106

Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
Basınçlı Hava ile Desteklenmiş Eksenel Yönde Hareket Eden Bir Taşıma
Sisteminin Tasarımı ve Yük Taşıma Karakteristiğinin İncelenmesi
M. Taşdelen*
Gazi Üniversitesi
Ankara
A. Alsaçβ
Gazi Üniversitesi
Ankara
A. Dalµ
Gazi Üniversitesi
Ankara
sistemlerinde, hareketli tablayı destekleyen basınçlı hava
yatakları ve kızaklar arasında oluşan hava filmi
yüzeylerin birbirine olan temasını önleyerek bir yağlayıcı
etki oluşturmaktadır. Havanın viskozitesinin sıvı
yağlayıcılara göre düşük olması, basınçlı hava ile
desteklenmiş sistemlere düşük sürtünme kaybı, yüksek
hassasiyet ve daha uzun parça ömrü gibi üstünlükler
kazandırmaktadır. Basınçlı hava ile desteklenmiş eksenel
hareketli tablalar kullanıldıkları sisteme hassas
konumlama
özelliği
sağladığı
için
elektronik
endüstrisinde, görüntüleme ve tarama cihazlarında tercih
edilebilmektedir [1].
Basınçlı hava ile desteklenmiş eksenel hareketli bir
tabla sisteminde, basınçlı hava yatakları ve sistemin
üzerinde hareket ettiği silindirik kızak yüzeyleri arasına
yatak üzerine yerleştirilmiş orifisler ile basınçlı hava
iletilmekte ve basınçlı hava, bu yüzeyler arasında ince bir
hava filmi oluşturduktan sonra yatak kenarlarından
atmosfere çıkmaktadır [2]. Yatak ve kızak yüzeyleri
arasındaki ince yağlayıcı hava filmi bu yüzeylerde basınç
kuvveti oluşturmaktadır [3]. Bu basınç kuvveti ise
basınçlı hava ile desteklenmiş eksenel yönde hareket
edebilen tabla sisteminin yük taşıma karakteristiğini
belirlemektedir [4]. Yatak ve kızak arasındaki bu basınç
kuvveti yatak ve kızak arasındaki radyal boşluk, yatak
boyu ve yatak çapı oranı, besleme basıncı, orifis çıkış
çapı gibi basınçlı hava yataklarının geometrik
özelliklerine bağlı olarak değişmektedir [5].
Basınçlı hava ile desteklenmiş yük taşıma
sistemlerinde, tabla ve tablanın hareket ettiği yüzeyler
arasındaki ince hava filmi hava yastıkları, eksenel veya
radyal tip basınçlı hava yatakları kullanılarak
sağlanabilmektedir [1]. Basınçlı hava ile desteklenmiş
yük taşıma sistemleri ilk olarak Van Deuren tarafından
tasarlanan ve 6 tane hava yastığından oluşan bir yük
taşıma sistemi ile araştırılmaya başlanmıştır [6].
Sağladığı üstünlükler ile ilgi çeken basınçlı hava ile
desteklenmiş yük taşıma sistemleri üzerine deneysel ve
teorik birçok çalışma yapılmıştır [7-10]. Than ve ark.
yaptıkları teorik ve deneysel çalışmada 3 serbestlik
dereceli ultra-hassas konumlama yapan basınçlı hava ile
desteklenmiş tabla sisteminin dinamik karakteristiklerini
incelemişlerdir. Matematiksel olarak modelledikleri
sistem için bir deney düzeneği kurarak, modelleme
metodunun kabul edilebilir ve güvenilir olduğunu
gözlemlemişlerdir [11]. Gao ve ark. basınçlı hava ile
Özet— Hava yatakları ile desteklenmiş doğrusal
taşıma sistemlerinde yük, basınçlı hava yatakları ile
doğrusal kızak arasındaki ince yağlayıcı hava filmi
tarafından taşınmaktadır. Bu çalışmada, yük taşıma
kapasitesini incelemek için basınçlı hava yatakları ile
desteklenmiş lineer hareketli bir
taşıma sistemi
tasarlanmış ve analiz edilmiştir. Hava yataklarının
yüzeylerine hava cepleri oluşturmak için kanallar
açılmıştır. Sistemin yük taşıma kapasitesi farklı besleme
basınçları ve farklı L/D oranlarına sahip hava yatakları
için deneysel olarak incelenmiştir.
