Genel

12 Kasım 2018

Simülasyondan Robotlu Uygulamaya – Bildiri

2015 Yılında Simülasyonda robotlu uygulama ve robot hattı retrofiti projesinin bildirisini yazdık ve EEMKON2015’te yayınlandı.

Simülasyondan Robotlu Uygulamaya
Robotic Line Retrofit : Application To Simulation
Senem Tanberk1, Kerem İzgöl2, Özgür Acar2, Dilek Tükel2
1Bilgisayar Mühendisliği Bölümü
Doğuş Üniversitesi
s_tanberk@yahoo.com
2Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bölümü
Doğuş Üniversitesi
dtukel@dogus.edu.tr

Özet
Teknoloji hızla ilerlemekte, 15 yıllık sistemlerin bile elektronik kumanda sistemleri demode kalmakta, yedek parça sorunu yaşamaktadır. Sistemlerin modernizasyonu, firmaların yeni teknolojik gelişmelerden faydalanmasına, bakım maliyetlerinin azalmasına, hattın performansını artmasını sağlar. Üniversitemizde var olan üretim hattının PC tabanlı kontrol sisteminin bozulan kartları artık temin edilemediği için, kontrol sistemi endüstriyel veri yolu kullanan PLC tabanlı bir mimariye dönüştürülmüştür. Endüstriyel robot entegre edilerek, mevcut sistem, güncel bileşenler ile revize edilmiştir. Dağıtık mimarili kontrol yapısı ile esnek üretim hattı kurulmuştur.

Abstract
Technology progresses rapidly, within 15 years, electronic control systems become outdated and it is difficult to find spare parts. Retrofit of an old systems helps companies to benefit from new technological developments, reduce maintenance costs and provides increased in the line performance. In our lab, there exits an old production line which has PC based control system that does not work. It is retrofitted into a PLC-based architecture using industrial bus. By integrating industrial robots, the current system has been revised and control architecture becomes distributed control structure which is for flexible production line.

1.Giriş
Robot sözcüğü ilk olarak 1921 yılında Rossum’s Universal Robots isimli tiyatro oyununda Karel Capek isimli Çekoslovak bir yazar tarafından kullanılmıştır. “Zorla çalıştırılan işçi” anlamına gelmektedir[1].
1928 yılında Londra’da elektromıknatıslar, elektrik motorları, makaralar ve çarklar içeren elektrikli bir robot üretilmiştir. Fakat bu robotun hareket kabiliyetleri sınırlıydı, sadece sabit bir erişim sahasında çalışabilmekteydi. Westinghouse firması, 1940’larda iki boyutlu düzlemde hareket yeteneği olan Electro isimli iki robot üretmiştir. 1954 yılında Gerorge Devol ve Joe Engelberger’e ait ABD’li Unimation isimli firma, Unimate isimli ilk endüstriyel robotu üretmiş ve patentini almıştır. Bu robot General Motors’da üretim hattında kaynak ve montaj görevlerinde kullanılmıştır. Türkiye’nin ilk endüstriyel robotunu, Altınay Robot Teknolojileri A.Ş. 1993 yılında üretmiştir.
Endüstriyel ortamlarda malzeme transferi günümüzde endüstriyel robotların en yaygın uygulama alanlarından biridir. Ürünün paletlere yüklenmesi (palletizing) veya paletlerden boşaltılması (depalletizing) işlemi bir çok endüstri için kaçınılmaz proseslerdir [2]. Endüstrinin her alanında üretilen mamullerin bir sonraki üretim aşaması için depolamak veya sevk edebilmek için bir düzen içersinde guruplamak gerekmektedir. Guruplama işlemi karton kutulara yerleştirme, paketleme, streçleme, sandıklama veya paletlere dizme şeklinde yapılabilmektedir. İmalat aşamaları tamamlanmış, pazarlanmaya hazır ürünler, karton veya mukavva kutulara ya da poşetlere konulur. Sevk işlemlerinde minimum işgücünün sağlanabilmesi için yeniden guruplama gerekir. Bu işlem çoğunlukla ürünlerin elle veya bir otomasyon sistemi sayesinde tahta veya plastik paletler üzerine dizmek şeklinde yapılmaktadır. Böylece paletlenen çok sayıda ürün bir tek eleman haline gelmiştir, forklift veya transpalet aracılığıyla kolaylıkla yüklenmesi, sevkedilmesi ve boşaltılması mümkündür. Hızla gelişen teknolojik yapılanmada paletleme işlemi özel bir otomasyon alanı olarak karşımıza çıkmaktadır. Çoğu zaman da esnek robotlu otomasyon sistemleri tercih edilmektedir[3].
Bu projede, üniversitemizde var olan üretim hattının PC tabanlı kontrol sisteminin bozulan kartları artık temin edilemediği için, kontrol sistemi endüstriyel veri yolu kullanan PLC(Programmable Logic Controller) tabanlı bir mimariye dönüştürülmüştür. Endüstriyel üretim hatlarının kumandası yaygın olarak PLC’ler kullanılmaktadır. Bunun sebebi PLC’lerin güvenilir ve esnek donanım yapısı, kolay programlamasının, arıza takibinin kolay olması, güvenilir parçalardan olmasından dolayı yıllarca sorunsuz çalışabilmesidir.
Paletleme uygulamalarını çalışabilmek için öngördüğümüz senaryoda robot solo test isimli zekâ oyununu oynayıp, yediği taşları konveyör üzerindeki palete dizmektedir. 

