Özet:
1980
'lerde bilgisayarın NC (Numerical Control) kontrol üniteleri
(entegre devreler) yerine kullanılmaya başlaması ile CNC
(Computer Numerical Control) sistemleri daha kullanışlı,
hızlı ve daha doğru parça üretiminde kullanılmaya başlanılmıştır.
Grafik ekranda tasarlanmak istenilen parçanın katı modeli
oluşturulup gerekli düzenlemeler yapıldıktan sonra, değişik
şekillerde üretimi yapılabilmektedir. Bu şekilde ürün tasarımında
kısa geliştirme zamanları ve düşük maliyetler elde etmek
mümkün olabilmektedir. Bunun yanında bilgisayar ortamında
analiz ve simulasyon imkanları kullanılarak daha doğru ve
güvenilir tasarımlar yapılabilmektedir. Tüm bunlar uzun
tasarım sürecini en aza indirmiştir.
Bilgisayar
sistemlerinin imalatta, katı model parçalar oluşturma, tanımlama,
analiz ve tasarımın optimizasyonu gibi işlerde kullanılması
CAD (Computer Aided Design) olarak adlandırılır. Bu sistemler
genel olarak yazılım ve donanım kısımlarından oluşur. Yazılım
kısmı, parçaların gerilme-şekil değişimi analizinin yapılabildiği
programlar, mekanizmaların dinamik cevapları, ısı transferi
hesapları ve NC parça programlama gibi modülleri kapsamaktadır.
CAM (Computer Aided Manufacturing) olarak isimlendirilen
süreç ise, bilgisayar sistemlerinin planlama, yönetme ve
bir imalat işleminin kontrolünün doğrudan ya da dolaylı
olarak kullanılmasıdır.
CAD/CAM
sistemleri imalatta, tasarım, analiz, süreç planlama, parça
programlama, program doğrulama, parça işleme, ve muayene
gibi fonksiyonları etkin ve doğru bir şekilde yerine getirebilmektedir.
Bu çalışmada, bilgisayarın kullanıldığı imalat metotlarından
en önemlileri incelendi. İmalat ile CAD/CAM sistemlerinin
entegrasyonunun nasıl yapılabileceği ve imalatın, uygulanan
metoda göre hangi aşamasında ve ne şekilde kullanılabileceği
araştırıldı. CAD/CAM fonksiyonlarının ilgili imalat metoduna
uygulanmasının hangi aşamalarda yapılabildiği incelendi.
İncelenen imalat metotları; otomotiv uygulaması, plastik
enjeksiyon ve hızlı prototip imalatı. Bu uygulama alanlarında
CAD/CAM sistemleri, karmaşık parçaların kolay ve esnek bir
şekilde tasarlanmasına, analizin yapılabilmesine ve doğru
bir şekilde kalıp imalatının yapılabilmesine imkan tanımaktadır.
1. NC ve CNC Sistemleri:
Sayısal
Kontrol (Numerical Control-NC), II. Dünya savaşı sırasında,
karmaşık ve daha doğru parça üretiminin sağlanabilmesi artan
ihtiyaca cevap verebilmek için metal kesme endüstrisinde
hızla gelişmiştir. 1952 yılında ilk olarak üç eksenli bir
makine (Cincinnati Hydrotel Milling Machine) geliştirilmiştir.
Dijital kontrollü bu tezgah ve teknolojisi NC olarak adlandırıldı.
İlk gözlenen avantajları, karmaşık parçaların daha doğru
imali ve kısa üretim zamanları idi [1]. İlk NC kontrolörü
için 1950 'lerde vakum tüpler kullanıldı. Bunlar oldukça
büyük parçalardı. 1960 'larda elektroniğinde gelişmesiyle
dijital kontrollü transistörler kullanıldı. Üçüncü gelişme
olarak ta; NC kontrolörü olarak entegre devre çipleri (chip)
kullanılmaya başlanıldı. Bunlar ucuz, güvenilir ve küçük
elemanlardı. En önemli gelişme; kontrol üniteleri yerine
bilgisayarın kullanılması oldu (1970 'lerde). Böylelikle
CNC (Computer Numerical Control) ve DNC (Direct Numerical
Control) sistemleri ortaya çıktı. CNC, basit NC fonksiyonlarını
sağlayabilen ve bir karar veren bilgisayar sistemi bulunduran
tek makinelerden oluşan sistemdir. DNC, bazı işleme sistemleri
tek bir bilgisayardan kontrol edilir. CNC çok daha yaygın
hale gelmiştir. Nedeni, esnek olması ve daha ucuz yatırımlar
gerektirmesidir. Uygulama alanları; metal işleme, kaynak
ve lazer ışını ile kesmedir.
