TAKIM TEZĞAHLARININ NÜMERİK VE BİLGİSAYARLI NÜMERİK KONTROL

TAKIM TEZGÂHLARININ NÜMERİK VE BİLGİSAYARLI NÜMERİK KONTROLÜ

Aykut DALGIÇ Elektronik Yük. Mühendisi Elektrik ve Elektronik Müh. Böl. Orta Doğu Teknik Üniversitesi

ÖZET

Takım tezgâhlarının günümüze kadar olan otomatik leştirilme aşamaları ele alınmakta ve Nümerik Kont rollü (NC) tezgâhların yapılan hakkında genel bilgi verilmektedir.

Bilgisayarlı Nümerik Kontrollü (CNC)ve Doğrudan Nümerik Kontrollü (DNC) tezgahlar incelenmekte ve Bilgisayarlı Nümerik Kontrolün çeşitleri ve genel ya pılan gözden geçirilmektedir.

SUMMARY

İn this paper, the development in automation of machine tools, up to now, is considered and general information about Numerically Controlled (NC) machine tools is given.

Computerized Numerically Controlled (CNC) and Direct Numerically Controlled (DNC) machine tools are described. The types and general structures of Computerized Numerical Control are examined.

1 TAKIM TEZGÂHLARININ OTOMATİKLEŞTİRİLME AŞAMALARI

1800'lerde, takım tezgâhlarının güç ile sürülmesine başlamasından bu yana, daha fazla dönme hızı, daha fazla beslenme hızı ve daha iyi duyarlılık elde edilmesi amacıyla sürekli olarak birçok çalışma ve araştırma yapılmıştır. İlk zamanlar mekanik olarak başlayan ve gelişen ta kım tezgâhlarını kontrol etme çalışmaları, elektronik teknolojisinin gelişmesi sonucu, zamanla, tamamen biçim değiştirmiş ve yerini elektronik kontrola bırak mıştır. İlk nümerik kontrollü tezgâhların 1950'lerde yapılma ya başlanmasından bu yana, nümerik kontrolün yapı sında büyük değişiklikler gözlenmiştir. İlk nümerik kontrol birimleri, mantıksal eleman olarak röleleri kullanmakta iken daha sonraları bunların yerini tran sistörler almıştır. Yarı iletken (semiconductor) tekno

lojisindeki gelişmeler sonucu ortaya çıkan tümleşik devreler (Integrated Cırcuits, I.C.) bir süre sonra tran sistörlerin yerine kullanılmaya başlanmıştır. 1972'ler den itibaren de minibilgisayarlar genişleyen dizge iş levlerine cevap vermek üzere tümleşik devrelerin yeri ni almaya başlamışlardır. Son yıllarda, mikrobilgisa yarların ortaya çıkması ve kontrol dizgilerinde çok et kin ve yaygın uygulama alanı bulması sonucu, mikro bilgisayarlar da takım tezgâhlarının kontrolutıda geniş ölçüde kullanılmaya başlanmıştır. Bilgisayarların nü merik kontrolda kullanılmasıyla bu alanda büyük bir atılım gerçekleştirilmiş ve Bilgisayarlı Nümerik Kont rollü (Computerized Numerically Controlled, CNC) tezgâhlar ortaya çıkmıştır.

Özellikle gelişen elektronik yarı iletken ve bilgisayar teknolojisi, kontrol dizgelerinin hem hacimsel hem maliyet hem de yetenek açısından büyük aşamalar yapmasına olanak sağlamıştır.

Takım tezgâhlarının otomatikleştirilmesi, operatörle rin becerilerinin önemini azaltmış ve hatta, son geliş melerle, tamamen ortadan kaldırmıştır.

2.1. TAKIM TEZGÂHLARININ NÜMERİK KONTROLÜ

"Bir takım tezgâhında eğer iş parçası (workpiece) ile kesici takımın (cutting tool) birbirlerine göre konum ları nümerik değerlerden türetilen bilgi ile belirleni yorsa, bu takım tezgâhı nümerik kontrol altındadır denir." (7)

Gelişen elektronik teknolojisi, nümerik kontrolda bu lunan işlevleri arttırmanın yanı sıra hacimsel olarak küçülmeyi ve maliyette bir düşüşü beraberinde getir mektedir. Örneğin, 1966 ile 1976 yılları arasında nü merik kontrolda işlevlerin iki kat arttığı, kontrol bi rimlerinin hacminin 20 kat küçüldüğü ve bunun yanı sıra maliyetin de 4 kat azaldığı gözlenmektedir.

