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Revue de conception détaillée v.4. Projet McGrO. Été 2002. Préparée par François Charron Jean-Philippe Desbiens Dernière mise à jour : 6 mai 2004. Définition du projet et de l’équipe Rappel et mise à jour de la RCS Concept global retenu pour la RCP

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Presentation Transcript
revue de conception d taill e v 4

Revue de conception détaillée v.4

Projet McGrO

Été 2002

Préparée par

François Charron

Jean-Philippe Desbiens

Dernière mise à jour : 6 mai 2004

contenu de la rcd
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
d finition du projet
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
quipe de conception g nie m canique
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
rappel et mise jour de la rcs description des ressources
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
rappel et mise jour de la rcs budget
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

rappel et mise jour de la rcs gestion des risques
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.)
rappel et mise jour de la rcs sp cifications d ing nierie d riv es des principaux besoins du client
Rappel et mise à jour de la RCSSpécifications d’ingénierie dérivées des principaux besoins du client
rappel et mise jour de la rcs concepts retenus
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
concept global retenu proc dure de fabrication des moules

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

sous syst mes ou composantes critiques
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
sous syst mes critiques ch ssis mobile de l axe z
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

sous syst mes critiques rallonge d outil du ch ssis de l axe z
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

sous syst mes critiques mod lisation mef de la rallonge d outil
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

slide17

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
sous syst mes critiques ch ssis mobile de l axe y
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

sous syst mes critiques ch ssis mobile de l axe x

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

sous syst mes critiques alignement des composantes du ch ssis mobile de l axe x

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

sous syst mes critiques mod lisation mef du ch ssis mobile de l axe x

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

sous syst mes critiques mod lisation mef du ch ssis mobile de l axe x22

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)

sous syst mes critiques r sultats mef du ch ssis mobile de l axe x

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

sous syst mes critiques supports des vis billes
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

autres composantes
Autres composantes

Pont

Colonnes (2)

Matériaux

ACIER 1020

profilés standards

plaques

MDF

feuilles

Table

plan de validation du prototype approche globale
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

plan de validation du prototype sp cifications retenues extrait du cdcf
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

plan de validation du prototype sp cifications retenues extrait du cdcf28
Plan de validation du prototype Spécifications retenues (extrait du CdCF)

Sous-système Déplacement linéaire : global

plan de validation du prototype pour le syst me global
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
synth se
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