Projet en cours ... Grandes dimensions : Elle bouge !

Bonsoir à tous,

J'ai entamé il y a déjà quelques mois la construction d'une machine d'assez grandes dimensions, destinée à usiner des matériaux tendres, du bois, voir de l'alu. Les courses utiles sont de 3400 x 1900 x 1300. J'ai prévu d'utiliser des guidages prismatiques sur les 3 axes, avec des crémaillères sur les axes X et Y et une VAB sur le Z. La motorisation sera faite avec des servos et des réducteurs sur les axes X et Y, un servo et une transmission par poulie sur le Z.

L'objectif est d'usiner des préformes de moule en volume, pour la réalisation de moules composites. J'ai donc besoin d'une précision moyenne, de vitesses d'avance assez importantes, et d'une bonne rigidité pour pouvoir envisager de l'usinage 3D dans des conditions correctes.

Ci-dessous une 3D vue de la machine, il manque encore pas mal de détails, mais cela donne une idée d'ensemble :


A ce stade, j'ai presque terminé la fabrication des éléments mécano-soudés :
- un treillis d'IPE 100 soudé, fixé et scellé au sol
- deux chassis en tôle de 5mm et tubes de 140 x 3, le tout soudé, et boulonné sur le treillis
- deux poutres X : tubes de 150x150x10, boulonnés sur les châssis
- une poutre Y en tôles de 4 et plats de 40x15 : j'ai reconstitué une poutre de 400x200 avec des raidisseurs ajourés, et soudé des plats qui seront usinés pour recevoir les guidages et la crémaillère
- d'une poutre Z en tube de 150x150x4, avec des plats de 40x15 idem
- les chariots X et Y sont réalisés en plaques de 15 mm, découpées et soudées.

Le tout est assez massif...

Bref, la question que je me pose pour l'instant : j'ai prévu de faire stabiliser les chariots ainsi que les poutres Y et Z avant d'usiner les portées des guidages. Est-il à votre avis important de faire stabiliser aussi les 2 châssis ? Le budget est assez contraint, et j'hésite donc entre la sécurité (?) et le désir de ne pas trop dépenser sans gain évident : chaque chassis pèse pas loin de 500 kg, le coût du traitement et du transport s'envole ...

Le châssis en cours de soudage :

La poutre Y :

En vous remerciant pour vos avis éclairés

Bonsoir,

chabercha a dit:

... un peu étonné par le poste à souder par rapport au projet.
A+Bernard

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Ben oui... En fait j'ai grillé les deux postes qui sont en photo, avant de m'équiper de qq chose d'un peu plus sérieux. J'ai au passage acquis un vrai respect pour la notion de 'facteur de marche', et compris aussi qu'il ne fallait pas se fier au seul thermique de sécurité pour protéger l'appareil.

Sinon, un avis à propos de la stabilisation des châssis ?

Bonjour,

Doctor_itchy a dit:

sacré projet , par stabilisation tu entend quoi ?

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Il s'agit de faire passer les pièces assemblées par soudage dans un four de traitement thermique (montée contrôlée en T°, palier à +/- 600°c pendant qq heures, descente contrôlée) afin de les stabiliser avant l'usinage des portées des guidages. Donc au minimum la poutre Y, Z, les chariots X et Y. La question que je me pose concerne les 2 châssis latéraux : traitement ou pas ?

Doctor_itchy a dit:

[.../...] belle machine , mais un gros défis pour rectifier les portée et avoir une bonne géométrie

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On est bien d'accord, j'ai bien conscience de m'être attaqué à un gros morceau.
Ce que je vais essayer de faire : monter les guides de l'axe X séparément sur chaque tube support (150x150x10), le plus droit possible, puis poser les tubes sur le haut des châssis, avec un assemblage boulonné sur un lit de résine. De cette façon, je devrais pouvoir rattraper les défauts de géométrie de la base et du châssis, à condition de pouvoir aligner les tubes X assez finement. Ensuite, il ne faut pas que la structure se déforme, d'où la question sur le traitement. Si le châssis se déforme dans le temps, les rails ne seront plus alignés, et ça va coincer.

Doctor_itchy a dit:

[.../...] perso je coulerais un beton epoxy pour la dalle du bas , faire un cadre en bois autour et coulage puis vibrage , apres tu dresseras le banc avec la broche si tu prévois assez de course

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Pas une mauvaise idée. Je verrai à l'usage. Pour l'instant, je pensais plutôt poser un plancher bois assez épais et micro-perforé pour faire le vide par dessous et plaquer les blocs à usiner par dépression. J'ai donc prévu de traiter les mailles de la base en IPE comme autant de caissons étanches, pour limiter les pertes en hauteur.

