8 kazanlı bir ultrasonik temizleme sisteminin 2 eksenli robot ile tam otomatik kontrolü
Full automation of an 8 – tanked ultrasonic cleaning machine by using 2 – axes robot
Yazar: MESUT KOCAMAN
Danışman: DOÇ. DR. AYHAN KURAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Sistem Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Sistem otomasyonu = System automation ; Ultrasonik temizleme cihazı = Ultrasonic cleaning device

Özet:
Günümüzde endüstrinin temel problemlerinden birisinin de temizlik olduğu aşikardır. Bu nedenle bir çok sanayi kolunun farklı alanlarında ortaya çıkan temizlik ihtiyacına yönelik farklı temizlik yöntemleri geliştirilmiştir. Bunun yanında artan parça çeşitliliği, karmaşıklığı ve bunlara bağlı olarak artan temizlik hassasiyeti ve kalitesi ihtiyaçlarını karşılamak üzere yeni temizlik yöntemlerinin de geliştirilmesi bir zorunluluk haline gelmiştir. Bu talepleri karşılamak üzere geliştirilen ve günümüzde yüksek başarı yakalanmış yöntemlerin başında ise ultrasonik temizleme gelmektedir.
Ortaya çıkan temizlik taleplerini karşılamak için göz önünde bulundurulması gereken en önemli nokta ise ultrasonik temizlik sisteminin tasarımının uygun bir şekilde yapılması gerekliliğidir. Çünkü ultrasonik temizleme yöntemi temizlenmek istenen malzemeye göre belirlenecek temizlik sıvısı, temizlik sıvısı sıcaklığı, ultrasonik çalışma frekansı, ultrasonik dönüştürücü sürme yöntemi ve ultrasonik temizlik süresi gibi bir çok parametreye doğrudan bağlıdır.
Ultrasonik temizleme temel olarak ses ötesi dalgalardan yararlanan bir temizlik yöntemidir. Bu dalgaların temizleyici etkisini gösterebilmesi ise ancak sıvı bir banyo içerisinde mümkündür. Ultrasonik temizleme genel olarak kimyasal ihtiyacını azaltan bir yöntem olmakla birlikte, yine de temizlik sıvısının daha etkili bir temizlik sağlamak adına çoğunlukla kimyasal bir çözelti olması tercih edilmektedir.
Ultrasonik temizleme bugün başta otomotiv endüstrisi olmak üzere, makine ve parça imalatından, sağlık gereçlerinin temizliğine, yarı iletken sanayisinden, koruyucu ve önleyici bakım uygulamalarına kadar geniş bir kullanım alanına yayılmış bulunmaktadır.
Bir ultrasonik temizleme sistemini oluşturan elemanlar temelde, ultrasonik yıkama kazanı, temizlik sıvısı, ultrasonik dönüştürücüler ve ultrasonik sinyal üreteci şeklindedir. İçine temizlik sıvısı doldurulan ultrasonik temizleme kazanının yüzeylerine yerleştirilen veya kazanın içerisine daldırılan ultrasonik dönüştürücülerin ürettiği yüksek frekanstaki ultrasonik ses dalgaları temizlik sıvısı içerisinde yüksek enerjili milyonlarca hava kabarcığı oluşturur. Oluşan bu hava kabarcıklarının yıkama kazanındaki kirli malzeme üzerine çarpıp patlamaları sonucunda yağ, kireç, pas gibi kirler malzeme üzerinden uzaklaştırılmış olur. Ultrasonik temizleme teorisinin temelini oluşturan bu olaya ultrasonik kavitasyon adı verilir.
Bugün sanayide ihtiyaca göre küçük ve tek kazanlı sistemlerden büyük ve çok kazanlı sistemlere kadar farklı tipte bir çok ultrasonik temizleme sistemi üretilmektedir. Temizlenmesi istenen malzemenin boyutları, yapısının karmaşıklığı ve ihtiyaç duyulan temizlik hassasiyeti arttıkça daha büyük boyutlu, daha fazla kazanlı ve otomatize edilmiş sistemlere ihtiyaç da artmaktadır. Günümüzde otomasyon sistemlerinin gelişmesiyle bu ihtiyaçlar da artık karşılanabilir duruma gelmiştir.
