MKT 2174 SAYISAL KONTROLLÜ TEZGÂHLAR

Sayısal Kontrollü Tezgahların Tarihsel Gelişimi Sayısal Denetim ( Numerical Control ) kavramı ve bu kavramın üretimde kullanılan takım tezgahlarına uygulanması İmalat Mühendisliğinde bir devrim niteliğindedir. Sayısal Denetim, insan el becerisi ve deneyimine bağlı küçük atölye tipi üretim biçiminden başlayarak, günümüzde bilgisayarların, üretimin çeşitli aşamalarını gerçek zamanda denetlemek ( realtime control ) için kullanıldığı esnek üretim birimlerin ve insansız fabrikaların oluşması sürecindeki gelişmelerde, çok önemli bir yer tutmaktadır.

Sayısal Kontrollü Tezgahların Tarihsel Gelişimi Sayısal Denetim bir takım tezgahının kodlanmış sayısal verilerle denetlenmesi olarak tanımlanabilir. Sayısal karakterlerden oluşan kodlanmış sayısal verilerle takım tezgahlarında kesici takımın veya iş tablasının, iş parçasının istenilen boyutlara getirilmesi için izlemesi gereken yolun, ana milin devir sayısının, ilerleme hızının ve benzeri işlevlerin denetimi gerçekleştirilir.

Takım tezgahı olarak adlandırılabilecek aletlerin kullanımı 12.yüzyılın başına kadar gider. Ahşaptan yapılan ve parçaların pedal kullanılarak döndürüldüğü bu torna tipi tezgahı daha sonra hareketin rüzgar ve su enerjisinden sağlandığı çeşitli tezgahlar izler; örneğin değirmen yardımıyla döndürülen testere, 1550; su ile döndürülen delik işleme tezgahı, 1662 Bockler, İngiltere gibi. Bu tezgahların ortak özellikleri ahşaptan yapılmış olmaları ve genellikle de ağaç işlemesinde kullanılıyor olmaları idi. 18. Yüzyılın başından itibaren buhar makinasının James Watt tarafından keşfiyle başlayan ilk endüstri devrimi ile birlikte ahşap tezgahlarda metal parçalar kullanılmaya başlandı ve giderek yerlerini tümüyle metal tezgahlar aldı.

1713 yılında Maritz adında bir İşviçreli dik delik işleme tezgahı geliştirdi. 1714 yılında da M. Sidorov adında bir Rus namluların delinmesi için su gücü ile çalışan matkap tezgahı geliştirdi. 1711-1765 yılları arasında yaşayan Rus İ. Polzunov bir alın tornası, bir küresel işleme tornası ve bir taşlama tezgahı imal etti. 1775 yılında İngiliz John Wilkinson James Watt ın buhar makinasının silindirlerini istenen doğrulukta üretebilecek bir tezgah geliştirdi. 1797 de Henry Maudslay (İngiliz) torna tezgahında yaptığı yeniliklere ek olarak metal vida işleyebilen bir torna tezgahı geliştirdi. 1818 yılında da Eli Whitney tarafından ABD de ilk freze tezgahı üretildi. Bu çalışmalar ve geliştirilen tezgahlar genellikle takım tezgahları çağının doğuşu olarak kabul edilir.

Alın Torna Tezgahı

Otomatik Torna Tezgahı

Küresel İşleme Torna Tezgahı

Metallere kitlesel imalatın en önemli engeli enerji iletimi olmuştur. Buharlı makineler ile üretilen güç transmisyon- kayış/kasnak sistemleri vasıtası ile bir merkezden atölyedeki tüm tezgahlara iletilebilmiş ve böylece seri üretim kavramından bahsedilebilir olmuştur.

Takım tezgahlarının tarihsel gelişimine baktığımız zaman iki farklı akım görürüz; mekanizasyon ve otomasyon. Mekanizasyon takım tezgahlarının gelişiminde ilk önemli adımdır. Mekanizasyon en basit tanımı ile insanın iş ve kas gücünün yerini makinaların almasıdır. İş gücünü oluşturan işçinin, deneyim ve el becerisine dayanan ve kas gücünü kullanarak yaptığı işlerin, sıralanabilir ve tekrarlanabilir işler olarak bölünmesi ve bu işlerin makinalar veya mekanizmalar kullanılarak yapılması takım tezgahlarında mekanizasyonu getirmiştir.

