5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye 3 EKSENLİ YÜZEY İŞLEME TEZGÂHININ BİLGİSAYAR İLE KONTROLÜ COMPUTER AIDED CONTROL OF 3-AXIS SURFACE PROCESSING MACHINE A. Serkan UYANIK a İrfan ŞİMŞEK b İ.Nahit AYTAN c Mustafa ONAT d, * Hasan ERDAL e a Teknik Öğretmen İstanbul, Türkiye E-posta: serkan.uyanik@hotmail.com b Teknik Öğretmen İstanbul, Türkiye E-posta: isimsek@gmail.com c Teknik Öğretmen Kocaeli, Türkiye E-posta: inahit@gmail.com d*, e Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektronik Bilgisayar Eğitimi Bölümü İstanbul, Türkiye E-posta:monat@marmara.edu.tr, herdal@marmara.edu.tr Özet 3 eksenli bir NC yüzey işleme tezgâhına kontrol ve sürücü üniteleri eklenerek yeniden yapılandırılmıştır. Yüzey üzerinde istenen şeklin çıkarılmasında doğrusal ve dairesel interpolasyon hareketlerinin gerçekleştirilebilmesi için bir eksen sürücü algoritması geliştirilmiştir. G kodlarını kullanan görsel parça işleme yazılımı geliştirilerek algoritmaya uyarlanmıştır. Hava üfleme ünitesi ile bir kabin içerisine yerleştirilen tezgâh, endüstriyel bir CNC tezgâhına dönüştürülmüştür. Anahtar kelimeler: Yüzey İşleme Tezgâhı, Eksen Sürücü, SimCNC, G Kodu NC veya mekanik takım tezgâhlarının, CNC hale getirilmesi konusunda Türkiye de yapılan birçok akademik çalışma mevcuttur [1-5]. Bu çalışmada, önceki çalışmalardan farklı olarak, nesne yönelimli yazılım kullanılmıştır. CNC tezgâhının işleyişi ve kontrolünde yeni bir yöntem geliştirilerek özgün bir çalışma ortaya konmuştur. Üniversitelerde ve endüstri meslek liselerinde yapılabilecek benzeri çalışmalar için örnek bir CNC tezgâhı modeli oluşturulmuştur. Bilgisayarla kontrolü gerçekleştirilen yüzey işleme tezgâhı, dik işleme özelliğine sahip bir NC takım tezgâhıdır. Şekil 1. de Terco firmasına ait tezgâhın, CNC tezgâhına dönüştürülmeden önceki hali Abstract In this study, a 3 - axis NC surface processing workbench is renovated by adding together control and drive units. An axis drive algorithm is developed to implement linear and circular interpolation motions for constructing the desired shape on a surface. Also, a visual piece processing program using G codes is developed and embedded into the algorithm. The machine is located in a cabin with an added air blowing unit is converted into an industrial CNC machine. Keywords: Surface Processing Machine, Axis Drive, SimCNC, G code 1. Giriş Şekil 1. NC Takım Tezgâhı 2. CNC ye Dönüştürülen Yüzey İşleme Tezgâhının Tanıtımı CNC tezgâhlarının yüksek ücretlerde satılması, tezgâh üretim maliyetlerini düşürmek için yeni fikirlerin doğmasına neden olmuştur. Bu fikirlerin başında, klasik ve NC takım tezgâhlarının yeniden donatılarak CNC tezgâhına dönüştürülmesi gelmektedir. 80 li yıllardan itibaren dünya çapında yeniden donatım tesislerinin kurulması bu fikrin benimsendiğinin en önemli kanıtıdır. Türkiye de sanayi kuruluşlarımız tarafından şimdiye kadar NC ve mekanik tezgâhların dönüşümü ile ilgili bir çalışma, rapor edilmemiştir. Sanayi, daha çok CNC, tezgâh ve parçalarının ithal edilmesi ve üretilmesi konularına yoğunlaşmıştır. Şekil 2. CNC ye Dönüştürülen Takım Tezgâhı IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
