Çamaşır makinesi adaptif sıkma algoritması
Washing machine adaptive spinning algorithm
Yazar: İPEK TERZİOĞLU
Danışman: PROF. DR. ATA MUGAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Teknolojideki hızlı ilerleme ülkelerin ve buna bağlı olarak üreticilerin teknolojik ilerlemeleri takip etme zorunluğunu getirmektedir. Teknolojik ilerlemelere yapılan yatırımlar üreticilere rekabette söz sahibi olma hakkını sunmaktadır.
Beyaz eşya kullanıcıları için enerji ve maliyet konusu en büyük taleplerden bazılarıdır. Beyaz eşya üreticileri bu talep için teknolojilerini geliştirmektedirler. Fakat zaman ve maliyet kaybı bazı uygulamalarda üreticilere engel teşkil etmektedir. Bu kaybı ortadan kaldırmak için deneysel metotların yerini alacak bilgisayar uygulamaları öne çıkmaktadır. Bu uygulamalar kısa zaman içinde maliyet kaybı yaşanmadan çalışmaları belirli sapma aralıklarında gerçekleyebilmektedir.
Çamaşır makineleri su ve enerji kullanımı dolayısıyla devamlı değişim  halinde  olan bir üründür. Bunun sebebi dünya nüfusunun artması ile  enerji  kaynaklarının  daha  kısıtlı hale gelmesi olarak gösterilebilir. Çamaşır makinesi üreticilerinin teknolojiyi yakından takip etmesi zorunlu hale gelmektedir. Deneysel yöntemlerle yapılan uygulamalar su ve enerji kullanımı sebebiyle gelişmeyi kısıtlamaktadır.
Tez kapsamında çamaşır makinesinde deneysel olarak incelenebilecek olan çalışmalar , çamaşır makinesi modelinde incelenerek üretici açısından zaman ve maliyet, dünya kaynakları açısından su ve enerji kullanımının azaltılması hedeflenmektedir.
Çamaşır makinesinde çamaşır yıkama, durulama ve sıkma aşamalarından geçmektedir. Sıkma aşamasında çamaşır makinesinin sıkma kapasitesine bağlı olarak farklı yüksek devirlere çıkmaktadır. Yüksek devirlerde çamaşır  makinesinde istenmeyen mekanik etkiler görülmektedir. Bu etkiler bazı durumlarda makine içerisindeki parçalara zarar vermekte ve kullanıcı tarafından hoş karşılanmamaktadır. Bu sebeple çamaşır makinesi sıkma adımı belirli parametrelere bağlı olarak optimize edilmesi amaçlanmaktadır.
Tez kapsamında sıkma profillerini optimize etmek için sıkma verimi yeterli olan farklı profillerin çamaşır makinesi modeli üzerinde denenerek deplasman değişimleri incelenmektedir. Buna bağlı olarak çamaşır makinesinde yük  miktarı  özelinde  en uygun sıkma profilinin belirlenmesi hedeflenmektedir.
Bu hedefe ulaşmak için bir deney düzeneği kurulmuştur. Deney düzeneğinde farklı sıkma profilleri farklı yük  miktarları için  tek  makinede  uygulanmıştır. İleride yapılacak çalışmalarda farklı çamaşır makineleri için farklı profiller oluşturulabilir ve optimum sıkma verimine ulaşmak  için çalışma genişletilerek bir adaptif sıkma algoritması oluşturulabilir.
Tez kapsamında deney düzeneği ile yük miktarına bağlı olarak çamaşırdan sıkılan su miktarları ölçülmüştür. En iyi sıkma profili bahsedilen şekilde belirlenmektedir. Fakat makinenin ömrü, titreşim düzeyinin belirli bir seviyede tutulması için üç eksende kazan deplasman değişimleri önem kazanmaktadır. Bu amaçtan yola çıkılarak elde edilen çamaşır makinesi modelinde sıkma profilleri uygulanmıştır.
Uygulanan sıkma profilleri ile kazan deplasmanları çamaşır makinesi modelinde elde edilmiştir. En iyi sıkma profili, atılan su  miktarının  en  fazla  olduğu  ve  çamaşır makinesi titreşimlerinin minimum düzeyde elde edilen profil olmaktadır.
Çamaşır makinesinde kullanıcının makineye attığı çamaşır miktarının tahmin edilmesi yıkama aşamasında fazla su harcanmaması için önemli bir kriterdir. Bazı çamaşır makinelerinde otomatik deterjan dozajlama sistemi bulunmaktadır.  Çamaşır makinesinde bulunan yük miktarının algılanması ile otomatik  dozajlama  sistemi tahmin edilen çamaşır miktarına göre dozajlama yapmaktadır.
