MEKATRONİK SİSTEM TASARIM MANTIĞI Konvansiyonel ve mekatronik olarak geliştirilmiş sistemlerin bazı özellikleri 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Konvansiyonel Bileşenlerin birbirinden ayrılması Geniş hacim ihtiyacı Mekanik sistemin kompleks yapısı Kablo problemleri Birbirine bağlanmış bileşenler Basit kumanda/kontrol mecburiyeti Rijit/Ağır yapı Kumandalı veya analog kontrol edilen hareket Dar toleranslarla hassasiyet Ölçülemeyen büyüklükler bilinmeden değişiyorlar Sınırlar kolayca gözlenebilir Sabit özellikler Mekatronik Bileşenlerin integrasyonu (hardware) Kompakt yapı Basit mekanik yapı BUS veya kablosuz iletişim Bağımsız bileşenler Bilgi işlem ile integrasyon (software) Elastik hafif yapı Programlanabilir, kontrol edilebilen hareket Ölçme ve geri besleme sayesinde hassas Ölçülemeyenlerin kontrolü, hesaplanmış büyüklükler Hata kontrolü ile gözleme Adaptif ve öğrenilen özellikler 2
Konvansiyonel ve mekatronik olarak geliştirilmiş sistemlerin bazı özellikleri ÖRNEKLER 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Konvansiyonel Bileşenlerin birbirinden ayrılması Elektro mekanik yazı makinesi Piston ve pimle kumanda edilen enjektör Taşıtta çok sayıdaki kablo ağaçları Yardımcı agregatlı kayış kasnak mek. Basit kumanda/kontrol Taşıtlarda daha rijit tahrik milleri Kumandalı robot tutucular Kumandalı eyleyiciler Patinaj durumu için mesnetli taşıtlar Takım tezgahı tahrik makinelerinde akımın izlenmesi Bir çekici ile kontrol edilen taşıma Arabaları Mekatronik Bileşenlerin integrasyonu (hardware) Elektronik daktilo veya yazıcılar Manyetik kumandalı yüksek basınç pompası (common rail) Taşıtta bir BUS kablosu Merkezden tahrik edilmeyen yardımcı agregatlar Enformasyon işleme ile integrasyon (software) Elektrik motorunda elektronik olarak sönümleme yoluyla daha elastik yol verme şartları Kuvvet ve patinaj kontrollü tutucu Sürtünme kompanzasyonlu eyleyiciler Her bir tekerleğin yüzme açısı kontrolü yapılarak kontrolü Motor sinyallerinden aşınma ve kırılmanın tahmini Otomatik navigasyonlu mobil taşıyıcılar 3 Mekatronik; makine mühendisliği, elektrik/elektronik mühendisliği ve bilgisayar teknolojisinin eş amaçlı olarak bir makine ya da sistem üzerinde uygulanmasıdır. Mekatronik makineler, mekanik işlevsellikle algoritmik denetimin bir arada görülebileceği ürün ve sistemlerdir. Gelişmiş Mekatronik Ürünlerin Genel Özellikleri: çevrelerini algılayabilmeleri layabilmeleri algılanan lanan çevreyle ilgili yorum yaparak karar alabilmeleri ve çevrelerini değiştirebilmeleridir tirebilmeleridir. Gelişmiş mekatronik ürünler, basit makineleri artık çevrelerini değiştirebilen bilgisayar sistemleri haline getirmiştir. 4
1-Çevrenin İzlenmesi, Algılanması ve Değişimi: Burada çevre kelimesi olarak robotun etkileşim içinde bulunduğu fiziksel ortam, robotun dışındaki fiziksel değişkenlerden oluşan ve robotun yaptığı işle bağımlı ya da bağımsız olarak değişebilen fiziksel ortam anlaşılır. Bu kavram, çevrenin tanınması ve tanımlanması, çevredeki olayların farkına varılması ve izlenmesi, algılayıcı ve sonuçta robotun işlevine bağlı olarak çevrenin algılanması özelliklerini kapsamaktadır. Bu durum teknolojik olarak algılayıcı teknolojisinin uygulanmasını gerektirmektedir. Algılayıcı teknolojisine paralel olarak, eyleyici teknolojisi de robotlar için alışılmış makine anlayışından farklılıklar taşımaktadır. 