Gaz kaçak test otomasyonu için ABB IRB 140 robot için görüntü tabanlı pozisyonlama

Son on yıl içerisinde fabrikalarda teknolojik anlamda ilerlemeler kaydedilmiştir. Üretim hatlarında tehlikeli, tekrarlayan ve zor görevler insanlar yerine otomatik makineler tarafından gerçekleştirilmektedir. Endüstriyel robotlar üretim hatlarında ciddi esneklik ve uyarnabilirlik sağlamaktadır. Robotların çalışma koşulları, verimliliğin ve kalitesinin artması ile beraber insan iş gücünden bağımsız üretimler gerçekleşecektir. Geleceğin fabrikası konseptine uygun birbirine entegre fabrikalar oluşacaktır. Fabrikalarda çeşitli görevlerde robotlar kullanılacaktır ve günümüzde robotlar için birçok araştırma ve geliştirme, performans iyileştirme ve kompleks kontrol algoritmalarının geliştirilmesi devam etmektedir. Endüstriyel robotların üretim hatlarında kullanılmasına 1961 yılında General Motor'da kullanılması ile başlamaktadır. Endüstriyel robotların ilk patenti ise 1965 yılında George Devol tarafından alınmıştır. Başlangıçta robotlar otomotiv sektörde spot kaynak işlemlerinde kullanılmışlardır. Bilgisayar ile kontrol edilen robotlar 1973'de mikrobilgisayar tabanlı kontrol ile IRB-6 endüstriyel robotlar olarak yapılmıştır. Günümüzde endüstriyel robotların sayıları başta otomotiv sektörü olmak üzere giderek artmaktadır. 2017 yıl sonunda toplam 2 milyona yakın endüstriyel robot üretim hatlarında kullanılmaktadır. Robotların kullanılması ile sağlanan faydalardan biri hareketlerin tekrarlanabilirliği, doğru ve güvenilebilir olarak gerçekleşmesidir. Ancak robotların kendi başına çalışması durumunda değişiklik gösteren durumlarda başarılı çalışmadığı görülmüştür. Değişen koşullara göre manuel öğretme çok zaman alan prosedür ve etkileyen süreçlerin tamamen önlenmesi gerektiği için çözüm olmayacaktır. Bu nedenle otomasyon süreçlerinde robotların çevrelerinden haber edilmesi en önemli konulardan biridir, bu uygulamalardan örnek olarak görüntü tabanlı pozisyonlanmalı robotlar örnek verilebilir. Bilgisayar tabanlı görüntü uygulamaları görüntü işlemek, analiz etmek ve anlamak için yöntemler içeren uygulamalardır. Gerçek dünyadan gelen yüksek boyutlu verilerin genellikle karar formları ile sayısal ve sembolik bilgi üretmek için kullanılır. Bu uygulamaların kullanımının artmasının nedeni bir görüntünün bilgisayar vizyonu ile algılanma becerisidir. Bilgisayar görüntü tabanlı uygulamalar endüstri, tıp ve robot teknolohisinde kullanılmaktadır. Görüntü tabanlı robot pozisyonlama 1970'lerin başlarında kullanılmaya başlanmıştır. Pozisyonlama ve derinlik ayarlanması, özellik seçimi ve işleme, kamera modelleri ve kalibrasyon gibi görüntü işleme alanında teorik ve teknik yönlenerden birçok çalışma sistemi ve yaklaşım önerilmiştir. Görüntü tabanlı robotik uygulamalarda ilerlemeler olmasına rağmen az sayıda endüstriyel uygulama yapılmıştır. Çalışmaların çoğu araştırma amaçlı olmuştur ve labarotuar ortamlarında denenmiştir. Görüntü tabanlı robotik endüstriyel uygulamalardan örnek olarak konveyöre ürün koyma, parça çiftlemesi ve otomatik testler verilebilir. Bu tez çalışmasında ilk olarak, robotlu otomatik test sistemi için kullanılan 6 eksenli ABB IRB 140 robot sunulmuştur. Robotun 