Çamaşır makinelerinde kullanılan plastik kasnakların seri üretim otomasyon sistemi tasarım doğrulama analizi
Mass production automation system design verification analysis of plastic pulley used in washing machine
- Tez No: 863628
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SIDDIK MURAT YEŞİLOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 101
Özet
Çamaşır makinelerinde tamburu döndürmek için tahrik elemanı olarak kullanılan kasnaklar, makinenin en önemli parçalarıdır. Kayış yardımıyla motorun miline, göbek bölgesinden ise tamburdaki flanşın miline bağlıdır. Böylece, motorun dönme hareketi kayış yardımıyla önce flanş miline, ardından da tambura iletilir ve bu, tamburun dönmesini sağlayarak çamaşırların yıkanmasını ve sıkılmasını mümkün kılar. Kasnaklar, çamaşır makinesinin verimli ve etkili bir şekilde çalışmasında ve yıkama performansında kritik bir role sahiptir ve genellikle dayanıklılık ve uzun ömür sağlamak için alüminyum ya da yüksek cam elyaflı plastik ham maddeden üretilirler. Arçelik Çamaşır Makinesi bünyesinde yüksek cam elyaflı ham maddeden üretilen alüminyum göbekli plastik kasnaklar kullanılmaktadır. Dayanıklı ve uzun ömürlü olan plastik kasnaklar, makinenin kullanım ömrünü artırır ve enerji maliyetinde önemli faydalar sunar. Çamaşır makinesi üreticileri, kasnakların yapısında, kullanılan malzeme, kol sayısı, kol tasarımı ve çap gibi özelliklerde farklılıklar gösterir. Örneğin, Arçelik önden yüklemeli çamaşır makinelerinde, yüksek cam elyaflı ham maddeden üretilen göbek bölgesi alüminyum olan 5 kollu plastik kasnak kullanılır. Makinenin sıkma hızına bağlı olarak, yüksek devirli makinelerde küçük çapta, düşük devirli makinelerde ise büyük çapta plastik kasnak kullanılır. Plastik kasnaklarda çap ölçüsünün yanı sıra, kullanıldığı üründeki flanşın miline bağlı olarak göbek bölgesindeki alüminyum parça 3 farklı yapıya sahiptir. Küçük ve büyük çaplı plastik kasnaklarda göbek yapısı ortaktır, kasnak çapına bağlı olarak değişmez. Plastik kasnaklardaki herhangi bir kalite problemi direk çamaşır makinesinin yıkama performansını etkiler. Bundan dolayı plastik kasnakların belirlenen tüm kalite kriterlerini sağlaması gerekir. Plastik kasnaklarda çamaşır makinesinin çalışmasını etkileyecek en önemli kalite kriteri plastik kasnakların yalpa ve salgı ölçüleridir. Bu ölçüler motor miline bağlı olan kayışın plastik kasnağa tutunmasını sağlar. Yalpa ve salgı değerlerinin üretimde kullanılan tüm plastik kasnaklarda teknik resim isterlerindeki toleranslar içerisinde olması gerekir. Arçelik Çamaşır Makinesi İşletmesi'nin Rusya ve Romanya gibi farklı ülkelerdeki işletmeleri de dahil olmak üzere tüm ürünlerinde plastik kasnak kullanılmaktadır, bu da yüksek adette plastik kasnak ihtiyacı demektir. Yüksek üretim adedine sahip bu parçayı seri üretim koşullarında üretmek ve üretilen tüm parçaların kritik olan yalpa salgı ölçülerini insan gücüyle manuel kontrol etmek mümkün değildir. Bundan dolayı hem yüksek adette seri üretim koşullarında üretim yapmak hem de üretilen tüm parçaların kritik ölçülerini kontrol edebilmek için plastik kasnak üretimine özel bir otomasyon sistemi hücresi kurulmuştur. Bu hücre sisteminde plastik enjeksiyon, yalpa ve salgı ölçü kontrolü ve izlenebilirlik için lazer markalama sistemi vardır. Bu hücre sisteminde plastik enjeksiyonu gerçekleştirmek için öncelikle alüminyum göbeklerin üretilmesi gerekir. Alüminyum göbekler, alüminyum enjeksiyon kalıplarında üretilir, ardından tornalama işlemi yapılır, sonrasında CNC'de final ölçülerine getirilir ve broş