Réalisation d'un robot 4 axes

(Difficulté : **** difficile)

Ce projet consiste à réaliser un robot 4 axes pour le perçage, fraisage, gravure, laser, plasma, impression 3D...

Il y a 2 grandes familles de robot ou CNC : les linéaires et les rotatifs. (Il y a aussi des robots mixtes).

Les robots linéaires sont plus faciles à réaliser mais l'objet à usiner est à l'intérieur du robot : le robot est encombrant et/ou l'objet est petit.

Les robots rotatifs où l'objet est extérieur au robot : on peut donc fabriquer des "grands" objets avec un "petit" robot.

Ici nous souhaitons fabriquer un robot rotatif, 4 axes, économique, "simple" à réaliser sans avoir recours à du fraisage, tournage etc...

Dans un robot, la difficulté, c'est d'avoir à la fois de la précision, de la puissance et de la vitesse (c'est d'ailleurs, ce qui fait le coût des gros robots industriels).

Dans un robot rotatif, le moindre jeu est amplifié quand le robot se déploie et le petit jeu de l'engrenage à peine perceptible sur le premier axe du robot peut se traduire par plus d'un mm de jeu au niveau de l'outil...

Le jeu peut être angulaire ou axial...

Ici, nous cherchons donc une solution simple et économique pour avoir un mouvement angulaire précis, jeux minimum, répétitif, sans "backslash", et suffisamment puissant. (Et suffisamment rapide)

Pour ça, il faut abandonner les engrenages. (Et, évidemment, les servos RC). Il existe des solutions sans jeu comme les "Harmonic drive" mais c'est cher.

Il faut, en plus, que ce soit réalisable en atelier avec une perceuse à colonne, un étau et c'est à peu près tout.

Les quatre axes sont à peu près identiques.

Le premier axe est vertical : rotation du robot dans un plan horizontal sur un angle d'environ 240° (peut-être un peu moins).

Le 2e axe est horizontal : rotation du robot dans un plan vertical, angle environ 240° (peut-être un peu moins).

Le 3e axe est // au 2e à une distance de 200 mm.

Le 4e axe est // au 3e à une distance de 200 mm et supporte l'outil.

Par la suite, on pourrait rajouter un 5e axe horizontal qui porterait l'outil.



1ère partie : conception mécanique


Nota : moteur ou motoréducteur ?


Moteur pas à pas :
https://www.ebay.fr/itm/Moteur-pas-a-pas-Nema-17-Bipolaire-45Ncm-2A-40mm-4-Fils-pour-Imprimante-3D/392581657408?_trkparms=ispr%3D1&hash=item5b67b0b340:g:0dsAAOSwbv9d8JvY&enc=AQAFAAACgBaobrjLl8XobRIiIML1V4Imu%2Fn%2BzU5L90Z278x5ickkyMJZWL%2BqFSgQ3TOOe%2FNr7o%2FxdiUsgX0y7nu9gAyovGEBAn2%2Bic3crqi9A7%2BdDteTNppuFKlTifZGmAbwseu25LH3nhQKnAKF3VLoaXds6V8gv3Q8D1T1pmhNVytjZzwMz6ps9lHboIo8xRkZE7QxtmUAaz9tgI%2F5KdmmIT%2B6QVscfgtJMSPNP9JtnfBmFDmUT5xLwuHCzNtexV8%2Fg0SnGF7P3hQAX84ACZgEoL2S%2FW%2BRxLOwl5HHqsIxVwZtE%2B3pIIoxoW%2B91TARbrXRQIoYMAEJXFJUuOdyWSfZFmZD0Ho%2F%2BBQPGHDPkAu057VeTwKooRm0TuFW%2BFAc1Hu7eyvKOro1pKpOXR8td0UAFcybO61Xuv1acGHZct%2BPiDhH%2FLWLFoEii0v9J2Tl0i27%2BtMkn9rsFGUXL0qZbiAD5WUDqQz94NpsH4pDPDARVI%2Bz1VRsb61impwM3L3tQ4E06fo31cZ4tN%2FVgqVvu9r7fyX5253Or3b1klRVYD7VFvX2me%2BO%2B%2BlKVQIj2Mg5JVwYvrcPGhb236wTrRke8fDH9goWSbHHdIC8H48x1khVg65QjBxWUXFxZpfXhBeOPR6zAOYgkqoiSOBQR2TEMJhI7L%2BhdA2lv3KdS0JepjnyqmQIYlLUS0aEH2bFao3OkjiSluYjBWH2TFVE2BtQZOarME74tLx5OUKnwBEUx1MwtOaTktd3zOfTMDlwHT9YEbQvg7r8DCPq1iH4BvvC%2FBo%2BNRpNBt0t2jBO%2Bdetzvmc6cZ9AMtH3T8HN2hHyvikYmhHsfgEJJ9IrbP%2F37wL3v4Lj%2BRWCT8%3D&checksum=3925816574083c79c7213ca54a53812b74658bdb3bfd
Précision : la plus petite poulie fait un diamètre de 12 environ, ce qui fait, avec la couronne de 95, une démultiplication de 8 environ. Le pas angulaire du moteur est de 1.8° soit 0.0314 rad. Le pas angulaire de la couronne est donc de 0.0039 rad. entièrement déployé, le bras du robot fait 2 fois 150 soit 300. Un pas fait donc 0.0039x300 = 1.2 mm.
C'est trop grand : pas assez de précision, il faudrait des micropas, et encore...

