1

Uudet innovaatiot hitsausautomaatiossaUudet innovaatiot hitsausautomaatiossaUudet innovaatiot hitsausautomaatiossaUudet innovaatiot hitsausautomaatiossaUudet innovaatiot hitsausautomaatiossa

HitSavonia II hankkeen loppuraporttiHitSavonia II hankkeen loppuraporttiHitSavonia II hankkeen loppuraporttiHitSavonia II hankkeen loppuraporttiHitSavonia II hankkeen loppuraportti

Esa Jääskeläinen, Kari Solehmainen ja Aku Tuunainen

2

Savonia-ammattikorkeakouluJulkaisutoimintaPL 6 (Microkatu 1 B)70201 KUOPIOGSM 044 785 5023faksi 017 255 5014julkaisut@savonia.fiwww.savonia.fi/julkaisut

1. painos

Tämän teoksen kopioiminen on tekijänoikeuslain (404/61) ja tekijän-oikeusasetuksen (574/95) mukaisesti kielletty lukuun ottamatta Suomen valtionja Kopiosto ry:n tekemässä sopimuksessa tarkemmin määriteltyä osittaistakopiointia opetustarkoituksiin.

ISBN: 978-952-203-118-1 (nid.)ISBN: 978-952-203-129-7 (PDF)ISSN-L: 1795-0848ISSN: 1795-0848

Savonia-ammattikorkeakoulun julkaisusarja D4/15/2010

Kustantaja: Savonia-ammattikorkeakoulu, Tekniikka KuopioKansikuva: Kari SolehmainenTaitto: Tapio AaltoPainopaikka: Kopijyvä Kuopio 2010

3

Sisältö

Johdanto ....................................................................................................... 7

Robotisoidun hitsauksen ja kokoonpanon integrointi .............................. 9xxTaustaa ....................................................................................................................... 9xxRMS-järjestelmät .................................................................................................... 10xxHitsauskoonnin teko robotisoidusti .................................................................... 10xxLähteet ..................................................................................................................... 13

Robottisärmäys osana joustavaa tuotantosolua ....................................... 14xxJohdanto ................................................................................................................. 14xxJoustavuus valmistusautomaatiossa ..................................................................... 15xxJoustava hitsausautomaatio ................................................................................... 15xxRobottisärmäys ...................................................................................................... 16xxDemotuote HitSavonia-solussa ............................................................................ 21xxDemotuote .............................................................................................................. 21xxAihiomakasiinit ...................................................................................................... 21xxMagneettitarrain ..................................................................................................... 21xxSärmäyspuristin ja kappaleenkäsittelyrobotti Nachi ......................................... 23xxHitsauskiinnitin....................................................................................................... 23xxRobottien välinen kommunikointi ....................................................................... 24xxLoppupäätelmät ..................................................................................................... 25xxLähteet ..................................................................................................................... 26

Konenäköjärjestelmä joustavassa hitsaussolussa .................................... 27xxTaustaa .................................................................................................................... 27xxKonenäkö mittauksessa ja tarkastuksessa .......................................................... 28xxKonenäköavusteinen kappaleenkäsittely ............................................................ 29xxKonenäköjärjestelmät ........................................................................................... 30xxÄlykamerat .............................................................................................................. 31xxTietokonepohjaiset kamerat ................................................................................. 32xxKonenäköjärjestelmän suunnittelun lähtökohdat .............................................. 32xxSavonia-ammattikorkeakoulun hitsauslaboratorion konenäköjärjestelmä ..... 33xxKameroiden valinta ............................................................................................... 34xxOhjelmistojen valinta ............................................................................................. 35xxTiedonsiirtokorttien valinta .................................................................................. 35h Hitsauslaboratorion konenäköjärjestelmänxrakenne ........................................ 36xxToiminnan kuvaus ................................................................................................ 36xxKonenäköjärjestelmän käyttöönotto ................................................................... 39xxLoppupäätelmät ..................................................................................................... 42xxLähteet ..................................................................................................................... 44

22222

33333

44444

11111

4

Optinen railonseuranta robottihitsauksessa ............................................ 45xxTaustaa .................................................................................................................... 45xxToimintaperiaate .................................................................................................... 46xxHitSavonia laboratorion järjestelmä ..................................................................... 47xxLaitteiston ohjelmointi ja ohjaus .......................................................................... 49xxProsessin aikainen parametrisäätö - ADAP ....................................................... 50xxLaserkameran käytettävyys ................................................................................... 52xxCase: pyörähdyssymmetrinen V-railo .................................................... 54xxToteutus ................................................................................................................... 54xxLoppupäätelmät ..................................................................................................... 56xxCase: läpihitsattava T-liitos ................................................................... 56xxToteutus .................................................................................................................. 56xxLoppupäätelmät ..................................................................................................... 58xxCase: varaaja ........................................................................................... 58xxToteutus .................................................................................................................. 59xxPituushitsien testit ................................................................................................... 60xxRailonhaku .............................................................................................................. 62xxVaraajan hitsaus ...................................................................................................... 63xxLoppupäätelmät ..................................................................................................... 66xxLähteet .................................................................................................................... 66

Muita tutkimusaiheita .............................................................................. 67xxHitsauslisäaineiden hitsattavuus- ja tuottavuusvertailu ...................... 67xxKokeiden toteutus ................................................................................................. 68xxTulokset ................................................................................................................... 69xxLoppupäätelmät ..................................................................................................... 74xxHitsauksen automatisoinnin kannattavuuden arviointi ...................... 75xxHitsauksen kustannusten määrittely .................................................................... 76xxKustannusten laskenta .......................................................................................... 77xxLoppupäätelmät ..................................................................................................... 80xxLähteet ..................................................................................................................... 81xxPutkiosien hitsauksen robotisointi ....................................................... 82xxKokeiden toteutus ................................................................................................. 83xxRailonhaku ja -seuranta ......................................................................................... 85xxLoppupäätelmät ..................................................................................................... 86xxNollapistekiinnityksen soveltaminen hitsaukseen ............................... 87xxNollapistekiinnittimen suunnittelu ..................................................................... 88xxKiinnittimen rakenne ............................................................................................ 90xxSovelluskohteet ...................................................................................................... 91xxLoppupäätelmät ...................................................................................................... 92

66666

55555

5

CASE-esimerkkejä robottikoonnista ja hitsauksesta ............................... 94xxNivel ...................................................................................................... 94xxKokeiden toteutus ................................................................................................. 94xxHitsausparametrit .................................................................................................. 96xxKoekappaleiden mittaus ....................................................................................... 99xxHietarkastelu ......................................................................................................... 101xxLoppupäätelmät .................................................................................................... 102xxLähteet .................................................................................................................. 103xxVetolevy ............................................................................................... 104xxTutkimuksen toteutus ......................................................................................... 104xxHitsausparametrit ................................................................................................. 109xxTulokset ................................................................................................................. 109xxLoppupäätelmät ................................................................................................... 109xxLuisti .................................................................................................... 110xxTyön toteutus ....................................................................................................... 110xxHitsauskiinnitin .................................................................................................... 114xxHitsausarvot .......................................................................................................... 117xxOsien panostus soluun ........................................................................................ 118xxAsemointiteline .................................................................................................... 119xxRobottiohjelmien rakenne .................................................................................. 121xxKoekappaleen mittaukset ................................................................................... 122xxTulokset ................................................................................................................. 123xxVaatimukset laitteistolle ...................................................................................... 123xxLoppupäätelmät ................................................................................................... 125xxKoura ................................................................................................... 125xxHitsauskiinnitin .................................................................................................... 126xxRobotin työkalu ................................................................................................... 127xxTyön toteutus ........................................................................................................ 127xxHitsausarvot ......................................................................................................... 128xxOsien panostus soluun ........................................................................................ 128xxOngelmat offset-kameran kanssa ...................................................................... 129xxTulokset ................................................................................................................ 130xx

77777

6

7

1. Johdanto

Esa Jääskeläinen

Suomalaisten konepajojen vahvuus ja kilpailukyvyn tukijalka on joustava, nopeaja kustannustehokas pienerävalmistus. Osassa konepajoistamme tämä tuotantotapaon opittu ja sitä trimmataan jatkuvasti suorituskykyisemmäksi, mutta suurellajoukolla pk-yrityksistä ei ole riittäviä resursseja käytettävissään tähän työhön. Tähänliittyy koko tuotantoketjun saumaton toiminta niukoin resurssein sekä jatkuvankehittämisen periaatteet. Ammattikorkeakouluille on muodostunut selkeä roolitoimia osana yritysten verkostoja, tarjoten lisäresursseja tutkimus- kehitys- jainnovaatiotoimintaan sekä tukea teknologian kehitystä ja siirtoa alan yrityksiin.Savonia-ammattikorkeakoulun, konealan toiminnan yksi merkittävimmistäpainopisteistä on hitsausautomaatio, johon osa-alueeseen myös tässä raportissaesitetty tutkimustoiminta keskittyy.

Uutta tuotantoajattelua edustaa käsite hybridivalmistus tai hybridit valmistus-teknologiat. Tällä tarkoitetaan konventionaalisen valmistusmenetelmän tehok-kuuden parantamista liittämällä siihen tukitekniikka. Tämä tukitekniikka voi ollahitsauksen tapauksessa esim. robotisoidun hitsauksen, osavalmistuksen ja kokoon-panon yhdistämistä samaan soluun.

HitSavonia II –hankkeen tavoitteena oli tutkia, kokeilla ja kehittää hybridi-valmistustekniikan hyödyntämismahdollisuuksia robottihitsauksen lähtökohdista.Hankkeen keskeisiä tutkimusalueita olivat optisen railonseurantajärjestelmänsoveltaminen hitsausrailon seurannan ohella railotilavuuden mittaukseen ja sitäkautta hitsauksen aikaiseen hitsausparametrien säätöön, konenäköjärjestelmänsoveltaminen kappaleenkäsittelyyn sekä nollapistekiinnitykseen perustuvankiinnitintekniikan soveltaminen robotisoituun hitsaukseen. Näillä kaikillaaihealueilla pyrittiin löytämään apukeinoja robotiikan soveltamiseen joustavasti,nopeasti ja kustannustehokkaasti hitsaavassa pienerävalmistuksessa.

Hankkeen taustalla on 31.12.2007 päättynyt HitSavonia-hanke, jonka tavoitteenaoli parantaa Itä-Suomen alueen hitsaustekniikan koulutus-, tutkimus ja kehittä-mistoimintaa. HitSavonia-hankeen aikana on Savonia-ammattikorkeakoululle mm.rakennettu hitsaustekniikan tutkimus- ja kehittämistoiminnan vaatimatlaboratoriotilat. Merkittävin panostus laboratorion laitteistopuolella on tehtyrobotisoidun hitsauksen ja levytyön osalle.

Hankkeen toteutukseen vaikutti keskeisesti seuraavat organisaatiot: Tekes, Kuopionkaupunki, Lappeenrannan teknillinen yliopisto, Tampereen teknillinen yliopisto,

8

Brandente Oy, Gebwell Oy, Lapinlahden Levypalvelu Oy, Pivaset Oy, Ponsse Oyjja Ratesteel Oy. HitSavonia II kuului Tekesin SISU 2010 – Uusi tuotantoajattelu –teknologiaohjelmaan ja hankkeelle on myönnetty rahoitusta Euroopan aluekehi-tysrahastosta. Haluamme kiittää Tekesiä sekä muita rahoittajia ja yhteistyötahoja.Ilman Tekesin myöntämää tutkimusrahoitusta ja toimivaa yhteistyöverkostoa eitätä hanketta olisi pystytty toteuttamaan.

9

2. Robotisoidun hitsauksen ja kokoonpanon integrointi

Esa Jääskeläinen & Aku Tuunainen

Taustaa

Kun ajatellaan hitsausta, niin on yleisesti tiedostettu, että hitsausautomaation käytönlisääminen tulee olla työn tuottavuuden ja työvoimapulan kanssa kamppailevanalan yksi merkittävimmistä kehityksen painopistealueista nyt ja lähitulevaisuudessa.Robottihitsausta on tutkittu ja käytetty jo vuosikymmeniä, etenkin sarjatuotannossa.Samoin FMS-järjestelmät ovat yleisesti tunnettuja ja sovellettuja teknisiä ratkaisuja,niin hitsauksessa kuin muussakin tuotannollisessa toiminnassa.

Pelkän hitsaustyövaiheen robotisointi soveltuu parhaiten sarjatuotantoon jatoistuvaa piensarjatuotantoon, etenkin kun tuotteiden hitsausaika on suhteellisenpitkä. FMS-järjestelmät taas soveltuvat jopa yksittäistuotantoon. Tuotantojär-jestelmien toista ääripäätä edustavat suursarjatuotannon automaattiset tuotanto-linjat, joissa hitsausrobotti on yksi laite valmistusketjussa. Hitsausta sisältävientuotteiden valmistus on kuitenkin suomessa pääsääntöisesti piensarjatuotantoa,joten hitsausautomaation käyttömahdollisuuksien tutkimuksen tulee palvella tätäkohderyhmää.

Pelkän hitsaustyövaiheen robotisoinnin selkeitä etuja ovat pienet tai ainakinpienehköt investointikustannukset ja mahdollisuus myös hyvin massiivistentuotteiden hitsaukseen. Vastaavasti perinteisen FMS-järjestelmän merkittävin etuon tuotteiden puskurointimahdollisuus varastoon ja niiden hitsaus miehittä-mättömästi vapaasti valittavassa järjestyksessä. Lyhyen läpäisyajan pieniin tuote-sarjoihin ei kumpikaan vaihtoehto tuo välttämättä kustannustehokasta ratkaisua.

VTT:n tekemän hitsaavaan teollisuuteen kohdistetun kyselyn perusteellatulevaisuuden kolme tärkeintä kilpailukykytekijää ovat lyhyt toimitusaika, laatu jatuottavuus. Tähän näkökohtaan peilaten robotisoidun hitsauksen ja kokoonpanonintegroinnilla tavoitellaan FMS-järjestelmään nähden parempaa skaalautuvuuttaerikokoisille tuotteille sekä pienempiä investointikustannuksia. Vastaavasti pelkänhitsaustyövaiheen robotisointiin nähden, järjestelyllä pyritään pidentämäänmiehittämättömiä työjaksoja, nopeuttamaan tuotteen läpimenoaikaa ja vähentä-mään kiinnittimiin sitoutuvaa pääomaa.

10

RMS-järjestelmät

Yhtä tulevaisuuskuvaa edustaa RMS-järjestelmät (Reconfigurable Manufacturing System),jotka ovat vielä osin tutkimus- ja kokeiluasteella. Niiden avulla pyritään vastaamaaninvestointi- ja kulutustuotteiden alati lyhenevien elinkaarihaasteisiin. Voidaankinkysyä, miten tätä kehityksen suuntaa on mahdollista soveltaa robotisoituunhitsaustuotantoon. Professori Yoram Korenin mukaan ihanteellisen RMS-järjestel-män kuusi perusominaisuutta ovat: modulaarisuus, integroitavuus, mukautettujoustavuus, skaalautuvuus, vaihdettavuus ja diagnosoitavuus.

Robotiikkaan sovellettuna mainitut kuusi perusominaisuutta voisivat ilmetäseuraavasti. Modulaarisuus, järjestelmän komponenttien väliset rajapinnat on stan-dardoitu ja siten kokonaisuus on muunneltavissa tarpeen mukaan. Integroitavuus,moduulit ovat helposti ja nopeasti yhdistettävissä toisiinsa niin mekaanisesti kuinsähköisestikin. Valvonta, tiedonsiirto ja muu laitteiden välinen viestintä on toimivaaja siten laitteet muodostavat yhdessä toimivan järjestelmän. Mukautettu joustavuus,järjestelmä soveltuu joustavasti vain esim. jonkun tuoteperheen valmistukseen.Tällä on merkittävä vaikutus investointikustannuksiin. Skaalautuvuus, järjestelmänkapasiteettiä on mahdollista muuttaa olemassa olevien laitteiden uudelleenjär-jestelyllä tai monistamalla laitekantaa. Vaihdettavuus, tällä voidaan käsittää nopeaaja helppoa asetusten tekoa sekä ohjelmien määritystä tuotteen, laitteen tai muidenmuutosten yhteydessä. Tähän voi liittyä mm. etäohjelmointi ja erilaiset anturoin-titekniikat. Diagnosoitavuus, asiaa voidaan tarkastella sekä järjestelmän laadun-tuottokyvyn että häiriötilanteista toipumisen näkökohdista.

RMS-järjestelmän perusominaisuuksiin peilattaessa robotti itsessään on hyvinmukautuvainen eri tehtäviin ja antaa siten hyvän lähtökohdan asian tutkimiselle,jonka lisäksi robotisoidun hitsauksen ja kokoonpanon integrointi, josta voidaankäyttää myös nimitystä hybridituotanto, istuu RMS-järjestelmäfilosofiaan. KaikissaRMS-järjestelmälle määritellyistä perusominaisuuksissa on pohdittavaa, muttaerityishuomiota vaativia kohtia ovat robottien ohjelmoinnin helppous ja nopeussekä tähän läheisesti liittyvät valvonta, tiedonsiirto- ja viestintärutiinit. Lisäksijärjestelmään liittyvien oheislaitteiden, kuten kiinnittimien ja työkalujen mukautu-vuus tuotannon haasteisiin vaatii huolellista suunnittelua.

