Dans ce montage (figure 14) la bascule est utilisée suivant le mode J-K et non en mode bascule. Le principe est de mettre les entrées S et R à la masse, la fréquence de moteur désirée est appliquée à l'entrée T. les sorties Q et Si J et K sont à 0, l'état des sorties Q et

s'inversent en fonction de l'état des entrées J-K. ne bouge pas, par contre si J et K sont à 1, alors à

ce moment là, l'état de la sortie Q devient celle de la sortie

et l'état de la sortie

prend

celle de la valeur de Q juste avant l'impulsion envoyée sur l'entrée T.

T

Figure 14. Commande des moteurs pas à pas à base des bascules J-K et des transistors

2.3.2. Commande avec un microcontrôleur et un amplificateur ULN La technique de commande dans cette carte est basée sur un microcontrôleur en configurant pour chaque moteur quatre broches en sortie afin d’envoyer les séquences des impulsions générées par le PIC sur les bornes du moteur pas à pas (figure 15). Chaque moteur reçoit une séquence indépendamment de l’autre à travers un amplificateur ULN pouvant fournir un courant de sortie de 0,5A.

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Figure 15. Commande des moteurs pas à pas avec un microcontrôleur et un amplificateur ULN

2.3.3. Commande avec le couple L297 et L298 L297 est un circuit qui contient toute la circuiterie de commande et de contrôle de moteurs pas à pas unipolaire et bipolaire. Ce circuit est utilisé contement avec un driver double pont tel que le L298 (figure 16). L'ensemble forme une interface idéale pour le contrôle d'un moteur pas à pas par microprocesseur ou microcontrôleur.

Figure 16. Commande des moteurs pas à pas avec le couple L297 et L298

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2.4. Le pupitre Pour faciliter la communication entre l’opérateur et la machine nous avons choisi deux moyens de dialogue qui sont : v Un afficheur LCD qui permet de guider l’opérateur à mettre en œuvre la machine (vitesse manuelle, origine pièce…). v Une manette pour manipuler le menu présenté sur l’afficheur et commander les moteurs pas à pas en mode manuel.

Conclusion Nos études théoriques nous permettent d’aborder la partie pratique de notre projet à fin de réaliser les cartes électroniques. Le principe de fonctionnement, les fonctionnalités des différentes parties du système conçu et tout ce qui a un rapport avec la conception du système seront étudié en détail dans le chapitre suivant.

20



Chapitre 3: Réalisation pratique

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Chapitre 3: Réalisation pratique Introduction Dans ce chapitre nous allons décrire les solutions adoptées par détail pour répondre aux spécifications de notre cahier de charge et ce en abordant la conception détaillée de chaque partie du système afin d’obtenir une schématisation complète et précise du système.

3.1. La carte alimentation Comme indiqué précédemment nous devons réaliser deux tensions continues 5VDC 200mA et 24VDC 2,5A. Pour cela, nous avons pensé au circuit suivant (figure 17):

Figure 17. Circuit d’alimentation stabilisée 22



Pour obtenir une tension de 5V, nous avons utilisé une tension 12VAC de la source. Après le redressement et le filtrage, un régulateur de tension LM7805 permet la stabilisation d’une tension fixe de valeur 5VDC. Pour obtenir une tension de 24V, nous avons ajouté un régulateur LM317 après le redressement et le filtrage (figure 18). Nous avons branché la patte de référence du LM317 (ADJ) à un potentiomètre (P) permettant d’obtenir une tension V2 de valeur 24,6 volts. Cette tension sera reliée à la base du transistor de puissance 2N3055 pour obtenir une tension V3 égale à 24 volts sur son émetteur. Le transistor 2N3055 permet de fournir un courant suffisant pour alimenter les blocs de puissance. La figure suivante représente un "zoom" du branchement du régulateur LM317.

