Bartın Üniversitesi
Mühendislik ve Teknoloji Bilimleri Dergisi
Eğitim Tipi CNC Freze Tezgâhı Prototip Tasarımı ve İmalatı
Fuat KARTAL
Kastamonu Üniversitesi, Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Kastamonu / TÜRKİYE Geliş Tarihi: 24.03.2016 Düzeltme Tarihi: 01.06.2016 Kabul Tarihi: 13.06.2016
Özet
Günümüz imalat sanayinde pek çok ürün CNC tezgâhları kullanılarak üretilmektedir. CNC tezgâhları, gelişerek ve gelişimini sürdürerek imalat sektörünün vazgeçilmez bir parçası olmuştur. İmalat sanayi için çok önemli yer tutan CNC tezgâhlarını kullanabilecek operatörlerin yetiştirilebilmesi için meslek liseleri, meslek yüksekokulları ve fakültelerde tezgâh kullanımı ile ilgili temel seviye tezgâh kullanım bilgisi, tezgâhın programlanması gibi teorik dersler verilmektedir. Fakat bu bilgiler uygulamalı olarak çoğu mühendislik fakültelerinde maalesef verilememektedir. Bunun sebebi ise yüksek maliyetli CNC tezgâhlarının eğitim kurumu tarafından alınamaması, servis hizmetlerinin yetersiz olmasıdır. Bu çalışmada, CNC eğitimi alan öğrencilerin tek başına uygulama yapabilecekleri daha etkin öğrenme sağlayabilecek düşük maliyetli bir eğitim seti tasarlanmış ve prototipi üretilerek uygulama yapılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Masaüstü CNC Tezgâhı, Eğitim Amaçlı CNC Tezgâhı Tasarımı, Mühendislik Eğitimi, Prototip Tasarım ve İmalatı Educational Type CNC Milling Machine Prototype Designing and Manufacturing
Abstract
In today’s manufacturing industry, any products are manufactured by using CNC (Computer Numerical Control) machine. CNC machine developed and sustained its improvement becoming an indispensable part of manufacturing sector. In order to educate operators that would use CNC machine which have important role for manufacturing industry; theoretical courses such as basic level machine utilization, machine programming is given at vocational schools, vocational high-schools and faculties. However; this information is not given practically in most of the engineering faculty. The reason for this is not being able to purchase expensive CNC machine by faculty and maintenance services being ineffective. In this study, low-cost education set that would enable more active learning in which students who are taught CNC education can practice on their own was designed, its prototype was produced and application was done.
Keywords: Desktop CNC Lathe, CNC Machine Training for Design, Engineering Education, Prototype Design and Manufacturing 1. Giriş
Klasik talaşlı imalat teknolojilerinin 1940’lı yıllar itibariyle bilgisayar teknolojisi sayesinde nümerik programlamaya göre çalışan NC tezgâhlar geliştirilmiştir [1]. Geçmişten günümüze NC kontrollü tezgâhların yapısı bilgisayara bütünleşik olması ile CNC kullanım yaygınlaşmıştır. Klasik tezgâhlar sanayide bir rekabet gücü oluşturamaması, imalat sanayindeki girişimcilerin rekabet edebilecekleri CNC tezgâhları almaya ve kullanacak teknik elemana ihtiyaç duymuştur [1-3]. Günümüz sanayinde CNC tezgâhları çok önemli bir yer tutar. Bu yüzden Mühendislik eğitimi müfredatında CNC eğitimi önemli bir yere sahiptir [2,3]. Buna karşın eğitim kurumalarında yüksek maliyetli olan CNC tezgâhlarının alınamaması bu tezgâhların çalışması ve kullanımı ile ilgili bilgilerin yalnızca teorik ve resimlerinin gösterilerek anlatılması ile eğitim verilmektedir [4,5]. CNC olan eğitim kurumlarında ise tezgâhın bozulma ve arızalanma endişesi ile öğrencinin kendi başına birebir eğitim görme olanağını ortadan kaldırmasına neden olmaktadır [6]. Ayrıca CNC tezgâhına sahip eğitim kurumlarında yaşanan diğer bir durum ise eğitim görevlisinin etrafında toplanan yirmiden fazla öğrencinin eğitimcinin anlattığı önemli noktaları kaçırmasına belki dikkatini sınıftaki kalabalıktan dolayı vermemesine ve motivasyonunun bozulmasına neden olmaktadır, bu durum eğitimin kalitesini olumsuz etkileyebilmektedir [7,8]. Bu çalışmada Mühendislik eğitimi veren kurumların sınırlı olanaklarını kullanarak ihtiyaçları olan CNC tezgâhlarını imal edebilecekleri bir tezgâh ve uygulamasını kapsamaktadır.