Hitsauskoonnin teko robotisoidusti

HitSavonia II -hankkeessa toteutettiin neljän erilaisen case-tuotteen kokoonpano.Tässä on kerrottu testausten suunnittelusta ja toteutuksesta yleisellä tasolla. Tuotteetvaihtelivat kokoluokaltaan muutamasta kilogrammasta ja kolmesta osasta aina 225kilogrammaan ja yli kymmeneen osaan. Case-tapauksia yksitellen esittelevässäosiossa kerrotaan yksityiskohtaisemmin kunkin testin suunnittelusta, toteutuksesta

11

ja tuloksista. Case-tuotteiden valmistuksen suunnittelu ja toteutus etenivät melkosamantyyppisesti, vaikka tuotteet ulkoisesti poikkesivat toisistaan. Alussa tar-kasteluun otettiin tuotteiden 3D-mallit, jotka jaettiin osiin. Tuotteidenkokoonpanojärjestystä tarkasteltiin SolidWorks-ohjelmalla ja kokoonpano-järjestyksestä tehtiin vaihtoehtoisia animaatioita. Muutaman osan sisältävillätuotteilla tarkastelu oli vähäistä, mutta monimutkaisemmilla jopa haastavaa, koskamonet eri tekijät vaikuttivat oleellisesti kokoonpanojärjestykseen.

Kokoonpanojärjestyksen kanssa oli samaan aikaan mietittävä millaisen hitsaus-kiinnittimen tuote vaatii. Kiinnittimelle oli aina vaatimuksena, että tuote voidaanhitsata siinä alusta loppuun, ilman turhia irrotuksia. Osaan kiinnittimistä sisällytettiinautomaatiota, jolla lukittiin kiinnittimeen ensimmäisenä tuotava osa paikalleen.Kiinnityksissä käytettiin paineilmatoimisia sylintereitä ja kiinnityselimiä, joidenavulla osa lukittiin mekaanisesti paikalleen. Testattaessa kooltaan pieniä, lyhyenläpäisyajan tuotteita paineilmatoimiset kiinnittimet soveltuivat hyvin tähäntarkoitukseen. Isommilla tuotteilla kiinnittimien pitovoiman on oltava melko suuri.Jos tuotetta joudutaan hitsaamaan eri asennoissa, saattaisivat hydraulistoimisetkiinnityselimet soveltua tuotantokäyttöön paremmin. Käytettäessä automatisoitujakiinnittimiä on tarkoin mietittävä niiden asemoinnin tarkkuus. Koska tutkimus-käytössä ei ollut hydraulistoimisia kiinnityselimiä, niin yhden case tuotteen kiinni-tyksen varmistukseen käytettiin paineilmakiinnittimien lisäksi mekaanista kiinnitintä,jonka lukitus tehtiin kappaleenkäsittelyrobotin työkalulla.

Hitsauskiinnittimien määrää kannattaa karsia, ja jos mahdollista luopua niistä koko-naan. Jos luopuminen ei ole vaihtoehto, voidaan suunnittelussa pyrkiä modulaarisiinja tuoteperhekohtaisiin kiinnittimiin. Hankkeessa tehdyissä testeissä kiinnittimetasennettiin aina L-malliselle hitsauskääntöpöydälle, mutta nykyään myös robottienkäyttö hitsauspöytänä on mahdollista. Robotin suurempi vapausasteiden määrämahdollistaa joustavammat hitsausasennot kuin tutkimuskäytössä ollut kaksiak-selinen pöytä. Lisäksi hitsattavien kappaleiden ollessa pieniä, voi robottikäsivarsiolla kustannuksiltaan jopa hitsauskääntöpöytää edullisempi vaihtoehto.

Case-tuotteiden yksittäisten osien tarrainkäsittelyä arvioitiin, niin ikään Solid-Worksillä. Useasti osasta pystyi toteamaan heti millaisen tarraimen se vaatii. Joissaintapauksissa tarvittiin kuitenkin useita suunnitelmia ja prototyyppejä, jotta toimivatarrain saatiin toteutettua. Suunnittelussa pyrittiin minimoimaan tarrainten määräja toteuttamaan juuri kyseiselle tuotteelle parhaiten sopiva työkalu. Suunnittelussahuomioitiin myös, että testiin suunniteltu tarrain täytyi olla myös riittävänvarmatoiminen ja toteutettavissa oikeaan tuotantokäyttöön.

Manuaalivalmistuksesta automatisoitavaksi siirrettäviin tuotteisiin joudutaan useintekemään muutoksia, muutoin kokoonpanon ja hitsauksen automatisointi ei yleensä

12

olisi mahdollista. Kaikkia case-tuotteita valmistetaan nykyisellään manuaalisesti janiihin jouduttiin tekemään muutoksia testien takia. Joihinkin toisiaan vastenasemoitaviin levyosiin tehtiin paikoitusolakkeita, joiden avulla osat saatiin varmastiasemoitumaan oikein toisiinsa nähden. Joidenkin osien muotoja jouduttiin”avaamaan” jotta seuraavat osat voitiin tuoda kokoonpanoon ylhäältä. Ilman”avaamista” vaihtoehtona olisi ollut osan pujottaminen toisen läpi, josta seuraisimelkoinen törmäysriski. Osien valmistustarkkuudella on suuri merkitys loppu-tuotteen kannalta. Enemmistö testien levyosista oli laser-leikkeitä, joidenmittatarkkuus oli riittävä lopputuloksen kannalta. Paksummat levyosat olivatplasma-leikkeitä ja niiden valmistustoleranssit olivat useita millimetrejä. Tuotanto-käytössä tällaiset mittavaihtelut aiheuttavat pahimmillaan valmiin tuotteenhylkäämisen.

Case tuotteiden kokoonpano ja hitsausohjelmat tehtiin yhtä testiohjelmaan lukuunottamatta opettamalla, sillä tutkimushetkellä HitSavonialla käytössä olleellaetäohjelmointiohjelmistolla voitiin tehdä vain pelkälle hitsausrobotille ohjelmia.Koko järjestelmälle taas ei ehditty kehittämään uutta etäohjelmointityökalua, sillävanhalla ohjelmistopohjalla sitä ei koettu mielekkääksi ja uutta taas ei ehdittysaamaan käyttöön. Tuotantokäyttöä ajatellen etäohjelmointi olisi kuitenkinvarteenotettava vaihtoehto. Silti ainakin kokoonpano-ohjelmien osien asemoinnitjouduttaisiin tarkastamaan manuaalisesti.

Koska kyseessä oli tutkimustilanne ja vastaavaa ei testilaitteistolla ole aikaisemmintehty, oli ohjelmointityö melko hidasta. Ohjelmat toteutettiin modulaarisesti, jollointuotteen kokoonpanojärjestystä voidaan helposti tarvittaessa muuttaa. Kaikkiencase-tuotteiden jokaiselle osalle tehtiin poiminta ohjelma ja tarvittaessa asemointitai offset-kuvaus ohjelma. Lisäksi tarvittiin kokoonpanon asemointiohjelma,silloitusohjelma ja poistumisohjelma. Näiden eri vaiheiden välillä taas käytettiinyleisohjelmia, jolloin kaikkia väliliikkeitä ei tarvinnut opettaa jokaiselle osalleerikseen.

Case-tuotteille tehtyjen testien tarkoituksena oli määrittää vaatimuksia ja rajoitteita,joita kappaleenkäsittelyrobotin käyttö hitsausrobotin apuna asettaa. Jokaisen case-tuotteen kanssa oli omanlaisensa ongelmat ja ratkaisut. Kaikista tuotteista voidaankuitenkin sanoa, että automatisoimalla kokoonpano ja hitsaus, saadaan huomattavaajan säästö manuaalisiin työvaiheisiin verrattuna.

Kappaleenkäsittelyrobotti soveltuu case-tuotteilla tehtyjen testien perusteella hit-sauskokoonpanon tekemiseen hyvin, kunhan tiedostetaan millaisia vaatimuksia jarajoituksia menetelmä asettaa. Vaatimuksien yleispätevä määrittely on kuitenkinhankalaa, koska jokainen tuote tuo mukanaan omat ongelmansa.

13

Lähteet

1. Kauppinen Veijo: Autonominen tuotanto 2010 -teknologiaohjelmaa vartentehdyn selvityksen loppuraportti, Tekes, [verkkodokumentti] [viitattu 9.9.2010]Saatavissa: http://akseli.tekes.fi/opencms/opencms/OhjelmaPortaali/ohjelmat/SISU/fi/Dokumenttiarkisto/Viestinta_ja_aktivointi/Muu_viestinta_ja_aktivointi/SISU_selvitys_loppuraportti.doc, 2005.

2. Leino Kalervo: Ketterä hitsausautomaatio, Hitsaustekniikka. 6/1999, s. 12-14.

3. Leino Kalervo, Karppi Risto ja Hentula Markku: Suomalaisen hitsaustuotannonkilpailukyky, VTT, [verkkodokumentti] [viitattu 9.9.2010] Saatavissa: http://akseli.tekes.fi/opencms/opencms/OhjelmaPortaali/ohjelmat/SISU/fi/Dokumenttiarkisto/Viestinta_ja_aktivointi/Julkaisut/VTT_R_06707_08_Sisuhitsi.pdf, 2008.

4. Wikipedia: [verkkodokumentti] [viitattu 9.9.2010] Saatavissa: http://en.wikipedia.org/wiki/Reconfigurable_Manufacturing_System

14

3. Robottisärmäys osana joustavaa tuotantosolua

Aku Tuunainen

Johdanto

Metalliteollisuudessa valmistetaan paljon osia ja tuotteita levyistä, joiden yksi yleinentyövaihe on taivutus. Taivutettavat tuotteet voivat olla valmiita heti taivutuksenjälkeen tai ne voivat jatkaa muihin työvaiheisiin. Yleisin taivutukseen käytetty laiteon särmäyspuristin, jota voidaan pitää levytöitä tekevien konepajojen yhtenäperustyökoneena. Nykyaikaiset CNC-levytyökoneet ovat melko suuria investoin-teja, joten niiden työjärjestelyyn ja koneiden tehokkaaseen käyttöön on kiinnitettävähuomiota.

Särmäys työvaiheena vaatii runsaasti manuaalista työtä. Työvoimakustannuksetnousevat jatkuvasti ja ruumiilliseen työhön voi olla vaikea löytää halukkaita.Automatisoimalla tämä työvaihe, voidaan raskaita ja yksitoikkoisia työvaiheita siirtääkoneiden tehtäväksi. Siirtymällä robottisärmäykseen voidaan tuotannon auto-maatioastetta kasvattaa ja samalla vähentää tuotteiden laatuvaihteluita.

Suomessa on käytössä robottisärmäyssoluja, mutta niiden yhdistäminen hitsaus-automaatiosovelluksiin on harvinaista. Yhtenä osa-alueena HitSavonia II -hankkeessa tarkasteltiin robottisärmäyksen liittämistä perinteisen hitsausrobotinrinnalle. Työ toteutettiin opinnäytetyönä ja valmistettavana tuotteena oli kevyt-rakenteisen teltan kulmapala (kuva 3.1), josta jatkossa on käytetty nimitystädemotuote.

KKKKKuva 3.1.uva 3.1.uva 3.1.uva 3.1.uva 3.1. Valmis telttakulma

15

Joustavuus valmistusautomaatiossa

Nykypäivänä Suomalaisen kone- ja metalliteollisuuden tuotantoautomaationtärkeimpiä ominaisuuksia on joustavuus. Se on automaation soveltamisen edellytys,koska valmistuserät ovat yleensä pieniä ja tuotevariaatiot voivat vaihtua usein.Konepaja-automaation joustavuuden käsite on kuitenkin suhteellinen, ja se koostuuuseista eri osista.

Tuotannon joustavuuteen liittyvät tuotteiden erilaisuuden salliva joustavuus, sekävalmistusmääriin liittyvä joustavuus. Yleisesti tuotannon joustavuudella tarkoitetaantuotannon kykyä sopeutua tuotantoon kohdistuviin uusiin vaatimuksiin jamuuttuviin olosuhteisiin. Tähän vaikuttaa laitteiden ohjelmoinnin helppous,suunnittelun ja valmistuksen toiminta sekä tuotannonohjauksen sujuvuus. Jousta-vuudella on kuitenkin myös hintansa ja automatisoitua tuotantoa suunniteltaessajoudutaan suorittamaan karsintaa. Laitteistot suunnitellaan yleensä tietyilletuoteperheille ja niiden kanssa yhteneville tuotteille.

Perinteiset automatisoidut hitsausjärjestelmät kuten FMS ja FMC eroavat tässäesitetystä joustavasta hitsausautomaatiosta. Joustava hitsausautomaatio soveltuulyhyen läpäisyajan tuotteille ja pienille sarjoille. Perinteisissä FM-järjestelmissä jasoluissa tuotantologistiikka perustuu palettien ja hitsauskiinnittimien käyttöön.Usein tämän tyyppiset automatisoidut hitsausjärjestelmät saadaan taloudellisestikannattaviksi, vasta kun valmistusmäärät ovat riittävän suuret.

Joustava hitsausautomaatio

Joustavasta hitsausautomaatiosta puhuttaessa pyritään miehittämättömään taiainakin vähäisellä miehityksellä tehtävään tuotantoon, sekä korkeaan käyttö-asteeseen. Kun hitsausvaihe on automatisoitu, täytyy materiaalivirtakinautomatisoida, jotta jatkuva työkierto voidaan toteuttaa. Automatisointi voidaanhoitaa yhdellä tai useammalla robotilla, jotka sijoitetaan hitsausrobotin läheisyyteen.Hitsattavat tuotteet on panostettava apurobotin ulottuville, josta ne poimitaan javiedään hitsausrobotille. Järjestelyllä pyritään näin minimoimaan valmistus-sarjakohtaiset asetuskustannukset, ja tästä syystä tuotteiden panostus tulisi ratkaistasiten, että sama menetelmä sopisi useille eri tuotteille. Hitsauksen jälkeen valmiskappale voidaan siirtää apurobottia käyttäen lastauslavalle tai seuraavaan työvai-heeseen.

Apurobotilla voidaan paikoittaa hitsattava osa kokoonpanoon ja pitää se paikoillaansilloitusvaiheen ajan. Silloituksen jälkeen hitsausrobotti voi aloittaa varsinaisenhitsauksen tai apurobotti poimia seuraavan silloitettavan osan. Hitsattavan tuotteen

16

ollessa etukäteen silloitushitsattu, voidaan apurobottia käyttää hitsauspöytänä.Robotin käyttö hitsauspöytänä mahdollistaa monipuolisemmat hitsausasennot kuinperinteinen kaksiakselinen pyörityspöytä.

Joustavassa hitsausautomaatiossa pyritään minimoimaan perinteiset hitsaus-kiinnittimet ja niistä aiheutuvat kustannukset. Suomalaisessa teollisuudessa valmis-tetaan paljon pieniä sarjoja ja tuotekirjo on yleensä suuri. Kiinnittimien suunnitteluja valmistus vievät aikaa, ja niistä syntyvät kustannukset monesti rajoittavatautomaation käyttöä. Karkeasti arvioituna apurobotiksi soveltuvan robotin hintavastaa investointina noin kymmeneen hitsauskiinnittimeen sitoutuvaa pääomaa.Yhtä tai useampaa apurobottia käyttämällä voidaan hitsauskiinnittimien suunnit-teluun ja valmistukseen kuluvaa aikaa vähentää. Edellytyksenä kuitenkin on, ettätuote voidaan valmistaa ilman hitsauskiinnittimiä tai ainakin vähäisin kiinnittimin.

Robottisärmäys

Robottisärmäyksessä perinteisen särmäyspuristimen materiaalinkäsittely hoidetaanteollisuusrobotilla (kuva 3.2). Robotti vie levyaihion särmäyspuristimeen, hoitaakappaleen liikuttelun sekä käännöt ja siirtää valmiin kappaleen lavalle tai toimittaasen seuraavaan työvaiheeseen. Robotin työkaluina käytetään erilaisia tarraimia,tuotteen koosta, materiaalista ja robotin muista toiminnoista riippuen. Ennensärmäystä taivutettava kappale käytetään yleensä erillisellä asemointipöydällä (Kuva4.3), josta se poimitaan uudestaan tarraimeen. Tällä varmistetaan kappaleen oikeaasemointi.

Särmäyksessä itse taivutusvaihe voidaan tehdä kahdella kiinnipitoperiaatteella.Yksinkertaisimmissa robottisärmäyslaitteistoissa perinteiseen särmäyspuristimeenliitetään tavallinen teollisuusrobotti hoitamaan kappaleenkäsittely. Tässämenetelmässä robotilla viedään aihio särmäyspuristimen kitaan, jonka jälkeenlasketaan painin aihion pintaan eli ns. clamping pointtiin, jolloin aihio jääsärmäystyökalujen väliin kevyesti kiinni (Kuva 3.3). Seuraavaksi robotin oteirrotetaan ja aihio taivutetaan. Käytettäessä tätä menetelmää, jokaisen taivutuksenjälkeen joudutaan tekemään aihioon uusi tartunta ja mahdollisesti käyttämäänsärmäyspuristimen takavastetta uuden taivutuksen asemointiin. Irrotukset, tartunnatja paikoitukset nostavat tuotteen läpäisyaikaa, jonka lisäksi ohutlevyjen särmäyson ongelmallista aihioiden taipuessa oman painonsa takia.

17

KKKKKuva 3.2. uva 3.2. uva 3.2. uva 3.2. uva 3.2. Kappaleenkäsittelyrobotti ja särmäyspuristin.

KKKKKuva 3.3.uva 3.3.uva 3.3.uva 3.3.uva 3.3. Särmäys otteen irrotuksella.