5 2-Karar Verme Yeteneği: Düşünme olgusu, karar verme olgusundan daha karmaşık bir olgudur. Bu nedenle, robotların düşünen makineler ya da akıllı makineler olduğunu genellemek her zaman doğru olmayabilir. Bunun sonucu olarak eğer robotları akıllı makineler olarak tanımlarsak, bazı robotları kapsam dışı bırakmak gerekir. Bunun yerine karar alma yeteneği olan makineleri robotlar olarak tanımlamak daha doğru bir yaklaşım olabilir. Bu durum, öğrenme gibi bazı temel zeka işlemlerini robotlar için zorunlu bir özellik yapmaz. Güncel teknolojik koşullarda bir makinenin karar verme yeteneği kazanabilmesi için temel koşul, yazılım tabanlı bir denetim sisteminin var olmasıdır. Bu husus yazılım teknolojisinin robotlarla bütünleşmesini sağlayan bir özelliktir. Mikroişlemci ve yazılım tabanlı denetim nedeniyle uygulama düzeyinde, mikroişlemci teknolojisi ve yazılım teknolojisi (özellikle Yapay Zeka (AI) uygulamaları), robot teknolojisi kapsamında temel öğelerdir. 6
Mekatronik Teknoloji Ürün Açık döngü denetim Geri beslemeli denetim Özel işlev Programlanabilen işlev Kendinden hedef belirleme Kendinden programlama ve öğrenme Aletler Mekanik cihazlar ve makineler Otomatik makineler (açık denetim) Otomatik M. (geri beslemeli d.) CNC tezgah ve makineler Esnek tezgah ve makineler Yarı akıllı makineler (kısmen kendinden denetimli m.) Akıllı makineler (kendinden denetimli Uludağ m.) Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi 7 Mekatronik Mühendisleri Bu tanımlara uygun olarak ilgili disiplinlerde uzmanlık kazanan, tüm tasarımı ve her düzeyde tasarım sürecini denetleyebilen, yönlendirebilen ve katkıda bulunan kişiler olmalıdır. 8
Mekatronik Mühendisleri, İlgili disiplinlerdeki uzmanlarla iletişim kurabilen, bu uzmanlık konularındaki bilgilere erişebilen, bu bilgileri yorumlayabilen ve bu bilgileri ekonomik, yenilikçi ve müşteriyi üst düzeyde tatmin eden bir ürüne dönüştürmek amacıyla kullanabilen uzmanlardır. 9 Mekatronik mühendislerinin temel görevi, tasarım süreci içinde mühendislik yaratıcılığında disiplinler arası bütünleşmenin sağlanmasıdır. Bu nedenle mekatronik mühendisinin her şeyden önce bir tasarım sürecini çok iyi bilmesi ve uygulayabilmesi gerekir. Böyle bir kişi, değişik disiplinlerde gereksinim duyulan detaylı bilgiyi alıp harmanlayabilecek yetenekleri kazanmış olmalıdır. 10
Mekatronik Sistem Geliştirme Metodiği Günümüzün mekatronik sistemleri komplekslik dereceleri çok yüksek olan sistemlerdir, bu nedenle de geliştirme zorluk dereceleri de yüksektir. Bu sistemlerin geliştirilmesinde teknik ve organizasyonel alanlarda zorluklarla karşılaşılır. 11 Ürün planlama İmalat İşletme Kullanım Bakım Geri dönüşüm Planlama, konsept, geliştirme ve son işlem 12
Fiziksel Etki Yazılım Bileşeni Yan Fonksiyon Genel Etki Prensip Etki Şekillendirme Özellikleri Prensip Çözüm (Örn. Bulaşı şık k Makinesi) Mekatronik tasarım sürecinin erken aşamalarında düşünce metodiği 13 Mekatronik Sistemin Geliştirme Adımları 1. İlk (temel) konstrüksiyon adımı- Konsept: Mekanik süreçler ve bunlara bağlı olan elektriksel, termodinamik veya kimyasal süreçler çok genel olarak, basit cümlelerle ilk adımda ortaya konur. 14
Mekatronik Sistemin Geliştirme Adımları 2. Mekatronik Anlam: Temel fonksiyonların ilk paylaşımında, bölüşülmesinde ortaya konan süreç ve enformasyon işleme olaylarına bu aşamada bir anlam yüklenir. Yani fonksiyonlar arası etkileşimin sağlanmasında mekatronik fonksiyon gerekli midir, daha basit olarak fonksiyon mekanik elemanlarla gerçeklenebilir mi? gibi. Bu aşamada mekatronik anlam üzerinde düşünme özellikle ürün maliyetleri açısından önemlidir. Bu adımda; ana enerji ihtiyacı, kuvvet nakli konularının dışında kalan fonksiyonlara, hangi dijital-elektronik yollarla daha BASİT, daha İYİ, daha UCUZ çözümler bulunabilir, sorusu cevaplanmaya çalışılır. Bu adımda, algılayıcılar, eyleyiciler ve bunların fonksiyonları için gerekli olan yardımcı enerjilerin ortaya konması, konumlandırılması süreç ile elektronik arasında önemli rol oynar. 