MEKATRONĐK EĞĐTĐMĐNDE KULLANILMAK ÜZERE HĐDROLĐK POZĐSYONLAMA EĞĐTĐM SETĐ TASARIMI DESIGN OF HYDROULIC POSITIONING TRAINING SET TO BE USED IN MECHATRONICS EDUCATION Rıza GÜRBÜZ, Çankırı Karatekin Üniversitesi, ÇANKIRI Mehtap YAVUZ, Çankırı Karatekin Üniversitesi, ÇANKIRI Đsmail TOPALOĞLU, Çankırı Karatekin Üniversitesi, ÇANKIRI Fevzi DAŞ, Çankırı Karatekin Üniversitesi, ÇANKIRI ÖZET Basınçlı bir akışkan vasıtasıyla kuvvet ve hareket üreten sistemlere hidrolik sistemler denir. Birçok işin yapılabilmesi için büyük kuvvetlere gereksinim duyulur. Özellikle yüksek hız ve pozisyonlama doğruluğunun istendiği inşaat, havacılık, makine imalatı ve kalıpçılık, madencilik, CNC takım tezgâhları, asansörler gibi hemen her alanında hidrolik sistemler kullanılmaktadır. Küçük yapı elamanları ile büyük kuvvet elde edilmesi, hassas konumlama, düzgün ve darbesiz çalışma, kademesiz hız ayarı gibi birçok üstünlüğünün yanı sıra sıcaklık, sıkıştırılabilirlik, sızıntılar, ağırlık, sürtünme vb. lineer olmayan parametrelerin, sistemin konum ve hız kontrolünü olumsuz etkilemesi gibi dezavantajları da vardır. Bu çalışmada mekatronik eğitiminde kullanılmak üzere tasarlanan hidrolik pozisyonlama prototipi tanıtılmıştır. Đlk olarak cihazın mekanik yapısı sonrasında kullanım aşamaları detaylı olarak anlatılmıştır. ABSTRACT Generating force and motion through pressurized fluid systems is called hydraulic system. To get the many work done are needed large forces. Hydraulic systems are used in almost every field especially high speed and positioning accuracy is required like construction, aerospace, machinery manufacturing and mold making, mining, CNC machine tools, elevators. Many of the rule, such as to obtain a large force with small building elements, precise positioning, smooth and hammer work, infinitely variable speed adjustment as well as the system also has disadvantages a negative effect such as temperature, compressibility, leaks, gravity, friction an so on non-linear parameters on the position and speed control. In this study, the hydraulic positioning prototype designed for use in mechatronics education was introduced. First, the mechanical structure of the device later stages of use is described in detail. 1
1. GĐRĐŞ Hassas konumlama, düzgün ve darbesiz çalışma, kademesiz hız ayarı gibi birçok avantajı birlikte sunan hidrolik sistemler kullanım alanına göre PID den karmaşık kontrol algoritmalarına oldukça çeşitlilik göstermektedirler. Mühendisliğin hemen her alanında kullanılan hidrolik sistemler mekatronik eğitiminde önemli bir yere sahiptir. Bu çalışmada hassas hidrolik pozisyonlama deneylerini mekatronik eğitimi içerisinde gerçekleştirmek için hidrolik pozisyonlama cihazı tasarlanmıştır. Cihazın hidrolik ve mekanik yapısı tanıtılırken kullanım aşamalarına da geniş yer verilmiştir. Pınar ve arkadaşları CNC denetleyicilerin hidrolikle tahriklenen sistemler üzerindeki pozisyonlama yeteneğinin incelenmesi için, CNC dik işleme merkezine benzer konfigürasyonda birbiri ile 90 derece konumlandırılmış iki eksenden oluşan prototip imal etmişlerdir[1]. Rath ve arkadaşları, Alp madeni için kullanılacak olan servo hidrolik pozisyonlama sistemi üzerine çalışmışlardır[2]. Talaşlı imalata yönelik bir konum denetimi uygulamasında, Park ve Erman, tahmini telafi denetimini, parmak frezelemede üç boyutlu prizmatik iş parçalarının düzgünlüğünün doğruluğunu artırmak için kullanmışlardır[3]. 