Otomasyon takım tezgahlarının tarihsel gelişiminde mekanizasyonu izler. Otomasyon insanın karar verme işlevlerinin çeşitli mekanik, elektromekanik ve elektronik elemanlar ve bilgisayarlar kullanılarak gerçekleştirilmesidir. Diğer bir anlatımla söz konusu elemanlar insanın karar verme işlevinin yerini almaktadır.

Bugün bu iki kavram birbirlerinin içine öyle geçmiş ve öyle çakışmaktadır ki, bugünkü tüm üretim tezgahları değişen ölçülerde mekanizasyonun ve otomasyonun karışımlarını içermektedir. Seri imalat tezgahlarında mekanizasyon otomasyondan daha fazla kullanılırken üretim miktarının değişken ve daha çok talep e göre değiştiği küçük parti imalatlarında kullanılan tezgahlarda otomasyon çok daha fazla kullanılmaktadır.

Mekanizasyon Otomasyon İlk basit üretim tezgahının 18. yüzyılda tasarlanıp üretilmesinden sonra takım 1800 Mekanik İlerleme 1850 Ardışık Kontrol tezgahlarının tarihsel gelişimi aşağıda belirtilen aşamalardan geçerek gerçekleşmiştir. 1900 1950 Kopyalama Tezgahları Transfer Tezgahları Programlanabilir Ardışık Denetim Sayısal Denetim 1970 Bilgisayarlı Sayısal Denetim 1990 Uyarlamalı Denetim

19. Yüzyılın başında tezgah üzerinde el ile gerçekleştirilen ilerleme hareketi yerini dışarıdan sağlanan güç ile ilerleme hareketine bıraktı. Bu gelişim mekanizasyonun ilk adımı oldu. Aynı yüzyılın ortalarında seri üretim için ardışık-denetimli ( sequence-controlled ) tezgahları geliştirildi. Bu tip tezgahlar tek bir parçanın üretimi için tasarlanan tezgahlardı ve yapılacak işlemler basit, sabit ve ardışık işlemlerdi. Esneklikten uzak olan bu tezgahlar seri üretim için son derece uygundu.

Kopyalama tezgahları ardışık-denetimli tezgahları takip etti. Bu tezgahlar, bir şablon üzerinde hareket eden bir prob aracılığıyla şablonu kopyalayarak aynı geometrik özelliklere sahip parçaların üretilmesi için kullanılıyordu. Probun şablon üzerinde hareketi sırasında oluşan hata algılanarak bir yükselteçten geçiriliyor ve hatayı düzeltmek için servo motora iletiliyordu. Kopyalama tezgahlarındaki bu geri beslemeli denetim kavramının uygulanması Sayısal Denetimli tezgahlara giden yolda önemli bir adımdı.

20. Yüzyılın başında otomatik denetim alanındaki gelişmelerin üretim tezgahlarına uygulanmasıyla transfer tezgahları geliştirildi. Transfer tezgahları hammaddeden başlayarak bir ürünü mamul hale getirmek için gerekli tüm işlemleri yapacak çeşitli tezgahların bir araya getirilmiş haliydi. Bu tür tezgahlar son derece yetenekli olmalarına karşın neredeyse hiç esnek değillerdi. Bu özelliklerinde dolayı tek bir parçanın çok büyük miktarlarda üretilmesinde kullanılıyorlardı.

Geri besleme kavramı ile birlikte elektrik, pnömatik ve hidrolik algılayıcı, mantık aygıtları ve çalıştırıcıların gelişmesi ile birlikte Programlanabilir Ardışık Denetimli Tezgahlar ( Programmable Sequence Control Machines, PSC ) geliştirildi. Bu tezgahlar bir bakıma Sayısal Denetimli tezgahların öncüsü idi. Delikli kartlar, delinmiş bantlar veya tezgah üzerindeki pano kullanılarak programlanabilen bu tezgahlarda her bir işlem ayrı programlanabiliyordu; ilerleme hızı, mil dönüş yönü ve devir sayısı veya hızlı ilerleme gibi.

