BİLGİSAYAR KONTROLLÜ VİNÇ SİSTEMİ TASARIMI VE UYGULAMASI WINCH SYSTEM CONTROLLED BY COMPUTERS DESIGN AND APPLICATION

Transkript

1 . Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 0), - Mayıs 00, Karabük, Türkiye BİLGİSAYAR KONTROLLÜ VİNÇ SİSTEMİ TASARIMI VE UYGULAMASI WINCH SYSTEM CONTROLLED BY COMPUTERS DESIGN AND APPLICATION Fuat BÜYÜKTÜMTÜRK a, Özgür YILMAZ a,hakan ERTAŞKIN b ve Tahir Çetin AKINCI c a Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, İstanbul,Türkiye, E-posta: fuat@marmara.edu.tr, oyilmaz@marmara.edu.tr b Bayrampaşa Anadolu Tek., Teknik ve End. Mes. Lisesi Elektrik Böl., İstanbul, Türkiye, E-posta: hertaskin@hotmail.com c Kırklareli Üniversitesi T.E.F. Elektrik Eğitimi Bölümü, Kırklareli,Türkiye, E-posta: cetinakinci@hotmail.com Özet Bu çalışmada bilgisayar ile kontrol edilen örnek bir vinç sistemi modeli tasarlanmıştır. Sistemdeki hareketler pozisyon kontrolünde kullanılan step motorlar ile sağlanmıştır. Step motorları süren devrenin kontrolü ise bilgisayarın paralel portu aracılığıyla, visual basic kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Uygulama kısmında ise öncelikle kullanılacak motorlar da göz önüne alınarak vinç in mekaniği tasarlanmış ve parçaları imal edilmiştir. Parçaların birleştirilmesi ve motorların montajıyla mekanik sistem tamamlanmıştır. Uygulamanın ikinci aşamasında motorları sürecek devre hazırlanmıştır. Uygulamanın program kısmı üzerindeki çalışmalar, mekanik sistem, sürücü devre ve bilgisayar bağlantısı gerçekleştirilerek denemeler yapmak suretiyle devam etmiştir. Gerçekleştirilen bilgisayar kontrollü vinç sistemi üzerinde bilgisayar kontrolüyle denemeler yapılmıştır. Çalışmanın bilgisayar kontrollü robot kol, vinç gibi uygulamalarda önemli avantajlar sağladığı gözlemlenmiştir Anahtar kelimeler: Vinç sistemi, Vinç Tasarımı, Robot Kolu Abstract In this study a sample winch system prototype that is controlled by computers was designed and movements in system have been provided by step motors which are used in position control. Whereas the control of the circuit which was steering the step motors was accomplished via the parallel port of computers using software in which visual basic was used in stage. A long with the studies, before passing practice part, information has given about step motors and drive circuits and parallel ports. Firstly in practice part, the mechanic of winch was envisaged with the feature of motors are taken into consideration. The mechanical system was brought to completion by assembling the parts and installing motors. As for the second stage of the process, the circuit to steer the motors was prepared. The programming stage of the process was carried on doing experiments. After setting up a connection among the mechanic system steering circuit and the connection of computer. The errors in the system were tried to be reduced by interpreting the results of the experiments. Keywords: Winch system, Winch Design, Robot Arm.. Giriş Teknolojinin hızla ilerlemesi, bilgisayarla kontrol edilen cihazların daha yaygın bir şekilde kullanılmasına neden olmuştur. Bilim ve teknolojideki bu gelişmeler cihazları daha fonksiyonel hale getirmiş ve bu sayede otomasyon sistemleri sanayide daha etkin bir şekilde kullanılır hale gelmiştir kullanılmaya başlamıştır. Günümüzde önemli tipte robotlar geliştirilmiştir. Bunlar çok amaçlı robot kollar olarak bilinmektedir. Bu rotların hareketleri, bilgisayar kontrollü veya çeşitli yapay zekâ yöntemleri ile kontrol edilmektedir. Adaptif kontrollü robotlarda çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Gelişmiş otomasyon sistemlerinin endüstride kullanılmaya başlanması birçok avantajı da beraberinde getirmektedir. Bu avantajlardan en önemlisi, operatörden kaynaklanan hataları en aza indirmesi ve sisteme bir standart sağlamasıdır. Özellikle bilgisayar ile kontrol edilen sistemlerin büyük ölçüde zaman ve işgücü tasarrufu sağladığı, buna bağlı olarak ta kalite ve verimliliğin arttığı görülmektedir. Bilim ve teknolojideki gelişmelere paralel olarak endüstrinin ihtiyacı olan cihaz ve makinelerin özellikleri de değişim göstermiştir. Daha karmaşık ve fonksiyonel