5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye LEVHA KAM MEKANİZMALARININ BİLGİSAYAR YARDIMIYLA TASARIM VE İMALATI COMPUTER AIDED DESIGN AND MANUFACTURING OF THE WEDGE CAM MECHANISMS Mustafa BOZDEMİR a, * ve Süleyman SEMİZ b a, * Pamukkale Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü, Denizli, Türkiye mbozdemir@pau.edu.tr b Pamukkale Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü, Denizli, Türkiye ssemiz@pau.edu.tr Özet Bu çalışmada, yapay zeka programlama dillerinden biri olan LISP programının AutoCAD için uyarlanmış hali olan VisualLISP programı kullanılmıştır. Yapılan program sayesinde, tasarım ve imalatı zor olan levha kam mekanizmalarının tasarımı otomatik olarak yapılmaktadır. Tasarım sonucu elde edilen kam biçimi, MasterCAM programı kullanılarak CNC tezgâhında işlenebilir hale getirilmektedir. gerekmektedir. Dairesel hareket yapan bir kam tasarlanacak ise, kamın belirli açılardaki dönme hareketi ve istenilen yükselme miktarları grafik üzerinde, kamı oluşturacak temel daire çapı üzerine taşınarak kam profili elde edilmeye çalışılır. Şekil 1 de bir kamın çizimi aşamasında düşünülmesi gereken parametreler görülmektedir. Bu tip yöntemle kam çizmek, son derece hassas çizim yapmayı gerektirmektedir. Hareket eğrisi üzerinde yapılacak hatalar istenilen hareketin oluşmasında olumsuz sonuçlar ortaya çıkaracaktır. Anahtar kelimeler: Yapay zekâ programlama dili, Levha kam mekanizmaları, VisualLISP program. Abstract In this study, VisualLISP which is an adaptation of LISP that is one of the intelligent programming language for AutoCAD has been used design of the wedge cam mechanisms whose manufacturing and design are difficult can be designed by using this program. After the design, determined cam shape can be machined with CNC machine tools by using MasterCAM software. Keywords: Artificial intelligent programming language, Wedge cam mechanisms, VisualLISP program. 1. Giriş Makine tasarımında düzgün olmayan elemanların tasarımı önemlidir. Bu elemanlardan en önemlilerinden biri de kam mekanizmalarıdır. Kam mekanizmaları, düzgün bir tahrik hareketini istenilen bir çevrim fonksiyonu uyarınca elde edilen ve düzgün olmayan bir harekete çevirirler. Bu tür makine elemanının istenilen fonksiyonları yerine getirebilmesi için hassas hesaplar ve tasarım bilgisi gerekir [1]. Kam mekanizmalarının, robotik sistemler, mekanik sistemlerin otomasyonu, takım tezgâhları ve içten yanmalı motorların tasarımı gibi çok geniş kullanımı bulunmaktadır. Kam mekanizmaları kullanılarak başka mekanizmalarla yapılması zor olan düzensiz, alışılmamış hareketleri gerçekleştirme imkânı sağlanabilmektedir. Kam mekanizmalarının bu kadar önemli rollerine karşı, tahrik edilen uzva tam olarak istenilen hareketin verilebilmesi için gerekli hassasiyetle tasarım ve imalatının yapılması zor ve pahalıdır [2]. Kam mekanizmalarının geleneksel yollarla çizilmesi gerektiğinde, kamın yükselme miktarı ve ilerlemesi arasında ilişkilerin grafikler yardımıyla oluşturulması Şekil 1. Dairesel hareket