Endüstriyel Robotlar ve Robot Kolları

Konu Anlatımı

Endüstriyel Robotlar ve Robot Kolları

Bir parçayı defalarca aynı yerden taşımak, insan elinde yorucu ve hatalıdır. Endüstriyel robot, bu işi yorulmadan ve her seferinde aynı hassasiyetle yapar. Kaynak, boyama, montaj, paketleme ve taşıma gibi işlemlerde endüstriyel robot kullanılır. Bu konuda robotun yapısını, kol tiplerini, programlanma yöntemini ve üretime katkısını öğreneceğiz.

Bu derste ne öğreneceğiz?

Bu konuda endüstriyel robotun hangi işlerde kullanıldığını ve otomasyondaki yerini öğreneceğiz. Düzlemsel, silindirik, küresel, kutu tipi ve eklemli robot kollarının çalışma alanlarını karşılaştıracağız. Eksen sayısı ile hareket serbestliği arasındaki ilişkiyi inceleyeceğiz. Uç takımın neden parçanın biçimine göre seçildiğini açıklayacağız. Robot programının nasıl öğretildiğini ve çevrim süresinin üretim verimine nasıl yansıdığını hesaplayarak göreceğiz. Güvenlik sınırlayıcı ve acil durdurma düzeneklerini de ele alacağız.

Ön bilgi

Ön bilgi olarak eksen ve hareket kavramları gerekir. Bir eksen, bir doğrultuda hareketi ifade eder. Robot kollarında farklı doğrultularda birbirine bağlı hareketler vardır ve bunların sayısı robotun hareket serbestisini belirler. Eksen sayısı arttıkça robot parçaya daha farklı açılardan yaklaşabilir.

İkinci ön bilgi, otomasyondaki aktüatör ve sensör kavramlarıdır. Robot kollarındaki motorlar hareketi sağlar, konum ve kuvvet sensörleri ise durumu ölçer. Bu ölçümler olmadan robotun güvenli ve tekrarlanabilir çalışması mümkün olmaz.

Endüstriyel robot nedir, nerelerde kullanılır?

Endüstriyel robot, programlanabilir birden çok ekseni olan, otomatik olarak hareket eden ve belirli bir işi yapan makinedir. Robot yalnız taşımaz; montaj yapar, kaynak eriti, boya püskürtür, malzeme yerleştirir ve ölçüm yapar. Bu çok yönlülük, robotu tek bir işe kilitleyen bir cihazdan ayırır.

Robotun en yaygın kullanım alanları kaynak ve montaj hatlarıdır. Boyama işlemlerinde robot, püskürtme mesafesini sabit tutarak düzgün bir katman oluşturur. Paketleme hatlarında ise ürünleri palete yerleştirir. Her alanda ortak nokta, işlemin tekrarlanabilir olması ve insanın yorulmadan çalışabilmesidir.

Robot kollarının geometrik tipleri

Robot kolları, eklemlerinin düzenine göre sınıflandırılır. Düzlemsel tipte kol, yatay ve düşey yönlerde hareket eder; çalışma alanı düzdöndörtgendir ve geniş yüzeylerde kullanılır. Silindirik tipte kol, bir eksende döner ve bir doğrultuda ilerler; yatay eksen etrafında dairesel bir alanı tarar.

Küresel tipte kol, iki eksenli bir kola üçüncü bir eksen eklenmesiyle oluşur ve küresel bir hacimde çalışır. Kutu tipinde iki paralel eksen birbirine dik çalışır ve dikdörtgen bir alanı kapsar. Eklemli tip ise insan koluna benzer; üç eksen omuz, bir eksen dirsek ve iki eksen bilekten oluşur, en geniş hareket yeteneğine sahiptir.

Tip seçimi, parçanın konumuna ve yapının gerektirdiği hareketin yönüne göre yapılır. Bir düz yüzeyde çalışan bir montaj hattı için düzlemsel tip yeterliyken, üç boyutlu konumlarda çalışan bir kaynak hattı için eklemli tip gerekir. Yanlış tip seçimi, erişemeyen konumlar ve gereksiz maliyet doğurur.

