Sikloid Dişli Redüktörlü Aktuatör Tasarımı ve Üretimi

tarihinde gönderilmiş tarafından

     Merhabalar, bu yazımda sizlere staj süresince yapmaya çalıştığım projemden bahsedeceğim. 

     Bu projede, yüksek hassasiyetli ve yüksek tork kapasitesine sahip bir aktuatör tasarımı, üretimi ve kontrolü üzerine çalışmalar yaptım.

     Redüktör 3 ana kısımdan meydana gelmektedir.

  • Mekanik 
  • Elektronik donanım 
  • Yazılım      

    Mekanik 

     Yüksek tork kapasitesine ihtiyacının olduğu sistemlerde tahrik elemanlarına redüktörler entegre edilerek kullanılır. Redüktör, bir dönme hareketinin devir-tork oranını dişliler yardımıyla değiştiren dişli sistemine verilen isimdir. Tasarlanan aktuatörün yüksek tork kapasitesine sahip olması gerektiğinde redüktör kullanmak gerekmektedir. 

     Aktuatör mekanik tasarımında dişli tipi olarak sikloid dişli tipi kullanılmaktadır. 

     Sikloid Dişli : Sikloid eğriler kullanılarak oluşturulmuş diş profillerine sahip redüktör tipidir. Sikloid eğrinin tanımını yapmak gerekirse, bir silindirin üzerindeki bir noktanın düz bir hat üzerinde yuvarlanırken ortaya çıkarmış olduğu profildir.          

Sikloid dişli redüktörlerde çevrim oranı hesaplanırken,

P = Çevre dişlideki pin sayısı 

L = Sikloid diskteki lob sayısı 

     Kısaca, Sikloid disk, her katmanda üzerindeki lob sayısı kadar düşürme sağlanmaktadır. 

     Sikloid redüktörler, eksantrik bir mile sahiptir. Eksantrik mil döndükçe sikloid diski çevre dişlideki pinlere doğu sıkıştırır. Bu sıkıştırma, redüktörlerde hassasiyet kaybına neden olan dişler arası boşluğunu (backlash) yok denecek kadar az seviyelere kadar azaltmaktadır. Diş boşluğunun çok az olması, özellikle konumlamanın çok önemli olduğu CNC tezgahlarında, robot kol gibi sistemlerde büyük avantajlar sağlamaktadır. 

    Sikloid Dişlilerin Avantajları 

  • Komparkt yapıdadırlar. Dar hacimlerde büyük çevrim oranları yakalanabilinmektedir. 
  • Dişler arası boşluk (backlash) yok denecek kadar azdır. 
  • Şok darbelerine karşı dayanıklıdır. 
  • Aşınmaya karşı dirençlidir. 

    Sikloid Dişlilerin Dezavantajları 

  • Eksantrik mile sahip oldukları için denge problemi yaşanabilmektedir. 
  • Büyük çaplara sahiptir. 
  • Düzgünsüzlük fazladır. 
  • Yüksek devirlerde gürültülü çalışabilmektedir. 

    Tasarlanan redüktör 1:15 ve 1:14 olmak üzere toplamda iki katmandan oluşmaktadır. İki katman toplamda 1:210 oranında bir çevrim oranı yakalanmakradır. 

   12 V Enkoderli Yüksek Güçlü Redüktörsüz DC Motor kullanılmaktadır. Kendi üzerine entegre edilmiş enkoderi sayesinde çok rahat bir şekilde geri besleme alınarak konum ve hız kontrolü rahatça sağlanabilmektedir. 

     Motor Özellikleri ,

  • Çalışma Voltajı : 12V
  • Hız : 11000 RPM 
  • Boşta Çektiği Akım : 300 mA 
  • Zorlanma Akımı : 5 A 
  • Zorlanma Torku: 0.3 kg.cm = 2.94 N.cm = 0.0294 N.m 

    Motor redüktöre entegre edildiği zaman tork 210 katına çıkması ve devrin 210 da 1 e düşmesi beklenmektedir.

    Tasarlanan çalışma parametreleri aşağıdaki gibi tasarlanmıştır. 

    Çıkış Torku  = 0.0294 * 210 = 6.174 N.m 

    Çıkış Devri  = 11000 / 210 = 52.38 RPM 

Solid Works Tasarımı

   Tasarım sırasında dikkat edilen önemli hususlardan biri yataklamadır. Yataklamanın düzgün olması Sistemin düzgün çalışmasına, gelen kuvvetleri daha düzgün karşılayarak boşlukların meydana gelmemesine olanak sağlar. 

Solid Works Tasarımı

    Redüktörün üretiminde 3 Boyutlu yazıcı teknolojisi kullanıldı. Parçalar şirketin 3D yazıcısında ABS malzemeden üretildi. 

 

 

Aktuatörün demonte hali
Sikloid Disk

    Elektronik Donanım 

      Aktuatörün kontrolü için bir elektronik kart tasarımı ve üretimi yapıldı. 

