hohner verdi

Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
Bitirme Operasyonunda Kesme Parametrelerine Göre Yüzey Pürüzlülüğünün
Gerçek Zamanlı Kontrolü
Ö.Taga*
Dokuz Eylül Üniversitesi
İzmir
Z. Kıral†
Dokuz Eylül Üniversitesi
İzmir
K. Yaman‡
TÜBİTAK-SAGE
Ankara
parçasından metal talaş kaldırma olarak tanımlar [1].
Yüzey işleme kalıp, otomotiv, havacılık ve savunma
sanayii gibi alanlarda çok yaygın olarak uygulanan bir
yöntemdir. Özellikle hassas yüzey kalitesi gerektiren
havacılık ve savunma sanayii gibi sektörlerde, kontrollü
yüzey işleme çok daha önemli bir hale gelmiştir.
Günümüzde gelişen işleme teknolojisiyle birlikte pek
çok farklı amaç için tezgah ve makinalar
geliştirilmektedir. Değişen koşullarla birlikte seri
imalatın her alanda yayılması, rekabet ortamı ve yüksek
üretim isterleri doğrultusunda takım, tezgah işleme
zamanı ve kalite kontrol maliyetleri de çok daha önem
arz etmektedir. Özellikle Sayısal Kontrollü Tezgahların
(CNC) artmasıyla birlikte hassasiyeti yüksek, daha az
zamanda, daha az maliyetli parça üretilmesini mümkün
kılmıştır, buna karşın tezgah titreşimleri, takım
aşınmaları ve yanlış kesme parametreleri bu teknolojinin
istenilen verimlilikte kullanılmasına engel olan unsurlar
olarak ön plana çıkmaktadır. Günümüzde İşleme
teknolojilerinde gelinen en son noktada çok karmaşık
geometriler çok daha hızlı ve boyutsal doğrulukta
işlenebilirken yüzey pürüzlülüğü konusunda henüz
istenen olgunluğa ulaşılmış değildir.
Yapılan çalışmalara bakıldığında, öncelikle kesme
parametreleri ile yüzey pürüzlülüğü arasındaki ilişki;
özellikle iş mili devri, ilerleme ve kesme derinliğinin
yüzey pürüzlülüğüne olan etkileri incelenmiştir. Deneysel
çalışmalar ile kesme parametrelerinin değişimine bağlı
olarak yüzey pürüzlülüğünün tayini farklı yöntemlerle
belirlenmiştir. Özellikle yapılan çalışmaların gelecek
çalışmalar kısmında bu yöntemlerin işleme sırasında
yapılabileceğinden bahsedilmiştir.
Rosales ve arkadaşları kesme parametreleri dışında
işleme sırasında oluşan kesme kuvvetlerini ölçerek yüzey
pürüzlülüğü tahmini yoluna gitmişlerdir[2]. Bununla
birlikte Nouri ve arkadaşları yaptıkları bazı çalışmalarda
bitirme operasyonunda işleme süresi boyunca kesme
kuvvetlerini modellemişler ve yüzey pürüzlülüğü yerine
takım aşınması ile ilişkilendirmişlerdir[3].
Michalik ve arkadaşları, CK 45 malzemeli ince cidarlı
parçaların frezelenmesinde yüzey pürüzlülüğünü
gözlemlemişler,
bu
tarz
parçalarda
geometrik
parametrelerin yüzey pürüzlülüğü üzerindeki etkileri ve
yüzey pürüzlülüğünün analitik olarak tahmini üzerine
çalışmışlardır[4]. Bu çalışmada farklı olarak sistemin
Özet— Bu çalışmada, talaşlı imalatta hassas yüzey
kalitesi gerektiren işlerde önemli bir ölçüt olan yüzey
pürüzlülüğünün, işleme sırasında gerçek zamanlı
kontrolüne dayanan uzman bir sistem kurularak, en iyi
ilerleme hızı ve iş mili devrinin belirlenmesi suretiyle
istenilen yüzey formunun elde edilmesi amaçlanmıştır.
Belirtilen amaç doğrultusunda, ilk olarak sistemin
çalışma
prensibini
belirleyen
bir
algoritma
geliştirilmiştir. Bu algoritmaya göre kaba işleme yapılan
yüzeyde yüzey pürüzlülüğü ölçümü ile en iyi işleme
parametrelerinin önceden tayin edilerek, sisteme dış bir
müdahale gerektirmeden sistemin belirlenen bu optimum
parametrelere göre bitirme (finiş) operasyonunu
gerçekleştirmesi sağlanmıştır. Son kısımda da uzman
sistemin müdahalesi öncesi ve sonrası yüzey kaliteleri
incelenip, sistemin doğrulaması gerçekleştirilmiştir.
