ENDÜSTRYE YÖNELK BLGSAYAR DESTEKL TASARIM

Transkript

1 Makina Tasarm ve malat Teknolojileri Kongresi, Makina Mühendisleri Odas Konya ubesi, 2-3 Kasm ENDÜSTRYE YÖNELK BLGSAYAR DESTEKL TASARIM ETM Prof.Dr. Hira Karagülle, Doç.Dr. Ramazan Karakuzu ve Ör.Gör. Kemal Varol Dokuz Eylül Üniversitesi, Makina Mühendislii Bölümü, Bornova-)zmir ÖZET Ülkemizde genel olarak büyük ölçekli kurulu+lar teknoloji transferi yapmakta, orta ve küçük ölçekli firmalar ise mevcut tasar/mlara dayal/ teknik resimlerle üretim yapmaktad/r. Bilimi ileri düzeyde uygulayarak makine tasar/m/ henüz yeterli deildir. Bilgisayar destekli tasar/m (Computer Aided Design-CAD) teknolojisinin geli+mesi ile bu teknolojileri uygulayamayan kurulu+lar/n rekabet +ans/ azalm/+t/r. Ülkemizde CAD genelde bilgisayarla yap/lan çizim olarak anla+/lmaktad/r. Ancak CAD konular/ içerisinde kat/ modelleme, teknik resim, mekanizma tasar/m/, kuvvet analizi, parçalar/n dinamik yükler alt/nda mukavemeti ve ömrü yer almaktad/r. Ticari CAD programlar/nda farkl/ modüller tasar/m/n dei+ik a+amalar/n/ gerçekle+tirmede kullan/lmaktad/r. Bu bildiride endüstriye yönelik bilgisayar destekli tasar/m/n genel ilkeleri, ölçme, sektörel uygulama kurslar/n/n gereklilii ve içerii hakk/nda öneriler getirilmi+tir. Eitim amaçl/, bir dekupaj makinesi tasar/m/ ele al/nm/+t/r. 1. GR Bilgisayar destekli mühendislik alan/ndaki geli+meler mühendislik meslei eitimi ve uygulamalar/nda önemli dei+ikliklere neden olmaktad/r. Deneme ve yan/lma yöntemi ile makine tasar/m/ insanl/k tarihi kadar eskidir. 17. yüzy/lda Isaac Newton taraf/ndan ke+fedilen evrensel mekanik yasalar/ndan sonra fizik ve matematik bilimlerindeki geli+meler mühendislik uygulamalar/na bilimsel yöntemleri getirmi+ ve sanayi devrimi gerçekle+mi+tir. Hesap teknolojisindeki geli+melere paralel olarak s/ras/ ile grafik yöntemler, hesap makineleri ve bilgisayar programlama teorinin uygulanmas/nda kullan/lm/+t/r. Bilgisayar donan/m/ ve bilgisayar destekli mühendislik programlar/ndaki geli+meler karma+/k mühendislik sistemlerine teorinin uygulanmas/n/ mümkün k/lm/+t/r. Bu programlarda programlama bilgisine gerek olmadan sistemler ve girdileri tan/t/lmakta, çözümleri irdelenmektedir. Deneme ve yan/lma yönteminin önemi azalmakta, küçük ve orta ölçekli i+letmelerin de ara+t/rma ve geli+tirme yapabilmeleri mümkün olmaktad/r. Bu geli+melere paralel olarak mühendislik derslerinde dei+iklikler söz konusudur [1-6]. Yenilenme sürecinde olan müfredat ile yeti+memi+ ve halen meslei yürüten mezunlar/n da bu teknolojileri izleyip uygulayabilmeleri için meslek sonras/ eitim kurslar/na gereksinim vard/r. Bilgisayar destekli tasar/mdan baz/ kimseler bilgisayarla teknik resim çizimini, baz/ kimseler ise sonlu elemanlarla analiz gibi dei+ik konular/ alg/lamaktad/r [7]. Makine tasar/m/ birçok alandaki bilimin bütüncül olarak uygulanmas/n/ gerektirir. Bilgisayar destekli tasar/m programlar/ kat/ modelleme, montaj, hareket ve kuvvet analizi, sonlu elemanlarla titre+im ve yorulma analizini ortak veri tabanlar/n/ kullanarak farkl/ modüllerle gerçekle+tirirler. 1

