Hibrid Makina Sistemleri: Yapılanmalar Ve Analizi Üzerine Bir Araştırma

Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 9, No: 1, 2012 (61-72) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 9, No: 1, 2012 (61-72) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR www.teknolojikarastirmalar.com e-issn:1304-4141 Derleme (Review) Hibrid Makina Sistemleri: Yapılanmalar Ve Analizi Üzerine Bir Araştırma M.Erkan KÜTÜK ve L.Canan DÜLGER Gaziantep Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Gaziantep/TÜRKİYE mekutuk@gantep.edu.tr; dulger@gantep.edu.tr Geliş Tarihi:28.01.2012 Kabul Tarihi: 21.02.2012 Özet Hibrid makine tipik bir mekatronik sistem olup hareket üretiminde kullanılabilir. Hibrid makineler küçük bir servo motor ile büyük bir sabit hızlı motorun hareketinin birleştirilmesi sonucu oluşan, bu hareketle herhangi bir çubuk mekanizması üzerinde programlanabilen hareket çıkışlarının elde edilmesinin amaçlandığı sistemlerdir. Bu sistemleri anlamak ve analizini yapmak için çalışmalar mevcuttur. Sunulan çalışmada ise hibrid sistemler anlatılarak son 20 yılda bu konuda önerilen yapılanmalar, analiz çalışmaları ve gelişimleri incelenerek, hibrid makine uygulamaları derlenmiştir. Konu ile ilgili çalışmalar endüstriyel uygulamalarla farklı platformlarda halen devam etmektedir. Amaç sistemin uygulanabilirliğini göstermek ve alternatif hareket üreteci olarak sunabilmektir. Anahtar Kelimeler: hibrid makine, programlanabilen sistemler, sistem denetimi, hibrid pres, mekanizma sentezi Hybrıd Machıne Systems: Confıguratıons And Analysıs: A Survey Abstract A hybrid machine is a typical mechatronic device that can be used to generate motion and it gathers the motions of a large constant speed motor with a small servo motor via a mechanical linkage mechanism. The name hybrid actuation or hybrid machine comes from such architecture of the actuation system. Its main purpose is to form a powerful programmable drive system. The study presents an overview on hybrid machines, proposed configurations, analysis and improvements during last 20 years. Studies on the subject are still continuing. The purpose of the study is to show applicability of this system and to present it as an alternative for motion generation. Keywords : hybrid machine, programmable systems, system control, hybrid press, synthesis of mechanisms Bu makaleye atıf yapmak için Kütük M.E, Dülger L.C Hibrid Makine Sistemleri: Yapılanmalar ve Analizi Üzerine Bir Çalışma Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2012, 9(1) 61-72 How to cite this article Kütük M.E, Dülger L.C Hybrid Machine Systems: Configurations and Analysis: A Survey Electronic Journal of Machine Technologies, 2012, 9 (1) 61-72