Anahtar kelimeler: yüzey pürüzlülüğü, kesme parametreleri, yapay
sinir ağları, gerçek zamanlı kontrol
Abstract— In this study, surface roughness is an
important criterion to be required high quality surface
created an expert system based on the real-time control
during machining process so that the optimum feed rate
and spindle speed are determined according to get
desired surface quality. For this purpose, firstly an
algorithm which determines the operating principle of
the system is developed. According to algorithm,
optimum cutting parameters were predicted for end
milling (finishing) operation by measuring rough
machining surface roughness and the end milling
operation was performed with specified cutting
parameters. In the last part of the study, surface quality
was observed during the machining process after and
before the intervention of expert system before and after
and system validation was carried out.
Keywords: surface roughness, cutting parameters, artificial neural
network, real time control
I.Giriş 1
Yüzey işleme, talaşlı imalatın en önemli konularından
birisidir. Black, metal kesmeyi; istenilen ölçüde, şekilde
ve yüzey pürüzlülüğünde son ürün elde etmek için iş
*
[email protected]
†
[email protected]
‡
[email protected]
1
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
gücü ve 18000 dev/dak dönme hızına sahip olacak
şekilde Şekil 1’deki gibi üretilip bir araya getirilmiştir.
matematiksel modelinin çıkarılmasına dönük bir çalışma
yapmışlardır.
Yüzey pürüzlülüğü, yüzey topografisini belirten bir
ifadedir. Yüzey pürüzlülüğünün yorulma mukavemeti,
korozyon direnci ve sürtünme ömrü gibi ölçütler üzerinde
önemli derecede etkisi vardır.
Yüzey pürüzlülüğünün tahmini veya kesme
parametrelerinin optimizasyonu ve modellenmesi dışında
ölçümü kısmı ile ilgili yapılan uygulamalar da mevcuttur.
Genellikle yüzey pürüzlülüğü deyince klasik yöntem olan
temaslı yüzey pürüzlülük sistemleri akla gelmektedir.
Özellikle talaşlı imalatta büyük bir çoğunlukla iğne uçlu
temaslı yüzey pürüzlülük cihazları kullanılmaktadır.
Tomkiewicz’in yaptığı gibi bazı çalışmalarda farklı
yöntemler de kullanılmıştır. Tomkiewicz, yüzey
pürüzlülüğü ölçümü işlemi için görüntü işleme yöntemini
kullanmıştır. Yaptığı çalışmada işleme sırasında yüzey
görüntülerini almış ve bu görüntüleri işleyip dijital
sinyallere
çevirerek
YSA
yöntemiyle
yüzey
pürüzlülüğünü tahmin etmiştir[5].
Temassız yüzey pürüzlülük ölçüm sistemleri üzerine
yapılan araştırmalarda optik ve lazer sistemler ön plana
çıkmaktadır. Bradley, temassız yüzey pürüzlülük sensörü
ile ilgili çalışmasında optik yüzey pürüzlülük sensörünü
koordinat ölçüm cihazı’na (CMM) adapte ederek
çalışmalar yapmıştır[6].
Yukarıda verilen bilgiler ışığında işleme sırasında
dışarıdan müdahele olmadan istediğimiz yüzey
kalitesinde parça imalatı gerçekleştirebilecek bir sistem
tasarlanmıştır Sisteme entegre bir optik yüzey pürüzlülük
sensörü
vasıtasıyla
yüzey
pürüzlülük
ölçümü
gerçekleştirilerek, istenilen yüzey pürüzlülük değerine
göre YSA yöntemiyle eğitilen sistemin belirlediği
optimum kesme parametrelerini kullanarak işleme
yapabilen bir uzman sistem amaçlanmıştır. Deneysel
Çalışmalar kapsamında kullanılan yüzey pürüzlülük
sensörü hakkında ayrıntılı bilgi yüzey pürüzlülüğü
ölçümü kısmında verilmiştir.
Şekil. 1. Tasarlanıp üretimi gerçekleştirilen yüzey pürüzlülük
kontrol sistemi
B. Deneysel Çalışmalar
Kurulan sistem üzerinde kesme parametrelerine göre
yüzey pürüzlülüğündeki değişimi bulmak için deneysel
çalışmalar gerçekleştirildi. Yüzey pürüzlülüğünü
etkileyen pek çok parametre mevcuttur. Burada üzerinde
durulan parametreler; iş mili devri (Spindle Speed),
ilerleme (Feed Rate), kesme derinliği (Depth of Cut), iş
parçası malzemesi ve kesici takım olmak üzere temelde
beş parametre belirlenmiştir. Burada kesici takım
özellikleri sabit tutulmuş, çapı Ø20 olan 2 ağızlı parmak
freze olarak belirlenmiştir. İşleyeceğimiz malzeme türü
olarak AA5083 seçilmiştir. Tablo 1.’de iş parçası
malzemesi
analiz
sonuçlarına
göre
kimyasal
kompozisyonu verilmiştir.
