Créer une machine CNC compacte avec seulement les pièces essentielles – Tutoriel graveur laser DIY

Présentation

Dans ce tutoriel, je vous montre comment j'ai construit la machine CNC la plus simple possible, avec un minimum de pièces et sans utiliser d'imprimante 3D. J'utilise habituellement des imprimantes 3D pour mes projets, car elles sont excellentes pour le prototypage. Cependant, tout le monde n'en possède pas, c'est pourquoi je voulais démontrer qu'on peut réaliser des projets même sans imprimante 3D ni autre machine CNC.

Vous pouvez regarder la vidéo ci-dessous ou lire le tutoriel écrit.

Vue d'ensemble

Je construis cette machine CNC en utilisant un seul outil électrique (une perceuse) et plusieurs outils manuels. Le matériau utilisé est du panneau MDF de 8 mm, qui est assez solide et probablement plus rigide que du PLA imprimé en 3D, tout en étant facile à travailler.

Dans cette vidéo, j'utilise cette machine CNC comme graveur laser, et dans une future vidéo, je prévois de la faire fonctionner comme traceur à stylo.

Évidemment, ce type de construction n'offre pas beaucoup de rigidité, donc on ne peut pas l'utiliser comme fraiseuse CNC. Toutefois, si on y attache un laser plus puissant, on pourrait couper divers matériaux comme ce panneau MDF ou d'autres panneaux de bois avec une bonne précision.

La zone de travail est assez grande : 390 x 360 mm, et le niveau de détail que ce graveur laser peut produire est impressionnant. Honnêtement, j'ai été surpris par la qualité des gravures.

Le cerveau de cette machine CNC est une carte Arduino UNO combinée à un shield CNC, mais plus de détails sur cela, ainsi que sur la préparation de vos dessins ou images pour la gravure laser, la génération de G-code et le contrôle de la machine avec des logiciels libres et open-source, un peu plus loin dans la vidéo.

Modèle 3D du graveur laser CNC DIY

J'ai commencé par concevoir la machine avec SOLIDWORKS for Makers. Les deux composants principaux sont des rails linéaires MGN15H avec leurs blocs coulissants adaptés.

Pour entraîner les blocs sur les deux axes, nous utilisons deux moteurs pas-à-pas NEMA 17, des poulies GT2 et des courroies de distribution. Pour tout assembler, nous utilisons du panneau MDF de 8 mm, et pour le référencement (homing), deux micro-interrupteurs de fin de course.

Et c'est tout : une machine CNC avec le minimum de pièces possible.

Vous pouvez télécharger le modèle 3D ici :

Vous pouvez trouver et télécharger ce modèle 3D, ainsi que l'explorer dans votre navigateur sur Thangs :

Télécharger le modèle 3D d'assemblage depuis Thangs.

Merci à Thangs pour le soutien de ce tutoriel.

Voici le dessin de la plaque de montage centrale :

Voir aussi : Machine de découpe mousse CNC Arduino

Assemblage de la machine

Très bien, nous pouvons maintenant commencer la construction. Voici la liste des composants nécessaires pour assembler cette machine CNC DIY. La liste des composants électroniques se trouve plus bas dans la section schéma de câblage.

• Rail linéaire MGN15H ………………………… Amazon / Banggood / AliExpress
• Moteur pas-à-pas – NEMA 17 ………….…
• Courroie GT2 + Poulie dentée …………………… Amazon /
• Poulie folle GT2 ………………………………… Amazon / Banggood / AliExpress
• Écarts filetés (spacer nuts) …………………………….…….. / Banggood / AliExpress
• Jeu de boulons et écrous …………………………… Amazon / Banggood / AliExpress ou quincaillerie + Vis à tête plate 3x16mm
• M2x20 x2, M3x12 x20, M3x16 x6, M5x25 x5, vis 3x16mm x20

Voici le panneau MDF de 8 mm que j'utiliserai, et selon les plans tirés du modèle 3D, je vais maintenant découper les pièces à la bonne taille.

En relation : Traceur à stylo DIY avec changeur d'outil automatique | Machine de dessin CNC

Pour cela, j'ai utilisé la méthode la plus simple : un crayon pour marquer les coupes et une scie à main pour les réaliser.

Bien sûr, cela demande un certain effort de tout couper à la main, mais on peut obtenir des pièces assez nettes et propres même avec cette méthode.

