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
Yazar: HİLAL YILDIZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SIDDIK MURAT YEŞİLOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

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.

Abstract:
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