II. Yüzey Pürüzlülük Kontrol Sistemi
A. Deney Sistemi
Bu başlık altında tasarımı ve üretimi gerçekleştirilen 3
eksenden servo motor tahrikli ve optik yüzey pürüzlülüğü
cihazı içeren Yüzey Pürüzlülük Kontrol Sistemin
mekanik özelliklerinden ve genel hatlarıyla çalışma
prensibinden bahsedilecektir.
Fe
Si
Mn
Cr
Cu
Mg
Zn
0.199
0.171
0.513
0.089
0.015
4.599
0.311
TABLO 1. Deneylerde kullanılan AA5083 malzemesinin kimyasal
kompozisyonu
Sistemin ana gövde malzemesi olarak 90x90 ve
90x180 ağır tip alüminyum sigma profil seçilmiştir.
Sistem üzerindeki 3 eksen hareketi sağlamak için frenli
servo motorlar kullanılmıştır. Servo motorlardan gelen
hareketleri boşluksuz yaylı kaplinler yardımıyla vidalı
millere iletilerek 3 eksende hareket sağlanmıştır.
İşleme kısmı için kullanılan iş mili (Spindle) HSD
markasının MT 1090-Y6162Y0019 modeli seçilmiştir.
Deneylerde kullanılan CNC freze tezgahı, 4,5 kW kafa
Deneysel çalışmalar için iş mili devri 1000 dev/dak’dan
10000 dev/dak’ya kadar, ilerleme 100 mm/dak’dan 1000
mm/dak’ya kadar Tablo 2’de verildiği gibi alınmıştır.
Kesme derinliği olarak incelediğimiz konu son işleme
operasyonu olduğu için 0.2 mm ve 0.5 mm için deney
setleri oluşturulmuştur.
2
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
İş Mili Devri(dev/dak)
İlerleme (mm/dak)
Kesme Derinliği(mm)
İş parçası Malzemesi
100
200
400
600
800
1000
0.2
0.5
AA5083
Kesici Takım
Takım Tutucu
20 mm
Çapında 2 ağızlı
parmak freze
ER32 Pens
1000
2000
3000
4000
5000
6000
8000
10000
TABLO 2. Deney setleri ve deneylerde kullanılan kesme parametreleri
Yukarıda belirtilen deney şartlarına göre toplamda 96
farklı durum için deneyler gerçekleştirilmiştir. Deneyler
sonucunda yüzey pürüzlülük değerleri ölçülmüştür. Tüm
veriler YSA modelinde giriş verisi (input) olarak
kullanılmıştır.
C. Deney Sonuçları
Yukarıda bahsedilen koşullar altında hem YSA eğitimi
için hem de sistemin davranışını incelemek için
gerçekleştirilen deneyler sonucunda Ra yüzey
pürüzlülüğünün; ilerleme, iş mili devri ve kesme
derinliğine göre değişimleri aşağıda şekillerde
bahsedilmektedir.
Yüzey pürüzlülüğünün her parametre ile olan ilişkisi
ayrı ayrı incelenmiştir. Şekil 2 ve Şekil 3’te görüldüğü
gibi AA5083 malzemesi için f=100 mm/dak ve f=1000
mm/dak sabit ilerleme hızları altında d=0.2 mm sabit
kesme derinliğinde yüzey pürüzlülüğünün iş mili devrine
göre değişimi incelenmiştir. Her iki eğri için de iş mili
devir hızının artması, yüzey pürüzlülüğünün azalması
açısından olumlu yönde katkı sağladığı görülmektedir.
Şekil. 3. AA5083 malzemesi için 1000 mm/dak ilerleme hızında ve
d=0.2mm kesme derinliğinde yüzey pürüzlülüğünün iş mili devrine
göre değişimi.
Şekil 4 ve Şekil 5’te görüldüğü üzere AA5083
malzemesi için f=100 mm/dak ve f=1000 mm/dak sabit
ilerleme hızları altında d=0.5 mm sabit kesme
derinliğinde yüzey pürüzlülüğünün iş mili devrine göre
değişimi incelenmiştir. Şekil 2 ve Şekil 3’de
bahsedilenlere ek olarak kesme derinliğinin artması
yüzey pürüzlülüğüne artmasına sebep olmaktadır.
Şekil. 2. AA5083 malzemesi için 100 mm/dak ilerleme hızında ve
d=0.2mm kesme derinliğinde yüzey pürüzlülüğünün iş mili devrine
göre değişimi.
