Concevoir une machine (2)

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Voilà, continuons ce chemin de “comment concevoir et réaliser une machine”. Pour ceux qui ont loupés la première partie, le rattrapage c’est ici.

Rappel

Mais bien sûr avant de commencer, un très court rappel des notions vues.

Définissez votre but : C’est la tâche que doit accomplir votre machine, comme bâtir une maison, fabriquer un cadran de montre de luxe, souder les plaques d’un sous-marin d’attaque,  réaliser des figurines en plastique, dessiner un objet virtuel …….  bref “faire un objet.”
De ce but, vous en tirez deux éléments que vous n’oublierez pas pour concevoir et réaliser votre machine, soit : l’exactitude et la puissance, de là découle le reste : la construction, le prix, la faisabilité, le type de machine, le principe de fabrication, etc. Donc un premier conseil lorsque vous concevez et confectionnez une machine : gardez toujours devant vous un rappel du but et des deux paramètres: exactitude et puissance.

Donc pour concevoir une machine, trois éléments à impérativement définir :

BUT, EXACTITUDE et PUISSANCE

Notre fil rouge

Afin de rendre cette “méthode” le plus possible lisible, nous suivront l’idée de concevoir et de réaliser une machine soit une graveuse mécanique pour circuit électronique. Ci-après une petite vidéo (1’12) qui éclaire notre but.

Précédemment, nous avons défini nos trois points, qui sont résumés dans un panneau :

concevoir une machine, le panneau


Probables problèmes

Cet article, dédié “aux probables problèmes”, va s’articuler sur deux thèmes comment utiliser les deux paramètres que nous avons défini auparavant ainsi qu’essayer d’anticiper quelques problèmes classiques. Nous commencerons par l’exactitude puis nous regarderons la puissance et nous finirons dans la joie des “problèmes résolus”.

Mais avant toute chose, j’aimerais insister sur la nécessité de décrire le but de votre machine. C’est souvent difficile, car dans ce but entrent beaucoup de notions (capacités, délais, coût, entretien, etc) et que les acteurs et parties prenantes ne souhaitent pas, inconsciemment ou non, de tout décrire. Heureusement, nous nous plaçons dans le cas où nous sommes seul et unique concepteur, fabricant, investisseur et utilisateur, normalement il sera plus aisé d’être honnête et réaliste dans la description du but de notre machine.

Quelques conseils concernant votre but.
      • Soyez conscient qu’il évoluera, car concevoir, réaliser une machine, demande très souvent une remise à plat, mais essayez de maintenir votre but à jour. Si votre machine peut faire plus que le but initial, noter le comme le nouveau but et inversement.
      • Ne visez pas trop haut (“faire comme un industriel”). Les moyens et les investissements ne sont pas les mêmes, donc soyez modeste. Il est toujours plus encourageant de réviser son but à la hausse que l’inverse.
      • Décrivez toutes les restrictions de votre machine, comme la taille des objets à fabriquer, les matériaux consommés, etc. C’est dans une idée de comprendre où vous pourrez améliorer votre machine dans une phase ultérieure.
      • Fixez vous des étapes. Par exemple : aujourd’hui je conçois et réalise une machine à couper le papier. Demain je la modifierais pour couper du carton léger. Après-demain elle coupera du cuir d’éléphant. Puis, elle évoluera pour couper des planches de bois. C’est mieux que de vouloir tout de suite s’attaquer à une machine pour couper de l’acier. L’idée, c’est de commencer avec un but peut-être moins ambitieux mais atteignable relativement facilement ( 🙄 ) puis de passer une autre échelle.
      • ÉCRIVEZ votre but, la mémoire c’est bien, mais les écris c’est mieux.
Exemple avec notre “fil rouge”.

Concevoir et réaliser une machine à graver des circuits électroniques par enlèvement de la couche de cuivre de 35μm d’une plaque d’époxy ou autre substrat.

