BIG CNC à portique mobile de CARLOS

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BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  CARLOS78 le Mer 02 Mai 2018, 19:02

Bonjour à tous,

Un livreur (virtuel) a déposé ce matin sur mon parking cette machine (virtuelle) :




Je me propose de vous présenter mon projet de big CNC à portique mobile.

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  CARLOS78 le Jeu 03 Mai 2018, 09:06

Ce projet de BIG CNC est en quelque sorte MON "résumé" de ce que j'ai pu lire ici et là sur les forums sur ce genre de machine.
Je précise qu'Il n'est pas prévu que je réalise la machine car outre son prix, je ne dispose pas du tout de la surface nécessaire à son implantation.

A propos du personnage sur les photos : Le but de montrer un personnage à côté de la machine est pour moi une façon d'une part d'en visualiser directement les proportions, et d'autre part de situer la place de l'opérateur telle que je l'envisage sur cette machine.

Cet emplacement de l'opérateur me permet de définir les axes de la machine :
L'axe X est l'axe longitudinal de la table de travail orienté de la gauche vers la droite de l'opérateur.
L'axe Y est l'axe transversal de la table de travail. C'est donc l'axe du portique orienté de l'arrière vers l'avant de l'opérateur.
L'axe Z est l'axe vertical orienté de bas en haut.
le trièdre XYZ ainsi défini est supposé orthonormé par construction et direct par le choix des orientations.

--->Cette machine est essentiellement dédiée à l'usinage 3D de tous types de bois panneaux et massif.
Un 4ème axe pourra facilement être rajouté pour augmenter ses possibilités d'usinage.
Je suis persuadé qu'elle pourra usiner également l'aluminium, mais dans ce domaine ses performances seront d'abord limitées par les performances de la broche de fraisage retenue, puis ensuite par les vibrations et déformations de la structure. Je reviendrais plus loin sur ce sujet.

Les caractéristiques principales de la machine :

Dimensions : Longueur = 3,1m / Largeur = 1,8m / Hauteur = 1,5m (hors câbles)
Poids : environ 700 Kg
Translations : X = 2500 mm / Y = 1200 mm / Z = 190 mm
Vitesses maxi de déplacement de la broche : X : 24 m/mn / Y : 7 m/mn / Z : 3.5 m/mn
Précision de positionnement (en pas entier) : X = 0.2 mm / Y = 0,05 mm / Z = 0,025 mm
(Les micropas seront utilisés sur les moteurs pour améliorer le positionnement (surtout en X))
Broche d'usinage : 3.5 KW en ER25 refroidissement par air.
Guidages linéaires : HIWIN rail HGR25 + patins HGL25CA
Entrainement :
En X : 2 moteurs NEMA 34 (couple environ 8N.m) avec réduction de 4:1 , entrainement par courroies HTD 8M-30
En Y : Moteur NEMA 34 + couroie HTD 5M-16 + Vis à billes D25 au pas de 10 mm + Paliers BK17 / BF17
En Z : Moteur NEMA 34 + courroie HTD 5M-16 + Vis à billes D20 au pas de 5 mm + Paliers BK15 / BF15

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  Mjc22160 le Jeu 03 Mai 2018, 09:59

...Wahou ! ....sacré projet que voila là ! C'est la belle bête ! Je vais de nouveau suivre cette étude qui ne manque pas d’intérêt
Cordialement

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  CARLOS78 le Ven 04 Mai 2018, 08:42

Merci Mjc22160

Aujourd'hui je vais commencer à détailler la machine en commençant par son châssis.



Avec un peu d'imagination, on devine sur cette image que c'est un châssis acier peint en bleu avec quelques éléments en bois.

L'étude menée s'appuie sur 2 contraintes que je me suis imposé :

1) Compte-tenu de son encombrement et de son poids il me fallait impérativement concevoir un châssis en kit pour sa manutention et son installation.
Ce choix à plusieurs avantages :
- Manipuler des éléments qui pèsent beaucoup moins (maximum 38Kg)
- Réduire les soudures au maximum
- Rattraper au mieux les défauts géométriques des profilés acier en utilisant des feuillards pour caler si besoin les différents éléments du kit.

2) Toujours dans un soucis de manutention, me servir au maximum de la gravité pour m'aider au montage et ainsi peaufiner les réglages sans efforts.
Ceci m'a amené à :
- poser les 2 poutrelles longitudinales sur les pieds.
- poser les 9 traverses en appui à l'intérieur des poutrelles longitudinales.
- poser les rails du X sur la face supérieure des poutrelles longitudinales. C'est beaucoup plus commode pour les réglages.



En enlevant le plateau et quelques pièces accessoires, on voit mieux la structure globale du châssis.
Il y a 6 pieds ... Comme vous, j’ai déjà lu qu'il faut seulement 3 pieds pour définir un plan d'appui. Tant pis j'assume ce choix.
Les pieds du milieu sont "optionnels", mais les calculs montrent qu'il est cependant préférable de les garder (je reviendrais plus tard sur ce point).
On note également que les 4 pieds principaux ne sont pas au bout des poutres longitudinales afin de réduire la portée de celles-ci.

Le châssis se décompose en 2 parties :

1) Une base réalisée avec des poutrelles UPE120 et essentiellement des bouts de plats de 60mm et 80mm d'épaisseur 10mm.
Les soudures sur le châssis se limitent uniquement à souder les plats sur les poutrelles. L'ensemble de la base est boulonné avec 28 vis M12.
L'entraxe des pieds est : Longitudinalement = 1080mm , Transversalement = 1400mm
La hauteur des pieds est de 700mm et les traverses sont à mi-hauteur.
J'ai prévu une fixation au sol bien que je ne suis pas sur que ce soit utile. C'est mieux de la prévoir au cas ou.
Il faudra probablement caler les pieds et prévoir d'interposer une plaque de néoprène sous les pieds pour amortir les vibrations.




