BİR TORNA TEZĞAHININ MİKROBİLGİSAYAR KONTROLUYLA İLGİLİ BİR ÇALIŞMA

BİR TORNA TEZGAHININ MİKROBİLGİSAYAR KONTROLUYLA İLGİLİ BİR ÇALIŞMA

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

Hareket ettirici olarak adım motorları kullanılmıştır. Adım motorlarının hareketi, Intel 8085 mikroişlemci tabanlı bir mikrobilgisayar (ECB 85) tarafından kont rol edilmektedir. Geri besleme işaretlerinin, kesici ta kımın konum bilgisini sağlayan doğrusal konum çe virgeçlerinden alınması planlanmıştır. Mikrobilgisayar atılan her adımdan sonra kesici takımın yerini belirle mekte, böylece 0.05 mm'lik duyarlılığın içinde kalın masını sağlamaktadır, işlenebilecek maksimum parça boyutları 199.95 mm x 1499.95 mm'dir. Besleme hı zının, 0 ile 1500 mm/dak arasında kullanıcı tarafın dan seçilecek 150 değişik kademeden oluşması düşü nülmüştür.

SUMMARY

İn this paper, an M. Sc. Thesis work has been summarized. The objective of the work is to design and implement a system for closed loop control of linear motion of a lathe cutting tool in two dimensions.

Stepping motors are used as actuators. The motion of the stepping motors is controlled by a microcomputer (ECB 85) based on Intel 8085 microprocessor. Feedback signals are planned to be taken from linear transducers providing position informationof cutting tool. The microcomputer assesses the position of the cutting tool after every step and assures that an accuracy of 0.05 mm is achieved. Maximum dimensions of the workpiece are taken to be 199.95 mm x 1499.95 mm. Feedrate is assumed to be selected by the operatör between 0 1500 mm/min. in 150steps

1 AMAÇ VE TASARIM BELİRTİMLERİ (SPECIFICATIONS)

1 .T. Amaç

Bu çalışmanın amacı, torna tezgâhı kesici takımının (cutting tool) iki boyutlu hareketinin bilgisayarla kontrolünün sağlanmasıdır.

ÖZET

Bu yazıda, yüksek lisans tezi olarak yapılmış bir çalış ma anlatılmaktadır. İki boyutlu olan torna tezgâhı kesici takımı doğrusal hareketinin kapalı döngü kontrolü için bir dizge tasa rımı ve gerçekleştirimi amaçlanmıştır.

Û

Kesici takım

z

'SiUndrik Simetri ekseni

Sekil 1 1$ parçası ve kesici takım

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 30S

Şekil 1 'de görüldüğü gibi, iş parçasının (w ork piece) üç boyut lu olan işlenişi, kesici t akımın sadece iki bo yutta olan hareketleriyle gerçekleştirilebilmektedir. İş parçası, işlenirken kendi silindirik simetri ekseninin etrafında döndüğü için, işlenmiş iş parçası sürekli ola rak bu eksene göre simetrik olur. Dolayısıyla, kesici takımın iki boyuttaki hareketi, iş parçasını işlemek için yeterli olmaktadır.

Tasarımlanan dizgede iş parçasının maksimum boyut ları 199.95 mm x 1499.95 mm olarak alınmıştır. Fa kat yazılımda yapılacak ufak değişikliklerle bu değer ler arttırılabilir.

Farklı maddelerden yapılmış iş parçalarının tornada işlenmesi, farklı besleme (feedrate) hızlarıyla yapıl maktadır. Uygulamada, bu besleme hızlarının 0 ile 1 5 0 0 mm/dakika değerleri arasında kaldığı görülmüş ve dizge buna göre tasarımlanmıştır.

