ENDÜSTRİYEL UYGULAMALAR İÇİN ROBOT SEÇİM KRİTERLERİ

VISIT (CLICK) FOR ENGLISH VERSION OF THIS ARTICLE AND PDF FORMAT DOCUMANTATION

GİRİŞ

Gelişen teknoloji üretim yöntemleri üzerinde ciddi değişimlere neden lmuştur. Zaman içerisinde üretim süreçlerinde insan gücünü daha verimli kullanmak için gelişmeler yaşandı. Doğaya bilek gücü ile tam olarak hükmedemediğini anlayan insanoğlu işleri aklı ile halletmeye meyil etti. İnsanoğlu ilk süreçlerde genel geçer fizik kanunlarına dayanan basit makineler kullanmaya başladı. Devamında hayvan gücünden ve doğanın gücünden faydalanmaya başladı. İlerleyen süreçlerde enerji kaynaklarını keşfetmeye ve kontrol altına alıp amacı doğrultusunda kullanmaya başladı. Buhar gücü insan gücüne eklendi. Bu üretim ve endüstri süreçlerinin iyice hızlandığı bir süreçti. Zaman geçtikçe elektrik kullanımı da ilerledi. Buhar motorlarının yanına elektrik motorları da eklendi. İnsan gücü her zamankinden daha verimli bir şekilde kullanılıyordu. Artık birçok süreçte insanlar elektrik motorları ile çalışan makinelerden yararlanıyor, beden gücü ile yapamayacağı bir çok işi bu makinelerle yapabiliyordu.

Gelişmeler gün geçtikçe devam etti. Makineleri insandan bağımsız olarak kontrol etmenin yolları keşfedilmeye başlandı.  İnsanoğlu transistörü keşfetti. Bu basit gibi görülen komponentler bir araya geldiklerinde harika işler yapabiliyorlardı. Mikrodenetleyiciler ve mikroişlemciler makineleri kontrol etmekte kullanılmaya başladı. Artık insanlar bir çok makineyi bu mikroişlemciler ile kontrol etmeye başladılar. Elektronik gelişmeler ilerledikçe makineler çok daha iyi kontrol edilmeye başladı.

Sensör teknolojisi de paralel olarak ilerleyen diğer bir alandı. Sensörler ve mikrodenetleyiciler bir araya getirildiğinde artık makineler dış ortamdan veri alarak hareket ettirilmeye başladı. Bu makinelere genel olarak “robot” denilmeye başladı. Artık üretim süreçlerinde doğrudan insan kontrolünden bağımsız robotlar yer almaya başladı.

Bu çalışmada, robotlardan, endüstriyel robotlardan, robot çeşitlerinden, hareket alanlarından, robotların genel özelliklerinden bahsedilecektir. Ardından ise çalışmanın temel amacını oluşturan “endüstriyel robot seçimi” üzerinde durulacaktır. Üretim süreçlerinde yer alacak robotları seçerken dikkat edilmesi gereken kriterlerden bahsedilecektir.

ROBOT NEDİR?

Robot kelimesi ilk defa 1920 yıllarında Çek Karel Capek tarafından kullanılmıştır. Çalışan veya köle manalarına gelen Çekçe bir kelimedir. [1]

Daha teknik bir tanım yapacak olursak robotlar dış ortamdan veri toplayabilen, bu veriler doğrultusunda hareketlerinde değişiklik yapabilen makinelerdir.

ENDÜSTRİYEL ROBOT NEDİR?

Endüstriyel robotlar, üretim süreçlerinde kullanılan robotlar olarak tanımlanabilir. Bu robotlar kullanım alanlarına göre farklı sensörlerle donatılmıştır.

Günümüzde endüstriyel robotlar birçok üretim tesisinde yer almaktadır. Montaj ve birleştirme işlemleri, kaynak işlemi, paketleme, parçaların yerini değiştirme gibi bir çok işlem endüstriyel robotlarla yapılabilmekedir.