CNC
sistemlerinin yazılımları aşağıdaki ana grupları içerirler;
1. Parça Programı
2. Servis Programı
3. Kontrol Programı
Parça Programı: Genel olarak parça geometrisi ve işleme
sırasındaki teknolojik bilgileri içerir. Parçanın geometrisini
yani takım yolunu ve kesme şartlarını tanımlar. Dönme hızı,
ilerleme hızı, kesme hızı ve soğutma sıvılarını ve takım
seçimlerini kapsar.
Servis Programı: Kontrol, düzeltme ve parça programının
değiştirilmesi gibi işlemlerin yapıldığı ortamdır.
Kontrol Programı: Parça programını giriş bilgileri olarak
alınarak, sinyallere dönüştürülüp hareket elemanlarına iletme
işini yapar.
CNC
kontrolleri özellikle 1980 'lerde daha güçlü ve kullanımı
kolay bir hale gelmiştir. Test ve simulasyon gibi modüllerin
eklenmesi ile daha güvenli işlem yapabilme olanağı sağlanmıştır.
Modern makine konrolleri yerel ağlarla (Local Area Network-LAN)
diğer sistemler ile bilgi alış-verişi yapabilmektedir. Bu
şekilde esnek imalatlar sistemlerin gelişmesi kolaylaşmıştır.
NC sistemleri, tornalama, frezeleme, delme, taşlama, delik
genişletme ve EDM (Electro Discharging Machine) makinelerinde
başarı ile uygulanmaktadır.
CNC'lerin
genel olarak kullanım alanları üç ana grupta toplanabilir;
1.
İşleme Merkezi: Birkaç iş aynı tezgahta yapılabilmektedir.
Freze, delme ve delik genişletme gibi.
2. Tornalama Merkezi: Otomatik takım değiştirme sistemini
de kapsayan tornalama işlemlerinin yapıldığı tezgah.
3.
İşleme ve Tornalama Merkezi : Tornalama, frezeleme, delik
delme, delik genişletme, taşlama gibi operasyonları kapsayan
tezgahlar
4. Diğer NC makineler: Kaynak makineleri, çizim makineleri,
muayene sistemleri, EDM, Laserle kesme gibi..
1.1.
NC'nin Temelleri
Tipik
bir NC ve CNC sistemi parça programına ihtiyaç duyar. Bu
program bloklar halinde düzenlenir. Her blok sayısal bilgi
içerir. Bu bilgiler parça geometrisi ve işlemeye bağlı teknolojik
bilgileri kapsar. Klasik işleme ile NC sistemi karşılaştırıldığında;
Klasik yöntemde, bir operatör parçayı istenilen şekilde
işler. Kesme işlemi operatörün görmesi ve karar vermesi
ile gerçekleştirilir. NC sistemde tecrübeli bir operatöre
ihtiyaç yoktur. Yalnızca işlemlerin monitörden izlenmesi
gereklidir. Bunun yanında parçanın tezgaha bağlanması ve
alınması gereklidir. Parça programı manual olarak veya bilgisayar
destekli bir dilde (Automatically Programmed Tool Language-APT)
yapılabilir.
NC
ve CNC makinelerda her eksen hareketi ayrı bir tahrik devresi
ile kontrol edilir. Tahrik için bir DC motor, hidrolik aktuatör
veya step motor kullanılabilir. Bunların seçimi istenilen
güce göre değişir. Her hareket ekseninin ayrı bir kontrol
çevrimi vardır. CNC sistemlerde iki tür kontrol devresi
vardır. Kapalı kontrol devresinde mevcut pozisyon ile istenilen
pozisyon karşılaştırılıp aradaki hata 0 (sıfır)'a getirilmeye
çalışılır. Bu negatif bir geri besleme türüdür. Kontrol
ünitesinden çıkan sinyaller, bir komparatör yardımıyla motora
verilir; motor ve iletim sistemi kızakla birlikte harekete
geçer. Sezgi elemanı sürekli olarak kızağın gerçek konumunu
ölçer ve komparatöre geri gönderir, burada gerçek değer
ile istenilen konum karşılaştırılır. Farka göre motor yavaşlatılır
veya hızlandırılır. Açık kontrol devresinde motora verilen
sinyaller, motora ve buna bağlı olan ilerleme sistemini
harekete geçirir ve kızak istenilen konuma gelir. Burada
hareketi kontrol eden bir sezgi elemanı yoktur. Kızağın
tam olarak istenilen konuma gelmesi bu sistemde ancak step
motor ile mümkündür [2].
1.2. NC Sistemlerinin Avantajları
NC
sisteminde insan faktörü azaltılarak hatalar minimum seviyeye
indirilebilir. Bu sistemde bir operatör bir kaç makineye
bakabilir. Klasik metotta bir adımdan diğer adıma geçerken
bir duraklama yaşanır. Çünkü operatör kesmenin doğru olup
olmadığını anlamak için ölçüm yapmak zorundadır. Operatörün
yorulması ile üretim hızı düşer. NC sistemde böyle bir problem
yoktur. Çünkü doğruluk her zaman nümerik kontrolle sağlanır.