Yıkanması istenen bir malzemede yıkama adımlarının arttırılması, temizlik kalitesini arttıran bir unsurdur. Bu amaçla çok kazanlı ultrasonik temizleme sistemlerinin kullanımı büyük önem kazanmaktadır. Ultrasonik yıkama işlemi öncesi ön yıkama işlemi ve ultrasonik yıkama işlemi sonrasında durulama işlemi yapılması temizlik kalitesini önemli ölçüde arttıran adımların başında gelmektedir. Temizlenen malzemeye göre bu adımların birden fazla tekrarlanması da ayrıca söz konusu olabilmektedir. Bu adımların yanında, temizlik sonrasında oksidasyondan koruma amaçlı pasivasyon işlemi yapılması da kirli parçanın temizlenmesi kadar tekrar kirlenmesini önleyici bir işlem adımı olarak yerine getirilmektedir.
Ultrasonik temizleme teorisi gereği malzemelerin bir temizlik sıvısı içerisinde yıkanması, temizlik sonrasında ayrıca kurutma işlemi gerekliliğini de beraberinde getirmektedir. Bu sebeple sıcak hava ile kurutmanın yanında, vakumlama yöntemi ile daha etkin bir kurutma sağlanması da bir seçenek olabilmektedir.
Ultrasonik yıkama sonucunda malzemeden uzaklaştırılan kirlerin ve yağların temizlik sıvısından ayrıştırılması ise temizlik sıvısının yeniden kullanımı ve her işlemde yeniden temizlik sıvısı hazırlama gerekliliğini ortadan kaldırmak adına göz önünde bulundurulması gereken bir diğer noktadır.
Çoklu kazanlarda yapılan yıkama, tüm bu işlem adımlarının sonucunda, özellikle kazan boyutları arttıkça taşıma sistemi problemlerini de ortaya çıkarmıştır. Bu sebeple endüstride manuel vinç sistemlerinin kullanılması operatöre bağımlı bir çalışmaya neden olmakta ve yıkama kalitesini büyük ölçüde operatörün deneyimine ve yeteneğine bırakmaktadır. Dolayısıyla bu sistemlerin otomatize edilmesi büyük önem taşımaktadır. 
Bu çalışmada yıkanmak üzere ele alınan malzemeler otomotiv endüstrisi ürünlerinden olan alüminyum ve çelik araç klima borularıdır. Bu boruların üretim aşamasında oluşan yağ, çapak ve yanık karalıklarının temizlenmesi amacıyla bu teze konu olan makinenin tasarlanmasına karar verilmiştir. Daha önce yine aynı ürünlerin temizlenmesinde kullanılan çok kazanlı, fakat manuel vinç sistemli bir makine olmasına rağmen, bu makinenin temizlik performansının stabil olmaması ve tüm yıkama adımlarını bilfiil yerine getirmek üzere bir operatör bulunması gerekliliğinden dolayı bu teze konu olan makinenin tasarım ihtiyacı oluşmuştur.
Söz konusu makinenin tasarımı amacıyla ilk önce makine prosesi belirlenmiştir. Buna göre makine prosesi; kazan işlemleri ve yıkanacak malzemelerin içinde bulunacağı sepetleri taşımakla görevli olan 2 eksenli robot işlemleri olarak ikiye ayrılmıştır.
Makinede toplam sekiz kazan olmakla birlikte bu kazanların üçü ultrasonik yıkama, üçü durulama, biri pasivasyon ve diğeri de vakumlama ve kurutma işlemleri için tasarlanmışlardır.
Ultrasonik yıkamanın yapıldığı üç kazan eşdeğer kazanlar olmakla birlikte gerçekleştirdikleri kazan işlemleri ise sırasıyla şöyle özetlenebilir; temizlenecek malzemelerden büyük partiküllü kirleri uzaklaştırmak amacıyla yapılan filtrasyon işlemi, ultrasonik dönüştürücülerin çalıştırılması suretiyle gerçekleştirilen ultrasonik yıkama işlemi ve son olarak temizlik sıvısında biriken yağların uzaklaştırılması amacıyla gerçekleştirilen yağ ayrıştırma işlemleri.
