Konveyörler arası ürün aktarımı için transfer makinesi tasarımı ve analizi
Design and analysis of a transfer machine for product transfer between conveyors
Yazar: GÜNALP GENÇ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HACI ABDULLAH TAŞDEMİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Hızlı, hatasız ve ucuz şekilde üretim yapma ihtiyacı insanlığın gelişimiyle orantılı olarak artmaktadır. Bu ihtiyaç doğrultusunda malzeme ve ürünleri iki nokta arası taşıma işlemi sürekli üzerinde durulan bir konudur.  Taşıma sistemleri arasından sürekli taşıyıcılar grubunda yer alan konveyörler; beraberinde getirdiği verim, maliyet ve alan avantajları sebebiyle birçok sektörde tercih edilmektedir.
İşletmelerin talep edebileceği fonksiyonlara göre konveyör sistemleri birçok tipte bulunabilir. Bu tiplerin arasında sayılabilecek transfer makineleri; temel olarak konveyörler arasındaki bağlantıyı sağlayarak ürün aktarımına olanak tanır. Farklı üretim süreçlerinden geçen yarı mamulleri bir hatta toplamaktan, bir hatta taşınan ürünleri çeşitli özelliklerine göre ayırmaya kadar birçok fonksiyon için kullanılabilmektedirler. Özellikle otomasyon teknolojilerinin gelişmesiyle birlikte; konveyör sistemleri arasındaki entegrasyon arttırılabilmiş ve transfer makinelerinin kullanım alanları ciddi miktarda fazlalaşmıştır. 
Bu çalışmada konveyörler arası ürün iletiminde kullanılacak bir transfer makinesi için gerekli hesap yöntemleri ve tasarım kıstasları derlenmiştir. Derlenen bu bilgiler doğrultusunda kompakt, verimli ve geniş kullanım alanına sahip olabilecek bir transfer makinesi tasarımı yapılmıştır. 
İlk olarak, tasarlanan transfer makinesi için çalışma koşulları belirlenerek makinenin farklı hız ve ebatlara sahip versiyonlarının olması gerektiğine karar verilmiştir. Bu sayede aynı tasarım yöntemi kullanılarak oluşturulan makine versiyonlarının, işletmelerin farklı yük, hız ve ürün ebatı gereksinimlerini karşılayabilmesi amaçlanmıştır. 
Sonraki aşamada, transfer makineleri içerdikleri elemanlar ve ürün aktarım şekline göre kategorize edilmiştir. Çeşitli yönleriyle avantaj ve dezavantajları sıralanan bu eleman ve yöntemler arasından çalışmada hedeflenen tasarım doğrultusunda uygun seçimler yapılmıştır.
Transfer makinesinin içereceği aktarım konveyörü bantlı konveyör olarak belirlenmiştir. Tekil yükleri aktarmak için kullanılacak olan bantlı konveyör, dar şerit bantların birlikte kullanılması ile oluşturulmuştur. Bu sayede tasarlanan transfer makinesinin, kullanım sıklığı sürekli artan rulolu konveyörler ile uyumlu çalışabilmesi amaçlanmıştır. ISO 5048 standartı kullanılarak bantlı konveyörlerle ilgili hesap esasları derlenmiş ve ortaya çıkan güç gereksinimini etkileyen parametreler incelenmiştir.
Bantlı konveyörde oluşan birincil ve ikincil dirençler, makinenin farklı ebat ve hız versiyonları için değişiklik göstermektedir. Çalışma, bantlı konveyörün sürekli ve ivmelenme çalışma koşullarında oluşan bu dirençleri makinenin farklı versiyonlarına göre sınıflandırmıştır. Tasarlanan transfer makinesinin aktarabileceği en büyük yük değeri ile transfer hızı, oluşturulan farklı versiyonlar için belirlenmiştir.
Transfer makinesinin içereceği aktarım konveyörü, bağlı çalışacağı ana konveyörden gelen ürünü aktarabilmek için bir miktar kaldırılmalıdır. İhtiyaç duyulan bu kalkış hareketi için kam mekanizmalarının kullanılmasına karar verilmiştir. 
