Makina Tasarm ve malat Teknolojileri Kongresi, Makina Mühendisleri Odas Konya ubesi, 2-3 Kasm 2001. 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
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
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. 3.1. 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
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 10-20 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
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
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
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: 0908.98.00.02) ile desteklenmektedir. KAYNAKLAR 1. A.L. Speicher (Project Manager): Engineering Education for a Changing World, American Society for Engineering Education, 1994. 2. M. Faber, Changes in US Engineering Education, Hewlett-Packard Corporation, 1997. 3. 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. 333-338. 4. 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, 3211-333. 7
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. 255-262. 6. 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. 252-260. 7. Zeid, CAD/CAM Theory and Practice, McGraw-Hill, NewYork, 1991. 8. Mark H. Lawry, I-DEAS Master Series, Mechanical CAE/CAD/CAM Software, Student Edition, Structural Dynamics Research Corporation, Milford, OH, 1999. 9. R.S. Figliola and D.E.Beasley, Theory and Design for Mechanical Measurements, John Wiley and Sons, 3 rd ed., 2000. 8