Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 12-3 (2008),217-222 Elektroerozyon Tezgâhları İçin Geliştirilen PLC Tabanlı Divizör İsmail COŞKUN 1, Mehmet Fatih IŞIK 2* 1 Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Elektrik Eğitimi Bölümü Teknikokullar / ANKARA 2 Hitit Üniversitesi Çorum Meslek Yüksekokulu Merkez / ÇORUM Alınış tarihi:09.01.2007,kabul tarihi: 14.11.2008 Özet: Bu çalışmada, elektroerozyon tezgâhları için bilgisayar kontrollü yeni bir divizör modeli geliştirilerek, elektroerozyon tezgâhlarında kullanılması amaçlanmıştır. Daha çabuk ve hatasız ölçümler yapmak için klasik divizör mekanizmasında bulunan yardımcı elemanlar kaldırılarak bunların yerine başka araçlar kullanılmıştır. Bu işlem için bilgisayar kontrollü bir divizör tasarlanıp imal edilmiştir. Sistem için servomotor sürücüsü, PLC ve bilgisayar programı arayüzü geliştirilmiştir. Sistemde kullanılan servomotor 36/1000 oranında bölme işlemi yapabilmektedir. Böylece mekanik olarak çalışan divizör, bilgisayar kontrollü divizör haline dönüştürülerek, doğrusal ve açısal bölüntülerin yapılmasında zorunlu olan bir takım hesaplamaların basitleştirilmesi sağlanmış ve dişli çark mekanizması ortadan kaldırılmıştır. Geliştirilen divizör, prototip elektroerozyon tezgahında kullanılmış ve amaç doğrultusunda başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Dalma Erezyon, Servo Motor, Servo Kontrol, EDM Tezgâhı, Divizör Kontrol The Development of A PLC Based Dividing Head For Electrical Discharge Machining Abstract: The aim of this study is to develop a computer controlled new divisor model for electroerosion machine tools and use it in electroerosion machine tools. To make more accurate and quick measurements, auxiliary elements found in traditional divisor mechanism were removed and other tools were used instead. For this process, a computer controlled divisor was designed and built. A servomotor driver, PLC, and computer program interface were designed for the system. The servomotor used in the system can make division process at 36/1000 ratio. Thus, mechanically working divisor is transformed into a computer controlled one, and enabled simplification in some essential calculations required for linear and angular divisions and cogwheel mechanism is removed. The developed divisor was used in prototype electroerosion machine tools and successful results were obtained for the purpose. Keywords : Sinker EDM, Servo Motors, Servo Control, EDM, Dividing Control Giriş Endüstriyel imalat yöntemleri genel olarak Malzeme İşleme ve Şekillendirme olmak üzere iki grupta toplanabilir. Malzeme işleme yöntemleri de Alışılmış İmalat Yöntemleri ve Alışılmamış İmalat Yöntemleri olarak iki gruba ayrılır (Erden, 2000). Günümüzde elektroerozyon ile işleme (EDM - Electrical Discharge Machining) yaygın olarak kullanılan ve alışılmamış bir işleme yöntemidir. Özellikle CNC ve benzeri tezgâhlarda yapılması zor olan parçaların, çok sert malzemelerin ve karmaşık biçimlerin kolaylıkla işlenebilmesi bu yöntemin kullanım alanını genişletmiştir (Uzun ve Erişken,2003; Halkacı, 2002; Ekmekçi vd., 2005 a,b). Elektroerozyon tezgâhında, kontrollü