Construction d'un 4ème axe avec un frein

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16 Août 2017
23
Ancien gessien
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  • #1
Bonjour,

Je voudrais vous présenter le dernier ajout à mon atelier. C'est un 4ème axe de 150mm fait maison (basé sur un réducteur elliptique Harmonic Drive) avec un frein à disque électromagnétique.

La base du projet est un réducteur elliptique Harmonic Drive de 100:1 importé du Japon. Pour la compacité de l'ensemble, j'ai opté pour l'une de leurs unités CSD (CSD-25-100-2A-GR-SP) qui a une longueur totale de seulement 17 mm et un diamètre extérieur de 85 mm. Le couple nominal de ce modèle est de 47 Nm à 2000 tr/min, avec une limite de 110 Nm pour les à-coups répétés.

L'entrée du réducteur est entraînée par un moteur pas à pas en boucle fermée de 4,6 Nm (Nema 34). Le côté sortie engage un arbre de diamètre extérieur de 40mm soutenu par une paire de roulements à rouleaux coniques de précision P5 (32008 XA P5), l'ensemble étant à l'intérieur d'un bloc palier en acier de 120mm de large.

La partie intéressante de ce projet est, à mon avis, le frein électromagnétique. La plupart des versions DIY des 4ème axe que j'ai trouvées en ligne et basées sur des réducteurs elliptiques n'incluent pas de frein. Cela entraîne des problèmes de performances, car les réducteurs elliptiques ne sont pas des dispositifs très rigides en torsion. À titre d'exemple, pour le réducteur que j'ai choisi, un couple de 10 Nm à la sortie entraîne un déplacement en torsion de 76 arcsec. C'est à dire un déplacement linéaire de 28 microns à un rayon de 75 mm. Cela signifie qu'on est limité à ne faire que des usinages très légers ou de très petites pièces ...

Étant donné que je prévois d'utiliser ce 4ème axe principalement pour l'indexation, le fait d'avoir un frein résout ce problème de rigidité.

Le frein est composé d'un disque en aluminium attaché à l'arbre principal par une flexion axiale (j'ai dû passer par 2 versions de la flexion jusqu'à ce que je trouve le bon design). Par défaut, le disque est pressé par une plaque d'acier contre un boîtier fixe en aluminium. Cette plaque est préchargée par 8 piles de rondelles Belleville (à ressort) maintenues sur des vis à tête creuse M5. La précharge du ressort, qui définit le couple de freinage, peut être réglée en serrant ou desserrant les vis M5.

Avoir de l'aluminium comme surfaces de freinage peut sembler un choix étrange, mais cette combinaison de matériaux a en fait un coefficient de friction statique assez élevé (environ 1.0 selon l'endroit où vous obtenez les données). Puisque le but de ce "frein" est de verrouiller les 2 surfaces ensemble et de ne pas faire du freinage réelle (c'est-à-dire les surfaces qui glissent entre eux), je ne prévois pas trop de problèmes d'usure ou de grippage des surfaces en aluminium. Mais je peux avoir tort, et si c'ést le cas, un nouveau disque et boîtier peut être facilement fabriqué à partir de différents matériaux.

En ce qui concerne la façon dont le frein est actionné, il existe de nombreuses méthodes disponibles (hydraulique, pneumatique, une mélange des deux, etc.). J'ai choisi un actionnement électromagnétique car il était assez facile de l'intégrer parfaitement dans le 4ème axe et simple de se brancher au centre d'usinage dans lequel il ira.

L'actionneur se compose d'une bobine de 700 tours de fil de cuivre émaillé de 0.65mm insérée dans la face avant du bloc palier. Au repos, l'écart entre la plaque d'acier qui précharge le frein et le bloc palier est de 0.2 mm. Lorsque la bobine est excitée avec un courant de 2.4A, les forces magnétiques éloignent la plaque d'acier du disque en aluminium, libérant ainsi le frein. Une fois la plaque d'acier collée au bloc palier, le courant peut être réduit de moitié (environ 1.2A) pour ne pas surchauffer et brûler la bobine. En pratique, cela est réalisé en connectant une résistance en série avec la bobine via un relais à retard temporisé.

Le couple de freinage mesuré pour la précharge optimale était d'environ 90 Nm, ce qui semble raisonnable pour un 4ème axe de cette taille qui sera principalement utilisé pour l'usinage de pièces en aluminium. Le jeu mesuré (qui provient à la fois des pertes d'hystérésis à l'intérieur du réducteur et des pas discrets du moteur pas à pas) était d'environ 18 arcsec.

J'espère que cela peut être utile ou donner des idées à quiconque envisage de construire un 4ème axe chez soi.

Je vais inclure quelques images de ce projet ensuite.

À plus
 
koenigsegg
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16 Août 2017
23
Ancien gessien
  • Auteur de la discussion
  • #2
Voici les images:

Le modèle 3D
CAD.JPG


Le réducteur elliptique Harmonic Drive
IMG_1.jpg


Usinage du bloc palier en acier
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IMG_4.jpg


Usinage de l'arbre principal
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L'arbre avec l'écrou de serrage
IMG_6.jpg


Usinage du disque de freinage (version 2.0)
IMG_14.jpg


Disque de freinage dans le boîtier alu
IMG_15.jpg
 
koenigsegg
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16 Août 2017
23
Ancien gessien
  • Auteur de la discussion
  • #3
Enroulement de la bobine de freinage
IMG_2.jpg


Bobine et bloc palier
IMG_7.jpg

IMG_8.jpg


Aperçu des pièces (avec une version antérieure du disque de frein)
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Début d'assemblage
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IMG_11.jpg