Eksen sayısı ve hareket serbestliği

Eksen sayısı, robotun hareket edebildiği bağımsız yön sayısıdır. İki eksenli bir robot düzlem üzerinde hareket eder; üç eksenli bir robot düzlemi bir eksen boyunca kaydırabilir; dört eksenli bir robot parçayı döndürebilir. Eksen sayısı arttıkça robotun erişebildiği konum sayısı artar.

Eksen sayısının tek başına yeterli olmadığı görülür. Aynı sayıda eksene farklı düzenlemeler verilebilir ve bunların erişim alanı farklı olur. Bu nedenle robot seçiminde yalnızca eksen sayısına değil, çalışma alanının biçimine de bakılır. Kutu tipi bir robot ile eklemli bir robot aynı sayıda eksene sahip olsa da erişim alanları farklıdır.

Eksenler birbirine bağlı olduğu için her hareket diğerlerini etkiler. Bu durum robotun hassasiyetini belirler. Küçük bir kolda konumlandırılan parça, hareket sırasında robotun ağırlık merkezini değiştirir ve konum hatası büyüyebilir. Bu nedenle ağır parçalar kola yakın konumlarda taşınır.

Uç takım ve kavrama aracı

Robotun parçayı tutan ucundaki araca uç takım denir. Gripper, parçayı kavrayan bir çenç benzeri uç takımdır ve parçanın biçimine göre seçilir. Düzgün bir küp için iki parçalı çene yeterlidir; silindirik bir parça için silindirik kavrama gerekir. Düzensiz biçimli parçalarda ise kalıplı tutucular kullanılır.

Uç takımın ağırlığı robotun taşıma kapasitesinden düşülür. Parça ağırlığı 4 kg ve uç takım ağırlığı 1,5 kg ise toplam 5 +... değil, toplam yük 4 + 1,5 = 5,5 kg olur. Robot seçilirken bu toplam değerin kapasitenin altında kalması gerekir; kalan pay ise hareket sırasındaki dinamik etkiler içindir.

Uç takım ayrıca parçaya zarar vermemelidir. Yumuşak yüzeyli parçalarda lastik kaplama, ısıya duyarlı parçalarda ise düşük temas kuvveti kullanılır. Kuvvet çok yüksek olursa parça ezilir, çok düşük olursa parça kayabilir. Bu denge, uç takım tasarımının merkezindedir.

Robot programı ve öğretim yöntemleri

Robot programı, robotun yapacağı hareketlerin sırasını tanımlayan komut listesidir. Program üç ana adımdan oluşur: parçanın alınacağı noktaya gidiş, parçanın bırakılacağı noktaya gidiş ve aradaki yardımcı hareketler. Bu yapı düzenli hareketlerle hataların önlenmesini sağlar.

Günümüzde program çoğunlukla öğretme yoluyla hazırlanır. Teknisyen robotu istenen konumlara götürür, konumları cihaza kaydeder; cihaz bu konumları programa çevirir. Elle her satırı yazmaktan çok daha hızlıdır ve okuma kolaylığı sağlar. Buna karşılık küçük konum farklarının ayarlanması gerektiğinde yeniden öğretme yapılır.

Yazılan programlarda koşul ve döngü de kullanılabilir. Böylece parçayı taşıma, kontrol etme ve hatalı parçayı ayırma gibi işlemler tek programda yapılabilir. Bu tür programlar merdien ya da metin tabanlı dillerle hazırlanır ve programcının mantık bilgisini gerektirir.

Çalışma alanı ve erişim sınırları

Robotun çalışma alanı, kolun ulaşabildiği tüm noktaların oluşturduğu bölgedir. Bu bölgenin dışına taşıma çalışması yapılmaz. Robotun her noktaya eşit hassasiyette ulaşamadığı unutulmamalıdır; çalışma alanının dış kenarlarında konum hatası büyür, bu nedenle parçalar merkeze yakın konumlarda planlanır.

