106
Transkript
106
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015 Basınçlı Hava ile Desteklenmiş Eksenel Yönde Hareket Eden Bir Taşıma Sisteminin Tasarımı ve Yük Taşıma Karakteristiğinin İncelenmesi M. Taşdelen* Gazi Üniversitesi Ankara A. Alsaçβ Gazi Üniversitesi Ankara A. Dalµ Gazi Üniversitesi Ankara sistemlerinde, hareketli tablayı destekleyen basınçlı hava yatakları ve kızaklar arasında oluşan hava filmi yüzeylerin birbirine olan temasını önleyerek bir yağlayıcı etki oluşturmaktadır. Havanın viskozitesinin sıvı yağlayıcılara göre düşük olması, basınçlı hava ile desteklenmiş sistemlere düşük sürtünme kaybı, yüksek hassasiyet ve daha uzun parça ömrü gibi üstünlükler kazandırmaktadır. Basınçlı hava ile desteklenmiş eksenel hareketli tablalar kullanıldıkları sisteme hassas konumlama özelliği sağladığı için elektronik endüstrisinde, görüntüleme ve tarama cihazlarında tercih edilebilmektedir [1]. Basınçlı hava ile desteklenmiş eksenel hareketli bir tabla sisteminde, basınçlı hava yatakları ve sistemin üzerinde hareket ettiği silindirik kızak yüzeyleri arasına yatak üzerine yerleştirilmiş orifisler ile basınçlı hava iletilmekte ve basınçlı hava, bu yüzeyler arasında ince bir hava filmi oluşturduktan sonra yatak kenarlarından atmosfere çıkmaktadır [2]. Yatak ve kızak yüzeyleri arasındaki ince yağlayıcı hava filmi bu yüzeylerde basınç kuvveti oluşturmaktadır [3]. Bu basınç kuvveti ise basınçlı hava ile desteklenmiş eksenel yönde hareket edebilen tabla sisteminin yük taşıma karakteristiğini belirlemektedir [4]. Yatak ve kızak arasındaki bu basınç kuvveti yatak ve kızak arasındaki radyal boşluk, yatak boyu ve yatak çapı oranı, besleme basıncı, orifis çıkış çapı gibi basınçlı hava yataklarının geometrik özelliklerine bağlı olarak değişmektedir [5]. Basınçlı hava ile desteklenmiş yük taşıma sistemlerinde, tabla ve tablanın hareket ettiği yüzeyler arasındaki ince hava filmi hava yastıkları, eksenel veya radyal tip basınçlı hava yatakları kullanılarak sağlanabilmektedir [1]. Basınçlı hava ile desteklenmiş yük taşıma sistemleri ilk olarak Van Deuren tarafından tasarlanan ve 6 tane hava yastığından oluşan bir yük taşıma sistemi ile araştırılmaya başlanmıştır [6]. Sağladığı üstünlükler ile ilgi çeken basınçlı hava ile desteklenmiş yük taşıma sistemleri üzerine deneysel ve teorik birçok çalışma yapılmıştır [7-10]. Than ve ark. yaptıkları teorik ve deneysel çalışmada 3 serbestlik dereceli ultra-hassas konumlama yapan basınçlı hava ile desteklenmiş tabla sisteminin dinamik karakteristiklerini incelemişlerdir. Matematiksel olarak modelledikleri sistem için bir deney düzeneği kurarak, modelleme metodunun kabul edilebilir ve güvenilir olduğunu gözlemlemişlerdir [11]. Gao ve ark. basınçlı hava ile Özet— Hava yatakları ile desteklenmiş doğrusal taşıma sistemlerinde yük, basınçlı hava yatakları ile doğrusal kızak arasındaki ince yağlayıcı hava filmi tarafından taşınmaktadır. Bu çalışmada, yük taşıma kapasitesini incelemek için basınçlı hava yatakları ile desteklenmiş lineer hareketli bir taşıma sistemi tasarlanmış ve analiz edilmiştir. Hava yataklarının yüzeylerine hava