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

Araştırma Makalesi / Research Article

Ahmet KOLERİ, Kerim ÇETİNKAYA

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

Ahmet KOLERİ, Kerim ÇETİNKAYA

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.5a Şekil.5b Şekil.5c

Şekil.5 a)CNC Kontrol Kartı b)Step Motor c)Güç Kaynağı

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)

Ahmet KOLERİ, Kerim ÇETİNKAYA

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

Ahmet KOLERİ, Kerim ÇETİNKAYA

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).

Şekil.7: Kesici Motor

3.Deneysel Çalışmalar:

3.1 Sistemin Hassasiyeti:

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

Ahmet KOLERİ, Kerim ÇETİNKAYA

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

Ahmet KOLERİ, Kerim ÇETİNKAYA

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