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Conception et mise en œuvre

Jean-Luc — 2013-07-01T16:56:34Z

Comme présenté dans « État de l'art », il existe de nombreuses façons de monter un servo-moteur en modélisme ferroviaire. Voici la solution choisie sur mon réseau. Il s'agit d'une solution similaire à celle de Pierre mais adaptée à des micro-servos.

Cahier des charges

L'actionneur doit répondre à des exigences de mise en œuvre :

Un encombrement raisonnable. Notamment, il doit être possible de mettre deux actionneurs côte à côte sur deux voies parallèles avec un entraxe de 26,5mm (entraxe PECO). La hauteur sous la plateforme est moins cruciale dans la mesure où je me suis débrouillé pour ne pas avoir d'aiguille au dessus d'une voie.
Un démontage facile. Notamment le démontage partiel : dépose du palonnier, dépose des contacts de fin de course, dépose du servo lui-même. La dépose du palonnier est essentielle car glisser la tige dans le trou de la traverse n'est pas des plus commodes.
Un coût raisonnable, c'est à dire comparable à un actionneur à fil à mémoire.
Les deux orientations doivent être possibles. C'est à dire que l'actionneur doit pourvoir se monter dans une position et également tourné de 180°.

Il doit aussi satisfaire des exigences fonctionnelles :

La commutation de l'alimentation du cœur de l'aiguille. Cette commutation doit être faite de manière à ce qu'elle ne provoque pas de court-circuit : la commutation doit être cohérente avec les contacts des lames de l'aiguille sur les rails.
Le retour de la position de l'actionneur. Le calculateur qui s'occupe de la commande de l'actionneur pourra ainsi confronter la consigne que l'actionneur doit suivre et sa position effective. Plus de détails seront donnés dans l'article sur les cartes de commande des actionneurs à servo-moteur.

Satisfaire les exigences de mise en œuvre

Le démontage facile implique une liaison simple entre le servo et la tringle qui passe dans la traverse de l'aiguille. Cela disqualifie les actionneurs où le mouvement en renvoyé par une tringle intermédiaire.

La faible largeur ne peut être obtenue qu'en positionnant le servo avec sa plus grande dimension dans la direction de la voie.

La liaison simple concoure aussi à un prix de reviens raisonnable et à un temps de montage court.

Le coût et l'encombrement peuvent rester très faible. En effet, les micro-servos sont disponibles à faible coût, on peut presque parler de consommables. Voir par exemple les servos distribués par Hobby King. Le servo lui même revient donc à moins de 2€ pièce. À cela il faut ajouter des interrupteurs de fin de course donc le coût unitaire peut descendre à moins de 50 centimes pièce et de la quincaillerie.

La possibilité de monter l'actionneur dans un sens ou un autre s'obtient en rendant son empreinte (fixation, sortie de la tringle de commande de l'aiguille) symétrique.

Satisfaire les exigences fonctionnelles

Tout d'abord un mot sur les systèmes existants en modélisme ferroviaire. Ces systèmes peuvent être autonome, à charge pour l'utilisateur d'ajouter une interface permettant d'envoyer des ordres aux servos ou peuvent intégrer une interface numérique comme le DCC [1]. On peut citer :

Les systèmes Tam Valley. Tam Valley propose des décodeurs monoservo, des décodeurs 4 servos. Ces deux systèmes intègrent un décodeur DCC et ne fonctionnent donc qu'en DCC. En revanche l'Octupus III assure seulement le fonction de pilotage des servos. Il peut être connecté à un décodeur DCC ou bien commandé directement par des boutons pour une exploitation dite analogique.
Chez Viessmann, on trouve un boîtier de commande monoservo utilisable en DCC en ajoutant un décodeur ou en analogique.

À ma connaissance, aucun produit commercial pour la commande de servos en modélisme ferroviaire n'inclut d'entrées pour les interrupteurs de fin de course.

Par conséquent, la rétrosignalisation de la position des aiguilles est basée sur la consigne et non sur l'état réel de la mécanique. Il en découle qu'en cas de panne du servo-moteur, l'état réel diffère de l'état connu par l'informatique ou par l'opérateur avec pour conséquence des court-circuits sur la commutation du cœur de l'aiguille [2] et des erreurs d'exploitation pouvant conduire à des collisions ou à des déraillements.

Il est donc nécessaire de baser la rétrosignalisation sur la position mécanique des aiguilles. Idéalement le capteur devrait rendre compte de la position des lames ou à défaut de la traverse. C'est assez difficile à mettre en place, surtout de manière invisible. On se contentera donc de la position effective du palonnier du servo au moyen d'interrupteurs de fin de course.

La conception

Le servo est donc positionné de manière à ce que le plan du palonnier soit perpendiculaire à la plateforme de voie et parallèle aux traverses.