Une fois toutes les pièces découpées, je suis passé au perçage des trous. Percevoir les trous avec précision est en fait plus important que la découpe elle-même. Les positions des trous doivent être très précises car elles doivent s'adapter à d'autres pièces aux dimensions fixes et précises, comme les rails linéaires et les moteurs pas-à-pas.

La plaque centrale, où sont montés l'axe Y et les moteurs pas-à-pas, comporte de nombreux trous. Pour les réussir, j'ai imprimé un dessin de cette pièce à l'échelle réelle.

Les imprimantes classiques sont accessibles à tous, donc je me suis dit que ce n'était pas de la triche d'en utiliser une pour ce projet. Ainsi, on peut positionner la pièce et le dessin et marquer l'emplacement des trous. Puis on perce, bien que cela ne garantisse pas une précision à 100 %. On travaille toujours à la main, il faut donc être très concentré et patient pour bien faire.

Il nous faut des forets de 3 et 5 mm, ainsi qu'un foret de 25 mm pour faire l'ouverture du moteur pas-à-pas.

Ensuite, j'ai continué avec l'assemblage de la base de la machine, sur laquelle le rail de l'axe X sera fixé. J'ai marqué la position où la pièce de support du rail doit être fixée, et percé deux trous sur la pièce de base, et un trou sur la pièce de support.

J'ai ensuite fixé ces deux pièces avec la première vis de 3 mm et de la colle à bois. Avec la première vis en place, j'ai vérifié l'équerrage, puis pré-percé le deuxième trou sur le support avec un foret de 2 mm.

De manière similaire, j'ai ajouté deux équerres pour un meilleur support.

Honnêtement, cette méthode d'assemblage des pièces en MDF n'est pas idéale, car il est vraiment difficile de les mettre d'équerre, tout étant fait à la main et les panneaux MDF n'ayant que 8 mm d'épaisseur, ce qui complique encore le processus. Une meilleure et plus facile méthode serait d'utiliser des équerres métalliques qu'on trouve facilement en quincaillerie.

Néanmoins, une fois les deux côtés prêts, j'ai installé le rail de l'axe X.

Ces rails MGN15H offrent un mouvement très fluide et sans jeu, leurs blocs coulissants ayant des billes ou des rouleaux à l'intérieur.

Avant de les installer, il faut bien les nettoyer et les graisser. J'ai fixé le rail linéaire en place avec deux boulons M3 de chaque côté.

Ensuite, nous devons installer l'axe Y sur le bloc coulissant de l'axe X. Pour cela, nous utiliserons la plaque centrale.

À nouveau, nous utilisons des boulons M3 pour fixer les pièces ensemble. Pour fixer les moteurs pas-à-pas, nous avons aussi besoin de boulons M3.

En plus de cela, pour l'un des moteurs, j'utilise des écrous écartés afin d'obtenir une hauteur de montage correcte, bien que j'aurais pu monter ce moteur sous la plaque et éviter ces écrous.

Pour entraîner l'axe X, nous devons installer deux poulies folles GT2 près de l'arbre du moteur pas-à-pas afin de créer une tension correcte entre la courroie et la poulie du moteur.

Nous avons besoin de boulons et écrous M5 pour les fixer. Pour l'axe Y, nous n'avons besoin que d'une seule poulie folle de l'autre côté du rail, car la courroie de cet axe sera installée en boucle.

Très bien, maintenant vient l'assemblage final : connecter les rails des axes X et Y ensemble. Nous le faisons avec quatre boulons M3. Cette connexion est cruciale pour la précision de toute la machine.

À l'aide d'une équerre, nous devons vérifier si les deux axes sont perpendiculaires l'un à l'autre, et si ce n'est pas le cas, les ajuster correctement.

Ensuite, nous pouvons installer les pièces qui vont sur le bloc coulissant de l'axe Y et qui maintiennent l'effecteur final, dans ce cas le module laser. En utilisant la méthode expliquée précédemment, j'ai assemblé ces pièces et les ai fixées au bloc coulissant avec quatre boulons M3.

Maintenant, nous pouvons fixer le module laser en place avec deux boulons M3.

J'ai continué avec l'installation des courroies GT2. J'ai mesuré la longueur nécessaire et coupé la courroie à la bonne taille.

Pour fixer la courroie au bloc coulissant, j'ai utilisé deux boulons M5 et des colliers de serrage (zip ties).

J'ai fixé le premier côté de la courroie au boulon M5 avec un collier, puis tendu la courroie de l'autre côté et l'ai fixée au deuxième boulon avec un autre collier.

