Revue de conception détaillée v.4

1. Revue de conception détaillée v.4 Projet McGrO Été 2002 Préparée par François Charron Jean-Philippe Desbiens Dernière mise à jour : 6 mai 2004

2. Définition du projet et de l’équipe Rappel et mise à jour de la RCS Concept global retenu pour la RCP Présentation détaillée des sous-systèmes critiques Plan de validation du prototype Synthèse Contenu de la RCD

3. Conception d’une machine à commande numérique 3 axes pour l’usinage de moule en bois mou (contreplaqué) Machine dédiée à la fabrication de moule pour les étudiants du Département de génie mécanique devant mouler des polymères (procédé de moulage ou de thermoformage) Définition du projet

4. François Charron Jean-Philippe Desbiens Joel Dion Jean-Sébastien Plante Yves Van Hoenacker Patrick Doucet Partenaire principal Département de génie mécanique Équipe de conceptiongénie mécanique

5. Ressources humaines - Équipe de conception (3 personnes) - Techniciens en usinage (3) - Techniciens en mécatronique et informatique (3) - Professeurs (3) Ressources financières - 10 000 $ en argent et temps de technicien payé pour la fabrication de la mécanique et de l’électronique Calendrier - Validation du prototype du 12 juillet au 16 août 2002 - Livraison du prototype le 16 août 2002 Rappel et mise à jour de la RCSDescription des ressources

6. Rappel et mise à jour de la RCSÉchéancier

7. Rappel et mise à jour de la RCSBudget Mécanique : glissières, roulements linéaires, etc. (5025$) Électronique : moteurs pas à pas, variateurs de vitesse (drive), câblage, etc. (1725$) Informatique et logiciel : ordinateur**, FeatureCAM**, logiciel contrôleur : CNC Pro, etc. (300$) Fabrication : matériaux, fabrication spécialisée, etc. (2650$) Total : 9700$ Contingence (25%) et main d’œuvre externe : 3175$ + 3000 $ Grand total : 15 875$ ** Fourni ou payé par le Département

8. Rappel et mise à jour de la RCSGestion des risques • Risques • Manque de ressources humaines pour la fabrication (vacances de l’été) • Retard dans les commandes de pièces • Imprévus financiers • Mesures de mitigation • Devancer la fabrication avant le début des vacances • Réserver une somme de 3000$ pour la fabrication externe • Acheter des pièces sans passer par le service des achats de l’Université • Changer de fournisseurs et modifier la conception rapidement s’il y lieu • Éliminer ou retarder l’acquisition de parties de la machine qui ne sont pas indispensables à son fonctionnement (enceinte, dispositif de nettoyage, etc.)

9. Rappel et mise à jour de la RCSSpécifications d’ingénierie dérivées des principaux besoins du client

10. Rappel et mise à jour de la RCSConcepts retenus • Sous-systèmes identifiés • Châssis • Déplacement linéaire • Contrôle • Difficultés majeures • Usinage des grosses pièces • Alignement des axes orthogonaux X, Y, et Z • Soudage des structures vs. tolérances fonctionnelles et géométriques • Température des roulements et vibrations de la rallonge d’outil • Perçage et taraudage de nombreux trous • Mise en route : Évaluation des paramètres de coupe

11. Concept global retenu

12. 2 1 3 4 5 6 CNC Pro Concept global retenuProcédure de fabrication des moules Dessin du moule dans Solidworks Import du moule dans FeatureCAM Génération du code G exécution du code G dans CNC Pro Usinage du moule Pilotage des moteurs

13. Sous-systèmes ou composantescritiques Sous-systèmes critiques qui présentent des difficultés majeures de conception : • Châssis mobiles de tous les axes • Rallonge d’outil • Support des vis à billes de tous les axes

14. Sous-systèmes critiquesChâssis mobile de l’axe Z z y Matériaux ACIER 1020 Plaques Tubes x Difficultés : Orthogonalité de l’axe de rotation de l’outil par rapport au déplacement en Z Solutions: Souder les renforts, la base et la plaque trouée avec la meilleure précision, surfacer le derrière de la plaque trouée, centrer et souder le tube de 3 po

15. Sous-systèmes critiquesRallonge d’outil du châssis de l’axe Z Matériaux Arbre plein ACIER 4140 Arbre creux ACIER INOX. Autres ACIER 1020 Difficultés : Balancement dynamique des pièces en rotation et température des roulements, déflection maximale Solutions: Usinage de précision, balancement des pièces individuelles, choix des roulements, rigidité adéquate de l’assemblage

16. Sous-systèmes critiquesModélisation MEF de la rallonge d’outil x y Base de la toupie Roulements à billes du tube de 2 po Contact oblique avec bague en métal Vitesse maximale : 19 000 rpm Kyy = Rigidité moyenne : 6.47 x 107 N/m [ Calculée par méthode graphique ] Rigidité moyenne: 2.5 x 107 N/m [ Calculée par MEF ] Modélisé dans le modèle par 2 Roulements à billes Modèle final 6 Pièces tubulaires en acier + 4 roulements à billes modélisés par des anneaux rigides de raideur Ki