Préchargement des roulements avec une douille fait sur mesure
IMG_12.jpg

IMG_13.jpg
 
koenigsegg
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16 Août 2017
23
Ancien gessien
  • Auteur de la discussion
  • #4
Assemblade du réducteur elliptique
IMG_20.jpg

IMG_22.jpg


Assemblage du frein et du plateau
IMG_16.jpg

IMG_21.jpg


Montage du moteur pas à pas
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IMG_24.jpg


Boîtier du moteur pas à pas (pièce d'impression 3D en ABS avec une coque extérieure renforcée en fibre de verre)
IMG_18.jpg


Le 4ème axe installé sur un centre d'usinage Brother TC-215
IMG_25.jpg
 
Dxmax
Dxmax
Compagnon
30 Juil 2010
1 314
FR-63 Clermont-ferrand
Superbe réal,
il doit y avoir quelques heures de conception et d'usinage en complément des coût en matériel, temps de montage et paramétrage CN.
Bravo :wink:
 
Christophe C.
Christophe C.
Ouvrier
31 Mai 2016
266
Toulouse
Hello,

Intéressante réalisation, c'est beau comme un 4ème axe du commerce!

Par curiosité, combien t'ont coûté le réducteur et le servo?

Je n'ai pas bien compris/vu la plaque d'acier dans ton frein, c'est la pièce dorée qu'on devine après le disque de frein sur ta CAO? Et du coup on sont logées les bellevilles? Ou sont les vis de réglage de leur pré-charge, j'imagine qu'elles sont fixées au bâti car la plaque acier ne tourne pas?
 
koenigsegg
koenigsegg
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16 Août 2017
23
Ancien gessien
  • Auteur de la discussion
  • #7
Salut Christophe,

J'ai dû payer 200€ sur ebay pour le réducteur et 120€ pour le kit moteur pas à pas+controlleur.

Voici une photo de l'assemblage du frein que j'ai oublié d'ajouter. On y voit la plaque d'acier et les piles de bellevilles avec les vis de réglage. Le disque est pris en sandwich au milieu. L'ensemble est ensuite vissé au bloc palier par 4 vis M8.

IMG_26.jpg


À plus
 
Christophe C.
Christophe C.
Ouvrier
31 Mai 2016
266
Toulouse
Merci pour les réponses! C'est bien propre tout ça.

Pour la bobine, comment elle tiens en place? Il me semble que généralement dans l'industrie ce genre de montage est coulé dans la résine.
 
koenigsegg
koenigsegg
Nouveau
16 Août 2017
23
Ancien gessien
  • Auteur de la discussion
  • #9
Pour l'instant la bobine est juste pressé dans sa poche. J'ai hesité à couler dedans de la résine époxi mais j'ai eu peur si jamais j'aurai eu un problème par la suite que ça devenai vite une galère pour l'enlever. Je verrai comment elle se tiendra dans le temps... :roll:

Mais j'ai encore 1.5kg de fil de cuivre qui traine dans l'atelier... :mrgreen:
 
FTX
FTX
Compagnon
14 Mai 2008
1 101
37
J'espère que cela peut être utile ou donner des idées à quiconque envisage de construire un 4ème axe chez soi.
Bonjour

Merci de partager un travail aussi qualitatif. Ca donne envie. Pour la commande le frein sera piloté avec un programme et une carte spécial.

Ftx
 
PL50
PL50
Compagnon
7 Oct 2014
1 531
30Km de Cherbourg - Manche (50)
Pour l'instant la bobine est juste pressé dans sa poche. J'ai hesité à couler dedans de la résine époxi mais j'ai eu peur si jamais j'aurai eu un problème par la suite que ça devenai vite une galère pour l'enlever. Je verrai comment elle se tiendra dans le temps... :roll:

Mais j'ai encore 1.5kg de fil de cuivre qui traine dans l'atelier... :mrgreen:
Bonjour, c'est quoi les revêtement doré et noirs que tu as utilisé ?
Pour les câbles de sortie du pap tu aurais pu les orienter vers le bas, comme ça en cas d'infiltration sous le capot, ça ne rentre pas dans le moteur en suivant les câbles.
En tout cas, bravo c'est bien pensé et bien réalisé, et ce qui ne gâche rien, c'est beau!!!!
 
F
franck67
Compagnon
22 Déc 2011
1 501
pourquoi mettre un capot au moteur pap ? comment il est ventiler ce moteur ?
mes moteur pap sont tous a l'air libre et je n'ai eu aucun soucis depuis leurs installation donc je m'interroge sur l'interet de la chose ....
 
PL50
PL50
Compagnon
7 Oct 2014
1 531
30Km de Cherbourg - Manche (50)
pourquoi mettre un capot au moteur pap ? comment il est ventiler ce moteur ?
mes moteur pap sont tous a l'air libre et je n'ai eu aucun soucis depuis leurs installation donc je m'interroge sur l'interet de la chose ....
oui, mais s'il veut utiliser l'arrosage sur son brother, avoir le moteur à poil ne va pas être terrible....
 
F
franck67
Compagnon
22 Déc 2011
1 501
oui, mais s'il veut utiliser l'arrosage sur son brother, avoir le moteur à poil ne va pas être terrible....
c sur mais pourquoi faire un capot aussi pres du moteur alors dans ce cas ?? je dis tout ca parceque un moteur ca monte qd meme a 70° et plus ca chauffe moins bien ca marche ..... en tous les cas c'est ce que j'ai pu constater d'ou ma question ...juste pour comprendre
 
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