2) Un plateau (vue par dessous) avec 2 poutrelles UPE120 (longueur 3100mm), 9 traverses IPE100 (longueur 1420mm), 2 cornières ailes égales de 50mm (longueur 2000mm).
L'entraxe des traverses est de 360mm. Le tout est boulonné avec plein de vis M8



Le plateau est fixé sur la base après calage(s) avec 12 vis M12.

Je lis couramment que l'acier au kilo n'est pas cher ... le problème est qu'il y a beaucoup de kilos : Le châssis présenté pèse rien moins que 385 Kg.

En tant que particulier, je ne suis pas habitué à acheter des profilés métallurgiques et donc je ne sais pas à priori quantifier le prix matière de ce châssis.
J'ai trouvé cependant sur internet des infos chez un fournisseur d'achat en ligne qui me donnent une idée de son coût matière :



Il faut encore rajouter environ 300€ de port ....

Certains diront que les barres en 6m sont moins chères, c'est vrai mais le gain obtenu chez le fournisseur en question n'est pas énorme on descend effectivement à environ 2,26€ du kilo, le gain est théoriquement de 180€ mais il ne faut pas oublier qu'on paye les morceaux inutilisés et en plus il faut se tronçonner proprement les profilés.

Bref c'est cher et ce n'est que le début ...

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  Mjc22160 le Sam 05 Mai 2018, 10:47

Bonjour

Comment vas-tu assurer la parfaite planéité de la surface de travail avec 6 vérins de réglage sous les pieds ? comment être certain qu'il n'y aura pas de déformation en fonctionnement ? . Ce sont des questions qui me viennent à l'esprit, car je suis nul en la matière ! ....(et j'essaie de comprendre ! ...un peu ! Rolling Eyes )
Cordialement
M.JC

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  CARLOS78 le Sam 05 Mai 2018, 14:14

A) COMPORTEMENT DU CHASSIS AVEC UNIQUEMENT 4 PIEDS
Pour cela, j'ai du créer un modèle CAO simplifié (pas de trous, pas de rayons etc ...) afin de simplifier les calculs.
Pour le chargement statique du châssis, je considère les efforts suivants :

1) Un plateau en bois épais + un panneau à usiner peuvent peser 160Kg
En répartissant cette charge sur les 9 traverses, cela représente une charge d'environ 18Kg. J’arrondis à 20 Kg uniformément répartis sur chaque traverse

2) L'ensemble du portique pèse environ 170Kg.
J'arrondis cette charge à 200Kg appliqués ponctuellement sur le châssis en 4 zones de surface équivalente des patins en X

3) J'applique une charge censée représenter les efforts.
Arbitrairement je prend une charge cumulée de 500N en X + 500N en Y. Ces charges sont appliquées également ponctuellement sur le châssis.

Quelques remarques :
- Les 4 pieds sont supposés être encastrés au sol.
- Le portique est volontairement positionné sur le châssis au pire endroit : en son milieu



Sur cette image on voit le comportement statique du châssis avec le chargement qui a été défini ci-dessus :



Les translations statiques sont plutôt faibles (<0.1mm). La partie centrale du châssis fléchie (normal) et on remarque également que les 2 poutrelles longitudinales se vrillent au milieu.

La suite est moins sympathique, car il faut s'intéresser maintenant au comportement vibratoire (dynamique) du châssis.

Les fréquences de résonance de ce châssis avec le chargement actuel est le suivant :


Cette liste de 10 fréquences correspond aux dix 1ers mode d'excitation du châssis (avec ce chargement). Des fréquences c'est bien, mais c'est pas très parlant.

l'image suivante est j'espère plus explicite :


On y retrouve les 10 fréquences modales du châssis, mais maintenant on visualise directement les déplacements dynamiques obtenus en quelques points du châssis (judicieusement choisis) en l'excitant (faisant vibrer) à ces fréquences.
Là, c'est beaucoup moins sympathique que le résultat statique, on voit bien que le 4ème mode (109 Hz) provoque des déplacements d'environ +/- 1mm

Le 4ème mode c'est ça : un battement vertical des poutrelles longitudinales ...


Mjc22160 a écrit:... Comment vas-tu assurer la parfaite planéité de la surface de travail avec 6 vérins de réglage sous les pieds ? comment être certain qu'il n'y aura pas de déformation en fonctionnement ? . Ce sont des questions qui me viennent à l'esprit...
CARLOS78 a écrit:...Il faudra probablement caler les pieds et prévoir d'interposer une plaque de néoprène sous les pieds pour amortir les vibrations...

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  CARLOS78 le Dim 06 Mai 2018, 19:13

B) COMPORTEMENT DU CHÂSSIS AVEC 6 PIEDS

Comme les 2 pieds du milieu sont démontables dans mon projet, il est très facile de passer d'une configuration 4 pieds à une configuration 6 pieds.

Je reprend bien sur les mêmes charges, mais pour ne pas fausser la comparaison, je déplace le portique pour le positionner au pire endroit pour cette configuration : entre les pieds du milieu et 2 pieds extérieurs. Les pieds du milieu sont évidement supposés être encastrés


Voyons ce que devient le comportement statique du châssis avec 6 pieds :


Les translations statiques se sont améliorées. On passe de 0.1 à 0.05mm et on remarque encore une fois que les 2 poutrelles longitudinales se vrillent vers l'intérieur du châssis.

Comment évolue le comportement vibratoire (dynamique) du châssis ...

Ses fréquences de résonance deviennent celles-ci :


1er Constat : les fréquences ont augmenté. Ceci est normal car plus les fréquences de résonance d'une pièce sont hautes et plus cette pièce est rigide.

Voyons maintenant ce que deviennent les déplacements dynamiques des mêmes points que précédement (pour info : ces points sont situés au niveau des appuis du portique sur le chassis) :


Les choses ont beaucoup changées.
Dans le pire des cas, le déplacement n'est plus que de +/-0.25mm au lieu de +/-1m avec 4 pieds, et ce n'est plus le 4ème mode qui pose un soucis mais le 1er mode à 82.775Hz. Le battement vertical des poutrelles longitudinales a quasiment disparu et est remplacé maintenant par un battement horizontal de l'ensemble du plateau (flexion droite-gauche et en phase des 6 pieds) .
Pour moi, il ne reste plus que la fréquence 82Hz à éviter si besoin car les autres déplacements restent en-dessous de 0.1mm. Ce qui est TRÈS BIEN.

