Üye : (Unvanı, Adı ve Soyadı, Kurumu) (imza) (Üniversite Adı, Anabilim Dalı)

Transkript

1 ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DOKTORA TEZİ SALINIMLI ÇALIŞAN TARIM MAKİNALARINDA ZEMİNE PARALELLİK SAĞLAYAN AYAR DÜZENİNİN GELİŞTİRİLMESİ VE MODELLENMESİ Caner KOÇ TARIM MAKİNALARI ANABİLİM DALI ANKARA 2008 Her hakkı saklıdır

2 Prof. Dr. Rahmi KESKİN danışmanlığında, Araş.Gör.Caner KOÇ tarafından hazırlanan Salınımlı Çalışan Tarım Makinalarında Zemine Paralellik Sağlayan Ayar Düzeninin Geliştirilmesi Ve Modellenmesi adlı tez çalışması xx/xx/xxxx tarihinde aşağıdaki jüri tarafından oy birliği / oy çokluğu ile Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tarım Makinaları Anabilim Dalı nda DOKTORA TEZİ olarak kabul edilmiştir. Başkan : (Unvanı, Adı ve Soyadı, Kurumu) (Üniversite Adı, Anabilim Dalı) (imza) Üye : (Unvanı, Adı ve Soyadı, Kurumu) (imza) (Üniversite Adı, Anabilim Dalı) Üye : (Unvanı, Adı ve Soyadı, Kurumu) (imza) (Üniversite Adı, Anabilim Dalı) Üye : (Unvanı, Adı ve Soyadı, Kurumu) (imza) (Üniversite Adı, Anabilim Dalı) Üye : (Unvanı, Adı ve Soyadı, Kurumu) (imza) (Üniversite Adı, Anabilim Dalı) Yukarıdaki sonucu onaylarım (imza) Prof. Dr.Ülkü MEHMETOĞLU Enstitü Müdürü

3 ÖZET Doktora Tezi SALINIMLI ÇALIŞAN TARIM MAKİNALARINDA ZEMİNE PARALELLİK SAĞLAYAN AYAR DÜZENİNİN GELİŞTİRİLMESİ VE MODELLENMESİ CANER KOÇ Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tarım Makinaları Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Rahmi KESKİN Bu çalışmada, salınımlı çalışan tarım makinalarında zemine paralellik sağlayan ayar düzeninin geliştirilmesi ve modellenmesine yönelik bir sistem geliştirilmiştir. Sistem mekanik, hidrolik, elektronik ve yazılım kısımlarından meydana gelen mekatronik bir uygulamadır. Sistemin mekanik, hidrolik ve elektronik aksamlarının bilgisayar ortamında tasarım ve simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen sistemin denemeleri için salınımlı çalışan ve çalışması sırasında tarla düzlemine paralel kalması çok önemli olan tarım makinalarından tarla pülverizatörü esas alınarak, her birinin uzunluğu 5 m olan, mafsallı olarak yataklandırılmış iki kanatlı (sağ ve sol) buma sahip prototip bir makina tasarlanmış ve imal edilmiştir. Geliştirilen prototip makina üzerinde yer alan bumların elektro-hidrolik kontrolü gerçekleştirilmiştir. Bumların yükseklik kontrolü bumların uç kısımlarına yerleştirilmiş olan ultrasonik mesafe ölçüm sensörlerinden gelen yükseklik verilerine bağlı olarak gerçekleştirilmiştir. Sistemin kumanda programının ve kontrol yönteminin bilgisayar ortamında gerçekleştirilmesi için, Labview 8.2 programı ve NI 6009 veri algılama kartından oluşan bir test düzeneği oluşturulmuştur. Oluşturulan düzenek yardımıyla geliştirilen kontrol programı ve kontrol yöntemi referans alınarak elektronik bir kumanda kartı tasarlanmıştır. Kumanda kartı PIC 16F877 mikrodenetleyicisi tarafından, PIC Basic Pro programlama dilinde yazılan programa göre, sistemi kumanda edecek şekilde tasarlanmıştır. Sistemin tarla ve laboratuar denemeleri gerçekleştirilmiştir. Denemelerde üç farklı zemin (anızlı, tırmıkla işlenmiş, yoncalı), üç farklı hız (3.5 km/h, 4,5 km/h, 6.0 km/h) ve üç farklı yükseklik ayar değeri (60 cm, 80 cm, 100 cm) kullanılmıştır. Denemeler sonucunda elde edilen gözlem değerleri ANOVA tekniği ile değerlendirilmiştir. Grup ortalamaları arasında farklılık çıkması durumunda, farklılığın önemli olduğu alt grupların belirlenmesi için ise Tamhane T2 ve Tukey HSD çoklu karşılaştırma testi kullanılmıştır. Denemelerde bumlardan ölçülen yükseklik ortalamaları arasında istatistiksel olarak bir farklılık gözlenmemiştir (p>0.05). Ancak hızlara göre 4.5 km/h ile 6.0 km/h arasında ölçülen yükseklik değerleri istatistiksel olarak önemli çıkmıştır (p<0,05). Benzer şekilde zeminlere göre yoncalı zemin ile tırmıkla işlenmiş zemin arasında ölçülen yükseklik ortalamaları arasındaki farklılık da istatistiksel olarak önemli çıkmıştır (p<0,05). Geliştirilen sistem, deneme yapılan test koşullarında, prototip makina üzerinde yer alan bumları ayrı ayrı istenilen ayar yüksekliklerinde aktif olarak dengede tutmuştur. Şubat 2008, 85 sayfa Anahtar Kelimeler: Tarım makinaları, elektro-hidrolik kontrol, simülasyon, dengeleme. ii

4 ABSTRACT Ph.D. Thesis DEVELOPING AND MODELLING OF AN ADJUSTMENT SYSTEM FOR OSCILLATORY WORKING AGRICULTURAL MACHINES TO KEEP THEM PARALELL TO THE GROUND Caner KOÇ Ankara University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Agricultural Machinery Supervisor: Prof. Dr. Rahmi KESKİN In this thesis, an adjustment system for oscillatory working agricultural machines was developed and modeled to keep the machines parallel to the ground during the field operations. The system is a mechatronic system which is composed of mechanic, hydraulic, electronic and programming parts. The mechanic, hydraulic, and electronic parts of the system were designed and simulated by using computer software programs. For the system experiments, a field sprayer was considered as a basic oscillatory working agricultural machine to which it is very important to keep the sprayer boom parallel to the ground and a special prototype sprayer with two booms (left and right) each has a 5 m width was designed and manufactured. The booms on the sprayer were controlled using an electro-hydraulic system. The control of the boom height was based on two ultrasonic height measurement sensors each was located on the booms end. In order to test the control program and control method in a computer environment, a test mechanism composed of Labview 8.2 and NI6009 data acquisition board was developed. The control program and the mechanism devleoped using a computer was taken as a referance and an electronic control board was developed. The electronic control board was designed to use a PIC 16f877 microcontroller which was programmed using PIC Basic Pro. The test experiments of the system were executed. The field experimens were conducted on three different fields (stubble field, horrowed field, clover field), three different speeds (3.5 km/h, 4,5 km/h, 6.0 km/h) and three different heights (60 cm, 80 cm, 100 cm). The data collected from the field experiments were analyzed using ANOVA technique. Tamhane T2 and Tukey HSD multi comparison test methods were used in case of a difference observed within the sub group means. There was no statistically significant difference among the average boom heights from all experiments (p>0,05). However, the difference in the sprayer boom heights measured between 5 km/h and 6.0 km/h were statiscally significant (p<0,05). In a similar manner, the sprayer boom heights measured on horrowed field and clover covered field showed a statistically significant differences (p<0,05). The developed system, under the test conditions, kept the booms at desired heights dynamically during the field operations. February 2008, 85 pages Key Words: Agricultural machinery, electro-hydraulic control, simulation, suspension. iii

5 ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR Hızla gelişen teknoloji sonucu tüm endüstri alanlarında olduğu gibi tarım makinaları alanında da nitelik ve işlev yönünden önemli gelişmeler olmaktadır. Gelişen teknoloji ve pazar koşulları, daha ekonomik ve kaliteli ürünler isterken, kullanıcı beklentileri ise daha esnek ve çok işlevli ürünler yönünde olmaktadır. Bu nedenle alışılagelmiş tasarım ve imalat teknolojileri yetersiz kalmış, bu ihtiyacı gidermek üzere yeni kavram ve yöntemler doğmuştur. Bu yöntemlerden birisi de mekatronik kavramıdır. Mekatronik uygulamaları ilk olarak 1970 li yıllarda robotlarda görülmüştür li yıllarda bilgi teknolojisinin ilerlemesi ile daha iyi bir verim için mikrodenetleyiciler, mekanik sistemlerle birlikte kullanılmaya başlamıştır lı yıllarda, iletişim teknolojisi ile birlikte ürün çeşitliliği oldukça artmıştır. Son yıllarda tüm alanlarda olduğu gibi tarım makinaları alanında da mekatronik uygulamaları giderek artan bir şekilde kullanılmaya başlamıştır. Bu çalışmada, salınımlı çalışan tarım makinalarında zemine paralellik sağlayan ayar düzeninin geliştirilmesi ve modellenmesine yönelik bir sistem geliştirilmiştir. Sistem mekanik, hidrolik, elektronik ve yazılım kısımlarından meydana gelen mekatronik bir sistemdir. Sistemin denemeleri için, salınımlı çalışan ve çalışması sırasında tarla düzlemine paralel kalması çok önemli olan tarım makinalarından tarla pülverizatörü bumu esas alınarak prototip bir makina tasarlanmış, imal edilmiş ve denemelerde kullanılmıştır. Sistemin mekanik, hidrolik ve elektronik aksamlarının simülasyonları da gerçekleştirilmiştir. Mekanik simulasyonlar için SolidWorks programı deneme sürümü, hidrolik aksamın simulasyonu için FluidSIM-h programı deneme sürümü ve elektronik aksamın simulasyonu ise PROTEUS programı deneme sürümü kullanılmıştır. Ayrıca PIC Basic Pro ve LabVIEW 8.2 programları kullanılarak sistemi kumanda eden programlar yazılmıştır. Sistemin denemeleri; A.Ü.Z.F. Tarım Makinaları Bölümü nde bulunan Kadayıfçılar Atölyesi ve A.Ü.Z.F Haymana Araştırma ve Uygulama Çiftliğinde yapılmıştır. Denemeler sonucunda elde edilen veriler bilgisayar ortamında görsel ve grafiksel olarak iv