Şekil. 4. AA5083 malzemesi için 100 mm/dak ilerleme hızında ve
d=0.5mm kesme derinliğinde yüzey pürüzlülüğünün iş mili devrine
göre değişimi.
Ayrıca f=100 mm/dak ve f=1000 mm/dak ilerlemeler için
de ilerlemenin yüksek olduğu şart olan Şekil 3’deki şartta
yüzey pürüzlülüğünün daha yüksek bir seyir içinde
olduğu görülmektedir.
3
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
Şekil 8 ve Şekil 9’da AA5083 malzemesi için S=1000
dev/dak ve S=10000 dev/dak sabit iş mili devir hızları
altında d=0.5 mm sabit kesme derinliğinde yüzey
pürüzlülüğünün ilerleme hızına göre değişimi
incelenmiştir.
Şekil 5. AA5083 malzemesi için 1000 mm/dak ilerleme hızında ve
d=0.5mm kesme derinliğinde yüzey pürüzlülüğünün iş mili devrine
göre değişimi.
Yukarıda bahsedilen durumlar hep sabit kesme
hızlarındaki şartlar içindir. Bundan sonraki 4 şekil için
sabit iş mili devri için ilerlemenin yüzey pürüzlülüğüne
olan ilişkisi incelenmiştir.
Şekil 6 ve Şekil 7’de AA5083 malzemesi için S=1000
dev/dak ve S=10000 dev/dak sabit iş mili devir hızları
altında d=0.2 mm sabit kesme derinliğinde yüzey
pürüzlülüğünün ilerleme hızına göre değişimi
incelenmiştir.
Şekil.8. AA5083 malzemesi için 1000 dev/dak iş mili hızında ve
d=0.5mm kesme derinliğinde yüzey pürüzlülüğünün ilerlemeye göre
değişimi.
Benzer şekilde ilerleme hızının artmasıyla yüzey
pürüzlülüğünün arttığı gözlemlenmiştir. Ayrıca Şekil 6
ve Şekil 7’deki şartlarla birlikte incelendiğinde kesme
derinliğinin artmasıyla yine yüzey pürüzlülüğünün arttığı
gözlemlenmiştir.
Şekil.6. AA5083 malzemesi için 1000 dev/dak iş mili hızında ve
d=0.2mm kesme derinliğinde yüzey pürüzlülüğünün ilerlemeye göre
değişimi.
Şekil.9. AA5083 malzemesi için 10000 dev/dak iş mili hızında ve
d=0.5mm kesme derinliğinde yüzey pürüzlülüğünün ilerlemeye göre
değişimi.
Her iki eğri içinde ilerleme hızının artmasıyla yüzey
pürüzlülüğünün arttığı gözlemlenmiştir.
D. Yapay Sinir Ağları Modeli (YSA)
Bu bölümde çalışmalarda kullanılan uzman sistemin
temel yapısını oluşturan yapay sinir ağları ele alınmıştır.
Yapay sinir ağları insan beynindeki sinir ağlarından
esinlenerek geliştirilen bir yöntemdir. Bu çalışma
kapsamında deneysel çalışmalardan elde edilen işleme
verileri ile optimum işleme parametrelerinin tahmin
edilebilmesi için yapay sinir ağları kullanılmıştır.
Şekil.7. AA5083 malzemesi için 10000 dev/dak iş mili hızında ve
d=0.2mm kesme derinliğinde yüzey pürüzlülüğünün ilerlemeye göre
değişimi.
4
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
Şekil. 10. Çalışmada oluşturulan yapay sinir ağları ağ modeli
Şekil. 9. Yapay Sinir Ağları Ağ Modeli
Çalışmada aktivasyon fonksiyonu olarak sigmoid
fonksiyonu kullanılmıştır. Sigmoid fonksiyonu klasik
yapay sinir ağları fonksiyonundan farklı olarak nonlineer
sistemlerin davranışını çok iyi bir şekilde simule
edebilir. Bu fonksiyon aşağıdaki gibi tanımlanır.
Temel YSA modelinde Şekil 9’da görüldüğü üzere
giriş kümesi x1,x2,…,xm şeklinde olup, vektör formunda
X olarak ifade edilir. Her bir giriş sinyali wk1,wk2,…,wkm,
wkb ağırlık oranı ile çarpılır. Vektörel biçimde Wk olarak
gösterilen, bu ikili çarpımların toplamı aşağıdaki gibi
bulunur.
net(X,Wk) = WkT X
Burada; f (net ) 
(1)
(2)
X = [ x1 x2… xm bk]T
(3)
E. Optik Yüzey Pürüzlülük Sensörü
Yüzey pürüzlülük sistemleri mekanik veya optik bir
şekilde ölçüm yapabilir. Ancak mekanik ölçüm sistemleri
yüzeye temas etmesi gerektiğinden, yavaş çalıştığından
ve pahalı olduğundan dolayı uzman sisteme uygulama
açısından uygun bulunmamıştır. Ayrıca mekanik olarak
iğne kullanıldığından dolayı ölçüm yaparken yüzeyi
çizmektedir. Bu da hassas yüzey kalitesi gerektiren
durumlarda sorun teşkil etmektedir.