Pour l'axe X, la courroie sera tendue en ligne d'un côté à l'autre en passant par les trois poulies de manière à assurer une tension ou un grip avec la poulie du moteur pas-à-pas.

J'ai fixé la courroie des deux côtés avec un seul boulon et une pièce de MDF carrée.

Notre machine CNC est presque terminée. Il reste encore quelques choses à faire.

En dessous, j'ai collé des patins de meuble pour que la machine reste bien en place.

Puis j'ai installé le micro-interrupteur de fin de course pour l'axe Y. Nous avons besoin de deux boulons M2 pour cela.

Pour le fin de course de l'axe X, j'avais oublié de faire les trous sur la plaque centrale, donc je les ai marqués et percés sur place.

C'était un peu serré pour fixer ce fin de course, mais au final, ça a bien fonctionné.

Connexion des composants électroniques

La partie mécanique est maintenant terminée, nous pouvons passer à la connexion des composants électroniques. Comme mentionné, nous utiliserons une carte Arduino UNO combinée à un shield CNC et deux drivers de moteurs pas-à-pas DRV8825 ou A4988.

Je vais fixer la carte Arduino sur le côté de la machine, donc j'ai marqué deux trous de l'Arduino et les ai percés avec un foret de 3 mm. J'ai utilisé des écrous écartés de 5 mm entre le panneau latéral et la carte Arduino.

Le shield CNC s'insère simplement sur l'Arduino. Il faut insérer 3 jumpers par driver pour avoir la plus haute résolution de pas (micro-pas).

Notez que ces trois jumpers doivent être retirés car nous n'en avons pas besoin. Je les avais utilisés dans un précédent projet.

Ensuite, nous pouvons connecter les moteurs pas-à-pas avec les câbles fournis. Pour connecter les fins de course, nous avons besoin de deux fils par interrupteur.

J'ai soudé une extrémité des fils directement sur les fins de course, et de l'autre côté, j'ai soudé des connecteurs femelles pour pouvoir les brancher facilement sur le shield CNC.

Pour connecter le module laser, nous avons besoin de 3 fils : GND, 12V et une ligne de signal pour le contrôle PWM. Ces fils doivent être un peu plus longs pour atteindre le point le plus éloigné de la machine.

D'un côté, nous avons le connecteur 3 broches qui va dans le module laser, et de l'autre, les fils GND et 12V qui iront au connecteur d'alimentation du shield CNC, et la ligne de signal qui doit être connectée à la broche Z+ ou Z- du fin de course.

Schéma de câblage du graveur laser CNC DIY

Voici le schéma de câblage montrant comment tout doit être connecté.

Vous pouvez vous procurer les composants nécessaires pour ce projet via les liens ci-dessous :

• Moteur pas-à-pas – NEMA 17………………
• Driver pas-à-pas DRV8825……….……..…
• Shield CNC Arduino ………………………. Amazon / Banggood / AliExpress
• Arduino Uno………………………………..…
• Fin de course (Limit Switch) …………………………………. Amazon / Banggood / AliExpress
• Alimentation DC …………………………. Amazon / Banggood / AliExpress
• Module Laser ………………………………. Amazon / Banggood / AliExpress
• Lunettes de protection laser …………………….. Amazon / Banggod / AliExpress

Nous utilisons donc une carte Arduino UNO avec un shield CNC et deux drivers DRV8825 ou A4988. Nous avons deux micro-interrupteurs pour le référencement (homing) et un module laser 12V contrôlable en PWM. Pour l'alimentation, nous avons besoin d'une alimentation 12V d'au moins 3 ampères.

Firmware et logiciel de contrôle

Avec cela, l'assemblage de la machine est terminé. Il reste à lui donner vie, c'est-à-dire en faire une vraie machine CNC. Pour cela, il faut installer un firmware sur l'Arduino pour contrôler les mouvements.

Le choix le plus populaire pour les machines CNC DIY est le firmware open-source GRBL. En plus du firmware GRBL, nous avons aussi besoin d'un logiciel de contrôle pour envoyer les G-codes et dire à la machine quoi faire. Dans ce cas, nous utiliserons LaserGRBL. Ce logiciel est spécialement conçu pour contrôler des graveurs laser avec le firmware GRBL, et c'est vraiment un excellent contrôleur pour cet usage, d'autant plus qu'il est aussi open-source.

Avec LaserGRBL, nous avons l'option de flasher (téléverser) directement le firmware GRBL sur l'Arduino, sans avoir à le faire manuellement. On peut même choisir une version prête à l'emploi pour machines à deux axes avec seulement le homing X et Y, exactement comme nous en avons besoin.