çekilir. Tüm işlemleri tamamlanan alüminyum göbekler, plastik kasnak üretimi için oluşturulan hücre sisteminde aktarılır. Bundan sonraki süreç hücre sistemi içerisinde gerçekleşir. Alüminyum göbekler vibratörlü çanaktan robot eli ile alınır ve plastik enjeksiyon kalıbına yerleştirilir ve üzerine plastik ham madde basılır. Plastik enjeksiyonu tamamlanan ve göbek bölgesi alüminyum olan plastik kasnaklar robot yardımıyla alınarak yalpa ve salgı ölçümü yapılan istasyona bırakılır. Yalpa ve salgı değerleri tolerans içerisinde olan plastik kasnaklar üzerine tip ve tarih bilgisi yazılması için lazer markalama istasyonuna bırakılır ve markalama işlemi tamamlandıktan sonra sevk konveyörüne bırakılır. Eğer parçanın yalpa ve salgı değerleri uygun değil ise parçalar ret konveyörüne bırakılır ve böylece sevkiyata teknik isterleri uygun olmayan parçaların verilmesi engellenmiş olur. Plastik kasnak üretimi için oluşturulan otomasyon sisteminde 6 serbestlik derecesine sahip Fanuc M710 iC robot kullanılmaktadır, tezin amacı mevcut sistemdeki 6 serbestlik derecesine sahip robotun takip ettiği yörüngenin daha düşük serbestlik derecesine sahip bir robot ile izlenip izlenemediğini analiz etmektir. Çünkü yeni bir istasyon sistemi kurulumu gerektiğinde (plastik kasnak kullanımının artmasıyla üretim taleplerini karşılayabilmek için ilave otomasyon sistemlerine ihtiyaç duyulacaktır) daha düşük serbestlik dereceli bir robot kullanarak hem robot maliyetinde hem de uzun vadede enerji sarfiyatını azaltarak birim parça maliyetinde düşüş sağlanabilir. Bu da büyük ölçekli üretimlerde yüksek maliyet avantajları sağlar. Öncelikle, mevcut otomasyon sistemindeki robotun izlediği yolun Matlab programında simüle edilebilmesi amacıyla, robotun yörünge boyunca ziyaret etmesi gereken önemli istasyon noktaları belirlendi. İstasyon noktaları belirlendikten sonra, farklı serbestlik derecesine sahip robotların mevcut otomasyon sistemindeki uygunluğunu kontrol etmek için, mevcut otomasyon sistemi üzerinden bir yörünge analizi yapıldı. Bu yörünge analizinde mevcut otomasyon sisteminin gerçek istasyon konumları kullanıldı. Bu istasyon konumları kullanılarak bir çevrim boyunca robotun yörüngesi Matlab'te spline interpolasyonu yöntemiyle oluşturuldu. Bu yöntemde, istasyon konumlarının x, y ve z koordinatları ayrı ayrı dizilere çıkarıldı ve her bir koordinat seti için ayrı ayrı spline eğrileri oluşturuldu. Matlab'te düzgün bir görselleştirme için linspace fonksiyonu ile daha yoğun bir indeks seti oluşturuldu ve bu indeksler üzerinden eğri çizildi. Bu sayede yörünge üzerindeki noktalar arasındaki geçişler daha pürüzsüz hale getirildi. Yörüngeyi oluşturduktan sonra, mevcut otomasyon sistemi hücresinde daha düşük serbestlik derecesine sahip robot kullanımının uygunluğu Matlab'te hesaplanan, robot uç noktasının bulunduğu konfigürasyonlarda gidemediği yönleri ifade eden, 𝐽𝑇'nun null uzayı üzerinden kontrol edildi. Matlab'te Jacobian hesabı yapılırken uzaysal vektör cebiri (SOA) kullanıldı. SOA yaklaşımı sayesinde robotun doğrusal ve dönel hareketleri tek bir vektör veya matris içerisinde temsil edildi, böylece yüksek serbestlik derecesine sahip robotların kinematik veya dinamik analizlerinde karmaşık vektör veya matris işlemleri hızlı ve basit bir şekilde gerçekleştirildi. Daha düşük serbestlik derecesine sahip robot kullanımının uyguluğu, 𝐽𝑇'nun null uzayı ile hareket yörüngesi üzerindeki iki ardışık konum arasındaki farkı temsil eden yer değiştirme vektörü arasındaki açılar üzerinden değerlendirildi. Açı değeri 0 veya 180 dereceye yakın