elektrik arklarıyla talaş kaldırılır. Her bir ark iş parçası üzerinde küçük bir krater meydana getirir. Arkın sürekli dolaşmasıyla şablonun şekli karşı tarafa geçirilir. Klasik tezgâhların aksine bu teknikle sertleştirilmiş parçalar ve sert maden uçlar kolaylıkla işlenebilir (Doval-Gandoy vd, 2005). Bu özellik, tezgâha çok önemli bir uygulama sahası açmaktadır. Elektroerozyon tezgâhının önemli bir avantajı da kesme kuvvetinin olmamasıdır (FurkanMakine Sanayi, 2000). Şekil 1 de Dalma elektroerozyon tezgâhının çalışma prensibi verilmiştir ( Kachharv ve Shah, 1971 ) Şekil 1. Dalma EDM elemanlarının fiziksel olarak gösterimi Elektroerozyon işlemi, özellikle, uzay malzeme ve alaşımları, iletken malzemeler ve süper tok olan malzemelerin işlenmesinde başarılı olarak kullanılmaktadır. Özellikle işlenmesi zor veya imkânsız olan karmaşık şekilli parçaların işlenmesi bu işlemle rahat bir şekilde yapılmaktadır. Bu kesme işlemi imalat sanayinde sürekli artan bir şekilde kullanılmaktadır. Bu metot, plastik sanayinde de çelik kalıplar, ekstrüzyon kalıplar içinde kullanılmaktadır (Şahin, 2001). Bu çalışma ile, dalma elektroerozyon tezgahları için bilgisayar kontrollü yeni bir tip divizör geliştirilerek, elektroerozyon tezgahlarında kullanılması amaçlanmıştır. * ifatih@gazi.edu.tr 217
İ. COŞKUN, M.F. IŞIK Bu çalışma için istenilen uzunlukta ve çapta işlem yapılabilmesi amacıyla mekanik aksam tasarımı yapılmış ve bu işlem bir AC servo motora adapte edilerek hareket sistemi sağlanmıştır. İstenilen eksen hareketlerini gerçekleştirebilmesi için PLC tabanlı bir yazılım geliştirilerek uygulama tamamlanmıştır Mekanik Aksamın Tasarımı ve Adaptasyonu Elektroerozyon tezgâhlarında kullanılmak üzere C ekseni olarak bilinen eksene, divizör tasarımı yapılarak monte edilmiştir. C Eksen hareketi için tasarlanan mekanik aksama ait tasarım şekilleri aşağıda verilmiştir. Buna göre C ekseni için yataklama ve hareket plakaları kullanılmıştır. Ayrıca hareket aktarımı için servomotor miline bağlamak için GS 14 Rotex marka kaplinler işlenerek motora uygun ölçülere getirilerek adaptasyonu sağlanmıştır. Mekanik aksam ve servo motorların montajı için gerekli ölçüler alındıktan sonra işleme için Autocad programı kullanılarak çizimler yapılmıştır. Şekil 2. Divizör tasarımı Punta Alt Plaka Ayna Kaplin Şekil 3. C Ekseni için punta, divizör ve servo bağlantı çizimi Servo Motor C ekseni hareketi için kullanılan divizör sistemini taşıyacak olan tezgah aynası üzerinde monte edilen 15 mm lik alt tabla plakası oluşturulmuştur. Dönme hareketini sağlayacak olan servomotor ile divizör mekaniğinin adaptasyonunu sağlayacak olan kaplin bağlantısı gerçekleştirilmiştir. Servomotorun mil çapı 14 mm olarak ölçülmüş ve buna göre sistem tasarlanmıştır. Şekil 5. Mekanik aksam servo bağlantı görünümü Servo Kontrol Ünitesi Teknolojideki hızlı ilerleme, makinelerin daha hassas ve hızlı tahrik üniteleri ile donatılmasını gerekli kılmaktadır. Son yıllarda alışılagelmiş tahrik sistemlerinin yerini programlanabilme ve hassas hareket kontrolü uygulanabilme özelliklerinden dolayı servo ve adım motorlar almaya başlamıştır (Şahbaz, 2007). Servo motorlar, yüksek