18

Käytännöllisintä robottisärmäyksessä olisi, että otteenvaihtoja jouduttaisiintekemään mahdollisimman vähän. Nykyään laitevalmistajat tarjoavat eri tekniikoihinperustuvia synkronointitoimintoja, joiden avulla robotti seuraa aihiota, sitä kiinnipitäen ja tukien taivutuksen ajan. Synkronointifunktion toimintaperiaate on esitettykuvassa 3.4. Menetelmässä painimen paikkatiedot saadaan siihen liitetystäpulssianturista. Anturin tiedoista ja robotille syötetyistä työkalun mitoista robotinohjaus laskee millaisen liikkeen taivutettava osa tekee, jolloin robotti liikkuusynkronoidusti taipuvan osan mukana.

Taivutettavan aihion asemointi särmäyspuristimen kitaan voidaan toteuttaa kahdellatavalla. Nopeampi tapa on hyödyntää robotin toistotarkkuutta, jolloin särmäys-puristimen takavasteita ei tarvita. Mikäli robotin toistotarkkuus ei ole riittävä taitarrainkäsittelystä tulee liikaa virhettä, niin osan paikoitukseen käytetään särmäys-puristimen takavasteita. Jotta takavasteilta saataisiin tietoa särmättävän kappaleensijainnista, pitää niiden olla anturoitu. Tällöin robotti voidaan ohjelmoida viemäänkappaletta särmäyspuristimen kitaan, kunnes takavasteilta saadaan input-signaalija taivutus voidaan aloittaa.

Työkaluna robottisärmäyksessä käytetään yleensä alipaineeseen (kuva 3.5)perustuvia tartuntaelimiä, joista on helppo räätälöidä aihion koolle sopiva työkalu.Muita yleisiä levymäisten tuotteiden käsittelyssä käytettyjä tartuntaelimiä ovatmagneettitarraimet (kuva 3.6) ja mekaaniset tarraimet (kuva 3.7). Mikäli keskentyökiertoa joudutaan vaihtamaan työkalua, niin sitä varten pitää robotin työalueelle,tai kuten kuvassa 3.8 radalle asennetun robotin jalustaan, tehdä työkalujenvaihtoteline.

KKKKKuva 3.4.uva 3.4.uva 3.4.uva 3.4.uva 3.4. Robottisärmäyksen synkronointifunktion toimintaperiaate.

19

KKKKKuva 3.6.uva 3.6.uva 3.6.uva 3.6.uva 3.6. Magneettitarrain.

KKKKKuva 3.5.uva 3.5.uva 3.5.uva 3.5.uva 3.5. Alipainetarrain.

20

KKKKKuva 3.8.uva 3.8.uva 3.8.uva 3.8.uva 3.8. Työkalujen vaihtotelineet.

KKKKKuva 3.7.uva 3.7.uva 3.7.uva 3.7.uva 3.7. Vasemmalla kolmisorminen ja oikealla kaksisorminen mekaaninen tarrain.

21

Demotuote HitSavonia-solussa

HitSavonia-laboratorion joustavassa valmistussolussa toteutettiin kahdesta osastakoostuvan ohutlevytuotteen automatisoitu valmistus. Valmistustyökierrossakappaleenkäsittelyrobotti särmää ensin levyaihiot, jonka jälkeen osat viedäänhitsausrobotille hitsattavaksi. Hitsauksen jälkeen hitsausrobotti poistaa valmiintuotteen hitsauskiinnittimestä ja tiputtaa sen lastauslavalle. Työkiertoa voidaan ajaaniin kauan, kun tuotteen osia riittää niiden makasiineissa.

Demotuote

Demotuote on kevytrakenteisen teltan kulmapala (kuva 3.9). Kulmapalojen jasopivan puutavaran avulla voidaan rakentaa erilaisia telttoja, jotka soveltuvatesimerkiksi auto- tai venekatokseksi tai polttopuiden suojaksi. Teltan koko jalopullinen malli on muokattavissa käyttäjän tarpeiden mukaan.

Aihiomakasiinit

Demotuotteen aihioita varten jouduttiin rakentamaan erilliset paineilmatoimisetsyöttömakasiinit (kuva 3.10). Makasiinien torneihin voidaan panostaa aihioitahaluttu valmistusmäärä. Robotin output-signaaleja käyttämällä syötetään pinonalin aihio robotin poimittavaksi. Makasiineissa on induktiiviset anturit, jotkatunnistavat aihioiden loppumisen. Kun viimeinen aihio on syötetty jommasta-kummasta makasiinista, tehdään valmistuksessa oleva tuote loppuun, jonka jälkeentyökierto pysähtyy.

Magneettitarrain

Kappaleenkäsittelyrobottiin tarvittiin työkalu, jolla levyaihioita voidaan liikutella.Tuotteen pienen koon vuoksi päädyttiin paineilmatoimiseen magneettityökaluun,

KKKKKuva 3.9.uva 3.9.uva 3.9.uva 3.9.uva 3.9.Teltan kulmapalan aihiot ja valmis tuote.

22

KKKKKuva 3.10.uva 3.10.uva 3.10.uva 3.10.uva 3.10. Aihiomakasiinit.

KKKKKuva 3.11.uva 3.11.uva 3.11.uva 3.11.uva 3.11. Magneettitarrain.

23

jonka rakenne on esitelty kuvassa 3.11. Rakenteeltaan yksinkertaistatartuntatyökalua, voidaan tarvittaessa muokata erilaisten tuotteiden tarpeisiin.

Magneettitarrain koostuu kaksitoimisesta kestomagneetista, joka voidaan kierto-kytkimestä kytkeä päälle ja pois. Kiertokytkimen tilalle on liitetty paineilma-kääntösylinteri, jolloin magneetin kytkentä saadaan automatisoitua. Robotin output-signaalilla ohjataan kääntösylinterin toimintaa sen mukaan, halutaanko aihioontarttua vai irrottaa se. Magneetti ja kääntösylinteripaketti on kiinnitetty työkalunrungon muodostavilla tukilevyillä työkalulaippaan, joka taas kiinnitetään robotinkäsivarressa olevaan vastakappaleeseen eli työkalunvaihtajaan. Robotilta kääntö-sylinterille menevät paineilmaliitynnät kulkevat työkalulaipan läpi.

Magneettitarttujan ohjaus on toteutettu siten, että magneetti on aktiivinen, kunoutput-signaali ei ole kytketty. Käyttämällä käänteistä kytkentälogiikkaa aihiontippumisvaaraa on pienempi, sillä magneetti pysyy aktiivisena myös mahdollistensähkö- tai paineilmakatkosten aikana.

Särmäyspuristin ja kappaleenkäsittelyrobotti Nachi

Kappaleenkäsittelyrobotti ja särmäyspuristin toimivat keskenään I/O-signaalienvälityksellä. Kun särmättävä osa on asemoitu, annetaan robottiohjelmassa output-signaalilla käsky aloittaa työliike. Kulmapalan ohjelmointivaiheessa testattiinsynkronoidun särmäyksen käyttöä, mutta siitä luovuttiin huonojen testitulostentakia. Robotin liiketarkkuus ja -nopeus eivät olleet riittäviä. Mahdollisesti tämäjohtui tuotteen osien pienuudesta, jolloin robotin käsivarsi on hyvin lähellä särmäys-puristinta. Mikäli synkronoitu liike olisi onnistunut, robotin särmäystyökierronohjelmoinnista olisi selvitty kahdella muutaman rivin aliohjelmalla.

Tuotteen särmäykset toteutettiin siis otteenirrotusperiaatteella. Tällä periaatteellarobotin ohjelmointi oli hiukan työläämpää, sillä jokaisen osan poimimista vartentäytyy ohjelmoida muutama paikoituspiste. Ohjelmointivaiheessa laadittiin kaksialiohjelmaa robotin ja särmäyspuristimen väliseen I/O-keskusteluihin. Näidenaliohjelmien avulla muut ohjelmat tulivat selkeämmiksi ja uusien ohjelmien tekonopeutui.

Hitsauskiinnitin

Vaikka tässä yhteydessä on esitetty joustavan hitsausautomaation tavoitteestaminimoida hitsauskiinnittimet, jouduttiin demotuotteen hitsausta vartenvalmistamaan kiinnitin (kuva 3.12). Erillinen kiinnitin tarvittiin, koska tuotevalmistetaan joustavasta ohutlevystä ja kappaleenkäsittelyrobottia ei voitu käyttää

24

osien tuentaan, sillä se oli varattu osien särmäykseen. Kiinnittimen rungossa pyrittiinyksinkertaisuuteen ja se valmistettiin levyosista, jotka voidaan helposti liu’uttaapaikoilleen ja hitsata kiinni.

Hitsauskiinnittimessä on kaksi paineilmasylintereillä toimivaa kiinnityselementtiä,joita ohjataan hitsausrobotin output-signaalinen avulla. Kun tuotteen ensimmäinenosa on särmätty, kappaleenkäsittelyrobotti käy viemässä sen kiinnittimeen. Toisenosan särmäyksen ja kiinnittimeen tuonnin jälkeen, kiinnitinelementit suljetaan. Kunkappaleenkäsittelyrobotti on palannut omalle työalueelleen, hitsataan tuote.Hitsauksen päätyttyä valmis osa nostetaan hitsauspistoolilla pois kiinnittimestä japudotetaan viereiselle lavalle.

Robottien välinen kommunikointi

Kahden robotin liikkuessa yhteisellä työalueella, täytyy robottien kommunikoidakeskenään tiettyjen ehtojen mukaisesti, jotta toimiva työkierto ilman törmäyksiäon mahdollinen. Demotuotteen valmistuksessa robotit toimivat omien ohjauksiensaalla, jolloin kumpikin robotti ohjelmoidaan omina yksiköinään. Solun robotit ovatyhteydessä toisiinsa I/O-signaalien välityksellä. Signaalien avulla ne voivat antaatoisilleen merkin toimia. Lisäksi robottien meneminen toistensa toiminta-alueellevoidaan estää käyttämällä kotiasemia.

Robottien ohjelmien alussa on ehtolauseet, jotta kummankin robotin ohjelmatsaadaan käynnistymään samanaikaisesti (kuva 3.13). Tällä varmistetaan että ohjelmatja niiden väliset I/O-keskustelut etenevät oikeassa tahdissa. Kun molempienrobottien ohjelmat on käynnistetty, aloittaa kappaleenkäsittelyrobotti särmäys-työkierron ja hitsausrobotti jää odottamaan käskyä aloittaa hitsausohjelma.

KKKKKuva 3.12.uva 3.12.uva 3.12.uva 3.12.uva 3.12. Hitsauskiinnitin tyhjänä.

25

Kappaleenkäsittelyrobotin ohjelman lopussa on hyppykäsky ohjelmien alkuun,mikäli aihion syöttömakasiinissa on vielä aihioita jäljellä.

Loppupäätelmät

Demotuotteen automatisoitu valmistus saatiin toteutettua onnistuneesti. Yhdentuotteen valmistus kestää noin viisi minuuttia. Tätä aikaa olisi mahdollista lyhentääuseita kymmeniä prosentteja lisäämällä robottien ja särmäyspuristimen liikeno-peuksia. Tuotteen valmistusta tehdään kuitenkin vähäisiä määriä eikä nopeutta-miselle nähdä pätevää syytä. Tärkeämpää on havainnollistaa katsojille mitähybridivalmistus käytännössä tarkoittaa. Tuotantokäyttöä varten nopeuksienoptimointi olisi kuitenkin ensisijaista. Toinen tapa nopeuttaa työkiertoa olisi kehittääkaksoistarrain, jolloin molemmat särmättävät aihiot saataisiin poimittua kerralla,mutta vastaavasti tämä heikentäisi tarraimen käytettävyyttä.

KKKKKuva 3.13.uva 3.13.uva 3.13.uva 3.13.uva 3.13. Ohjelmien aluissa olevat ehtolauseet.

26

Tavoitteina työssä oli tutustua käytännössä robottisärmäykseen ja robottienyhteiskäyttöön laboratorion laitteilla. Tässä onnistuttiin hyvin ja työssä kerättyjätietoja ja kokemuksia on hyödynnetty sittemmin useissa eri yhteyksissä.Demotuotteen valmistusta on esitelty useissa yhteyksissä sekä paikanpäälläHitSavonia-laboratoriossa että videolta erilaisissa opetus- ja esittelytilanteissa.

Savonia-ammattikorkeakoulun konetekniikan opiskelijat ovat tehneet lukuisiaharjoitustöitä kappaleenkäsittelyrobotilla, joissa robottisärmäys on ollut yhtenäaiheena. Opetusmateriaali näihin harjoituksiin on tehty tutkimuksessa kerätynaineiston pohjalta.

Kahden robotin käyttäminen samassa työkierrossa antoi hyviä kokemuksia ja ideoitatuleviin vastaavan tyyppisiin case-tapauksiin. Solussa on tehty myöhemminvaativampia kahdella robotilla toteutettuja testejä. Ohjelmoinnin helpottamiseksion robottien ohjauksiin rakennettu mahdollisuus yhdistää niiden ohjaukset. Tämätarkoittaa että molempien robottien ohjelmat voidaan tehdä yhdellä käsiohjaimellaja ne voidaan ajaa halutussa järjestyksessä ilman erillistä I/O-keskustelua.

Lähteet

1. Aaltonen, Andersin ym: Tuotantoautomaatio, Otatieto, 1992.

2. Finnrobotics. Särmäys [verkkodokumentti] [viitattu 16.9.2008] Saatavissa: http://www.finnrobotics.fi/? sivu=sarmays.

3. Hedman, Järvinen, Kujanpää. Särmäyksen joustava automatisointi, VTT tiedote1453, 1993.

4. Ihalainen, Aaltonen ym: Valmistustekniikka, Otatieto, 1986.

5. Juhani Anttila, Jukka-Pekka Santala: Automaatiotekniikka, WSOY, 1990.

6. Leino Kalervo: Ketterä hitsausautomaatio, Hitsaustekniikka 6/1999, sivut 12-14.

7. Suutarinen Jouko: Etäohjelmoitava robottisärmäri - joustavuuttaohutlevytuotantoon, Teoksessa Robotiikan vuosikirja, Suomen robotiikkayhdistys,1994.

8. Tuunainen Aku: Robottisärmäys joustavassa hitsausautomaatiossa, opinnäytetyöSavonia-ammattikorkeakoulu, 2008.

27

4. Konenäköjärjestelmä joustavassa hitsaussolussa

Kari Solehmainen

Taustaa

Konenäköjärjestelmät ovat olleet käytössä kappaletavara-automaatiossa jakoneistuksen palvelutehtävissä jo vuosien ajan. Lisäksi niitä on hyödynnetty mit-tauksessa ja tarkastuksessa. Ensimmäiset tarkastuskäyttöön tehdyt konenäkö-sovellukset toimivat sahatavaran lajittelussa, jossa käytettiin CCD-viivakameroitaja kuvantulkintaan juuri tähän käyttötarkoitukseen suunniteltuja erillisiä tietokoneita.Järjestelmä liittyi sitten sarjaliikenteellä logiikkaohjaukseen, joka toteutti järjestelmänohjauksen saadun tiedon perusteella. Nykyään tarkastus voidaan hoitaa yksin-kertaisimmillaan käyttäen kameraa ja siinä valmiiksi olevaa ohjelmistoa sekä I/O-liityntää. Näillä järjestelmillä voidaan mitata kappaleiden dimensioita, muoto-poikkeamia yms. Saatua tietoa käytetään lähinnä mitattavan kappaleen hylkäämiseentai hyväksymiseen.

Konepajateollisuudessa konenäkökameroiden käyttö on rajoittunut lähes yksin-omaan koneistettavien tai koneistettujen kappaleiden robotisoituun käsittelyyn.Työstökoneilla kappaleet ovat usein symmetrisiä ja niiden väri ja heijastus-ominaisuudet eivät vaihtele, joten lähtökohtaisesti ne ovat hyvin tunnistettavissakonenäöllä. Vastaavasti robottikokoonpanossa konenäön käyttö on suhteellisenharvinaista. Teollisuusrobotteja on hyödynnetty Suomessa muun muassa hissinovien ja moottoreiden kokoonpanotehtävissä, mutta näissäkään tapauksissa eikäytetä konenäköä, vaan muuta anturointia ja paikoitusasemia. Vielä vähemmän,jos ollenkaan konenäköä on käytetty hitsaavassa konepajateollisuudessa.

Hitsavonia II hanketta suunnitellessa tavoitteena oli nimenomaan lisätä ”älyä”perinteiseen robottihitsaussoluun. Tämä toteutettiin lisäämällä soluun kaksikonenäkökameraa toinen kappaleiden hakupaikalle ja toinen robotin tarraimessakiinni olevan kappaleen kuvaamiseen. Konenäön käyttö haettavien kappaleidentunnistukseen lisää solun joustavuutta. Tällöin ei tarvita jokaiselle haettavallekappaleelle omaa syöttölaitetta tai makasiinia. Kappaleen kuvaamisella tarraimessapyrittiin siihen, että hitsattavaan tuotteeseen tuotavat kappaleet saataisiin paikoi-tettua lopputuotteen laadun ja hitsauksen onnistumisen kannalta riittävällätarkkuudella. Kameraa voidaan käyttää myös kappaleissa olevien särmättyjenmuotojen tarkastukseen, jolloin suunnitellusta mitoista poikkeavat osat voidaanhylätä ennen kokoonpanoa.