6 aktarılmış ve aynı zamanda kaydedilmiştir. Kaydedilen veriler istatistiksel olarak değerlendirilerek sistemin performansı ortaya konmuştur. Geliştirilen bu sistemle birlikte kullanılan tasarım ve simülasyon yöntemlerinin tarım makinaları alanında bundan sonra yapılacak çalışmalarda ve imalatlarda örnek teşkil edeceği kanısındayım. Öğrencisi olmaktan onur ve mutluluk duyduğum danışman hocam Sayın Prof. Dr. Rahmi KESKİN e tez çalışmamın başlaması, yürütülmesi ve sonuçlanması aşamalarında göstermiş olduğu ilgi ve özverili destekten dolayı en derin duygularımla teşekkür ederim. Tez İzleme Komitemde yer alan ve çalışmalarımın hemen hemen her aşamasında deneyimlerini ve yardımlarını esirgemeyen A.Ü. Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü öğretim üyelerinden Sayın Prof. Dr. Mustafa VATANDAŞ a teşekkür ederim. Tarla denemelerinin planlanmasında ve elde edilen verilerin istatistik analizlerinde yardımlarını gördüğüm A.Ü. Ziraat Fakültesi Zootekni Bölümü öğretim üyelerinden Sayın Prof.Dr. Zahide KOCABAŞ a, A.Ü. Veteriner Fakültesi Zootekni Kürsüsü öğretim üyelerinden Sayın Doç. Dr. İ. Safa GÜRCAN a ve A.Ü. Ziraat Fakültesi Zootekni Bölümü araştırma görevlilerinden Yeliz KAŞKO ya, teşekkürlerimi sunarım. Ayrıca, A.Ü. Haymana Araştırma ve Uygulama Çiftliği personeline, teknisyen Sayın Fikret SÖYLER e ve yüksek lisans öğrencisi Sayın Ahmet TEKBAŞ a prototip makinanın imalatı ve denemelerdeki yardımlarından dolayı teşekkürlerimi sunarım. Caner KOÇ Ankara, Şubat 2008 v

7 İÇİNDEKİLER ÖZET... ii ABSTRACT... iii ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR.... iv SİMGELER DİZİNİ..... vii ŞEKİLLER DİZİNİ..... viii ÇİZELGELER DİZİNİ... x 1. GİRİŞ Tarımda Mekatronik Tasarım Uygulamaları ve Kontrol Sistemleri Mikrodenetleyiciler Bilgisayar Destekli Tasarım, İmalat, Simülasyon ve Analiz KAYNAK ÖZETLERİ Tarla Pülverizatör Bumlarının Dengelenmesine Yönelik Yapılan Çalışmalar Biçerdöver Tablasının Dengelenmesine Yönelik Yapılan Çalışmalar Ultrasonik Mesafe Ölçüm Parametreleri MATERYAL VE YÖNTEM Materyal Prototip makinanın bilgisayar destekli tasarımı ve simulasyonu Prototip makinanın imalatı Prototip makinanın hidrolik aksamının bilgisayar destekli tasarımı ve simulasyonu Prototip makinanın hidrolik parçaları ve imalatı Hidrolik güç ünitesi Redüktörlü güç ünitesi Hidrolik güç ünitesi hesaplamalarına ait veriler ve kullanılan formüller Bilgisayar kontrollü elektronik test ünitesinin kurulması Mesafe ölçüm sensörleri Elektronik kontrol ve test ünitesinin kurulması Elektronik kumanda düzeninin bilgisayar destekli tasarımı ve simulasyonu Elektronik kumanda kartı parçaları ve imalatı Yöntem Sensör kalibrasyonu Deneme planı Laboratuar denemeleri Tarla denemeleri Tarla denemeleri sonucunda elde edilen verilerin istatistiksel analizi BULGULAR Laboratuar Denemeleri Sonucunda Elde Edilen Bulgular Tarla Denemeleri Sonucunda Elde Edilen Bulgular TARTIŞMA VE SONUÇ KAYNAKLAR EK-I TARLA DENEMELERİNE AİT GRAFİKLER ÖZGEÇMİŞ vi

8 SİMGELER DİZİNİ c Ses hızı (m/s) f Frekans (Hz) λ Dalga boyu (mm) T Sıcaklık ( 0 C) θ Yansıma açısı ( 0 ) L 0 Uzaklık (m) h Yükseklik (m) f s Gönderilen dalganın frekansı (Hz) f r Alınan dalganın frekansı (Hz) R Direnç (Ω) V cc Besleme gerilimi (V) R Ortamları oluşturan materyallere ait karakteristik empedans ( kg/m 2 s) ρ Hacim ağırlığı (kg/m 3 ) D Mesafe (m) s Zaman (s) V Hacim (m 3 ) A Silindir Kesit Alanı (m 2 ) F Kuvvet (N) M Pompa dönme momenti (Nm) P Pompanın geliştirebileceği güç (kw) X Ortalama vii

9 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 1.1 Bum salınımının ilaç dağılım düzgünlüğüne etkisi... 2 Şekil 1.2 Pülverizatör bumunda salınım ve titreşimlere neden olan hareketler... 2 Şekil 1.3 Mekatronik alanını oluşturan bazı dallar ve kullanım alanları... 5 Şekil 1.4 Fiziksel zemin algılanmasının şematik görünümü... 6 Şekil 1.5 Bir kontrol sisteminin temel öğeleri... 6 Şekil 1.6 Aç-kapa (on-off) kontrol... 7 Şekil 1.7 Bazı mikrodenetleyicilerin görünümü... 8 Şekil 1.8 MicroCode Studio programı ve onaltılı koda çevrilmiş program... 8 Şekil 2. 1 Çeşitli tip pasif dengeleme sistemleri Şekil 2. 2 Elektronik bum yükseklik kontrol mekanizması şematik görünümü Şekil 2. 3 Aktif süspansiyon sisteminin şematik görünümü Şekil 2. 4 Yavaş aktif sarkaçlı süspansiyon Şekil 2. 5 Biçerdöver tabla yükseklik kontrolü şematik görünümü Şekil 2. 6 Genlik zaman ekseninde dalga boyu Şekil 2. 7 Ses dalgalarının düz bir sınır yüzeyiyle ayrılmış farklı iki ortamdaki geçişi ve yansıması Şekil 2. 8 Maddesel zeminda ultrasonik ses dalgası yayınımı Şekil 2. 9 Ultrasonik mesafe ölçümü Şekil Ultrasonik ses hızının karışım oranı ve sıcaklıkla değişimi Şekil 3. 1 Geliştirilen sistemin şematik görünümü Şekil 3. 2 Geliştirilen prototip makinanın şematik görünümü Şekil 3. 3 Mekanik sistemi oluşturan parçalar Şekil 3. 4 Mekanik simulasyon görüntüsü Şekil 3. 5 Prototip makina çatısının gerilme analizi Şekil 3. 6 Prototip makina çatısı yapım resmi Şekil 3. 7 Prototip makinanın genel görünümü Şekil 3. 8 Hidrolik sistemi oluşturan elemanlar ve simulasyon görüntüsü Şekil 3. 9 Çift etkili hidrolik silindir Şekil Sistemde kullanılan selenoid valfler Şekil Hidrolik güç ünitesi Şekil Traktör kuyruk milinden hareket alan pompa ve redüktör düzeneği Şekil Redüktörlü güç ünitesinde kullanılan hidrolik yağ deposu Şekil Maxsonar EZ-1 ultrasonik mesafe ölçüm sensörü Şekil Maxsonar EZ-1 ultrasonik mesafe ölçüm sensörü devre şeması Şekil Maxsonar EZ-1 ultrasonik mesafe ölçüm sensörlerine ait dalga karakteristikleri Şekil Denemelerde kullanılan dizüstü bilgisayar ve NI 6009 kartı Şekil NI 6009 veri algılama kartı ve ara bağlantı devresi Şekil NI 6009 ara bağlantı devresi Şekil Ara bağlantı devresi baskı devre şeması Şekil NI 6009 veri algılama kartı Şekil Labview programında geliştirilen grafiksel program Şekil LabVIEW de geliştirilen programın çalışma sayfasındaki görüntüsü Şekil Elektronik sistemi oluşturan elemanlar ve simulasyon görüntüsü Şekil Elektronik kumanda kartı elemanları ve baskı devre şeması Şekil Elektronik kumanda kartı viii

10 Şekil MicroCode Studio programı genel görünümü Şekil US Burn PIC Programlama programı ekran görünümü Şekil PIC Programlama kartı genel görünümü Şekil Geliştirilen programa ilişkin akış diyagramı Şekil Sensör kalibrasyonu için kullanılan düzeneğin şematik görünümü Şekil Yükseklik değerleri ve sensörden okunan değerler arasındaki ilişki Şekil 4. 1 Değişken yükseklik değerlerine göre zamana bağlı elde edilen değişim Şekil 4. 2 Tırmıkla işlenmiş tarla ayar değeri 60 cm, hız 3,5 km/h Şekil 4. 3 Anızlı tarla ayar değeri 80 cm, hız 6,0 km/h Şekil 4. 4 Yonca tarlası ayar değeri 100 cm, hız 6,0 km/h Şekil Zeminlere göre üç farklı hız kademesinde elde edilen yükseklik ortalamaları ve standart hata verileri Şekil 1 Anızlı tarla ayar değeri 60 cm hız 3.5 km/h Şekil 2 Anızlı tarla ayar değeri 60 cm, hız 4.5 km/h Şekil 3 Anızlı tarla ayar değeri 60 cm, hız 6,0 km/h Şekil 4 Anızlı tarla ayar değeri 80 cm, hız 3,5 km/h Şekil 5 Anızlı tarla ayar değeri 80 cm, hız 4,5 km/h Şekil 6 Anızlı tarla ayar değeri 100 cm, hız 3,5 km/h Şekil 7 Anızlı tarla ayar değeri 100 cm, hız 4,5 km/h Şekil 8 Tırmıkla işlenmiş tarla ayar değeri 60 cm, hız 3,5 km/h Şekil 9 Tırmıkla işlenmiş tarla ayar değeri 60 cm, hız 4,5 km/h Şekil 10 Tırmıkla işlenmiş tarla ayar değeri 60 cm, hız 6,0 km/h Şekil 11 Tırmıkla işlenmiş tarla ayar değeri 80 cm, hız 3,5 km/h Şekil 12 Tırmıkla işlenmiş tarla ayar değeri 80 cm, hız 4,5 km/h Şekil 13 Tırmıkla işlenmiş tarla ayar değeri 80 cm, hız 6,0 km/h Şekil 14 Tırmıkla işlenmiş tarla ayar değeri 100 cm, hız 3,5 km/h Şekil 15 Tırmıkla işlenmiş tarla ayar değeri 100 cm, hız 4,5 km/h Şekil 16 Tırmıkla işlenmiş tarla ayar değeri 100 cm, hız 6,0 km/h Şekil 17 Yonca tarlası ayar değeri 60 cm, hız 3,5 km/h Şekil 18 Yonca tarlası ayar değeri 60 cm, hız 4,5 km/h Şekil 19 Yonca tarlası ayar değeri 60 cm, hız 6,0 km/h Şekil 20 Yonca tarlası ayar değeri 80 cm, hız 3,5 km/h Şekil 21 Yonca tarlası ayar değeri 80 cm, hız 4,5 km/h Şekil 22 Yonca tarlası ayar değeri 80 cm, hız 6,0 km/h Şekil 23 Yonca tarlası ayar değeri 100 cm, hız 3,5 km/h Şekil 24 Yonca tarlası ayar değeri 100 cm, hız 4,5 km/h ix