hale gelen sistemlerin kontrolünü kolaylaştırmak için otomasyonda bilgisayar kullanımı yaygınlaşmıştır. Ayrıca; günümüzde ekonomik açıdan globalleşmeye doğru giden bir dünyada oluşan yoğun rekabet, firmaları oldukça zor durumda bırakmaktadır. Bunun sonucunda firmalar sadece kendi ülkeleri içindeki rakipleri ile mücadele etmek yanında, dünyadaki diğer rakipleri ile de baş etmek zorunda kalmışlardır. Bu yüzden firmalar zamanında teslimat, uygun kalite ve uygun fiyat vb. hususlarda rekabet edebilmek için ileri imalat teknolojilerini kullanmaya yönelmişlerdir [-]. Bu ileri imalat teknolojilerinin en önemlilerinden birisi hiç kuşkusuz bilgisayar ile kontrol edilen sistemlerdir []. Bilgisayar ile kontrol edilmeyen sistemlerde, yapılan işin büyük bölümünün kullanıcının inisiyatifinde olması, birçok sorunu da beraberinde getirmektedir. Bilgisayar ile kontrol, yapılan işlemleri kayıt altına almayı kolaylaştırmakla birlikte işleyişe standart kazandırmaktadır. Bilgisayar ile kontrol edilen vinçler, robot kollar ve diğer sistemler, büyük ölçüde işgücü ve zaman tasarrufu sağlamaktadır. Bununla beraber kullanıcı hataları azalmakta, kalite ve verimlilik artmaktadır. IATS 0, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 Günümüzde kullanılan birçok bilgisayar kontrollü otomatik veya yarı otomatik makine veya sistemler, doğrusal hareket mekanizmalarına sahiptir. Bu sistemlerden vinç tipi robotlar ve takım tezgâhları, temel olarak üç doğrusal serbestlik derecesine sahiptir []. Dolayısıyla bilgisayardan kontrol edilecek olan vinç sistemi üç eksende hareket edebilecek şekilde tasarlanmıştır. Ancak eksenlerde sadece doğrusal hareket değil, dairesel hareket mekanizması da kullanılmıştır. Çalışmada, bilgisayar kontrollü sistemlerin getirdiği avantajları inceleyebilmek için tasarlanan vinç prototipi üç aşamada gerçekleştirilmiştir. Birinci aşamada prototipin mekanik tasarımı, parçaların imalatı ve montajı yapılmıştır. İkinci aşamada step motorların sürülmesinde kullanılacak olan elektronik devre tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmiştir. Üçüncü kısımda ise step motorların bilgisayardan kontrolünü sağlayacak olan program üzerinde çalışıldıktan sonra mekanik, elektronik ve yazılım kısımlarının birbirleriyle olan uyumları üzerinde çalışmalar yapılmıştır. Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda her üç kısımda görülen aksaklıklar düzeltilerek sorunlar en aza indirgenmiştir. Vinç modeli üzerinde yapılan denemelerin deneysel çalışmaların sonuçları değerlendirilerek bilgisayar tarafından kontrol edilen sistemlerin diğer sistemlere göre üstünlükleri yorumlanmıştır.. Gerçekleştirilen Sistemin Genel Yapısı Gerçekleştirilen sistemin genel yapısı, hangi kısımlardan oluştuğu ve bölümler arasındaki ilişki aşağıdaki blok şema kullanılarak izah edilmektedir. LPT Haberleşme Ara Birimi SÜRÜCÜ DEVRE LPT Haberleşme Ara Birimi Anahtarlama Birimi BeslemeBirimi Faz Çoklayıcı Birimi Sayıcı Birimi Motor Güç Katı Step Motor Step Motor Step Motor Mekanik Sistem bir tarafı dişi diğer tarafı erkek konnektörden oluşan bir kablo ile gerçekleştirilmiştir. Sürücü devre ve step motorlar için gerekli olan çalışma gerilimini sağlamak amacıyla bilgisayar güç kaynağı kullanılmıştır. Blok diyagramda besleme birimi olarak gösterdiğimiz güç kaynağı, +V ve +V çıkışlara sahip olması nedeniyle, gerek sürücü devresindeki entegrelerin gerekse kullandığımız step motorların çalışma gerilimlerine uygunluğu açısından tercih sebebi oldu. Vinç hareketlerini sağlamak amacıyla üç adet step motor kullanılmıştır. Sürücü devrenin motor çıkışlarına uygun olması açısından uçlu step motorlar tercih edilmiştir. Mekanik sistem sağ-sol, ileri-geri ve yukarı-aşağı olmak üzere üç yönde hareket kabiliyetine sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Yüklerin taşınması amacıyla yukarı-aşağı hareketi sağlayan step motorun milinde makaralı düzenek bulunmaktadır. Makaralı sistem sayesinde sarkıtılan elektromıknatıs metal yüklerin otomatik olarak kaldırılmasında kullanılmaktadır. Ayrıca elektromıknatısın enerjisini iletmek için makara üzerine fırça düzeneği kurulmuştur. Blok diyagramda sınırlayıcılar