Elektroerozyon Tezgâhlarında İşleme Parametrelerinin PLC ile Denetimi

Transkript

1 Elektroerozyon Tezgâhlarında İşleme Parametrelerinin PLC ile Denetimi Mehmet Fatih IŞIK 1, Halil AYKUL 2, Erhan ÇETİN 2* 1 Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Hitit Üniversitesi, Çorum mehmetfatih@hitit.edu.tr 2 Makine Mühendisliği Bölümü Hitit Üniversitesi, Çorum halilaykul@hitit.edu.tr *erhancetin@hitit.edu.tr Özetçe Elektroerozyon işleme (EEİ) malzeme işleme yöntemleri içinde en iyi alternatiflerden biridir. Elektroerozyon ile işleme prensip olarak elektriksel bir kıvılcımın metali aşındırmasına dayanır. Bu çalışmada istenilen elektriksel kıvılcımı oluşturabilmek için gerekli olan güç kaynağı ünitesinin tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmiştir. Güç kaynağının kontrolünü gerçekleştirmek için PLC ve Operatör Panel kullanılmıştır. Gerçekleştirilen kontrol ile hızlı açma ve kapama işlemleri için uygun bir yapı sağlanmıştır. Kontrolör olarak Panasonic PLC kullanıcı denetimi için Easy View operatör panel kullanılmıştır. PLC ve operatör panel arasındaki haberleşme için seri port kullanılmıştır. Bilgisayar ortamında geliştirilen yazılımlar USB üzerinden PLC ve operatör panele aktarılmıştır. Kullanıcı operatör panel üzerinden tek yâda reçete sistemi ile birden fazla işlem yapabilmektedir. 1. Giriş Günümüzde geleneksel olmayan üretim yöntemlerinden biri olan elektroerozyon ile işleme (EDM - Electrical Discharge Machining) yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle CNC ve benzeri tezgahlarda yapılması zor olan parçaların, çok sert malzemelerin ve karmaşık biçimlerin kolaylıkla işlenebilmesi bu yöntemin kullanım alanını genişletmiştir [1-3]. Elektroerozyon tezgâhında, kontrollü elektrik arklarıyla talaş kaldırılır. Her bir ark iş parçası üzerinde küçük bir krater meydana getirir. Arkın sürekli dolaşmasıyla şablonun şekli karşı tarafa geçirilir. Klasik tezgâhların aksine bu teknikle sertleştirilmiş parçalar ve sert maden uçlar kolaylıkla işlenebilir [4]. Bu özellik, tezgâha çok önemli bir uygulama sahası açmaktadır. Elektroerozyon tezgâhının önemli bir avantajı da kesme kuvvetinin olmamasıdır [5]. Şekil 1 de dalma elektroerozyon tezgâhının şematik olarak gösterimi verilmiştir [6]. Şekil 1. Dalma EDM elemanlarının şematik olarak gösterimi Elektroerozyon işlemi, özellikle uzay malzeme ve alaşımları, iletken malzemeler ve süper tok olan malzemelerin işlenmesinde başarılı olarak kullanılmaktadır. İşlenmesi zor olan veya imkânsız olan karmaşık şekilli parçaların işlenmesi özellikle bu işlemle rahat bir şekilde yapılmaktadır. Elektroerozyon ile işleme imalat sanayinde sürekli artan bir şekilde kullanılmaktadır. Bu metot, plastik sanayinde de çelik kalıplar, ekstrüzyon kalıplar içinde kullanılmaktadır [7]. 