TPP9-OPCTD /Yüksek Performanslı CNC Kontrol Ünitesinin Geliştirilmesi
MechanicsRoboticsElectronics

ETHEM KELEKÇİ

Yüksek performanslı CNC Kontrol Ünitesinin Geliştirilmesi isimli projemizin öncelikli amacı, yüksek yüksek hızlı ve yüksek hassasiyetli CNC kontrol ünitesi geliştirerek ülkemiz imalat sanayinde çok yaygın kullanılan CNC tezgâhlarında kullanılmak üzere ithal edilen kontrol ünitelerinin sayısını azaltmaktır. Ülkemizde üretilen CNC tezgâhlarının yerli üretim kontrol ünitesi tarafından kontrol edilmesi, CNC tezgâhlarındaki yerlileştirme oranının önemli değerde artırarak bu alanda yurt dışına olan bağımlılığı azaltacaktır. Ayrıca imalatı gerçekleşmiş bir CNC tezgâhına kontrol ünitesinin eklenmesi aşamasında kontrol ünitesi üreticisine tezgâh çalışma yapısının detaylı açıklanması gerekmektedir. Bu kapsamda projede geliştirilecek yerli kontrol ünitesi, stratejik çalışmalar için ülkemizde üretilen CNC tezgâhlarının kontrolünde gizlilik ilkesine bağlı kalınması noktasında önemli bir yere sahip olacaktır. CNC tezgâhları kullanım özelliklerine göre CNC-Freze, CNC-Torna, CNC-Taşlama, CNC-Kalıp İşleme vb. gruplara ayrılmaktadır. Proje kapsamında öncelik verilen alan tekstil, gıda, otomotiv, elektronik gibi pek çok sanayi dalında yaygın olarak kullanılan CNC-Freze tezgâhları olmuştur. Fakat proje çıktısının diğer CNC tezgâhlarında da uygulanabilmesi, tezgâh yapılarına uygun temel değişikliklerin kontrol ünitesine tanımlanması ile mümkün olacaktır. Çünkü genel kontrol alt yapısı tüm CNC tezgâhları için benzer yapıda kurulmaktadır. Tezgahların eksen sayıları ve eksenler arası senkronizasyon farklılıkları kontrol ünitesi tarafında değişikliğe ihtiyaç olan yerler olarak ifade edilebilmektedir. Projenin bir diğer önemli bir amacı ise kontrol ünitesi ile birlikte tek marka çatısı altında CNC-Freze tezgâhının üretimini yapabilmektedir. Kontrol ünitesi ile CNC tezgâhını üreten firmanın aynı olması, tezgâh performanslarında olumlu etki yaratmaktadır. Bunun temel nedeni, hem kontrol ünitesi testlerinin doğrudan satışa sunulacak tezgâh üzerinde uygulanması, hem de kontrol ünitesinin performansına uygun eksen motor ve sürücülerinin belirlenebilir olmasıdır. Ayrıca CNC tezgâhı ve kontrol ünitesi alanındaki önemli firmaların çalışmaları, servo motor ve sürücü teknolojisi üzerine de yerli üretim çalışmalarının yapılması gerektiğini göstermektedir. Kontrol ünitesi ile birlikte servo motor ve sürücüsünün aynı firmaya ait olması, fiber optik yapılar ile hem tezgâh içi çok hızlı haberleşme sistemlerinin kurulmasına (Örnekleme Zamanı: Ts<0.001s) hem de yüksek hassasiyetli motor kontrolüne imkân vermektedir. Fanuc, Mitsubishi gibi bu alandaki önemli firmaların yeni üretim endüstriyel CNC tezgâhları, servo motor ve sürücüsü, kontrol ünitesi ve tezgâh imalatını tek marka çatısı altında bulundurmakta ve yüksek performanslı ürün işleme kabiliyeti sunmaktadırlar. Sektördeki bu gelişmeler, hedeflenen proje çıktısına ulaşıldıktan sonra yeni iş paketlerinin oluşması gerektiğinin sinyallerini vermektedir. Servo motor ve sürücüsü üzerine yapılacak çalışmalar da projenin gelecek amaçları içinde yer almaktadır. Kontrol ünitesinin tüm yazılımına olan hâkimiyet, operatör panelinde de özgün ve daha kullanışlı yapıların kurulmasını mümkün kılmaktadır. Mazak, Mitsubishi, Siemens, Fanuc gibi CNC kontrol ünitesi alanındaki önemli markalar, yüksek hızda ve hassasiyette makine operasyonları ile desteklenen makine performansı sağlayan, robotlar, sensörler ve diğer ekipmanlarla CNC arasında bağlantı kurulmasını kolaylaştıran, büyük dokunmatik ekran üzerinden kolay, esnek ve sezgisel bir kullanıcı deneyimi sunmayı amaçlayan, 3 boyutlu modellerin görüntülenmesine ve operasyon öncesi parça çizimlerine ve ürün çıktı analizinin yapılabilmesine olanak tanıyan ürünler ortaya çıkarmaya başlamıştırlar. Bu proje ile gerçekleştirmek istediğimiz önemli bir amaç daha ise sektörde çalışan operatörlerden geri dönüşler alarak, isterlere göre kontrol ünitesi operatör paneli ve arayüzü geliştirmek olacaktır. Bu nedenle şu ana kadar yaptığımız çalışmalar ile geliştirdiğimiz operatör paneli ve kullanıcı arayüzünde ticarileşme sürecinde değişime gidilebileceği düşünülmektedir.


