3 EKSENLİ MİNİ CNC FREZE TEZGÂHI TASARIMI VE İMALATI

3 EKSENLİ MİNİ CNC FREZE TEZGÂHI TASARIMI VE İMALATI Mustafa Demir 1, Melih Kuncan 2, H. Metin Ertunç 3 1 Mekatronik Mühendisliği Bölümü mustafa.demir2.08@kocaeli.edu.tr 2 Mekatronik Mühendisliği Bölümü melih.kuncan@kocaeli.edu.tr 3 Mekatronik Mühendisliği Bölümü hmertunc@kocaeli.edu.tr Özetçe Bu çalışmada, üç eksenli mini CNC (Computer Nümerical Control) freze tezgâhı tasarımı ve imalatı için gerekli parametreler hesaplanmıştır. Yapılan hesaplamalar çerçevesinde üç boyutlu bir çizim programında çizim işlemi gerçekleştirilmiştir. Çizimi yapılan üç eksenli mini CNC freze tezgâhının parçaları, talaşlı üretim tezgâhlarında işlenmiştir. İşlenen parçaların montajı gerçekleştirilerek üç eksenli CNC freze tezgâhı hazır hale getirilmiştir. Freze tezgâhının eksenlerinin hareketi step motorlarla sağlanmıştır. Üç eksenli CNC freze tezgâhının elektronik kontrolü step motor sürücüleri ve bir kontroller kartı ile sağlanmıştır. 1. Giriş Bilgisayarların akıl almaz bir hızda gelişmelerinin sonucunda tasarımlar çok hızlı değişmekte, otomobil gibi çok karışık olan makineler bile her an yeni tasarımlarıyla piyasaya çıkmaktadırlar. Bu hızlandırılmış tasarım süreci, imalatı da bu hıza ayak uydurmaya zorlamış ve CNC makineleri de yaygınlaşmaya başlamıştır. Tamamen bilgisayar kontrollü olarak çalışan CNC ler tasarlanan bir parçanın prototipini birkaç saat içinde hazırlayabilmektedir. Bu da tasarımın geliştirilebilmesi ve test edilebilmesi için inanılmaz bir fayda sağlamaktadır. Seri üretimdeki bir parçanın hassas ve hızlı üretilmesini sağlaması da diğer çok büyük bir faydasıdır [1]. Takım tezgâhları alanında büyük devrim, 1950 yıllarında nümerik programlamaya göre çalışan ve Nümerik Kontrollü (NC-Numerical Control) tezgâhların uygulamaya konulmasıyla başlamıştır. Aynı tarihlerde seramikten yapılan takımların kullanılması ile kesme hızları ve işleme kaliteleri oldukça iyileştirilmiş ve her iki uygulamada takım tezgâhı gerek nitelik, gerekse nicelik bakımından büyük gelişmeler göstermiştir. Bu gelişme, daha önce bilinen mekanik tezgâhları da kapsamına alarak günümüzde, pim kontrollü, kam kontrollü, kopya kontrollü, tek akslı, çok akslı, transfer tezgâhları olarak bilinen büyük bir tezgâh yelpazesini oluşturmuştur. NC tezgahların bilgisayarla donatılması ile CNC (Computer Nümerical Control) ve DNC (Direct Nümerical Control) tezgahları oluşmuş, bilgisayarların ve kişisel bilgisayarların kullanılması ile de bu tezgahlar işlemi optimizasyon düzeyinde yapmaya başlamışlardır [2]. Tezgâhların bu gelişmelerine paralel olarak imalat sistemlerinde de büyük gelişmeler olmuştur. 1947 yılında ortaya atılan otomasyona dayalı imalat sistemi genişletilerek optimizasyon devrine geçilmiş, robotların kullanımı gittikçe artarak robot fabrikaları ve robot tesisatları kurulmuştur. Ayrıca bilgisayarların yardımı ile ayrı ayrı yapılan bilgisayar destekli tasarım CAD (Computer Aided Design) ve bilgisayar destekli imalat CAM (Computer Aided Manufacturing) işlemleri birleştirilerek CAD-CAM (Bilgisayar Destekli Tasarım ve İmalat) ve bunların CNC ve DNC tezgâhlarıyla birleşmesi ile Esnek İmalat Sistemleri FMS (Flexible Manufacturing System) ortaya atılmıştır [2]. 