MEKATRONİK MÜHENDİLİĞİ ve UYGULAMA ALANLARI

            Mekatronik mühendisliği son 30 yıl içinde yaşadığımız teknolojik gelişmelerin sonucu olarak doğmuş ve gelişmiş bir mühendislik dalıdır. Mekatronik kelimesi ilk kez 1970’ li yıllarda Japonya’da kullanılmış daha sonra Asya, Avrupa ve Amerika kıtasında yaygınlaşmıştır. Gerek hızla gelişen teknoloji ve gerekse sürekli değişen Pazar  koşulları, ekonomik ve kaliteli ürünler yönündeki istekler yönündeki istekleri artırırken, ürün kullanıcılarının da daha esnek ve çok işlevli ürünler yönündeki talepleri artmıştır. Mekatronik mühendisliği bu talepleri karşılamak için gelişmiş bir mühendislik dalıdır. Mekatronik mühendisliği kapsamında gelişen birçok kavram, özellikle mühendislik eğitimini, tasarım yaklaşımını ve sürecini etkilemiştir. Mekatronik mühendisliği, makine mühendisliği, elektrik mühendisliği ve bilgisayar teknolojisinin bir ürün içinde sinerjik bileşiminden oluşan bir mühendislik felsefesidir. Bu felsefe içinde temel nokta, bu kavramların organik yapıda tümleşik ve bir bütün olarak düşünülmesidir. Mekatronik mühendisliği mekanik, elektronik ve bilişim teknolojilerini işlevsel ve fiziksel olarak tümleştiren ürünlerin geliştirilmesi ile üretimi sağlayan bir mühendislik dalıdır.

 

         Mekatronik sistem ve makineler genel düzeyde üç temel işlevsel birime sahiptir. Bunlar; algılayıcı alt sistemler, bilgi işleme ( bilişim ) alt sistemleri ve hareket alt sistemleri olarak tanımlanır. Bu tanıma uygun sistem ve makineler kendisine tanımlanan çevreyi gözlemlemekte, çevredeki değişimleri algılamakta ve algıladığı bilgileri yorumlayarak gerekli motor sistemler yardımı ile çevresini değiştirebilmektedir. Doğal olarak bu yapıdaki makine ve sistemler akıllı davranışlar göstermektedir. Bu ürünlerin gerçekleştirilmesi ancak micro işlemci teknolojisinin mühendislik tasarım yaklaşımları içinde tümleşik olarak uygulanması ile mümkündür. Micro işlemci teknolojisinin tasarım sürecinde ürün teknolojisi içinde

uygulanması ile ürün geliştirme sürecinde mekanik, elektrik ve bilgisayar teknolojisi, aynı ürün içinde tümleşik olarak uygulanmaya başlamıştır. Mekatronik, micro işlemci esaslıürünlerin tasarımında, üretiminde ve diğer mühendislik işlevlerinde uygulanan bir mühendislik dalıdır.

 

       Günümüzde ulaştığımız teknolojik düzeyde, makinelerin  teknolojik gelişim süreçleri ve yaşadığımız çevrede gördüğümüz uygulama örneklerini incelediğimizde ( Çizelge-1 ) ‘de özetlenen bir sınıflandırma elde edilmektedir. Bu çizelgede yukarıdan aşağıya doğru işlevsel olarak basit işlevlerden karmaşık işlevlere doğru bir gelişim gözlenmektedir. Verilen bu sınıflandırma, mekatronik makineleri bu sınıflarla eşleştirme veya gruplama amacı taşımamaktadır. Ancak son üç grup makineleri ( esnek tezgah ve makineler, yarı akıllı makineler ve akıllı makineler ) basit te olsa mekatronik öğeler kullanmadan gerçekleştirmek mümkün değildir. Özellikle kendinden denetimli akıllı makineler ile mekatronik teknoloji tamamen bütünleşik bir yapıdadır. Mekatronik teknoloji, akıllı makinelerin tasarım ve üretimine yönelik sistematik düşüncelerin uygulanmasıdır.

