Cnc 3 (puis 4) axes en acier

[MrFouFou]

Bonjour à tous,

Électrotechnicien de formation, Bricoleur dans l’âme et technicien de maintenance dans la vie, je fait enfin ma 1ére CNC.

Après de nombreuses heures de solidworks, de calculs et de recherche sur le net, j'aimerais avoir des critiques constructives sur le devenir de mon design un peu particulier.
Le 4éme axe est en dessous le plateau. Ce dernier est donc démontable (centrage avec des goupilles).

Le cahier des charges:
-usiner de l'alu et de l'acier avec une bonne précision (+- 0.03mm, la précision des rail hiwin classe "H" en 20mm) l’électronique surpasse largement cette valeur.
-bonne surface de travail ~700*700mm avec un Z de 250-300mm (actuellement 650mm*650mm*300mm)
-limiter l'espace au sol a ~ 1m² (actuellement 1080mm*1200mm, gloups).

Commande:
Une boucle de sécu avec préventa pour coupure de la puissance.
Linux CNC avec une 6i25 et 7i77 pour la gestion des i/o et des vars.
Les vars seront probablement commandé en vitesse (ou force, on verra par la suite).

Elec:
AC Servo 1.65 N/m @ 6300rpm en entrainement direct.
Codeur Heidenhain ERN180 5000pts entre le moteur et la vis a bille.
Interpolation x25 (la plus faible) sur IBV660B pour le retour sur LCNC (soit une résolution de 80nanométres avec vis a bille au pas de 10mm)

Sur les axes linéaires, limitation de la vitesse de rotation @ 1000rpm à cause de la trop basse fréquence d'entré des boitiers IBV de "seulement" 100kHz.

Axe rotatif: double codeur (entré 5000pts sin/cos sur var, sortie 72000pts TTL pour LCNC)
Ici la résolution de linuxcnc est la précision soit 0.005° (18 acrsec) le var dispose d'une interpolation de 8 bits qui donne ~16 fois plus de résolution que LCNC.
Autant dire que LCNC ne verra pas beaucoup changement de position (sauf potentiel backlash, mais on verra ça plus tard).
Vitesse d'entrée 600 rpm; sortie 60rpm soit 1tour/seconde (limite du codeur TTL)


Broche:
AC servo
14 N/m @ 0rpm
8 N/m @ 8000rpm
Asservie en vitesse

Méca:
Châssis soudé bien chiadé, principalement en tube acier 235JR de 40*40 en 2mm d'ep.
Quelques réglage de prévu pour la géométrie (pas possible de rectifier après soudure, on fera avec)
Axe Y et Z en Alu pour gagner en masse (masse estimée: 35 et 25 KG)
Axe X en acier (environ 90kg pour le moment)

Axe rotatif: harmonique drive 32-100
Vis à bille made in china au pas de 10 (ou 5) avec double écrou pour limiter le backlash.

Métrologie (c'est une partie de mon métier) :
J'ai la chance d'avoir accès a des interféromètres de précison (de l'ordre du nanomètre) que je compte bien emprunter pour corrigé les vis à billes et faire une bonne géométrie.
Si j'ai le temps (bien plus tard), quelques mesures de déformation de la structure à vide (statique et dynamique) et en usinage.



Quelques calculs que j'ai fait:

Accélération avec vab au pas de 10 et couple moteur en S1 de 1.65Nm (je néglige les frottement des rails)

Inerties:
Moteur = 0.000 039 kgm² (donnée constructeur)
Codeur = 0.000 220 kgm² (donnée constructeur)
Interface vis a bille/moteur/codeur = 0.000 036 kgm² (donnée solidworks)
Vis a bille (diamètre 20 pour 1M) : 0.000 085 kgm² (donnée constructeur)

Calcul de l'inertie de la charge ramenée sur la vis a bille (kgm²):
Jch = masse*(pas/2pi)²*10-6
= 200*(10/2*3.1415)²*10-6
Jch = 0.000 507 kgm²

Total des inerties:
Jtot=0.000 887 kgm²

Calcul du temps d'accélération:

Tacc = (rpm*inertie/(9.55*rendement vab*couple moteur))
= (1000*0.000 887/ (9.55*0.85*1.65))
Tacc = 0.066s

Calcul de l'accélération pour une vab au pas de 10mm @1000rpm:
(Vitesse linéaire = pas (mm) * rotation (tour/seconde) = 10 * 16.7 = 167mm/s ou 0.167m/s ou encore 10m/s)

Acc = vitesse (m)/temps (s)
Acc = 0.167/0.066
Acc = 2.5 m/s²

Accélération pour d'autres masses (toujours avec 1.65Nm, pas=10mm @1000rpm)

Acc 100kg =3.5 m/s²
Acc 35kg = 4.7 m/s²
Acc 25Kg = 5 m/s²

Donc les accélérations et les vitesses sont bonnes, même avec 20% de marge.
A voir si le châssis peut encaisser ça sans broncher (je doute fort, du moins pas dans l'état actuel), j’hésite donc à passer sur des vis à billes de 5mm pour grappiller un peu de résolution au détriment de la vitesse, qui du coup passe à 5m/s, les inerties sont du coup moins importantes et les accélérations 4 fois plus importantes à charge égale, mais on peut limiter ça.

A vous les studios.