Yukarıda bahsedilen bilgiler ışığında tez çalışmasında
işlenen yüzeyin yüzey pürüzlülüğünü ölçmek için Şekil
11’de gösterilen Hohner marka D516 model optik yüzey
pürüzlülük sensörü kullanılmıştır. Optik yüzey
pürüzlülük cihazı sayesinde sürekli ve temassız bir
ölçümler gerçekleştirilmiştir. Sistemde optik sensör
tercihi bir çok avantaj sağlamıştır. Hızlı veri aktarımı,
geliştirilen programa adaptasyonu, CNC freze tezgahına
kolay entegrasyonu, düşük maliyeti ve gerçek zamanlı
işlemede ölçüm için de uygun olması en önemli
avantajları olarak sayılabilir..
y k  f (WkT X ) veya
m
(4)
i 1
Yukarıda temeli anlatılan yapay sinir ağlarının bu
çalışma kapsamında tasarlanan uzman sistem üzerindeki
uygulaması Şekil 10’da şematik olarak gösterilmiştir.
Burada giriş elemanları; yüzey pürüzlülüğü, kesme
derinliği, takım çapı ve iş parçası malzemesi olarak
verilmektedir. Çıkış elemanları da iş mili devri ve
ilerleme parametrelerinden oluşmaktadır. Giriş ve çıkış
elemanları TABLO 3’de belirtilmiştir.
YSA GİRDİLER
Ra(µm)
d(mm)
D(mm)
YSA ÇIKTILAR
Malzeme
S(dev/dak)
(5) Modellemede ileri beslemeli geri yayılımlı YSA
modeli kullanılmıştır. Bu model için MATLAB
programında neural network toolbox yerine formüllerin
uygulandığı özel bir kod yazılmıştır. Daha sonra buradan
elde edilen eğitilmiş veriler ana program olan yüzey
pürüzlülük kontrol sisteminde kullanılmıştır.
Ağırlıklı toplam değerinin hesabından sonra, bunun bir
aktivasyon fonksiyonu f(.) üzerinden geçirilmesi ile
nöronun çıkışı üretilir.
yk  f ( wkj xi )
Burada a, sigmoid fonksiyonun eğim parametresini
göstermektedir.
Wk = [ wk1 wk2… wkm wkb]T
2
 1 1  exp(a  net )
f(mm/dak)
TABLO 3. YSA modelinde kullanılan işleme parametreleri
5
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
III. Yüzey Pürüzlülük Kontrol Sisteminin Kontrolü
Önceki
kısımlarda
şimdiye
kadar
sistemin
mekaniğinden ve kesme parametrelerini belirleyecek
YSA modeline göre hazırlan program için deneysel
çalışmalar ve sonuçlarından bahsedildi. Ayrıca yüzey
pürüzlülük kontrol sisteminde ölçüm kısmını oluşturan
optik yüzey pürüzlülük sensörü ve çalışma prensibi
anlatıldı.
Bu kısımda yüzey pürüzlülük kontrol sistemi çalışma
prensibi ve sistem yazılımı hakkında bilgi verilecektir.
Şekil. 11. Optik Yüzey Pürüzlülük Sensörü kesit görünüşü
E.1. Optik Yüzey Pürüzlülük Sensörü Ölçüm Prensibi
Optik yüzey pürüzlülük sensörü, işlenmiş metal
yüzeylerde yüzey pürüzlülüğü 0.05µm ile 20µm
hassasiyet aralığında ölçüm yapabilmektedir.
İşleme operasyonu sonunda Şekil 12’de gösterildiği
gibi yüzeye IR LED ışını gönderilmekte ve yüzeyin
formuna göre yüzeyden Dağılma (Scatter) ve Yansıma
(Reflection) ışınları almaktadır. Burada yüzeyin
pürüzlülüğüne göre Scatter ve Reflector değerleri
değişmektedir.
A. Sistemin Çalışma Prensibi
Yüzey pürüzlülük kontrol sisteminin amacı temel
olarak bitirme operasyonu işleme pasosu öncesi yüzey
pürüzlülüğü ölçümüyle sistemin istenilen yüzey
pürüzlülüğüne karşı optimum kesme parametrelerini
belirleyip, buna göre talaş kaldırma yapılarak istenilen
yüzey pürüzlülüğünün elde edilmesidir.
