Projet d'une fraiseuse CNC en profilé alu

[mscory]

Bonjour,

Il y a quelques semaines je me suis lancé dans la conception d'une fraiseuse CNC. Je suis informaticien, aucune connaissance en mécanique. Depuis quelques dizaines d'années je travaille un peu le bois avec une combinée. Voilà pour le background. J'imagine que je l'utiliserai pour réaliser des assemblages, pour découper l'aluminium ou le bois. En l'occurrence l'outil devrait créer la fonction.

Le cahier de charges:
- je n'ai ni les compétences, ni le matériel pour travailler le métal (pas même une foreuse d'établi) --> j'utiliserai des profils d'aluminium, les quelques intercalaires nécessaires seront, dans un premier temps, faits en chêne.
- je souhaitais avoir une précision meilleure que 5/100 pour de petites pièces (C5 ou C7)
- je souhaitais pouvoir usiner la tranche de panneaux de 60 de large (ex: meubles de cuisine)
- occasionnellement je peux avoir besoin d'usiner de grands panneaux lourds (ex: portes d'intérieur en chêne), dans ce cas une précision de quelques 1/10 suffit

Avec l'aide d'Etienne d'Aerofun, j'ai imaginé une machine qui devrait pouvoir répondre à ces exigences. Quelques caractéristiques:
- au départ il s'agissait d'utiliser un portique fixe pour la rigidité et le précision mais dans ce cas impossible d'usiner des portes, ou des tranches de panneaux
- une machine, deux configurations: le schéma initial a été très légèrement modifié pour être capable de la transformer en une machine à portique mobile (a priori quelques heures de travail). Ce sera bien entendu une opération exceptionnelle mais si la précision est suffisante elle restera dans cette configuration

Quelques copies d'écran. En configuration "fixe", le châssis est complètement soutenu. Les pieds doivent être démontés.

Cordialement

 

[sebastian]

Bonsoir mscory, et bien venu
juste une question pour débroussailler, comment compte tu t'y prendre pour fraiser de telles hauteurs (600) sur tranche avec un Z aussi bas ?
sans parler de portes (800 à 900) ? j'avoue que je ne saisi pas tout…
Même avec une fraise scie en bout de broche, il te faudrait un socle bien plus large que ce que tu as prévu non ?
Une défonceuse avec un bon guidage ne pourrait pas plus faire l'affaire ?

Ou alors tu parles en mm (donc 60mm)
Merci à toi d'éclairer nos lanternes

 

[stanloc]

C'est sûr que la présentation de ce projet n'est pas d'une grande clarté et en plus il reproduit encore les mêmes insuffisances que l'on voit à chaque fois.
Stan

 

[mscory]

Bonjour,

Sebastian: le projet n'est pas aussi farfelu qu'il ne le paraît. Entre les traverses avant de la table on a 645mm. Comme elle est positionnée, la broche est capable de travailler devant cette traverse. Un panneau de 600mm peut donc être accroché verticalement à la traverse ne dépassant que de quelques centimètres la table. J'ai dessiné le panneau dans le schéma ci-dessous. Oui une défonceuse pourrait faire le travail (il a été une époque où tout était réalisé à la main et je l'ai fait longtemps avec mes machines). A partir du moment où je m'équipe d'une CNC, autant lui en faire faire un maximum.

En ce qui concerne les portes (800X1800): je dois travailler sur les faces. Je dois refaire les moulures. L'essentiel est donc qu'elle puisse passer en largeur sous le portique. Comme la largeur du portique est de 815mm, c'est le cas. Pas de problème pour la zone morte (la course utile est 815-160mm soit 655mm). Le travail doit réalisé vers le centre.