15 Mekatronik Sistemin Geliştirme Adımları 3. Algılayıcıların, eyleyicilerin ve yardımcı enerjilerin seçimi: Ölçülen büyüklükler ve ayar büyüklükleri ile sürecin daha güvenli veya daha ekonomik olup olamayacağı bu aşamada araştırılır. Algılayıcı sayısı arttıkça sistemin serbestlik derecesi de artar, sistem daha kontrol edilebilir olur, esnek ve uyum yeteneği artar. Algılayıcı seçiminde bir çok kriter dikkate alınır. Örneğin; süreçle integrasyon, dinamik çözünürlük, temassız algılama, mekanik/ısıl stabilite, aşınma dayanımı, küçük boyut, dijital sinyal işlemeye uyum gibi. 16
Mekatronik Sistemin Geliştirme Adımları 4. İnformasyon işleme: Seçilmiş olan ölçme ve ayar büyüklükleri ile enformasyon işlemenin temel fonksiyonları bu aşamada belirlenir. Sistemleri şu şekilde sınıflandırmak mümkündür: en alt seviye sistemde kumanda ve kontrol fonksiyonları mevcut orta seviye sistemde hata algılama ve giderme fonksiyonları mevcut yüksek seviye genel süreç yönetimi mevcut (koordinasyon, optimizasyon) 17 Mekatronik Sistemin Geliştirme Adımları 5. Ergonomi: Mekatronik sistemin işletme ve kumandası için insan-makine arakesitinin oluşturulması aşaması oldukça önem taşır. Sistemin verimli çalıştırılması ve güvenlik açılarından bu aşama önemlidir. 18
Mekatronik Sistemin Geliştirme Adımları 6. Donanım (hardware): Mikro işlemci (standart/özel, kontrol tekniğinin (merkezi/ merkezi olmayan), BUS sistemi gibi kararların verilmesi 7. Yazılım: İnformasyon işleme amacıyla kullanılacak olan yazılımın dili, kodlanması, gerçek zamana uyumluluk, test ve simülasyon işlemleri... 19 Mekatronik Sistemin Geliştirme Adımları 8. İnformasyon işleme yolu ile elektronik ve sürecin (mekaniğin) fonksiyonel integrasyonu: Temel fonksiyonların birbirine uyum problemleri bu aşamada ortaya çıkabilecektir. Ayrıca; elektronik sönümleme, algoritmalar ile linearizasyon, ölçülemeyen büyüklüklerin etkisi, adaptif algoritmalar yardımıyla geniş bir çalışma alanı, öğrenebilme yeteneği, hata giderme gibi konular da burada dikkate alınmalıdır. 20
Mekatronik Sistemin Geliştirme Adımları 9. Temel fonksiyonların basitleştirilmesi: Temel fonksiyonlarda basitleştirme yapılıp yapılamayacağı bu aşamada araştırılır. Kinematik basitlik için örneğin otomobillerde merkezi olmayan tahrik kullanma amacıyla elektrik motoru ile tekerlerin döndürülmesi düşünülebilir. Daha hafif konstrüksiyonlar yapabilmek için mekanik ara kayıt elemanları (basınç depoları, volanlar vb.) ortadan kaldırılabilir. 21 Mekatronik Sistemin Geliştirme Adımları 10. Emniyet ve Güvenlik: Sistemin emniyet ve güvenliği daha da yükseltilebilir mi sorusuna cevap aranır. Eksiklik arama, hatayı erken tanıma, sistemin tekrar konfigürasyonu gibi fonksiyonlar sisteme eklenebilir. 22
Mekatronik Sistemin Geliştirme Adımları 11. Özel tasarım araçları: Bu araçlar; sistemin modellenmesi, analizi ve simülasyonu için kullanılan bilgisayar programlarıdır. Özellikle optimizasyon için bu araçlar mutlaka kullanılmalıdır. 23 Mekatronik Sistemin Geliştirme Adımları 12. Deney: Bilgisayarlı simülasyonların ardından yapılacak olan deneyler sisteme olan güvenirliği arttıracaktır. Bileşenler tek tek veya toplam kalite deney talimatlarına uygun şekilde denenebilir. 24