 

       Şekil 1’de ise mekatronik nitelikler taşıyan makine, ürün veya sistemlerin yapısı şematik olarak verilmiştir. Kısaca; makinenin işlevleri ve performansı çevreden gelen verilerle değişebilmekte, makine bu verilere göre değişik düzeylerde düşünerek karar alabilmektedir. Bu şekilde verilen şematik yapıdaki makinelerin çağdaş teknolojik kapsamda ve genel olarak mekatronik teknolojiye sahip makineler olarak tanımlayabiliriz.

 

   Mekatronik teknolojisinin uygulanması ile sağlanan teknolojik üstünlüklerden bazıları şunlardır:

     Bir ürün içinde çok sayıda işlevi bütünleştirmek mümkündür. Bu husus özellikle kullanıcı tatmini için önemlidir.

     Mekatronik ürün içine kullanıcı konforu ile beraber kullanıcı ve çevre güvenliğini yerleştirir.

     Mekatronik ürünlerinin daha kolay ve ucuzdur. Makinelerin boyutlarının küçültülmesinin yanında, tolerans, malzeme seçimi ve üretim tekniklerinde önemli esneklikler sağlanabilmektedir.

     Mekatronik makinelerinin tasarım yapılarında önemli değişiklikler yapılmadan bir üst düzeye yükseltilebilmeleri mümkündür.

 

 

Mekatronik Mühendisliği Uygulamaları

Mekatronik mühendisliği uygulamaları çağdaş teknoloji kapsamında kısa örneklemeler yapamayacak kadar çoğalmıştır. Bu uygulama kollarının sınıflandırmasına yönelik yapılabilecek her tür sınıflandırmanın bazı konuları dışarıda bırakması da çok olasıdır. Bu kapsamda tamamen gözleme dayalı çeşitli sınıflandırmalar verilmiştir.

 

 

Uygulama konularına göre sınıflandırma:

  Üretim otomasyonuna yönelik uygulamalar ( tezgah ve makinelerin otomasyonu, fabrika içi otomasyon sistemleri ve tarımda otomasyon uygulamaları),

  Sağlık ve tıp ile ilgili uygulamalar,

  Güvenlik sistemleri,

  Çalışma koşullarının insan için uygun olmadığı çevrelerdeki ( uzay, yangın, petrol vb ) çalışmalar,

  Eğitim ve eğlence amaçlı uygulamalar.

 

Konumlarına göre sınıflandırma:

     Gezer ( hareketli ) robotlar ( gövde hareketli ).

     Robot kollar ( gövde sabit, kollar hareketli ).

     Tezgah ve makine otomasyon  ( gövde ve kollar sabit, takımlar hareketli ).

     Gözlem ve bilgilendirme cihazları.

 

Boyutlarına göre sınıflandırma :

     Normal boyuttaki uygulamalar ; 25 mm’ den büyük robot ve makineler,

     Mini ( robot ) uygulamalar; 10 mm – 25 mm arasındaki boyutlardaki robot ve makineler,

     Mikro ( robot ) uygulamaları; 10 mm’ den küçük robot ve makineler.

 

İşlevlerine göre sınıflandırma:

     Gözlem yapan robot ve cihazlar,

     İşlem yapan robot ve makineler,

     Gözlem ve işlemi birlikte yapan robot ve makineler.

     Belirtilen sınıflandırmaları özetleyen ve yaygın uygulama konuları kümelendirilerek verilen uygulama özellikleri Çizelge 2’de verilmiştir. Bu tür sınıflandırmaların hiçbir zaman tüm uygulamaları kapsamadığını, eksik ve özel uygulamaların sınıflandırma dışı kalabileceği durumlar olabileceğini tekrar belirtmek gerekir. Yangın olarak kullanılmakta olan mekatronik ürünlerden derlenen çeşitli örnek ürünler ise listede verilmiştir. Bu liste M. B. Histand ve D. G. Alciatore’den genişletilerek uyarlanmıştır.