Şekil 2. de gösterildiği gibi, CNC tezgâhının program girişini ve çalışmasını sağlayan bir PC, kontrol ünitesi olarak kullanılmıştır. 3 boyutlu parça işleme, bilgisayar tarafında yazılan nesne yönelimli bir program kodu ile gerçekleştirilmiştir. CNC yüzey işleme tezgâhına ait genel blok diyagramı Şekil 3. de gösterilmiştir. Kontrol Ünitesi (PC) Sürücü Ünitesi Tezgâh Ünitesi CNC Kontrol Yazılımı (SimCNC) PC Paralel port Sürücü Devreleri ve Güç Ünitesi Eksen Adım Motorları ve İşleyici Kafa Motoru Şekil 5. Malzeme Üzerine İşlenen Daire İçinde R Harfi 3. CNC Tezgâh Yüzey İşleme Algoritmaları Şekil 3. CNC Tezgâhı Genel Blok Diyagramı Diyagramın en sağında, 3 eksenli hareketi sağlayan adım motor ve redüktörleri ve üzerinde işleyici kafa (DC motor) ile şekillendirme işlemlerini gerçekleştiren tezgâh ünitesi yer almaktadır. Eksen motorlarını kontrol etmek üzere, L298 ve L297 yongaları ile tasarlanan sürücü devreleri için güç devresi tasarlanmıştır. CNC kontrol yazılımının görsel ara yüzü, Visual BASIC 6.0 programlama dilinde yazılmıştır. G kodlarını çözen algoritmalar görsel ara yüzün içersine yerleştirilmiştir. Programın, sürücü ünitesi ile haberleşmesi PC paralel portu üzerinden gerçekleştirilmiştir. Görsel ara yüze çıkartmak istediğimiz modelin G kod dosyası, dosya menüsünden eklenerek ölçekli ekranda modellemesi görüntülenir. Şekil 5. de gösterilen parça işlenirken, Şekil 4. de gösterildiği gibi, seçilen koordinatlara göre tezgâh hareketleri ve işleyici kafa hareketi ekranda anlık simüle edilebilmektedir. Bir yüzey işlemede tüm şekiller, lineer ve dairesel interpolasyon algoritmaları ile elde edilebilir. 3.1. Doğrusal Hareketlerin Oluşturulması Bu harekette, işleyici kafa, bir noktadan başka bir noktaya doğrusal olarak hareket ettirilir. G00 ve G01 kodları doğrusal hareket yaptıran komutlardır. Aralarındaki tek fark; G00, işleyici kafanın talaş kaldırmadan bir noktadan diğer bir noktaya en hızlı şekilde taşınmasını sağlar. SimCNC programında doğrusal hareket, işleyici kafanın en son bulunduğu koordinat (x) ve gideceği hedef koordinat (y) arasında uygulanan basit bir pisagor bağıntısı ile hesaplanmıştır. Burada ilk bulunan koordinat A(X1,Y1) ve varılacak hedef koordinat B(X2,Y2) olduğun, bu iki nokta arasındaki uzaklık AB dir. X 2 X1 2 Y 2 Y1 2 AB (1) X 2 X1 X yön AB (2) Y yön Y 2 Y1 (3) AB Yazılımda her çevrimde (2) deki denklem oranında x ( X yön ) ve (3) deki denklem oranında y( Y yön ) eksenleri hareket eder. Şekil 6. da görüldüğü gibi, tezgâh eksenleri ya da işleyici kafa hedef koordinatına götürülür. B(X2,Y2) AB X2 X1 2 Y2 Y1 2 Y2-Y1 Şekil 4. Tezgâh İşlemi Esnasında Daire İçinde R Harf Simülasyonu A(X1,Y1) X2-X1 Şekil 6. Doğrusal Hareketin Analizi