ise, robotun hareket yönünün 𝐽𝑇 null uzayı yönüne paralel veya bu yönün tam tersi olduğunu gösterir, yani robotun belirlenen yörüngeyi etkin bir şekilde takip edemediği anlamına gelir. Bu durumda, robotun hareketi Jacobian matrisi tarafından tanımlanan kısıtlamalara bağlı kalmıyor ve bu, istenmeyen veya beklenmedik hareketlere yol açabildiği anlamına gelmektedir. Bu da otomasyon sisteminde robotun herhangi bir nesneye çarpması ya da belirlenen istasyondaki işlevini yerine getirememesine sebep olur. Açı değerinin 0 veya 180 dereceden uzak olması, robot hareketinin Jacobian matrisi tarafından tanımlanan kısıtlamalara uygun olduğunu ve belirlenen yörüngeyi daha etkin bir şekilde takip ettiği anlamına gelir. Bu mantık üzerinden farklı serbestlik derecesine ve konfigürasyonlara sahip robotlarla Matlab'te tüm yörünge boyunca 𝐽𝑇 ile yer değiştirme vektörü arasındaki açılar hesaplandı. İlave olarak Phyton'da MuJoCo kütüphanesi kullanılarak kinematik simülasyon oluşturuldu. Bunun için ROS Fanuc paketinden .stl formatındaki dosyalar kullanılarak mevcut robot simülasyon ortamına aktarıldı, yeni konfigürasyonlarda oluşturulan robotlar ise MuJoCo'ya aktarılan mevcut robot üzerinden değişiklikler yapılarak elde edildi. Öncelikle 4 serbestlik derecesine sahip robotlarla denemeler yapıldı fakat başarılı sonuçlar elde edilemedi, 𝐽𝑇 null uzayı ile yer değiştirme matrisi arasındaki açı değeri bazı istasyonlarda 180 derecenin çok üzerinde ya da 0 dereceye çok yakın bulundu, bu da verilen yörüngenin robot tarafından iyi takip edilemediği şeklinde yorumlandı. 5 serbestlik derecesine sahip robot ile yapılan Matlab ve simülasyon çalışmalarında yörünge takibinin daha iyi olduğu gözlemlendi. Bunun sonucunda 5 serbestlik derecesine sahip robot ile farklı iterasyonlarda çalışmalara devam edildi. 6 serbestlik derecesine sahip robotta, link 4'ün uzunluğu 800 mm'den 1.016 mm'ye getirilip, bu linkteki dönme iptal edilerek robotun sahip olduğu serbestlik derecesi 5'e indirilerek farklı bir konfigürasyonda bir robot oluşturuldu. Yeni tasarım ile oluşturulan 5 serbestlik derecesine sahip robotun Matlab'te hesaplanan Jacobian matrisi, 𝐽𝑇 null uzayı ve bu matris ile yer değiştirme matrisi arasındaki açılar kontrol edildiğinde 2 istasyonda açı değerlerinin 0 dereceye yakın olduğu gözlemlendi, yani bu iki istasyonda yeni oluşturulan robotun belirlenen yörüngeyi iyi takip edemediği tespit edildi. Buradaki yörünge takibini iyileştirmek için bu iki istasyonda oryantasyon takibi ilave ederek robota farklı açısal hızlar verildi, açı değerlerinin 0 veya 180 dereceden uzak olması sağlandı. Bu istasyonlarındaki açısal hızları bulmak için MuJoCo'nun arka planında çalıştırılan Phyton'dan faydalanıldı. Phyton üzerinden belirlenen istasyonlardaki açısal hız değerleri alınarak, sadece bu istasyonlardaki açı değeri hesabı için Matlab'e manuel giriş yapıldı. Böylece yörünge takibine oryantasyon da dahil edilerek açı hesabı tekrar yapıldı ve yeni hesaplanan açı değerlerinin tüm istasyonlar için 0 veya 180 derecen uzak olması sağlandı. Sonuç olarak mevcut otomasyon sistemindeki 6 serbestlik derecesine sahip robot yerine, 5 serbestlik derecesine sahip robot kullanılarak aynı yörüngenin takibinin yapılabildiği ispatlandı. Böylece yeni bir otomasyon sistemi kurulumu gerektiğinde (plastik kasnak kullanımının artmasıyla, ilave otomasyon sistemlerine ihtiyaç olması durumunda) daha düşük serbestlik dereceli bir robot kullanarak hem robot maliyeti hem de uzun vadede enerji sarfiyatını azaltarak birim parça maliyetinde azalma sağlanacaktır.