Merci pour vos commentaires et suggestions !

Bonjour,

Pierre Desvaux a dit:

[.../...] Ce treillis va se déformer. Si on pousse sur le haut d'un des triangles, les poutres du treillis en bas vont prendre une forme de Z. Sauf si tout est boulonné de partout au sol, et dans ce cas, le treillis devient quasiment solidaire du sol.

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Tout est boulonné en effet, on ne voit pas bien les chevilles d'ancrage au sol sur la photo, mais il y a 24 chevilles M12 réparties sur l'ensemble, qui ont aussi servi à régler la planéité. J'ai prévu de compléter par un scellement au ciment spécial sans retrait, pour les endroits où le treillis ne repose pas sur le sol.

Pierre Desvaux a dit:

[.../...] - Vu l'énorme hauteur de la poutre Z, le portique transversal me semble bien petit, tant en hauteur qu'en épaisseur. Idem pour la poutre Z elle-même.

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La poutre fait 400 de haut par 200 de large, en tôle de 5 avec 7 tôles transversales pour raidir le profil. Je me suis contenté d'un simple tube 150x150x4 pour la poutre Z. Sur les simulations que j'ai fait, c'est en fait le seul élément qui montre une flexion notable, lorsqu'on travaille à fond de course en bas. Au besoin, je peux encore raidir la liaison entre les chariots X et la poutre en ajoutant des contreventements.

Pierre Desvaux a dit:

[.../...] En fait, on a l'impression qu'il y a disproportion entre les parties triangulaires, et le reste. Soit c'est fait pour usiner de la mousse en très grande dimension, et dans ce cas, les efforts ne sont pas énormes, et pas la peine de faire ces grands contreventements, soit c'est pour usiner du très dur, et dans ce cas, les contreventements sont sans doute bien dimensionnés, mais le reste ne l'est pas.

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L'objectif est bien de travailler des matériaux tendres, et si on peut faire mieux, ce sera tant mieux.
La partie statique de la machine est peut-être bien trop dimensionnée, mais il n'y avait pas de pénalités particulières à le faire, hormis un peu d'encombrement et qq kilos de ferraille en plus. Sur un routeur, la rigidité de l'ensemble du châssis est plus simple à faire, parce qu'on a la hauteur pour faire une table de travail très costaud. Dans mon cas, les rails X sont dissociés, et j'ai donc voulu m'assurer qu'ils ne bougeraient pas de trop.
Pour les poutres, il y a une contradiction entre augmenter la rigidité et limiter le poids des éléments en mouvement. Les efforts de coupe ne seront pas énormes. Par contre, le poids de la broche d'usinage, en bout de l'axe Z dans le cas le plus défavorable, engendre une inertie et des efforts importants lors des accélérations.

J'ai essayé de trouver un compromis, en tenant aussi compte des coûts. Pas impossible que je sois largement à côté de la plaque, on verra bien

Pierre Desvaux a dit:

[.../...] En tout cas, bon courage!

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Merci !

Bonsoir,

Après avoir fait qq calculs, j'ai choisi en effet des rails Hiwin de 30 pour le X, puis 25 pour le Y et 20 pour le Z. La poutre Z risque de faire un peu le spaghetti, d'après les simulations (faites seulement en statique...) c'est là qu'est le point faible. La précision visée est de l'ordre de qq 1/10èmes. J'ai cherché des solutions pour rigidifier cette poutre, mais à part faire qq chose de trop encombrant, qui gênerait l'usinage de formes, je n'ai rien trouvé de très probant.

el patenteux a dit:

[.../...] des cnc avec sensiblement la meme silhouette que celle de lézard,ils y en a que
le z est encore plus long avec sensiblement la meme emprise sur la poutre du portique.

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Je me suis en effet inspiré de différentes constructions, notamment celles de BZT en Allemagne.

Avec tout ça, je n'ai pas de réponse à ma question initiale : personne ayant eu l'occasion de faire stabiliser une grande pièce mécano-soudée et qui pourrait partager son expérience ?

Pierre Desvaux a dit:

A voir...
[.../...] je prendrais deux poutres de section plus petite, écartées, pour tirer parti de la largeur de la plaque qui coulisse sur le portique.