GEOMETRİK ÖZELLİKLER

Endüstriyel robotlar hareketlerini doğrusal hareket yapabilen veya dönel hareket yapabilen eklem bağlantıları ile yaparlar. Bu birleşim noktalarının birbiri ile olan ilişkisi robotun geometrik özelliklerini belirler. Robotun geometrik biçimi çalışacağı ortam ve yapacağı iş bakımından önemlidir.

WORK ENWELOP-İŞLEM ZARFI

Endüstriyel robotlar belirli hareketleri yaparlar. Bu hareketler üç boyutlu bir hacim oluşturur. Bu hacim robotun “işlem zarfı” veya “işlem alanı” olarak adlandırılır. Robot yapacağı hareketleri bu kapalı hacim içerisinde gerçekleştirir. Dolayısıyla robot seçiminde işlem zarfı göz önüne alınmalıdır.

İşlem zarfı genel olarak robot türlerine göre değişiklik gösterir. Kartezyen robotlarda işlem zarfı bir dikdörtgenler prizması şeklinde olurken SCARA tipi robotlarda içi boş, kesik bir silindir geometrisine sahiptir. Farklı robot çeşitlerinin işlem zarfı şekil 1’de verilmiştir.

Şekil 1 bazı robot çeşitlerinin işlem zarfları

ROBOTLAR İÇİN GÜÇ KAYNAKLARI

Robotlar çalışma sürecinde enerji kullanırlar. Robotların kullandığı enerji veya güç kaynakları farklılık gösterebilmektedir. Robotlar temel hareketlerini bu güç kaynakları ile sağlarlar. Endüstriyel robotların güç kaynakları başlıca üç çeşittir:

1. Pünömatik Güç Kaynağı
2. Hidrolik Güç Kaynağı
3. Elektrik Güç Kaynağı

Pünömatik Güç Kaynakları

Endüstri tesislerinde birçok işlem pünomatik sistemler sayesinde gerçekleştirilir. Pünomatik güç kaynakları ile çalışan robotlarda lineer ve dönel hareketler pünomatik sistemlerle sağlanır.

Pünamatik sistemlerin avantajları;

• Doğrusal hareketler için uygundur.
• Çalışma hızı çok yüksek
• Pünomatik sistemlerde enerji depolanabilir
• Hava ulaşılabilir bir kaynaktır [2]
• Yüksek devirlere ulaşmak mümkündür.[3]

Pnomatik sistemlerin dezavantajları:

• Enerji maliyetleri yüksektir
• Sıcaklık değişimlerine karşı çok duyarlıdır[3]
• Konumlama hassasiyeti düşüktür[3]
• Hız kontrolü zordur [2]
• Akışkan açık sistemde çalışır

Hidrolik Güç Kaynakları

Hidrolik sistemlerle çalışan robotların kullandığı güç kaynaklarıdır. Hidrolik sistemler, sıkıştırılamaz akışkanların kullanıldığı, akışkanın bu özelliğinden faydalanılarak güç iletiminin sağlandığı sistemlerdir.[rg]

Hidrolik güç kaynaklarının avantajları:

• Pnomatik sistemlere göre daha iyi konum hassasiyeti vardır.
• Döner ve doğrusal hareketlerde yüksek güçler elde edilebilir.
• Doğrusal hareketler için uygun
• Hız ayarlamak nispeten daha kolay
• Ağır yüklerin taşınmasında uygun

Hidrolik güç kaynaklarının dezavantajları

• Enerji maliyeti yüksek
• Çalışma hızı pnomatiğe göre düşük
• Sıcaklık değişimlerine karşı duyarlı
• Enerji depolaması sınırlı

Elektrik Güç Kaynakları

Endüstriyel robotlar elektriği kullanarak da hareket edebilirler. Bu tür robotlarda elektrik enerjisini hareket enerjisine çeviren aktuatörlerden yararlanılır. Bu aktuatörler döner veya doğrusal hareketler üretirler.