Pour info : le 1er mode de déformation du châssis c'est ça.

On voit nettement le balancement horizontal de l'ensemble du plateau du à la flexion des 6 pieds.

Conclusion : Pour moi, il n'y a pas photo, le châssis avec 6 pieds est préférable.

----> JE RETIENS DONC SUR MA CNC LA VERSION D'UN CHÂSSIS AVEC 6 PIEDS

---> Dans les 2 cas de figure, j'ai bien remarqué que les poutrelles longitudinales supportant les rails se vrillent vers l'intérieur.
Ceci est du au chargement qu'elles supportent :
1) Charge des plateaux en bois qui est transmise aux poutrelles via les 9 traverses = TRÈS gros couple de torsion
2) Dans une moindre mesure, la charge du portique qui est centrée sur les 60mm de largeur des poutrelles

On pourrait facilement annuler ce vrillage mais je trouve cela totalement inutile car il suffit de regarder les images pour s’apercevoir que cette déformation de vrillage reste inférieure à 0.01mm.

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  Mjc22160 le Lun 07 Mai 2018, 15:25

Bonjour
.....pour l'instant j'arrive à suivre ! .... Cool
Cordialement

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  CARLOS78 le Mar 08 Mai 2018, 07:50

Cette présentation est faite en parallèle sur notre forum et sur Usinages.com parce que mon projet s'inspire de fait sur quelques projets et réalisations d’auto constructeurs présents sur ce site.
Le sujet de la triangulation y ayant été abordé par des lecteurs, j'ai voulu vérifier par moi-même de quelle manière la triangulation pourrait améliorer ou pas le comportement mécanique de mon châssis.

Nous avons vu qu'avec 6 pieds le châssis présente aux alentours de 80Hz un battement horizontal droite-gauche avec une amplitude d'environ 0.5mm avec un fléchissement en phase des 6 pieds.
J'ai donc tout naturellement rajouter des cornières pour une triple triangulation transversale des pieds pour bloquer cette déformation :

Ce sont des cornières de 40x40x4.
---> A part l'adjonction de ces 6 cornières, on reste évidement exactement dans la même configuration d'étude.

Comme d'habitude (je commence à être habitué), je m'intéresse d'abord à la déflexion statique du châssis sous charge :


Il n'y a aucune surprise en ce qui me concerne : On a exactement la même déformation statique qui est de l'ordre de 0.05mm
---> Les triangulations n'améliorent en rien la déflexion statique du châssis.

On continue avec l'analyse modale du modèle pour voir l'évolution des fréquences de résonance :


Nota : J'ai du aller rechercher la 14ème fréquence pour mieux comprendre ce qui va suivre...

1er constat : le mode 1 est passé de 82.775Hz à 115.751Hz. A priori c'est bon signe.
ATTENTION : ce mode n'est plus du tout celui du battement horizontal facile à interpréter du cas précédent c'est devenu autre chose de confus assez difficile à commenter.

2ème constat : il y a maintenant un paquet de fréquences TOUTES TRÈS PROCHES les unes des autres et un comportement vibratoire général du châssis plutôt surprenant.
---> Tout se passe maintenant comme si l'hyperstatisme ramenée par les triangulations se déportait ailleurs par un accroissement important des déformations. En l’occurrence il s'agit ici malheureusement des traverses du plateau en IPE100 qui se déforment beaucoup.

De ce fait, j'ai du rajouter dans le "graphe des translations réelles" de nouveaux points de mesure correspondants au centre des traverses les plus concernées par ce phénomène. Du coup, les 4 points de mesure au niveau des patins du X sont toujours présents mais ce ne sont plus du tout les pics.
On obtient alors ce graphe avec plein de courbes :


On démarre avec une zone sympathique jusqu'à 100Hz, puis les problèmes arrivent crescendo à partir de 120Hz jusqu'aux fréquences fatidiques entre 160 et 190Hz avec un pic aux alentours de 170Hz. Puis, de nouveau on redescend et on se retrouve une fois encore tranquille et serein au delà d'environ 220Hz ... C'est ultra cool mais pas mieux qu'avec la solution sans triangulations
---> Les points du châssis qui se déforment le plus sont maintenant au niveau des traverses. L'amplitude maxi atteinte est d'environ 1.5mm
---> Pour info : Certaines cornières prennent à leur fréquence de résonance une amplitude de déformation de 5mm ... mais ceci est purement anecdotique.

En image ça donne ça à 168Hz et ça s'aggrave encore quelques hertzs plus loin :


---> On a parfaitement réussi à bloquer le battement en phase des 6 pieds mais en contrepartie on a globalement beaucoup dégradé le comportement vibratoire du châssis.

Conclusion personnelle : je ne retiendrais pas les triangulations additionnelles SUR CE CHÂSSIS.

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  Mjc22160 le Mar 08 Mai 2018, 18:22

Bonjour Carlos
...Très curieux comme réaction, car à première vue, plus l'on "renforce et rigidifie" moins les phénomènes d'oscillatipn devraient exsister !  scratch ....
Cordialement

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  CARLOS78 le Mer 09 Mai 2018, 19:35

Salut Mjc22160,
Je n'ai pas vraiment d'explications sur ce comportement vibratoire avec les triangulations transversales. Est-ce que le blocage du mouvement transversal de l'ensemble du châssis (donc d'une masse importante en mouvement) fait que l'énergie qui en résulte se reporte pour le coup sur le maillon du châssis le plus à même de l'absorber et donc de se déformer ? Je ne sais pas, mais une chose est sure c'est que ces triangulations ont été très efficaces ...  Smile  pour ce qui est du blocage transversal du châssis.

Sinon, que dire de plus sur le châssis ?

