BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Bonjour à tous,

Après la présentation (il y a déjà quelques temps) de ma CNC en agglo, je reviens vers vous pour vous présenter un nouveau projet.
Il s'agit d'une big CNC à portique mobile que j'ai reçu virtuellement ce matin :



Si ça vous intéresse, j'essaierais de décortiquer mon projet.

Carlos

@ Algone : Ravi d'avoir un 1er lecteur intéressé par ce projet.
@ Sebastian : Je reviens effectivement sur ce forum avec un projet de BIG CNC qui est en quelque sorte MON "résumé" de ce que j'ai pu lire ici et là sur ce forum sur ce genre de machine. J'exposerais mes choix et débattrais je l'espère avec nos experts sur les solutions retenues.
Je te rassure, Il est pas prévu que je réalise la machine car outre son prix, je ne dispose pas du tout de la surface nécessaire à son implantation.

A propos du beau gosse virtuel des photos : Le but de montrer un personnage à côté de la machine est pour moi une façon d'une part d'en visualiser directement les proportions, et d'autre part de situer la place de l'opérateur telle que je l'envisage sur cette machine.

Cet emplacement de l'opérateur me permet de définir les axes de la machine :
L'axe X est l'axe longitudinal de la table de travail orienté de la gauche vers la droite de l'opérateur.
L'axe Y est l'axe transversal de la table de travail. C'est donc l'axe du portique orienté de l'arrière vers l'avant de l'opérateur.
L'axe Z est l'axe vertical orienté de bas en haut.
le trièdre XYZ ainsi défini est supposé orthonormé par construction et direct par le choix des orientations.


Cette machine est essentiellement dédiée à l'usinage 3D de tous types de bois panneaux et massif. Un 4ème axe pourra facilement être rajouté pour augmenter ses possibilités d'usinage.
Je suis persuadé qu'elle pourra usiner également l'aluminium, mais dans ce domaine ses performances seront d'abord limitées par les performances de la broche de fraisage retenue, puis ensuite par les vibrations et déformations de la structure. Je reviendrais plus loin sur ce sujet.

Les caractéristiques principales de la machine :
Dimensions : Longueur = 3,1m / Largeur = 1,8m / Hauteur = 1,5m (hors câbles)
Poids : environ 700 Kg
Translations : X = 2500 mm / Y = 1200 mm / Z = 190 mm
Vitesses maxi de déplacement de la broche : X : 24 m/mn / Y : 7 m/mn / Z : 3.5 m/mn
Précision de positionnement (en pas entier) : X = 0.2 mm / Y = 0,05 mm / Z = 0,025 mm
(Les micropas seront utilisés sur les moteurs pour améliorer le positionnement (surtout en X))
Broche d'usinage : 3.5 KW en ER25 refroidissement par air.
Guidages linéaires : HIWIN rail HGR25 + patins HGL25CA
Entrainement :
En X : 2 moteurs NEMA 34 (couple environ 8N.m) avec réduction de 4:1 , entrainement par courroies HTD 8M-30
En Y : Moteur NEMA 34 + couroie HTD 5M-16 + Vis à billes D25 au pas de 10 mm + Paliers BK17 / BF17
En Z : Moteur NEMA 34 + courroie HTD 5M-16 + Vis à billes D20 au pas de 5 mm + Paliers BK15 / BF15

Carlos

Merci à pinou29 et ingenieu59.


Aujourd'hui je vais commencer à détailler la machine en commençant par son châssis.

Avec un peu d'imagination, on devine sur cette image que c'est un châssis acier peint en bleu avec quelques éléments en bois.

L'étude menée s'appuie sur 2 contraintes que je me suis imposé :

1) Compte-tenu de son encombrement et de son poids il me fallait impérativement concevoir un châssis en kit pour sa manutention et son installation.
Ce choix à plusieurs avantages :
- Manipuler des éléments qui pèsent beaucoup moins (maximum 38Kg)
- Réduire les soudures au maximum
- Rattraper au mieux les défauts géométriques des profilés acier en utilisant des feuillards pour caler si besoin les différents éléments du kit.

2) Toujours dans un soucis de manutention, me servir au maximum de la gravité pour m'aider au montage et ainsi peaufiner les réglages sans efforts.
Ceci m'a amené à :
- poser les 2 poutrelles longitudinales sur les pieds
- poser les 9 traverses en appui à l'intérieur des poutrelles longitudinales.
- poser les rails du X sur la face supérieure des poutrelles longitudinales. C'est beaucoup plus commode pour les réglages.

