bir yonga levha serme makinesi tasarımı ve gerçeklenmesi
advertisement
5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye BİR YONGA LEVHA SERME MAKİNESİ TASARIMI VE GERÇEKLENMESİ DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A MAT FORMING MACHINE Tuğrul Çavdar Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon 61080, Türkiye E-posta: [email protected] Özet Bu çalışmamızda elektronik olarak kontrol edilen ve serme işlemini mekanik olarak gerçekleştiren yönlendirilmiş yonga levha (OSB) üretimine uygun bir serme makinesi tasarlanmıştır. Tasarlanan ve gerçeklenen bu yonga levha serme makinesi şu anda KTÜ Orman Endüstri Mühendisliği Laboratuvarlarında kullanılmaktadır. Anahtar kelimeler: Yönlendirilmiş yonga levha, Yonga levha serme makinesi, Salıngaç, Motor sürücü Abstract The aim of study is to design a forming machine for orientation of wood strand in manufacturing Oriented Strand Board (OSB). The machine is controlled electronically and realize forming mechanically. This designed and implemented mat forming machine have been used in Forest Industry Engineering Laboratory of Karadeniz Technical University. Keywords: Oriented Strand Board (OSB), Mat Forming Machine, Oscillator, Motor Driver 1. Giriş Odun esaslı malzemeler, gelişmiş üretim teknolojilerine sahip mühendislik ürünleridir [1]. Yönlendirilmiş yonga levhalar (OSB) odun esaslı malzemeler arasında büyük önem taşımaktadır. Bu levhalar genellikle odun (odun yongası, testere talaşı vs…) ve / veya diğer lignoselülozik lifli materyallerin (keten, kenevir lifleri, şeker kamışı vs…) hammaddelerinden elde olunan yonga veya küçük parçacıkların sentetik bir reçine ya da uygun bir yapıştırıcı ile ısı ve basınç altında geniş veya büyük yüzeyli levhalar haline getirilmesiyle oluşan ve gerek bina yapımında gerekse mobilya yapımında kullanılan bir malzemedir [2-4]. Yongaların yönlenmesi, OSB levhalarının karakteristik ve direnç özelliklerini etkileyen önemli faktörler arasındadır. Diğer tüm malzemelerde olduğu gibi yonga levhanın direnç özellikleri, özgül ağırlığına bağlıdır. Özgül ağırlığının yüksek olması yeterli değildir. Önemli olan ortalama değerlerden olan sapmaların büyük olmamasıdır. Yani levha özgür ağırlık bakımından homojen olmalıdır. Levha sanayinde levhanın niteliği serme kalitesine bağlıdır [5]. Odun yongaları belirli açılarda yönlendirme yapılarak © IATS’09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye serilmektedir. Levhanın özgül yoğunluk bakımından homojen olması bu serme kalitesine bağlıdır. Yönlendirme, mekanik serme makineleriyle yapıldığı gibi elektrostatik serme sistemleri ile de yapılmaktadır [6-8]. Bu çalışmamızda elektronik olarak kontrol edilen ve serme işlemini mekanik olarak gerçekleştiren OSB üretimine uygun bir serme makinesi tasarlanmıştır. Makine bir mekanik bir de elektronik aksamdan oluşmaktadır. 