Dizgenin, ilk aşamada, torna tezgâhı kesici takımının sadece iki boyut lu doğrusal hareketini kont rol etmesi amaçlanmıştır. Kullanıcı baştan, mikrobilgisayarın tuş takımından (keyboard), doğrusal hareketin baş langıç ve bitiş noktalarını ya da birkaç doğrusal par çadan (linear segment) oluşmuş bir hareketin başlan gıç, bitiş ve ara noktalarını girebilmektedir. 1.2. Duyarlılık

Tasarımlanan dizgede, hareket ettirici olarak adım motorları kullanılmıştır. Motorun en küçük miktarda olan dönüşü, o motorun adım açısını (step angle) ve rir. Adım motorları her iki yönde de adım açılarının ancak tam katı kadar bir dönüş yapabilirler. Sürekli değil de kesikli (discrete) dönüş karakteristiğine sa hiptirler. Bundan dolayı, torna tezgâhının kesici takı mının hareketi de sürekli değil kesiklidir. Sistemde, koordinat eksenleri (X ve Y motorları) yönünde olan en küçük (bir adımlık) hareketin, duyarlılık toleransı na eşit olması düşünülmüştür. Duyarlılık toleransı 0.05 mm olarak alınmıştır. Bu nedenle, motorların dönüşlerini kesici takımın doğrusal hareketine dönüş türen dişlilerin bunu sağlayacak, yani motorun bir adım acılık dönüşünü 0.05 mm doğrusal harekete dö nüştürecek, şekilde seçilmesi gerekmektedir. Kesici takımın gerek X gerekse de Y koordinatları yönünde ki hareketleri 0.05 mm'nin tam katları kadar olacak tır.

Bu 0.05 mm'lik duyarlılık, dişlilerde boşluk olmaya cağı varsayılarak ortaya konan bir duyarlılıktır.

1.3. Kontrol öngörüsü (Strategy)

Kontrol dizgesi, kesici takımın iki boyutlu doğrusal hareketi için tasarımlanmış ve dizge programı bu amaç için yazılmıştır. Kesici takımın herhangi bir yo lu takip edebilmesi, bu yolun başka bir programla doğrusal parçalara ayrılması durumunda mümkün ola

bilecektir. Herhangi bir yolu doğrusal parçalara ayıra cak bir ana programın, bu çalışmayı takiben, yazılma sı olasılığı düşünülerek bu programın alabileceği ger çek zaman (real time) göz önünde bulundurulmuştur. Böylece kesici takımın, iki boyutlu herhangi bir yol üstündeki hareketinin kontrolü, mevcut donanım için de kalınarak sadece yazılımsal olarak gerçekleştirilebi lecektir.

h 1 adım ( x 0 , y 0 ) — Başlangıç noktasının koordinatları ( x j , y^ ) — Bitiş noktasının koordinatları Şekil 2 Seçilen yol takibi yöntemi

Verilen iki nokta arasındaki doğrusal hareket, belirli bir duyarlılığın içinde kalınarak, birçok farklı yöntem kullanılarak gerçekleştirilebilir. Bu çalışmada Şekil 2' de gösterilen seçilmiştir. Y aygın, basit ve güvenilir yöntemlerden birisi olan bu yöntemde, hareketin baş langıç noktasında X (veya —X ) yönünde bir adım (0.05 mm) atılır, sonra o x değeri için y'nin değeri hesaplanır ve bu y değerine erişilinceye kadar Y yö nünde gerekli sayıda adım atılır, istenen y değerine ulaşılınca X yönünde bir adım daha atılır ve karşılık gelen y değeri hesaplanıp o değere ulaşılmaya çalışı lır. Bu işlem hareketin bitiş noktası erişilinceye ka dar devam eder. Bu yöntemde bir anda sadece bir koordinat ekseni X veya Y yönünde hareket söz ko nusudur. X koordinat ekseni yönündeki hareketler sü rekli olarak birer adımdır. Eğer ulaşılmış bulunan x değeri için hesaplanan y değeri 0.05 mm'nin (bir adı mın) tam katı değilse, o zaman, bu y değerinden kü çük olan en büyük 0.05 mm'nin tam katı sayı y değeri olarak alınır.

1.4. Giriş /Çıkış Doğrusal hareketin başlangıç (x g , y ())v e bitiş (x |,y |) noktalarının koordinatları ECB 85 mikrobilgisayarla rının tuş takımından kullanıcı tarafından girilir. Giri len bu değerler mikrobilgisayarın yedi parçalı (seven segment) göstergesinde görüntülenir, işlenebilecek

maksimum iş parçası boyutlarından daha büyük de ğerler mikrobilgisayar tarafından kabul edilmez.

