Solidworks: conception et réalisation d'un robot au ClubElek

Voici quelques conseils pratiques pour l'utilisation de solidworks au club et plus généralement pour le développement de la méca.


Prise en main

Après avoir installé Solidworks, il est indispensable de faire les tutoriels basiques proposés dans Solidworks. Solidworks affiche des durées de 30 minutes par tutoriel mais étant des ingénieurs de haut niveau et ayant déjà travaillé sous SolidEdge au premier cycle, chaque tuto ne prend pas plus de 15-20 min en réalité.
Les tutoriels à suivre obligatoirement sont les suivants :

  • “Introduction à Solidworks”
  • “Leçon 2 : Assemblages”
  • “Leçon 3 : Mises en plan” (peut être fait plus tard)

Conseils et astuces avec SolidWorks

* Avant de créer une nouvelle pièce, penser à

  • quelle sera sa matière ? (donc ses spécificités, voir dessous)
  • est elle symétrique, si oui la réaliser en symétrie sera plus simple pour chaque ajustement
  • penser à l'extrusion par révolution pour les pièces de tournage

* Lors d'une esquisse

  • Toutes les côtes doivent être contraintes et donc en noir
  • Ne pas utiliser des congés d'esquisse mais plutot des congés habituels.
  • Utiliser au maximum les relations d'equisse
    • avec la touche ctrl maintenue, sélectioner au choix 2 segment, 2 points etc
    • ajouter des relations entre les deux sélections, colineaire, egale, vertical, horizontal, coincident…
    • pour sélectioner le milieu d'une ligne, clic droit→sélectioner le point milieu→puis avec ctrl sélectioner l'autre point…

* Lors d'un assemblage

  • Etapes pour la première pièce de l'assemblage : la tole de base
    • La première pièce insérée doit être celle de référence !
    • La première pièce posée est automatiquement “fixée” par solidworks. Commencer par la libérer→clic droit dessus→“libérer”
    • Un robot est symétrique, la plupart des pièces auront leur symmetrique AV/AR ou D/G. On se facilite grandement la vie en positionnant les plans de référence de l'assemblage comme plans de référence des symmétries. Donc : une fois la tole libérée, contraindre ses plans de référence en les faisant coincider avec ceux de l'assemblage → les deux plans de dessus, de face et de coté. Il faut s'assurer que les plans de références de la tole sont bien les plans de symmétrie ! Voici des exemples en image :

  • Afficher en permanence l'outil “vue”. → clic droit → vues → disposition des vues → clic sur l'epingle
  • Régler l'outil vue pour faire correspondre la vue de face à la vue de face du robot : se mettre en vue de face du robot → disposition des vues → définir la vue de face
  • Utiliser la symmétrie pour les pièces des robot !
    • une seule fonction “symmétrie” suffit
    • dans la fonction symmetrie, sélectionner les pièces à symmétriser
    • chaque pièce a sa symmetrie personnalisée. 4 versions de disposition de symmétrie sont disponible (bouton en bas du feature manager) et s'affichent en bleu sur l'assemblage, choisissez la bonne ! La plupart du temps c'est la version symmétrique de la pièce qui est nécssaire, cliquer sur le bouton en demi cloche du feature manager.
    • utiliser les plans de l'assemblage ou les plans de la tole de base comme plan de symmétrie. Les plans venant des surfaces des autres pièces risquent de bouger…
  • L'assemblage devient rapidement complexe et on ne peut plus voir certaines pièces du robot. La meilleur solution est de créer des versions d'affichage.
    • Pour cela, aller dans l'onglet “version” du feature manager.
    • Créez une nouvelle version d'affichage
    • Renommez-la comme voulu, par exemple “affichage base roulante”
    • Cachez toutes les pièces non necessaires à cet affichage.
    • Pour passer d'un affichage à l'autre, double clic sur celui voulu !