Figure 18. Branchement du LM317

3.2. La carte à microcontrôleur Le PIC est le cœur de la commande, c’est lui que toutes les périphériques sont reliés, et c’est lui qui traite les données envoyées par l’ordinateur ou demandées par l’opérateur via le pupitre. Comment ces périphériques sont-ils reliés ? Comment est-il protégé contre les parasites et les bruits du signal ? Et comment assure-t-il la communication avec le PC ? 3.2.1. Choix du PIC Microchip offre une vaste gamme de microcontrôleurs, et afin de choisir un PIC adéquat à notre projet, nous avons pensé à l’utilisation du PIC16F877, qui a un nombre de ports d’entrée/sortie suffisant et possède l’interface USART. Nous l’avons testé au début de notre stage, mais le problème que nous avons rencontré c’est au niveau de sa capacité de mémoire limitée, pour cela nous avons cherché un autre PIC qui répond à nos besoins. Le choix final était le PIC18F4620 qui à une mémoire programme 64Ko et qui est largement suffisante. Le 23



PIC18F4620 et le PIC16F877 ont tous les deux 40 broches et ont la même architecture d’entrée-sortie, donc nous n’avons eu aucun problème pour er au nouveau PIC ni au niveau programmation ni au niveau matériel. 3.2.2. Les entrées/sorties du PIC18F4620 La figure 19 présente un shéma qui donne une idée sur la configuration des ports de PIC :

Figure 19. Configuration des ports de PIC

3.2.2.1. Les entrées du PIC Parmi les entrées du PIC on trouve l’oscillateur externe qui est un quartz de 20 MHz, il est à noter que le PIC 18F4620 peut fonctionner même avec un quartz 40 MHz, mais une oscillation de 20MHz suffit pour que le PIC fait tout les calculs nécessaires à moins que nous changeons l’algorithme d’interpolation par un autre qui prend plus de temps. Afin d’isoler le PIC du monde externe, nous avons utilisé des optocoupleurs qui garantissent une isolation galvanique pour la protection du PIC. 3.2.2.2. Les sorties du PIC En sortie, nous trouvons l’afficheur LCD, le buzzer pour l’alarme et la commande des moteurs et de la tète. L’afficheur LCD a deux modes de fonctionnement : mode huit bits et mode quatre bits. L’avantage de la commande par huit bits est la possibilité de contrôler l’affichage par pixel, c’est-à-dire d’afficher des caractères spéciaux personnalisés (chaque caractère peut être 24



affiché sur une matrice huit*cinq pixels). Vu que le code ASCII répond à nos besoins d’affichage, nous avons choisi le mode quatre bits. 3.2.2.3. La connexion série En mode automatique, le PIC est commandé par l’ordinateur. Les instructions en code G sont envoyées par le PC sous forme de trame et le PIC les exécute. Cette connexion est assurée par le port série de l’ordinateur (RS232) (figure 20).

Figure 20. Adaptation de tension PC ↔ PIC

La vitesse de transmission est fixée à 115200 bauds. Une instruction de 19 caractères telle que « G00 X123.43 Y218.65 » occupe moins que 4 millisecondes lors de l’envoi vers le PIC. C’est une vitesse très satisfaisante pour notre application.

3.3. La carte de commande des moteurs pas à pas 3.3.1. Choix de la carte D’après les études préalables nous avons choisi les circuits de commandes L297 et L298 pour les raisons suivantes : v Le circuit L297 est simple, robuste, disponible, et tout est intégré: half/full step, réglage intensité par PWM, etc. v Le L297 se branche directement sur un pont en H, pour cela on a utilisé le circuit L298 qui permet de fournir de couple désiré pour notre système. v Cela ne nécessite que deux pattes par moteur: vitesse et sens.

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3.3.2. Fonctionnement de la carte de commande 3.3.2.1. Le circuit de commande L297 Le circuit L297 est un circuit d’interfaçage qui s’intègre entre le pic et le circuit de puissance L298 [4]. Il sert à générer le signal PWM suite à des commandes reçues de la part du pic (figure 21).