İşleme operasyonu öncesinde, kaba işleme için
girilmesi gereken iş mili devri, her pasodaki kesme
derinliği ve ilerleme sisteme girilir. Ayrıca işleme sonrası
istenilen yüzey pürüzlülüğü ve son paso için kesme
derinliği de sisteme girilir. Sistem kaba işlemeyi
başlangıçta verilen parametrelere göre gerçekleştirir. Son
(finiş) operasyonu öncesi sensör yüzey pürüzlülüğünü
ölçme işlemini yapar. Ölçülen yüzey pürüzlülüğüne göre
eğer yüzey istenilen kalitede ise mevcut parametreler ile
sistem işlemeyi yapar ve işlemi tamamlar. Eğer finiş
operasyon öncesi yüzey ölçüm sonucu yüzey pürüzlülüğü
istenilen değerde değil ise; olması gereken yüzey
pürüzlülüğüne göre sistem son (finiş) kesme
parametrelerini tahmin eder. Uzman Sistem tarafından
belirlenen iş mili devri ve ilerleme değerine göre sistem
son (end mill) işlemeyi gerçekleştirir ve işleme sonrası
doğrulama ölçümünü yaparak işlemeyi tamamlar. Ayrıca
ölçüm sonucunda elde etmiş olduğu ölçüm verisi ve o
veriyi oluşturan işleme parametrelerine ait verileri de
YSA için yeni referans seti olarak sistemin sürekli
eğitilmesinde kullanılır. Bu sayede bu çalışmada her
tezgaha uygulanabilen ve sürekli kendini eğiten bir
uzman sistem oluşturulmuştur. Sistemin çalışma
prensibini anlatan algoritma Şekil 13.’de verilmiştir.
Şekil. 12. Yüzey pürüzlülük sensörü ölçüm prensibi
Bu sistemde yüzey pürüzlülük değeri scatter/reflector
oranına göre belirlenmektedir. Ölçümlerden önce
sensörün minimum ve maximum yüzey pürüzlülük
değerine sahip mastarlar yardımıyla kalibrasyonu
yapılmaktadır. Kalibrasyon işleminde önce minimum
ölçü kabul edilen ve buna göre yüzey kalitesi belirli olan
mastar parça taranır, tarama sonucu elde edilen
Reflector/Scatter oranına karşılık gelen Ra değeri
bilgisayar yazılımına yazılır. Ardından maximum ölçü
kabul edeceğimiz yüzey kalitesi için aynı işlemler
tekrarlanarak, elde edilen Ra değeri de sisteme girilir.
Artık iki aralık boyunca bu iki değere göre sensör bağıl
olarak her noktadaki Reflector/Scatter oranına karşılık
yüzey pürüzlülük değerlerini belirler.
F= SS - SN ve F=SS + SN
(6)
Burada F fonksiyonu kalibrasyon parametresi olarak;
SS: Foto detektörden yansıyan yönde gelen sinyal
SN: Foto detektörden Normal yönde gelen sinyal olarak
ifade edilir[7].
6
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
Yüzey pürüzlülük kontrol sistemi arayüz kısmında da
görüldüğü üzere manuel ve otomatik operatör girdi kısmı,
optik sensör ölçümü ve kesme parametresi hesaplama
programı olarak 3 alt kısımdan oluşmaktadır.
Şekil 15’de görüldüğü üzere sistemin başlangıç ve
kaba işleme parametreleri bu kısımdan girilmektedir.
Burada x,y,z deki işleme sınırları, başlangıç ilerleme ve
iş mili devri ve kaba işleme için her pasoda kesme
derinliği verilebilmektedir.
Şekil.15. Yüzey Pürüzlülük Kontrol Sistemi Başlangıç Parametre
Girişi Arayüzü
Şekil. 13. Yüzey Pürüzlülük Kontrol Sistemi Program Algoritması
Daha sonra Şekil 16’da görüldüğü gibi sistemin işleme
sonunda istenilen yüzey pürüzlülük değeri, iş parçası
malzemesi, takım çapı ve son (finiş) paso kesme derinliği
bu kısımda sisteme girilmektedir. Buradaki parametreler
deney setlerine girdi olarak belirlenen parametrelerdir.
Burada sistem finiş operasyon öncesi müdahale edip
belirlediği iş mili devri ve ilerleme değerlerini YSA
yöntemiyle elde edilen sonuçlara göre tayin etmektedir.
B. Sistem Yazılımı
Yukarıda bahsedilen algoritmayı gerçekleştirmek için
sistem yazılımı geliştirilmiştir. Burada sistem program
arayüzü ve ana kontrol yazılımı Visual Studio’da
hazırlanmış olup; MATLAB Programında hazırlanan
hesaplama programı da ana yazılım içine entegre
edilmiştir. Şekil 14’de sistem programının ekran
görüntüsü gösterilmiştir.
