Talaşlı imalatta sensör füzyonuna dayalı takım durumu izleme
Sensor fusion based tool condition monitoring in machining
Yazar: MUSTAFA KUNTOĞLU
Danışman: PROF. DR. HACI SAĞLAM
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Talaşlı imalat işlemlerinde kesme hızı, ilerleme oranı, talaş derinliği gibi değişkenlerin sayısının fazla olması ve değişkenlerin birbirleri ile dinamik bir etkileşim içinde bulunmaları bu işlemlerin matematiksel olarak modellenmesini zorlaştırmaktadır. Zamanla ilerleyen takım aşınması yalnızca takım ömrünü değil nihai bir hedef olan iş parçası yüzey kalitesini de tayin etmekte, bunların yanında pek çok işlem değişkenini de etkilemektedir. Sensör füzyonuna dayalı takım durumu izleme sistemleri yüzey pürüzlülüğü gibi bir kalite göstergesinin daha güvenilir bir şekilde takip edilmesi için sensör sinyallerinden anlamlı ve faydalı bilgi elde edilmesi prensibi ile çalışan bir teknolojidir. Sensör füzyonunda temel gaye incelenen sensör sinyallerinin birbirini teyit etmesidir. 
Bu tez çalışmasında Ç5140 malzemenin tornalanması esnasında tezgâha uyarlanan beş farklı sensörden (kuvvet, sıcaklık, akustik emisyon, titreşim ve akım) anlık olarak veri aktarımı sağlanmış ve işlem durdurulduğunda takım aşınması ve yüzey pürüzlülüğü ölçüm yapılarak belirlenmiştir. Fiziksel deneyler kuru kesme şartlarında ve üç farklı seviyede kesme hızı, ilerleme oranı, talaş derinliği ve yaklaşma açısı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Taguchi deney tasarım metodu yardımı ile L27 ortogonal dizisine göre 27 adet deney yapılmıştır. Beş farklı sensör verisi ve takım aşınmasının yüzey pürüzlülüğünü yansıtma ve sensör füzyonu oluşturma kabiliyeti grafiklerle ve bulanık mantık yaklaşımı incelenmiştir. Ayrıca sensör sinyallerinin takım kırılması anında gösterdiği davranış grafiksel olarak araştırılmıştır. İlave olarak, yüzey pürüzlülüğü hedef fonksiyonlarına bağlı kesme parametre optimizasyonu Taguchi ve yüzey cevap metodu ile belirlenmiştir. Bulanık mantık metodu ile yüzey pürüzlülüğü tahmini yapılmış ve elde edilen sonuçlar test sonuçları ile karşılaştırılmıştır. 
Sensörlerin aynı işlem esnasında tespit ettikleri verilerin, en ideal yüzey pürüzlülüğünün belirlenmesi maksatlı değerlendirilmesi ile elde edilen sonuçlara göre dinamometre ve ivmeölçer sensörlerinden alınan sinyallerin sensör füzyonu oluşturmada en etkili iki sensör olduğu görülmüştür. Daha açık ifadeyle, füzyon oluşturacak beş adet sensörün kullanıldığı bu çalışmada, kuvvet ve titreşim verilerinin, diğer sensörlerden alınan verilere göre istenilen pürüzlülük değerlerine ulaşılması maksatlı tercih edilebileceği görülmüştür. Yüzey pürüzlülüğünün takibinde titreşim, eksenel ve esas kesme kuvveti deneysel verilerinin, oluşturulan cevap yüzey metodu ile yapılan kuvvet tahminleriyle tutarlılığının yüksek olması, modelin bu ve benzeri çalışmalarda güvenle kullanılabileceğini göstermiştir. Bulanık mantık çıkarım modeli ise yüzey pürüzlülüğünü 91,2%  başarı ile tahmin etmiştir. Sensör füzyonuna dayalı takım durumu izleme sisteminin karmaşık yapıdaki talaşlı imalat işlemlerinin daha verimli olarak işletilebileceği hususunda önemli sonuçlar ortaya koymuştur.

Abstract:
Having much variables namely cutting speed, feed and depth of cut and the dynamic interaction between each variable make difficult the mathematical modeling of machining operations. Progressive tool wear settles not only tool life but also surface quality, which is an aim, besides affects plenty of operation variables. Sensor fusion based tool condition monitoring systems is a technology works with a principle to obtain useful and meaningful information from sensor signals for monitoring a quality characteristic safely such as surface roughness. The main aim in sensor fusion is the confirmation of the investigated sensor signals to each other.  
In this thesis, during turning of AISI 5140 material, data have been collected as on-line from five different sensors (force, temperature, acoustic emission, vibration and current) adapted to a lathe and tool wear and surface roughness measurements were performed when the machining was stopped. The experiments were performed under dry cutting conditions and 3 different levels of cutting speed, feed rate, depth of cut and approaching angle. 27 experiments were performed with the assistance of Taguchi experimental design method based on L27 orthogonal array. The capability of composing sensor fusion of five different sensors and tool wear reflecting surface roughness were investigated via on graphs and fuzzy logic approach. Besides, the behavior of sensor signals on tool breakage moment was researched graphically. In addition, optimum cutting parameters were determined with Taguchi and response surface to obtain the minimum surface roughness. Surface roughness prediction was carried out with fuzzy logic and the results were compared with test results. 
According to the results obtained by evaluating the data detected by the sensors during the same process for the purpose of determining the optimum surface roughness, it was seen that the signals received from the dynamometer and accelerometer sensors were the two most effective sensors in creating sensor fusion. More clearly, in this study in which five sensors to create fusion were used, it was seen that the force and vibration data could be preferred to reach the desired roughness values according to the data obtained from other sensors. The high consistency of vibration, axial and tangential cutting forces estimates made by the response surface method in the follow-up of the surface roughness showed that the model can be used safely in these and similar studies. Data detected by sensors at the same operation, Fuzzy inference model predicted the surface roughness with 91,2% success rate. Constituted system reveals significant results that the machining operations which have complex structure can be operated much productive.