En enlevant le plateau et quelques pièces accessoires, on voit mieux la structure globale du châssis.
Il y a 6 pieds ... Comme vous, j’ai déjà lu qu'il faut seulement 3 pieds pour définir un plan d'appui. Tant pis j'assume ce choix.
Les pieds du milieu sont "optionnels", mais les calculs montrent qu'il est cependant préférable de les garder (je reviendrais plus tard sur ce point).
On note également que les 4 pieds principaux ne sont pas au bout des poutres longitudinales afin de réduire la portée de celles-ci.

Le châssis se décompose en 2 parties :

1) Une base réalisée avec des poutrelles UPE120 et essentiellement des bouts de plats de 60mm et 80mm d'épaisseur 10mm.
Les soudures sur le châssis se limitent uniquement à souder les plats sur les poutrelles. L'ensemble de la base est boulonné avec 28 vis M12.
L'entraxe des pieds est : Longitudinalement = 1080mm , Transversalement = 1400mm
La hauteur des pieds est de 700mm et les traverses sont à mi-hauteur.
J'ai prévu une fixation au sol bien que je ne suis pas sur que ce soit utile. C'est mieux de la prévoir au cas ou.
Il faudra probablement caler les pieds et prévoir d'interposer une plaque de néoprène sous les pieds pour amortir les vibrations.

2) Un plateau (vue par dessous) avec 2 poutrelles UPE120 (longueur 3100mm), 9 traverses IPE100 (longueur 1420mm), 2 cornières ailes égales de 50mm (longueur 2000mm). L'entraxe des traverses est de 360mm. Le tout est boulonné avec plein de vis M8



Le plateau est fixé sur la base après calage(s) avec 12 vis M12.

Je lis couramment que l'acier au kilo n'est pas cher ... le problème est qu'il y a beaucoup de kilos : Le châssis présenté pèse rien moins que 385 Kg. En tant que particulier, je ne suis pas habitué à acheter des profilés métallurgiques et donc je ne sais pas à priori quantifier le prix matière de ce châssis.
J'ai trouvé sur internet des infos chez un fournisseur d'achat en ligne qui donnent une idée de son coût matière :

Il faut encore rajouter environ 300€ de port ....

Certains diront que les barres en 6m sont moins chères, c'est vrai mais le gain obtenu chez le fournisseur en question n'est pas énorme on descend effectivement à environ 2,26€ du kilo, le gain est théoriquement de 180€ mais il ne faut pas oublier qu'on paye les morceaux inutilisés et en plus il faut se tronçonner proprement les profilés.

Bref c'est cher et ce n'est que le début ...

Carlos

Bonjour Alex31,

Le problème des copeaux est un vrai problème.
Qu'il y ait ou pas un portique en caniveau ne change pas à mon avis vraiment la donne car je pense qu'il faudra de toutes façons prévoir une aspiration. J'ai bien quelques idées sur le sujet, mais pour le moment celle-ci est absente du projet. Idem pour les protections des rails et des courroies ...

J'avais envisagé également une solution caniveau que j'ai laissé tomber.
Le caniveau présente à mon avis l'avantage de réduire un peu (ou beaucoup) la hauteur des jambes du portique, mais en contrepartie c'est une solution qui augmente légèrement (pour une course donnée) la longueur du portique.
On voit sur l'image ci-dessous qu'avec mon montage, l'ensemble mobile YZ (en position basse) est à l'aplomb des patins X et que la fraise les frôle quasiment :



Concernant les copeaux j'ai le sentiment (en absence d'une aspiration)au contraire que la solution à caniveau favorise l'amoncellement des copeaux.

Pour ce qui est des défauts de géométrie, j'en suis bien conscient. C'est une des raisons qui me font opter pour une version de châssis à assembler et non une version totalement soudée. J'espère ainsi par un calage adéquat inhiler une bonne partie des défauts.

Alex31 a dit:

... je pense qu'une structure à fleur ne permet pas de passer des panneaux brut de plus grande dimensions, car lorsque le portique avance, le brut ne peut pas être plus large ...

Cliquez pour agrandir...

Je ne comprend pas. Dans un portique à caniveau le brut ne peut pas non plus dépasser.