Eğitim amaçlı CNC tezgâhı ile ilgili bazı önemli çalışmalar özetlenecek olunursa; Tseng ve arkadaşları, çalışmalarında eğitim amaçlı masaüstü üç eksenli bir CNC freze tezgâhı tasarlamışlar ve prototipini üretmişlerdir [9]. Özdeveci, Türkiye’ye ithal edilen eğitim için üretilmiş CNC’leri incelemiş ve çok pahalı olduklarının kanaatine varmıştır [10]. Kim ve arkadaşları, CNC eğitiminde
eğitim materyalinin eksikliğine değinerek kendisi eğitim amaçlı düşük maliyetli bir CNC torna tezgâhı üretmiştir [11]. Köbeloğlu, yüksek lisans çalışmasında eğitim tipi CNC torna tezgâhı tasarımı ve prototipini gerçekleştirmiştir [12]. Alan (2012) Türkiye’deki CNC eğitimi, CNC’nin mesleki eğitim ve sanayi açısından önemini vurgulayarak CNC derslerinde kullanılması için CNC eğitim seti tasarımı yapılmıştır [13]. Göloğlu ve arkadaşı makalelerinde;
doğrusal hareket mekanizmalarının verimlilikleri üzerinde çalışmışlardır [14]. Uyanık ve arkadaşları; üç eksenli yüzey işleme tezgâhının CNC ile kontrollü hale gelmesi için dönüşüm çalışması yapmışlardır [15]. Toroğlu ve arkadaşı üç boyutlu animasyon tekniklerinin teknoloji eğitiminde kullanılması çalışmasında bulunmuşlardır [16]. Kaygısız ve Çetinkaya CNC freze eğitim seti tasarımı ve uygulaması ile ilgili bir çalışma yapmışlardır [17].
2. Materyal ve Metot 2.1. Tezgâhın Genel Özellikleri
Bu tezgâhın tasarımı yapılırken, ilk önce en ekonomikliği göz önünde bulundurulmuştur. Bundan dolayı masaüstü CNC tezgâhın kasası hem mukavemetli hemde ekonomik malzemeden olması için literatürde ki yapılmış çalışmalara bakılmıştır. Literatürde genellikle tezgâhlar, alüminyum plakalar, çelik konstrüksiyon ve MDF (Medium Density Fiberboard) ahşap malzemeler kullanılmıştır.
Ayrıca montaj esnasında meydana gelebilecek aksaklıklar nedeniyle kolay bulunabilir bir malzeme olan MDF bu çalışmadaki CNC tezgâhın mekanik aksamında kullanılmıştır. Kolay şekil verilebilir ve vidalama kabiliyeti iyi olduğu ve ayrıca estetik bir görünüme sahip olduğu için MDF kullanılmıştır. CAD programında prototipin katı modellemesi gerçekleştirilmiş ve daha sonra katı modele uygun ölçülerde hazırlanan MDF parçaları ile tüm sabit ve hareketli parçaların montajı tamamlanmıştır (Şekil 1). Tezgâhın ebatları 450x450x450 mm olarak tasarlanarak imal edilmiştir. Tezgâhın işleme alanı 250 mm x ekseni 200 mm y ekseni olarak ölçülmüştür.
