Doç. Dr. Mustafa Kemal Külekçi
Murat Demirel
Mersin Üniv. Tarsus T.E.F., Makine Eğ. Böl.
Haziran 2005, Mersin

Not: İlk defa TurkCADCAM.net Dergisi 1. sayısında (Ocak-Şubat 2006) yer alan bu makale, Kasım 2008'de TurkCADCAM.net Portalı'nda yayınlanmaya başlamıştır.

Özet

Son yıllarda Mühendislik alanlarında Bilgisayar Destekli Tasarım ve Bilgisayar Destekli Üretim (CAD/CAM) uygulamaları hızla yaygınlaşmaktadır. Bu çalışmada, AutoLISP programlama dili yardımıyla perçinle birleştirilen plaka sistemlerinin kuvvet gerilmelerinin analizi yapılmıştır. Çalışmada kabul edilmiş standartlara uygun olan farklı uzunluk, kalınlık ve genişlik gibi değişik parametreler içeren plakalar üzerinde bulunan perçinlerin bilgisayar destekli tasarımı ve kuvvet analizi gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla hazırlanan yazılım percin.lsp ana programı ve 4 adet modül içermektedir. Programda veri girişi için DCL ve AutoCAD Programı Komut satırı kullanılmıştır. Bu program kullanılarak üzerinde çalışma yapılacak plakanın tasarımı ve çizimi 3 boyutlu olarak AutoCAD ortamında  gerçekleştirilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Parametrik Tasarım, Perçin Sistemleri, AutoLISP, CAD Uygulamaları

1. Giriş

Günümüz makine sistemlerinde üretime geçilmeden önce bilgisayar ortamında tasarlanan sistemlerin test edilip; atanan malzeme boyutsal değerleri, malzeme cinsi, bağlantı nokta sayısı gibi değerlerin bir bütün halinde bilgisayar ortamında analiz edilmesi, imalata geçilmeden önce sistemin genel karakteristik yapısı hakkında bilgi vermekte, sistemde sorun olması halinde tasarım aşamasında müdahale etme, sistemin üretiminde kullanılacak malzemenin seçiminde daha dikkatli davranma gibi son derece önemli avantajlar sağlamaktadır. Bu yöntemlerden parametrik tasarım uygulamaları; toplam modelleme zamanının azaltılması, imalat sırasında beklenmeyen ölçü farklılıklarının sistemin diğer elemanlarına yansıtılmasında kolaylıklar sağlaması, müşterilerin farklı isteklerine kısa zamanda cevap vermesi gibi avantajları nedeniyle birbirine benzeyen ancak geometrik ölçü farkları veya temelde benzer olup bazı unsurları ile farklılaşan parçaların tasarım ve analizinde faydalı bir yöntemdir.

Tasarlanacak bir parçadaki herhangi bir boyut, şekil veya yüzey değişikliği o parçanın çalışma şeklini olduğu gibi bütün sistemin çalışma karakteristiğini de etkileyecektir. Ticari CAD sistemlerinin çoğu tek bir parçanın parametrik modellenmesini ve analizini desteklerken, sistemin bütünü düşünüldüğünde bu programların çoğunun montaj esnasında parçaların birbirleri ile bir bütün halinde ilişkilerinin belirlenmesinde zayıf kalmaktadır. Bu çalışmada kullanılan CAD programının kendi içerisinde gelişime açık programlama dilleriyle bağlantılı olmasına ve tüm CAD kullanıcıları tarafından kolayca anlaşılabilir özellikler taşımasına özen gösterilmiştir. Ürün tasarımcıları ve sistem analistleri değişik yer ve disiplinlerden gelen bilgiye ihtiyaç duyulduğundan sadece SolidWorks, AutoCAD, Pro/ENGINEER veya I-deas gibi bir CAD programı tasarımcının ihtiyaçlarına cevap vermeyebilir. Bunun için CAD programını aranan bilgiyi de içinde bulunduran bir bilgi bankasıyla birlikte çalıştırmak gerekebilir. Bu gerekçeyle bazı araştırmacılar internete dayalı tasarım sistemlerini teklif etmektedirler.