11 ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 2. 1 Ses dalgalarının farklı ortamlar içindeki hızları Çizelge 3. 1 Hidrolik güç ünitesi ile ilgili hesaplama sonucu elde edilen veriler Çizelge 4. 1 Sağ ve sol bumlardan ölçülen yükseklik ölçümleri ortalaması arasında %5 anlamlılık düzeyinde yapılan T- testi analiz tablosu Çizelge 4. 2 Zeminlere göre ölçülen yükseklik ortalamaları arasındaki farkın araştırılması için yapılan varyans analizi tablosu Çizelge 4.3 Zeminler arasında ölçülen yükseklik ortalamaları arasındaki farklılığa ilişkin yapılan Tamhane T2 testi tablosu Çizelge 4. 4 Hızlara göre ölçülen mesafe ortalamaları arasındaki farkın araştırılması için yapılan varyans analizi tablosu Çizelge 4. 5 Hızlara göre ölçülen mesafe ortalamaları arasındaki farklılığa ilişkin yapılan Tamhane T2 testi tablosu Çizelge 4. 6 İstenilen ayar yüksekliklerinde hızlara göre ölçülen mesafe ortalamaları arasındaki farkın araştırılması için yapılan varyans analizi tablosu Çizelge 4. 7 İstenilen ayar yüksekliklerinde, zeminlerin ölçülen yükseklik ortalamalarına etkisinin araştırılması için yapılan varyans analizi tablosu Çizelge 4. 8 İstenilen çalışma yüksekliklerinde sağ ve sol bumlardan ölçülen yükseklik ortalamaları arasında %5 anlamlılık düzeyinde yapılan T- testi Çizelge 4. 9 Farklı zeminlerde istenilen yüksekliklerde ölçülen mesafe ortalamaları arasındaki farkın araştırılması için yapılan varyans analizi tablosu Çizelge Farklı zeminlerde istenilen ayar yüksekliklerinde ölçülen yükseklik ortalamaları arasındaki farklılığa ilişkin yapılan Tamhane T2 testi tablosu. 62 Çizelge Farklı zeminlerde, hızların ölçülen yükseklik ortalamalarına etkisinin araştırılması için yapılan varyans analizi tablosu Çizelge Varyansların homojenlik (Leven) testi tablosu Çizelge Farklı zeminlerde, hızların ölçülen yükseklik ortalamalarına etkisine ilişkin yapılan Tamhane T2 testi ve Tukey HSD testi tablosu Çizelge Zeminlere göre sağ ve sol bumlardan ölçülen mesafe ölçümleri ortalaması arasında %5 anlamlılık düzeyinde yapılan T- testi analiz tablosu Çizelge 5. 1 Farklı traktör hızlarında, ultrasonik mesafe ölçüm sensörlerinin standart hataları Çizelge 5. 2 Yapılan denemelerde elde edilen verilerin istatistik analizlerine ait sonuçlar x

12 1. GİRİŞ Ülkemiz tarım arazilerinin önemli bir kısmı eğimlidir. Ortalama yükseltisi (rakımı) 1131 m dolaylarında bulunan ülkemizde, eğimi % 12 den düşük araziler tüm arazinin % 35,7 sini, toprak işlemeli tarım için sakıncalı olan % 12 den fazla eğimli arazilerin ise % 64,3 ünü kapsamaktadır (Anonim, 2007). Eğimli araziler tarımsal faaliyetler için bir dezavantaj oluşturmaktadır. Bir diğer nokta ise yağmur sularının ortaya çıkardığı erozyonu önlemek için eğimli yerlerdeki tarlalar iz düşüm eğrileri şeklinde sürülmektedir. Bu da pülverizatör ve biçerdöver gibi tarım makinalarının hareketini ve çalışma stabilitelerini zorlaştırmaktadır. Operatörler, traktörü sürmek ve traktörü bitki sıra aralarında tutmak zorunda kalmalarının yanında, tarla pülverizatörü bum uçlarının toprağa çarparak zarar görmesini engellemek, biçerdöver tabla paralelliğini gözetlemek zorunda da kalmaktadırlar. Bu nedenlerden dolayı operatörden kaynaklı büyük hatalar ve kimyasal uygulamalarda farklılıklar ortaya çıkabilmektedir. Islah edilmemiş arazilerde artan engebelerin traktörde yarattığı yatay ve düşey titreşimler, tarımsal savaşta hızı azalttığı gibi dağılım düzgünlüğünü de olumsuz yönde etkilemektedir. Tarımsal savaşımda kullanılan ilaçların büyük çoğunluğu sıvı olduğu için, damlalar halinde pülverizasyon söz konusu olup, en önemli ilaçlama özelliği damla çapıdır (Hedden 1961). Damla çapındaki farklılıklar, tarım ilaçlarının uygulama başarısını etkilemektedir. Bumda oluşan yükseklik artışı damla çapını küçültebilmekte, azalan yükseklik ise büyütebilmektedir. Damla büyüklüğü; penetrasyon, hedef yüzey üzerinde tutunma etkinliği, bitki yüzeyleri üzerinde tekdüze ve yeterli kaplama ve ilaç sürüklenmesiyle ilgili önemli bir parametredir (Kepner et al. 1972). Pülverizatör çatısına sabit olarak bağlanmış bir bumda, tarla engebeleri nedeniyle traktör tekerleklerinden biri diğer tekerin seviyesinden daha aşağıya düşebilmektedir. Bu durum pülverizatörün düşey düzlemde dönmeye zorlanması sonucu, özellikle iş genişliği fazla olan bumun bir ucunda yükseklik artışına yol açarken, diğer ucunda ise yükseklik azalmasına yol açmaktadır. Bumdaki hareketlerin 4 m bum genişliğinden sonra arttığı, dolayısıyla ilaç dağılımına da etkili olduğu saptanmıştır (Çilingir 1989). Bununla birlikte, eğer bum uçları ağırlık nedeniyle oluşan esnemeleri önlemek için 1

13 zincirler veya halatlarla desteklenmiş ise özellikle düşey düzlemdeki dönme hareketlerinde, iki eşit parçanın anlık hareketleri birbiriyle ilişkisiz olabilmektedir (Nation 1982). Tarladaki engebeler nedeniyle bum merkezinin düşmesi ve yükselmesi arasında bumun yükseklik değişimi ilaçlama şeridi boyunca aynı şekilde farklı etkiye neden olduğu aynı araştırıcı tarafından bildirilmiştir (Şekil 1.1). Şekil 1.1 Bum salınımının ilaç dağılım düzgünlüğüne etkisi (Deprez et al. 2003) Tarla pülverizatörünün çalışması sırasında yaptığı hareketler Şekil 1.2 de gösterilmiştir (Lüders 1979). Bu şekilde 2 numara ile bumların aşağı-yukarı, 3 numara ile bumların ileri-geri hareketi ve 5 numara ile ise askı noktalarında traktörden kaynaklı olarak pülverizatör çatısının aşağı yukarı hareketleri gösterilmektedir. Şekil 1.2 Pülverizatör bumunda salınım ve titreşimlere neden olan hareketler (Lüders 1979) 2

14 Eğimli ve dalgalı arazilerde ve yatık ürün hasadında bazı sorunlar ortaya çıkabilmektedir. Eğimli arazilerde biçerdöver tablasının ağırlık merkezi, düz araziye oranla değiştiği için, eğimli arazilerde düz arazilere oranla daha derin bir biçme olmaktadır. Çok eğimli arazilerde tablanın eğimin yüksek olduğu taraftaki kısmı havada kalabilirken, diğer kısım ise toprağa sürtünerek zarar görebilmektedir. Yüzde yirmi eğimli, yamaç arazilerde ilerleyen ve tabla ayar olanağı bulunmayan bir biçerdöver, düz arazide gerçekleştirdiği hasada oranla daha fazla güce gereksinim duymaktadır. Dane kaybını azaltmak amacıyla ilerleme hızının da azaltılması buna eklenince, biçerdöver iş veriminde %40 a kadar düşüşler meydana gelmekte ve hasat maliyeti, bu olumsuz etkiler nedeniyle iki katına kadar çıkabilmektedir (Engürülü vd. 2001). Biçerdöver ile hasat esnasındaki ürün kayıplarının önemli bir nedeni de biçerdöver tablasının yer düzlemine olan paralellik ayarından kaynaklanmaktadır. Biçme düzeni (tabla) kayıpları, biçme ve batöre iletme sırasında başak ve serbest tane kayıplarını kapsamaktadır. Biçme kayıpları değeri toplam verimin yaklaşık %4 ü kadar olmaktadır. Biçme kayıplarının başlıca nedeni sapların yatık olması ve düzgün olmayan dolap ayarlarıdır. Oluşan biçme kayıplarının yaklaşık %80 i biçerdöver dolabı ile ilgilidir. Bu nedenle dolap ayarlarının (ileri-geri, aşağı-yukarı ve dönme hızının) uygun bir şekilde ayarlanması gerekmektedir (Engürülü vd. 2001). 1.1 Tarımda Mekatronik Tasarım Uygulamaları ve Kontrol Sistemleri Tarımda kontrol sistemlerinin kullanılması 1900 lü yıllara kadar dayanmaktadır. Yapılan uygulamalar içerisinde en çok öne çıkanı, 1920 li yıllarda Harry S. Ferguson un geliştirdiği ve Ferguson Sistemi adıyla anılan, traktörlerin çeşitli derinliklerde toprak işleme yaparken, sürekli olarak gücünün sabit tutulmasına yönelik uygulamasıdır (Schueller 2006). Hızla gelişen teknoloji ve pazar koşulları daha ekonomik ve kaliteli ürünler isterken, kullanıcı beklentileri ise daha esnek ve çok işlevli ürünler yönünde olmaktadır. Bu nedenle alışılagelmiş tasarım ve imalat teknolojileri yetersiz kalmış, bu 3

15 ihtiyacı gidermek üzere yeni kavram ve yöntemler doğmuştur. Bunlardan birisi de mekatronik kavramıdır (Erden 2005). Mekatronik ilk olarak 1970 li yıllarda, robotik uygulamalarında görülmeye başlamıştır li yıllarda, bilgi teknolojisinin ilerlemesi ile daha iyi bir verim için mikrodenetleyiciler mekanik sistemlerle birlikte kullanılmaya başlamıştır (Cetinkunt 2005). Mekatronik teknoloji ile üretilen makinaların, algılama, sinyal işleme, karar verme, insanlara bilgi aktarımı gibi yeteneklerinin olması nedeniyle, günümüzde her alanda olduğu gibi, birçok tarım makinasında ve tarımsal faaliyette de kullanılmaktadır. Biçerdöverlerde ürün kayıplarının azaltılması, tabla yükseklik ayarlarının yapılması, arıza takibi için kullanılmaktadır. Traktörlerde geliştirilen çeki kuvvetinin ayarlanması, patinaj algılanması, titreşim sönümlenmesi için kullanılmaktadır. Seralarda, havalandırma, sulama ve ısıtmada kullanılmaktadır. Hayvancılıkta hayvan sağlığı ve korunması, robot sağım ünitelerinin kullanımı, süt kalitesi, kızgınlık takibi ve tarımsal savaş alanında ilaçlama uygulamaları gibi daha birçok tarım makinasında mekatronik teknoloji uygulamaları görülmektedir. Mekatronik uygulamaları sanayide ve üretim alanında kullanılması ilk yatırım maliyetleri bakımından bir dezavantaj oluştursa da, ileriki aşamalarda üretim aşamalarının hızlanması, esneklik, yüksek kalite, güvenilirlik, üretim maliyetlerinin düşmesi gibi pek çok kazanımları bulunmaktadır. Mekatronik, çeşitli mühendislik dalları arasında ortak bir amacı gerçekleştirmek için sistematik bir birliktelik sağlayan mühendislik yaklaşımı olarak tanımlanmıştır (Erden 2005). Mekatronik tasarım içerisinde, bazı kavramların bir araya gelerek bir bütün oluşturduğu ve mekatronik tasarım ürünlerinin genellikle akıllı makina, alet ve cihazları, akıllı sistemleri ve akıllı süreçleri içerdiği aynı araştırıcı tarafından belirtilmiştir (Şekil 1.3). 4

