MASAÜSTÜ CNC FREZE TEZGÂH TASARIMI VE PROTOTĐP ĐMALATI DEKSTOP CNC MILLING DESING AND PROTOTYPE Ahmet KOLERĐ a ve Kerim ÇETĐNKAYA b, * a K.Ü.Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük, Türkiye, akoleri@gmail.com b,* K.Ü. Teknoloji Fakültesi, Karabük, Türkiye, kcetinkaya@karabuk.edu.tr ÖZET Bu çalışmada eğitim amaçlı masaüstü 3 eksen CNC freze tasarımı, prototip imalatı ve hassasiyet kontrolü yapılmıştır. Tezgah tablası sabit olup, kesici takımı taşıyan köprü tipindeki başlık Y ekseninde tezgah tablası boyunca hareketlidir. X ve Z eksenleri sanayide router olarak bilinen tezgah tipindedir. Kontrol devresinde Toshıba T66560 entegreli sürücü kart kullanılmıştır. Arayüz programı olarak Mach3 kullanılmıştır. Çalışmada ahşap,straforve kestamit malzemeler üzerinde dairesel, dogrulsal ve serbest yüzey işleme yapılmıştır. CAD programlarında modellenen ve CAM programlarında işleme kodları çıkartılan örnek uygulama parçaları, prototipi yapılan 3 eksen masaüstü CNC freze de işlenmiştir. Çalışma parametreleri değiştirilerek malzemeye göre prototip sistemin en uygun işleme parametreleri belirlenmiştir. Anahtar Sözcükler: Masaüstü CNC freze, CAD/CAM, MACH3 ABSTRACT In this study, the desing of educational purpose desktop 3-axis CNC milling, prototyping, and precision was tested. Bench is fixed plate, the cutter head Y-axis bench-type desk of the bridge team is moving along X and Z axes know as a router machine type in industry. T66560 Toshiba integrated drive control circuit card is used. Mach3 is used as a interface program. In this study it is processed by using wood and kestamit materials, CAD and CAM programs processing codes, extracted from the modeled sample application programs, components, machined prototypes were built in 3 axis CNC milling, Operating parameters of the optimaş processing parametres were determined by changing the prototype of the system. Keys Word: Desktop CNC milling,cad/cam/mach3
1. GĐRĐŞ Teknolojisinin gelişmesi özellikle imalat endüstrisinde üniversal imalat tezgâhları yerini bilgisayar kontrollü (CNC) tezgâhlara bırakmıştır. CNC tezgâhlara geçilmesi imalat sektörüne büyük kolaylıklar sağlamıştır. CNC kullanılan tezgaha göre; CNC treze, CNC torna, CNC matkap, CNC lazer, CNC plazma gibi adlandırılır. Bu tezgahlar program şeklinde hazırlanan G-M kodlarıyla çalışırlar, bu kodlar elle yazılabildiği gibi CAM programları kullanılarak ta oluşturulabilir. Tezgahlar ve kullanılan araç gereçlerin yüksek maliyetinden dolayı okullarda çok az sayıda bulunmakta veya bulunmamaktadır. Kaygısız çalışmasında, eğitim amaçlı üç eksenli masaüstü CNC freze tezgahı tasarlamış ve prototip imalatını gerçekleştirmiştir. CNC nin üç eksen yüzey işleme kabiliyetini test etmek için Atatürk rölyefini başarı ile işlemiştir [1]. Kutlu çalışmasında, tasarlayıp ürettiği üç eksenli masa tipi CNC freze tezgahının ahşap, polyamid ve mdf gibi malzemeler