BİLGİSAYAR DESTEKLİ ÜRETİM (CAM) Doç. Dr. M. A. Sahir ARIKAN Makina Mühendisliği Bölümü Öğretim Üyesi CAD/CAM Merkezi Uzmanı Orta Doğu Teknik Üniversitesi
BİLGİSAYAR DESTEKLİ ÜRETÎM (CAM) Doç. Dr. M. A. Sahir ARIKAN MaJdna Mühendisliği Bölümü öğretim Üyesi CAD/CAM Merkezi Uzmanı Orta Doğu Teknik Üniversitesi 1. Giriş Bilgisayar Destekli Üretim (CAM - "Computer Aided Manufacturing"), bilgisayar sisiteminin bir üretim sisteminin planlanması, yönetilmesi ve denetimi işlerinde doğrudan veya dolaylı olarak kullanılması olarak tanımlanabilir. Bilgisayar sisteminin bu işler için kullanılması iki değişik şekilde olabilir. 1. Bilgisayar ile izleme ve denetim. Bu tip uygulamalarda, bilgisayar izleme ve denetim amacı ile üretim sistemine doğrudan bağlanmaktadır. 2. Üretim destek uygulamaları. Bu tip uygulamalarda ise bilgisayar üretimi desteklemek için kullanılmakta ve bilgisayar üt üretim sistemi arasında doğrudan bir bağlantı bulunmamaktadır. Bilgisayar ile izleme ve denetim, izleme ve denetim uygulamaları olmak üzere ikiye ayrılabilir. Bilgisayar ile izleme uygulamalarında, bilgisayar ile üretim sistemi arasındaki doğrudan bağlantı yardımı ile sistemin izlenmesi ve ilgili her türlü verinin toplanması mümkün olmakta, ancak sistemin denetimi bu verileri değerlendirerek karar veren operatörler tarafından yapılmaktadır. Bilgisayar ile denetimde ise, bilgisayar ile izlemeye kıyasla bir adım daha ileri gidilmekte ve bilgisayar tarafından elde edilen veriler yine bilgisayar tarafından değerlendirilmekte ve sistemin denetimi de bilgisayar tarafından yapılmaktadır. Kimyasal madde üretimi, petrol rafinerisi işlemleri, çelik yapımı gibi işlerin yanısıra, üretimde kullanılan bilgisayarlı sayısal denetimli (CNC - "Computer Numerical Control") takım tezgahlan ve robotlar bu tür uygulamalar için bazı örneklerdir.
Üretim destek uygulamalarında ise bilgisayar, sisteme doğrudan bağlanmamakta, ancak sistemdeki üretim işlemlerine destek veren bir konumda olmakta ve işletmenin üretim kaynaklannm daha etkili bir şekilde kullanılabilmesi için gerekli planlann. programîann oluşturulması, tahminlerde bulunulması, bilginin derlenmesi, talimatîann verilmesi işlerinin yapılmasında kullanılmaktadır. Bu tür uygulamalar için aşağıdaki örnekler verilebilir. - Bilgisayar Destekli İşlem Planlaması (CAPP - "Computer Aided Process Planning"). Bir parçanın işlenebilmesi için gerekli işlemlerin ve bu işlemlerin sırasının tesbiti. - Sayısal Denetimli (NC - "Numerical Control") Tezgahlar için Parça Programının Bilgisayar Desteği ile Hazırlanması. - Malzeme İhtiyaç Planlaması (MRP -"Material Requirements Planning"). Üretim programının yerine getirilebilmesi için hammaddelerin ve işletme dışından temin edilen parçalann ne zaman ve hangi miktarda alınması gerektiğinin tesbiti. - Atölyenin Denetimi. Yukarıdakilere ek olarak, aşağıdaki alanlar da bilgisayar yardımıyla üretim kapsamına girmekledir. - Robotik, - Bilgisayar Destekli Kalite Kontrolü (CAQC - "Computer Aided Quality Control"), - Bilgisayar Destekli Muayene (CAI - "Computer Aided Inspection"), - Bilgisayar Destekli Test (CAT - "Computer Aided Testing"). Bir ürünün meydana getirilmesinde kullanılan basamaklar ve bilgisayar destekli tasarım ve üretim tekniklerinin bu basamaklara uygulanması Şekil 1.1'de verilmiştir. 