Hidrolik Abkant Preslerin Modellenmesi ve Benzetimi

Transkript

1 MAKALE Hidrolik Abkant Preslerin Modellenmesi ve Benzetimi Ahmet Demirkesen* Uygulama Mühendisi, FİGES * Makine Yüksek Mühendisi 1. Giriş Abkant presler, levha metalleri bükerek şekillendiren ve sac işleme endüstrisinde yaygın olarak kullanılan makinelerdir. Bu presler, baskı işini gerçekleştiren koça gerekli olan kuvveti sağlama şekline göre sınıflandırılırlar. Sonuç olarak bir abkant pres; mekanik, pnömatik, servo-elektriksel ve hidrolik tahrikli olabilir. Abkant preslerin bilgisayar denetimli (Computer Numerical Control / CNC) ve hidrolik olanları, endüstride en yaygın kullanılan biçimleridir. Makine tasarımında, bilgisayar benzetim (simülasyon) leri oldukça önemlidir. Bilgisayar benzetimleri, üretilecek makinenin davranışlarını öngörmemize olanak sağlar. Bu olanak, en uygun tasarımların gerçekleştirilmesine ve üretim sonrası hataların en düşük seviyede tutulmasına imkân tanır. Ülkemizdeki makine üreticileri, mekanizma benzetimlerinde bir noktaya kadar ulaşmıştır. Ancak ülkemiz endüstrisinde, hidro-mekanik sistemlere ilişkin bilinen bir modelleme çalışması yoktur. Hidro-mekanik sistemlere ilişkin öngörüler, tecrübelere ve bir takım hesap tablolarına dayalı gerçekleşmektedir Çok Disiplinli Sistemler Fiziğin birden fazla çalışma alanını bir arada içeren sistemler, çok disiplinli (multidomain) olarak isimlendirilir. Bir abkant pres; mekanik, hidrolik, elektrik ve denetim sistemlerini bir arada içerdiği için çok disiplinli bir sistemdir. Geleneksel yöntemler uygulandığında, makinenin her bir alt disiplini, farklı bilgisayar destekli tasarım (Computer Aided Design / CAD) yazılımları ile tasarlanmakta, bütünsel olarak ele alınamamaktadır. Çok disiplinli sistemler üzerinde çalışan mühendisler, son ürünün işlevsel bir prototipine bile Şekil 1. Coşkunöz Teknoloji Grubu tarafından üretilen bir hidrolik abkant pres. sürecin son aşamalarında sahip olabilmektedir. Sistemin beklenildiği gibi çalışıp çalışmadığı, ancak sistem bütünleştirildikten sonra anlaşılmaktadır. Sistemin tasarlandığı, gerçekleştirildiği ve bütünleştirildiği aşamalardaki olası hatalar da ancak son aşamada fark edilmektedir Model Tabanlı Tasarım Model tabanlı tasarım; çok disiplinli ve karmaşık sistemlerin tasarımındaki güçlüklerin üstesinden gelmek için kullanılan bir yöntemdir. Sistemi temsil eden bir matematiksel model, grafiksel bir blok diyagramı ortamında geliştirilir. Model tabanlı tasarımın sağladığı en büyük artılardan birisi, sadece son aşamada değil; tasarım, çevriminin her aşamasında test ve doğrulamaya olanak sağlamasıdır. Bu makalede ele alınan çalışma, tamamen Simulink ortamında gerçekleştirilmiştir. Model tabanlı tasarım ile çok disiplinli dinamik sistemlerin modellenmesine olanak sağlayan ve Mathworks firması tarafından geliştirilen bir yazılım olan Simulink ortamında modeller, blok kütüphanelerinden faydalanılarak oluşturulur. Bu çalışmada, fiziksel sistemlerin modellenmesine olanak sağlayan SimScape (Şekil 2) ve hidrolik devre elemanlarını içeren SimHydraulics kütüphanesinden faydalanılmıştır. 24