olarak gösterilen ünite ise mini anahtarlardan oluşmaktadır. Bu anahtarlar sınır anahtarı olarak görev yaparlar ve mekanik sistemin hareketlerini belli noktalarda sonlandırırlar... Vinç Sisteminin Mekanik Tasarımı Söz konusu mekanik sistem tasarlanırken birçok kritere dikkat edilmiştir. Bunlardan en önemlisi vinç modeli üzerinde görmek istediğimiz üç eksenli hareket olup, parçaların tasarımı eksenlerdeki hareketlere mani olmayacak şekilde yapılmıştır. Eksen hareketlerini gerçekleştirecek kuvvet step motorlar ile sağlanacağı için kullanacağımız step motorların boyutları ve motor millerinden alınacak mekanik kuvvetin hareketli mekanizmaya aktarılması konusu parçaların tasarımı ve imalatında etkili olmuştur. Mekanik düzenekte kullanılan malzemeler seçilirken kolay işlenebilir ve hafif olma özelliğine dikkat edilmiştir. Büyük oranda alüminyum ve polyamid malzeme tercih edilmiştir. Vinç modelinin mekaniğinin genel olarak görünüşü Şekil.. de gösterilmiştir. Bilgisayar (Kontrol Programı) Elektromıknatıs sınırlayıcılar Yük Şekil.. Sistemin Blok Şeması Uygulamasını yaptığımız sistem blok diyagramdan da anlaşıldığı üzere mekanik, elektronik ve program olmak üzere üç kısımdan oluşmaktadır. Sürücü devre içerisinde küçük bloklar halinde gösterdiğimiz devreler tek bir kart üzerinde toplanmıştır. Elektronik devre ile bilgisayar arasındaki iletişim LPT haberleşme ara birimi denilen paralel port aracılığı ile sağlanmaktadır. Bilgisayar kasasında dişi paralel port konnektörü olduğundan ve sürücü devremizde erkek paralel port konnektörü kullandığımızdan, bilgisayar ile devre arasındaki bağlantı Şekil.. Vinç Mekaniğinin Genel Görünümü Sistemdeki üç adet step motor eksen hareketlerini sağlamaktadır. Tabana yerleştirilen motor sistemin kendi

3 ekseni etrafındaki hareketini sağlarken, motor yaydaki hareketi sağlamaktadır. Motor ün miline ise yine polyamid ten yapılmış makara monte edilmiştir. Makaradan sarkıtılacak herhangi bir düzenek ile dikey yönde hareket sağlanmaktadır. Yatay hareketi gerçekleştirmek için kullanılan motor nin döndürdüğü mil hafif olması ve kolay işlenebilmesi açısından alüminyum seçilmiştir ve üzerine diş açılmıştır. Motor ün monte dildiği yatay hareketin gerçekleştiği parça ve bu parçan taşınmasına yardımcı olan iki adet mil polyamid ten yapılmıştır. Motor in döndürdüğü milin yataklaması rulman ile yapılmıştır. Bu yöndeki hareket iki adet mini anahtar ile bir noktada sınırlandırılmıştır. Yine yatay hareketin gerçekleştiği motor nin döndürdüğü milin her iki uç kısmına hareketi sınırlandırmak amacıyla mini anahtarlar konulmuştur. Sistemin genelini taşıyan platform ise ahşaptan yapılmıştır ve dört ayak üzerinde taşınmaktadır.. Kontrol Devresi Step motorları kontrol etmek için tasarlanan devrede iki çeşit entegre kullanılmıştır. Bunlardan ileri-geri sayıcı entegresidir. Sistemdeki üç step motor için devrede üç adet ileri-geri sayıcı kullanılmıştır. Entegrenin sayması için gerekli olan clock palsleri doğrudan paralel port çıkışından sağlanmıştır. Herhangi bir osilatör devresi kullanılmamıştır. Port tan gönderilecek clock palslerinin sayısı programla belirlenmektedir. Aynı şekilde entegrenin yön pini olan numaralı pine gönderilecek sinyal de port aracılığıyla program sayesinde gönderilir. Yani yön ve clock palsleri direkt olarak PC tarafından denetlenmektedir. +V +V Yön Adım DMN DMLSN Step Motor Yön Adım DMN DMLSN Step Motor Yön Adım DMN DMLSN Step Motor Şekil.. Sürücü Devre.. Kontrol Yazılımı Vinç sistemini kontrol edecek olan program, paralel portu kontrol edebileceğimiz herhangi bir programlama dilinde yazılabilir. Bu projede Visual Basic programlama dili tercih edilmiştir. Bu tercihteki en önemli etken Visual Basic le görsel ve kullanıcıların çok rahat kullanabileceği programlar üretilebilmesidir. Visual Basic te birçok işlem görsel olarak yapılabilmektedir []. Bu sayede Visual Basic programlama dilinde geliştirilen programları kullanıcılar kolay kavramaktadır. Bilgisayar kontrollü vinç sistemi çalışması kapsamındaki program da ilk defa kullanacak kişiler tarafından dahi fazla yardım almadan kullanılabilecek şekilde, kullanıcı dostu bir program olarak yazılmıştır.

