Design of a Three-Axis CNC Plasma Cutter

Design of a Three-Axis CNC Plasma Cutter
اسم المؤلف
AOUF Oualid
التاريخ
1 يوليو 2021
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رسالة ماجستير بعنوان
Design of a Three-Axis CNC Plasma Cutter
Conception d’un découpeur plasma CNC à trois axes
Through :
AROUR Ridha
AOUF Oualid
Defended on 04/07/2019 in front of the jury composed of:
Mr .HIMED Lynda President
Mr .HADDAR Djamal Rapporteur
Mr. BOUTAANI Mohamed Examiner
People’s Democratic Republic of Algeria
Ministry of Higher Education
and scientific research
UNIVERSITY Abderrahmane MIRA BEJAIA
Faculty of Technology
Department of Mechanical Engineering
MEMORY
Presented for graduation from
MASTER
Sector: Mechanical Engineering
Specialty: Mechanical and Production Manufacturing
Theme
Par :
AROUR Ridha
AOUF Oualid
Soutenu le 04/07/ 2019 devant le jury composé de:
Mr .HIMED Lynda Présidente
Mr .HADDAR Djamal Rapporteur
Mr. BOUTAANI Mohamed Examinateur
République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l’Enseignement Supérieur
et de la recherche scientifique
UNIVERSITE Abderrahmane MIRA BEJAIA
Faculté de Technologie
Département de Génie Mécanique
MEMOIRE
Présenté pour l’obtention du diplôme de
MASTER
Filière : Génie Mécanique
Spécialité : Fabrication Mécanique et Productique
Thème
Abreviations list
2D Two-dimensional
3D Three dimensional
CAD Computer Aided Design
CFAO Computer Aided Design and Manufacturing
CIM Computer Integrated Manufacturing
CN Numerical Control
CNC Numerical Control by Calculator
CAD Computer Aided Drawing
DSP Digital Signal Processor
CAM Computer Aided Manufacturing
MOCN CNC Machine Tools
NEMA National Electrical Manufacturers Association
THC Troche control security LIST OF TABLES
LIST OF PAINTINGS
Table I.1: the different types of stepper motors.
Table III.1: sizing of the trolley.
Table III.2: mechanical and physical properties of the materials used.
Table V.1: characteristics of the material used.
SUMMARY
Abreviations list
List of Figures
List of paintings
General Introduction . 1
Chapter I: General information on numerically controlled machine tools
I.1. Machine tools 3
I.1.1. Definition 3
I.1.2. Definitions and physical structure of the MOCN .4
I.1.3. History 4
I.1.4. Operation 5
I.1.5. Areas of use 6
I.1.6. Classification of MOCNs .7
I.2. CAD / CAM systems 7
I.2.1. Definition 7
I.2.2. Computer Aided Design . 8
I.2.2.1. Definition of computer-aided design CAD . 8
I.2.2.2. Computer Aided Design Process . 8
I.2.2.3. Reasons for implementing CAD 9
I.2.2.4. Types of 3D geometric models 9
I.2.2.5. Advantages of CAD .9
I.2.3. Computer-aided manufacturing 10
I.2.3.1. Definition of computer-aided manufacturing CAM . 10 Table of contents
I.2.3.2. Advantages of using CAM . 10
I.2.3.3. Computer Aided Manufacturing Process . 10
I.2.3.4. NC programming principle in CAM: 11
I.2.4. Interaction between CAD and CAM 11
I.3. Operating principle of a numerically controlled machine 12
I.4. Programming .13
I.5. Stepper motors . . 13
I.5.1. The different types of stepper motor . . 13
I.5.1.1. Bipolar motors .14
I.5.1.2. Unipolar motors 14
I.5.1.3. Variable reluctance motors . 15
I.5.1.4. Permanent magnet motors .15
I.5.1.5. Hybrid engines . 16
I.5.2. Benefits . .17
I.5.3. Comparison of the three categories of stepper motors 17