Sorumlu Yazar: Kartal F., +903662802951, fkartal@kastamonu.edu.tr
Şekil 1. Eğitim amaçlı CNC tezgâhının; (a) üç boyutlu tasarım görünümü, (b) mekanik aksamın montajı yapılmış görüntüsü Tezgâhın kasası imal edildikten sonra eksen yataklamaları ve
üç eksenin hareket ve iletim organlarının seçimi için Piyasada yaygın olarak kullanılan vidalı mil çalışma prensibi esas alınmıştır.
Literatürde oldukça yaygın kullanılan vidalı mil ve somunun çalışma prensibi göz önüne alınmıştır. Maliyetinin yüksek olması nedeniyle rulmanlı yataklar kullanılmamıştır, bunun yerine 8mm vidalı mil kullanılmıştır. Şekil 2’de bu çalışmada alternatif olarak kullanılan 8 mm vidalı mil görülmektedir.
Şekil 3’te solda ticari CNC tezgâhlarında kullanılan eksen yataklama amaçlı kullanılan lineer kızak ray ve alternatifi düşünülen ekonomik olarak elde edilebilen teleskobik çekmece rayı görülmektedir. Prototip imalatında alternatif olarak kullanılan parçaların işlevini yerine getirip getiremeyeceği çok sayıda tekrarlanan denemelerle test edilmiştir.
Şekil 2. Piyasada kullanılan 8 mm vidalı milin CNC tezgahta kullanımı gösterimi
Şekil 3. (a) ticari lineer kızak ray (b) alternatif eksen yataklama için çekmece rayı [18,19].
Bu çalışmanın amacında belirtildiği üzere tezgâhın en ekonomik ve işlevsel olabilmesi için geleneksel olmayan alternatif çözümlerle piyasada ticari olarak üretilen tezgâhlarla aynı işlevi yapabilmesi bu tezgâhın öne çıkan özelliklerindendir. Tezgâhın iş mili 20000 dev/dak çevresel hızla dönebilen avuç içi taşlama seçilmiştir. Piyasada kullanılan tezgâhlarda ise 30000 dev/dak çevresel hızına sahip kalıpçı taşlama makinesi kullanılmıştır.
Matkabın seçilmesini amacı daha ekonomik olması ve 1 – 13 mm aralığına sahip her türlü uç takılabilmesidir. Kalıpçı taşlama tezgâhlarının uçları yalnızca 6mm olan uçlar bağlanması ile sınırlılık getirmektedir.
Eğitim amaçlı geliştirilen tezgâh üç eksenli olduğu için x,y ve eksenleri üç adet step motoru ile hareket ettirilmiştir. Step motorunun sürücü devresi ve CAM (Computer Aided Manufacturing) programından elde edilen G kodların step motoruna sinyallerinin gönderilmesi için TB6560AQH model sürücü entegresi ve kullanıcı ara yüzü kartı alınmıştır. Sürücü kartının ihtiyacı olan elektrik enerji kaynağı olarak piyasada çok bulunan aydınlatma güç kaynağı seçilmiştir. Sürücü kartının aşırı ısınması önlemek için fan soğutucu yerleştirilmiştir. Şekil’5te TB 6560 AQH model sürücü kartı devresi ve tezgâha olan elektrik bağlantı ve soğutma sitemi görülmektedir.
Şekil 4. (a) yaygın kullanılan iş mili motoru (b) alternatif avuç içi taşlama iş motoru [20].
Şekil 5. Eğitim amaçlı CNC freze tezgâhında kullanılan TB 6560 AQH model sürücü kartı devresi görüntüsü [21]
TB 6560 AQH model sürücü kartı devresi “Mixed Decay Mode” özelliğine sahiptir. Bu özellik adım yumuşatma anlamına gelir. Step motorunun adımlar arası geçişlerde yumuşatarak geçişi kolaylıkla sağlanmasına yarayan bir özelliktir. Sürücü devresinde 1, 1/2, 1/8, 1/16 olmak üzere dört çeşit adım yumuşatma özelliği mevcuttur. Her bir eksende 1,8° step motoru kullanılmıştır [22].