2. Farklı Yapılardaki CNC Freze Tezgâhları 2.1. Köprü Tipi CNC Freze Tezgâhı Köprü tipi CNC freze tezgâhı basit ve sağlam bir yapıya sahiptir. Bu tezgâh tasarımında X ekseni ve Z ekseni aynı sütun üzerinde hareket etmekte ve Y ekseni bu iki eksenden bağımsız hareket etmektedir. Bu nedenle yüksek mukavemetli parçaların işlenmesine elverişli bir tasarımdır. Fakat işlenecek olan iş parçası ebatları tabla ebatları ile sınırlı olduğundan büyük parçaların, ahşap plakaların, işlenmesine pek elverişli değildir. Köprü tip CNC freze tezgâhı yapısı Şekil 1 de görülmektedir [3]. 1231

Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK2013, 26-28 Eylül 2013, Malatya 3. Geliştirilen Sistem Geliştirilen sistem yazılım ve donanım olmak üzere iki bölümden meydana gelmektedir. Şekil 4 te sistemin yapısı gözükmektedir. Şekil 1: Köprü tipi CNC freze tezgâhı 2.2. Üniversal Tip CNC Freze Tezgâhı Üniversal tip CNC freze tezgâhı şu anda endüstriyel alanda kullanılan CNC ler ile yaklaşık olarak aynı yapıya sahiptir. X ve Y eksenleri aynı yapı üzerinde Z ekseni ise bağımsız olarak hareket etmektedir. Bu tür tezgâhların imalatı kolay değildir. Yüksek maliyet ve işçilik gerekmektedir [3]. Yapılan çalışmada 3 eksenli mini CNC tezgâhı, üniversal tip bir CNC freze tezgâhı olarak tasarlanmıştır. Üniversal tip CNC freze tezgâhı yapısı Şekil 2 de görülmektedir. Şekil 4: CNC freze setini oluşturan parçalar [4]. CNC freze olarak tasarlanan bu makine tasarımda 6 ana bölüme ayrılmıştır. Bunlar; Tezgâhın ana gövdesi, Yataklama sistemi ve elamanları, Tahrik sistemi ve elamanları, Hareket iletim sistemi ve elamanları, Elektronik kontrol sistemi, Bir kişisel bilgisayar, olarak belirlenmiştir. 3.1. Ana Gövde CNC freze tezgâhının ana gövdesi, makinenin hareketli aksamının montajının yapıldığı bölümdür. Vidalı mil ve yataklama millerinin, sabitleme lamalarına montaj işlemi gerçekleştirildikten sonra, ana gövde üzerine montajı işlemi yapılır. Tezgâhın ana gövdesi sağlam bir yapıya sahip olmalıdır [5]. Makinenin işleme esnasında maruz kalacağı bütün yükler, tezgâhın ana gövdesine etki edeceğinden dolayı makine sisteminin sağlam bir yapıya ihtiyacı vardır. Şekil 5 te ana gövde görülmektedir. Şekil 2: Üniversal tip CNC freze tezgâhı 2.3. Tek Gövdeden Hareket Sistemli CNC Freze Tezgâhı Bu tip CNC freze tezgâhı oldukça karmaşık bir yapıya sahiptir. Çünkü kesici takım, üç eksende birden hareket edebilme kabiliyetine sahiptir. Bu yüzden tezgâhın gövdesinin rijit ve dayanıklı olması gerekmektedir. Tek gövdeden hareket sistemli CNC freze tezgâhı yapısı Şekil 3 te görülmektedir [3]. Şekil 3: Tek gövdeden hareket sistemli CNC freze tezgâhı Şekil 5: Ana gövde 1232

3.2. Yataklama Sistemi ve Elemanları Bir makinenin, sağlam bir yapıya sahip olarak, rahat bir şekilde zorlanmalara ve mekanik kasılmalara maruz kalmadan çalışması için yataklama sistemlerinin çok iyi olması gerekmektedir. Bunun nedeni, tahrik motorlarının gücünün çoğunu kesme kuvvetlerini yenmek için harcamasıdır. Bunun sağlanmaması durumunda motorlar tam verimle kullanılamamaktadır. Bu nedenle makine sistemlerinde hareketli mekanizmalar kullanılıyorsa, yataklamanın çok iyi yapılması gerekmektedir. Eksen