2 Şekil 2. SimScape ve alt kütüphaneleri 2. Hidro-Mekanik Devre Modeli Bu çalışmada, bilgisayar denetimli abkant presler için, Hoerbiger firması tarafından tasarlanan devre şeması esas alınmıştır. Bu devre şeması içerisinden, sistemin dinamiğine etkisi olmayan tesisat ayrıntıları sadeleştirilmiştir. Sadeleştirilmiş şema, Şekil 3 te görülmektedir. Gerçek sistem çift silindirli olmasına rağmen, şema tek silindir için basitleştirilmiştir Şekil 4 te, ana model verilmiştir. Sol tarafta görülen alt sistem, valflerin açıklığını denetleyen denetim alt sistemidir. Ortadaki ise hidro-mekanik sistemin kendisidir. En sağ tarafta ise konum, hız, basınç, debi ve güç büyüklüklerinin çıktılandığı alt sistem yer almaktdır. Hidrolik devre modeli, daha kolay ele alınabilmesi için güç, akışkan yönlendirme ve iş olmak üzere, 3 ana kısımda incelenmiştir Güç Kısmı Şekil 5 te, modelin güç kısmı görülmektedir rpm sabit açısal hız ile çalışan sabit deplasmanlı pompa ile akışkana enerji kazandırılmaktadır. Pompanın çıkışı, vana grubunun P hattı ile; vana grubunun T hattı ise hidrolik referans ile ilişkilendirilmiştir. Güç kısmı, doğrudan vana grupları ile ilişkilendirilmiştir. Birinci ve ikinci silindir için kullanılan valf grubu, tamamen eşdeğerdir. Bu nedenden, Şekil 6 da da görüldüğü üzere, valf grubunun bir kopyası oluşturulup, ikinci silindir ile ilişkilendirilmiştir Akışkan Yönlendirme (Vana grubu) Şekil 7 de, yukarıda sözü edilen vana grubu alt sisteminin içeriği görülmektedir. Alt sistemin giriş bloklarından, vanaların denetim sinyalleri sağlanmaktadır. Vanaların açıklığını denetleyen bu sinyaller, denetim sistemi tarafından sağlanmaktadır. Oransal ve iki konumlu vana eyleyicileri ile vanaların konumları kontrol edilmektedir. Ön dolum valfi ise kütüphanede hazır olarak bulunmayıp, hidrolik ilkelerine göre özel olarak modellenmiştir. Şekil 3. Tek silindir için basitleştirilmiş devre şeması 2.3. İş Kısmı Şekil 8 de işi gerçekleştiren silindirler ve koçu temsil eden alt sistem açık bir şekilde görülmektedir. Koç, kütle-yay-damper sistemine indirgenerek soyutlaştırılmıştır. Koçun yer değiştirmesi, koçun hızı, silindirlerdeki basınç ve debi değerleri de dinamik olarak ölçülebilmektedir Parametre Kestirimi Çalışmaları Model içerisinde kullanılan her bir hidrolik Şekil 4. Ana model ARGE DERGİSİ 25

3 MAKALE Şekil 5. Hidrolik devrenin güç kısmı Şekil ve 2. silindirin vana grubu devre elemanlarının parametreleri, üretici kataloglarından sağlanan verilerden elde edilmiştir. Benzetim modellerinin kurulabilmesi için gerekli parametrelerden bazıları (silindir çapı, silindir stroğu, pompanın debisi, nominal çalışma basıncı vs.) doğrudan üretici kataloglarında yer almaktadır. Ancak, bazı parametreler doğrudan kataloglardan elde edilememektedir. Sözgelimi, vanaların geçit alanları, sistemin dinamiği üzerinde son derece etkili olmalarına rağmen, bu bilgi, doğrudan elde edilememektedir. Belirli basınç farkları (ΔP) altında o vananın sahip olduğu geçirgenlik (hacimsel debi, Q), geçit alanı ile yakından ilişkilidir. Üretici, geçit alanı değerini vermektense, ΔP-Q grafiklerini vermektedir. Çünkü Şekil 7. Vana grubu alt sistemi 26