Figure 21. Signal du circuit L297en mode biphasé

3.3.2.2. Le circuit de puissance L298 Le circuit intégré L298 contient deux étages de puissance configurés en pont H, chacun commandé par deux entrées logiques (A, B, C et D) ainsi que deux entrées de validation (INH1 et INH2). De plus, deux broches sont connectées en interne aux émetteurs des transistors qui permettent la connexion de résistances de contre réaction pour l’asservissement du courant.

Conclusion Dans ce chapitre nous avons pu réaliser avec succès nos cartes électroniques selon notre choix étudié. En plus le coût global de la réalisation de cette carte est nettement inférieur au prix d’achat des cartes originales auprès du constructeur.

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Chapitre 4: Programmation et interface graphique

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Chapitre 4: Programmation et interface graphique 4.1. Le microcontrôleur PIC 18F4620 Le PIC joue un rôle principal dans la carte : c’est lui qui traite les données reçues par l’ordinateur, les capteurs et les boutons, qui pilote les moteurs et la tète et c’est lui qui communique avec l’opérateur en mode manuel grâce à l’afficheur et la manette. Notre commande présente deux modes de fonctionnement: mode manuel et mode automatique (organigramme 1).

Organigramme 1. Programme principal

4.1.1. Rôle du PIC en mode manuel En mode manuel, l’opérateur peut commander les moteurs directement par la manette. Pour achever cette tâche, nous avons proposé plusieurs choix à l’aide de l’afficheur LCD (organigramme 2) :

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v Mouvement continue : lors de déplacement des moteurs, si l’opérateur appui sur un bouton de déplacement, la tête se déplace d’une manière continue avec une vitesse réglable. v Incrémentation par pas : pour un réglage fin, plusieurs distances de déplacement sont proposées. Dans ce mode, un seul appui génère un déplacement d’une seule unité choisie par l’opérateur. v Réglage de la vitesse : la vitesse de la tête en mode manuel est réglable. Le choix de cette vitesse est limité par la vitesse minimale et maximale indiquées au manuel des moteurs (Vmin ,Vmax). v Prise d’origine : la prise d’origine est essentielle pour que le PIC configure l’origine absolue du déplacement. Cette origine est indiquée par deux butées de fin de course. Un lancement de prise d’origine déplace la tête dans le sens X- jusqu’à atteindre la butée de fin de course X- puis il s’éloigne quelques pas de cette butée vers le sens X+, et de même pour l’axe Y. v Retour à zéro : il s’agit de déplacer la tête à l’origine absolue. Ce qui diffère de la prise d’origine décrite précédemment c’est que la tête retourne à l’origine sans er par les butées, donc il est basé sur l’estimation de la position calculé par le PIC. v Retour à l’origine programme : l’origine programme est par défaut l’origine absolue de la table, en fait, c’est l’origine de la pièce. Cette origine peut être changée par le code en G en mode automatique ou même manuellement. Une fois changé, le PIC le mémorise dans son EEPROM. v Mémoriser l’origine programme : si l’opérateur veut changer cette origine, il doit déplacer la tête manuellement à l’aide du déplacement continu et l’incrémentation par pas, puis il exécute la mémorisation.

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Organigramme 2. Le mode manuel

4.1.2. Rôle du PIC en mode automatique En mode automatique, le PIC reçoit les instructions en code G et les exécute l’une après l’autre. Il y a plusieurs étapes pour achever cette tache. Commençant par la réception de l’instruction jusqu’à la commande des moteurs et de la tète. 4.1.2.1. Protocole de communication entre l’ordinateur et le PIC: Si l’opérateur choisi le fonctionnement en mode automatique, le PIC entre dans une boucle qui envoi le mot ‘CNC-2010’ qui est le mot clé pour se connecter avec l’ordinateur. Ce mot signifie qui le PIC est prêt pour recevoir les données. Une fois l’opérateur ouvre le port série et reçoit ce mot, il annonce qu’il a reconnu la machine. Ensuite, il envoi au PIC « PFE-2010 » pour qu’il sorte de cette boucle et qu’il e à une boucle pour attendre les instructions. Il faut noter qu’il y a deux conditions pour que le PIC sorte de ces boucles, soit il reçoit une réponse de l’ordinateur, soit l’opérateur appui sur la touche ECHAP de la manette. 30