Sur ce type de CNC à portique mobile avec une course importante en X, les choix les plus délicats à faire sont me semble-t-il ceux de la motorisation et de l'entrainement suivant cet axe.
Il faut déjà savoir si on veut s'orienter vers  scratch  une solution à 1 ou 2 moteurs, si on veut  scratch  travailler en boucle fermée (donc avec des servos) ou en boucle ouverte (donc avec des moteurs pas à pas) et ensuite se poser la question  scratch  du type de transmission.
Sur ce dernier point, les variantes possibles ne manquent pas : scratch  vis à billes, pignon/crémaillère, pignon/chaine, roue dentée/courroie.

J'ai regardé un peu ce qui se faisait et finalement je suis parti sur une solution qui me va bien (la moins onéreuse?) : 2 moteurs pas à pas classiques + une transmission par roues synchrones et courroies.
Là encore il y avait 2 possibilités :  scratch  Moteurs sur le châssis ou moteurs sur le portique ... Pour moi, ce sera moteurs sur le portique.
J'y vois personnellement au moins 2 avantages : la longueur de la courroie est 2 fois plus petite et la courroie reste fixe.

Very Happy  Une des raisons de mon choix global pour le X est d'abord que cette solution tourne apparemment sans trop de problèmes sur quelques machines amateurs présentées sur les forums.

Very Happy  La conséquence de ce choix est qu'il ne reste pratiquement plus rien sur le châssis à part un dispositif pour tendre les courroies et une goulotte à prévoir pour la chaîne à câbles ...





Gros plan sur le dispositif de tension de courroie. Il y en a un à chaque bout des courroies, donc 4 en tout.
Il y a également 4 butés mécaniques montées directement sur les rails.
Même le contacteur unique de fin de course en X est monté sur le portique pour simplifier le câblage
Les pièces en bois sont là pour protéger un peu les courroies (les courroies ne portent pas dessus) et fournir une goulotte d'appui à la chaine porte câbles

Dans cette chaine porte câbles il y a 6 câbles:
- 4 câbles 4 fils pour les moteurs
- 1 câble 4 fils pour la broche
- 1 câble 2 fils pour les fins de course
Il vaut mieux que ces câbles soient blindés donc avec une tresse de masse.
Une section interne de la chaine de 30x50 pourrait suffire. Par contre il faut une longueur autoportante d'environ 1.3m et un rayon d'environ 100mm serait pas mal.

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  CARLOS78 le Jeu 10 Mai 2018, 19:30

Je vais commencer à détailler le portique.

A) LES BRAS DU PORTIQUE





Les bras sont faits avec des plaques d'aluminium de 10 et 15mm. L'ensemble est vissé. Les vis sont freinées au frein filet.
Le moteur est dimensionné en NEMA34. Diamètre de l'axe moteur 12.7 ou 14 mm ((suivant les références). Dans cette taille, les moteurs sont souvent avec des clavettes de 5mm.
La réduction prévue est de 4:1. Elle se fait avec des poulies HTD 5M de 20 et 80 dents et une courroie de 16mm
La transmission du déplacement se fait via une poulie HTD 8M de 20 dents et une courroie de 30mm.
Toutes les poulies doivent être usinées pour recevoir une clavette de 5mm.
L'axe de sortie à un diamètre de 15mm et est équipé de 2 roulements type 6002 (d15/D32/e9)

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  CARLOS78 le Sam 12 Mai 2018, 20:35

Parlons un peu moteurs.

---> El patenteu sur usinages.com utilise sur une machine similaire à mon projet des moteurs 86BYGH5435 + drivers MA860 + alimentations à découpage de 70V / 420W. Ce moteur a un couple de maintien de 12N.m.
Un kit 4 axes complets à peu près équivalent se trouve en Europe aux alentours de 440€ en 12 N.m et 380€ en 8.6 N.m
Si on veut travailler en boucle fermée, c'est plus cher compter environ 200€ par moteur.
Je choisi de rester en moteurs pas à pas classiques.

Le problème avec ces kits chinois, c'est qu'on dispose de très peu d'informations sur les moteurs.

Pour avoir justement plus d'informations, je suis parti pour etayer mes calculs sur la base d'un moteur Leadshine : le 86HS85 de 8.5N.m
G

Dans mes objectifs, le moteur est censé tourner en déplacement rapide à 600 tr/mn.
Je constate sur ces courbes que :
- Les câblages parallèle ou Half-coil donnent des courbes de couple équivalents.
- Les câblages parallèle ou Half-coil donnent des courbes équivalentes en pas entier (Full Step) ou en demi-pas (Half Step) = TRÈS BONNE NOUVELLE
- Le câblage parallèle est un peu plus performant car on obtient en 75V une courbe équivalente à celle du Half-coil en 80V
- Le câblage série est moins performant.


On a maintenant une autre information très intéressante :
Avec cette fois des micropas (1600 par tour), on voit qu'à 600 tr/mn et en 72V le câblage parallèle permet d'avoir encore un couple résiduel d'environ 2.5N.m

---> Je vais donc partir sur l'hypothèse d'une alimentation de 70V, d'un câblage parallèle du moteur, de 1600 micropas (=1/8ème de pas).

EN DÉPLACEMENT RAPIDE DU PORTIQUE (donc sans usinage) = moteur à 600tr/mn (=24m/mn), une réduction de 4:1 et une poulie HTD8M de 20 dents en sortie, on obtient :
- Sur l'axe de sortie : une vitesse de 150 tr/mn et un couple maxi de 10 N.m
- Un déplacement du portique de (20x8) / 4 = 40 mm par tour moteur, ---> précision théorique de positionnement en micropas de 0.025mm tant qu'on reste en dessous de 10 N.m ?
- Le rayon primitif de la poulie en sortie est (20x8) / 6.28 = 25.48 mm
- L'effort maximum de poussée pour déplacer le portique est donc sur chaque moteur de 392 N (10000 / 25.48 = 392 N).
- La vitesse angulaire en sortie est de (150 /60) x 6.28 = 15.7 rd/s
- La puissance sur l'axe moteur et, au rendement près, sur l'axe de sortie est de 157 W (10 x 15.7 = 157 w) .

