ODTÜ-BİLTİR Merkezi Bünyesinde Hasarsız Çarpışma Test Laboratuvarı

👤Osman Tokçalar, İşletme Sorumlusu - Tokçalar Makina
Türkiye’nin lokomotif sektörlerinden biri olan otomotiv sektörü için Avrupa Birliği ECE (Economic Commission for Europe) ve Kuzey Amerika FMVSS (Federal Motor Vehicle Safety Standard) regülasyonlarına uyumluluk testleri büyük ölçüde yurtdışında gerçekleştirilebilmektedir. TÜBİTAK tarafından hazırlanmış 2023 vizyonu1 dokümanında bu konu, otomotiv yan sanayinin önündeki önemli tehlikelerden biri olarak vurgulanmıştır. Sanayi Bakanlığı tarafından yürürlüğe konulan eylem planı2 kapsamında, ODTÜ-BİLTİR Merkezi bünyesinde “Hasarsız Çarpışma Test Laboratuvarı” kurulmuştur. Laboratuvarda yer alan test sistemlerinden ‘ankraj ve emniyet kemeri statik test cihazı’nın tüm mühendislik, üretim ve yazılım çalışmaları, Tokçalar Makina tarafından tamamlanmıştır. Test cihazının amacı çarpışma benzetimine yönelik araç koltuklarını, servo/oransal karakteristikli valflerle tahrik edilmiş hidrolik pistonlar vasıtasıyla, normların ve firmaların belirlediği zaman/kuvvet eğrilerine göre çekmek ve koltuğun bir çarpışma sırasında dayanımını doğrulamaktır. Sistemde hedef kuvvet eğrilerine uyum, yük hücreleri geribildirimi yardımıyla sağlanmaktadır. 5 koltuğa bel (30kN) ve baş (16kN) bölgesinden aynı anda kuvvet uygulayabilen, 4m kule yüksekliği ile yüksek araç içerisinde çekme testlerini gerçekleştirebilen yapısı, Türkiye’de ilk olma özelliğini beraberinde getirmektedir. Test cihazının tasarımında ECE (ECE R-14, 76/115/EC) ve FMVSS (FMVSS 207, 210 ve 225) normları dikkate alınmıştır. Tasarım aşamasında, sonlu elemanlar analizi ile mekanik sistemin uygulanacak maksimum kuvvetlere dayanımı analiz edilmiş, gerekli tasarım değişiklilikleri ile tasarım son halini almıştır. Uzun kule yapısının test cihazının taşınması sırasında yol boyunca köprü yükseklikleri için sorun oluşturmaması için, konstrüktif yapının yeniden yapılandırılabilir tasarımı göz önünde bulundurulmuştur. Hidrolik sistemin tasarımı için, Bernoulli modeli3 kullanılmıştır. Valf, silindir, yağ ve pompa gibi hidrolik malzemelerin katalog verilerinden uyarlanan model için benzetim çalıştırılmış ve hidrolik silindir yapısı ve valf karakteristiğinin seçimi ile ilgili önemli tasarım girdilerine ulaşılmıştır. Hidrolik şemanın tasarımında, modüler yapıda çalıştırabilme ve tüm pistonların eş zamanlı testi sırasında sistem davranışları dikkate alınan parametreler arasındadır. Hidrolik sistemde toplam kurulu güç 50kW’dır. Özel test cihazlarında CE deklarasyonu gerekmemesine karşın, hidrolik sistem operatör iş güvenliğini ve ilgili iş güvenliği normlarını sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Pompa motorlarının sürülmesinde yumuşak yol vericiler kullanılmıştır. Hassas kuvvet kontrolünde yağın akışkanlığı büyük rol oynamaktadır. Bunun için sistemde sıcaklık denetleyici, ısıtma amaçlı direnç ve soğutma amaçlı fan kullanılmıştır. Test cihazının elektrifikasyonunda, güç panosunda Schneider şalt ürünleri, kontrol ekipmanı ve yazılımı olarak LabView ve National Instrument firmasının compact RIO (NI cRIO) ürünü seçilmiştir. Endüstriyel bilgisayar üzerinde koşan LabView editöründe geliştirilmiş insan makine arayüzü (human machine interface) yazılımı • Manuel ve test operasyonlarında operatör komutlarının kontrol ekipmanına iletilmesi, • Test verilerinin görüntülenmesi ve grafiksel analizi, • Grafiksel sonuçların bmp dosya formatında otomatik olarak endüstriyel bilgisayarda kaydedilmesi işlevlerini görürken bilgisayar arayüzü ile ethernet üzerinden haberleşen NI cRIO işlemcisi, • Hidrolik pistonlarda hassas kuvvet kontrolü, • Yük hücreleri verilerinin kanal başına 50.000 veri/sn hızında okunması, • Koltuk üzerinde gerçekleşen deformasyonu ölçen enkoder ve yük hücreleri verilerinin anlık cRIO belleğinde xls dosyası olarak kaydedilmesi, işlemlerini gerçekleştirmektedir. Uzaktan bakım erişimi için, ağ yapısının veri iletişimine etkisi ve ağ güvenliği dikkate alındığında, ethernet portları arası endüstriyel ethernet switch kullanımı yerine