2. HĐDROLĐK POZĐSYONLAMA SĐSTEMĐ 2.1. Hidrolik Ve Mekanik Donanım Tasarımı gerçekleştirilen ve şekil 1 de genel görünümü verilen hidrolik pozisyonlama eğitim setinde kullanılan mekanik ve hidrolik modüller aşağıda detaylı olarak anlatılmıştır. Şekil 1: Hidrolik pozisyonlama deney seti genel görünüm 2.1.1. Güç ünitesi Toplam 60lt yağ kapasitesine sahip bir depo bulunmaktadır. Ünite üzerinde basınç hattı ve dönüş hattı filtresi vardır. Ünite 2.2kW bir adet asenkron motor ile tahrik edilmektedir. 7cm³/rev debiye sahip dişli tip pompa seçilmiştir. Depo üzerine bir adet seviye ve yağ sıcaklığını gösteren aparat konmuştur. Depoda bulunan yağın uzun süreli çalışmalar sonuncunda aşırı ısınması söz konusu olacağından bu durumda güç ünitesinde bulunan diğer donanımın zarar görmemesi için ısı sensörü kullanılmıştır. Yağ sıcaklığı 60 ye ulaştığında pompa otomatik 2
olarak durdurulacaktır. Ünite üzerinde yüksek basınca karşı iki farklı önlem alınmıştır. Bir adet basınç emniyet valfi pompa ile oransal valf arasına, bir adet basınç emniyet valfi de yön kontrol valfi ile aktüatör arasına yerleştirilmiştir. 2.1.2. Oransal valf ve kontrol kartı Bu çalışmada oransal valfler, çeşitli voltaj değerlerine sahip PWM çıkış üreten özel elektronik kartlarla kontrol edilmektedir. Pulse-width modulation (PWM, Darbe genişlik modülasyonu), üretilecek olan darbelerin, genişliklerini kontrol ederek, çıkışta üretilmek istenen analog elektriksel değerin veya sinyalin elde edilmesi tekniğidir. Kontrol kartına genellikle 0-10V analog giriş uygulanarak darbe genişliği belirlenmektedir. Bu sayede oransal valf akışkan geçiş yolunu karta girilen analog sinyalle orantılı olarak açmaktadır. Teorik olarak 0 volt, giriş akışkan yolu tamamen kapalı, 10V giriş ise akışkan yolu tamamen açık demektir. Bu deney setinde kullanılan oransal yön kontrol valfine ait kontrol kartında, operatör isterse akışkan yolunun 0 volt girişle ne kadarının kapalı olacağını ya da 10 volt girişle akışkan yolunun ne kadarının açılacağını manuel olarak ayarlayabilmektedir. Ayrıca valf akışkan yolunu açılma ve kapanma fonksiyonu konvansiyonel valflerde olduğu sabit hızda değil, yine manuel ayarlanabilen rampalarla sağlanmaktadır. Yani akışkan yolunun tamamen kapalı olduğu bir valfin kontrol kartına 10V analog giriş yapılırsa, akışkan yolunun tamamen açılma süresi ayarlanabilmektedir. Ancak bu tip manuel ayarlar yalnızca endüstriyel uygulamalarda aktif olarak kullanılmaktadır. Eğitim amaçlı düzenlenmiş oransal valf modülünde bu ayarlar fabrikasyon yapılmış ve sonradan müdahale imkânı tanınmamıştır. 