Devrilmeyen Bir Küp: Kendi Kendini Dengeleyen Jiroskopik Küpün Üretimi

Merhaba, ben Timon Moser. Avusturya’daki HTL Hollabrunn Makine Tasarımı ve Konstrüksiyon Bölümü’nden Alexander Moldaschl ve Florian Fafilek ile birlikte, diploma tezimiz kapsamında kendi kendini dengeleyen jiroskopik bir küp geliştirdik.

Fikir: Öylece Devrilmeyen Bir Küp

Proje tipik bir günlük hayat problemiyle değil, teknik bir zorlukla başladı: Bir küp, dahili reaksiyon tekerlekleri kullanılarak dengelenebilir mi? Bu fikir zamanla tam işlevsel bir Cubli’ye dönüştü: makine tasarımı, elektronik ve kontrol mühendisliğini bir araya getiren kompakt bir sistem.

Cubli, dönen volanlar kullanarak bir kenar veya köşe üzerinde dengede durabilen jiroskopik bir küptür. Bir sensör küpün konumunu algılar, bir mikrodenetleyici bu verileri işler ve motorları kontrol eder. Volanların dönüş hızı değiştirilerek, küpün dengesini yeniden kurmaya yardımcı olan reaksiyon torkları üretilir.

Projenin mekanik, elektronik, yazılım ve kontrol mühendisliği gibi çeşitli disiplinleri bir araya getirmesi, ekip için onu özellikle heyecan verici kılıyordu. Sadece teorik kalmayan, aynı zamanda gerçekten üretilip çalıştırılabilecek bir proje üzerinde çalışmak benim için çok çekiciydi.

2D Test Düzeneğinden 3D Cubli’ye

Ekibimiz, 3D küpün tamamını üretmeden önce iki boyutlu (2D) bir test düzeneği geliştirdi. Bu adım, karmaşıklığı tek bir eğilme eksenine indirgeyerek temel prensibin kontrol edilmesini kolaylaştırdı: tek bir gövde, tek bir motor, tek bir reaksiyon tekerleği ve tanımlanmış tek bir dönüş ekseni.

Bu ara adım çok kritikti. 2D düzenek, tek bir reaksiyon tekerleğinin davranışını anlamamıza, kütle dağılımını gözlemlememize ve olası tasarım sorunlarını erken bir aşamada tespit etmemize yardımcı oldu. Sistem prensibi ancak bundan sonra üç uzamsal eksene aktarıldı.

Nihai 3D Cubli, küpü oluşturan altı adet dikdörtgen gövde parçasından oluşur. İç kısmında birbirine dik olarak yerleştirilmiş üç reaksiyon tekerleği, motorlar, motor bağlantı braketleri, tork aktarım bileşenleri ve PCB dahil olmak üzere elektronik donanım bulunur. Her bir eksen, diğer tekerleklere veya bileşenlere çarpmadan bağımsız olarak hareket edebilmelidir.

Nihai 2D test düzeneği

2D test düzeneği parçaları

2D test düzeneği parçaları

2D test düzeneği parçaları

2D test düzeneği parçaları

2D test düzeneği parçaları

Tasarım: Ağırlık Merkezi İşlevselliği Belirlediğinde

Böyle bir projede başarı sadece tüm parçaların birbirine uyup uymadığına bağlı değildir. Kütlenin nerede bulunduğu da en az o kadar önemlidir.

Cubli, denge sağlarken kararsız bir denge konumundadır. Ağırlık merkezindeki küçük sapmalar bile ek devrilme momentleri yaratarak kontrolü zorlaştırabilir. Bu nedenle ağır bileşenlerin merkeze mümkün olduğunca yakın konumlandırılması gerekiyordu. Aynı zamanda küpün içinde motorlar, reaksiyon tekerlekleri, rulmanlar, tork aktarım bileşenleri ve elektronik donanım için yeterli alan bulunmalıydı.

Projenin daha çok mekanik kısmından ben sorumluydum. Alexander yazılım ve PCB tasarımıyla ilgilenirken, Florian elektronik, hesaplamalar, kablolama ve montaj işlemlerini üstlendi. Sorumlulukların bu şekilde net bir biçimde dağıtılması çok önemliydi; çünkü mekanik, elektronik ve kontrol mühendisliği bu projede doğrudan etkileşim halindeydi.

En önemli mekanik bileşenler şunlardı:

Taşıyıcı yapı olarak gövde parçaları
Açısal momentum üretmek için reaksiyon tekerlekleri
Motor bağlantı braketleri
Tork aktarım bileşenleri
Rulmanlar ve bağlantı elemanları
3D baskı köşe elemanları
PCB ve elektronik bileşenler

Tork aktarım bileşeninin CAD modeli

Motor bağlantı braketinin CAD modeli

Gövde yapısının CAD modeli

Motor montajı için gövde yapısının CAD modeli

PCB montaj gövdesinin CAD modeli

Reaksiyon tekerleğinin CAD modeli

En büyük zorluk, tüm mekanik bileşenleri sistemin daha sonra gerçekten çalışacağı ve birbirine tam uyum sağlayacağı şekilde koordine etmekti.

