Tarım Makineleri Tasarımı ve Geliştirilmesinde Bilgisayar Destekli Tasarım ve Mühendislik Uygulamaları H.Kürşat ÇELİK, İbrahim AKINCI Akdeniz Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümü, Antalya hkcelik@akdeniz.edu.tr Özet: Günümüzde oldukça hızlı ilerleyen bilgisayar ve yazılım teknolojileri, birçok alanda olduğu gibi makine tasarımı uygulamalarında da hızla yaygınlaşmaktadır. Son 60 yıl içerisinde bilgisayarların, yazılımların ve sayısal yöntemlerin entegre edildiği sistemlerde son derece başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Özellikle çok işlevli karmaşık sistemlerin tasarımı ve imalatında maliyet, zaman ve iş gücü tasarrufu açısından büyük yararlar sağlanmaktadır. Bu bağlamda, gelişen bilgisayar teknolojilerinin tarım makinaları sektöründe de aktif olarak kullanılması kaçınılmaz bir süreçtir. Ülkemizde de tarım makineleri imalat sektörünün tasarım teknolojilerini kendine tam olarak entegre etmesi önemli bir konudur. Bu çalışmada, bilgisayar destekli tasarım (CAD: Computer Aided Design) uygulamalarının tarım makineleri tasarımında da başarılı bir şekilde uygulanabileceği üzerinde durulmuştur. Bu kapsamda, makine tasarımı konusunda genel bilgilerin sunulmasının ardından tasarıma yardımcı bazı yazılımlar kısaca tanıtılmış, tarım makineleri tasarımına ait CAD ve sayısal yöntem uygulama örnekleri detaya girilmeden verilmiştir. Çalışma, tarımsal üretimde kullanılan tarım alet-makine imalatçılarının ve bu konuya ilgi duyan araştırıcıların yararlanabileceği örnek bir kaynak olarak yapılandırılmıştır. Anahtar kelimeler: Tarım makineleri tasarımı, bilgisayar destekli tasarım/mühendislik (CAD/CAE) Computer Aided Design of Agricultural Equipment and Machinery Abstract: Nowadays computer and software technologies, which have almost unlimited progression, present own effect for the machine design applications within related engineering fields. Computers, software and numerical methods integrated design and manufacturing applications are very successful, most especially for recent 60 years. Usage of the computer, which has response for various requirements in processes of product design and manufacturing, provide many benefits such savings of cost, time and productive power. In this point, it is an inevitable process to use these developed technologies in the agricultural equipment-machinery design effectively. It is important issue that integrating design technologies to itself for the agricultural machinery manufacturers. In this study, it is focused on the application of computer aided design (CAD) that could be applied successfully for the design issue of agricultural device and machinery. In the study, after given general information about mechanical design process, it is also introduced some of design software and case studies related with optimum design issue of agricultural machinery by using CAD and numerical methods. The study, constructed as a useful source for the agricultural machinery manufacturers and the researchers who are connected with these issues. Key words: Design of agricultural machinery, Computer Aided Design/Engineering (CAD/CAE), Finite element method Giriş Tarımsal mekanizasyon, genel olarak tarımsal üretim faaliyetlerinin güç kaynakları ve tarım makineleri kullanımı ile mekanize edilmesi şeklinde tanımlanmakta olup, tarımda ileri 432