Duyarlılığın arttırılması, üretim zamanının kısaltılma sı, üretim maliyetlerinin düşürülmesi, üretimdeki kali tenin yükseltilmesi gibi birçok üstünlükleri beraberin de getiren nümerik kontrollü takım tezgâhları, kısa sü rede süratle yayılmış ve geniş bir kullanım alanı bul muşlardır.

2.2. NÜMERİK KONTROLÜN GENEL YAPISI

Nümerik kontrol (Numerical Control, NC) dizgesine verilen bilgiler, genellikle, Boyut Bilgisi ve Anahtarla ma Bilgisi olmak üzere iki gruba ayrılmaktadır. İşlene cek parçanın boyutlarını belirleyen boyut bilgisi, kı zağın (slide) veya iş tablasının (work table) hareketin de kullanılmaktadır. Anahtarlama bilgisi, matkabın ucunun aşağı veya yukarı çekilmesi, soğutma düzene ğinin çalıştırılması gibi işlerde, ilgili devrelerin açılıp kapanmasını sağlamak için kullanılmaktadır.

Bilgi isleyıcı

Karşılaştıncı

Konum ölçücü Aygıt (Konum çevirgeci)

Servo Sürücü

İş Tablası

Anahtarlama Bilgisi

Şekil 1 Bir nümerik kontrol dizgesinin bir eksen İçin genel

Kart veya manyetik şeride (magnetic tape) kodlanmış program şeklinde dizgeye verilen bu bilgiler, dizge ta rafından okunmakta, bu bilgilere göre gerekli elektrik sel işaretler üretilmekte, besleme ve dönme hızları ayarlanmakta ve gerekli anahtarlama işaretleri veril mektedir.

İş parçasının konumu, konum çevirgeçleriyle (po sition transducers) sürekli olarak ölçülüp istenen ko num değerleriyle karşılaştırılmakta ve ona göre servo sürücülere gerekli elektriksel işaretler gönderilmekte dir.

Şekil 1 'de bir nümerik kontrol dizgesinin genel yapısı gösterilmektedir.

Genel olarak kontrol dizgeleri iki gruba ayrılmaktadır:

Açık Döngü Kontrol Dizgeleri (Öpen Loop Control Systems): Geri beslemenin (feedback) olmadığı kontrol dizgele ridir. Bu tür nümerik kontrollü tezgâhlarda, iş tablası nı hareket ettiren sürücü motorlara iş tablasını belirli miktarda hareket ettirici elektriksel işaret verildiği za man, iş tablasının o kadar gittiği varsayılır. İş tablası nın yeri, konum çevirgeçleriyle belirlenip dizgeye geri besleme olarak verilmez. Bundan dolayı iş tablasının istenilen yere gidip gitmediğini kontrol etmek müm kün olmaz. Dizgenin mekanik kısımlarından ötürü do ğabilecek aksaklıklarda bu yüzden kontrol edilemez. Nümerik kontrollü takım tezgâhlarında açık döngü kontrol kullanılıyorsa, güvenilirliği en üst noktada tut mak amacıyla motor olarak genellikle adım (stepping) motorları kullanılmaktadır.

