İŞ ROBOTLARININ GELİŞİMİ VE GÜNÜMÜZDEKİ UYGULAMA ÖRNEKLERİ

İŞ ROBOTLARININ GELİŞİMİ VE GÜNÜMÜZDEKİ

UYGULAMA ÖRNEKLERİ

Mehmet BODUR ve M. Erol SEZER ODTÜ Elektrik ve Elektronik Müh. Böl, ANKARA

ÖZET

Bu çalışmada, günümüzde üretimin en gelişkin aşama sı olan iş robotlarının bugüne kadarki gelişimi incelen mekte ve üretim otomasyonunda robotların kullanıl ması örneklerle sergilenmektedir.

Y azının ilk bölümünde, iş robotlarının, günümüzde es nek üretim birimlerinde kullanılan modern iş robotla rına kadar gelişimi, ilk iş robotlarının gerçekleştiril mesine ağırlık verilerek anlatılmış; ikinci bölümde ise robot ile endüstriyel otomasyon örnekleri verilmiştir. Örnekler, robotlu esnek üretim birimlerinin, özel amaçlı otomasyon makinalarına göre üstünlüğünü gös termektedir.

1. GİRİŞ Günümüzde, üretimlerini ileri teknoloji kullanarak ger çekleştiren gelişmiş ülkelerin üretim teknolojilerinde yeni bir aşama gözlenmektedir. Bu ülkelerde endüstri

yel üretim için tasarlanmış ve üretilmiş robotlar, üre tim süreçlerinin çeşitli basamaklarında yer almaktadır. Endüstriyel iş robotları kullanmanın ekonomik yarar lar sağladığı görüldükten sonra bu robotlar hızla yay gınlaşmış ve iş robotları üretim süreçlerinde yerlerini alırken bugün " robot ik" olarak adlandırdığımız bilim dalı ortaya çıkmıştır.

İş robot u, istenen yere, istenen yönden ulaşabilen ge nel amaçlı bir mekanik kol ve bu kolu hareket ettiren denetleç biriminden oluşur. Robot çevresindeki deği şimleri denetim birimindeki bilgisayarının programı ile izleyip değerlendirir ve mekanik kolunu programla dığı biçimde hareket ettirebilir. Robot, yalnızca belli bir işi yapmak üzere tasarlanan, özelleşmiş otomat makinalardan, bu özelliği ile ayrılmaktadır.

2. ROBOTLARIN TARİHÇESİ

Batı tarihinde, canlıların hareketlerini taklit eden me kanik düzenlerin yapımına yönelik ilk çalışmalar ara

sında, otomatik olarak kanat çırpan bir kuş modeli ile mekanik heykellerin dans ettiği, mekanik bir tiyatro ya rastlamaktayız Kanat çırpan kuş modeli M.ö 400 350 yılları arasında Plato'nun arkadaşı olan Traentum' lu (italya'dadır) Archyatas tarafından gerçekleştiril miştir. Mekanik tiyatronun varlığını ise MÖ 200'ler de yaşayan İskenderiye'n Hero'nun kitaplarından öğ renmekteyiz (1). Programlanabilir robotların öncüleri olan bu cins mekanik oyuncaklar, 1700 yıllarından sonra "otomata" olarak adlandırılmıştır. Bunlar ara sında, Fransız mühendis Jacques de Vaucanson'un "kaval çalan çoban"ı ile 1895 Alman yapımı "resim çizen soytarı" otomatlarının mekanik programlanabil me özelliği nedeniyle önemi vardır. Türkçe'ye İngilizce'den geçen "robot" sözcüğü, İngi lizce'ye Çek yazar Karel Capek'in "Rossum'un Evren sel Robotları" adlı tiyatro eserinden girdi. Çekçe ça lışmak anlamına gelen robot, bu eserde yer alan maki na insanlar için kullanıldı (2). Capek'in tiyatro eseri 1920'de Fransa'da, 1921'de İngiltere'de sahnelendi. Kurgu bilime bu şekilde giren robot düşüncesi, 1926 Alman yapımı "Metropolis" adlı filmde sinemaya yansıdı. 1939'da New York dünya fuarında, yürüyebi len robot "Electra" sergilendi. Aynı yıl Asimov, robot larla ilgili bilim kurgu romanlarına başlamıştır. İngiliz ce'ye "robotik" sözcüğünü, Asimov kazandırmıştır. Asimov un kitaplarından esinlenen Columbia Üniver sitesi fizik öğrencisi Joseph Engelberger, 1956'da programlanabilir bir hareketli aktarım makinası geliş tiren George C. Devol ile ilişki kurdu (3). 1961'de Devol, sayısal tezgahların denetim birimiyle teleopera törlerin edilgen (slave) tarafından oluşturulan ilk iş robotunu (Industrial Robot) tanıttı. Bu robot kol, sa yısal belleğine kaydedilen bir dizi basit hareketi tek rarlayabiliyordu. Dış dünya ile etkileşim, mekanik ha reket ve kıskacın açılıp kapanması, bir eşzamanlama sinyalinin beklenmesi, ya da belli bir duruma gelindi ğini bildiren sinyallerin verilmesi biçiminde olabili yordu. Bu robot bir otomatik döküm presinden par çaların alınıp istiflenmesi gibi işleri yapabiliyordu.