ATTENTION : ---> CES CALCULS CORRESPONDENT UNIQUEMENT AU DÉPLACEMENT RAPIDE DU PORTIQUE A 24 m/mn
En usinage, la vitesse de déplacement sera plus faible et les couples seront plus importantS

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  CARLOS78 le Dim 13 Mai 2018, 10:00

Quelques calculs dans le cas du déplacement rapide du portique :

1) Force d'accélération (N) = Poids (Kg) x Accélération (m/s2)
Le portique pèse environ 200 Kg
On veut atteindre une accélération du portique de 1m/s2
La force d'accélération nécessaire est donc dans ce cas de 200N

2) Le mouvement est uniformément accéléré. Les équations (avec x0 =0 et V0=0) sont :
X = 1/2 A x T2 ( X = déplacement (m), A = accélération (m/s2), T = temps (s))
V = A x T ( V = vitesse (m/s), A = accélération (m/s2), T = temps (s))
La vitesse de déplacement du portique (en déplacement rapide) est de 24m/mn donc 0.4 m/s.
Avec une accélération constante de 1m/s2 cette vitesse est atteinte en 0.4s
La distance parcourue pour obtenir cette accélération est de 80mm (0.08m = 1/2 x 1 x 0.4 (2))
---> 80 mm = 2 tours du moteur

3) L'énergie cinétique du portique :
Il s'agit d'un solide en translation
E (j) = 1/2 Poids (Kg) x V (m/s)2
Le portique de 200kg lancé à une vitesse de 24m/mn à une énergie cinétique de 16 joules (1/2 x 200 x (0.4)2 = 16)
Le théorème de l'énergie cinétique dit que la variation de l'énergie cinétique est égale au travail des forces extérieures.
Si je ne considère que la force d'accélération F, on a :
E1-E0 = F(N) x d(m)
Comme E0 =0, d(m) = 0.08m
F (N) = E1 (j) / d(m)
Donc F = 16/0.08 = 200N
Aucune surprise : On retrouve bien les 200N de la force d'accélération obtenue à partir de l'équation fondamentale en dynamique appliquée aux solides en translation.

4) En réalité, il n'y a pas que la force d'accélération qui s'exerce sur le portique. Celui-ci est également freiné par le forces de frottement. Avec des patins, je ne sais pas évaluer simplement ces efforts, mais si je considère un coefficient de frottement de 0.1, je pense être raisonnablement pessimiste. Dans ce cas, il y aurait un effort de frottement de 200N.

5) En résumé, il faudrait une poussée minimale de 200N de frottement + 200N d'accélération = 400N pour atteindre l'objectif.

Rappel : On a vu qu'avec le moteur leadshine 86HS85 nous obtenons avec la réduction de 4:1 et un couple moteur résiduel de 2.5N.m à 600tr/mn du moteur correspondant à la vitesse de déplacement de 24m/mn du portique, une poussée globale avec les 2 moteurs d'environ 800N.
On a donc un coefficient de sécurité de 2 qui me parait très raisonnable.

 Very Happy  Very Happy  Very Happy   CONCLUSION : En déplacement rapide du portique à 24m/mn, les 2 moteurs Leadshine 86HX85 en X sont capables de déplacer sa masse de 200Kg avec une accélération de 1m/s2 et des frottements estimés à 200N. ceci se fera en 0.4s et le portique aura parcouru 80mm avant d'atteindre cette accélération. Le coefficient de sécurité est de 2.

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  Mjc22160 le Dim 13 Mai 2018, 17:11

Bon ! .....Je suis ce que je suis, mais si j'étais ce que je suis, je ne serais pas ce que je suis ! .... scratch Ce qui ne m’empêche pas de suivre ! ...(pour le moment) Surtout grâce à tes explications précises et tes formules qui me rappellent des "très vieux souvenirs" ! ... Rolling Eyes Rolling Eyes
Cordialement

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  CARLOS78 le Mar 15 Mai 2018, 14:18

Après le mode déplacement sans usinage, je me propose d'essayer d'aborder le mode usinage sur cette machine.

- On trouve assez facilement des informations pour l'usinage des métaux, mais ce qui est du bois et des "plastiques" c'est une autre histoire.
Le site CNC-SentierBattu fourni plein d'informations sur l'usinage du bois et plastiques. On trouve également sur ce site une liste de sources très intéressante.
 Je retiens de ces lectures que pour : l'usinage du bois il faut que le binôme (vitesse de broche + diamètre de fraise) soit capable de fournir une très grande vitesse de coupe.

 scratch :  N'ayant pas trouvé toutes les informations que je cherchais sur l'usinage du bois, j'ai décidé d'aborder autrement ce sujet .
Very Happy  ---> Si ma machine est une machine pour usiner du bois, alors il suffit de regarder les caractéristiques des machines destinées à l'usinage du bois : Défonceuse, Dégauchisseuse raboteuse, ,Scie circulaire, Toupie, etc ... pour se faire une idée des efforts de coupe.
Dans mon projet je pars à priori avec une broche de 3.5Kw tournant à 18000 tr/mn.
J''ai donc fait une comparaison de cette broche avec un combiné KITY BESTCOMBI 2000 et une défonceuse MAKITA 1850W.
Pour cette comparaison , j'équipe la défonceuse et la broche d'une fraise D10 à 2 lèvres et je considère que la vitesse d'avance est de 8m/mn pour toutes les machines.
 

Constats :
1)  rabbit  Si l'on considère que le travail avec une défonceuse répond au besoin d'usinage du bois, alors les chiffres sont parlants : La broche choisie pour la CNC est largement capable de faire la même chose qu'une défonceuse.
2) Avec une fraise de 10 mm, on est en dessous de la vitesse de coupe optimale dans le bois qui se situe semble-t-il entre 2000 et 3000 m/mn.
Avec une fraise de diamètre 20 ou 30 mm on s'en rapproche et l'effort de coupe diminue d'autant ...
3) L'effort de coupe sur le combiné KITY dans les 3 utilisations possibles reste dans tous les cas inférieur à 100 N.
4) Sur une défonceuse et sur une CNC, c'est différent car le diamètre de fraise est une variable qui n'existe pas sur les autres machines.
De fait, l'effort de coupe sur ce tableau ne veut donc pas dire grand chose car celui-ci est proportionnel au rayon de la fraise.
Plus le diamètre est petit et plus l'effort augmente. Il faut donc trouver un compromis et se faire une estimation du plus petit diamètre de fraise capable de supporter le couple et donc l'effort qui en résulte. Arbitrairement, je suis parti sur la base d'une fraise de 10 mm.
4) Si on reste dans l'usinage du bois. On est globalement largement en-dessous des capacités de la broche : On peut faire environ 4 fois mieux.