üzerinde çeşitli yazı ve şekil işleyerek tezgahın çalışabilirliğini kanıtlamıştır [2]. Büyükşahin çalışmasında, gerekli konstrüksiyon hesaplamalarının ardından üç eksenli CNC tezgahını imal etmiştir [3]. Kaygısız ve Çetinkaya çalışmalarında eğitim amaçlı üç eksenli CNC freze tezgahı ve interaktif eğitim yazılımı geliştirmişlerdir [4]. Köbeloğlu çalışmasında, eğitim amaçlı iki eksenli masaüstü CNC torna tezgahı tasarlamış ve prototip imalatını gerçekleştirmiştir [5]. Kabas çalışmasında, masaüstü dik işleme tezgahı tasarımı ve toğutma sıvısı uygulaması gerçekleştirmiştir [6]. Başboğa ve Arkadaşları çalışmasında, eğitim amaçlı en ekonomik üç eksenli cnc freze tasarlamış ve prototip imalatını gerçekleştirmiştir [7]. Bu çalışmada lisans seviyesinde eğitim amaçlı masaüstü 3 eksen CNC freze tasarımı, prototip imalatı yapılarak CNC router mantığında bir model geliştirilmiştir. Böylece mesleki teknik eğitim alan her öğrenci benzer bir CNC üretebilir. 2.Malzeme-Metot: Bir ürünün tasarımında malzeme seçimi çok önemlidir. Malzeme seçimi maliyeti ve ürünün başarısını doğrudan etkiler [8]. CNC Router mantığıyla geliştirilen tezgah modeli Şekil.1a da ve prototipi Şekil.1b de görülmektedir. Şekil.1.a :CNC Freze Modeli Şekil.1.b CNC Freze Prototip Đmalatı Tezgâh gövdesi sistemin hareket elemanlarının montajının yapıldığı bölümdür. Titreşimin olmaması için rijit bir yapıya sahip olması gerekir. Gövde sac parçalardan oluşmaktadır. Sac parçalar lazer kesim resimleri oluşturularak, CNC lazer de kestirilmiştir. Y ve Z eksenlerinde kesici takımın, X ekseninde ise köprünün hareketli olduğu router tipi tezgah gövdesi tasarlanmıştır. Kızaklar; tabla ve diğer eksenlerin doğrusal yataklanmasını sağlayan parçalardır. CNC tezgahlarda ağırlıklı olarak lineer bilyeli kızak ve mil sistemleri yada lineer bilyeli araba ray sistemleri kullanılır. Bu çalışmada 3 eksende de delrin yatak ve mil kullanılmıştır (Şekil 2).
Şekil.,2 Üç eksende millerin yataklanması Vidalı mil ve somunlar; kızaklar ile yataklanmış kafa ve diğer eksenlerin hareket ettirilmesini sağlayan parçalardır. Tasarlanan CNC frezede M16 vidalı mil kullanılmıştır. Vidalı miller delrin malzemeden yapılan rulman kapakları ile yataklanmıştır. Tezgahın boyutları Şekil.3 de olduğu gibi 650x560x520mm tezgah boyutları görülmektedir. Şekil,3 Tezgahın Boyutları Masaüstü CNC frezenin kontrol kısmında Toshıba T66560 entegreli sürücü kart kullanılmıştır (Şekil.4a).Tahrik sistemi olarak 3 adet 1.5 A 1,8 Deg step motor kullanılmıştır(şekil.4b). Şebeke gerilimini karta uygun hale getirmek için 24v 250W güç kaynağı kullanılmıştır (Şekil.4c). Şekil.4a Şekil.4b Şekil.4c Şekil.4 a)cnc Kontrol Kartı b)step Motor c)güç Kaynağı Kontrol yazılımı olarak Mach3 programı kullanılmıştır. Bu program yüklenen kodlara göre makineye yön vermektedir. Mach3 programı paralel porta çıkış verebilen 6 eksene kadar CNC lerin kontrol edilmesine imkan tanıyan, dxf ve image importuna sahip her türlü CNC kodlarını tanıyabilen kullanışlı bir CNC kontrol programıdır[9]. Programın arayüzü ve kodların doğru bir şekilde aktarılması için yapılması gereken ayarlar gösterilmiştir (Şekil.5). Şekil.5 a: Mach3 Arayüzü