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 61-72 Hibrid Makina Sistemleri 1. GİRİŞ Günümüz endüstriyel uygulamalarında sistemden elde edilen değişken hareket çıkışları iki farklı teknik ile gerçekleştirilmektedir; geleneksel ve programlanabilen makinalar (akıllı makineler). Geleneksel makinelerde sürücü güç genellikle sabit hızlı motordan elde edilir. Düzgün hareket çıkışlarında güç aktarımı dişli ünitelerle, kayış veya zincir kullanımı ile gerçekleştirilir. Düzgün olmayan hareket çıkışları için de kam veya link mekanizmaları kullanılır. Geleneksel makinelerin tasarımında ana düşünce; makinenin yapacağı işin, ürünün şeklinin ve büyüklüğünün aynı kalmasıdır. Bir değişiklik istenildiğinde sistemde köklü değişiklikler yapmak gerekir ki bu da tasarımcı için pratik değildir. Geleneksel link-volan birlikteliği ile sistemde istenilen enerji çevrimi verimli olarak gerçekleştirilir. Özellikle iyi tasarlanmış ve dinamik balansı sağlanmış sistemlerde yüksek hızların elde edilmesi mümkündür. Şu anda programlanabilen makineler (servo motorla sürülen sistemler, akıllı makineler) ise yeni nesil üretim makineleri olarak kabul edilmiştir. Sunduğu güvenilirlik, tasarım kolaylığı ve programlanabilirlik özellikleri sayesinde çeşitli hareket çıkışları elde edilebilmektedir. Tasarımı yapılmış ve kullanılmış bir makine, kolaylıkla yeni bir ürüne uyarlanabilir. Fakat sistemdeki enerjinin kullanımı açısından geleneksel makineler kadar verimli değildir [1]. Ayrıca yüksek tork/akım isteği servo motorun performans limitlerini zorlayabilmektedir. Hibrid makine fikri anlatılan bu iki tekniği birleştirip avantajlarını değerlendirmek, dezavantajları da ortadan kaldırmak için önerilmiştir. Amaç, programlanabilen sistemlerdeki tork/güç isteğini düşürebilmek, sistemdeki enerjiyi maksimum biçimde değerlendirebilmek ve iki serbestlik derecesi olan daha esnek bir sisteme sahip olmaktır. Bu teknik hem sabit hızlı motoru hem de servo motoru içerdiği için de Hibrid Makine olarak adlandırılmıştır. Hibrid sistemler hibrid eyleyiciler ve hibrid mekanizmalar olmak üzere iki kategoride düşünülebilir. İki adet hareket girişi ve bir adet hareket çıkışı olan akıllı bir kutu hibrid eyleyicidir. Bu akıllı kutu sabit hızlı motor ve servo motor tarafından sürülür. Elde edilen tek hareket çıkışı programlanabilen bir hareket çıkışıdır. Bu çıkış bir mekanizmaya ya da bir yüke doğrudan birleştirilebilir [1]. Hibrid mekanizmalarda ise durum biraz daha farklıdır. Hibrid mekanizmalar en az iki serbestlik derecesine sahip olan sistemlerdir. Öyle ki iki serbestlik derecesine sahip olan bir sistemde giriş hareket uzuvlarından bir tanesi sabit hızlı motora, diğeri ise servo motora bağlanır. 2. HİBRİD SİSTEMLER Çalışma sunuşunda hibrid makine fikrinin oluşumu ve gelişim sürecinde önerilen yapılandırmalar, yapılan değişiklikler ile ilgili sentez ve tasarım çalışmaları verilmiştir. Tokuz L.C ve Jones J.R [1] tarafından önerilen yapılandırma sabit hızlı motor ve servo motorun bir diferansiyel dişli kutusuna bütünleşmiş olduğu ve tek serbestlik derecesine sahip olan bir krank biyel mekanizması sürüldüğü sistemdir. Şekil 1 de gösterilen çalışmada, hibrid yapılanmada yer alan servo motorun tork gereksiniminin sadece servo motorun kullanıldığı yapılanmada (direkt servo sistem) yer alan servo motorun tork ihtiyacından daha az olduğu gözlemlenmiştir. Sisteme servo motorun ilave edilmesiyle çıkış hareketinde istenilen esneklik yani farklı hareketlere ulaşılmıştır. Motorun güç isteğinde üçte bir oranında azalma görülmüştür. Fakat çıkış hareketinde büyük değişiklikler istendiğinde başlangıçtaki avantajlı durum gözlenmemiştir. 62

Kütük M.E, Dülger L.C Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 61-72 Sabit Hızlı Motor Servo Motor Sürüş Sistemi Kontrol Kartı Bilgisayar Sistemi Şekil 1. İlk hibrid yapılandırma [1] Dülger L.C. ve Kireçci A. [2] 3 serbestlik derecesine sahip bir hibrid manipülatör tasarlamıştır. Sistemde bir adet DC motor, 2 adet DC servo motor- amplifikatör, hareket denetim kartı, krank biyel mekanizması ve X ile Y düzlemlerinde hareketi sağlayan vida mekanizması bulunmaktadır. Şekil 2 de tasarlanan hibrid manipülatörün matematik modeli ve benzetimi yapılarak farklı hareket görüntüleri denenmiştir. Hibrid sistemdeki servo motorun güç isteminin direkt servo sürücülü sistemdeki güç isteminden daha az olduğu görülmüştür. Şekil 2. Hibrid manipulatör [2] 63