2. Güç kaynağı ünitesi Bu çalışma ile dalma elektroerozyon tezgahları için güç kaynağı (jeneratör) ünitesinin tasarımı ve uygulaması geliştirilerek, elektroerozyon tezgahlarında kullanılması amaçlanmıştır. Uygulama aşamasında ilk olarak kıvılcım işlemini sağlayacak olan güç kaynağı ünitesi için gerekli olan elektronik kartlar tasarlanmıştır. Sonraki aşamada talaş kaldırma işlemi için elektrodun bağlı olduğu ekseni hareket ettirecek olan DC servomotorun kontrolü için elektronik sürücü devresi tasarlanmıştır. Son olarak kıvılcım işlemi ve servomotor kontrolü sağlanmıştır. Kontrolör olarak endüstriyel uygulamalarda çok sık kullanılan PLC ve çalışma durumunu izleme ve kontrol için operatör panel kullanılmıştır [8]. Elektroerozyon ile işleme için gerekli olan talaş kaldırma ünitesi, temel olarak şu bileşenlerden oluşur;

2 1. DC güç kaynağı ( çok hızlı açma-kapatma işlemi yapabilen) 2. Dielektrik Sıvı 3. İş parçası ve Elektrot 4. Servo Sistem Elektroerozyon ile işlemede talaş kaldırma işlemi için iyi bir jeneratör tasarlayabilmek erozyon sistemi içinde olan gap (aralık) voltajını iyi tespit etmek ve buna göre güç ünitesini tasarlamak ile mümkündür. EDM sistemi, iş parçası ile elektrot arasında meydana gelen aralık voltajının kontrolüne göre çalışmaktadır. Bunun yanı sıra güç kaynağı tasarımı sırasında, elektrot ile iş parçası arasında meydana gelen kıvılcımın vurum süresi ve işlem bitiminde ne kadarlık bir süre bekleneceği gibi hususlar önemli olduğu için göz önüne alınmalıdır. Aralık geriliminin çalışma modeli Şekil 2 de gösterilmiştir [9]. Şekil 2. Gap voltajının çalışma modeli Tasarlanan sistemin kontrol diyagramı Şekil 3 te sunulmuştur. Kontrol sisteminde transformatör katı, AC-DC dönüşümü, tek faz doğrultma işlemi ve filtreleme işlemi, GAP voltajı, t on, t off, bekleme süresi ve geri çekme sürelerini ayarlama işlemi ve DC servo motoru sürme işlemi ve diğer devre kartları güç kaynağı içine yerleştirilmiştir [8]. Tek Faz Doğrultucu Transformatö r Katı 220 V 50 Hz Filtreleme ve Sinyal Durumu Kontrol Devresi PLC Operatör Panel Akım Seçici ve Gerilim Kıyıcı Şekil 3. Geliştirilen güç kaynağı blok diyagramı Elektrot İş Parçası Geliştirilen güç kaynağına ait fotoğraf Resim 1 de sunulmuştur. Resim 1. Tasarlanan güç kaynağı ünitesi 3. Dc servomotor kontrol ünitesi Elektroerozyon tezgâhları için geliştirilen güç kaynağı ünitesi DC kaynak olarak kullanıldığı için bu çalışmada elektrodun bağlı olduğu kafayı hareket ettirecek olan eksen için DC servomotor tercih edilmiştir. Elektrodun bağlı olduğu kafayı hareket ettirecek olan Z ekseni için Tablo 1 deki özelliklere sahip bir DC servomotor kullanılmıştır [8]. Tablo 1. DC Servomotorun teknik özellikleri Eksen Gerilim (VDC) Akım (A) Güç (W) Z 12 DC 6,5 78 Tork (Nm) 1,27 Nm Devir Sayısı (d/dk) 3000 Servomotor Sürücü Tipi DC Servo Motor Doğru akım motorunun kontrolü iki aşamalı olarak yapılmıştır. Birincisi doğru akım motoru için hız kontrolü diğeri ise konum kontrolüdür. Buna göre bir doğru akım ayarlayıcısına değişik yöntemlerle kumanda ederek akım ayarlanabilir. Bu yöntemlerden bazıları darbe genişlik modülasyonu (PWM) ve darbe periyodu modülasyonu (PFM) dir [10]. Bu çalışmada darbe genişlilik modülasyonu kullanılmıştır. Çünkü değişken ve yüksek frekanslı sistemlerde filtre etme güçlükleri söz konusudur. Buna göre elektrotun bağlı olduğu kafayı hassas hareket ettirecek olan Z ekseni için tasarlanan sürücüye ait açık devre şeması Şekil 4 de, fotoğraf ise Resim 2 de gösterilmiştir [8].

