masa üstü cnc freze tezgâh tasarımı ve prototip

Araştırma Makalesi / Research Article
MASA ÜSTÜ CNC FREZE TEZGÂH TASARIMI VE
PROTOTİP İMALATI
Ahmet KOLERĠ a ve Kerim ÇETĠNKAYA b, *
a
K.Ü.Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük, Türkiye, [email protected]
b
,* K.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük, Türkiye, [email protected]
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
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.5
Şekil.5a
a)CNC Kontrol Kartı
b)Step Motor
c)Güç Kaynağı
Şekil.5b
Şekil.5c
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.6d: Motor GiriĢ Sinyali Ayarları
Şekil.6c:Motor ÇıkıĢ Pin 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, 16mm 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