v     Taşıtlarda hava yastığı güvenlik sistemleri, ABS fren sistemleri, uzaktan kumandalı kapı kilitleri, sürüş ve seyir denetimi, motor ve güç sistemleri denetimi, yolcu güvenlik sistemleri ile taşıt araçlarındaki benzer sistemler,

v     NC, CNC, AC v.b tezgahlar, hızlı prototip üretim tezgahları ve benzeri otomatik üretim tezgahları,

v     Fotokopi makineleri, faks makineleri, elektronik daktilolar ve benzeri büro makineleri,

v     MR cihazları, atroskopik cihazlar, ultrasonik problar ve benzeri diğer tıbbi cihazlar,

v     Otomatik odaklamalı fotoğraf makineleri, video kameraları, video, CD ve DVD göstericiler, CD kayıt ile benzeri kişisel kullanım amaçlı elektronik cihazlar,

v     Lazer yazıcılar, sabit disk kafa konumlayıcılar, teyp sürücü ve yükleyiciler, CD okuyucu ve yazıcılar ile benzeri bilgisayar aksesuarları,

v     Uçuş denetim eyleyicileri, iniş sistemleri, kokpit kumanda ve cihazları ve benzeri hava taşıt sistemleri,

v     Garaj kapısı otomatik açma sistemleri, güvenlik sistemleri, iklimlendirme denetim sistemleri ve benzeri ev ve büro uygulamaları,

v     Çamaşır makineleri, bulaşık makineleri, otomatik buz makineleri ve benzeri ev uygulamaları,

v     Değişken hız matkaplar, sayısal tork anahtarları ve benzeri takımlar,

v     Malzeme test cihazları ve benzeri laboratuar cihazları,

v     Bar kodlu sistemler konveyör sistemleri ve benzeri fabrika otomasyon sistemleri,

v     El ve otomatik kumandalı hidrolik frenler, benzeri malzeme taşıma ve inşaat makineleri,

v     Otomatik etiketleme, kalite denetiminde kamera ve benzeri kalite denetimi ve paketleme uygulamaları,

v     Video oyunları ve sanal gerçeklik uygulamalarında gerçek girdi denetim sistemleri.

 

Üretim Sektöründe Mekatronik Teknoloji ve Uygulamalar

      Bilindiği gibi robotlar ve mekatronik teknoloji öncü olarak imalat endüstrisinde gelişmiş ve giderek yaygınlaşmıştır. Üretim mühendisliği, mekatronik uygulamaların öncü ve yaygın bir şekilde kullanıldığı endüstri kesimlerinden birisidir. Bu uygulamalar ya üretimin bir parçası  olarak yer almakta veya kalite denetim sistemlerinin bir parçası olarak  üretim hattına eşzamanlı paralel denetleyici sistemler şeklinde kullanılmaktadır. Üretim mühendisliğinde mekatronik kavramları ve uygulamaları;

v     İş parçası ve üretim düzeyinde,

v     Takım tezgahları ve üretimde kullanılan makineler düzeyinde,

v     Otomatik üretim hatlarında süreç düzeyinde yer bulurlar.

         Bu sistemler sayesinde üretim hattında imalat sürecinin, iş parçası ve ürün, makine ve tezgah ile üretim hattı düzeylerinde nitelik ve nicelik olarak gözlemlenebilmesi, izlenmesi, beklenmeyen etkiler, tolerans, yüzey kalitesi ve benzeri değişimlerinden kaynaklanan sorunların zamanında saptanması mümkün olmaktadır. Böylece üretim sürecini aksatmadan hataların zamanında düzeltilmesi ile üretim kayıpları önemli ölçüde azalmakta, sürekli çevrimiçi denetim sistemleri ile de kalite düzeyinde iyileştirmeler ve süreklilik sağlanmaktadır.

      Mekatronik donanım, organlar, cihazlar ve makineler yardımı ile üretimde insan etmeni en alt düzeye indirgenmekte, böylece insan kaynaklı hata ve olumsuzluklar olabildiğince azaltılabilmektedir. Son yıllarda yaşanan teknolojik gelişmelerin etkisi ile nitelikli insan gücü bulmanın zorluğu da düşünülürse mekatronik kavram ve uygulamaların üretim teknolojisine olan önemli katkıları daha iyi anlaşılabilmektedir. Üretim hattında insan etmeninin hemen hemen tamamen kaldırıldığı otomatik üretim hatları ve kalite denetim sistemleri, bilgisayar destekli uyarlamalı denetim tezgah ve makineleri, otomatik ürün taşıma ve depolama sistemleri ile bilgisayar tümleşik üretim sistemleri bu kapsamda en önde gelen uygulamalar olarak görülmektedir.