sistemi yataklaması Şekil 6 da görülmektedir [4]. içindeki kanallara belirli boşluk toleranslarına göre dizilmiş bilye taneleri, mil hareket ettikçe sürekli bir devir daim içerisinde birbirlerini takip ederek yer değiştirirler. Bu yer değiştirme esnasında bilyalı vida somunu hareket ettiği için motordan alınan dönme hareketi doğrusal harekete çevrilmiş olur. Bilyeli vida sistemleri çok hassas bir yapıya sahip oldukları için, montaj esnasında dikkat edilmesi gereken birkaç özellikleri vardır. Bilyeli vida somunu içine dizili olarak gelen bilye taneleri yuvalarından çıkmasınlar diye somun içinde özel bir boru bulunmaktadır. Boru her iki tarafta sabitlenerek montaj haricinde çıkması önlenmiştir. Montaj esnasında da borunun bilyeli vida mili ile dikkatli bir şekilde yer değiştirilmesi sağlanmalıdır. Aksi taktirde bilyelerin dağılması kaçınılmazdır [2]. Şekil 6: Eksen sistemi yataklaması 3.3. Tahrik Sistemi ve Elemanları Tasarımı yapılan masaüstü CNC freze tezgâhında, tahrik sistemi elemanı olarak, SY85STH80-4208A NEMA34 model step motorlar kullanılmıştır. Oluşan hareketi eksenlere iletmek için bilyeli vida sistemi kullanılmıştır. Şekil 7 de Z ekseni step motoru görülmektedir. Step motorlar düşük hızlarda yüksek dönme momenti ürettikleri ve kontrolü kolay yapıldığı için seçilmiştir. Sistemde X, Y, Z eksenlerinde olmak üzere 3 adet step motor kullanılmıştır. Bu step motorlar 0,68 Nm dönme momentine sahip ve 3A akım çekmektedir. Şekil 8: Bilyeli vida somunu 3.5. Elektronik Kontrol Sistemi CNC freze tezgâhının kontrolü için, Şekil 9 da görülen elektronik kontrol ünitesinde, paralel port çıkışlı bir kontroller, bu kontrollere bağlı olacak şekilde 3 adet step motor sürücüsü, sisteme gerekli olan enerjiyi sağlamak için 2 adet güç kaynağı ve spindle motorunun hızını ayarlamak için 1 adet evirici kullanılmıştır [5]. Şekil 7: Z ekseni tahrik sistemi 3.4. Hareket İletim Sistemi ve Elemanları Step motorlarla tahrik edilen eksen sistemleri, dönme hareketini DK tip kaplinler yardımıyla vidalı mil sistemlerine aktarırlar. Bu dönme hareketi, bilyeli vida sisteminin parçası olan bilyeli vida somunlarının, hareket edecek sisteme sabitleştirilmesiyle, motordan alınan dönme hareketini eksen sistemlerine doğrusal hareket olarak iletilmesidir. Şekil 8 de kullanılan bilyeli vida ve somunları görülmektedir. Bilyeli vidalar, üzerinde bir bilye tanesinin gezeceği şekilde, profile uygun olarak imal edilmektedirler. Bilyeli vida somunu 3.5.1. Step motor sürücüsü Şekil 9: Elektronik kontrol sistemi Step motor sürücüsü, kontrollerden gelen sinyaller doğrultusunda motora ileri veya geri ne kadar dönmesi gerektiğini söyleyen bir sistemdir. Sürücüler sayesinde motorlar kararlı bir şekilde çalışırlar. Şekil 10 da sistemde kullanılan step motor sürücülerden biri görülmektedir. Step motor sürücüleri en kolay yönetilebilen sürücüler olmalarının yanında uygun fiyatlı sürücülerdir. Yeterli elektronik bilgisi olan bir kişi bu sürücüyle kolaylıkla birçok işlemi gerçekleştirebilir, fakat profesyonel uygulamalar için profesyonel sürücüler gerekmektedir [3]. Bu sürücülerde 1233

