www.teknolojikarastirmalar.com Tekstil Teknolojileri Elektronik Dergisi 2007 (1) 23-32 TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR Makale Çözgü Salma Sistemi Farklı Yöntemlerle Kontrol Edilerek Dokunan Pamuklu Kumaşların Fiziksel Özelliklerinin Karşılaştırılması Enes ÇAKMAK, M. Cengiz KAYACAN Süleyman Demirel Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Tekstil Mühendisliği, ISPARTA Özet Dokuma makinelerinin fonksiyonel ünitelerinden birini oluşturan çözgü salma mekanizmaları, dokuma işleminin sürekliliği ve kumaş kalitesi bakımından büyük öneme sahiptir. Bu çalışmada çözgü salma sistemi farklı kontrol yöntemleriyle denetlenmiş dokuma makinesinde dokunan pamuklu kumaşın fiziksel özellikleri araştırılmıştır. Pamuklu kumaş konvansiyonel bir makinenin çözgü salma sistemine bağlanan servo motor aracılığı ile, konvansiyonel, PID, Bulanık mantık algoritmaları kullanılarak dokunmuştur. Dokunan bu kumaşların fiziksel özellikleri test edilerek birbirleriyle karşılaştırılmıştır. 1. Giriş Globalleşen dünyada rekabet artık vazgeçilmez bir noktaya gelmiştir. Bu nedenle dokuma sektöründe birim zamanda daha yüksek üretim hızıyla daha kaliteli kumaşın en düşük maliyetle üretilme gereği artık kaçınılmaz bir gerçek halini almıştır. Dokuma makinesinde kaliteyi ve verimi etkileyen temel hareketler ağızlık açma, atkı atma, tefe vurma, kumaş çekme ve çözgü salmadır. Kaliteli bir kumaş için ağızlığın temiz açılması, atkının düzgün kaydedilmesi ve kumaş için gerekli çözgü ipliklerinin uygun gerilimde ve miktarda bırakılması gerekir. Günümüzde kumaş çekme ve tefeleme sistemlerinin pozitif olarak kontrol edilmesinden dolayı dokuma sabit hız ve miktarda çözgü ipliğinin sevk edilmesi gerekmektedir. Dokuma sırasında çözgü ipliğinin maruz kaldığı zorlanmalardan kaynaklanan çözgüde meydana gelen kopuşlar dokuma makinesi verimi ve kumaş kalitesini olumsuz yönde etkilemektedir. Bu konuda araştırma yapan Egbers ve arkadaşları dokuma işlemi süresince dokuma makinesinin %70 duruş nedeni çözgü ipliği kopuşlarından kaynaklandığı ve bunun çözümünün dokuma süresince çözgü geriliminin sabit olarak gerçekleşmesinin sağlanması olduğu belirtilmektedir [1]. Çözgü ipliği kopuş oranları ve yerleri üzerine çalışan Hüttl, çözgü ipliği kopuşlarının üç ayrı bölgede meydana geldiğini, çözgü kopuşlarının büyük çoğunluğunun (tüm duruşlara oranı %65) lameller tefe vuruş noktası arasında olduğunu tespit etmiştir [2]. Bunun nedeni kumaş çizgisine yaklaştıkça çözgü ipliklerinin geriliminin artması, ipliklerinin sürtünmeden dolayı birbirine tutunması ve en önemlisi çözgü ipliklerinin yorulmasından kaynaklanmaktadır [3]. Günümüzde dokuma işlemi sırasında çözgü gerilimi değişiminin ve kopuşlarının azaltılması ile dokuma veriminin arttırılması için çözgü salma sistemlerinin bilgisayar kontrollü, elektronik ölçme ve elektronik kontrollü tahrik sistemleri sayesinde yüksek performansta çalışmalar sağlanmıştır. Bununla birlikte son on yıldır üretimde tepkiselliğin sağlanması ve çevikliğin kazanılması için Yapay-zekâ uygulamaları