2 Bu çal/+man/n amac/ endüstriye yönelik bilgisayar destekli tasar/m eitimi için örnek bir uygulamay/ sunmakt/r. Örnek olarak bir dekupaj makinesi tasar/m/ ele al/nm/+t/r. Kurslar/n içerii hakk/nda öneriler getirilmi+tir. 2. KATI MODELLEME VE MONTAJ Bir makine parças/n/n bilgisayar destekli olarak modellenmesinde ba+l/ca iki yöntem kullan/lmaktad/r. 1. Yüzey Modelleme (Boundary Representation) 2. Kat/ Modelleme (Constructive Solid Geometry) Yüzey Modelleme: Model, dei+ik formlardaki yüzeylerin bir araya getirilmesi ile olu+turulur. Bu daha çok yüzey modelleme komutlar/n/n kullan/lmas/ ile gerçekle+tirilir. Kat Modelleme: Kat/ model, basit kat/lar/n birbirine eklenerek (Join), Birbirlerinden ç/kart/larak (Cut) yada bu kat/lar/n kesi+imleri (Intersection) al/narak olu+turulur. Geli+mi+ CAD yaz/l/mlar/ bu iki yöntemi de bir arada kullanmaktad/r. Böylece bu yaz/l/mlarda karma (hybrid) modelleme teknii kullan/larak kat/ model olu+turulur. Bu çal/+mada örnek olarak sunulan dekupaj makinesi tasar/m/, geli+mi+ modelleme yöntemlerini kapsayan I-DEAS (Integrated Design Engineering Analysis Software) yaz/l/m/ ile piyasadaki benzer modeller incelenmi+ ve üstün özellikleri gözetilerek yeni bir tasar/m olu+turulmu+tur [8]. 2.1 I-DEAS' da Kat Modelleme: Kat/ modelleme 3 temel ad/mda gerçekle+mektedir. Bir çal.ma düzlemi (workplane) seçimi; bu, kullan/c/ taraf/ndan tan/mlanm/+ bir referans düzlemi olabilecei gibi model üzerindeki herhangi bir düzlem yüzey olabilir. Uygun geometrinin çizimi; burada nokta, çoklu çizgi, çember, yay gibi komutlar kullan/larak serbest elle çizim yapar gibi çizilir ve program taraf/ndan çizilen geometriye uygun ölçüler ve çizgilerin birbirlerine göre konumlar/ (paralellik, diklik, e+merkezlilik vb.) otomatik olarak yerle+tirilir. Ölçüler parametrik olarak verilebilir, birbirleriyle ili+kilendirilebilir. Katya dönü.türme; çizilen iki boyutlu geometri; extrude, revolve, sweep, mesh of curves, surface by boundary gibi komutlar ile kat/ya dönü+türülebilir. Daha sonra model üzerinde gerekli düzeltme ve eklemeler yine ayn/ mant/k dorultusunda gerçekle+tirilir. Modelde yap/lan dei+iklikler, program/n "e+ zamanl/ mühendislik" (concurrent engineering) mant// ile modelin "sonlu eleman model"ine de aynen yans/makta böylece farkl/ bölümlerde i+lem gören, ayn/ parça üzerinde farkl/ a+amalarda çal/+an kullan/c/lar aras/nda sal/kl/ ve doru veri al/+veri+i salanmaktad/r. Bilgisayar destei ile modellenmi+ kat/n/n malzeme özellikleri program kütüphanesinde var olan malzemelerden seçilebildii gibi kullan/c/ taraf/ndan da yeni malzemeler tan/mlanabilir. Böylece modellenen parçan/n hesaplamalara veri olacak; kütle, hacim, yüzey alan/, a/rl/k merkezinin koordinatlar/ gibi fiziksel özelliklerinin yan/nda atalet özelliklerini de içeren veri taban/ olu+turulabilmektedir.(dekil1) Ayr/ca modellenen parçalar/n otomatik olarak iki boyutlu teknik resimleri al/nabilmekte, bu ekil 1 Kat model resimlere gerekli ölçü, tolerans, yüzey i+leme ve kaynak sembolleri eklenebilmektedir. 2