standart Step/Dır girişleri adım ve yön bilgisi girişleridir. Bunun dışında besleme ve motor girişleri bulunur. Motor fazları genelde bir bobin resmiyle tanımlanır ya da A -A bir faz B -B diğer faz olarak tanımlanır. Adım ve amper ayarları da genelde şematik şekilde ya da direnç değerleriyle tarif edilmişlerdir. Kısacası step motor ve sürücüleri hem ekonomik hem de uygulaması kolaydır [2]. Step motor sürücüleri, bir step motorun kontrol edilmesinde kullanılır. G kodları tarafından verilen komut değeri kadar motorun ileri veya geri hareket ettirilmesi step motor sürücüleri tarafından sağlanmaktadır. Sürücüler motorun bir turunu kaç adıma böldüklerine göre sınıflandırılırlar. Örneğin bir turunu 5000 adıma bölen bir sürücünün hassasiyeti 1/5000 dir. Sürücülerin fiyatları hassasiyetleri ile doğru orantılıdır [4]. kullanılan MACH 3 programı, kontroller kartı ile beraber alınmıştır. Kontroller ile uyumlu bir şekilde çalışmaktadır. Programın amacı, bir bilgisayarda çizimi yapılan bir teknik resmin veya herhangi bir çizimin operatörün istekleri doğrultusunda G kod sistemine göre programı oluşturmaktır. Oluşturulan programlar MACH 3 programı yardımıyla bilgisayarların paralel haberleşme portları kullanılarak kontrollerdeki paralel haberleşme portuna gönderilmesidir. Bu programları yorumlayan kontroller, sistemi harekete geçirerek makinenin çalışmasını sağlamaktadır. MACH 3 programı kullanımı kolay bir ara yüz programıdır. Şekil 12 da ana ekran görülmektedir [1]. Şekil 10: ZM-2H606 Step Motor Sürücüsü Step motor kontrolleri, programdan alınan değerin yorumlanarak sürücüye gönderilmesini sağlamaktadır. Bu yorumlamayı bir ara yüz programı sayesinde yapmaktadır. Şekil 8 de bağlantı giriş ve çıkışları bulunan bir kontroller görülmektedir. G ve M kodları ile yazılmış bir programın yorumunu yaparak programda G kodları ile birlikte verilen komutlardaki değerler kadar, sürücü yardımıyla, step motora hareket verir [2]. Uygulamada kullanılan step motor kontrolleri Şekil 11 de görülmektedir. Şekil 11: Kontroller 3.5.2. Freze tezgâhında kullanılan ara yüz programı; MACH III MACH 3 programı birçok CNC uygulamasında yaygın olarak kullanılmaktadır. MACH 3 programını tercih etmemizin en önemli sebepleri yalın ve anlaşılır olmasıdır. Çalışmada Şekil 12: MACH III Ara Yüz Programı Ana Ekran Görüntüsü CNC programı, bir parçanın işlenmesi için tezgâha gönderilen komutlar toplamıdır. Programdaki komutların sırasına göre takımlar hareket eder ve parçayı işler. Programı oluşturan komutlar ISO standartlarına göre düzenlenmiştir. Bir komut, bir adres (G, M, F, S) ve bunu takip eden sayısal değerlerden oluşur. Böylece G01, M03, Z-25 gibi ifadeler meydana gelir. Bunların her birine komut adı verilir [5]. Bir CNC programının en başında genellikle koordinat sisteminin, ölçülendirme sisteminin ve kesici takımın hazırlanması, referans noktasının düzenlenmesi, iş milinin döndürülmesi ve soğutma sıvısının açılması gibi hazırlık komutları bulunur. Programın ana bölümünde parçanın işlenmesi için gerekli olan tüm komutlar ve programın bitiş bölümünde de milin durdurulması, soğutma sıvısının kapatılması vb. bitirme ve işlem sonlandırma komutları bulunur. Programdaki komutlar verilen sıra ile çalışmaktadır. Öncelikle programdaki ilk satır okunur, yorumlanır ve uygulanır. Daha sonra diğer satırlar okunur, yorumlanır ve uygulanır. Tüm satırların okunup, yorumlanması ve uygulanması ile program sonlanır [5]. 