      • L’épaisseur de la plaque (généralement de l’époxy) est d’environ 1,5 mm
      • Dimension maximum de la plaque 100 x 70 mm
      • La vitesse d’enlèvement de la couche de cuivre sera de 50 mm/s
      • La vitesse de déplacement relative (plaque/outil) maximum sera de 100 mm/s.
      • Le mouvement relatif (plaque/outil) est réalisé selon trois mouvements orthogonaux (perpendiculaires entre-eux, à 90°).
      • La largeur de cuivre restante (les pistes) sera au minimum 0,7 mm.
      • L’espace minima d’enlèvement (entre piste) sera au minimum de 0,3 mm.
      • Consommation maximum : 1 outil par circuit.
      • (Non mentionnés précédemment) Les trous du circuit électronique devront pouvoir être réalisés par la machine. Ils auront entre 0,5 et 1,2mm de diamètre.

Comment utiliser notre exactitude ?

Le référentiel

Le premier point, c’est de se poser la question suivante : “à quoi se rapporte cette exactitude ?” Si vous avez répondu : ” à l’objet (physique ou virtuel) que ma machine va élaborer”, on peut continuer, vous avez compris l’essentiel. Si l’on veut schématiser ce que cela sous-entend dans le cas de notre graveuse :

concevoir une machine, l'exactitude 3D

Comme vous le voyez, votre machine devra respecter au minimum ce schéma, si on ajoute l’outil qui réalise l’objet que voyons nous ?

concevoir une machine, sphère d'exactitude

Ce que l’on remarque, c’est que la position de notre outil par rapport à l’objet final ne devra pas “sortir” de la sphère (zone) d’exactitude. Comment respecter cela ? Il est nécessaire que chaque mouvement de votre machine fasse sa part en quelque sorte. Le premier travail est donc de rapporter cette exactitude à chaque mouvement de la machine afin de faciliter la tâche d’ajustement de cet axe. Pour faire ce calcul, on doit préalablement définir les diverses positions des éléments constitutifs, à savoir : les mouvements relatifs machine/objets.

coordonnées cartésiennes
Exemple d’objet avec des axes orthogonaux dit “naturels”

Les axes de l’espace de travail peuvent être en réalité quelconque, bien que je vous conseille de prendre ceux dit “naturel” à votre objet. Mais c’est juste un conseil et tant que vous y êtes prenez des axes cartésiens ! Si les mouvements de votre machine ne suivent pas les axes de l’espace (ne se confondent pas), vous devrez faire une ou plusieurs extrapolations supplémentaires. L’idée est d’essayer ramener l’exactitude globale à une exactitude par mouvement.

 

Voici un exemple de ce que pourrait être les axes d’une machine (l’ascenseur) et les axes “naturels” de l’objet (le chat). Le chat voit l’ascenseur monter/descendre selon l’axe bleu, généralement appelé axe vertical ou axe Z, et l’ouverture fermeture de la porte selon l’axe horizontal. L’avantage d’avoir les axes “ascenseur” (machine) et les axes “chat” (objet) parallèles, c’est qu’il est facile pour le chat de décrire le mouvement de l’ascenseur et de décrire le mouvement du chat (entrée dans l’ascenseur) depuis le référentiel ascenseur (machine).

coordonnées folles

Bien sûr, si on est un peu “spécial”, on peut très bien décrire les mêmes mouvements avec d’autre référentiel, par exemple celui ci-contre …. Ok ! J’arrête ! C’était juste une suggestion ! 😯

L’exactitude de notre machine

Encore une fois, l’exactitude n’est pas obligatoirement dimensionnelle, elle peut couvrir tout de sorte de domaine de la physique. Exemple, la régularité d’une brûlure sur le bois, donc pour l’exactitude de cette machine on parlera de stabilité d’une flamme, de sa température,  du matériaux à brûler et peut être aussi de la taille de l’impact flamme-objet. Cela fait partie du but de votre machine et encore une fois c’est très important de prendre le temps de le décrire.

Mais dans le cas de notre graveuse, nous avons qu’une exactitude de mouvements. Sur les trois mouvements principaux, la rotation de l’outil n’est pas étudié dans notre cas,  on peut se demander ce que représente le mouvement prévu pour enlever l’épaisseur de cuivre. Il est d’environ 35μm, est insignifiant par rapport aux autres mouvements.  De plus l’influence du mouvement relatif de l’outil et plus particulièrement l’exactitude de ce mouvement pourra être considérée comme négligeable.

concevoir une machine, axe vertical

Nous raisonnerons donc dans un plan, dans le cas de la graveuse de circuits électroniques. On admettra que le mouvement relatif  pour enlever la couche de cuivre est le mouvement vertical, pourquoi pas d’ailleurs 😀  ?