2.1.3. Yön kontrol valfi Şekil 2 deki oransal valf ile şartlandırılmış akışkanın aktüatörü hangi yönde kumanda edeceğine karar vermek için kullanılmıştır. Valf NG6 ölçülerinde ve bağımsız Pleyt ile kullanılmıştır. Valf 24V DC gerilimle çalışan edilen iki adet selenoid bobinle kontrol edilmektedir. Valf pleytine yerleştirilmiş bir adet basınç emniyet valfi ile valfin maruz kalabileceği aşırı basınç engellenmiştir. Şekil 2: Oransal valf ve yön kontrol valfi birlikte görülmektedir 2.1.4. Hidro-motor pozisyonlama modülü Çalışmada kullanılan 20mm çap ve 5mm adıma sahip vidalı mil, boşluksuz hareket iletme özelliğine ve 800mm toplam boya sahiptir. Mil üzerinde kullanılan hassas vidalı somun vasıtasıyla lineer hareket kayıpsız bir şekilde dairesel harekete dönüştürülür. Tüm mekanik sistem alüminyumdan imal edilmiş bir konstrüksiyon üzerine yerleştirilmiştir. Yapılan pozisyonlama deneylerinin görsel izlenmesi için mekanik yapı üzerine paslanmaz çelik mm-inç bölüntülü cetvel yerleştirilmiştir. Şekil 3 de gösterilen sistem, hidrolik motor, encoder, boşluksuz 3
vidalı mil, hidrolik oransal valf, limit sensörleri ve kontrol ünitesinden oluşur. Basınç ve debi kontrolünü yapmak için oransal valf kullanılır. Basınçlı akışkan, 4/3 yön kontrol valfi ile hidrolik motora yollanır. Hidrolik enerji burada, dairesel mekanik enerjiye dönüşür. Şekil 3: Hidro-motor pozisyonlama modülü Boşluksuz vidalı mil ile bu dairesel hareket lineer harekete dönüştürülür. Hidrolik motor ile vidalı mil bağlantısı, flexible boşluksuz kaplin ile sağlanmak suretiyle yön değişimlerinde hata payı sıfırlanır. Lineer hareket esnasında, mil sonuna yine boşluksuz monte edilmiş encoder yoluyla feedback alarak, sistemin otokontrol yapması sağlanır. Gerçekleştirilen pozisyonlama deneyi, mekanik sisteme ilave edilen çelik cetvel yoluyla hem mm hem de inç cinsinden görsel olarak izlenebilir. Hem mekanik hem de hidrolik sistemin deney esnasında zarar görmemesi için kurs sonlarına endüktif sensörler ilave edilmiştir. 2.1.5. Hidrolik silindir pozisyonlama modülü Şekil 4 de gösterilen hidrolik pozisyonlama modülü, hidrolik lineer aktüatörlerin sahip olabileceği pozisyonlama kapasitelerini simüle etmek amacıyla deney setine eklenmiş modüldür. Hidrolik hortumları silindirin A ve B terminallerine bağlamak deneylere başlamak için yeterlidir. Silindire girecek akışkan yine aynı oransal valf ve yön kontrol valfiyle şartlandırılmaktadır. Piston kolunun pozisyonun takip ve kontrol edilebilmesi için silindire paralel çalışan bir adet lineer potansiyometre kullanılmıştır. Şekil 4: hidrolik silindir pozisyonlama modülü 2.1.6. Fark basınç sensörü Tasarımda şekil 5 de gösterilen fark basınç sensörü, hidro-motor veya silindir aktif halde iken basınç ve tank hatları arasındaki basınç farkını ölçmek amacıyla kullanılmıştır. Sensör elde 4
ettiği analog bilgiyi 4-20mA şeklinde oluşturup, ana monitör yanında bulunan mini dijital göstergeye yollar. Dijital gösterge kpa cinsinden fark basıncı operatöre bildirir. Şekil 5: Fark basınç sensörü ve göstergesi 2.1.7. Kontrol ünitesi Bu çalışmada tüm sistem bir adet siemens S7 200 serisi, 224XP tipi PLC ile yönetilmektedir. Elde edilen tüm verilerin sunumu ve deneysel amaçlı sisteme veri girişi için 5.7 renkli ve dokunmatik operatör panel kullanılmıştır. Operatörün yapabileceği bazı hatalar (yanlış hortum bağlantıları, yanlış menü kullanımı vs) sistem aktif iken monitörün en üst satırında kırmızı renkli olarak bildirilmiştir. Kontrol ünitesi 24V DC, 5 Amper ve kısa devre korumalı bir güç kaynağı