4 Tablo 1. Bosch-Rexroth 4WRKE Dört Yollu Vananın Katalog Verileri ve Model Çıktıları ile Karşılaştırılması Basınç Farkı Debi [L/s] Debi [L/s] [Bar] (Katalog Verisi) (Model Yanıtı) , ,68 35, ,41 55,97 Şekil 8. İş grubu geçit alanı değeri, tesisatı tasarlayan kişi için gerekli olmayıp, çalışma grafikleri anlamlı olacaktır. Bu çalışmada, Bosch-Rexroth 4WRKE dört yollu vananın parametreleri hesaplanmıştır. Bunun için bir deney modeli kurulmuştur. Şekil 9 da da görüleceği üzere, test edilen vananın basınç hattına, hem de iş hattına basınç uygulanıp, belirli bir basınç farkı (ΔP) oluşması sağlanmıştır. İlk olarak, basınç farkı ΔP = 10 bar a ayarlanmıştır. Bu çalışmada, parametrelerin tahmini, optimizasyon teknikleri ile gerçekleştirilmiştir. Bu test modelinde, modelin yanıtı, katalogdan doğru bilinen bir referans değeri (Tablo 1) ile karşılaştırılarak, geçit alanı değeri hesaplanmıştır. Tablo 1 de, geçit alanı değeri hesaplandıktan sonra, modelin farklı ΔP değerlerine karşılık yanıtı verilmiştir. Valfin parametreleri doğru bir şekilde hesaplandıktan sonra, oransal vana eyleyicisinin öznitelikleri hesaplanmıştır. Şekil 10 da, kurulan test modeli görülmektedir. Vana eyleyicisinin modelini kurabilmek için zaman sabiti ve servo kazancı değerlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Fakat üretici kataloğunda ise eyleyicinin sadece birim basamak yanıtı bir eğri şeklinde verilmektedir. O halde, parametre tahminine yönelik optimizasyon hesabı, birim basamak yanıtı özniteliklerine göre gerçekleştirilmelidir. Bu birim basamak yanıtının sahip olması gereken kısıtları (Şekil 11), optimizasyon hesabı öncesinde açıkça tanımlanmıştır. Bu kısıtlara uygun yanıtı sağlayacak en uygun parametreler (Tablo 2) elde edilene kadar, optimizasyon adımları tekrarlanır. Tablo 2 de verilen Tablo 2. Vana Eyleyicisi Parametreleri Özellik Katalog Verisi Hesaplanan Ölü Zaman Gecikmesi [ms] 8 -- Yükselme Zamanı [ms] Oturma Zamanı [ms] 22,42 -- Zaman Sabiti [ms] -- 9,21 Servo Kazancı [1] -- 2,39 Şekil 9. Vana parametrelerinin hesaplanmasına yönelik test modeli ARGE DERGİSİ 27

