Paletleme Robotu Tasarımı

Paletleme Robotu

Bu çalışmada paletleme robotu tasarımı gerçekleştirilmektedir. Kolileme amaçlı kullanılabilecek 30 kg taşıma kapasiteli dört eksenli bir endüstriyel robot kolun tasarımı yapılmıştır. Paletleme Robotu tasarımında kullanılan kol, öngörülen hız ve ivme değerlerine rijitliğini koruyarak erişecek şekilde tasarlanmıştır. Bu yüzden malzeme ve ekipman seçimine dikkat edilmiş, optimum dayanım-ağırlık-fiyat ve hassasiyet kriterleri göz önüne alınmıştır. Paletleme Robotu kol konstrüksiyonunda, iyi korozyon ve yorulma direnci, yüksek dayanım/ağırlık oranı ve yüksek talaş kaldırma özellikleri göz önüne alınarak havacılık sektöründe de çok kullanılan AA 7075 T6 alüminyum alaşımı seçilmiştir. Konumlama doğrulunu sağlamak için boşluksuz sikloid redüktörler ve yüksek çözünürlüklü servo motorlar kullanılmıştır ayrıca redüktör ve motorlardaki zorlanmayı azaltmak ve optimize etmek için hidrolik ağırlık dengeleme sistemi tasarlanmıştır.

İnsanlar fiziksel yapılarından dolayı bedensel olarak bütün işleri yapma imkânına sahip olmadıkları için, gücünün yetmediği yerlerde kullanmak üzere değişik makineler geliştirmiştir. İlk çağlarda ilkel ve fonksiyonel olmayan bu makineler, teknolojinin gelişme süreci içerisinde insanlar tarafından geliştirilmiş ve insan meziyetlerine yakın meziyetlere sahip olan makineler üretilmiştir.

İlk önceleri insan yardımı ile çalışan bu makineler, zamanla geliştirilerek ve çeşitli çevre birimlerini de beraberinde kullanarak insana ihtiyaç duymadan otomatik olarak çalışır hale getirilmiştir. Sanayide kullanılmak için tasarlanmış birçok robot bulunmaktadır. Robotlar genellikle, üretim maliyetini düşürmek ve daha kaliteli üretim yapmak için kullanılmaktadır. Ayrıca insan sağlığının zarar görme riskinin olduğu işlerde (kimyasal enerji, nükleer enerji, çok yüksek ısı, titreşim, yüksek ses v.b) ve insan elinin ulaşamayacağı yerlerde robotlar kullanılmaktadır.

18.yy. da tekstil endüstrisinde otomatik makinelerin kullanılmaya başlaması, robotlar bakımından teknoloji alanında atılan ilk adımdır. Jacquard’ın dokuma tezgâhını kontrolde kullandığı delikli kart ilk adım olarak bilinmektedir. 20.yy. da ise kendi kendini kontrol eden ve ölçebilen programlanabilir makineler icad edilmiştir.1950 lerde otomasyonun, elektroniğin ve haberleşmenin gelişmesi ile birlikte Robot teknolojisinde büyük gelişmeler yaşanmıştır. Bunlardan ilk üretilen robot “Sammie” dir. Bu robot insanın değişik ortamlara nasıl uyum sağladığını anlamak amacıyla tasarlanmıştır.

Robotları endüstride ilk olarak kullanan ülke Japonya’dır. İlk robot kullanma fikrinin ortaya atılması ile birlikte, işsizlik oluşturacağı endişesi ile büyük tepkiler almıştır. Ama kullanılmaya başlandıktan sonra kaygıların yersiz olduğu anlaşılmıştır. Robot kullanımı ile
birlikte birçok iş kolu türemiş ve işsizlik daha çok azalmıştır. Bu gün robot kullanımı hayatımızın birçok alanına girmiş olup, özellikle insan sağlığını aşırı derecede tehdit eden iş kollarında, yüksek ısı, titreşim, kimyasal ve nükleer enerji ile çalışılan yerler vb. kullanımı çok daha yaygındır.