3.2. Dairesel Hareketin Oluşturulması Dairesel hareket, belirtilen hız ve yörüngede ( G02 saat yönünde veya G03 saat yönünün tersi yönde), takım tezgâhının talaş kaldırarak hareket ettirilmesidir [6]. Dairesel hareket oluşturulurken, yayın, başlangıç, bitiş ve merkez koordinat değerleri girilir. Koordinat değerleri, G02 veya G03 komut blokları içersinde operand olarak belirtilir. θ açı değeri, bsl. acisi bts. acisi şartıyla döngü içersinde 1 er derece arttırılır. Talaş kaldırma işlemi, döngü içinde kullanılan circle komutu ile çizim ekranında simüle edilir. Şekil 8 de, simülasyon sonucu ekranda oluşturulan yay şekli Örneğin: G00 X80 Y40 G02 X95 Y20 z - 5 i - 20 j - 30 G00 komutu işleyici kafayı, doğru düzleminde, talaş kaldırmadan, en hızlı şekilde, A noktasına hareket ettirir. Bir sonraki komut bloğunda G02, A ve B noktaları arasında merkez koordinatı M olan bir yay çizer. Şekil 7 de, verilen kod bloklarının, grafik ekranı üzerindeki simülasyonu A(80,40) Şekil 8. Dairesel Hareketin Analizi M(95-20,40-30) B(95,20) 3.2.2. Dairesel Hareketin Makinenin Anlayabileceği Hale Getirilmesi Yazılımda dairesel hareket, doğrusal parçalara ayırma yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemde dairesel hareket (G02), birçok doğrusal hareketin (G01) birleşiminden meydana gelir [7]. Şekil 9 da, yayı oluşturan doğrusal parçalar Şekil 7. Örnek Dairesel Hareket Çizimi Dairesel hareketin oluşturulması, iki başlık altında ele alınmıştır. Bunlardan ilki, dairesel hareketin ekran üzerinde oluşturulması yani simülasyonun gerçekleştirilmesi, ikincisi ise oluşturulan dairesel hareketin makinenin anlayabileceği koda dönüştürülmesidir. 3.2.1. Dairesel Hareketin Ekranda Simüle Edilmesi Dairesel hareketin grafik ekranda simülasyonu için öncelikle, yayın başlangıç ve bitiş açıları ile yay ve parçasının yarıçap değerleri hesaplanır. Örneğin: G00 X1 Y1 G02 X2 Y2 i a j b Program parçasından yayın X1, Y1 noktasından başlayarak X2, Y2 noktasına kadar çizileceği ve çizilecek yayın merkez koordinatının X1 a, Y1 b olduğu anlaşılır. 2 2 Yay yarıçapı; r i j (4) Yayın başlangıç açısı; 1 i Bsl. Acisi tan (5) j 1 X 2 X1 İ Yayın bitiş açısı; Bts. Acisi tan (6) Y 2 Y1 J denklemlerinde, verilere göre istenen değerler hesaplanır. Şekil 9. Doğrusal Parçalara Ayırma Yöntemi 4. Motor Hareketlerinin Gerçekleştirilmesi Motor hareketleri iki aşamada gerçekleştirilir. Birinci aşamada CNC komut blokları yazılım ekranında simüle edilir ve hareket değerleri hesaplanır. Hesaplanan değerler bir dizi değişkenine atanır. İkinci aşamada sürücü ünitesine gönderilecek işaret değerleri oluşturulur. Bu aşamada kullanılmak üzere hareket fonksiyonları geliştirilmiştir. Hareket fonksiyonu; parametre olarak dizi değerlerini alır, işler ve paralel arabirim bellek adreslerine atanacak değerleri hesaplar. Bellek değerleri, paralel port pinlerinin çıkış gerilimlerini (0V veya +5V) belirler. Bu şekilde her sürücüye ait enable, clock, cw/ccw, half/full girişleri aktif veya pasif yapılır. Gerçekleştirilen hareket fonksiyonları şunlardır: En küçük ortak kat (EKOK)