Delikli Şerit

Kart veya bant okuyucudan, veya panodan gelen sinyallerle işlemler ardışık olarak çeşitli kontaklar açılıp kapanarak başlatılıyordu. Denetim işlemleri, her bir işlemin bitiş sinyali dışında, açık döngülüydü. Bu tezgahların en önemli sakıncalarından biri tezgah hazırlık zamanının oldukça uzun olması ve bunun sonucunda da tezgahın verimliliğinin azalmasıydı.

Delikli kağıt şerit hazırlığında kullanılan bir makine: Flexowriter

Sayısal denetimli tezgahların tarihi 1940 lı yıllarda John T. Parkinson un bir freze çakısının bir eğriyi düzgün bir biçimde işleyebilmesi için yeni bir yöntem önermesine kadar gider. Freze çakısının izleyeceği yolun koordinatları bir karta delinerek yazılacak ve tezgah denetim birimi de istenilen yol üzerinde çakıyı çok küçük aralıklarla hareket ettirerek düzgün bir biçimde yol üzerinde ilerlemeyi sağlayacaktı. 1949 da ABD Hava Kuvvetleri Massachusetts Teknoloji Enstitüsünde (MIT) John T. Parkinson un düşüncelerine dayanan bir Sayısal Denetim sistemi üzerine çalışma başlattırdı. 1952 yılında delikli kâğıt şeritle çalışan ilk takım tezgahının başarılı denemesi yapıldı. 1957 yılında ise Sayısal Denetimli tezgahlar endüstride başarıyla kullanılmaya başlandı.

Bilgisayar Destekli İmalat(CAM). Bilgisayar Destekli Tasarım(CAD)'dan daha önce başladı. 1946 yılında John T. Parsons ve ekibi helikopter kanatlarının karmaşık profillerini işleyebilmek amacıyla ilk defa bilgisayar kontrollü bir freze tezgahı geliştirdi. Parsons, 1952 yılında bu teknoloji konusunda bir patente başvurdu ve 1958 yılında "Motor Controlled Apparatus for Positioning Machine Tool" başlıklı ve 2,820,187 no'lu patenti aldı. Daha sonraları bu patent Numerical Control, NC olarak adlandırılmıştır.

John T. Parsons ve ekibince alınan ilk patent

1952 yılında ABD Hava Kuvvetleri şekilleri zor olan bazı balistik parçaların otomatik olarak hassas bir biçimde üretilmesi için MIT üniversitesine bir proje verdi. Üniversitedeki araştırmacılar bir freze tezgahını geliştirerek bu parçaları otomatik olarak üretmeyi başardılar.

TX-0 bilgisayar odası

TX-0 bilgisayarı ve delikli kağıt şerit

TX-0 bilgisayarı kontrol paneli

1950 li yıllarda MIT de yapılan ilk NC freze tezgâhı İlk freze tezgahında üretilen parçalar Bu tezgah, radlay uçak motoru piston kollarını işlemede kullanıldı.

Bu düşünce ile yola çıkanlar arasında ABD'ndeki MIT Üniversitesi'nde 1960 yılında doktora çalışmalarına başlayan Ivan Edward Sutherland ve hocası Profesör Stephen Anson Coons da bulunmaktaydı. Bu araştırmacılar, üniversitelerinde geliştirilen TX-2 bilgisayarını kullandılar. İlk defa olarak bilgisayardan görüntülü bir çıktı almak üzere bir radar ekranını sayısal hale getirdiler. Grafik bilgileri girebilmek için bir ışık kalemi tasarladılar ve ürettiler. Bu sayede doğrudan ekran üzerinden, geliştirdikleri yazılımı da kullanarak etkileşimli olarak grafik bilgilerini girebildiler. Diğer sayısal bilgileri girebilmek için de anahtar, düğme, buton gibi değişik aygıtları kullandılar.