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C'est vrai que ce serait plus rigide, au moins dans le sens du Y. Par contre, le fait d'avoir un axe Z plus large risque d'être gênant en usinage dans la hauteur, avec beaucoup plus de risques de collision entre la pièce et la poutre Z. C'est pourquoi je suis resté sur une section carrée, en mettant la fraise au centre

Bonjour,

Qq nouvelles de l'avancement : j'ai terminé la préparation de l'axe Z de la machine, qui attend maintenant le traitement thermique avant de passer en usinage. A ce propos, j'ai discuté hier avec de vrais pros de la construction mécanique, spécialisés dans les pièces un peu compliquées et pouvant associer de la chaudronnerie et de l'usinage. J'ai en donc profité pour leur demander leur avis sur la question posée au début de ce fil : utilité ou non de faire stabiliser les 2 côtés du châssis en même temps que les poutres Y et Z et les chariots. Dans la mesure où il n'y a pas de reprise en usinage, et compte tenu de la forme assez ouverte des structures, l'utilité d'un traitement n'est pas évidente pour ces 2 pièces, selon eux. Je vais donc me limiter aux poutres et chariots, et profiter de cette 'économie' pour d'autres postes de dépense sur ce projet.

La poutre : un tube 150x150x4, avec 2 plats 40x15 soudés, qui seront usinés pour recevoir les guidages :


L'extrémité haute de la poutre : le moteur du Z sera logé dans la poutre, avec un entraînement par courroie de la VAB. La surface d'appui sera surfacée d'équerre avec les guidages et le support de VAB
A l'extrémité basse de la poutre, il y a le même système, avec une seule lumière. La broche sera à l'intérieur du tube dans un 1er temps. Si tout va bien, ce système sera remplacé ensuite par un autre montage.

Bonjour,

ingenieu59 a dit:

[.../...] Par contre, je rejoins les autres concernant la planéité de tes triangles ( sur le haut ) . Il faudra prévoir des cales de rattrapage .
Ton Z, il fait quelle dimension ? ( la poutre )

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En effet, le haut des triangles n'est pas vraiment aligné, mais cela ne devrait pas être trop grave. La liaison est prévue avec des boulons bien sûr, et aussi des vis pointeaux pour régler la hauteur et balancer les poutres. J'ai prévu de faire un lit de résine entre les pièces pour assurer le contact et rattraper les défauts de planéité.

Le Z mesure 1860 pour une course utile de 1300 mm.

> Quel est l' écart entre les montants triangulaires ?

600 mm. Il me semble que l'on est quand même assez loin de la 'charpente métallique', je ne crains pas trop les flexions, plutôt les vibrations éventuellement. Au pire, je finis de fermer les structures en triangles et je remplis les caissons formés ainsi avec du sable...
Comme ça j'aurais un coin de plage dans mon atelier

ingenieu59 a dit:

Pour la charpente métallique, dès lors que tu mets des boulons, ce sont des zones flexibles , appelées articulations .
Le mieux étant d'être le plus droit ou le plus plat possible quitte à intercaler des cales de la bonne épaisseur qui seront prises en sandwichs .

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OK, je comprends mieux. Bien sûr, les écarts à rattraper seront réduits au maximum, pour l'instant j'ai 3mm au plus. Les 'cales' seront en fait des joints d'époxy, pris en sandwich entre les surfaces métalliques du tube et des appuis des structures en triangle. Je pense que si les joints ne sont pas trop épais, et que la résine a une résistance à la compression suffisante (éventuellement augmentée avec de la poudre métallique), ce la devrait le faire, non ?

Bonjour,
Ce serait l'idéal, mais pour l'instant (location), je n'ai pas la possibilité de refaire un bloc ou un plancher béton pour ancrer la machine, ce sera la dalle béton de l'atelier, qui n'est pas terriblement costaud. C'est une des raisons pour lesquelles j'ai posé la machine sur un treillis soudé d'IPE de 100, dans l'idée de répartir la charge un peu mieux et limiter le poinçonnement.

L'objectif est d'usiner des matériaux tendres avec une précision de qq 1/10°.

Pour la broche, je vais commencer avec qq chose comme une 2 ou 3kw refroidie par eau, en ER20 au minimum. Le choix n'est pas encore fait. J'ai fait mes calculs avec un poids de 15kg en bout d'axe Z.