Elektrikli güç kaynaklarının avantajları:

• Enerji iletimi kolay
• Enerji depolaması kolay
• Enerji maliyeti ucuz
• Sıcaklık değişimlerinden etkilenmiyor
• Döner hareketlerde güçlü
• Konum ve hız kontrolü çok hassas

Elektrik güç kaynaklarının dezavantajları:

• Doğrusal hareketlerin elde edilmesi zor [3]
• Elektrik çarpma tehlikesi var
• Doğrusal güç üretimi hidrolik sisteme göre zor

 

ENDÜSTRİYEL ROBOTLARIN PERFORMANS ÖZELLİKLERİ

İngiltere’de faliyet gösteren Takım Tezgahı Sanayi Araştırmaları Derneği (MTIRA- Machine Tool Industry Research Association) endüstriyel robotların performans özellikleri üzerine bir takım testler yapmıştır. Bu testler devam etmektedir. Endüstriyel robotlar için performans parametreleri tam olarak kesinleşmemiş olmakla birlikte şu parametreler önerilmektedir:

• Robotun taşıyabildiği yük miktarı
• Konumlandırmaları tekrarlayabilme kabiliyeti
• Yol izleyebilme yeteneği
• Hız düzenliliği/tutarlılığı
• Konumlandırma süresi
• Dinamik ve statik katılık karakteristikleri
• Titreşim özellikleri[3]

PRECISION/HASSASİYET

Hassasiyet içerisinde üç farklı özelliği barındıran bir terimdir. Bir endüstriyel robotun hassasiyetinden bahsedebilmek için üç önemli özelliği incelenir; Çözünürlük, tekrarlayabilme kabiliyeti ve doğruluk.

Çözünürlük

Kontrol edilebilen minimum artma miktarına denir. Bu artma miktarı doğrusal hareketler için uzunluk, dönel hareketler için ise açı olarak belirtilir. Çözünürlük robotun yerine getireceği iş için önemli bir parametredir.

Tekrarlayabilme

Basit olarak robotun iki farklı doğrusal veya açısal pozisyon arasındaki hareketini tekrar edebilme kabiliyetidir. Örneğin birleştirme istasyonundaki bir robot kol düşünelim. Bu robot kolun programlandığı konumlara hep aynı şekilde gidip gelmesidir. Bu hareketi tekrar ederken her bir tekrarın birbirine ne kadar benzediğinin ölçüsü tekrarlayabilme olarak ifade edilir.

Doğruluk

Endüstriyel robotlar üretim proseslerinde bir görevi yerine getirmek üzere programlanır. Bu görevlerin türüne göre az veya çok, bir doğruluk aralığında hareket etmesi gerekir. Doğruluk, robotun programlandığı konuma gittiğinde, gitmesi gereken konum ile bulunduğu konum arasındaki farktır.

Doğruluk ve tekrarlayabilme kavramlarını daha iyi anlayabilmek için Şekil 2’ye bakınız:

Şekil 2Çözünürlük ve tekrarlayabilme özellikleri

Doğruluk ve tekrarlayabilme kabiliyetinin yüksek olması genel olarak istenen bir durumdur. Bunun yanında çoğu robotik uygulamalarda endüstriyel robotun doğruluğundan çok tekrarlayabilme özelliği önem kazanır. Tekrarlayabilme kabiliyeti yüksek bir robot hata sınırları çok iyi bilindiği için görevi istenen şekilde yerine getirmek üzere programlanabilir.

ENDÜSTRİYEL ROBOT SEÇİMİ

Günümüzde endüstriyel üretim yapan birçok firma robotlardan yararlanmak istemektedir. Çünkü robot kollar sayesinde üretim kalitesi ve kapasitesi artmakla birlikte, üretim süreci daha düşük maliyetlerde gerçekleştirilebilmektedir. Çünkü robotlar yorulmazlar, duygusal durumları üretim işlemlerini etkilemez.

Endüstriyel robot seçiminde karar aşaması çok önemlidir. Çünkü yanlış verilmiş bir karar kardan çok zarar getirecektir. Firmaların yüksek kalite, daha fazla üretim hacmi ve daha düşük maliyet beklentileri gerçekleşmeyecektir. Aksine belki de zarara uğrayacaklardır.