Bu sistemde kullanılan ışık kalemini ve yapısını Resim 6'da görebilirsiniz. Işık kalemi ekrandaki ışığı algıladığı zaman, bilgisayarda bir duraklama (interrupt) meydana getirir ve geliştirilmiş yazılım yardımı ile ekrandaki imleç ışık kalemini takip eder veya istenilen grafik işlemi yerine getirir.

MIT Üniversitesi Lincoln Lab. sketchpad 1964

Ekranda geliştirilen tasarımı kağıda dökmek için de Resim 7'de görülen ve EAI firması tarafından geliştirilmiş olan yazıcıyı kullandılar;

Sutherland'in bu çalışması bir araştırma raporu olarak 30 Ocak, 1963'de yayınlandığı zaman çok büyük ses getirdi. Çünkü ilk defa görüntülü, etkileşimli bir sistem yeni girdi ve çıktı aygıtlarının da yardımı ile yazılımı ile birlikte tasarımcıların hizmetine sunuluyordu. Söz konusu tarihi raporun kapak sayfası Resimde görülmektedir. Bu nedenle bu tarih, Bilgisayar Destekli Tasarım'ın doğum tarihi olarak bilinir.

1960 yılları ortalarında bilgisayarlarda tümleşik sistemlerin(integrated Circuit- IC) uygulanmasına başlandı. Bu sayede bilgisayarlar küçüldü ve hızlandı. Aynı zamanda, bilgisayar şirketleri, grafik ekranlar, klavyeler, ışık kalemleri,"mouse" lar ve yazıcılar gibi CAD iş istasyonları çevre ünitelerini geliştirmeye başladılar. Ancak, CAD sistemleri için yazılım çok önemli idi. Bu çalışmaya başlayanlar, bilgisayar şirketleri değil bu ileri teknolojinin ilk kullanıcıları olan Uzay ve Havacılık şirketleri oldu. Örnek olarak, Lockheed şirketi CADAM programını, Mc Donnell Douglas Şirketi Mc Auto'yu (daha sonra Unigraphics oldu). Marcel Dassault Şirketi CATHIA'yı geliştirmeye başladı. İlerleyen yıllarda bu programlar bilgisayar şirketlerince de geliştirildi ve pazarlandı.

1970 li yıllarda artık CAD sistemleri büyük sanayi kuruluşlarında yer almakta idi. Bilgisayar teknolojisinde ise "Medium Scale Integration" (MSI) türünde tümleşik devrelerle hızlar ve kapasiteler daha da arttı. 1978 yılında ilk kişisel bilgisayar Apple firması tarafından, 1981 yılında da IBM tarafından üretildi. Artık kullanılan teknoloji de"large Scale Integration"(LSI) olduğundan hız ve kapasiteler çok artabilmişti. Bu hızlı tempo günümüze kadar artarak devam etmiştir. Şimdi artık günümüzde 5 GFLOP hızında CAD iş istasyonları vardır...

MIT'deki bu çalışmalar Nümerik Kontrol (NC) teknolojisini başlatmış oldu. Yalnız bu uygulama "off-line" idi ve"on-line" olabilmesi için bilgisayarın takım tezgahı ile bütünleşmesi gerekiyordu. Bu da 1960'lı yıllarda gerçekleşti ve CNC(Computer Numerically Controlled) tezgahlar üretilmeye başlandı. MIT'de 1950'li yıllarda yapılan bu çalışmalar sırasında APT (Automatically Programmed Tool) isimli bir de NC ve CNC programlama dili geliştirildi. Bu dil, CAM alanında geliştirilmiş ilk dildir. Daha sonraki yıllarda bu dil daha da geliştirilmiş ve COMPACT II isimli yeni bir dil de üretilmiştir. Bu teknoloji, 1960'lı yıllardan sonra torna, freze ve diğer takım tezgahlarında uygulanmış ve 2 eksenden 5 eksene kadar çok sayıda ve çeşitlilikte CNC tezgahlar üretilmiştir.