Türkiye'de de daha önce yapılmış parametrik tasarım uygulamaları vardır. Bu çalışmaların bir kısmında AutoLISP ve diğer programlar kullanılarak flanşlı kavrama, redüktör ve konveyörlerin parametrik tasarımı gerçekleştirilmiştir.

2. Perçin sistemleri ve perçin sistemi tasarımında dikkat edilmesi gereken unsurlar

Perçin; silindirik gövdelerinin bir ucunda değişik biçimlerde baş kısmı bulunan ve çok kez saç, lama, köşebent gibi gereçleri birbirine birleştirmek için kullanılan birleştirme elemanlarıdır. Perçinler ile yapılan birleştirmeler tekrar sökülmesi istenmeyen, zor sökülen birleştirmelerdir. Perçinle birleştirme işlemi zaman aldığından dolayı ve kaynak teknolojisinin önemli gelişmeler kaydetmesiyle  son yıllarda önemini kaybetmeye başlasa da perçinle birleştirmenin ihtiyaç duyulduğu sistemler oldukça fazladır (Çelik yapılar, tren vagonları, kazanlar, su tankları, gemiler...). Perçinler çelik, bakır, alüminyum ve alaşımları, pirinç ve benzeri gereçlerden yapılır. Perçinin gereci, birleştirilecek parçaların gereçlerine ait özelliğe yakın özellikte olmalıdır. Perçinler ihtiyaç duyulan imal tipine ve kullanım alanlarına göre çok farklı şekilde günümüz endüstrisinde kullanılmaktadır. (Şekil-1)

Şekil 1

Sık Kullanılan Perçinli Bağlantı Çeşitleri

Perçin içeren sistemleri tasarlarken temel dikkat edilmesi gereken bazı temel kurallar vardır. Tasarımcı bilgisayar ortamında tasarım aşamasında bunlara dikkat etmelidir. Bu kuralların başlıcaları;

1. Perçinle birleştirme yapılan sistemlerde perçinler birbirlerine çok yakın veya çok uzak olarak tasarlanmamalıdır.
2. Tanımlanan sistemde plaka kenarı ile perçin merkezi arası, perçin çapının bir buçuk katı kadar olmalıdır.
3. Sistemde bulunan perçinler arası mesafe perçin çaplarının üç katından küçük olmamalıdır. (Kazan sistemlerinde bu mesafe daha az olabilir.)
4. Sistemde perçinler arası en fazla mesafe perçin çapının 16 katı olmalıdır.

3. Geliştirilen program

Geliştirilen program, AutoLISP programlama dili altında çalışabilen API fonksiyonları kullanılarak tanımlanmıştır. AutoCAD ortamında AME  (AutoCAD Modeling Extension) kullanılarak çeşitli uygulamalar yapabilecek iki programlama dili mevcuttur. Bunlar AutoLISP ve C programlama dilleridir. AutoLISP ile bir çok AME komutu kullanılabilmektedir. AME, ismi API (Application Programming Interface) olan ve program yazımında kullanılan fonksiyonları içeren bir kütüphaneye sahiptir. API fonksiyonları AutoLISP ve C programlama dillerinde çağırılabilir ve program yazımında kullanılabilir.

Şekil 2
Hazırlanan Programın Akış Şeması

Hazırlanan program AutoLISP programlama dili kullanılarak oluşturulmuştur. Programın akış şeması (algoritması) Şekil 2 de verilmiştir. Programın çalışabilmesi için sistemde AutoCAD Release 10 veya üstü bir program sürümünün olması gerekmektedir. Ayrıca AutoCAD programına program modüllerinin bulunduğu klasör; program açılışında program tarafından tanınacak şekilde kullanıcı tarafından program kullanılmadan önce gerekli tanımlamalar yapılmalıdır. Program modülleri ikişer program dosyasından oluşur "*.lsp" ve "*.dcl" dosyaları olarak tanımlanan bu dosyalar bir bütün halinde modüllerin çalışmasını sağlar. "*.lsp" uzantılı dosyalarda programın temel çalışma kodları ve program akışı sağlanırken "*.dcl" uzantılı dosyalarda program girdisi atamaya yarayan dialog pencereleri tanımlanmıştır. Bu pencerelerin tüm tasarım kodları "*.dcl" uzantılı dosyalarda bulunurlar.   