     Üretim ağırlıklı çağdaş kuruluşlar güncel rekabet koşullarında başarılı olmak için mekatronik kavram ve uygulamaları hızla kendilerine uyarlamış ve bundan kazanç sağlamışlardır. Genel olarak üretim mühendisliğinde mekatronik kavram ve uygulamaların yoğunlaştığı alanları dört grupta toplayabiliriz;

1. İş parçası ve ürün düzeyinde üretim mühendisliği ile ilgili mekatronik kavram ve uygulamalar ( Tasarım – Üretim çevrimi ),

2. Takım tezgahları, üretim, malzeme taşıma ve depolama ile ilgili makineler düzeyinde mekatronik kavram ve uygulamalar,

3. İmalat sürecinde, süreç ve işlem düzeylerinde mekatronik kavram ve uygulamalar,

4. Çevrimiçi kalite izlenmesi ve kalite denetimi ile ilgili mekatronik kavram ve uygulamalar.

 

       İmalat endüstrisinde genel eğilim insan gücünü azaltmak yönündedir. Bu eğilim hem teknolojik olarak iş kalitesinin ve hızının insana bağımlı olmasını önlemek veya azaltmak, hem de ekonomik ve stratejik olarak daha düşük maliyetli üretim ve daha yüksek ekonomik getiri amaçlarını beraberce taşımaktadır.

     Üretim hatlarında insan etmenin giderek azalması, insan yönetimine ve yönlendirmesine gerek duymayan akıllı ve özerk ürün denetimi, üretim ve karar verme birimlerinin geliştirilmesi ve uygulaması ile mümkün olmuştur. Güncel teknolojik düzeyde, üretim ve kalite denetim süreçlerinin ve işlemlerinin bilgisayar tabanlı izleme sistemleri ile süreç ve üst yönetim düzeylerinde izlenmesi yaygın bir uygulamadır. Bilindiği gibi bu tür izleme sistemleri duyucu ve genellikle akıllı duyuculardan oluşa algılama, bilgi işleme ve çoğu kez geri besleme denetim sistemleri de beraberce içeren sistemlerdir. Böyle bir sistem tipik olarak mekatronik nitelikler taşımaktadır.

        Bu konu kapsamında; imalat işlemleri ve üretim sürecinin izlenmesi ve denetimi, model tabanlı üretim sistemleri ve ‘Döngüde donanım’ benzetimi uygulamaları düşünülmelidir. Süreç-içi ve süreç dışı dış etkenleri izlemek ve denetlemek tipik uygulamalardır. Açık veya kapalı süreçlerde uygulamalar mümkündür.

 

Tarım Sektöründe Mekatronik Teknolojisi ve Uygulamaları

        Ülkemizde tarım sektörü ağırlıklı olarak emek yoğun bir sektörüdür. Ancak tarım işçisinin az, insan emeğinin pahalı ve tarımsal ürün kapasitesinin yüksek olduğu ( Avustralya, Japonya, ABD, İsveç gibi ) ülkelerde tarım işletmelerinde kullanılan tarım makinelerinin otomasyonuna doğru kuvvetli bir eğilim bulunmaktadır. Otomasyon, üretken ve ekonomik tarım işletmeleri için gerekli olduğu kadar, sağlıklı ürün elde edilmesinin de, elde edilen ürünün  sağlıklı koşullarda korunması ve taşınmasında önemli rol oynamaktadır. Otomasyonun bulunduğu her teknolojik uygulama mekatronik öğeler içermektedir. Tarım sektöründe de ürün, bitki ve hayvanların algılanması, hasat ve bakım önemli mekatronik etkinlikler olarak gözlenmektedir.