Chapter II: Plasma cutting
II.1. Definition of plasma . 18
II.1.1. Presentation of the process . 18
II.1.2. The components of the Plasma system 19
II.2. Plasma operations . 21
II.2.1. Manual operation “Conventional . .21
II.2.2. “Precision” automatic operation 21
II.2.3. The Torches .24
II.2.4. The advantages of plasma cutting . 24
II.3. Torch height adjustment device for plasma cutting . . 24
II.3.1. Initial detection of torch height 25
II.3.2. Elements of THC .26
II.4. Choice of the torch for our machine . . 27
II.4.1. Description of the system 28
II.4.2. Duramax 180 ° Full Length Machine Torch Dimensions 28
II.4.3. Machine torch components . 28
II.4.4. Service life of consumables 29
II.4.5. Cutting specifications of the Powermax105 . 29
Chapter III: Choice of machine elements and sizing
III.1. Common motors for CNC applications . 30
III.1.1. Stepper Motors . 30
III.1.2. Servomotors . 31
III.2. Benefits . .32
III.3. Disadvantages 32
III.5. Choice of motor for the X axis . 33
III.5.1. Calculation of the engine torque for a rack and pinion system 33
III.5.2. Drive architecture for X axis . . 35
III.5.3. Choice of motor for the Y axis . 35
III.5.4. Ball screw system architecture . .36
III.5.5. Choice of motor for the Z axis 36
III5.5.1. Calculation of the motor torque required to move the Z axis 36
III.6. Slide 33
III.6.1. Choice of trolley . .37
III.6.1.1. Load capacity . 37
III.6.1.2. The admissible static moment M0 38
III.7. Coupling . 39
III.8. Choice of materials . 39
III.8.1. Construction steel (E335) . 39
III.8.2. Low alloy steel (42CrMo4) . 40
III.8.3. Properties of the materials used . .41
III.9. Initial list of materials required: 41
Chapter IV: Start-up technique of the plasma cutter
IV.1. SolidWorks CAD software . .43
IV.2. The FAO SheetCam solution. .44
IV.3. The CAD / CAM process to follow .44
IV.4. The stages of blade design . 44
IV.5. Generation of NC codes by CAM systems . 47
IV.6. G-code generation: . 48
Chapter V: Chassis simulation and interpretation of the results
V.1. Definition of digital simulation 49
V.1.1. Autodesk Inventor .49
V.2. Chassis simulation 49
V.2.1. 3D model of the chassis 49
V.2.2. Material assignment 50
V.2.3. Application of boundary conditions 50 Summary
V.2.4.Application of loadings 51
V.2.5. Visualization of results 52
V.2.6. The distribution of constraints .52
V.2.7. Distribution of trips . 53
V.2.8. The distribution of the deformations 54
V.2.9. The distribution of the safety coefficient . 55
General conclusion & outlook .56
Bibliographical references
Appendices
Dice designs
Liste des abréviations
2D Deux dimensions
3D Trois dimensions
CAO Conception Assistée par Ordinateur
CFAO Conception et Fabrication Assistées par Ordinateur
CIM Computer Integrated Manufacturing
CN Commande Numérique
CNC Commande Numérique par Calculateur
DAO Dessin Assistée par Ordinateur
DSP Digital Signal Processor
FAO Fabrication Assistée par Ordinateur
MOCN Machine Outils à Commande Numérique
NEMA National Electrical Manufacturers Association
THC Troche control securityLISTE DES TABLEAUX
LISTE DES TABLEAUX
Tableau I.1 : les différents types de moteurs pas à pas.
Tableau III.1 : dimensionnement du chariot.
Tableau III.2 : propriétés mécanique et physique des matériaux utilisés.