Şekil.16. Yüzey Pürüzlülük Kontrol Sistemi iş mili devri ve ilerleme
hesaplama Programı Arayüzü
Önceki kısımlarda deney setleri sonucunda MATLAB
programında kod yazılarak YSA yöntemiyle sistemin
eğitilmesinden
bahsedilmişti.
Aynı
programda
MATLAB’da eğitilen veriler “.mat” uzantılı bir dosyaya
yazdırılır. Bu kısımda eğitilmiş verilerin yazılı olduğu
”.mat” dosyası yine MATLAB’da hazırlanmış bir başka
kod vasıtasıyla giriş parametreleri olan istenilen yüzey
pürüzlülüğü değeri, iş parçası malzemesi, takım çapı ve
kesme derinliğine göre çıkış parametreleri olan iş mili
devri ve ilerleme hesaplanmaktadır. Burada giriş verisine
bağlı olarak çıkış verileri tek olmayacağından birkaç iş
Şekil.14. Yüzey Pürüzlülük Kontrol Sistemi Program Arayüzü
Yüzey
pürüzlülük kontrol sisteminde x,y,z
eksenlerindeki servo motor hareketleri ve tezgah ile her
türlü haberleşme işlemi PLC üzerinden sağlanmaktadır.
7
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
mili devri ve ilerleme çiftleri çıkabilir. Bu durumda en
büyük (maksimum) ilerleme değerine karşılık gelen iş
mili devri alınarak işlem tamamlanır. İlerlemeyi
maksimum almamızdaki amaç işleme süresini
kısaltmaktır. Sonuçta yüzey olarak aynı sonucu verdiği
görülmüştür.
Şekil 17’de optik sensör kısmına ait sonuç örnekleri
görülmektedir. İki ekranda da üst kısımda görülen değer,
yüzey ölçüme başladığı andan o ana kadarki ölçüm
sonuçlarının ortalama değeridir.
Şekil. 19. İş mili ve iş miline entegre edilmiş optik ölçüm sistemi
Yüzey pürüzlülük değeri istenilen değerin üzerinde
olduğu için sistem istenilen değer için iş mili devri ve
ilerleme hızını hesaplamıştır. 0.6µm ve altı için olması
gereken optimum kesme parametrelerini S=7584 dev/dak
ve f=303 mm/dak olarak belirlemiştir. Yapılan işleme
sonucuna göre iş parçası üzerinde yapılan yeni ölçüme
göre yüzey pürüzlülük değeri 0,476 micron olarak elde
edilmiş ve işlem tamamlanmıştır. Şekil 20’de yüzey
pürüzlülük kontrol sistemi öncesi ve müdahale sonrası
durumu gösterilmiştir. Burada mavi renkli eğri kaba
işleme sonrası ölçülen yüzey pürüzlülük eğrisi, kırmızı
olan istenilen yüzey pürüzlülük sınırı ve yeşil olan eğri
ise belirlenmiş parametrelere göre alınan verileri ifade
eden eğridir.
(a)
(b)
Şekil.17. (a) Yüzey Pürüzlülük Kontrol Sistemi Optik Sensör
ölçümü sonucu istenilen durumda olmadığının arayüz gösterimi (b)
Yüzey Pürüzlülük Kontrol Sistemi Optik Sensör ölçümü sonucu
istenilen durumda olduğunun arayüz gösterimi
Alt kısımda ise statü olarak durumu göstermektedir.
Burada sonuç referans değerin altında veya eşit ise
“GOOD” olarak, üzerinde ise “BAD” olarak
göstermektedir.
IV. Yüzey Pürüzlülük Kontrol Sistemi Sonuçları ve
Tartışmalar
İş parçası boyutları olarak 50x70x200’lük AA5083
malzemeden numune hazırlanmıştır. Başlangıç işleme
parametreleri olarak f=1200 mm/dak ilerleme hızı ve
S=4000 dev/dak iş mili devri belirlenmiştir. Kesme
derinliği olarak d=0.8mm kaba işleme için verilmiştir.
Yüzey pürüzlülük isteri olarak 0,5µm’lik bir değer
girilmiştir. Ayrıca finiş paso kesme derinliği olarak
d=0.2mm olarak belirlenmiştir. Takım olarak daha önceki
deneylerdeki gibi 20mm’lik 2 ağızlı parmak freze
kullanılmıştır.
Kaba işleme sonrasında Şekil 19’daki gibi optik yüzey
pürüzlülük sensörü ile ölçüm alınmıştır. Sensör ölçümü
sonrası çıkan yüzey pürüzlülük değeri 1,576 micron
çıkmıştır.