cepleri oluşturmak için kanallar açılmıştır. Sistemin yük taşıma kapasitesi farklı besleme basınçları ve farklı L/D oranlarına sahip hava yatakları için deneysel olarak incelenmiştir. Anahtar kelimeler: basınçlı hava yatağı, doğrusal hareket eden tabla, yük taşıma karakteristiği Abstract— The lineer transport systems supported by air bearings the load is carried by a thin lubrication air film between externally pressurized air bearing and linear guide. In this paper, a lineer motion stage system supported by externally pressurized air bearing is designed and analyzed to investigate load carrying capacity. Air bearings supporting surfaces are grooved to form air pockets . The load carrying capacity of system is experimentally investigated for different supply pressure and L/D ratio of the bearings. Keywords: air bearing, linear motion stage, load carrying capacity I. Giriş1 Doğrusal hareketli taşıma sistemlerinde hassasiyet ve kesinlik önemli birer parametredir. Doğrusal hareketli taşıma sistemlerinde yaygın olarak tabla, kızak üzerinde sonsuz dişli mekanizması veya rulmanlarla oluşturulan tekerlekli sistemler vasıtasıyla hareket ettirilmektedir. Bu sistemlerde dişli boşluğu, rulman elemanlarındaki boşluk ve bozukluklar ve aşınma nedeniyle konumlama hataları ve titreşim problemleri ortaya çıkmaktadır. Bunlara ek olarak sistemin hareket hassasiyeti sistemi oluşturan mekanik parçalardan dolayı kısıtlanmaktadır. Dolayısıyla sistemin hassas konumlaması ve kesinliği de etkilenmektedir. Bu problemlere çözüm olarak tabla ve kızak yüzeyleri arasındaki havanın kullanıldığı basınçlı hava ile desteklenmiş doğrusal taşıma sistemleri önerilebilir. Basınçlı hava ile desteklenmiş taşıma * [email protected] β [email protected] µ [email protected] § [email protected] T. Karaçay§ Gazi Üniversitesi Ankara 1 Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015 tablanın üzerinde hareket ettiği kızakların ve yataklara basınçlı havanın iletildiği pnömatik devrenin tasarımları gerçekleştirilmiştir. Basınçlı hava yatakları ile desteklenmiş taşıma sistemlerinde, radyal boşluk, boy-çap oranı (L/D), orifis geometrisi, yatak yüzeyi gibi yatakların geometrik özellikleri yatak ve rotor arasındaki ince hava filmini etkilemektedir. Yüzeyler arasındaki ince hava filmi bu yüzeylerde bir basınç kuvveti oluşturmaktadır. Dolayısıyla bu ince hava filmini etkileyen her bir parametre sistemin yük taşıma kapasitesini de etkilemektedir [4]. Bu çalışmada da basınçlı hava yataklarının geometrik parametrelerinden yatak boy-çap (L/D) oranının sistemin yük taşıma kapasitesine olan etkisinin incelenebilmesi için yatak boy-çap oranı (L/D) 1.5 ve 2 olan iki farklı tip basınçlı hava yatağı tasarlanmıştır. Basınçlı hava yatakları ve kızak yüzeyleri arasına basınçlı havanın iletilmesi için yatak üzerine bir tane orifis yerleştirilmiştir. Şekil 1'de gösterildiği gibi, bu iki tip yatağın iç yüzeyleri, hem orifisten iletilen basınçlı havanın yatak iç yüzeylerine dağılması hem de yük taşıma kapasitesinin arttırılması için kanallı olarak tasarlanmıştır. Bu kapsamda yatak iç yüzeylerinde 3 mm derinliğe sahip 5 mm