Motorisation obturateur
Pourquoi un obturateur ?
Je cherchais une solution pour pouvoir protéger les optiques (newton de 300 et lunette de 80) durant les longues périodes d'inactivité afin d'éviter que les insectes et surtout les araignées ne viennent s'y installer.
Le volume vide du télescope newton étant important, les araignées apprécient particulièrement cet endroit et viennent tisser leur toile à l'intérieur. Nous ne sommes pas très loin de l'album de Tintin "l'étoile mystérieuse".
Vu que mon équipement fonctionne en remote, il me fallait un système pilotable à distance, donc motorisé.
Entre-temps, j'ai acquis un appareil photo Sony A7S en vue d'équiper la lunette de 80. Afin de pouvoir effectuer la mise au point, j'utilisais préférentiellement un masque de bahtinov, qui m'obligeait à intervenir directement au niveau de l'équipement.
Là aussi, l'idée m'est venu de disposer de la possibilité de mettre en place et retirer le masque de bahtinov à distance.
Je me suis lancé dans la conception d'un bloc-moteur permettant de mettre en oeuvre, soit un obturateur, soit un masque de bahtinov.
De cette conception, en découlera une version un peu plus puissante pour motoriser un obturateur, ou plutôt deux demi-obturateurs pour le newton, car vu le diamètre le tube (360mm), un obturateur unique de ce diamètre est encombrant et délicat à manoeuvrer.
Pour avoir une bonne approche de l'ensemble, la conception a été effectuée à l'aide d'un logiciel de CAO 3D.
Voici 2 vues du système à l'issue de la conception :
Voici une petite vidéo qui permet de se rendre compte du fonctionnement de l'ensemble une fois installé :
Je pense que ce système est exploitable pour des instruments allant jusqu'à 200mm de diamètre.
Au delà de ce diamètre, il faut peut-être augmenter la section des pièces pour consever la rigidité du système.
Vu que je prévois d'installer ce système sur mon newton de 300, j'ai appliqué quelques petites modifications techniques (voir au bas de cette page).
Quel matériel utiliser et quel outillage mettre en oeuvre ?
L'objectif de cette présentation est de montrer qu'il est possible de fabriquer ce système sans outillage sophistiqué.
Si une plieuse peut faciliter le travail, elle n'est pas absolument nécessaire. Toute personne disposant d'un peu d'outillage peut fabriquer ce système.
Sur cette page, je présente les étapes clés de cette fabrication. Un dossier spécifique détaillant la fabrication de ce système peut être téléchargé (lien en bas de cette page).
Ce dossier contient également les liens pour approvisionner les pièces que je n'ai pas trouvé dans les magasins de bricolage en local (moto-réducteurs, fins de course, relais, visserie inox, ...).
la motorisation
Pour pouvoir mettre en mouvement un obturateur ou un masque de bahtinov (dont le poids est modéré), la vitesse de déplacement doit être relativement faible afin de pouvoir maîtriser la cinétique. J'ai cherché sur la toile, un moto-réducteur avec une vitesse de rotation faible.
J'ai trouvé un modèle chez nos amis chinois. Ce modèle est décliné en pratiquement 40 versions différentes, avec des tensions d'alimentation moyennes de 6 à 24V et des vitesses de rotation allant de 2 à 160 tr/mn. Sachant qu'un modèle en tension nominale de 12V peut fonctionner entre 6 et 18 volts, ce qui permet de faire varier la vitesse de rotation dans les même proportions.
Personnellement, j'ai retenu un moteur 12 volts avec une vitesse de sortie de 3 tr/mn à vide, ce qui permet d'effectuer les 90° de rotation nécessaire en 5 à 6s. Cette durée de manoeuvre est tout à fait pertinente.
A ce régime, le couple disponible en sortie d'axe du moto-réducteur est de 25 Kg.cm. Cela signifie qu'avec un levier de 10cm, longueur nécessaire pour une lunette de 80mm (le pare-buée a un diamètre plus important - 120mm), il est possible de soulever 2,5kg, ce qui est largement suffisant.
Ce moto-réducteur pèse environ 150g.
Un obturateur de 120mm de diamètre pèse moins de 100g.
L'intensité nécessaire est également très faible, de l'ordre de 60mA à vide et de 600mA au couple de 25kg.cm. Avec un obturateur ou un masque de bahtinov, on se trouve à moins de 100mA.