Sürücü devresinin bilgisayar tarafından kontrolünü sağlamak için yorumlayıcı paket programı olarak Mach3 programı kullanılmıştır.
Herhangi bir CAM programında oluşturulan takım yolları dosyası Mach3 yazılımında açılır. Oluşturulan bu takım yolları Mach3 yazılımında step(adım) ve dır (yön) komutu olarak step motoru sürücü devresine iletilir [24].
3. Bulgular ve Tartışma
Eğitim amaçlı imal edilen tezgâhın çalışmasını ve imalat kalitesini tespit edebilmek için örnek uygulamalar yapılmıştır.
Örnek uygulama için bilgisayar destekli çizim programında oluşturulan iki boyutlu model takım yolu oluşturulması için DXF (Drawing Interchange Format) uzantılı olarak kaydedilerek Mach3 ticari programı ile birlikte çalışan Lazycam programı ortamına alınmıştır. Lazycam programında takım yolu zinciri oluşturulan modelin G kodları çıktı olarak bir klasöre alınmıştır. Mach3 programı vasıtasıyla G kodlar ilgili klasörden okutularak G
Kodların ve işlenecek olan parçanın geometri ekrana gelmektedir.
İşleme yapmadan önce tezgâhın x, y ve z koordinatların sıfırlanması işlemi yapılır. İşleme öncesi tezgâha bağlanacak iş parçası tezgâh işleme alanı içinde olmasına ve paralelliğine özen gösterilmiştir.
Şekil 6’da iş parçasının bağlanışı ve iş parçasının işleme anındaki görüntüsü yer almaktadır.
Şekil 6. Eğitim amaçlı CNC freze tezgâhında (F) sembolü örnek parça işleme görüntüsü.
İşlenen parçanın gerçek tasarım ölçüleri ile birebir olup olmadığının tespiti için işlenen parça tezgâhtan sökülerek tasarım ölçüleri ile karşılaştırılması yapılmıştır. Şekil 7’de bilgisayar destekli programla oluşturulan model ölçüleri ve gerçek imalatı yapılmış parçanın ölçümleri görülmektedir. Ölçümü yapmak için 0,001 mm hassasiyete sahip dijital kumpas kullanılmıştır.
Şekil 7. (F) sembolü ve işlendikten sonra İmalat ölçülerinin kontrolü görüntüsü
Ölçüm sonuçlarının kararlılığı için aynı iş parçası beş kez imalatı yapılmıştır. Yapılan imalatın ölçüleri ayrı ayrı x, y ve z eksenleri için alınarak bir tablo oluşturulmuştur. Eksenlerdeki hataların tespit edilebilmesi için imalatı yapılan işin ölçüm değerleri istatistiksel olarak analiz edilerek standart sapmaları hesaplanmıştır.
Standart sapma bir çalışma grubundaki her bir verinin ortalamaya göre ne kadar uzakta olduğunu veya dağılımın ne yaygınlıkta olduğunu göstermektedir [17].
Varyans 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣(𝑥𝑥) = ∑(([(𝑋𝑋_(İ − (𝑜𝑜𝑣𝑣𝑜𝑜𝑣𝑣𝑜𝑜𝑣𝑣𝑜𝑜𝑣𝑣))])^2 ))/(𝑛𝑛 − 1) olarak hesaplanır, veryansın karekökü standart sapmayı vermektedir. X eksenine ait standart sapma hesabı Tablo 1’de x eksenine ait istatistikî veriler Tablo 2’de verilmiştir [17].