2. Mekanik Donanım Cihazın mekanik donanımı 42 cm x 42 cm suntadan yapılmış bir çerçeve üzerine monte edilmiştir. Kullanılan iki adet DC motordan bir tanesi sonsuz dişliyi çevirmektedir. Bu sayede sonsuz dişli üzerinde bulunan yatağın hareketi sağlanmaktadır. Yapılan elektronik donanımla bu motor, belirlenen bir sure kadar bir yöne, ondan sonra ise aynı sure kadar diğer yöne gitmektedir. Makinenin en üstünde, sonsuz dişli üzerindeki yatakta bulunan serme başlığında sekiz kanattan oluşan kapalı bir pervane vardır. İkinci motor ise bu pervaneyi döndürmektedir. Bu motora gelen güç, doğrudan güç kaynağından gelmektedir. Pervanenin sürekli aynı yönde dönmesi gerektiği için motora gelen akım, ilk motora gelen akımda olduğu gibi ters çevrilmemektedir. Başlık, serme bandına dik yerleştirilmiş olup yongaları, levha kısa eksenine (yani enine yönde) paralel bir şekilde yönlendirmektedir. Üstten düzensiz gelen yongalar, kanatların silindir içerisindeki dönme hareketiyle silindir gövdenin altına doğru (yani levhanın enine) yönde yönlenmiş olarak alttaki dış tabakanın üzerine serilmektedir. Bir zamanlayıcı devre tarafından makinenin serme başlığı iki yönlü hareket ettirilirken, bir sürücü devre tarafından bu başlıktaki pervanenin OSB levhalarına yön vermesi sağlanmaktadır. Zamanlayıcının süresi ve dolayısıyla serme başlığının ne kadar gideceği ayarlanabilmektedir. Başlıktaki motorun sürücü devresindeki ayarlanabilir kazanç ile de pervanenin hızı değiştirilebilmektedir. Makine, farklı geometrideki odun yongalarını homojen serecek şekilde üç katlı yapılmıştır. Şekil 1-2-3’te mekanik aksamdan fotoğraflar verilmiştir. Çavdar, T. Şekil 1. Serme başlığı. Şekil 2. Dişli takımları. Çavdar, T. Şekil 3. Kasa. 3. Elektronik Donanım Sistemin elektronik donanımı, bu donanımı ve motorları besleyen güç kaynağı, serme başlığının ileri geri gitmesini sağlayan hızı ayarlanabilir bir zamanlayıcı, güçlü motorları sürecek olan motor sürücü devreleri, serme başlığını hareket ettiren motor ve başlıktaki pervaneyi döndüren motordan oluşmaktadır. 3.1 Güç Kaynağı Güç kaynağı düzensiz +12 V ve -12 V, ve düzenli +12 V, -12 V ve +5 V verecek şekilde tasarlanmıştır. Tasarlanan güç kaynağının devre şeması Şekil 4’te verilmiştir. Düzensiz +12 V ve -12 V motor sürücü devresini beslemek için, düzenli +12 V ve -12 V ise devredeki tüm devrelerini beslemek için, +5 V da devredeki TTL elemanları beslemek için kullanılmıştır. Güç kaynağının bazı parametreleri deneysel yollarla ölçülmüştür. Bunlar: Açık devre gerilimi: +16.25 V ve -16.25 V, kısadevre akımı: 5.6 A, iç direnci: 2 Ω, Ryük=160 Ω iken kaynak gerilimi: +15.25 V ve -15.25 V, Ryük=5.1 Ω iken kaynak gerilimi: 11.5 V ve -11.5 V. Motor sürücü devresinde kazanç çok yüksek olduğundan dolayı besleme gerilimindeki en ufak değişimler sistemin çalışmasını kararsızlığa sürüklemektedir. Bundan dolayı güç kaynağındaki 7812, 7912 ve 7805 gibi düzenleyicilerin hem girişine hem de çıkışına 4700 μF’lık kondansatörler yerleştirilmiştir; ayrıca transformatör çıkışlarındaki tam doğrultucuların çıkışlarına da üçer tane 4700 μF’lık kondansatörler paralel bağlanmıştır. Ayrıca düzenleyicilerden ters yönde akım akma ihtimaline karşı düzenleyicilerin girişlerine diyotlar konulmuştur. Transformatör çıkışlarındaki tam doğrultucularda ise 6 A’lik diyotlar kullanılmıştır. 