Motoréducteur :
https://www.ebay.fr/itm/1-27-Moteur-Pas-a-Pas-Nema-17-Reducteur-Planetaire-Integre-1-8-Degres-3-9V/293622452249?_trkparms=aid%3D111001%26algo%3DREC.SEED%26ao%3D1%26asc%3D20160908105057%26meid%3D7bd99869f5074f3e97f087d4e3da59b8%26pid%3D100675%26rk%3D3%26rkt%3D15%26mehot%3Dnone%26sd%3D164315639045%26itm%3D293622452249%26pmt%3D1%26noa%3D1%26pg%3D2380057&_trksid=p2380057.c100675.m4236&_trkparms=pageci%3A03b2aaf9-fa5b-11ea-86c7-56439af03f6b%7Cparentrq%3Aa5b50c221740ace085d67e28fff97bf0%7Ciid%3A1
(Axe de 8)
Précision : on peut installer une poulie plus grande de 30 dents soit un diamètre de 20 environ, ce qui fait, avec la couronne de 95, une démultiplication de 5 environ. Le pas angulaire du moteur est de 1.8° soit 0.0314 rad. Le  pas angulaire du motoréducteur (1/27) fait 0.0011rad. Le pas angulaire de la couronne est donc de 0.00022 rad. entièrement déployé, le bras du robot fait 2 fois 200 soit 400. Un pas fait donc 0.00022x00 = 0.09 mm..
Moins de 1/10 : c'est suffisamment petit...
Vitesse : on doit pouvoir faire tourner (avec accélération progressive) le moteur autour de 5t/s. Le motoréducteur peut donc tourner à 0.19t/s. la couronne peut donc tourner à 0.038t/s soit 0.244rad/s.
Avec le bras déployé à moitié à 200 mm, pour parcourir 100 mm, il faut donc environ 0.1s ce qui est correct.
Jeu angulaire : sur le motoréducteur, nous avons mesuré un jeu angulaire de 0.007 rad (ce qui est insuffisant pour la précision du robot). Mais avec la couronne, on démultiplie de 5 soit un jeu de 0.0014. Bras déployé à 400 mm (le maximum) cela fera un jeu de 0.5 ce qui est correct mais limite. (C'est pour cette raison que nous avons limité les entraxes des axes à 200 (ce qui fait quand même 400 vers l'avant et 400 vers l'arrière). Pour de la précision, il faut donc déployer le bras du robot le moins possible.

Conception :

Un profilé alu de 85x45 e2 découpé reçoit un motoréducteur pas à pas de 42x42 (fixé par 4 vis M4F90x10). Une poulie crantée entraîne une courroie crantée qui entraîne une couronne en ABS imprimé en 3D de 95 de diamètre et 15 de hauteur. Les deux extrémités de la courroie passent par un trou de 6 dans la couronne. Les deux extrémités sont reliées ensemble et reliées à un ressort qui les tire vers l'axe de la couronne pour supprimer le jeu. Le ressort est maintenu par 1 vis écrou M3x20. La couronne est centrée sur un tube acier D30 et appuyée sur un roulement large mais fin 30x42x7 qui est appuyé sur le profilé alu (côté extérieur) (percé à D38) et centré par 3 vis à M3x120° sur le profilé alu. Le même roulement est centré de la même manière sur la face opposée du profilé. Un tube PVC D40 (plomberie), h 41 est inséré à l'intérieur du profilé alu pour éviter la déformation et l'écrasement du profilé.

Le tube acier D30 traverse le profilé alu (D38) et traverse également le 2e profilé alu (percé à D30) à entraîner qui est plaqué sur la couronne. 3 vis écrous M4x15 l'entraînent en rotation. Le 2e profilé alu reçoit aussi Un tube PVC D40 (plomberie), h 41 inséré à l'intérieur du profilé alu pour éviter sa déformation et son écrasement.