Fabrication des pièces

1. Les pièces de précision sont réalisées en usinage. Ces pièces concernent en grande majorité la base des robots. Les avantages sont :

  • précision de l'ordre du centième de millimètre
  • pièces massives vers le bas du robot pour baisser son centre de gravité
  • pièces solides pour recevoir les éléments de transmission (moteurs, courroies, engrenages, roues)

2. La base des robots est réalisée en acier 4mm. Les avantages sont :

  • solidité
  • déplacement maximal du centre de gravité vers le sol
  • possibilité de faire des percages avec fraisages M3 ou M4 pour éviter le dépassement des têtes de vis

3. Les autres éléments sont réalisées en impression 3D. Les avantages sont :

  • pièces légères
  • pièces peu coûteuses
  • pièces faciles à adapter voire à refaire si elles ne correspondent pas

Conseils de conception

Plusieurs observation sont à respecter :

  • L'équivalence d'épaisseur des tôles pour les différents matériaux est la suivante :
    1mm acier = 3mm alu = 3mm PLA remplissage 50% = 4mm PLA à 20%
  • La distance minimale entre l'axe des roues et l'axe parallèle passant par les billes porteuse doit être supérieur à 80mm pour assurer une stabilité suffisante
  • Les roues codeuses doivent être parfaitement alignées avec les roues motrices et se situer le plus loin du centre de rotation du robot pour avoir une précision angulaire maximale
  • Le robot ne doit pas avoir d'angle extérieurs pointu, cela est déconseillé voir interdit par le règlement eurobot d'une part et cela ne facilite pas les déplacement et en particulier les rotation d'autre part. Il faut donc privilégier un chanfrein pour chaque angle >= 90°. Un chanfrein permet aussi de réduire le périmètre extérieur de manière non-négligeable
  • Etant difficile de prévoir la hauteurs de la roue dépassant la tôle à sa base, il est recommandé de prévoir pour la hauteur du robot environ 2mm de marge de moins que la hauteur maximale (350mm)

Conception d'une pièce d'usinage

L'usinage est réalisé actuellement par Cédric Marmounier (06 08 12 03 45 - cedric.marmounier@insa-lyon.fr) qui possède un atelier dans les bâtiments de GMC. Il fabrique des pièces pour tous les projets sur le campus, labos, doctorants, projets PC etc.
Pour le tournage, deux solutions sont possibles. La plus économique est de passer par les ateliers du premier cycle et de demander à être supervisé par un professeur pendant le tournage. Le prix est d'environ 7€ de l'heure plus le prix de la matière. La deuxième solution est de demander à Christophe Ducat (06 63 83 49 58 - christophe.ducat@insa-lyon.fr - bureau au rez de chaussée de GEN) qui était auparavant associé à M. Marmounier et qui a accès aux machines de tournage. Le prix est un peu plus cher mais négociable en fonction des capacités budgétaires de l'année au club (compter en max 30€ de l'heure).

L'usinage prends du temps donc les pièces destinées à être usinées doivent être conçues au plus vite, on prévoit généralement la conception jusqu'au vacances de Toussaint puis les mises en plan et l'envoi avant les vacances de noël pour un assemblage en janvier. De plus les projets des doctorants, PC etc ont le même calendrier que nous donc il est important d'être prêt avant sous peine d'avoir des délais encore plus long.

L'usinage étant destiné aux pièces de précision (ex. roulements), il est important d'ajouter des tolérances aux cotes des mises en plan. Le tolérancement global est généralement +/- 0.1 mm mais doit etre précisé en particulier pour les perçages. Les tolérances s'ajoutent dans les options du feature manager lorsqu'on clique sur une cote.

  • Pour un roulement de dimensions Di et De, on prendra Di-0.05+0 comme diametre extérieur de l'arbre et De-0+0.05 comme diametre interieur du perçage recevant le roulement
  • Pour la mise au point d'une glissière, la solution de deux douilles à billes en parallèle sur deux axes est souvent retenue. Il est important alors de préciser le parallélisme des perçages allant recevoir les axes. Pour cela il faut cliquer sur la cote de distance entre les deux axes, se rendre dans l'onglet annotation et sélectionner l'outil “tolérances géométriques” puis ajouter le symbole "//" à la cote.
  • Il existe un fond de plan ClubElek déjà préparé dans le répertoire Dropbox\Meca\Modelisation Solidworks\Mise en plan. Ce fond de plan est au format A4 pour que l'usineur puisse imprimer facilement les plans.