Carlos

Bonjour LETARTARE,
C'est un réel plaisir de vous rencontrer de nouveau sur ce forum.

Carlos

Bonjour Jmr06,

Sans traiter véritablement (pour le moment) le sujet, sache que cet écart important de vitesse est du uniquement au fait que l'entrainement en X est réalisé par courroies.
Avec les courroies, chaines, ou crémaillère on a un développé par tour qui correspond à la circonférence du diamètre primitif de la poulie (ou du pignon dans le cas d'une crémaillère) important. Avec les crémaillères on pourrait développer moins de mm par tour de pignon, mais les crémaillères posent d'autres problèmes.

Dans mon cas, un tour de poulie développe rien moins que 160mm, ce qui est énorme comparé au pas des vis à billes utilisées en Y et Z.
Avec une réduction de 4:1 sur la sortie moteur en X, la poulie tournera à 150 t/mn maxi d’où la vitesse maxi de 24m/mn (160x150).
Sur cette base 1 tour moteur développe 40mm de course et comme nous avons 200 pas pleins par tour, in fine la précision de positionnement en pas plein de 0.2 mm .

Pourquoi les courroies en X et pas des vis à billes : les vis feraient environ 3m de long, il faudrait quelles soient d'un gros diamètre et cerise sur le gâteau il faudrait alors faire tourner l'écrou sur le portique et non la vis parce que celle-ci tournerait vite (600tr/mn) ce qui poserait à mon avis un problème. C'est cette raison et le prix de ces vis qui font que je ne retiens pas les à billes en X.

Voulant privilégier la précision à la vitesse, sur les axes Y et Z je reste avec des vis à billes car les dimensions sont beaucoup plus modestes.
Le moment venu on verra si on peut prendre sur l'axe Y des vis à billes avec un pas plus important (il existe des vis SFU2520 au pas de 20mm).
On passerait alors à une vitesse de 14m/mn et une précision de positionnement de 0.1mm en pas plein.

Ceci étant dit, le ratio des vitesses actuelles est pas mal :

course de 1200mm en Y à 7m/mn = 10.3s
course de 2500mm en X à 24m/mn = 6.25s
course de 190 mm en Z à 3.5m/mn = 3.2s

Carlos

Bonjour Eveb,

Justement, ce ne sont pas des UPN mais des UPE qui ont la particularité d'avoir des faces parallèles.

Je viens de découvrir ton projet. Tes dimensions sont celles de mon projet ... Je lirais tout ça demain.

Carlos

A) COMPORTEMENT DU CHASSIS AVEC UNIQUEMENT 4 PIEDS
Pour cela, j'ai du créer un modèle CAO simplifié (pas de trous, pas de rayons etc ...) afin de simplifier les calculs.
Pour le chargement statique du châssis, je considère les efforts suivants :

1) Un plateau en bois épais + un panneau à usiner peuvent peser 160Kg. En répartissant cette charge sur les 9 traverses, cela représente une charge d'environ 18Kg. J’arrondis à 20 Kg uniformément répartis sur chaque traverse

2) L'ensemble du portique pèse environ 170Kg. J'arrondis cette charge à 200Kg appliqués ponctuellement sur le châssis en 4 zones de surface équivalente des patins en X

3) J'applique une charge censée représenter les efforts. Arbitrairement je prend une charge cumulée de 500N en X + 500N en Y. Ces charges sont appliquées également ponctuellement sur le châssis.

Quelques remarques :
- Les 4 pieds sont supposés être encastrés au sol.
- Le portique est volontairement positionné sur le châssis au pire endroit : en son milieu

Sur cette image on voit le comportement statique du châssis avec le chargement qui a été défini ci-dessus :


Les translations statiques sont plutôt faibles (<0.1mm). La partie centrale du châssis fléchie (normal) et on remarque également que les 2 poutrelles longitudinales se vrillent au milieu.

La suite est moins sympathique, car il faut s'intéresser maintenant au comportement vibratoire (dynamique) du châssis.

Les fréquences de résonance de ce châssis avec le chargement actuel est le suivant :

Cette liste de 10 fréquences correspond aux dix 1ers mode d'excitation du châssis (avec ce chargement). Des fréquences c'est bien, mais c'est pas très parlant.

l'image suivante est j'espère plus explicite :

On y retrouve les 10 fréquences modales du châssis, mais maintenant on visualise directement les déplacements dynamiques obtenus en quelques points du châssis (judicieusement choisis) en l'excitant (faisant vibrer) à ces fréquences.
Là, c'est beaucoup moins sympathique que le résultat statique, on voit bien que le 4ème mode (109 Hz) provoque des déplacements d'environ +/- 1mm
Le 4ème mode c'est ça : un battement vertical des poutrelles longitudinales ...