hassasiyet ve tork kapasiteleri nedeniyle otomasyon uygulamalarında tercih edilmektedir. AC servo motorlar mikro işlem teknolojisindeki hızlı ilerlemenin bir sonucu olarak ortaya çıkmıştır. Servo motorlar kendi içyapıları ve sürücülerinden dolayı, hassas bir şekilde konumlandırma yapabilirler. Fırçasız yapıları ile bakım masrafının ortadan kalkması ve yüksek hız kapasiteleri belirgin özellikleridir. Servo motorlar temel olarak DC servo motorlar ve AC servo motorlar olarak ikiye ayrılır. AC servo motorlar da kendi içinde senkron ve indüksiyon olarak iki tiptir. Senkron motorlar yapıları itibariyle indüksiyon motorlarına benzemekle birlikte, rotor yapısı nedeni ile rotoru aynı hızda senkron bir şekilde dönebilmektedir (Şahbaz, 2007; Yaskawa, 2002) Tasarlanan divizör sistemi için Delta firmasının üretmiş olduğu Tablo 1 de gösterilen özelliklere sahip AC Servo motor ve aynı firmanın üretmiş olduğu AC servo sürücü kullanılmıştır. Tablo 1. AC Servo motorların teknik özellikleri ve sürücü tipleri Eksen C Gerilim (VAC- VDC) 220 AC Akım (A) Güç (W) Tork (Nm) Devir Sayısı (d/dk) Servo Motor Sürücü Tipi 1,8 400 1,27 3000 ASDA Tasarlanan sisteme ait blok diyagram Şekil 6 da gösterilmiştir. Şekil 4. Servomotor divizör bağlantısı Şekil 6. Divizör kontrolü için servo kontrol sistemi blok diyagramı 218
Elektroerozyon Tezgâhları İçin Geliştirilen PLC Tabanlı Divizör PC üzerinden gönderilen pozisyon bilgileri (Pulse) PLC aracılığı ile servo sürücüye gerçek zamanlı bilgi olarak gönderilmektedir. Servo sürücü pozisyon bilgisine göre (Pulse Miktarı) istenilen pozisyona hareket etmektedir. Bu sırada servo motora bağlı encoderden alınan gerçek zamanlı bilgi ile karşılaştırarak sürücünün karşılaştırma yapmasına imkan sağlamaktadır. Servomotorların genel çalışma sistemine ait blok diyagram ise Şekil 7 de gösterilmiştir (Coşkun ve Işık, 2004). q Giriş + Servomotor - q Çıkış Şekil 7. Servomotor çalışma sistemi blok diyagramı Pozisyon kontrolü aşamasında pozisyon açısı θ, istenilen pozisyon açısı θ olarak ele alınırsa sürücü devrenin bu aşamada üreteceği sinyalin büyüklüğü açı olarak Δ θ = θ - θ olur (Hoang ve Hamdi, 1993). Tasarımda kullanılan AC servo motor üç faz yada tek faz olarak kullanılabilmektedir. Çalışma durumuna bağlı olarak birisi kullanılabilmektedir. Bu çalışmadan tek faz kullanılarak ona göre bir bağlantı yapılmıştır. Bu bağlantı Şekil 8 de gösterilmiştir (Delta, 2002). Şekil 9. Sürücü giriş sinyali bağlantısı Sürücü girişi ile PLC çıkışı (DI-DO) arasındaki bağlantıdaki uyumsuzluk nedeniyle (PNP-NPN uyumsuzluğu) ara kart olarak ULN2003 entegresi kullanılmıştır. Şekil 10. Servo sürücü PLC ara bağlantı şekli (ULN devre şeması) Şekil 8. Tek faz bağlantı şekli Sürücü üzerinde yer alan U-V-W uçları servo motora bağlanmış, L1-R ve L2-S uçarı kısa devre edilerek tek faz bağlantısı tamamlamıştır. Servo sürücüleri sistemi koruma amacı ile 6A lik sigortalar kullanılmıştır. PLC ve servo sürücünün devreye girme sırasını belirlemek ve koruma amacı ile kontaktörler kullanılmıştır. Sürücü ve PLC için 24V luk güç kaynağı eklenmiştir. Servo sürücüden alınan bilgileri bilgisayar aktarmak için Nais PLC kullanılmıştır. Şekil 11. Servo sürücü çıkış sinyali bağlantısı 219
İ. COŞKUN, M.F. IŞIK Şekil 12. Hız-Tork ilişkisi sisteme USB port dan iletişim sağlamaktadır. Bilgisayardan gönderilen veriler öncelikle PLC üzerinden sisteme aktarılmaktadır. PLC in dijital çıkışlarına gönderilen puls büyüklüklerine göre sürücü, motorun yazılımda belirtilen birim kadar gitmesini sağlamaktadır. Aynı zamanda sistemden alınan bilgiler yine PLC in dijital girişleri üzerinden bilgisayar aktarılmaktadır. Yazılım yüklenmesi ile birlikte öncelikle denetim görevini yerine getirmek zorundadır. Denetim aşamasında PLC yada sürücü devrelerde herhangi bir sorun olması durumunda sisteme enerji verilmemektedir. Sorun olmaması durumunda divizöre ait pozisyon değeri girilerek sistemin çalışması sağlanmaktadır. Geliştirilen PLC yazılıma ait program Şekil 15 de gösterilmiştir. Şekil 12 de görüldüğü gibi sürücüye gönderilen puls miktarına ve gideceği pozisyon durumuna göre servo motor önce hızlanmakta daha sonra sabit bir hızda dönmektedir. İstenilen pozisyona yaklaştığında hızın azalmasına bağlı tork büyüklüğü de azalmaktadır. Şekil 15. C eksen hareketi için PLC programı Geliştirilen PC yazılıma ait akış şeması Şekil 16 da gösterilmiştir. Şekil 13. Servo motora belirli aralıklarla yükleme durumuna bağlı olarak tork grafiği Geliştirilen sürücü devreye ait fotoğraf Şekil 14 de gösterilmiştir. BAŞLA PLC Devredemi E Sürücü Devredemi E H H C pozisyon bilgisi İşlem Tamamlandı mı? H Şekil 14. Servo kontrol ünitesi Bilgisayar Yazılım Kurulumu Bilgisayar yazılımı Visual Basic programında geliştirilmiştir. Yazılım bir paket haline getirilmiş olup istenilen bilgisayara kolayca kurulabilmektedir. Yazılım E DUR Şekil 16. PC yazılımı akış diyagramı Hata Bildirimi 220
Elektroerozyon Tezgâhları İçin Geliştirilen PLC Tabanlı Divizör Ra (µm) 6 5 4 3 2 1 0 40 60 80 Aralık Voltajı (V) 5 Amper 15 Amper 25 Amper Şekil 17. PC yazılımı arayüzü PLC, bilgisayardan alınan veriler sayesinde doğrusal ve açısal bölüntüleri otomatik olarak yapabilecek şekilde üretilmiştir. Açısal değerler için bilgisayarda C eksenine ait alana açı cinsinden değer girmek yeterlidir. Başlangıç değeri butonuna basıldığında servo motor referans olarak kabul edilen (home) noktaya gelmektedir. Arayüzde ayrıca sürekli hareket butonu bulunmaktadır. Bu butona basıldığında C ekseni alanındaki değere bağlı olarak sürekli bir hareket de sağlanabilmektedir. Bu durumda divizör klasik bir torna tezgâhı gibi çalışması sağlanabilmektedir. Deneysel Sonuçlar Geliştirilen elektroerozyon ile işleme yönteminin iş parçası üzerine çeşitli işleme parametrelerinde, bakır elektrot kullanarak uygulanması sonucu oluşan yüzey pürüzlülüğü araştırılmış ve bulunan sonuçlar grafiksel olarak gösterilmiştir (Şekil 19). Elde edilen değerler klasik işleme ile karşılaştırılmıştır. Şekil 18. Silindirik bakır elektrot ile elde edilen yüzey tornalama resmi Şekil 18 de C eksenine bağlı iş parçası ve silindirik bakır elektrotla yapılan işleme resmi gösterilmektedir. Dielektrik sıvı olarak kullanılan motorin yandan püskürtme ile yapılmaktadır. Şekil 19. Farklı aralık voltajına göre oluşan yüzey pürüzlülük değerleri Şekil 19 değerlendirildiğinde iş parçası yüzey pürüzlülük değerleri (Ra), aralık voltajı ve boşalım akımının artmasıyla artmaktadır. Böylece iş parçası yüzeyinde daha büyük kraterler oluşmaktadır. Daha büyük kraterler ise yüzey pürüzlülük değerinin artmasına neden olmaktadır. Elektroerozyon yöntemi ile işleme uygulamalarında, yüzey pürüzlülüğünü en iyi duruma getirmek için yapılacak deneylerde kontrol paneli üzerinde bulunan frekans ayarı maksimum noktaya getirilmeli, vurum süresi düşük tutulmalı ve boşalım akım düşük tutulmalıdır. Bu şartlar ile yapılan işlemlerde yüzey pürüzlülük değeri daha iyi sonuçlar vermektedir. Tartışma ve Sonuç Klasik elektroerozyon sistemleri daha çok kalıp imalat işlerinde kullanılan ve genellikle bir yönlü hareket kabiliyeti olan sistemlerdir. Bu sistemler yağ dolu bir kap içerisinde bulunan işlenecek bir parça ile aynı ortamda bulunan kalıp parçasının (master kalıp) bir yönlü hareket ile teması sırasında geçen akımın meydana getirdiği elektrik arkı sonucu, master parçanın işlenecek parçadan talaş kaldırması (aşındırması) işlemidir. Bu sistemin olumsuz bir özelliği işlenecek parçalarda yüzey işlemleri yapabilme özelliğinin bulunmamasıdır. Klasik divizör sistemlerinde, işlenecek parça aynaya bağlanarak iş parçasının diğer ucu bir punta ile sıkıştırılmaktadır. Bu şekilde iş parçası sabitlenmektedir. Aynaya bağlı bir çevirme kolu ile iş parçasının ne kadar döndürüleceği belirlenir. İstenilen açısal bölme işlemleri için delikli divizör aynası bir çevirme kolu el ile döndürülmektedir. Bu işlem, açısal değerler değiştikçe tekrarlanmaktadır. Bu işlem sırasında ileri yada geri dönme işlemlerinde hatalı çevrim söz konusu olmaktadır. Geliştirilen AC servo motor tahrikli, PLC tabanlı bilgisayar kontrollü divizör sisteminde Visual Basic programı kullanılarak geliştirilen kullanıcı arayüzü ile her bir açısal ilerleme eksiksiz ve otomatik olarak yapılmaktadır. Ayrıca klasik divizör sistemlerinde işlem tamamlandıktan sonra tezgâh için Z ekseni durdurulmakta ve divizöre bağlı döndürme kolu açısal değere göre tekrar el ile döndürülmektedir. Bu işlem, işleme sayısına bağlı olarak tekrarlanmaktadır. Tasarlanan sistemde ise açısal 221
İ. COŞKUN, M.F. IŞIK işlem malzemenin tamamı işleninceye kadar devam etmektedir. Kullanıcı isteğine bağlı olarak divizöre bağlı AC servo motor 36/1000 oranında sürekli olarak da dönme işlemi yapabilmektedir. Klasik divizörde her bir işleme için yapılan işlem bu sistemde işlem tamamlanıncaya kadar devam eder. Böylece kullanıcı malzeme işlemi için hem zaman kazanmış olur hem de açısal bölüntüleri tam ve otomatik yapmış olur. Klasik divizör sistemlerinde divizör sistemi için bir takım yardımcı mekanik aksama ihtiyaç gösterirken, geliştirilen sistem sayesinde mekanik ihtiyaçlar minimum seviyeye indirgenmiştir. Ayrıca geliştirilen divizör hareketi ile işlenecek malzeme aynı zamanda tornalama sistemi içinde uygun bir yapıya sahip olmuştur. Gelişen imalat sektörlerinde, tornalama işlemleri sırasında karşılaşılan sorunlardan birisi, kesici çakı ile işlenen yüzey arasında ısınma meydana gelmekte ve bu durum da işlenen parçanın yüzey sertleşmesine sebep olmaktadır. Diğer bir durum ise eğer işlenen parçanın çapı küçük ve boyu uzun ise böyle bir paçanın tornalanması zordur. Dahası aynı şartlarda işlenen parça yumuşak bir malzeme ise klasik tornalama yöntemiyle de bu tip malzemelerin tornalama işlemi yapılamamaktadır. Ayrıca yukarıda ifade edilen bu olumsuzlukların ötesinde bu tip tornalama işlemlerinde işlenen parçalarda yüzey pürüzlülüğü meydana gelmekte ve bu durum da imalat kalitesini düşürmektedir. Bu çalışmayla geliştirilen divizör sistemi ile, işlenecek parçayı eksiksiz ve otomatik olarak hareket sağlama yeteneğine sahip, tornalama elektrik akımı geçişiyle meydana gelecek elektrik arkıyla talaş kaldırma yöntemine göre çalışacağı için işlenen parçada yüzey sertleşmesi, küçük çaplı ve uzun boylu ve yumuşak malzemelerin işlenememesi gibi bir sorun meydana gelmeyecektir. Bu özellikleri ile geliştirilen divizör sistemi elektroerozyon yöntemiyle tornalama işlemi yapacağından, alanında ilk ve yeni bir yöntem ve sistem olacak ve gelişen imalat sanayinin karşılaştığı bu tip problemlerin giderilmesine katkı sağlayacaktır. Kaynaklar Coşkun, İ., Işık, M.F. 2004. Posıtıon And Speed Control Of Servomotor Usıng Mıcrocontroller. Gazi Üniversity. Journal of Science, Cilt 17, Sayı 3,115-125. Delta. 2002, AC Servo System ASD-A Series User s Manual, Delta Electronics Incorporation. Doval-Gandoy, J., Pasandin, R., Fernandez, B. 2005. Sharpened of saw blades by electrical discharge Machining, Industrial Electronics Society, IECON 2005. 32nd Annual Conference Of IEEE., 6-10 Nov. Page(s):5 pp. Ekmekçi, B., Elkoca, O., Tekkaya, A. E., Erden, A., 2005a. Residual Stress State and Hardness Depth in Electric Discharge Machining: De-ionized Water as Dielectric Liquid. Machine Science and Technology, Vol. 9, pp. 39 61. Ekmekçi, B., Elkoca, O., Erden, A. A. 2005b. Comparative Study on the Surface Integrity of Plastic Mold Steel due to Electric Discharge Machining. Metallurgical and Materials Transactions B, Vol. 36B, pp. 117 117. Erden, A. 2000. Alışılmamış İmalat Yöntemleri, Atılım Üniversitesi Mekatronik/Üretim Mühendisliği Bölümü Ders Notları. Furkan Makine Sanayi. 2000 Elektroerozyon Tezgahları Temel Bilgiler Kılavuzu, Ankara. Halkacı, S, H. 2002. Elektroerozyon (EDM) İle İşlemede Yarı Küresel Uçlu Genel Amaçlı Elektrodların kullanılabilirliğini Araştırılması, S.Ü.Bilimsel Araştırma Projesi, Konya, Proje No: 98/081. Hoang, L.H., Maher, H. 1993. Control of a Direct-Drive DC servo motor by Fuzzy Logic. 0 7803 1462- x/93$03.000, IEEE, pp. 732 738. Kachharv, N, L., Shah, K. S. 1971. The Electric Discharge Machining Process, Journel of the inslintion of Engineen (India). Mechanical Engineering Division., Vo1.51, Issue.5, pp.67-73. Şahbaz, H., Karagülle, H., Malgaca, L. 2007. Bir Hegzapod Uygulamasında Bilgisayar Tabanlı Hareket.13. Ulusal Makina Teorisi Sempozyumu, Cumhuriyet Üniversitesi, 07-09 Haziran, Sivas, 241 251. Şahin, Y. 2001. Talaş Kaldırma Prensipleri 2, Nobel Yayın Dağıtım, Ankara. Uzun, İ., Erişkin, Y. 1983. Saç Metal Kalıpçılığı. Milli Eğitim Basımevi, İstanbul. Yaskawa, 2002. Σ-II Series SGMBH/SGDH User s Manual. Yaskawa Electric Corporation. 222