4.1.2.2. Réception et traitement des données Une fois la carte de commande est reconnue par l’ordinateur, s’il y a une liste des instructions en code G à exécuter, l’ordinateur les envoie, comme indiqué précédemment, l’un après l’autre, pour chaque instruction, le PIC la mémorise en mémoire RAM, la compile pour savoir l’opcode (code de l’opération) et évidement ses paramètres s’ils existent. Chaque opcode de code G a une fonction spécifique, s’il s’agit d’un paramétrage, l’instruction affecte une variable en EEPROM tels que l’origine programme, origine pièce, vitesse de déplacement… et s’il s’agit d’un déplacement, le PIC fait appel à l’interpolation de BRESSENHAM liée à ce déplacement (interpolation linéaire et interpolation circulaire). Enfin, le PIC envoi le mot ‘PRET’ pour indiquer au PC qu’il est prêt à recevoir l’instruction suivante. Le code ‘M02’ ou l’appui sur le bouton ECHAP termine le dialogue. 4.1.2.3. Affichage sur LCD Dans ce mode (mode automatique), le PIC affiche le message ‘Connexion en cours…’ avant de recevoir le mot ‘PFE-2010’. Après la connexion, il affiche ‘Connexion établie’ 3 secondes puis affiche ‘PRET’ jusqu’à la réception d’une instruction. Si le PIC est en cours d’exécuter une instruction, il l’affiche. 4.1.3. Configuration de la plateforme Autre que le mode manuel et le mode automatique, il y a le mode configuration. Dans ce mode, nous pouvons configurer les dimensions de la table. Afin de configurer les dimensions, l’opérateur est appelé à mettre la tête aux coins inverses de l’origine table après le lancement d’une prise d’origine. Cela est nécessaire pour mémoriser les distances maximales des axes X et Y. Ainsi, ces paramètres sont enregistrés dans la mémoire EEPROM. Enfin, pour faciliter la maintenance du programme du PIC, chaque version est notée par son numéro, ensuite un numéro qui indique la progression de la version en ant par les versions Beta (la version finale a le numéro 99), puis la date de compilation du programme et son programmateur. Pour notre cas, c’est la version « 1.99.062010 Abdenneji.Ahmadi ».

4.2. L’éditeur du texte : compilateur de langage CNC L’éditeur de texte est une interface graphique sur l’ordinateur où l’opérateur peut traiter le code G à exécuter. Ensuite, ce texte doit être compilé, s’il y a des erreurs ; l’opérateur est

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prévu afin de les corriger. Une fois compilé, le code est prêt à envoyer au PIC ou à simuler sur l’ordinateur.

4.3. Simulation de trajectoire à suivre Donc comme nous avons indiqué, l’opérateur peut simuler son code grâce à une interface graphique. Comme le compilateur à la tache d’éviter les erreurs de compilation, cette simulation a le but d’éviter les erreurs de programmation et de calcul des coordonnées.

4.4. Langage de programmation Pour la programmation du PIC, nous avons testé, durant notre stage, plusieurs langages de programmation. A savoir : PIC C, MicroPascal, MicroC et MicroBasic. Nous avons choisi finalement le langage Basic parce qu’il est le plus simple, et son manuel est très complet. Pour la programmation de l’interface graphique sur l’ordinateur, nous avons choisi le Visual Basic sur le système d’exploitation Windows et Gambas sur Linux.

