Sécurité Fraiseuse Numérique

Ce projet consiste à installer un dispositif de sécurité pour la fraiseuse numérique du Fablab, sans modifier ses fonctions. On s'intéresse donc à un dispositif passif qui n'interfère pas dans l'électronique de l'appareil.
Une fraiseuse étant une machine utilisée pour usiner tous types de pièces mécaniques, par enlèvement de matière, la fraiseuse numérique usinera ces pièces préalablement dessinés sur un ordinateur grâce à un logiciel de CAO.

Le principe est le suivant : Dès lors que le moteur de la fraiseuse numérique est en marche pour une découpe, il nous faut indiquer à l'utilisateur le port obligatoire de lunettes ou casques de sécurité. Pour cela, il va falloir détecter la mise en marche du moteur puis enfin renvoyer ce signal sur un port lumineux ou auditif…

Il y a 3 dispositifs d'installation qui s'offrent à nous.

• *1) La pince Ampèremétrique
  On peut installer une pince Ampèremétrique sur le fil d'alimentation du moteur de la fraiseuse pour mesurer l'intensité de son courant. Une fois le moteur en marche, l'Arduino relié à la pince peut traiter l'information.
  Il faudra déterminer quel type de pince utiliser mais aussi le type de moteur que porte la fraiseuse numérique. Cependant, lors d'une utilisation, l'appareil peut très bien bouger ou vibrer. il faudra vérifier si cela ne perturbe pas la pince qui traitera l'information recherchée.
  Il faut tout de même se poser la question sur le budget. Pour ce projet, l'ampèremètre nous donnera des informations en plus dont nous n'auront besoin. En effet, la valeur numérique exact du courant électrique ne nous servira pas à grand chose. Nous devons juste savoir si ce courant est différent de 0 A. 2) Le capteur optique
  La fraiseuse en question possède un boîtier - sous la table de découpe - qui enclenche un voyant rouge une fois le moteur en marche. Nous pourrions installer un capteur optique à ce niveau pour déterminer lorsque le moteur est allumé. Un programme sous Arduino peut ensuite traiter l'information pour l'envoyer au port lumineux. il faudra évaluer ou tester la luminosité de ce voyant pour trouver le capteur adéquat. Aussi, vérifier s'il n'y a aucun autre voyant lumineux qui pourrait perturber ce dispositif. 3) Le capteur rotatif Ce capteur rotatif (normalement déjà installé au niveau du moteur) peut nous permettre de déterminer les rotations du moteur une fois en marche. il faudra se documenter sur le moteur en question et en savoir davantage sur ce détecteur pour savoir si l'on peut l'exploiter pour notre dispositif de sécurité. Jeudi 01/06/2017 Il nous faut connaître les caractéristiques du moteur en question pour bien déterminer la plage de valeurs à mesurer.
  Cette première étape consistait donc à rechercher les informations sur le moteur de la machine à l'aide de sa fiche technique.
  Ici, on peut voir les différentes caractéristiques électroniques du moteur. Celles qui nous intéresserons seront l'intensité du courant, la tension entre ses bornes et sa puissance. on a :
  P=1.7 Kw
  I=7.5 A
  U=220 v
  Les premiers tests qui ont été effectués étaient avec le matériel du fablab. En effet, j'ai utilisé un capteur de courant (Grove Electricity Sensor 101020027) pour mesurer le courant traversant un Led. J'ai, pour cela utilisé: *Arduino Méga *Un module Grove base shield *Logiciel Arduino *circuit usuel pour LED (cable, breadboard, résistance, led, arduino leonardo) Pour afficher les valeurs en continu, j'ai trouvé un programme décrit dans la documentation (Programme Test 1). Les tests n'étaient pas très concluant car la valeur ne changeait pas même lorsque j’éteignais le courant. Cela était peut être du au domaine de sensibilité du capteur. En effet, ce capteur peut mesurer jusqu'à 5A mais le courant traversant la LED était de 0.005A (surement trop faible pour le capteur). En prêtant attention à sa fiche technique, on remarque qu'il ne peut détecter que du courant alternatif. Il nous faudra effectuer des tests sous tension de 220 V comme par exemple avec un lampe.
  Vendredi 02/06/2017 Après maintes recherches, le capteur adéquat pour notre dispositif sera le capteur de courant STC-013-000.
  Cependant, nous pourrions procéder d'un meilleur manière pour récolter les valeurs recherchées. En effet, nous pourrions se brancher directement à la prise d'alimentation de la fraiseuse pour détecter le courant. En effectuant des tests, on peut évaluer la plage de courant qu'utilise la machine avant puis après la mise en marche du moteur de la broche. Lorsque le courant dépasse la limite imposée, un saut de valeur a lieu et par conséquent le moteur de la broche tourne. A ce moment, on peut envoyer l'information sur le port lumineux. Pour cela, il va nous falloir acheter ce capteur, avec un port femelle (pour ne pas bricoler directement sur le jack du capteur) et un adaptateur d'alimentation pour arduino. Nous effectuerons des tests sous tension domestique (230V). Mardi 06/06/2017 J'ai pu trouvé un site expliquant en détail, le Fonctionnement du capteur de courant avec un arduino (voir documentation). Pour le premier test sous haute tension, j'ai utilisé : *une rallonge où l'on peut positionner le capteur de courant (à bricoler pour n'avoir que la phase ou la terre dans le capteur) *un port jack femelle *arduino, breadboard, cables, résistances… *Capteur avec Arduino* Pour résumé ce que le site expliquait, le capteur de courant est un transformateur de courant en tension en rajoutant tout simplement une résistance que l'on peut fixé (car le notre n'en porte pas). Sachant qu'il détecte du courant alternatif, la tension de sortie sera aussi alternative. Or, l'arduino ne peut aucunement traiter une tension alternative (négative puis positive). Il nous faut donc rajouter au circuit un Pont diviseur de tension pour pour y remédier. Voir ci-dessous : Aujourd'hui, on n'utilisera pas l'arduino mais simplement une oscilloscope pour visualiser le signal que peut percevoir le capteur. *Le capteur* *Nous l'avons tout d'abord tester avec une lampe du Fablab avec une ampoule de puissance P=22 W. nous avons pu lire un signal périodique. Avec une tension de 230V, le courant est donc de I=P/U=22/230=*0.01 A*. *Nous l'avons ensuite tester avec l'aspirateur du Fablab utilisant une puissance de P=1400W, ce qui reviendrait à capter un courant de I=6A (environ celui de la fraiseuse).
  Par conséquent, notre capteur fonctionne parfaitement même avec de faibles consommations de courant. Mercredi 07/06/2017 Aujourd'hui, on a testé le capteur avec cette fois-ci avec l'arduino, le pont diviseur et le programme permettant de visualiser la puissance utilisée par une machine quelconque.
  Voici la Bibliothèque qu'il nous faut pour déterminer la puissance et le courant.
  