Principe de projection

De l’exactitude définie pour notre machine, nous allons trouver une exactitude par mouvement. C’est vrai, notre machine a, par chance (?), ses mouvements principaux parallèles aux axes de l’objet final, donc cela facilitera la définition de l’exactitude par mouvement. Voici la vision de notre exactitude dans le plan.

concevoir une machine, coordonnée dans le plan

concevoir une machine, triangle erreur

Avec le schéma ci-contre, on peut voir que l’erreur de position de notre outil est rapporté aux axes des mouvements. Notez au passage que dans ce dessin, il est mentionné “erreur” et non pas “exactitude”, c’est juste pour rapeller un élément évident, il faut que notre erreur de position soit inférieur à l’exactitude pour que notre outil reste dans le cercle d’exactitude. Si on considère que les axes (les mouvements) sont indépendant l’un de l’autre, la relation entre l’erreur de position et celle en X et en Y est donné par le théorème de Pynthagore.

Remarques

Attention dire que le mouvement selon l’axe Y n’a pas d’influence sur le mouvement selon l’axe X n’est pas juste, car selon l’architecture de notre machine, ils sont superposés, donc un mouvement immanquablement influencera l’autre. Pour ne pas trop compliquer la chose, j’ai admis que cette influence était négligeable, donc que l’on pouvait les considérer comme indépendant.

J’ai oublié quelque chose ? …… La perpendicularité des mouvements : j’admets qu’elle sera parfaite. 😆   Oui, c’est un peu facile, mais deux raisons à cette assertion : On verra comment réaliser une perpendicularité d’axe soignée par la suite et pour vous éviter une indigestion de biscuits. C’est aussi justifié car dans le cas de la gravure de PCB, c’est peu important, même si la perpendicularité est mauvaise (bon faut pas exagéré non plus 😕 ), les composants se monterons sans problème et le courant circulera aussi sans difficulté.

Que nous apporte l’exactitude par mouvement ? En bien, déjà l’incrément maximum que devra avoir le mouvement (le pas de l’axe). La répétabilité (donc les jeux, points durs et autres défauts) de notre axe. Cela définira aussi la qualité de notre pilotage d’axe. Bien sûr nous y reviendrons.

L’exactitude de notre axe

En plus d’estimer nos mouvements comme indépendants, on les considéra comme semblable. Ceci réduit notre “théorème de Pythagore” à une relation relativement simple :

concevoir une machine, erreur position

Donc l’exactitude de notre mouvement devra être de l’ordre de : 0,14 + 0,00018 L.

On peut tirer que la plus grande erreur acceptable en un point d’un axe sera de 0,14 mm, hormis son éloignement du point de référence. Ceci tout compris, jeu de l’axe, jeu de la vis, erreur d’incrément, etc. Comme vous le constatez, nous avions été large et pourtant en fin de compte l’axe devra être fabriqué soigneusement avec du bon matériel. Par exemple un axe avec glissière, écrou tout en plastique fabriqué sur mon imprimante 3D : c’est pas possible.

La puissance

Plusieurs formes de puissances sont possibles (chimiques, magnétiques, électriques, mécaniques, etc), précédemment nous avons volontairement séparé les éléments de notre machine selon leur fonction, ainsi nous avions modélisé la machine “fil rouge” comme suit :

concevoir une machine, schéma puissance

Il y a en fait trois parties : le calculateur, les mouvements et l’outil et nous avions défini (admis) la puissance nécessaire pour chaque partie :

      • calculateurs possiblesle calculateur : 100(W) électrique matériel acheter en un bloc, on ne conçoit et ne fabrique rien. Exemple de calculateurs possibles.

 

      • Broche légèrel’outil : 40 (W) électrique aussi bien que ce soit un mouvement de rotation mécanique mais comme pour le calculateur, on achète et on utilise tel que. Exemple d’une broche possible pour le travail envisagé, je ne spécifierais pas plus les besoins de l’outil qui “mange” la fine couche de cuivre.