6 ekseninden 3 tanesi translasyon hareket, 3 tanesi ise rotasyon hareketi sağlamaktadır. ABB IRB 140 robot 5 ana bölümden oluşmaktadır. Birincisi robotun programlandığı ve sürücelerin bulunduğu robotun kontrolcüsüdür. İkincisi robot hareketlerinin yapıldığı robot kollarıdır. Robotun hareket kabileyetini, erişebilirliğini ve taşıyacağı maksimum kapasiteyi robot kollarının boyutu ve şekili belirler. Üçüncüsü robot hareketlerinin hızını ve ivmesini belirleyen sürücülerdir. Dördüncü ise robotun ucuna eklenen ve göreve değişiklik gösteren gripperdır. Bu çalışmada gaz kaçak dedektörü kullanılmıştır. Son olarak robotun hızını ve ivmesini ölçen sensörlerdir. Robotların hareketleri ve hedef pozisyonları koordinat sistemlerinde tanımlanmaktadır. Robotlar pek çok koordinat alınanda çalışmasına olanak sağlar. Bunlar base, dünya, çalışma objesi ve araç koordinat sistemleridir. Robotların hedef konumu robot ucuna eklenen aracın son pozisyonuna göre belirlenmektedir ve bu noktaya araç merkez noktası denmektedir. ABB IRB 140 robotta koordinat sistemi olarak dünya koordinat sistemi kullanılmıştır. ABB IRB 140 robotunun kinamatik ve dinamik modelleri verilmiştir. Robotun kinematik modelinde matematiksel Denavit Hartenberg algoritmasının sadeleştirilmiş hali mevcuttur. Bu modelde giriş eklem açılarına bağlı olarak robot araç merkez noktasının koordinat sisteminde ulaşacağı pozisyonu hesaplamaktadır. Dinamik modelde ise eklemlerin birbiri ile etkileşimini ifade eden bağlantılı eklemlerin etkileşimi verilmektedir. ABB IRB 140 robot RAPID programlama dili kullanılarak programlanmıştır. Robota TCP-IP bağlantı protokolü ile bağlanılarak robot bilgisayar üzerinde RoboStudio programında programlanmış ve program robota yüklenmiştir. ABB IRB 140 robot bu projede bir otomasyon sisteminde PLC ve PC modülü kontrol edilen kamera ile birlikte çalışmıştır. Bu nedenle robotun PLC ile implementasyonu yapılmıştır. Robot bütün sinyalleri ve bilgileri PLC'den Profinet haberleşme protokolü ile almaktadır. Robota kameradan pozisyon bilgileri, PLC'den ise robotun teste başlama sinyali gelmektedir. Robottan ise PLC'ye testin tamamlandı sinyali gelmektedir. Tez çalışmasının ikinci aşamasında ise görüntü işleme algoritmları anlatılmış ve koordinat transformasyonu ve kamera kalibrasyonu yapılmıştır. Bu çalışmada dijital görüntü işleme algoritma yöntemleri kullanılmıştır. Bu yöntemler ise eşik, morfolojik işlemler ve renk düzlemi çıkarma yöntemleridir. Eşik yönteminde gri tonlamalı görüntüden kaynak görüntüdeki her pikselin iki veya daha fazla sınıfını renkli görüntülerde atama işlemi olan segrementasyon yapılır. Bu yöntem görüntü işlemede amaçlanan görüntünün sınırlayarak en az bir renk veya gri skala değeri kullanarak bölmektir. Morfolojik işlemler lineer olmayan komşuluk işlemlerinde etkili bir görüntü işleme yöntemidir. Morfolojik işlemlerde genişletme, aşındırma, açma ve kapama işlemleri kullanılmaktadır. Genişletme işleminde objelerin boyutu büyütülmektedir, aşındırma işleminde ise objelerin boyutu daraltılmaktadır. Açma işleminde birbirine yakın nesneler değişim uygulanmadan ayrılır, kapa işleminde ise birbirine yakın nesneler bağlanmaktadır. Renk düzlemi çıkarma yöntemi