Oyunda 32 adet piyon merkezdeki hücre boş bırakılacak şekilde oyun tahtasına yerleştirilir. Boş hücrenin çevresindeki piyonlar, önündeki piyonun üzerinden atlatılarak boş hücreye yerleştirilir ve üzerinden atlanan piyon alınır. Oyunun amacı, bu işlemi devam ettirerek en az sayıda piyonu tahtada bırakmaktır.
Robot bu oyunu oynayarak aldığı piyonları paletin üzerine bırakır. Palet dolduğu zaman konveyör hareket eder ve bir başka boş palet robotun önüne konumlandırılır. Oyun bittiğinde ise robot, paletler üzerindeki piyonları tekrardan alarak, yeni bir oyuna başlamak üzere tahtaya dizer. Bu işlemi endüstride yaygın uygulama alanı olan paletlemeye örnektir. Endüstriyel robot yazılımında bu işlemi destekleyen özellikler mevcuttur.
Bu projede, konveyör sistemi(Şekil 1) ve endüstriyel robot kullanılarak PC tabanlı kontrol sistemi, endüstride güncel olarak kullanılan ekipmanlar ile revize edilmiş ve planlanmış bir üretim senaryosunun uygulaması yapılmıştır.

Şekil 1: Sistemin genel görünüşü

2.Sistem Bileşenleri
Projede kullanmış olduğumuz konveyör sistemi, 1998 yılında kurulmuş olan talaşlı üretim yapabilen, robot ve konveyör ile entegre olan PC tabanlı bir sistemdir. Mevcut sistemin kontrol ünitesinin tamir edilemeyecek durumda hasarlı olmasından dolayı, sistemin güncel otomasyon ekipmanları kullanılarak revize edilmesine karar verildi.
Güncellenen kontrol sistem için şu malzemeler kullanılmıştır:
 Mitsubishi RV-7FL-D (Şekil 3) serisi 6 eksenli robot: Mitsubishi’nin bu robot modeli, özellikle montaj, işleme ve taşıma görevlerinde kullanılmak üzere tasarlanmıştır.
 Mitsubishi FX serisi FX3GU-24 PLC: Bu PLC, 220V AC gerilim ile çalışmakta, üzerine entegre 14 dijital giriş, 10 dijital çıkış bulunmaktadır.
 Mitsubishi FX3U-16CCL-M CC-Link master modülü: Bu bağlantı modülü sayesinde, FX serisi PLC’ler, yaygın olarak kullanılan CC-LINK endüstriyel veri yolunu kullanabilir hale gelmektedir (Şekil 4).
 SMC VV5Q21 valf adası: Paletler için dört istasyon mevcuttur. Paletleri bu istasyonda tutan ya da gelecek istasyona geçmesi için yol veren pnömatik durdurucular vardır. Bu ekipmanların kontrolü için gerekli olan 4 adet valf, valf adasında toplanmıştır. Bu ada(Şekil 5) 8 adete kadar valf bağlanmasına izin vermektedir.