düzey üretim tekniklerinin uygulanması için gerekli olan güç kaynakları ile tarım alet ve makinelerinin tasarımı, imalatı, geliştirilmesi, kullanımı vb. konuları kapsamaktadır (Akıncı, 2011). Tarihsel gelişim süreci içerisinde insanların kas gücü ile çalışan el aletlerinin yerini, önce hayvan gücü ile çalışan aletler almış, daha sonra mekanik sistemlerin geliştirilmesiyle makine kullanımı, tarımsal üretiminin her aşamasında hızla yaygınlaşmıştır (Okursoy, 2006). Bununla birlikte, tarımsal işlerde ortaya çıkan farklı ihtiyaçların karşılanabilmesi için değişik tip ve fonksiyonlu tarım alet ve makinelerin kısa süreli, kaliteli ve düşük maliyetli tasarımı ve geliştirilmesi konusu da önem kazanmıştır. Geçtiğimiz yarım yüzyıl içerisinde, bilgisayarların, yazılımların ve sayısal yöntemlerin makine tasarımına uygulanabilir düzeyde gelişmesi, farklı ve karmaşık yapıya sahip ürün tasarımlarının kolaylıkla yapılabilmesine olanak tanımıştır. Özellikle tasarıma yardımcı yazılımların ve sayısal yöntemlerin entegre edildiği bilgisayar destekli uygulamalar ile başarılı çözümler elde edilmektedir. Bu uygulamalar, makine tasarımlarının ve üretime yönelik AR-GE çalışmalarının bilgisayar ortamında gerçekleştirilmesine yön vermektedir. Tasarlanan makine ve sistemler üç boyutlu (3B) olarak modellenebilmekte ve çalışma koşulları gerçeğe uygun ve en yakın şekilde simüle edilebilmektedir. Böylece, tasarım aşamasında önceden tahmini zor olan hatalar ve gerekli düzeltmeler zaman ve maliyet kaybı olmadan çözümlenebilmektedir. Sayısal yöntemlerin, tasarıma yardımcı yazılımlara entegre edilmesiyle gerçekleştirilen simülasyonlar ve sanal ortam analizleri ile optimum tasarımı elde etme yönünde çalışmalar kolaylıkla yapılabilmektedir. Makine tasarımları için sanal ortamda kullanılan yöntemlerin başında, üç boyutlu katı modelleme ve sonlu elemanlar yöntemi uygulamaları gelmektedir. Bu uygulamaların ürün tasarımı ve makine imalat sanayinde hızla yaygınlaştığı rahatlıkla gözlenmektedir. Bu çalışmada, özellikle tarım alet ve makineleri tasarımı çalışmalarına önemli katkılar sağlayacak Bilgisayar destekli tasarım ve mühendislik (CAD: Computer Aided Design/CAE: Computer Aided engineering) uygulamaları üzerinde durulmuştur. Bu kapsamda, tasarım terimi ve süreci hakkında kısa açıklamaların ardından tasarıma yardımcı yazılımlar tanıtılmış, 3 boyutlu katı modelleme tasarım yazılımları ve sayısal yöntemlerin kullanıldığı tarım alet-makine tasarımı ile ilgili konularda üç farklı uygulama örneği sunulmuştur. Makine Tasarımı Genel olarak tasarım (design) işaret etmek, tanımlamak, göstermek, sınırlarını belirlemek, biçimlendirmek vb. kavramları ile ifade edilmektedir. Bir makine ya da makine elemanının tasarımı ise ihtiyacın belirlenmesi, problemin tanımlanması, ürün fikrinin gelişmesi, analiz ve sentezi, optimizasyonu, imalatı ve pazara sunulması şeklinde ifade edilen, birden çok farklı sürecin birleştiği toplam faaliyettir. Birbirinden farklı bu süreçler birbirleri ile iterasyon içerisinde bulunmaktadır. Buna göre tasarım süreçleri ve iterasyon ilişkileri Şekil 1. de verilmiştir (Childs, 2004). Bilgisayar Teknolojilerinin Makine Tasarımındaki Yeri Bilgisayar teknolojileri kullanımının makine tasarımı, imalatı, geliştirilmesi, optimizasyonu vb. aşamalarında hızla yaygınlaştığı bilinmektedir. Bu değişim, bilgisayar donanımı ve yazılımları ile bilgisayar teknolojisiyle donatılmış imalat uygulamalarının ve standartlaşma işlemlerinin gelişimine paralel olarak gerçekleşecektir. Klasik imalat uygulamalarına kıyasla, bilgisayar teknolojilerinin entegre edildiği imalat uygulamaları ile tasarım maliyelerinde %15-30 azalma, parça başına toplam tasarım ve imalat süresinde %30-60 azalma, verimlilikte %40-70 artış, daha iyi ürün kalitesi ve buna 433
