Plateau tournant commandable stepper motor, charge ~ 15Kg

[invitef070fbac]

Bonjour à tous!

Je me permets de solliciter votre aide concernant un projet que de plateau tournant que je débute. Venant du monde de l'informatique, je n'ai que très peu de connaissances en électronique et encore moins en mécanique

Avant de vous partager mes difficultés, je vous présente rapidement le projet. Je réalise donc vous l'aurez compris un plateau tournant que j'entends commander à distance à l'aide d'une d'un contrôleur Arduino.

* Ce plateau fera 60 centimètres de diamètre, 3 centimètres de hauteur il sera en bois et pèsera 5kg
* Le plateau doit pouvoir supporter des charges de 15 kilogrammes (sans compter son propre poids de 5 kg)
* Le plateau doit (j'imagine) être le plus proche possible de l'axe du moteur afin de minimiser le couple moteur nécessaire, la seule contrainte est d'avoir la place suffisante en dessous du plateau pour héberger la plateforme Arduino
* Le plateau aura une vitesse maximale de 10 tours par minute
* Évidemment mon budget n'est pas infini, je préfère cependant avoir une solution propre et pérenne pour quelques euros de plus plutôt qu'un bricolage instable
* Le plateau doit pouvoir tourner de manière continue ou bien de X tours ou bien de X degrès (A priori cela fonctionne très bien avec un tout petit moteur pas à pas (stepper) que j'utilise actuellement à cette fin pour mes tests) et la vitesse doit être paramétrable
* Il ne faut pas que l'ensemble soit trop haut, je dirai que 8 centimètres est un maximum
* L'esthétisme du rendu final est une contrainte dont je ne peux me libérer

Un petit schéma pour que cela vous parle un peu plus!




Et maintenant mes interrogations et difficultés :

* Je choisis d'utiliser un plateau en bois qui est lourd car je n'ai pas d'autre idée que de me servir d'un plateau de table vendu dans le commerce, je pense qu'un plastique un peu plus léger et de 1 centimètre de hauteur aurait été plus adapté mais premièrement je n'ai rien trouvé de tel en vente et de plus j'ai peur de ne pas pouvoir faire de trous (sous peine de le casser) pour fixer le moteur, si vous avez des idées n'hésitez pas!
* Mon manque de connaissance en électronique fait que je me tourne à priori vers un moteur pas à pas mais je ne suis pas convaincu que cela soit le choix le plus adapté. Je fais ce choix pour pouvoir tourner de X degrés ou de X tours. Est-ce bien ce qu'il me faut?
* Pour dimensionner le moteur, je pars du principe ou le plateau sera à 1 cm de l'axe du moteur (mais évidemment suivant ce vers quoi vous m'orienterez cela pourrait changer), 1 cm de distance et il doit supporter une charge de 20kg (plateau + ce qu'il contient), ainsi si je ne raconte pas de bêtise, j'ai besoin d'un couple moteur de C = 20*10 * 1 = 200N.cm
* J'ai également un gros problème de conception dû à mon manque de connaissances en mécanique, je ne sais pas du tout comment relier le moteur et le plateau, je veux dire par là quel pièce insérer entre l'axe moteur et le plateau pour l'entraîner? (mes recherches mettent en évidence des poulies, moyeux et autres soufflex, n'y connaissant rien difficile d'y voir clair)
* Ai-je besoin d'un système de roulements ou est-ce inutile dans mon cas?
* Ai-je besoin de lester la boîte en dessous du plateau (cf. schéma)? de 20 kg?
* Comment prévoir avec précision, selon la charge et la vitesse à partir de quand le plateau tourne en régime permanent (= à vitesse constante)?
* Il est important qu'il y ait très peu de vibrations ou qu'elles ne soient pas perceptibles visuellement ou à l'objectif

Merci infiniment pour votre aide!
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[antek]

Le plateau en bois devrait faire environ 1 kg.
Le couple nécessaire, pour ces vitesses, dépend uniquement des frottements et de l'accélération au démarrage.
Les à-coup de rotation seront sensibles avec un pas à pas.