Endüstriyel Robot

ISO 8373 tarafından verilen sanayi robotu tanımı: Üç veya daha fazla programlanabilir ekseni olan, otomatik kontrollü, programlanabilir, çok amaçlı, bir yerde sabit duran veya tekerlekleri olan endüstriyel uygulamalarda kullanılan manipülatördür.

Robotlar çeşitli işleri yerine getirmek üzere, malzeme, parça veya özel aletleri değişken programlanabilir hareketlerle taşımak üzere tasarlanmış, çok fonksiyonlu bir aygıttır. Robot uygulamaları başlıca otomotiv, elektrik, elektronik ve mekanik olmak üzere endüstrinin hemen her alanında görülebilir. Endüstride robot kullanımının
başlıca nedenleri aşağıda görülebilir.

  • İşçilik maliyetini azaltmak,
  • Tehlikeli ve riskli yerlerde çalışanların yerini almak,
  • Daha esnek bir üretim sistemi sağlamak,
  • Daha tutarlı bir kalite kontrol sağlamak,
  • Çıktı miktarını artırmak,
  • Vasıflı işçilik sıkıntısını karşılayabilmek,
  • Üç vardiya boyunca aralıksız çalışma kabiliyeti,
  • İnsana göre daha fazla yük kaldırma kabiliyeti,
  • İnsana göre daha çabuk sonuca ulaşma kabiliyeti,
  • Usandırıcı ve tekrarlı işlerde yeterlilik,
  • Tehlikeli ortamlarda çalışabilme kabiliyeti,
  • İnsan hatalarını elimine etme,
  • Kalite kontrol hatalarını minimuma indirme,
  • Kendini hızla amorti etme,
  • Yüksek hareket esnekliği,
  • Yüksek kar eldesi

Yukarıdaki birçok faydalarının yanında şu sakıncaları robotlar için söyleyebiliriz;

  • Düşünemez,
  • Kamera sistemi ile yalnızca kendisine öğretilen cisimleri görebilir,
  • Programlanmadan çalışamaz,
  • Kendisine öğretilenleri yapabildiğinden hareketleri kısıtlıdır,
  • Yüksek yatırım maliyeti,
  • Boşa geçen bakım ve onarım zamanları
Endüstriyel Robot Örnekleri
Endüstriyel Robot Örnekleri

Endüstriyel Robotların Tarihçesi

İlk sibernetikçi kabul edilen Ebul-iz İsmail bin ar-Razzaz el-Cezeri 1205-1206 yıllarında yazdığı “Kitab-ül’-Camü Beyne’l-İlmi-i ve’l-amelen-Nafi’ Fi Sınaati’l-Hiyel” adlı kitabın içinde, 300’e yakın otomatik makine ve sistemleri ile ilgili bilgi verdikten sonra çalışma özelliklerini şemalarla göstermiştir. Sadece suyun kaldırma ve basınç gücünü kullanarak tamamen yeni bir teknik ve sistem kurmuş, çok yönlü otomatik hareketler elde edebilmiştir. Kurmuş olduğu otomatik sistemlerde ses (kuş, davul, zurna, ıslık vs.) ya da çığlık çıkması gerektiği anda bu sesleri de sağlayabilmiştir.

