İki serbestlik dereceli prototip paralel mekanizmanın tasarımı ve imalatı

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
xx
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.