3 PLC ve çevre birimlerinin bağlantısı ve kontrolüne ait blok diyagram Şekil 5 te sunulmuştur [8]. Dijital Giriş (Input) FPX PLC Dijital Çıkışlar (Output) DC Servo Motor Analog Çıkış Modülü Bekleme Süresi Geri Çekme Süresi Şekil 4. Z ekseni için DC servomotor sürme devresi D/A- 1 D/A- 2 GAP Voltajı Hassasiyet Şekil 5. Kullanılan PLC çıkış modülleri kullanımı blok diyagramı Resim 2. Z ekseni için servomotor sürücüsü fotoğrafı 4. Denetleme ve kontrol ünitesi Geliştirilen güç kaynağı ünitesinin denetimini sağlamak üzere PLC ve operatör panel kullanılmıştır. PLC ve operatör panel için gerekli olan yazılımlar bilgisayar ile cihazlara gönderilmiştir PLC kontrol yazılımı Kontrol ünitesi için Tablo 2 deki özellikler sahip Panasonic FP-X serisi PLC kullanılmıştır. PLC den istenilen analog çıkışları elde etmek için iki çıkışlı D/A dönüştürücü kullanılmıştır. Panasonic FPX PLC nin önemli üstünlükleri, aynı anda dört eksen çıkış verme özelliğine sahip olması, PWM çıkış verebilmesi, USB ile programlanabilme özelliğine sahip olması, ekstra modüllerin eklenebilmesi, takılacak bir pil vasıtasıyla adreslerdeki bilgilerin saklanabilmesi, doğrudan operatör panel ile haberleşme yapabilmesi ve yazılımının kolay bulunabilmesidir. Tablo 2. Panasonic FP-X serisi PLC özellikleri İşlemci hızı 0.32 usec Çalışma anında düzenleme 32K program hafızası Eklenebilen kartlar 50 Micro saniyeli işlem hızı I-PD kontrol 100KHz Hareket hızı Modbus Master & Slave FP-X 24v sensör güç kaynağı 16 İstasyonlu master/master ağı USB Girişi Otomatik ayarlı PID Kayan nokta birimi 8 Kanal hızlı sayacı PC üzerinden gönderilen pozisyon bilgileri PLC aracılığı ile servo sürücülere gerçek zamanlı bilgi olarak gönderilmektedir. Servo sürücüler pozisyon bilgilerine göre (darbe miktarı) istenilen pozisyona hareket etmektedir. Bu sırada servomotorlara bağlı enkoderlerden alınan gerçek zamanlı bilgiler ile karşılaştırarak sürücünün karşılaştırma yapmasına imkân sağlamaktadır [11] Operatör panel (touch panel) denetimi Operatör panel (Touch Panel) endüstriyel uygulamalarda çok sık kullanılan kullanıcının sistemi kontrol edebileceği dokunmatik ekranlardır [8]. Geliştirilen sistemin servo kontrol ünitesinin ve güç kaynağı ünitesinin kullanıcı denetimini sağlamak için Easy View marka MT506S modeli renkli operatör panel kullanılmıştır. Geliştirilen güç kaynağı ünitesi PLC tabanlı ve operatör panel kontrollü bir sistem olup operatör panel denetim blok diyagramı Şekil 6 da gösterilmiştir [8]. Operatör Panel (Touch Panel) FPX PLC Güç Kaynağı Ünitesi Servo Kontrol Ünitesi Şekil 6. Operatör panel kontrolü blok diyagramı Operatör panel üzerinden gönderilen değerler (dijitial değer olarak 1 bit gönderilmiş ve bu 1 bitlik sürenin zamanı

4 ayarlanmıştır) PLC üzerinden güç kaynağı ünitesinin çalışma durumunu belirlemektedir. Operatör panelin çalışma durumu Şekil 7 de gösterilmiştir [8]. Geliştirilen operatör panel yazılımı EBW-500 programı kullanarak geliştirilmiştir. Kullanıcı isteğine bağlı olarak işleme seçeneği seçilmek suretiyle işlem yapılabilmektedir. Geliştirilen operatör panel yazılımının bilgisayar üzerinden online kontrol edilebilmesi önemli bir avantaj olarak görülmektedir [8]. Geliştirilen operatör panel yazılımı endüstriyel uygulamalarda kullanılan klasik kontrol sisteminin aksine işleme parametreleri kullanıcı isteğine bırakmaktadır. Kullanıcı klasik kontrol sistemlerinde olan kademe seçiminin yanında istediği değeri PLC üzerinden hem servo kontrol ünitesine hemde jeneratör ünitesine gönderebilmektedir. Zaman kısmındaki değer ise farklı eksenel noktalar için belirtilen işleme zamanlarıdır. Örneğin; kullanıcı üç noktada işleme yaptığını varsayarsak birinci noktada 40 s, ikinci noktada 20 s, üçüncü noktada ise 50 s çalışması isteniyorsa belirtilen değerler işleme adımlarının yanında belirtilen alana girilmesi suretiyle yapılmaktadır. Bu adımların sayısı PLC içinde belirtilen sayı kadar oluşturulabilmektedir [8]. Şekil 9. Otomatik mod çalışma ekranı Tasarımı yapılan ve geliştirilen güç kaynağı Resim 3 de gösterilmiştir [8]. Şekil 7. Operatör panel çalışma durumu Kullanıcı Şekil 7 de vurum frekansı, t on (PWM) oranını ve buna bağlı olarak bekleme ve geri çekme süreleri ile aralık voltajı (kıvılcım aralığı) nı ayarlamalıdır. Frekans kademeleri 0-12,5 KHz arasında ayarlanabilmektedir. Tezgâhın uygun çalışma işlemini gerçekleştirmesi için frekans 1KHz den itibaren ayarlanmıştır. Şekil 8. Güç ayarı ekranı Güç değerlerinin ayarlanmasından sonra Şekil 8 de start butonuna basıldığında belirtilen değerlerde işlem başlamaktadır. Şekil 9 da Otomatik mod Reçete ile işleme seçeneği olarak adlandırılmıştır. Kullanıcı isteğine bağlı olarak geliştirilen reçete sistemi ile işlenecek malzemenin farklı konumlarına ister adım adım ister her adım bittiğinde diğer adıma geçiş şeklinde otomatik olarak ayarlanabilmektedir. Bu durumda kullanıcı için geliştirilen önemli bir fark her adım için farklı işleme parametreleri (güç kaynağı ünitesi için) girebilmektedir [8]. Resim 3. Tasarlanan güç kaynağı ünitesi Geliştirilen PLC tabanlı operatör panel kontrollü güç kaynağının teknik özellikleri Tablo 3 de verilmiştir.

