İki serbestlik dereceli prototip paralel mekanizmanın tasarımı ve imalatı

Abstract

Dalan Kimya sabun üretim tesislerinde, ürünlerin kalite kontrolü, dizme, pozisyon değiştirme ve sıralama işlerinde kullanılmak üzere, işe özel boyutlandırılabilecek iki ve üç serbestlik dereceli mekanizmalara ihtiyaç duyulmuştur. Bu ihtiyaç doğrultusunda iki serbestlik dereceli bir prototip mekanizma yapılmasına karar verilmiştir. İki serbestlik dereceli prototip mekanizma üzerinde yapılacak çalışmalar sayesinde konu hakkında ayrıntılı bilgi sahibi olmak, çalışma uzayından hareket planına kadar optimum çözüme ulaşmak ve ileride prototipin geliştirilmesi ile farklı boyutlarda mekanizmaların üretimleri hedeflenmiştir.Üretim hatlarında yapılan ön çalışmada, ürünlerin alma ve bırakma işlemleri için gerekli olan çalışma uzayı belirlenmiş, mevcut iki serbestlik dereceli paralel mekanizmalardan esinlenerek Solidworks programında yeni bir mekanizmanın katı modellemesi yapılmıştır. Kinematik modeli oluşturulan mekanizmanın genel serbestlik derecesi formülü kullanılarak serbestlik derecesinin iki olduğu gösterilmiş ve kinematik denklemleri çıkarılmıştır. Matlab programı kullanılarak denklemlerin ileri kinematik çözümü, ters kinematik çözümü ve işaret analizi yapılmış, ardından mekanizmanın maksimum çalışma alanı çıkarılmıştır. Matlab ve Solidworks programlarıyla elde edilen sonuçlar karşılaştırılarak denklemlerin doğruluğu gösterilmiştir. Fiziksel sınırlamalar dikkate alınarak çıkarılan maksimum çalışma alanı içinde, ihtiyaca ve hareket planlarına uygun bir çalışma alanı seçilmiştir. Seçilen çalışma alanının içinde, mafsal açılarının alabileceği maksimum ve minimum değerler hesaplanmıştır. Bu değerler servo program yazılımına değerler olarak girilmiştir. Yörünge planlaması için Bézier eğrilerinin matematiksel ifadesi olan Bernstein polinomları kullanılmıştır. Seçilen çalışma alanı içinde hareket planı oluşturulmuş, Matlab ve Solidworks programlarında hareketin analizi yapılmıştır. Pozisyon, hız ve ivme profilleri incelenmiştir. Solidworks hareket analizi ile tahrik mafsallarında gerekli tork değerleri hesap edilerek motor seçimi yapılmıştır. Ansys sonlu eleman yazılımı kullanılarak statik ve transient yapısal analizler yapılmış ve mekanizmanın yük altındaki gerilmeleri incelenmiştir.İmalat aşamasında, kesilerek üretilecek parçalar ısıl işleme maruz kalmamaları için su jeti ile kesilmiş, diğer parçalar ise belirlenen toleransları sağlamak için torna, freze ve CNC talaşlı imalat yöntemlerinden faydalanılarak üretilmiştir.Malzeme olarak, yüksek mukavemetli ve hafif alüminyum alaşımı 7075 T651, yüzey sertleşmesi yapılmış 16MnCr5 sementasyon çeliği, yüksek mukavemetli ve hafif karbon fiber örgülü kompozit ve 1050 imalat çeliği kullanılmıştır. Tüm parçalar, Solidworks programında tasarlanmış ve profilden üretilmiş çerçeveye monte edilmiştir.İleri ve ters kinematik çözümler ve yörünge planlama kodları Matlab programından servo programına (Codesys) aktarılmıştır. Kinematik denklemlerin ve pozisyon profilinin mekanizma üzerinde doğrulanması için, asıl mekanizma yerine önce beş bar mekanizması kullanılmış, istenen neticenin elde edilmesi üzerine asıl mekanizma çerçeveye monte edilmiştir. Kinematik denklemlerinin ve hareket planındaki pozisyon ve hız profillerinin doğruluklarını asıl mekanizma üzerinde de göstermek için, Codesys platformunu kullanan hareket kontrol ünitesine yüklenen programdan alınan servo pozisyon ve hız aktüel verileri Matlab programıyla karşılaştırılmıştır. Sonuçların birbiriyle uyumlu olduğu görülmüştür.Bu çalışmada üretilen paralel mekanizma prototipi sayesinde, sanayinin ihtiyacı olan bir ürünün hızlı ve düşük maliyetle, tamamen yerli imalatla karşılanmasının ilk adımı atılmış olmaktadır. Üretilen mekanizma sabun sektöründe kullanılmak üzere tasarlanmış olmakla birlikte, çok farklı sektörlerde ve farklı boyutlarda kullanılabilecek şekilde geliştirilmesi kolaylıkla mümkündür. Kullanılan yazılımın marka bağımsız IEC61131-3 standardında olması ve Codesys platformu kullanan tüm hareket kontrol üniteleriyle uyumlu olması ise diğer bir avantajıdır. Ayrıca, hazırlanan tüm kodlar, teknik resimler ve tüm teknik bilgiler açık olarak verilmiş ve araştırmacılarımızın istifadesine sunulmuştur.