28

Konenäkö mittauksessa ja tarkastuksessa

Mittaukseen voidaan käyttää 3D- tai 2D-kamerajärjestelmää riippuen mitattavastakohteesta. Tyypillisiä mittauskohteita ovat kappaleiden todellisten mittojentarkastus, oikean muodon tunnistus, reikien paikan ja olemassaolon tunnistus jne.

Kuvassa 4.1 on esitetty mittaustapahtuman periaate, jossa itse kuvan otto onvaikeimmin hallittava asia. Kuvan laadulla on suora merkitys mittauksenonnistumiseen ja sen luotettavuuteen. Kappaleen valaisun merkitystä ei konenäöstäpuhuessa voi koskaan korostaa liikaa. Mittauksessa valaisun tulee tapahtua niin,ettei mittavaan kohteeseen aiheuteta heijastumia, mutta haluttu piirre saadaan ainaluotettavasti näkyviin. Valaisuolosuhteissa ja kappaleiden heijastavuudessa eimyöskään saa tapahtua muutoksia eri mittausten välillä. Kuvan 4.2 kappaleestavarsinainen tunnistettava osa on suorakaiteen sisällä oleva reunan laatu.

Konenäköä käytetään myös pinnan karheuden tunnistukseen. Sillä on päästysamaan tarkkuuteen kuin kosketukseen perustuvissa, neulamenetelmällä tehdyissämittauksissa. Konenäkötunnistus perustuu kuvassa oleviin kirkkausvaihteluihin.

KKKKKuva 4.1.uva 4.1.uva 4.1.uva 4.1.uva 4.1. Mittaustapahtuma.

KKKKKuva 4.2. uva 4.2. uva 4.2. uva 4.2. uva 4.2. Mitattava ohutlevykappale.

29

Mittaus ja tarkastus voidaan tehdä joko tietokonepohjaisella tai nk. älykamera-järjestelmällä. Yksinkertaisimmallaan kuvaamiseen voidaan käyttää kontrol-leripohjaista järjestelmää, josta saadaan ulos vain I/O tieto.

Mittauksen lisäksi voidaan samalla tehdä tiedonkeruuta ja raportointia tuotan-nonohjausjärjestelmiin. Mittauksen tarkkuus riippuu käytettyjen kameroiden reso-luutiosta, mittausetäisyydestä ja siitä kuinka hyvin mittausolosuhteet on saatuvakioitua.

Konenäköavusteinen kappaleenkäsittely

Perinteinen menetelmä käyttää robottia työstökoneen palvelutehtävässä onmakasiineihin tai kuljetusradan paikoitusasemaan perustuva. Näissä molemmissahaettava kappale paikoitetaan ennalta määrättyyn kohtaan, josta robotti ohjel-moidaan se hakemaan. Järjestelmän heikkoutena on sen joustamattomuus.

Käytettäessä konenäköä ei jokaiselle kappaleelle tarvita omaa makasiinia. Jousta-vuutta lisää myös se, että hakupaikalle voidaan tuoda eri kappaleita sekaisin, jostakonenäön avulla valitaan haluttu kappale. Näin voidaan luoda joustavia työjonoja.

Robotin käyttö automaattisessa kappaleenkäsittelyssä on nykyisin hyvin yleistä.Toisaalta kun konenäköä käytetään kappaleenkäsittelysovelluksissa, liittyy siihenlähes poikkeuksetta robotti. Konenäöllä saatua kappaleen sijaintitietoa käytetäänsuoraan tai välillisesti robotin ohjaukseen. Tyypillinen esimerkki konepaja-teollisuudessa käytetystä sovelluksesta on järjestelmä, jossa robotti poimii aihioitalavalta konenäön avustamana.

Yksinkertaisimmillaan tiedonsiirto robotin ja konenäön välillä hoidetaan sarja-liikenteellä. Muita vaihtoehtoja ovat erilaiset kenttäväylät kuten Profibus, Devicenettms. Joissakin robotti malleissa on myös muualla tietotekniikassa yleisesti käytettyethernet liityntä, jota voidaan hyödyntää tiedonsiirtoon.

Yleisin toimintatapa on lähettää kappaleen siirtymätieto robotille suhteessa opetet-tuun paikkaan eli ns. offset-arvo. Siihen kuuluu x- ja y-suuntainen siirtymä sekä z-kierto. Toinen mahdollisuus toteuttaa haku on asettaa kamera ja robotti samaankoordinaatistoon, jolloin robotille lähetetään suoraan absoluuttinen työkalupisteenpaikka.

Yleensä kameralta saatu tarkkuus riittää siihen, että kappale saadaan poimittualavalta. Kappaleen tarkan paikoituksen hoitaa tarrain tai paikoitukseen käytetäänerillistä paikoitusasemaa. Kuvan 4.3 kaltaisia asemointipöytiä käytetään hyvintyypillisesti ohutlevyjen robottisärmäyssovelluksissa.

30

Konenäköjärjestelmät

Konenäköjärjestelmä koostuu kamerasta, optiikasta, valaisusta, tietokoneesta,tiedonsiirtokorteista, tiedonsiirtoväylistä, ohjainlaitteista ja kaikista muistaoheislaitteista joiden avulla konenäöllä saatua informaatiota hyödynnetään.Perustoiminnat ovat kuitenkin samat, kuten kuvassa 4.4 on esitetty, riippumattasiitä miten järjestelmä on toteutettu.

Konenäköjärjestelmiä on pääasiassa kahdentyyppisiä eli tietokonepohjaisia ja älyka-merajärjestelmiä. Lisäksi on erikoiskohteisiin räätälöityjä sulautettuja järjestelmiä(taulukko 4.1). Tietokonepohjaisen järjestelmän etuja ovat suuri laskentakapasiteetti,joustava käyttöympäristö ja tunnistustoiminnot. Huonoihin puoliin voidaan lukeakalleus ja monimutkaisuus. Älykameroihin taas liittyy helppo käyttöönotto jakonfiguroitavuus sekä yksinkertaisuus. Lisäksi älykameroiden tiedonsiirronnopeusvaatimukset ovat pienemmät, koska tiedon prosessointi tapahtuu kameransisällä. Sulautetuissa järjestelmissä signaalin analysoinnin tekee sitä varten raken-nettu signaaliprosessori. Yleensä pyritään suureen nopeuteen rinnakkaisajon avulla.Sulautettuja järjestelmiä ei yleensä käytetä perinteisissä konepajateollisuudensovelluksissa.

KKKKKuva 4.3. uva 4.3. uva 4.3. uva 4.3. uva 4.3. Robottisärmäyssolu, jossa etualalla asemointipöytä.

31

Älykamerat

Älykameroissa kameraan on yhdistetty kuvanoton tahdistus, valaistuksenohjaus,kuvanotto, kuvankäsittely, mittatiedon käsittely ja ulkoinen I/O. Nämä voivat ollakaikki yhdessä kotelossa, mutta usein kamera, käsittely-yksikkö ja ulkoinen I/Oovat erillään.

Älykameran konfigurointiin käytetään kameran mukana toimitettavaa ohjelmistoa,jolla kameralle voidaan ”opettaa” haettavia piirteitä. Lisäksi järjestelmässä voiolla kehittyneempiä geometrisia- ja template-hakuja. Nykyisin ohjelmistoista löytyymyös kehittyneitä mittaustoimintoja.

Älykamerat soveltuvat hyvin teollisuusympäristöön ja sisältävät usein suoran kom-munikointituen muiden ohjausjärjestelmien, kuten robottien ja logiikoiden kanssa.Lisäksi yksinkertaisissa sovelluksissa älykameralla voidaan ohjata laitteita ilmanerillisiä ohjausjärjestelmiä. Älykameran käyttö soveltuu hyvin hajautettujenkinjärjestelmien rakentamiseen, etenkin kun käytetään saman laitetoimittajankomponentteja. Lisäksi kameroiden ohjelmointi tapahtuu pääasiassa graafisenkäyttöliittymän avulla, jolloin ei tarvita ohjelmointikielen osaamista.

KKKKKuva 4.4. uva 4.4. uva 4.4. uva 4.4. uva 4.4. Konenäköjärjestelmän informaatioketju.

32

Tietokonepohjaiset kamerat

Tietokonepohjainen järjestelmä koostuu ohjaustietokoneesta, sille suunnitellustakonenäköohjelmasta, tiedonsiirtokortista, kuvanottokortista, kamerasta ja erillisistävalaisulaitteista. Järjestelmään on aina mahdollista liittää useampia kameroita. Mikälikäytetään digitaalista kameraa, erillistä kuvanottokorttia ei tarvita vaan riittää kun käytössäon nopea verkkokortti (1Gt). Mikäli halutaan liittyä muihin ohjausjärjestelmiin, tarvitaanteollisuusväyläkortti kuten esim. DeviceNet tai Profibus. Lisäksi tarvitaan ohjelmistoesim. TwinCat tai vastaava, jonka kautta tiedonsiirto väyläkortille tehdään.

Tietokonepohjaisissa järjestelmissä etuna on joustavuus ja tietokoneiden suurilaskentateho. Lisäksi järjestelmää on helppo laajentaa ja muuttaa tarpeen mukaan.Toisaalta järjestelmä on monimutkaisempi toteuttaa ja vaatii myös sovelluskohtaistaohjelmointia. Ongelmia voi tulla myös eri valmistajien laitteiden ja ohjelmistojenyhteensopivuudessa.

Tietokonepohjainen järjestelmä voidaan toteuttaa joko suoraan käyttäen kaupallisiaohjelmia tai järjestelmä voidaan ohjelmoida jollakin yleisellä ohjelmointikielellä, jolloinkäytetään jonkun ohjelmistotoimittajan konenäkökirjastoja.

Konenäköjärjestelmän suunnittelun lähtökohdat

Järjestelmän suunnittelu lähtee yleensä siitä millaisia kappaleita, miten tarkasti jamillaisissa olosuhteissa niitä halutaan tunnistaa. Kappaleen tärkeimpiä tietoja ovat:

• koko• väri/pinta• muoto

Koko vaikuttaa kuvausetäisyyteen ja valittavaan optiikkaan. Väri tai sen vaihtelu jamyös pinnan heijastavuus sekä kappaleen muoto vaikuttavat valaistuksen suunnitteluun.

TTTTTaulukko 4.1.aulukko 4.1.aulukko 4.1.aulukko 4.1.aulukko 4.1. Eri järjestelmien ominaisuudet.

ÄlykameratÄlykameratÄlykameratÄlykameratÄlykamerat PCPCPCPCPC-pohjainen-pohjainen-pohjainen-pohjainen-pohjainen SulautettuSulautettuSulautettuSulautettuSulautettu

Päivitettävyys Huono Hyvä Huono/hyväMuokattavuus Huono Hyvä Erittäin hyväKameroita/prosessointiyksikkö 1-4 1-n. 1-n.Ohjelmoinnin helppous Helppo Kohtalainen TyöläsOhjelmoinnin joustavuus Huono Hyvä KohtalainenVaadittu asennustila Pieni Suuri Pienin

33

Ympäristöstä on tiedettävä:• vallitsevan valon määrä• valaistuksen vaihtelevuus• ilmassa olevat epäpuhtaudet

Vallitsevan valon määrä vaikuttaa tarvittavaan valaistukseen ja valon vaihtelu taasmahdollisiin hajavalon suojaus tarpeisiin. Ilman epäpuhtaudet taas vaikuttavatkuvausta häiritsevästi sekä aiheuttaa lisätarvetta kameran objektiivin suojaamiseen.Haluttu tunnistustarkkuus taas vaikuttaa:

• kameran kennokoon/resoluution valintaan• optiikan valintaan• kuvausetäisyyden suunnitteluun

Mitä parempi tarkkuus halutaan, sitä suurempi tulee olla kameran resoluution jasitä lähempää kappaletta pitää päästä kuvaamaan. Tästä aiheutuu taas ristiriita siitäkuinka isoja kappaleet ovat ja miltä etäisyydeltä ne sopivat valitun kameran jaobjektiivin kuva-alueelle.

Savonia-ammattikorkeakoulun hitsauslaboratorion konenäköjärjestelmä

Kun hitsauslaboratorion hybridivalmistussolun konenäköjärjestelmää alettiinsuunnitella, puuttui lähes olennaisin lähtötieto eli millaisia kappaleita on tarkoitustunnistaa. Siksi lähtökohdaksi valittiin valistunut arvaus mahdollisista kappaleista.Kappaleen kooksi valittiin normaali FIN-lavalle (1000x1200) sopiva maksimissaan400mm korkea teräspintainen tuote tai sen osa.

Koska järjestelmästä haluttiin mahdollisimman joustava ja jota pystyttäisiinjälkikäteen muokkaamaan, valittiin toteutustavaksi PC-pohjainen järjestelmä. Lisäksitässä vaiheessa päätettiin toteuttaa koko solun ohjausjärjestelmä, jonka avullavoitaisiin valita kameroiden, robottien ja särmäyspuristimen ohjelmat.

Kameroiden valinta

Järjestelmään suunniteltiin kaksi erillistä kameraa, toinen kuvaamaan lavaltahaettavia osia ja toinen tunnistamaan robotin tarraimessa olevan osan asemaa.Lavakameran tarkkuudeksi vaadittiin 3 mm, joka on riittävä siihen että kappalevoidaan poimia robotilla. Tarraimesta kuvaavan kameran tarkkuudeksi vaadittiin0,3 mm, jotta paikoitustarkkuus riittäisi osan asemointiin. Paikoitustarkkuudenvaatimus hitsauksen osalta on noin 0,5 x langan paksuus, mutta hitsattavien osiensovituksen mittatoleranssi saattaa olla tätäkin pienempi.

34

Kun kameroita valittiin, pidettiin mielessä että haluttu spatiaaliresoluutio (pikselinkoko millimetreissä) pitää olla vähintään kaksinkertainen pienimpään tunnistet-tavaan yksityiskohtaan nähden (taulukko 4.2). Tunnistustarkkuus riippuutunnistuksessa käytettävästä algoritmista:

• reunan etsiminen 1/3 pikseliä• blob 3 pikseliä• hahmon sovitus 1 pikseli

Kameroiden objektiivit valittiin siten että niillä saatiin haluttu FOV (Field OfView, kameran näkemä kuva-ala) halutulta kuvausetäisyydeltä (kuva 4.5).

Valitut kamerat ovat suoraan Ethernet verkkoon liitettäviä GigE tyyppisiäkameroita. Taulukosta 4.3 näkyvät muut tekniset tiedot.

KKKKKuva 4.5.uva 4.5.uva 4.5.uva 4.5.uva 4.5. Kameran näkemä kuva-ala (FOV).

TTTTTaulukko 4.2.aulukko 4.2.aulukko 4.2.aulukko 4.2.aulukko 4.2. Kuva-alat ja spatiaaliresoluutiot, joista on laskettu kennon koot.

LavakameraTarrainkamera

KKKKKuva-ala (L)uva-ala (L)uva-ala (L)uva-ala (L)uva-ala (L)mmmmmmmmmm

1200200

KKKKKuva-ala (K)uva-ala (K)uva-ala (K)uva-ala (K)uva-ala (K)mmmmmmmmmm

1000150

SpatiaaliresoluutioSpatiaaliresoluutioSpatiaaliresoluutioSpatiaaliresoluutioSpatiaaliresoluutio(mm/pix)(mm/pix)(mm/pix)(mm/pix)(mm/pix)

1,50,15

KKKKKennon leveysennon leveysennon leveysennon leveysennon leveys(pix)(pix)(pix)(pix)(pix)

8001334

KKKKKennon korkeusennon korkeusennon korkeusennon korkeusennon korkeus(pix)(pix)(pix)(pix)(pix)

6671000

35

Ohjelmistojen valinta

Järjestelmän toteuttamiseksi tarvittiin ohjelmistoja neljään eri tarkoitukseen: Ylemmäntason käyttöliittymään, konenäön käyttöliittymään, konenäkökirjastoon ja väylänohjaukseen. Ylemmän tason käyttöliittymän ohjelmointikielen valitsi ohjelmistontoimittaja ja se on toteutettu MS Visual Basic ohjelmistolla.

Konenäön käyttöliittymä rakentamiseen valittiin MS Visual Studio.net jakonenäkökirjastoksi valittiin National Instrument Machine Vision. Kenttäväylänohjaukseen käytettiin PC:n profibus-kortin valmistajan Beckhoffin TwinCat-ohjelmaa.

Valinnassa kiinnitettiin huomiota ohjelmistojen yhteensopivuuteen ja yleisyyteen, jolloinniiden tuki oli hyvä ja helposti saatavilla. Lisenssit ko. ohjelmille olivat Savonia-ammattikorkeakoululla valmiina, lukuun ottamatta TwinCatin lisenssiä. Verrattunatilanteeseen, että lisenssit olisi täytynyt hankkia tätä nimenomaista hanketta varten,kustannuksia pystyttiin siis alentamaan.

Tiedonsiirtokorttien valinta

Kenttäväyläksi valittiin Profibus-väylä, jolloin robottien osalta tiedonsiirtokorttienvalinnassa ei ollut juuri vaihtoehtoja. Robotteihin sopivat robottitoimittajan omatProfibus- tai DeviceNet-tiedonsiirtokortit. Ylemmäntason ohjausjärjestelmän toimittajavalitsi PC-Profibus tiedonsiirtokortiksi Beckhoffin-valmistaman kortin, aikaisempienhyvien kokemusten perusteella. Kameroiden kanssa tiedonsiirtoon käytettävä korttioli normaali 1Gt tiedonsiirtonopeutta tukeva Intelin valmistama verkkokortti.