Devol ve Engelberger'in kurduğu Unimation şirketi nin bu iş robotunu geliştirmesi, gerçekte pek çok alandaki teknolojik birikimlerin kullanılmasıyla sağ landı. 1945'lerden sonra kullanılmaya başlanan dikey sayısal otomatik torna tezgahlan ile radyoaktif mad delerle uzaktan çalışabilmeyi sağlayan teleoperatör ler, yürüyebilen ve algılayıcıları ile çevresinden topla dığı bilgileri değerlendiren gösteri amaçlı robotlar, iş robotları teknolojisine en çok katkıda bulunmuş ge lişmelerdir. 1961'de MIT'ye bağlı Lincoln Laboratuvarlarında, bir teleoperatörün edilgen kolu bir bilgisayara bağlandı (4). Edilgen kola dokunma algılayıcıları (tactile sensors)

takıldı. Yapılan deneylerde yalnızca dokunma duyu sunun yetersiz kalması, görüntü işleme araştırmalarına önem verilmesine yol açtı. 1963 te aynı laboratuvarda blok biçimli nesnelerin yarım tonlamalı resimlerini sayısal olarak inceleyerek, blokları ayırdedebilmek ve konumları ile yönlerini belirlemek üzere çalışmalar başladı.

Bu araştırma ve geliştirme çalışmalarına paralel ola rak, iş robotlarının kullanımının da yaygınlaştığını görmekteyiz. 1962'de General Motors, Devol ve Engel berger'in robotunu kullanmaya başladı. 1973'te Ric hard Hohn, Cincinatti Milacron yapımı ilk iş robotu olan T3'ü geliştirip pazara çıkardı. T3'ün özelliği bil gisayar denetiminde çalışan ilk ticari iş robotu olma sıdır.

Günümüzde robotların denetim birimlerinde, mikroiş lemciler ile geniş ölçekli tümleşik bellekler kullanıl maktadır. Geniş hacimli kalıcı bellek gereksinimi, manyetik teyp ya da disket ile çözümlenmektedir. Bu yapının en önemli ayrıcalığı, istenilen hareketin daha büyük bir bilgisayardan denetlenebilmesidir. Günü müzde bilgisayarlı tasarım ve üretim (CAD/CAM), mikroişlemci sayısal tezgahlarla bilgisayar arasında ge rekli iletişim bağı kurularak gerçekleştirilmiştir. Bu gün tümüyle bilgisayar denetiminde çalışan bir ya da birkaç robot ile bu robotların kullandıkları sayısal de netimli iş tezgahlarından oluşan esnek üretim birimle ri (flexible manufacturing cells) başarıyla kullanılabil mekte ve hızla yaygınlaşmaktadır, örneğin Citroen, 3 300 000 sterline kurduğu tümüyle esnek üretim sis temli bir fabrikası için, aynı iş hacmında geleneksel bir fabrikanın 3 500 000 sterline çıkacağını hesapla mıştır. Bu fabrikada 33 kişi, eskiden 73 kişinin yapa bildiği işi gerçekleştirmektedir (5).

3. İŞ ROBOTLARININ GÜNÜMÜZDEKİ KULLANIM ALANLARI

3.1. Üretim biçimleri içinde robot

İş robotlarının endüstride kullanımını hazırlayan te mel etkenler, robotların insan gücüne göre daha ucuz olması, tehlikeli ve sağlığa zararlı ortamlarda kullanı labilmesi, üretim hızını arttırması, kaliteyi yükseltme si, üretimi esnekleştirmesi, malzeme kaybını ve işgücü döngüsünü azaltmasıdır. Bu etkenlerden endüstrideki kullanımı en belirleyici olanları, robotların insan iş gücüne göre ucuzluğu ile sağlığa zararlı ortamlarda çalışabilmeleridir (6).