Pour essayer de faire plus que l'usinage sur bois, je vais prendre en considération dans mes calculs à venir les capacités maximales de la broche (3.5 Kw à 18000 tr/mn) en majorant volontairement l'effort de coupe à 500 N maxi (valeur que je ne pourrais probablement pas atteindre même en réduisant le diamètre de la fraise)
rabbit  Çà tombe très bien, c'est justement la valeur que j'avais prise depuis le début dans mes simulations sur le châssis.

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  CARLOS78 le Mer 16 Mai 2018, 14:37

Usinage suite ...

---> Peut-on envisager d'usiner du bois avec une vitesse de déplacement du portique de 24m/mn ?
- 24 m/mn = avance par dent de 0.66mm (avec une fraise 2 dents et une broche qui tourne à 18000 tr/mn).
- 24m/mn = moteurs à 600 tr/mn, couple moteur de 2.5N, couple en sortie de 10 N.m, traction courroie de 392N, poussée sur le portique de 784N.
Du point de vue des efforts de coupe il n' y aurait pas de problème, mais l'avance par dent de 0.66mm me parait être trop importante. Il faudrait passer à une fraise 4 dents ou plus.

---> Et à 12m/mn ?
- 12m/m = avance par dent de 0.33mm (avec une fraise 2 dents et une broche qui tourne à 18000 tr/mn).
- 12m/mn = moteurs à 300 tr/mn, couple moteur de 4.5N, couple en sortie de 18 N.m, traction courroie de 705N, poussée sur le portique de 1410N.
- 12m/mn = Avec 200N de force d'accélération, 200N de frottement et un grand maxi de 500N d'effort de coupe. On a encore un coefficient de sécurité de 1.6. Ça me parait très jouable, mais ce cas de figure n'est pas à mon avis le plus dimensionnant pour la machine.

---> Et à 2000mm/mn ?
On commence à atteindre le couple maximum des moteurs.
- 2000mm/mn = avance par dent de 0.05mm (avec une fraise 2 dents et une broche qui tourne à 18000 tr/mn).
- 2000mm/mn = moteurs à 50 tr/mn, couple moteur de 6 N.m, couple en sortie de 24 N.m, traction courroie de 940 N, poussée sur le portique de 1880N
- 2000mm/mn = Avec 200N de force d'accélération, 200N de frottement et un grand maxi de 1000N d'effort de coupe. On a encore un coefficient de sécurité de 1.34
Ce cas de figure peut correspondre à l'usinage des métaux.

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  CARLOS78 le Ven 18 Mai 2018, 09:52

LES COURROIES EN X :

A) La courroie moteur
Dans mon projet, je suis parti avec une courroie HTD-5M largeur 15mm( parce que celle-ci est déja utilisée sur d'autres projets).
Rappels :
- La poulie HTD-5M sur le moteur a 20 dents --> D primitif = 31.8mm
- La poulie de sortie HTD-8M a 20 dents ---> D primitif = 50.95 mm

1) Puissance à transmettre : Je vois 2 cas de figure
---> Cas 1 : on prend en considération la puissance maximum délivrée par le moteur = 157 w (la puissance varie de 31W à 50 tr/mn à 157W à 600tr/mn)
---> Cas 2 : on prend en considération la puissance nécessaire pour usiner du bois = moins de 60W (il faut partir des efforts coupe + accélération + frottement : au maximum 300N par moteur, tenir compte de la réduction et des rayons de poulie, bref, c'est moins de 2 N.m avec un moteur tournant au maximum à 300tr/mn),

2) Facteur de service 1.5 (pages 21, 22 doc joint)
- Facteur de service de base pour une transmission de machines-outils en service intermittent : 1.3
- Facteur de service additionnel pour la réduction de 4:1 : 0.4
- Facteur de service pour un travail intermittent ou saisonnier : -0.2
Facteur de service : 1.3 + 0.4 -0.2 = 1.5

3) Puissance prise en compte pour le calcul  = Puissance à transmettre x Facteur de service
---> Cas 1 : Puissance maxi 235W (157 x 1.5 = 235.5 W)
---> Cas 2 : Puissance "bois" 90W (60 x 1.5 = 90 W)

4) Facteurs de correction de la courroie (pages 26 et 134 doc joint)
- Nombre de dents en prise : >6 ---> facteur de correction = 1
- Largeur de courroie : 15mm ---> facteur de correction = 1.89
- Longueur de la courroie : 450mm ---> facteur de correction = 0.9

5) Puissance transmissible par une courroie HTD-5M de 20 dents, largeur 9mm, vitesse de rotation 600 tr/mn : 159 W (donné par le tableau page 134 du doc joint)

6) Puissance maxi transmissible par la courroie en tenant compte des facteurs de correction : 270W (159 x 1 x 1.89 x 0.9 = 270.5 W)

CONCLUSION CAS 1 : Pour transmettre la puissance maxi des moteurs une courroie HTD-5M de 15 mm pourrait convenir.le coefficient de sécurité est de 1.15. Par précaution on pourrait prendre une courroie plus large.
CONCLUSION CAS 2 : Pour transmettre la puissance nécessaire à l'usinage du bois, une courroie HTD-5M de 15mm suffit largement. Le coefficient de sécurité est de 3

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Lien du Doc : https://ww2.gates.com/france/file_save_common.cfm?thispath=France%2Fdocuments%5Fmodule&file=20099%5FE1%5FSYNCHRONOUS%5FDRIVE%5FDESIGN%5FMANUAL%2Epdf
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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  CARLOS78 le Sam 19 Mai 2018, 09:09