TTTTTaulukko 4.3. aulukko 4.3. aulukko 4.3. aulukko 4.3. aulukko 4.3. Valittujen kameroiden tekniset tiedot.

LLLLLavakameraavakameraavakameraavakameraavakamera TTTTTarrainkameraarrainkameraarrainkameraarrainkameraarrainkamera

Tyyppi CM-140GE CM-200GEResoluutio 1392x1040 1624x1236Kennon koko (") 1/2” 1/1.8"Tiedonsiirtoliityntä GigE GigEObj. Kiinnitystapa C-Mount C-MountOptiikka Megapixel 16mm Megapixel 16mm

1.4-C 2/3" W 1.4-C 2/3" WPolttoväli 16 mm 16 mmF-luku 1.4 1.4Kiinnitys C-Mount C-Mount

36

Hitsauslaboratorion konenäköjärjestelmän rakenne

Kuvassa 4.6 on kuvattu järjestelmän rakenne ja laitteiden väliset kytkennät.

Tarkemmat laitetiedot:• PC-tietokone: Profibus- ja Ethernet-tiedonsiirtokortilla• OTC-robotti:Profibus-tiedonsiirtokortilla• Nachi-robotti:Profibus-tiedonsiirtokortilla• CM-140GE kamera GigE-liitynnällä• CM-200GE kamera GigE-liitynnällä• Finnpower särmäyspuristin Ethernet-liitynnällä

Lavakuvauspaikan valaisuun käytettiin katokseen asennettuja loisteputkia. Lisäksilavapaikalle asennettiin verho, joka suojaa kuvausaluetta ulkoa ikkunoista tulevaltahajavalolta. Tarrainkamerassa valaisuun käytettiin aluksi neljää LED-valaisinta,mutta myöhemmin sitä täydennettiin halogeenitaustavaloilla.

Toiminnan kuvaus

Tietokoneella olevalla ylemmän tason ohjausjärjestelmällä hallitaan tuotekohtaisia,roboteilla, kameroilla ja särmäyspuristimella käytettäviä ohjelmia (kuva 4.7). Lisäksiohjelmalla ohjataan robottien käynnistystä ja ajotilojen muutoksia sekä saadaantietoa robotilta tulevista ilmoituksista. Lataamalla robotille tuotekohtainentyökalutiedosto, voidaan ohjelmalla myös valita kappaleenkäsittelyrobotillakäytettävien työkalujen työkalupisteet. Ohjausohjelma liittyy muuhun järjestelmäänProfibus- ja Ethernet väylän kautta, sekä ohjelmallisesti konenäön hallinta-ohjelmaan.

Konenäön hallintaohjelmalla järjestelmälle opetetaan haettavat kappaleet. Tiedottuotekohtaisista osista tallennetaan tietokantaan tai kuvatiedostoihin ohjaustieto-koneelle. Kun kuvassa 4.7 näkyvällä AXProgs-ohjelmalla valitaan tietty tuote, niin

KKKKKuva 4.6.uva 4.6.uva 4.6.uva 4.6.uva 4.6. Konenäköjärjestelmän rakenne- ja tiedonsiirtokaavio.

37

tuotteeseen liittyvien osien tiedot ilmestyvät kuvassa 4.8 näkyvän Hitvision-ohjelman näyttöön. Jokainen tuotteen osa täytyy opettaa Hitvisioninopetustoimintojen kautta.

KKKKKuva 4.7.uva 4.7.uva 4.7.uva 4.7.uva 4.7. Ylemmän tason ohjausjärjestelmän käyttöliittymä.

KKKKKuva 4.8.uva 4.8.uva 4.8.uva 4.8.uva 4.8. Näkymä Hitvision-ohjelman käyttöliittymästä.

38

Lavalla olevien kappaleiden tunnistus perustuu geometriseen tunnistukseen, jolloinjokaisesta haettavasta kappaleesta tallennetaan mallikuva tuotehakemistoon.Mallikuva sisältää tiedot tunnistettavista piirteistä. Tunnistettavia piirteitä voidaanmuokata NI Vision Assistant –ohjelmalla (kuva 4.9). Hakupiste joka on robotintyökalun origo, voidaan määritellä mihin tahansa kohtaan kappaleen pinnalla.Opetusvaiheessa robotille opetetaan tämä hakupiste ja kappaleen löytyessä eri pai-kasta konenäköjärjestelmä havaitsee siirtymän ja kiertymän tähän pisteeseennähden.

Tarrainkameran tunnistus perustuu reunan hakuun. Opetusvaiheessa voidaanmääritellä mistä suunnasta määritellyllä alueella olevaa reunaa lähdetään hakemaan.Tunnistuksessa haetaan kaksi reunaa, joiden leikkauspisteessä on referenssipiste(kuva 4.10). Käytännössä tämä tarkoittaa että robotin työkalupisteen origon täytyyolla tässä pisteessä, jotta saatua kiertymä tietoa voidaan käyttää hyväksi.Kiertymäkulma Z-akseli ympäri saadaan ensimmäisen reunan kiertymänmuutoksesta. Saatu alkuperäinen tieto tallennetaan tietokantaan, josta se voidaanhakea tarvittaessa.

KKKKKuva 4.9.uva 4.9.uva 4.9.uva 4.9.uva 4.9. Lavakappaleen kuva, josta on poistettu ylimääräisiä tunnistettavia piirteitä.

39

Kameran informaatio muutetaan Hitvisionissa reaalimaailman mitoiksi, jotkalähetetään kappaleenkäsittelyrobotille sen jälkeen, kun robotti on lähettänytkuvattua osaa vastaavan tunnistenumeron. Tiedonsiirto robottiohjaimien jaohjaustietokoneen välillä tapahtuu Profibus-väylän kautta.

Robottiin tarvitaan aina käyttäjäohjelma, joka pyytää tietoja ohjausjärjestelmältäja odottaa että siirtymätiedot on saatu konenäköjärjestelmältä. Sen jälkeen tiedotovat käytettävissä siirtorekistereissä missä kohtaa ohjelmaa tahansa. Uudenkappaleen tietojen tullessa vanhat siirtymätiedot kirjoitetaan yli.

Robotti käyttää saatuja aste- ja millimetritietoja siirtymätietona suhteessa opetettuunpisteeseen. Riippuen tapauksesta robottia voidaan ajaa joko työkalu- taikäyttäjäkoordinaatistossa. Robotilla Z-akselin suuntainen kierto tapahtuu ainarobotin työkalupisteen origon ympäri. Kierron taso on xy-taso ja tason suuntamääräytyy käytössä olevasta koordinaatistosta.

Konenäköjärjestelmän käyttöönotto

Koska suurin osa ohjelmistosuunnittelusta oli tehty kahdessa eri paikassa ja ilmanrobotteja, tuli käyttöönottovaiheessa testata koko järjestelmän toimivuus.Testikappaleiksi valittiin korkea holkki, epäsymmetrinen levykorvake ja suorakulmiolevyosa.

KKKKKuva 4.10.uva 4.10.uva 4.10.uva 4.10.uva 4.10. Näkymä tarrainkameraa opetettaessa.

40

KKKKKuva 4.13.uva 4.13.uva 4.13.uva 4.13.uva 4.13. Levy, paksuus 5mm, äärimitat 120mm x 180mm.

KKKKKuva 4.11.uva 4.11.uva 4.11.uva 4.11.uva 4.11. Korvake, paksuus 25mm, äärimitat 105mm x 95mm.

KKKKKuva 4.12.uva 4.12.uva 4.12.uva 4.12.uva 4.12. Holkki, halkaisija 150mm, korkeus 120mm.

41

Kuvat 4.11, 4.12 ja 4.13 ovat lavakameralla otettuja kuvia testikappaleista. Niidenympärillä näkyy tummia ”tahroja” jotka ovat alustan likaisuudesta johtuvia. Joissakintapauksessa alustan likaantuminen voi johtaa vääriin tunnistuksiin. Lavakameran testeissäkäytettiin valkoista aluspahvia ja ylhäältä valaisua. Tarrainkameran testissä käytettiinkameran suunnasta tulevaa, kappaletta kohti suunnattua valaisua.

Testauksessa suurimmat puutteet olivat konenäköohjelman toimivuudessa. Tämä olijokseenkin odotettua koska ohjelmointityö oli kertaluontoinen ja siitä ei ollut juurikaankokemusta. Tiedonsiirron testauksessa Profibus-väylän osalta ei ilmennyt merkittäviäongelmia, mutta kameroiden ethernet tiedonsiirron ongelmat aiheuttivat kone-näköohjelman kaatumisia. Testaus vaiheessa huomattiin että laboratorion tietoverkkotoimikin 100Mt nopeudella vaikka tietohallinnosta oli annettu ymmärtää käytössä olevan1Gt verkko. Tämän havainnon jälkeen rakennettiin oma verkko reitittimeltä tietokoneelleja kameroille.

Testauksissa huomattiin että korvake oli helpoiten tunnistettavissa oleva kappale jasen osalta ei tunnistuksen luotettavuudessa ollut ongelmia. Ainoat ongelmat ko.kappaleen kanssa liittyivät robotin ulottuvuuteen. Mikäli kappale oli sijoitettu lavalleepäedulliseen asentoon, robotti ei pystynyt sitä hakemaan. Tämän takia ohjelmankäyttöliittymään rakennettiin mahdollisuus rajoittaa tunnistettavan kappaleen kiertoa.Käytännössä tämä tarkoittaa, että kappaletta ei tunnisteta jos se on kiertynyt enemmänkuin on sallittu suhteessa opetettuun paikkaan.

Holkin tunnistaminen oikein oli yllättävän hankalaa, vaikka kyseessä on pyöräh-dyskappale. Ensiksikin sorvattu kiiltävä kappale aiheuttaa heijastuksia. Toiseksi holkkion korkea kappale ja sen siirtäminen kameran keskilinjasta sivuun aiheuttaa virheentunnistuksen sijainnissa. Tätä eliminoimaan ohjelmistoon lisättiin algoritmi, joka ottaahuomioon kappaleen korkeuden tunnistuksessa. Kappaleen korkeus syötetään käsinopetusvaiheessa. Toinen ongelma liittyi myös holkin korkeuteen ja se näkyy kuvassa4.14.

KKKKKuva 4.14.uva 4.14.uva 4.14.uva 4.14.uva 4.14. Kameran keskilinjalta pois olevan holkin kuva.

42

Holkin seinämät ja alapää muodostavat kuvaan varjon, joka vaikeuttaa tunnistusta.Ongelma oli kuitenkin helppo ratkaista poistamalla referenssikuvasta kaikki muutpiirteet, paitsi holkin ulompi kehä (kuva 4.15). Ulompaan kehään muodostuuviisteen ansiosta hyvin kuvassa näkyvä tumma ympyrä, joka on helppo tunnistaa.

Suorakaiteen muotoisen kappaleen tunnistuksessa oli ongelmana se, että haussakappale voidaan tunnistaa molemmin päin, joka aiheuttaa ongelmia robotinulottuvuuden kannalta. Siksi opetuskäyttöliittymään lisättiin myös kappaleenmuodon valinta. Valittavina on normaali-, symmetrinen- tai pyörähdyskappale.Kun kyseessä on symmetrinen kappale, voidaan sen tunnistuksessa käyttää siispoiminnan kannalta otollisempaa asentoa.

Testatessa ilmeni myös luotettavuus ongelmia, siten ettei kappaletta tunnistettulainkaan. Tämä taas aiheutti työkierron pysähtymisen. Ongelmaan haettiin ratkaisuakuvaamalla jokainen kappale automaattisesti kuusi kertaa ja mikäli tunnistus onnistuivähintään kaksi kertaa, niin tieto lähetettiin robotille. Muuten työkierto pysäytetään.Tästä lisäyksestä aiheutui kuvausprosessin hidastuminen, mutta sen katsottiin olevanpienempi haitta, kuin melko usein tapahtunut tunnistuksen epäonnistuminen.

Loppupäätelmät

Järjestelmän tyyppiä valittaessa ei valittu aivan helpointa tapaa toteuttaa järjestelmä.Johtuen siitä ettei meillä ollut tarjota toimittajille selkeää tuotetta minkä ympärillekonenäköjärjestelmä toteutettaisiin, konenäkötoimittajilta tulleet harvat tarjouksetolivat kalliita. Kustannussyistä toteutuksessa päädyttiin opinnäytetyöhön, jonkapuitteissa järjestelmä toteutettiin. Haittapuolina oli aikaisemman kokemuksen puutevastaavasta ohjelmointiympäristöstä ja järjestelmästä. Hyvänä puolena taas se ettäkaikki lähdekoodi, joka järjestelmään tehtiin, oli täysin avoimesti Savonia-

KKKKKuva 4.15.uva 4.15.uva 4.15.uva 4.15.uva 4.15. Holkin referenssikuva käsiteltynä.

43

ammattikorkeakoulun saatavilla. Tästä onkin ollut se hyöty, että järjestelmää onvoitu vapaasti muokata myös käyttöönoton jälkeen. Suurimmat muutokset mitäohjelmaan on tehty, ovat käyttöliittymän selkeyttäminen, kulman mittaustoiminnanlisääminen tarrainkameraan ja konenäköjärjestelmän käyttämisen mahdollistaminenmolemmilla robottiohjauksilla. Tarrainkameran kulmantunnistustoiminnollavoidaan todeta onko särmätty kulma tietyissä, ennalta määrätyissä, rajoissa. Tietoavoidaan käyttää robotilla kappaleen hyväksymiseen tai hylkäykseen. Kone-näköjärjestelmää voidaan muutoksen jälkeen käyttää kappaleenkäsittelyrobotinohjaimen kanssa, mutta myös molempien robottien ollessa hitsausrobotinohjauksen alla.

Suurimmat ongelmat konenäön käytössä tulevat valaistuksesta tai kappaleidenpinnan värin vaihtelusta. Voidaan sanoa että erilaisille kappaleille täytyisi ollamahdollisuus käyttää erilaisia valaisutekniikoita. Myös kappaleiden olisi hyvä ollaesim. kuulapuhallettuja väri vaihteluiden eliminoimiseksi. Varsinkin osittainruosteiset kappaleet aiheuttavat ongelmia tunnistukseen.

Lisäksi on huomattu että monille testauksiin tulleille kappaleille lavapaikan kokoinentunnistusalue on liian pieni. Tähän voitaisiin hakea ratkaisua tulevaisuudessa jokolisäämällä lavapaikalle toinen kamera tai vaihtamalla kamera sellaiseksi jossa onparempi resoluutio ja samalla muuttamalla objektiivi laajakulmaisemmaksi.

Järjestelmää on testattu eri yritysten case-tuotteilla ja huomattu se useimmissatapauksissa riittävän tarkaksi ja luotettavaksi, jotta sitä voidaan käyttää hybridi-valmistussolussa hitsauskokoonpanoon.

44

Lähteet

1. Aimonen Pertti: Ohutlevy 1/2010.2. FOV-kuva: [verkkodokumentti] [viitattu 10.9.2010] Saatavissa: http://www.adome.net/catalog/information.php/info_id/10.

3. Lee, B.Y. & Juan, H. & Yu, S.F: A Study of Computer Vision for Measuring,2002.

4. Manufacturing Technollogy: vol 19. s.295–301, Compendex.

5. Remes Mikko: Konenäköpohjainen joustava kappaleensyöttö robottihitsauksessa,Diplomityö TUT, 2009.

6. Robottisärmäyssolukuva: [verkkodokumentti] [viitattu 10.9.2010] Saatavissa:http://fi.wikipedia.org/wiki/Tiedosto:Bend_press_Robot.png.

7. Surface Roughness in the Turning Process, International Journal of Advanced.

8. Uusitalo J. Prusi T: Konenäön luentomateriaali ,Tampereen teknillinen yliopisto.

45

5. Optinen railonseuranta robottihitsauksessa

Esa Jääskeläinen

Taustaa

Robotisoidussa hitsauksessa railon hakua ja seurantaa tarvitaan hitsien pai-koitukseen. Tyypillisin railonhaun toteutustapa on käyttää kosketukseen perustuvaasähköistä anturointia. Yleensä tähän tarkoitukseen käytetään hitsauspistoolinkaasusuutinta tai lisäainelankaa ja hitsausvirtalähdettä, jolloin hitsauspistoolin kos-kettaessa työkappaletta saadaan robotin ohjaukseen paikkatieto hitsausvirtapiirinsulkeutumisen kautta.

Vastaavasti yleisin tapa toteuttaa railonseuranta on käyttää hitsauksen valokaarenläpi tapahtuvaa hitsausvirran ja jännitteen mittausta. Hitsauspistoolia liikutetaanhitsausrailon poikkisuunnassa eli tehdään levitysliikettä (kuva 5.1), jolloin lähinnähitsausvirrassa, mutta myös jännitteessä tapahtuu muutoksia vapaalangan pituudenvaihtelun mukaisesti. Muutoksista saadaan ohjaustieto robotin rataohjaukseen,jolloin hitsi saadaan suunnattua keskelle railoa.

KKKKKuva 5.1.uva 5.1.uva 5.1.uva 5.1.uva 5.1. Hitsauksen levitysliike.

46

Optisen railonseurannan tutkimus ulottuu ainakin 1980-luvulle. Edellä mainittujenrailonhaku ja seurantatekniikoiden valta-asemaa se ei ole kuitenkaan päässythorjuttamaan. Perinteinen tekniikka on todettu toimivaksi useimmissa tapauksissa,joten voidaankin esittää kysymys mihin optista railonseurantaa sitten tarvitaan.Optisen laitetekniikan suuri etu on mittauksen kosketuksettomuus ja sitä kauttanopeus. Optisesti saadaan myös monipuolisempaa informaatiota hitsauksenhallintaan, kuten hitsausrailon tilavuus tai jo hitsattujen palkojen muoto ja koko.Tätä lisäinformaatiota voidaan haluttaessa hyödyntää hitsausparametrien reaali-aikaiseen säätöön, josta usein käytetään nimitystä adaptiivinen hitsaus.