Kapalı Döngü Kontrol Dizgeleri (Closed Loop Control Systems):

Geri beslemenin olduğu kontrol dizgeleridir. Konum

çevirgeçlerinden iş parçasının veya iş tablasının ko num bilgisi alınır, bu alınan gerçek konum bilgisiyle o an bulunulması istenen konum değeri karşılaştırılır ve istenilen yerde bulunulmuyorsa, sürücü motorlara is tenilen yere gidilmesi amacıyla gerekli elektriksel işa retler verilir. Nümerik kontrollü dizgelerin çoğunda, güvenilirliği ve duyarlılığı arttırmak amacıyla kapalı döngü kontrol kullanılmaktadır. Nümerik kontrol, tezgâh kızağının kontroluna göre ikiye ayrılmaktadır:

Noktadan Noktaya Kontrol (Point to Poin Control): Bu tür kontrolün uygulandığı takım tezgâhlarının özelliği, bir noktadan diğer bir noktaya istenilen her hangi bir yol takip edilerek ulaşılabilir olunmasıdır. Y

•B

Şekli 2 Noktadan noktaya hareket önemli olan, bir noktadan diğerine ulaşabilmiş ol maktır. Şekil 2'den de görüldüğü gibi, bir noktadan diğerine erişim, bir anda sadece bir koordinat ekseni yönünde yapılan hareketlerle gerçekleştirilmektedir. Matkap bu tür tezgâhlara bir örnektir.

Sürekli Y ol Kontrolü (Continuous Path Control): Sürekli yol kontrolünün uygulandığı takım tezgâhla rında, bir noktadan diğerine, verilen yol üstünden gi dilerek erişilmesi gerekmektedir. Ancak, Şekil 3'te de görüldüğü gibi, bu yol baştan istenildiği gibi verilebil mektedir. Böyle bir hareketin sağlanması için, koordi nat eksenleri (motorların bulunduğu eksenler) üzerin deki hareket miktarları hesaplanmakta ve o yönlerde gerekli miktarda hareket sağlanmaktadır. Nümerik kontrollü dizgelerde, ölçülen değerlerin be lirlenmesi, işlenmesi ve görüntülenmesinde genel ola rak iki yöntem kullanılmaktadır:

Şekli 3 SUreklI yol kontrolü örneksel (Analog) işlem Y öntemi: Bu yöntemi kullanan nümerik kontrollü dizgelerde, çeşitli değişkenler önce örneksel çevirgeçlerle (analog transducers) örneksel gerilim dalga şekline çevrilmek te, sonra da bu şekilde işlenmektedir.

Sayısal (Digital) İşlem Y ö nt e m i : Son yıllarda daha yaygın bir uygulama alanı bulmuş olan bu yöntemle çalışan nümerik kontrollü dizgeler de, ölçülecek değişkenler sayısal çevirgeçlerle (digital transducers) sayısal gerilim dalga şekline ( 0 V 5 V se viyelerine) çevrilmekte ve bu şekilde işlenmektedir. Sayısal işlem yönt emi, örneksel işlem yöntemine göre genellikle daha düşük maliyetli olmakta, daha duyarlı ve doğru sonuçlar vermekte ve değişkenlerin doğru dan bilgisayara girilebilmesine olanak tanımaktadır. Sayısal işlem yöntemini kullanan nümerik kontrollü dizgelerin konum ölçümlerinde iki yöntem kullanılır:

Artımsal Konum ölçüm Y öntemi: Bu tür ölçüm yöntemini kullanan dizgelerde, belirlen miş en küçük artım miktarında hareket olduğunda bir elektriksel darbe (pulse) üretilir. Darbeler bir elektro nik sayıcıda sayılarak gerçek konum bilgisi elde edilir.

Mutlak Konum ölçüm Y öntemi:

Bu tür ölçüm yönteminin kullanıldığı dizgelerde, elektronik sayıcıya gerek kalmaksızın, her an, o anki konum değeri doğrudan okunabilir.

Nümerik kontrollü takım tezgâhlarında konum bilgisi ni ölçen aygıtlar, bağlanış yerlerine göre de ikiye ayrı lırlar:

Doğrudan ölçüm Y apan Aygıtlar:

Bu aygıtlar doğrudan iş tablasının kızağına bağlanır lar.

Dolaylı ölçüm Y apan Aygıtlar:

Bu aygıtlar vida açma miline (lead screw) bağlanmış lardır ve konum bilgisini dolaylı olarak (açısal dönüş ten) ölçerler.