bağlı parçaların çürüğe çıkmasında %20-50 azalma, sonlu elemanlar metodu v.b gibi bilgisayarlara entegre edilmiş sayısal yöntemlerin mühendislik hesaplarında 3-30 kat hız artışı ve ürünlerin değerlendirilmesinde aşırı kolaylık gibi önemli yararlar sağlanmaktadır (Rembold ve ark., 1994). Şekil 1. Tasarım süreçleri ve iterasyon ilişkileri Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) Yirminci yüzyılın başlarında bilgisayar destekli taslak çizim (Computer Aided Drafting) olarak adlandırılan CAD terimi, günümüzde daha çok bilgisayar destekli tasarım (Computer Aided Design) olarak bilinmektedir. CAD uygulamalarının temelini güçlendirilmiş geometri bilgisi oluşturmaktadır. 2 boyut ve 3 boyut konularına dayalı ilk bilgiler olarak M.Ö. 350 yıllarında Euclid of Alexandria tarafından oluşturulmuştur. (Euclid, 1993). Özellikle 1980 lerden itibaren makine imalat endüstrisinde aktif şekilde yer bulan CAD teknolojisi, bugün bile göreceli olarak çok yeni bir teknoloji olarak değerlendirilmektedir. CAD teknolojisinin ilk uygulamaları 1950 lerde sayısal kontrol çalışmalarıyla başlamıştır. Ancak, 1960 yılında Ivan E. Sutherland in Massachusetts Institute of Technology (MIT) de yaptığı çalışmalar ilk defa bilgisayar destekli teknik resim-çizim uygulamalarının temel prensiplerini ve uygulanabilirliğini göstermiştir (Sanders, 2008). Bir ışık kalemi (light-pen) kullanarak bilgisayar ortamında ekrana çizim yapılabilecek bir program (Sketchpad) ile günümüz CAD teknolojisinin ilk uygulamaları başlatılmıştır. Bu uygulama dünyadaki ilk interaktif bilgisayar grafik (ICG: Interactive Computer Graphics) uygulaması olarak bilinmektedir. İlk geliştirilen Sketchpad programı sadece 2-boyutlu uygulamalar yapabilecek kapasitede oluşturulabilmiştir. 1963 yılında T.E. Johnson 2-boyut Sketchpad kabiliyetlerini genişletmiş ve 3-boyutlu perspektif çizimlerin ekranda gerçekleştirilmesini sağlamıştır (Johnson, 1963). Bu günün teknolojisi ise, oldukça karmaşık ve çok fonksiyonlu modellerin dahi oluşturulması ve 434
çözümlenmesi için yüksek kabiliyetli tasarım programlarının/yazılımlarının kullanılmasına imkan tanımaktadır. Günümüzde CAD ve sayısal yöntem uygulamaları için üretilmiş değişik konfigürasyonlara sahip iş istasyonları (workstation) kullanılmaktadır. Bu araçlar normal bilgisayar sistemlerinden farklı olarak, CAD yazılımlarına uygun şekilde tasarlanmış olup yüksek kapasiteli belleklere, grafik kartlarına ve işlemcilere sahiptirler. Özellikle karmaşık yüzey modelleme çalışmaları ve simülasyon hesaplarında, çok sayıda matematiksel denklem takımının bilgisayar tarafından çözümlenmesi gerekmektedir. Bu noktada, teknik özellikleri güçlü bir iş istasyonuna/çözücüye ihtiyaç duyulmaktadır. Böyle bir çözücü işlem yeteneğini artırmakta ve çözüm sürecini de kısaltmaktadır. Bilgisayar teknolojilerinin tasarım çalışmalarında kullanılması ile her işlem daha kolay hale gelmekte, teknoloji kullanım kapasitesi artmakta, tüketiciler