Teknolojik Araştırmalar : TTED 2007 (1) 23-32 Çözgü Salma Sistemi Farklı Yöntemlerle Kontrol Edilerek Dokunan Pamuklu birçok mühendislik alanında uygulanmaktadır. Bulanık mantık servo motor kontrollü sitemler için iyi bir uygulama alanıdır [4]. Ming-Yuan Shieh ve Tzuu-Hseng S.Li çalışmalarında servo motorların pozisyon kontrolünü bulanık mantık yöntemiyle gerçekleştirmişlerdir [4]. Arto Makkonen ve Heikki N. Koivo çalışmalarında bir nonlineer servo motor modelinin bulanık mantık ve diğer kontrol yöntemleriyle kontrol performansını simüle edip, bulanık mantıkla kontrol edilen motorun performansının daha iyi olduğunu göstermişlerdir [5]. Texas Instrument firması kendi geliştirdiği bir FLC(Bulanık mantık Controller) ile servo motorun hız kontrolünü gerçekleştirmiştir. Teresa Orlowska-Kowalska, Krzysztof Szabat, Krzysztof Jaszczak çalışmalarında parametrelerin ve PI tipi Bulanık Mantık kontrolcüsünün yapısının DC sürücü sistem dinamikleri üzerindeki etkisini incelemişlerdir [6]. Bu çalışmada, Dokuma makinesinin çözgü salma sistemi bir AC servo motor aracılığı ile hız ve pozisyon kontrolü konvansiyonel kontrol yöntemleri yerine PID ve Bulanık Mantık yöntemleri ile gerçekleştirilmiştir. Yapılan kontrol sonucu elde edilen çözgü gerilimi değerleri Konvansiyonel, PID ve Bulanık Mantık kontrollerinden elde edilen gerilim değerleri karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmadan elde edilen sonuçlara göre Bulanık Mantık kontrolünden elde edilen ana milin bir devri içinde oluşan çözgü gerilimi değerleri diğer yöntemlere göre daha düşük elde edilmiştir. Ayrıca farklı yöntemlerle dokuma sonucunun, kumaş mukavemeti ve ekonomikliği üzerine etkisi irdelenmiştir. 2. Materyal ve Metot Bu çalışmada haşıllı pamuk çözgü ipliği ve pamuk atkı ipliği kullanılarak, görsel C programlama dilinde hazırlanan program modülleri ile çözgü salma sistemi farklı kontrol yöntemleri ile dokuma deneyleri yapılmıştır. 2.1 Deneyde Kullanılan Materyaller Bu çalışmada kullanılan materyaller deneysel çalışma düzeneği, ölçme ve veri kayıt düzeneği olmak üzere üç ana sınıfa ayrılmaktadır. Deneysel çalışma düzeneği dokuma makinesi, çözgü ve atkı iplikleri, ölçme-veri kayıt düzeneği ise gerginlik ölçme ünitesi ve ara birim ünitesine sahip bir bilgisayardan oluşmaktadır. 2.1.1 Dokuma makinesi ve çözgü ipliği Deneylerde ATPR marka 1990 model 350 dev/dak hızla çalışan hava jetli-rapierli dar en dokuma makinesi kullanılmıştır (Şekil 1). Dokuma kumaş eni 1 metre olacak şekilde ayarlanmıştır. Şekil 1. Deneyde kullanılan dokuma makinesinin görünümü 24