3.1 T A K I M TE ZG Â HL A RI NI N Bİ LGİ SAY ARLA KONTROLÜ

Y arı iletken teknolojisinin çok büyük çaplı tümleşim (Ve r y Large Scale Integration, V L SI ) aşamasına gel mesi sonucunda, bir tümleşik devre içine 1 0 0 . 0 0 0 civa rında transistor yerleştirebilire olanağı doğmuştur. Bugünün t akım tezgâhlarının kontrol dizgelerindeki gelişmeler, büyük ölçüde çok büyük çaplı tümleşik devre elemanlarının, özellikle mikroislemcilerin ve ya rı iletken belleklerin (microprocessors and semicon ductor memories) varlığından kaynaklanmaktadır. Bilgisayar Y ardımlı Tasarım (Computer Aided Design, CAD) ve Bilgisayar Y ardımlı Üretimin (Computer Aided Manufacturing, CAM ) ortaya çıkması sonucu, 1972'lerde minibilgisayarlarla ve çekirdek belleklerle (core memory) başlayan ilk bilgisayarlı nümerik kont rollü (CNC) dizgeler, daha sonraları yerlerini mikro bilgisayarlı ve yarı iletken bellekli (semiconductor memory) CNC'Iere bırakmışlardır.

Takım tezgâhlarının bilgisayarla kontrolü genel olarak iki gruba ayrılmaktadır:

Bilgisayarlı Nümerik Kontrol (Computerized Numerical Control, CNC)

Doğrudan Nümerik Kontrol (Direct Numerical Control, DNC)

3.2. BİLGİSAY ARLI NÜMERİK KONTROL

Bilgisayarlı nümerik kontrol dizgesi, bilgisayarın oku nabilir yazılabilir belleğinde (read write memory) saklanan programlara göre, temel nümerik kontrol iş levlerinden bazılarını veya hepsini (bir veya birkaç ta kım tezgâhı için) bilgisayarla gerçekleştiren nümerik kontrol dizgesidir.

Genellikle işletim ve kontrol programları dizge bilgisa yarına manyetik şeritten şerit okuyucusu vasıtasıyla çekilmekte ve bilgisayar belleğinde saklanmaktadır.

Nümerik kontrol programları takım tezgâhının çeşitli hareketlerini sağlayan programlardır.

İlk bilgisayarlı nümerik kontrol (CNC) dizgeleri mini bilgisayar ve çekirdek bellekler ile donatılmışken, bu günün CNC'teri mikrobilgisayar ve yarı iletken bellek lerle donatılmakta ve Mikroişlemcili (Microprocessor) CNC diye isimlendirilmektedir. Mikroişlemcili CN C ler, üreticilere, takım tezgahının cinsinden (torna, fre ze, matkap,...) bağımsız bir donanımı düşük maliyetle üretmek olanağını sağlamaktadırlar.

Mikroişlemcili CNC'Ier özelliklerine göre genel olarak üçe ayrılırlar:

Y üksek Güçlü Bir Mikroişlemdyle Kontrollü Y azı lım Ağırlıklı CNCIer (CNC's Controlled with a High Powered Microprocessor) Standart Bir Mikroişlemdyle Kontrollü Donanım Ağırlıklı CNC'Ier (CNC's Controlled w ith a Stan dard Microprocessor) Çok Mikroişlemdyle Kontrollü CNC'Ier (CNC's Controlled with Multi Microprocessors) 3 . 2 . 1 . Y üksek Güçlü bir Mikroişlemdyle Kontrollü

Y azılım Ağırlıklı CNC'Ier Bu tür dizgelerde konum ölçümü ve sürücü kontrolü dışındaki hemen hemen tüm işlevler, içkestirim (in terpolation) ve birkaç eksenin konum kontrolü dahil olmak üzere, mikroişlemci dizgesi (mikrobilgisayar) tarafından yazılımsal olarak gerçekleştirilir. Bu yüz den mikrobilgisayara fazla yük düşmekte ve mikroiş lemci nin güçlü bir mikroişlemci olması gerekmektedir.

Bu tür dizgelerde, genellikle çift kutuplu (bipolar) 2 veya 4 bitlik bit dilimlerinden (bit slices) yapılmış 16 bitlik mikroişlemciler kullanılır. Bunların kapasiteleri minibilgisayarlarla boy ölçüşebilecek durumdadır. Mikroprogramlarının yazılabilir olması uygulama ile ilgili özel komut kümesi (instruction set) oluşturulma sına olanak tanımaktadır. Şekil 4'te bu tür bir dizge nin genel yapısı görülmektedir.