 Programın kullanımı ve ara yüzü

Şekil 3

Program DCL Girdi Arayüzü 

Program alt modüllerden oluşmakta ve modüllere bilgi girişi DCL (Dialog Control Language) ile hazırlanan diyalog kutuları yardımı ile ve AutoCAD programı içerisinde bulunan "Command" satırı aracılığıyla yapılmaktadır.

AutoCAD programı çalıştırıldıktan sonra açılan standart bir boş çizim sayfasına "plaka.lsp" isimli modül çağırılarak (Şekil-3) üzerinde işlem yapılacak plaka tanımlanmalıdır. Bu DCL dosya üzerinde işlem yapılacak plakanın kalınlığı, uzunluğu ve genişliği atandıktan sonra "Tamam" butonuna basıldığında işlem yapılmak istenen plaka üç boyutlu olarak sisteme atanır ve çizim dosyasında üç boyutlu olarak kullanıcının karşısına gelir. Kullanıcı bu aşamadan sonra sistemde analiz yapılacak perçinleri eklemek için perçin modülünü AutoCAD ortamına çağırmalıdır (Şekil-4).

Şekil 4

Sisteme Perçin Tanımlanması
Sisteme tanımlanan plaka üzerine perçinlerin atanması için "percin.lsp" isimli modül çalıştırılır ve sisteme eklemek istenen perçinin yarıçapı girilir. Yarıçap değeri girildikten sonra "Command" satırında istenen plakanın içinde ve dışında bir nokta tanımlaması yapılır. Bu tanımlamanın ardından plaka üzerine perçin ataması yapılmış olur. Sisteme eklenecek her perçin için aynı yol takip edilmelidir. Sisteme altı adet perçin eklendikten sonraki örnek görünüm Şekil 5'de verilmiştir.

Şekil 5
3 Boyutlu Plaka Görünümü

Sisteme perçinlerin atanması ve sistem öğelerinin tamamlanması ile sistemin kuvvet analiziz yapılabilir. Bunun için "ilkkesme.lsp" isimli modül AutoCAD ortamına çağırılır ve sisteme yüklenmek istenen kuvvet "Command" satırından programa girilir. Kuvvet değerinin girilmesi ile program her bir perçinde kuvvet tarafından oluşturulan birincil kesme kuvveti değerini hesaplar ve kg/cm2 cinsinden kullanıcıya verir. Sistemde oluşan ikincil kesme gerilmesi ve sistemde bulunan kuvvet tarafından oluşan momentin yarattığı kesme gerilmeleri ise hangi perçin için hesaplanmak isteniyorsa o perçin için sırayla seçilmesi ile program tarafından kullanıcıya "Command" satırında verilir.

Şekil 6: Command Satırında Program İlerleyişi

Şekil 7: Program Analiz Sonuçlarının Kullanıcıya Aktarılması

Programda kullanılan kodlar

Program akışı içerisinde DCL ekranları ve AutoCAD "Command" satırından programa girdi sağlanmak için yararlanılmıştır. DCL ekranları LISP dosyalarından farklı olarak oluşturulan DCL dosyaları içerisinde tanımlanmıştır. Ve her girdi için değişken bu kısımda atanmıştır. Programın değişik evrelerinde kullanıcıdan "Command" satırı aracılığıyle istenen girdiler ise direkt olarak işlem yapan "*.lisp" dosyası içine atanmaktadır.