Durulama işlemlerinin yapıldığı üç kazan da yine eşdeğer kazanlar olmakla birlikte bu kazanlardaki kazan işlemleri ise sırasıyla şu şekilde özetlenebilir; büyük partiküllü kirlerin uzaklaştırılması amacıyla yapılan filtrasyon işlemi, filtrasyon işlemi sırasında karışan yıkama sıvısını durultmak amacıyla gerçekleştirilen 20 saniyelik bekleme işlemi ve son olarak yağ ayrıştırma işlemleri.
Pasivasyon kazanında yerine getirilen pasivasyon işlemi ise yıkanan malzemenin belirlenen süre kadar ve belirlenen sıcaklıktaki pasivasyon sıvısı içerisinde bekletilmesi suretiyle gerçekleştirilir.
Vakumlama kazanında ise yıkama sıvısı bulunmaz ve yıkanan malzemelerden sıvının tamamen uzaklaştırılması amacıyla tasarlanmış olup, aynı anda vakumlama ve kurutma işlemleri yapılır.
Tüm bu işlemlerin yapıldığı kazanlar ultrasonik yıkama, durulama, ultrasonik yıkama, ultrasonik yıkama, durulama, durulama, pasivasyon ve vakumlama şeklinde sıralanmışlardır ve oluşturulan reçete yapısıyla istenilen reçete oluşturularak istenilen temizleme işlemi alüminyum veya çelik klima boruları için gerçekleştirilebilir.
Reçete parametreleri ise kazan seçimi, kazanlara ait sıcaklık değerleri, sıcaklık değerleri için belirlenen tolerans değerleri, ultrasonik yıkama kazanlarında gerçekleştirilen filtrasyon işlemleri için çalışma süresi, yağ ayrıştırma işlemleri için çalışma süresi ve kazandan alınan sepetlerdeki sıvının kazana geri süzülmesi için bekleme süresi olarak belirlenmiştir. Ultrasonik dönüştürücülerin çalışma süresi ise toplam kazan işlemlerinden filtrasyon işlemleri ve yağ ayrıştırma işlemlerinin çıkarılmasıyla hesaplanır. Benzer şekilde durulama işlemi yapılan kazanlarda filtrasyon işlemi için belirlenen süre de toplam işlem süresinden bekleme süresi ve yağ ayrıştırma süresinin çıkartılmasıyla hesaplanır. Sürelerin bu şekilde belirlenmesinin sebebi dengeli bir yıkama işlemi sağlanabilmesi için kullanıcı hatasını ortadan kaldırmaktır.
Yıkama işlemi gerçekleştirilecek malzemeler 200 kg'a kadar taşıma kapasitesine sahip yıkama sepetlerine koyulurlar ve makine prosesini oluşturan diğer işlem olan 2 eksenli robot işlemleri ile otomatik olarak taşınmaları gerçekleştirilir. Buna göre; yıkama sepetleri operatör tarafından giriş konveyörüne yerleştirildikten sonra çalışma reçetesinde seçimi yapılan parametrelere göre makineye 2 eksenli robot ile kabul edilirler ve makine içerisindeki tüm taşıma işlemleri de yine robot tarafından gerçekleştirilir. Son olarak yıkama işlemi biten sepet içindeki malzemeler çıkış konveyörüne aktarılarak operatör tarafından makineden alınırlar.