3.2.2. Standart Bir Mikroişlemciyle Kontrollü Donanım Ağırlıklı CNC'Ier

Bu tür dizgelerde, genellikle tek tümleşik devre halin de olan 8 veya 16 bitlik standart mikroişlemciler kul lanılır. Standart Mikroişlemdlerin hızları, bit dilimle rinden yapılmış yüksek güçlü mikroişlemcilerin hızla rından daha azdır. Bu yüzden, kullanılan mikroişlemci sadece zamansal olarak kritik olmayan giriş/çıkış işle me, kod çözme, bilgi hazırlama ve süreç kontrol gibi işlevlerin gerçekleştiriminde kullanılır. Zamansal ola rak kritik bir yapı gösteren içkestirim ve konum kont rolü gibi işlevler donanımsal olarak gerçekleştirilir.

Seri üretim yapan büyük kuruluşlar, donanımsal ola rak gerçekleştirdikleri işlevleri yapan devreler için özel amaçlı tümleşik devreler hazırlatıp, üretimlerinde onları kullanmaktadırlar.

Standart bir mikroişlemdyle kontrollü donanım ağırlıklı bir CNC sisteminin genel yapısı Şekil 5'de gö rülmektedir.

MİKROİŞLEMCİ

MİKRO PROGRAM BELLEĞİ

EI 1

1 ttfflfl i

Operatör Pano s.j

Sayısal / Örneksel ( D / A ) Çevirici

Giriş /Çıkıs

Şekil 4 Y üksek güçlü bir mikroişlemciyle kontrollü bir CNC'nin genel yapısı.

Operatör Panosu

I I1

Mikroişlemci

Giriş/Çıkış

On Yükseltec

Besleme Motoru

Geri Besleme

I

Şekil 5 Standart bir mikroişlemciyle kontrollü bir CNC'nin bir eksen için genel yapısı

Veri/Adres Taşıtı

ANA MİKROİŞLEMCİ

1. Mikroişlemci içkestirim

2. Mikroişlemci <onum Kontrolü

3.Mikroişlemci

I T1 I

Operatör Panosu Şerit Okuyucu

Sayısal/Örneksel (D/A) Çevirici

Giriş / Çıkış

Şekil 6 Çok mikroişlemclyle kontrollü bir CNC'nin genel yapısı

3.2.3. Çok Mikroişlemciyle Kontrollü CNC'Ier Paralel olarak birçok mikroişlemcinin kullanılmasıyla oluşmuş dizgelerdir. Kontrol işlevleri birçok mikroiş lemciye, aynı anda yapılabilecek şekilde, dağıtılmış tır. Standart mikroişlemcilerin kullanıldığı bu dizge lerde, koordinasyonu sağlayan bir ana mikroişlemci bulunmaktadır.

Dört mikroişlemcili böyle bir dizgenin genel yapısı Şekil 6'da görülmektedir.

3,4. DOĞRUDAN NÜMERİK KONTROL

Doğrudan nümerik kontrol (DNC), birçok takım tez gâhının bulunduğu bir dizgede nümerik kontrol bi rimlerine gerekli verinin ve kontrol işaretlerinin geniş kapasiteli merkezi bir bilgisayar tarafından sağlanma sıdır. Merkezi bilgisayar zaman seçmeli olarak nüme rik kontrol birimlerine gerekli veri ve kontrol işaretle rini gönderip onları kontrol eder. Böyle bir dizgede, merkezi bilgisayar tüm dizgeye hükmetme ve birçok takım tezgâhını durdurma ve başlatma yeteneklerine sahiptir.

4 BİLGİSAYARLI NÜMERİK KONTROLLÜ TAKIM TEZGÂHLARINDA BULUNAN İŞLEVLER

Güçlü mikroişlemciler ve iyi bir donanım kullanarak, bilgisayarlı nümerik kontrollü (CNC) takım tezgâhla rının mevcut işlevlerini arttırmak veya geliştirmek mümkündür. Burada, CNC'Ierde bulunan işlevlerden bazıları kısaca anlatılacaktır.