Çakmak E., Kayacan M. C. Teknolojik Araştırmalar : TTED 2007 (1) 23-32 Dokuma makinesi mekanik yarı pozitif çözgü salma sistemine sahiptir. Bu sistemde, çözgü geriliminin artması ile hareket eden arka köprü çözgü salma sistemi ile ana milin temasını sağlamaktadır. Bu temas sırasında çözgü levendi döndürülmektedir ve hareketini ana milden alan balata sistemi çözgü levendini hareket ettirmektedir (Şekil 2). 1. Arka köprü 2-7. Arka köprünün hareketi ile balata sistemini aktif hale getiren anahtar 3. Çözgü levendine hareket veren sonsuz dişli 4.Sonsuz dişli ana mili 5.Sonsuz vida dişlisinin hareketini levende aktaran dişli 6.Levend dişlisi Şekil 2. Dokuma makinesine ait çözgü salma sisteminin teknik çizimi Deneyde çözgü sıklığı 24 atkı sıklığı 18 olan bezayağı kumaş dokunmuştur. Şekil 3 de çözgü salma ve kumaş sarma bölümlerine ait kinematik şema görülmektedir. Kumaşın atkı sıklığı Z10 dişlisinden ayarlanabilmektedir. Konvansiyonel çözgü salma yönteminde çözgü besleme miktarı Z9 dişlisinden ayarlanmaktadır. Z9 : Çözgü salma miktarı ayarlama dişlisi Z10 : Kumaş çekme miktarı ayarlama dişlisi D8 : Çözgü levendi Şekil 3. Deneyde kullanılan dokuma makinesi çözgü salma ve kumaş sarma bölümlerine ait kinematik şema Dokuma sırasında Ne 20 çözgü ve Ne 20 atkı ipliği kullanılarak bezayağı kumaş, çözgü tel sıklığı:24 tel/cm, atkı tel sıklığı:20 tel/cm olarak dokunmuştur. Çözgü ipliği olarak numarası Ne 20/1 haşıllı karde ring ipliği, atkı ipliği olarak Ne 20/1 penye pamuk ipliği kullanılmıştır. Çözgü ipliği ve atkı ipliği kuvvet-uzama eğrisi ASTM D 2256 (çene mesafesi:250 mm, çekme hızı:20 cm/sn) standardına göre elde edilmiştir. Testlerde sabit uzama hızı prensibi (CRE - Constant Rate of Extension) ile çalışan Llyod marka LR5K model mukavemet test cihazı kullanılmıştır. Ölçüm sonuçlarında elde edilen atkı ipliğine ait ve haşılı çözgü ipliğine ait kuvvet-uzama grafikleri Şekil 4 de 25
Teknolojik Araştırmalar : TTED 2007 (1) 23-32 Çözgü Salma Sistemi Farklı Yöntemlerle Kontrol Edilerek Dokunan Pamuklu verilmiştir. Deneylerde dar enli dokuma makinesi, gerilimölçer (hareket sensörü), artımlı enkoder, veri toplama kartı, servo motor ve sürücüsü kullanılmıştır. Şekil 5 de materyallerin resimleri görülmektedir. Haşıllı Çözgü Đpliği Kuvvet Uzama Grafiği Atkı Đpliği Kuvvet Uzama Grafiği 2,5 1,6 1,4 Kopma Mukavemeti (cn/tex ) 2 1,5 1 0,5 Kuvvet Uzama Kopma Mukavemeti (cn/tex ) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Kuvvet Uzama 0 0 1 2 3 4 5 % Uzama 0 0 1 2 3 4 5 6 7 % Uzama Şekil 4. Haşıllı çözgü ve atkı ipliği kuvvet-uzama grafiği Hareket sensörü (Selet B18/50T-0/3) Encoder Veri toplama kartı (PCI-DAS6071) Servo motor Şekil 5. Deneyde kullanılan materyaller 26