2 eksenli robot işlemleri ise sepet alma ve sepet bırakma işlemleri olarak ikiye ayrılmıştır. Her iki işlemin gerçekleşmesi için robot kolun sepet alma veya bırakma bölgesine hareketi (yani x – ekseninde), olası bir çarpışma riskini minimuma indirmek amacıyla z – ekseninin her zaman "0" pozisyonunda olduğu durumlarda gerçekleştirilmektedir. Ayrıca makine prosesi sürekli ileri yönde oluşturulduğu için kazan işlemleri makinede bulundukları sıraya göre yapılır. Bu nedenle robot kolun hareketi sadece ileri yönlüdür. Örneğin; 3. kazan işlemi sonrası 1. veya 2. kazana geri dönüş yoktur. Bu durumda sepet ileri yönde seçilen bir kazan varsa bu kazana bırakılır veya doğrudan çıkış konveyörüne aktarılır. 
Makinede toplam sekiz kazan olduğu için makinede aynı anda tüm kazanlar da dolu olabilir. Fakat makinenin çalışma prensibi gereği her zaman ileri yönlü bir hareket söz konusu olmasından ve bir kazan doluyken bu kazana yeni bir sepet koyulamayacağından dolayı, yeni bir sepet alma işlemi ancak makinede çalışma yönünde en son kazanda bulunan sepetin çıkartılmasıyla mümkün olabilir. Bu durum bazı kazanlarda bulunan malzemelerin haddinden fazla beklemesine sebep olabileceği için en optimum sürenin belirlenmesi gerekmektedir. Bu yüzden, yeni sepet alma işlemi için seçilen reçetedeki en fazla süreli kazan işleminin süresine robot taşıma işlemlerinden dolayı kaybolan zaman için de ortalama 2 dakikalık bir süre ilave edilir ve her yeni sepet alma işlemi ancak bu süre tamamlandıktan sonra gerçekleştirilir.
Belirlenen makine prosesi sonrası, ultrasonik temizlemenin kalbi olan ultrasonik dönüştürücülerin rezonans frekansında sürülebilmesi için çalışma frekansının belirlenmesi amacıyla söz konusu dönüştrücülerin Butterworth – Van Dyke modeline göre modellenmesi gerçekleştirilmiştir. Çalışma frekansının bulunmasından sonra ise dönüştürücüleri bu frekansta çalıştıracak uygun sürücü devresi tasarlanmıştır.
Tüm otomasyon süreçlerinin gerçekleştirilmesi amacıyla gerekli elektrik tasarımı yapılmış ve ana kontrolcü olarak PLC ve robot kol için her iki eksende de servo motor kullanılmasına karar verilmiştir. Sensörler ve kumanda elemanları için uygun giriş ve çıkış modülleri seçilmiştir.
Makinenin otomasyonu için tüm yazılımlar ise kontrolör tabanlı otomasyon yaklaşımı gözetilerek PLC içerisinde gerçekleştirilmiştir ve PLC yazılımları Otomata Teorisi temel alınarak yapılmıştır. Bunun yanında görselleştirme için de yine bir HMI ekranı tasarımı yapılarak kullanıcının makineyi en rahat şekilde kullanması sağlanmıştır. Ayrıca makinede anlık olarak beliren alarm ve uyarılar da yine bu ekran vasıtasıyla kullanıcıya gösterilmektedir.
Teze konu olan makine Hydra Ultrasonik firması adına Ormak Hortum şirketine yapılmıştır ve şu anda halihazırda Düzce fabrikasında devreye alınmış olup, üretimde altı aydır sorunsuz olarak çalışmaktadır. Daha önce kullandıkları çok kazanlı ve manuel vinç sistemli makine ile karşılaştırıldığında ise yıkama ve üretim performansı olarak yüksek memnuniyet yarattığı müşteri tarafından iletilmiştir.

Abstract:
It is apparent that the cleaning is accepted as one of the base problems in the industry. Different methods were developed to maintain the cleaning needs in the different areas of several branches of industry. Developing new cleaning methods and improving the new ones was also become a strong need because of the increacing variety and complexity of manufactured parts in the industry and also cleaning precision and cleaning quality. Therefore, ultrasonic cleaning is one of the methods that was developed to satisfy those needs and now it is accepted that it is one of the best methods as it provides high satisfaction for a wide range of cleaning needs in the industry.