En büyük maksimum hız (EBMH) 4.1. EKOK Yöntemi Yöntemde öncelikle parametrelerin EKOK değeri hesaplanır. Daha sonra tüm parametreler EKOK değeri ile oranlanarak fonksiyon içersinde işlenir. İşlem sonucunda paralel port adreslerine atanacak onluk sayılar, motor darbe işaret sürelerini, başka bir ifade ile hızlarını belirler. 4.2. EBMH Yöntemi Parametrelere, büyük değerli asal sayılar verildiğinde, EKOK sonucu çok büyük çıkmaktadır. EKOK değeri yükseldikçe, eksen motorları daha yavaş hareket etmektedir. Bu nedenle, EBMH hareket algoritması hız problemini çözmek amacıyla geliştirilmiştir. Bu yöntemde, adım sayıları, eksen motor hızlarıyla doğru orantılıdır. Yöntemin çalışma prensibi, en büyük adım değerine sahip eksende, en hızlı hareketi gerçekleştirmek, diğer eksen hızlarını darbe sayıları oranında en hızlı eksene göre ayarlamaktır. 4.3. EKOK ve EBMH Yöntemlerinin Karşılaştırılması Paralel arabirim ile sürücü ünitesi arasında gerekli bağlantılar gerçekleştirilerek, eksenlerin darbe değerleri (xd, yd ve zd), motor sürücülerinin aktif veya pasif olma durumları (xa, ya, za) arabirim bitleri üzerinden eksen sürücülerine bildirir. Hareket fonksiyonunda her bir sürücü için arabirime gönderilecek bir ve sıfır veri bit adetleri hesaplanır. Her bir sürücü için hesaplanan veriler, arabirim çıkışlarında uygun sırada bir araya getirilir. Birleştirme sonucu elde edilen ikilik sayı, onluk sisteme çevrilir. Onluk sistemdeki sayı arabirim bellek adreslerine atanarak, tezgâh hareketi gerçekleştirilir. Hareket fonksiyon parametre değerleri; x, y ve z eksenleri için 4, 3, 2 seçilir. Hareket fonksiyonu, hem EKOK hem de EBMH yöntemleri ile çalıştırılır. Şekil 10. da EKOK yöntemi kullanılan fonksiyona ait çıkış değerleri No Sayı xd yd zd xa ya za 1 63 1 1 1 1 1 1 2 56 0 0 0 1 1 1 3 56 0 0 0 1 1 1 4 60 0 0 1 1 1 1 5 58 0 1 0 1 1 1 6 56 0 0 0 1 1 1 7 61 1 0 1 1 1 1 8 56 0 0 0 1 1 1 9 58 0 1 0 1 1 1 10 60 0 0 1 1 1 1 11 56 0 0 0 1 1 1 12 56 0 0 0 1 1 1 Toplam Darbe Sayısı = 12 Şekil 10. EKOK Yöntemi Fonksiyon Çıkış Bilgileri No Sayı xd yd zd xa ya za 1 63 1 1 1 1 1 1 2 56 0 0 0 1 1 1 3 57 1 0 0 1 1 1 4 58 0 1 0 1 1 1 5 57 1 0 0 1 1 1 6 60 0 0 1 1 1 1 7 59 1 1 0 1 1 1 8 56 0 0 0 1 1 1 Toplam Darbe Sayısı = 8 Şekil 11. EBMH Yöntemi Fonksiyon Çıkış Bilgileri EKOK yönteminde fonksiyon parametreleri işletilir ve toplam darbe sayısı (EKOK) 12 bulunur. EBMH yönteminde bir referans değer belirlenir. Referans, adımların mutlak değerinin en büyüğüne eşittir. Bu örnekte referans değer 4 tür. Tezgâh hareketi, referans değerin 2 katı adımda gerçekleşir (8 adım). Bunun nedeni bir adımlık hareket için iki farklı sinyal (bir ve sıfır darbe) işareti kullanılmasıdır. Örnek adım değerlerine göre tezgâh, EKOK yönteminde 12, EBMH yönteminde ise 8 adımla hareketini tamamlar. EBMH yöntemi EKOK yönteminden %50 oranında daha hızlı çalışır. Parametreler büyük değerli asal sayılar seçildiğinde, iki yöntem arasındaki hız farkı daha da artar Yani, EBMH tezgâhı daha hızlı hareket ettirir. 