endüstriyel bilgisayara bağlı USB“Ethernet dönüştürücü ve ayrı ağ geçidi vb parametrelere sahip yalnız tele-servis amaçlı ikinci bir yerel ağ yaratılması tercih edilmiştir. Hidrolik sistemde kurulu güçten yük hücresi ve enkoder sinyallerinin etkilenmemesi için güç ve kontrol panoları ayrılmış, topraklama ve filtreleme için gerekli özen gösterilmiştir. Yazılım tabanlı filtrelemede test doğruluğuna zarar verecek gecikmelerin yaşanmaması için, NI cRIO işlemcisinin içerisinde gömülü FPGA’de (Field Programmable Gate Array - Alanda Programlanabilir Kapı Dizileri), 50 yük hücresi verisi 1ms içerisinde filtrelenmiştir. FPGA işlemleri, kontrol ekipmanı işlemci tarama süresini (scan time) etkilememektedir. Maliyet optimizasyonu amaçlı olarak sıcaklık kontrolü ayrı bir sıcaklık denetleyici işlemcisinde, filtreleme ve enkoder hızlı sayıcı işlemleri NI cRIO FPGA’de, kuvvet konrolü cRIO işlemcisinde ve kule hareketleri konvansiyonel elektrik devrelerinde kontrol edilmektedir. Labview yazılımının bulut (cluster) ve dizi (array) veri yapısı, kolay ve kısa kodlama olanağını beraberinde getirmiştir. Endüstriyel bilgisayarda testler sırasında tarih ve saat tabanlı klasör yapısı oluşturulmakta ve hedef kuvvet/zaman eğrileri, yük hücreleri, enkoder ve valf kalibrasyon değerleri, gerçekleşen kuvvet/esneme verileri excel tabanlı dosyalarda kayıt altına alınmaktadır. NI cRIO ve endüstriyel bilgisayar arasındaki bu alanlardaki veri alışverişi FTP üzerinden bu excel dosyaları vasıtasıyla gerçekleştirilmektedir. LabView editörünün zengin işlev (fonksiyon) kütüphanesi bulunmakla birlikte, test cihazına özgü otuza yakın işlev ve ekran argümanı özelleştirilmiş ve alt program halinde düzenlenmiştir. Arayüz yazılımında, test eğrilerinin girilebileceği veri girişi sayfasında simülasyon özelliği yanlış veri girişini engellemektedir. Test kuvvetleri N ve kg birimlerinde giriş yapılabilmektedir. Durum sayfasında hidrolik pistonlarda manuel işlemler yapılabilmekte ve sistemde oluşan uyarı durumları görüntülenmektedir. Yönetici kullanıcı şifresiyle giriş yapılabilen ayarlar sayfasında, başlangıç valf karakteristiği ve yük hücresi / enkoder kalibrasyon değerleri atanabilmektedir. Ana test sayfasında komut işlemleri dışında, anlık test verileri ve grafiği izlenebilmektedir. Test işlemi bitiminde test verilerinin NI cRIO’dan xls dosyası formatında endüstriyel bilgisayar ortamına alınmasıyla gerçek verilerle veri analiz ve grafik işlemleri yapılabilmektedir. Hidrolik sistem ve test altındaki koltuğa uygulanacak kuvvetin uygulama rampalamasında S eğrisi4 uygulanmıştır. Titreşim / jerk5 değerlerinde ve hedef kuvvet eğrisine uyumda önemli ölçüde iyileşme sağlanmıştır. Test çekme işleminde hedef kuvvet eğrisine uyumda temel PID denetimi uygulanmıştır. Normda belirtilen değerlerin üzerinde aşım (overshoot) yapmayacak PID parametrelerinin farklı marka ve model koltukların sistem dinamiğine, emniyet kemeri ve koltuğun bağlanma şekline, yağın vizkozite ve sıcaklığına göre değişkenlik gösterdiği belirlenmiştir. • Ziegler Nichols6 yöntemi ile adaptif PID optimizasyonu, • Kazanç çizelgeleme7 (gain scheduling), • Dahili model denetimi8 (internal model control) • Mamdani model tabanlı bulanık mantık9 (fuzzy logic), • ARMAX modeli ile sistem tanımlama10 (system identification), • Kalman filtre destekli model kestirimci denetim11 (model predictive control), • Kayan mod12 (sliding mode) denetimi, gibi yöntemler de denenmiş ve sonuçları karşılaştırılmıştır. PID parametrelerinin öz uyarlamasını (PID self-regulation) elde edebilmek için PID, bulanık mantık ve çizelgelemenin birlikte kullanıldığı hibrit bir denetim algoritmasının entegrasyonu yapılmıştır. Bu şekilde sistemde servo valf kullanımına gerek kalmadan, oransal valflerde normda belirtilen kriterlere uygun kuvvet eğrisi izleme (torque tracking) elde edilmiştir. Tokçalar Makina, proje için mekanik, hidrolik, elektrik ve yazılım tasarımını bütünsel mekatronik bakış açısıyla ele almış ve ankraj ve emniyet kemeri statik test cihazını en optimum maliyet ve kalitede hizmete sunmuştur.