16 Şekil 1.3 Mekatronik alanını oluşturan bazı dallar ve kullanım alanları (Histand and Alciatore 1998). Mekatronik teknolojiye sahip bir makinanın yapısı incelendiğinde, makinanın çevreden gelen verileri algılayabildiği, sahip olduğu mekatronik teknoloji öğeleri ile, makinanın işlevi ve performansının değiştirilebildiği belirtilmiştir (Cetinkunt 2005). Araştırıcı ayrıca makinanın bu verilere göre değişik düzeylerde karar alabildiğini de vurgulamıştır (Şekil 1.4). 5

17 Şekil 1.4 Fiziksel zemin algılanmasının şematik görünümü (Cetinkunt 2005) Cetinkunt (2005) güncel teknolojik koşullarda bir makinanın karar verme yeteneği kazanabilmesi için temel koşulun, yazılım tabanlı bir denetim ve kontrol sisteminin var olması gerektiğini belirtmiştir. Bu koşulun yazılım teknolojisinin mekatronik makinalarla bütünleşmesini sağlayan bir özellik olduğu vurgulanarak, mekatronik makinalarda yazılım teknolojisinin mikroişlemci teknolojisi ile birlikte mekatronik makinanın çekirdeğini oluşturduğu aynı yazar tarafından bildirilmiştir. Birçok uygulamada algılayıcılardan gelen veriler denetim sistemi için doğru karar verecek kadar sağlıklı bilgiler içermez. Bu durumda ortaya çıkan belirsizliklerin giderilebilmesi için yapay zeka yaklaşımlarının uygulanması gerektiği Kuo (2005) tarafından belirtilmiştir. Kontrol sisteminin amacını, kontrol sisteminin elemanları aracılığıyla girişleri kullanarak, çıkışları önceden belirlenmiş bir şekilde kontrol etmek olarak belirtmiştir (Şekil 1.5). Bir kontrol sisteminin temel öğelerini; 1. Kontrolün amaçları, 2. Kontrol sisteminin öğeleri, 3. Sonuç yada çıkışlar olarak gruplandırmıştır. Şekil 1.5 Bir kontrol sisteminin temel öğeleri (Kuo 2005) 6

18 Hassas bir kontrol için çeşitli kontrol yöntemleri geliştirilmiştir. Bunlardan bazıları açkapa (on-off) kontrol yöntemi, oransal kontrol(proportional)yöntemi, oransal-türevsel kontrol yöntemi (PD) ve oransal- integral- türevsel kontrol (PID) yöntemi olduğu Williams (2007) tarafından belirtilmiştir. Şekil 1.6 da aynı araştırıcı tarafından grafik üzerinde bir elektrikli fırında gerçekleştirilen on-off kontrol yöntemi açıklanmaya çalışılmıştır. Şekil üzerinde düz sürekli kalın çizgiyle istenilen sıcaklık değeri gösterilmiştir. İstenilen sıcaklık değeri 150 o C ye ayarlanmıştır. Dalgalı çizgi ise kontrol sistemi çalışırken ölçülen gerçek sıcaklık değerlerini göstermektedir. Sistemde ısıtıcı devreye ilk girdiği anda gerçek sıcaklık değeri bir süre daha düşmeye devam etmiştir. Termostatın ısıtıcıyı devreye sokması anına kadar, gerçek sıcaklık değeri 143 o C ye kadar gerilemiştir. Isıtıcı yaklaşık olarak 100 saniye kadar çalışmış (on) ve termostat ısıtıcıyı tekrar kapatmıştır (off). Ancak, gerçek sıcaklık değeri istenilen sıcaklık değeri olan 150 o C yi aşmıştır ve 160 o C seviyesine kadar ulaştığı bildirilmiştir. Şekil 1.6 Aç-kapa (on-off) kontrol (Williams 2007) 1.2 Mikrodenetleyiciler Mikrodenetleyiciler komple bir bilgisayarın (merkezi işlem birimi, hafıza ve giriş - çıkışlar) tek bir entegre devre üzerinde üretilmiş hali olarak tanımlanabilir. Mikrodenetleyiciler kısıtlıda olsa giriş çıkış uçlarına sahip olmaları sayesinde, tek başlarına (stand alone) çalışabilirler. Ayrıca donanımı oluşturan diğer elektronik devrelerle irtibat kurarak, uygulamanın gerektirdiği işlemleri gerçekleştirebilirler. Şekil 1.7 de bazı mikrodenetleyiciler verilmiştir. 7

19 Şekil 1.7 Bazı mikrodenetleyicilerin görünümü İstenilen kontrol programını yazabilmek için assembler, basic, C ve JAL gibi bir çok yazılım dilleri bulunmaktadır. Yazılan programların mikrodenetleciler veya mikroişlemcilere tanıtılabilmesi için, yazılan programın makine dili olan onaltılı koda (hex code) çevrilmesi gerekmektedir. Makina diline çevirebilmek için programların MPLAB, MicroCode Studio yada benzeri bir derleyici program kullanılarak onaltılı koda çevrilmesi işlemi gerçekleştirilmektedir (Şekil 1.8). Geliştirilen programlar onaltılı koda çevrildikten sonra, bir ara bağlantı elemanı ve programlayıcı ile bilgisayardan mikrodenetleyicilere yüklenmektedir (Altınbaşak 2004). Şekil 1.8 MicroCode Studio programı ve onaltılı koda çevrilmiş program 8

20 1.3 Bilgisayar Destekli Tasarım, İmalat, Simülasyon ve Analiz Robot gibi mekanik sistemlerin ve prototip makinaların davranışlarının incelenmesi ve simülasyonlarının yapılmasının günümüzde yaygın olarak kullanıldığı Tarabanov (2006) tarafından bildirilmiştir. Araştırıcı simülasyonun tasarım, tanımlama ve kontrol yöntemlerinin geliştirilmesinde ilk adım olduğunu belirtmiş ve simülasyonlar sayesinde araştırıcıların çalışmalarının kalitesinin ve verimliliğinin arttığını belirtmiştir. Ayrıca bilgisayar ortamında, sistemlerin görsel olarak, tasarlanıp modellenebildiği vurgulanarak, simülasyonlar yardımıyla sistemi oluşturan parçaların ayrı ayrı yada birlikte gerçeğe çok yakın davranışlarının ve hareketlerinin tespit edilebildiği de aynı araştırıcı tarafından belirtilmiştir. Karagülle vd. (2001) ihtiyaçtan tüketime bir ürünün ortaya çıkarılmasındaki her aşamada bilgisayar destekli tasarım programlarından faydalanılabildiğini belirtmişlerdir. Ayrıca ürünlerin modellenmelerinde, modelden imalat için kalıp ekipmanlarının tasarlanmasında, CNC (computer numerical control) imalatı için gerekli çıktıların elde edilmesinde, ürün mukavemet testlerinin yapılmasında ve görsel sunumların oluşturulmasında bilgisayar destekli tasarım ve yazılımların kullanıldığını belirtmişlerdir. Araştırıcılar bilgisayar destekli tasarım (Computer Aided Design-CAD) konuları içerisinde katı modelleme, teknik resim, mekanizma tasarımı, kuvvet analizi, parçaların dinamik yükler altında mukavemeti ve ömrünün yer aldığına da işaret etmişlerdir. Bu çalışmada, salınımlı çalışan tarım makinalarının aktif dengelenmesine yönelik bir sistem geliştirilmiştir. Sistemin denemeleri için sağ ve solda birer adet buma sahip prototip bir makina tasarlanmıştır. Tasarlanan makinanın bilgisayar ortamında mekanik, hidrolik ve elektronik simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Makinanın laboratuar ve tarla koşullarında denemeleri gerçekleştirilerek, bumlarının yer düzleminden olan yüksekliklerinin kontrol edilmesine çalışılmıştır. 9

21 2. KAYNAK ÖZETLERİ 2.1 Tarla Pülverizatör Bumlarının Dengelenmesine Yönelik Yapılan Çalışmalar Bumlar tarla pülverizatörlerinin en önemli parçalarından birisidir ve sıvı ilacın hedef yüzeylere püskürtülmesini sağlayan memelerin takıldığı yatay borulardan oluşmaktadır. Tarla pülverizatörlerinde memeler, bumlar üzerine hüzme açılarına bağlı olarak belirli aralıklarla dizilmektedir. Bumlar genellikle iki ya da üç parçalı olarak katlanabilir biçimde yapılmakta ve pülverizatör çatısına bir taşıma ünitesiyle bağlanmaktadır. Genellikle bumun orta kısmı sabitlenmiş, hem dikey hem de yatay olarak desteklenmiştir. Tarla yüzeyinin engebeli olması durumunda, toprak teması yoluyla memelerin zarar görmesini önlemek için bum uçlarına hafif taşıma tekerlekleri veya bum uçlarının toprağa çarpmasını önleyen kızaklar takılmaktadır (Culpin 1986). İlaç dağılım düzgünlüğünü iyileştirmenin bir yolu, hedef yüzeyler üzerinde bum yüksekliğini artırmaktır. Ancak, bum yüksekliği arttıkça ilaç sürüklenmesi de artmaktadır. Bu nedenle geniş bum ve yüksek ilerleme hızları için bum askı sistemlerine ihtiyaç duyulmuştur. Askı sistemi sadece bum stabilitesini iyileştirmekle kalmaz, aynı zamanda bum üzerindeki periyodik yüklenmeleri de azaltmaktadır. Bunun gibi stabil püskürtme sistemleri, memelerin ilaçlama yüzeyine olan mesafesini sürekli sabit tutarak, hem ilaç dağılım düzgünlüğünü iyileştirmekte hem de bum ömrü açısından bir avantaj sağlamaktadır (Legg and Miller 1989). Çelen (1995) değişik tip bum askı sistemleri ile tarla pürüzlülüğü ve ilerleme hızının, bum salınımlarına etkisinin önemli olduğunu açıklamıştır. Yazar artan bum salınımlarıyla birlikte memelerin hedef yüzeyden olan uzaklıklarının değiştiğini ve alışılagelmiş askı sistemlerinin püskürtme dağılımının bozulmasına neden olduğunu ve sonuç olarak bum salınımlarını önleyecek bağlantı sistemlerinin kullanılmasının önemine değinmiştir. Bum stabilitesini sağlamak amacıyla yapılan çalışmalara ilişkin olarak yazar bumların uç kısımlarının az sarsılmaları için, uç kısımların ağırlığını dengeleyebilecek yaylarla, yan kol bağlantılarının yapıldığını belirtmiştir. Benzer 10