Besleme hızı da kullanıcı tarafından tuş takımından girilir ve göstergede görüntülenir. Besleme hızı için sa dece 1 ile 150 arasındaki tamsayı değerler mikrobilgi sayar tarafından kabul edilir.

1 ile 150 arasında seçilen değerler 10 ile 1500 mm/ dakika arasındaki besleme hızı değerlerine, doğru orantılı olarak, karşılık gelir.

Kesici takım, başlangıç noktasından bitiş noktasına ulaştığı zaman, bu göstergede bir mesajla belirtilir.

1.5. Geri Besleme

Dizge, kapalı döngü kontrol (closed loop control) diz gesi olarak düşünülmüştür. Konum bilgisi, konum çe virgeçlerinden alınıp geri besleme olarak mikrobilgisa yara verilmektedir. Mikrobilgisayar artımsal konum bilgisini almakta, gerçek (o an bulunulan) koordinat ları saptamakta, bu değerleri ideal (o an bulunulması gereken) koordinatlarla karşılaştırmakta ve gerekli elektriksel darbeleri (pulses) üretip motor kontrol devrelerine göndermektedir.

2 DİZGENİN GENEL YAPISI

Belirtilen amaçlar doğrultusunda, genel yapısı Şekil 3'te verilen dizge tasarımlanmıştır.

Bu dizgede bilgisayar olarak, 8 bitlik intel 8085 mik roişlemci tabanlı, tek kartlık ECB 85 mikrobilgisayarı

kullanılmıştır. Mikrobilgisayar, motorların hareketini kontrol etmek amacıyla, her bir eksendeki motor için bir yön, bir de darbe (pulse) çıkışı verir.

Mikrobilgisayarın darbe çıkışından gönderilen her elektriksel 0V 5V'luk darbe için, motorun,yön çıkı şında belirtilen yönde bir adım atması amaçlanır. Mo tor kontrol ve sürücü devresi de, bu amaçla, mikrobil gisayarın 0V 5V'luk yön ve darbe çıkışlarından mo torun anlamasını sağlar. Motor kontrol ve sürücü dev releri 0V 5V'luk bilgisayar çıkışlarını alırlar ve onları motorların anlayacağı akım ve gerilim dalga şekilleri ne çevirirler.

Torna tezgâhı kesici takımının doğrusal hareketinin başlangıç ve bitiş noktalarının koordinatları ve besle me hızı, tuş takımından mikrobilgisayara girilir. Mik robilgisayar bu iki nokta arasındaki doğrunun takip edilebilmesi için, (Kısım 1.3.'te anlatıldığı gibi) X ve Y koordinatları yönünde hareket veren motorların kontrol ve sürücü devrelerine gerekli elektriksel darbe leri gönderir. Bu yön ve darbe girişlerine göre, motor kontrol ve sürücü devreleri motorları istenilen yönde istendiği kadar döndürürler. Motorların dönüşleri de dişlilerle kesici takımın hareketine dönüştürülür. Ar tımsal konum çevirgeçlerinden (incremental position transducers), mikrobilgisayarın giriş portları vasıtasıy la, alınan konum bilgisi o an bulunulan gerçek koordi natların saptanmasında kullanılır. O an bulunulan ger çek koordinatlar, o an bulunulması gereken ideal koordinatlarla karşılaştırılıp buna göre her iki motora gerekli elektriksel işaretler gönderilir.

Konum Çevirgeci

Mikrobilgisayar

Motor Kont rol ye Sü rücü Devre si

Motor Kont rol ye Sü rücü Devre si

Y Ekseni Motoru

,_,—. x Eksenı

KM.\otoruKonum

Çevirgeci

KOORDİNATLAR VE HIZI

Sekil 3 Dizgenin genel yapısı

BESLEME

3 DİZGE PROGRAMI

Bilgisayarlı Nümerik Kontrollü (Compiterized Nu merically Controlled, CNC) tezgâhlarının tasarım ve yapımında, yazılımın dizgenin performansı üstünde önemli bir yeri vardır. Verilmiş olan sabit bir dona nım içinde kalınmak koşuluyla, yazılımda yapılacak geliştirmeler sayesinde dizge işlevlerini ve performan sını arttırmak mümkündür.