Özet (Çeviri)
In washing machines, pulleys used as drive elements to rotate the drum are among the most crucial parts of the machine. They are connected to the motor shaft by a belt and to the flange shaft in the drum via the hub region. Thus, the rotational motion of the motor is transmitted to the flange shaft and then to the drum through the belt, enabling the washing and spinning of clothes. Pulleys play a critical role in the efficient and effective operation of the washing machine and its washing performance, and are usually made from aluminum or high glass fiber plastic raw materials for durability and longevity. Arçelik Washing Machines use plastic pulleys with aluminum hubs made from high glass fiber raw materials. Durable and long-lasting plastic pulleys increase the machine's lifespan and offer significant benefits in terms of energy costs. Washing machine manufacturers vary in the structure of pulleys, including the material used, number of arms, arm design, and diameter. For example, Arçelik front-loading washing machines use 5-arm plastic pulleys with aluminum hubs made from high glass fiber raw materials. Depending on the spinning speed of the machine, smaller diameter plastic pulleys are used in high speed machines, while larger diameter pulleys are used in low-speed machines. In addition to the diameter of plastic pulleys, the aluminum part in the hub region varies depending on the shaft of the flange used in the product. The hub structure is common in plastic pulleys of small and large diameters and does not change depending on the diameter of the pulley. Any quality issue with plastic pulleys directly affects the washing performance of the washing machine. Therefore, plastic pulleys must meet all quality criteria. The most important quality criteria for plastic pulleys that affect the operation of the washing machine are the rolling and runout measurements. These measurements ensure that the belt attached to the motor shaft holds onto the plastic pulley. The rolling and runout values of all plastic pulleys used in production must be within the tolerances specified in the technical drawings. Arçelik Washing Machine Enterprise uses plastic pulleys in all its products, including businesses in different countries such as Russia and Romania, which means a high demand for plastic pulleys. It is not possible to produce this high-volume part under mass production conditions and manually check the critical rolling and runout measurements of all produced parts with human labor. Therefore, a special automation system cell has been established for plastic pulley production to both produce under high-volume mass production conditions and control the critical measurements of all produced parts. In this cell system, there is a plastic injection, rolling and runout measurement control, and a laser marking system for traceability. To perform plastic injection in this cell system, aluminum hubs must be produced first. Aluminum hubs are produced in aluminum injection molds, then turned, brought to final dimensions in CNC, and broached. Aluminum hubs that have completed all processes are transferred to the cell system created for plastic pulley production. The next process takes place within the cell system. Aluminum hubs are taken from the vibratory bowl with the robot hand and placed in the plastic injection mold, and plastic raw material is pressed on top. Plastic pulleys with aluminum hub regions, which have completed plastic injection, are taken by the robot and dropped off at the station where rolling and runout measurements are made. Plastic pulleys with rolling and runout values within tolerance are dropped off at the laser marking station for writing type and date information, and after the marking process is completed, they are dropped off at the shipping conveyor. If the rolling and runout values of the part are not suitable, the parts are dropped off at the reject conveyor, thus preventing parts that do not meet the technical requirements from being shipped. A Fanuc M710 iC robot with 6 degrees of freedom is used in the automation system created for plastic pulley production. The aim of the thesis is to analyze whether the trajectory followed by the robot with 6 degrees of freedom in the existing system can be followed by a robot with a lower degree of freedom. Because when a new station system needs to be established (additional automation systems will be needed to meet production demands as plastic pulley usage increases), using a robot with a lower degree of freedom can reduce both robot cost and energy consumption in the long term, resulting in a decrease in unit part cost. This provides significant cost advantages in large-scale productions. Firstly, for the purpose of simulating the path followed by the robot in the existing automation system in the Matlab program, important station points that the robot needs to visit along the trajectory were determined. After the station points were determined, a trajectory analysis was conducted over the existing automation system to check the suitability of robots with different degrees of freedom in the existing automation system. In this trajectory analysis, the real station positions of the existing automation system were used. Using these station positions, the robot's trajectory during a cycle was created in Matlab with spline interpolation. In this method, the x, y, and z coordinates of the station positions were extracted into separate arrays and spline curves were created for each set of coordinates separately. For smooth visualization in Matlab, a denser index set was created using the linspace function, and the curve was drawn over these indices. This made the transitions between points on the trajectory smoother. After creating the trajectory, the suitability of using a robot with a lower degree