Transfer makinesinin aktarım yöntemine ve kam mekanizmasının toplam dönüş miktarına göre çeşitli tasarım yöntemleri belirlenerek, bu yöntemlerin arasından bir tercih yapılmıştır. Bu tercih için aktarma konveyörünün ihtiyaç duyduğu toplam kalkış mesafesi 13 mm olarak belirlenmiş olup; bu mesafenin ilk 5 mm'lik kısmı, aktarım konveyörünün üst hizasını bağlı olacağı ana konveyörün üst hizasına getirmek için kullanılacaktır. Kalan 8 mm'lik kısımda ise kam mekanizması, aktarım konveyörü ile birlikte üzerindeki ürünü de kaldıracaktır. Çalışmada tasarlanan kam mekanizmasının, üzerine binen süreksiz yükü dengeleyebilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda, MATLAB kullanılarak özel polinom eğrileri oluşturulmuş ve kam tasarımı kompaktlık ve düşük güç gereksinimi gözetilerek optimize edilmiştir.  Oluşturulan kam tasarımı, ön tasarım aşamasında düşünülen diğer kam tasarımlarıyla karşılaştırılarak çıkan farklar yorumlanmıştır.
Bantlı konveyörün ve bu konveyörü kaldırmak için kullanılacak kam mekanizmasının tasarımı netleştirildikten sonra makinede kullanılacak diğer makine elemanlarının tasarım aşamasına geçilmiştir. 
Transfer makinesi için belirlenen kompaktlık hedefi doğrultusunda makinenin toplam yüksekliği büyük bir öneme sahiptir. Özellikle yer konveyörleri ile çok katlı konveyörlerin kullanıldığı işletmelerde alanı verimli kullanmak temel tasarım hedefleri arasındadır. Bu sebeple; makinede kullanılan kam mili, lineer mil ve 4 çubuk mekanizması gibi elemanlar, makinenin toplam yüksekliğini en aza indirecek şekilde konumlandırılmıştır. Yapılan ön projelendirme ile makine elemanları şasi içerisine yerleştirilmiş ve konumlarına göre oluşan gerilmeler hesaplanarak uygun boyutlandırmalar yapılmıştır. 
Tüm makine elemanlarının boyutlandırılmasının ardından, transfer makinesinin farklı ebatları için son tasarımlar SOLIDWORKS paket programında oluşturulmuştur. 
Kam mekanizmasının ürünü kaldırma süresi ve ürünün aktarım konveyörüne gelme süresi de hesaba katılarak tasarlanan makinenin farklı boyut ve hızlara sahip versiyonları için saatlik taşıma kapasitesinin hesaplanabileceği genel bir denklem türetilmiştir. Bu denklem ile makinenin farklı hız kodları ve aktarılacak ürünün farklı ebatları için kullanıcılara referans olabilecek çizelgeler oluşturulmuştur. En ağır ve en büyük ebatlı ürünler için saatte 1000 adet olan taşıma kapasitesinin en hafif ve en küçük ebatlı ürün için saatte 3500 adete çıktığı oluşturulan çizelgeler ile saptanmıştır.
Son olarak, elde edilen sonuçlar yorumlanmış ve çalışmada derlenen hesap yöntemlerinden bazıları için tasarlanan makine özelinde deneysel çalışmalar yapılabileceği önerilmiştir.

Abstract:
The need for fast, error-free and cheap production is increasing due to the development of humanity. In line with this need, the process of transporting materials and products between two points is a subject that is constantly emphasized. Conveyors as a type of continuous carriers among the transport systems; are preferred in many sectors due to the efficiency, cost and space advantages it brings.
Conveyor systems can be found in many types according to the functions that businesses can demand. Transfer machines as one of these types; basically, enables the product transfer by providing the connection between the conveyors. They can be used for many functions; from collecting the semi-finished products that go through different production processes on one line, to separating the products transported on a line according to their various properties. Especially, with the development of automation technologies; integration between conveyor systems and the usage areas of transfer machines have increased significantly. Transfer machines, which have a wide range of usage area from assembly lines to storage systems, are preferred in almost every sector today.
In this study, the calculation methods and design criteria for a transfer machine, which will be used in product transfer between conveyors, have been compiled. In line with this compiled information, a compact and efficient transfer machine design with a wide usage area has been made.
