6 serbestlik dereceli rotasyonel stewart platformu tasarımı ve yüzey pürüzlülük ölçümlerinde eğim sensörü ile konum kontrolü
Designing 6 degrees of freedom rotary stewart platform and positioning using tilt sensor during the surface roughness measurement
Yazar: ENES UĞUROĞLU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. SIDDIK MURAT YEŞİLOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Kontrol ve otomasyon sistemleri 1700'lü yıllarda başlayan sanayide makineleşme sürecinin günümüzdeki zirvesidir. Üretiminde zaman ve emek gereken, risk taşıyan aynı zamanda hataya açık olan ürünlerin üretimi, kontrolü ve taşınması işlemlerinin bir otomasyon sistemiyle yapılması en verimli çözümdür. Özellikle seri olarak yapılan ve kullanımında insan hayatı için risk taşıyan ürünlerin hatasız üretiminin ve hatalı üretilen ürünlerin kullanımını engellemek adına yapılan kontrollerin insan dikkatinden bağımsız olarak yapılması son derece önemlidir. Günümüzde paralel ve seri robotlar insan dikkatinden bağımsız, güvenli, hızlı ve stabil çalışmaların istendiği süreçlerde sanayide kendilerine yer bulmuşlardır.
Seri olarak üretilen ürünlerde kısa zamanda çok sayıda ürünün üretilebilmesi daha düşük maliyette üretim yapılabilmesine olanak sağlamasına rağmen hataların kontrolü zorlaşmakta ve hatta bazen imkansız hale gelebilmektedir. Bu sebeple üretim proseslerinin güvenilirliği prosesin çok dikkatli bir şekilde izlenerek yapılan detaylı istatistiksel analizlerin sonuçlarının iyi bir şekilde yorumlanmasıyla sağlanmaktadır. İstatistiksel proses kontrol bu amaçla bir üretim prosesinin istenilen yeterliliği mevcut durumda ne oranda sağlayabildiğini matematiksel veriler yoluyla sunan bir hesaplamadır. İstatistiksel proses kontrol, aynı zamanda kontrol edilen ölçü değerinin her bir üretimde tolerans limitleri dahilinde dağılımını incelediğinden yalnızca mevcut yeterliliği değil, gelecek üretimlerdeki yeterliliği de hesaba katmaktadır. Dolayısıyla istatistiksel proses kontrolü hesaplamaları sonucunda yeterli bir proses değerinin bulunabilmesi için ürünlerin ölçülerinin tolerans limitleri dahilinde olması değil aynı zamanda her zaman düzgün bir hata dağılımı göstermesi gerekmektedir. Analiz sonucunda istenilen yeterliliğe sahip olmayan bir sonucun çıkması bu ürünün ilgili ölçüsünün sürekli olarak kontrol edilmesini gerektirerek üretim maliyetini çok önemli boyutlarda arttırdığından yapılan analizin en iyi şartlarda ve hatasız yapılabilmesi çok önemlidir.
Yüzey pürüzlülük ölçüleri özellikle talaş kaldırmadan elde edilen yüzeylerde değişiklik gösterme eğilimindedir. Bir profilometre cihazı ile yüzey pürüzlülük değeri ölçülürken ölçüm ucunun ölçüm yüzeyine tam 90º olarak konumlandırılamaması yüzey pürüzlülük ölçümlerinde elde edilen hatalı ölçü değerlerinin en büyük sebebidir. İstatistiksel proses kontrolü sürecinde veriler toplanırken bir ürünün aynı ölçüsü birçok parça üzerinde ölçüldüğünden konumlandırmanın her seferinde farklı açılarda yapılması hem hatalı ölçü değerlerinin alınmasına hem de alınan hata değerlerinin düzgün bir dağılım gösterememesine sebep olmaktadır. Bu durum üretilen ürünün, istenilen proses yeterliliğine sahip olmasına rağmen sürekli olarak kontrol altında tutulmasına sebep olmakta, maliyetini yükseltmekte ve hatta bazen doğru olarak üretilen ürünün hurdaya ayrılmasına sebep olmaktadır.
Bu çalışmanın amacı otomotiv sanayinde yüzey pürüzlülüğü değeri üzerine yapılan İPK çalışmaları sonucunda bulunan prosesin yeterlilik değerini önemli ölçüde arttırmak ve bu çalışmalar esnasında ölçüm parçasının hazırlanmasında kaybedilen zamanı önemli ölçüde azaltarak daha düşük maliyetli ve yüksek kalitede ürünlerin üretilmesine katkı sağlamaktır.