Je ne suis pas encore satisfait de plusieurs points:
- les chemins de roulement et leurs patins: les patins Hiwin ont entre 1 et 3/100 de jeu. Je n'ai aucune chance de les régler de manière suffisamment précise (pas de matériel, pas d'expérience). C'est donc la souplesse du cadre qui pourrait leur permettre de circuler. J'ai trouvé sur le forum des discussions abordant le problème de l'hyperstaticité. N'y a-t-il pas moyen de réduire un peu le nombre de contraintes (3 patins au lieu de 4, ...) ? La machine serait plus facile à régler ... et un peu moins cher.
- les liaisons entre les profils, spécialement au niveau du cadre jaune qui relie les pieds du portique
- le chariot sur le portique n'est pas terminé: cela dépend du choix du mécanisme de mouvement linéaire (voir ci-dessus).

Désolé d'avoir tardé à répondre, je pensais être averti dans ma messagerie. Ne recevant rien je me suis dit que j'avais eu raison de ne pas donner davantage d'explications . Je ne suis pas parvenu à attacher le fichier SketchUp, je vais y regarder.

Stan: je ne suis pas avare d'explications, mais il est inutile d'écrire un roman avant d'avoir suscité l'intérêt de quelques personnes.

Merci
Cordialement

Michel

 

[sebastian]

Bonsoir mscory,
nulle n'était ma pensée ou mon intention de qualifier ton projet de "farfelu"… loin s'en faut, bien évidemment !
les dimensions de ton projet n'étaient juste pas tout à fait assez claire dans leurs représentations afin de saisir l'intégralité de tes besoins
Tu ne semble en + pas être totalement dépourvu d'idées et de la manière de les concrétiser, c'est top !

Avec ces quelques précisions que tu apporte, on cerne mieux tes besoins maintenant
• Les patins à billes Hiwin n'ont pas de vis de précontrainte qui permettraient d'affiner le plaquage sur les rails ? je n'en ai encore jamais eu en mains…
• La liaison "cadre jaune//portique" : + leurs portées seront importantes, + ce sera rigide ; il suffirait certainement de doubler l'épaisseur de la traverse jaune reliée au portique afin d'avoir un appui + conséquent à ce niveau.
Cela dit, si le haut de ton portique est bien dimensionné et surtout très rigide à cet endroit, il apportera déjà une bonne rigidité à l'ensemble.
Il suffirait alors de placer de bons renforts sur l'extérieur des jambes du portique pour former un parallélogramme peu/pas déformable.
La liaison basse ne serait alors qu'un "trainard" de l'ensemble.
Elle n'a d'ailleurs certainement pas besoin d'être aussi longue (600mm ?) pour assurer un bon guidage.

On attends la suite, c'est plutôt bien parti

 

[mscory]

Merci beaucoup Sebastian d'avoir pris le temps de lire ma prose.
Vis de précontrainte: je n'ai pas encore commandé le matériel, donc moi non plus je n'en ai jamais vue. La seule information que j'ai viens de DamenCNC:

"Is there something to add for the backlash ?
nope
the ballscrew + nut is almost backlash free
around 0,01-0,03mm depending on tuning"

Cette fois, c'est moi qui ne comprends pas: quel est le rapport avec le caractère hyperstatique d'un guidage à deux rails ?

Longueur de la liaison basse: au départ l'idée était de réaliser une machine à portique fixe (plus de rigidité). Mais alors il est impossible d'usiner les tranches ou de travailler sur les portes. J'ai donc transformé le schéma de manière à pouvoir utiliser la machine en portique fixe ou en portique mobile au choix. Il suffit de retourner le châssis et le cadre jaune devient la table (voir les copies d'écran au début de la discussion). C'est la raison pour laquelle elle fait 60cm. Maintenant je considère plutôt la version fixe comme une solution de repli si je ne parviens pas à obtenir une bonne précision.