4.1. Avantajları 4. CNC Sistemlerinin İncelenmesi CNC takım tezgâhlarının tamamının sağladığı en büyük ve birincil fayda otomasyona imkân tanımasıdır. CNC tezgâhlarının kullanılması suretiyle is parçalarının imalatı esnasında operatörün müdahalesi en aza indirilmekte veya tamamı ile ortadan kaldırılabilmektedir. Çoğu CNC takım tezgâhları parça işlemesi esnasında dışarıdan bir müdahale 1234

olmadan çalışabilmekte, böylece operatörün yapacağı diğer isler için zaman bulmasına imkân tanımaktadır. Bu durum CNC tezgâh sahibine operatör hatalarının azaltılması, insan hatasından kaynaklanan hataların en aza indirilmesi, işleme zamanının önceden ve tam olarak tespit edilmesi gibi faydalar sağlamaktadır. Tezgâh program kontrolü altında çalışıyor olacağından, konvansiyonel takım tezgâhında aynı parçaları imal eden bir usta ile kıyaslandığında, CNC operatörünün temel işleme tecrübesi ile ilgili olan beceri seviyesi oldukça azaltılmaktadır [5]. CNC teknolojisinin ikinci temel faydası, iş parçalarının hassas ve devamlı aynı ölçüde çıkarılmasıdır. Günümüzün CNC takım tezgâhları inanılması güç olan tekrarlama ve pozisyonlama hassasiyeti değerlerine sahiptir. Bu durum program kontrol edildikten sonra iki, on veya bin adet iş parçasının da aynı hassasiyet ve ölçüde elde edilebilmesini sağlamaktadır [5]. Ayrıca diğer tezgâhlara göre programların kaydedilebiliyor olması ve yazılan programların sürekli (elektrik gitse bile bundan etkilenmeyecektir) tezgâh hafızasında saklanabilmesi sayesinde programlar istenilen zamanda geri çağrılıp kullanılabilmektedir. Bu tezgâhlarda programların düzenlenmesi ve yeni bilgiler eklenmesi işlemi oldukça kolaydır. Alt programlar sayesinde sık kullanılan programlar hemen el altında olmaktadır. Telafi değerleri hesaplama işleminin tezgâh tarafından otomatik olarak yapılıyor olması da kullanım açısından oldukça büyük avantajlar sağlamaktadır [5]. Programa ait simülasyonun ekranda görünüyor olması sayesinde kullanıcı tezgâhta yapılan işlemler hakkında anlık olarak bilgi sahibi olabilmektedir. Tezgâhlarda arıza bulmak için tezgâhın kontrol ünitesine test ettirilebilmesi özelliği yine bu tezgâhları oldukça kullanışlı hale getirmektedir. Otomatik değişen kesiciler kullanıcıya büyük kolaylıklar sağlamaktadır. Tezgâh hafızasına harici bir bilgisayar ile ulaşılabilmektedir. Bu sayede kullanıcılar programları, tezgâha gönderebilme ya da tezgâhtaki programı alıp başka bir bilgisayara götürebilme imkânı kazanmaktadır [5]. Konvansiyonel tezgâhlarda kullanılan bazı bağlama kalıp, master vb. elemanlarla kıyaslandığı zaman tezgâhın ayarlama zamanı çok kısadır. Ayarlama, ölçü kontrolü, manüel hareket vb. nedenlerle oluşan zaman kayıpları ortadan kalkmıştır. İnsan faktörünün, CNC tezgâhlar vasıtasıyla yapılan imalatta etkisinin az olmasından dolayı seri ve hassas imalat mümkündür. Tezgâh operasyonları yüksek bir hassasiyete sahiptir. Tezgâhın çalışma temposu her zaman yüksek ve aynıdır. İmalatta operatörden kaynaklanacak her türlü kişisel hatalar ortadan kalkmıştır. Parça üzerinde yapılacak değişiklikler sadece programın ilgili bölümünde ve tamamı değiştirilmeden yapılır. Bu nedenle CNC takım tezgâhlarıyla yapılan imalat büyük bir esnekliğe sahiptir [5]. 