eden kam çizimi. Bilgisayar destekli tasarım ve imalat yapılabilen CNC tezgâhlarının kullanılmasıyla kam mekanizmaları gibi düzlemsel olmayan yüzeylerin istenilen hassasiyetle işlenmesi mümkün olabilmektedir. Bilgisayar destekli tasarım programları kullanılarak bu mekanizmalara ait detaylı çizimlerde bilgisayar ortamında oluşturulabil mektedir. Yapılan bu çalışmada AutoCAD programı içerinde bulunan VisualLISP uygulamaları kullanılarak bir program geliştirilmiştir. Bu program kullanılarak kam mekanizması na ait iki ve üç boyutlu tasarım yapılabilmektedir. Elde edilen üç boyutlu tasarım bilgilerinin MasterCAM programı birlikte kullanılması sağlanmıştır. AutoCAD içerisindeki program kullanılarak oluşturulan 3 boyutlu tasarım bilgileri MasterCAM programına aktarılarak, CNC tezgâhında işlenebilmesi için gerekli kodlar üretilmektedir. Geliştirilen program kullanılarak oluşturulan üç boyutlu kam tasarımı, CAM programları kullanılarak bu parçayı temsil eden bir grafik üzerinden NC programlarına dönüştürülür. NC programlarının oluşturulması sırasında kullanılacak işlem akışı şu şekilde özetlenebilmektedir [3] : Üç boyutlu tasarım oluşturulması. IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
Tasarım üzerinde, talaş kaldırma, tezgâh takım verilerine göre CAM sistemi ile parçanın NC tezgâhlarında işlenmesi için genel bir çözüm ve çözüme uygun takım yolu (Tool Path) oluşturulması. Tezgâh kontrol sisteminin özelliklerine bağlı olarak Post Prosesör denilen sisteme göre ISO (G) kodlarına dayalı bir NC programı ve yanında üretime hazırlık olarak parça listesi, proses planlama ve kontrol planı oluşturulması. CAM programı içerisinde elde edilen imalat bilgilerinin sistemler arası veri değişimi ve ilerideki düzenlemeler için saklanması gerekir. Bu işlemi gerçekleştirecek veri formatlarının yapılan tasarımla ilgili olarak şu bilgileri içermesi gerekmektedir. Biçim bilgileri Biçim dışı bilgiler Tasarım bilgileri Üretim bilgileri Parçanın geometrik ve topolojik bilgileri biçim bilgisi içerisinde değerlendirilir. Biçim dışı bilgiler, gölgelenmiş görüntüler, veri yapısıyla ilgili bilgiler içerir. Tasarım bilgileri, analiz sonuçları için geometrik modellerden tasarımcının oluşturduğu bilgileri kapsar. Kütle, moment, sonlu eleman ağ bilgileri, bu sınıfta bulunabilecek bilgilerdir. Üretim bilgileri içerisinde ise, tezgâhlar, kesici yolu, toleranslar, işlenecek malzemeler, yüzey pürüzlülüğü, işleme değişkenleri, soğutma sıvısı gibi imalatla ilgili bilgiler bulunmaktadır. Bütün bu bilgilerin bir kısmını veya tümünü bünyesinde bulunduran IGES, SET, DIN, TAB, VDA/FS, XBS, DXF, PDES gibi standart veri yapıları, sistemler arası veri değişiminde sıklıkla kullanılır. Özellikle sayısal denetimli tezgâhlar için gerekli olan verilerin çıkarılmasında IGES ile en çok kullanılan veri dönüştürme standardı DXF olarak tanımlanmaktadır [4]. Geliştirilen bilgisayar programı yardımıyla kam tasarımı programında üç boyutlu tasarım bilgileri DXF formatına çevrildikten sonra MasterCAM programına