En cas d'alimentation par le secteur, un petit bloc d'alimentation de 12V-100mA est suffisant, d'autant qu'on ne manoeuvre pas l'obturateur et le masque de bahtinov en même temps.
Dans mon abri, j'utilise le 12V de l'alimentation générale.
la partie mécanique
Pour l'ensemble des constituants de la structure mécanique, qui va se fixer au pare-buée de la lunette, j'utilise des profilés en aluminium.
Pour le support en U, j'ai pris de la tôle de 2mm d'épaisseur que j'ai découpé à l'aide d'une scie sauteuse. Le pliage est effectué dans un étau.
La cornière de fixation du moteur est une cornière du commerce de 35x65 en épaisseur 2mm.
Le levier est un carré de 10x10.
La tringle supportant l'obturateur ou le masque de bahtinov est un rond de 4mm de diamètre.
Dans le cas de l'obturateur, afin d'obtenir son étanchéité, il faut plaquer le disque sur l'embout du pare-buée de la lunette en exerçant une légère pression.
Un joint mousse est appliqué en périphérie du disque.
Le réglage du fin de course va permettre d'obtenir la pression nécessaire, sachant que la tringle en rond d'aluminium de 4mm de diamètre va pouvoir fléchir légèrement. Il est nécessaire d'avoir un système présentant une certaine flexibilité.
En cas de rigidité trop importante, le disque pourrait être plaqué, mais le fin de course pourrait ne pas être sollicité, maintenant ainsi en permanence la tension sur le moto-réducteur.
L'ensemble de la matière première se trouve dans la plupart des magasins de bricolage.
Les pièces du support après découpe et perçage :
Pour protéger les pièces en aluminium, l'idéal est de procéder à une anodisation.
Ayant tenté cette technique, mais qui s'est soldée par un échec (pour le moment), j'ai peint les pièces avec un bombe de peinture noire.
J'ai utilisé de la peinture haute température car elle semble avoir une adhérence accrue par rapport à une peinture standard.
Un décapage à la soude caustique est effectué en préalable, pour éliminer les traces de gras et l'alumine, afin assurer une bonne accroche de la peinture.
Les mêmes pièces peintes, ainsi que les leviers :
Vu que ce système est soumis à l'humidité, l'ensemble de la visserie est en acier inoxydable.
Un petit profilé plastique, placé sur chaque aile du support en U permet de protéger le pare-buée contre les rayures.
Ce type de profilé se trouve également dans les magasins de bricolage.
Le levier est confectionné dans un carré aluminium de 10x10.
Une extrémité est pourvue d'un trou de 6mm de diamètre pour pouvoir l'introduire sur l'axe du moteur.
Une fente est réalisée à la scie de manière à permettre le pincement du levier sur l'axe du moteur via une vis de serrage (voir photo des pièces peintes).
L'autre extrémité comporte un trou de 4mm de diamètre pour y passer la tringle de l'obturateur ou du masque de bahtinov. Une vis pointeau permet de bloquer la tringle.
Les blocs-moteurs assemblés :
Le câblage électrique
Afin de pouvoir réaliser les manoeuvres d'ouverture et de fermeture au niveau d'un bloc moteur, j'ai fait appel à un relais à 2 jeux de contacts inverseurs. Vu que c'est un moteur à courant continu, il faut inverser la polarité de l'alimentation du moteur pour inverser le sens de rotation.
Un pilotage via un arduino est certainement possible, mais comme je n'ai pas encore mis en oeuvre ce type de produit, je suis resté sur une solution classique à base de relais.
Pour raccorder un bloc moteur au boitier relais, il est nécessaire de reccourrir à du câble à 6 conducteurs. 2 conducteurs pour le moteur et 2 pour chacun des 2 fins de course.
Pour activer à distance le relais de commande du bloc-moteur, j'utilise un des relais de l'IPX800 qui gère à distance tous les accessoires dans mon abri.
Il est possible d'utiliser n'important quel sytème qui comprend au moins 1 relais.
Pour chaque bloc-moteur, il faut définir la position repos du système, c'est à dire la position qui sera occupée durant la majeure partie du temps :
Pour l'obturateur, c'est la position fermée qui est la position repos. Pour le masque de bahtinov, c'est la position ouverte.
Dans le boitier de commande, j'ai utilisé un relais monostable qui est activé lorsqu'on y applique une tension et qui passe au repos lorsqu'on coupe l'alimentation.