In Dalan Kimya Soap Manufacturing Plant, 2 and 3 degrees-of-freedom mechanisms, dimensions of which can be arranged regarding to requirements, to be used for quality control, and pick and place of soaps have been demanded. In accordance with this demand, the design and production of a 2 degrees-of-freedom prototype mechanism was decided. The aim of this study is to obtain general knowledge about two degrees-of-freedom mechanisms, to achieve the optimal solutions from the workspace to path planning and to be able to produce mechanisms of different sizes by modifying the prototype.According to preliminary inspections of manufacturing lines, the workspace required for pick and place process was determined. Then, the solid model of a new mechanism was designed via Solidworks software through inspiration of existing two degrees-of-freedom parallel mechanisms. It was shown by using the general degree of freedom formula that the degree of freedom of the kinematic model is two and the kinematic equations were derived. Forward and inverse kinematics solutions were obtained using Matlab software, the sign analysis was performed; then the maximum available workspace of the mechanism was drawn. The equations were verified by comparing the results obtained by Solidworks and Matlab programs. An optimum working area, based on trajectory and general requirements, was determined within the maximum workspace that was determined considering the physical constraints. The maximum and minimum values of joint angles, within the specified workspace, were calculated. These values were input in the servo program software.Bernstein polynomials that are mathematical expressions of Bézier curves, were used for trajectory generation. Trajectories were generated within the specified workspace and motion analysis was carried out by Matlab and Solidworks software. Position, velocity and acceleration profiles are analyzed. The required torque value in the rotary actuators were determined and an appropriate servo motor was selected accordingly. The static and transient structural analyses were performed via finite elements analysis software Ansys to assess the mechanical stresses of mechanism under load condition. In prototype manufacturing, some parts of mechanism were manufactured by waterjet cutting process to prevent the heating. Other parts were machined on lathe, milling and CNC within defined tolerances. The materials used in the mechanism consist of high strength light aluminum alloy 7075 T651, carburized steel 16MnCr5, high strength light carbon fiber woven composite and 1050 carbon steel. All the parts of the mechanism have been designed in Solidworks. Finally, the mechanism was fixed on the chassis that was constructed with steel profiles. The forward and inverse kinematic solutions and trajectory planning codes derived from Matlab, were transferred to the servo software (Codesys). Verification of motion planning has been done by simple five-bar mechanism instead of actual prototype. After the verification process, original prototype has been assembled on the chassis. In order to show the validity of kinematic equations and position and velocity profiles in trajectories on the actual mechanism, actual servo position and velocity data from the software loaded on the control unit which uses Codesys platform, were compared with those obtained from Matlab. It was observed that both results are consistent with each other. As a result of this study, a low-cost parallel mechanism that meets with the expectations of industry was designed and prototyped rapidly within domestic manufacturing capabilities. While the parallel mechanism is designed for soap industry, it can be modified easily to be utilized in other industries and with different dimensions. The software used is compatible with brand independent IEC 61131-3 standard and Codesys platform, and adaptable with all motion control units using Codesys. These are other main advantages of our mechanism. Furthermore, all the source codes, technical drawings and essential technical details are presented in favor of researchers.