4.2. Dezavantajları Her sistemde olduğu gibi CNC tezgâh ve sistemlerinin de avantajları yanında bazı dezavantajları bulunmaktadır. Bu dezavantajların başında CNC tezgâh sistemlerinin pahalı bir yatırım olması ve saat ücretinin yüksek olması gelmektedir. Detaylı bir imalat planı gereklidir. Daha hassas olmalarından dolayı bozulma ihtimali daha fazladır. Bu yüzden çevre etkilerine karşı daha iyi korunmalıdır. Konvansiyonel tezgâhlarla kıyaslandığında daha titiz kullanım ve bakım isterler. Tamiratı ve periyodik bakımları uzman ve yetkili kişiler tarafından düzenli olarak yapılmalıdır [6]. 5. Bulgular ve Tartışma CNC uygulamalarında mekanik parçaların uygun bir şekilde bir araya getirilmesinin sistem başarısında önemli olduğu görülmüştür. Eksenlerin yataklanması, motorların titreşiminin en aza indirilmesi ve malzemenin işleneceği alt plakanın en uygun şekilde yerleştirilmesi, uygulamadan daha iyi sonuçlar elde etmemizi sağlamıştır. Mekanik parçaların bir araya getirilmesinde uygun birleştirme işlemi gerçekleştirilmediği taktirde birçok hata ile karşılaşılmıştır. Belirlenen hataları en aza indirmek için farklı çalışmalar yapılmış ve daha başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Ayrıca sistemde kullanılan malzemelerin kalitesi, montaj şekli ve en önemlisi tasarımın doğru olması gibi etmenler ile hataların azaltılabileceği belirlenmiştir. 6. Sonuçlar Bu çalışmada 3 eksen mini CNC freze tezgâhı tasarım ve imalatı yapılmıştır. Tezgahın 3 ekseninin de aynı anda hareket kabiliyeti olduğundan dolayı işlenebilecek bu formlara serbest yüzey işlemleri de dahildir. Üç Eksenli mini CNC Freze Tezgâhı, işleme alanı olarak 200x160x180 mm bir alana sahiptir. Yapılan bu çalışma sonucunda başta baskı devre olmak üzere küçük ölçülerdeki malzemelerin işlenmesi gerçekleştirilmiştir. Talaş kaldırma mukavemeti düşük olan malzemeler, demir olmayan metaller ve endüstriyel plastikler işlenebilmektedir. Birçok endüstriyel alanda CNC nin yaygın bir şekilde kullanıldığı görülmüştür. İlerleyen uygulamalarda farklı kesici takımlar kullanılarak değişik yüzeyler ve değişik kalınlıklar üzerinde çalışmalar yapılacak ve bu çalışmalar sonrasında yorumlanacaktır. Ayrıca tork analizi vb. uygulamaların yapılması hedeflenmektedir. Teşekkür Bu çalışma, Kocaeli Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü Sensör Laboratuarında yapılmıştır. Kaynakça [1] U. Büyükşahin, 3 Eksenli CNC Tezgâh Tasarımı ve Uygulanması, İstanbul, 2005. [2] M. Kutlu, 3 Eksenli Masa Tipi CNC Freze Tezgâhı Tasarım ve İmalatı, Afyonkarahisar, 2006. [3] S. Uyar, F. Beler, K. Çetinkaya, Eğitim Amaçlı 4 Eksenli Masa Üstü CNC Freze Tasarımı ve Prototipi, 3. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu, Ekim 2012, Ankara. [4] H. Kaygısız, K. Çetinkaya, CNC Freze Eğitim Seti Tasarımı ve Uygulaması, SDU International Journal of Technologic Sciences, Vol. 2, No 3, September 2010. [5] S. Alan, CNC Eğitim Seti Tasarımı, Konya, 2006. [6] MEGEP, CNC Lazerle Kesme, Ankara, 2006. [7] A. Koleri, K Çetinkaya, Masa Üstü CNC Freze Tezgâh Tasarımı ve Prototip İmalatı. 1235