5 MAKALE Şekil 10. Vana eyleyicisinin parametrelerinin hesaplanmasına yönelik test modeli bu iki adet değer, doğrudan model içerisine kullanılmıştır. 3. Denetim Sistemi Bilgisayar denetimli abkant preslerde, denetleyici ortamı olarak çoğunlukla PLC ya da ona eşdeğer donanımlar kullanılmaktadır. Denetim bakış açısı ile bu sistem bir sonlu durum makinasıdır ve mantıksal durum denetimi ile yönetilmelidir. Mantıksal durum denetimi, olay tabanlı bir denetimdir ve denetlenen sistemi durum geçişleri ile yönetir. Bu model içerisine, valfleri denetleyen denetim algoritmaları da dâhil edilmiştir. Valf komutlarının koşullara ve olaylara göre değerleri, Tablo 3 te verilmiştir. Tablo 3 te verilen durumlar, Stateflow şemaları ile modellenmiştir ve Şekil 12 de verilmiştir. Şekil 11. Birim basamak yanıtının sahip olması gereken kısıtlar 4. Benzetim Sonuçları ve Yorumlar Yukarıdaki başlıklarda ayrıntılı bir şekilde tarif edilen model çalıştırıldığında, sistemin tüm dinamik yanıtı (Şekil 13) gözlemlenebilir. Kesik ve kırmızı çizgilerle belirtilen zaman aralıkları, Tablo 3 te verilen durum arasındaki ayrımı göstermektedir. Tablo 3. Vanaların Koşullara Göre Açıklığı Koşul/Olay 2 yollu vana 4 yollu vana Ön dolum vanası Aşağı Ani Hızlanma 17 cm mesafeye kadar Açık %100 açık Açık Bekleme 17 cm mesafesinde 1 saniye süresince Açık Kapalı Kapalı İşlem Aşaması İş parçasına değene kadar (21,5 cm mesafe) Kapalı %43 açık Kapalı Tutma 1 saniye boyunca Açık %43 açık Kapalı Ani Geri Hızlanma 0 cm konumuna kadar Açık -%100 açık Açık Şekil 12. Denetleyicinin Stateflow şeması 28

6 Bir abkant pres için önemli olan bir unsur da bir çevrimin ne kadar sürede tamamlanacağıdır. Bir üretim bandında bu çevrimlerin milyonlarca defa tekrarlanacağı düşünülürse aşamaların ne kadar sürede tamamlanacağı, tasarımcı için önemli olmaktadır. Artık eksiksiz bir model oluşturulduğuna göre, farklı bileşenlerin sonuca olan etkileri incelenebilir. Sözgelimi, bu çalışmada kullanılan sabit deplasmanlı pompa yerine, basınç telafili bir pompa kullanıldığında, sistemin güç gereksiniminin önemli ölçüde azaldığı gözlemlenir. Aynı model, iki farklı pompa tipiyle çalıştırıldığında, elde edilen zaman-güç gereksinimi grafiği, Şekil 14 te verilmiştir. Basınç telafili pompalar, sistemin basınç gereksinimine göre, debi miktarını değiştirerek enerji tasarrufu sağlarlar. Şekil 14 teki eğrilerin altında kalan alan hesaplandığında, basınç telafili pompaların bir çevrim için yüzde 28,5 enerji tasarrufu sağladığı görülür. Aşamaların tamamlanma süreleri ise Tablo 4 te verilmiştir. Tablo 4 e göre, basınç telafili pompanın, çalışma başarımından kayıp sağlamadan enerji tasarrufu gerçekleştirdiği açıkça görülmektedir. Tablo 4. Aşamaların Tamamlanma Süreleri Şekil 13. Tek bir çevrimin dinamik yanıtı Tamamlanma Tamamlanma Aşama Süresi Süresi (Sabit-Deplasmanlı (Basınç Telafili Pompa ile) Pompa ile) Aşağı Ani Hızlanma 1,25 s 1,25 s İşlem Aşaması 4,3 s 4,28 s Ani Geri Hızlanma 1,62 s 1,62 s Şekil 14. Farklı pompa türleri ile presin zaman-güç gereksinimi grafiği 5. Sonuç Bu çalışmada, Hoerbiger firması tarafından sağlanan hidrolik devre şeması esas alınarak, bir hidrolik abkant presin modeli geliştirilmiştir. Model içerisinde kullanılan hidrolik elemanların bilinmeyen parametreleri, katalog verilerinden faydalanarak optimizasyon yöntemleri ile hesaplanmıştır. Denetim algoritmaları ise durum akış diyagramları ile tamamlanmıştır. Doğru bir model elde edildikten sonra, makinenin konum, hız, basınç debi, güç gereksinimi gibi dinamik büyüklükleri incelenmiştir. Farklı bir pompa türü kullanarak da çalışma başarımından ödün vermeksizin enerji tasarrufunun sağlanabileceği gözlemlenmiştir. ARGE DERGİSİ 29