4.5. Interpolation de Bressenham L’interpolation de Bressenham [5] est un algorithme de base pour beaucoup de traitements de l'Informatique Graphique: dessin en fil de fer, remplissage, élimination des parties cachées… Nous désirons tracer un segment entre deux points (Xi, Yi) et (Xf, Yf). Ce tracé est effectué sur un écran bitmap (composé d'une matrice de n x m pixels carrés) qui représente notre plateforme commandée par les deux moteurs pas à pas. Donc, le segment doit être discrétisé de la manière suivante (figures 23 et 24):

Figure 23. Droite à tracer 32



Figure 24. Droite discrétisée

Notre but est de tracer le moins de pixels possible. Pour cela nous traçons un nombre de pixels égal à : N=1+max (abs (Xi-Xf), abs (Yi-Yf)) Si abs(Xi-Xf) < abs(Yi-Yf), nous traçons un pixel et un seul par ligne interceptant le segment, sinon nous traçons un pixel et un seul par colonne interceptant le segment (figure 25).

Figure 25. Tracée d’une ligne avec l’interpolation de Bressenham Nous posons comme hypothèse simplificatrice: Xf > Xi Yf > Yi et (Xf-Xi) ≥ (Yf-Yi)

33



Tous les autres cas peuvent s'y rapporter. Le coefficient directeur de la droite ant par les deux sommets il est positif et inférieur ou égal à 1. Au cours de l'exécution, nous quantifions, pour chaque pixel allumé, la différence entre ses cordonnées entières (utilisées pour l’affichage raster) et réelles telles qu'elles sont calculées sur le segment continu. Nous allumons un pixel en chaque abscisse entière x de Xi à Xf et nous utilisons une variable cumul pour stocker une estimation de la différence entre l'ordonnée entière et l'ordonnée réelle. Le dernier pixel allumé a pour coordonnées (Xf, Yf) car dx/2+dy*dx est la valeur totale de ce qui a été accumulé dans cumul au cours de l'exécution (figure 26). v

† ൅†› Ǥ†š ʹ

݀‫ݔ‬

ൌ †› est le nombre de fois où y a été incrémenté de 1.

v l’ordonnée du dernier pixel allumé est Yi + dy = Yf.

Figure 26. Interpolation linéaire de Bressenham

Caractéristiques v Plus grande complexité algorithmique. v Rapidité due à l'utilisation exclusive d'entiers courts (valeurs maximales de l'ordre de la résolution de l'écran -> petites valeurs) et d'opérations arithmétiques simples sur ces entiers (additions, soustractions et comparaisons).

34



Algorithme adapté pour le tracé de tout segment Utilisation de deux variables Xinc et Yinc pour gérer des incréments de 1 ou -1 pour x variant de Xi à Xf et y variant de Yi à Yf (figure 27).

Figure 27. Adaptation de l’interpolation de Bressenham

Deux parties alternatives dans l'algorithme: ·

une pour l'incrémentation en x

·

l'autre pour l'incrémentation en y, en fonction de la pente du segment.

procédure Tracer_Ligne

'procédure d'interpolation Linéaire

erreur=0 Si px>maxx alors erreur=1

'contrôle déement course maxi

sinon si py>maxy alors erreur=2 sinon si px<0 alors erreur=3

'contrôle de déement course mini

sinon si py<0 then fail=4 end if fin si fin si fin si dx = px – ax dy = py - ay 'déterminer le mouvement des axes Cx = ax Cy = ay Tdx = dx * 2 Xinc = 1 mx=0

Tdy = dy * 2 Yinc = 1

my=0

si dx < 0 alors Sens_M1 = 0 dirx = 0 Xinc = -1 Tdx = - Tdx dx = -dx 'déterminer la ‘direction du mouvement 35



sinon Sens_M1 = 1 dirx = 1 fin si si dy < 0 alors Sens_M2 = 0 diry = 0 Yinc = -1 Tdy = - Tdy dy = -dy sinon Sens_M2 = 1 diry = 1 fin si si (erreur=0) et ((Dx<>0) ou (Dy<>0)) alors si dy <= dx alors ErrX = 0 Tant que (Cx <> px) et (Arret_Urg=1) et (pause=0) et (butee_X=1) et (butee_Y=1) Cx = Cx + Xinc mx = mx + 1 Incrémenter(M1) ErrX = ErrX + Tdy Si ErrX > dx alors Cy = Cy + Yinc my = my + 1 Incrémenter(M2) ErrX = ErrX - Tdx Fin si Fin tant que sinon ErrY = 0 tant que (Cy <> py) Cy = Cy + Yinc my = my + 1 Incrémenter(M2) ErrY = ErrY + Tdx si ErrY > dy alors Cx = Cx + Xinc mx = mx + 1 Incrémenter(M1) ErrY = ErrY - Tdy