Çakmak E., Kayacan M. C. Teknolojik Araştırmalar : TTED 2007 (1) 23-32 2.2. Metot Burada dokuma işlemi esnasında gerçek zamanlı çözgü gerilimi kontrolü yapılmıştır. Kontrol Konvansiyonel, PID, Bulanık Mantık kontrol yöntemleri kullanılarak çözgü ipliği üzerinde meydana gelen gerilimler ölçülmüştür. 2.2.1 Gerçek gerilimin tespit edilmesi Çözgü salma sisteminin bilgisayar aracılığı ile yapılabilmesi için öncelikle çözgü geriliminin direkt ve dolaylı olarak algılanılması gerekmektedir. Sensorden alınan volt değerinin gerilim değerine dönüştürülmesi için matematiksel orantılama yöntemi kullanılmıştır. SDL gerginlik ölçüm cihazı ve sensörün eş zamanlı olarak çalıştırılmasından elde edilen veriler grafiksel olarak çizilmiş bu iki veri sisteminin genliklerinin oranı kullanılarak çarpım katsayısı ötelenme miktarından yararlanılarak da toplama sabiti tesbit edilmiştir. Şekil 6 da birlikte ölçümü yapılan veriler görülmektedir. Çözgü Gerilimi SDL 80 70 60 50 40 30 20 1 76 151 226 301 376 451 526 601 676 751 826 901 976 1051 1126 1201 1276 1351 1426 1501 1576 1651 1726 1801 1876 1951 2026 Seri 1 Sensor Ölçümü (Volt) 4,5 4 3,5 3 Seri 1 2,5 2 1,5 1 1 Ana Mil Açısı (Derece) Şekil 6. SDL gerilim ölçümü ile sensor değerlerinin birlikte gösterilmesi Gerçek Gerilim = ( 14,26 * Sensor değeri ) + 92,8 Sensörün arka köprünün 0 ile 5 mm arasındaki hareketine karşılık 0.4 ile 4.5 Volt arasında üretmiş olduğu gerilim gerçek gerilim değerine çevrilerek kullanılmaktadır. Kontrol elemanı çıkış sinyali PID ve Bulanık mantık kontrol yöntemlerinin prensiplerine göre elde edildikten sonra servo motor sürücüsüne beslenen voltaj değeri elde edilir (Şekil 7). Şekil 7. PID Etki kontrol algoritması blok diyagramı [7]. 27
Teknolojik Araştırmalar : TTED 2007 (1) 23-32 Çözgü Salma Sistemi Farklı Yöntemlerle Kontrol Edilerek Dokunan Pamuklu 2.2.2 Kontrol Yazılımı Görsel C programla dili kullanılarak hazırlanan kontrol programı ile PID ve Bulanık Mantık kontrol yöntemleri ile çözgü salma sitemi kontrol edilmiştir. Şekil 8 de hazırlanmış olan program paneli görülmektedir. Şekil 8. Deney için hazırlanan kontrol programı Çözgü salma sisteminin PID kontrolünde yer değiştirme sensöründen arka köprünün konumuna bağlı olarak 0,4 ile 4,5 volt arasında bir gerilim değeri ölçülür. Kontrolde 35 cn değeri referans olarak kullanılmıştır. m(t) = K i * e( t) * d( t) + K * e( t) K * ( de / dt) p + d Çözgü salma sisteminin Bulanık Mantık yöntemi ile kontrolünde; enkoderden okunan açı değerine karşılık gelen referans gerilim değeri ile hareket sensöründen elde edilen gerçek gerilim değerleri karşılaştırılır. Karşılaştırma sonucunda elde edilen hata değeri (e) ve elde edilen son değer ile bir önceki hata değerinin farkı (ce) Bulanık Mantık kontrol yönteminin giriş üyelik değerleri olarak alınır. Elde edilen hata ve hata değişimi değerleri kullanılarak bulanık mantık yöntemi ile kontrol sinyali elde edilir. Elde edilen kontrol sinyali önceki kontrol yöntemleri gibi servo sürücü vasıtası ile servo motora gönderilerek çözgü salma sisteminin kontrolü gerçekleştirilir. 3. Deneysel Sonuçlar Ve Tartışma Konvansiyonel, PID ve Bulanık Mantık kontrol yöntemleri ile elde edilen kumaşların atkı ve çözgü kısalma oranları, iplik numaraları, sıklıklar, kumaş kopma mukavemetleri ve kopma uzaması değerleri test edilmiştir. Mukavemet deneyleri Lloyd marka LR5K model mukavemet test cihazında yapılmıştır. 28
