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La commande de mouvement par un programme de pilotage peut se faire de plusieurs manières:

En envoyant les signaux de commande sur un port parallèle (ancien standard de commandes imprimantes datant des années 70)
En envoyant des instructions simples à une carte externe qui calculera en détail les signaux
En ayant un ordinateur avec des ports spéciaux

Le port parallèle

Depuis longtemps, pour la CNC amateur, le pilotage des machines se fait en transmettant directement des signaux de commandes au port parallèle d’un PC. Ces signaux sont directement interprétés par les circuits de puissance (déplacement des outils, rotation des têtes, refroidissement, changement d’outils). Le port parallèle est aussi utilisé pour récupérer des signaux de la machine: contact outil, fins de course et arrêt d’urgence. Peu de PC modernes disposent encore de port parallèle mais il est possible d’ajouter un ou plusieurs port avec des cartes d’extensions.

Les cartes de commande USB et Ethernet

Le port parallèle étant en voie de disparition depuis longtemps, il a fallu étudier d’autres moyens de transmettre les informations de commandes. Le problème pratique est que les liaisons disponibles sur un ordinateur récent (USB et Ethernet) ont un débit important mais irrégulier et sujet à des coupures intermittentes. Ceci n’est pas acceptable pour une machine CNC qui doit recevoir ses ordres à intervalles de temps précis. Les tentatives pour ajouter avec une mémoire de stockage permettant de s’affranchir des irrégularités d’envoi (mémoire tampon) n’ont pas abouti.

La solution actuellement utilisée est de calculer les trajectoires dans une carte spécifique qui commande directement la machine. Au lieu d’effectuer les calculs dans l’ordinateur, on les fait dans la carte de commande, ce qui diminue beaucoup le volume d’information provenant de l’ordinateur et permet un stockage aisé des commandes dans la carte. Ceci fait que l’on reporte une grosse partie de la programmation vers la carte de commande, qui nécessite un gros travail de développement. Les capacités des cartes sur le marché ne sont pas identiques, les détails des algorithmes et les capacités matérielles permettant d’avoir de 3 à 9 axes de commande par carte. Il faut aussi prévoir éventuellement la commande en rotation des têtes de fraisage, des changeurs d’outil, des systèmes de refroidissement, de ventilation ainsi que la lecture des capteurs (fin de course, capteur de rotation, détection d’outil, d’ouverture capot, de débit de refroidissement, etc.) Une bonne gestion des trajectoires afin d’éviter les ‘décrochages’ de la commande passe par une gestion fine des accélérations et décélérations et une bonne anticipation des commandes à venir, et les performances des cartes de commandes varient sur ce point. La fréquence de sortie des signaux (exprimé en kHz) est un paramètre important car c’est un facteur qui peut être limitant pour la vitesse de la machine. Si la commande de moteurs pas à pas se fait en fraction de pas (micropas), ceci augmente le débit des signaux. Pour les moteurs pas à pas, on va jusqu’a 16 micro-pas, ce qui nécessite 8 fois plus de signaux que pour une commande en 1/2 pas. Les servos peuvent tourner très vite et demandent donc un débit important. L’augmentation de puissance des micro-contrôleurs permet actuellement un débit de 100 kHz pour la quasi-totalité des cartes, ce qui suffit pour la plupart des applications.

Ces cartes de commande se présentent sous deux formes:

Une carte électronique ou l’on raccorde les éléments de puissance sur des borniers
Un petit boitier sur lequel on a une prise parallèle qui présente l’avantage en se connectant directement sur les boitiers de puissance de permettre l’utilisation des équipements de puissances prévus pour un port parallèle sans aucune modification. L’inconvénient est que le nombre d’entrées/sorties est limité.

Les micro-PC

On trouve aujourd’hui des ordinateurs de tout petit format, basés sur des cartes mères de type ‘Nano-ITX’. Un ordinateur spécialisé, la NCBox-189 pour la commande de CNC, avec deux ports parallèles. Prix ~185 Euros C’est un PC complet (sans l’alimentation 12V), mais sa puissance est modeste. IL existe une carte PC au format mini-ITX (17×17cm) récente avec un port parallèle, la Gigabyte GA-E2100N non ventilée, qui permet d’assembler un ordinateur très compact sensiblement plus performant que le précédent, pour un prix proche. Il faut en plus une micro-alimentation.

Les nano-ordinateurs

Depuis quelques années, on trouve de toutes petites cartes (plus petites qu’un paquet de cigarettes) intégrant un ordinateur complet avec ses entrées/sorties (USB, Ethernet, vidéo et broches d’entrées/sorties). Le plus connu est le Raspberry Pi (la ‘Framboise’), mais pour la CNC, il est utilisé un autre modèle d’ordinateur le Beagle Bone Black (BBB) notamment car il dispose de beaucoup plus d’entrées/sorties et d’unités de contrôle dites Temps réel (exécutant les instructions sans délai d’attente). Une version de LinuxCNC a été préparée pour le BBB sur la base de Machinekit Ce genre de système en est à ses débuts (-Jan 2015-), la puissance est un peu limite et la définition vidéo du BBB est limitée (1280×1024), mais la compacité, la simplicité et le coût en font probablement l’avenir des systèmes de pilotage CNC.

Cet ordinateur peut être géré à distance par un autre ordinateur (on parle alors d’une configuration ‘Headless’, sans clavier ni écran) ou alors être totalement autonome. LinuxCNC ne gérant pas l’USB, les fichiers doivent être transférés par réseau.

Les processeurs, de type ARM (non compatible PC) utilisés sur ces nano-ordinateurs sont souvent destinés à des tablettes ou a des smartphones. Bien que leur architecture soit commune, il y a des variantes et il faudrait éviter la fragmentation des offres telle qu’elle existe sur Android.

Actuellement, pour installer ce genre d’ordinateur, il faut savoir bidouiller un peu: Une carte est actuellement en cours de développement (jan 2015). Pour les amateurs de produits nouveaux qui n’ont pas peur de Linux : http://webshop.juve.ro vends un système préinstallé avec sortie sur port parallèle pour 102 Euros. C’est aussi disponible chez TheCoolTool

Une carte Xylotex pour un prix de 80 $, avec LinuxCNC installé sur une carte SD.

Il y a une page qui répertorie les cartes existantes ici.

Les cartes intégrées

Il existe des cartes intégrant à la fois le processeur de G-code, la carte d’interface et les cartes de puissance. Ces cartes viennent du monde de l’impression 3D et elles sont de plus en plus utilisées pour des CNC, du fait d’un faible coût et d’une relative simplicité d’utilisation. La page cartes intégrées leur est dédiée.