1984 için, tipik ortalama bir robotun ısmarlan iş fiyatı yaklaşık 60.000 dolardır (2). Ortalama olarak robotu kullanmak için gereken diğer malzemeler 30 000 do lar, yerleştirme için gereken emek ve mühendislik

20 000 dolardır. Bakımı ve çalıştırma giderleri saatte 2 dolar civarındadır. Bu harcamalara karşılık robot or talama olarak saatte iş gücünden 20 dolar, malzeme den de 1 dolar tasarruf sağlamaktadır. Ortalama 6 yıl lık ömrü olan robotların yukarıdaki sayılara göre yak laşık 3.9 yılda (gelişmiş ülkelerde) tüm giderlerini kar şılayacağı görülmektedir. Yukarıda sayılanlar dışında robotun kullanıldığı işe bağlı başka önemli tasarrufla rı da olabilmekte ve kendini ödeme süresi bazı durum larda, beklenmedik biçimde, bir yıla kadar düşebil mektedir. Örneğin boyama robotlarının çalışacağı or tamın, insanların çalıştığı ortam kadar temiz olması gerekmemekte ve havalandırma ile ısıtma giderlerinde büyük azalma olmaktadır.

3.2. Endüstriyel robot uygulamaları (3), (S)

3.2.1. Boyamada robotlar

Boyamada robot kullanılmasının temel nedeni boya ma atölyelerinde çalışma ortamının sağlığa zararlı ve yangına elverişli olmasıdır. Robotun boyama işlerinde kullanımı, Norveç'Ii mühendis Ole Molaug'un küçük bir firmadaki araba alt boyama işini bir manipülatöre yaptırmaya karar vermesiyle başladı. Gerçekleştirilen uygulamada, operatör arabanın altına bir kere girip robota boyamayı yaptırarak öğretiyor, robot diğer arabalar için aynı işlemleri tekrarlıyordu. 1969'da Norveç'te Tralfa firması, boya tabancası kullanan uzun önkollu robotlar üretmeye başladı. İlk tümüyle robotize sayısal denetimli boyama ünitesi ise General Motors'un ABD'de Doraville'deki tesislerinde kurul du. Bu tesiste, yapılacak iş, robotlara ayrı bir bölme de öğretilmekte, robotların çalıştığı boyama bölümü ne insan girmemekte ve arabaların kapılarını robotlar açıp kapamaktadır.

3.2.2. Nokta kaynak

Nokta kaynak, endüstride robotun ilk yaygın kulla nım alanı olmuştur. Otomotiv sanayiinde şase ile ka roserin çeşitli parçalarının birleştirilmesinde nokta kaynak kullanılır. Gerçekte, özel amaçlı nokta kay nak otomatları ile, ön kaynaklarla bitiştirilmiş parça ların kaynaklarını tamamlamak mümkündür. Robotlu esnek (genel amaçlı) nokta kaynak birimleri yaygın laşmadan önce, yüksek üretim hacmi amaçlandığında bu tür özel amaçlı otomatlar kullanılmaktaydı. Bu otomatların kötü yanı, üretimde esneklik göstereme mesidir. Her model değişiminde otomatlarda büyük değişiklikler gerekir. Robotlu nokta kaynak birimle rinde ise, model değişince yeni parçaların tutturulaca ğı masaları ve robotların programlarını değiştirmek yeterlidir.

İlk robotlu nokta kaynak uygulamalarını, değişik fir malar değişik biçimlerde gerçekleştirdi. British Ley

land ilk uygulamalarında robotu karoserin çeşitli par çalarını bitiştirmek için kullandı. İngiliz Ford fabrika larında ise bir Unimate robot, sabit nokta kaynak ma kinalarına daha önce el ile yerleştirilen parçaların yerleştirilmesi ve alınmasında kullanıldı. 197O'te GM ilk kez tümüyle kaynak robotlarının çalıştığı bir mon taj hattı kurdu Lordstown'daki bu hatta, gövdelerin kaynak istasyonlarına taşınması için, kaynak sırasında stasyonlara mekanik olarak kilitlenen bir taşıyıcı me kik (Shuttle Conveyor) kullanıldı. Toplam 8 isıasyon da, ortalama 2O'şer kaynak yapan, 22 robot çalışıyor du. İşin geniş hareket becerisi gerektirmesine karşılık, bu uygulamada robotların hareket serbestliğinin 5nci dereceden olması yeterli oldu.