ENDÜSTRİYEL ROBOT TERCİH KRİTERLERİ:

Endüstriyel robotlar genelde üretim prosesine özel olarak seçilir. Robotun yapacağı iş belirlenir ve o iş doğrultusunda bir robot tercih edilir. Bu tercih aşamasında aşağıda sıralanan kriterler göz önünde bulundurulmalıdır;

1. Yapılacak işin hareket şekli

Robottan beklenen hareket nasıl bir geometrik yol izliyor? Bu yolun xyz eksenlerindeki uç noktaları ölçülmelidir. Ölçülen değerler doğrultusunda robotun çalışacağı hacim geometrisi belirlenir. Daha sonra bu geometriyi içerisine alan robotlar incelenir.

2. Kaldırılacak yük ağırlığı

Robotlar çalışma esnasında belirli ağırlıklarda yükler kaldırırlar. Bir endüstriyel robotun belirli hassasiyet töleransları aralığında hareket ettirebileceği en büyük yüke “pay load” denir. Robot bu ağırlıktaki yükleri taşırken kataloğundaki hassasiyetler içerisinde hareket eder. Robotun taşıdığı yük eğer pay load sınırının üzerine çıkarsa istenilen hassasiyet aralığının dışına çıkar.

Endüstriyel robotların belirlenen miktardan fazla ağırlıklar kaldırmalarının diğer sakıncaları da bakım periyotlarının sıklaşması ve çalışma ömürlerinin azalmasıdır. Robotun hareket mekanizmalarına, tahrik sistemlerine öngörülen miktarlardan fazla yüklemeler geleceğinden beklenmeyen problemlerle karşılaşma ihtimali de artacaktır.

Endüstriyel robot tercihinde robotun hareket ettirmesi gereken güç tespit edilmelidir. Bir örnek olarak, bida bağlantısı yapmak üzere bir robot tercih edeceğimizi düşünelim. Robotun end effector kısmı vidayılama işlemini yapacak bir mekanizmadır. Bu end effector ağırlığı belirlenir. Daha sonra vidalama işlemi için uygulanması gereken doğrusal kuvvet belirlenmelidir. Son olarak vidalama esnasında oluşacak moment etkisi de hesaba katılır. Bu üç kuvvet toplanar. Toplanan kuvvet seçilecek robotun minimum pay load miktarını verir. Kuvvet belirleme işleminde dinemometre kullanmak önerilebilecek bir yöntem olabilir.

3. Hassasiyet

Hassasiyet/precision kavramının üç farklı özelliği kapsadığına değiinmiştik. Endüstriyel robot tercihinde robotun yapacağı iş hangi hassasiyet aralıklarında gerçekleşebilir? İki farklı örnekle hassasiyet gerektiren ve gerektirmeyen işlemlere örnek verelim; İlk örneğimizde mil üzerine rulmen yerleştiren bir robotu düşünelim. Bu işlem için hassasiyet kavramı cok önemlidir. Tercih edilecek robotun tekrarlayabilme kabiliyetinin ve doğruluğunun yüksek olması gerekir. İkinci bir örnek olarak ise iki konveyör bant arasında parça transferi yapan bir robot kol düşünelim. Konveyör bant genişlikleri 500mm ve taşınılavak parçanın en geniş boyutu ise 200mm olsun. Bu durumda transfer işlemini gerçekleştirecek robotun hassasiyet aralığı daha geniş tutulabilir.

4. Mevcut güç kaynağı

Endüstriyel robot tercihinde robotun güç kaynağı da önemli bir kriterdir. Güç kaynağı çeşidi robotun yük taşıma ve hassasiyet durumlarını etkileyebileceği gibi maliyetini ve işletme giderlerini de etkiler. Aynı görevi yerine getirebilecek ama farklı güç kaynaklarıyla çalışan robotlar için tesisin imkanları doğrultusunda bir tercih yapılabilir.

5. Diğer robotlarla uyumluluk

Endüstriyel üretim süreçlerinde tesiste halihazırda kullanılan başka robotlar da olabilir. B durumda tercih edilecek yeni robotun mevut robotlarla uyumlu olması gerekir. Bu uyumluluk şu yönlerden olmalıdır;

Programlama yöntemi; tesiste robotları programlayan bir ekip varsa, diğer robotların programlanma yöntemi ile benzer şekilde programlanabilen robotlar seçilmelidir.