        Tarım endüstrisinde potansiyel olarak robotların kullanım alanları çok fazladır. Robot teknolojisinin tarım endüstrisi ile kesişimi çok çeşitli ve değişik alanlarda olabilmektedir. Bu kapsamda ve örnek olarak robot görme sistemli traktörler, ürün sınıflandırma sistemleri, bitki dikim robotları, ürün hasat robotları, gübreleme, ilaçlama, yabancı otlar ve zararlı mücadele için kullanılan robotlar sayılabilir. Bitkileri parçalarına ayırma veya kabuklarını soyma ( konserve yapımı ) işleri için de robot manipülatör kullanılmaktadır.

       Tarım endüstrisinde uygulanan mekatronik teknolojinin temel mekatronik teknolojiden bazı önemli farkları bulunmaktadır. Üretim endüstrisinde insan yapımı ürünleri algılayan eyleyici birimlerle bu ürünlerin geometrik özelliklerini kullanarak iş yapabilen robotlar, tarım endüstrisinde doğada bulunan ve bir geometrik kalıba sokulmayan şekilde nesnelerle çalışmak durumundadır. Yine üretim teknolojisinde sürekli kullanılan yapay işaretleme yönteminin tarımsal uygulamalarda kullanılması mümkün değildir. Örneğin olgunlaşmış ürünün saptanması tamamen doğal yöntemlerle sağlanmalıdır. Bu durum tarım robotlarında insan davranışlarını ve düşünce sistemini taklit eden sistemleri daha çok yaygınlaştırmaktadır.

     Bütün tarım robotlarında duyucular önemli rol oynamaktadır. Duyucu olarak basit transduserlerden karmaşık robot görme sistemlerine kadar çok değişik duyucu birimleri uygulanmaktadır. Tarımsal ürünlerin niteliklerin gereği özellikle robot görme sistemlerinin uygulaması yaygındır. Bitki kesiciler için titreşim analizi sıvı akış hızı, hassas tarım için GPS gibi bilinen çok çeşitli duyucu uygulamaları da yaygınlaşmıştır. Bilinen eyleyici teknolojisi, teknolojisi tarım robotlarındaki diğer konulardır.

      Fabrika ortamında çalışan robotlarla insanların etkileşimi her iki taraf için de daha düzenli ve korumalı sistemlerdir. Ancak tarım işletmelerinde fabrikalarda bulunan sistemlere benzer tasarlanmış ve korumalı sistemler uygulanamamaktadır. Bu durumu daha da olumsuz etkileyen bir etmen olarak robot ve insanların tarım işletmelerinde beraber çalışması bir gerekliliktir. Bu koşullarda insan güvenliği daha fazla risk altındadır. Konunun gereği insan ve robot etkileşimi de daha fazla olmaktadır. Bu durumda güvenlik sistemlerinin daha dikkatli geliştirilmesi gerekmektedir.

     Tarım sektöründe sektörün gereği olarak öncelik kazanan ve özellikle dikkat edilmesi gereken hususlar şunlardır;

v     Hijyen koşulları birinci önceliktir. Örneğin süt sağma robotu gibi uygulamalarda temizlik  ( hijyen ) koşulları diğer tüm ölçütlerin önüne geçmektedir.

v     Ürünün robotun çalışma koşullarından olumsuz etkilenmesi gerekmektedir. Tarım ürünleri genellikle dış etmenlerden kolayca etkilenen, kalitesini ve ticari değerini kaybedebilen ürünlerdir. Bu nedenle fiziksel temas gerektiren robot uygulamalarında duyucu ve eyleyici teknolojisi özel önem kazanmaktadır.

v     Kullanılan robot sistemlerde güvenlik ölçütleri, makine üretim fabrikalarında yapılan uygulamalardan daha sıkı olmak zorundadır. Tarım robotlarında insan ile birlikte tarım ürünü, bitki, ağaç ve hayvanların da beraberce korunması gerekmektedir. Ayrıca güvenlik kriterinin daha çok ekonomik değeri vardır.

v     Fabrika koşullarında sağlanabilen kalite koşulları tarım işletmelerinde farklı tanımlar getirmektedir. Tarım ürünlerinin kalitesi fabrika üretimine göre daha öznel değerlendirmeler istemektedir. Bu durum duyucu teknolojisi seçimini güçleştirmektedir ( Örnek ; Boyut Toleransı’na karşı meyvenin olgunluk düzeyi ).