  Le principe était d'utiliser plusieurs appareils du fablab ayant différentes valeurs de puissance pour les visualiser sur le traceur de série du logiciel Arduino. Cela nous a permit de déterminer numériquement les variations de puissance. Aussi, on peut savoir si ce capteur peut détecter de très petites variations de puissance.
  Vous pouvez trouvez ici les résultats et observations des tests effectués. Il nous faudra donc exploiter ces résultats pour la prochaine fois. Jeudi 08/06/2017 Aujourd'hui, il nous faut exploiter ces bons résultats à notre intérêt. L'objectif est, je vous le rappelle, de détecter un saut de puissance (allumage du moteur de la fraiseuse) pour déclencher l'allumage d'un voyant lumineux pour prévenir l'utilisateur d'un port de protection obligatoire. On peut déjà commencer avec l'allumage d'une LED sur le circuit, lorsque l'on franchit une valeur précise de puissance. Voici un exemple de code pour arduino que j'ai modifié depuis la bibliothèque proposé par le site dont je vous ai parlé plus haut. Les résultats sont concluant mais il arrive que la LED clignote. En effet les valeurs de puissance varient autour de la valeur indiquée (ce qui est plutôt normal car la tension domestique n'est pas parfaite). Il nous faut alors déterminer un encadrement de valeurs pour déterminer lorsque la LED doit s'allumer. Cependant, aujourd'hui j'ai rencontré quelques difficultés dans la lecture de valeurs de puissance. En effet, il y a des pics de puissance qui apparaissent sur l'écran toutes les secondes. Ces pics peuvent dépasser près de 4000W alors qu'il n'y a qu'un seul appareil (de 60W) connecté. Après avoir brancher puis débrancher chaque éléments du circuit, changer d'arduino, analyser le programmme, le problème restait inchangé. Vendredi 09/06/2017 Après de nombreuses recherches, j'ai pu en découvrir la cause. Le problème provient du réseau domestique. En effet, ces pics de puissance observée sont ce que l'on appelle des BIPA (Bruits Impulsifs Périodiques Asynchrones).
  