Fiat, Comau ile ortaklaşa, robotları en ekonomik kul lanacak bir "robogate" sistemi geliştirdi. Bu sistemde bir önceki bölümde parçalar dağılmadan duracak ka dar elle gövdeye kaynaklanır. Robotlar kaynakları, gövde robogate adı verilen, birçok kıskaçtan oluşan sabit bir tezgahtayken yapar. Gövde daha sonra "ro botrailer" ile bir sonraki robogate'e iletilir. Bu şekilde 6 robogate ile 500 kadar nokta kaynak yapılır. Aynı robogate üç dört değişik model için kullanılabilmek tedir. Fiat'm ardından, Japon Nessan ve Mitsubishi de benzeri robotlu kaynak birimleri kurmuştur. Nissan, robotlu kaynak üzerine geniş çalışmalar yapmış ve parçaları robotla kaynaklamak üzere birbirlerine biti şik tutacak kıskaçtı destekler yerine, gövdeyi yalnızca 40' civarında ön kaynakla tutturmanın yeterli olduğu nu gözlemiştir. Bu 40 kaynağı yapacak özel kaynak otomatı, bütün kaynakları yapacak bir otomattan ucuza çıkmakta ve kaynak yerleri iyi seçilirse değişik modeller aynı otomatta önkaynaklanmaktadır.

3.2.3. Parça abp koyma ve makina kullanma

İş makinalarına parça alıp koyma işi robotların en iyi yapabildikleri işler arasındadır. Robotlar, soğuk saç preslerinde saç parçaların aktarılmasında kullanıldığı gibi, sıcak preslemede çok sıcak parçaların prese yer leştirilmesi ve presten alınması için de kullanılmakta dır.

Japon Fanuc, DC servomotor üretiminde sayısal dene timli iş makinalarım robotlara kullandırmak üzere ilk denemesine 12 robotla başlamıştır. Robotlar parçala rı, üzerine üç saatlik parça dizilmiş tablalardan alıp tornaya bağlıyordu. Fanuc bu şekilde öğle tatillerin de fabrikanın yalnızca bilgisayar operatörü yönetimin de, işçisiz olarak çalışmasını sağladı. Fanuc, Miyana ga'daki matkap ucu fabrikasında ise 11 robotu ile üre timi günde iki vardiya (24 saat) sürdürmektedir. Gün düz vardiyasında 12 işçi, robotların bakımını ve tabla lara parça dizme işini yapmaktadır. Gece vardiyasında ise, yalnızca iki işçi, tornaların aşınan kalemlerini ve

parça tablalarını değiştirmek için kalmaktadır. Bu 11 robot için geri ödeme süresi 4 yıl olarak hesaplanmıştır.

3.2.4. Ark kaynağı kullanımında robotlar

Ortalama bir endüstriyel kaynak makinası 1 0 0 0 ster lin, kaynak yapmak üzere üretilen ö.ncı dereceden ba ğımsız genel amaçlı robotlar ise 30 0 0 0 sterlin civarın dadır (1 9 8 3 ). Dikey eksenli (Kartezyen) ve dirsek ek lemli (joint arm) kollar daha yaygındır. Dikey eksenli kolun, kalın kolonlardan oluşan ağır bir yapısı vardır. ASEA ve Y askawa'nın ürettiği gibi dirsek eklemli kol lar ise karmaşık y apılı, hareket becerisi yüksek, f a k a t pahalı makinalardır.

Ark kaynağı robot tarafından kullanılıyorsa, genellik le, parçaların tutturulduğu kıskaçlarla donatılmış bir döner masa gerekir. Operatör, masanın bir tarafında, parçaları kıskaçlara yerleştirir. Masanın öbür tarafın da ise, robot parçalara gereken kaynakları yapar. Ma sanın iki tarafı bir pano ile ayrılmıştır ve operatör ark tan rahatsız olmaz. Bu düzenleme özellikle bir parça üzerinde birçok kısa kaynak yapılacaksa verimli ol maktadır. İnsanın ancak dakikada 70 cm hızla kayna tabildiği parçayı robot, hızlı ve düzgün hareket bece risiyle, daha yüksek akım kullanarak, dakikada 2 7 0 cm hızla kaynatabilmektedir. Robotun kaynatılan ay rıtı doğru izleyebilmesi için geliştirilen algılayıcılar, doğrusal tarama yapan ince bir kızılötesi ışın ile ayrı tın profilini algılayabilmektedir. Böylece bir ayrıtın tam ve düzgün kaynatılması için yalnızca başlangıç ve bitiş noktalarının 15 mm'lik toleransla programlan ması yetmektedir.