Firstly, the working conditions for the transfer machine are determined and due to those conditions it is decided that the machine should have versions with different speeds and sizes. In this way, it is aimed that the machine versions which are created by using the same design method, can meet the different load, speed and product size requirements of the enterprises. The smallest width and length values of the product that can be transferred for the designed machine are determined as 250 mm, and the largest width and length values are determined as 700 mm. The speed of the transfer conveyor is decided to be between 20 m/min and 60 m/min. Accordingly, while high carrying capacity can be offered for light products, it is aimed to transfer heavier products with the same machine design.
The type of transfer conveyor that the transfer machine will contain is determined as belt conveyor. The belt conveyor, which will be used to transfer unit loads, is formed by using narrow belts together. In this way, it is aimed that the designed transfer machine can work in harmony with the roller conveyors, whose frequency of use is constantly increasing. Using the ISO 5048 standard, calculation principles related to belt conveyors were compiled and the parameters affecting the power requirement were examined.
It has been determined that the pulley diameters to be used in the belt conveyor seriously affect the secondary resistances. By determining the secondary resistances for different pulley diameter values, the most efficient pulley diameter value that can keep the machine dimensions at the targeted level, is selected.
Low amount of coefficient of friction between the motorized roller which is planning to be used to drive the belt conveyor and the belt; increaeses the amount of pre-tensioning that is needed to be given to the belt. It was determined that the high amount of pre-tensioning increases the secondary resistances. For this reason, it is decided to cover the motorized roller with rubber (PVC) in order to increase the coefficient of friction between the motorized roller and the belt.
The primary and secondary resistances of the belt conveyor are changing for the different size and speed versions of the machine. These resistances, which occur under continuous and accelerated working conditions of the belt conveyor, are classified according to different versions of the machine. With this classification, maximum load value and transfer speed of the transfer machine are determined for the different versions created. 
The transfer conveyor that the transfer machine will contain, must be lifted in order to transfer the product coming from the main conveyor. It was decided to use cam mechanisms for this required take-off movement. 
The design method which is used to form cam mechanism is chosed among the various design methods according to the transfer method of the transfer machine and the total amount of rotation of the cam mechanism. For this preference, the total take-off distance required by the transfer conveyor has been determined as 13 mm; and the first 5 mm of this distance will be used to bring the upper level of the transfer conveyor to its connected main conveyor's upper level. In the remaining 8 mm, the cam mechanism will lift the product on it with the transfer conveyor. It is aimed that the cam mechanism designed in the study can balance the discontinuous load on it. For this purpose, special polynomial curves are created using MATLAB. In the calculations; it has been observed that keeping the period that the cam carries low amount of load short, reduces the total torque requirement, but removes the resulting pressure angle and minimum radius of curvature values from acceptable levels for the targeted cam size . Therefore; the cam design is optimized with the parameters which are defined for the junction points of the motion curves, by considering the compactness and low power requirement. The cam design which is selected tor the transfer machine is compared with the cam designs which were considered at the preliminary design stage and the differences between these designs have been interpreted. 
After the design of the belt conveyor and the cam mechanism to be used to lift this conveyor is clarified, the design phase of the other machine components to be used in the machine is considered. 
In line with the compactness target, which is set for the transfer machine, the overall height of the machine has great importance. Especially in enterprises where floor conveyors and multi-level conveyors are used, efficient use of space is among the basic design goals. Therefore, components used in the machine such as the camshaft, linear shaft and 4-rod mechanism are positioned to minimize the overall height of the machine. In the preliminary design phase, the machine components are placed on the chassis and the stresses that occur according to their positions are calculated. Appropriate dimensions were made according to these stress values. Components such as linear bearing, cam follower and ball joint are also selected by making necessary calculations for a minimum 15-year life expectancy. 
After dimensioning all the machine components, final designs for the different sizes of the transfer machine are created in the SOLIDWORKS design package program. 
By considering the time of the cam mechanism to lift the product and the time of the product to arrive to the transfer conveyor; a general equation has been derived for the versions of the designed machine with different sizes and speeds. With this equation, reference charts are created for different speed codes of the machine and different dimensions of the product to be transferred. It is observed that package throughput per hour varies between 1000 and 3500 for different weights and sizes of the product.
Finally, the obtained results are interpreted and it is suggested that experimental studies can be carried out for some calculations which are taken from standards.