[invitef070fbac]

Merci pour la réponse, le poids du plateau que j'ai trouvé était de 4kg mais il y a forcément plus léger oui.
Concernant les frottement justement je ne sais pas comment ils se matérialiseront dans la mesure où je ne sais pas si je dois utiliser des roulettes/roulements/rien etc..
L’accélération au démarrage n'est pas très importante pour moi tant que le plateau ne met pas plus de 5 secondes disons à atteindre sa vitesse de croisière
Y-a-t-il un moyen fiable de réduire ces accoups?

[antek]

Merci pour la réponse, le poids du plateau que j'ai trouvé était de 4kg mais il y a forcément plus léger oui.
L’accélération au démarrage n'est pas très importante pour moi tant que le plateau ne met pas plus de 5 secondes disons à atteindre sa vitesse de croisière
Y-a-t-il un moyen fiable de réduire ces accoups?

Un litre de bois fais environ 1 kg, tu as donc du bois qui ne flotte pas !
Pour calculer le moteur il faut savoir si la charge sur le plateau sera parfaitement centrée ou non.

Pour une absence d'à-coups il faudra un moteur (DC ou brushless) suivi d'un réducteur.
Mais vu la réduction nécessaire un moto-réducteur en pas à pas devrait le faire.

La difficulté sera de trouver un réducteur > 100.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitef070fbac]

La charge sera posée manuellement donc à peu près centrée mais pas forcément parfaitement parfaitement.

Avec un moteur brushless les à coup seraient vraiment négligeables? Du coup je ne sais vraiment pas quel choix faire et ses avantages/inconvénients, les moteurs à courant continu DC ne rentrent pas dans mon cahier des charges puisqu'il est impossible (sauf avec capteur supplémentaire etc..) de déterminer/renseigner la position, il reste donc les moteurs pas à pas et servo-moteurs, je ne sais pas du tout lequel serait le plus adapté.

[antek]

Si tu ne veux pas ajouter un capteur de position il ne reste plus que le moto-réducteur à moteur pas à pas.

[invitef070fbac]

Honnêtement cela ne me pose pas de problème de devoir ajouter un capteur de position mais à condition que cela présente un avantage par rapport aux autres choix.
Vois tu un ou plusieurs avantages à utiliser donc un moteur brushless + capteur de position par rapport à un moto réducteur pas à pas?

[antek]

Vois tu un ou plusieurs avantages à utiliser donc un moteur brushless + capteur de position par rapport à un moto réducteur pas à pas?

Pas un brushless, mais un DC :
- moto-réducteur plus facile à trouver
- commande plus simple

Mais avec un pas à pas il n'y a pas besoin de capteur . . . difficile de trancher entre les deux.

Au niveau du plateau, il faudra un couple minimum d'environ 1 N.m

[invitef070fbac]

Ah d'accord, merci! du coup cela ne réglera par contre pas les problèmes éventuels d'à-coup?
Et aussi si j'opte pour le DC plus capteur de position, pardonne mon ignorance mais est-ce que la position est connue à chaque instant ou est-ce uniquement au moment ou le plateau fait un tour complet. Cela car j'aimerais beaucoup pouvoir faire pivoter le plateau de 18 degrés par exemple.

Aussi, pour le couple au vu du poids charge + plateau d'environ 16kg si le plateau pèse 1kg, ne vaudrait il pas plus un couple de 2N.m, de plus je table sur une distance plateau/arbre moteur de 1 cm mais c'est là totalement quelquechose d'hasardeux, comment fais tu ton calcul antek? Je fais C = F x d, avec F = 16kg*10N.kg-1 et d = 0.01 soit C = 1.6N.m que j'ai arrondi à 2

Merci pour le temps que tu consacres antek c'est sympa!

[antek]

- avec un capteur on connait la position du plateau comme tu le souhaites
- avec une réduction de 100 les à-coups ne sont pas perceptibles
- le calcul concerne le moment d'inertie, et comme la forme de la masse sur le plateau est inconnue j'ai pris une masse de 15 kg située à 0,2 m du centre de rotation
- ce n'est pas le poids qui est à vaincre mais l'inertie
https://fr.wikipedia.org/wiki/Inertie

[invitef070fbac]

Je commence à y voir plus clair!
Quand on parle de réduction 100 il s'agit d'une réduction mécanique permettant d'abaisser la vitesse d'un facteur 100 n'est-ce pas? ou est-ce plutôt une réduction de tension électrique?
Oui je comprends pour le moment d'inertie je ne me le représentais pas comme cela mais ça change un peu ma vision, effectivement la forme de l'objet est inconnue (il y aura des objets différents à chaque fois), mais du coup la distance verticale de la charge par rapport à l'axe du moteur n'a pas d'influence? seul la distance horizontale au centre en a une?
Aussi je ne comprends pas bien pourquoi il n'y aurait plus d'à-coup?