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 61-72 Hibrid Makina Sistemleri Kireçci A. ve Dülger L.C [3] iki serbestlik derecesine sahip bir yedi çubuk mekanizması üzerinde çalışmıştır. Şekil 3 te, A eksenine bağlı uzuv deneysel olarak daha düzgün akım sonuçları almak amacıyla sabit hızlı motor yerine bir servo motorla sürülmüştür. E ile gösterilen eksene bağlı uzuv bir servo motor ile sürülmüştür. Mekanizmanın çıkış hareketinin elde edildiği G ekseni doğrudan yüke bağlanmıştır. Oransal türevsel (PD) denetim algoritması uygulanmıştır. Uygulamada servo motorun ortalama güç gereksiniminin sabit hızlı motorun güç gereksiniminden 3,5 kat daha az olduğu görülmüştür. Sabit Hızlı Motor Servo Motor Yük Şekil 3. Hibrid Eyleyici [3] P.R.Quyang ve ark. [4] hibrid makine sistemlerinin tasarımı, modellenmesi ve denetimi üzerine yaptıkları çalışmada 5 çubuk mekanizmasını kullandılar. Burada alternatif akım servo motor, enkoder ve sabit hızlı motorlar kullanılarak yeni bir denetim algoritması denenmiştir. Bu algoritma kayan kipli denetimdir. B. Seth [5], programlanabilen hibrid mekanizmalar üzerine bir derleme çalışması hazırlanmıştır. Bu çalışmada 25 kaynak kullanılarak servo sistemler, geleneksel sistemler ve hibrid mekanizma alternatifi içeriğinde yapılan çalışmalar sunulmuştur. Şekil 4. Hibrid beş çubuk mekanizması [4] 64

Kütük M.E, Dülger L.C Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 61-72 Z. Yuan ve ark. [6] Şekil 5 te iki serbestlik derecesine sahip, yapılandırma olarak birbirine eş fakat atalet olarak birbirinden farklı, iki adet 7 uzuv mekanizması üzerinde çalışmıştır. İki farklı hibrid mekanizmada da servo motorun ihtiyaç duyduğu güç ve moment gereksinimlerinin minimumda tutulması amaçlı çıkış hareketlerinin elde edilmesi için en iyide tasarımlar yapılmıştır. Tork ve güç gereksinimlerini minimumda tutmak için kullanılan en uygun şekle sokma yöntemi ise bulanık mantık tabanlıdır. Sonuçlar doğrudan servo sürüş sisteminden elde edilen verilerle karşılaştırılmıştır. Şekil 5. Yedi uzuv mekanizması [6] K Zhang [7] hibrid bir 5 uzuv mekanizması önermiştir. Bu mekanizma Şekil 6 da gösterilmektedir. Burada diğer bütün bağlantılar döner mafsal olmak üzere çıkışta vida mekanizması ile kayar mafsal bulunmaktadır. Krank bir sabit hızlı bir motor ile redüktöre bağlanmış olup, diğer girdi servo motor (G noktası) ile verilmiştir. Çalışmada sunulan mekanizmanın sentezinde sezgisel bir algoritma olan parçacık sürü algoritması kullanılmıştır. Şekil 6. Hibrid kayar mafsallı beş çubuk yapılandırması [7] 65