 

      • Les mouvements : pour notre machine les mouvements pièce/outil suivent les axes principaux de notre objet final et ils sont orthogonaux.

Les mouvements peuvent être réalisés par divers moyens et la physique utilisée dépendra de votre application, mais n’oubliez pas que l’énergie sous forme pneumatique, hydraulique, de vapeur, de chimie ou autre peut très bien remplacer celle sous forme électrique. Même qu’en pneumatique, vous pourriez utiliser cette forme d’énergie pour l’ensemble de votre machine, calculateur compris.

Mouvement vertical

Le mouvement vertical est relativement peut important en termes de distance et de précision, mais que représente-t-il en terme de puissance ? Pour rappel, notre première idée a été de le considérer comme les deux autres axes. Analysons un peu son fonctionnement et pour commencer rappelons nous de la façon de calculer la puissance d’un axe :

 〈 masse accélération〉 〈résistance〉 〈frottement〉 〈vitesse〉  ⇒ puissance

La masse : c’est la masse des éléments principaux, soit notre broche et son support, donc environ 0,8 kg
L’accélération : comme pour les autres axes, on choisi quelque chose comme 110mm/s2
La résistance : comme la gravité agit (on n’envisage pas pour l’instant de contre-poids), cela correspond au poids des éléments broche et support, donc environ 8N
La vitesse : la vitesse du déplacement sera considérée, comme celle maximum des axes, soit 33 mm/s

Ceci nous amène à une puissance de : P = m•a + F•v = 0,8 • 0,1 + 8 • 0,033 = 0,344 W

Comme vous le constatez, c’est plus que les axes dans le plan et c’est normal car il y a le poids de la broche à vaincre. Bien sûr c’est possible de compenser ce poids par un contre-poids, mais cela ajoutera de la complexité mécanique, qui peut-être source d’autre problème.

Maintenant revenons sur le postulat : en première approche le frottement peut-être négligé. C’est vrai pour la grande majorité des mouvements mécaniques, mais pour  les vis de mouvement (c’est presque le seul cas), il faut en tenir compte. Pas de chance pour notre machine et donc notre “formule de base” de la puissance sera :

 〈 masse accélération〉 〈 résistance〉 〈 frottement (vis de mouvement)〉 〈 vitesse〉  ⇒ puissance

Le frottement : Dans les vis de mouvement, on résume ce frottement par un paramètre, le rendement du système. Quelques rapides explications ici : vis de transmission. On considère ce type de transmission de mouvement comme une masse sur un plan incliné.

concevoir une machine, vis de mouvement

Le calcul du moment (ou couple) à exercer sur la vis pour effectuer un mouvement en tenant des frottements pour mouvoir votre axe suivra l’expression M=C•p / 2•π•η. Je vous la transmet sans démonstration, mais vous en trouverez sur internet ici par exemple.

Prenez un rendement (η) de 40% pour un frottement de glissement et 90% pour des systèmes à billes. Bien entendu selon la qualité des faces en frottement, du graissage et des matières, des éléments ce rendement pourra varier. A vous de supputer la qualité futur de votre entraînement. Dans notre cas la puissance au niveau de la vis sera augmentée d’environ 2,5 fois, valeur que vous pouvez reprendre pour concevoir votre machine.

Pour l’axe vertical et tenant compte du frottement et du poids, nous aurons donc une puissance consommée de 0,34 • 2,5 = 0,85 W.

Pour l’appréciation de la puissance, la première chose à se souvenir, c’est que la distance à parcourir n’entre pas dans sa détermination. Les masses à bouger, les accélérations et le type de transmission de mouvement sont les éléments à prendre en compte pour la puissance nécessaire.

Puissance électrique → mécanique

Pour notre machine nous prendrons un cas très courant, les informations de pilotage des mouvements sortent du calculateur sous forme de signaux électriques qui seront transformés en mouvement mécanique. Pour ceux qui veulent plus de renseignements sur ce passage, vous avez les articles sur la CNC.