The most important point about an ultrasonic cleaning process is its design. After determining the cleaning needs, ultrasonic cleaning system hast to be designed properly to satisfy those needs. Because cleaning success with an ultrasonic cleaning system is related to different parameters like ultrasonic cleaning liquid which has to be determined according to the material that is aimed to be cleaned, ultrasonic cleaning liquid temperature, operating frequency and driving methods of ultrasonic transducers, and ultrasonic cleaning time.
Ultrasonic cleaning is basiclly the method which utilizes the ultrasonic waves to clean the parts. Cleaning effect of those waves is only possible in a liquid bath. Although ultrasonic cleaning is a method which can decrease the chemical needs for cleaning, ultrasonic cleaning liquid is generally used as a chemical solution to increase the cleaning success.
With its high cleaning success, now ultrasonic cleaning is utilized especially in automotive industry, manufacturing parts and machines, cleaning of medical tools, semiconductor industry and preventive maintenance.
The basical parts that composing an ultrasonic cleaning system is ultrasonic cleaning tank, cleaning liquid, ultrasonic transducers and ultrasonic signal generator. High frequency – ultrasonic waves which are produced by the ultrasonic transducers that are mounted to ultrasonic tank create millions of air bubbles with high energy. The dirts aimed to be cleaned are removed by bumping of those air bubbles to the surface of dirty parts. This event is called as ultrasonic cavitation and it is the core of ultrasonic cleaning theory.
Recently in the industry, lots of ultrasonic cleaning system are manufactured from small sizes to bigger sizes or from one tanked – system to multiple tanked – systems. As it is increasing the sizes, complexity and cleaning precision of the materials aimed to be cleaned, amounts of cleaning tanks, sizes of the cleaning system and automation needs also increases. Now with advanced automation systems, those needs can be satisfied.
Multiplying of cleaning steps of a material is a direct factor for increasing cleaning quality. For that reason, using of multiple tank systems has high importance. Pre-cleaning of an ultrasonic cleaning operation and rinsing of the cleaned material is the base operations of utilizing multiple tank systems for increasing the cleaning quality. Sequential ultrasonic cleaning operations can also be an option in multiple tank systems considering the properties of the material and the dirt over it. On the other hand, passivation of the materials can be fulfilled after the cleaning operation to prevent oxidation and to keep the materials clean.
Cleaning of the materials in a liquid bath since ultrasonic cleaning theory, it is also required to dry the materials after cleaning operation. Therefore, drying of the materials are fulfilled only by hot air or with vacuuming operation at the same time in the same tank.
As ultrasonic cleaning operations pollutes the cleaning liquid while the materials are cleaned, it is another challenge to purify the liquid in some period. Therefore, filtration of the big particles and skimming the oil from the liquid before or after the ultrasonic cleaning has high importance for preventing to change cleaning liquid for every cleaning operation.
Cleaning operations in multiple tank systems results in transporting problems especially in bigger systems. Therefore, using of manuel crane systems for transporting purposes makes ultrasonic cleaning operations operator – related and so the quality of the cleaning decreases dramatically. For that reason, automating of cleaning process must be considered very important.
The materials were considered to clean in the scope of this study are aluminum and steel vehicle air conditioner pipes. The machine in this study was decided to design to clean the oil, burr and the burn over those pipes while their manufacturing process. Although there was a machine which has multiple tanks, but with manuel crane system, the need for the machine in this study has apperaed since the cleaning performance of previous machine was not stable and an operator was required to fulfill every cleaning step sequentially.
Before designing of this machine, firstly machine process is determined and it is seperated two parts as tank operations and 2 – axes robot operations which is used for transporting the baskets that the materials are located in.
There are eight tanks in the machine and three of them were designed for ultrasonic cleaning operations, other three of them were designed for rinsing operations, one of them was designed for passivation operation and the last one was designed for vacuuming and drying operations.
Three ultrasonic cleaning tanks have identical tank operations and those operations can be summarized like that: filtration operation which is for removing big particles from the materials, ultrasonic cleaning operation which is fulfilled by running ultrasonic transducers and oil skimming operation which is for filtering the oil accumulated in the cleaning liquid.