Robot kelimesi İngilizce diline 1921 yılında oyun yazarı Karel Capek tarafından R. U. R. adlı dramasıyla tanıtılmıştır. Bu çalışmada, robotlar insanlara benzeyen fakat yorulmadan çalışan makinelerdi. Önceleri robotlar, insan işçilerin yerini alsınlar diye üretilirken günümüzde insan robot çekişmesi insanlar lehine sonuçlanmıştır. 1940’ların sonlarına doğru Oak Ridge ve Argonne Milli Laboratuarlarında radyoaktif malzemeleri işlemek için uzaktan kontrollü mekanik manipulatörlerin araştırma programları başlatıldı. Bu sistemler “Ana-Uydu” (Master-Slave) tipindeydiler ve insan operatörler tarafından yapılan el ve kol hareketlerini yerine getirmekteydiler. Ana manipulatöre kullanıcı tarafından bir dizi hareket verilmekte uydu olansa bu hareketleri mümkün olduğu kadar hızlı takip etmekteydi.  Sonraları sisteme güç geri beslemesi eklenerek ana manipulatörün, uydu ve onun çevresi arasındakileri hissetmesi sağlanmıştır. 1950’lerin ortalarında manipulatörlerdeki hidrolik ve elektrik güçlerin yerini mekanik kuplajlar almıştır.

Ana-Uydu manipulatörler üzerinde yapılan çalışma hızlı bir şekilde daha karmaşık sistemleri doğurmuştur. 1950’lerin ortalarında George C. DEVOL bir cihaz geliştirmiş ve adını “programlanabilir eklemli transfer cihazı” koymuştur. Bu cihazın bir dizi hareket adımlarından oluşan işlemleri program içerisindeki komutlar tarafından belirlenebiliyordu. Bu kavram üzerindeki çalışmalarıyla Devol ve Joseph F. Engelberger 1959 yılında Unimaton Inc. tarafından tanıtılan ilk endüstriyel robotlara öncülük etmişlerdir. Bu cihazın özelliği bir manipülatörle bir bilgisayarın uyumlu çalışması sonucu ortaya çıkan birçok değişik görevi otomatik olarak gerçekleştiren bir makine olmasıdır. Ağır otomasyon makinelerinden farklı olarak bu robotlar üretim istekleri değiştikçe daha az maliyetle tekrar programlanabilen cihazlardır.

Programlanabilen robotlar güçlü üretim cihazları olarak sunulduğu sıralarda 1960’larda bu cihazların esnekliklerinin duyusal geri beslemeyle önemli ölçüde geliştirilebileceği belirginleşmiştir. 1962’de H. A. Ernst bilgisayar kontrollü dokunma sensörlü mekanik bir elin gelişiminden bahsetmiştir. MH-1 diye anılan bu cihaz blokları hissedebiliyor ve bu bilgiyi eli kontrol etmek için kullanıyor, böylece blokları bir operatörün yardımı olmaksızın istif edebiliyordu. Bu çalışma uyarlamalı davranış kapasiteli bir robotun ilk örneklerinden biridir. Aynı zaman dilimi içerisinde Tomovic ve Boni (1962) nesneyi hisseden ve bir motora iki kavrama kalıbından birini seçmesi için bir geri besleme sinyali sağlayan basınç sensörlü bir prototip el geliştirdiler. El nesneyle temas ettiği zaman nesne boyutuyla ve ağırlığıyla orantılı bilgi bu basınç sensörleri tarafından bilgisayara gönderilmişti.

1963’de Amerikan Makine ve Dökümhane Şirketi (American Machine and Foundry Company) VERSATRAN ticari robotunu tanıttı. Aynı yılın başlangıcında manipulatörler için Roehampton kolu ve Edinburgh kolu gibi değişik kol tasarımları geliştirildi. 1968’de McCarthy ve meslektaşları Stanford Yapay Zeka laboratuarında elleri, gözleri ve kulakları (manipulatörler, TV kameralar, ve mikrofon) olan bir bilgisayar geliştirmişlerdir. Konuşulanların farkına varan, bir masanın üzerindeki dağınık blokları gören ve komutlar doğrultusunda onları düzene koyan bir sistem göstermişlerdi. Bu zaman içerisinde Pieper (1968) bilgisayar kontrollü bir manipulatörün kinematik problemi üzerinde çalışırken Kahn ve Roth (1971) kısıtlanmış bir kolun dinamiği ve kontrolünü bang-bang teoremini (yaklaşık minimum zaman) kullanarak analiz ettiler.