B) La courroie entrainement

Je vais reprendre le même processus de calcul que celui utilisé sur la courroie moteur.
Sur cette courroie, je suis parti avec une courroie HTD-8M de largeur 30mm

1) Puissance à transmettre : Au rendement près, la puissance à transmettre est identique sur l'axe d'entrainement
---> Cas 1 : on prend en considération la puissance maximum = 157 w
---> Cas 2 : on prend en considération la puissance nécessaire pour usiner du bois = moins de 60W

2) Facteur de service 1.9 (pages 21, 22 doc joint)
- Facteur de service de base pour une transmission de machines-outils en service intermittent : 1.3
- Facteur de service additionnel pour la réduction de 4:1 : 0.4
- Facteur de service additionnel pour les 2 galets tendeurs 2 x 0.2 = 0.4
- Facteur de service pour un travail intermittent ou saisonnier : -0.2
---> Facteur de service : 1.3 + 0.4 + 0.4 -0.2 = 1.9

3) Puissance prise en compte pour le calcul (puissance à transmettre x facteur de service)
---> Cas 1 : Puissance maxi 300W (157 x 1.9 = 298.3 W)
---> Cas 2 : Puissance "bois" 114 W (60 x 1.9 = 114 W)

4) Facteurs de correction de la courroie (pages 26 et 135 doc joint)
- Nombre de dents en prise : >6 ---> facteur de correction = 1
- Facteur Largeur de courroie : 30 mm ---> facteur de correction = 1.58
- Facteur de Longueur : 2500mm ---> facteur de correction = 1.2

5) Puissance transmissible par une courroie HTD-8M de 20 dents, largeur 20mm, vitesse de rotation 150 tr/mn : 210 W (par extrapolation données du tableau page 135 du doc joint)

6) Puissance maxi transmissible par la courroie en tenant compte des facteurs de correction : 400W (210 x 1 x 1.58 x 1.2 = 398.16W)

CONCLUSION CAS 1 : Pour transmettre la puissance maxi des moteurs une courroie HTD-8M de 30mm laisse un coefficient de sécurité de 1.33.

CONCLUSION CAS 2 : Pour transmettre la puissance nécessaire à l'usinage du bois, une courroie HTD-8M de 30 mm est peut-être surdimensionnée. Le coefficient de sécurité est de 3.5

Question : Une courroie HTD-5M de 30mm serait-elle suffisante ?
Une courroie HTD-5M de 30mm pourrait transmettre dans les mêmes conditions 235W. Elle conviendrait pour l'usinage du bois, mais elle ne serait pas capable de transmettre la puissance maxi des moteurs surtout si ce sont des 12.5N.m. Par ailleurs son étirement sous charge serait plus importante.

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  CARLOS78 le Sam 19 Mai 2018, 14:19

B) Courroie d'entrainement (suite)

Sur l'image ci-dessous, on trouve la force tangentielle maxi supportée par une dent HTD-8M en fonction de la vitesse de rotation et de la largeur de la courroie.

Sur l'axe d'entrainement, la vitesse varie entre 10 et 150 tr/mn. Avec ma courroie de 30mm, on voit que sur cette plage de vitesses l'effort tangentiel maxi par dent varie entre 190N à 160 N.
Avec l'hypothèse de 8 dents en prise, la résistance au cisaillement des dents serait comprise entre 1520N à basse vitesse (10tr/mn) et 1280N à haute vitesse (150 tr/mn)

Le tableau des données techniques des courroies HTD-8M en bas de l'image donne des informations très intéressantes.

On voit qu'une courroie de 30mm supporte avec mon montage au maximum une traction de 2100N.
Cette traction est heureusement supérieure à la traction pouvant être supporté par les dents, ce qui me parait normal.

On voit également que le coefficient spécifique de la courroie est de 1.05 10^6 N.
Cette information est très importante pour la suite des calculs.
En effet, si j'assimile la courroie à une bande d'acier par exemple, ce coefficient spécifique correspond au produit du Module d'Young de l'acier par la surface de la section de la bande (voir Loi de HOOKE)
Cette bande en acier aurait dans ce cas une section d'environ 5 mm2. Avec une largeur de 30mm, son épaisseur serait environ 0.16mm.
Avec ces 5mm2 de section et une traction max de 2100N, la contrainte en traction serait alors de 420N/mm2 (MPa). Ce qui me parait cohérent.

---> Le comportement en traction d'une courroie HTD-8M serait donc en quelque sorte comparable à celui d'une bande d'acier de même largeur et de 0.16 d'épaisseur. Quel est votre avis ?

Si c'est le cas, on aurait alors par exemple avec un brin ayant une longueur de 2500 mm et une traction de 1000 N, un allongement de courroie d'environ 2,5mm.

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  c.phili le Dim 20 Mai 2018, 09:31

Salut Carlos et tous les autres.
Très beau projet que tu nous présente là, je le suis depuis un moment.
Je suis également sur un projet cnc mais pas avec des courses aussi longue.
A propos des moteurs pas à pas, pour un projet tel quel, malgré la différence de prix, des moteurs à boucle fermée ne seraient pas mieux?
J'étais parti pour monter des moteurs 12nm en boucle ouverte, je les ai déjà mais depuis j'ai commandé un moteur en 12nm en boucle fermée pour voir la différence, ben ça n'a quand même rien a voir en tout, depuis je serais partant malgré la différence de prix de monter en boucle fermée mais en 8Nm, du moins pour les axes X et Y, le Z étant plus petit il aurait d'une alim partagé avec le 4eme axe
J'hésite aussi pour l'alim, une alim par moteur en 70 volts 500w ou une alim pour deux moteurs de 70 volt 1200w.
J'emplois déjà des moteur 12Nm en boucle ouverte sur une HBM45, ça marche bien mais je perds quand même des pas si la vitesse de déplacement est trop rapide, je suis assez limité de ce coté là et j'ai même déjà songé les remplacer, du moins le X, la course en Y n'est que de 220mm donc ça ne pose pas de problème.
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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  CARLOS78 le Lun 21 Mai 2018, 08:32

Bonjour à tous,

@c.phili :Je suis ravi  de te rencontrer sur ce forum.
Je suis d'accord avec toi, les moteurs à boucle fermée apporteraient une sécurité de fonctionnement et si comme tu le dis on a en plus des performances meilleures pourquoi pas.
In fine, le surcoût correspondant n'est surement pas énorme au regard du prix de revient global du projet.
Pourrais-tu préciser les références des moteurs 8N.m que tu penses utiliser sur ton projet CNC ?
Je n'ai pas encore aborder le sujet des alimentations, mais je pense partir sur la base d'une alimentation 70V - 400W à 40€ par moteur.

rabbit J'ai suivi avec le plus grand intérêt la modification que tu as apporté à ta fraiseuse HBM45, d'autant plus que j'ai exactement la même.