4 Program mekanik sistemi kontrol ederken elektronik devreden yararlanmaktadır. Elektronik devre ile program arasındaki haberleşme ise LPT haberleşme ara birimi yani paralel port üzerinden sağlanmaktadır. Bu nedenle programda kullanılacak temel komutlar paralel portu kontrol edebilen komutlardır..vinç Sisteminin Uygulanması Vinç sisteminin kontrol edilmesinde bilgisayarın paralel portunun pinlerinden birçoğu kullanılmış olup genel olarak bunu iki aşamada incelemek mümkündür. Birinci aşamada portun sekiz data pini kullanılarak bilgisayardan sisteme bilgi gönderilmesi sağlanmış ve vinç sistemine istenilen hareketler yaptırılmıştır. İkinci aşamada ise hareketlerin sınırlandırılması gereken noktalara anahtarlar konulmuştur. Bu sayede anahtarlardan alınan lojik bilgiler portun status pinleri aracılığıyla kontrol programında kullanılarak motorların hareketleri denetlenmiştir. Sistemin kendi ekseni etrafında hareketini sağlayan step motor. 0 lik bir step motor, yatay ve dikey hareketleri sağlayan motorlar ise. 0 lik adım motorlarıdır. Aşağıyukarı hareketi sağlayan step motorun miline monte edilen makara ile elektromıknatıs hareket ettirilmektedir. Elektromıknatısın enerjisini iletmek için makara üzerine fırça düzeneği yapılmıştır. Şekil. de elektromıknatıs ve fırça düzeneği görülmektedir. Şekil.. Kontrol Programı Çalıştırıldığında Alınan Ekran Görüntüsü Program ile vinç sisteminin kontrolü manuel ve otomatik olmak üzere iki şekilde yapılmaktadır... Manuel Kontrol Manuel kontrol butonuna basıldığında motorları kontrol edeceğimiz tuşlar ekran görüntüsünde gösterilmiştir. Buna göre klavyedeki yön tuşları kullanılarak Motor ve Motor, klavyedeki A ve S tuşları kullanılarak Motor kontrol edilmektedir. Space Bar tuşu ise elektromıknatısda enerji olup olmama durumunu kontrol etmektedir. Klavyedeki her üç motoru kontrol eden tuşlar kullanılarak metal yük bir yerden alınarak başka bir yere taşınmıştır. Bu durum Şekil. ve. de görülmektedir. Şekil.. Elektromıknatısı Kontrol Eden Makaralı Fırça Düzeneği Şekil.. Yükün Elektromıknatıs Kullanırken Alınması Kontrol programı çalıştırıldığında alınan ekran görüntüsü Şekil.. de verilmiştir. Motor sistemin kendi ekseni etrafındaki hareketini sağlayan tabana yerleştirilen.0 lik step motordur. Yatay hareketi sağlayan.0 lik step motora Motor tanımlaması yapılmıştır. Motor ise makaralı elektromıknatıs düzeneğini taşıyan motordur.