Endüstriyel CNC tezgâhlarında titreşimsiz, yüksek hız ve yüksek hassasiyetli tezgâh hareketlerinin sağlanması, doğru yörünge planlamasını, doğru kinematik ve dinamik analizlerin yapılmasını, uygun hız profilinin belirlenmesini (optimize edilmiş hız profili), hız profiline uygun yörünge interpolasyonunun yapılmasını ve bu yörüngelerin senkronize olarak eksen motorlarına gönderilmesi işlemlerinin sonucunda ulaşılmaktadır. Bu projede belirtilen tüm süreçlerde güncel ve geleneksel teorik ve pratik bilgiler özgün algoritma ve yazılım ile birleştirilmiş ve hedeflenen tezgâh hareketlerinin oluşması sağlanmıştır. Geliştirilen CNC kontrol ünitesinde, piyasadaki en gelişmiş kontrol ünitelerinde bulunan NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline) fonksiyonlarına uygun G06.2 komutlarının okunması, üç boyutlu uzayda yüksek hassasiyetli yörünge planlamasının yapılması ve eksen motorlarına düşük tork gereksinimi oluşturacak şekilde yörünge bilgilerinin gönderilmesi işlemleri literatürdeki önemli çalışmalar ışığında özgün algoritmalarla sağlanmıştır. Ayrıca piyasadaki CNC kontrol ünitelerinin aksine tüm interpolasyon işlemlerinde sabit jerkli hız profilleri kullanılarak tezgâhın titreşimsiz çalışması da garanti altına alınmıştır. Gelişmiş NURBS eğrileri sadece G06.2 komutu ile kullanılmamış, G05.1 komutu ile birlikte çoklu doğrusal yörüngelerin eğri uydurma yöntemi ile daha hassas ve pürüzsüz yörüngelere dönüştürülmesinde de kullanılmıştır. G05.1 komutunun aktif edilebilmesi için özgün bir algoritma geliştirilmiş ve kriterlere uyan nokta bulutunun NURBS eğrisine dönüştürülmesi için gerekli kontrol noktası, düğüm vektörü ve ağırlık vektörünün bulunması işlemleri için de özgün yöntemler geliştirilmiştir (Not: Geliştirilen algoritmalar deneysel çalışmalar sonucunda doğrulanmıştır). Endüstriyel CNC tezgâhlarının kontrol ünitelerindeki işlemler genellikle bir PLC veya hareket kontrolörü içerisinde koşturulmaktadır. Bu çalışmada, günümüzde eğilimin arttığı bilgisayar tabanlı denetim (PC Based Controller) sistemi kurulmuştur. Bu yapının tercih edilmesinin en önemli sebebi sabit bir PLC veya hareket kontrolörüne bağımlı kalınmamasıdır. Bu nedenle PLC ve hareket kontrolörüne göre daha evrensel bir yapıya sahip bilgisayarların gerçek zamanlı bir uygulamada denetleyici olarak görev yapması daha esnek programlamaya imkân tanımaktadır. Endüstriyel uygulamalarda bilgisayar tabanlı kontrolör kullanılma eğilimi dikkate alınırsa, hedeflenen proje titreşimsiz, yüksek hız ve yüksek hassasiyetli tezgâh hareketlerinin sağlanması için gerekli teorinin yazılıma dönüştürülmesinin yanında, hem bilgisayar tabanlı denetim sistemi hem de EtherCat haberleşme protokolünün kullanılacak olmasından dolayı önemli bir endüstriyel ürün potansiyeline sahip olduğu düşünülmektedir. Endüstriyel haberleşme protokollerini kullanan endüstriyel CNC tezgâhlarının eksen motorlarına veri gönderim çevrim süresi ortalama 2.5 ms ile 4 ms arasında değişmektedir (Not: Fiber optik temelli kendi protokollerini kullanan firmalarda bu değer 1ms altındadır). Projede, EtherCat protokolü üzerinden motorlara veri gönderim çevrim süresi 1 ms (1kHz)’dir. Ayrıca seri haberleşme protokollerinde eksen sayısının değişmesi veri gönderim hızını değiştirirken, EtherCat protokolünün yapısı gereği eksen sayısı veri gönderim hızını etkilememektedir. Ayrıca çalışmanın en önemli noktalarından birisi eksen motorlarına senkronize bilgilerin gönderilmesi işlemidir. Hedeflenen yörüngenin hatasız işlenmesi için tüm eksen motorlarına aynı anda bilgilerin gitmesi gerekmektedir. Bu noktada EtherCat protokolünün master (endüstriyel PC) / slave(motor sürücüleri) arası senkronizasyon sağlama özelliği kullanılmıştır. Dokunmatik ekran ve gerekli diğer kontrol donanımlarından oluşan operatör paneli üzerinden, makine sıfırı, parça sıfırı, eksen tanımlama, parametre girme gibi tezgâh ayarlarının ve program yazma-değiştirme, spindle aç-kapat gibi tezgâh operatörünün manuel kullanımına yönelik tüm işlemlerin yürütülmesi özgün geliştirilen kullanıcı arayüzü üzerinden yapılmaktadır. (Not: Sahadan alınan geri bildirimler doğrultusunda operatör panelinde değişikliğe gidilebilir) Fakat genel olarak değerlendirilir ise projede geliştirilen operatör paneli, piyasadaki gelişmiş kontrol ünitelerindeki operatör panellerine benzer kullanım özelliklerine sahiptir.