Rigidité du portique: à mon avis pas de problème les flans (40x160) seront reliés par deux profils bien espacés, au moins l'un d'entre eux fera 40x160.
L'utilisation des profils me permettra également de modifier de temps à autre la configuration de la machine. Je pourrai, par exemple, diminuer la hauteur libre sous le portique pour diminuer le couple. La plupart du temps 10cm sont largement suffisant. Il suffit pour cela de solidariser les deux profils arrières et de baisser l'ensemble. Le seul réglage: assurer le parallélisme avec la table ce qui est enfantin. En position basse, les efforts à la jonction basse seront moins importants.

Liaison des profilés en bas du portique: Ok pour utiliser du 80x80, mais tu as raison en ajoutant une jambe de force entre le flanc et la partie basse on aura un triangle indéformable et les efforts dans la liaison seront négligeables. De cette manière, il ne serait plus nécessaire d'augmenter la hauteur du profilé.

Ce qui me tracasse c'est le réglage de la machine. On m'a expliqué comment faire et j'ai lu pas mal de choses sur le sujet mais je crains de me planter. J'aurai plusieurs problèmes à résoudre:
- la table ne sera pas plane, les deux longerons seront certainement gauches - reste à le quantifier, je dirais quelques 1/10 en étant optimiste - et pour mémoire les rails Hiwin seront directement attachés dans les rainures par des écrous T (toujours le même problème: je ne suis pas équipé pour forer de manière précise)
- les longerons ne seront pas parallèles: le parallélisme dépendra de la longueur des traverses. Motedis me garantit une erreur dans la coupe des traverses <= 3/10. Je pourrai rattraper une partie de cette erreur dans le positionnement des écrous dans les rainures: j'ai un jeu de 2/10 (1/10 trop court ... si tout va mal)
- enfin il y a les erreurs de planéité et de linéarité des profilés

Je voudrais donc envisager d'enlever les contraintes inutiles en utilisant un seul rail (25mm ?) au centre. Cela le situerait à côté de la vis et ce ne me semble pas plus mal. Ce rail bloquerait les mouvements en X et Y de la table. Il faudrait autre chose pour bloquer la rotation autour du rail (exemple: des roulements montés sur excentrique à droite et à gauche de la table). En utilisant trois patins plutôt que quatre, le système reste hyperstatique ... mais, à mon avis, un peu moins.

En procédant comme cela: la table avancerait sans jamais forcer, sans "dur", le seul réglage à effectuer serait de s'assurer de l'orthogonalité des trois axes et cela je me sens capable de le faire.

Pas facile d'expliquer tout cela.

Cordialement
Michel

 

[sebastian]

Si, c'est assez clair comme explications…, mais les solutions que tu envisage me paraissent un peu compliquées et surtout pas simples d'équilibrage et de réglages…
Il y a quelques choses qui m'interpellent dans ton raisonnement, ce sont les possibilités de modulations de la structure que tu envisage, afin d'adapter les caractéristiques de travail de ta machine en rendant modulable certains éléments.
à chaque "changement" de configuration, cela implique un re-réglage complet des éléments mobiles de la machine… c'est déjà pas évident de tout caler au 2/100 la première fois… alors s'il faut vérifier et bien caler tous les parallélismes à chaque fois… tu vas te prendre la tête
Qui dit réglages dit lumières, rainures, trous oblong… donc jeu… ce serai dommage de constater tout ça une fois le projet abouti.

Plus l'architecture et le montage sont simples, homogènes, rigides et définitifs, plus tu auras de précision au final, une fois pour toute.
Tu ne destine pas ta machine à travailler de l'acier non plus, donc les contraintes seront"moins" importantes.

Je ne pige pas trop ton idée de "monorail" qui me parait un peu compliquée… mais un dessin vaut mieux qu'un long discours

La réponse que tu as reçu donnerai une précision autour 0,01-0,03mm de réglage d'usine… mais pas d'ajustement possible ?
Une documentation et vues en coupe donnerais + d'indications… ça doit pouvoir se trouver sur le net.