Şekil 3: Mitsubishi RV-7FL-D 6 eksenli robot
Şekil 4: PLC, CC-Link Modülü, I/O Modülü
Şekil 5: SMC VV5Q21 valf adası

3. Sistemin çalışma senaryosu
Bu projede, robot solo test isimli zekâ oyununu oynar. Bu oyun şu şekilde oynanır: 32 adet piyon merkezdeki hücre boş bırakılacak şekilde tahtaya yerleştirilir. Boş hücrenin çevresindeki piyonlar, önündeki piyonun üzerinden atlanarak boş hücreye yerleştirilir ve üzerinden atlanan piyon alınır. Oyunun amacı, bu işlemi devam ettirerek en az sayıda piyonu tahtada bırakmaktır[7].
Robot bu oyunu oynayarak aldığı piyonları paletin üzerine bırakır. Palet dolduğu zaman konveyör hareket eder ve bir başka boş palet robotun önüne konumlandırılır. Oyun bittiğinde ise robot, paletler üzerindeki piyonları tekrardan alarak, yeni bir oyuna başlamak üzere tahtaya dizer

3.1.Manüel/Otomatik Çalışma
Manuel kullanım için öncelikle operatör panelinden seçilmesi gerekmektedir. Manuel mod, stoperlerin komponent numaralarının bulunduğu pencerelerden oluşur. Manuel hareket ettirmek istenen stoper seçilmelidir. Komponentin aktifleştirilmesinin ardından ilgili çerçeve içerisindeki MAN ibaresi belirginleşecektir. Bu işlemin ardından kırmızı ve yeşil renkteki ileri ve geri butonları aktif hale gelecektir. Yanıp sönen buton hareket ettirilebilecek yönü gösterir. Sabit yanan buton komponentin belirtilen konumda olduğunu, her iki buton ışığının yanıp sönmesi her iki yöne hareket iznini veya strokun tamamlanamadığını belirtir. Bu düğmeler kullanılarak komponentler kontrol edilir.

3.2. Durdurucu Çalışma Mantığı
Stopperlerin girişinde yeralan sensör (S21) yardımıyla kontrol edilirler. S21 stopperin girişinde palet olduğunu gösteren sinyaldir.

Şekil 6: Stopper bölgesi

S21 ve stoperin durumuna göre (Şekil 6), palet geçişinde ilgili bölümün sayacı bir azaltılır, ilerlediği bölümün sayacı bir arttırılır. Stopper kapalıyken S21 sensörü belirli süre içinde görmezse stopper geçiş hatası yaratılır. Ya da stopper açıkken palet takılırsa, S21 sensörü devamlı görürse stopper sıkışma hatası ile kullanıcı uyarılır.