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 61-72 Hibrid Makina Sistemleri 3. HİBRİD SİSTEMLERİN MODEL VE DENETİMİ Hibrid makina uygulamalarında makinanın denetimi çok önemlidir. Denetim iki aşamada gerçekleşmektedir. Birincisi servo motorun denetimi diğeri sabit hızlı motor ile servo motorun birbiri ile olan eşzamanlı hareket koordinasyonudur. Yapılan çalışmalarda önerilen yapılanmalar matematiksel olarak modellenmiş ve farklı PID denetim yöntemleri, uyarlanabilir denetim ve kayan kipli denetim metotları kullanılmıştır. F.X.Wu ve ark. [8] tarafından ilgili çalışmada kullanılan hibrid 5 uzuvlu mekanizma Şekil 7 de gösterilmiştir. Mekanizma iki serbestlik derecesine sahip olup, sabit hızlı motor sürümü sonucunda yörüngede oluşan hız dalgalanmaları(kararsızlıkları) servo motor kullanımıyla düzenlenmeye çalışılmıştır. Çalışma sonucunda uygulanan denetimin 2 serbestlik derecesine sahip olan bu sistemde olumlu sonuçlar verdiği ve sabit hızlı motor milinde bulunan volanın sistem çıktısına tork ve güç gereksinimi açısından belirgin katkısının olduğu gözlemlenmiştir. Şekil 7. Hibrid 5 çubuk mekanizması [8] H. Yu [9] yapmış olduğu çalışmada önerdiği hibrid makine sisteminin dinamik modeli Lagrange yöntemi kullanılarak çıkarılmıştır. Mekanizma Şekil 8 de gösterilmektedir. Uzuvların denetiminde matematiksel model üzerinde tork denetim ve kayan kipli denetim metotları uygulanmıştır. Benzetim sonuçları hibrid sistemin ve denetim tekniklerinin uygulanabilirliğini göstermiştir. Çalışmada L uzvu sabit hızlı, L uzvu ise servo motor yardımı ile sürülmektedir. Şekil 8. Hibrid mekanizma [9] 66

Kütük M.E, Dülger L.C Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 61-72 Z.H.Chen ve ark. [10] hibrid makinelerde yörünge takibi içeriğinde, Şekil 9 da verilen uç noktanın denetiminde bir servo motor ve sabit hızlı motor kullanmıştır. Bir beş çubuk mekanizmasının kullanıldığı çalışmada sabit hızlı motordan kaynaklanan hız dalgalanması üzerinde çalışılmış ve düzenlenmesi amacıyla kayan kipli denetim uygulanmıştır. Benzetim sonuçlarında elde edilen değerlerde daha önce elde edilenlere kıyasla iyileşmeler görülmüştür. Böylece yöntemin başarılı olduğu kanısına varılmıştır. Yörünge olarak C noktasının yörüngesi kullanılmaktadır. Şekil 9. Hibrid sistem yörünge takibi [10] 4. ENDÜSTRİYEL UYGULAMALAR Hibrid makine (HM) sistemleri endüstriyel uygulamalarda kesme, baskı ve pres uygulamalarında kullanılmaktadır. Hareket tasarımlarının değiştirilmesiyle farklı yörüngeler elde etmek mümkündür. P.L. Tso ve R.C.Liang [11] çalışmalarında 9 uzuvlu bir mekanizmayı Şekil 10 da görüldüğü üzere 5 çubuk (12345), krank-koç dört uzuv (1789) ve bağlantı uzvundan (6) oluşturmuştur. Dokuz uzuvlu mekanizmalar için bir tasarım prosedürü oluşturulmuştur. Bu sistemin sentezi ve boyutlarının en iyileştirilmesi yapılmıştır. Şekil 10. Dokuz uzuv mekanizması [11] 67

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 61-72 Hibrid Makina Sistemleri R. Du ve ark. [12] çalışmalarında mekanik metal şekillendirme presi üzerinde çalışmışlardır. Geleneksel tasarımlar incelenerek yeni bir hibrid yapı önerilmiştir. Çalışmada motorlar arasındaki tork ve güç dağılımları, mekanik avantaj ve fizibilite durumları dahil olmak üzere tasarımın kinematik ve kinetik özellikleri sunulmuştur. Şekil 11 de bu mekanizma görülmektedir. Şekil 11. R. Du ve ark. önerilen mekanizma [12] C.F.Meng ve ark. [13] önerdikleri mekanizma yine 5 uzuvlu ABCDE ile BD uzvundan oluşmaktadır. Geleneksel motor (sabit hızlı) krank AB yi sürerken servo motor krank DE yi modülasyon amaçlı sürmektedir. Şekil 12 de gösterilen yapılanmanın kullanıldığı çalışmada ters kinematik analiz ile motorlar için gereken girdiler bulunmuştur. Mekanizma uzuv boyutları Matlab ortamında optimize edilmiştir. Şekil 12. C.F. Meng ve ark. hibrid mekanizma [13] 68