Çakmak E., Kayacan M. C. Teknolojik Araştırmalar : TTED 2007 (1) 23-32 3.1 Kumaşların Kopma Mukavemeti Testleri Dokunan kumaşların kopma mukavemeti testleri TS EN ISO 13934 1 standardına göre atkı ve çözgü yönlerinde yapılmıştır. 3.1.1 Atkı Yönü Kopma Mukavemeti Testleri Kontrol yöntemlerinden elde edilen kumaşların atkı yönünde yapılan test sonuçları Çizelge 1 de verilmiştir. Yapılan test sonuçlarına göre kopma mukavemetinde Konvansiyonel ile PID EP ve Bulanık Mantık, arasında fark görülmemektedir. Çizelge 1. Kumaşların atkı yönü kopma mukavemeti test sonuçları Kontrol Yöntemleri Kumaş Kopma Mukavemeti (N) Kopma Uzaması (%) Gramaj (g/m 2 ) Sıklık (Tel/cm) Kısal ma Oranı (%) Numara (Ne) Konvansiyonel 652,8627 652,8627 136,42 3.32 PID 628,7117 628,7117 136,00 18 3.26 20/1 Bulanık Mantık 647,6553 660,9536 136,23 3.29 Kumaşların atkı yönünde yapılan kopma uzaması test sonuçlarında hiçbir kontrol yönteminde fark bulunamamıştır. Kumaşların atkı yönünde kopma mukavemetine ait örnek bir kuvvet uzama grafiği Şekil 9 da verilmiştir. Şekil 9. Atkı yönünde kopma mukavemeti testi grafiği 29
Teknolojik Araştırmalar : TTED 2007 (1) 23-32 Çözgü Salma Sistemi Farklı Yöntemlerle Kontrol Edilerek Dokunan Pamuklu 3.1.2 Çözgü Yönü Kopma Mukavemeti Testleri Kumaşların çözgü yönünde yapılan kopma mukavemeti test sonuçları Çizelge 2 de verilmiştir. Kumaşların çözgü yönünde yapılan kopma mukavemeti test sonuçlarında kontrol yöntemleri arasında mukavemet değişimi istatistiksel olarak tespit edilememiştir. Çizelge 2. Kumaşların çözgü yönü kopma mukavemeti test sonuçları Kumaş Kopma Kopma Gramaj Sıklık Kontrol Yöntemleri Mukavemeti Uzaması (g/m 2 ) (Tel/cm) (N) (%) Konvansiyonel Kontrol Kısalma Oranı (%) 1053,5 15,3 136,42 4,26 Numara (Ne) PID Kontrol 1098,1 15,2 136,00 24 4,31 20/1 Bulanık Mantık Kontrol 1059,4 15,7 136,23 4,33 Kumaşların atkı yönünde kopma mukavemetine ait örnek bir kuvvet-uzama grafiği Şekil 10 da verilmiştir. Şekil 10. Atkı yönünde kopma mukavemeti kuvvet-uzama grafiği 3.2 Kumaşların Yırtılma Mukavemeti Testleri Dokunan kumaşların yırtılma mukavemeti testleri TS EN ISO 13937-2 standardına göre atkı ve çözgü yönlerinde yapılmıştır. Yırtılma testleri mukavemet cihazının hareketli çenesi dakikada 50mm hızla hareket ederken, 6mm, 18.5mm, 31mm,43.5mm, 56mm, 68.5mm, mesafelerindeki yük değerleri alınarak bu değerlerin ortalaması hesaplanmıştır. 3.2.1 Çözgü yırtılma mukavemeti testi (atkı yönünde) Kumaşların çözgü yırtılma testlerine ait sonuçlar Çizelge 3 de verilmiştir. Kumaşlara yapılan atkı yırtılma mukavemeti test sonuçların uygulanan kontrol yöntemleri arasında istatistiksel olarak anlamlı fark tespit edilememiştir. 30