Tezin ilk bölümünde literatürde çamaşır makinesi  içindeki  çamaşır yükünün algılanması konuları ile alakalı literatür ve patent araştırmalarına yer verilmiştir.
Sıkma aşamasında çamaşırın yüksek devirlerde dengesiz dağıldığı durumlarda tambur çepherine yapışarak dengesiz kuvvet oluşturmaktadır. Dengesiz kuvvet tez çalışmasında bahsedilen kazann üç eksendeki deplasman değişimini etkilemektedir. Çamaşır makinesi farklı yöntemler ile  sıkma  durumundaki  dengesiz  yükü algılamaktadır ve bu duruma göre yükü dağıtmak için farklı bir sıkma algoritması uygulamaktadır.
Tezin ilk bölümünde dengesiz yükün algılanması konuları ile alakalı literatür ve patent araştırmalarına da yer verilmiştir.
Çamaşır makinesi modeli elde edilirken farklı programlar kullanılmaktadır. Tez kapsamında Modelica/Dymola programı tercih edilmiştir. Modelica uygun model için açık kaynaklı, nesne yönelimli ve denklem tabanlı bir dildir.  Dymola  ise  Modelica dilinde yazılan modellerin  derlenerek analizinin yapılmasını sağlayan farklı disiplin ler ile çalışılabilen bir dinamik çözümleyicidir.
Tezin ikinci bölümünde ilk olarak çamaşır makinesi modeli oluşturulurken önem verilecek komponentlerin seçilmiş  ve komponentlerin  doğru matematiksel denklemler ile modellenebilmesi için literatür araştırmalarına yer verilmiştir.
Tezin üçüncü bölümünde Modelica/Dymola ile çamaşır makinesi için yapılan çeşitli çalışmaların literatür araştırmasına  yer verilmiştir. Ayrıca  seçilen komponentlerin Modelica/Dymola ile öncül model haline getirilmesi anlatılmış ve öncül modelleme aşamasından sonra elde edilen sonuçlar incelenmiştir.
Çalışmanın öncül modelleme bölümünde gerçek sonuçlar ile model sonuçları arasında farklılıklar olduğu görülmüştür. Sonuçların  geliştirilmesi  ve   doğrulanması  için deneysel ölçümlere ihtiyaç duyulmuştur. Bu amaca yönelik farklı deney düzenekleri kurulmuştur ve model sonuçlarının optimizasyonunda kullanılacak  deneysel sonuçlar elde edilmiştir.
Modelin doğrulanması için yapılan deneysel ölçümlere ve bu deneysel ölçümler ile modeldeki  komponent  parametrelerinin  optimizasyonu  yapılmıştır. Son  olarak modelin sonuçlara bağlı olarak güncellenmesi anlatılmaktadır.
Mevcut çamaşır makinesinde tek sıkma algoritması bulunmaktadır. Sıkma algoritması çamaşır yüküne, yükün oluşturduğu dengesiz yüke ve yaratacağı deplasman değişimlerine göre farklı kademeler ya da süreler kullanmamaktadır.
Tezin dördüncü bölümünde sıkma devirlerine farklı sürelerde ulaşılması, devirler arasında kademe olması ya da olmaması ve bu devirlerde farklı sürelerde beklenilmesi için birbirinden farklı sıkma profilleri oluşturulmuştur. Bu profiller çalışılan çamaşır makinesinde farklı yük miktarları ile uygulanmıştır. Buna bağlı olarak deney düzeneği kurulmuş ve veri toplanmıştır. Ayrıca bu bölümde çamaşır makinesinde  çamaşır yükünün algılanmasına yönelik incelenmesi gereken parametreler ve sonuçların elde edilmesi için oluşturulan deney planına yer verilmiştir.
Ayrıca bu bölümde adaptif sıkma profillerinin deney sonuçlarına yer verilmiştir. Bu sıkma profilleri bu bölümde  en iyi  su atan sıkma  profili  olarak  seçilmektedir.  Ayrıca bu bölüm çamaşır yükü algılama deneysel sonuçlarını içermektedir. Bulanık mantık algoritması kullanılarak Matlab programında yük algılanması da  bu  bölümde anlatılmaktadır.
Tezin bu bölümünde rulman hesabı yer almaktadır. Rulman hesabı yapılarak diğer verilerin de sonucuyla adaptif sıkma profili seçimine yer verilmektedir.
Tezin beşinci ve son bölümünde yapılan tez çalışmasının sonuç ve önerilere yer verilmiştir.

Abstract:
Rapid progress in technology brings with it the obligation of countries and their manufacturers to follow technological advances accordingly. Investments made in technological progress offer the right to have a say in the producers.
For white goods users, energy and cost are some of the greatest demands. White goods manufacturers are developing technologies for this  demand.  But loss  of time  and cost is an obstacle to the producers in some applications. Computer applications that take experimental methods to remove this loss come to the forefront.  These applications  can be performed within a short period of time without any cost loss.