Réalisation d'une mise en plan

Voici les étapes d'une mise en plan classique :

  • Ouvrir la pièce à mettre en plan
  • Fichier → créer un mise en plan à partir de la pièce
  • Parcourir → chercher le fond de plan du clubelek → ok
  • L'onglet “palette de vues” s'ouvre automatiquement à droite pour ajouter des vues. Elle peut être réouverte à tout moment
  • Faire glisser une vue au choix (la plus intéressante pour ajouter des cotes) au centre de la feuille depuis la palette puis ajouter des vues de profil, de haut, de bas… Pour une pièce classiques, seules 3 vues suffisent dans 99% des cas !
  • Penser à ajouter une vue complete (avec aretes cachées en pointillés) pour une meilleur compréhension du profil de la pièce par l'usineur !
  • Pour les pièces de tournage, il est souvent utile d'ajouter une vue de coupe. Pour cela aller dans l'onglet “disposition des vues” du bandeau supérieur → vue en coupe → choisir les options dans feature manager
  • Penser à remplir le fond de plan !! Pour le modifier → double clic sur le cartouche → les données modifiables s'affichent en bleu → modifier les valeurs, ne pas oublier le nombre de pièces à faire fabriquer et le matériau. → cliquer sur “ok” dans feature manager.
  • Il est possible de changer quels champs peuvent être modifiés dans le cartouche. Pour cela, clic droit sur “feuille1 → fond de plan1 → cartouche 3D1” de feature manager → modifier le cartouche → cliquer sur les textes à rendre modifiable par l'utilisateur
  • Il est possible de changer le texte des champs statiques (par exemple “Titre”). Pour cela, clic droit sur “feuille1” → éditer le fond de plan. Certains champs sont statiques, d'autres sont dynamiques comme la date ou l'échelle. Pour ajouter un champ dynamique, cliquer sur le champs puis sur le bouton “lier à la propriété” dans feature manager.
  • Les cotations se font par rapport aux mêmes plans de référence. Ces côtés ou plans de référence seront ceux pris par l’usiner comme référence pour placer les bruts dans le centre d'usinage !
  • La base acier 4mm possède des particularités de mise en plan :
    • Etant souvent symétrique, elle ne nécessite pas toutes les cotations. Penser à utiliser une ligne de symétrie
    • Les perçages étant souvent très nombreux il convient de créer une table des perçages sur une deuxième feuille de mise en plan. (voir l'aide en ligne de solidworks)
    • Pour la même raison, il est préférable d'uniformiser les perçages à une seule taille (M3 ou M4 généralement) pour simplifier l'usinage.

Conception d'une pièce d'impression 3D

La conception d'une pièce 3D au club est particulière. Il faut prendre en compte les points suivants :

  • Les dimensions d'impression sont 145mm*225mm pour le plateau, 150mm max en hauteur.
  • Les pièces doivent être réalisable et ne pas posséder de dévers supérieur à 30° (45° grand max). Il faut donc réfléchir à la conception pour savoir quelles face sera la base sur le plateau d'impression et quels sont les éventuels problèmes de devers.
  • Les perçage non alignés sur l'axe vertical sont une forme de dévers. Un perçage sera toujours en partie obstrué par du PLA qui s'est déformé du coté le plus haut. Prévoir 0.5mm supplémentaire pour éviter les problèmes.
  • Le PLA permet un taraudage correct à partir de M4. Prévoir le même perçage normalisé pour recevoir un taraudage dans le PLA que dans l'alu.
  • Il n'est pas possible d'effectuer un perçage dans un endroit quelconque d'une pièce imprimée puis de le tarauder à cause du remplissage en nid d'abeille <50%. Le taraudage doit être prévu d'avance en modélisant le perçage. Lorsque la pièce sera imprimée, le perçage aura un remplissage à 100% autour ce qui permettra le taraudage.
  • Privilégier une conception intelligente avec des assemblage vis + écrou avec emplacement hexagonal integrés aux pièces pour les écrous et fraisages/lamages pour les vis.
  • Prévoir des renforts (congés de raccord, nervures etc) si la place le permet pour une plus grande rigidité des pièces.

Réalisations des années précédentes

Voici quelques points positifs et négatifs des précédents robots ClubElek. Penser à completer la liste chaque année pour le suivi !

Eurobot 2011 : Chess'up !

Points positifs

→ Deux versions du gros robot, une première en test, une deuxième plus fiable mécaniquement et plus solide
→ robot parfaitement symmétrique, facilite les déplacements
→ clavier de commande pour lancer des programmes différents du principal.