Anahtar kelimeler: basınçlı hava yatağı, doğrusal hareket eden
tabla, yük taşıma karakteristiği
Abstract— The lineer transport systems supported by
air bearings the load is carried by a thin lubrication air
film between externally pressurized air bearing and
linear guide. In this paper, a lineer motion stage system
supported by externally pressurized air bearing is
designed and analyzed to investigate load carrying
capacity. Air bearings supporting surfaces are grooved
to form air pockets . The load carrying capacity of system
is experimentally investigated for different supply
pressure and L/D ratio of the bearings.
Keywords: air bearing, linear motion stage, load carrying capacity
I. Giriş1
Doğrusal hareketli taşıma sistemlerinde hassasiyet ve
kesinlik önemli birer parametredir. Doğrusal hareketli
taşıma sistemlerinde yaygın olarak tabla, kızak üzerinde
sonsuz dişli mekanizması veya rulmanlarla oluşturulan
tekerlekli sistemler vasıtasıyla hareket ettirilmektedir. Bu
sistemlerde dişli boşluğu, rulman elemanlarındaki boşluk
ve bozukluklar ve aşınma nedeniyle konumlama hataları
ve titreşim problemleri ortaya çıkmaktadır. Bunlara ek
olarak sistemin hareket hassasiyeti sistemi oluşturan
mekanik parçalardan dolayı kısıtlanmaktadır. Dolayısıyla
sistemin hassas konumlaması ve kesinliği de
etkilenmektedir. Bu problemlere çözüm olarak tabla ve
kızak yüzeyleri arasındaki havanın kullanıldığı basınçlı
hava ile desteklenmiş doğrusal taşıma sistemleri
önerilebilir. Basınçlı hava ile desteklenmiş taşıma
*
mtasdelen0643@gmail.com
β
abdulganialsac@gmail.com
µ
abdurrahimdal@gazi.edu.tr
§
karacay@gazi.edu.tr
T. Karaçay§
Gazi Üniversitesi
Ankara
1
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
tablanın üzerinde hareket ettiği kızakların ve yataklara
basınçlı havanın iletildiği pnömatik devrenin tasarımları
gerçekleştirilmiştir.
Basınçlı hava yatakları ile desteklenmiş taşıma
sistemlerinde, radyal boşluk, boy-çap oranı (L/D), orifis
geometrisi, yatak yüzeyi gibi yatakların geometrik
özellikleri yatak ve rotor arasındaki ince hava filmini
etkilemektedir. Yüzeyler arasındaki ince hava filmi bu
yüzeylerde bir basınç kuvveti oluşturmaktadır.
Dolayısıyla bu ince hava filmini etkileyen her bir
parametre sistemin yük taşıma kapasitesini de
etkilemektedir [4]. Bu çalışmada da basınçlı hava
yataklarının geometrik parametrelerinden yatak boy-çap
(L/D) oranının sistemin yük taşıma kapasitesine olan
etkisinin incelenebilmesi için yatak boy-çap oranı (L/D)
1.5 ve 2 olan iki farklı tip basınçlı hava yatağı
tasarlanmıştır. Basınçlı hava yatakları ve kızak yüzeyleri
arasına basınçlı havanın iletilmesi için yatak üzerine bir
tane orifis yerleştirilmiştir. Şekil 1'de gösterildiği gibi, bu
iki tip yatağın iç yüzeyleri, hem orifisten iletilen basınçlı
havanın yatak iç yüzeylerine dağılması hem de yük
taşıma kapasitesinin arttırılması için kanallı olarak
tasarlanmıştır. Bu kapsamda yatak iç yüzeylerinde 3 mm
derinliğe sahip 5 mm genişliğinde 4 adet radyal hava
cepleri ve L/D oranı 1.5 olan yataklar için 4 adet, L/D
oranı 2 olan yataklar için 5 adet eksenel hava cepleri
oluşturulmuştur.
desteklenmiş doğrusal hareketli taşıma sisteminin
kartezyen koordinatlardaki konumlama hasssasiyetini
kurdukları bir deney düzeneği ile araştırmışlardır.