üretime daha yakın olmakta ve teknoloji çevrimi ile kişiye özel üretim artmaktadır (Clarke, 2007). CAD Yazılımları Günümüzde CAD yazılımları, kullanım alanı ve amacına göre değişik ihtiyaçlara cevap verecek şekilde geliştirilmektedir. Amaca uygun ihtiyaçların karşılanabilmesi CAD yazılımlarının seçiminde oldukça önemlidir. CAD yazılımları kullanım amacı ve karmaşık yapıları modelleme kabiliyetlerine göre Özel CAD, Genel CAD ve Tasarım Şablonlu CAD olmak üzere 3 temel alanda sınıflandırılabilir (Şekil 2), (Ariadi, 2009). Genel CAD yazılımları daha çok kullanıcı dostu bir ara yüze sahiptir. Çoklu modül ve genel amaçlı uygulamalar için uygundur. İhtiyaç duyulan modüllere göre satın alma bedelleri değişmektedir. Özel CAD yazılımları özel ürünlerin tasarımında, her türlü ürünün modellenmesinde ve özellikle karmaşık yüzey çalışmaları için geliştirilmiştir. Özel CAD yazılımlarını kullanmak, önemli bir bilgi birikimini gerektirmektedir. Maliyeti yüksek fiyatlı yazılımlardır. Tasarım şablonlu CAD yazılımları daha önceden hazırlanmış ve tanımlanmış unsurların yazılım içerisinde bir araya getirilmesi ve ürünün tasarlanması ilkesine göre kullanılmaktadır. Dünyada beş milyondan fazla insan makine tasarımı konusu ile ilgilenmektedir. Ancak bunların sadece beşte biri var olan CAD yazılımlarından yararlanmaktadır (Clarke, 2007). Tasarım işlerinde kullanılan CAD yazılımlarının dünya üzerindeki kullanım yüzdeleri Şekil 3. de verilmiştir (Bush, 2008). Buna göre, tasarım çalışmalarında en yaygın kullanılan CAD programları Solidworks (%38), Autodesk Inventor (%12), Autocad (%9) ve Pro/Engineer (%8) yazılımlarıdır. Tarım Makineleri CAD/CAE Uygulama Örnekleri Tarımsal üretim faaliyetlerinin güç kaynakları ve tarım makineleri kullanımı ile mekanize edilmesi modern tarım teknolojilerinin kaçınılmaz bir gerekliliğidir. Bu kapsamda, güç kaynakları ile tarım alet ve makinelerinin tasarımı, imalatı, geliştirilmesi vb. konularında yapılan çalışmalar ile makine kalitesi, iş başarısı önemli düzeyde artırılacaktır. 435
GÜÇLÜ KULLANIM CAD GENEL CAD KOLAY KULLANIM CAD BASİT YAPILI CAD MÜHENDİSLİK UYG. CAD ÖZEL CAD ÖZEL ÜRÜNLER İÇİN CAD ÇOCUKLAR İÇİN CAD TASARIM ŞABLONLU CAD (DESIGN TEMPLATE) Şekil 2. CAD yazılımlarının sınıflandırılması Şekil 3. Dünyadaki CAD yazılımlarının kullanım yüzdeleri 436
Çalışmanın bu bölümünde, tarım alet-makine tasarımında CAD ve CAE uygulamalarına ait 3 örnek çalışma sunulmuştur. Bunlar; 1. Toprak frezesi dişli takımı mukavemet analizi 2. Dipkazan aleti yapısal optimizasyonu ve 3. Elma meyvesi düşme testi simülasyonu dur. Örneklerden birincisi bir toprak frezesi dişli takımı mukavemet analizi çalışmasıdır (Şekil 4). Toprak frezesi, traktör kuyruk miline bağlanan bir şaft ile aldığı hareketi ve gücü, yapısında bulunan dişli kutusu aracılığı ile 90 değiştirerek kesici bıçakların bağlandığı rotor miline iletir. Bu durumda topraktan alınan reaksiyon etki, dişliler üzerinden tekrar diğer elemanlara taşınır. Bu durumlarda en çok yük altında çalışan elemanlar arasında dişliler yer alabilmektedirler. Bu nedenle gerilme dağılımlarının incelenmesi ve diğer konstrüksiyon elemanlarının bu çerçevede değerlendirilmesi önemli bir konudur. Şekil 4. Toprak frezesi dişlileri gerilme analizi Bu uygulamada toprak frezesi hareket iletim elemanları ve dişlileri 3B olarak modellenmiş ve sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak dişliler için mukavemet analizi gerçekleştirilmiştir (Topakci ve ark., 2008). Sonlu elemanlar analizi sonrası kullanılan dişli malzemesi akma mukavemetine göre değerlendirme yapılmış ve dişlilerin hasarsız olarak tanımlanan sınır koşullarında çalıştığı belirlenmiştir. Ek olarak her bir dişli için simülasyon sonuçlarına dayanılarak güvenli çalışma katsayıları hesaplanmıştır. Özellikle tasarım mühendisleri için görsel ve boyutsal değerlendirme çok önemlidir. CAD modellemesi ile ürünün tasarımı sırasında istenilen değişikliklerin anında yapılabilmesi ve gerçeğe uygun montaj ve boyut analizlerinin gerçekleştirilmesi mümkün olmaktadır. Bu durum ürünün toplam tasarım ve imalat sürecinde zaman kazanımı yönünden büyük yararlar sağlamaktadır. Sunulan ikinci örnek; bir dipkazan aleti için gerçekleştirilmiş yapısal optimizasyon çalışmasıdır (Şekil 5). Dipkazan toprağı gevşetmek ve taban taşını kırmak için kullanılan, 45-75 cm iş derinliğine sahip bir toprak işleme aletidir. Bu alet, derin toprak işleme nedeniyle yüksek derecede toprak reaksiyon kuvvetlerine maruz kalmaktadır. Bu kuvvetlerin bilinmesi ve aletin çalışma koşulları altındaki deformasyon davranışının tahmin edilmesi tasarım için gereklidir. Bu çalışmada öncelikle maksimum çeki kuvveti değeri için bilgisayar destekli ölçme sistemi kullanılarak tarla denemeleri gerçekleştirilmiştir. Bilgisayar ortamında dipkazan aleti orijinal boyutlarına bağlı kalınarak 3-boyutlu ve parametrik olarak modellenmiştir. Modelleme 437
aşamasından sonra tarla denemelerinden elde edilen sonuçlar sonu elemanlar analizinde (FEA) kullanılmış ve dipkazanın çalışma koşulları altındaki deformasyon davranışı ve eşdeğer gerilme dağılımları incelenmiştir (Topakci ve ark., 2010). Eşdeğer Ağılık Azaltılması G il Eşdeğer Gerilme Şekil 5. Dipkazan aletinin ağırlık azaltmaya yönelik yapısal optimizasyonu FEA sonuçları muhtemel bir ağırlık azaltma hedefinde bir optimizasyon çalışmasının yapılabileceğini göstermiştir. Ticari bir FEA paket programı kullanılarak optimizasyon çalışması yürütülmüş ve tekrar FEA analizlerinin kontrol edilmesinden sonra son (final) tasarım boyutları belirlenmiştir. Gerçekleştirilen optimizasyon çalışması sonucunda dipkazan toplam ağırlığından %27.62 oranında azaltma gerçekleştirilmiştir. Bu azaltma daha az malzeme kullanımı, maliyet kazancı, traktör çeki gücü kazancı, imalat enerji tüketimi azaltılması vb. konularda oldukça yararlı bir kazançtır. Verilen üçüncü örnek; tarımsal ürünlerin hasat ve hasat sonrası uygulamalar sırasında düşme, çarpma sonucu oluşabilecek deformasyonun incelenmesi üzerine gerçekleştirilmiş deneysel ve sayısal yöntem uygulamalarına bir örnektir (Celik ve ark., 2011). 438
Tarım makineleri tasarımı konusu, üretimi gerçekleştirilen biyolojik malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi ile doğrudan veya dolaylı olarak ilgilidir. Bu örnekte biyolojik malzeme olarak Golden Delicious cinsi örnek bir elma seçilmiş ve belirli bir yükseklikten düşmesi sonucu oluşabilecek deformasyon hızlı kamera ve sonlu elemanlar metodu kullanılarak incelenmiştir. Çalışmada, üç boyutlu tarama cihazı, katı modelleme tekniği ve sonlu elemanlar metodu kullanılmıştır. Örnek elma yaklaşık 500 mm yükseklikten serbest olarak rijit bir yüzeye bırakılmış, çarpma anından sonra 22 adımda elmanın maruz kaldığı reaksiyon