v     Zaman kriteri, bazen güvenlik ve kalite kriterleri ile eş düzeydedir. Bu durum bazı ürünlerin gözden çıkarılmasına karşın, ürünün çoğunluğunun kurtarılması olarak tanımlanabilir.

v     Ürün kalitesi hijyen ile birlikte gelen bir ölçüttür.

v     Tarım işletmelerinde robotik uygulamalar genellikle bir robot ile sınırlı olmamalıdır. Örneğin sadece hasadın robot ile yapılması, dikim robot ile yapılmamış ise daha güç olmaktadır. Benzer şekilde meyve ağaçlarının robotik uygulamalar düşünülerek uygun aralıklarla ve daha yakın boyutlarda gelişmesinin sağlanması gerekir.

 

Otomotiv Sektöründe Mekatronik Teknolojisi ve Uygulamaları

     Otomotiv endüstrisi duyucu teknolojisini oldukça yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bilinen tüm araçlarda hız, motor devri, yağ basıncı vb. önemli parametrelerin ölçülmesi ve sürücüye görsel olarak sunulması en temel duyucu uygulamaları arasındadır. Göreceli olarak basit olan bu uygulamaların temel amacı sürücüyü bilgilenmektedir. Sürücü aldığı bilgilere göre kişisel kararını vererek hızlanmak için gaz pedalına basmakta veya fren yaparak yavaşlamakta veya başka bir eylemde bulunmaktadır. Çağdaş taşıtlarda ise, sürücüye sadece bilgi veren temel duyucu uygulamaların yerini; gerektiğinde, insan denetimini aşarak, kendi başına karar verebilen, eylem yapabilen ve mekatronik niteliklere sahip sistemler almaya başlamıştır. Günümüzde ticari olarak piyasada bulunan araç modellerinde mekatronik teknoloji uygulamaları çeşitlenmekte ve bunun sonucu olarak daha konforlu, daha güvenli ve daha iyi performans veren araçlar tasarlanmakta ve üretilmektedir.

        Otomotiv endüstrisindeki mekatronik teknoloji özellikleri taşıyan uygulamaları başlıca dört grupta toplanabilir:

v     Aracın temel görevlerini ( performans, konfor, güvenlik vb. ) daha iyi yapmasına yönelik uygulamalar,

v     Güvenlik uygulamaları,

v     Tasarıma yönelik olarak modelleme ve deney olanakları.

Bu kapsamda otomotiv endüstrisi mekatronik mühendisliğini en yaygın kullanılan sektörlerin başında gelmektedir.

Bu uygulamaların dışında en yaygın uygulama gündelik yaşam içinde kullandığımız tüm beyaz eşya, kahverengi eşya ve günlük yaşam konforumuzu artıran diğer cihazlar, makine ve sistemlerdir. Bu konularda mekatronik mühendisliği uygulamalarının yaygınlığını ölçmek ve belirlemek imkansızdır. Mekatronik teknoloji ve bu teknoloji ürünü makineler özel ve iş yaşamımızda giderek çoğalmakta, daha çok kullanılmaktadır. Kullanıcıların günlük yaşamda bu teknolojinin farkında olması beklenmemekte, belki de farkında olunmaması kullanıcı konforunu artırmaktadır. Ancak gelişen konfor düzeyimizi sağlayan birkaç temel öğeden birisinin mekatronik teknoloji uygulamaları olduğu bilinmektedir. Mekatronik mühendisliği gelişen teknolojik bilgi düzeyi ve teknolojik üretim olanaklarının gelişmesi ile üretilen yeni nesil ürünlerin sağladığı konforun insan yaşamına aktarılması ve kullanılması sonucu doğan bir mühendislik kavramları bütünü olarak da tanımlanabilir. Mekatronik ürünler esnek yapıları ve insan konforunu yükselten özellikleri ile giderek yaygınlaşmış ve günlük yaşamımızın vazgeçilmez unsurlarından olmuştur.