Tablo 1. X eksenine ait standart sapma hesabı Ölçüm
no
Gerçek ölçü mm
Ölçüm değeri (mm)
(ortalama) (ortalama)2
1 45 45,17 0,000100 0,0000000
2 45 45,36 0,011025 0,0001216
3 45 44,96 0,009025 0,0000815
4 45 44,90 0,015625 0,0002441
5 45 45,41 0,016900 0,0002856
Ortalama 45,15 Toplam 0,0007327
Tablo 2. X ekseni istatistik verileri Ortalama değeri 45,15
Varyans 0,00018319 Standart sapma 0,01353478 Alt sınır 45,10098 Üst sınır 45,19902 Güven aralığı 45;10 45,19
Y eksenine ait standart sapma hesabı Tablo 3’te, y eksenine ait istatistiki veriler Tablo 4’de verilmiştir.
Tablo 3. Y eksenine ait standart sapma hesabı Ölçüm
no
Gerçek ölçü mm
Ölçüm değeri (mm)
(Ortalama) (Ortalama)2
1 70 70,57 0,093025 0,0086537
2 70 70,36 0,040000 0,0016000
3 70 69,96 0,000000 0,0000000
4 70 69,50 0,052900 0,0027984
5 70 69,41 0,075625 0,0057191
Ortalama 69,96 Toplam 0,0187712
Tablo 4. Y ekseni istatistik verileri Ortalama değeri 69,9600 Varyans 0,00460 Standart sapma 0,06850 Alt sınır 69,9023 Üst sınır 70,0176 Güven aralığı 69,90 70,01
4. Sonuç ve Öneriler
Bu çalışmada üç eksenli masa tipi CNC freze tezgâhı tasarım ve İmalatı yapılmıştır. Tasarım ve imalatı yapılan tezgâhın yapımında genellikle hazır alternatif malzemeler kullanılmıştır. Mekanik olarak montajı yapılan CNC frezeye elektronik malzemelerin montajı yapılmıştır. Üç eksenli masa üstü CNC freze tezgâhı, işleme alanı olarak 250x200x100 mm bir hacme sahiptir. Talaş kaldırma mukavemeti düşük olan malzemeler, demir olmayan metaller ve endüstriyel plastikler işlenebilmektedir. Sonuç olarak, tasarımı ve imalatı yapılan üç eksenli masa üstü CNC freze tezgâhı sorunsuz olarak çalışmıştır. Ahşap ve MDF gibi malzemeler üzerine çeşitli yazı ve şekiller işlenmiştir.
Çalışmadan elde edilen sonuçlar sıralanacak olursa;
• Bu çalışmada cüzi bir maliyete sahip kullanım ve çalışma prensibi olarak endüstriyel CNC’lere fonksiyonel olarak benzer bir tezgâh geliştirilmiştir.
• Yapılan ölçüm ve hesaplamalar ile X ekseninin standart sapması 0,013534787, Y ekseninin standart sapması 0,068504017 olarak hesaplanmıştır. X ekseni standart sapmasının yüksek olmasının nedeni bu eksendeki hareket milinin tornalama esnasında bir miktar eksen kaçıklığı oluşmasıdır.
• CNC kanal açma, delik delme, oyma ve serbest yüzey işleme gibi 2,5 ve 3 eksen işlem yapabilme kabiliyetine sahiptir.
• Okullarımızda okul olanakları ile bilgisayar laboratuvarları gibi CNC laboratuvarları kurularak her öğrenciye bir CNC verme şansı ve olanağı sunulabilir.
Kaynaklar
1. Xu,X., Newman,S. Making, CNC Machine Tools More Open Interoperable and a Review of The Technologies Computer in Industry, 57, 141-152, 2006.
2. Newman,S., Nassehi,A., Xu,X., Rosso,R., Wang,L., Yusof,Y., Ali,L., Liu,R., Zheng,L., Kumar,S., Vichare,P., Dhokia,V., Strategic Advantages of Interoperability for Global Manufacturing Using CNC Technology Robotic and Computer-Integrated Manufacturing, 24, 699-708, 2008.
3. Şahin, M., Bilalis, N., Yaldız, S., Antoniadis, A., Ünsaçar, F.,
& Maravelakis, E. (2007, May). Revisiting CNC Training–a Virtual Training Centre for CNC. In International Conference on E-Portfolio Process in Vocational Education-EPVET, Bucharest, Romania.