3.3. Robot Programı ve Haberleşmesi
Robot oyun programı aşağıdaki gibidir.
1-) Oyun hamleleri için gerekli olan aşağıdaki dizilere ilk değerleri statik olarak atanır. Bu diziler hangi pozisyondaki piyonların hangi sırada alınacağı bilgisine dair indisleri tutar.
V_HAMLE1 = 10 : Game array ilk piyon için : Hareket edecek piyon indisi
V_HAMLE2 = 24 : Game array ikinci piyon için : Piyonun konacagi bos hücre indisi
V_HAMLE3 =17 : Game array ucuncu piyon için : Yenen piyonun indisi
2-) Sepet başlangıç pozisyonu, oyun tahtası başlangıç pozisyonu, oyun tahtasındaki bir piyon için hücre büyüklüğü gibi değişkenlere ilk değerleri statik olarak verilir.
P_TRASH : Sepet baslangic pozisyonu : Yenen piyonların konacağı sepet

P_BOARD : Oyun tahtası baslangic pozisyonu : 0. indisteki piyon için uygun gripper koordinatları
C_LENGTH : Cell Length : Piyon tahtasindaki bir piyon için hücre büyüklüğü
3-) V_HAMLE1 dizisindeki piyon, yani ilk piyon oyun tahtası üzerinden alınır – robotun pick işlemi
4-) Alınan piyon, V_HAMLE2 dizisinde belirtilen oyun tahtası üzerindeki boş hücreye bırakılır – robotun place işlemi
5-) V_HAMLE3 dizisindeki yenen piyon, yani üçüncü piyon oyun tahtası üzerinden alınır. – yenen piyon için pick işlemi
6-) Yenen piyon, P_TRASH pozisyonundaki sepete bırakılır.
7-) 3. maddeden itibaren 7. maddeye kadar işlem 32-Skor(en son kalan piyon sayısı) kadar tekrar edilir.
😎 Robot kol başlangıç pozisyonuna taşınır ve oyun biter.
Robot denetleyicisinin PLC ile haberleşmesi için robotun remote modda iken beklediği ve gönderdiği sinyaller için robot denetleyicisine özel haberleşme blokları oluşturulmuştur. Mitsubishi Robot ile haberleşmek, Operatör panel veya diğer kaynaklardan alınan komutlar ve sistem modları fonksiyonda kullanılır ve Robotun status bilgileri fonksiyon çıkışı olarak programda ve operatör panelde gösterilmek yazılım geliştirilmiştir(Şekil 7).

Şekil 7:Robot-PLC haberleşmesi

3.4.Oyunun Kuralları
Oyun tahtasında 33 adet boş hücre vardır, oyun tahtasının ortasındaki boşluk oyunun başlama noktasıdır.
 Oyunda piyonlar sağa/sola/yukarı/aşağı yönde hareket ettirilebilir. Piyonlar çapraz hareket ettirilemez.
 Oyun piyonu sağ/sol/yukarı/aşağı yönde yer alan başka bir piyonun üzerinden atlatılarak, hemen ardındaki boş hücreye yerleştirilir ve üzerinden atlanan piyon yenir.
 Oyun tahtası üzerinde, sağ/sol/yukarı/aşağı yönde oyun kuralına göre hareket ettirilebilecek bir piyon yoksa oyun sona erer.
 Oyunun amacı, artık hiçbir piyon oyun kuralına göre hareket ettirilemeyecek duruma geldiğinde, en az sayıda piyonu bırakmış olmaktır. Kalan piyon adedine göre, oyun sonucu değerlendirilir.
 En iyi skor, oyun tahtası üzerinde sadece bir piyonun kalmasıdır.Oyun tahtası üzerinde kalan piyon sayısına göre çeşitli skorlar mevcuttur.

4.Yazılım
Solo Test oyununda tablada tek taş kalması durumuna ulaşma probleminin çözümü için ik olarak oyununun arama uzayı oluşturulmuştur. Oyunun çözüm ağacında yer alan bu hamleler, Level Order Tree ve Kuyruk Listesi kullanılarak bir prosedür ile hesaplatılmış ve oyun ağacı veri tabanına kaydedilmiştir(Şekil 9). Arama algoritmasını hızlandırmak için eleme stratejisi geliştirilerek sonuç skorları makul sürede hesaplanmıştır. Buna ek olarak çözüm ağacındaki hamlelerden daha az derinlikteki bir kök(root) seçilerek, bu kök üzerinde algoritma eleme yapmadan koşulmuş ve sonuç skorları zenginleştirilmiştir.