22 şekilde araştırmacı bumların ani şokları ve bumların yukarı-aşağı hareketinden doğan titreşimlerinin önlenebildiğini belirtmiştir. Çeşitli tip pasif bum dengeleme sistemlerine ait şematik görünümler Şekil 2.1 de verilmiştir. Şekil 2. 1 Çeşitli tip pasif dengeleme sistemleri (Nation 1978) 11

23 Yabancı ot savaşında kullanılan tarla püskürtme sistemleri üzerine yaptığı çalışmada Koçer (1985), püskürtme sistemlerinin ilaç dağılım düzgünlüğü ve yüzey kaplama değerlerine olan etkilerini incelemiştir. Araştırıcı, yüzey kaplama değerleri ile püskürtme sistemine gelen yatay ve düşey titreşimleri, düz yol ve engebeli yollar üzerinde ölçmüştür. İlerleme hızı olarak 4 km/h, 6 km/h ve 8 km/h lik hızları kullanmıştır. Araştırıcı denemelerinde ivmeölçer kullanmış ve bunu püskürtme bumu üzerinde farklı noktalara yerleştirmiştir. Araştırma sonucunda, tarla pülverizatörlerinde iş genişliği büyük olan püskürtme sisteminin salınımlı bağlanmasıyla yüzey kaplama değerinin iyileştiğini vurgulamıştır. Çoklu sensörler aracılığıyla bum bölümlerinin yükseklik kontrolünü sağlayan bir elektronik sistem Sartori ve arkadaşları (2002) tarafından geliştirilmiş ve bir pülverizatör üzerine yerleştirilmiştir. Araştırmacılar pamuk tarlasında yaptıkları denemelerde, operatör kontrolü ile elektronik kontrol sonuçlarını karşılaştırmışlardır. Sonuçta bumun yükseklik kontrolü elektronik kontrol aracılığı ile gerçekleştirilmiş ve böylece operatörün iş yükünün hafifletildiği belirtilmiştir. Ayrıca elektronik bum yükseklik kontrol mekanizması sayesinde, yüksek hızlarda ilaçlamanın da mümkün olduğu aynı araştırıcılar tarafından belirtilmiştir (Şekil 2.2). Şekil 2. 2 Elektronik bum yükseklik kontrol mekanizması şematik görünümü. (Sartori et al. 2002) 1. Ultrasonik yükseklik sensörü, 2. Doğrusal yer değişim algılayıcı, 3. Hidrolik silindir, 4. Teleskobik şok sönümleyici, 5. Esneme yayı, 6.Püskürtme bumu Jeon et al. (2004a) 27 m bum uzunluğuna sahip bir pülverizatörü 12.8 km/h hızla değişik yüzey koşullarında ilaçlamada kullanarak bum ivmelenmesi ve bum 12

24 yüksekliğinin ilaç kalıntısı üzerindeki etkilerini araştırmışlardır. Yüzey koşulları düz, 20 cm yüksekliğinde kasislerin ve 20 cm derinliğindeki çukurların bir arada olduğu koşullarda test etmişlerdir. Lazer yansıma (laser diffraction) tekniğini kullanarak hacimsel damla çaplarını µm aralığında ölçmüşlerdir. Denemeler pülverizatör deposu ya yarım dolu ya da depoda çok az sıvı varken gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonucunda bum stabilitesinin pülverizasyon tekdüzeliği üzerinde çok önemli bir parametre olduğu belirtilmiştir. Tarla koşullarında bum hareketlerinin otomatik olarak algılanabilmesi için bir ölçüm sistemi pülverizatör üzerine Jeon et al. (2004b) tarafından yerleştirilmiştir. Bu sistemin bum üzerindeki titreşimleri, bum ivmelenme tepkisini, bum uçlarının yüksekliklerini ve pülverizatörün ölçüm alanı üzerindeki pozisyonunu ölçebildiği belirtilmiştir. Titreşim tepkileri, tekerler, şasi süspansiyonu, bum süspansiyonu ve bum üzerindeki eğilmelerini içermektedir. On iki adet ivmelendiricinin (accelerator) x, y ve z olmak üzere 3 yönde de ölçüm yapabilmesi için arka şasi merkezine, bum merkezine ve bumun her iki ucuna yerleştirildiği belirtilmektedir. Pülverizatörün denenmesi sırasında, 20 cm derinliğinde çukurlar ve 20 cm yüksekliğinde engebeler üzerinden geçirilerek veri algılanmasının otomatik olarak yapıldığı ve bir bilgisayara kayıt edildiği belirtilmektedir. Belirtilen bu ölçüm sisteminin gelecekte tasarlanacak pülverizatörler, pülverizatör bumu, pülverizatör süspansiyonlarının tasarımı, pülverizatör çalışma hızları, bum uzunluğu ve aktif bum süspansiyonlarının tasarımında yararlı olacağı aynı araştırıcılar tarafından belirtilmektedir. Bum hareketlerinin ölçülmesi için doğrusal ve açısal potansiyometrelerin laboratuar ortamında değerlendirilebildiği bir çalışma Pochi ve Vannucci (2001) tarafından yapılmıştır. Denemeler standart laboratuar ortamında ve tarla koşullarında yapılmıştır. Araştırıcıların bu çalışmalarındaki amacının basit, ucuz ve güvenilir bir sistem geliştirerek bum hareketlerinin ölçülmesi olarak belirtilmiştir. Potansiyometrik ölçümlerin güvenilirliği çok hassas ve daha gelişmiş olan kızılötesi (infrared) ve ultrasonik sistemler ile elde edilen ölçümlerle test edilmiştir. Buradan potansiyometrik ölçümlerle bum hareketlerinin tarla koşullarında ölçülmesinin mümkün olduğu 13

25 sonucuna vardıklarını belirtmişlerdir. Stabil çalışan bir püskürtücü bumu daha homojen bir ilaç dağılımı sağlar ve ilaç miktarını azaltır. Stabil bir bum hareketi sağlayabilmek için yatay bum hareketlerini sönümleyici aktif bir süspansiyon sistemi Anthonis ve arkadasları (2000) tarafından yapılan bir çalışmayla açıklanmaya çalışılmıştır. Yatay bum hareketleri iki ivmeölçer ile ölçülmüş ve bir kontrol elemanına gönderilmiştir. Bunun sonucunda süspansiyon sistemine tutturulmuş elektrohidrolik hareketlendirici (actuator) aktif hale getirilmiştir. İki servo valfin yol açtığı hidrolik silindirler üzerindeki kayma, her bir hareketlendirici üzerinde oransal pozisyon geri besleme döngüsü kullanılarak elimine edilmiştir. Nümerik problemleri göz ardı etmek için geliştirilen kontrol elemanı daha küçük alt kontrol sistemlerine ayrılmıştır. İvmelendiricinin ayarlanan voltajı üzerindeki küçük değişimler nedeniyle hareketlendiricilerde meydana gelen kayma bir yüksek geçirgen filtreyle önlenmiştir. Kontrol elemanı ve aktif süspansiyon sistemi bir titreştirme tablası üzerinde test edilmiş sonuçta güvenilir ve stabil bir sonuç verdiği aynı araştırıcılar tarafından belirtilmiştir (Şekil 2.3) Şekil 2. 3 Aktif süspansiyon sisteminin şematik görünümü (Anthonis et al. 2000) Yamaç arazilerde ilaçlama sırasında, tarla pülverizatörlerinin eğimden kaynaklanan olumsuzluklardan etkilenmemesi için, arazi eğimini takip edebilen bir matematiksel model Deprez ve arkadaşları (2003) tarafından geliştirilmiştir. Dört değişik süspansiyon sistemi üzerinde yapılan denemelerde modelin yapısı incelenmiştir. Analitik olarak geliştirilen modeller aynı araştırıcılar tarafından doğrulanmıştır. Yavaş ve aktif bir 14

26 süspansiyon için istenmeyen bum salınımlarına yol açan arazi eğimini takip etmek, toprak yüzey dalgalanmalarını filtrelemek için aktif ve yavaş bir süspansiyon sağlayan bir kontrol mekanizması tasarlanmıştır. Geliştirilen kontrol elemanı, gerçek makine üzerinde ve laboratuar ortamında test edilmiştir. Düşük güçlü ivmelendirici kullanılmasına rağmen iyi bir performans elde edildiği aynı araştırıcılar tarafından belirtilmiştir ( Şekil 2.4). Şekil 2.4 Yavaş aktif sarkaçlı süspansiyon (Deprez et al. 2003) 2.2 Biçerdöver Tablasının Dengelenmesine Yönelik Yapılan Çalışmalar Günümüzde biçerdöver tablalarının kontrolü operatör tarafından elle yapılmaktadır. Ancak bu yöntemle hasat kayıpları belli bir düzeye indirilmesine karşın, istenilen seviyede değildir. Ayrıca bu durum biçerdöver operatörünün fiziksel yorgunluğuna yol açmakta ve bazı durumlarda da alet ve ekipmanın zarar görmesini önleyememektedir. Elle yapılan biçerdöver tabla kontrol yönteminin dezavantajları nedeniyle bu yönteme alternatif olabilecek bir metot Lopez ve arkadaşları (2002) tarafından geliştirilmeye çalışılmıştır. Araştırıcılar geliştirdikleri bu yöntemi küçük ölçekli bir biçerdöver simulatörü üzerinde denemişlerdir. Yöntemin çalışması; biçerdöver tablasının kesme yüksekliğinin kontrolü, toprak profilini izleyici sensörden gelen hata sinyaline bağlı olarak, hidrolik bir düzen yardımıyla biçerdöver tablası aşağı yada yukarı hareket ettirilerek kontrol edilmesi şeklindedir. Bu hareketin sağlanabilmesi için biçerdöver tablası altında yer alan toprak profili izleyicisinden alınan sinyaller bir açısal dönüştürücü tarafından elektriksel sinyallere dönüştürülerek kontrol algoritmasının bulunduğu taşınabilir bir bilgisayara aktarılmıştır. Aktarılan bu sinyaller 15

27 değerlendirilerek basınç kontrol valflerine gerekli kontrol sinyalleri gönderilmiştir. Araştırıcılar yaptıkları çalışmanın sonucunda, geliştirilen kontrol sisteminin biçerdöver tablasının kesme yüksekliğini bozucu etkenlere karşı (titreşim, engebeli toprak yüzeyi vb.) önemli ölçüde başarılı olduğu belirtilmişlerdir. Şekil 2.5 de NORAC firması tarafından geliştirilen biçerdöver tabla yükseklik kontrolünün şematik görünümü yer almaktadır. Şekil 2.5 Biçerdöver tabla yükseklik kontrolü şematik görünümü ( 2007) 2.3 Ultrasonik Mesafe Ölçüm Parametreleri Tarla pülverizatörleri ve biçerdöver gibi makinaların tarlada çalışması sırasında tarla yüzeyine paralelliklerinin sağlanabilmesi için, tarla pülverizatör bumunun yada biçerdöver tablasının yer düzlemine olan mesafesinin ölçülmesi gereklidir. Mesafe ölçümü için çok çeşitli algılayıcılar bulunmaktadır. Bu algılayıcılardan birisi de ultrasonik mesafe ölçüm sensörleridir. Gürdal (2000) kitabında belli frekanslar altında bir ortamın (katılar, sıvılar ve gazlar) alternatif sıkışma ve genleşmesini ses dalgaları olarak adlandırılmıştır. Ortamın içeriği 16