4. Altintas, Y. (2012). Manufacturing automation: metal cutting mechanics, machine tool vibrations, and CNC design.
Cambridge university press.
5. Çelik,Ş.A., Kayacan,M.C.,Aydoğan,T.,Çakır,A., Bilgisayar Kontrollü Kumaş Kesme Makinası Tasarımı ve İmalatı Politeknik Dergisi, 5, 173-.
6. Uyanık,S., Şimşek,İ., Aytan,N., Onat,M., Erdal,H., 3 Eksenli Yüzey İşleme Tezgâhının Bilgisayar İle Kontorlü 5.
Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), Karabük/Türkiye 2009.
7. Čuboňová, N., & Kardoš, J. (2011). E-learning–new approach in quality education of CNC machine programming. In Proceedings 7th Research/Expert Conference with International Participations, QUALITY (pp. 885-890).
8. Yea,X., Liua,H., Chena,L., Chenc, Z., Zhanga,X., Reverse Innovative Design;an Integrated Product Design Methodology Computer-Aided Design, 40, 812-827, 2008.
9. Tseng, S. P. Kolluri, P. Radhakrishnan, (1989) A CNC Machining System For Education, Journal of Manufacturing Systems, 8(3), 207-214,1989.
10. Özdeveci, M., Eğitim Tipi CNC Frezesinin Tasarımı Ve İmalatı, Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 2001.
11. Kim,J., Kim,M., A Study On The Design Of CNC Lathe For Education And Application International Journal of Production Economics, 25, 169-180, 1991.
12. Köbeloğlu A., Eğitim Amaçlı Masaüstü CNC Torna Tezgâhı Tasarımı ve Prototipi, Karabük Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 2010.
13. Alan, S., “CNC Eğitim Seti Tasarımı” Selçuk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 2006.
14. Göloğlu, C., Bunarbaşı, İ., Üç Eksenli Doğrusal Hareket Mekanizması Tasarımı Ve İmalatı, Teknoloji, 7(3), 507-515, 2004.
15. Uyanık. A, Şimşek. İ, Aytan. İ, Onat. M, Erdal. H, 3 Eksenli Yüzey İşleme Tezgâhının Bilgisayar İle Kontrolü, , IATS’09, Karabük, 2009.
16. Toroğlu, A., İçingür, Y., Üç Boyutlu Bir Animasyon Sisteminin Tasarımı ve Teknoloji Eğitiminde Kullanılması, Politeknik Dergisi, 10 (3), 247-252, 2007.
17. Kaygısız H. Çetinkaya K., CNC Freze Eğitim Seti Tasarımı Ve Uygulaması, SDU İnternational Journal Of Technologic Sciences, 3(2), 53-71, 2010.
18. İnternet:http://www.samet.com.tr/tr-TR/category/3/cekmece- sistemleri
19. İnternet:http://sahinrulman.com/site/index.php/tr/ray-ve- arabalar/minyatur-shn-serisi.html
20. İnternet:http://www.probotsan.com.tr/?newUrun=1&Id=11611 35&CatId=bs571852&Fstate=
21. İnternet:https://toshiba.semicon-storage.com
22. Tokat A. , Hasar N. , “Masaüstü yarı profesyonel ve tam profesyonel CNC frezelerin mekanik sistemleri, hassasiyetler ve maliyet analizi karşılaştırılmaları”, Proje Tabanlı Mekatronik Eğitim Çalıştayı, Çankırı-Ilgaz, 25-27 Mayıs (2012).
23. Kabaş K., ve Çetinkaya K.; “Masaüstü CNC dik işleme tezgahı tasarımı ve soğutma sıvısı uygulaması”, IATS’11, Elazığ, 2011.
24. İnternet: http://www.makinatek.com.tr/arsiv/yazi/148-uc- eksenli-masa-tipi-cnc-tezgahi-tasarim-ve-imalati.
