Lazer kesim makinalarında kullanılan lazer kafası taşıyıcı köprü sisteminin optimum tasarımı
Optimum design of laser head carrier bridge system used in laser cutting machinery
Yazar: RECEP YILMAZ
Danışman: PROF. DR. AHMET SAMANCI
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Mühendislik problemlerinin çözümünde kullanılan yöntemler analitik, sayısal ve deneysel olmak üzere üç ana kısımdan oluşmaktadır. Mühendislik uygulamalarında, genel olarak elastisite teorisine dayalı olan analitik çözümlerin zor veya imkânsız olduğu gibi durumlarda, sonlu eleman, sınır eleman, sonlu farklar gibi sayısal çözüm teknikleri sıklıkla kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında ürün tasarım ve optimizasyon işlemlerinin deneysel deneme yanılmalara maruz kalmadan sayısal ortamda gerçekleştirilmesi ile üretim maliyetlerinin çok önemli bir kısmının ve fazladan harcanan zamanın önüne geçilerek tasarım için en uygun parametrelerin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda iki çeşit metal malzeme (St-37 ve Al 6061-T6), üç adet profil boyutu (350x250, 300x200, 250x250 mm) ve üç adet profil et kalınlık değeri (4 , 5  ve 6 mm) seçilerek lazer kesim makinası köprü modelinin analitik, sayısal statik ve sayısal dinamik analizleri gerçekleştirilmiştir. Serbest cisim diyagramı verilen sistemin analitik hesaplamaları yapılarak elde edilen değerler Solidworks Premium Edition programı ile modellenen CAD (Bilgisayar Destekli Çizim) modelinin sayısal statik analizleriyle karşılaştırılmış ve çalışmaya gerçek çalışma koşullarında olduğu gibi sayısal dinamik analizler ile devam edilmiştir. Sayısal dinamik analizlerde kullanılacak olan hareket parametreleri belirlenirken köprü sisteminin ulaşabileceği maksimum hız ve ivme değerleri sırasıyla 2 m/s ve 2g olarak seçilmiştir. Gerçekleştirilen sayısal dinamik analizlerde sabit ivmeli hareket yerine ivme değeri jerk ile kontrol edilerek hareket sırasında hız köşelerinde meydana gelen maksimum stres ve deformasyon değerleri düşürülmüştür. Sayısal dinamik analiz sonuçlarından yola çıkılarak; malzeme, profil boyutu, et kalınlığı değerleri belirlenmiş ve yeni modele dört adet 6 mm et kalınlığında bayrak eklenerek rijitliğin artırılması amaçlanmıştır. Elde edilen sonuçlar kıyaslanmış ve seçilen köprü modeline, lazer kesim kafası ve ekipmanlarına ait basit bir parça eklenerek sayısal dinamik analiz tekrar edilmiştir. Meydana gelen maksimum stres değerine göre sistemin güvenlik katsayısı hesaplanmıştır. Son olarak servo motorlardan kaynaklanan titreşimler dikkate alınarak sistemin modal analizi gerçekleştirilmiş, ilk beş mod değeri ve şekli gösterilmiştir. Bu tez çalışması sonucunda 104 kg olan 6 mm et kalınlık değerine sahip 350x250 mm St-37 çelik dikdörtgen profili yerine, 4 mm et kalınlık değerine sahip 300x200 mm Al 6061-T6 alüminyum malzemesi kullanılmış ve bayraklarda eklendikten sonra toplamda köprü ağırlığı başlangıç değerinin % 20'sine düşürülmüştür. Bunun sonucunda atalet kuvvetlerinin azalmasından dolayı pozisyonlanma hassasiyetinde de % 70'lik bir iyileştirme sağlanmıştır.

Abstract:
The methods used in the solution of engineering problems consist of three main parts: analytical, numerical and experimental. In engineering applications, numerical solution techniques such as finite element, boundary element, finite differences are frequently used in cases where analytical solutions which are generally based on elasticity theory are difficult or impossible. In this thesis, it is aimed to determine the most suitable parameters for the design by avoiding a significant portion of the production costs and the extra time spent by performing product design and optimization operations in numerical environment without experiencing experimental trial and error. In this context, two types of metal materials (St-37 and Al 6061-T6), three profile sizes (350x250, 300x200, 250x250 mm) and three profile wall thickness values (4, 5 and 6 mm) by selecting the laser cutting machine bridge model, analytical, numerical static and numerical dynamic analyzes were performed. The values obtained by making analytical calculations of the system given free body diagram were compared with the numerical static analysis of CAD (Computer Aided Drawing) model modeled with Solidworks Premium Edition program and the study was continued with numerical dynamic analysis as in real working conditions. When determining the motion parameters to be used in numerical dynamic analysis, the maximum velocity and acceleration values that the bridge system can reach are selected as 2 m/s and 2g, respectively. In the numerical dynamic analyzes performed, the acceleration value was controlled by jerk instead of constant acceleration motion and the maximum stress and deformation values that occurred during speed corners were reduced. Based on the results of numerical dynamics analysis, material, profile size and wall thickness values were determined and it was aimed to increase the rigidity by adding four 6 mm wall thickness flags to the new model. The results were compared and numerical dynamic analysis was repeated by adding a simple piece of laser cutting head and equipment to the selected bridge model. The safety coefficient of the system was calculated according to the maximum stress value. Finally, the modal analysis of the system was carried out considering the vibrations caused by servo motors and the first five mode values and shapes were shown. As a result of this thesis, instead of 350x250 mm St-37 steel rectangular profile of 104 kg, having a wall thickness of 6 mm, 300x200 mm Al 6061-T6 aluminum material with 4 mm wall thickness was used and total weight of bridge was 20% of the initial value has been reduced. As a result, a 70% improvement in positioning accuracy due to the reduction of inertia forces.