5. Örnek Uygulamalar Bu kısımda, tasarlanan ve CNC tezgâhında işlenen bazı örnek çalışma parçaları örnek uygulama olarak verilmiştir. 5.1. Eskrim Eskrim program dosyası, yaklaşık 7 A4 sayfası uzunluğunda kod bloğundan oluşur. Bu kod bloklarında yalnızca G00 ve G01 hareket fonksiyonları yer alır. Şekil 12. Eskrim Simülasyonu Şekil 12. da ki çizime ait kodların yazılımda çözümlenerek işletilmesi sonucu, malzemenin işlenmiş hali Şekil 13. de Şekil 11. de EBMH yöntemi kullanılan fonksiyona ait çıkış değerleri
Şekil 13. Malzeme Üzerine İşlenen Eskrim Şekli 5.2. Marmara Üniversitesi Logosu Marmara Üniversitesi Logosu CNC program dosyası, yaklaşık 7 A4 sayfası uzunluğunda kod bloğundan oluşur. Bu kod bloklarında yalnızca G00 ve G01 hareket fonksiyonları yer alır. Şekil 16. Kül Tablası Simülasyonu Şekil 16. da ki çizime ait kodların yazılımda çözümlenerek işletilmesi sonucu, malzemenin işlenmiş hali Şekil 17. de Şekil 17. Malzeme Üzerine İşlenen Kül Tablası Şekli Şekil 14. Marmara Üniversitesi Logo Simülasyonu Malzemenin işlenmiş hali Şekil 15 de 5. Sonuç Bu çalışmada yüzey işleme tezgâhının sürücü ünitesi, kontrol panosu ve kontrol yazılımı yeniden tasarlanmıştır. NC takım tezgâhı ile tam bir koordinasyon sağlanmış ve iş parçasını işleyebilen bir CNC tezgâhı gerçekleştirilmiştir. İki farklı eksen sürücü algoritması geliştirilerek karşılaştırılmışlardır. Geliştirilen yazılımla şekil tasarımı, iş parçasının işlemi ve işlem simülasyonu başarılı sonuçlar vermiştir. Sonuç olarak, takım tezgâhlarının CNC ye dönüşümünde örnek teşkil edebilecek bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Kaynaklar Şekil 15. Malzeme Üzerine İşlenen Marmara Üniversitesi Logosu 5.3. Kül Tablası Kül Tablası CNC program dosyası, yaklaşık 2 A4 sayfası uzunluğunda kod bloğundan oluşur. Bu kod bloklarında yalnızca G00 ve G01 hareket fonksiyonlarını yer alır. [1] Pişkin, B. Klasik bir Torna Tezgâhının CNC ye Dönüştürülmesi ve CNC Tezgâh için Hassas Kızak Tasarımı, Yüksek Lisans Tezi, Dumlupınar Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, Kütahya, 4. 1996. [2] Özdeveci, M., Eğitim Tipi CNC Frezesinin Tasarımı ve İmalatı, Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, 1, 76-79, 86-87, 121, 2001 [3] Polat, H.: Klasik NC Tezgahlarının CNC Tezgahlarına Dönüştürülmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, Türkiye, (1998) 38.
[4] ŞAHBAZ, C., Konvansiyonel FU-400 Freze Tezgâhının CNC Kontrollü Freze Tezgahına Dönüştürülmesi, Yüksek Lisans Tezi, Erciyes Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, Kayseri, 1998. [5] Üstün, O., NC Bir Takım Tezgâhının CNC Bir Takım Tezgâhına Dönüştürülmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, 36-37, Ankara, 1999 [6] Ergün, M. CNC Sayısal Kontrollü Tezgâhlar ve Programlama Prensipleri, Mercan Ofset Ambalaj San. Tic., 1-3. İzmir, 2004. [7] Gülesin, M; Güllü, A. Avcı, Ö. Akdoğan, G., Cnc Torna ve Freze Tezgahlarının Programlanması (Fanuc), Asil Yayın Dağıtım Ltd. Şti., 3, İstanbul,. 2005.