MKT Sayısal 2174 Kontrollü SAYISAL Tezgahlarda Dikkat KONTROLLÜ Edilecek Hususlar TEZGÂHLAR Sayısal Denetimli tezgahların kullanımının tercih edilmesi ve verimli olabilmesi için bir üretim biriminde aşağıda belirtilen üretim ile ilgili noktaların dikkat çekmesi gerekir. İşlemler çeşitli ve karmaşıksa. Karmaşık işlemler gerektiren küçük parti imalatlarında. Dar ve tekrarlanan toleranslar isteniyorsa. Takımlama maliyeti yüksekse. İşçilik ücreti malzeme maliyeti ile karşılaştırıldığında yüksekse. Üretilen parçalarda sıkça tasarım değişikliğine gidiliyorsa.

MKT Sayısal 2174 Kontrollü SAYISAL Tezgahlarda Dikkat KONTROLLÜ Edilecek Hususlar TEZGÂHLAR Takım saklama sorun oluyorsa. Atölyelerde günlük tezgah hazırlığı gerekiyorsa. Delme ve bağlama kalıplarının saklanması sorun oluyorsa. Pazardaki talep üzerine sıkça parça ve model değişiklikleri gerekiyorsa. Muayene maliyeti toplam maliyetinin önemli bir kısmını oluşturuyorsa. Bu belirtilen noktaların bir veya birkaçı Sayısal Denetimli tezgahların kullanımını ekonomik kılabilir. Ancak, alım kararı verilmeden önce ayrıntılı bir fizibilite çalışması yapılmazsa Sayısal Denetimli tezgahların satın alımı önemli ölçüde baştan görülemeyen sorunların ortaya çıkmasına neden olabilir.

Sayısal Kontollü Tezgâhların Konvansiyonel Tezgâhlara Göre Üstünlükleri İlk yatırım maliyetinin yüksek olmasına karşın özellikle tek parça ve parti imalatında Sayısal Denetimli tezgahların konvansiyonel tezgahlara göre önemli ekonomik yararları vardır. Bu yararlar ve bunların işletme üzerindeki etkileri şöyle özetlenebilir: Kısaltılmış tezgah hazırlık zamanı Küçük ve orta büyüklükteki parti imalatında parçalar kısaltılmış tezgah hazırlık zamanı nedeniyle daha ekonomik olarak üretilebilir. Kısaltılmış iş değiştirme zamanı İşletme bilgileri girdi ortamında bulunduğu için iş değiştirme zamanları daha kısadır.

Sayısal Kontollü Tezgâhların Konvansiyonel Tezgâhlara Göre Üstünlükleri Dahaazyerihtiyacı Delme ve takım yönlendirme kalıp tasarımına gerek olmadığından zaman, yer ve maliyet açısından tasarruf sağlar. Daha iyi tekrarlanabilirlik Kodlanmış veriler bir parçadan bir parçaya veya bir partiden bir partiye değişmediği için tekrarlanabilirlik çok yüksektir. Daha iyi doğruluk

Sayısal Kontollü Tezgâhların Konvansiyonel Tezgâhlara Göre Üstünlükleri Elde edilebilir tolerans tezgah operatöründen bağımsız takım tezgahının özelliğine bağlı olduğundan parçalar daha doğru imal edilebilir. Daha gerçekçi planlama Sayısal Denetimli tezgahlar bir kere doğru programlandığında beklenmedik gecikmelere çok daha az neden olduklarından zamanlama ve planlama daha gerçekçi yapılabilmektedir. Daha hassas maliyet hesaplayabilme

Sayısal Kontollü Tezgâhların Konvansiyonel Tezgâhlara Göre Üstünlükleri İşlem zamanı sabit ve tutarlı olduğundan daha kolay maliyet hesaplaması yapılabilir. İşçilik maliyetinde azalma Dolaylı ve dolaysız işçilik maliyeti düşürülebilir ve nitelikli iş gücünden çoklu tezgaha bakma ile daha iyi yararlanılabilir. Takımlama maliyetinde azalma