Bu amaca ulaşmada kullanılması planlanan en önemli sistem seri çalışan ve oldukça hassas pozisyonlama özelliği bulunan bir paralel robot olan stewart platformudur. Ölçümü yapılacak parçaların geometrileri ve fiziksel özellikleri hesaba katıldığında bu çalışmada stewart platformu literatürde sıklıkla kullanılan pistonlar yardımıyla değil daha düşük maliyetli ve hassas konumlama gereken yerlerde sıklıkla kullanılan step motorlar yardımıyla yapılacaktır. Paralel robotun konumlandırılmasında eğim sensörü olarak kuvvet-denge sensörlü inklinometreden yararlanılacak ve ölçülen değer paralel robutun mikrodenetleyecisine seri olarak bağlanan inklinometrenin mikrodenetleyicisinden gönderilecektir.
Bu çalışmada mevcut yüzey ölçüm teknolojileri ve çalışmada kullanılan mekanik profilometre yapısı detaylı olarak anlatılmış, deneylerde prosesin yeterliliğinin hesaplanmasında kullanılan istatistiksel proses kontrol yöntemlerinden bahsedilmiştir. Ölçümü yapılacak ürünü en iyi şekilde konumlandırmak için tasarım akış şeması oluşturulmuş ve bu şemaya göre tasarım gereklilikleri belirlenmiştir. Belirlenen tasarım gereklilikleri doğrultusunda çalışmada kullanılacak stewart platformu 3 boyutlu tasarım programı yardımıyla tasarlanmıştır.
Stewart platformunun pozisyon kontrolü ters kinematik hesaplamalardan yararlanılarak geliştirilen algoritma ile gerçekleştirilmiştir. 3 boyutlu olarak gerçekleştirilen tasarım simulink programında mekanik olarak modellenmiş ve gerekli hareket kısıtları tanımlanarak ters kinematik simulasyonu ile, tasarlanan modelin hareketi gözlemlenmiş ve geometrik yöntemle hesaplanan ters kinematik analiz doğrulanmıştır.
Konumlandırılması yapılacak ölçüm yüzeyinin eğimini ölçmede kullanılabilecek eğim sensörünün seçilebilmesi için mevcut teknolojiler teorik olarak incelenmiş ve uygun sensörün seçimi yapılmıştır. Stewart platformunun mekanik yapısı ve sahip olduğu eyleyicilerin kontrolünde kullanılan mikrodenetleyiciler ile inklinometre sensörünün kontrolünde kullanılan mikrodenetleyici ve aralarında oluşturulan seri iletişim devre elemanlarını kapsayan sistem yapısı incelenmiş ve detaylı olarak anlatılmıştır.
Çalışmanın sonunda paralel platformların hassas konumlandırma kabiliyetlerinden yararlanılarak yüzey pürüzlülük ölçümü yapılacak ürünlerin ölçüm yüzeylerinin profilometrenin ölçüm ucuyla tam 90º'lik açıya sahip olacak şekilde konumlandırılması gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada örneklenen yüzey pürüzlülük ölçüsü gibi krtitik karakteristiğe sahip ölçülerin tolerans limiteri dahilinde üretilebilineceğini kanıtlayan ve zorunlu olarak yapılan istatistiki yöntemler ve hesaplamalar anlatılmış ve sunulan sistemin istatistiksel olarak proses yeterliliğine katkısı araştırılmıştır. Sunulan çözüm sayesinde yüzey pürüzlülük ölçüm prosesinin istatistiksel olarak yeterliliğinin arttırılması sağlanmış ve kontrol sıklığı önemli ölçüde azaltılarak üretim maliyetleri düşürülmüştür.
Oluşturulan sistem ile birlikte yüzey pürüzlülük ölçümlerinde ölçüm numunelerinin rotasyonel bir RSS-SPM ile konumlandırılması ilk kez yapılmış ve bu proses operatör dikkatinden bağımsız hale getirilerek yeni sistemin katkısı incelenmiştir.

Abstract:
Today control and automation systems are the latest technology of the mechanization process which starting in the year 1700. Automation sytems are the easiest and most safest solution especially for the manufacturing a product which requires a lot of production time, highly labor power and contain risks for humanity. During the serial production, control process is as important as production of the products especially when the products are safety parts which have dimensionally critical characteristics. Therefore it is one of the most important issue to making the process independent of human attention. Today parallel and serial manipulators found themselves in the industial applications where the process requires safety, stabilization, pace and independence of human attention.