2. Otomasyon, Bilgisayarların Üretimde Kullanılmaya Başlanması, Sayısal Denetim (NC - "Numerical Control"), Doğrudan Sayısal Denetim (DNC - "Direct Numerical Control"), Bilgisayarlı Sayısal Denetim (CNC - "Computer Numerical Control"), Esnek İmalat Sistemdi (FMS - "Flexible Manufacturing Systems") ve Adaptif Denetim (AC - "Adaptive Control") Otomasyon terimi ilk defa 1950'lerin başjannda otomatik malzeme manipülasyonu anlamında kullanılmıştır. Günümüzde ise servislerin verilmesinin, ürünlerin üretilmesinin ve muayene edilmesinin, bilgilerin işlenmesinin, malzemenin manipüîasyonunun ve parçalann monte edilmesinin otomatik olarak insan enerjisi kullanılmadan ve insan müdahalesi olmadan yapılması anlamına gelmektedir. Otomasyonun iki değişik tipi vardır. 2
1. Katı Otomasyon. Burada, transfer hatlarında olduğu gibi, sistemin istenilen işi otomatik olarak yapması; kam, nihayet şalteri, kızak gibi mekanik elemanlar ile özel bir amaç için geliştirilmiş olan ve sınırlı işîcr yapabilen ("hard-wired") elektronik devreler yardımıyla sağlanmakta ve sistemin başka bir iş yapmak üzere yeniden programlanması oldukça zor olmaktadır. 2. Esnek veya Programlanabilir Otomasyon. Burada sistemin programlanması manyetik veya kağıt bantlar, programlanabilir denetleyiciler (PC - "Programmable Controller") veya mikroişîemciler yardımıyla yapılmakta ve sistem başka bir iş yapmak üzere kolaylıkla yeniden programlan abilmektedir. Sayısal denetimli - delikli bant, kart veya bilgisayar - takım tezgahlan; değişik parçaların az sayıda imal edildiği, çok amaçlı, esnek takam tezgahlan ile; bir standard parçanın çok fazla sayıda imal edildiği özel amaçlı ve esnek olmayan seri imalat tezgahlan arasındaki boşluğu doldurmakta ve esnek veya programlanabilir otomasyonun temel taşı olmaktadır. Sayısal denetimi, bilgisayann tasarımda ve üretimde kullanılmasının çıkış noktası olarak kabul etmek mümkündür. Sayısal denetim, bir işlemin denetimi için sayılann, harflerin ve sembollerin kullanıldığı bir programlanabilir otomasyon şekli olarak tanımlanabilir. Burada, belli bir iş parçasının veya işin yapılması için gerekli komutlardan oluşmuş olan programlar, sayılar, harfler ve semboller kullanılarak oluşturulmaktadır. - Program, bir sisteme neyin, ne zaman ve nasıl yapılacağını anlatan komutlar topluluğu olarak tanımlanabilir. - îş parçası veya iş değiştiğinde, bu komutlardan oluşmuş olan programlar da değişmektedir. Sayısal denetime esnekliğim veren de her iş parçası veya iş için programın değiştirilebiliyor olmasıdır. Yeni bir iş parçası veya iş için üretim ekipmanında önemli değişiklikler yapmak yerine, yeni programlar yazmak çok daha kolay olmaktadır. Sayısal denetim; çizim, montaj, muayene, pres işleri, kaynak gibi çok çeşitli operasyonlar için kullarulageîmiş, ancak en fazla uygulama imkanını ise talaşlı imalat alanında bulmuştur. Bu yöntemle yapılacak olan iş parçalan çeşitli boyutlarda ve şekillerde olmakta ve genellikle küçük veya orta büyüklükle kafileler şeklinde ekonomik olarak işîenebiîmektedir. Konvansiyonel yöntemler kullanarak, bir tek ya da az sayıda iş parçasının imal edilmesi her zaman uzun zaman alan ve pahalı bir iş olmuştur. Aynı şekilde, konvansiyonel yöntemlerle aynı parçadan çok sayıda imal edilmesi de kalıp ve bağlama gibi özel takımların kullanılmadığı durumlarda yine uzun zaman alan ve pahalı bir iş olmaktadır. İşleme zamanının ve dolayısı ile maliyetin düşürülmesi için özel takımlann ve bağlama aparatlarının kullanılması durumunda ise, bunların maliyeti de parçanın maliyetine yansıtılacağından bir yandan maliyet düşürülürken, diğer yandan artınlmaktadır. Bu durumda maliyetin düşürülebilmesi için imal edilen.parça sayısının belli bir sayıdan fazla olması gerekmektedir. Sayısal denetimli takım 4