Kütük M.E, Dülger L.C Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 61-72 H.Li ve ark. [14] sundukları pres çalışmasında; 5 çubuk mekanizması ABCDE ile koç-krank 4 çubuk mekanizması GKF ile diğer bir uzvu CH bağlamıştır. Kullanılan mekanizma Şekil 13 te görülmektedir. Bu yapılanmada AB uzvu sabit hızlı, ED uzvu ise servo motor ile sürülmektedir. Çalışmada mekanizmanın parametrelerine en iyileştirme yapılmıştır. Şekil 13. Dokuz uzuv mekanizması- Farklı yapılanma [14] C.Ho Li ve ark. [15] çalışmalarında Şekil 14 te gösterilen yapılanmayı sundular. Çalışmada Oransal- Türevsel (PD) denetim ile hibrid pres çalışması ve deneysel sonuçlar ile hazırlanan prototip sistem yer almaktadır. P L. Tso [16] diğer bir çalışmasında aynı hibrid 7 uzuv mekanizmasınının boyutsal sentezini yaparak sistemi enerji değerlendirilmesi bakımından incelemiştir. Hibrid presin servo presten 14% daha az güç gereksiniminin olduğu görülmüştür. Şekil 14. C. H. Li ve ark. Hibrid Mekanizma [15-16] 69

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 61-72 Hibrid Makina Sistemleri K.He ve ark. [17] farklı bir çalışmada hybrid mekanik preste yörünge planlamış ve yörünge optimizasyonu yapmıştır. Yörünge tasarımında kübik spline eğrileri kullanılmış, PID denetim uygulanmıştır. Önerilen ve 25 ton yük kapasiteli endüstriyel bir prototip üzerinde uygulanan mekanizma Şekil 15 te gösterilmiştir. Sunulan çalışmada yine R noktası sabit hızlı motor ve P ise servo motor ile sürülerek R hareketi elde edilmektedir. Mekanizma 2 serbestlik derecelidir, ilk devre düzlemsel 5 uzuv mekanizması olup, 4 döner 1 kayar eklem mevcuttur. Şekil 15. K. He ve ark. Hibrid pres yapılandırması [17] H.Li ve ark. [18-19] Şekil 16 da sunulan çalışmalarında hibrid mekanik presin en iyide tasarımı ve ters kinematik çözümünü sunmuştur. Mekanizması bir adet 5 çubuk mekanizması ile CF uzvu ve kayar uzuvdan oluşmaktadır. AB uzvu sabit hızlı motor, ED uzvu ise servo motor tarafından sürülmektedir. Sistemin boyutsal sentezinde genetik algoritma kullanılmıştır. Şekil 16. H.Li ve ark.-hibrid pres modeli [18] 70