Çakmak E., Kayacan M. C. Teknolojik Araştırmalar : TTED 2007 (1) 23-32 Çizelge 3. Çözgü yırtılma mukavemeti deneyleri sonuçları Kontrol Yöntemi Test Sayısı Ortalama (N) Konvansiyonel 20 33,17 PID Kontrol (Ref. 35) 20 33,54 Bulanık Mantık 20 34,29 Kumaşların çözgü yönünde yırtılma mukavemetine ait örnek testi grafiği Şekil 11 de verilmiştir. Şekil 11. Atkı yönünde yırtılma mukavemeti testi grafiği 3.2.2 Kumaşların atkı yırtılma mukavemeti testi (çözgü yönünde) Kumaşların atkı yırtılma yapılan test sonuçları Çizelge 4 de verilmiştir. Kumaşlara yapılan atkı yırtılma mukavemeti test sonuçlarında hiçbir kontrol yönteminde fark tespit edilememiştir. Çizelge 4. Atkı yırtılma deneyine ait test sonuçları Kontrol Yöntemi Test Sayısı Ortalama (N) Konvansiyonel 20 23,90 PID Kontrol 22,92 20 (Ref. 35) Bulanık Mantık 20 23,04 Kumaşların çözgü yönünde yırtılma mukavemetine ait örnek testi grafiği Şekil 12 de verilmiştir. 31
Teknolojik Araştırmalar : TTED 2007 (1) 23-32 Çözgü Salma Sistemi Farklı Yöntemlerle Kontrol Edilerek Dokunan Pamuklu Şekil 12. Çözgü yönünde yırtılma mukavemeti testi grafiği 4.Sonuçlar Bu çalışmada çözgü salma sisteminde servo motorun kullanılması ile sistemin cevap verme hızı artarak kararsızlık süresi azalmıştır. Bundan dolayı çözgü geriliminin kontrolü daha etkin bir şekilde yapılmıştır. Bulanık mantık kontrol yöntemi çözgü salma sistemin daha hızlı ve çevik olarak çalışmasında çok büyük rol oynamıştır. Kontrol yöntemlerinden elde edilen kumaşların atkı ve çözgü kısalma oranları, iplik numaraları, sıklıklar, kumaş kopma mukavemetleri ve kopma uzaması özellikleri test edilmiştir. Dokuma gerilim değişim değerinin yapılan test sonuçlarına göre kumaşlara kontrol yöntemlerine göre belirgin değişim göstermesine rağmen atkı ve çözgü yönünde kopma mukavemeti, atkı ve çözgü yönünde kumaş yırtılma mukavemeti, kumaş kısalma oranı, sıklık ve kopma uzaması özelliklerine herhangi bir olumsuz etkisinin olmadığı tespit edilmiştir. Kaynaklar 1. Egbers, G., Azarschab, M., Murrweib, H., Weindörfer, H., Wolfrum, J., 1985. Measures to Đmprov Effectivity in Weaving, Meliand, 8, 543-548. 2. Hüttl, E., 1989. Possibilities for Automation in The Weaving Mil, Melliand, 9, 632-638. 3. Schutz, A., R., Renner, M., 1988. Requirements of Smooth and Textured Flament Yarns and Wrapped Yarns for high-speed Weaving Machine. I.T.B. Fabric Forming, 1, 7-11. 4. Shieh, M., Y., S. Li, T., H., (1998), Design and Implementation of Integrated Fuzzy Logic Controller For a Servo Motor System, Mechatronics 8, 218-240 p. 5. Makkonen, A., Koivo, H., (1994), Fuzzy Control of a Nonlinear Servomotor Model, Proceedings of the 3rd International Workshop on Advanced Motion Control, 833-841 p. 6. Kowalska,T.O., Szabat,K., Jaszczak, K., (2002), The Influence of Parameters and Structure of PI - Type Fuzzy- Logic Controller on DC Drive System Dynamics, Elseiver Science, 1-14 p. 7. Dayık, M., 2005. Dokumada Çözgü Gerginliği Değişimi Optimizasyonu. Doktora Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Isparta. 107-149. 32