Although the serial production providing short time manufacturing process with lower cost, control process to detection of the defective products becomes very difficult even sometimes imposssible. Therefore to ensure the reliability of the production, process parameters must be monitored interpreting the results of the statistical analysis. For this purpose statistical process control is a calculation which provides mathematical data to measure required capability of a manufacturing process. But also, statistical process control analyzing distribution of the measured data within the tolerance limits for each production process, it is not only provides existing capability, qualification of the future production is also taken into account. Therefore, in order to find an adequate process value as a result of statistical process control calculations, it is not only requirement to ensure dimensions within tolerance limits but also deviation of the dimensions always must be demonstrate uniform distribution. Because of the inadequate process capability values of the statistical analysis requires constantly detection of the related dimensions of the products which causes significant increase of the production cost, it is very important to ensure precise conditions during the measurement for the statistical process control.
Statistical Process Control (SPC) is an industry-standard methodology for measuring and controlling quality during the manufacturing process. Quality data in the form of product or process measurements are obtained in real-time during manufacturing. This data is then plotted on a graph with pre-determined control limits. Control limits are determined by the capability of the process, whereas specification limits are determined by the client's needs. Data that falls within the control limits indicates that everything is operating as expected. Any variation within the control limits is likely due to a common cause the natural variation that is expected as part of the process. If data falls outside of the control limits, this indicates that an assignable cause is likely the source of the product variation, and something within the process should be changed to fix the issue before defects occur.
Surface roughness measurement tend to change especially for the surfaces which produces without machining operation. Most important cause of faulty measurement values during the measurement of the surface with the profilometer is location failure between measurement tip of the profilometer and the related measurement surface which requires exactly 90 degree to achive best result. While collecting data forstatistical process control, same dimension of the parts measuring in many times, with every times different part and measurement tip location causes measurement failure and non-uniform distribution of the deviations. In this case, the produced product, although having the required process capability, leads to continuously kept under control which causes increase of the cost and sometimes even leads to scrapping of the correct products.
This study aims to significantly increase process capability values as a result of the statistical process control analysis of the surface measurement and reduce time lost in the preperation of the measurement products during this studies which allows to production of the high quality products with lower cost reqirement.
A parallel robot stewart platform that works rapidly and precisly is the most important system which planned to achieve this purpose. Stewart platform is a parallel manipulator device that is used for positioning and motion control. The device consists of two plates joined by six adjustable legs that allow it to be precisely adjusted and controlled. Due to the six-leg design, the stewart platform is sometimes called a hexapod. The term can be used to describe any six-legged device. The stewart platform is also classified as a parallel manipulator, meaning that the legs of the platform are attached to only the base and upper plate but not to each other. By contrast, a serial manipulator uses a series of rigid structures connected by joints. The manipulation of one of these rigid sections directly affects the positioning of the sections after it.Although originally used to test tires, the stewart platform soon found applications in the aerospace, automotive, and machining industries. It is perhaps best known for its use in providing the precise movement required of flight simulators. In this study the stewart platform will be created by stepper motor due to lower cost and accurate positioning instead of pistons unlike literatures. Force-balance inclinometer sensor will be utilized for positioning of parallel robot as tilt sensor and measured value will be send from microprocessor of inclinometer to microprocessor of the stewart platform via serial communication between them.
In this study current surface measurement technologies and structure of mechanical profilometer were described in detail, SPC methods which uses for calculation to capabilities of the process in experiments are mentioned. Design flow chart was created for positoning measurement sample to proper location and design requirements were determined according to the chart. In this context the Stewart platform was designed by 3D programme.
Stewart platform's position control was carried out by an algorithm that developed by inverse kinematics calculations. 3D actualized design was modelled mechanically in Simulink programme and movement was observed via inverse kinematics simulation after necessary motion limit assigned and geometrically calculated inverse kinematic analysis verified.
Available technologies of the tilt sensor investigated theorically for the selection of appropriate sensor to measure inclination values of the surface which will be positioned to perfect measurement tip and the measurement surface location. Mechanical structure of the stewart platform, system structure and circuit structure of microprocessor of the stewart platform's actuators and the microprocessors of the inclinometer sensor and their serial communication systems are described.
In conclusion, utilizing the precise positioning capability of the parallel manipulators we ensure that surface which will be measured by profilometer postioned 90 degree with the measurement tip of the profilometer for each measurent during statistical analysis. Statistical methods and calculations which required necessarily for the parts having critic characteristics such as given in this study are described and contrubition of given automation system to statistical process control was investigated. Through the proposed solution statictical capability of the surface measurement process increased and control frequency of the products reduced significantly which leads to production cost reduction. Provided increase of the process capability ensured that frequency of the statistical process control analysis which requires for critical characteristic measurement reduced from every production to every two weeks.
Samples which are going to be positioned through a rotational RSS-SPM in surface roughness measurement is applied for the first time with the generated system and while surface roughness measurement process .becomes independent from attention of operator, contribution of generated system was investigated.