à suivre
Sebastian

 

[mscory]

Sebastian,

Adaptabilité: pas de trou oblong, en fait pas de trou du tout puisque les éléments à déplacer (l'arrière du portique) sont fixés dans les rainures des profilés. Comme je le disais: un seul réglage à réaliser le parallélisme de l'arrière par rapport à la table. Il suffit de le poser sur des cales coupées à bonne hauteur. De toute manière, une erreur de parallélisme induit une erreur sur Z. Je vais essentiellement utiliser la machine pour couper, ce ne serait donc pas grave. Cette opération devrait être exceptionnelle. Mais tout cela est un détail.

Hyperstatique: il y a plusieurs interventions sur ce forum, par exemple: Mesurer alignement des axes

Patins: il ne s'agit pas de précision mais de jeu

Bien à toi
Michel

 

[sebastian]

C'est parfait,
tu semble savoir où tu vas, c'est l'essentiel.
à suivre donc

 

[mscory]

Bonsoir Sebastian,

Effectivement j'ai beaucoup travaillé sur ce projet et je commence petit à petit à comprendre les bases du sujet. J'aurai voulu relancer une discussion sur l'aspect "hyperstatique" de ces machines. Manifestement peu de personnes s'intéresse à cela ... à moins que je me casse la tête pour quelque chose qui n'en vaut pas la peine.

Merci en tout cas pour avoir essayé de m'aider.

Cordialement
Michel

 

[sebastian]

un petit fichier sur la/les théorie de l'hyperstatique… vaste débat qui risque de durer…longtemps…

Voir la pièce jointe 2 HYPERSTATISME.doc

si tu n'est pas "pressé" de finaliser ta machine… mais bon nombre de cnc éprouvées et fonctionnelles ne s'attardent pas trop longtemps sur l'application de ces données.
C'est toi qui voit
à suivre

 

[ybou30]

Salut à tous,

Le fil en lien fait surtout référence à l'isostatisme, rien vu sur l'hyperstatisme. Est-ce de cela dont tu veux parler?

Cdlt,
Yanik

 

[lacier]

Bonjour,

• Les patins à billes Hiwin n'ont pas de vis de précontrainte qui permettraient d'affiner le plaquage sur les rails ? je n'en ai encore jamais eu en mains…

Vis de précontrainte: je n'ai pas encore commandé le matériel, donc moi non plus je n'en ai jamais vue. La seule information que j'ai viens de DamenCNC:

"Is there something to add for the backlash ?
nope
the ballscrew + nut is almost backlash free
around 0,01-0,03mm depending on tuning"

J'ai l'impression qu'il y a un peu de mélange, tu parles de la précontrainte des patins à biles et ensuite tu prends l'information de DamenCNC qui parle de vis+écrou à billes !

J'aurai voulu relancer une discussion sur l'aspect "hyperstatique" de ces machines. Manifestement peu de personnes s'intéresse à cela ... à moins que je me casse la tête pour quelque chose qui n'en vaut pas la peine.

Oh que si, c'est important !
Cependant il faut relativiser. Sur une machine en fonte ou autre matériau + design avec une très grande rigidité, l'hyperstatisme entrainera assez rapidement la détérioration des éléments de guidage.
Sur une machine amateur faite en tube ou en bois ou profilé alu... l'hyperstatisme ne sera pas vécu de la même façon par les éléments de guidage.

 

[mscory]

Lacier: oui j'ai un peu tout mélangé ! Merci.

Sebastian: ... et donc je ne sais pas quel est le jeu dans les patins Hiwin et s'ils sont réglables. J'ai trouvé la documentation sur leur site: je ne vois pas de réglage mais le document fait près de 200 pages (Hiwin - Linear Guideways).

Ybou30: si j'ai bien compris les choses, les deux notions sont liées: hyperstatique = trop de contraintes, isostatique = juste assez, hypostatique = ça bringuebale (définition wikipedia).