Takım tezgâhlarının çalıştırılmasının, durdurulmasının, takım değiştirilmesinin, eksen hareketlerinin ve buna benzer tezgâhın çalışması ile ilgili tüm işlemlerin bir kontrol ünitesi tarafından yönetildiği CNC (Computer Numeric Control) tezgâhları tekstil, gıda, otomotiv, elektronik gibi pek çok sanayi dalında yaygın olarak kullanılmaktadır. Tezgâh operasyonlarının yüksek hassasiyete sahip olması, tezgâhın çalışma temposunun her zaman yüksek olması ve aynı hassasiyette parça üretimini mümkün kılması CNC tezgâhlarının imalat sanayinde yaygın kullanılmasının başlıca sebepleri arasında sıralanabilir. Belirtilen özelliklerin bir CNC tezgâhında bulunması tezgâhın kinematik ve dinamik yapılarının hedeflenen hareket kabiliyeti için yeterli olmasını ve kontrol ünitesinin yüksek performans göstermesini gerektirmektedir. Bu kapsamda bir CNC tezgâhı, tezgâhın mekanik yapısı ve kontrol ünitesi olmak üzere iki başlıkta değerlendirilebilir. Ülkemizde CNC tezgâhlarının mekanik tasarımı ve üretimi belirli miktarda gerçekleştirilmektedir. Fakat üretimi yapılan CNC tezgâhlarının kontrol üniteleri hazır olarak yurt dışından temin edilmektedir. Bu nedenle ülkemizde tüm yazılımları ile birlikte yerli CNC kontrol ünitesi bulunan CNC tezgâhı üretimi yapılmamaktadır. Bu bilgiler doğrultusunda, rekabet gücü ve katma değeri yüksek, özgün ve yenilikçi özellikleri ile öne çıkan yüksek performanslı (yüksek hızlı & yüksek hassasiyetli) kontrol ünitesi geliştirilme ihtiyacının farkına varılmış ve bu projeye başlanmıştır. Hedeflene proje kapsamında, yüksek performans, yüksek hassasiyet ilkesine uyması, günümüz endüstriyel haberleşme protokolleri arasında neredeyse en hızlı ve güvenli yapıya sahip EtherCat protokolünü kullanması, günümüz kontrol ünitelerinden farklı olarak PLC veya hareket kontrolörü yerine bilgisayar tabanlı kontrolün (PC Based Control) gerçekleştirilecek olması, NURBS eğrisel yörüngelerini işleme kapasitesi olması, sabit jerkli hız profilleri ile titreşimsiz tezgâh hareketlerini garanti etmesi, özgün pürüzsüz yüzey işleme algoritmalarının bulunması, sahadan alınan bilgiler doğrultusunda veya özel isterlere göre operatör panelinin ve kullanıcı arayüzünün değiştirilebilir olması yönleri ile matematik altyapısı ve yazılımı güçlü, güncel ve geleneksel makine teorisine sahip bir ürün geliştirilmiştir. Bu yenilikçi yönlerinin yanında temelde bir CNC tezgâhından beklenen doğrusal, dairesel, helisel, spiral, eğrisel hareketleri gerçekleştiren, ISO (International Organization for Standardization) standartlarına uygun yazılan G kodlarını ve yardımcı M kodlarını tanıyan, bir CNC operatörü tarafından manuel kullanılabilen, tezgâh tarafından işlenecek yörüngeleri kullanıcı arayüzünde gösterebilen endüstriye uygun bir çalışma yapılmaya çalışılmıştır. CNC tezgâhları kullanım özelliklerine göre CNC-Freze, CNC-Torna, CNC-Taşlama, CNC-Kalıp İşleme vb. gruplara ayrılmaktadır. Proje kapsamında öncelik verilen alan tekstil, gıda, otomotiv, elektronik gibi pek çok sanayi dalında yaygın olarak kullanılan CNC-Freze tezgâhları olmuştur. Bu nedenle geliştirilen ürünün test işlemleri endüstriyel 4 Eksen bir CNC-Freze tezgâhında yürütülmektedir. Yapılan test işlemlerinde