Il est possible d'utiliser un relais bistable, qui offre l'avantage de garder sa position en cas de coupure du signal de commande du relais.
Par contre, ce relais nécessite l'envoi de 2 signaux de commande : 1 pour activer les contacts et 1 pour les déactiver.
Le schéma de câblage type d'un relais de commande pour un obturateur :
Pour le masque de bahtinov, il faut inverser les contacts de sortie du relais et les fins de course.
Il est possible d'installer 2 LEDs montées tête bêche avec une résistance en série pour avoir une indication en local du sens de la manoeuvre.
Personnellement, je n'ai pas monté ces LEDs.
Dans mon cas, vu que j'exploite 2 blocs-moteurs sur la lunette (obturateur et masque de bahtinov), j'utilise 2 relais que j'ai placé dans un petit boitier en plastique.
J'utilise un circuit imprimé qu'on trouve sur le marché, à base de bandes. J'aurais pu faire un circuit imprimé spécifique mais comme dit en introduction, ce système doit nécessiter un minimum d'outillage pour sa confection.
Pour raccorder le boitier relais à l'IPX800, j'utilise un câble à 4 conducteurs. 2 conducteurs pour le 12V permanent (+ et -) et 1 conducteur pour l'activation de chacun des 2 relais.
J'ai mis des prises DIN 4 broches (socle femelle et prise mâle) au niveau du boitier de commande pour garantir la tenu mécanique de la connexion.
Le boitier de commande et son plat de spaghettis colorés :
Le boitier de commande et le raccordement avec les 2 blocs-moteurs :
Une fois que tout est câblé, il est possible d'effectuer les essais à vide pour vérifier que tout fonctionne correctement.
Pour réaliser ces essais, il ne faut pas monter le levier de manoeuvre pour éviter tout dégât mécanique en cas de mauvais raccordement d'un fil.
On raccorde uniquement le 12V permanent. Le moto-réducteur pour l'obturateur doit tourner dans le sens fermeture. Un appui sur le fin de course fermeture doit stopper le moteur.
Lorsqu'on envoie un signal de basculement du relais, le sens de rotation du moteur s'inverse. Un appui sur le contact ouverture doit stopper le moteur.
Une fois les essais à vide terminés, on peut fixer le levier sur l'axe du motoréducteur.
Refaire une série de tests en ouverture et fermeture pour valider le fonctionnement de l'ensemble.
Le montage de l'ensemble sur le pare buée
Pour monter l'ensemble (1 ou 2 blocs-moteurs), j'ai utilisé des colliers serflex de 9mm de large. Il existe des colliers serflex de largeur plus importante, mais ce n'est pas nécessaire compte-tenu qu'il y en a deux pour fixer l'ensemble.
Le pare-buée de la lunette faisant 120mm de diamètre, j'ai trouvé des colliers aux bonnes dimensions.
Là également, pour s'affranchir des problèmes liés à l'humidité, les colliers sont en acier inoxydable.
Une gaine thermorétractable entoure chaque collier de manière à éviter de rayer le pare-buée. J'ai trouvé de la gaine de 7mm de diamètre et de 2m de long, qui a la particularité d'être livrée à plat, ce qui est très pratique pour y introduire le collier serflex.
Après avoir gainé les colliers avec la gaine, je l'ai laissé telle que, sans la chauffer pour obtenir le rétreint, car elle épouse parfaitement le collier.
Pour des tubes de diamètre plus important, pour lesquels il n'existe pas de collier serflex à la bonne longueur, il existe des kits comprenant de la bande au mètre et des têtes de serrage à monter sur la bande, toujours en acier inoxydable.
Pour le télescope, vu le diamètre du tube (360mm), il faut 2 bandes de 1,15m de longueur. j'ai acheté un kit qui contient une bande de 4m et 8 têtes. Il suffit de couper la bande et d'y fixer une tête.
Un morceau de plastique fin ou de la feutrine doit être placé sous la tête de serrage du serflex car elle n'est pas recouverte par la gaine thermorétractable.
Le montage du, ou des deux blocs-moteurs, s'effectue sans l'obturateur ou le masque de bahtinov et sans la tringle de manoeuvre.
Dans le cas d'un montage de 2 blocs-moteurs, les positionner en vis-à-vis.
Un bon serrage des colliers serflex doit être effectué pour éviter que l'ensemble ne puisse bouger.
Une fois le montage des blocs-moteurs effectué, refaire des essais de manoeuvre pour valider le bon fonctionnement.