28 dalganın yayılma yönünde osilasyon yapmaktadır ve bundan dolayı bu dalgaları boyuna mekanik dalgalar olarak adlandırmıştır. Raju (2001) ses hızının bilinmesi durumunda bir cismin uzaklığının, ses kaynağından gönderilecek olan sesin, cisme çarpıp alıcıya geri dönme süresinden hesaplanabileceğini belirtmiştir. Duyulan ses yaklaşık Hz arasındaki insan kulağının işitme aralığıyla ilişkilidir. 20 Hz altındaki boyuna mekanik dalgalar ses altı (infrasound) ve Hz nin üzerindeki dalgalar ise ses ötesi (ultrasound) olarak adlandırılmıştır. Çizelge 2.1 de bazı zeminlerde boyuna dalgaların yayılma hızları verilmektedir. Hız sıcaklığa bağlı olduğundan, pratik amaçlar için sıcaklığın değeri daima dikkate alınmalıdır. Çizelge 2. 1 Ses dalgalarının farklı ortamlar içindeki hızları (Gürdal 2000) Zemin Ses Hızı (m/s) Kuru Hava (20 C) 331 Buhar (134 C ) 494 Hidrojen (20 C) 1330 Sıvılarda 1486 Atıcı (1994) yaptığı çalışmada, bir tam titreşim hareketini, genlik-zaman eksen takımında doğru üzerindeki mesafesi dalga boyu olarak tanımlanmıştır (Şekil 2.6). Şekil 2. 6 Genlik zaman ekseninde dalga boyu (Atıcı, 1994) Green (2004) Ultrasonik mesafe ölçüm yönteminin fizik kurallarına dayalı olduğunu belirtmiş ve formül 2.1 ile ultrasonik mesafe ölçümünün yapılabileceğini belirtmiştir. Burada; D: Mesafe (m) D= V T / 2 (2.1) 17

29 V:Hız (m/s) T: Zaman (s) dır. Blitz (1971) yaptığı çalışmada ses dalgası karakteristiklerini incelemiştir. Yaptığı araştırma sonucunda, ses dalgalarının katı, sıvı veya gazlar içindeki yayılımlarının farklı özellikler gösterdiğini belirtmiştir. Ayrıca yazar birbirinden düz bir sınır yüzeyiyle ayrılmış iki farklı ortamdaki ses dalgalarının, normal olarak iletiminin ve yansımasının da farklılıklar gösterdiğini belirtmiştir (Şekil 2.7). Şekil 2. 7 Ses dalgalarının düz bir sınır yüzeyiyle ayrılmış farklı iki ortamdaki geçişi ve yansıması (Blitz 1971) İki zemin arasında ses enerjisinin geçirilmesine ve yansıtılmasına ilişkin oransal miktarları ifade etmek üzere, geçirme ve yansıtma katsayıları da tanımlanmıştır. Bu katsayılar; 4R1R2 Geçirme katsayısı = 2 ( R + R ) R1 R2 Yansıtma katsayısı= 2 ( R + R ) şeklindedir. Burada; R: Ortamları oluşturan materyallere ait karakteristik empedans ( kg/m 2 s). Karakteristik empedans ortamın hacim ağırlığına ve ses hızına bağlıdır ve aşağıdaki şekilde tanımlanabilmektedir: R= ρ c

30 ρ : Hacim ağırlığı (kg/m 3 ). c: Sesin havadaki yayılma hızı (m/s) dır. Çeşitli katı, sıvı ve gazlar için belirlenebilen karakteristik empedans değerleri formül 2.4 deki gibi kullanılarak; ortamı oluşturan farklı madde çiftleri için geçirme ve yansıtma katsayılarının hesaplanması mümkündür. Farklı iki ortamın karakteristik empedansları birbirine yakın olduğunda, yansıtma katsayısı sıfıra yaklaşırken, tersi durumda ortamlardan birisi gaz, diğeri de katı veya sıvı olduğunda, karakteristik empedans değerleri birbirine yakın olmadığından; geçirme ve yansıtma katsayılarının çok farklı değerler alabildiği Vatandaş ve Gürhan (1996) tarafından belirtilmiştir. Ayrıca söz konusu durumun, hava ve topraktan oluşmuş ses yayılım ortamları için de söz konusu olabildiği, çünkü havanın karakteristik empedansının, toprağın içeriğinde yer alabilen elementlere göre çok daha düşük ve her iki ortamın sınır yüzeyinin düzgün olmayan bir yapı gösterdiği aynı araştırıcılar tarafından belirtilmiştir. Atıcı (1994) ya göre ultrasonik ses alanı, kaba görünümüyle bir arabanın far lambalarının vermiş olduğu ışık demetine benzemektedir. Yalnız, piezoelektrik özelliğe sahip kristalin yaydığı ses, belirli bir mesafede kristal alanı kadar ses alanı oluşturmaktadır. Şekil 2.8 de görüldüğü gibi, ultrasonik ses dalgaları belirli bir genişlemeyle, ses demeti (koni) şeklinde yayınmaktadır. Şekil 2. 8 Maddesel zeminde ultrasonik ses dalgası yayınımı (Atıcı 1994) 19

31 Atıcı (1994) ayrıca ultrasonik ses dalgasının geometrisinin incelenmesinde: - Ultrasonik ses dalgasının yayındığı zeminin özelliği - Kristalin büyüklüğü - Frekans - Dalga boyu - Yansıma - Enerji miktarı - Dalga çeşidi gibi faktörlerin göz önüne alınması gerektiğini belirtilmektedir. Gürdal (2000) ultrasonik mesafe ölçümüyle ilgili yapmış olduğu çalışmada, temassız uzaklık ölçümleri için bir çeşit pilot sinyali gönderen ve yansıyan sinyali geri alabilen bir algılayıcı tasarımına değinmiştir. Bunun için gönderilen ultrasonik ses sinyali, elektromanyetik, akustik vb. olabilmektedir. Dalga enerjisinin gönderilmesi ve alınması ultrasonik mesafe ölçerler ve hız detektörlerinin temelidir. Ses dalgaları bir cisme geldiği zaman enerjinin bir kısmı geri yansıtılmaktadır. Ultrasonik enerji çoğu pratik durumlarda yayılımcı bir davranışla geri yansır. Yani enerji geldiği yönden bağımsız olarak, 180 ye yaklaşabilen geniş bir açıda hemen hemen düzenli olarak yansıtılır. Eğer bir cisim hareket ederse yansıyan dalgaların frekansı gönderilen dalgaların frekansından farklı olacaktır. Bu Doppler Etkisi olarak tanımlanmaktadır (Gürdal, 2000). Cisme olan uzaklık, L 0, zemindeki ultrasonik dalgaların hızı ve θ açısı ile hesaplanabilmektedir (Şekil 2.9). L 0 v t Cosθ = (2.6) 2 Burada t ultrasonik ses dalgalarının cisme ve cisimden algılayıcıya geri yansıdığı zamandır. Şayet bir verici ve alıcı cisme olan uzaklığa kıyasla birbirine yakın yerleştirilmişse bu durumda cosθ =1 olur. Ultrasonik ses dalgaları mikrodalgalara göre açık bir avantaja sahiptirler. Ses hızıyla hareket ederler ve bu mikrodalganın yayılma 20

32 hızı olan ışık hızından çok düşüktür. Böylece t zamanı uzun olmakta ve ölçüm daha kolay ve ucuz yapılabilmektedir. Şekil 2. 9 Ultrasonik mesafe ölçümü (Gürdal 2000) Ultrasonik ses dalgası üretmek için bir yüzeyin hareketi gerekmektedir. Bu yüzey hareketi katı, sıvı ve gaz (hava) ortamlarında sıkışma ve genleşme meydana getirir. Ultrasonik ses yüzey hareketi meydana getiren bir uyartım aygıtının en çok kullanılan tipi, motor modunda çalışan piezoelektrik dönüştürücüdür. Keskin ve Koç (2005) yaptıkları çalışma ile ultrasonik alıcı verici sensör çiftini kullanarak, kesitleri belli bir açık kanaldaki su yüksekliğinin ve suyun debisinin ölçüldüğünü belirtmişlerdir. Çalışmada geliştirilen düzenek yardımıyla, ultrasonik verici sensörünü suyun üzerinde suyun kaldırma kuvvetiyle aşağı yukarı hareket edebilecek şekilde, ultrasonik alıcı ise ultrasonik verici sensörünün görebileceği bir plaka üzerine sabitlemiştir. Sonuçta ultrasonik alıcı ve verici çifti arasındaki mesafenin algılandığını ve mesafeye bağlı olarak debi ölçümünü gerçekleştirilmiş olduğu belirtilmiştir. Ayrıca mesafe ölçüm sonuçları ve açık kanaldaki suyun debisinin Delphi programla dilinde yazılan bir program ve paralel port aracılığıyla kişisel bilgisayara aktarıldığı da araştırıcılar tarafından belirtilmiştir. Yaldız vd.(2005) yaptıkları çalışmada PIC kontrollü, ultrasonik alıcı verici çifti kullanarak bir mesafe ölçüm sistemi geliştirmişlerdir. Çalışmalarında PIC BASIC Pro programlama dilinde mesafeye bağlı olarak bir adet servo motor kontrolü gerçekleştirmişlerdir. Ayrıca mikrodenetleyici olarak PIC16F877, sonuçların görsel 21

33 olarak yansıtılabilmesi için LCD ve kullanıcı arayüzü için kişisel bir bilgisayar kullandıklarını belirtmişlerdir. Vatandaş et al. (2007) yaptıkları çalışma ile ultrasonik ses dalgalarını kullanarak bazı alkollerin saf su içerisindeki karışım oranlarını ve alkol tiplerini tespit etmeye çalışmışlardır. Çalışmalarının sonucunda ultrasonik ses dalgalarının kullanılarak saf su içerisindeki alkol tipinin ve karışım oranlarının başarılı bir şekilde tespit edilebildiğini bildirmişlerdir. Yapılan çalışmada ayrıca karışım oranlarının ve sıcaklığın ultrasonik ses hızı üzerinde etki parametreler olduğunu bildirmişlerdir (Şekil 2.10). Şekil Ultrasonik ses hızının karışım oranı ve sıcaklıkla değişimi (Vatandaş et al. 2007) 22

