Construction d'un 4ème axe avec un frein

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K

koenigsegg

Nouveau
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
 
K

koenigsegg

Nouveau
Voici les images:

Le réducteur elliptique Harmonic Drive
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Usinage du bloc palier en acier
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Usinage de l'arbre principal
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L'arbre avec l'écrou de serrage
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Usinage du disque de freinage (version 2.0)
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Disque de freinage dans le boîtier alu
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Dernière édition:
K

koenigsegg

Nouveau
Enroulement de la bobine de freinage
IMG_2.jpg


Bobine et bloc palier
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Aperçu des pièces (avec une version antérieure du disque de frein)
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Début d'assemblage
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Préchargement des roulements avec une douille fait sur mesure
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K

koenigsegg

Nouveau
Assemblade du réducteur elliptique
IMG_20.jpg

IMG_22.jpg


Assemblage du frein et du plateau
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IMG_21.jpg


Montage du moteur pas à pas
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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
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D

Dxmax

Compagnon
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:
 
C

Christophe C.

Ouvrier
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?
 
K

koenigsegg

Nouveau
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
 
C

Christophe C.

Ouvrier
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.
 
K

koenigsegg

Nouveau
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:
 
F

FTX

Compagnon
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
 
P

PL50

Compagnon
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
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 ....
 
P

PL50

Compagnon
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
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
 
P

PL50

Compagnon
Disque de freinage dans le boîtier alu
salut, sur ton disque de freinage j'ai une chtite question;
si on regarde le visuel ci dessous:
1584529145456.png

je suppose que le jaune est la zone friction; les zone rouge sont des palonniers articulés, et la zone entourée en bleu la partie reprise du couple.
ma question: y a t il une différence entre la zone jaune et le bleu+rouge? pour que quand le jaune est serré, le bleu et le rouge ne soient pas contraints?
ou est ce que tout est de la même épaisseur et que la magie de la mécanique fait le reste?

a+
 
K

koenigsegg

Nouveau
Salut,

Bonjour, c'est quoi les revêtement doré et noirs que tu as utilisé ?

Les pièces grises sont en alu brut. Pour le reste (bloc palier en acier et capot en ABS) c'est de la peinture noire.

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.

Oui, j'avais pensé à ça mais, faute de place dans le capot pour acheminer les câbles, j'ai dû faire avec... De toute façon le capot est scellé contre le bloc palier avec un joint en silicone, donc je ne m'attends pas à des soucis d'infiltration (au moins j'espère...)

En tout cas, bravo c'est bien pensé et bien réalisé, et ce qui ne gâche rien, c'est beau!!!!

Merci! :smt023
 
K

koenigsegg

Nouveau
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

Salut,

Comme j'ai utilisé un moteur pas à pas + contrôleur en boucle fermée le courant à vide est très faible (au contraire d'un moteur pap classique), donc pas de soucis de surchauffe prévus. En plus, dès que le frein est enclenché le contrôleur est configuré pour couper le courant au moteur (pour éviter qu'on puisse tourner le moteur et endommager le réducteur). La plus part du temps le moteur ne voit meme pas du courant.
 
K

koenigsegg

Nouveau
salut, sur ton disque de freinage j'ai une chtite question;
si on regarde le visuel ci dessous:
Voir la pièce jointe 595034
je suppose que le jaune est la zone friction; les zone rouge sont des palonniers articulés, et la zone entourée en bleu la partie reprise du couple.
ma question: y a t il une différence entre la zone jaune et le bleu+rouge? pour que quand le jaune est serré, le bleu et le rouge ne soient pas contraints?
ou est ce que tout est de la même épaisseur et que la magie de la mécanique fait le reste?

a+
C'est juste! Il y a un écart d'épaisseur de 5 dixièmes entre la partie jaune et le reste :smt023
 
Y

yoann56

Nouveau
Bonjour koenigsegg , Je me demande comment est géré le frein ? Peux tu répondre à comment est branché la bobine du frein au niveau de la partie commande ? est ce que c'est une sortie dédiée de ta machine ? Est ce que tu as utilisé un accessoire existant ? et comment le pilotes tu dans le programme d'usinage ? Très beau travail merci pour ce partage.
 