Kütük M.E, Dülger L.C Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 61-72 5. SONUÇLAR Sunulan çalışmada hibrid sürücü sistemleri üzerine son 20 yılda yapılan çalışmalar irdelenerek sistemin kullanılabilirliği, denetlenmesi, matematik alt yapısı önerilen yapılandırılmalarla birlikte anlatılmaktadır. Yapılanmalar bazı çalışmalarda matematik model ve benzetimlerle, bazılarında ise boyutsal analiz ve denetleme yöntemleri ile anlatılmıştır. Önerilen yapılanmalarda sürücü özellikleri göz önüne alınarak sistemlerin güç analizi yapılabilmektedir. Bu konuda çalışmalar halen devam etmekte olup, hibrid sürücü sistemin kullanılabilirliği üzerinde durulması ve detaylandırılması gereken noktalar bulunmaktadır. Burada amaç farklı hareket senaryoları ile uygulamaya yönelik yapılanmalara karar verip, kullanıcı yönünden tasarım özelliklerini sunmaktır. Çalışmalar Gaziantep Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü nde alternatif yapılanmalar, kinematik analiz ve güç akış değerlendirmesi tabanında devam etmektedir. 6. KAYNAKLAR 1. L. C. Tokuz and J. R. Jones, Hybrid Machine Modelling And Control Ph.D. Dissertation, Liverpool Polytechnic, 1992. 2. L.C. Dülger, A. Kireçci, Hibrid Manipülatörün Modelleme ve Simülasyonu, 7. Ulusal Makina Teorisi ve Sempozyumu YTU, İstanbul, 1995. 3. L.C. Dülger, A.Kireçci, A Study on a Hybrid Machine, Mechanism and Machine Theory, 1999. 4. P.R. Ouyang,Q.Li,W.J Zhang, Design,Modelling and Control of a Hybrid Machine System, Mechatronics 14 (2004 1197-1217) 5. B.Seth, Programmable Hybrid Mechanisms, Pr. of the 11th World Congress in Mech. and Machine Science, Tianjin,China,2004. 6. Z. Yuan, M J Gilmartin, S.S. Douglas, Design of Hybrid Machines for Nonuniform Motion Production, Proc. IMechE Vol.219 Part C: Mechanical Engineering Science, 2005. 7. K.Zhang, Synthesis of a Hybrid Five Bar Mechanism with Particle Swarm Optimization Algorithm, LNCS5263, p.873-882, Springer-Verlag 2008. 8. F.X.Wu, W.J.Zhang, Q.Li,P.R. Ouyang, Z.X.Zhou, Control of Hybrid Machines with 2 dof for trajectory Tracking Problems, IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol. 13,No.2 (2005). 9. H. Yu, Modeling and Control of Hybrid Machine Systems, A Five-bar Mechanism Case, International Journal of Automation and Computing 3, 235-243, 2006. 10. Z.H. Chen, Y.Wang, P.Ouyang, J.Huang, J.Zhang, A Novel Iteration-based Controller for Hybrid Machine Systems for Trajectory Tracking at the End-effector Level,Robotica: page 1 of 8 (2010). 11. P.L.Tso, K.C.Liang, A Nine Bar Linkage for Mechanical Forming Press, Int. J. of Machine Tools and Manufacturing, 42 (2002), 139 145. 12. R.Du, W.Z.Guo, The Design of a New Metal Forming Press with Controllable Mechanism, Transactions of the ASME, Vol.125, 582 591, 2003. 71

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 61-72 Hibrid Makina Sistemleri 13. C.F. Meng, C. Zhang, Y.-H. Lu, Z.-G. Shen, Optimal Design and Control of a Novel Press with an Extra Motor, Mechanism and Machine Theory 39 811-818, 2004. 14. H.Li, C.Zhang, C.Meng, A Hybrid-Driven Nine-Bar Press for Precision Drawing, Pr. of the 11th World Congress in Mech. And Machine Science, 2004, Tianjin-China. 15. C. H. Li, P.L.Tso, Experimental Study on a Hybrid Driven Press using Iterative Learning Control, Int J. of Machine Tools and Manufacture, 48(2008), 209-219. 16. P.-L. Tso, Optimal Design of a Hybrid-Driven Servo Press and Experimental Verification, Journal of Mechanical Design Vol.132, 2010. 17. K. He, Y. Luo, C. Tom Kong, R. Du, Trajectory Planning, Optimization and Control of a Hybrid Mechanical Press, WSEAS Transactions on Systems, Vol.8, 614-627, 2009. 18. H. Li, L. Fu, Y. Zhang, Optimum Design of a Hybrid-Driven Mechanical Press Based on Inverse Kinematics, Journal of Mechanical Engineering 56, 301 306, 2010. 72