Une fois l'Arduino flashé avec le firmware GRBL, nous pouvons connecter notre machine au contrôleur et ouvrir la fenêtre de configuration GRBL pour ajuster certains paramètres selon notre machine.

La première chose à régler est la résolution de déplacement ou les valeurs steps/mm pour les axes X et Y. Ces valeurs indiquent combien de pas le moteur doit faire pour bouger de 1 mm. Cela dépend du type de moteur pas-à-pas, de la résolution de pas sélectionnée et de la transmission de mouvement, ici courroie et poulie GT2.

Voici comment calculer ces valeurs pour notre machine. Les valeurs par défaut sont généralement 250 steps/mm. On peut maintenant déplacer la machine avec les commandes JOG, par exemple 20 mm, et observer de combien la machine bouge réellement.

Dans mon cas, pour un JOG de 20 mm sur l'axe Y, le mouvement réel était de 31 mm.

Donc, 20/31 = 0,645, et en multipliant cette valeur par 250, on obtient 161,29. C'est la valeur qu'il faut définir comme steps/mm pour notre machine.

Si on essaie de déplacer la machine maintenant avec les valeurs mises à jour, elle devrait bouger de la distance exacte. Si vous n'êtes pas satisfait, vous pouvez encore affiner ces valeurs en dessinant des carrés et en les mesurant. J'ai fini par utiliser une valeur de 160 steps/mm.

Néanmoins, d'autres paramètres importants doivent être ajustés. Par exemple, activer les limites matérielles (Hard limits) qui sont les vrais fins de course, les limites logicielles (Soft limits) qui définissent la zone de travail, définir la direction du homing qui indique où se trouvent nos fins de course sur la machine, etc.

Vous pouvez télécharger mon jeu de paramètres pour les importer directement dans votre firmware.

Génération de G-codes pour la gravure laser

Une autre excellente fonctionnalité de ce logiciel est qu'il possède un générateur de G-code intégré. Cela signifie qu'on peut charger n'importe quelle photo, clip art, dessin au crayon, etc., directement dans le logiciel et générer un G-code pour la gravure selon nos besoins. L'outil de rasterisation d'image est polyvalent avec de nombreuses options comme le traçage ligne par ligne, la vectorisation, le tramage 1 bit noir/blanc, etc.

Bien sûr, si vous le souhaitez, vous pouvez aussi générer du G-code avec d'autres logiciels, comme Inkscape et son plugin Inkscape-Lasertools pour générer des G-codes et les charger ici. J'ai déjà expliqué comment utiliser cette méthode dans ma vidéo précédente sur le graveur laser robot SCARA, pour plus de détails, vous pouvez regarder cette vidéo.

Maintenant, je vais vous montrer comment générer un G-code pour la gravure laser à partir d'une photo avec LaserGRBL. J'ai ici une photo d'un chien que j'ouvre avec le logiciel.

En utilisant les options Luminosité et Contraste, on peut ajuster l'image à notre guise. On peut choisir le type de conversion de la photo, par exemple traçage ligne par ligne, tramage 1 bit noir/blanc ou format vectoriel. J'utiliserai le traçage ligne par ligne pour cette photo, et on peut aussi sélectionner la direction des lignes et la qualité de gravure, définie par le nombre de lignes par mm.

Ensuite, on peut sélectionner la vitesse de gravure, définir les valeurs PWM minimales et maximales pour la puissance du laser, et définir la taille de la gravure.

Et c'est tout, le logiciel génère le G-code pour cette gravure. Avant de le lancer, on peut utiliser le bouton Cadre (Frame) pour délimiter ou montrer où la gravure aura lieu, afin d'ajuster notre pièce de travail si nécessaire.

Notez que nous devons utiliser des lunettes de protection laser qui protégeront nos yeux de la lumière ultraviolette du laser, car c'est très dangereux.

Si nous avons bien calibré notre machine, nous pouvons obtenir de très belles gravures. Pour le calibrage, on peut utiliser cette image que j'ai faite, qui comporte des carrés de 100 % à 10 % de transparence.

Selon les résultats, ajustez la vitesse de gravure et la valeur PWM pour la puissance du laser.

Vous pouvez télécharger l'image de calibration ici :

Voilà pour ce tutoriel. J'espère que vous l'avez apprécié et que vous avez appris quelque chose. Si vous avez des questions, n'hésitez pas à les poser dans les commentaires ci-dessous et n'oubliez pas de jeter un œil à mes autres projets Arduino.