ile görüntükdeki renk bilgisi elde edilmektedir. Görüntü işleme yönteminde elde edilen pozisyonlar resim koordinat sisteminde yer almaktadır. Ancak ABB IRB 140 programında pozisyonlar dünya koordinat sisteminde tanımlanmaktadır. Bu nedenle lineer denklemler ile koordinat dönüşümü yapılmıştır. Sonrasında koordinat dönüşümü için kamera kalibrasyonu grid parçalı düzlemde yapılmıştır ve parametreler bulunmuştur. Bu parametreler algoritmada derinlik değişimine bağlı olarak güncellenmiştir. Tez çalışmasının sonraki aşamasında robotlu otomasyon uygulanmasının yapıldığı gaz kaçak testi sunulmuştur. Isı pompalı kurutma makinasında tambur içerisindeki hava sıcaklığı yükseltmek ve ortam havasında hava çıkarmak ısı pompası buharlaştırıcınsa sahip hava akışına sahiptir. Isı pompalı kurutma makinası şasisi kompresör, kondanser, evaoperatör ve bunları birbirine bağlayan bakır borulardan oluşmaktadır. Bakır boru üzerinde komponentlerin birbirine bağlandığı noktalarda kaynak noktaları bulunmaktadır. Bu çalışmada bu kaynak noktaları ABB IRB 140 robot ile sızdırmazlık testi yapılacaktır. İki tip test sunulmuştur, bu testler yükse basınç testi ve denge testidir. İlk olarak yüksek basınç testi yapılacaktır. Bu teste kompresörden çıkan kondansere giden bakır boru üstünde bulunan 4 kaynak noktası test edilmektedir. Test kompresörün durmasının ardında borudaki gazın 15-20 bar arasındayken yapılır. İkinci olarak denge testi yapılır. Bu teste kompresörden çıkan evaoperatöre çıkan borudaki 3 kaynak noktasının testi yapılmaktadır. Test kompresörün durmasından 10 saniye sonra ve yüksek basınç testinden sonra borudaki gaz basıncının 9 bar seviyesine çıkması ile yapılmaktadır. Kaynak noktaların pozisyonlarında çeşitli sebeplerden dolayı değişiklik bulunmaktadır. Gaz sızdırmazlık testlerinin robotlu otomasyon ile yapılmasından doğruluğu esnekliği sağlamak için bu tezde görüntü tabanlı pozisyonlamalı ABB IRB 140 robot sistemi sunulmuştur. Görüntü tabanlı pozisyonlamalı yönteminin amacı robotun görüntü işleme algoritmasından konum bilgilerinin elde edilmesidir. Bu çalışmada tek kamera kullanılmıştır ve kamera sabit bir pozisyonda sabitlenmiştir. Ayrıca bu tezde kaynak noktalarının bulunduğu alan noktaların derinliklerine göre 3'e ayrılmıştır ve her bir bölge için görüntü işleme algoritmaları oluşturulmuştur. Algoritmalar NI Vision Assistant uygulaması ile yapılmıştır ve Labview programında sırasıyla çalıştırılmıştır. Üç görüntü işleme algoritmasında, ilk olarak, kısıtlayıcı dikdörtgeni sınırlamak için orijinal görüntüde maske işlemleri kullanılır. Eşik operatörü, görüntüdeki bakır borunun görünür hale getirilmesi için kullanılır. Eşik operatörü parametreleri 72,82 ve 93 olarak seçilmiştir. Eşik yönteminden sonra, morfolojik operatörler, bakır boruya yakın eşik değerine sahip görüntüleri elemek ve kaynak yapan boruları korumak için aynı algoritmada birden fazla kez uygulanmıştır. Bakır boru elde edildikten sonra, arama tablosunda görüntüde alanın dinamik yoğunluğunu değiştirmek için elde edilen görüntüye uygulandı. Arama tablosunun uygulanmasından sonra görüntüyü renk düzlemi çıkarıldıktan sonra algoritmalarda elde edilen görüntü ile orijinal görüntü üst üste