Est-ce que ce moteur pourrait correspondre? http://www.lextronic.fr/P30446-moteu...sion-1475.html

[antek]

Le couple approximé est à appliquer au plateau.
Avec une réduction de 100, il est théoriquement 100 fois plus petit au niveau du moteur.
Pour ne pas fatiguer le moteur 1 N.m est suffisant.

[invitef070fbac]

100 fois plus petit? Ce que je comprends est que le couple est 100 fois plus grand et la vitesse 100 fois plus petite non?

[antek]

Au rendement de réduction près, les puissances moteur et plateau sont les mêmes.
Donc plus on tourne vite et plus le couple est petit.

[invitef070fbac]

Oui donc l'idée que tu suggères est d'augmenter le couple par 100 grâce à un réducteur afin de pouvoir vaincre l'inertie du plateau engendrée par une masse lourde qui serait excentrée? Me trompe-je?

[antek]

Me trompe-je?

Oui.
Il faut un réducteur parce qu'une solution sans réducteur est très compliquée.

Couple moteur théorique = couple plateau / 100
Couple moteur pratique = 1 N.m

[invite0324077b]

une reduction mecanique a un double avantage :
1) ça augmente le couple disponible et permet de bouger des charges lourde

2) ça diminue l'angle fait par chaque pas donc ça reduit les vibration , jusqu'à les faire completement disparaître avec une reduction de 100

autre remarque il y a un autre moyen de faire disparaître les vibration avec les moteur pas a pas : carte de commande a micro pas : chaque fois que le microcontroleur demande d'avancer d'un micro pas la carte de commande ne fait pas un pas entier , mais change juste le courant des 2 bobinage du moteur pour changer l'angle , comme on fait bouger l'aiguille d'un galvanometre analogique

mais enfin cette posibilité de faire des micro pas est completement superflue pour un cas aussi simple que le tient

[invitef070fbac]

Merci chatelot16 je comprends mieux la solution d'antek,

Je pars donc sur la solution d'un moteur pas à pas avec réducteur de coefficient 100, avant cela ai-je bien compris pourquoi :

Charge maximale portée par le plateau = 15Kg
Rayon du plateau = 30cm

Dans le pire de cas la charge sera appliquée le plus loin possible de l'axe de rotation du moteur et exercera ainsi le couple suivant : 15 kg * 30cm soit 45N.m
Le moteur que me conseille antek a un couple disponible de 1N.m, en lui associant un réducteur, d'après le principe de conservation de la puissance, la vitesse diminue d'un facteur 100 et le couple augment d'un facteur 100, ce qui rend le couple disponible à 100Nm
100Nm > 45 Nm, la force d'inertie est bien vaincue et le mouvement peut avoir lieu
Est-ce que le fait que 100 soit très supérieur à 45 permettra d'avoir encore moins d'à-coup que si ces 2 valeurs étaient très proches?

Aussi je pense m'embrouiller un peu, pas à pas ou non du coup? si j'ai bien compris tu me le déconseilles et m'orientes plutôt par un moteur DC avec un capteur de position, est-ce bien cela?

Merci!

[antek]

Charge maximale portée par le plateau = 15Kg
Rayon du plateau = 30cm

Dans le pire de cas la charge sera appliquée le plus loin possible de l'axe de rotation du moteur et exercera ainsi le couple suivant : 15 kg * 30cm soit 45N.m

Rien à voir.
On approxime le couple à partir de l'accélération puisqu'on ne connait pas les forces de frottement.

[invitef070fbac]

Alors je n'ai toujours pas compris, si tu parles d'accélération c'est que tu as posé une hypothèse arbitraire sur le temps nécessaire afin d'atteindre le régime permanent?

[antek]

Alors je n'ai toujours pas compris, si tu parles d'accélération c'est que tu as posé une hypothèse arbitraire sur le temps nécessaire afin d'atteindre le régime permanent?