aktarılmaktadır. Burada gerekli tezgâh seçimi, işleme yolu, işleme şartları, kesici cinsi, işleme kalınlığı, soğutma sıvısı, gibi talaşlı imalat bilgileri belirlenmektedir. NC koduna dönüştürülmüş işleme özellikleri bir mors koduna benzetilebilir. Ancak bu konu bilen birisi tarafından iletilebilir yada anlaşılabilir. CAM programı tarafından NC kodlarına dönüştürülen parça modeli, CNC tezgâhında işlenmeye hazır duruma gelmektedir [5 ]. Şekil 2 de bilgisayar kullanılarak yapılan tasarımın imalatına kadar geçen süreçte, tamamen bilgisayar kullanılması sonucunda oluşan Bilgisayar Destekli Üretim Sistemi ne ait yapı taşları görülmektedir. 2. Levha Kam Mekanizmaları Kam, düzgün olmayan şekildeki tahrik elemanının hareketini izleyici adı verilen bir bağlantı yardımıyla diğer bir harekete çevirir [6]. Kamlar; makine yapımında çok sık karşılaşılan mekanizmalardandır. Kamda genellikle yuvarlak olmayan bir disk ve bununla temas halinde olan makara şeklinde bir uzuv vardır [7]. Kam mekanizmaları, giriş uzvundan diğer bir uzva hareket nâkilinde kullanılan bir yüksek eleman çiftine sahip dönüşüm mekanizmalarıdır. Bu mekanizmalar kam adı verilen bir uzuv tarafından tahrik edilirler. Kamın uygun profillerde biçimlendirilmesiyle tahrik edilen uzvun istenilen hareketi yapması sağlanır [2]. Kam mekanizmalarına endüstride daha çok tekstil, paketleme, takım tezgâhları ve grafik çizim makinelerinde rastlanmaktadır. Teorik olarak bütün hareket problemlerinin gerçekleştirilebildiği kam mekanizmaları genelde dönüşüm mekanizmalarıdır. Başka bir deyişle mevcut hareketi dönüştürmede kullanılırlar [8]. Kam, kesinlikle hesaplanmış eğriler veya profiller sayesinde, bir hareket dönüşümünü, az veya çok karışık bir kanuna göre gerçekleştirmeyi sağlayan değişik mekanizmalardır. Daha açık bir tanımlamayla, diğer makine elemanları ile elde edilemeyen düzgün olmayan, özel hareketlerin elde edilmesine yarayan bir makine elemanıdır. Kam bu hareketleri kendisine verilen özel biçimi sayesinde sağlar [1]. Kam mekanizmaları en yaygın kullanılan mekanizmalardan biridir. Bunun nedeni ise onların basitliğidir. Bunun yanı sıra kamların imalatı pahalıdır. Yüksek hız ve ağır yük altında çalıştırılmalarında sakıncalar vardır [9]. Şekil 3. Levha kam ve iticisi. Şekil 2. Bilgisayar destekli üretim sistemi. Şekil 3 de görülen kam mekanizması, bilgisayar programı yapılan kam mekanizması sistemidir. Bu sistemde kullanılan kam biçimi, levha kam şeklindedir. Levha kam mekanizmalarında, kam kısmı ileri-geri hareket ederken itici aşağı-yukarı hareketle istenilen fonksiyonları karşılar.
