BIG CNC à portique mobile de CARLOS

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.

Carlos

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

Carlos

...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

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 ...

Carlos

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 ! )
Cordialement
M.JC

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...

Carlos

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.

Carlos

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

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.

Carlos

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