ile beslenmektedir. Pompa motoru ise 380V AC gerilimle çalıştırılmıştır. Sisteme ilk enerji verildiğinde pompa motorunun doğru yönde çalıştığı mutlaka kontrol edilmeli, yanlış ise motor üzerine konmuş işarete uyularak düzeltilmelidir. Kontrol panosu üzerine bir adet acil stop butonu konmuştur. Bu butonun kullanılması tüm sistemin enerjisini kesecektir. Dolayısıyla sadece motoru durdurup çalıştırmak için yine pano üzerinde bulunan start ve stop butonları kullanılmalıdır. Acil stop, start-stop butonu ve basınç transmitteri şekil 6 da gösterilmiştir. Şekil 6: Acil stop, start-stop butonu ve basınç transmitteri 2.1.8. Basınç transmitteri Basınç transmitteri kontrol ünitesinin sistem basıncını okuyabilmesi için kullanılmış sensördür. Pompa hattında oluşan basınca göre 4-20mA analog çıkış vermektedir. Alınan bu analog sinyal PLC ünitesinde değerlendirilerek hat basıncı tespit edilir. Bu basınç değeri monitör üzerinden operatöre de bildirilmektedir. 2.2. Hidrolik Pozisyonlama Sistemi Kullanım Aşamaları Tasarlanan hidrolik pozisyonlama eğitim setini kullanmak için sistem trifaze enerji hattına bağlanır. Pompa motorunu çalıştırmak için yeşil start kullanılır. Stop butonu ile sadece motor durdurulabilir. Acil stop butonu ise tüm devrenin enerjisini keser. Operatör panel yanın da bulunan mini dijital göstergeden her iki aktüatöre ait pompa ve tank hatları arası fark basınç gösterilmektedir. Sisteme enerji verildikten sonra ana monitörde iki ikon oluşur. Operatör bu 5
menü ile hangi aktüatörü kullanarak pozisyonlama deneyleri yapacağını seçebilir. Deney yapılacak aktüatör seçildikten sonra hidrolik hortum bağlantıları doğru yapılmalıdır. Monitör üzerinden hidrolik motor deneyi seçilip, hortumlar hidrolik silindire bağlanırsa, ekranın üst bölümün yapılan hata belirtilip deneye devam etmeye izin verilmez. Ancak stop butonuna basılıp, bağlantılar düzeltildikten sonra deneye devam edilebilir. Hidrolik motor pozisyonlama deneyi seçildikten sonra monitörde manuel/otomatik modları açılacaktır. Bu bölümde sistem hangi modda çalıştırılmak isteniyor ise o ikon seçilmelidir. Çıkış için sağ üst köşedeki buton kullanılmalıdır. Şekil 7 de manuel mod monitörü gösterilmiştir. Manuel mod kullanımı ile ilgili bilgiler aşağıda daha detaylı olarak anlatılmıştır. Şekil 7: Hidro-motor pozisyonlama deneyi manuel mod monitörü 2.2.1. Manuel Mod Menü Akış oranı: Bu bölüme oransal valfin izin vereceği akış değeri girilmektedir. Değer girmek için bölüm üzerine dokunup oluşacak klavye ile istenen değer yazılmalıdır. Değer 0-100 arasında seçilebilir. Çok düşük akış oranlarında sistemin verdiği tepkiyi gözle izlemek mümkün olmayabilir. Ofset değeri: Bu bölüm mekanik sistemin cetvel üzerinde bulunduğu pozisyonu kontrol ünitesine tanıtmak için kullanılır. Örneğin, mekanik sistemin cetvel üzerinde 10mm mesafesinde bulunduğunu varsayalım. Bu noktada ofset bölümüne 10 yazılırsa, sistem kendi başlangıç noktasını 10mm kabul edecektir. Buna benzer mekanik sistem 20mm noktasında iken ofset bölümüne 50 yazılırsa sistem kendini 50mm noktasında varsayacaktır. Pozisyon reset: Girilen mesafe değerini iptal etmek için kullanılır. Jog ileri: Bu buton aktüatörün sola