Şekil.5b:Makine Eksen Seçimi ve hız secimi Şekil.5c:Motor Çıkış Pin Ayarları Şekil.5d: Motor Giriş Sinyali Ayarları Şekil.5e: Motor Çıkış Sinyali Ayarları Kesici takım motoru olarak 125 W ile çalışan, 10000-33000 dev/dk arası devir sayısına sahip, 1-6 mm çapları arasında kesici takımın takılabildiği kalıpçı el breyzi kullanılmıştır (Şekil 1b). 3.Deneysel Çalışmalar: 3.1 Sistemin Hassasiyeti: Hassasiyet tezgahın hareket sınırları içinde komut olarak verilen pozisyona gitme kabiliyetidir[10]. Buna göre hassasiyeti formülize edilecek olursa; Hassasiyet = Birim Doğrusal Đlerleme / Motorun Birim Adım Sayısı denilebilir. Buna göre; Hareket millerinin hatvesi: 2 mmadım motorlar adım sayısı: 200 adım (1,8 derece) Adım motorları sürüş tekniği: 1/1 adım Hassasiyet: 200x1 = 200 (motorların 1 tur için adım sayısı) 2/200 = 0,01mm bulunur. 3.2 Doğruluk Kontrolü: Đmalat hataları, makinenin oturma yüzeyindeki pürüzlülükler, eksenleri taşıyan millerdeki eğilmeler, tahrik veren vidalı millerdeki aşınmalar tezgahtaki imal edilen parça üzerine doğrudan etki eder. Prototip makinenin ilk aşamada eksenlerindeki hatayı hesaplaya bilmek için X,Y ve Z eksenlerine ayrı ayrı ve farklı ölçülerde şekiller işlenmiştir. Bu farklı ölçülerdeki işlemler ölçülerek makinenin hata payı hesaplanmıştır. 3.2.1 X Ekseni Doğruluk Kontrolü: X ekseninin doğruluk kontrolü için Şekil 6 deki ölçülere göre Şekil 7 de görülen ahşap malzeme üzerine 3 adet kanal açılmış ve Şekil 8 de görüldüğü gibi ölçüleri alınmıştır, ölçüm sonuçları Tablo 1 de verilmiştir.
Şekil.6: X ekseninde Açılan kanal Öçlüleri Şekil.7: X ekseninde Açılan kanallar Şekil.8: X ekseninde Açılan kanallardan ölçü alınması 3.2.2 Y Ekseni Doğruluk Kontrolü: Y ekseninin doğruluk kontrolü için Şekil 9 deki ölçülere göre Şekil 10 de görülen 3 adet kanal açılmış ve Şekil 11 de görüldüğü gibi ölçüleri alınmıştır, ölçüm sonuçları Tablo 1 de verilmiştir. Şekil.9: Y ekseninde Açılan kanal Öçlüleri Şekil.10:Y ekseninde Açılan kanallar Şekil.11: Yekseninde Açılan kanallardan ölçü alınması 3.2.2 XY Ekseni Doğruluk Kontrolü: XY ekseninin doğruluk kontrolü için Şekil 12 deki ölçülere göre Şekil 13 de görülen 3 adet kanal açılmış ve Şekil 14 de görüldüğü gibi ölçüleri alınmıştır, ölçüm sonuçları Tablo 1 de verilmiştir. Masaüstü CNC frezenin dairesel ve serbest yüzey örnekleri Şekil 15 de görülmektedir. Şekil.12: XY ekseninde Açılan kanal Öçlüleri Şekil.13:XY ekseninde Açılan kanallar Şekil.14: XYekseninde Açılan kanallardan ölçü alınması 4.Bulgular ve Tartışma: Eksenlerin yataklanmasından, ortam koşullarından vb sebeplerden dolayı oluşan hatalar hesaplanmıştır. Bu hatalar kullanılan malzemenin kalitesi, montaj şekli, en önemlisi Tasarımın doğru olması gibi etmenler değiştirilerek azaltılabilir. Đmalattan ve ortam koşullarından oluşan eksen hataları grafiklerle Şekil 16 de açıklanmaya çalışılmıştır. X eksenine ait grafik ve Y eksenine ait grafik Tablo1 de görülmektedir. Şekil.16: X ve Y Ekseni Karşılaştırılması Tablo1: XY ekseninde Açılan kanal Öçlüleri Şekil.15: XY eksenlerindeki yapılan örnek çalışmalar