Vue avec le 4éme axe en dessous du plateau

 

[el patenteu]

Je remplacerais les tubes creux par de l'étiré (plein) pour fixer les rails.
Quant a ceux tout juste en dessous(pris sur le chassi) je les mettrais en section épaissent ou encore mieu pleines.
Tu veux utiliser avec un 4e axe alors je te suggere de remonter les patin du bas de ton axe Z afin que celui ci puisse se remonter au ras le bas du portique FRAISE INCLUSE sinon tu perd toute la longueur de la fraise en course util,ce qui en tournage deviens tres genant.
Dans le cas ou les rails sont sur la partie fixe ont ne fait que les allonger vers le haut.
Le support de broce ne doit pas non plus arriver avec le bas du Z mais un peu plus haut pour que le COLLET lui arrive avec le bas du Z
Enfin mon opinion sur ce genre de structure est que c'est extrement complexe a réalisé,l'usinnage d'acier risque d'etre décevant,du tube creux ca reste du tube creux.......
Si ont veut usinner du dure alors ont fait en acier plein 40-50mm d'épais,avec des assemblage et une silhouette épuré,tres simple.
Je ferais en canivau comme ta silouhette mais remplacerait toute la ferraille par du lourd!

Fred

 

[MrFouFou]

Bon, j'ai abandonné cette structure, le premier mode est dans les 55Hz, beaucoup trop bas, et trop de fréquences intermédiaire.

Table rase et on part sur un portique fixe.
La surface utile passe a X=600mm Y=600mm Z=300mm (250mm avec une fraise de 50mm)
Les sections des tubes passe à 60*60 avec 5mm d’épaisseur. Après quelques renforts judicieusement placé, le 1er mode est à 150Hz, beaucoup mieux.
Je part sur un lit de résine époxy pour les rails du X (pas d'usinage prévu une fois le châssis soudé) et des réglages pour le Y et le Z, pour parvenir a une bonne géométrie.

Avec une force de 500N en Y et X (soit un vecteur de 700N), les simulations me donne 0.1 mm de déformation en bout de fraise avec le Z au raz du plateau.

Il me reste a peaufiner quelques détails (vis a bille de bonne longueur, fixer les paliers,les écrous ...) mais les gros du châssis est la.

 

[phil135]

bonjour
je pense que ton portique précédent était probablement plus rigide en torsion autour de Y, là la traverse qui porte les rails Y est fine en comparaison (sur la vue de profil)
la table inférieure et ses liaisons aux montants peut-être aussi, mais si tu calcules les déformées et que ça te vas ...

les 700 N d'effort correspondent à quel scenario d'usinage ? tu les places au bout de l'outil je pense. tu mets un effort opposé sur le plateau ou tu le supposes rigide ?
la masse totale de la structure est de combien ?

 

[Francois59]

Avec une force de 500N en Y et X (soit un vecteur de 700N), les simulations me donne 0.1 mm de déformation en bout de fraise avec le Z au raz du plateau.

Je parie que les calculs de deflexion ont été faits avec des patins considérés comme infiniement rigides.

Or un patin à bille n'est qu'une grosse dizaine de doubles contacts ponctuels (un en haut de la bille, l'autre en bas) . Pas franchement rigide, même si l'acier n'est pas mou.

Et vu la géométrie des patins des axes Y et Z, faut pas grand chose comme déformation à ce niveau pour que ça fasse un déplacement sensible au bout de la broche...

 

[phil135]

la modelisation est un art subtil

 

[MrFouFou]

Avec une force de 500N en Y et X (soit un vecteur de 700N), les simulations me donne 0.1 mm de déformation en bout de fraise avec le Z au raz du plateau.

Je parie que les calculs de deflexion ont été faits avec des patins considérés comme infiniement rigides.

Or un patin à bille n'est qu'une grosse dizaine de doubles contacts ponctuels (un en haut de la bille, l'autre en bas) . Pas franchement rigide, même si l'acier n'est pas mou.

Et vu la géométrie des patins des axes Y et Z, faut pas grand chose comme déformation à ce niveau pour que ça fasse un déplacement sensible au bout de la broche...

Oui et non, les patins que j'ai modélisé ne sont pas du tout réaliste des vrais. Les surfaces des patins épousent la forme du rail, ils sont donc bien trop rigide par rapport à la réalité.
Il me manque beaucoup trop de paramètres (nombre de billes, diamètre, matière, même la force réel ...) pour pouvoir avoir quelque chose de réaliste.
La modélisation à pour but d'avoir la déformé de mon châssis en acier et ses modes (et aussi avoir un plan d’ensemble).

bonjour
je pense que ton portique précédent était probablement plus rigide en torsion autour de Y, là la traverse qui porte les rails Y est fine en comparaison (sur la vue de profil)
la table inférieure et ses liaisons aux montants peut-être aussi, mais si tu calcules les déformées et que ça te vas ...

les 700 N d'effort correspondent à quel scenario d'usinage ? tu les places au bout de l'outil je pense. tu mets un effort opposé sur le plateau ou tu le supposes rigide ?
la masse totale de la structure est de combien ?

En effet le portique avait plus de rigidité de ce coté, j'ai fait une nouvelle version pour à peine plus lourd.

Les 700N c'est calculé avec le logiciel "coupe". Je n'ai aucune idée si cette valeur est fiable ou non, malgré plusieurs heures à chercher sur internet.
En effet les efforts sont placés en bout d'outil et sur un pièce fixé sur le plateau, 50/50.
La masse totale du châssis est de 270KG (sans les paliers, moteurs,...)

Voici la dernière mouture du châssis (un mix entre les deux précédente):

Ça ressemble à un scanner avec les renforts en diagonale. Ils sont primordiale, sans eux le 1er mode est à 70hz, avec 140hz.
Du coup je pense passer sur des rails de 15mm pour le plateau (X), 20mm pour le Y et 25mm pour le Z
Avec des vis a billes de 16mm de diamétre et 5mm de pas.
L'ensemble est aussi beaucoup plus simple a souder, moins de modes intermédiaires et plus rigide.

 

[Francois59]

Ancien fil à lire avec intérêt :
https://www.usinages.com/threads/premiere-fraiseuse-cnc-en-acier-soude.53608/#p640869