Erişim sınırları, programda ve mekanik olarak iki şekilde korunur. Programda sınır değerleri yazılarak hareket durdurulur; mekanik olarak sınırlayıcı anahtarlar kullanılır. Sınırlayıcı, robotun belirlenen sınırı aşmadan önce yavaşlatıp durduran ek bir güvenlik katmanıdır.

Çevrim süresi ve üretim verimi

Çevrim süresi, robotun bir işlemi baştan sona tamamlaması için geçen süredir. Kaynak ve montaj hatlarında çevrim süresi doğrudan üretim adedini belirler. Bir saat üç bin altı yüz saniye olduğundan saatteki adet, bu süreye bölünerek bulunur.

Örneğin çevrim süresi 30 saniye olan bir robot, saatte 3600 / 30, yani 120 adet işlem yapar. Aynı robotun çevrim süresi 24 saniyeye düşürülürse saatte 3600 / 24, yani 150 adet işlem yapar. Artan adet 150 − 120, yani 30 adettir; yeni değerin eskisinin 1,25 katıdır.

Çevrim süresini artıran etkenler bellidir: gereksiz yol, hızlı hareket yerine güvenli hareket seçimi, konum değişiminde beklenen düzeltmeler ve uç takım değişimlerindeki gecikmeler. İlk iki etken programdan, son iki etken ise kurulumdan ve düzen planlamasından iyileştirilir.

Kullanılabilirlik de verimi etkiler. Beş yüz saatlik bir dönemde yirmi saat arıza varsa robotun kullanılabilirliği (500 − 20) / 500, yani 0,96 olur. Tam bir üretim vardiyasında bir saat arıza, günün yüzde dört verimini götürür; bu nedenle periyodik bakım ihmal edilmemelidir.

Güvenlik: güvenlik hızı, sınırlayıcı ve acil durdurma

Robot güvenliği üç katmanlıdır. İlk katman tasarımdır: robotun tehlikeli bölgeye girmesini engelleyen fiziksel korumalar kurulur. İkinci katman sınırlayıcı ve güvenlik hızıdır; robot sınırda yavaşlar ve durur. Üçüncü katman acil durdurma butonudur ve her an durdurmak için kullanılır.

Robot, tehlikeli bölgede insan bulunduğunda tam hızda çalışmaz. Güvenlik hızı, robotun çevresinde hareket eden bir kişi varken uygulanan düşük hızdır. Sınırlayıcı ve güvenlik hızı ayarları yanlış yapılırsa hem makine hem insan için tehlike oluşur. Bu nedenle güvenlik ayarları yetkili kişiler tarafından yapılır ve kaydedilir.

Basit örnek

Bir montaj hattında robot, kutudan parçayı alıp hat üzerindeki taşıyıcıya yerleştirmek üzere programlanmıştır. Alım noktası, taşıma noktası ve ara dönüş noktası olmak üzere üç konum tanımlıdır. Program bu üç konumu sırayla kullanır ve çevrimi tekrarlar.

Konumlar öğretme yoluyla tanımlanmıştır. Taşıyıcı tam dolduğunda robotun durması, doluluk sensörüyle sağlanır. Bu örnekte robotun yaptığı iş değişmiştir; program yazısı ise yalnızca konum bilgisiyle güncellenmiştir.

İleri örnek

Bir paketleme hattında robot, ürünleri bir banttan alıp kutulara yerleştirmektedir. Hatta iki farklı ürün çalışmaktadır ve ürün değiştiğinde robotun hareketleri de değişmelidir. Bu durumda iki ayrı konum grubu tanımlanır ve program, sensör okumasına göre uygun grubu seçer.

Eksen sayısı, kutunun içine farklı açılardan yerleştirme yapılacaksa yeterlidir. Ancak ürünün ağırlığı arttıkça hareket sırasında denge sorunu çıkabileceğinden robotun daha büyük bir modeli tercih edilmelidir. Bu tür kararlar, uç takım ve robot seçimi birlikte düşünülerek verilir.