yukarıda belirtilen tüm ürün özellikleri doğrulanmıştır (Not: Deneysel test çalışmaları devam etmektedir). Kontrol ünitesinin tüm yazılımı Visual Studio Ortamında C# programlama dili ili geliştirilmiştir. CNC tezgâhı ile haberleşmesi kısmında ise TwinCat programı kullanılmaktadır. Tezgâhın tüm kontrolünü C# ortamında geliştirilen yazılım sağlarken, tezgâha gitmesi gereken veya tezgâhtan alınan veriler TwinCat ortamında işlem görmektedir. Özetle, senkronize çalışan iki yazılım yapısı kurulmuştur. Endüstriyel CNC tezgâhlarının kontrol ünitelerindeki işlemler genellikle bir PLC veya hareket kontrolörü içerisinde koşturulmaktadır. Operatörün CAM dosyasından aldığı G kodlarını operatör paneli üzerinden kontrolöre yüklemesinden sonra tezgâhın hareket planlaması yapılmaktadır. Bu işlem süresi kontrolör içerisindeki yazılımın kalitesine, işlemci performansına ve program boyutu ve yapısına göre çok değişkenlik göstermektedir. İşleme hızı iyi bir tezgâh kontrolü için tek başına yeterli değildir. Bu doğrultuda tezgâhın titreşimsiz, hızlı ve hassas hareketlerle çalışması ancak yüksek hızlı işlemci performansı ile CNC tezgâh teorisinin doğru bir şekilde yazılıma aktarılması sonucu gerçekleşmektedir. Ayrıca arka plandaki yazılım işlemlerinin operatör paneli ile etkileşimli çalışması beklenmektedir. Bu işlem de yazılımın esnek bir yapıda oluşturulmasını gerektirmektedir. Kontrol ünite markalarının bu süreçteki performansları tercih edilme nedeninde önemli rol oynamaktadır. Yörünge planlaması sonrası kontrol ünitesinin eksen motorlarına veri gönderim çevrim süresi endüstriyel tezgâhlar için ortalama 2.5 ms ile 4 ms arasında değişmektedir. Veri gönderim hızı daha çok kullanılan haberleşme protokolü ile ilişkili bir kavramdır. Endüstriyel CNC kontrol üniteleri genellikle EtherNet / IP, DeviceNet, Modbus / TCP, Profibus, ProfiNet ve SERCOS gibi endüstriyel haberleşme protokollerinden birini kullanmaktadır. Bilinen bu protokollerin yanında MTConnect (Mazak), Melsec (Mitsubishi) gibi firmalara ait Ethernet/Ip temelli özel haberleşme protokolleri de bulunmaktadır. Günümüzde gerçek zamanlı uygulamalar da ön plana çıkan en önemli haberleşme protokolü ise EtherCat protokolüdür. Fakat EtherCat protokolünün CNC kontrol ünitelerinde kullanımı henüz yaygınlaşmamıştır. Yeni nesil servo sürücüler ise EtherCat/Slave özellikli üretilmeye başlanmıştır. EtherCat uyumlu servo sürücülerin tüm markalar tarafından kullanılmaya başlanması CNC tezgâhlarının kontrol ünitelerinin de EtherCat protokolüne uygun geliştirileceğinin sinyalini vermektedir. Bu nedenle projede öncelikli hedef EtherCat haberleşme protokolünün kullanılması olup sonraki aşamalarda farklı protokollere uyumu da sağlanacaktır. Not: Bu projeye, Kocaeli Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği Bölümünde Dr. Öğr. Üyesi Selçuk Kizir danışmanlığında yürütülen doktora eğitimimin tez çalışması olarak başlanmıştır. Hedeflenen projeye tüm detayları ile yol haritası çıkarılmış ve sonuç aşamasına ulaşılmıştır. Çalışmanın test işlemlerine Endüstriyel 4 Eksen CNC-Freze tezgâhı üzerinde devam edilmektedir. Yapılan test çalışmalarının sonuçları projenin ticarileşme aşamasına ulaşıldığını göstermektedir.