Carlos

Bonjour à tous,
Je veux préciser afin qu'il n'y ait pas de malentendu que je ne suis pas un spécialiste dans le domaine des simulations mécaniques.
Il va probablement m'arriver d'écrire des choses pas tout à fait exactes. Je demande aux spécialistes dans ce domaine un peu d'indulgence et d'intervenir au besoin si mes approches ou hypothèses faussaient fondamentalement le résultat.

Momoclic a dit:

Bonjour,
Belle démonstration comparative de la statique face à la dynamique !
Merci pour ces mises en évidences.

Cliquez pour agrandir...

Ce que je retiens de la réponse dynamique d'une pièce comme le châssis c'est qu'en analysant sa courbe on voit très nettement 3 zones distinctes :
1) Une zone en-dessous des modes vibratoires (ici en-dessous de 50Hz) ou les déplacements sont constants et égaux aux déplacements statiques
2) Une zone de turpitude ou on rencontre les fréquences de résonance de la pièce (ici entre 50 et 170 Hz). Cette zone peut être gênante, voire très gênante lorsque les déplacements sont énormes, ou au contraire acceptable lorsque ceux-ci sont faibles.
3) Une très grande zone de béatitude (au-dela de 170Hz) ou le poids amorti tellement qu'il ne se passe plus rien.
Une conséquence directe : j'éviterais par précaution lors d'un usinage de faire tourner ma broche de sorte que la fréquence de coupe de l'outil soit dans la bande de 50 à 170Hz .

flogpr a dit:

... ci dessous un lien pour te permettre d'amélioré la précisions de tes simulations , je ne sais pas si sa va beaucoup impacté ton étude , je sais que le maillage à beaucoup d'incidence sur la contrainte , mais aucune idée de son influence sur les déplacements ...

Cliquez pour agrandir...

Ma petite expérience dans ce domaine m'a permis de constater qu'effectivement le maillage impacte les résultats (comme les hypothèses de calcul).
Comme cette présentation reste avant tout une modeste étude d'amateur, je n'ai pas les moyens en temps et en matériel d'affiner beaucoup les chiffres.
Cela ne servirait d'ailleurs à rien dans cet exercice de rechercher une précision extrême. C'est plutôt une information de la valeur probable de la déformation.
Les quelques essais que j'ai pu faire pour augmenter la précision du maillage ont débouchés sur des temps de calcul plus longs et surtout par un plantage régulier du logiciel du au fait que ma carte graphique n'est pas du tout à la hauteur. Ces essais m'ont permis de constater qu'en affinant le maillage les déformations étaient un plus fortes, mais l'écart obtenu ne me parait pas être à même de fausser la donne.

Carlos

B) COMPORTEMENT DU CHÂSSIS AVEC 6 PIEDS

Comme les 2 pieds du milieu sont démontables dans mon projet, il est très facile de passer d'une configuration 4 pieds à une configuration 6 pieds.

Je reprend bien sur les mêmes charges, mais pour ne pas fausser la comparaison, je déplace le portique pour le positionner au pire endroit pour cette configuration : entre les pieds du milieu et 2 pieds extérieurs. Les pieds du milieu sont évidement supposés être encastrés

Voyons ce que devient le comportement statique du châssis avec 6 pieds :

Les translations statiques se sont améliorées. On passe de 0.1 à 0.05mm et on a remarque encore une fois que les 2 poutrelles longitudinales se vrillent vers l'intérieur du châssis.

Comment évolue le comportement vibratoire (dynamique) du châssis ...

Ses fréquences de résonance deviennent celles-ci :

1er Constat : les fréquences ont augmenté. Ceci est normal car plus les fréquences de résonance d'une pièce sont hautes et plus cette pièce est rigide.