Bazı önemli kodlar ve açıklamaları

(setq dcl_id (load_dialog "plaka.dcl")) : Programda tanımlanan plaka girdilerinin girildiği DCL dosya içerisindeki verilerin programa yüklenmesi için DCL dosyanın lisp dosyasına tanıtılması için gerekli komut satırı.
(setq orta (getvar "VIEWCTR")) : Plakanın çiziminin yapılacağı ekranın merkez koordinatlarını alarak bunu ileride kullanılmak üzere bir değişkene atanması işlemi.
(command "box" orta "L" genis1 uzun1 kalin1 ) : DCL dosya tarafından girilen plaka bilgilerinin LISP ortamında tekrar değişkenlere atandıktan sonra plakanın çiziminin yapılacağı prizmatik şekil çizimi için gerekli kod satırı.
(command "ucs" "origin" yer) : Plaka üzerinde perçinleri tanımlamak için perçinin tanımlanacağı yere UCS taşınır.
(command "cylinder" "0,0,0" r h)  : "0,0,0" noktası merkez olacak şekilde "r" yarıçapında ve  "h" yüksekliğinde bir silindir çizer.
(command "subtract"  nesne "" "last" "") : Son çizilen nesneyi (silindiri) "nesne" değişkenine atanmış olan nesneden çıkarır.
(setq nh(* -1 h)) : "h" değerinin çarpmaya göre tersini alır ve "nh" değişkenine atanır.
(command "cylinder" "0,0,0" r nh) : "0,0,0" noktası merkez olacak şekilde "r" yarıçapında ve  "nh" yüksekliğinde bir silindir çizer. Fakat bu yeni silindir diğer silindirin tersi yönünde uzanır.
(command "subtract"  nesne "" "last" "") : Son çizilen nesneyi yani silindiri "nesne" değişkenine atanmış olan nesneden çıkarır. Ve perçini sisteme tanımlar.

Programda kullanılan tüm komutların açıklamaları ve örnek uygulamaları AutoCAD programının yardım bölümünde bulunmaktadır.

3.4 Plakada oluşan gerilmelerin azaltılmasıyla ilgili öneriler

Çalışma esnasında incelenen plaklarda oluşan kuvvet değerlerinin azaltılmasıyla ilgili olarak perçin çaplarının değiştirilmesi ve perçinlerin plakaya olan uzaklığının değiştirtmesi önerilmektedir. Ayrıca kuvvetin uygulama noktasına kuvvet doğrultusu değiştirilmeden taşınması, uygulamada perçinler üzerindeki gerilmelerin azaltılmasını sağlamaktadır. 

4. Sonuç

Bilgisayar Destekli Tasarım, tasarımcıya; tasarımların kısa sürede tamamlanması, hataların en aza indirilmesi, tasarım kalitesinin artırılması gibi önemli üstünlükler sağlamaktadır. Perçin sistemlerinin tasarım parametreleri dikkate alındığında, plaka üzerinde en fazla gerilme kuvvetine maruz kalan perçinler; kuvvetin uygulandığı yön ile kuvvetin uygulanması nedeniyle oluşan moment kesme gerilmesinin çakıştığı yani aynı yönde olduğu perçinlerdir. Bu kesme gerilmesinin azaltılmasına dair çeşitli öneriler belirtilmiştir. Boyutlandırma, mukavemet hesapları gibi konularda geliştirilen program eğitimi destekleyici materyal olarak kullanılabilir. Benzer perçinli birleştirmelerde parametre bazında tasarım yapılmasına olanak sağlanmıştır. Program benzer diğer makine elemanları için uygulanabilir.

5. Kaynaklar

1. Werner, A. ve Diğerleri, "Design and Manufacture of Anatomical Hip Joint Endoprostheses Using CAD/CAM Systems", Journal of Material Processing Technology, 76 (1998)
2. Kondo K., PIGMOD, " Parametric and Interactive Geometric Modeller for Mechanical Design", Computer Aided Parametric Design, 23 (1991)
3. Halkaci, H.S ve Yiğit, O., "Parametrik Tasarım ve Solidworks CAD programı ile Bir Uygulama" Machinery MakineTek, 89 (2005)
4. ÖZKAYA, SAİT "KINKFOLD - an AutoLISP Program For Construction of Geological Cross-Sections Using Borehole Image Data" Computers & Geosciences, Sayı 28, Issue 3, Nisan 2002, Sayfalar 409-420
5. Başak, H. ve Gülesin M. "Prizmatik Parçalar İçin Unsur Tabanlı Parametrik Tasarım Programı" Teknoloji, 4 (2000)   
6. BAŞAK Hüdayim - AutoLISP - Pusula Yayıncılık, Eylül 2002
7. ŞEKERCİOĞLU Ahmet - Adım Adım AutoCAD - Bilim Teknik Yayınevi
8. ÇIKIŞ Ender - AutoLISP - Beta Yayınları
9. YALDIZ Süleyman - AutoCAD 2002 - İnci Ofset, Aralık 2002