bindirilmektedir. Son olarak, maksimum kenet operatörü ile alan içerisindeki kaynak noktalarını belirlemek için üç görüntü işleme algoritmasında da uygulanmıştır. Son olarak, görüntü tabanlı pozisyonlanmalı ABB IRB 140 robot ile yapılan gaz sızdırmazlık testinin başarımlarını göstermek amacıyla, gerçek zamanlı deney çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Gerçek zamanlı deneyler 500 adet üründen kaynak noktalarının pozisyon verileri toplanarak ve pozisyon verilerinin grafiksel ve istatiksel olarak incelenmiştir. Deney sonuçları göstermiştir ki görüntü tabanlı pozisyonlanmalı ABB IRB 140 robot uygulaması pozisyon sapmalarını yakalaması ve testin gerçekleşmesi bakımından başarılı olmuştur. Deney çalışmalarında ilk olarak görüntü işleme alanlarındaki derinlik değerine göre parametre güncellemesi yapılmıştır. İkinci olarak yüksek basınç testinde bulunan kaynak noktalarındaki sapmalar incelenmiştir. Bu testte özellikle 6. ve 7. kaynak noktalarında sapma miktarı X ekseninde fazla olduğu görülmüştür. Bu nedenin olarak kondenselerde farklı tiplerde kondenserlerin kullanılmasıdır. 1. ve 2. kaynak noktlarında ise X ekseninde sapma miktarı daha az olduğu gözlemlenmiştir. Bu kaynak noktalarında ürün içerisinde palet üzerinde şasi hareketleri ve paletlerdeki boyut farklıklıkları olduğu belirtelebilir. Yüksek basınç testinde X ekseninde minimum -187.8 mm ve maksimum 165.5 mm sapma olmaktadır. Bu sebeple X ekseninde görüntü tabanlı poziyonlamalı ABB IRB 140 robot çalışmasının başarılı olduğu gözlemlenmiştir. Yüksek basınç testinde Y ekseninde ise 4 kaynak noktasında da sapmaların sebebi olarak şasi içinde kompresör ve kondanserin hareketliği ve palet boyut farklılıkları belirtilmiştir. Kaynak noktalarında Y ekseninde minimum -76.49 mm ve maksimum 92.43 mm sapma gözlenmiştir. Üçüncü olarak denge testindeki kaynak noktalarının pozisyon sapma değerleri incelenmiştir. Bu testte 5. kaynak noktasında sapma miktarı X ekseninde fazla olduğu görülmüştür. Bu nedenin olarak evaoperatörde farklı tiplerde evaoperatörün kullanılmasıdır. 3. ve 4. kaynak noktlarında ise X ekseninde sapma miktarı daha az olduğu gözlemlenmiştir. Bu kaynak noktalarında ürün içerisinde palet üzerinde şasi hareketleri ve paletlerdeki boyut farklıklıkları olduğu belirtelebilir. Denge testinde X ekseninde minimum -122.8 mm ve maksimum 93.26 mm sapma olmaktadır. Bu sebeple X ekseninde görüntü tabanlı poziyonlamalı ABB IRB 140 robot çalışmasının başarılı olduğu gözlemlenmiştir. Yüksek basınç testinde Y ekseninde ise 3 kaynak noktasında da sapmaların sebebi olarak şasi içinde kompresör ve kondanserin hareketliği ve palet boyut farklılıkları belirtilmiştir. Kaynak noktalarında Y ekseninde minimum -76.76 mm ve maksimum 77.03 mm sapma gözlenmiştir. Bu çalışmada özetle, gaz kaçak testi için görüntü tabanlı pozisyonlanmalı ABB IRB 140 robot uygulaması gerçekleşmiştir. Bu çalışma içerisinde 6 eksenli ABB IRB 140 robot kullanılmış, bakır boru üzerindeki kaynak noktalarının bulunması için görüntü işleme algoritması oluşturulmuş, kamera ile robot arasında koordinat dönüşümü yapılmış ve uygulanmanın başarısının gösterilmesi için gerçek zamanlı uygulamalarda pozisyon sapmaları incelenmiştir.