ok yönünde butona basıldığı sürece hareket etmesini sağlar. Jog geri: Bu buton aktüatörün sağa ok yönünde butona basıldığı sürece hareket etmesini sağlar. Devir: Girilen akış değerine göre hidro-motorda anlık gerçekleşen devir gösterilmektedir. Mesafe: Aktüatörün anlık bulunduğu pozisyon bilgisi burada sunulmaktadır. Basınç: Sistem aktif halde iken pompa hattında oluşan basınç burada sunulmaktadır. Tasarlanan bu sistem ile belirlenen pozisyona giderken monitör üzerinde aktüatörün oluşturduğu hız-zaman grafiği gözlemlenebilmektedir. Hidro-motor pozisyonlama deneyinin otomatik modda yapılabilmesi için şu dizin takip edilmelidir: hidrolik motor pozisyonlama/otomatik mod. Otomatik mod menüsünde 6 adet pozisyon noktası ve erişim hızı seçilerek sıralı pozisyonlama yapılabilir. 6
Herhangi bir pozisyona ulaşmak için hedef pozisyon noktası ve akış oranı ayrı ayrı seçilmelidir. Akış oranı sütununa değer girmek için o adımın ilgili yerine dokunmak ve ekranda belirecek sayısal klavyeye istenen değeri girmek gerekmektedir. Pozisyon noktası ise, aynı şekilde mesafe sütunundan girilebilmektedir. Tabloda istenen sayıda pozisyon ve hız bilgisi girildikten sonra otomatik start butonuna basılır. Sistem otomatik olarak o noktalara sırasıyla ulaşacaktır. Tüm pozisyonların tamamlanması ile sistem başa döner. Hidrolik silindir ile lineer pozisyonlama deneyleri aynı hidro-motor deneylerinde kullanılan yöntemlerle yapılabilmektedir. Silindirin istenen mesafedeki pozisyon noktasına ulaşması yine istenen hızda yapılabilmektedir. Hidrolik silindire ait mesafe takibi için bir adet lineer potansiyometre kullanılmıştır. Her iki pozisyonlama deneyleri, aktüatörlere yerleştirilmiş paralel mekanik cetveller kullanılarak gözle de takip edilebilmektedir. Aşağıdaki resimde hidrolik silindir pozisyonlama deneyinde manuel mod monitörü gösterilmiştir. Hidrolik silindir pozisyonlama/otomatik mod seçilirse şekil 9 daki ekran görüntülenecektir. Monitöre değer girilmesi ise yine aynı yöntemle yapılacaktır. Test esnasında hidrolik silindire ait hız-zaman grafiği yine aynı monitör üzerinden gözlemlenebilmektedir. Şekil 9: Hidrolik silindir pozisyonlama deneyi otomatik mod monitörü 4. SONUÇ Bu çalışmada mekatronik eğitiminde laboratuar deneylerinde kullanılmak üzere hidrolik pozisyonlama deney seti tasarımı gerçekleştirilmiştir. Çalışmada hidrolik sistemin pozisyon kontrolü PLC temelli bir kontrol sistemi ile gerçekleştirilmiştir. Sistem hem manüel hem otomatik olarak çalıştırılabilmektedir. Gerçekleştirilen çalışma sayesinde mekatronik laboratuarında hassas olarak hidrolik pozisyonlama deneyleri gerçekleştirilebilmektedir. KAYNAKÇA [1]. Pınar, A.M., Güllü, A., Pınar, A.F., Hidrolik Tahrikli Sayısal Denetimli Cihaz Bölüm:1sistemin Yapılandırılması, CBÜ Soma Meslek Yüksekokulu Teknik Bilimler Dergisi Cilt:2, Sayı:10, 2008. [2]. Rath, G., Leary, O., Marek, P., Sieben A. And Scfferliger, G., Servo-Hydrolic Positioning System For The Alpine Miner, IEEE Conference on Control Applications Proceedings, 2000. [3]. Park, C. W., Eman, K. And Wu, S., Forecasting Compensatory Control (FCC) Of Machining Flatness, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1988. 7