5 . Sonuç.. Otomatik Kontrol Şekil.. Yükün Taşınması Manuel Kontrol devrede değilken sistemi hareket ettirmek yine mümkündür. Bunun için her üç motor için hareket edeceği adım ve yön değerleri girilerek döndür butonuna basılır. Üç motora adım ve yön değeri girilip döndür komutu verileceği gibi bir ya da iki motora değer girildikten sonra da döndür komutu verilebilir. Step motorlar için girilen pozitif adım değerlerinde motorlar saat yönünde dönerken negatif değer girildiğinde saat yönünün tersine dönerler. Elektromıknatısın kontrolü ise mıknatıs kapalı tuşuna fare ile tıklama yapılarak gerçekleştirilir. Tuşa bir kere tıklandığında elektromıknatıs enerjilenir, bu durumda tuşun üzerinde mıknatıs açık yazısı yazılıdır. Şekil.. Motorlar İçin Adım Ve Yön Değeri Girilmesi Şekil.. de verilen örnekte Motor için 00 değeri girildiğinden döndür komutuyla birlikte bu motor saat yönünde 00 adım döner. Motor için girilen negatif olduğundan bu motor saat yönünün tersine 00 adım döner. Motor ise yine saat yönünde 0 adım dönmektedir. Sistemde hareketleri sınırlamak için bazı noktalara switch konulmuştur. İster manuel ister otomatik kontrol olsun hareketi sonlandıran anahtarlar kapandığında o hareketi sağlayan motor durmaktadır. Sistemde ayrıca yatay hareketi diğer yönde sonlandıran switch ve Motor in hareketlerini her iki yönde sınırlandıran switch ve switch mevcuttur. Anahtarların kapanmasıyla anahtarların bağlı olduğu status pinleri lojik olarak 0 yapılır. Bu bilgi kullanılarak motorların enerjisi kesilir. Bu çalışmada bilgisayar kontrollü vinç sistemi tasarlanarak uygulaması gerçekleştirilmiştir. Vinç in hareketleri bilgisayar aracılığıyla step motorlar kullanılarak sağlanmıştır. Çalışma bilgisayar ve elektronik alt yapısı olduğu kadar elektromekanik açısından da önem taşımaktadır. Uygulama açısından incelendiğinde vinç in mekaniği tasarımı ve parçaları imal ediliş şekilleri robot kol uygulamaları için bir örnek teşkil etmektedir. Tasarımda mekanik sistem, sürücü devre ve bilgisayar bağlantısı gerçekleştirilerek temel uygulamalar için uyumlu olduğu gözlenmiştir. Yapılan çalışmada model üzerinde bilgisayar kontrollü çeşitli uygulamalar yapılarak uygunluğu tespit edilmiştir. Kaynaklar [] Ertaşkın, H., Bilgisayar Kontrollü Vinç Sistemi. Yüksek Lisans Tezi,, Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 00. [] Mannisto, T., Peltonen, H., Martio, A., Sulonen, R., Modelling generic product structures in STEP, Coniptiter-aided Design (0), pp. -,. [] Bejczy, A.K., Tam, T.J., Redundancy in Robotics: Connected Robot arms as Redundant Systems, Proceedings of INES 000, 000 IEEE Internationnl Coigei-ence on Intelligent Engineering Systems, Ljubljana, Slovenia, 000, pp - 0, 000. [] Hasegawa, Y., Fukuda, T., Motion Coordination of Behavior-based Controller for Brachiation Robot. Pioceedings of the IEEE Intei-national Conference on Systems, Man, and C-vbernetic, Hunian Coninzunication and Cvbernetics. IEEE, Tokyo, VolumeVol., -0,. [] Efe, M.Ö., Bogdan, O.K., Wilamowski, M., Creating a Sliding Mode in a Motion Control System by Adopting a Dynamic Defuzzification Strategy in an Adaptive Neuro Fuzzy Inference System. Proceedings of the 000 th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Nagoya, Aichi, Japan, IEEE, Nagoya, Aichi, Japan, pp. -, 000. [] Horvath, L., Rudas, I.J., Tar, J.K., Application of Advanced Product Models in Robot Control, Proceedings of the ICAR 00, The th International Conference on Advanced Robotics, Budapest, Hungary, ISBN --0-, 00. [] Tar, J.K., Kozlowski, K., Rudas, I.J., Horvath, L., The Use of Truncated Joint Velocities and Simple Uniformized Procedures in an Adaptive Control of Mechanical Devices. Proceedings of the First Workshop on Robot Motion and Control (ROMOCO ), Kiekrz, Poland, pp. -,. [] Ayağ, Z., Aşamalı Bir Bilgisayar Bütünleşik İmalat Sistemi Modeli ve Benzetim Tekniği İle Analizi. Doktora Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 00. [] Göloğlu, C., Bunarbaşı, İ., Üç Eksenli Doğrusal Hareket Mekanizması Tasarımı ve İmalatı. Teknoloji, Cilt, Sayı:, Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, 00. []Yanık, M., Visual Basic İle Görsel Programlama. Beta Basım Yayım Dağıtım,.