36



Fin si Fin tant que Fin si Fin si si dirx = 1 alors ax = ax + mx

'mise à jour des compteurs

sinon ax = ax - mx fin si si diry = 1 alors ay = ay + my sinon ay = ay - my fin si fin procédure

'fin procédure d'interpolation Linéaire

Algorithme 1. Procédure d’interpolation linéaire adoptée après modification

Conclusion

Après des tests pratiques sur notre plateforme nous avons constaté que l’algorithme de BRESSENHAM que nous avons présenté est suffisamment précis pour tracer une trajectoire linéaire. Mais, pour bien exploiter cet algorithme, il existe des améliorations pour l’appliquer à des machines telle que la nôtre [6]. Ces améliorations touchent l’accélération et l’optimisation du code.

37



Conclusion Générale Après la réalisation pratique, et le test des différentes cartes assemblées, nous affirmons que nous avons achevé notre tâche demandée : la commande d’un prototype d’une machine de découpe laser. L’avantage de notre commande est qu’elle est à la norme ISO de la commande numérique des machines à deux axes. Toutefois, elle peut être facilement exploitée pour ajouter un troisième et même un quatrième axe. Nous avons rencontré plusieurs problèmes durant la conception de la commande et la réalisation pratique (protocole de communication, couple des moteurs et leurs vitesses…), mais grâce à ce que nous avons appris durant nos études académiques et l’assistance de nos encadrants, nous pouvions confronter ces difficultés.

38

Bibliographie Ouvrages [2] Electronique et loisir, Février 2000, numéro 9 [1] Frédéric Charpentier, Comprendre le fonctionnement d’une machine à commande numérique. » Application à la MOCN, Technologies et formations N° 124 et N° 125, 2005 [3] G. Pinso, Physique Appliquée Moteur pas à pas - C35 / 1 [5] John Kennedy, Bresenham's Integer Only Line Drawing Algorithm [6] John Kennedy, A Fast Bresenham Type Algorithm For Drawing Circles [4] Patrice Oguic, Moteurs pas-à-pas et PC, , édition Dunod, deuxième édition Sites web http://fr.wikipedia.org http://www.cncloisirs.com

ANNEXE

Annexe -1- : Moteur PM55L-048

Moteur pas à pas PM55L-048

Caractéristique du moteur

Annexe -2- : Circuit de commande Circuit L297

Fonctionnement des broches

Mode monophasé

Mode biphasé

Mode demi-pas

Circuit L298

Fonctionnement des broches

Branchement de L297 avec L298

Architecture interne du L298

Annexe -3- : PIC 18f4620

Brochage de PIC

Architecture interne du PIC 18F4620

Annexe -4- : LM317

Caractéristique de LM317

Annexe -5- : 2N3055

Caractéristique de transistor 2N3055

Annexe -6- : LM7805

Caractéristique de LM7805

Annexe -7- : optocoupleur 4N25

Caractéristique de 4N25

Annexe -8- : ULN2004

Architecture interne du ULN2004

Annexe -9- : G code

Résumé Notre projet est la conception d'une commande numérique d'une machine de découpe laser avec la norme ISO (code G). Concevoir la partie commande de cette machine fait appel à des algorithmes d’interpolation, commande des moteurs pas à pas, asservissement, interfaçage Homme-Machine…

Mots Clés CFAO, CNC, moteurs pas à pas, PIC, algorithme de Bressenham Abstract Our project is the design of digital control of a laser cutting machine with the ISO standard (Code G). Deg the control part of this machine uses interpolation, control stepper motors, servo control, man-machine interface...

Key words CFAO, CNC, stepper motor, PIC, Bressenham algorithm

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