Ülkemizde CNC kontrol ünitesi alanındaki ilk profesyonel çalışma olması projenin fikir üstünlüğü olarak ifade edilebilir. Teknik özellik anlamında ise, yüksek performans, yüksek hassasiyet ilkesine uyması, günümüz endüstriyel haberleşme protokolleri arasında neredeyse en hızlı ve güvenli yapıya sahip EtherCat protokolünü kullanması, günümüz kontrol ünitelerinden farklı olarak PLC veya hareket kontrolörü yerine bilgisayar tabanlı kontrolün (PC Based Control) gerçekleştirilecek olması, NURBS eğrisel yörüngelerini işleme kapasitesi olması, sabit jerkli hız profilleri ile titreşimsiz tezgâh hareketlerini garanti etmesi, özgün pürüzsüz yüzey işleme algoritmalarının bulunması, sahadan alınan bilgiler doğrultusunda veya özel isterlere göre operatör panelinin ve kullanıcı arayüzünün değiştirilebilir olması yönleri ile matematik altyapısı ve yazılımı güçlü, güncel ve geleneksel makine teorisine sahip bir ürün olması projenin avantajları olarak özetlenebilir.

Evet

Mazak, Mitsubishi, Siemens, Fanuc gibi CNC kontrol ünitesi alanındaki önemli markalar, yüksek hızda ve hassasiyette makine operasyonları ile desteklenen makine performansı sağlayan, robotlar, sensörler ve diğer ekipmanlarla CNC arasında bağlantı kurulmasını kolaylaştıran, büyük dokunmatik ekran üzerinden kolay, esnek ve sezgisel bir kullanıcı deneyimi sunmayı amaçlayan, 3 boyutlu modellerin görüntülenmesine ve operasyon öncesi parça çizimlerine ve ürün çıktı analizinin yapılabilmesine olanak tanıyan ürünler ortaya çıkarmaya başlamıştırlar. Teknolojik gelişmeler doğrultusunda CNC kontrol üniteleri de son 5 yıllık dönemde sınıf atlamış ve performans ve teknoloji anlamında değişim göstermeye başlamıştır. Alanında lider firmaların rekabetleri ürün gelişimine de pozitif etki etmektedir. Ülkemizde CNC kontrol ünitesi alanında hizmet veren yerli bir marka bulunmaması bu rekabet ortamında kalitesi gittikçe artan gelecek nesil kontrol ünitelerinin seviyesine ulaşılmasını zorlaştıracağı düşünülmektedir.

Başvuru Yapacağım

Ticarileşme Öncesi



Bu Proje için Yaptığım Sanal Yatırım:
Kalan TET Coin:
En çok sanal yatırım alacak ilk 3 projeyi tuttur ödülü kazan. Projeyi paylaş daha çok yatırım alsın.