Bu arada, diğer ülkeler (özelikle Japonya) endüstriyel robotların potansiyelini görmeye başladılar. 1968 gibi erken bir yılda Japon şirketi Kawasaki Ağır Sanayi ve Unimation şirketi robotlar konusunda bir lisans sözleşmesi imzaladı. Robotlarda gelişmelerden biri General Elektrik Şirketinin Amerika Birleşik Devletleri ordusu için geliştirdiği deneysel yürüyen kamyonla 1969’da meydana gelmiştir. Aynı yıl içerisinde Boston kolu ve bir sonraki yılda kamerayla donatılmış ve bilgisayar kontrollü Stanford kolu geliştirildi.
Robot bilimindeki ciddi çalışmalar bu kolların manipulatör olarak kullanılmasıyla başlamıştır. Stanford kolunun değişik stratejiler kullanarak blokları otomatik olarak istif etmesiyle bir deney yapılmıştır. Bu o zamanlarda otomatik bir robot için çok karmaşık bir işti. 1974’de Cincinati Milacron ilk bilgisayar kontrollü endüstriyel robotunu tanıttı. “The Tomorrow Tool”, yada T3 diye adlandırılan bu robot 45kg.’den fazla ağırlık kaldırabiliyor ve montaj hatlarında hareketli nesneleri takip edebiliyordu.

1970’lerde araştırmaların büyük bir bölümü manipulatör işlemlerini kolaylaştırmak için harici sensörlerin kullanımına yoğunlaşmıştı. Stanford’ta Bolles ve Paul (1973) görsel ve kuvvet geri beslemesinin ikisini de kullanarak bilgisayar kontrollü bir Stanford kolunu PDP-10 bilgisayarına bağlayıp bir otomobil parçası üretiminde kullanmışlardır. Hemen hemen aynı zaman diliminde IBM’den Will ve Grossman (1975) bir bilgisayar kontrollü, dokunma ve kuvvet sensörlü manipulatörü 20 parçalı bir daktilo üretiminde kullanmak üzere geliştirilmişlerdir. Inoue, MIT Yapay Zeka Laboratuarında güç geribeslemesine yapay zekanın uygulanması üzerine çalışmıştır(1974). Doğru montaj görevi içerisinde başlangıç konumlanmasını gerçekleştirmek için bir fener arama tekniği kullanıldı.

Draper Laboratuarında Nevins et al (1974) uyuma dayanan hissetme tekniklerini araştırmıştır. Bu alışma Uzaktan Merkezi Uyum diye adlandırılan pasif uyumlu cihazların enstrümantasyonuna doğru geliştirilmiştir. Bu cihazlar yakın parçaların birleştirilmesi için manipulatörün son birleşme yerinden destek tabakaya bağlıdır. Bejczy (1974) Jet Propulsion laboratuarında uzay araştırma projeleri için geliştirilmiş Stanford Kolu üzerinde bilgisayar tabanlı tork kontrol tekniğini uygulamıştır. O zamandan beri mekanik manipulatörlerin güdümlenmesi için değişik kontrol metotları önerile gelmiştir.

Günümüzde, kinematik, dinamik, planlama sistemleri, kontrol, hissetme, programlama dilleri ve yapay zeka gibi birkaç bilim dalını
içerecek şekilde araştırma ve geliştirmeyle uğraşılmaktadır.

Endüstriyel Robot Çeşitleri

Küresel Koordinat Robotları

Çoğunlukla polar konfigürasyon diye adlandırılan küresel tasarım silindirik kol konfigürasyonunun değişik bir uyarlamasıdır. Her türlü uygulamada robot konfigürasyonunun sağladığı çalışma hacmi (çalışma zarfı) önemli bir yer tutar. Kol, küresel bir hacim içinde hareket eder. Robotun bir döner tabanı vardır ve bu taban etrafında dönebilir. Kolun bir parçası içeri dışarı öteleme hareketi yapabilen teleskopik koldur. Bu teleskopik kolu yukarı-aşağı hareket ettirmek için aşağı yukarı dönebilir bir mafsal kullanılır.