Au plaisir de te lire

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  CARLOS78 le Lun 21 Mai 2018, 08:41

B) Courroie d'entrainement (FIN)

A l'arrêt, les 2 brins de la courroie supportent une tension identique et ègale à la tension de pose.
Lorsqu'on veut se déplacer, il faut vaincre les efforts qui s'opposent au mouvement. Ceci se traduit par une augmentation de la tension du côté vers lequel on veut se déplacer .On se retrouve alors avec un brin tendu et un brin mou.
Tension brin tendu = tension de pose + poussée
Tension brin mou = tension de pose - poussée

Comme il vaut mieux que le brin mou reste tendu, la poussée doit donc rester inférieure à la tension de pose.
Comme le maillon faible de la transmission par courroie se situe semble-t-il au niveau des dents, je prend comme limite la plus petite valeur de traction à ne pas dépasser ( dans la zone de fonctionnement prévue sur la machine) au niveau des dents, soit 1280N. A partir de cette valeur, il me semble qu'on pourrait partir sur une tension de pose d'environ 400N. et une poussée maxi de 300N. La tension maximale sur le brin tendu serait alors de 700N, et la tension minimale sur le brin mou de 100N, ce qui me parait assez raisonnable.
Du coup, on oublie totalement la poussée maximale des moteurs.

Impact des allongements :
La longueur du brin tendu varie entre 0 et 2500mm.
En réduisant la valeur de l'accélération à 0.5 m/s2, en tenant compte d'un très bon coefficient de frottement, et en se limitant également à l'usinage du bois et plastiques, J'estime que la poussée minimale devrait se situer aux alentours de 150 N pour chacun des moteurs.

Avec ces données, l'allongement de la courroie varie selon la position du portique et le sens de déplacement de 0mm à 1mm dans le pire des cas avec une poussée maxi de 300N.
Ma vision des choses est la suivante : Cet allongement maximum de 1mm est l'équivalent de 5 pas entiers au niveau des moteurs. Je pense que ces pas sont bel et bien perdus car ils n'ont servi à mon avis qu'à tendre la courroie avant de déplacer le portique. Bien que je n'y connais rien aux servos, Je pense également qu'un servo ne verrait pas ce problème parce qu'il manque me semble-t-il le retour d'information du déplacement réel. A confirmer par les experts du forum en servos.

Bilan très mitigé :

- La solution à courroie HTD-8M ne me parait pas pouvoir exploiter pleinement la capacité des moteurs NEMA34 8.5N.m et encore moins en 12N.m
- La précision de positionnement n'est pas très bonne. Au mieux probablement aux alentours de 0.2 mm
- L'allongement de la courroie fausse plus ou moins les déplacements suivant le positionnement du portique

MA CONCLUSION : J'ai voulu présenter une solution à courroie parce qu'elle est retenue sur pas mal de projets et que je voulais me faire MON OPINION sur celle-ci.
SI je devais réellement concrétiser ce projet de BIG CNC, je ne pense pas que je retiendrais une solution à courroie.
Une solution avec un entrainement Pignon/crémaillère me parait mieux adapté surtout si l'entrainement est hélicoïdal.


Nota : Une erreur de conception qu'on retrouve malheureusement trop souvent sur des projets de CNC est de monter les moteurs du X sur le châssis.
Avec ce montage on double l'allongement de la courroie, mais surtout la longueur du brin tendu est déjà au minimum de 2500mm.

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  CARLOS78 le Lun 21 Mai 2018, 08:52

Il existe une solution industrielle qui améliore l'entrainement par courroie : on double astucieusement la courroie.


La courroie active qui assure le déplacement s'engrène sur une courroie passive collée sur le châssis.
Avec ce montage, la longueur de la courroie est réduite au minimum. Il n'y a quasiment plus d'étirement;

rabbit TRÈS MALIN !!!

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Re: BIG CNC à portique mobile de CARLOS

Message  c.phili le Lun 21 Mai 2018, 10:35

Le moteur que j'ai déjà c'est celui-ci c'est un 12Nm
Le 8Nm est ici
Bien sur ç'a viens de Chine mais l’entrepôt est en Allemagne ce qui nous évite les frais. Si on est allergique aux produits chinois, il faudra bien allonger le prix.
Ceci dit, j'ai déjà acheté plusieurs variateurs et différentes bricole a ce vendeur, il est très sérieux et répond toujours aux messages bons ou mauvais.
J'ai eu un problème avec le dernier variateur pas plus tard que la semaine passée et un nouveau est déjà en route.
Pour l'alim je pense qu'il faudrais min une 500w comme celle-ci
Moi je me laisserai bien tenter par celle-ci

Pour la transmission, au lieu d'une courroie, je ferais bien les essais avec une chaîne, certains sont contre mais il y a-t-il vraiment quelqu'un qui a réellement essayé?
Mechmate le fait bien et personne n'a l'air déçu, la Chaîne ne coûte pas cher et les pignon non plus, ça se change en très peu de temps et c'est très résistant, c'est vrais que ça s'allonge avec le temps mais en général un coup de clef résous le problème.
Et contrairement a la courroie, on peut utiliser la totalité de la longueur acheté, on peut la rallonger ou la raccourcir sans limite.
Philippe

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