Lacier: la souplesse de la structure hyperstatique va éviter le blocage des mouvements. Donc: la machine peut être mal réglée, ça glissera quand même. Mais dans ce cas je me demande quel intérêt, un maladroit comme moi, a à utiliser des rails Hiwin (€€€) a la place d'axes rectifiés trempés(€) ? L'usure: je ne suis pas un professionnel, elle ne sera pas utilisée très souvent.

Autre chose: comme je souhaitais pouvoir revenir à une machine à portique fixe (solution de repli), les rails devaient être placés sous le châssis . Le portique serait donc suspendu aux rails. Dans sa documentation - que je viens de parcourir suite à la suggestion de Sebastian - Hiwin montre les différentes possibilités de montage et ce cas n'est pas prévu ! Dois-je revoir ma copie ?

Toujours sur les guides linéaires: sur l'axe qui va de gauche à droite lorsque l'on est face au portique (on l'appelle souvent Y), les patins se trouvent sur une plaque relativement étroite derrière le support de broche. J'ai trouvé des machines avec un seul patin par rail (éventuellement modèle large) et qui fonctionnent bien. C'est clair il n'y a pas beaucoup de place mais est-ce habituel ?

Merci de vos remarques
Cordialement

Michel

 

[mscory]

Hyperstatisme:

Ne serait-il pas envisageable de ne bloquer qu'un seul rail (le rail de référence). Les vis du second rail ne seraient pas serrées "trop fort" de manière à lui permettre de glisser sur son support et d'ainsi compenser les erreurs de linéarité et de parallélisme. De cette manière on évite les "durs", le mouvement serait plus fluide et cela même s'il y a de petits déformations du châssis (déplacement de la machine ou grosses variations de température). L'utilisation d'un produit à mettre sur le filet pour éviter que la vis ne se desserre suite aux vibrations serait d'autant plus nécessaire.

Une autre solution serait peut-être de n'utiliser qu'un rail Hiwin par axe (le rail de référence) et, pour le second, d'utiliser un axe cylindrique (+ de jeu). On ne perdrait peut-être rien en précision de guidage tout en améliorant la fluidité du mouvement et en diminuant le coût. Pas toujours facile à mettre en oeuvre en raison des différences de hauteur.

 

[ybou30]

Salut à tous,

Une solution "propre" serait d'interposer un jeu de rondelles élastiques qui "calibreraient" l'appui du patin "libre" sur son support (glissant).
Après, on peut aussi envisager de ne mettre que 3 Patins, par exemple sur le Z,
en reportant la broche du côté des 2 patins maitres sur le même rail et en plaçant un patin "libre" en partie basse sur un second rail.

Ceci dit, la notion d' hyper-statisme est toute relative sur nos petites machines.
Nous montons rarement nos patins bloqués entre 2 épaulements.

Pour ce qui est de l'utilisation des patins en soulèvement, il est vrai que çà n'apparait nulle part dans la notice Hiwing.
Néanmoins, on le voit apparaitre dans les appuis dissymétriques.
De par la conception, on voit des portées identiques et symétriques .
A priori, et amha, rien n'interdit d'en déduire que les caractéristiques en soulèvement sont très proches de celles en appui.

Edit: J'ai remarqué que dans les observations, on parle souvent des positions des organes de guidage, mais très très peu des positions des organes d'entrainement (écrous/vis par exemple), hors leur position par rapport aux forces antagonistes sont déterminants par rapport aux contraintes des guidages.

Cdlt,
Yanik

 

[sebastian]

Très intéressante la doc Hiwin !
à lire tranquillement ces longues soirées d'hiver.
En page 15, un dessin illustre un montage de 2 patins "maitre" d'un côté et 1 seul "esclave" à l'opposé… ça "pourrait" peut-être régler une partie du problème hyperstatique ? mais je ne suis pas assez qualifié pour y répondre

1 mono rail en Y ? là j'avoue que je ne te suis plus en regard de la réflexion précédente… ce montage doit générer des efforts considérables sur cet axe, qu'il est préférable de diviser en montant 2 rails ; mais il me semble avoir vu ça quelque part… mais pour le Z
à suivre

 

[mscory]

Ybou30:
As-tu une idée de ce que pourraient être les "rondelles élastiques" ?
En ce qui concerne l'entraînement, si l'on considère que c'est un problème ne peut-on envisager d'utiliser ces rondelles élastiques pour absorber les erreurs d'alignement ? Mais sur les forums, je ne me souviens pas avoir lu qu'il pouvait avoir un problème ou une difficulté de montage à ce niveau.