Washing machines are constantly changing due to the  use of water and energy. This can be attributed to the increase in the world population and the limited availability of energy resources. It is becoming imperative that washing machine  manufacturers follow technology closely. Experimental practices restrict the  development  of water and energy.
Within the scope of the thesis, it is aimed to reduce the time and cost in terms of producers and the use of water and energy in terms of world resources by examining the studies which can be experimentally examined  in the washing machine in the washing machine model.
The washing machine goes through the stages of washing, rinsing and spinning. Depending on the spinning capacity of the washing machine  during  the spinning stage, it rises to different high speeds. At high speeds, unwanted mechanical effects are seen in the washing machine. These effects in some cases damage the parts inside the machine and are not welcomed by the user. For this reason, the aim of the washing machine is to optimize the spinning stage depending on certain parameters.
In order to optimize the spinning profiles within the thesis, displacement profiles are examined by testing different profiles which are sufficient to spinning on the washing machine model. Accordingly, it is aimed to  determine  the  most  suitable spinning profile in the washing machine in terms of the amount of load.
An experimental setup was established to achieve this goal. The different spinning profiles in the test setup were applied to the single machine for different load quantities. In future work, different profiles can be created for different washing machines and an adaptive spinning algorithm can be created by expanding the work to achieve optimum spinning efficiency.
Within the scope of the thesis, the amount of water squeezed from the laundry was measured according to the experimental setup and the load amount. The best spinning profile is determined as mentioned. However, in order to keep the washing machine' s life and obtain the vibration level at a certain level, three-axis tub displacement changes become important. For this  purpose, the spinning profiles have been applied in the model of washing machine obtained from the way.
The washing machine tub displacements were obtained in the washing machine model with  the applied  spinning  profiles.  The best spinning  profile  is  the maximum  amount of water being squeezed and the profile of the washing machine vibrations  to  a minimum value.
Estimating the amount of laundry in the washing machine is an important  criterion  for not spending too much water in the washing stage. Some washing machines have an automatic detergent dosing system. By sensing the amount of load in the washing machine, the automatic dosing system is dosing according to the estimated amount of laundry.
In the first part of the thesis, literature and patent research related to the perception of the laundry estimation in the washing machine are included in the literature.
When the laundry is unevenly dispersed at high speeds during the spinning stage, the laundry sticks  to the drum and creates unbalanced force. In thesis study, the unbalanced force affects the displacement of the three axes of the tub. The washing machine detects the unbalanced load in the early spinning state by different  methods and applies a different spinning algorithm to distribute the load accordingly.
In the first part of the thesis, related literature  and patent researches are also included in the topics of perception of unbalanced load.
Different programs are used when obtaining the washing machine model. Within the scope of the thesis, Modelica / Dymola program was preferred. Modelica is an open- source, object-oriented and equation-based language for the  appropriate  model. Dymola is a dynamic analyzer that can be worked on with different disciplines which enables compilation and analysis of models written in Modelica language.
In the second part of the thesis, the components to be given importance were selected while the washing machine, and literature researches were made to model the components with correct mathematical equations.
In the third part of the thesis, a literature search of various studies for the washing machine with Modelica / Dymola was given. In addition, it  is  explained  that  the selected components are modeled with Modelica / Dymola and the results  obtained after the modeling phase are examined.
The results obtained after the preliminary modeling phase are examined. There were differences between the actual results and the model results. Experimental measurements were needed to develop and validate the results. Different experimental setups for this purpose have been established and experimental  results have been obtained which will be used in optimizing the model results.
The model parameters were optimized by the experimental measurements and the experimental measurements made to validate the model. Finally,  it  is  explained  that  the model is updated depending on the results.
The existing washing machine has a single spinning algorithm. The  clamping algorithm does not use different stages or durations according  to the load  of laundry, the unbalanced load generated by the load and the displacement changes that it will create.
 
In the fourth part of the thesis different spinning profiles were established for reaching the spinning cycles at different times, between or without stages between the cycles, and waiting at different times in these cycles. These profiles were applied with  different laundry load quantities in the washing machine. In addition to this, in this section, the parameters and results to be examined for the detection of the laundry load in the washing machine.
Experimental results of different adaptive spinnig profiles are included. These adaptive spinning profiles are selected as the best water extrusion profile in this section. This section also contains the experimental results of laundry load detection. Load detection in Matlab program using fuzzy logic algorithm is also explained.
Bearing force calculation according to the experimental results. Load, unbalanced load and many parameters are used in the bearing calculation. After the forces coming into the bearings are calculated, the adaptive sqeed profile is selected with the water data which is thrown according to the profile.
The conclusion and suggestions of the thesis in the fifth and last chapter of the thesis.