  Ces pics de tension sont des bruits qui apparaissent lorsque d'autres appareils sur le même réseau domestique sont utilisés (voir Documentation pour plus de détails). Au fablab, nous avons l'après-midi, la découpeuse laser, les imprimantes 3D, la perceuse… qui sont souvent mis en marche.
  Les BIPA apparaissent lorsqu'ils sont utilisés sur le long terme (tout un après-midi) dis-continuellement (mise en marche puis arrêts répétés). C'est pour cela que j'ai ré-effectué les tests le matin. Il n'y avait plus ce problème, mais les valeurs sous tension (sans aucun appareil allumé) étaient tout de même instable. Après avoir rajouté un port GND de plus sur le circuit, les variations ont diminuées mais restent toujours instable. Semaine du Lundi 12/06/2017 Cette semaine, j'ai pu simuler les mêmes types bruits avec les conditions du réseau domestique (GBF sous 50Hz). Cela veut donc dire que les bruits ne proviennent pas forcément du réseau domestique mais plutôt du montage. En effet, le port femelle ne doit en aucun cas contenir de pattes en l'air. Cette dernière peut devenir une antenne et détecter tout type de bruit autour. Aussi, la longueur du fil du capteur de courant peut faire de même. Donc, il faut raccourcir ce fil s'il interfère dans les mesures. De plus, le débranchement de n'importe quel élément du circuit crée un énorme pic de puissance. Il nous faudra donc immobiliser tous les éléments du montage pour qu'il n'y ait aucune interférence avec les mesures. Lundi 19/06/2017
  Aujourd'hui, je me suis consacrée à l'installation d'un écran LCD au montage, en plus d'une LED. Dans le cadre du projet, cet écran nous informera sur la mise ne marche ou arrêt du moteur de la fraiseuse numérique. Pour commander un écran LCD il va nous falloir télécharger une Bibliothèque pour LCD.
  Je l'ai programmé comme la LED que j'ai utilisé plus haut. Cette fois-ci j'ai utilisé une carte relais qui nous servira plus tard. Voici donc ici le nouveau code avec LCD & carte relais. sachant que le voyant lumineux sera à l'entrée de la pièce, l'écran LCD (installé à l'intérieur) peut prévenir toute personne déjà dans la pièce. Ci-dessus le montage de l'écran LCD (voir documentation pour compréhension du montage):
  Mardi Mercredi 20-21/06/2017
  Arrivée maintenant à terme du principe du montage et de son but, il nous faut maintenant préparer l'installation de ce dispositif sur les lieux de la machine mais aussi la conception de ce dernier. Nous avons premièrement fait l'inventaire du matériel nécessaire à l'aide des caractéristique de la salle. On peut voir ci-dessous les dimensions de la salle et les composants dont nous aurons besoin :
  Nous aurons donc besoin de : *Câbles dures *moulures pour réunir tous les câbles *Armoire électrique pour stocker le montage du dispositif *un voyant lumineux à installer à l'entrée de la salle *un interrupteur rotatif La carte relais que j'ai utilisé pour le montage nous permet de commander le voyant lumineux mais aussi l'aspirateur de la pièce. En effet, la plupart des utilisateurs de la fraiseuse (mais aussi pour des raisons de sécurité) mettent en route l'aspirateur pendant une découpe. Avec notre dispositif , nous pouvons le mettre en route directement lorsque le moteur de la broche est allumé.
  Si, pour un quelconque raison l'utilisateur voudrait découper sans l'aspirateur, c'est ici qu'intervient notre interrupteur à 3 positions : *AUTO *MARCHE FORCEE, *ARRÊT FORCE. L'installation sera comme suit : notre armoire électrique contiendra l'arrivée du câble d'alimentation de la fraiseuse avec le capteur de courant positionné sur la phase de ce câble. Le capteur sera relié au montage. En sortie, notre carte à 2 relais alimentera l'aspirateur et le voyant lumineux. Il faudra donc bidouiller les câbles de ces derniers pour les relier à la carte relais.
  Jeudi 22/06/2017
  Avant de valider toute commande de matériel, il nous faut maintenant tester le montage final sur la fraiseuse numérique. Ce test nous permettra aussi de déterminer la valeur du seuil de mise en marche du moteur de la broche que l'on pourra utiliser pour le code final pour l'arduino.
  
  Pour alimenter l'arduino, il nous faudra une alimentation 230V→6v.
  
  Observations :
  J'ai relevé les valeurs de puissance sous différentes conditions; c'est à dire les déplacements de la table ou de la broche sans sa mise en route, Puis sa mise ne route Avec ou sans l'aspirateur…
  On peut observer des appels de puissance pour les différentes conditions mais aussi leur puissance minimal au bout d'un certain temps. Notre seuil de mise en marche sera donc la valeur de 230 W. Voici ici le CODE FINAL de l'arduino qui affiche cette fois-ci les valeurs de puissance sur l'écran LCD.
  Vendredi 23/06/2017**
  

Pour l'installation du montage, la breadboard n'est pas un outils fiable sur le long terme. il nous faut donc réaliser un circuit imprimé pour le pont diviseur de tension. On peut voir ci-dessous le dessin de ce circuit fait à l'aide du logiciel KICAD :

Une fois, le circuit imprimé réalisé, on peut commencer l'installation de tout le matériel dans la pièce en question.

Documentations