kuvvetleri ve yapısal gerilmeleri hesaplanmıştır. Çalışma sonucunda simulasyon sonuçlarının deneysel çalışma ile uyumlu görsel sonuçlar verdiğinin ve benzer ürünler için deformasyonların incelenmesinde sayısal yöntem simülasyon uygulamalarının yararlı şekildekullanılabileceğinin altı çizilmiştir (Şekil 6). Şekil 6. Örnek bir elma için düşme testi simülasyonu Sonuç Bu çalışmada, tarım alet-makinelerinin tasarımı konusunda bilgisayar destekli tasarım ve mühendislik uygulamalarının tasarım sürecinde başarılı çalışmalara önemli katkılarda bulunabileceği konusu üzerinde durulmuştur. Ülkemizde, makine tasarımı ve imalatı konusunda son yıllarda büyük gelişmeler ve yatırımlar söz konusudur. Günümüzde tarımsal üretimim hemen hemen her noktasında makineleri görmek mümkündür. Kullanılan makinelerin tüm ihtiyaçları karşılayacak optimum tasarımları, bilgisayarlar, CAD teknoloji ve sayısal yöntemlerin entegre edildiği tasarıma yardımcı yazılımlar sayesinde kolaylıkla gerçekleştirilebilir. Bilgisayar destekli tasarım araçlarının tarım alet ve makinelerinin tasarımında kullanılması tasarım ve imalat sürecinde zaman kayıplarının azaltılmasında, ihtiyaçların karşılandığı optimum tasarımların elde edilmesinde, verimliliğin artışında, özel ihtiyaçların karşılanması ve 439
kişiye/uygulamaya özel ürünlerin tasarımında/üretimde oldukça yararlıdır. Bununla birlikte, anılan sanal ortam uygulamalarının tarım makineleri imalat sektörü tarafından etkin şekilde kullanılması, modern teknolojileri yakalama ve daha iyi ürünler tasarlama/imal etme konusunda önemli katkılar sağlayacaktır. Literatür Listesi Akıncı, İ.,2011, Tarım Makinaları Ders Notu Akdeniz Ünv. Ziraat Fak., Tarım Makinaları ABD, Antalya Ariadi, Y., 2009, Design Templates for Customising products, Thesis of MSi, Lancaster university, Science and Technology Faculty, Engineering Dept. Lancaster Pro. Development Unit. Lancaster, UK Bush, B., 2008, CAD Usage Report-2008, white Paper, DesignTalks Celik, H.K., Rennie,A.,E.,W., Akinci, I, 2011, Deformation Behaviour Simulation of an Apple under Drop Case by means of Finite Element Method, Journal of Food Engineering, 104 (2): 293 298 Childs, P., 2004, Mecanical Design, Elsevier Butterworth-Heinemann publications Second Edition, ISBN 0 7506 5771 5 Clarke, C., 2007, Designs on Teamwork in Design Engineering, p36. 39-40., U.K. Euclid, E., 1993, The Elements of Euclid, J.M.Dent & Sons Publication, New York: E.P. duton, pp298 Johnson, T.E., 1963, Sketchpad iii: Acomputer program for drawing in 3-Dimensions, Technical Report, MIT electron System Lab., USA Okursoy, R.,2006. Toprak İşleme Makinaları Ders Notu, Uludağ Ünv. Ziraat Fak., Tarım Makinaları ABD, Bursa Rembold, U., Nnaji, B. O., Storr, A., 1994, Computer Intergrated Manufacturing and engineering, Addison-Wesley Publications, ISBN 0-201-56541-2 Sanders,N., 2008, An industry perspective on the beginnings of CAD SIGCSE Bull,40(2):p.128-134 Topakcı,M., Celik, H.K., Canakci, M., Karayel, D, Rennie, A.,E.,W., 2010, Structural Optimization of a Subsoiler, Pakistan Journal of Scientific and Industrial Research (PSJIR), Vol 53 (5): 281-287 Topakci, M., Celik, H.K., Yilmaz, D., Akinci, I., 2008, Stress Analysis on Transmission Gears of a Rotary Tiller using Finite Element Method, Journal of The Faculty of Agriculture, Akdeniz University, ISSN: 1301-2215, 21(2), 155-166. 440