tezgahlarının kullanılması halinde ise özel takımlar yerine basit bağlama aparatları yeterli olmakta ve az sayıda parça imal edilmesi durumunda bile maliyet düşmektedir. Bunun sonucu olarak da sayısal denetimin ana uygulama alanı parçaların küçük veya orta büyüklükteki kafileler halinde ve ekonomik olarak işlenmesi olmaktadır. Sayısal denetimli tezgahlar, küçük veya orta büyüklükteki kafilelerin islenmesini ekonomik hale getirmenin yamsıra, konvansiyonel tezgahlarla islenmesi mümkün olmayan karmaşık parçaların islenmesini de mümkün hale getirmektedir. Sayısal denetim üzerindeki çalışmalar 1940ların sonlarında sonuç vermeye başlamış ve bir takım tezgahının hareketlerinin denetimi, üzerlerinde gidilecek noktaların koordinatlarının yazılı olduğu delikli kartlar yardımıyla yapılabilmiş, ve tezgah küçük aralıklarla hareket ettirilerek bir helikopter pervanesinin kanadını muayene etmek için kullanılacak olan şablonun işlenmesi başanlmıştır. îlk sayısal denetimli takım tezgahı ise 1952 yılında bir konvansiyonel freze tezgahının üzerinde gerekli değişikliklerin yapılması sonucu ortaya çıkmıştır. Sayısal denetimli bir tezgahın programlanabilmesi için gerekli olan koordinatların hesaplanmasının, basit parçalar için manuel olarak yapılabilmesine karşılık, karmaşık parçalar için bilgisayar desteği gerekmektedir. Bu koordinatların hesaplanmasından sonra, gerekli diğer bilgilerin de eklenmesiyle program tamamlanmakta ve yazı makinasına benzer bir makinayla manuel olarak, veya doğrudan bilgisayara bağlanmış bir makîna kullanılarak delikli bir kağıt bant hazırlanmaktadır. Daha sonra bu kağıt bant sayısal denetimli tezgahın denetim birimindeki okuyucuya bağlanmakta, tezgah da bu bantın üzerindeki komutları okuyarak kendisinden istenilen işleri yapmaktadır. Daha sonra, 1968 yılında, sayısal denetimli takım tezgahlarına kağıt bant aracılığı ile program göndermek yerine, birçok sayısal denetimli tezgah doğrudan bir tek bilgisayara bağlanmış ve doğrudan sayısal denetim (DNC - "Direct Numerical Control") onaya çıkmıştır. Bu sitemde bir ana bilgisayar gerçek zamanda birçok sayısal denetimli takım tezgahı tarafından paylaşılmakta ve tezgahlara doğrudan komut gönderilmektedir. Böyle bir uygulamanın esas nedenlerinden birisi de o günlerde bilgisayarların pahalı olması nedeni ile ancak bu şekildeki bir uygulammın ekonomik olmasıdır. Bu uygulama çok az sayıda alıcı bulmuş ve 1970'lerde her tezgahın kendi bilgisayarına sahip olduğu bilgisayarlı sayısal denetim (CNC - "Computer Numerical Control") yöntemi geliştirilmiştir. Bilgisayar teknolojisinin gelişmesi ve bilgisayarların ucuzlaması ile birlikte bilgisayarlı sayısal denetimli sistemler günümüze kadar büyük gelişmeler kaydederek gelmişlerdir. Bu tip tezgahlarda, bilgisayardan tezgahın denetiminin yanı sıra, programlama, program depolama, program düzeltme, takım kaydırma hesaplan ve diğer kaynaklarla doğrudan veya manyetik ortamlar aracılığı ile bilgi alış verişi işleri için yararlanılmaktadır. 5
