3 eksenli mini cnc freze tezgâhı tasarımı ve imalatı

3 EKSENLİ MİNİ CNC FREZE TEZGÂHI

TASARIMI VE İMALATI

Mustafa Demir1, Melih Kuncan

2, H. Metin Ertunç

3

1Mekatronik Mühendisliği Bölümü

Kocaeli Üniversitesi, İzmit/Kocaeli [email protected]





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].

Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK2013, 26-28 Eylül 2013, Malatya

1231

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 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

3. Geliştirilen Sistem

Geliştirilen sistem yazılım ve donanım olmak üzere iki

bölümden meydana gelmektedir. Şekil 4’te sistemin yapısı

gözükmektedir.

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 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].

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 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

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 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 9: Elektronik kontrol sistemi

3.5.1. Step motor sürücüsü

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].

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

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 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. CNC Sistemlerinin İncelenmesi

4.1. Avantajları

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

3 eksenli mini cnc freze tezgâhı tasarımı ve imalatı

Documents