Sebastian:
J'ai trouvé un autre document (peut-être un extrait de la doc Hiwin) sur MarchantDice, page 9 et suivantes "Static Rated Moment". J'ai observé que les trois moments sont du même ordre de grandeur. J'ai interprété ces valeurs comme la résistance des patins à des efforts sur chacun des axes. Si c'est le cas, cela voudrait dire que les patins sont capables de supporter des efforts importants en rotation autour de Z (soulèvement).

Help ! Est-ce qu'il y a un spécialiste dans la salle ?

 

[lacier]

Salut à tous,

@mscory Ce que tu cherches à connaitre c'est la capacité de charge dans les différentes directions.

Il faut chercher un peu pour trouver l'info dans la doc Hiwin :

La capacité de charge est donc la même dans les quatre directions pour la série HG. Tu peux donc les monter dans la position que tu veux.


Le fabricant NSK est un peu plus prudent dans les caractéristiques annoncées. Ci dessous un exemple avec les guides LH qui ressemblent aux HG de Hiwin (4 rangées) et qui offrent des capacités de charge et des moments très proches (pour une même taille de rail et de patin).

En ce qui concerne l'entraînement, si l'on considère que c'est un problème ne peut-on envisager d'utiliser ces rondelles élastiques pour absorber les erreurs d'alignement ? Mais sur les forums, je ne me souviens pas avoir lu qu'il pouvait avoir un problème ou une difficulté de montage à ce niveau.

Si tu parles de l'alignement de la vis à bille par rapport aux guidages linéaires, alors oui c'est important pour la durée de vie de ces éléments.
Pour ton idée de rondelles élastiques, je ne vois pas trop ce que tu imagines de faire.

 

[ybou30]

Salut à tous,

As-tu une idée de ce que pourraient être les "rondelles élastiques" ?

Je pense à des rondelles Belleville seulement, pour les placer, ce serait, dans la plupart des cas au prix d'un porte à faux supplémentaire

En ce qui concerne l'entraînement, si l'on considère que c'est un problème ne peut-on envisager d'utiliser ces rondelles élastiques pour absorber les erreurs d'alignement ? Mais sur les forums, je ne me souviens pas avoir lu qu'il pouvait avoir un problème ou une difficulté de montage à ce niveau.

En premier lieu, il n'apparait pas comme un problème dans la mesure, où sur les petites machines, cet ensemble est plutôt souple au regard de la "rigidité" des guidages.

Ensuite, sauf cas de gros écart, la contrainte est à peine perceptible à la main, d'autant qu'il y a déjà le "gras" des patins/rails
Je ne pense pas non plus que ceux qui font des mesure fassent légion.
Les rares retours qu'il pourrait y avoir, c'est une usure prématurée, mais pas de stats ni de REX possible sur des machines maison toutes différentes.

Il s'agirait uniquement de compenser en radial puisque en axial, le roulement côté "libre" n'est pas bridé. étant donné que le côté "libre" n'est pas porteur de contrainte de précision, un simple placage, pas forcément avec rondelle serait suffisant. Il s'agit juste de "contenir" un fouettement ou une vibration.

Cdlt,
Yanik

 

[mscory]

Super !
Merci beaucoup Lacier.

Seul, je n'aurais pas compris de quoi il était fait mention dans les textes que tu cites. OK: je vais essayer de potasser un peu tout cela par curiosité.

Les rondelles: voir les interventions de Ybou30

Cordialement
Michel