34 3. MATERYAL VE YÖNTEM 3.1 Materyal Salınımlı çalışan tarım makinalarında zemine paralellik sağlayan ayar düzeninin geliştirilmesi ve modellenmesi için salınımlı çalışan ve çalışması sırasında yer düzlemine paralel kalması büyük önem taşıyan tarla pülverizatörleri esas alınarak bir prototip makina tasarlanmış ve imal edilmiştir. Geliştirilen prototip makina mekanik, hidrolik, elektronik ve yazılım kısımlardan oluşan mekatronik bir sistemdir. Sistemi oluşturan her elemanın tasarımı öncelikli olarak bilgisayar destekli çizim, tasarım ve simulasyon programları yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Simulasyon sonuçlarının başarılı olmasının ardından imalatları gerçekleştirilmiştir. Sistemi oluşturan elemanlar imal edildikten sonra bir araya getirilerek mekatronik sistemin montajı gerçekleştirilmiştir. Montajı gerçekleştirilen mekatronik sistemin denemeleri için bilgisayar destekli bir sistem ve veri algılama kartlarından oluşan bir test düzeneği kurularak sistemin hem laboratuar ve hem de tarla denemeleri gerçekleştirilmiştir. Denemelerde sistem test edildikten sonra, deneme sonuçlarına bağlı olarak mikrodenetleyici tarafından kontrol edilen elektronik bir kumanda kartı imal edilmiştir. Şekil 3.1 de geliştirilen sistemin şematik görünümü yer almaktadır. Şekil 3. 1 Geliştirilen sistemin şematik görünümü 23

35 3.1.1 Prototip makinanın bilgisayar destekli tasarımı ve simulasyonu Prototip makinanın mekanik kısmının tasarımı ve simulasyonları SolidWorks 2007 programı deneme sürümü kullanılarak yapılmıştır. Sistemi oluşturan parçalar programın parça modelleme (part design) kısmında tek tek üç boyutlu olarak çizilmiş ve daha sonra programın montaj (assembly) kısmında bağlantıları yapılarak, sistemin çalışması simule edilmiştir. Sistemi oluşturan parçaların yapım resimleri ise programın çıktı (drawing) kısmında elde edilmiştir. Geliştirilen sistemin şematik görünümü Şekil 3.2 de gösterilmektedir. Şekil 3. 2 Geliştirilen prototip makinanın şematik görünümü Sistemi oluşturan parçaların SolidWorks programında yapılan üç boyutlu görünüşleri Şekil 3.3 de verilmiştir. Şekil 3.4 de ise SolidWorks programında gerçekleştirilen mekanik simulasyon görüntüsü yer almaktadır. Simulasyon prototip tarla pülverizatörüne ait bumların hareketleri birbirinden bağımsız olarak çalışacak şekilde gerçekleştirilmiştir. 24

36 Şekil 3. 3 Mekanik sistemi oluşturan parçalar Şekil 3. 4 Mekanik simulasyon görüntüsü 25

37 Şekil 3.5 te prototip makine çatısının SolidWorks programı deneme sürümü kullanılarak yapılan gerilme analizi yer almaktadır. Şekil 3.6 da ise prototip makinanın çatısına ait yapım resmi yer almaktadır. Şekil 3. 5 Prototip makina çatısının gerilme analizi Şekil 3. 6 Prototip makina çatısı yapım resmi 26

38 3.1.2 Prototip makinanın imalatı Geliştirilen prototip makinanın parçalarının kolayca sökülüp takılabilmesine imkan tanıyan bağlantı elemanları kullanılmıştır. Prototip makine üzerinde yer alan, sağ ve sol bum kolları ayrı ayrı hareket etmeye uygun ve parçalı yapıda imal edilmiştir. Bumların toplam iş genişliği 10 m dir. Bumlar 40x60 mm boyutlarında, et kalınlığı 4 mm olan dikdörtgen demir profilden imal edilmiştir. Sağ ve soldaki her bir bum 2,5 m lik ikişer parçanın bir cıvata ve somunla tutturulmasıyla imal edilmiştir. Ayrıca bumların çatıya ve hidrolik silindirlere montajını sağlamak için iki adet delik bulunmaktadır. Geliştirilen prototip tarla pülverizatörünün çatısı, standart traktör üç nokta askı düzenine bağlanabilecek şekilde imal edilmiştir. Prototip pülverizatör çatısı dikdörtgen kafes tarzında, 40x60 mm kesitlerinde ve 4 mm et kalınlığına sahiptir. Çatı üzerinde hidrolik silindirlerin yataklanmasına imkan tanıyan sabit ve üzerinde delik bulunan plakalar kaynatılmıştır. Çatının alt yüzeyi hidrolik güç ünitesi elemanlarının taşınabilmesi için 4 mm lik çelik sac ile kapatılmıştır. Bu sac yüzeyin üzerine 2 mm lik sac malzemeden, 2 adet dikdörtgen kesitli ve bir adet de daire kesitli ve yüksekliği 200 mm olan hücreler kaynatılmıştır (Şekil 3.7). Şekil 3. 7 Prototip makinanın genel görünümü 27

39 3.1.3 Prototip makinanın hidrolik aksamının bilgisayar destekli tasarımı ve simulasyonu Hidrolik aksamın tasarımı ve simulasyonu için FluidSIM-h programı deneme sürümü kullanılmıştır. Program menusu içerinde yer alan hidrolik sistemi oluşturan 2 adet çift etkili hidrolik silindir, iki adet 4/3 pompa dönüşlü orta konumlu selenoid kumandalı yön kontrol valfi, depo ve pompa seçilerek uygun bağlantılar oluşturulmuştur. Bağlantılar oluşturulduktan sonra gerekli sayısal değerler girilmiş ve sistemin simulasyonu gerçekleştirilmiştir. Sistemi oluşturan elemanlar ve simulasyon sırasındaki görüntüsü Şekil 3.8 de verilmiştir. Şekil 3. 8 Hidrolik sistemi oluşturan elemanlar ve simulasyon görüntüsü 28

40 3.1.4 Prototip makinanın hidrolik parçaları ve imalatı Prototip makinanın hidrolik parçaları 2 adet strok boyu 200 mm olan çift etkili hidrolik silindir, 2 adet selenoid valf, hidrolik hortumlar ve elektriksel bağlantı elemanlarından oluşmaktadır (Şekil 3.9). Şekil 3. 9 Çift etkili hidrolik silindir Selenoid valfler ile birlikte elektrik bağlantı elemanları Şekil 3.10 da görülmektedir. Her bir selenoid valf üzerinde 2 adet olmak üzere toplam 4 adet 12 V luk röle yer almaktadır. Her bir pistonun çalıştırılması için 2 adet röle kullanılmıştır. Rölelerden birisi pistonun bumu kaldırma sinyali geldiğinde silindire hidrolik yağın basılması için, diğeri ise ters yönde yani hidrolik pistona bumu indirme sinyali geldiğinde ters yönde hidrolik yağın basılması için kullanılmıştır. Şekil Sistemde kullanılan selenoid valfler 29

41 Hidrolik güç ünitesi Sistemin laboratuar denemelerinde güç ihtiyacını karşılamak için hidrolik güç ünitesinden yararlanılmıştır. Hidrolik güç ünitesi 2 adet 12 V 60 Ah lik batarya, 24 V ve 2 kw gücünde bir DC motor, maksimum çalışma basıncı 100 bar olan hidrolik pompa, her iki ucunda 12 V luk röle bulunan 2 adet solenoid valf, 10 lt kapasiteli bir yağ deposu, elektrik ve hidrolik bağlantı elemanlarından oluşmaktadır (Şekil 3.11). Şekil Hidrolik güç ünitesi Redüktörlü güç ünitesi Hidrolik güç ünitesini çalıştırmak için kullanılan akülerin çabuk bitmesi nedeniyle, uzun süreli çalışmalar için kullanılması mümkün olmamıştır. Bunun için tarla denemelerinde daha uzun süreli çalışmalar için traktör kuyruk milinden tahrikli redüktörlü bir sistem kullanılmıştır. Sistem bir adet 1/3 transmisyon oranlı redüktör, 250 bar basınçlı pompa, 30

42 traktör kuyruk mili, hidrolik borular, 30 lt kapasiteli harici depo ve sabitleme aparatlarından oluşturulmuştur. Redüktör 540 d/d standart kuyruk mili devrini üç katına çıkararak pompa basıncını artırmak için kullanılmıştır (Şekil 3.12). Şekil Traktör kuyruk milinden hareket alan pompa ve redüktör düzeneği Redüktör yardımıyla çalışan hidrolik pompa, hidrolik güç üretmek için gerekli hidrolik yağı, prototip makinanın çatısı üzerine yerleştirilen hidrolik yağ deposundan sağlamıştır (Şekil 3.13). Selenoid valfler üzerinde yer alan rölelerin elektrik ihtiyacı ise traktör bataryasından sağlanmaktadır. Şekil Redüktörlü güç ünitesinde kullanılan hidrolik yağ deposu 31

43 Hidrolik güç ünitesi hesaplamalarına ait veriler ve kullanılan formüller Hesaplamalarda kullanılan formüller FESTO firmasına ait Hidrolik Temel Seviye (Merkle et al. 1991) kitabından alınmıştır. Kullanılan pompa tipi 1PN08 HEMA 8 dişli pompa Maksimum pompa basıncı, P = 100 bar Pompa debisi, Q = 8 dm 3 /d Pompa devri, n = 1000 d/d Pompa verimi: %90 Strok boyu: 200 mm Piston et kalınlığı:10 mm Silindir dış çapı: 80 mm Silindir iç çapı: 60 mm Taşınacak maksimum kuvvet, F=500 N Silindir kesit alanı (A) 2 d A= π (3.1) 4 Taşınabilecek kuvvet(f): F = p A (3.2) Pompa yutma hacmi (V): Q= V n Q V = (3.3) n Pistonun ileri-geri hareket hızı(v): Q v= (3.4) A Pompa dönme momenti (M): M = p V (3.5) Pompanın geliştirebileceği güç (P): P= 2 π n M (3.6) 32

44 Çizelge 3. 1 Hidrolik güç ünitesi ile ilgili hesaplama sonucu elde edilen veriler 2 2 Silindir Kesit Alanı (A) d 3, A= π = = 28,26cm 0,0028m Taşınabilecek kuvvet(f): F = p A= ,0028= 28000N Pompa yutma hacmi (V): Pistonun ileri-geri hareket hızı(v): Pompa dönme momenti (M): Pompanın geliştirebileceği güç (P): 3 V Q = = = 8cm devir n 1000 / v = = 3,07m / dak 0,0028 M = p V = 100 8= 80, 0Nm P= 2 π n M = 2 3, = 8373W 8, 3kW Bilgisayar kontrollü elektronik test ünitesinin kurulması Geliştirilen prototip makinanın mekanik ve hidrolik kısımları üretildikten sonra, tüm sistemi kontrol edecek olan elektronik kumanda kartının imalatından önce, kullanılacak olan sensörler temin edilmiş ve daha sonra bu sensörlere uygun bir düzenek kurulmuştur. Ayrıca bu sensörlere bağlı olarak sistemin çalışabilirliği ve geliştirilen kumanda programı yöntemi test edilmiştir Mesafe ölçüm sensörleri Temassız ya da tahribatsız olarak mesafe ölçümü için RF, akustik, infrared, lazerli vb sensörler kullanılmaktadır. Yer düzlemiyle prototip tarla pülverizatör bumları arasındaki yükseklik mesafesini ölçmek için, sağ ve sol bum uçlarında birer adet olmak üzere ultrasonik mesafe ölçüm sensörleri kullanılmıştır. Bunun nedeni daha uzun mesafelerde ölçüm yapabilmesi, çevresel ışıktan etkilenmemesi, fazla karışık olmayan verici ve alıcı devrelerinin olması, ses hızının diğer yöntemlere göre cisme çarpıp dönme süresinin uzun olması ve süreye bağlı olarak cismin uzaklığının rahatlıkla hesaplanabilmesi ve ekonomik olmalarıdır (Yaldız vd. 2005). Geliştirilen sistemde kullanılan sensörler Maxbotix firması tarafından üretilen MaxSonar-EZ1 (Maxbotix LV, 8757 East 33