Voyons maintenant ce que deviennent les déplacements dynamiques des mêmes points que précédement (pour info : ces points sont situés au niveau des appuis du portique sur le chassis) :

Les choses ont beaucoup changées.
Dans le pire des cas, le déplacement n'est plus que de +/-0.25mm au lieu de +/-1m avec 4 pieds, et ce n'est plus le 4ème mode qui pose un soucis mais le 1er mode à 82.775Hz. Le battement vertical des poutrelles longitudinales a quasiment disparu et est remplacé maintenant par un battement horizontal de l'ensemble du plateau (flexion des 6 pieds) .
Pour moi, il ne reste plus que la fréquence 82Hz à éviter si besoin car les autres déplacements restent en-dessous de 0.1mm. Ce qui est TRÈS BIEN.

Pour info : le 1er mode donne cette déformation.
On voit nettement le balancement horizontal de l'ensemble du plateau du à la flexion en phase des 6 pieds.


Conclusion : Pour moi, il n'y a pas photo, le châssis avec 6 pieds est préférable.

----> JE RETIENS DONC SUR MA CNC LA VERSION D'UN CHÂSSIS AVEC 6 PIEDS

---> Dans les 2 cas de figure, j'ai bien remarqué que les poutrelles longitudinales supportant les rails se vrillent vers l'intérieur.
Ceci est du au chargement qu'elles supportent :
1) Charge des plateaux en bois qui est transmise via les traverses = TRÈS gros couple de torsion
2) Dans une moindre mesure, la charge du portique qui est centrée sur les 60mm de largeur des poutrelles

On pourrait facilement annuler ce vrillage mais je trouve cela totalement inutile car il suffit de regarder les images pour s’apercevoir que cette déformation de vrillage reste inférieure à 0.01mm.

Carlos

flogpr a dit:

... le calcul étant de toute manière inexacte . la conclusion est néanmoins toujours valable , si tu peux rigidifié de manière a repoussé les résonances au dessus du seuil ou elles n'ont plus d'influence sur ta structure , ou mieux au dessus du seuil d'utilisation ( 400 Hz il me semble une broche chinoise ? ) .

Cliquez pour agrandir...

Je pense que tous mes calculs ont une marge d'erreur qui n'est pas négligeable, mais je suis persuadé que ces erreurs ne changent pas réellement les conclusions que l'on peut en tirer. In fine, de toute façon chacun appréciera mes calculs à travers son expérience.

Pour ce qui est des fréquences d'excitation d'une machine, mon point de vue est le suivant :
Un usinage est une suite de chocs supportés par la machine à chaque fois qu'une dent attaque la matière.

J'en déduis la formule ---> Vitesse de broche à éviter (Tr/mn) = 60 x ( Fréquence à éviter (Hz) / Nombre de lèvres de la fraise)

Exemple :Si je veux éviter de secouer ma machine à la fréquence de 100Hz et que j'utilise une fraise à 2 lèvres .Alors, il ne faut pas que ma broche tourne à 3000tr/mn

Cette considération m'amène à autre réflexion : pour usiner du bois on tourne toujours très vite.
Dans l'usinage du bois, la fréquence d'excitation du châssis due à l'usinage sera toujours (dans mon cas) bien au delà des fréquences de résonance.
Exemple : broche à 18000tr/mn + fraise à 1 lèvre ---> 300Hz, 2 lèvres ---> 600Hz, etc ...

Les fréquences de résonance m'inquiètent BEAUCOUP PLUS pour l'usinage du métal.
Il faudra dans ce cas prévoir une broche d'usinage capable d'usiner le métal et d'autre part il faudra surtout tourner beaucoup moins vite ne serait-ce que pour respecter les vitesses de coupe.

Le TRÈS GROS avantage de monter en fréquence les fréquences de résonance ET d'augmenter la raideur du châssis est :

1) AUGMENTER la 1ère zone qui se situe en-dessous des fréquences de résonances car on peut alors sereinement envisager l'usinage du métal dans cette zone. Dans le cas de mon châssis à 6 pieds, en dessous de 50Hz c'est cool, et 50Hz = fraise de 2 dents à 1500 tr/mn
2) DIMINUER les amplitudes aux fréquences de résonance pour pouvoir quand même envisager l'usinage du métal dans cette zone de "turbulence"

Dans le cas de mon châssis, la seule fréquence à éviter (pour le cas traité) serait d'environ 82Hz, mais c'est beaucoup plus complexe car il ne faut perdre de vue que les efforts exercés sur le châssis résultent entre autres de la position du portique. J'ai cependant pris en compte ce point en positionnant le portique de sorte que la déformation du châssis soit maximale.

Carlos