5.Sonuçlar: Bu çalışmada eğitim amaçlı masaüstü 3 eksen CNC freze tasarımı, prototip imalatı ve hassasiyet kontrolü yapılmıştır. Tasarımda Nasıl ve ne şekilde bir CNC freze imal edebiliriz? sorusunun cevabı verilmiştir. CNC tezgahın kontrol eden 1.5 A 1,8 Deg step motor ve Toshıba T66560 entegreli sürücü kart piyasadan hazır olarak temin edilmiştir. Masaüstü CNC freze tezgahı ile ilgili parametreler doğrultusunda ahşap ve plastik malzemeler üzerine istenilen her türlü form işlenebilir.tezgahın 3 ekseninin de aynı anda hareket kabiliyeti olduğundan dolayı işlenebilecek bu formlara serbest yüzey işlemleri de dahildir. Ayrıca bu çalışma lisans öğrencilerinin benzer çalışma yapmalarına örnek olabilecek niteliktedir. 6.Teşekkür: Bu çalışmada elektronik kart bağlantı ve güç kaynagı konusunda bilgisini esirgemeyen Elfatek Elektronik Ltd. Şti den Süleyman CANAN a, Gövde ve şasi yapımında çalışma ortamı sağladığı için Alpinoks End. Mutfak ve Soğt. Sis. San. den M.KADIOĞLU ve H. KADIOĞLU na teşekkürü bir borç bilirim. 7.Kaynaklar: [1] Kaygısız, H., Eğitim amaçlı üç eksenli masaüstü cnc freze tasarımı ve prototipi, YL Tezi, Karabük Üniv., Fen Bil. Enstitüsü, Karabük, 46-56 (2010). [2] Kutlu, M., Üç eksenli masa tipi cnc freze tezgâhı tasarım ve imalatı, YL Tezi, Kocatepe Üniversitesi,Fen Bilimleri Enstitüsü, Đstanbul, 53-77 (2006). [3] Büyükşahin, U., 3 Eksenli cnc tezgah tasarımı ve uygulaması, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniv., Fen Bilimleri Enstitüsü, Đstanbul, 30-126 (2005). [4] Kaygısız H. ve Çetinkaya K., Cnc freze eğitim seti tasarımı ve uygulaması, SDU International Journal of Technologic Sciences, 2 (3): 53-71 (2010). [5] Köbeloğlu, A., Eğitim amaçlı iki eksenli masaüstü cnc torna tasarımı ve prototipi, Y L Tezi, Karabük Üni., Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük, 90 (2011). [6] Kabaş K. Çetinkaya K. Masaüstü Dik Đşleme Tezgahı Tasarımı ve Sogutma Sıvısı uygulaması 6 th Internatioal Advanced Technologies Symposium Elazığ (2011) [7] Başboğa G ve Arkadaşları Masaüstü Cnc Freze Tasarımı Ve Đmalatı VI. Makina Tasarım ve Đmalat Teknolojileri Kongresi Konya 2011 [8] Ljungberg,L., Edwards,K., Design, Metarials and Marketing of Successful Products Metarials and Design 24 519-529 2003. [9] Art Soft Using Mach III Mill, (17.07.2011) http://www.machsupport.com/docs/mach3mill_6.11.pdf [10] Mamur,T., Yüksek Hızda Đşleme Ve Makine Mekaniği http://www.makineteknik.com/makale.asp?gorev=detay&id:25 2010