17. Sous-systèmes critiquesCalculs pour la rallonge d’outil Comportement dynamique Comportement statique Outil Cosmos/WORKS Tube 2 po Tube 3 po Résultats Flèche maximale (bout de l’outil) : ~0.15 mm [0.0059 po] Flèche maximale (bout du tube 2 po) ~0.0867 mm [0.0034 po] • Résultats • La toupie opère à 24 000 rpm entre le 1er et le 2e mode • Un tube de ¼ po d’épaisseur est • adéquat pour le tube avec un • diamètre de 2 po

18. Sous-systèmes critiquesChâssis mobile de l’axe Y z z Matériaux ALUMINIUM 6061 plaques barres gabarit y Alignement avec gabarit Difficultés : Alignement et assemblage orthogonaux des roulements linéaires et glissières Solutions: Prévoir un jeu dans les trous et utiliser des gabarits en aluminium pour aligner en place l’orthogonalité des axes Y et Z

19. z x y Sous-systèmes critiquesChâssis mobile de l’axe X Matériel ACIER 1020 Difficultés : Soudage des tubes 1/16’’, alignement et orthogonalité, soudage centré du support de vis à billes de l’axe Y Solutions: Souder avec la meilleure précision, surfacer les surfaces de référence, usiner des rainures orthogonales en X et Y, aligner les roulements linéaires et glissières avec des gabarits appropriés

20. z x y Parallélisme des glissières de l’axe Y(gabarit) Alignement avec blocs et rainures Sous-systèmes critiquesAlignement des composantes du châssis mobile de l’axe X Surfaçage des (4) barres d’acier

21. 1 be t z y x bi Sous-systèmes critiquesModélisation MEF du châssis mobile de l’axe X 2 Fg = force d’inertie (gravité) Fa = force d’inertie (accélération) Fc = force de coupe au bout de l’outil Modèle analytique simplifié pour calculer les moments d’inertie de flexion et de torsion équivalents 3 Efforts appliqués (flexion) (torsion) 4 I = be4/12 - bi4/12 J = (4 Aire4moyen t )/périmètremoyen Simplification: efforts répartis (÷4) Résultats Formules utilisées

22. 1 po 1 po Sous-systèmes critiquesModélisation MEF du châssis mobile de l’axe X z z y x 1 2 F= 195 N Barre avec EI Équivalent F1,4= 1365 N L= 53 po tube Simplification du modèle Note : Jbarre = βb4 , β=0.41 Validation de la simplification 3 4 Propriétés des barres d’acier modélisées Modèle MEF (Cosmos/Works)

23. z x Lrallonge Sous-systèmes critiquesRésultats MEF du châssis mobile de l’axe X Déplacement combiné de ~ 0.125 mm Exemple de déplacement du bout de l’outil Lrallonge = 0.762 m Déformation en X = ~ 0.3 mm

24. Sous-systèmes critiquesSupports des vis à billes Matériaux ACIER 1020 ALUMINIUM 6061 AXE X AXE Y AXE Z Difficulté : Aligner les supports avec les rails pour limiter les efforts dans les écrous lors de la transmission du mouvement Solutions: Centrer et fixer (soudage, boulonnage) les supports avec les châssis mobiles se promenant sur les glissières

25. Autres composantes Pont Colonnes (2) Matériaux ACIER 1020 profilés standards plaques MDF feuilles Table

26. Plan de validation du prototypeApproche globale • Validation des sous-systèmes et du système global • Objectifs : Identification des spécifications pertinentes • du CdCF; • Méthodologie : Définition d’un test simple permettant de • valider toutes les spécifications concernées; • Résultats : Réalisation du test, cueillette et analyse • des données; • Discussion : Est-ce que les spécifications sont • rencontrées? • Validation de certains aspects qualitatifs de la conception • Notes à la conception, spécifications de contrainte, autres mesures • intuitives ou rapides (ex.: permettre un changement d'outil sécuritaire) Validation : Température des roulements de la rallonge

27. Plan de validation du prototype Spécifications retenues (extrait du CdCF) Les spécifications retenues1 pour les tests quantitatifs sont : Sous-système châssis : table du support de la matière première 1Spécifications techniques ou dérivées des besoins

28. Plan de validation du prototype Spécifications retenues (extrait du CdCF) Sous-système Déplacement linéaire : global

29. Plan de validation du prototype Spécifications retenues (extrait du CdCF) Système global

30. Plan de validation du prototypePour le système global • Objectifs • Valider le processus global de fabrication des moules en bois mou • Méthodologie • Définir la procédure de fabrication d’un moule en détails • Concevoir et fabriquer un moule en bois mou le projet Yéti • Résultats • Vérifier s’il est possible de réaliser un moule en bois fonctionnel, si • la précision et la qualité sont adéquates et identifier les • problèmes de fabrication à corriger • Discussion • Proposer des modifications au besoin

31. Synthèse • Peu de changements dans la • conception depuis la RCS • Coût total <10 000$ • Échéancier respecté • Concepts simples et viables • Prototype prêt à être fabriqué • Peu d’incertitudes dans les performances à prévoir • Préoccupation principale :parallélisme et perpendicularité des axes X, Y, Z Prototype McGrO final