Araştırma Makalesi / Research Article MASA ÜSTÜ CNC FREZE TEZGÂH TASARIMI VE PROTOTİP İMALATI Ahmet KOLERĠ a ve Kerim ÇETĠNKAYA b, * a K.Ü.Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük, Türkiye, ahmet_koleri42@hotmail.com b,* K.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük, Türkiye, kcetinkaya@karabuk.edu.tr Karabük Özet: Hayatımızın her alanında bilgi iģlem hızlı bir Ģekilde müdahale etmekte ve daha da önemlisi artık takip etmek zorlaģmıģtır. Teknolojisinin geliģmesi özellikle imalat endüstrisinde önemli değiģikliklere sebep olmuģtur. Bu değiģimlere paralel olarak üniversal imalat tezgâhları yerini bilgisayar kontrollü (CNC) tezgâhlara bırakmıģtır. CNC tezgâhlara geçilmesi imalat sektörüne büyük kolaylıklar sağlamıģtır. Zamandan ve iģ gücü tasarrufu ile CNC tezgâhlar günümüzde çok popüler olmuģtur. Bu çalıģmada eğitim amaçlı masaüstü 3 eksen CNC freze tasarımı, prototip imalatı ve hassasiyet kontrolü yapılmıģtır. Tasarımda CNC router mantığında bir model geliģtirilmiģtir. Nasıl ve ne Ģekilde bir CNC freze imal edebiliriz? Sorusunun cevabına bu makalede yer verilmiģtir. Anahtar Sözcükler: CNC freze, Masaüstü CNC, CNC, CNC Tasarımı 1.Giriş: Hayatımızın her alanında bilgi iģlem hızlı bir Ģekilde müdahale etmekte ve daha da önemlisi artık takip etmek zorlaģmıģtır. Teknolojisinin geliģmesi özellikle imalat endüstrisinde önemli değiģikliklere sebep olmuģtur. Bu değiģimlere paralel olarak üniversal imalat tezgâhları yerini bilgisayar kontrollü (CNC) tezgâhlara bırakmıģtır. CNC tezgâhlara geçilmesi imalat sektörüne büyük kolaylıklar sağlamıģtır. Zamandan ve iģ gücü tasarrufu ile CNC tezgâhlar günümüzde çok popüler olmuģtur. CNC bir yöntemdir kullanılan tezgaha göre isimledirilir örn; CNC Freze, CNC Torna, CNC Matkap, CNC Lazer, CNC plazma dır. Bu tezgahlar program Ģeklinde hazırlanan G kod veya M kodlarıyla çalıģırlar, bu kodlar elle yazılabildiği gibi CAM programları kullanılarak ta oluģturulabilir. Tezgahlar ve kullanılan araç gereçler çok pahalı olduğu için okullarda çok az sayıda veya hiç yoktur. Çoğu okullarda eğitim tahta üzerinde veya simülasyonla öğretilmektedir, bu öğretme Ģeklide kalıcı bir öğrenme değildir. Tasarımını ve prototipini yapacağımız makineyi her öğrenci yapabilir veya temin edebilir. Kaygısız çalıģmasında, eğitim amaçlı üç eksenli masaüstü CNC freze tezgahı tasarlamıģ ve prototip imalatını gerçekleģtirmiģtir. Eksenlerin doğruluğunun tespiti için, eksenler doğrultusunda kanallar açarak, kanal boylarını ölçüp standart sapmalarını hesaplamıģtır. CNC nin üç eksen yüzey iģleme kabiliyetini test etmek için Atatürk rölyefini baģarı ile iģlemiģtir [1]. Kutlu çalıģmasında, tasarladığı üç eksenli masa tipi CNC freze tezgahının statik ve dinamik hesaplamalarını yapmıģ ve bu tezgahı imal etmiģtir. Ağaç, polyamid ve mdf gibi malzemeler üzerinde çeģitli yazı ve Ģekil iģleyerek tezgahın çalıģabilirliğini kanıtlamıģtır [2]. BüyükĢahin çalıģmasında, SolidWorks programında modellediği üç eksenli freze tezgahında, gövde ve eksenlerin gerilme, sehim, bükülme analizlerini Visual Nastran programında yapmıģ ve sonuçları sayısal hesaplarla doğrulamıģtır. Gerekli konstrüksiyon hesaplamalarının ardından üç eksenli CNC tezgahını imal etmiģtir. Eksen tahrik elemanı olarak da servo motoru tercih etmiģtir [3]. Kaygısız ve Çetinkaya çalıģmalarında Eğitim