Toimintaperiaate

Tässä yhteydessä on esitelty strukturoidun valon käyttöön perustuvaa menetelmää,jossa seurantalaitteisto koostuu valonlähteestä (laser), heijastavaa valoa mittaavastafotodiodi-matriisista (kamera) sekä optiikasta. Valonlähde, kamera ja optiikka onintegroitu ja koteloitu kuvan 5.2 mukaisesti. Tästä kokonaisuudesta käytetään

KKKKKuva 5.2.uva 5.2.uva 5.2.uva 5.2.uva 5.2. Servo-Robot DIGI-I/S laserkamera kiinnitettynä OTC 6MV6L-robotin käsivarteen.

47

jatkossa nimitystä laserkamera. Laserkameran lisäksi tarvitaan laitteistonohjausyksikkö sekä kuvankäsittelyn ja laitteiston ohjauksen mahdollistavaohjelmisto. On myös olemassa muita optisen railonseurannan tekniikoita, kutenlasersäteen pyyhkäisyyn ja pyöritykseen perustuvat menetelmät, mutta strukturoituvalo edustanee kaikkein yleisintä laitetekniikkaa.

Laserkamerassa laserin valo hajotetaan valotasoksi, joka projisoidaan hitsaus-pistoolin eteen (kuva 5.3). Valojuovaa tarkastellaan kameralla hieman vinosta suun-nasta, jolloin railon geometrian ja sijainnin perusteella valojuova muuttaa muotoaanja paikkaansa kameran kuvakentässä. Muutoksia havainnoidaan tehtäväänsoveltuvalla ohjelmistolla, joka tuottaa ohjaustietoa sekä hitsauksen rataohjaukseenettä mahdollisesti myös hitsausparametrien hallintaan.

HitSavonia laboratorion järjestelmä

HitSavonia laboratorion tutkimuskäyttöön hankittu järjestelmä on KanadalaisenServo-Robot Inc:n valmistama. Järjestelmä koostuu DIGI-I/S laserkamerasta,RoboNet/Master ohjausyksiköstä ja Weldcom ohjelmistosta. Seurantalaitteisto onkytketty OTC MV6L hitsausrobottiin. Hitsausprosessina käytetään Mig/Mag-hitsausta.

KKKKKuva 5.3.uva 5.3.uva 5.3.uva 5.3.uva 5.3. Laserkameran toimintaperiaate.

48

DIGI-I/S laserkamera koostuu 80 mW 3b-luokan diodilaserista ja laservalonaallonpituutta mittaavasta fotodiodimatriisista sekä tarpeellisista apulaitteista, kutenoptiikasta. Kuvaus tapahtuu 3D-mailmassa. Kuvauksen etäisyys vaikuttaaresoluutioon, mutta keskimääräinen resoluutio on syvyyssuunnassa (Z-akseli) 0,075mm ja kuvaustasossa (XY-taso) 0,035 mm. Myös kuvausalueen leveys riippuukuvausetäisyydestä ja vaihtelee 23…45 mm välillä. Suurin kuvausnopeus on 1000kuvaa sekunnissa.

RoboNet/Master ohjausyksikkö toimii laserkameran, robotin ohjausyksikön jaerillisessä PC-koneessa toimivan Weldcom ohjelmiston solmupisteenä. Weldcomohjelmistolla hallitaan hitsausrailon havainnointijärjestelmän parametreja.Tärkeimpiä säädettäviä asioita ovat laserin tehotaso, heijastumien ym. häiriöidensuodatus, railon tunnistuksen algoritmit, seurantapisteen määrittely ja hitsaus-parametrien säätöön (adaptiivisuus) liittyvät asiat.

Kun WeldCom ohjelmiston kautta tapahtuu laserkameraan liittyvien parametriensäätö, niin pääosa robotin liikehallintaan liittyvistä parametreista säädetään robotinoman ohjauksen kautta. Tästä poikkeuksena on railon mittauksen kautta saatavatakaisinkytkentätieto robotin liikehallintaan ja hitsauksen parametritietoihin, jotkasiis säädetään WeldCom ohjelmistolla. WeldCom ohjelmistossa käytetään tästäprosessin aikaisesta parametrien säädöstä nimitystä adaptiivinen ohjaus. Kyseessäei kuitenkaan ole terminologisesti aivan aito adaptiivinen ohjaus, sillä se vaatisihitsauksen valokaaren ja hitsisulan tarkkailu kautta saatavan täysin reaaliaikaisenohjaustiedon. Railon dimensioiden mittauksella kuitenkin päästään hyvin lähelleaitoa adaptiivista hitsausta.

KKKKKuva 5.4.uva 5.4.uva 5.4.uva 5.4.uva 5.4. WeldCom ohjelmiston railomuodot.

49

Laitteiston ohjelmointi ja ohjaus

Tyypillisesti uuden railon opetus WeldCom-ohjelmistolla aloitetaan valitsemallahitsausrailon perusmuoto (Recognition Algorithm). Vakiorailomuotoja on kaksitoista(kuva 5.4), jonka lisäksi reiän haulle löytyy oma algoritmi (Hole). Mikäli yksikäänperusmuoto ei sovellu, on vielä mahdollisuus yrittää kameralla näkyvän muodontallennusta seurattavaksi profiiliksi (Template).

Kun perusmuoto on valittu oikein ja siihen liittyvät parametrit säädetty kohdalleen,Weldcom ohjelmisto mahdollisesti jo tunnistaa kuvattavan railon. Usein oletus-asetuksilla kuvan tunnistus on kuitenkin epävakaata. Epävakautta, joka pääasiassajohtuu eri materiaalien ja pinnanlaatujen heijastuvuuseroista, voidaan vähentääsäätämällä lasertehoa, muuttamalla kameran asetuksia ja kuvan suodatusta.Lasertehon säätö voidaan usein jättää automatiikan huoleksi, mutta kameranasetuksista lähinnä näytteenoton tarkkuutta ja taajuutta sekä kuva-alueen kokoavoidaan joutua muuttamaan. Vastaavasti suodatusparametreille voidaan joutuakokeellisesti hakemaan oikeita arvoja. Suodatuksen suhteen ehkä vaikein tilanneon laservalon siroutuminen tähtimäiseksi kuvioksi railopinnoille.

Lopuksi määritellään seurantapiste suhteessa railoon. Kuvan 5.5 hitsausrailossanäkyvät ns. Break Pointit eli kuvan nollasta seitsemään numeroidut tunnistuspisteet.Näiden Break Pointtien avulla määritetään varsinainen seurantapiste, joka on kuvan

KKKKKuva 5.5.uva 5.5.uva 5.5.uva 5.5.uva 5.5. Osaviistetty V-railo laserkameralla katsottuna.

50

x-merkki. Seurantapiste vastaa robotin työkalupistettä ja se voidaan määrittää Z jaY eli korkeus ja leveyssuunnassa erikseen. Kuvassa seurantapiste on määritettysekä Z että Y suunnassa Break Pointtien 1 ja 5 puoliväliin eli hitsausrailon yläreunankeskelle. Usein seurantapiste kannattaa määrittää railon yläreunan suhteen, silläkameran kuvassa yläreuna näkyy paremmin, joka taas tarkoittaa parempaatunnistusvarmuutta ja sitä kautta luotettavampaa seurantaa. Hitsaustilanteessarobotin työkalupiste voidaan silti suunnata railon pohjaan käyttäen Z- ja Y-suuntaisiaoffset arvoja.

Prosessin aikainen parametrisäätö - ADAP

Kun robotin rataohjaus on saatu hallintaan, niin seuraavaksi voidaan siirtyäprosessin aikaiseen parametrien säätöön eli hitsauksen adaptiivisuuden ohjel-mointiin. Tämä tapahtuu Weldcom ohjelmiston ADAP osiolla. ADAP:a ei oleräätälöity yhtä tiettyä hitsausprosessia varten vaan sitä voidaan soveltaa yhtä laillalaserhitsaukseen kuin Mag-hitsaukseen tai esim. Tig-hitsaukseen. Kunlaserkameralta saadaan hitsausrailon geometriatieto, niin ADAP:lla toteutetaantarpeelliset algoritmit käytössä olevan hitsausprosessin säätöön.

Säätöalgoritmit muodostetaan geometriatiedon pohjalta joko laskennallisestikäyttäen yhtälöitä ja funktioita tai ne perustuvat hitsauskokeiden kautta muo-dostettuun säätöarvotaulukkoon. Laskentaa ja säätöarvotaulukkoa voidaan käyttäämyös yhdessä. Säätöarvotaulukkoa kannattaa käyttää aina, kun säädettävän para-metrin ja lähtöarvojen välille ei ole helppo rakentaa matemaattista mallia tai kunhitsauksessa käytettävät arvot perustuvat koehitsauksiin. Laskennassa voidaankäyttää normaaleja matemaattisia operaattoreita, mutta myös matemaattisia funk-tioita. Näiden lisäksi niin loogiset operaattorit kuin myös ehtolauseet ovatkäytettävissä.

Hitsausprosessin säädön mahdollistavat parametrit sekä niiden selitykset on esitettytaulukossa 5.1. Tuloparametrit (INPUT) antavat lähtöarvotietoa ja ulostulo-parametreilla (OUTPUT) säädetään hitsausprosessia.

Kun ajatellaan robottihitsausta ja käytössä on OTC:n AX-ohjaus, niin taulukon5.1 tuloparametreistä tärkeimmät ovat GAP, AREA ja MISMATCH. Vastaavastiulostuloparametrit P1-P5 riittävät useimmissa tapauksissa, sillä esim.hitsauspistoolin paikkaa suhteessa hitsausrailoon tai tarkemmin sanottunaseurantapisteeseen on helpompi säätää robotin ohjauksen kautta.

Taulukossa 5.2 on kuvattu esimerkkisyntaksi kuinka laskennallinen riippuvuusvoidaan toteuttaa. Sarakkeessa ”Name” määritellään vakioiden ja muuttujien nimetsekä nimetään ne ulostulo-parametrit, joita käytetään ohjauksessa. Vastaavasti

51

”=Equation” sarakkeessa annetaan vakiolle ja muuttujille arvot sekä toteutetaantarpeelliset laskutoimitukset.

Taulukossa 5.3 on esimerkki kuinka koehitsausten tulokset tulee esittää ohjelmalle.Sarakkeessa ”Key” määritellään taulukkoarvojen valintaa ohjaava tekijä, tässätapauksessa ilmarako. Vastaavasti arvosarakkeissa 1-5 määritellään säätöarvot. Säätöon siinä mielessä älykästä, että ADAP-ohjelmisto osaa interpoloida myöstaulukkoarvojen väliin jääviä lukuja. Taulukon 5.3 lukuarvot on keksittyjä, joten

TTTTTaulukko 5.2. aulukko 5.2. aulukko 5.2. aulukko 5.2. aulukko 5.2. Hitsausnopeuden ja railon poikkipinta-alan välille rakennettu laskennallinen riippuvuus.

Name =Equation

Oletuspinta-ala 36Oletushitsausnopeus 3000Mitattu_pinta-ala AREAMuutoskerroin Oletuspinta-ala/Mitattu_pinta-ala-1Hitsausnopeuden_muutos Muutoskerroin*OletushitsausnopeusP1 Hitsausnopeuden_muutos

TTTTTaulukko 5.1.aulukko 5.1.aulukko 5.1.aulukko 5.1.aulukko 5.1. Hitsausprosessin adaptiiviseen säätöön liittyvät parametrit.

INPUTINPUTINPUTINPUTINPUT KKKKKuvausuvausuvausuvausuvaus MittausalueMittausalueMittausalueMittausalueMittausalue YksikköYksikköYksikköYksikköYksikkö

NBPT Break Pointtien lukumäärä. kplByn, Bzn Break Pointin Y-, Z-koordinaatit. n ilmaisee Break Pointin numeron. mmGAP Hitsausrailon ilmarako. ± 999,9 mmAREA Hitsausrailon poikkipinta-ala. 0,0… mm2

MISMATCH Hitsattavien kappaleiden välinen sovitusvirhe. ± 999,9 mmTPTYIN, -ZIN Seurantapisteen Y- ja Z-koordinaatit. mmEn, n+1 Break Pointtien n ja n+1 väline kulma. radVar1…Var10 Algoritmista riippuvia muuttujatietoja. mm/radGETTIMEMS Systeemikello, antaa sen hetkisen ajan. msDIGIN 8-bittinen digitaalisisääntulo.XPOS Työkalun X-koordinaattipaikka. Toimii vain 3D-seurannan yhteydessä. mmNOTMATCHED Tieto onko hitsausrailo löytynyt vai ei. (0 = löytynyt; 2 = ei löytynyt)

OUTPUTOUTPUTOUTPUTOUTPUTOUTPUT KKKKKuvausuvausuvausuvausuvaus SäätöalueSäätöalueSäätöalueSäätöalueSäätöalue YksikköYksikköYksikköYksikköYksikkö

P1 Hitsausnopeuden suhteellinen muutos. ± 99999 0,01 cm/minP2 Levitysliikkeen suuruus oikealle joko suhteellisena

tai absoluuttiarvona. ± 1000 0,1 mmP3 Sama kuin P2, mutta levitys vasemmalle. ± 1000 0,1 mmP4 Hitsausvirta-arvo joko suhteellisena tai absoluuttiarvona. 1… 0,041666667P5 Hitsausjännitearvo joko suhteellisena tai absoluuttiarvona. 1… 0,1 VSHIFTY Muuttaa hitsauspään paikkaa Y suunnassa. ± 99,9 mmSHIFTZ Muuttaa hitsauspään paikkaa Z suunnassa. ± 99,9 mmDIGOUT 8-digitaalista ulostuloa.ANOUT1, Analogiulostuloja, joiden arvoalue 0…4095 vastaa jokoANOUT2, -10V…10V tai 0…10V jumpperiasetuksista riippuen.ANOUT3

52

sellaisenaan ne eivät sovellu hitsaukseen. Taulukossa 5.4 on vastaavastiesimerkkisyntaksi kuinka taulukon arvoja voidaan hyödyntää hitsauksenparametrisäätöön.

Laserkameran käytettävyys

Verrattuna perinteisempiin hitsauksen yhteydessä käytettyihin robotin paikan jaliikeradan korjaustekniikoihin eli hitsausvirran ja jännitteen muutoksiinpohjautuvaan railonseurantaan sekä kosketukseen perustuvaan railonhakuun onlaserkameralla useita hyviä puolia, kuten:

• Sama laitteisto soveltuu lukuisille eri hitsausprosesseille.• Optinen seurantatekniikka toimii myös suurilla eli yli 2 m/min hitsausno- peuksilla.• Perusaine tai hitsausprosessi ei rajoita laitteiston käytettävyyttä. Voidaan käyttää esimerkiksi alumiinin Mig-pulssihitsauksen yhteydessä.• Tekniikka soveltuu lähes kaikille railotyypeille, myös hyvin pienille railoille, lähes ilmaraottomille päittäisliitoksille ja ohutlevyille.• 3D-railonhaku on nopea ohjelmoida ja suorittaa, yleensä yksi komento ja ohjelmarivi.• Esimerkiksi etäohjelmointia ajatellen, hitsauksen aloitus- ja lopetuspisteitä ei tarvitse ohjelmoida tarkasti, kunhan ko. kohdat jäävät kameran kuvaus- alueen sisäpuolelle ja poltinorientaatio on oikea.

TTTTTaulukko 5.3.aulukko 5.3.aulukko 5.3.aulukko 5.3.aulukko 5.3. Säätöarvotaulu, jossa yksi avainsarake ja viisi tulotietosaraketta.

KKKKKeyeyeyeyey 11111 22222 33333 44444 55555Ilmarako Hitsausnopeus Levitys_V Levitys_O Hitsausvirta Jannite

0 1000 0 0 250 2602 0 10 10 250 2604 -1500 20 20 200 190

TTTTTaulukko 5.4.aulukko 5.4.aulukko 5.4.aulukko 5.4.aulukko 5.4. Esimerkki säätöarvotaulun käytöstä parametrihallintaan.

Name =EquationIlmarako GAPRivi SELECTROW (Ilmarako)P1 GETCOLUMN(1)P2 GETCOLUMN(2)P3 GETCOLUMN(3)P4 GETCOLUMN(4)P5 GETCOLUMN(5)

53

• Railonhakupintojen sähkönjohtavuuteen vaikuttavat seikat kuten ruoste, pohjamaali tai lika ei yleensä heikennä haun luotettavuutta.• Railonseuranta ei ole levitysliikkeestä riippuvainen.• Monipalkohitsauksessa jokaisen palon hitsauksessa voidaan käyttää erikseen railon seurantaa ja mittausta.• Mahdollistaa prosessinaikaisen railomittaukseen perustuvan hitsauspara- metrien ja hitsauslaitteen ohjaustekniikan niin salliessa, myös hitsauspään orientaation säädön.

Esimerkki tilanteesta, johon optinen railonseuranta soveltuu hyvin. OsaviistettyT-liitos (kuva 5.6), joka on hitsattu yhdeltä puolelta, ilman juuritukea. Railonmittavaihtelu on ilmaraon ja juuripinnan osalta 0-2 mm. Koehitsauksissa haetaanääritilanteisiin soveltuvat hitsausparametrit, joiden perusteella ohjelma iteroi ainatilanteeseen sopivat hitsausarvot.