Tableau V.1 : caractéristiques du matériau utilisé.SommaireSommaire
SOMMAIRE
Liste des abréviations
Liste des figures
Liste des tableaux
Introduction Générale . 1
Chapitre I : Généralités sur les machines-outils à commande numérique
I.1. Les machines-outils 3
I.1.1. Définition 3
I.1.2. Définitions et structure physique de la MOCN .4
I.1.3. Historique 4
I.1.4. Fonctionnement 5
I.1.5. Domaines d’utilisation 6
I.1.6. Classification des MOCN .7
I.2. Les systèmes CAO/FAO 7
I.2.1. Définition 7
I.2.2. Conception assistée par ordinateur . 8
I.2.2.1. Définition de la conception assistée par ordinateur CAO . 8
I.2.2.2. Processus de conception assistée par ordinateur .8
I.2.2.3. Raisons de la mise en œuvre de la CAO 9
I.2.2.4. Types de modèles géométriques 3D 9
I.2.2.5. Avantages de la CAO .9
I.2.3. Fabrication assistée par ordinateur 10
I.2.3.1. Définition de la fabrication assistée par ordinateur FAO .10Sommaire
I.2.3.2. Avantages de l’utilisation FAO .10
I.2.3.3. Processus de fabrication assistée par ordinateur .10
I.2.3.4. Principe de programmation CN en FAO : 11
I.2.4. Interaction entre la CAO et la FAO 11
I.3. Principe de fonctionnement d’une machine à commande numérique 12
I.4. La programmation .13
I.5. Les moteurs pas à pas . . 13
I.5.1. Les différents types de moteur pas à pas . . 13
I.5.1.1. Les moteurs bipolaires .14
I.5.1.2. Les moteurs unipolaires 14
I.5.1.3. Les moteurs à réluctance variable .15
I.5.1.4. Les moteurs à aimant permanant .15
I.5.1.5. Les moteurs hybrides . 16
I.5.2. Avantages . .17
I.5.3. Comparaison des trois catégories des moteurs pas à pas 17
Chapitre II : Le coupage au plasma
II.1. Définition du plasma . 18
II.1.1. Présentation du procédé .18
II.1.2. Les composants du système Plasma 19
II.2. Opérations plasma . 21
II.2.1. Opération manuelle “Conventionnel . .21
II.2.2. Opération automatique « précision » 21
II.2.3. Les Torches .24
II.2.4. Les avantage de découpe plasma . 24Sommaire
II.3. Dispositif de réglage en hauteur de la torche pour le coupage plasma . . 24
II.3.1. Détection initiale de la hauteur de la torche 25
II.3.2. Éléments du THC .26
II.4. Choix de la torche de notre machine . . 27
II.4.1. Description du système 28
II.4.2. Dimensions de la torche machine pleine longueur Duramax 180° 28
II.4.3. Composants de la torche machine . 28
II.4.4. Durée de vie des consommables 29
II.4.5. Spécifications de coupe du Powermax105 . 29
Chapitre III: Choix des éléments machines et dimensionnements
III.1. Moteurs usuels des applications CNC . 30
III.1.1. Moteurs pas à pas . 30
III.1.2. Les servomoteurs . 31
III.2. Avantages . .32
III.3. Inconvénients 32
III.5. Choix de moteur pour l’axe X . 33
III.5.1. Calcul du couple moteur pour un système pignon-Crémaillère 33
III.5.2. Architecture d’entrainement pour axe X . . 35
III.5.3. Choix de moteur pour l’axe Y . 35
III.5.4. Architecture du système vis à bille . .36
III.5.5. Choix du moteur pour l’axe Z 36
III5.5.1. Calcul du couple moteur nécessaire pour déplacer l’axe Z 36Sommaire
III.6. Glissière 33
III.6.1. Choix du chariot . .37
III.6.1.1. Capacité de charge . 37
III.6.1.2. Le moment statique admissible M0 38
III.7. Accouplement . 39
III.8. Choix des matériaux . 39
III.8.1. L’acier de construction (E335) . 39
III.8.2. L’acier faiblement allié (42CrMo4) . 40
III.8.3. Propriétés des matériaux utilisés . .41
III.9. Liste initiale de matériels nécessaires : 41
Chapitre IV : Technique de mise en marche du découpeur plasma
IV.1. Le logiciel SolidWorks CAO . .43
IV.2. La solution FAO SheetCam. .44
IV.3. Le processus de CAO / FAO à suivre .44
IV.4. Les étapes de conception de la lame .44
IV.5. Génération des codes CN par les systèmes FAO . 47
IV.6. Génération du code-G : . 48
Chapitre V : Simulation de châssis et interprétation des résultats
V.1. Définition de la simulation numérique 49
V.1.1. Autodesk Inventor .49
V.2. Simulation du châssis 49
V.2.1. Modèle 3D du châssis 49
V.2.2. Affectation du matériau 50
V.2.3. Application des conditions aux limites 50Sommaire
V.2.4.Application des chargements 51
V.2.5. Visualisation des résultats 52
V.2.6. La distribution des contraintes .52
V.2.7. La distribution des déplacements .53
V.2.8. La distribution des déformations 54
V.2.9. La distribution de coefficient de sécurité .55
Conclusion générale & perspectives .56
Références bibliographiques
Annexes
Dessins de dé
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