Sikloid redüktörlerin analizi ve sezgisel algoritmalar kullanılarak ağırlık optimizasyonu
Analysis of cycloid reducers and weight optimization using heuristic algorithms
Yazar: FURKAN KORKMAZ
Danışman: PROF. DR. AHMET KOLİP
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Mekanik sistemlerden talep edilen hassasiyet ve verimlilik teknolojik gelişmelere paralel olarak artmaktadır. Bir CNC mekanizması, fikstür, robot kol ya da uydu merkezi gibi birçok teknolojik ürün yüksek tork ve hassasiyet talep etmektedir. Tork ve hassasiyet, mekanik sistemler için güç ve hareket iletim sistemlerinin bir parçası olan redüktörlerin yapısına oldukça bağlıdır. Bu nedenle sikloid redüktör gibi hassas redüktör sınıfındaki redüktörlere ihtiyaç duyulmaktadır. Sikloid redüktörler kompakt yapıları, aktarım oranları, hassasiyetleri ve ömürleri sebebi ile oldukça avantajlıdır. 
Tasarım parametrelerinin standart olmaması, parametrelerin birbirleri ile bağlantılı olması ve genellikle bileşen olarak standart ekipmanların kullanılmaması nedeni ile sikloid redüktörlerin tasarımı oldukça zordur. Tasarım parametrelerine genellikle literatürde belirtilmiş olan kabuller ve yaklaşımlar üzerinden karar verilerek ürün elde edilmektedir. Bu bakımdan mevcut sikloid redüktörler hassasiyet, verimlilik ve hatta yapısal bakımdan oldukça farklılık göstermektedir. Diğer taraftan sikloid redüktörlerin kullanım alanları göz önüne alındığında, enerji verimliliği, maliyet ve performans bakımından ağırlık optimizasyonu da büyük önem taşımaktadır.
Bu çalışmada, redüktörlerde ağırlık azaltılması amaçlanmış ve yaygın olarak kullanılan RV sikloid redüktör seçilmiştir. Öncelikle seçilen RV sikloid redüktör için temel tasarımına karşılık gelen bir model oluşturulmuştur. Oluşturulan temel tasarım üzerinde iki sezgisel algoritma esas alınarak ağırlığı azaltmaya yönelik optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Algoritma olarak Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO) ve Kuantum Parçacık Sürü Optimizasyonu (QPSO) tasarım problemine ayrı ayrı uygulanmış ve performansları karşılaştırılmıştır. Bununla birlikte optimizasyon çalışmasından elde edilen tasarım parametreleri kullanılarak PSO ve QPSO modelleri oluşturulmuştur. Temel tasarım modeli dahil, elde edilen her üç model sonlu elemanlar analizine (SEA) tabi tutulmuş ve kısıtların kontrolü ve kısıt olarak tanımlanamayan bölgelerin değerlendirilmesi gerçekleştirilmiştir. 
Elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde QPSO'nun optimizasyon testlerinde PSO'ya göre daha tutarlı sonuçlar verdiği tespit edilmiştir. SEA sonucunda her iki tasarımda da en yüksek gerilmelerin pim-disk temas bölgelerinde gerçekleştiği ve oluşan gerilmelerin emniyetli bir bölgede olduğu belirlenmiştir. Optimizasyon çalışması sonucu, PSO ile yapılan optimizasyonun temel tasarımın ağırlığını %33,3 oranında, QPSO ile yapılan optimizasyonun ise %33,8 oranında azalttığı belirlenmiştir.

Abstract:
The demand for precision and efficiency in mechanical systems is increasing in parallel with technological advancements. Many technological products such as CNC machine tools, fixtures, robotic arms or satellite centers demand high torque and precision. Torque and precision are provided by gearboxes, which are part of the power and motion transmission systems for mechanical systems. Therefore, there is need precision gearbox such as cycloidal reducer. Cycloidal reducers are quite advantageous due to their compact structure, transmission ratios, precision, and lifespan. 
The design of cycloidal reducers is quite challenging due to the non-standard nature of design parameters, their interconnections, and the common use of non-standard equipment components. Decisions on design parameters are typically made based on assumptions and approaches mentioned in the literature. In this respect, existing cycloidal reducers vary significantly in terms of precision, efficiency, and even structural aspects. Considering the application areas of cycloidal reducers, weight optimization is also of great importance in terms of energy efficiency, cost, and performance.
In this study, weight reduction in reducers was aimed, and the commonly used RV cycloidal reducer was selected. First, a model corresponding to the basic design of the selected RV cycloidal reducer was created. Optimization studies aimed at reducing weight were conducted based on two heuristic algorithms using the created basic design. Particle Swarm Optimization (PSO) and Quantum Particle Swarm Optimization (QPSO) were separately applied to the design problem, and their performances were compared. Additionally, using the design parameters obtained from the optimization studies, PSO and QPSO models were created. Including the basic design model, all three models were subjected to Finite Element Analysis (FEA), and the control of constraints and evaluation of areas that could not be defined as constraints were carried out. 
When the obtained results were evaluated, it was determined that QPSO provided more consistent results in optimization tests compared to PSO. The highest stresses in both designs were observed in the pin-disk contact areas, and the stresses were within a safe range. As a result of the optimization study, it was determined that the optimization with PSO reduced the weight of the basic design by 33.3%, while the optimization with QPSO reduced it by 33.8%.