L’organe qui transforme la puissance électrique en puissance mécanique, c’est un élément que vous connaissez tous : le moteur électrique (c’est pas le seul, mais pour nous, c’est lui ). Mais pour le faire fonctionner, en tenant compte des signaux (des ordres) du calculateur, il est nécessaire de lui adjoindre un “amplificateur/ variateur/ driver”, bref un élément qui transforme les ordres du calculateur en puissance pour le moteur.

concevoir une machine, signaux en mouvement

 

Maintenant, vous avez la chaîne complète. Les rendements des moteurs/variateurs sont bons donc pour une première approche : pas de pertes de puissance sur ces éléments. Nous devons néanmoins nous poser la question suivante : la puissance de notre moteur électrique est connue, est-ce suffisant pour définir le moteur particulièrement son type ainsi que son encombrement ? Vous l’avez certainement deviné, la réponse est non et nous nous attaquerons à ce problème dans le prochain article. 😉


“Problèmes résolus”

Que dire …… des problèmes ……. vous en aurez, c’est le seul point certain. Ceci dit, on va essayer de déblayer quelques écueils sous la forme de conseils.

Prototype de faisabilité

Vous avez une nouvelle idée, une nouvelle machine dont vous avez décrit le but, l’étape suivante est : tester cette nouveauté, cette nouvelle idée. Vous devez réaliser un prototype de faisabilité (c’est un conseil, mais c’est vous qui voyez !) . Qu’est ce que c’est ?

C’est de prendre votre but et de “sortir” le moyen (principe physique) ainsi que le résultat souhaité. Attention vous devez tester l’idée pas concevoir ou réaliser une machine prototype proche de votre réalisation future.

Exemple si vous souhaitez construire votre maison, une maquette 3D pourra grandement vous aider à visualiser les écueils, n’oubliez pas de “Vous” modéliser également. Faites attention à la vision 3D, car cela paraît toujours plus grand quand réalité. Principe du test : espace pour vivre, but: espace à vivre.

Autre exemple, pour le compte d’un ancien employeur, on a proposé de produire une machine à coudre bon marché en Suisse (dans les années 1980). Comment arriver à concurrencer les japonais (à l’époque, les chinois d’aujourd’hui étaient les japonais 🙂 !) ?

Grosse différence de coût main d’œuvre, marché en régression ainsi que très forte concurrence. Dans ce cas de figure on avait la maîtrise du résultat, du but, restait à faire la machine au prix de revient fixé. Principe : machine à bas prix de revient, but : innovation pour se démarquer de la concurrence par exemple : enfilage du fil automatique et assemblage sans vis. Concevoir une machine “maquette faisabilité” , était trop compliqué et onéreux, nous avons donc présenté deux maquettes de faisabilité : une mécanique et une autre de design.

Exemple différent, en électronique avant de réaliser une carte électronique, un test sur “breadbord” (plaque d’essais) est très souvent utile, et dites vous que si cela fonctionne sur la plaque d’essais, le résultat n’est pas sûr pour autant pour le circuit électronique final, alors que vous avez fait “tout pareil”.

Un autre exemple qui démontre que tout ne sera pas connu après ce prototype de faisabilité. Avec un ami nous voulions vendre, un système de brumisation basse pression. Je vous passe les avantages et inconvénients du système (il y en a toujours ET vous devez les connaître si vous souhaitez vendre) Nous avions réalisé des prototypes de faisabilité, tout fonctionnait et au prototype proche de la réalité, ce fût un échec ! Pourquoi ? Parce si vous souhaitez vendre, pensez que ce n’est vous l’utilisateur et donc si votre prototype de faisabilité est “pointu” à utiliser, abandonnez ou corrigez avant d’aller plus loin.

Encore une fois le but est de tester les principes et leurs tolérances (leurs zones, leurs plages) de fonctionnement que devez mettre en place pour réaliser votre but. Cela peut-être fait en plusieurs étapes.

Matériel de base et maîtrise technique

Vous le savez bien, pour un hobbyiste, il faut faire avec les moyens du bord. Mais ce principe s’applique aussi  dans l’industrie et pour illustrer ceci, un exemple tiré de mon histoire.

Nous voulions avoir une pièce en acier relativement simple et petite mais en grande quantité selon l’image ci-contre. concevoir une machine, petite pièce concevoir une machine, petite pièceNous avons contacté des industriels dans la vallée de l’Arve en France et des asiatiques. Leurs propositions étaient très différentes, les français nous ont proposé une pièce monobloc taillé par décolletage et les asiatiques un ensemble d’une barre et d’une sphère assemblées par soudage. Le coût et la qualité de la pièce n’étaient tout simplement pas comparable, le décolletage donnait un résultat nettement supérieur en tout point.