Adım adım çözülmüş örnek

Görev: Bir robotun çevrim süresini iyileştirerek saatteki adet artışını hesaplamak. Çözüm: Adım 1: Mevcut çevrim süresi belirlenir, diyelim ki 30 saniye. Adım 2: Yeni çevrim süresi belirlenir, diyelim ki 24 saniye. Adım 3: Her iki süre için saatteki adet hesaplanır. Adım 4: Fark yorumlanır ve uygulanacak önlemler seçilir.

Saat üç bin altı yüz saniyeden oluşur. Mevcut durumda 3600 / 30, yani 120 adet; iyileştirilmiş durumda 3600 / 24, yani 150 adet elde edilir. Artış 150 − 120, yani 30 adettir. Bu artışın programdan mı kurulumdan mı geldiği belirlenerek önlem seçilir.

Kavram karşılaştırma tablosu

Sık Yapılan Hatalar

• Hata: Uç takım ağırlığını taşıma hesabına katmamak. Doğrusu: Toplam yük, parça ile uç takım ağırlıklarının toplamıdır.
• Hata: Çalışma alanının dış kenarına parça yerleştirmek. Doğrusu: Kenarlarda konum hatası büyür, parçalar merkeze planlanır.
• Hata: Güvenlik hızı ayarını atlamak. Doğrusu: İnsan varken uygulanan düşük hız yetkili kişi tarafından ayarlanır.
• Hata: Acil durdurma düzeneğinin çalıştığını hiç denememek. Doğrusu: Acil durdurma periyodik olarak sınanır ve sonucu kaydedilir.
• Hata: Çevrim süresini yalnız hareket süresi sanmak. Doğrusu: Konum düzeltmeleri ve uç takım değişimi de süreye dâhildir.
• Hata: Programı elle yazıp öğretme yöntemini hiç kullanmamak. Doğrusu: Öğretme yoluyla konum kaydı hızlı ve güvenilirdir.
• Hata: Tekrarlanabilirliği mutlak doğruluk sanmak. Doğrusu: Tekrarlanabilirlik aynı noktaya dönüş tutarlılığıdır.
• Hata: Periyodik bakımı üretim yoğunluğuna göre ertelemek. Doğrusu: Bakım planı arıza geçmişine göre yapılır.

Özet

Endüstriyel robot, programlanabilir çok sayıda ekseni olan ve kaynak, boyama, montaj, paketleme gibi tekrarlı işleri yapan makinedir. Robot kolları eklem düzenine göre düzlemsel, silindirik, küresel, kutu ve eklemli tiplerde sınıflandırılır; tip seçimi çalışma alanının biçimine göre yapılır. Eksen sayısı hareket serbestliğini belirler ancak tek başına yeterli değildir, erişim alanı da sorgulanmalıdır. Uç takım ağırlığı taşıma hesabına katılır ve parçaya zarar vermeyecek biçimde seçilir. Program çoğunlukla öğretme yoluyla hazırlanır. Çevrim süresi üretim adedini doğrudan belirler: çevrim süresi otuz saniyeden yirmi dörde düşürülürse saatteki adet 3600 / 30 = 120 adetten 3600 / 24 = 150 adede çıkar. Güvenlik tasarım, sınırlayıcı ve acil durdurma olmak üzere üç katmanlıdır.

Kendini dene

Kendin dene bölümünde bir montaj hattı için robot seçimi yap. Parçanın ağırlığını, uç takım ağırlığını ve konum gereksinimini belirleyerek toplam yükü ve eksen ihtiyacını yaz. Ardından çevrim süresini iyileştiren üç etken öner ve saatteki adet değişimini örnek bir sayı üzerinden hesapla. Puanlama notu: uç takım ağırlığı hesaba katılmadan yapılan seçim eksik sayılır.