Amaçlı üç eksenli CNC freze tezgahı ve interaktif eğitim yazılımı geliģtirmiģlerdir. Bu çalıģma ile mesleki ve teknik eğitim veren kurumların atölye ve laboratuarlarında okul olanakları ile imal edilebilir, çalıģma prensibi olarak endüstriyel CNC lerden hiçbir farkı bulunmayan bir tezgah geliģtirilebileceği vurgulanmıģtır. Ayrıca geliģtirilen Ġnteraktif Eğitim yazılımının ortaöğretim ve yükseköğretim müfredatlarına uygun olarak hazırlandığı, hem ders materyali olarak sınıf ortamında hem de kendi kendine öğrenmeye yönelik detaylı, anlaģılır ve sade olduğu belirtilmiģtir [4]. Köbeloğlu çalıģmasında, eğitim amaçlı iki eksenli masaüstü CNC Torna tezgahı tasarlamıģ ve prototip imalatını gerçekleģtirmiģtir. Ġmal edilen tezgah dıģ boyutları 950, 600, 500(X, Y, Z) ölçülerine sahiptir. Bu tezgah ile en fazla 30 mm çap ve 150 mm boy ölçülerine sahip silindirik parçalar iģlenebilmektedir. [5]. Bu çalıģmada eğitim amaçlı masaüstü 3 eksen CNC freze tasarımı, prototip imalatı ve hassasiyet kontrolü yapılmıģtır. Tasarımda CNC router mantığında bir model geliģtirilmiģtir. Nasıl ve ne Ģekilde bir CNC freze imal edebiliriz? Sorusunun cevabına bu makalede yer verilmiģtir. 2.Malzeme-Metot: Bir ürünün tasarımında malzeme seçimi çok önemlidir. Malzeme seçimi maliyeti ve ürünün baģarısını doğrudan etkiler. [6].CNC Router Mantığıyla geliģtirilen Tezgah tasarımı Şekil.1a da ve Prototipi Şekil.1b de görülmektedir. Şekil.1.a :CNC Freze Tasarımı Şekil.1.b CNC Freze Prototip Ġmalatı Tezgâh gövdesi sistemin hareket elemanlarının montajının yapıldığı bölümdür. TitreĢimin olmaması için rijit bir yapıya sahip olması gerekir. Gövde; (Şekil.2) de görüldüğü gibi sac parçalardan oluģmaktadır. Sac parçalar lazer kesim resimleri oluģturularak, CNC lazer de kestirilmiģtir. Şekil.2 Freze Tezgahı Gövdesi
Y ve Z eksenlerinde kesici takımın, X ekseninde ise Köprünü hareketli olduğu Router tipi tezgah gövdesi tasarlanmıģtır. 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 çalıģmada 3 eksende de Delrin Yatak ve mil kullanılmıģtır(ġekil3). Şekil.,3 Millerin Yataklanması Vidalı mil ve somunlar; kızaklar ile yataklanmıģ kafa ve diğer eksenlerin hareket ettirilmesini Sağlayan parçalardır. Tasarlanan CNC Freze vidalı mil olarak M16 Vidalı mil kullanılmıģtır Vidalı miller delrin malzemeden yapılan rulman kapakları ile yataklanmıģtır. Tezgahın boyutları Şekil.4 görülmektedir. Şekil,4 Tezgahın Boyutları Makinenin kontrol kısmında Toshıba T66560 entegreli sürücü kart kullanılmıģtır..(şekil.5a) Tahrik sistemi olarak 3 adet 1.5 A 1,8 Deg Step Motor kullanılmıģtır..