Montage de l'actionneur

Cette vue en coupe montre l'actionneur fixé sous la plateforme. En haut la platforme avec le trou de passage, le track-bed et la traverse où passe la tringle de commande.

Une petite platine découpée dans de la carte plastique de 2 mm supporte le servo. Elle est fixée sur une cornière en aluminium de 20 mm x 10 mm. Cette cornière possède un perçage pour laisser passer la tringle et deux trous de fixation. La platine supporte aussi les 4 interrupteurs de fin de course : 2 servent à commuter l'alimentation du cœur de l'aiguille, les deux autres servent à renvoyer la position à la carte de commande. Les interrupteurs de fin de course sont soudés sur un petit circuit imprimé qui comporte aussi un bornier pour l'alimentation du cœur.

Le schéma de ce CI est le suivant :

Schéma de la platine

La platine supporte les 4 interrupteurs de fin de course et un bornier pour le raccordement des rails et du cœur de l'aiguille.

La prise d'origine du servo est coupée et les fils sont directement soudés sur le CI. Une nappe De 5 fils (5,3V, PWM, Fin de Course Horaire, GND, Fin de Course Trigo) raccorde la platine à la carte de commande.

Typon du circuit imprimé

Le CI est fixé sur la platine au moyen de 2 vis de M2x20mm qui passent par les trous de fixation des interrupteurs de fin de course. La platine est percée à 4mm de manière à pouvoir ajuster les fins de course par rapport au palonnier.

L'actionneur d'aiguille

Pour appuyer sur deux fins de course simultanément, il est nécessaire de munir le palonnier de deux tiges aux extrémités. Ces tiges sont réalisées avec des vis et des écrous.

L'actionneur est assemblé exclusivement avec des vis, rondelles et écrous. Tout ou presque est démontable.

Fixation sous la plateforme

L'actionneur est fixé au moyen de 2 vis de 3mm à tête fraisée. On perce la plateforme à égale distance de part et d'autre de la voie (écartement de 30mm). À cet effet, un gabarit a été fabriqué. Deux écrous tiennent les vis par dessous. L'actionneur est ensuite boulonné en place.

Coût d'un actionneur

Les 42 actionneurs prévus pour le réseau nécessitent les composants suivants :

Quincaillerie

Cornière aluminium brut 20 mm x 10 mm en 2 m : 8,65€ (Castorama) ;
Plaques de styrène blanche opaque Evergreen au format 200x530 mm épaisseur 2,00 mm / 2 plaques : 15,50€ (Micro-modèles), il restera du rab pour les bâtiments ;
Corde à piano de 0,5mm, 3m : 0,90 (Micro-modèles) ;

Visserie
Fixation des actionneurs sous la plateforme :

200 vis à tête fraisée de M3x16mm : 2,15€ (TME)
200 écrous M3 : 1,14€ (TME)

Fixation du servo sur la platine et de la platine sur la cornière :

100 vis M2x6 : 0,8€ (TME)
100 vis M2x8 : 0,85€ (TME
200 écrous M2 : 1,5€ (TME)

Système d'appui sur les fins de course et de fixation de la tringle de commande

100 vis M2x12 : 0,7€ (TME)
100 vis M2x10 : 0,6€ (TME)
450 écrous M2 : 3€ (TME)

Composants

168 interrupteurs de fin de course miniatures (1A) : 40€10 (TME)
42 borniers 3 points, pas 3,5mm : 11€10 (TME)
42 servo-moteurs HK15178 : 77€70 (HobbyKing)
30m de câble en nappe 10 conducteurs : 11€ (TME)
42 connecteurs pour cosses à sertir : 3€90 (TME)
500 cosses pour les connecteur : 7€33 (TME)
Circuit imprimé à graver : 5€50 (TME)

Soit une somme totale d'environ 190€ et 4€50 par actionneur. Qui dit mieux ?

Réalisation

Le prototype a été testé avec succès. Ces tests ont permis de déterminer la diamètre de la tringle (corde à piano de 0,5mm de Ø), l'écartement entre la cornière et la plateforme (l'épaisseur des écrous est suffisantes) et le réglage des fins de course. Les 42 cornières nécessaires ont été découpées et percées. 6 des 9 exemplaires destinés à équiper la gare ont été assemblés. Les efforts portent maintenant sur la carte de commande qui fera l'objet d'un prochain billet.

La fabrication en série a commencé

[1] Bus portant à la fois l'alimentation et les données et utilisé en exploitation numérique

[2] Quand les aiguilles ne prennent pas en charge cette commutation par elles-même

État de l'art

Jean-Luc — 2013-06-17T17:59:55Z

Comme indiqué dans « Abandon du fil à mémoire », j'ai finalement adopté les servo-moteurs pour actionner les aiguilles. De manière plus générale, tous les dispositifs mécaniques (aiguilles, signaux, portes des remises) seront actionnés par des servo-moteurs.