of freedom in the existing automation system cell was checked based on the null space of 𝐽𝑇, which represents the directions that the robot end effector cannot go in the configurations it is in, calculated in Matlab. Jacobian calculation in Matlab was done using spatial vector algebra (SOA). With the SOA approach, the linear and rotational movements of the robot were represented in a single vector or matrix, thus complex vector or matrix operations in the kinematic or dynamic analyses of robots with high degrees of freedom were performed quickly and simply. The suitability of using a robot with a lower degree of freedom was evaluated based on the angles between the displacement vector representing the difference between two consecutive positions on the motion trajectory and the null space of 𝐽𝑇. If the angle value is close to 0 or 180 degrees, it indicates that the robot's movement direction is parallel or exactly opposite to the direction of the 𝐽𝑇 null space, meaning that the robot cannot effectively follow the designated trajectory. In this case, the robot's movement is not bound by the constraints defined by the Jacobian matrix, which can lead to unwanted or unexpected movements. This can cause the robot in the automation system to collide with any object or fail to perform its function at the designated station. If the angle value is far from 0 or 180 degrees, it means that the robot movement is in accordance with the constraints defined by the Jacobian matrix and follows the designated trajectory more effectively. Based on this logic, angles between � �𝑇 and the displacement vector were calculated in Matlab for robots with different degrees of freedom and configurations throughout the entire trajectory. Additionally, a kinematic simulation was created using the MuJoCo library in Python. For this, .stl format files from the ROS Fanuc package were used to transfer the existing robot to the simulation environment, and robots created in new configurations were obtained by making changes to the existing robot transferred to MuJoCo. Initially, experiments were conducted with robots with 4 degrees of freedom, but successful results were not obtained, as the angle value between the 𝐽𝑇 null space and the displacement matrix was found to be well above 180 degrees or very close to 0 degrees at some stations, which was interpreted as the given trajectory not being well followed by the robot. In Matlab and simulation studies with a robot with 5 degrees of freedom, it was observed that the trajectory tracking was better. As a result, studies continued in different iterations with a robot with 5 degrees of freedom. In the robot with 6 degrees of freedom, by extending the length of link 4 from 800 mm to 1,016 mm and canceling the rotation in this link, the degree of freedom of the robot was reduced to 5, creating a robot in a different configuration. When the Jacobian matrix, J𝑇 null space, and the angles between this matrix and the displacement matrix calculated in Matlab for the newly designed 5-degree-of-freedom robot were checked, it was observed that the angle values were close to 0 degrees at 2 stations, meaning that the newly created robot could not follow the designated trajectory well at these two stations. To improve the trajectory tracking at these stations, different angular velocities were given to the robot by adding orientation tracking, ensuring that the angle values were far from 0 or 180 degrees. The angular velocities at these stations were found using Python running in the background of MuJoCo. The angular velocity values determined at the stations were taken from Python, and manual input was made to Matlab only for the angle value calculation at these stations. Thus, by including orientation in the trajectory tracking, the angle calculation was redone, and it was ensured that the newly calculated angle values were far from 0 or 180 degrees for all stations. As a result, it was proven that the same trajectory could be followed using a robot with 5 degrees of freedom instead of a robot with 6 degrees of freedom in the existing automation system. Thus, when a new automation system needs to be set up (in case additional automation systems are needed as plastic pulley usage increases), using a robot with a lower degree of freedom will reduce both robot cost and energy consumption in the long term, resulting in a decrease in unit part cost
Benzer Tezler
- Modelling and determination of loosening mechanism of bolted joints in washing machine
Çamaşır makinasında bulunan cıvata bağlantılarının modellenerek çözülme mekanizmasının belirlenmesi
ONUR KONUK
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATA MUGAN
- Çamaşır makinesi tambur grubunun dinamik yükler etkisindeki deformasyonlarının analizi ve optimizasyon ile iyileştirilmesi
Analysis of deformations in washing machine tubs under the influence of dynamic loads and their improvement using optimization methods
NUR BALÇIK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATA MUGAN
- Detection and analysis for microplastics originating from the textile industry
Tekstil endüstrisinden kaynaklanan mikroplastiklerin tespiti ve analizi
SİNEM HAZAL AKYILDIZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İPEK YALÇIN ENİŞ
PROF. DR. BAHATTİN YALÇIN
- Çamaşır makinesinin deterjan çekmecesi üzerinde biyofilm oluşumunun engellenmesi çalışmaları
Inhibition of biofilm formation on washing machine drawer
DUYGU ÖZÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Biyolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEVİN GÜL-KARAGÜLER
- Çamaşır makinelerinde kullanılan sac kasnak tasarımının sonlu elemanlar analizi ile optimizasyonu
Optimization of sheet metal pulley design used in washing machines with finite element analysis
BARAN BAĞRIYANIK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OKAN ÖZDEMİR