Şekil 9:Veritabanı tablo deseni

Veritabanında yer alan 1 den 16 ya kadar olan skorlarlardan örnekler seçilerek, oyun hamleleri bir dosyaya alınmıştır. Daha sonra bu dosyada yer alan oyun hamleleri, Melfabasic robot programında statik olarak üç ayrı diziye(V_HAMLE1, V_HAMLE2, V_HAMLE3) atanmıştır. Bu diziler hangi pozisyondaki piyonların hangi sırada alınacağı bilgisine dair indisleri tutar. Bu değerler kullanılarak Mitsubishi RV-7FL robot pozisyon kontrolü yapılmıştır.
Çözüm ağacındaki her seviye veri tabanında bir kuyruk (queue) yapısında tutulur. Başlangıç durumu olan kök noktası, Level 1’daki kuyruğa yazılır. Level Order Tree kullanılarak, başlangıç node unun oyunun kuralına göre hesaplanan child noktalar Level 2’deki kuyruğa eklenir. İşlem her level için tekrarlanır.
Veritabanında tutulan aynı level daki node’lar(Şekil 10) için, oyun tahtasındaki piyon sayısı aynıdır. Level numarası arttıkça piyon sayısı 1 azalır. Örneğin Level 1’de tahta üzerinde 32 piyon vardır, 1 piyon kalan skor ise Level 32 de bulunur.

levelnumberdataparent_leveldata

Şekil 9:Node Yapısı

Veritabanında ki oyun ağacının tablo deseni kullanılarak algoritmayı hızlandırılması için eleme stratejisi geliştirilerek sonucun makul sürede hesaplanmıştır.

5.Sonuçlar
Bu projede, 1998 yılında kurulmuş olan üretim hattının PC tabanlı kontrol sisteminin bozulan kartları artık temin edilemediği için, endüstriyel veri yolu kullanan PLC tabanlı bir mimariye dönüştürülmüştür. Endüstriyel bir robot, solo test oyununu oynayacak şekilde programlanmış, oyunda işlevi biten taşlar palete dizilerek, paletleme uygulaması da gerçekleştirilmiştir. Dağıtık mimarili kontrol yapısı ile esnek üretim hattı kurulmuştur.

Teşekkür
Mitsubishi Elektrik firmasına, bu projeye olan katkısından dolayı teşekkür ederiz.

6. Kaynaklar
[1] Barutçuoğlu, E.I. “Robotların Tarihçesi”, Temmuz 2, 2001, http://robot.cmpe.boun.edu.tr/593/history.pdf
[2] Sakakibara, S. The current state of packaging in Japan, World Industrial Report, United Nations Publications, 1997
[3] Gök, G, 1999, “Robotlu paletleme sistemleri”, yüksek lisans tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, 1998
[4] Tükel, D.B, “Actuation redundancy control of two cooperating industrial robots”, PhD thesis, Dept. of Mechanical Engineering, Katholieke Universiteit Leuven, Belçika, 1997
[5] Tükel , D.B:, “Bugün ve Yakın Gelecekte Robotik”, Endüstri Otomasyon, Şubat 2015, pp: 12-17.
[6] Tanberk, S, Marmara Üniversitesi, Mekatronik Yüksek Lisans Dönem Projesi, “Endüstriyel Robotların Programlanması ve Simülasyonu”, 2013 Haziran
[7] İzgöl, K., Tanberk, S., Acar, Ö., Dimirovski G, Tükel, DBT, ” Robotik hat modernizasyonu-solo test”, TOK 2015
[8] Tükel, D.B., Talu, T., “Robotlu Kaynak Üretim Hattı Tasarımı”, Akıllı Sistemlerde Yenilikler ve Uygulamaları, ASYU 2010

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.