Doğrudan sayısal denetim ise. ilk hali ile olmasa da günümüzde esnek imalat sistemlerinde (FMS - "Flexible Manufacturing Systems") uygulama alanı bulmuştur. Esnek «nalaı sistemleri, sayısal denetimli veya biygisayarlı sayısal denetimli tazgahlann bir otomatik parça taşıma sistemi ile entegre edilmesinden oluşmaktadır. Sisteme gelişigüzel bir şekilde gönderilen değişik parçalar sistem tarafından teşhis edilmekte ve gerekli işlemlerin yapılabilmesi için gerekli tezgahlara gönderilmektedir. Esnek imalat sistmelerinde öjseviyede bilgisayar denetimi bulunmaktadır. - Ana bilgisayar, bütün sistemi izlemekte, takım kınlmalannı, tezgah anzalannı belirlemekte, işleri sıraya sokmakta ve parçalan gerekli tezgahlara göndermektedir. - Doğrudan sayısal denetim bilgisayan ise ilk uygulamalanna benzer bir şekilde, işlenecek parçaya göre gerekji programlan parçayı işleyecek tezgahlara göndermekte, işlerin tamamlanıp tamamlanmadığını izlemekte ve gerekli bilgileri ana bilgisayara' iletmektedir. - En alt seviyede ise tezgahlann kendi biîgisayarlan bulunmaktadır. Sayısal denetimli veya bilgisayarlı sayısal denetimli tezgahlann programlanmasında kesme hızlan, ilerleme, talaş deriniliği gibi teknolojik bilgiler ya üreîeciler tarafından verilen tablolardan seçilmekte, ya da ampirik ifadeler kullanılarak hesaplanmaktadır. Bu şekilde seçilen veya hesaplanan değerler, çok geniş sınırlar içerisinde değiştiği için tezgahın verimlilik, imalat maliyeti veya talaş kaldırma açısından optimum bir değerde çalışmasını sağlayamamaktadır Aynca işleme sasında talaş kaldırmayı etkileyen ve büyüklükleri ve kaynaklan tam olarak belli olmayan bir takım bozucu faktörler oluşmaktadır. Gerek belirli bir parametreye göre optimum bir düzeyde çalışmak, gerekse bozucu faktörlerin etkilerini telafi etmek için tezgahlan adaptıf denetim (AC- "Adaptive Control") sistemi ile donatmak mümkündür. Adaptif denetim için. talaş kaldırma işlemi esnasında işleme değişkenlerinin değerleri ile kesme kuvveti burulma momenti, parça veya takımın şekil değiştirmesi, tezgahın motor gücü, parçanın yüzey kalitesi vb. gibi değerler ölçülmekte ve amaca göre bunların alması gereken en uvgun değerler hlgisayar tarafından hesaplanmakta ve tezgahın bu değerler ile çalışması sağlanmaktadır. 3. Bilgisayar Destekli î?em Planlaması (CAPP - "Computer Aided Process Planning") Bir parça veya ürün için işlem planlaması aşağıdaki işleri kapsamaktadır. - Parçanın veya ürünün yapılabilmesi için gerekli operasyonların ve bunlann sırasının lesbit edilmesi, - Talaşlı imalat için uygun kesme koşuuanmn bulunması, - Operasyonlar için zaman standaıdlannın tesbit edilmesidir. 6
Tesbit edilen bu operasyonlar, ilgili tezgahlar ve gerekli bilgiler daha sonra bir form üzerine işlenmektedir. İşlem planlaması esnasında benzer ya da bibirinin aynısı işlemler her iş parçası için defalarca tekrar edilmekte ve çok sayıda manuel işlem yapılmaktadır. Son yıllarda, işlem planlaması için gerekli tecrübenin, muhakemenin ve mantığın anlaşılması ve işlem planlamasının bilgisayar kullanılarak yapılabilmesi için çalışmalar yapılmış ve iş parçasının özelliklerini kullanarak gerekli işlemlerin sıralamasını yapan bilgisayar programları geliştirilmiştir. Bilgisayar destekli işlem planlaması için iki değişik sistem kullanılmaktadır. 