Kam profili üzerinde sürekli temas halinde bulunan iticinin çok kısa sürede aşınmaması için bir takım önlemler alınmalıdır. Genellikle izleyicinin kam profiliyle temas halinde bulunduğu kısmına, kamın boyutuna uygun tekerlek monte edilir. Bu şekilde yapılan izleyicilere, makara izleyici denilmektedir. 3. Bilgisayar Programı hata yapma ihtimalini azaltır. Program içerisinde Diyalog kutuları etkili olarak kullanılabilmektedir. Programlanabilir diyalog kutuları AutoLISP kullanılarak oluşturulamazlar. Ancak LISP programı içerisinde diyalog kutularının yönetiminde kullanılabilirler. Diyalog kutuları öncelikle diyalog kontrol dili (Dialog Control Language) olarak bilinen bir dil yardımı ile tanımlanır [10]. 3.1. Programın Yapısı Levha kamların bilgisayar ortamında otomatik olarak tasarlanması amacıyla VisualLISP programlama dili kullanılarak bir kam tasarım programı geliştirilmiştir. Kam mekanizması çiziminde ve yapımında kullanılacak bütün veriler bilgisayara girilerek istenilen kam profilini sağlayan tasarım oluşturulmuştur. Hazırlanan program ve MasterCAM programı birlikte kullanılarak istenilen kam verilerinin girilmesinden imaline kadar geçen süreç Şekil 4 de görülmektedir. Bu süreçte kamın bilgisayar ortamında tasarlanması ile DXF formatına dönüştürülmesi VisualLISP programı kullanılarak yapılmaktadır. Program.LSP uzantılı bir LISP ve.dcl uzantılı programlanabilir diyalog kutusu dosyasıyla birlikte çalışmaktadır. AutoLISP ve AutoCAD ile iyi derecede grafik uygulamalarının yapılması yanında, yüksek seviyeli dillerdeki gibi makro düzeyde program yazımı da mümkündür [10]. Asıl anlamda LISP, yapay zekâ çalışmalarında kullanılan bir programlama dilidir. List Processing (liste işleme) nin kısaltılmış ifadesidir. AutoLISP ise LISP in AutoCAD altında kullanılacak şekilde uyarlanmış şeklidir. AutoLISP ile AutoCAD programına yeni komutlar eklenebilir, özelleştirilebilir ve böylece daha fazla verim alınabilir [11]. Şekil 5. Kam programı DCL dosyası örneği. Şekil 5 de çok basit bir.dcl programı için verilen örnek yazılım görülmektedir. Buradan da görüleceği üzere.dcl dosyaları da.lsp dosyalarına benzer olarak ASCII yazı formunda yazılmaktadır [12]. 3.2. Programın Çalıştırılması İlgili dosyaların çizim ortamı yüklenmesinden sonra kam programı çalıştırılır. Şekil 6 da kam programı çalıştırıldığın da ekrandaki temel kam boyutlarının girilmesini sağlayan diyalog menüsü görülmektedir. Kam programı ilk olarak kullanıcıdan bir levha kamı oluşturan temel boyutları girmesini ister. Temel boyutların ardından kamın hangi hassasiyetle hesaplanıp çizileceğine, kullanıcı karar vermektedir. Şekil 6. Kam temel boyutlarının girilmesi. Şekil 4. Levha kamın tasarım-imalat süreci. VisualLISP programı ise AutoLISP in daha geliştirilmiş bir sürümüdür. Özellikle editör kısmı kullanıcıya büyük kolaylık sağlar. Program yazımında etkili olarak kullanılan parantezler ve komut satırlarının kullanımını renklendirerek Belirlenen kam hassasiyetine göre istenilen hareket miktarları sırayla girilmektedir. Hareket girişleri diyalog menülerine altışarlı gruplar halinde yerleştirilmiştir. Kullanıcı on iki hassasiyetine göre veri girebilmek için diyalog menüsünde 1-6 ve 7-12 hassasiyetlerini iki ayrı menüden sıra ile girer. Şekil 6 da ilk altı hareket miktarının girilmesi görülmektedir. Belirlenen kam hassasiyetine göre istenilen hareket miktarları sırayla girilmektedir. Hareket girişleri diyalog menülerine altışarlı gruplar halinde yerleştirilmiştir.