Bu dizgede geliştirilen yazılım, üzerinde hareket edile cek doğru parçalarının başlangıç ve bitiş noktalarının koordinatlarının ve besleme hızının kullanıcı tarafın dan girilmesine olanak tanır. Dizge programı, hareke tin istenen şekilde ve duyarlılıkta yapılmasını sağlar. Sistemde, sabit olarak bulunan, elektrikle programla nabilir salt oku bellekte (Electrically Programmable Read Only Memory, EPROM) saklanan bu program da, mikrobilgisayar sürekli olarak meşgul tutulma maktadır. Mikrobilgisayarın, gerekirse kullanabileceği, oldukça fazla bir zamanı vardır. Bu da, mevcut yazılı mın geliştirilip bazı işlevlerin eklenmesine olanak ta nımaktadır.

örneğin, kesici takımın herhangi bir yolu izlemesi için geliştirilebilecek bir ana programa zamansal ola rak olanak tanınmaktadır. Böyle bir program, yolu doğrusal parçalara ayıracak ve şu anki dizge progra mını bu doğru parçaları için kullanacaktır.

4 DİZGENİN DENENMESİ

Bu dizge torna tezgâhına bağlanmadan yüksüz olarak denenmiştir. Benzetişim (simulation) yapılarak, ar tımsal konum çevirgeçleri motorların şaftına yerleşti rilmiş ve kesici takım hareketi yerine, motorların dö nüşleri gözlenmiştir.

Dizge kapalı döngü kontrol dizgesi (closed loop cont rol system) olarak çalıştırıldığında, beklenen duyarlı lığın elde edilmediği görülmüştür. Neden araştırılmış ve bunun, konum çevirgeci olarak kullanılan artımsal optik şaft kodlayıcılarının (incremental optical shaft encoders) beklenen duyarlılıkta çalışmamasından ileri geldiği anlaşılmıştır. Konum çevirgeçlerinden gelen elektriksel işaretlerin benzetişimi ile dizge tekrar de nenmiş ve istenen sonuçların elde edildiği gözlenmiş tir.

Adım motorları, açık döngü kontrol dizgelerinde de (öpen loop control system) güvenilir sonuçlar verdiûi için dizge, değişik bir yazılımla, açık döngü kontrol dizgesi olarak denenmiş ve beklenen sonuçların iste nilen duyarlılıkta elde edildiği görülmüştür.

5 DİZGE ÜZERİNDE YAPILABİLECEK GELİŞTİRMELER

Herhangi bir yolu uygun doğrusal parçalara ayıracak bir ana program yazıldığı takdirde, mevcut donanımın içinde kalınarak, dizgenin kullanılırlığını büyük ölçü de arttırmak mümkün olacaktır. Şekil 4'te bu tür bir yolun doğrusal parçalara ayrılmış durumu gösteril mektedir.

Şekil 4 Bir yolun doğrusal parçalara ayrılmış durumu Y

Sekil 5 Dört doğrusal parçadan oluşmuş bir yol

Eğer verilen yol, Şekil 5'teki gibi, kullanıcı tarafından doğrusal parçalara ayrılabiliyorsa, bu yolun takibi dizgenin mevcut haliyle de gerçekleştirilebilmektedir. 6 SONUÇ Bu yazıda, torna tezgâhı kesici takımının iki boyutlu doğrusaİ hareketinin mikrobilgisayarla kontrolü ko nusunda yapılmış bir çalışma anlatılmaktadır. Ger çekleştirilen dizge, kesici takımın doğrusal parçalar dan oluşmuş bir yolu takip etmesini de mümkün kıl maktadır. Bu kontrol birimi, ülkemiz koşullarında düşük mali yetle gerçekleştirilebilir ve ufak değişikliklerle diğer bazı takım tezgâhlarına da rahatlıkla uygulanabilir ya pıdadır

KAYNAKLAR

1. Dalgıç A., "Microcomputer Control of Linear Motion of a Lathe Cutting Tool", M. Sc. Thesis, Department of ElectricaJ EngineeringMETU, 1983.