Three rinsing tanks have also identical tank operations and those operations can be summarized like that: filtration operation which is for removing big particles from the materials, waiting operation for pacifying of the cleaning liquid that is blurred while filtration and oil skimming operation which is for filtering the oil accumulated in the cleaning liquid.
Passivation tank operation is fulfilled as keeping the cleaned materials wait inside the passivation liquid which is heated according to set temperature.
No cleaning liquid exists in vacuuming tank and this tank is designed for drying all cleaning liquid after cleaning and rinsing operations. Vacuuming and heating of the materials are fulfilled at the same time.
All tanks where those operations are fulfilled are located according to following order: ultrasonic cleaning, rinsing, ultrasonic cleaning, ultrasonic cleaning, rinsing, rinsing, passivation and vacuuming. Desired tank operations can be run sequentially by selecting via recipe structure and aluminum or steel vehicle air conditioner pipes can be cleaned.
Recipe parameters are selection of tanks, temperatures of tanks, temperature tolerances of tanks, filtration operation time for the ultrasonic cleaning tanks, oil skimming operation time and dripping time of cleaning liquid after the basket is removed up, but not transported to the next tank. Operation time of ultrasonic transducers is calculated as subtracting filtration operation time and oil skimming operation time from total tank operation time. Filtration time in rinsing tanks is also calculated similar to ultrasonic operation time, as subtracting waiting time and oil skimming operation time from total tank operation time. Reason for determining of those parameters like that is for achiving the cleaning proper by eliminating possible operator faults while specifying operation times.
The materials going to be cleaned are located inside the baskets which can carry about 200 kg and they are transported automatically according to 2 – axes robot operations which is the other main operation of the machine process. Operator locates the baskets on the entrance conveyor and starts the operation after selecting recipe parameters according to desired operation. At that point every basket are accepted into the machine by 2 – axes robot and every transporting operations inside the machine are fulfilled by this robot. Finally, the baskets that every operations are fulfilled, are carried to exit conveyor and operator takes them out the machine.
2 – axes robot operations are divided two sections as basket handling and basket releasing. Positoning of robot to basket handling or releasing area (i.e. positioning in x – axes) is only possible if the position of z – axes is at "0" position in order to eliminate the collision risk. On the other hand, operations starts of every tanks are performed according to the order of tanks in the machine since the machine process is only defined forward. Because of that reason, movement of the robot is only in forward direction (+x direction). For instance, it is not possible of returning of the robot back to 1. or 2. tank, after the operation of 3. tank. In this case, the basket is transported to the first tank in forward direction if it is already selected. Otherwise, the basket is carried to the exit conveyor directly.
Since the machine has eight tanks, those eight tanks can have baskets. But in this case, because of only forward direction movement is enabled since operation procedure of the machine and it is not possible to put a basket to a tank which has already got a basket, it is only possible to accept a new basket to the machine after the last tank is discharged. This situation may cause to wait of some baskets in the tanks more than their set time. For that reason, the optimum period for accepting a new basket to the machine has to be determined. Therefore, 2 minutes which represent the mean value for transporting operations are added to maximum operation time in the recipe and this is defined as the period for accepting a new basket to the machine.
After machine process is defined, ultrasonic transducers that are the core of the machine were modeled according to Butterworth – Van Dyke transducer model for determining the resonance frequency of the transducers and transducer driver circuit was designed so that it transfers maximum power to the transducers by working at resonance frequency.
Electrical design is made for realizing all automation works. It is decided to use a PLC for main controller in the machine and servomotors for both axes of the robot. Proper input and output modules are choosen for sensors and the control equipments.
All software for the machine is developed according to controller – based automation and is implemented into the PLC by using Automata Theory. In addition to PLC software, an HMI software is developed for the visualization so that the operator can use the machine in the most efficient way. Warnings and alarm messages are also shown in HMI screen when they occur.
The machine in the scope of this thesis has already commissioned in the customer side and it has been utilized for 6 months without any problem. Comparing to the previous multi – tanked machine with manuel crane system that the customer had used before, new machine is stated that it has satisfied their cleaning and manufacturing performance needs quite well.