Sağlam Bir Temel Olarak Lazer Kesim Gövde Parçaları

Gövde parçaları için lazer kesim yöntemini seçtik. Küpün temel yapısını oluşturan bu bileşenlerin hafif, sağlam ve hassas bir şekilde üretilmiş olması gerekiyordu. Düşük ağırlık ve yeterli sağlamlık dengesini iyi sunduğu için alüminyum en mantıklı seçimdi.

Lazer kesim gövde parçaları Xometry’nin desteğiyle üretildi. Ekibimiz için sadece üretimin kendisi değil, sürecin hızlı ve sorunsuz ilerlemesi de önemliydi. Bir diploma tezinde zaman oldukça kısıtlıdır. Bu nedenle fiyat tekliflerinin, kararların ve üretim adımlarının hızlı bir şekilde birbirini izlemesi gerekir.

Bu, ekibimiz için hem pratik bir yardımdı hem de şirketlerin teknik öğrenci projelerini ciddiye aldığının bir kanıtıydı. Sınırlı bir bütçeye ve sıkı bir takvime sahip olan projelerde güvenilir bir üretim ortağı belirleyici bir fark yaratabilir. Gövde parçalarının, temiz bir yüzey kalitesinin ötesinde, hassas bir mekanik montaj imkanı da sunması gerekiyordu.

Lazer kesim alüminyum parçalar ve reaksiyon tekerleği

kullanılarak jiroskopik küpün montaj adımları

kullanılarak jiroskopik küpün montaj adımları

kullanılarak jiroskopik küpün montaj adımları

Zorluklar: Büyük Sonuçlar Doğuran Küçük Üretim Detayları

Birçok teknik projede olduğu gibi, jiroskopik küp de en önemli derslerin genellikle CAD modelinde değil, gerçek montaj sırasında ortaya çıktığını gösterdi.

Paslanmaz çelik bileşenlere diş açma işlemi özellikle zorlayıcıydı. Kılavuzlar kırılarak motor bağlantı braketi ve tork aktarım parçalarının içinde sıkıştı. Sonuç olarak, bazı dişler başlangıçta tamamlanamadı. Bu sorun sadece can sıkıcı olmakla kalmadı, aynı zamanda sonraki mekanik montaj adımlarını da engelledi.

Dışarıdan çözümler aradık ve Üretilebilirlik için Tasarım (DFM) kavramının gerçekte ne kadar önemli olduğunu öğrendik. Bazı delikler daha erken aşamada ayarlanabilirdi; belirli diş derinliklerinin manuel talaşlı imalat için elverişsiz olduğu anlaşıldı ve küçük detayların beklediğimizden daha büyük bir etkisi oldu.

Bu, projenin en önemli derslerinden biri oldu: küçük tasarım kararları bile üretim, montaj ve işlevsellik üzerinde sonradan büyük sonuçlar doğurabilmektedir.

Entegre motorlar ve reaksiyon tekerleklerine sahip Cubli’nin montaj aşaması

Projenin Geleceği

Sonuç olarak elde edilen şey sadece teknik bir tanıtım aracı değil, teoriyi pratiğe sıkı sıkıya bağlayan bir projedir. Ekip, işlevsel bir 2D test düzeneği oluşturdu, 3D Cubli’nin nihai mekanik ve elektriksel montajını tamamladı ve tasarım, üretim, elektronik ve proje çalışması konularında değerli deneyimler kazandı.

Bir fikrin yavaş yavaş fiziksel bir sisteme dönüştüğünü görmek benim için özellikle motive ediciydi. Beni en çok heyecanlandıran şey, günün sonunda sadece teorik bir konsepte değil, gerçekten çalışan bir sisteme sahip olmaktır.

Entegre elektronik donanım ve stabilizasyon sistemi ile tamamen monte edilmiş Cubli

Sonraki adımlar, stabilizasyon sisteminin tam olarak uygulanması ve test edilmesidir. Olası bir gelecekteki geliştirme ise Cubli’nin kendi kendine ayağa kalkabilmesini sağlamak olacaktır.

Ancak en önemli çıkarım şimdiden belli: teknik projeler nadiren sapmalar olmadan ilerler. Ve onları değerli kılan da tam olarak budur. Planlama, hassasiyet ve temiz bir tasarım önemlidir; ancak sorunlara esnek bir şekilde tepki verebilme ve yola devam edebilme becerisi de bir o kadar önemlidir.