3 2.2 Montaj (Assembly): Birden çok parçadan olu+an bir makinenin, kat/ modelleme ile olu+turulmu+ parçalar/n/n i+lev görecekleri konuma getirilmesi montaj modelleme ile gerçekle+tirilir. Burada iki yöntem söz konusudur. A.a<dan yukarya (Bottom-Up) Montaja "part design"ile ba+lan/r Parça say/s/ azd/r. Tüm ürünü bir ki+i tasarlam/+t/r. Küçük tasar/m birimlerinde geçerli yöntemdir. ekil 2 Montaj Yukardan a.a<ya (Top-Down) Montaj olu+turulmas/na "assembly task" ile ba+lan/r. Montaj çok say/da parça ve alt montajdan olu+uyorsa kullan/l/r. Büyük tasar/m birimlerinde geçerli yöntemdir. Hiyerar+i en üst düzeydeki proje sorumlular/nca belirlenir. Parçalar/ modelleyen ile montaj/ modelleyen ayn/ ki+i olmayabilir. Montaj s/ras/nda kullan/lan standart elemanlar (c/vata, somun, pim,v.b.) programca desteklenen standart parça katalogundan seçilerek kullan/labilir. Montaj modellemenin önemli özelliklerinden biri de parçalar/n i+levsel konumlar/n/n kontrolünün yap/labilmesidir. Bu amaçla canland/rma (animation) yap/larak makinenin çal/+mas/ ve parçalar/n i+levsellii kontrol edilebilir. Birbirine balanan parçalar aras/nda giri+im olup olmad// dolay/s/ ile ölçü kontrolü yap/labilir. Bu çal/+mada dekupaj makinesinin montaj/ a+a/dan yukar/ya yöntemi ile modellenmi+tir (Dekil 2). 3. DNAMK ANALZ Dinamik analizde makine parçalar/n/n dinamik yükler alt/ndaki davran/+/ incelenir. Önce i+ analizi yap/larak i+ kuvvetleri hesaplan/r. Kinematik analizde her parçan/n hareketi incelenir. Kinetik analizde her parçan/n ta+/d// kuvvetler ve tahrik kuvvetleri bulunur. Daha sonra sonlu elemanlarla parçalar/n mukavemeti ve ömrü incelenir. Parçalar/n sonlu eleman modelleriyle doal frekanslar/ bulunarak uyar/n/n zaman faktörü de dikkate al/narak analiz türüne karar verilir Analizi Dekupaj makinesinde kesme i+lemi gerçekle+irken, makinenin düzgün rejim durumu için kuvvetler hesaplanm/+t/r. Kesme i+lemi, kesici tak/m/n dorusal hareketi ile salanmaktad/r. Burada, bir kesme stroku bir de geri dönme stroku vard/r. Kesilecek parçadan tala+ kald/rma s/ras/nda, F s kesme kuvvetinin yan/nda ayr/ca F f sürtünme kuvveti de meydana gelmektedir. Hesaplarda sürtünme kuvveti ihmal edilmi+tir (Dekil 3). 3

4 ekil 3. analizinde kesme kuvvetleri 5 mm kal/nl//nda St 50 den yap/lm/+ çelik bir plakaya göre hesaplar yap/lm/+ ve kesme kuvveti F s =447 N olarak bulunmu+tur. Kullan/c/ taraf/ndan uygulanan itme kuvveti, F n, yakla+/k olarak N aras/ al/nabilinir. Dekupaj makinesine geçi+ rejiminde etkiyen kuvvetler, düzgün rejim kuvvetinin yakla+/k olarak 2-2,5 kat/ olabilir. Bulunan kesme kuvveti bir çok parametreye bal/d/r. Bunlar: - kesilen parçan/n kal/nl// - kesilen parçan/n yap/ld// malzeme - kullan/lan kesici ucun di+ say/s/ ve hatvesi - kullan/lan kesici ucun tala+ aç/s/ - kullan/lan kesici ucun yap/ld// malzeme 3.2 Kinematik Ve Kinetik Analiz Dekupaj makinesinin farkl/ parçalar/ üzerinde I-DEAS ta dinamik analiz yapabilmek için öncelikle bu parçalar üzerine gelen dinamik kuvvetlerin bilinmesi gerekir. Bu çal/+madavisual Basic ile yaz/lan bir program kullan/lm/+t/r. Program/ girdisi +u dosyalard/r: - Parçalar/n kütleleri, kütle merkezlerinin konumlar/, kütle atalet momentleri (IDEAS ta olu+turulan kat/ modellerden elde edilir); montaj denklemi bilgisi; balant/ yerleri ve +ekilleri (mafsal, kayar ba); seçilen kinematik ve kinetik girdiler bilgisini içeren sistem bilgi dosyas/. - Bir çal/+ma periyodu süresince kinematik ve kinetik girdi örneklerini içeren kinematik ve kinetik girdi dosyas/. - IDEAS tan prg uzant/l/ olarak elde edilen parçalar/n sonlu eleman modellerinin düüm noktalar/n/n konumu bilgisini içeren dosyalar. ekil 4 Serbest cisim diyagram ve dinamik kuvvetler Program/n ç/kt/s/ ise daha sonra IDEAS ta yorulma analizinde kullan/lacak rpt uzant/l/ dosyalard/r. rpt uzant/l/ dosyalarda bir parçan/n bir düüm noktas/na bir çal/+ma periyodu süresince etki eden kuvvetlerin örnekleri yer al/r. Dekil 4 te örnek olarak bir parçaya etki eden kuvvetler gösterilmi+tir. 4