4.1. İçkestirim Doğrusal ve dairesel içkestirim (interpolation) bugü nün CNC'Ierinin çoğunda bulunmaktadır. Bunun yanı sıra bazılarında, genellikle doğrusal ve dairesel içkesti rim kullanılarak gerçekleştirilen, eliptik ve hiperbolik içkestirime de rastlamak mümkündür.

4.2. Program Düzeltme CNC'Ierin çoğunda, düzeltilmek istenen veri veya programlar çeşitli şekilde düzeltilme veya değiştiril me olanaklarına sahiptirler.

4.3. Alt Program Tekniği CNC takım tezgâhlarında, sık sık yapılan mekanik iş lemlerin programları genellikle alt programlar şeklin de düzenlenmiştir. Bu alt programlar gerektiği zaman, (konum bilgisi, besleme hızı, ... gibi) belirli değişken değerleri için çağırılıp işlenebilmektedir.

4.4. Yanılgı Giderme

Takım tezgâhlarının yapılarından kaynaklanıp isteni len duyarlılıkta çalışmayı engelleyebilecek bazı meka nik aksaklıklar, CNC sistemi tarafından büyük ölçüde giderilebilmektedir. örneğin, dişlilerdeki boşluktan dolayı doğabilecek bir yanılgı için kontrol dizgesine boşluk miktarı düzeltme değeri olarak girilmekte, kontrol sistemi gerekli hesaplamaları yapıp, gerekiyor sa konum değerlerini bu düzeltme değerine göre yeni den ayarlamakta ve dişlilerdeki boşluktan dolayı ola bilecek hatayı ortadan kaldırmaya çalışmaktadır.

4.5. Kesici Takım Gidermesi

Mevcut programların, kullanılan kesici takımdan ba ğımsız olarak, istenen duyarlılıkta çalışması için kul lanılan kesici takımların boyutlarıyla ilgili bazı değiş kenlerin dışarıdan kontrol dizgesine girilebilmesi ve bunlara göre kesici takımın izleyeceği yolun ayarlan ması gerekmektedir.

KAYNAKLAR

1. Alford C.O., Sledge R.B., "Microprocerssor Architecture for Discrete Manufacturing Control, Part III: System Architecture", IEEE Transactions on Manufacturing Technology, No. 4, pp. 84 89, December 1976.

2. Alford C.O., Seledge R.B., "Microprocessor Arhitecture for Discrete Manufacturing Control, Part IV: Computer System Performance Evaluation", IEEE Transactions on Manufacturing Technology, p.p. 9 15, March 1977.

3. Basich R., "NC CNC,What Prospects has CNC to Offer,", pp. 149 153.

4. Becker H. "Development and Present Level of Numerical Control", pp. 3 12

5. Bobrov A.N., Perchenok Y.G., "Automated Milling Machines for Three Dimensional Machining", Machines and Tooling, 51, pp. 3 7, 1980.

6. Dalgıç A., "Microcomputer Control of Linear Motion of a Lathe Cutting Tool", M.Sc. Thesis, Department of Electrical Engineering METU, 1983.

7. Işık T., "Design and Construction of a Prototype NC Milling Drilling Machine", M. Sc. Thesis, Department of Mechanical Engineering METU, 1981.

8. Joosten J., Robben W. "Microprocessor CNC Provides Flexible Production and Service", Science and Industry, 16, pp. 6 9.

9. Kean G. C, Savage R., Cullen E., "Microprocessors in Machine Automation", The Production Engineer, pp. 32 36, April, 1977.

10 Milner DA., "Microcomputer Control of Machine Tools", Minicomputer Forum, pp. 561 573, 1975. HOkamoto K., Isomura M., "Application of Micro programming in Numerical Machine Controllers", Euromicro Journal, 6, pp. 228 295, 1980. 12 "DPT 5. Beş Yıllık Kalkınma Planı Metal ve Ağaç İşleyen Makinalar Sanayii özel İhtisas Komisyonu Raporu", Aralık 1982.