Vastaavasti laitteisto tuo mukanaan myös joitakin rajoituksia, kuten:• Tilantarve hitsauspään etupuolella, eli ei sovellu mm. ahtaisiin kotelora- kenteisiin.• Soveltuu huonosti tilanteisiin, jossa perusaineen pinnan kirkkaus eli la- sersäteen peilautuvuus vaihtelee paljon, etenkin jos railopintojen välillä on suuri kirkkausero.• Pienillä railodimensioilla perusaineen pinnassa olevat naarmut ym. saattavat heikentää seurannan luotettavuutta.• Vie yhden vapausasteen hitsauksesta eli laserkamera kääntyy hitsauspään mukana.• Railonseurantaa ei voida käyttää pienillä pyörähdysmuodoilla, tosin railon- haku onnistuu.

KKKKKuva 5.6.uva 5.6.uva 5.6.uva 5.6.uva 5.6. Robotilla yhdeltä puolelta läpihitsattu osaviistetty T-liitos (pintapalko puuttuu).

54

• Järjestelmän hallinta joudutaan hajauttamaan robotin ohjauksen ja erillisen PC:n välille

Esimerkki tilanteesta, johon optinen railonseuranta soveltuu huonosti. Kunlaserviiva tyypillisesti säädetään noin 20 mm etäisyydelle hitsauspään etupuolelle,niin halkaisijaltaan noin 100 mm tai pienemmän putken ja levyn välistä liitosta eivoida luotettavasti seurata kuvaan syntyvän vääristymän johdosta. Hitsauspään jalaserviivan etäisyys voidaan toki säätää pienemmäksi, jolloin vääristymä pienenee,mutta tällöin vastaavasti valokaari, hitsausroiskeet, hitsaushuurut ym. tekijät voivatheikentää laserviivan näkyvyyttä kamerassa.

HitSavonia laboratorion laitteistoa on sovellettu teräksen ohella myös alumiininhitsaukseen. Erään tällaisen alumiinihitsaustestin tuloksia on esitelty Raine LiutunLappeenrannan teknillisellä yliopistolla tekemässä kandidaattityössä. Alumiininhitsauksessa materiaalin hyvä heijastuvuus ja pinnan laadusta riippuva vaihteluheijastavuudessa, asettaa lisähaastetta parametrihallintaan. Toisaalta alumiinin suurilämpölaajeneminen korostaa railonseurannan merkitystä ja tarvetta.

Tähän asti kertyneen käyttökokemuksen perusteella laitteisto on todettu toimivaksi.Toistaiseksi kaikki ongelmat on voitu ratkaista parametrien oikean säädön kautta.Säädettävien parametrien runsaus lienee järjestelmän käytön yksi eniten opetteluavaativa osuus. Hyödyt suhteessa haittoihin on punnittava tapauskohtaisesti.Seuraavaksi on esitelty joidenkin hankkeen aikana tehtyjen case-tapausten toteutustaja tuloksia. Toivottavasti nämä testitapaukset auttavat ymmärtämään, minkätyyppisiin sovelluskohteisiin optisen railonseurannan käyttöä kannattaa harkita.

CASECASECASECASECASE: PYÖRÄHD: PYÖRÄHD: PYÖRÄHD: PYÖRÄHD: PYÖRÄHDYSSYMMETRINEN VYSSYMMETRINEN VYSSYMMETRINEN VYSSYMMETRINEN VYSSYMMETRINEN V-RAIL-RAIL-RAIL-RAIL-RAILOOOOO

Tämän case-tapauksen hitsausrailo liittyy erääseen pylväsrakenteeseen. Kyseistätuotetta ei ole katsottu järkeväksi hitsata robotilla, koska liitettävien osienvalmistusmenetelmästä johtuen railotilavuuden vaihtelu on suurta, joten tuotteenhitsaukseen päätettiin kokeilla optista railonseurantaa. Pylväsrakenteen suurehkonkoon takia tuotteesta suunniteltiin testikappaleita, joiden hitsausrailo vastasi täysinoikean tuotteen railoa.

Toteutus

Yritys toimitti koekappaleet ja antoi alustavat hitsausparametrit, joiden pohjaltahitsaustestejä lähdettiin suunnittelemaan. Koekappaleet silloitettiin valmiiksi jakappaleiden kiinnittäminen käsittelypöytään toteutettiin sorvipakkaa apunakäyttäen. Tämän jälkeen aloitettiin optisen seurannan parametrien haku.

55

Kokeet aloitettiin railon haun ja seurannan testauksella, jonka jälkeen oli tarkoitussiirtyä adaptiivisuuden testaukseen. Melko heti törmättiin ensimmäiseen ongelmaaneli seuranta ei toiminut vakaasti vaan hitsauspistooli ”ryömi” hitsausrailon eli X-akselin suuntaisesti. Tilannetta analysoitaessa todettiin, että ongelman täytyi liittyähitsausliikkeen toteutustapaan. Pylväsrakenteen hitsauksessa käytettiin ulkoisellaakselilla eli käsittelypöydällä toteutettua ympyräliikettä. Lukuisista kokeiluistahuolimatta ratkaisua ongelmaan ei kuitenkaan löydetty, joten testeissä otettiinaikalisä. Apua haettiin myös laitetoimittajan ServoRobot:n suunnalta, joka tekiomia testejään Kanadassa. Lopulta löydettiin OTC robotin ohjauksesta asiaanvaikuttava parametri ”Welding length correction”. Kyseisellä parametrilla voidaanskaalata hitsauspituutta siten, että ryömintäilmiö saatiin eliminoitua.

Kun parametrit oli saatu kohdalleen, niin itse hitsaus onnistui hyvin. Kuvassa 5.7näkyy hitsistä tehty hie, jossa neljännen palon juuren puolelle on jäänyt jokohuokonen tai paikallinen liitosvirhe. Todennäköisesti kyseessä on kuitenkinsatunnainen virhe, sillä muista kohdin hitsiä tehdyissä hieissä ei näkynyt mitäänepätavallista. Suojakaasuna käytettiin Woikosken Awomix kaasuseosta, jonkaArgonpitoisuus on 92% ja hiilidioksidipitoisuus 8%. Suojakaasun varsin matalahiilidioksidipitoisuus saattoi vaikuttaa virheen syntyyn. Hitsauslankana käytettiinG4Si1-tyypin umpilankaa (Lincolnin SupraMig), halkaisijaltaan 1,2 mm. Kolmellaensimmäisellä palolla seurantapiste oli railon yläpinnan puoliväli ja neljännellä elitoisella pintapalolla railon yläreunan ehjä särmä. Kuvan hitsin hitsauksessa eikäytetty adaptiivisuutta vaan hitsausparametrit oli säädetty ”keskimäärin” oikeaksi.

KKKKKuva 5.7.uva 5.7.uva 5.7.uva 5.7.uva 5.7. Pylväsrakenteessa esiintyvän nelipalkohitsin hie.

56

Loppupäätelmät

Testin päätelmänä todettiin, että joissakin käyttötilanteissa robotin hitsausliikeradanlaskentaa voidaan joutua parametrisesti korjaamaan, mikäli robotin työkalupistettäon siirretty Offset toiminnolla. Kyseistä robotin LSF-tiedostosta löytyvää Offsettoimintoa käytettiin palkojen kohdistukseen, sillä seurantapiste ja hitsauksentyökalupiste poikkesivat toisistaan. Ongelma liittyi ulkoisten akseleiden käytön jaympyräliikkeen yhdistelmään, sillä muissa testitilanteissa ei tähän ilmiöön törmätty.Itse hitsin seuranta onnistu ilman ongelmia ja railon täyttymistä on mahdollistakontrolloida mittaamalla railon poikkipinta-alaa. Seurantaa voidaan käyttää jokapalolla erikseen, joka sinällään parantaa hitsauksen onnistumismahdollisuuksia.Ensimmäisen palko voisi olla varminta hitsata ilman adaptiivisuutta, sillä mitäsyvempi ja kapeampi railo on, niin sen epävarmemmin sen pohja erottuukamerakuvasta. Muilta osin ei adaptiivisen seurannan käytölle tässä yhteydessä oleestettä.

CASECASECASECASECASE: LÄPIHITSA: LÄPIHITSA: LÄPIHITSA: LÄPIHITSA: LÄPIHITSATTTTTTTTTTAAAAAVVVVVA TA TA TA TA T-LIIT-LIIT-LIIT-LIIT-LIITOSOSOSOSOS

Läpihitsattava T-liitos oli optisen seurannan kannalta mielenkiintoinentutkimuskohde, sillä perinteisesti on ajateltu, ettei yhdeltä puolelta läpihitsattujuuritueton liitos ole luotettavasti mahdollista hitsata robotilla. Tuotetta, johonkyseinen railo kuuluu, ei kohtuudella voida siltä osin kuitenkaan muuttaa, jotenrobottihitsauksen käytön edellytys oli läpihitsauksen onnistuminen.

Toteutus

Yritys toimitti koekappaleet ja hitsaustestit aloitettiin niin sanotusti puhtaaltapöydältä, sillä kyseisen railon hitsauksesta ei ollut aiempaa kokemusta edeskäsihitsauksen osalta. Tutkimus aloitettiin hitsausparametrikokeilla. Parametrikokeetaloitettiin 1,0 mm paksuisella Esab OK Autrod 12.51 langalla. Aluksi kokeiltiinpulssihitsausta seuraavilla arvoilla: Hitsausvirta 260 A, langansyöttö 1800 cm/min, kaarijännite 30 V ja hitsausnopeus 50 cm/min. Saavutettu hitsi oli pinnanpuolelta erinomainen, mutta juuren puolen sulaminen oli hieman niukkaa.Laitetekniikasta johtuen langansyöttöä eli hitsauksen tehoa ei voitu kasvattaa ylituon 1800 cm/min, joten pulssihitsauksesta tällä langalla päätettiin luopua.

Seuraavaksi kokeiltiin hitsata tasavirralla, samalla langalla ja seuraavilla arvoilla:Hitsausvirta, juuripalko 312 A, langansyöttö 1800 cm/min, kaarijännite 33 V jahitsausnopeus 50 cm/min. Suuremman lämmöntuonnin ansiosta juuren sulaminenonnistui näillä arvoilla paremmin. Tässä yhteydessä päätettiin kokeilla myöslevitysliikkeen vaikutusta hitsiin. Levityksen arvot taajuus 4,0Hz ja suuruus ±0,7

57

mm. muuttivat sulan käyttäytymistä niin, että tyydyttävän lopputuloksensaavuttamiseksi täytyi hitsausnopeus laskea 45 cm/min. Silti juuri ei sulanut yhtähyvin kuin suoralla kuljetuksella.

Parametritestausta tehtiin myös 1,2 mm umpi- ja metallitäytelangoilla, joiden käyttöäpuoltaa suuremman sulatustehon käyttömahdollisuus. Paras juuren puolen sulanhallinta saavutettiin metallitäytelangalla, mutta kovin ratkaisevaa eroa eri lanka-tyyppien välille ei saatu.

Seuraavaksi kokeiltiin optisen seurannan käyttömahdollisuuksia. Railotyyppi tuottialkuun hieman vaikeuksia, sillä kuvan 5.8 mukainen railo ei suoraan vastaa yhtäkäänWeldCom ohjelman vakiorailotyyppiä. Alkuun kokeiltiin osaviistettyä V-railoa (HalfV Groove), mutta siitä luovuttiin kun huomattiin että ns. yleisrailolla (Generic Groove)saavutettiin luetettavampi railon tunnistus. Kaikkein luotettavin railon seurantaonnistui, kun railotyypiksi valittiin pienaliitos (Fillet), mutta tällöin ei voida käyttääadaptiivista hitsausparametrisäätöä, sillä pienaliitoksen yhteydessä ei voida mitatarailon poikkipinta-alaa eikä oikein ilmarakoakaan, koska kyseessä ei ole varsinainenpienaliitos.

KKKKKuva 5.8.uva 5.8.uva 5.8.uva 5.8.uva 5.8. T-liitoksen railokuva.

58

Kun kaikki parametrit oli saatu kohdalleen, niin suoran railon hitsaus käyttäenoptista railonseurantaa onnistui hyvin. Lisäksi kun poltinkulmaa säädettiin hiukanpystymmäksi mitä kuva 5.8 osoittaa, niin huomattiin että juuren puolen sula saatiinmelko hyvin hallittua ilman adaptiivista parametrisäätöä, vaikka railosovituksissaolikin pientä vaihtelua. Todellisissa hitsattavissa tuotteissa railo ei kuitenkaan ollutsuora vaan siihen liittyi pyörähdyssäteeltään jopa alle 100 mm kaarteita. Kaarteidenhitsaus asettaakin lisähaastetta optiselle railonseurannalle. Mitä pienempi onpyörähdyssäde, sen hankalampi on saada seuranta toimimaan luotettavasti. Kyseessäon tietyllä tavalla muna-kana ilmiö, sillä koska railoa kuvataan hitsauspistoolinedestä, niin kaarteiden kohdalla kuva vääristyy sitä enemmän mitä kauemmaksityökalupisteestä kuvauskohta on säädetty. Vastaavasti jos kuvauskohta säädetäänkovin lähelle niin valokaaren säteily, roiskeet ja hitsaushuurut voivat haitata kuvausta.Käytännöllinen kuvausetäisyys on noin 20±5 mm robotin työkalupisteenetupuolella.

Loppupäätelmät

Oikein säädetyllä laserkameralla ja hyvillä parametriasetuksilla kyseisen tuotteenhitsaus käyttäen optista railonseurantaa onnistuu. Suurimman haasteenmuodostavat tutkitun tuotteen alle 100 mm pyörähdyssäteellä olevat kaarrehitsit.Laserkameran kuva on saatava hyvin vakaaksi ja kuvausetäisyys pidettäväkohtuullisen pienenä. Lisähaasteen tähän tuo railopintojen välinen kirkkausero,sillä viiste on koneistettu ja toinen railopinta on raepuhallettu. Vetävä, neutraali taihyvin lievästi työntävä poltinkulma on paras. Mitä työntävämpi poltinkulma, senenemmän laserkameran kuvaan tulee valokaaresta johtuvia häiriöitä. Levitysliikkeenkäyttö heikentää melko paljon läpihitsautuvuutta, joten perinteisen hitsausarvojenmonitorointiin perustuvan railonseurannan käyttö ei tule tässä yhteydessäkysymykseen. Adaptiivisuuden käytössä on huomioitava, että suhteellisen kapeastarailokulmasta johtuen ei juuren puolen ilmaraon mittaus luotettavasti onnistu, silläkamera ei kovin hyvin näe railon pohjaa. Adaptiivisen säädön informaatio on siissaatava railon yläreunan leveyttä mittaamalla.

CASECASECASECASECASE: V: V: V: V: VARAAJAARAAJAARAAJAARAAJAARAAJA

Varaajan hitsaustestien tarkoituksena oli testata optisen seurantalaitteiston käyttöä,ennen kaikkea varaajan vaipan pituushitsin ja päätyjen hitsaukseen, muttamahdollisuuksien ja tarpeen mukaan myös yhteiden hitsaukseen. Kyseisessätuotteessa hitsauksen robotisointia vaikeuttaa etenkin päätykappaleiden mitta-vaihtelu, joka johtuu niiden valmistusmenetelmästä. Vaipan pituushitsin erityis-haasteena on yhdeltä puolelta läpihitsattava I-railo ilman juuritukea. Vastaavastipäädyn hitsauksen haasteena on railosovitukseen liittyvä railotilavuuden vaihtelu.Yhteiden hitsausta vaikeuttaa niiden sijoittelu eli luoksepäästävyys.

59

Toteutus

Tutkittavaksi saatiin yksi varaaja sekä sille suunnitellut robottihitsauskiinnittimet. Varaajaasennettiin siten, että hitsaussolun L-käsittelypöydän ensimmäinen akseli käännettiin90°, jolloin varaaja saatiin asennettua L-pöydän ja vastapöydän väliin kuvan 5.9osoittamalla tavalla.

Ennen hitsaustestien aloitusta huomattiin, että vaipan pituushitsi oli asetettu ”puskuun”.Hitsauskuvan mukaan tulisi vaipan pituushitsissä kuitenkin olla 1-3 mm ilmarako. Tämänjohdosta päätettiin kokeilla hitsausta myös ilman ilmarakoa. Robottihitsauksen kannaltayleisesti pidetään tavoiteltavimpana hitsausasentona jalkoasentoa, sillä se ontuottavuuden suhteen paras hitsausasento. Tässä tapauksessa kun vaipan pituushitsissäon läpihitsausvaatimus ilman juuritukea, niin aiemman kokemuksen perusteella arvioitiinparemmaksi vaihtoehdoksi suorittaa hitsaus vaaka-asennossa.

Kaikissa hitsauksissa käytettiin lisäainelankana 1,0 mm vahvuista Lincolnin UltraMagG3Si1-tyypin umpilankaa. Suojakaasuna testeissä oli Woikosken Awomix seoskaasua,jonka koostumus on 8 % hiilidioksidia + 92 % argonia. Kokeilemisen arvoinenvaihtoehto olisi ollut metallitäytelanka, mutta sen testauksesta tässä yhteydessä kuitenkinluovuttiin.

KKKKKuva 5.9.uva 5.9.uva 5.9.uva 5.9.uva 5.9. Varaaja asetettuna hitsassoluun.