     Elektronik donanımda mikrodenetleyici olarak Arduino Nano kullanıldı. Bu kartın kullanılmasındaki neden, küçük yapısıyla kontrol kartının boyutlarını minimize etmede oldukça faydalı olmasıdır. Bununla birlikte açık kaynaklı bir yazılım desteği olduğundan, gerek kütüphane desteği gerekse literatür araştırması yapıldığında rahatça bilgiye ulaşabilme imkanı olduğundan tercih edilmiştir. 

    Motor sürücü olarak ST firmasının ürettiği VNH2SP30 Motor sürücü kullanılmıştır. Bu motor sürücü 5-16 V aralığında motor sürebilmektedir. Sürekli olarak 14 Amper anlık olarak 30 Amper çıkış sağlayabilmektedir. Kompakt yapısı sayesinde kart boyutunun küçük tutulmasında faydalı bir elemandır. 

    Kullanılan motorun arkasında entegre olarak bulunan HALL etkili enkoder bulunmaktadır. Bu enkoder sistemden geri besleme alarak konum ve hız kontrolünü sağlamaya yardımcı olmaktadır. Ayrıca motor ile entegre olduğudan ek bir mekanik aksama gerek kalmadan geri besleme ihtiyacı karşılanmış olmaktadır. 

    Kartın Tasarımı , 

     Motor, motor sürücü ve diğer elemanlar arasındaki bağlantıları sağlayarak kontrolü gerçekleştirecek şekilde tasarım yapılmaktadır. 

     Tasarım sırasında açık kaynaklı elektronik tasarım programı olan KiCad programı kullanılmaktadır. 

     Kart,

  • Motor güç giriş/çıkışı 
  • Sensör girişi 
  • Haberleşme portu giriş/çıkışı 
  • Motor sürücü tetikleme yolları 
  • Diğer bağlantı yollarını içermektedir. 

 

Yazılım 

    Yazılımsal olarak motor kontrolü üzerine yazılımsal geliştirmeler yapılarak sisteme entegre edilmiştir. 

    Motor kontrolünü sağlamak için PID kontrol algoritmasından faydalanıldı. Hız ve konum kontrollerini PID kontrolcü ile sağlanarak motorun sağlıklı bir biçimde çalışması sağlandı. 

Image result for PID kontrolcü

    Kısaca PID den bahsetmek gerekirse, 

    PID :  Geri besleme sisteminden aldığı hata farkına göre çıkışa bir kontrol sinyali üreterek sistemin kontrolünü sağlayan yapılardır. 

     PID açılımında, 

  • P (Proportional) : Oransal Kontrol 
  • I  (Integral): Integral Kontrol
  • D (Derivative):  Türevsel Kontrol karvramlarını barındırır.

    P Kontrol : P (Oransal) kontrol, sistemde meydana gelen hatayı Kp katsayısı ile çarparak hatayı büyütür. Kontrolcü çıkışını hataya ve katsayıya bağlı olarak değiştirir. Hata en aza indirmeye çalışılır. 

    I Kontrol : I (Integral) kontrol modunda sistem çalışmaya başladıktan sonra meydana gelen hataları toplamaya başlar. Kalıcı hataları ortadan kaldırmak için kullanılır.

   D Kontrol: D (Derivative) kontrol modunda birim zamanda hatada meydana gelen değişim ile ilgilenir. Hatanın değişim hızı yüksekse sistem yavaşlatılarak overshoot olmasına engel olunur.

   Haberleşme Sistemi 

   Aktuatör mikrodenetleyicisi motorun hangi konumda durmasını ve hangi hızda dönemesi gerektiği bilgisini bir bilgisayardan almaktadır. 

    Usart haberleşme protokolü kullanılarak aktuatöre bir G-Code satırı gönderilir. Bu anahtar cümle yapılacak işlem, gidilecek konum ve konuma giderken kullanılacak hızı barındırmaktadır. 

    Gönderilen G-Code cümlesinde ilk olarak yapılacak islemin kodu, sonra gidilecek konum, daha sonra konuma giderken ki hızı içermektedir. 

     G0. 10000.01500 (İşlem.Konum.Hız)  

    Sıfırlama Mekanizması 

    Fırçalı DC motorlar yapısı bünyesinde herhangi bir konumlama mekanizması bulundurmamaktadır. DC motorların ne kadar dönüdüğünü anlamak için enkoder kullanılmaktadır. Enkoder dönüşü ölçebilmektedir. ancak başladığı konumu sıfır noktası kabul ederek saymaya başlamaktadır. 

   Optik switch kullanılarak sistem sıfır konumuna gönderilmektedir. Tetikleme mekanizması Solid Works ortamında redüktöre eklenerek üretildi. 

   Sıfırlama fonksiyonları yazılıma eklendi. Sistem sıfırlanmadan yeni konuma gitmemek üzere programlandı. 

 

     Sistem sıfır konumuna göndermek için G28.00000.05000 komutu gönderilmelidir. 

     Sistemin çalışma videosu 

Muhammet Ali ÇINAR

Konya Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği 

İletişim : cinar256.ma@gmail.com