Bu tezgahlar delme kalıplarına hiç ihtiyaç göstermezken bağlama kalıplarına da daha az ihtiyaç gösterdiklerinden delme ve bağlama kalıplarının tasarımında% 70 e kadar indirim sağlanabilir. Gelişmiş ürün tasarımı Tasarımı ve imalatı konvansiyonel tezgahlarda mümkün ve ekonomik olmayan bazı parçaların yeniden tasarlanması ve sayısal denetimli tezgahlar kullanılarak imalatı söz konusu olabilir. Malzeme tasarrufu Malzeme kaybı düşük düzeylere çekilebilir.

Daha iyi tezgah kullanımı Kesici takımın boşta harcadığı süre ile tezgah başında düşünme süresinin kısalığı, operatör yorgunluğunun etkisinin azalması ve en uygun kesme koşullarının kullanabilmesi neden ile tezgah daha verimli kullanılabilir. Parça muayene sürelerinde kısalma Parça programı ve imal edilen ilk parça muayene edilir ve bu şekilde diğer parçaların muayene sürelerinde önemli kısalmalar sağlanır.

Daha güvenli çalışma ortamı Sayısal Denetimli tezgahlarda genelde kumanda birimi kesme bölgesinden uzakta olduğu için tezgah operatörü hareketli parçalardan, sıçrayan talaştan veya kesici takımdan daha az etkilenir. Daha iyi tezgah güvenliği Genelde tezgah ile tezgah operatörü arasındaki ilişki daha az olduğundan, tezgahlar operatör hatasının doğuracağı etkilerden daha uzaktırlar.

Otomasyona geçiş potansiyeli Sayısal Denetimli tezgahlar bilgisayar denetimli İmalat Sistemlerinin içine kolaylıkla uyarlanarak yalnızca imalatın kendisinde değil, üretim biriminin organizasyon ile ilgili diğer alanlarında da veri işlenmesinde sağladıkları kolaylıklar nedeniyle ek ekonomik yarar sağlayabilirler.

Sayısal Kontollü Tezgâhların Konvansiyonel Tezgâhlara Göre Dezavantajları Yukarıda belirtilen bütün bu yaralarına karşılık Sayısal Denetimli tezgahların satın alınma aşamasında aşağıda belirtilen sakıncaların göz önünde tutulması gerekir. Sayısal denetimli tezgahların ilk yatırım maliyetleri yüksek olduğundan aşınma payı maliyeti yüksektir. Bu nedenle bu tür tezgahların kullanımlarının yüksek olması gerekir. Kesici takımlar, bağlama kalıpları ve malzeme konvansiyonel tezgahlara göre daha yüksek düzeyde bir organizasyona gereksinim gösterirler.

Sayısal Kontollü Tezgâhların Konvansiyonel Tezgâhlara Göre Dezavantajları Yetenekli programlama elemanına, tezgah operatörüne ve bakım elemanlarına gereksinim vardır. Programlama maliyeti (planlama, program geliştirme ve deneme imalatı) tek bir iş ile bir parti imalatı için aynıdır. Bu nedenle küçük parti imalatlarında ekonomik olamayabilirler. Sayısal Denetimli tezgahlar konvansiyonel tezgahlara göre daha karmaşık tezgahlardır ve tezgahlarının arızalanarak devre dışı kalması, özellikle iş diğer bir tezgah üzerinde yapılamayacaksa, önemli ekonomik zararlara neden olabilir. Bu nedenle önleyici bakım zorunlu olabilir. Bu tür tezgahların istenile doğrulukta çalışabilmesi için düzgün çevre koşullarının sağlanması zorunludur.

Sayısal Denetimli Tezgahlar ile Konvansiyonel Tezgahların Karşılaştırılması Parça başı maliyet Özel takımlarla imalat Delme ve bağlama kalıplarıyla imalat Özel amaçlı tezgahlarla imalat Konvansiyonel tezgahlarla işleme Sayısal Denetimli tezgahlarla işleme 10 1000 Adet