Non, c'est toi qui a parlé de 5 s (message 3).

[invitef070fbac]

Ah oui d'accord donc tu as bien pris en compte cette donnée dans le calcul alors génial!
Par curiosité tu pourrais me donner la formule dont tu te sers?

[antek]

J'ai considéré que le centre de masse se trouvait à 20 cm du centre de rotation.
Ensuite F=m.gamma (force = masse x accélération)
Distance au centre et force donnent le couple.

[invitef070fbac]

D'accord! Donc avec ces données :

F = m * accélération angulaire
= 15 * (dV/dT)
= 15 * ((10t/minute) - 0) / 5
= 15 * ((10*2Pi)/60) / 5
= 3.1415 N

Couple = F * d
= 3.1415 * (20/100)
= 0.63 N.m

Est-ce le bon calcul?

[antek]

Je me prends toujours les pieds dans le tapis en utilisant les vitesses angulaires.
J'ai considéré une accélération linéaire selon la circonférence du cercle.
10 t/mn -> (10.Pi.0,4)/60 en m/s -> 0,21 m/s -> 0,04 m/s2 si l'accélération est constante (en fait elle diminue avec le temps)
d'où F = 15 . 0,04 -> 0,6 N -> C = 0,6 x 0,2 = 0,125 N.m

Après reflexion, on s'apperçoit que les forces de frottement doivent être du même ordre de grandeur.

[invite0324077b]

si l'axe de ton plateau est vertical la distance entre la charge et l'axe ne produit aucun couple ... le seul couple depand des frottement sur les palier ou les roulement qui supportent le plateau ... c'est pour ça qu'on t'a repondu que ce que tu a donné ne permet pas de calculer le couple utile ... tu n'a toujours pas dit si il y avait des roulements

le couple dépendrait de la distance entre charge et axe si l'axe etait horizontal : couple resistant quand la charge monte et couple moteur quand la charge descend ... mais la charge ne serait pas posé sur le plateau mais fixé au plateau

[invitef070fbac]

Je me prends toujours les pieds dans le tapis en utilisant les vitesses angulaires.
J'ai considéré une accélération linéaire selon la circonférence du cercle.
10 t/mn -> (10.Pi.0,4)/60 en m/s -> 0,21 m/s -> 0,04 m/s2 si l'accélération est constante (en fait elle diminue avec le temps)
d'où F = 15 . 0,04 -> 0,6 N -> C = 0,6 x 0,2 = 0,125 N.m

Après reflexion, on s'apperçoit que les forces de frottement doivent être du même ordre de grandeur.

D'accord, merci pour le calcul, dans ce caspour vaincre l'intertie plus les frottements il faudrait un moteur d'environ 2*0.125N.m ?

si l'axe de ton plateau est vertical la distance entre la charge et l'axe ne produit aucun couple ... le seul couple depand des frottement sur les palier ou les roulement qui supportent le plateau ... c'est pour ça qu'on t'a repondu que ce que tu a donné ne permet pas de calculer le couple utile ... tu n'a toujours pas dit si il y avait des roulements

le couple dépendrait de la distance entre charge et axe si l'axe etait horizontal : couple resistant quand la charge monte et couple moteur quand la charge descend ... mais la charge ne serait pas posé sur le plateau mais fixé au plateau

Justement c'est une question que je me pose, ai-je besoin de roulements ou non, je n'ai pas la réponse

[antek]

Justement c'est une question que je me pose, ai-je besoin de roulements ou non, je n'ai pas la réponse

Sans roulement t'auras du frottement !

[invitef070fbac]

Oui et puis ce serait pas très stable non plus, tu me conseilles quel genre de roulements, celui qui me vient en tête c'est les roulements à bille, mais j'imagine qu'encore une fois il y a un calcul pour connaître le diamètre
J'ai trouvé celui-ci sur amazon : https://www.amazon.fr/Shepherd-12in-...0Z0EZ64W1AEB60
Il mesure 30 centimètres de diamètre, 1.3 cm de hauteur, et supporte 453 kilos de charge.
Le problème est qu'il faut qu'il soit assez haut pour mettre le moteur au milieu et ça ce n'est pas du tout gagné..