Scara Robotlar

Scara kol tasarımı, çalışma bölgesinde engellerin olmadığı uygulamalarda kullanılır. Diğer yandan mafsallı bir robot engellerden kaçınmak için programlanabilir. Scara konfigürasyonunun tipik işi nesneleri bir yerden başka bir yere taşımaktır (al ve yerleştir).
Çalışma alanları silindiriktir. Kolun bir bölümü dikey, diğer bölümü ise yatay hareket eder. Bu konfigürasyonda, robot gövdesi düşey eksen etrafında dönebilen düşey bir kolondur. Kol kısmının bir kaç hareketli kısmı vardır. Bu hareketli kısımlar kolu yukarı-aşağı ve içeri-dışarı hareket ettirir ve bilek kısmının dönmesini sağlarlar.

Döner Mafsallı Robotlar

Bağlantı parçalarından oluşan robot kol konfigürasyonu genellikle antropomorfik veya mafsallı robot diye adlandırılır. Yaygın bir şekilde kullanılır, çünkü otomotiv endüstrisindeki nokta kaynağı ve boyama işlemlerinde olduğu gibi maharetli hareketleri yapabilecek kabiliyete sahiptirler. Mafsallı kol konfigürasyonu, insan kolunun yapısına benzer şekilde tasarlanmıştır. Robotun, insan omuzu, dirsek ve bilek mafsallarını yaptığı hareketlere benzer hareketleri yapabilmesi için hareketli parçaları mafsallarla birleştirilmiştir.Robot kol bir tabana bağlıdır. Bu taban kendi ekseni etrafında dönebilir.

Paralel Döner Mafsallı Robotlar

Döner mafsallı robotta bilek hareketlerinin gerçekleştirildiği eksenlerin, yer eksenine her konumda paralel veya dik olmasının istenildiği durumlarda (ör. paletleme ve kolileme uygulamalarında) bir paralel kol mekanizması robot konstrüksiyonu ile birleştirilerek bilek ekseninin yer eksenine paralel veya daimi surette dik kalması sağlanır.

Paralel Döner mafsallı motor paletleme robotu tasarımı için uygun olan robot tipidir. Çünkü

  • Yük taşımaya uygun konstrüksiyon.
  • Ağırlık dengelemeye uygun olması.
  • Hareket serbestisinin ve çalışma hacminin büyük olması.
  • Tut ve bırak uygulamalarında kafanın pozisyonunun sürekli yere paralel kalması ihtiyacının mekanik olarak çözülmüş olması.
  • Kontrol yazılımının döner mafsallı robota göre basit olması.

Kartezyen Koordinat Robotları

Bu konfigürasyon en kısıtlı hareket serbestisine sahip robot tasarım şeklidir. Bazı parçaların montajı için gerekli işlemler kartezyen konfigürasyonlu robotlar tarafından yapılır. Bu robotlar birbirine dik üç eksende hareket eden kısımlara sahiptir. Hareketli kısımlar X, Y ve Z kartezyen koordinat düzleminde her kol bir öncekine göre dik açıyla kayar. Robot, üç boyutlu dikdörtgen prizması hacmi içindeki noktalara kolunu hareket ettirebilir. Dikdörtgen seklinde bir çalışma alanları vardır.