genişliğinde 4 adet radyal hava cepleri ve L/D oranı 1.5 olan yataklar için 4 adet, L/D oranı 2 olan yataklar için 5 adet eksenel hava cepleri oluşturulmuştur. desteklenmiş doğrusal hareketli taşıma sisteminin kartezyen koordinatlardaki konumlama hasssasiyetini kurdukları bir deney düzeneği ile araştırmışlardır. Sistemin tüm serbestlik derecelerindeki konumlama hatalarına etki eden sistemin parametrelerini incelemişlerdir [12]. Bhat ve ark. ise teorik ve deneysel bir çalışma ile hava yastıkları ile desteklenmiş bir taşıma sisteminde, orifis geometrisinin sistemin statik ve dinamik karakteristiğine olan etkilerini incelemişlerdir. [13]. Li ve Ding özgün olarak tasarladıkları radyal tip basınçlı hava yatağı ile desteklenmiş doğrusal bir tabla sistemini teorik ve deneysel olarak incelemişlerdir. Yaptıkları deneysel çalışmalar ile teorik modellerinin kabul edilebilir olduğunu gözlemlemişlerdir. [14]. Literatürde, basınçlı hava yatağı ile desteklenmiş taşıma sistemleri üzerine yapılan bir çok çalışma mevcuttur [6-14]. Bu çalışmaların bir çoğunda, basınçlı hava yataklarının genel bir eksikliği olan düşük yük taşıma kapasitesi problemine hava debisinin arttırılması önerilmektedir. Hava debisinin arttırılması ise daha fazla sayıda orifis kullanılması, daha büyük orifis geometrisi veya daha fazla besleme basıncı ile mümkün olmaktadır. Eksenel tip basınçlı hava yatakları ile desteklenmiş tabla sistemlerinde bu çözüm önerileri etkin olabilirken, radyal tip basınçlı hava yatakları ile desteklenmiş sistemlerde bu çözüm önerileri sistemin hareket kabileti kısıtlamaktadır (daha fazla pnömatik hortum). Ancak yatak ve rotor arasındaki boşlukta hareket eden havanın yatak yüzeylerine açılmış kanallarda tutulması ve bu kanallarla havanın yayılması sağlanarak daha etkin bir yağlayıcı hava filmi sağlamak mümkün olabilir. Böylelikle basınçlı hava ile desteklenmiş yük taşıma sisteminin düşük yük taşıma kapasitesi problemine bir çözüm sunulabilir. Bu çalışmada da radyal tip basınçlı hava yatakları ile desteklenmiş eksenel hareketli tablanın yük taşıma kapasitesi incelenmiştir. Bu kapsamda her bir köşesinden basınçlı hava yatakları ile desteklenmiş bir tabla ve kızaktan oluşan bir deney düzeneği tasarlanmıştır. Yatak ve kızak yüzeyleri arasındaki basınçlı havanın tüm yüzeylere yayılarak etkin bir yağlacı film oluşturulması ve sistemin yük taşıma kapasitesinin arttırılması için yatak yüzeylerine yatak boyunca ve yatak çevresince kanallar açılmıştır. Farklı besleme basınçları ve iki farklı yatak boy ve çap oranı (L/D) için sistemin yük taşıma kapasiteleri tasarlanan bu taşıma sistemi kullanılarak deneysel olarak incelenmiştir. Şekil 1. Hava Yatakları III. Deney Düzeneği ve Deneysel Çalışma II. Basınçlı Hava ile Desteklenmiş Eksenel Yönde Hareket Eden Bir Taşıma Sistemi için Basınçlı Hava Yatağı Tasarımı Şekil 2'de gösterildiği gibi yük taşıma tablasının her bir köşesine yerleştirilen basınçlı hava yataklarının hareket edeceği kızaklar 1000 mm uzunluğunda tasarlanarak, bu iki kızak, aralarında 150 mm, yerden 150 mm yükseklikte olacak şekilde montajlanarak test sistemi oluşturulmuştur. Tabla, tablanın