2 bouchons ABS imprimés en 3D ferment le tube de 30 et sont traversés par 6 ou 3 tiges filetées M3x120 avec 12 ou 6 écrous M4 qui bloquent le tout.Le trou restant permet le passage des câbles des moteurs et de la broche.

L'ensemble constitue un système rigide sans jeu, avec un minimum de déformation et assez facile à réaliser avec des moyens limités. Il faut juste une fraise à étage pour percer correctement les grands trous dans les profilés (D22, D30, D38) : https://www.ebay.fr/itm/3-12-4-12-4-20-4-32-5-35-4-42mm-HSS-CO-M35-Fraise-Foret-Forage-%C3%A0-%C3%89tage-Drill-Bit/283816787878?ssPageName=STRK%3AMEBIDX%3AIT&var=585243783853&_trksid=p2060353.m2749.l2649

Une excroissance (imprimée avec la couronne), sur le bord de la couronne permet d'actionner un switch (fixé par 2 boulons M3x20) qui permet au système de faire son 0.

Nomenclature (par axe) :

Vue d'un axe en coupe : la courroie et la poulie de sont pas encore crantées, il manque le ressort....
Le profilé du haut est découpé pour laisser passer la poulie...
robot01.jpg

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Ce système, assez simple à réaliser, permet un angle d'environ 240°, très peu de jeu, relativement rapide, puissant et pas trop lourd.

Nota : sur le 4e axe, on pourrait peut-être remplacer le motoréducteur par un simple moteur pas à pas...


Améliorations possibles :
Réalisation :
A venir...

Même réalisation pour les 4 axes :
La couronne du premier axe est fixée au 2e axe par un morceau de profilé intermédiaire.
La couronne du 2e axe est fixée au 3e axe avec un profilé plus long (entraxe 200)
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La couronne du 3e axe est fixée au 4e axe avec le même profilé (entraxe 200).
Le 4e axe entraîne un morceau de profilé pour fixer un moteur de la broche par exemple
Les câbles passent à l'intérieur des axes, un câble par moteur avec un connecteur DB9 mâle au bout de chaque câble...

Vue des 4 axes coupés :
robot02.jpg

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La même vue non coupée :
robot03.jpg
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Vue de l'autre côté :
robot04.jpg
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Vue en synthèse :
robot05.jpg
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De l'autre côté :
robot06.jpg
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me partie : réalisation mécanique des 4 axes

Vue de la couronne imprimée en 3D en ABS :
robot07.jpg
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Une bonne partie des morceaux réalisés, prêt à être assemblés :
La base horizontale avec 4 tiges filetées M8 sur laquelle est monté un profilé et un 2e profilé pour le 2e axe
Les 4 moteurs pas à pas et réducteurs (et leurs câbles et connecteurs). Un moteur est équipé d'une poulie
Les connecteurs SUBD9 et leurs capots
Les couronnes imprimées en 3D
Le tube PVC à découper
Le tube acier D30 à découper
Les 2 bras en alu percés et peints
Les bouchons imprimés en 3D et peints
(Une fraise à étage est vraiment indispensable pour percer proprement les 17 trous ronds de gros diamètres)

robot08.jpg
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Le robot assemblé provisoirement et fixé provisoirement par les 4 tiges filetés M8 sur un plateau en bois...
il manque :
Les roulements à billes, les tubes acier, 3 poulies, les courroies, les microswitches et les câbles...
On distingue bien les tubes PVC gris (certains sont peints en blanc) à l'intérieur des profilés alu et qui empêchent l'écrasement et améliore la rigidité.
La partie mobile est assez lourde (essentiellement le poids des moteurs et réducteurs).
On cherche une rigidité maximale, surtout près du 1er axe.
Il manque aussi le support de broche moteur de fraise (probablement imprimé en 3D aussi)
Les axes 2, 3 et 4 n'ont, pour l'instant, que 3 tiges filetées M4 sur les 6 prévues.
robot09.jpg
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Nous attendons de recevoir les roulements à billes pour les monter, couper les tubes acier et tester la rigidité et l'absence de jeux du système...


me partie : électronique
On fabrique l'électronique (reliée à un PC) pour piloter les 4 moteurs et, éventuellement, la broche haute fréquence qui reçoit les fraises.

A venir...

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me partie : le logiciel PC
A venir...

Nous allons probablement utiliser la version gratuite (réservée aux amateurs) de Fusion 360, le logiciel de CFAO d'Autodesk.

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me partie : les essais
A venir...
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That's All, folks !

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Commencé le 26/09/2020
A jour le 24/10/2020