Bonjour,

Jmr06 a dit:

[.../...]je suppose que tu as évalué les efforts de coupe ? Quelle valeur as tu considéré ?
Autre question : Quelles sont les accélérations que tu envisages ? J'imagine que sur ce genre de machine, les efforts dus aux accélérations doivent étre plus importants que les efforts de coupe.

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Pas évident de trouver des valeurs d'effort de coupe pour les matériaux que je vise principalement, je suis donc parti de références pour le bois, et j'ai appliqué un coefficient pifométrique pour arriver à une valeur très discutable de 130 N. En fait, je me suis concentré sur les efforts dûs aux accélérations, en considérant que ce qui dimensionne la machine au final, c'est le poids de la broche qui fait le pendule au bout de l'axe Z. J'ai pris des valeurs d'accélération assez élevées (?), de l'ordre de 3 m.s-2, et j'ai fait mes calculs et simulations comme ça.
Le résultat en terme de rigidité, vibrations etc... dépend de tellement de paramètres qu'il me paraît assez illusoire, à mon niveau, de vouloir faire des calculs très précis. Les calculs m'ont donc au final plutôt servi à mieux comprendre ce qui est en jeu, pour essayer d'éviter les grosses bêtises.

Je ne sais pas pour vous, mais moi, je fais beaucoup plus de conneries que de miracles. J'essaie, en toute modestie, d'avancer quand même

Merci pour vos commentaires et vos conseils avisés.

Bonjour,

Des nouvelles de ce projet : j'avance lentement, j'ai terminé de sceller le treillis IPE au sol, avec un lit de ciment spécial ClavExpress sans retrait sous les profils. A l'oreille, la liaison avec le sol est bien meilleure : on a un son bien plus mat quand on tapote un profil. Les châssis latéraux ont été peints (j'ai renoncé à les passer au traitement thermique, trop cher/compliqué). La prochaine étape de ce côté là est de positionner les châssis, qui seront boulonnés sur le treillis avec un joint d'époxy entre les deux pour améliorer le contact.

Je suis aussi en train d'étudier la question du choix du contrôleur, et j'aurais besoin d'avis et retour d'expériences si possible.
Les paramètres sont :
- le gros du travail sera l'usinage de formes 3D d'assez grandes dimensions, sous forme de fichiers GCode potentiellement assez volumineux
- il faudrait arriver au final à des surfaces assez "polies" pour ne pas avoir trop de ponçages de finition à faire
- la machine va fonctionner dans un premier temps en 3 axes, pour valider la partie mécanique. Si cela va bien, j'envisage d'ajouter 2 axes de rotation sur la broche, surtout pour m'affranchir des contraintes d'encombrement, et pouvoir par ex. usiner des parois verticales.
- les moteurs seront à priori des servos, avec deux moteurs pour le X, un pour le Y, un pour le Z
- je ne connais pas grand-chose (aka "rien") en électronique et il me faut donc une solution pas trop exotique à mettre en oeuvre
- j'aimerais éviter une solution à base de PC classique par crainte de problèmes de fiabilité liés à l'environnement de l'atelier
- mon budget ne me permet pas de viser une solution haut de gamme

Bref, c'est pas simple

Une des solutions pourrait consister à procéder en 2 temps, avec d'abord un petit contrôleur 3 axes autonome (par ex celui-ci) pour valider le fonctionnement de base, et puis évoluer ensuite sur un contrôleur plus performant/coûteux capable de gérer les 5 axes. Je ne m'attends pas à des miracles avec un système aussi peu cher, mais cela me permettrait de faire un premier pas.

Que pensez-vous de cette démarche ?

Pour que cela vaille le coup, il faudrait que l'ensemble du matériel, hormis le contrôleur lui-même, soit réutilisable pour la 2eme étape. En particulier, j'ai vu qu'il existe des servos fonctionnant en mode step/dir comme les steppers auxquels ce contrôleur semble plutôt destiné, mais je ne sais pas si c'est exactement le même type de commande ? (j'ai lu qu'il existe plusieurs façons de coder un signal 0/+5v ou -5/+5v).

Merci de m'éclairer !

Bonjour,

Bien sûr, on peut trouver une solution PC costaud (mais chère) ou assez costaud (pour combien de temps ?) pour pas cher, mais est-ce que cela vaut le coup dans tous les cas ? Un contrôleur autonome me paraît avoir pas mal d'avantages : hardware conçu pour le job, simple et robuste, solution intégrée avec au total moins de composants, prix attractif pour les plus simples.

Non ?