Pour la réalisation de ces essais, il est préférable d'avoir raccordé le boitier relais au système de commande à distance (IPX800 dans mon cas, ou autre carte relais commandée à distance) de manière à se placer dans une situation d'exploitation.
Prendre un soin particulier pour le passage et la fixation du câble de commande de manière à éviter tout risque d'arrachement du câble ou de blocage de la monture durant les manoeuvres.
S'assurer que tout est conforme dans la plage de manoeuvre de la monture.
Photo des colliers serflex, dont un est gainé. On voit également un bout de la gaine thermorétractable "livrée à plat" :
Réglage des fins de course.
Le fin de course ouverture n'a normalement pas besoin de réglage vu qu'il n'y a pas de butée mécanique.
A ce stade, si le relais de commande de l'obturateur n'est pas activé, le levier de manoeuvre doit se trouver dans la position fermeture.
Faire un essai d'introduction de l'ensemble obturateur/tringle dans le levier de manoeuvre.
Si le montage est possible (il y a présence de jeu entre l'obturateur et le pare-buée), centrer l'obturateur par rapport au pare-buée.
Si l'obturateur n'est pas centré latéralement par rapport au pare-buée, on peut cintrer légèrement la tringle pour l'amener en bonne position.
Si le montage n'est pas possible, activer le relais de commande. Le levier doit se placer en position ouverture.
Décaler légèrement le fin de course fermeture dans le sens ouverture. Désactiver le relais pour obtenir la mise en position fermeture du levier.
Procéder à un nouvel essai d'introduction de l'ensemble obturateur/tringle dans le levier de manoeuvre.
Reprendre le décalage du fin de course fermeture si nécessaire.
Une fois que l'ensemble est monté, serrer la vis pointeau de maintien de la tringle.
En fonction de la présence de jeu, mettre l'obturateur en position ouverture et décaler très légèrement le fin de course fermeture dans le sens fermeture.
Faire un essai de fermeture et reprendre le réglage du fin de course fermeture jusqu'à obtenir un léger effort de placage de l'obturateur sur le pare-buée.
Le joint en mousse doit s'écraser légèrement pour garantir l'étanchéité de l'obturateur.
Dans le cas de montage du masque de bahtinov, il faut garder un léger jeu au niveau du pare-buée.
Et pour un télescope ?
Vu les délais de livraison des motoréducteurs, je les ai commandé avant d'avoir conçu le système.
C'est durant la phase de conception, que je me suis rendu compte que l'utilisation de motoréducteurs à sortie d'angle, entrainait une interaction entre l'obturateur et l'arrière du moteur.
Dans ce cas de figure, il devenait impossible d'amener l'obturateur le long du tube.
D'un autre coté, une lunette à courte focale ayant un tube court, il n'est de toute façon pas possible d'amener l'obturateur le long du tube.
Par contre, pour une lunette de plus grande focale ou un télescope newton de grande dimension, il est préférable de ramener l'obturateur le long du tube, à la fois pour éviter l'encombrement durant les manoeuvres de la monture et pour éviter la prise au vent.
C'est pour ces raisons que pour le newton, j'ai commandé des motoréducteurs dont l'axe de sortie est dans l'axe du moteur.
Ce motoréducteur peut également convenir au bloc-moteur destiné à une lunette.
Pour un télescope newton de diamètre modéré (miroir de diamètre inférieur ou égal à 250mm), je pense qu'un obturateur unique convient.
Par contre, pour un diamètre supérieur, il est préférable de mettre en œuvre un obturateur en 2 parties, à la fois pour réduire l'encombrement global et présenter moins de surface au vent lors des manœuvres. Le positionnement des demi-obturateurs le long du tube est également plus aisé.
Dans mon cas (télescope à miroir de 300mm de diamètre), j'ai opté pour un obturateur en 2 parties. Néanmoins, ce modèle présente une difficulté supplémentaire par rapport à un obturateur unique car il faut assurer l'étanchéité entre les 2 parties lorsqu'elles sont fermées.
Après quelques réflexions, il m'est venu l'idée de fixer un profilé plat (bande de plastique) sur un des 2 demi-obturateur avec une zone de recouvrement qui vient sur le 2ème demi-obturateur. Un joint permet de garantir une bonne étanchéité.