New Y o r k ' t a Dahlstrom firması bilgisayar şasesi üret mek için gereken 3 5 7 0 arası kaynağı, bir Cincinatti Milacron T3 robota yaptırmaktadır. Kaynak teli ma karası dahil kaynak makinasının büyük bölümü robot kola monte edilmiştir. Robot bu birimde, el ile 42 dakika süren, her biri 50 mm uzunluktaki 44 kaynağı yalnızca 12 dakikada bitirmektedir.

3.2.5. Montaj robotları

Montaj (Assembly) işlemi bir bütün olarak robot uy gulaması açısından üretimin en zor basamağıdır. Mon t aj, geniş hareket becerisi yanı sıra, büyük ölçüde gör sel ve dokunsal algılamaya dayanan karar aşamaları gerektirir. Pratikte montajın kısmen robotlaştınlması son derece kolay gerçekleşmektedir. Bazı montaj aşa maları, parça tasarımında yapılacak ufak değişiklik lerle robot kullanmaya uygun duruma sokulabilir. Fa kat gene de montajda daha uzun bir dönem el eme ğinden vazgeçilemeyecek aşamalar bulunmaktadır.

Japonya'da Y amanashi Üniversitesi Hassas Makinalar Mühendisliği (Precision Engineering) Bölümü profesö rü, ve Scara montaj robotunun tasarımcısı Hiroshi

Makino, parça yerleştirme, sıkı geçme, vidalama gibi montaj işlerinin yüzde sekseninin dik veya yatay doğrultuda basit tek yönlü hareketler gerektirdiğini söylemektedir. Benzer şekilde ABD'da Massachussets' te Charles Stark Draper Laboratuvarındaki çalışmalar, montajda parçaların yüzde 60'ının aynı yönden, yüz de 20'sinin ters yönden, yüzde 10'unun bunlara dik yönden, geriye kalan yüzde 1 0 'unun ise değişik yön lerden takıldığını belirlemiştir. Üretilecek parçaların tasarımlarında küçük değişikliklerle parçaların monta jının otomasyonunu kolaylaştırmak mümkündür.

Fanuc'un Japonya'da DC servomotor ürettiği fabrika sında robotların bir montaj hücresi oluşturacak biçim de düzenlenmesi denenmiştir. Preslerin, parça besleyi cilerin ve dört robotun tek bir bilgisayar denetiminde olduğu bu birimde Fanuc 24 saatte 3 0 0 motor üret mektedir. Bu düzenlemenin, bir vardiyada 30 motor üretilen geleneksel üretime göre montaj maliyetini yüzde 30 oranında azalttığı gözlenmiştir.

4. SONUÇ

Gelişmiş ülkelerde robotların çeşitli üretim süreçlerin de esnek üretim birimleri oluşturacak biçimde düzen lenmesi hızla yaygınlaşmaktadır. Artık, tümüyle bilgi sayar denetiminde fabrikalar kurulması aşamasına ge linmiştir. Bu t ip fabrikaların maliyetinin geleneksel fabrikalara göre daha fazla olmadığı da örneklerle gözlenmektedir.

Y urdumuzda işgücünün ucuz, imalathanelerin üretim hacminin düşük olması, bugün için robot kullanmayı engelleyici etmenler olmaktadır. Y urdumuzda pek çok konuda olduğu gibi, üretimin otomasyonu konu sunda da yeterli istatistik çalışmaları yapılmamıştır. Gelişmiş ülkelerin teknolojisine ayak uydurabilmek çin çağımızın otomasyon yöntemi olan iş robotları ve esnek üretim birimleri konusunda çalışılması zo runludur.

KAYNAKLAR (1) John Cohen, Human Robots in Myth and Science, Un win Brothers Ltd., London, UK 1966.

(2) E. Kafrissen, M. Stephans, Industrial Robots and Robo tics, Prentice Hail Comp., Reston, Virginia, USA 1984.

(3) J. F. Engelberger, Robotics in Practice, AMACOM, USA 1980.

(4) R. L. Paul, Robot Manipulators, Mathematics, Program ming and Control, MİT Press, Cambridge. Mass., USA 1981.

(5) John Hartley, Robots at Work, IFS Publ. Ltd., Bedford, UK 1983.

(6) H. öner Yurtseven, Introduction to Robotics, a seminar presented in the Dept. of Elect. Eng., METU Ankara, TURKEY, 1984.