Delta Robotlar

Küresel koordinat sisteminde çalışan delta robotlar paralel robotlar olarak da adlandırılırlar. Çok yüksek hız (10 m/s) ve ivme (10 g) değerlerinde çalışabilirler. Akan bir konveyör üzerinden tutma ve bırakma işlerini yüksek hızlarda gerçekleştirebilirler. Yüksek hızlanma özellikleri gibi avantajları bulunan bu sistemin düşük yük taşıma kapasitesine sahip olma gibi bir dezavantajı vardır bu yüzden daha çok gıda endüstrisi ve elektronik endüstrisinde kendine yer bulmuştur

Paletleme Robotu Tasarımı

Paletleme Robotu için tasarlanan kol temelde insan kolunun bir benzeşimidir. İnsan koluyla gerçekleştirilecek işleri (kaynak, montaj, paketleme, v.s) yapmak amacıyla tasarlanmışlardır. Bir robot kolun, insan kolunun hareketlerini yapabilmesi için gerekli malzemeleri en uçtan tabana doğru sıralayacak olursak;

  • Uç eleman (gripper),
  • Servo motorlar,
  • Uç hareket aktarım mekanizması,
  • Hassas boşluksuz redüktörler,
  • Rulmanlar ,
  • Ağırlık dengeleme mekanizması.

Robot kollar hafif metal alaşımlarından imal edilmektedir, bu sayede eklem noktalarının maruz kaldığı yükler ve taşıma kapasitesi optimum seviyelerde tutulmaktadır. Bu sebeple tasarımda ağırlık/dayanım oranı yüksek alüminyum alaşımları kullanılması düşünülmüştür. Alüminyum alaşımları piyasada istenen kalite ve ebatlarda bol olarak bulunmaktadır ayrıca diğer hafif metal alaşımlarına (titanyum,magnezyum ) göre ucuz olarak temin edilebilmektedir. Havacılık ve kalıp endüstrilerinde kullanılan mekanik dayanımı yüksek alüminyum alaşımları imalat çelikleriyle mukayese edilebilecek dayanımlara sahiptirler.

Bu çalışmada endüstriyel kullanıma yönelik dört eksenli örnek bir paletleme robotu tasarımı gerçekleştirilmiştir. Robotun tasarımı yapılırken rijitlik ve hafiflik ön planda tutulmuştur. Paletleme Robotu imalatında dünyadaki emsal taşıma robotlarında kullanılan redüktörler, motorlar ve kontrol sistemleri kullanılarak diğer robotlarla rekabet edebilir hale gelmesi amaçlanmıştır. Robotun imalatında rijitlik/ağırlık oranını düşük tutabilmek için havacılıkta da yoğun olarak kullanılan AA 7075 T6 malzemesi kullanılmış tasarımlar sonlu elemanlar analiziyle kontrol edilmiştir.

Robotun prototip olması dolaysıyla dolu kütük malzemeden talaşlı imalat yöntemi ile imal edilmesi düşünülmüştür. Bu yöntem seri üretim için pahalı bir yöntem olacağından, parça tasarımları seri üretim aşamasında döküm yöntemine uygun yapılmıştır. Robotun kendi ağırlığını hidrolik bir sistem ile dengeleyerek daha küçük servo motorlar kullanılmış böylece daha ekonomik bir tasarım elde edilmiştir, ayrıca motor güçleri azaltılarak enerji tasarrufu sağlanmıştır.

Paletleme Robotu tasarımında gerek duyulan bilgiler için bir hesap programı yazılmıştır. Bu program sayesinde herhangi bir eklem mafsallı robota ait tasarım verileri elde edilebilmektedir. Tasarlanan robotun kontrolüne yönelik ters kinematik denklemler çıkarılarak robotun kontrol yazılımının temeli oluşturulmuştur. Tasarlanan paletleme robotu piyasadaki emsal robotlar ile kullanılan ekipman ve kapasite yönünden rekabet edecek düzeydedir. Sanayimizde yoğun olarak kullanılan fakat ülkemizde üretimi yapılmayan robotik otomasyon teknolojisine bu çalışma ile bir katkı sağlanmıştır.

Kaynak: O.Çimen 4 Eksenli Paletleme Robotu Tasarımı YL Tezi

 

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir