5 Eksen CNC İşleme Tezgahı Tasarımı ve Kontrolü

0
1062

Mekanik 5 Eksen Konfigürasyonları 5 eksen konfigürasyon çeşitlerinin hepsinin kendine özgü avantajları vardır. En önemli dikkat edilecek konular, sistemin rijitliği, çalışma hacmi ve sistem doğruluğudur. Rijitlik, bütün freze tipi makinelerde istenen bir özelliktir. Bununla birlikte pozisyon doğruluğu artar ve yüksek işleme hızlarına müsaade edilir. 5 eksen makinelerde rijitlik, rotasyon 2 eksen bulunduğu için daha büyük bir önem kazanmaktadır. Makinenin rijitliği malzeme tipine ve işlenecek parçanın boyutlarına bağlı olarak ön hesaplanarak makine tasarımı uygun şekilde yapılmaktadır. Çalışma hacmi de tasarımda önemli bir konudur. Mafsal hareketlerinin alanıyla belirlenir. Bu sayede takımın parçaya en iyi şekilde yanaşarak maksimum işlenecek parça boyutu tespiti yapılır. Doğruluk, 5 eksen makineler için kritik bir değerdir. Rotasyon eksenlerinde oluşacak pozisyon hataları uzunluk olarak büyük değerler verir. 5 eksenin genel sınıflandırılması Serbestlik derecesi beş olan bu makineyle, keyfi pozisyonlar yaparak parçanın yüzeyinde en iyi şekilde işleme gerçekleştirilir.

Beş eksen makinelerin sınıflandırılması:

1) Lineer ve Rotasyon Eksenlerine Göre Sınıflandırma;

A. 3 lineer eksen ve 2 döner eksen

B. 2 lineer eksen ve 3 döner eksen

C. 1 lineer eksen ve 4 döner eksen

D. 5 döner eksen

B, C, D şıklarında verilen sınıflandırmalar robot uygulamalarına, A şıkkı ise takım tezgah uygulamalarına girer. 2. 5 Eksen Makinelerin Hareketinin Sağlayıcılarına Göre Sınıflandırma;

A. 5/0 makine: Bütün eksen hareketleri tablada. Bu makine türü küçük parçalar için uygulanır.

B. 4/1 makine: 4 eksen hareketi tabla tarafından, 1 eksen hareketi takım tarafından yapılır. C. 3/2 makine: 3 eksen tabla hareketi, 2 eksen takım hareketi

C. 2/3 makine: 2 eksen tabla hareketi, 3 eksen takım hareketi. Bu makine türü büyük parçaları işlemek için uygundur.

D. 1/4 makine: 1 eksen tabla hareketi, 4 eksen takım hareketi

E. 0/5 makine: Bütün eksen hareketi takım tarafından yapılır. (3).

2 Rotasyon Eksenin Durumuna Göre 5 Eksen Makinelerin Sınıflandırılması:

A. 2/0 makine: 2 rotasyon eksen hareketi de tabla

B. 1/1 makine: 1 rotasyon eksen hareketi tabla, 1 rotasyon eksen hareketi takım

C. 0/2 makine: 2 rotasyon hareketi de takım tarafından yapılır.

5 Eksen Tezgah Konfigürasyonları 5 eksen konfigürasyonu ile nonlineer (lineer olamayan) yörüngelerde hareket sağlanarak istenilen yüzeyler veya işlemler gerçekleştirilir. 5 eksen ile işleme de takımın parçaya göre keyfi oryantasyonlarla pozisyon alır. Özellikle takım uzayda yüzen(floating) şeklinde oryantasyonlar yaparak parçanın tam yüzeyinde işleme yapabilmektedir.

Kiridena ve Ferreira ‘ya göre 5 eksen makineler:

  1. RRTTT: 3 lineer eksen üzerinde eğimli döner tabla modeli
  2. TTTRR: 3 lineer eksen ve takımda 2 oryantasyon eksen ile bilek modeli veya Euler 5 eksen modeli
  3. RTTTR: 3 lineer eksen üzerinde döner tabla ve takımda 1 oryantasyon eksen modeli.

Bunun dışında eğik düzlemde döner tabla şeklinde de konfigürasyonlar mevcuttur. Şekil 5’de farklı konfigürasyon örnekleri verilmiştir. Her bir konfigürasyonun avantajları da, dezavantajları da vardır. Bilek modeli programlama için en basit konfigürasyondur, büyük ve geniş parçaların en iyi şekilde takımın gezinmesine olanak sağlar, diğer konfigürasyonlara göre rijitliği düşüktür. Yüzey işlemede bilek modeli en iyi çözümü sağlar. 2 eksen döner tabla(tilt-rotary table) modeli 5 eksen talaşlı işleme de üstündür, konfigürasyon katıdır. Set up eğiminin hatası olabilir ve bu büyük parçalarda kabul edilemez. CNC makinesi programlanırken, her mafsalın hareketini istenilen pozisyonda verebilmesi ve o pozisyona ulaşması gerekir. Bu ters (inverse) kinematik problemi olup CNC programı gerekli pozisyon sonuçlarını bilip işlemesi yeterlidir.

5 Eksende İşlemeye Olan İhtiyaç 5 eksen makine parçayı bir kere sabitleme koşuluyla işleme olanağı verir. Örnek olarak, rotasyon eksenlerinde delik delmek verilebilir. Özellikle otomotiv sanayinde tek kompleks parçaların(otomobil motoru, v.b.) işlenmesinde büyük kolaylık sağlar. 5 eksen makineler, serbest (free) formları işlemede büyük avantaj sağlar. 3 eksenle de işlenebilir fakat işleme zorlukları ve yumuşak hareket (smooth) verilememesi yüzünden pürüzlü yüzeyler ile karşılaşılır ve mekanik aksamdan dolayı istenen yüzeye yaklaşamama durumu mevcuttur. 5 Eksen İşleyiş Karmaşık iş parçaları CAD programlarında çizilir ve analiz edilir ve CAD datası CAM programının anlayacağı dile çevrilir. Daha sonra CAM programında işlenecek yüzeylerin seçimi, takım dalma simülasyonu ve tabla koordinat sisteminin yerleştirilmesi yapıldıktan sonra G kod elde edilir. Bu G kod CNC makinesine yüklenerek program çalıştırılır. Bazı CNC 5 eksenli makineler için CAM çözümü yerine ara işlem olarak CAM çıktısı postprocessor’ den geçirilerek G kod elde edilmektedir. 5 eksen için oluşacak G kod iki şekilde olabilir.

  • X, Y, Z, A, C: CAM programlarında ya da postprocessor yazılımından gerekli transformasyonlar yapılıp içerisinde sonuçlandığından takımın olması gerekli pozisyon bilgileri G kodda verilmektedir. X, Y, Z noktasal olarak koordinat düzlemindeki yeri, A ve C rotasyon hareket miktarlarını verir.
  • X, Y, Z, I, J, K: Vektörsel hareket miktarlarını verir. Transformasyonları en iyi şekilde CNC kontrolör yapması için CAM’ den ya da postprocessor yazılımından gelen G-kod X, Y,Z, I, J, K şeklinde oluşturulur. 5 Eksen Tezgah Kullanımının Avantajları/ Dezavantajları Avantajlar
  • 5 eksen tezgah ile kompleks parçaları yüksek hızlarda talaş kaldırılarak işleme zamanı azaltılır. Bu sayede düşük toleranslarda parçanın işlenmesiyle kalite oranını yükseltmektedir.
  • 5 eksen işlemede, kompleks yüzey geometrilerinin işlenmesinde pahalı ve kompleks fikstürlere gerek kalmaz.
  • Parçayı bir kez bağlamanın avantajı olan daha hassas işleme elde edilmektedir. Dezavantajları Makinenin maliyetinin fazla olmasıdır. Bir diğeri makinenin kullanımıdır.5 eksen makinesini kullanacak operatör veya operatörlerin eğitilmesi çok önemlidir. 5 eksen işleme 3 eksene göre daha komplekstir ve bu nedenle makinenin hareketlerinin iyi anlaşılması gerekmektedir. CAM programından gelen datanın nasıl işlendiğinden ve makine için dikkat edilecek hususların operatörce eksiksiz bilinmesinin sağlanması amaçlanmaktadır. Tasarım Üniversite bünyesinde mevcut bulunan 3 eksenli freze tezgahının 5 eksene çıkartılması için iki eksenli döner tabla tasarımı yapılmıştır. İki Eksenli Döner Tabla Tasarımı Pro-Engineer programı yardımıyla ilk önce tezgah üzerinden ölçü alınarak freze tezgahı çizilmiştir. Bazı kısıtlamalar göz önünde bulundurularak 2 eksenli döner tabla tasarımı yapılmıştır.
  • Bu kısıtlamalardan en önemlisi: İşleme takımının en üst konumda ve Z eksenini en alt konumda tutarken maksimum işlenecek parça boyutunun tayinidir. Bu kısıtlamadan dolayı döner tabla boyutu küçük tutulmuştur.
  • Diğer kısıtlama ise tablayı maksimum 90° eğildiğinde tezgah boyutları içerisinde yer almasıdır. (Takıma çarpmaması) 3. Kinematik İki eksenli döner tabla ile oluşturulan 5 eksen konseptinin koordinat sistemleri Şekil 13’de gösterilmiştir. Makine koordinat sistemi Cm, çalışma alanı içerisinde CNC makine çakısının sabit durduğu (0,0,0) noktasıdır. Bütün komutlar CNC makinesine makine koordinat sistemine göre yollanır. Program koordinat sitemi Cp, m vektörüyle gösterilir. Bu koordinat sistemi parça işlenme süresince makine koordinat sistemine bağlıdır. Bu vektörün 2 eksenli döner tablanın dönme ekseni merkezinde olması gereklidir. Bu vektör tanımlandıktan sonra kontrolöre komutlar, komut koordinat ekseni (0,0,0) üzerinden yollanır. İki eksenli koordinat sistemi Ctr, rotasyon koordinat sistemleri Ca ve Cc olarak verilmiştir. Parça ofset vektörü Wp, iki eksenli döner tabla koordinat sistemine göre parçanın koordinat sistemindeki pozisyonunu verir. Her 5 eksen makine g kodu; parça koordinat sistemine göre X, Y, Z, A, C den oluşan pozisyon komutlarından oluşmaktadır. CNC makinenin kinematiğini modellemek için, belirli koordinat sistemleri arasında homojen transformasyonlar kullanılmaktadır. Parça koordinat sisteminde (Cwp) Pwp noktasının iki eksenli koordinat sisteminde (Ctr) pozisyon bilgisi: Ptr noktasının iki eksenli döner tabla koordinat sisteminden program koordinat sistemine göre verilmesi: Son olarak, pp noktasının program koordinat sisteminden makine koordinat sistemine göre verilmesi:   Bütün bu transformasyon matrisleri parça koordinat ekseninde verilen bir noktanın makine koordinat sistemindeki yerini belirlemek için kullanılır.   Post processor’ün mafsal pozisyonlarının parça koordinat sisteminde takımın doğru pozisyonda olması için ters kinematik ilişkileri ile hesaplanması gerekir. Ters (Inverse) Kinematik Takımın yörüngesi, parça koordinat sisteminde takımın pozisyon bilgisi ve takım oryantasyon vektörlerinin kullanılmasıyla bulunur. Post processor bu vektörel bilgiyi açısal (A, C) ve lineer( X,Y, Z) olmak üzere program koordinat sistemine bağlı olarak dönüştürür. Takım oryantasyon vektörü taxis, [0, 0, 1] olarak iki eksenli döner tabla koordinat sisteminde verilir.   Bu transformasyon çözülerek A ve C açıları tespit edilir.   X,Y,Z takım pozisyonun dönen parçaya göre bulunması:   Sonuçlar ve Değerlendirme Bu çalışmada, 5 eksen makine konsepti tanıtılmış ve CNC makinelerin çalışma mantığı anlatılmıştır. Çalışmanın tasarım kısmında anlatıldığı üzere yapılan tasarımlarla üniversite bünyesinde bulunan 3 eksenli, öğretim amaçlı kullanılan bir CNC tezgahına 2 eksenli döner tabla adapte edilerek, tezgah 5 eksenli hale getirilmiştir. Mekanik tasarımın ardından CNC freze sisteminin step motorlarla çalıştırılması amaçlanmıştır. Açık mimari ve hassasiyet göz önüne alınarak mevcut 5 fazlı step motorların sürücü kartları ve CNC kontrol yazılımları üniversite bünyesinde mikro denetleyicilerle gerçekleştirilecektir. Tamamlanma aşamasındaki projenin bitiminde, hazırlanacak programlarla 5 eksenli sistemin çalışması ve değişik parçaların işlenmesi denenecektir.

Havacılık: Havacılık imalat sanayi yoğun olarak 5 eksen CNC tezgah kullanımını gerektirir. Hem yapısal parçaların imalatında hemde motor parçalarının imalatında simultane ve indeksli 5 eksen imalat metodları sıklıkla kullanılır.

Savunma imalat sanayi: Firmamızın yer aldığı Ankara birçok savunma sanayi firması barındırmaktadır.Bu firmalara yerinde destek vasıtasıyla 5 eksen ileri imalat metodlarının kullanımı konusunda destek verilmektedir.

Kalıpcılık: Kalıpçılık sektöründe 5 eksen CNC tezgahların kullanımı her geçen gun artmaktadır.

Medikal imalat sanayi: Gün geçtikce ilerleyen tıp dünyasında CNC ile implant ve protez imalatı gibi imalat konularında gelişim her geçen gün artmaktadır.

Otomotiv imalat sanayi: Yüksek verim ve en kısa imalat süresinin ihtiyaç duyulduğu bu sektörde süre kaybını minumuma indirir.

Kaynaklar
  1. E.Uyar-Meriç Kayalık.Bilgisayar kontrollü dik işlem tezgahı tasarımı ve uygulaması.DEÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi.Nisan 2009.
  2. Nakamura,M.,Goto, S.N.Kyura.Mechatronic servo system control problems in industries and their theoretical solutions.New York Springer,1998.
  3. Siemens Simotion ST Structured Text Programming and Operating Manual.(03/2007).ST_Programming_en-US.pdf

Henüz Yorum Yok

CEVAPLA