5 3.3 Yorulma Analizi Yorulma analizi, dinamik dei+ken yükler alt/nda çal/+an parçalar/n kullan/m ömrünün belirlenmesi aç/s/ndan önemlidir. Dekupaj makinesinde bu tür yükler alt/nda çal/+an kanall/ kol /n yorulma analizi yap/lm/+t/r. S/n/r +artlar/ belirlenip doal frekanslar bulunduktan sonra Response Dynamics e göre çözüm seti olu+turulur ve çözüm yap/l/r. Import komutu ile kinematik ve kinetik analizde olu+turulan rpt uzant/l/ dosyalar afu uzant/l/ dosyalara dönü+türülür. Düüm noktalar/na uygulanan kuvvetlerin afu uzant/l/ dosyalardan I-DEAS a aktar/ld/ktan sonra bu deerlerin tan/t/lmas/ gerekir. Bunun için de Dynamic Analiz k/sm/na geçilip Create Event butonu kullan/l/r ve kuvvetlerin dinamik olmas/ sebebiyle Transient analiz seçilir. ekil 5 Yorulma ömrü de<erleri Dinamik yükleme durumlar/n/n doruluu kontrol edilip yorulma analizine geçilir. Ç1040 çeliinin S-N diyagram/ kullan/larak yorulma ömrü hesaplanm/+ ve elde edilen deerin makinenin hedeflenen ömrü için yeterli olduu görülmü+tür (Dekil 5). 4. ÖLÇME CAD analizleri, özellikle ilk tasar/mlarda ölçme ile yorumlanmas/ gerekir. )+ analizinde yap/lan kabullerin geçerlilii, modelde yer almayan bo+luk, v.b. etkiler ölçme ile incelenebilir. Bunun için +ekil dei+tirme ve titre+im ölçümleri yap/l/r [9]. Bu çal/+mada tasar/m/ yap/lan makinenin prototipi imal edilmediinden mevcut benzer bir makine üzerinde yap/lan titre+im ölçümleri örnek olarak sunulmu+tur. Titre+im ölçümleri, Computational Systems Incorporated (CSI) firmas/n/n 2110 model makine ile gerçekle+tirilmi+tir. Ölçümler zaman ortam/nda veya frekans ortam/nda deerlendirilebilir. Makinenin devir say/s/n/n belirledii frekanslar spektrumda gözlenir. Dekil 6 da makinenin d/+ kapa/n/n 81 noktas/nda ölçülen titre+imlerin genlik da/l/m/ verilmi+tir. Ölçümler 0.5 cm kal/nl//nda sunta kesilirken yap/lm/+t/r. 5

6 ekil 6 Dekupaj Makinesinin D. Kapa<nn Titre.im Genli<i Da<lm Tasar/mda hedef makinenin titre+im seviyesinin azalt/lmas/d/r. Ölçümlerle güvenilirlii kontrol edilen CAD modelinde yap/lacak dei+ikliklerin titre+im seviyesine etkisi ara+t/r/larak daha iyi tasar/mlar elde edilebilir. 5. SONUÇLAR VE ÖNERLER Bu çal/+mada Bilgisayar Destekli Tasar/m (CAD) Eitimine yönelik bir örnek olarak dekupaj makinesinin tasar/m/ örnek verilmi+tir. Bilgisayar Destekli Tasar/m yöntemleri h/zla geli+mekte ve yayg/nla+maktad/r. CAD geni+ kapsaml/ bir konu olup farkl/ olarak alg/lanabilmektedir. Ülkemizde genelde bilgisayarla yap/lan çizim olarak anla+/lmaktad/r. Ancak CAD içerisinde, - Kat/ modelleme, teknik resim - Mekanizma tasar/m/, kuvvet analizi - Parçalar/n dinamik yükler alt/ndaki mukavemeti, - Ömrü yer almaktad/r. Ticari CAD programlar/nda farkl/ modüller, tasar/m/n dei+ik a+amalar/n/ gerçekle+tirmekte kullan/lmaktad/r. Giri+ kursunun amac/ CAD' i bütün olarak ele al/p genel ilkelerini vermek olmal/d/r. Kursta uygulanacak aktif eitim ile, kat/lanlar/n endüstride kar+/la+t/klar/ problemleri kurs uygulamalar/nda incelemeleri mümkün olabilmelidir. Böylece kursun sonucunda CAD konusunda Üniversite ile endüstriyel kurulu+lar aras/nda i+birliinin ba+lamas/ beklenilmektedir. Kursa makine, endüstri veya CAD ile ilgilenen dier mühendisler veya yöneticiler kat/labilir. Kurs a+a/daki sorulan sorulara yönelik olabilir. 1. Dirketimiz yeni ürünler tasarlamay/ dü+ünmektedir. Tasar/mda en ileri hesap teknolojisini nas/l uygulayabiliriz? 2. Dirketimiz mevcut ürünlerimizin kalitesini tasar/m ile artt/rmay/ hedefliyor. Bunu nas/l gerçekle+tirebiliriz? 3. Dirketimizin ürününün baz/ parçalar/nda problem mevcut. Bu problemleri çözmek için CAD'den yararlanabilir miyim? 4. Dirketimiz CAD programlar/ sat/n almay/ dü+ünüyor. Bunlardan ne yarar salayabilirim? 5. Dirketimiz CAD programlar/n/ kullanmaya ba+lad/. Bu programlardan daha fazla nas/l yararlanabiliriz? 6

7 6. Yeni mezunum. Tasar/m bilgilerimi bir bütün olarak uygulamal/ bir +ekilde kavramak istiyorum. Bunu nas/l gerçekle+tirebilirim? 7. Mezun olal/ uzun zaman geçti. Geli+meleri örenebilirmiyim? 8. Bir +irkette yöneticiyim. Makine tasar/m teknolojisi hakk/nda genel bilgi edinebilirmiyim? 9. Dier. Kurs içerii a+a/daki +ekilde dü+ünülebilir; 1. Makine tasar/m/n/n genel ilkeleri 2. Kat/ modelleme. Kat/ modelden teknik resime geçi+. 3. Mekanizma tasar/m/. Animasyon 4. Girdi kuvvetlerinin tan/mlanmas/. Tahrik kuvvetlerinin ve parçalar/n ta+/d// kuvvetlerin bulunmas/. 5. Statik ve dinamik mukavemet analizi aras/ndaki fark. Doal frekanslar, rezonans, yorulma. 6. Parçalar/n sonlu eleman modeli. Statik mukavemet. Titre+im analizi. 7. CAD için ölçme. 8. CAD ile yap/labilecek endüstriyel uygulamalar. Ayr/ca buna ek olarak belirli konular/n detay bilgilerini içeren kurslar olarak da; - Bilgisayar Destekli Tasar/m: Kat/ Modelleme/Teknik Resim - Bilgisayar Destekli Tasar/m: Mekanizmalar-Kuvvet Analizi - Bilgisayar Destekli Tasar/m: Mukavemet/Titr+im Analizi - Bilgisayar Destekli Tasar/m: Sektörel Uygulamalar - Dekil Dei+tirme ve Titre+im Ölçümü. dü+ünülebilir. TEEKKÜR Bu çal/+ma Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Bölümü nde Bilgisayarla Analiz Tasar/m Üretim Laboratuvar/ (BATÜL) nda yap/lm/+t/r. Laboratuvar Devlet Planlama Te+kilat/ pojesi (Proje No: ) ile desteklenmektedir. KAYNAKLAR 1. A.L. Speicher (Project Manager): Engineering Education for a Changing World, American Society for Engineering Education, M. Faber, Changes in US Engineering Education, Hewlett-Packard Corporation, H. Karagülle, A New Approach for Engineering Education, Engineering Education in the Third Millenium, Proceedings of the 28 th International Symposium on Engineering Education, Editörs: G. Salamer, A. Melezinek, and S. )ncecik, Leuchtturm-Verlag, Germany, 1999, pp M.S. Tavakoli and J. Mariappan, Concurrent teaching of engineering design, analysis and manufacturing, International Journal of Mechanical Engineering Education, Vol. 28, No. 4, October 2000,

8 5. E. Giannotti and C. Galletti, An approach based on simulation and hypermedia technology to a new courseware in mechanics of machines, European Journal of Engineering Education, Vol. 21, Number 3, September 1996, pp S. A. Sorby, G. Walker, M. Yano, V. Glozman, K. Koscherberger, J. Mathers, J. Mckinney, J. Schulman, and M. Young, Modernization of trhe mechanical engineering curriculum and guidelines for computer-aided engineering instruction, Computer Applications in Engineering Education, Vol. 7, Issue4, 1999, pp Zeid, CAD/CAM Theory and Practice, McGraw-Hill, NewYork, Mark H. Lawry, I-DEAS Master Series, Mechanical CAE/CAD/CAM Software, Student Edition, Structural Dynamics Research Corporation, Milford, OH, R.S. Figliola and D.E.Beasley, Theory and Design for Mechanical Measurements, John Wiley and Sons, 3 rd ed.,