Eurobot 2012 : Treasure Island

Points positifs

→ roues “michelin” en mousse : permet une grande déformation et une adhérence excellente. Necessite un asservissement de grande qualité qui prends en compte la déformation de la mousse lors des accélérations. Les vitesse du moyeu et les vitesses au sol sont différentes ! Accélération maximales (https://www.youtube.com/watch?v=k6aS1DopqxI) mais demande plusieurs années de développement.
→ un simple bras peut suffire à rapporter la moitié des points du plateau !
→ Structure solide et roues exentrées permettant le passage et le stockage des objets au centre du robot. Blocs moteurs optimisés pour avoir une largeur minimale : 30mm de largeur de roue, 5mm de largeur de codeuse, tout est décentré.

Points à améliorer

→ système de pompe sur bras commandés par AX lent et imprécis. Non-utilisé à la coupe
→ roues codeuses décentrées par système de courroies synchrones. Moins précis que les roues en contact direct
→ portes avant et arrière montées sur glissière + crémaillère. Sytème de crémaillère très lent. Attention au choix des moteurs !
→ robot très lourd >10kg et donc très stable mais réduit aussi les possibilités d'accélération !

Eurobot 2013 : Happy Birthday

Points positifs

→ robot majoritairement en tôlerie, précision et rapidité d'assemblage
→ roues de modélisme classiques en caoutchouc, bonne accroche sur le terrain
→ lanceur de balles puissant à l'aide de deux roues en mousse. Lanceur cependant peu précis

Points à améliorer

→ système de rangement des cartes mal conçu, peu d'accès aux cartes
→ glissières classiques (genre tiroir ikéa) comme système de maintien des codeuses : à éviter !! Jeu axial important, place utilisée énorme…
→ petit robot inutilisable du à son équilibre. Les points d'appui avant étaient bien trop proche de l'axe des roues (voir conseils de conception)

Eurobot 2014 : Prehistobot

Points positifs

→ Petit et gros robot stables grâce à la plaque d'acier 4mm comme base du robot.
→ Lanceurs individuels de balles de ping pong très pratiques, assez précis, compacts et imprimables au club

Points à améliorer

→ Système de courroies : les courroies sont toujours très tendues mais on ne peux pas empêcher l'apparition d'un brin mou et d'un brin tendu en fonctionnement. Cela implique un asservissement plus difficile à contrôler à cause du jeu entre les moteurs et les roues (le robot peu avancer et reculer de près de 5mm sans faire bouger les moteurs.
→ Intégration des cartes électroniques et l'ensemble du câblage à revoir impérativement. Prévoir les emplacements des câbles, les fixations des cartes, la place des entretoises pour les cartes etc.

Eurobot 2015 : Robomovies

Points positifs

→ Petit robot avec système ultra basique sans codeuse peux avec de nombreux essais rapporter de nombreux points. Quatre roues principales, une bielle manivelle pour descendre la bille porteuse arrière, lever les deux roues arrière et tourner.
→ Gros robot ultra stable billes porteuses, aux liaisons directes des moteurs maxons avec les roues (jantes creuses)
→ Codeuses montées sur deux axes avec douilles à bille : système compacte, précis, aucun décalage axial → Intégration électronique pensée d'avance, place réservée à la batterie, aux cartes chainées en I2C etc.
→ Utilisation d'un axe de guidage parallèle aux bras avant pour que les pinces du robot soient toujours orientées vers l'avant (revient au principe du parallélogramme)

Points négatifs

→ Motoréducteurs avec encodeur achetés à 60€/pièce chez robotshop pourris… Attention à la qualité des moteurs ! Ces moteurs tirent facilement du 1.5A à 2A. De plus ces moteurs peu démultipliés (5:1) ont donc peu de pas par tour, environ un pas pour 10° !
→ Robot tout plastique très long à construire ! La précision de l'imprimante entraine beaucoup de travail de retouche, nécessite d’être au club pour lancer les impressions, lenteur d'impression etc.
→ Bras en PLA fragiles car il s'agit des éléments rentrant en contact en cas de choc.

Eurobot 2017: Moon Village

Points positifs

→ 2 robots avec base roulante en acier et faits surtout avec l'imprimante 3D
→ Bras articulé avec pinces en PLA sur le gros robot pour prendre les modules

Points négatifs

→ Organisation de l'équipe à revoir (seul le grand robot a été terminé, et le petit contient des erreurs de conception)
→ Le bras articulé a demandé beaucoup de travail pour être fonctionnel (utilisé seulement pendant le dernier match)
→ La liaison pinces - cylindre a du jeu, ce qui rend la prise parfois lâche.