Sistemin tüm serbestlik derecelerindeki konumlama
hatalarına
etki
eden
sistemin
parametrelerini
incelemişlerdir [12]. Bhat ve ark. ise teorik ve deneysel
bir çalışma ile hava yastıkları ile desteklenmiş bir taşıma
sisteminde, orifis geometrisinin sistemin statik ve
dinamik karakteristiğine olan etkilerini incelemişlerdir.
[13]. Li ve Ding özgün olarak tasarladıkları radyal tip
basınçlı hava yatağı ile desteklenmiş doğrusal bir tabla
sistemini teorik ve deneysel olarak incelemişlerdir.
Yaptıkları deneysel çalışmalar ile teorik modellerinin
kabul edilebilir olduğunu gözlemlemişlerdir. [14].
Literatürde, basınçlı hava yatağı ile desteklenmiş
taşıma sistemleri üzerine yapılan bir çok çalışma
mevcuttur [6-14]. Bu çalışmaların bir çoğunda, basınçlı
hava yataklarının genel bir eksikliği olan düşük yük
taşıma kapasitesi problemine hava debisinin arttırılması
önerilmektedir. Hava debisinin arttırılması ise daha fazla
sayıda orifis kullanılması, daha büyük orifis geometrisi
veya daha fazla besleme basıncı ile mümkün olmaktadır.
Eksenel tip basınçlı hava yatakları ile desteklenmiş tabla
sistemlerinde bu çözüm önerileri etkin olabilirken, radyal
tip basınçlı hava yatakları ile desteklenmiş sistemlerde bu
çözüm önerileri sistemin hareket kabileti kısıtlamaktadır
(daha fazla pnömatik hortum). Ancak yatak ve rotor
arasındaki boşlukta hareket eden havanın yatak
yüzeylerine açılmış kanallarda tutulması ve bu kanallarla
havanın yayılması sağlanarak daha etkin bir yağlayıcı
hava filmi sağlamak mümkün olabilir. Böylelikle basınçlı
hava ile desteklenmiş yük taşıma sisteminin düşük yük
taşıma kapasitesi problemine bir çözüm sunulabilir. Bu
çalışmada da radyal tip basınçlı hava yatakları ile
desteklenmiş eksenel hareketli tablanın yük taşıma
kapasitesi incelenmiştir. Bu kapsamda her bir köşesinden
basınçlı hava yatakları ile desteklenmiş bir tabla ve
kızaktan oluşan bir deney düzeneği tasarlanmıştır. Yatak
ve kızak yüzeyleri arasındaki basınçlı havanın tüm
yüzeylere yayılarak etkin bir yağlacı film oluşturulması
ve sistemin yük taşıma kapasitesinin arttırılması için
yatak yüzeylerine yatak boyunca ve yatak çevresince
kanallar açılmıştır. Farklı besleme basınçları ve iki farklı
yatak boy ve çap oranı (L/D) için sistemin yük taşıma
kapasiteleri tasarlanan bu taşıma sistemi kullanılarak
deneysel olarak incelenmiştir.
Şekil 1. Hava Yatakları
III. Deney Düzeneği ve Deneysel Çalışma
II. Basınçlı Hava ile Desteklenmiş Eksenel Yönde
Hareket Eden Bir Taşıma Sistemi için Basınçlı Hava
Yatağı Tasarımı
Şekil 2'de gösterildiği gibi yük taşıma tablasının her
bir köşesine yerleştirilen basınçlı hava yataklarının
hareket edeceği kızaklar 1000 mm uzunluğunda
tasarlanarak, bu iki kızak, aralarında 150 mm, yerden 150
mm yükseklikte olacak şekilde montajlanarak test sistemi
oluşturulmuştur. Tabla, tablanın hareket ettiği kızaklar ve
basınçlı hava yataklarına ait geometrik özellikler Tablo
1’de verilmiştir.
