Les palpeurs

Palpeur 3d :

Dans le contexte d’une fraiseuse, un palpeur permet de positionner très précisément l’outil de coupe par rapport à la pièce à usiner : le palpeur, en arrivant au contact de la pièce, change d’état électrique, ce qui permet par exemple de fixer l’origine de travail.

Le palpeur peut fonctionner sur les 3 axes (abcisse, ordonnée, hauteur), il s’agit d’un palpeur 3d ; il peut ne fonctionner que sur l’axe des Z (hauteur), il s’agit alors d’un palpeur 1d ; sur une CNC, un tel palpeur est indispensable en début de chaque usinage pour repérer la surface de la pièce (le “brut”) ; dans ce cas, l’établissement d’un simple contact électrique entre fraise et brut peut suffire.(si métallique).

Un palpeur 3d, et dans une moindre mesure un palpeur 1d, sont des instruments de mesure très précis et coûteux, la tentation est grande de les réaliser soi-même.

Principe d'un palpeur 3d :

La pointe de touche verticale est dotée de 3 petits cylindres métalliques disposés radialement, dans un même plan, à 120° les uns des autres. Ces 3 cylindres viennent reposer sur une couronne fixe de 3 paires de contacts électriques, reliées en série, de telle sorte qu’au repos, le circuit des contacts soit fermé par les 3 petits cylindres.  Un ressort applique les 3 petits cylindres sur les 3 paires de contacts.

En utilisation, le corps du palpeur est fixé dans la broche de la machine ; tout effleurement de la pointe de touche sur le brut fait très légèrement basculer l’axe de la pointe de touche, et au moins l’un des cylindres décolle de sa paire de contacts, ouvrant ainsi le circuit électrique.

Construction du palpeur 3d :

La pointe de touche du palpeur 3d

La précision est de rigueur !

La pointe de touche à proprement parler est tirée d’un rond d’acier (stub), fileté sur le tour à la filière, puis mise en forme sur le tour ; toujours sur le tour,  l’extrémité est finie avec un papier abrasif très fin, puis polie à la pâte à roder.

Le corps de la pointe de touche est en delrin ; il est d’abord percé et taraudé au tour, puis mis en forme. Il faut ensuite percer très précisément les 3 logements radiaux dans lesquels seront montés à force les 3 petits cylindres métalliques ; j’ai réalisé l’opération à la fraiseuse, en montant le corps de la pointe sur un plateau diviseur, de façon à être parfaitement radial, et respecter très précisément les angles de 120° (essentiel). Les cylindres métalliques sont tirés d’un rond de stub (diamètre 4).

Les composants de la couronne du palpeur 3d
Montage de la couronne du palpeur 3d

La constitution de la couronne de contact requiert à minima une fraiseuse, je l’ai réalisé à la cnc ; les constituants sont en delrin, billes métalliques de précisions, pcb également produit à la cnc.

La couronne est un empilage de 4 étages :
– en bas, une première couronne support (diamètre ext 32),
– puis un pcb percé de 3 paires de trous disposés à 120° les unes des autres ; 2 billes métalliques (diamètre 4) reposeront sur chacune de ces paires, sans pour autant traverser le pcb ; les 2 billes sont espacées de telle sorte que chacun des 3 petits cylindres viennent  ensuite en appui au contact de leur partie supérieure.
– vient ensuite une seconde couronne, d’une hauteur égale au rayon des billes, et percée de 6 logements destinés à accueillir les 6 billes, et les maintenir ferment en place.
– le tout est surmonté par 3 secteurs légèrement évidés sur leur face inférieure à l’endroit des 6 billes, de façon à ce qu’une fois fixés, les billes soient précisément et fermement maintenues en place ; ces secteurs sont taillés de telle sorte que les billes dépassent latéralement, et que les 3 petits cylindres métalliques viennent sans gène au contact de chaque paire de billes. Chaque secteur est fixé par 2 vis traversantes à la couronne support.

Le pcb relie électriquement chaque bille à la bille la plus proche de la paire adjacente, et ce pour 4 billes ; les 2 billes restantes constituent les 2 bornes du circuit que les 3 petits cylindres métalliques permettent de fermer.

Montage de l'équipage mobile du palpeur 3d
Montage du palpeur 3d
La partie supérieure du palpeur 3d

Le corps du palpeur est taillé dans un tube alu 36×32 ; l’empilement précédent est positionné à force à une extrémité, et un capuchon tourné dans un rond d’alu, et doté d’un axe de 8 pour montage dans la broche est fixé par vis à l’autre extrémité. Le ressort de pression sur la pointe de touche est réalisé avec une corde à piano de 1.

Le palpeur 3d terminé

Le palpeur fonctionne, mais présente 2 défauts :
– bonne précision sur l’axe des Z, mais défaut de coaxialité en XY (de l’ordre de 1/10) ; le palpeur étant fixé dans la broche, peut tourner autour de son axe, donc il est difficile de corriger le mesure ; la solution consiste à rajouter un dispositif de réglage, un peu compliqué car il ne faut pas, en réglant la coaxialité, détruire l’alignement de l’axe de la pointe de touche avec celui de la broche.

– le contact entre les billes et les petits cylindres est de nature quasi-ponctuel, très difficile de maintenir une résistance électrique faible : lors de mesures répétitives, cette résistance varie de quelques ohms à quelques centaines d’ohms, mais peut de temps en temps monter bien plus haut, ce qui peut fausser la détection de contact ; ce n’est pas rédhibitoire lors d’un palpage ponctuel, mais plus génant lorsque l’on procède à une série automatisée de mesures (comme je le pratique pour les opérations de levelling pré-gravure). je ne suis pas certain de connaitre une bonne solution, utiliser des billes dorées améliorerait vraisemblablement la chose ???

Palpeur 1d :

Mon besoin principal est celui d’un palpeur 1d, j’ai en effet déjà une pinnule de centrage à dégagement latéral qui satisfait bien au besoin de positionnement en XY.

Un ami m’a un jour offert des contacteurs de précision Mycom ; les bestioles coûtent un bras, précision de l’ordre du micron ; l’occasion était trop belle, j’ai aussitôt entrepris la réalisation d’un palpeur 1d, bien moins pointue que celle du palpeur 3d.

Le micro-switch de précision du palpeur 1d
Les composants du palpeur 1d

La pointe de touche est taillée dans du stub de 4, et est prolongée par un poussoir en laiton ; elle coulisse dans une bague en delrin qui lui sert de guide.

La partie basse du palpeur est tournée dans un rond d’alu (diamètre 25) ; elle présente en haut un orifice fileté dans lequel est vissé le contacteur, et en bas un alésage dans lequel la bague en delrin est fixée par 2 vis de pression, de telle sorte que le poussoir laiton soit en appui avec la pointe mobile du contacteur ; une petite butée évite que le poussoir ne contraigne exagérément le contacteur.

La partie haute est constitué d’un tube alu et d’un capuchon tourné dans un rond d’alu. Une ouverture latérale offre un passage au câble du palpeur, qui est enfiché au sommet du contacteur.

Le palpeur 1d terminé

Ce palpeur fonctionne à la perfection ; sa précision, le presque micron, est bien évidement parfaitement exagérée par rapport à celle de ma CNC ou de ma fraiseuse, mais qui peut le plus peut le moins ! parfaite pour réaliser des relevés de surface pour le levelling.

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