NC sisteminde yüksek doğrulukta parça üretilebilir. Karmaşık
parçalar kolay ve doğru bir şekilde üretilebilir. Genel
olarak özellikleri aşağıdaki şekilde özetlenebilir.
Programlama
işlemi şu an kullanılan CAD/CAM sistemlerinde otomatik olarak
gerçekleştirilir
APT
dili:
Bir
NC program elde etmek için bilgisayar dilinde yazılan ve
bilgisayar tarafından işlenen talaş kaldırma işleminin bir
ifadesidir. APT dili günümüzde kullanılan CAD/CAM sistemlerinin
temelini oluşturmaktadır. APT programı esasen CLDATA (CL=cutter
location) denilen ve takım yolunu belirten genel bir çözüm
verir. Bu çözüm postprosesör denilen bir işlemle, çeşitli
kontrol sistemlerine sahip CNC tezgahlarına uygulanır.
APT programlama dili şu kısımlardan oluşur:
1. Program komutları
2. Geometrik komutlar
3. Teknolojik komutlar
4. Takım hareket komutları
5. Matematiksel komutlar
6. Yardımcı komutlar
7. Postprosesör komutları
APT
programlama dili 600 kelimeden fazla kelime içerir. Bunlar
kullanılarak parça tanımlanır. Bazıları şunlardır; POINT,
PLANE, CIRCLE, CYLINDER, ELLIPS, HYPERB, CONE ve SPHERE.Program
satırları genel olarak komut kelimesi ve konum bilgilerini
içerirler.
APT
dilinde programlamanın üç dezavantajı vardır.
1. Programcı APT dilinin yapısını ve komutlarını öğrenmek
zorundadır.
2. Programcı mühendislik çizimlerini okuyabilmek ve parça
geometrisini APT dili için tanımlamak zorundadır.
3. Programcı programladığı takım yolunu kafasında canlandırmalıdır.
1.3.
Sistem Yapısı - Kontrol Tipleri
CNC
sistemleri PTP (Point to Point) ve CP (Continuous Path/Contouring
Systems) olarak ikiye ayrılabilir. Tipik bir PTP sistemi
CNC delme makinesinde görülebilir. Delme operasyonunda,
makinenin tablası delinecek nokta tam olarak takımın altına
gelene kadar hareket eder ve sonra delik delinir. Takım
sayısal olarak tanımlanan noktaya hareket eder ve durur.
CP ve CNC makinelerda, eksen hareketi gerçekleştirilirken
takım işleme devam eder (frezede olduğu gibi..). Tüm eksenlerin
hareketi eş zamanlı ve farklı hızlarda hareket edebilir.
1.4. Adaptif Kontrol (Adaptive Control-AC)
Bazı CNC tezgahların donatıldığı AC sistemi; tezgahı belirli
bir parametreye göre optimum şekilde çalıştırır. Ek bir
kontrol sistemi olan AC sınırlayıcı ve optimal olmak üzere
iki gruba ayrılır. Sınırlayıcı adaptif kontrol (AC Constrain
-ACC) sisteminde, talaş kaldırma işlemini etkileyen bir
faktör, belirlenen bir değerde sabit tutulmakta aynı anda
diğer faktörler sınırlanmaktadır. Sabit tutulan faktör:
kesme kuvveti, motor gücü, yüzey kalitesi vb. olabilir.
Bu değer sistem için referans değerdir. Optimal Adaptif
Kontrol (ACO) sisteminde maksimum verimlilik veya minimum
işleme maliyeti gibi faktörlere bağlı olarak belirlenen
optimum kesme hızı, optimum takım ömrü veya aşınması gibi
bir kriter tayin edilir ve tezgahın çalışması bu kritere
göre gerçekleştirilir.
Metal
kesme işlemleri için AC sistemi CNC'nin mantıksal bir uzantısıdır.
CNC sistemlerinde takım ve iş parçası arasındaki mesafe
kontrol edilir. Parça programcısı kesme hızı ve ilerleme
hızını belirlemek zorundadır. Bu kesme parametrelerinin
tanımlanması tecrübenin yanında iş parçası, takım malzemesi,
makine özellikleri, soğutma etkileri gibi faktörlerin bilinmesine
bağlıdır. Kesme parametrelerinin seçimi direk olarak ekonomiklik
faktörünü, ürünün boyutsal doğruluğunu, yüzey düzgünlüğünü,
takım aşınma oranını ve takımın kırılmasını etkiler. AC
'da bu üretim ve ürün kalitesine bağlı faktörlerin işleme
sırasında iyileştirilebilir. Bu işlem değişkenlerinin gerçek
zamanlı olarak ölçülerek kontrol edilir [1,2].