(şekil.5b) ġebeke Gerilimini karta uygun hale getirmek için 24v 250A güç kaynağı kullanılmıģtır.(şekil.5c) Şekil.5 a)cnc Kontrol Kartı b)step Motor c)güç Kaynağı Şekil.5a Şekil.5b Şekil.5c Kontrol Yazılımı olarak Mach3 Programı kullanılmıģtır. Bu program yüklediğimiz kodlara göre makineye yön vermektedir. Mach3 programı paralel porta çıkıģ verebilen 6 eksene kadar CNC lerin kontrol edilmesine imkan tanıyan, dxf ve image importuna sahip her türlü CNC kodlarını tanıyabilen kullanıģlı bir CNC kontrol programıdır[7].programın arayüzü ve kodların doğru bir Ģekilde aktarılması için yapılması gereken ayarlar gösterilmiģtir.(şekil.6)
Şekil.6 a: Mach3 Arayüzü Şekil.6 b:makine Eksen Seçimi ve hız secimi Şekil.6c:Motor ÇıkıĢ Pin Ayarları Şekil.6d: Motor GiriĢ Sinyali Ayarları Şekil.6e: Motor ÇıkıĢ Sinyali Ayarları
Kesici takım motoru olarak 125 W ile çalıģan, 10000-33000 dev/dk arası devir sayısına sahip, 1-6mm çapları arasında her türlü kesici takımın takılabildiği kalıpçı el breyzi kullanılmıģtır (Şekil7). 3.Deneysel Çalışmalar: 3.1 Sistemin Hassasiyeti: Şekil.7: Kesici Motor Hassasiyet tezgahın hareket sınırları içinde komut olarak verilen pozisyona gitme kabiliyetidir [8]. Buna göre hassasiyeti formülize edilecek olursa; Hassasiyet = Birim Doğrusal İlerleme / Motorun Birim Adım Sayısı denilebilir. Buna göre; Hareket millerinin hatvesi: 2 mm Adım motorlar adım sayısı: 200 adım (1,8 derece) Adım motorları sürüģ tekniği: 1/1 adım Hassasiyet: 200x1 = 200 (motorların 1 tur için adım sayısı) 2/200 = 0,01mm bulunur. 3.2 Doğruluk Kontrolü: Ġmalat hataları, makinenin oturma yüzeyindeki pürüzlülükler, eksenleri taģıyan millerdeki eğilmeler, tahrik veren vidalı millerdeki aģınmalar tezgahtaki imal edilen parça üzerine doğrudan etki eder. Prototip makinenin ilk aģamada eksenlerindeki hatayı hesaplaya bilmek için X,Y ve Z eksenlerine ayrı ayrı ve farklı ölçülerde Ģekiller iģlenmiģtir. Bu farklı ölçülerdeki iģlemler ölçülerek makinenin hata payı hesaplanmıģtır. 3.2.1 X Ekseni Doğruluk Kontrolü: X ekseninin doğruluk kontrolü için Şekil 8 deki ölçülere göre Şekil 9 de görülen 3 adet kanal açılmıģ ve Şekil 10 de görüldüğü gibi ölçüleri alınmıģtır, ölçüm sonuçları Tablo 1 de verilmiģtir. Şekil.8: X ekseninde Açılan kanal Öçlüleri Şekil.9: X ekseninde Açılan kanallar Şekil.10: X ekseninde Açılan kanallardan ölçü alınması
3.2.2 Y Ekseni Doğruluk Kontrolü: Y ekseninin doğruluk kontrolü için Şekil 11 deki ölçülere göre Şekil 12 de görülen 3 adet kanal açılmıģ ve Şekil 13 de görüldüğü gibi ölçüleri alınmıģtır, ölçüm sonuçları Tablo 1 de verilmiģtir. Şekil.11: Y ekseninde Açılan kanal Öçlüleri Şekil.12:Y ekseninde Açılan kanallar Şekil.13: Yekseninde Açılan kanallardan ölçü alınması 3.2.2 XY Ekseni Doğruluk Kontrolü: XY ekseninin doğruluk kontrolü için Şekil 14 deki ölçülere göre Şekil 15 de görülen 3 adet kanal açılmıģ ve Şekil 16 de görüldüğü gibi ölçüleri alınmıģtır, ölçüm sonuçları Tablo 1 de verilmiģtir. Şekil.14: XY ekseninde Açılan kanal Öçlüleri Şekil.15:XY ekseninde Açılan kanallar Şekil.16: XYekseninde Açılan kanallardan ölçü alınması 4.Bulgular ve Tartışma: Eksenlerin yataklanmasından, ortam koģullarından vb sebeplerden dolayı oluģan hatalar hesaplanmıģtır. Bu hatalar kullanılan malzemenin kalitesi, montaj Ģekli, en önemlisi Tasarımın doğru olması gibi etmenler değiģtirilerek azaltılabilir. Ġmalattan ve ortam koģullarından oluģan eksen hataları grafiklerle açıklanmaya çalıģılmıģtır. X eksenine ait grafik ve Y eksenine ait grafik Şekil 17 de görülmektedir. Şekil.17: X ve Y Ekseni KarĢılaĢtırılması Tablo1: XY ekseninde Açılan kanal Öçlüleri
5.Sonuçlar: Bu çalıģmada eğitim amaçlı masaüstü 3 eksen CNC freze tasarımı, prototip imalatı ve hassasiyet kontrolü yapılmıģtır. Tasarımda CNC router mantığında bir model geliģtirilmiģtir. Nasıl ve ne Ģekilde bir CNC freze imal edebiliriz? sorusunun cevabı verilmiģtir. CNC tezgahın kontrol eden step motorlar ve Kontrol Kartı piyasadan hazır olarak temin edilmiģtir.eksenler bilgisayar ortamında modellenerek lazer kesim tezgahlarından sac malzemeden kesilerek imal edilmiģtir. YapılmıĢ olan bu Masa Üstü CNC Freze Tezgahı ile ilgili parametreler doğrultusunda ağır metaller dıģındaki endüstriyel malzemeler üzerine istenilen her türlü form iģlene bilir.tezgahın 3 ekseninin de aynı anda hareket kabiliyeti olduğundan dolayı iģlenebilecek bu formlara serbest yüzey iģlemleri de dahildir. Ayrıca bu çalıģma düģük maliyetli ve baģarılı sonuçların alındığı bir çalıģma olması nedeniyle benzer çalıģmalara örnek olabilecek niteliktedir. 6.Teşekkür: Bu çalıģmada bilgilerini hiç esirgemeyen Elfatek Elektronik Ltd. ġti sahibi Süleyman CANAN A Atölye imkanları ve maddi destek sağlayan Alpinoks End. Mutfak ve Soğt. Sistemler San. Sahibi Mehmet KADIOĞLU ve Hasan KADIOĞLU na sonsuz teģekkürlerimi bir borç bilirim. 7.Kaynaklar: [1] Kaygısız, H., Eğitim amaçlı üç eksenli masaüstü cnc freze tasarımı ve prototipi, Yüksek Lisans Tezi, Karabük Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük, 46-56 (2010). [2] Kutlu, M., Üç eksenli masa tipi cnc freze tezgâhı tasarım ve imalatı, Yüksek Lisans Tezi, Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi,Fen Bilimleri Enstitüsü, Ġstanbul, 53-77 (2006). [3] BüyükĢahin, U., 3 Eksenli cnc tezgah tasarımı ve uygulaması, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ġstanbul, 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] Köbel oğlu, A., Eğitim amaçlı iki eksenli masaüstü cnc torna tasarımı ve prototipi, Yüksek Lisans Tezi, Karabük Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük, 90 (2011). [6] Ljungberg,L., Edwards,K., Design, Metarials and Marketing of Successful Products Metarials and Design 24 519-529 2003. [7] Art Soft Using Mach II Mill, (17.07.2011) http://www.machsupport.com/docs/mach3mill_6.11.pdf [8] Mamur,T., Yüksek Hızda ĠĢleme Ve Makine Mekaniği http://www.makineteknik.com/makale.asp?gorev=detay&id:25 2010