Basınçlı hava yatakları ile desteklenmiş eksenel yönde
hareket eden taşıma sistemi basınçlı hava yatakları, tabla
ve bu tablanın hareket edeceği kızaklardan oluşmaktadır.
Basınçlı hava ile desteklenmiş taşıma sisteminin yük
taşıma karakteristiğini etkileyen parametreler göz önüne
alınarak radyal basınçlı hava yataklarının, tablanın ve
2
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
Özellik
Değer
Dm
Mil çapı
30 mm
Lm
Mil boyu
1m
Lt
Tabla boyu
254 mm
Gt
Tabla genişliği
205 mm
Kt
Tabla kalınlığı
10 mm
Wt
Tabla ağırlığı
636 gr
L
Yatak boyları
45 ve 60 mm
D
Yatak çapı
30 mm
Wy
Yatak ağırlıkları
384 ve 502 gr
c
Radyal Boşluk
75 µm
do
Orifis çapı
3x10-3 m
Kompresörde
basınçlandırılan
hava
kurutucuda
filtrelenerek basınç regülatörüne iletilmektedir.
Tablo 1. Özellikler Tablosu
Şekil 2. Basınçlı Hava İle Desteklenmiş Eksenel Yönde Hareket
Eden Yük Taşıma Sistemi Test Düzeneği
Yük taşıma tablasının destekleyen dört adet basınçlı
hava yatağına basınçlı hava iletilmesi için Şekil 3'de
verildiği gibi bir pnömatik hat tasarlanmıştır. Bu
pnömatik hat kompresörden, kurutucudan, basınç
regülatöründen, yönlendirici valften, dağıtıcılardan ve
kısıcılardan oluşmaktadır.
Test basıncına ayarlanan hava, dağıtıcılar ve kısıcılar
vasıtasıyla her bir yatak üzerine yerleştirilmiş orifisler ile
yatak ve kızak yüzeyleri arasına iletilmektedir.
Basınçlı hava yatakları ile desteklenmiş taşıma
sisteminin yük taşıma kapasitesi, ağırlıkları belirli diskler
kullanılarak tablanın hareket edebilme kabiliyeti
gözlemlenerek belirlenmiştir.
Şekil 3. Hava Akış Şeması
parametresi olup, besleme basıncının artması ile birlikte
hava debisi de artmaktadır. Hava debisinin artması ise
yatak ve kızak yüzeylerine etkiyen basınç kuvvetini
arttırmaktadır. Dolayısıyla besleme basıncının artması ile
birlikte her iki L/D oranı için yatak yük taşıma kapasitesi
neredeyse doğrusal olarak arttırmıştır. Bunlara ek olarak
yatak boy-çap oranı da yatak ve kızak yüzeyleri
arasındaki basınç dağılımını dolayısıyla yatak yük taşıma
kapasitesini etkilemektedir. Şekil 4'de görüldüğü gibi
L/D oranının artması yatak yük taşıma kapasitesini
arttırmıştır.
III. Bulgular ve Tartışmalar
Bu çalışma kapsamında basınçlı hava yatakları ile
desteklenmiş eksenel yönde hareket edebilen tabla
sisteminin yük taşıma kapasitesi deneysel olarak
incelenmiştir. Bu amaçla oluşturulan deneysel sistem
farklı besleme basınçlarda çalıştırılarak her iki tip yatağa
ait yük taşıma kapasiteleri ölçülmüştür. L/D oranı 1.5 ve
2 olan basınçlı hava yatakları ile desteklenmiş taşıma
sisteminin yük taşıma kapasitesinin besleme basıncına
göre değişimi Şekil 4'da verilmiştir. Besleme basıncı,
yatak ve rotor arasına iletilen hava debisi fonksiyonun bir
3
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
[6] Slocum A. H. Basaran M. Cortesi R. and Hart A. J., Linear motion
carriage with aerostatic bearings preloaded by inclined iron core
linear electric motor, Precision Engineering, 27 (4): 382-394, 2003.
[7] Slocum A. H, Scagnetti P. E. Kane N. R. and Brünnner C. Design of
self compensated water-hydrostatic bearings, Precision Eng.,
17(3):173-185, 1995
[8] Chitayat A. Workpiece positioning table with air bearing pads. US
Patent 4,392,642, 12 July, 1983.
[9] Rasnick W. H. et al. Porous graphite air-bearing components as
applied to machine tools. SME Tech. Report MRR74-02
[10] Chen X. and Li Z. Model reduction techniques for dynamics
analysis of ultra-precision linear stage. Front. Mech.Eng. China
4(1): 64-70, 2009
[11] Tian C. Ming Z., Yu Z. and Chuxiong H., Dynamic modeling and
analysis of a 3-DOF ultra-precision positioning stage with air
bearings, Procedia Engineering, 16(2011), 264-270, 2011
[12] Gao W. Arai Y. Shibuya A. Kiyono S. and Hong Park C.,
Measurement of multi-degree-of-freedom error motions of a
precision linear air-bearing stage, Precision Engineering, 30(1): 96103, 2006
[13] Bhat N. Kumar S. Tan W. Narasimhan R. and Chuin T., Low,
Performance of inherently compensated flat pad aerostatic bearings
subject to dynamic perturbation forces, Precision Engineering,
36(3):399-407, 2012
[14] Li Y. T. and Ding H., Design analysis and experimental study of
aerostatic linear guideways used in a high acceleration and high
precision xy stage, Engineering Tribology Part J,, 221, 2007
Şekil 4. L/D oranı 1.5 ve 2 Olan Hava Yataklarının Karşılaştırılması
IV. Sonuçlar
Bu çalışmada basınçlı hava ile desteklenmiş eksenel
yönde hareket edebilen taşıma sisteminin yük taşıma
kapasitesi deneysel olarak incelenmiştir. Yapılan
deneysel çalışma ile elde edilen sonuçlara göre
beklenildiği gibi besleme basıncının artması ile birlikte
sistemin yük taşıma kapasitesi de artmıştır. Buna ek
olarak daha büyük yatak boy-çap oranına (L/D) sahip
basınçlı hava yatakları ile desteklenmiş taşıma
sistemlerinin daha fazla yük taşıma kapasitesine sahip
oldukları gözlemlenmiştir.
Yatak iç yüzeylerindeki hava ceplerinin yatak
içerisindeki havanın akışını etkilemediği ve her bir yatak
için tek orifis kullanılmasına rağmen yüzeyler arasında
etkin bir yağlayıcı hava filmi oluştuğu gözlemlenmiştir.
Ancak bu hava ceplerinin yatak yük taşıma kapasitesine
olan etkilerinin incelenebilmesi için aynı geometriye
sahip iç yüzeylerinde hava cebi bulunmayan basınçlı
hava yatakları ile desteklenmiş bir taşıma sistemi
kullanılarak yapılacak deneysel bir çalışma sonuçları ile
karşılaştırılması gerekmektedir.
Teşekkür
Bu çalışma TÜBİTAK BİDEB-2209-A programı
kapsamında 1919B011400359 numaralı proje ile
desteklenmiştir. Bu deneysel çalışmaya olanak sağlayan
TÜBİTAK'a teşekkür ederiz.
Kaynakça
[1] Slocum H. A., Precision machine design, Prentice Hall, Chapter 9,
1992
[2] Wang J. Design of gas bearing systems for precision application,
PhD Thesis, Technische Universiteit, 1-35, Eindhoven,1993.
[3] N. S. Powell, J. W. Grassman, Gas Lubricated Bearings, 1st Edition,
1964
[4] Laub J. H. Externally pressurized gas bearings, Trans. Amer. Soc.
Lub. Engrs., 4 (1): 261-265, 1961
[5] Dal A., Basınçlı hava yatağı ile desteklenmiş yatak-rotor sisteminin
dinamik karakteristiklerinin belirlenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi
Üniversitesi, Ocak 2014
4