1. Degijken ("Variant") Sistemler. Bu tip sistemler temel olarak grup teknolojisini (GT - "Group Technology") kullanmaktadır. Üretilen parçalar arasında benzer imalat özellikleri olanlar, parça aileleri halinde gruplandınlmakta, her parça ailesi için Standard bir işlem planı oluşturulmaktadır. Aileye ait yeni bir parça için işlem planlaması gerektiğinde ise bu standard plan üzerinde gerekirse küçük değişiklikler yapılmakta ve parçanın işlem planı hazırlanmış olmaktadır. 2. Üretken ("Generative") Sistemler. Bu tip sistemlerde bilgisayar, operatör yardımı olmadan ve temelden başlayarak işlem programlamasının otomatik olarak yapılması için kullanılmaktadır. İşlem planlaması için iş parçasının sisteme detaylı olarak tanıtılması gerekmektedir. Üretken sistemler, değişken sistemlerde olduğu gibi hazır bir standard planı kullanmak yerine, parça geometrisini, parça malzemesini ve diğer etkenleri de göz önüne alarak verilen parça için optimum işlem sırasını tesbit etmektedir, ideal bir üretken sistemin her türlü parça için işlem planlaması yapması beklenir ise de, günümüzdeki sistemler henüz bu düzeye ulaşmamışlardır ve ancak sınırlı sayıda işlemi kullanarak işlem planlaması yapabilmektedirler. Bilgisayar destekli işlem planlamasının manuel işlem planlamasına göre aşağıdaki avantajları bulunmaktadır. 1. fshm rasyonouzasyonu. Hazırlanan planlar, aynı bilgisayar programının kullanılmış olması nedeni ile birbiri ile tutarlı olmakta, değişik plancılar tarafından çok değişik planların yapılmasının önüne geçilmektedir. İşlem planlan daha mantıki ve optimal olmaktadır. 2. fslem plancılarının üretkenliklerinin artması. Manuel işler azalmakta, daha az hata yapılmakta ve plancılar işlem planlaması veri tabanına anında ulaşabilmektedir. 7
3. İstem planı hazırlama süresinin azalması. îşlem planlan, manuel plan hazırlama yöntemleri ile kıyaslandığında, daha az sürede hazırlanabilmektedir. 4. Planların daha okunaklı olması. Bilgisayar çıktısı olarak hazırlanan planlar el yazısı ile hazırlananlara kıyasla daha okunaklı ve anlaşılır olmaktadır. 5. Diğer uygulama programlan ile bağlantı kurulabilmesi. Bütün bilgilerin bilgisayarda bir veri tabanında saklanıyor olması nedeni ile diğer uygulama programlan ile bağlantı kurulabilmesi ve gerekli bilgi alış verişinde buîunuîabilmesi mümkün olmaktadır. 4. Bilgisayarla Bütünleşik Üretim Yönetimi ("Computer Integrated Production Management") Bir bilgisayarla bütünleşik üretim yönetimi sisteminde yer alan aktiviteler Şekil 4.1'de verilmiştir. Günümüzde bu aktîvitelerin yerine getirilmesi için de bilgisayar sistemleri geliştirilmiştir. Bu sistemlerin, malzeme ihtiyaç planlaması (MRP - "Material Requirements Planning"), kapasite planlaması, envanter yönetimi ve atölyenin denetimi için kullanılmaya başlanması ile de özellikle üretim planlamasının ve denetiminin organizasyonunda ve işleyişinde önemli değişiklikler ortaya çıkmıştır. 