Utilisez ce que vous connaissez et ce que vous avez l’habitude, tant du pour la matière de base que pour les techniques de fabrication de votre machine ! Vous êtes menuisier, utilisez le bois comme base et les techniques afférentes !

Lorsque vous projetez une nouvelle idée, vous serez amené à concevoir une partie de machine que vous modifierez et re-modifierez et re-re-modifierez etc, à un moment, prenez du recul et remettez l’ensemble “à plat”, cela vous permettra certainement de simplifier. Il est difficile de faire simple ! Un ami, qui n’y connaît que pouic,  vous exaspéra certainement, car lors de votre enthousiasmante présentation de votre machine, vous aurez droit : “Pourquoi tu ferais pas tout simplement comme ça ?”. Et là, c’est la douche froide ! Il a raison et vous ne l’avez pas vu ! Pourtant cela fait des jours que vous y travailliez. Normal ! On a tous la tête dans le sac lorsque on fait de la conception, c’est pour cela que des coupures sont parfois très profitables.

Regarder ce qui déjà fait

Il est vraiment très rare que vous soyez le premier à concevoir et/ou réaliser une machine, de plus souvent votre principe est utilisé dans d’autres domaines. Donc regardez ce qui se fait et surtout posez vous la question “pourquoi est-ce fait ainsi ?”  Mais je vous conseille de ne pas commencer par cette démarche, essayez de mettre en place votre idée, votre principe et une fois cela échafaudé, allez regarder ce que d’autre on fait.

Surtout ne pensez pas que les autres “n’ont rien compris”, “il y a nettement plus simple”, etc. Habituellement, ils ne vous montrent que leurs résultats finaux, mais vous n’avez pas leurs échecs, leurs cheminements, leurs tests. Donc ne concluez pas trop vite que vous êtes meilleur que le reste du monde. Regardez également dans le passé comment ils réalisaient un but analogue, c’est souvent plein d’idée.

Conseils finaux

N’accumulez pas les défis techniques dans une même machine. Je veux dire, si vous faites une nouvelle machine, c’est déjà compliqué n’ajoutez pas trop d’exploits techniques sinon vous serez submergé par les problèmes et vous n’arriverez pas à les isoler pour les résoudre un à un.

Essayer de mettre toute la complexité dans un élément de votre machine. Cela peut paraître paradoxal, mais en concentrant les problèmes en un point, certains s’annulent et vous aurez une seule partie onéreuse et complexe entourée d’éléments plus standards. La mise au point sera plus simple en fin compte.

Budget

Oulala !! Voilà un sujet difficile. J’ai pris l’habitude de doubler le budget que j’estime (pourtant le plus honnêtement possible) avant de concevoir de la machine, au tout début du cycle de conception/réalisation. Quand je parle de budget avant de concevoir la machine, c’est simplement avoir une idée “ou va-t-on ?” dans qu’elle aventure, c’est avoir une vague idée du résultat final. Vous n’êtes peut-être pas ingénieur, mais vous pouvez méditer sur cette citation de je ne sais pas qui :

“Un ingénieur qui ne sait pas ce qu’il fait, doit s’arrêter alors qu’un chercheur doit s’arrêter s’il sait ce qu’il fait.”

Attention, je ne parle pas du coût du prototype de faisabilité et du prototype fonctionnel, c’est celui de la machine qui sera produite, soit une idée de production de série, répétition de 5 à 1….. Donc si vous construisez une machine unique, c’est comme un prototype fonctionnel prévoyez un facteur 10. A ceux qui pensent que j’exagère …. “c’est vous qui voyez !”. 

Conclusion (provisoire)

Concevoir et réaliser une machine, c’est d’abord mieux définir notre but, ramener l’exactitude à chaque fonction, mouvement de la machine dans le cas de notre projet, la puissance est maintenant spécifiée pour chaque mouvements ainsi que trous les éléments principaux.

Avec les quelques conseils décrits et une première idée du budget probable 😎 , vous voilà mieux armé pour commencer l’élaboration de votre concept.