Néanmoins, vu la zone de recouvrement entre les 2 demi-obturateurs, les séquences d'ouverture et de fermeture doivent être organisées de manière à éviter l'interaction entre les 2 demi-obturateurs. Les mouvements des demi-obturateurs doivent être asynchrones.
Concrètement, pour la phase d'ouverture, l'obturateur sur lequel est fixé le profilé de recouvrement doit s'ouvrir plus rapidement que l'autre demi-obturateur. A la fermeture, c'est le contraire, l'obturateur non pourvu du profilé de recouvrement doit se fermer plus rapidement afin le demi-obturateur équipé du profilé de recouvrement vienne s'appuyer sur l'autre demi-obturateur.
Cette contrainte est à prendre en compte au niveau du système de pilotage.
Mon télescope étant destiné à un fonctionnement à longue distance, il est primordial de garantir la fiabilité de fonctionnement du système.
Il est important à mon sens d'éviter tout système composé d'une électronique sophistiquée car plus on utilise un système embarquant un grand nombre de composants (électroniques ou mécaniques), plus le risque de panne est important.
J'entends par ces termes, l'utilisation par exemple d'un Arduino, bien que je n'ai aucun grief vis-à-vis de ce genre de module.
J'ai donc retenu un pilotage électromécanique, simple et rustique mais présentant moins de risques de pannes.
L'utilisation d'un servomoteur tel qu'on en retrouve en radiocommande est également "banni" du système. Les nombreux composants électroniques contenus dans ce genre d'équipement contribuent à un perte de fiabilité du système.
Un motoréducteur à courant continu est à la base du système.
Des diodes permettent de gérer les fins de course compte-tenu de la polarité (normale ou inverse) du courant délivré au moteur.
Les fins de course sont du modèle NF (Normalement Fermé). cela signifie que tant qu'un fin de course n'est pas activé, le courant circule. Dès que le fin de course correspondant à la manœuvre (ouverture ou fermeture) est activé, l'alimentation du moteur est coupée.
Schéma de base pour un obturateur unique, avec un seul motoréducteur :
Il suffit à ce stade d'avoir une alimentation qui permute les polarités (le plus et le moins) aux bornes d'entrée. Les diodes permettent de prendre en compte les fins de course en fonction du sens du courant.
Pour alimenter le système, j'utilise un simple relais à 2 séries de contacts qui permet d'inverser la polarité de la tension d'alimentation et d'obtenir les 2 sens de rotation du moteur. L'activation ce relais est effectuée à partir de n'importe quel système de pilotage de relais (IPX800, carte relais, ...). Une carte relais connectée à un Raspberry Pi ou à un Arduino peut également être utilisé.
Dans le cas d'une mise en œuvre de 2 demi-obturateurs, et par conséquent 2 motoréducteurs à courant continu, il est nécessaire d'utiliser le schéma de base pour chacun des motoréducteurs.
Néanmoins, il faut prendre en compte la contrainte exprimée plus haut pour éviter le risque de collision entre les 2 demi-obturateurs.
Pour y parvenir, il suffit de rajouter une diode en série sur chacun des circuits. Une diode permet de baisser la tension qui la traverse de 0,7 volt, ce qui a pour effet de diminuer d'autant la tension aux bornes du motoréducteur.
Par exemple, pour une tension initiale aux bornes du moteur de 6 volts, après ajout de la diode, la tension aux bornes du moteur est de 5,4V. Cette légère baisse de tension permet de réduire directement la vitesse de rotation du moteur. Une diode est insérée sur le circuit d'ouverture d'un demi-obturateur et une autre diode est insérée sur le circuit de fermeture de l'autre obturateur.
L'avantage d'une diode par rapport à une résistance est que la diode crée toujours une chute de tension de 0,7 volt, quelle que soit l'intensité qui y circule.
Par contre, une résistance va créer une chute de tension dont la valeur dépend de l'intensité consommée par le moteur (c'est la fameuse loi d'Ohm).
Et comme la puissance consommée par le moteur est fonction de la position de l'obturateur (son poids crée un couple au niveau du moteur qui varie en fonction de la position de la pétale), l'intensité varie également et entraine une variation de la chute de tension à ses bornes.
Au final, la tension aux bornes du moteur varie également et la vitesse en fait de même. A ce stade, on ne maitrise plus grand chose.
Le schéma pour les 2 demi-obturateurs :
Voici une petite vidéo qui permet de se rendre compte du fonctionnement de l'ensemble une fois installé sur le newton :