3.2. Zamanlayıcı / Kararsız Devre Buradaki zamanlayıcı kararsız devreden (astable multvibrator) yapılmıştır. Bu zamanlayıcı sayesinde serme kafası sistem üzerinde periyodik aralıklarla ileri ve geri gitmektedir. Kararsız devredeki değişken direnç yardımıyla bu periyodun süresi ayarlanabilmektedir. Böylelikle serme işlemi ister yavaş ister hızlı gerçeklenebilmektedir. Kararsız devreler, çalışma gerilimi verildiği andan itibaren dışarıdan herhangi bir tetikleme işaretine gerek duyulmadan devredeki zamanlama elemanlarının belirledikleri zaman aralıklarıyla devamlı durum değiştiren devrelerdir. Zamanlayıcı çıkışlarının, serme başlığının oturduğu sonsuz dişliyi döndüren motora verilmesi suretiyle motorun bir sure bir yöne, bir sure de ters yöne dönmesi sağlanmaktadır. Buradaki kararsız devre Şekil 5’de verilmiştir. Devredeki Q çıkışlarından herhangi birisi motoru sürecek olan motor sürücü devrenin girişine verilebilir. Devrenin çalışmasını açıklayabilmek için ilk anda bir transistörün doyumda, diğerinin kesimde olduğunu Kabul etmek gerekir. Güç verildiği anda T1 transistörü kesimde T2 transistörü iletimde Kabul edelim. Bu anda C1 sığası boşalmış, C2 sığası dolmuş durumdadır. Bu nedenle C1 sığasındaki artı gerilim T2 transistörünü doyumda; C2 sığasındaki eksi gerilim T1 transistörünü kesimde tutar. Bundan sonra C1 sığası RC1 direnci üzerinden dolmağa, C2 sığası R2 direnci üzerinden boşalmağa başlayacaktır. Bir sure sonra C2 sığası T1 transistörünü iletime sokacak şekilde boşalacak; C1 sığası T2 transistörünü kesime götürecek şekilde dolacaktır. Bu anda C1 sığasındaki eksi gerilim T2 transistörünü kesime; C2 sığasındaki artı gerilim T1 transistörünü doyuma götürür. Bu andan sonra C1 sığası R1 direnci üzerinden boşalmağa; C2 sığası RC2 direnci üzerinden dolmağa başlayacaktır. Bir sure sonra C1 sığası T2 transistörünü doyuma götürecek şekilde boşalacak; C2 sığası T1 transistörünü iletime sokacak şekilde dolacaktır. Transistörlerin iletimde olma süreleri sığaların boşalma sürelerine bağlıdır. Yani T1 transistörü R2 – C2; T2 transistörü R1 – C1 zamanlama elemanlarının belirlediği sürelerde kesimde ve doyumda olacaktır. Burada salınım dönemi (1) ile belirlenir. Burada serme başlığının gidiş / geliş sürelerinin eşit olması için R1 = R2 ve C1 = C2 seçilmiştir. Çavdar, T. 3.3. Motor Sürücü Devresi Serme başlığının oturduğu sonsuz dişliyi döndüren motor yüksek akım çektiğinden dolayı zamanlayıcının çıkışının doğrudan bu motoru sürmesi imkansızdır. Bundan dolayı bu motoru sürecek bir devre tasarlanmıştır. Bu devrenin girişi zamanlayıcının Q çıkışlarından herhangi birinden gelmekte, sürücünün çıkışı motora bağlanmaktadır. Motor sürücü devre Şekil 6’da verilmiştir. Sürücü devredeki işlemsel yükseltecin kazancı görüldüğü gibi 11’ dir. İşlemsel yükseltecin geri beslemesi, Darlington devresini de kazanç devresine katmak için çıkışından değil de motordan alınmaktadır. 