K

koenigsegg

Nouveau
Salut yoann56,

C'est assez simple en faite... la commande de la machine a quelques sorties qui peuvent êtres pilotés par des codes M. J'utilise une de ces sorties pour commander un relais qui entraine le frein. Quand je veut tourner le 4ème axe je utilise un M63 pour ouvrir le frein et ensuite un M62 pour le réenclencher.

À plus!
 
Y

yoann56

Nouveau
Salut Koenigsegg, je fais des recherches sur les commandes auxiliaires pour avoir la possibilité de piloter des relais sur une machine que je voudrai construire moi-même (une cnc scie circulaire et fraisage pour du bois en version pro solide et fiable dans un budget de 3000€). Je bute sur les commandes auxiliaires M et l'affectations des relais de sortie. J'ai trouvé pour les commandes auxiliaires la broche M03 M04 les outils M06 l'arrosage M07 M08 mais pas de liste de toutes les commandes auxiliaires M. Je découvre avec ta réponse et je t'en remercie qu'il doit y avoir d'autres commandes auxiliaires qui doivent être spécifiques à chaque machine. Ma question est : Est ce qu'il existe une liste de toutes les fonctions auxiliaires M possibles en g-code ? Pour commencer, je recherche une carte électronique de commande 4 ou 5 axes avec le plus de relais de sortie possibles que je pourrai piloter avec mon programme G-code. J'ai vu avec les liens de ce forum des cartes électroniques de commande 7 à 9 axes avec 8 relais de sortie. Est ce que ces relais sont pilotables avec les commandes auxiliaires M ?
 
L

Leal

Apprenti
Généralement les cartes de commandes ont des sorties de faible puissance qui sont utilisées pour commander des relais de puissance.
Si tu chercher une carte pro avec un nombre très important de sorties, il y a par exemple la CSMIO-IP/S de CS-Lab.
c’est une carte 6axes avec un grand nombre d’entrée et sortie et qui peut être agrandie avec un module supplémentaire.
Il y a également une carte 4axes plus abordables.
Cela devrait couvrir largement tes besoins mais cela représente un budget important par rapport au prix que tu souhaites.
Tu peux regarder les sujet concernant ces cartes sur le forum, il y a de bon retours.
 
Y

yoann56

Nouveau
Généralement les cartes de commandes ont des sorties de faible puissance qui sont utilisées pour commander des relais de puissance.
Si tu chercher une carte pro avec un nombre très important de sorties, il y a par exemple la CSMIO-IP/S de CS-Lab.
c’est une carte 6axes avec un grand nombre d’entrée et sortie et qui peut être agrandie avec un module supplémentaire.
Il y a également une carte 4axes plus abordables.
Cela devrait couvrir largement tes besoins mais cela représente un budget important par rapport au prix que tu souhaites.
Tu peux regarder les sujet concernant ces cartes sur le forum, il y a de bon retours.
Merci Leal, j'ai choisi d'utiliser une carte mesa et linuxcnc.
 
J

Jmr06

Compagnon
Bonjour et merci pour ce partage magnifique.

Je m'interroge sur le flux magnétique résiduel sur le plateau : lorsque le courant est au max dans la bobine, est-ce qu'il y a un risque d'aimantation des copeaux sur le plateau ?
 
K

koenigsegg

Nouveau
Bonjour Jmr06,

C'est juste. Le plateau devient légèrement magnétique lorsque la bobine est activée. C'est l'un des inconvénients de ce système. Cependant, en ce qui me concerne, cela ne me dérange pas car je n'usine avec lui que des métaux non ferreux et du plastique :roll:

À plus
 

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