Kullanıcı on iki hassasiyetine göre veri girebilmek için diyalog menüsünde 1-6 ve 7-12 hassasiyetlerini iki ayrı menüden sıra ile girer. Şekil 7 da ilk altı hareket miktarının girilmesi görülmektedir. Şekil 7. Kam hareket miktarlarının girilmesi. Kam veri girişinin bitmesinden sonra, girdi verilerinin programda nasıl kullanılabildiği Şekil 8 deki diyalog kutusunda görülmektedir. Şekil 9. Kesici tanımlama menüsü. Şekil 8. Kullanıcının çizim tercihleri menüsü. Kullanıcı isterse, çizim ortamına kamın sadece resmini çizdirilebilir ya da resme ait DXF bilgileri kullanıcının belirleyeceği bir dosya içerisine yazdırabilir. Elde edilen DXF dosyası herhangi bir CAM programıyla sonradan işlenebilmektedir. Program ilgili verileri DXF biçimine çevirince veya ilgili kam geometrik şeklinin gerçek ölçülerinde çizilmesinden sonra VisualLISP programının görevi tamamlanmaktadır. Bundan sonra kamın üretilmesi için gerekli işleme şartları ve kesicilerin CAM programı yardımı ile belirlenmesi gerekir. Diyalog kontrol penceresiyle tanımlanan MasterCAM Uygulamasını başlat butonu sayesinde, doğrudan MasterCAM 7.0 programı ile çalışmaya devam edilebilmektedir. Program sayesinde elde edilen çizim veya DXF dosyası CAM programına yüklenerek gerekli işleme şartları belirlenmeye başlanır. Şekil 9 da ve Şekil 10 da MasterCAM 7.0 programında kullanılan kesici tipi seçimi ve özelliklerin belirlenmesi menüleri görülmektedir. Bu menüler sayesinde imalat işlemi sırasında kullanılacak kesicilere ait bilgiler girilmektedir. Şekil 10. Kesici tipleri menüsü. Kesici seçimi ve takım yolu ayarlamaları yapıldıktan sonra, Nc util, Post poc, Run komutları ile CNC parça programı hazırlanır. Parça simulasyonu için Nc util, N- see200 seçenekleri seçilir. Sonuç olarak parçanın tezgâhta hangi işlem sırasında, hangi takımlarla ve hangi yörüngelerde işleneceği izlenebilir. Şekil 11. İmalata hazır hale gelmiş bir levha kam. Şekil 11 de MasterCAM le işleme şartları belirlenerek CNC tezgâhında imal edilmeye hazır duruma gelmiş bir levha kam görülmektedir.
4. Sonuç Gelişen bilgisayar teknolojisi ve programcılığıyla, CNC makinelerinin günümüz şartlarında oldukça iyi iletişim sağlayabildiği görülmektedir. Bu iletişim, yapılan çalışmada sabit hızlı levha kam mekanizmalarının tasarım ve imalinde kullanılmıştır. VisualLISP kullanılarak yapılan programla sabit hızlı levha kam tasarımı kolaylıkla yapılmaktadır. Bilgisayar yardımıyla gerekli kam profili hesaplanarak çizimi sağlanmaktadır. Elde edilen levha kam, DXF OUT fonksiyonu sayesinde MasterCAM programına aktarılmaktadır. Tezgâh işleme durumu ve şartları belirlendikten sonra, CNC tezgâhı için NC kodlarına dönüştürülebilir. Yapılan programla, levha kam mekanizmaları kısa sürede, istenilen imalat hassasiyetinde gerçekleştirilebilmektedir. Bu işlem sırasında insan hatasından kaynaklanabilecek olumsuzlukların azaltılmasında, hazırlanan programın katkısı olacağı düşünülmektedir. Kaynaklar [1] Şeker U., Özdemir A., Mekanizma Tekniği, Tek. Eğitim Fakültesi Yayınları: 6, 1994. [2] Kazıhan K., Makine ve Mekanizmalar Teorisi, Beta basım-yayım, 1996. [3] Kurthacıoğlu M., CAD-CAM Sistemleri; Teori ve Esasları, Makine&Metal Teknolojisi, Aralık, 1996. [4] Nalbant M., Bilgisayarla Bütünleşik Tasarım ve İmalat, Beta Bs-.Yay., 1997. [5] Chang C., and Melkanoff M.A., NC Makine Programcılığı ve Program Tasarımı, M.E.B., 1994. [6] Hong-Sen Yan, Creative Design of Mechanical Devices, Springer, 1998. [7] Keçecioğlu G., Mekanizma Tekniği, Ege Ünv. 1975. [8] Köseoğlu M., Mekanizma Tekniği, İ.T.Ü., 1987. [9] Söylemez E., Mechanisms, O.D.T.Ü. Pub. Number:64, 1985. [10] Çetinkaya K. ve Başak H., Uyg. AutoLISP ve DCL, Seçkin Yayıncılık., 2000. [11] Çıkış E., AutoLISP, Türkmen K., 1994. [12] Autodesk, AutoCAD Release 12, AME 2.1. AutoLISP and API Manual, 1992.