hareket ettiği kızaklar ve basınçlı hava yataklarına ait geometrik özellikler Tablo 1’de verilmiştir. Basınçlı hava yatakları ile desteklenmiş eksenel yönde hareket eden taşıma sistemi basınçlı hava yatakları, tabla ve bu tablanın hareket edeceği kızaklardan oluşmaktadır. Basınçlı hava ile desteklenmiş taşıma sisteminin yük taşıma karakteristiğini etkileyen parametreler göz önüne alınarak radyal basınçlı hava yataklarının, tablanın ve 2 Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015 Özellik Değer Dm Mil çapı 30 mm Lm Mil boyu 1m Lt Tabla boyu 254 mm Gt Tabla genişliği 205 mm Kt Tabla kalınlığı 10 mm Wt Tabla ağırlığı 636 gr L Yatak boyları 45 ve 60 mm D Yatak çapı 30 mm Wy Yatak ağırlıkları 384 ve 502 gr c Radyal Boşluk 75 µm do Orifis çapı 3x10-3 m Kompresörde basınçlandırılan hava kurutucuda filtrelenerek basınç regülatörüne iletilmektedir. Tablo 1. Özellikler Tablosu Şekil 2. Basınçlı Hava İle Desteklenmiş Eksenel Yönde Hareket Eden Yük Taşıma Sistemi Test Düzeneği Yük taşıma tablasının destekleyen dört adet basınçlı hava yatağına basınçlı hava iletilmesi için Şekil 3'de verildiği gibi bir pnömatik hat tasarlanmıştır. Bu pnömatik hat kompresörden, kurutucudan, basınç regülatöründen, yönlendirici valften, dağıtıcılardan ve kısıcılardan oluşmaktadır. Test basıncına ayarlanan hava, dağıtıcılar ve kısıcılar vasıtasıyla her bir yatak üzerine yerleştirilmiş orifisler ile yatak ve kızak yüzeyleri arasına iletilmektedir. Basınçlı hava yatakları ile desteklenmiş taşıma sisteminin yük taşıma kapasitesi, ağırlıkları belirli diskler kullanılarak tablanın hareket edebilme kabiliyeti gözlemlenerek belirlenmiştir. Şekil 3. Hava Akış Şeması parametresi olup, besleme basıncının artması ile birlikte hava debisi de artmaktadır. Hava debisinin artması ise yatak ve kızak yüzeylerine etkiyen basınç kuvvetini arttırmaktadır. Dolayısıyla besleme basıncının artması ile birlikte her iki L/D oranı için yatak yük taşıma kapasitesi neredeyse doğrusal olarak arttırmıştır. Bunlara ek olarak yatak boy-çap oranı da yatak ve kızak yüzeyleri arasındaki basınç dağılımını dolayısıyla yatak yük taşıma kapasitesini etkilemektedir. Şekil 4'de görüldüğü gibi L/D oranının artması yatak yük taşıma kapasitesini arttırmıştır. III. Bulgular ve Tartışmalar Bu çalışma kapsamında basınçlı hava yatakları ile desteklenmiş eksenel yönde hareket edebilen tabla sisteminin yük taşıma kapasitesi deneysel olarak incelenmiştir. Bu amaçla oluşturulan deneysel sistem farklı besleme basınçlarda çalıştırılarak her iki tip yatağa ait yük taşıma kapasiteleri ölçülmüştür. L/D oranı 1.5 ve 2 olan basınçlı hava yatakları ile desteklenmiş taşıma sisteminin yük taşıma kapasitesinin besleme basıncına göre değişimi Şekil 4'da verilmiştir. Besleme basıncı, yatak ve rotor arasına iletilen hava debisi fonksiyonun bir 3 Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015 [6] Slocum A. H. Basaran M. Cortesi R. and Hart A. J., Linear motion carriage with aerostatic bearings preloaded by inclined iron core linear electric motor, Precision Engineering, 27 (4): 382-394, 2003. [7] Slocum A. H, Scagnetti P. E. Kane N. R. and Brünnner C. Design of self compensated water-hydrostatic bearings, Precision Eng., 17(3):173-185, 1995 [8] Chitayat A. Workpiece positioning table with air bearing pads. US Patent 4,392,642, 12 July, 1983. [9] Rasnick W. H. et al. Porous graphite air-bearing components as applied to machine tools. SME Tech. Report MRR74-02 [10] Chen X. and Li Z. Model reduction techniques for dynamics analysis of ultra-precision linear stage. Front. Mech.Eng. China 4(1): 64-70, 2009 [11] Tian C. Ming Z., Yu Z. and Chuxiong H., Dynamic modeling and analysis of a 3-DOF ultra-precision positioning stage with air bearings, Procedia Engineering, 16(2011), 264-270, 2011 [12] Gao W. Arai Y. Shibuya A. Kiyono S. and Hong Park C., Measurement of multi-degree-of-freedom error motions of a precision linear air-bearing stage, Precision Engineering, 30(1): 96103, 2006 [13] Bhat N. Kumar S. Tan W. Narasimhan R. and Chuin T., Low, Performance of inherently compensated flat pad aerostatic bearings subject to dynamic perturbation forces, Precision Engineering, 36(3):399-407, 2012 [14] Li Y. T. and Ding H., Design analysis and experimental study of aerostatic linear guideways used in a high acceleration and high precision xy stage, Engineering Tribology Part J,, 221, 2007 Şekil 4. L/D oranı 1.5 ve 2 Olan Hava Yataklarının Karşılaştırılması IV. Sonuçlar Bu çalışmada basınçlı hava ile desteklenmiş eksenel yönde hareket edebilen taşıma sisteminin yük taşıma kapasitesi deneysel olarak incelenmiştir. Yapılan deneysel çalışma ile elde edilen sonuçlara göre beklenildiği gibi besleme basıncının artması ile birlikte sistemin yük taşıma kapasitesi de artmıştır. Buna ek olarak daha büyük yatak boy-çap oranına (L/D) sahip basınçlı hava yatakları ile desteklenmiş taşıma sistemlerinin daha fazla yük taşıma kapasitesine sahip oldukları gözlemlenmiştir. Yatak iç yüzeylerindeki hava ceplerinin yatak içerisindeki havanın akışını etkilemediği ve her bir yatak için tek orifis kullanılmasına rağmen yüzeyler arasında etkin bir yağlayıcı hava filmi oluştuğu gözlemlenmiştir. Ancak bu hava ceplerinin yatak yük taşıma kapasitesine olan etkilerinin incelenebilmesi için aynı geometriye sahip iç yüzeylerinde hava cebi bulunmayan basınçlı hava yatakları ile desteklenmiş bir taşıma sistemi kullanılarak yapılacak deneysel bir çalışma sonuçları ile karşılaştırılması gerekmektedir. Teşekkür Bu çalışma TÜBİTAK BİDEB-2209-A programı kapsamında 1919B011400359 numaralı proje ile desteklenmiştir. Bu deneysel çalışmaya olanak sağlayan TÜBİTAK'a teşekkür ederiz. Kaynakça [1] Slocum H. A., Precision machine design, Prentice Hall, Chapter 9, 1992 [2] Wang J. Design of gas bearing systems for precision application, PhD Thesis, Technische Universiteit, 1-35, Eindhoven,1993. [3] N. S. Powell, J. W. Grassman, Gas Lubricated Bearings, 1st Edition, 1964 [4] Laub J. H. Externally pressurized gas bearings, Trans. Amer. Soc. Lub. Engrs., 4 (1): 261-265, 1961 [5] Dal A., Basınçlı hava yatağı ile desteklenmiş yatak-rotor sisteminin dinamik karakteristiklerinin belirlenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ocak 2014 4