Je ne pars pas de rien puisque mon camarade Pierre a déjà mis en œuvre ce genre d'actionneur. On trouve en outre de nombreuses implémentations sur Internet.

Avantages et inconvénients

Les avantages sont les suivants :

Couple conséquent permettant des montages avec du frottement et des alignements qui ne sont pas tirés au cordeau ;
Vitesse de déplacement pilotable précisément ;
Positions extrêmes réglables par l'informatique, servo par servo ;
Moins de fabrication personnelle (comparé au fil à mémoire) et donc moins de temps passé sur des détails mécaniques qui me passionnent moins que le modélisme ou l'électronique et l'informatique.

Les inconvénients existent :

Couple conséquent qui nécessite de monter des butées. Sans quoi, un mouvement non maîtrisé du servo-moteur peut entraîner de la casse ;
Le pilotage nécessite une informatique plus complexe ;
Le bruit n'est pas nul contrairement au fil à mémoire mais il n'est pas non plus important comme pour les actionneurs à électro-aimants.

Les mises en œuvre existantes

Les mises en œuvre d'actionneurs d'aiguille au moyen de servo-moteurs sont légions. Voici un modeste panorama.

Montage direct sous la plateforme de voie avec le plan du palonnier perpendiculaire à la plateforme

Dans ce cas, la tige de commande est fixée directement sur le palonnier puis traverse la plateforme. Il s'agit du montage le plus simple comme montré sur les photos ci-dessous. Il est aussi très classique.

Montage direct sur le palonnier.

Photo Reinhard Heckmann. Le réseau de Reinhard Heckmann

Le servo déposé

Photo Reinhard Heckmann

Pour : Très simple, peu coûteux, encombrement très réduit.

Contre : Ajout de fins de course délicat car le palonnier est perpendiculaire au corps du servo. Pas de butées.

Montage avec pivot sous la plateforme avec le plan du palonnier parallèle à la plateforme

Il s'agit également d'un montage classique. D'ailleurs des supports existent dans le commerce chez Tam Valley Depot etchez Motrak Models.

Le servo est monté à l'envers et la tige de commande passe par un trou qui sert de pivot. Cette vidéo sur Youtube illustre le mécanisme.

Pour : Très simple, peu coûteux si on fait le support soit même, encombrement raisonnable.

Contre : L'ajout de fins de course complique beaucoup le montage et n'est pas commode car le palonnier est perpendiculaire au corps du servo. Pas de butées.

Montage avec renvoi d'angle sous la plateforme

Ce montage est un peu plus compliqué dans la réalisation. Le montage proposé par le Cercle Ferroviaire de Nancy illustre bien le principe. La plus grande complexité s'explique par l'introduction d'un contact de fin de course pour basculer l'alimentation du cœur.

Pour : Conception monobloc permettant une mise au point sur l'établi. Fin de course prévu d'origine. Pas de butées

Contre : Coûteux, assez compliqué, un seul fin de course. Pas de butées.

D'autres montages plus simple existent comme ceux que l'on peut voir sur le blog de Dirk avec l'avantage de pouvoir installer des tringles plus ou moins longues selon la configuration. Ce montage est assez proche de celui présenté à la section suivante.

Pour : Simple, peu coûteux, adapté à des configurations atypiques.

Contre : Fins de course compliqués à ajouter. Pas de butées

Montage avec tringlerie sous la plateforme

Ici, le servo est monté sans renvoi d'angle et de côté par rapport à l'aiguille. Le montage est donc à réserver à des zones où le dégagement latéral est confortable. On peut voir ce type de montage sur le site d'OpenDCC ou sur la dernière photo de cette page du site TTbahn.de

Pour : Simple, peu coûteux, adapté à des configurations atypiques.

Contre : Fins de course compliqués à ajouter. Pas de butées

Montage avec tringlerie sur la plateforme

Le montage est à réserver à des zones où le relief va permettre de camoufler le mécanisme et où le servo sera monté au bord du réseau comme dans la photo ci-dessous.

Montage sur la plateforme avec tringlerie de commande

Photo Reinhard Heckmann.

ou encore dans ce forum.

Pour : Simple, peu coûteux, adapté à des configurations atypiques.

Contre : Fins de course compliqués à ajouter. Pas de butées

Montage avec pivot sous la plateforme et le plan du palonnier perpendiculaire à la plateforme

Il s'agit du montage choisi et incidemment celui mis en œuvre par mon camarade Pierre. Ce montage est peu voire pas utilisé. Je n'ai trouvé qu'un seul montage qui soit similaire sur le site RailRoad24.de

Voici la vidéo d'un prototype préliminaire qui montre le fonctionnement de ce montage.

Fonctionnement du montage choisi

Pour : Fins de courses prévus d'origine, montage assez simple.

Contre : Encombrement.

L'ajout des contacts de fin de course n'est pas montré ici mais a déjà été fait et sera présenté dans un prochain billet.