Şekil.20. Uzman sistem öncesi ve sonrası yüzey pürüzlülük eğrileri
Daha önceden yapılan deneysel çalışmalardaki
sonuçlar ile kıyaslamak gerekirse Şekil 21’de en yakın
durumu ifade eden d=0.2mm kesme derinliğinde S=8000
dev/dak iş mili devri için ilerlemenin yüzey
pürüzlülüğüne göre değişimi eğrisindeki sonuçla yüzey
pürüzlülük kontrol sistemi sonucu elde edilen verinin
örtüştüğü görülmektedir.
8
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
boyunca sürekli olarak kontrol altında tutulduğu için
yüzey pürüzlülüğü kalite kontrolü süreç içerisinde üretim
aşamasında sağlanmış olmaktadır. Öğrenme özelliği
sayesinde her tezgaha uygulanabilir bir sistemin
geliştirilmesi sağlanmıştır.
Teşekkür
Bu çalışmanın gerçekleştirilmesinde motivasyon, techizat
ve iş gücü desteği sağlayan TÜBİTAK-SAGE’ye
teşekkür ederiz.
Şekil.21. Deneyler sonucu elde edilen verilere göre 8000 dev/dak iş
mili devrinde d=0.2mm kesme derinliğinde yüzey pürüzlülüğünün
ilerlemeye göre değişimi.
Kaynakça
[1] Black J. T. Journal of Engineering for Industry, vol.101, 403415,No 4, 1979.
[2] Rosales, A., Vizan, A., Diez E. ve Alanis, A. Prediction of Surface
Roughness by Registering Cutting Forces in the Face Milling
Process. European Journal of Scientific Research, 41(2), 228237,2011.
[3] Nouri, M., Fussell, B.K., Ziniti, B.L.,& Linder, E. Real-time tool
wear monitoring in milling using a cutting condition independent
method. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 89,
1-13, 2014.
[4] Michalik, P., Zajac, J., Hatala, M., Mital D.,& Fecova, V.
Monitoring surface roughness of thin-walled components from steel
C45 machining down and up milling. Measurement, 58, 416428,2014.
[5] Tomkiewicz A.Z. Estimation of surface roughness parameter based
on machined surface image. Metrology & Measurement Systems,
17(3), 493-504,2010.
[6] Bradley, C. Automated Surface Roughness Measurement.
International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 16,
668-674,2000.
[7] Sensors Online Your Technical Resource for Sensing
Communication
and
Control.
http://archives.sensorsmag.com/articles/0499/0499_58.
Date:
18.12.2015.
İşleme deneyleri sonucunda yüzeyden alınan
mikroskop görüntüleri mikroskopla 25 kat büyütülerek
Şekil 22’de, (a) uzman sistemin kullanılmadığı durum ve
(b) uzman sistemin devreye girmesi sonucu elde edilen
yüzey olmak üzere iki durum da karşılaştırmak amacıyla
gösterilmiştir. Bitirme operasyonu için yüzey pürüzlülük
kontrol
sisteminin
belirlemiş
olduğu
kesme
parametrelerine göre işlenmiş olan yüzey görüntüsünde
de görüldüğü gibi yüzey pürüzlülüğündeki iyileşme net
bir şekilde görülmektedir.
(a)
(b)
Şekil 22. (a) AA5083 malzemesi 4000 dev/dak iş mili hızında
f=1200 mm/dak ilerleme hızında d=0.8 mm kesme derinliği
değerlerinde ilk işleme yüzey görüntüsü (x25) (b) uzman sistemin
iyileştirdiği işleme parametreleri olan S=7534 dev/dak iş mili hizi ve
f=303 mm/dak ilerleme hızında d=0.2 mm finiş kesme derinliğine göre
elde edilen yüzey görüntüsü (x25)
IV. Sonuçlar
Bu çalışmada geliştirilen uzman sistem kullanılarak
yüzey işleme operasyonunda belirlenen en iyi (optimum)
iş mili devri ve ilerleme hızına göre yüzey pürüzlülüğü
kontrolü sağlanmıştır.
Değişik işleme parametrelerine göre elde edilen yüzey
pürüzlülük ölçümü sonuçları ve mikroskoptan elde edilen
işleme görüntüleri, geliştirilen uzman sistem ile daha
kaliteli bir bitime yüzeyi elde edilebildiğini göstermiştir.
Bu uzman sistem sayesinde doğru işleme parametreleri
seçimi operatör inisiyatifinden çıkarılarak minimum
operatör müdahalesiyle toplam işleme zamanından
tasarruf sağlanmıştır. Sistem tarafından en iyi (optimum)
kesme parametrelerinin belirlemesiyle aynı zamanda
takım aşınmasına da önemli katkılar sağlayacağı
öngörülmektedir. . Bu sistemde yüzey pürüzlülüğü süreç
9