0.8 A kollektör akımı olan BC transistörler, 1.5 A kollektör akımı olan BD transistörleri, onlar da 15 A kollektör akımı olan 2N transistörleri sürmektedir. Bu sürücü devre 1 MHz’ e kadar verimli sonuç verebilmektedir. indirmesine karşın bunun sürekli zamandaki hatanın artmasına sebep olması ve oturma zamanının uzamasıdır. İntegral devresinin eklenmemesinin sebebi ise sürekli zamanda hatayı sıfıra indirmek için oturma zamanını uzatmasıdır. Burada optimizasyon en kısa zamanda konumlanma üzerine yapılmıştır. Oransal kontrol devresinde kazanç istenilen değere ayarlanarak sistem kompanze edilmiştir. 3.4. Motorlar Sistemde iki adet motor kullanılmaktadır. Motorlardan biri serme başlığının oturduğu sonsuz dişliyi döndürmekte, diğeri de serme başlığındaki pervaneyi döndürmektedir. Bu motor sürekli aynı yönde döndüğü için doğrudan güç kaynağından sabit 12 V ile beslenmektedir. Kullanılan motorlar Bosch firması tarafından üretilmiş, 12 V’ta dakikada 25,000 devir yapabilen DC motorlardır. Tarafımızdan yapılan dişli takımlarıyla devir sayıları istenilen miktarlara indirgenmiştir. Sistemin kazanç devresine türev devresinin eklenmemesinin sebebi, geçici durumda hatayı sıfıra Şekil 4. Güç kaynağı. Çavdar, T. Şekil 5. Zamanlayıcı olarak kullanılan kararsız devre (RC1 = RC2 = 4.7 KΩ, R1 = R2 = 47 KΩ, C1 = C2 = 220 µF, T1 = T2 = 2N3904). Şekil 6. Motor sürücü devresi. Çavdar, T. 4. Sonuç Bu çalışmada Orman Endüstrisinde kullanılan bir yongalevha serme makinesi tasarlanmış, gerçeklenmiş ve Karadeniz Teknik Üniversitesi, Orman Fakltesi, Orman Endüstri Mühendisliği Bölümü Laboratuvarlarında kullanılmaktadır. Bu cihazla Orman Endüstri alanında bilimsel deneyler yapılmakta ve sonuçları uluslararası dergilerde yayınlanmaktadır. Daha ileriki çalışmalarda bu cihazın geliştirilmesi planlanmaktadır. Kaynaklar [1] T. M. Maloney, Modern Particleboard And DryProcess Fiberboard Manufacturing, Miller Freeman Publications, Inc., San Francisco, CA, 1977. [2] EN 300, Oriented Strand Boards (OSB) - Definitions, Classification and Specification, 1997. [3] Akbulut, T., OSB Levhalarının Kontrplak Yerine Kullanımı, İ.Ü. Orman Fakültesi Dergisi, 52(1), (2002). [4] Kalaycıoğlu, H., Neden OSB, Laminart Mobilya, Dekorasyon, Sanat ve Tasarım, İstanbul, 12, (2001), 136-138. [5] Geimer RL (1976) Flake alignment in particleboard as affected by machine variability and particleboard geometry. Research paper 275, USDA Forest Service, Forest Products Laboratory, Madison, WI, 16 pp. [6] Çehreli, H.T., Yönlendirilmiş Yongalı Levhaların (Oriented Structural Board: OSB) Üretimi, Teknolojik Özellikleri ve Kullanma Yerleri, Orman Fakültesi Dergisi, 4(1), (1981), 71-88. [7] Dönmez, A., 2005, 2005, Bazı Borlu Bileşiklerle Muamele Edilmiş Melez Kavak (Populus Euroamericana Cv.) Yongaları ve Kraft Lignin Fenol Formaldehit Tutkalı Kullanılarak Üretilen Yönlendirilmiş Yongalevhaların (OSB) Teknolojik Özellikleri, Yüksek Lisans Tezi, KTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü(KTÜ Araştırma Fonu 2004-113.002.2 no’lu projesi), 134 s.Trabzon. [8] Kruse K, Dai C, Pielasch A (2000) An analysis of strand and horizontal density distributions in oriented strand board (OSB). Holz Roh Werkst 58:270–277.