45 Chimney Spring Drive, Tucson AZ USA ) ultrasonik mesafe ölçüm sensörleridir. Sensörler Şekil 3.14 de görülmektedir. Kullanılan ultrasonik mesafe ölçüm sensörlerinin bazı özellikleri şöyledir: -Çalışma gerilimleri 2.5V - 5V aralığındadır. -Sürekli olarak ölçüm yapmaya uygundurlar ve m aralığında ölçüm yapabilir. -Her 50 ms de (20 Hz rate) bir ölçüm yapabilir. -Sensör frekansı ise 42 khz dir. -Sensör çıkışı milivolttur. -Sensör boyutları 22.1 x 19.9 x 16.4 mm dir. Sensörün devre şeması Şekil 3.15 te görülmektedir. Şekil Maxsonar EZ-1 ultrasonik mesafe ölçüm sensörü ( 2007) Şekil Maxsonar EZ-1 ultrasonik mesafe ölçüm sensörü devre şeması 34

46 Maxsonar Ez-1 ultrasonik mesafe ölçüm sensörlerine ait gönderilen dalgaların davranışları Şekil 3.16 da görülmektedir. Şekilde her bir karenin uzunluğu cm dir. Dört farklı cimin uzaklığı algılanırken alınan dalga karakteristikleri belirlenmeye çalışılmıştır. A ile gösterilen ortamdaki grafik, sensörün yaklaşık 6.5 mm çapında bir pimin uzaklığını algılanması sırasında elde edilmiştir. Dalgaların çok küçük olmasının nedeni uzaklığı ölçülen cismin çok küçük olmasından kaynaklanmaktadır. Şekil üzerinde B ile gösterilen ortamdaki dalga karakteristikleri, 25.4 mm çapındaki pimin uzaklığının ölçülmesi sırasında elde edilmiştir. Uzun ince bir dalga şekli elde edilmiştir. C ile gösterilen ortamda çapı yaklaşık 82.5 mm olan bir çubuğun algılanması sırasında elde edilmiştir. D ile gösterilen ortamdaki grafik uzunluğu yaklaşık 280 mm olan bir tahtanın, sensörün sabitlendiği panel önünde kaydırılmasıyla elde edilmiştir. Bu ortamda elde edilen dalga karakteristiği mesafesi ölçülen cismin şekli hakkında da fikir vermektedir. Mesafe (m) + Mesafe (m) Şekil Maxsonar EZ-1 ultrasonik mesafe ölçüm sensörlerine ait her karenin kenar uzunluğu cm olan dalga karakteristikleri ( 2007) 35

47 Elektronik kontrol ve test ünitesinin kurulması Geliştirilen prototip makinanın kontrol ünitesinin ve kumanda yönteminin test edilmesi için bir adet HP Compaq nx8220 diz üstü bilgisayar, Labview 8.2 paket programı ve veri algılama kartı NI 6009 kullanılmıştır. Geliştirilen test düzeneği Şekil 3.17 de verilmiştir. Elektronik test düzeneği Labview 8.2 programında yazılan bir programa göre tüm sistemi aç-kapa (on-off) kontrol yöntemine göre kumanda etmektedir. Sensörlerden mesafe verilerinin alınması ve mesafe verilerine göre uygun çıkış sinyallerinin oluşturularak selenoid valfler üzerinde yer alan rölelerin tetiklenmesi NI 6009 veri algılama kartı aracılığıyla yapılmıştır. NI 6009 kartı 8 adet analog girişe (14- Bit ks/s), 2 adet analog çıkışa (12-Bit 150 S/s) ve 12 adet dijital I/O portuna sahiptir ( 2007). Şekil Denemelerde kullanılan dizüstü bilgisayar ve NI 6009 kartı Labview grafiksel programlama dilinde geliştirilen programla yapılan denemelerde, sensörlerin aldıkları verileri NI 6009 veri algılama kartına oradan da dizüstü bilgisayara aktarabilmeleri için bir ara bağlantı devresi kurulmuştur (Şekil 3.18). 36

48 Şekil NI 6009 veri algılama kartı ve ara bağlantı devresi Sensörlerin bağlandığı ara bağlantı devresinin ve sensörlerin beslenmesi 12V ve 13 Ah lik şarj edilebilir DC bir batarya yardımıyla yapılmıştır. Labview grafiksel programlama ile yapılan denemelerde veriler NI 6009 veri algılama kartı ile alındıktan sonra, yazılan program tarafından veriler değerlendirilip, yine NI 6009 veri algılama kartı ile uygun çıkış sinyalleri üretilmiştir. Bu çıkış sinyalleri Şekil 3.19 da görülen ara bağlantı devresi yardımıyla solenoid valflere iletilerek sistemin kumandası gerçekleştirilmiştir. Şekil NI 6009 ara bağlantı devresi 37

49 Şekil 3.20 de ara bağlantı devresi baskı devre şeması görülmektedir. Şekil Ara bağlantı devresi baskı devre şeması Sistemin kumandası için LabVIEW 8.2 programı kullanılarak bir yazılım geliştirilmiştir. Program yazılımı ve çalıştırılması ayrı ayrı tasarım ekranlarından oluşmaktadır. Geliştirilen program sistemi NI 6009 veri algılama kartı ile kumanda edecek şekilde tasarlanmıştır. Sensör verilerinin alınması, kalibrasyonu ve kalibre edilen mesafe verilerine göre uygun çıkış sinyallerinin gönderilmesi işlemi için NI 6009 veri algılama kartı kullanılmıştır. Aynı zamanda yazılan program, elde edilen kalibre edilmiş sensör verilerinin ayrı ayrı olarak ve her 200 ms de bir olmak üzere bilgisayara kayıt edilmesi işlemini de gerçekleştirmektedir. NI 6009 veri algılama kartı Şekil 3.21 de geliştirilen grafiksel program ise Şekil 3.22 de görülmektedir Şekil NI 6009 veri algılama kartı ( 38

50 Şekil Labview programında geliştirilen grafiksel program Geliştirilen programın çalışma sayfasındaki görüntüsü Şekil 3.23 de verilmiştir. Bu ekran üzerinde programın çalıştırılması ve durdurulması işlemlerinin yanı sıra, her iki sensörden gelen kalibre edilmiş mesafe verileri grafiksel ve sayısal olarak ekrana yansıtılabilmektedir. Ayrıca sayfa üzerinde bumun istenilen çalışma yüksekliğini (ayar değerini) ve elde edilen mesafe verilerinin bilgisayara kaydedilebilmesine imkan tanıyan kumanda elemanları da yer almaktadır. 39

51 Şekil LabVIEW de geliştirilen programın çalışma sayfasındaki görüntüsü Elektronik kumanda düzeninin bilgisayar destekli tasarımı ve simülasyonu Geliştirilen mekatronik dengeleme sisteminin, bilgisayarlı bir sistem yardımıyla denemelerinin yapılması ve kontrol yönteminin test edilmesinden sonra, sistemin daha ucuz ve kolay kontrolü için, makinanın üzerine takılarak sistemi kontrol edebilen bir elektronik kumanda kartı geliştirilmiştir. Geliştirilen elektronik kumanda kartı, tüm sistemin kontrolünü üzerinde bulunan mikrodenetleyicisi PIC 16F 877 ile yapmaktadır. Şekil 3.24 de PIC Basic Pro ile yazılan programa uygun elektronik sistemi oluşturan parçalar ve simulasyon sırasındaki görüntüsü verilmiştir. 40

52 Şekil Elektronik sistemi oluşturan elemanlar ve simulasyon görüntüsü Kumanda kartının tasarımı ve simulasyonu için Proteus 6.9 (Labcenter Electronics Ltd. UK) programı deneme sürümü kullanılmıştır. Program ISIS ve ARES olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır. Programın ISIS kısmında elektronik devre elemanları mevcuttur. Kullanılacak elemanlar programa ait kütüphaneden çağrılarak program ekranı üzerinde elektronik devre kurulabilmektedir. Kurulan devrenin çalışıp çalışmadığı ekran üzerinde test edilebilmekte hatta varsa elektronik devreyi kumanda edecek yazılım da (örn. Hex koduna çevrilmiş PIC BASIC Pro da yazılan bir program) mikrodenetleyicilere yüklenerek elektronik simulasyon gerçekleştirilebilmektedir. Proteus 6.9 programının diğer bir kısmı ise ARES kısmıdır. Bu kısım elektronik baskı devre şemalarının tek taraflı ya da çift taraflı olarak çizimi için kullanılmaktadır. Baskı devre şeması çizildikten sonra istenilen formatta ve ölçekte çıktı alınabilmektedir. 41

53 3.1.7 Elektronik kumanda kartı parçaları ve imalatı Sistemde bir adet elektronik kumanda kartı kullanılmıştır. Elektronik kumanda kartı elemanları 10 bit hassasiyette ölçüm yapma kapasitesine ve 8KB lık sanal hafızaya sahip PIC 16F877 mikrodenetleyicisi ( regülatör, 4 adet 12V DC röle, 1KΩ luk 8 adet direnç, sensörlerden ölçülen kalibre edilmiş mesafe bilgilerinin gösterimi için kullanılan bir adet 2x16 LCD ekran, 4 adet BC337 transistör, 1 adet 4 MHz lik kristal osilatör, 100 µf lık 4 adet kapasitör, LED ler ve kablo bağlantıları için soketler kullanılmıştır. Geliştirilen elektronik kumanda kartının baskı devre şeması Şekil 3.25 de, kartın imalat sonrası görüntüsü ise Şekil 3.26 de verilmiştir. Şekil Elektronik kumanda kartı elemanları ve baskı devre şeması 42

54 Şekil Elektronik kumanda kartı 43

55 Geliştirilen sistemi kumanda etmesi için mikrodenetleyiciye yüklenen program PIC Basic Pro 2.45 programlama dili kullanılarak yazılmıştır. PIC BASİC Pro programlama dili kullanılarak geliştirilen yazılım için MicroCode Studio programı deneme sürümü kullanılmıştır. Programın derlenmesi işlemi de yine MicroCode Studio programında yapılmıştır. Programın görüntüsü Şekil 3.27 de verilmiştir. Şekil MicroCode Studio programı genel görünümü MicroCode Studio programını kullanarak PIC Basic Pro programla diliyle yazılan program derlendikten sonra PIC 16F877 mikrodenetleyicisine aktarılmıştır. Aktarım için bir adet PIC programlama kartı ve kartla uyumlu US Burn isimli bir program kullanılmıştır. PIC programlayıcı kişisel bilgisayara USB ile bağlanmakta ve program aktarım işlemini çok hızlı bir şekilde yapabilmektedir. Şekil 3.28 de US Burn programı genel görünümü ve Şekil 3.29 da PIC Programlama kartı yer almaktadır. 44

56 Şekil US Burn PIC Programlama programı ekran görünümü Şekil PIC Programlama kartı genel görünümü 45