5 Tablo 3. Güç kaynağına ait teknik bilgiler Güç (220 V, 50 Hz, 1~) Boşalım Akım Kademeleri Vurum Süresi Bekleme Süresi Kademleri * Çalışma Süresi Geri Çekme Süresi Vurum Frekansı Elektronik Güç Devresi 2,5 KVA A μs μs 0,2-0,4-0,8-0,8-1,6-3,2-6,4-12,8 s 0,2-0,4-0,8-0,8-1,6-3,2-6,4-12,8 s KHz ( 19 kademe) * Verilen değerler standart değerlerdir, fakat bu değerler kullanıcı isteğine göre ayarlanabilmektedir. ** İsteğe göre ayarlanabilmektedir. [8] M. F. Işık, Bilgisayar Destekli Elektro Erozyon Yöntemi ile Talaş Kaldırma Sistminin Tasarımı ve Uygulanması, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Eğitimi Anabilim Dalı, Doktora Tezi, 2009 [9] G. Wollnberg, H. P. Shulze, M. Timm, T. Pape, Simulation of EDM Installations, Proceedings of ISEM XI, Lausanne Switzerland, s: , [10] L. Fu, Robust Adaptive Decentralized Control of Robot Manipulators, IEEE Transactions on Automatic Control, Cilt: 37, No:2, [11]Coşkun, İ., Işık, M.F., Position and speed control of servomotor using microcontroller", Gazi University Institute of Science and Technology, G.U. Journal of Science, 17 (3) Sonuç Geliştirilen PLC tabanlı ve operatör panel kontrollü güç kaynağı endüstriyel uygulamalardaki yapıya benzer olarak tasarlanmış ve imal edilmiştir. Geliştirilen güç kaynağına hem hızlı bir tepki zamanı özelliği hemde istenilen değerler dış etkilerden etkilenmeden daha doğru ve hatasız değerler gönderilebilme imkânı sağlanmıştır. Operatör panel ile PLC arasında veri iletme hızı çok yüksek olduğundan hızlı açma ve kapama işlemleri için uygun bir yapı sunulmuştur. Aynı zamanda PLC ve güç kaynağı arasındaki haberleşme hızının da yüksek olması talaş kaldırma oranının istenilen değerde tutulmasını sağlamıştır. Gerçekleştirilen uygulama istenildiği takdirde bilgisayar üzerinden de kontrol edilebilmektedir. Ayrıca PLC yazılımı sayesinde operatör panel üzerinden birden fazla işleme parametresi ayarlanabilmektedir. Bunun yanında geliştirilen operatör panel yazılımı ile tek işleme ya da çoklu işleme durumları için de uygun bir yapı oluşturulmuştur. Kaynakça [1] S. H. Halkacı, Elektroerozyon (EDM) İle İşlemede Yarı Küresel Uçlu Genel Amaçlı Elektrodların kullanılabilirliğini Araştırılması S.Ü. Bilimsel Araştırma, Konya, Proje No : 98/081, [2] B. Ekmekçi, O. Elkoca, A. Erden, Comparative Study on the Surface Integrity of Plastic Mold Steel due to Electric Discharge Machining, Metallurgical and Materials Transactions B, Cilt:36 No:2, s: , [3] B. Ekmekçi, O. Elkoca, A. E. Tekkaya, A. Erden, Residual Stress State and Hardness Depth in Electric Discharge Machining: De-ionized Water as Dielectric Liquid, Machine Science and Technology, Cilt: 9, s: 39 61, [4] J. Doval-Gandoy, R. Pasandin, B. Fernandez, Sharpened of saw blades by electrical discharge machining, Industrial Electronics Society, IECON nd Annual Conference Of IEEE, s:5, [5] Furkan Makine Sanayi Elektroerozyon Tezgahları Temel Bilgiler Kılavuzu, [6] C. Çoğun, Ş. Akaslan, The effect of Machining parameters on tool wear and machining performance in EDM, KSME International Journal, Cilt: 16, No: 1, s: 46-59, [7] Y. Şahin, Talaş Kaldırma Prensipleri 2, Nobel Yayın Dağıtım, Ankara, 2001.