Bakım ve kontrol; mevcut robotların bakım yöntemlerine benzer şekilde bakım yapılabilen robotlar tercih edilmelidir. Örneğin mevcut robotların güç kaynağı elektrik ise yeni robotun güç kaynağı da mümkünse elektrik  olmalıdır. Çünkü elektrik sistemlerinin bakımı ile hidrolik veya pnömatik sistemlerin bakımları çok farklıdır.

6. Kullanım ömrü

Endüstriyel robot tercihlerinde üretim süreci doğrultusunda tercih yapılmalıdır. Tercih edilecek robotun yer alacağı üretim ne kadar sürecek? Örneğin 4 yıl boyunca sürecek bir üretim için daha uzun kullanım ömrüne sahip robot tercih etmek ekonomik olmayacaktır.

Bu noktada belirtilmesi gereken bir diğer nokta ise, endüstriyel robotların sadece bir amaca yönelik üretilmediğidir. Yani bir robot, eğer kullanım ömrü sona ermediği ise başka işler için de kullanılabilir. Bu durumda firma, tercih edeceği robotu diğer üretim süreçlerine de uyarlayabileceğini düşünmelidir.

7. İşletme ve bakım maliyeti

Endüstriyel robotlar da diğer endüstriyel makineler gibi belirli aralıklarla bakım ve kalibrasyona ihtiyaç duyarlar. Bakımın yanında işletme sürecinde, başta enerji olmak üzere işletme giderleri de olacaktır. Dolayısıyla bu giderler de mutlaka gözönünde bulundurulmalıdır.

Bir yöntem olarak işletme ve bakım giderleri günümüz değerlerine getirilerek mtoplam maliyet miktarına dahil edilebilir.

8. Hurda değeri

Üretim sürecinde kullanılan makinelerde genel olarak bol miktarda metal malzemeler kullanılır. Metaller ise geridönüşümü kolay malzemelerdir. Dolayısıyla her makinenin olduğu gibi robotların da bir hurda değeri vardır. Bu durumda bir hesaplama yapmak yerinde olacaktır. Aynı işi yapacak robotlar arasında tercih yaparken fiyat karşılaştırmasında hurda değeri de gözönüne alınmalıdır. Robotların hurda değerleri günümüz değerine göre hesaplanıp fiyat hesaplamasına dahil edilebilir.

9. Fizibilite/diğer yöntemlere göre ekonomik durumu

Endüstriyel süreçlerde bir robot tercihi yapmak için en temel kriterlerden birisi de diğer yöntemlerle ekonomik olarak kıyaslamaktır. Örneğin bir boyama işlemi için endüstriyel robot tercih edileceğini düşünelim. Bu işlem personel kullanılarak yapılacak olursa kaç personelle yapılabilir? Ne kadar sürede yapılabilir? Bu çalışanlara ne kadar maaş ödemesi yapılır? Bu giderler hesaplanmalı ve günümüz değerlerine getirilerek robot alternatifi ile kıyaslanmalıdır.

10. Çevreci yönü

Endüstriyel tesisler ciddi bir şekilde çevre kirliliğine neden olabilmektedir. Robot tercihlerinde de çevreye olan etkileri mutlaka değerlendirilmelidir. Mühendislik işlerinin temel amacı dünyayı daha yaşanabilir bir hale getirmektir. Bu felsefe doğrultusunda hesaplamalarda bulunan bir mühendis, hesaplarına ekonominin yanında önemli bir parametre olarak çevreiliği de eklemelidir.

 

 

 

KAYNAKÇA

[1]; V. KAPILA, Introduction to Robotics, Tandon School of Engineering, Course Notes, 22.04.2020

[2]; T. MERT, Robotic Joining Techniques, Yildiz Technical University, Course Notes, 22.04.2020

[3]; G. RAHMİ, Mekatronik Sistemler course Notes, Yildiz Technical University, 22.04.2020

[4]; D.J. TODD, Fundamentals of Robot Technology, p110, Chapter 6, 1986