5. Bilgisayar Destekli Kalite Kontrolü (CAQC - "Computer Aided Quality Control") Geleneksel kalite kontrolü (QC - "Quality Control"), genellikle manuel olarak yapılan ve kontrol edilecek parçalar için istatistiksel örnekleme yönteminin kullanıldığı bir işlemdir. Hem zaman alıcı hem de monoton bir iş olan manuel kalite kontrolü, genellikle parçaîann imalat alanından alınıp muayene alanına götürülmesini gerektirmekte, bu da bazı gecikmelere ve imalat programı için dar boğazlann oluşmasına neden olabilmektedir. Kontrol edilecek parçalar için istatistiksel örnekleme yönteminin kullanılıyor olması da her zaman için hatalı bir parçanın gözden kaçması riskini de beraberinde getirmektedir. Bu yöntemin diğer bir zayıf noktası da her zaman İçin % 100 den daha az oranda iyi kalitenin kabul edilebiliyor olmasını gerektirmesidir. 8
Geleneksel kalite kontrolünün diğer bir yanı da parça üzerindeki muayenenin genellikle iş olup bittikten sonra yapılıyor olmasıdır. Parçanın hatalı bulunması durumunda yapılacak iş ise genellikle parçanın hurdaya ayrılması veya üzerinde düzeltme işlemlerinin yapılmasıdır ki bu genellikle parçanın yeniden imal edilmesinden daha fazlaya mal olmaktadır. Bütün bu faktörler ise bilgisayar destekli kalite kontrolünün onaya çıkmasına ve gelişmesine neden olmuştur. Bu uygulama ile ilgili ve uygulamanın alt grubunu oluşturan diğer işlemler ise aşağıda verilmiştir. - Bilgisayar Destekli Muayene (CAI - "Computer Aided Inspection"), - Bilgisayar Destekli Test (CAT - "Computer Aided Testing"). Geleneksel muayene ve test işleri için mastarların, ölçme cihazlarının ve test ekipmanının kullanılmasına karşhk, bilgisayar destekli kalite kontroîunda, gelişmiş bilgisayar ve algılayıcı teknolojisi kullanılmakta, muayene ve test işlemleri otomatik olarak yapılmaktadır. Bu tür uygulamaların sonucu olarak ta aşağıdaki kazançlar sağlanmaktadır. 1. Bilgisayar destekli muayene ve bilgisayar destekli test işlemleri kullanılarak parçalar örnekleme yöntemleri kullanılarak değil, % 100 oranında muayene ve test edilmektedir. 2. İmalat esnasındaki muayene, imalat işlemine entegte edilmekte, parçanın muayene için ahnıp ayn bir alana götürülmesi gerekmemektedir. 3. Bilgisayar destekli muayene için daha çok iş parçasına temas etmeyen algılayıcılar kullanılmaktadır. Yüksek hızda veri işleme özelliğine sahip bilgisayarlara bağlanmış bu tür algılayıclar ile muayene işlemi bir saniyeden daha kısa bir sürede tamamlanmaktadır. îş parçasına temas eden algılayıcıların kullanılması durumunda ise iş parçasının durdurulup muayene için gerekli pozisyona getirilmesi gerekmekte, bu da zaman kaybına neden olmaktadır. îş parçasına temas eden algılayıcılar. Koordinat ölçme maldnaîan ve Mekanik problardır. I ş parçasına temas etmeyen algılayıcılar ise, Optik araçlar; kamera, laserli tarayıcılar, fotogrametri (değişik açılardan alınmış iki görüntü yardımıyla üç boyutlu görüntü oluşturma), vb., 10
Optik olmayan araçlar, elektrik alanı cihazları, radyasyon (X-ışını) cihazları, ultrasonik cihazlar olarak sınıflandırılabilir. 4. İş parçasına temas etmeyen algılayıcılar yardımıyla iş parçasında gözlenen herhangi bir hatayı (örneğin, kesici takımın yavaş yavaş aşınması sonucu meydana gelen boyutsal değişme) ortadan kaldırmak için işlem değişkenleri üzerinde değişiklikler yapılarak gerekli tedbirlerin hemen alınması mümkün olmaktadır. 5. Bütün parçalann tek tek muayene ve test edilebiliyor olması nedeniyle, artık % 100 den daha az oranda iyi kalitenin kabul edilmemesi düşüncesi yaygınlaşmaktadır. 1 1