60

Pituushitsien testit

Hitsaustestit aloitettiin ainevahvuudeltaan 3 mm levykappaleilla, I-railoon, ilmanilmarakoa. Kuvista 5.10 ja 5.11 on nähtävissä testitulokset kun hitsausarvoinakäytettiin seuraavia: virta 130 A, jännite 18 V, kuljetusnopeus 30 cm/min, levitysliike±0,9 mm ja 4 Hz. Mikäli ilmarakoa ei ole, nousee hitsikupu pinnan puolelta hyvinkorkeaksi ja liittymä perusaineeseen on jyrkkä. Vastaavasti kuvan 5.10 ylemmänhitsipalon kohdalla, jossa ilmarako oli noin 1,5 mm, muuttuu tilanne ratkaisevastiparemmaksi. Juuren osalta tilanne ei eroa yhtä merkittävästi, mutta silloin kunilmarakoa ei ole on läpihitsautuminen riittämätöntä, kuten kuvan 5.11 alempijuuripalko osoittaa. Vastaavasti kuvan 5.11 ylempi palko, jossa ilmarako oli noin

KKKKKuva 5.11.uva 5.11.uva 5.11.uva 5.11.uva 5.11. Hitsin juuri, ylhäällä ilmarako noin 1,5 mm ja alhaalla ilman ilmarakoa.

KKKKKuva 5.10. uva 5.10. uva 5.10. uva 5.10. uva 5.10. Hitsin pinta, ylhäällä ilmarako noin 1,5 mm ja alhaalla ilman ilmarakoa.

61

1,5 mm, on läpihitsautuminen onnistunut. Todennäköisesti muuttamallahitsausarvoja olisi myös juuren puoli saatu ilman ilmarakoakin hitsautumaan läpi,mutta pinnan puolen korkean kuvun ja jyrkän liittymän poistaminen ei ehkä onnistu.

Seuraavaksi kokeiltiin normaalin valokaaren läpi eli hitsausparametrien muutoksiinperustuvan railonseurannan käyttöä 3 mm levyyn, I-railoon, ilmaraolla noin 2 mm.Poltinkulma neutraali, hitsausasento vaaka ja langan suuntaus 90° kulmassa keskellerailoa. Kuvassa 5.12 on nähtävissä lopputulos. Railonseurannan seurauksena onhitsi hieman ”vaellellut” muttei kuitenkaan harhaantunut railosta. Juuren puoli onmyös hitsautunut tasaisesti läpi. Miten luotettavasti seuranta on toistettavissa, onvaikea sanoa ja vaatisi jatkotestausta. Tämän testin tarkoitus oli vain kokeilla onkons. perinteisen railonseurannan käyttö mitenkään mahdollista kyseisessä I-railossa,sillä hitsauslaitevalmistajan ohjekirjan mukaan liikutaan hyvin lähellä raja-arvoja.Vaikka seuranta saataisiinkin onnistumaan, niin ongelmaksi kuitenkin jää hitsauksenlähtöpisteen paikoitus, sillä railossa itsessään ei ole kosketukseen perustuvallerailonhaulle riittäviä railopintoja. Tämä tarkoittaa sitä, että hitsin lähtöpiste onvarmennettava joko kappaleen asemoinnin kautta tai välillisesti hakemalla jostakinmuista kohdin tuotetta.

Seuraavaksi I-railoon kokeiltiin pulssihitsausta vaaka-asennossa. Tämän testintarkoitus oli kokeilla miten paljon voidaan nostaa hitsauksen kuljetusnopeuttakäyttämällä pulssikaarta. Muutamien testien jälkeen päädyttiin kuvan 5.13osoittamaan tulokseen, jossa hitsausvirta oli 185 A, jännite 19,5 V, kuljetusnopeus60 cm/min, levitysliike ±0,9 mm ja 4 Hz. Näillä hitsausparametreilla reunahaavanmuodostuminen hitsipalon yläreunaan on jo mahdollista, mutta testeissä se eikuitenkaan vielä esiintynyt jatkuvana. Hitsin pinnalaatu on hieman heikompi kuinhuomattavasti pienemmällä kuljetusnopeudella tehdyssä lyhytkaarihitsauksessa.

KKKKKuva 5.12.uva 5.12.uva 5.12.uva 5.12.uva 5.12. Railonseurannan hitsattu I-railo 3 mm levyyn, pinta ylhäällä ja juuri alhaalla.

62

Myös joitakin roiskeita ilmaantui, sillä jännitetaso pyrittiin pitämäänmahdollisimman alhaisena reunahaavan välttämiseksi.

Railonhaku

Koska hitsauskiinnitin ei asemoi varaajaa kovin tarkasti paikoilleen on vaipanpituushitsin sekä yhdehitsien paikoitukseen käytettävä railonhakua. Vaihtoehtoisestion kiinnitintä muutettava siten, että varaaja voidaan asemoida noin ±0,5 mmtarkkuudella. Näin suureen tarkkuuteen pääsemiseksi on osien valmistustarkkuudenoltava todella hyvä. Tuotantoa ajatellen kiinnittimen muokkaaminen sellaiseksi,että varaaja voidaan helposti asemoida, ainakin kohtuullisella tarkkuudella parantaisihitsauksen onnistumisen todennäköisyyttä, mutta ohjelmallisesta railonhausta tuskinkokonaan pystytään silti luopumaan.

Varaajan pyörähdysakselin suuntainen asemointi voidaan tehdä ns. ulkoistenakseleiden haulla, joka tässä tapauksessa tarkoittaa hitsauspistoolilla tailisäainelangalla tapahtuvaa kosketusta johonkin kohtaa tuotetta niin että hakuliiketehdään pyörittämällä pöytää. Haku voidaan suorittaa joko kosketukseen perustuentai optisesti. Haulla voidaan eliminoida varaajan pyörähdysakselin suuntainenorientaatiopoikkeama. Käsiohjaimen näkymä ulkoisilla akseleilla tapahtuvastahausta käyttäen SF1-komentoa (kosketukseen perustuva haku) näkyy kuvassa 5.14.Hakunopeus on tässä hyvin maltillinen eli 2 % pöydän maksimiliikenopeudesta,jolla on pyritty hyvään hakutarkkuuteen. Itse haku on tehty yhden yhteen sisäpinnankeskikohdasta. Tämä siksi, että kosketukseen perustuvalla haulla ei ole mahdollistalöytää vaipan pituushitsiä. Käyttämällä optista hakua, paikoitus voitaisiin tehdäsuoraan vaipan pituushitsistä. Yhteestä tehtävän haun ongelma on siinä, että hakutulosta heikentää kaikki epätarkkuudet mitkä liittyvät yhteen asemointiin suhteessa

KKKKKuva 5.13.uva 5.13.uva 5.13.uva 5.13.uva 5.13. Pulssikaarella hitsattu I-railo 3 mm levyyn, pinta ylhäällä ja juuri alhaalla.

63

vaipan pituushitsiin. Mahdollisen virheen vähentämiseksi tulisi yhteen pituussuuntainenpaikka ja korkeusasema suhteessa vaippaan hakea ensin.

Suurempi hakuongelma on päätyjen valmistustarkkuudesta, sekä vaippaosankorkeudesta johtuvat mittavaihtelut. Mittavaihtelun seurauksena hitsien paikka voivaihdella pahimmillaan noin 10 mm. Optisella railohaulla sekä pituushitsi että päätyhitsitvoidaan hakea suoraan, mutta kosketukseen perustuvan haun ongelmaon hakupintojen puute. Luotettavan hakutuloksen aikaansaamiseksi voitaisiinsilloitusvaiheessa lisätä, joko vaippaan tai päätyyn apupalat, joiden avulla hitsien aloitusja lopetuspaikat on todennettavissa.

Varaajan hitsaus

Varaajan pituushitsin hitsauksessa käytettiin optista seurantalaitetta ja hitsaus suoritettiinvaaka-asennossa (PC) neutraalilla poltinkulmalla. Optisen anturoinninseurantaparametrit löytyivät muutaman kokeilun jälkeen, mutta hitsauksessa tuli alkuunpientä takapakkia. Testeissä toimivaksi osoittautuneet pulssihitsausarvot 185 A / 19,5V osoittautuivat varaajaa hitsattaessa ylimitoitetuksi. Vajaan 100 mm hitsauksen jälkeentodettiin, että hitsisula tunkeutuu liiaksi. Lisäksi varaajan pituusliitokseen syntyi jo noin100 mm hitsauksen seurauksena sovitusvirhettä, mikä viittasi riittämättömäänsilloitukseen. Tämän johdosta päätettiin vielä uudelleen testata hitsausarvoja mallirailoon

KKKKKuva 5.14.uva 5.14.uva 5.14.uva 5.14.uva 5.14. Ulkoisten akseleiden haku SF1-komennolla.

64

sekä lisätä siltahitsien määrää pituusliitoksessa. Uusintayrityksellä, jonkahitsausparametrit: Hitsausvirta 150 A (DC), jännite 20 V, langansyöttö 6,34 m/min,kuljetusnopeus 40 cm/min, levitysliike ±0,9 mm ja taajuus 4,0 Hz, saavutettiin kuvan5.15 mukainen lopputulos.

Juuren puoli ei onnistunut täydellisesti, mikä ainakin osaltaan saattoi johtuarailonvalmistuksen epätarkkuudesta. Koska varaajan vaippalevyt oli alkujaan asennettupuskuun, oli ilmarako käytännössä nolla. Tämän johdosta railo jouduttiin aukaisemaankulmahiomakoneella.

Päätyjen kehähitsien hitsaukseen käytettiin kuvan 5.16 mukaista hitsausasentoa, jossahitsauspistooli kallistettiin 20-astetta vaipan suuntaan ja 5-astetta työntäväksi. Asennonvalintaan vaikutti hitsaustestit, joiden perusteella havaittiin juurivirheen syntymisenmahdollisuus polttimen ollessa pystyssä.

KKKKKuva 5.15.uva 5.15.uva 5.15.uva 5.15.uva 5.15. Vasemmalla varaajan pituushitsin pinta ja oikealla juuri.

KKKKKuva 5.16.uva 5.16.uva 5.16.uva 5.16.uva 5.16. Varaajan päädyn hitsausasento.

65

Varaajan muutamat yhteet (kuva 5.17) estivät osittain ko. asennon käytönhitsauksessa. Samaiset yhteet olivat myös laserkameran edessä, joten päädynhitsauksessa luovuttiin optisen seurannan käytöstä. Mitään muuta teknistä estettäoptisen seurannan käytölle ei kuitenkaan ole. Kuvassa 5.17 näkyy päädynsovituksessa esiintyvä vaihtelu, joka havainnollistaa hitsauksen aikaisenparametrisäädön tarpeellisuuden, ellei osien valmistustarkkuutta saada paremmaksi.

Optista railonseurantaa kokeiltiin myös yhdessä varaajan pienimmistä yhteistä.Tarkoitus oli testata miten pientä ympyräliikettä voidaan vielä optisesti seurata.Testatun yhteen halkaisija oli noin 60 mm ja se oli silloitettu neljästä kohtaa vaippaan.Yhteen pinta oli koneistettu kun taas vaippa oli normaalia kuumavalssattua japeittaamatonta levyä. Ensimmäinen hankaluus oli materiaalien hyvin toisistaanpoikkeava heijastus. Tämä kuitenkin saatiin kuriin sopivalla parametrisäädöllä.Seuraava ongelma oli itse railon havainnointi, sillä pienessä yhteessä railo on aivanerinäköinen laserviivan kohdalla kuin itse hitsauskohdassa. Tästä seuraa epävakauttarailontunnistukseen ja sitä kautta sen seurantaan. Yhden ongelman muodostavatsiltahitsit, sillä mitä suurempia ne ovat sen enemmän ne häiritsevät luotettavaarailonseurantaa. Lukuisten yritysten ja erehdysten kautta löydettiin sellaisetseurantaparametrit, että hitsauspistooli kiersi yhteen ympäri. Pistoolin liike olikuitenkin niin epävakaa, ettei hitsaus olisi onnistunut.

KKKKKuva 5.17.uva 5.17.uva 5.17.uva 5.17.uva 5.17. Varaajan päädyn railonvaihtelu ja sen vaikutus hitsiin.

66

Loppupäätelmät

Hitsaustestien tarkoituksena oli testata optisen seurantalaitteiston käyttöä ennenkaikkea varaajan vaipan pituushitsin ja päätyjen hitsaukseen, mutta mah-dollisuuksien ja tarpeen mukaan myös yhteiden hitsaukseen. Pituushitsin osaltatodettiin, että optinen seurantalaitteisto toimi erittäin hyvin. Myös takai-sinkytkentätieto hitsauksen parametrihallintaan on saatavissa, mutta silloin onrailonvalmistuksen tapahduttava aina samalla tavalla ja koneellisesti.

Käsityönä tehty hionta muuttaa railokuvaa siinä määrin, ettei railon leveyttä voidaluotettavasti mitata.Päätyjen hitsaukseen ei optista laitteistoa voitu käyttää, sillämuutamat yhteet olivat laserkameran edessä. Päädyn railomuoto sinällään olisiollut seurannan kannalta ihan hyvä ja parametrihallintaan olisi voitu käyttääsovitusvirheen (MISMATCH) mittausta. Vastaavasti yhteiden hitsaukseen optinenseurantalaitteisto soveltuu heikosti, sillä kuten jo aiemmin on todettu,hitsauspistoolin edestä tapahtuvaan railokuvaukseen pienisäteiset ympyräliikkeetovat hankalia. Testeissä ollut varaaja edusti ns. nollasarjan tuotetta, joten optisenseurantalaitteen hyödyistä ja haitoista ei saatu täysin totuuden mukaista kuvaa.

Lähteet

1. Anders Chris: Improve Welding Quality With 3D Laser Seam-Tracking[verkkodokumentti]. Viitattu 15.9.2010. Saatavissa http://weldingdesign.com/processes/news/wdf_38778/, 2006.

2. Liutu Raine: Optinen railonseuranta alumiinirakenteiden hitsauksessa,Kandidaattityö, Lappeenrannan teknillinen yliopisto, 2009.

3. Ost Smartline: [yrityksen verkkosivut]. Viitattu 14.3.2009. Saatavissa http://ostsmartline.com/?target=p&item=css, 2009.

4. Servo-Robot INC: Users manuals, CD-ROM, 2008.

5. Sicard Pierre: Joint Recognition and Tracking for Robotic Arc Welding, IEEETRANSACTIONS ON SYSTEMS, MAN AND CYBERNETICS VOL19, NO4, JULY/AUGUST 1989.

67

6. Muita tutkimusaiheita

Esa Jääskeläinen, Kari Solehmainen

HITSAHITSAHITSAHITSAHITSAUSLISÄAINEIDEN HITSAUSLISÄAINEIDEN HITSAUSLISÄAINEIDEN HITSAUSLISÄAINEIDEN HITSAUSLISÄAINEIDEN HITSATTTTTTTTTTAAAAAVUUSVUUSVUUSVUUSVUUS- JA TUO- JA TUO- JA TUO- JA TUO- JA TUOTTTTTTTTTTAAAAAVUUSVERVUUSVERVUUSVERVUUSVERVUUSVERTTTTTAILAILAILAILAILUUUUU

Erään yhteistyöpalaverin yhteydessä nousi esiin kysymys umpilankojen ja täyte-lankojen välisistä hitsattavuus- ja tuottavuus eroista. Asia herätti hankkeessamukanaolevien yritysten keskuudessa sen verran kiinnostusta, että asiaa päätettiinkokeellisesti tutkia. Tutkimukseen valittiin neljän eri lisäainevalmistajan seosta-mattomien terästen hitsaukseen tarkoitetut umpi- ja metallitäytelangat.

Umpilangat:• Elgamatic 100• Esab OK Autrod 12.51• Hyundai SM-70• Lincoln SupraMig

Metallitäytelangat:• Elga Core MXA 100• Esab OK Tubrod 14.13• Hyundai Supercored 70NS• Lincoln Outershield MC710-H

Lisäainetesteissä haluttiin tarkastella tuottavuutta, tunkeumaa, sytytyksiä, roiskeidenmäärää sekä hitsin visuaalista laatua. Testit hitsattiin Savonia-ammattikorkeakoulunOTC Almega MX-V6L -robotilla ja OTC/DP 400 A -hitsausvirtalähteellä.Hitsausprosessina käytettiin DC-Mag -hitsausta. Hitsausparametrit valittiin siten,että ne soveltuisivat mahdollisimman hyvin kaikille tutkituille lisäaineille. Hitsinkooksi pyrittiin saamaan a-mittana ilmaistuna noin 6 mm. Vapaanlangan pituutenakäytettiin 25 mm ja suojakaasuna 92 % Ar + 8 % CO2 . Kahdelle umpi- jatäytelangalle tehtiin koehitsaukset myös 75 % Ar + 25 % CO2 -suojakaasulla.Näin voitiin todentaa miten paljon kaasun valinta vaikuttaa tunkeumaan jahitsattavuuteen.

Koejärjestelyt pyrittiin vakioimaan mahdollisimman hyvin, jonka lisäksi jokaisestatestistä ja hitsistä otettiin kuvia. Lankakohtaisten raporttien lisäksi kaikki sytytystestitmyös videoitiin. Valokaaren syttyvyyden parantamiseen ei käytetty Hotstart eikämitään muutakaan valokaaren sytytystä parantavaa apukeinoa. Tämä sen takia,että lankojen välille saataisiin syntymään eroja.

68

Kokeiden toteutus

Jokaisen langan testaus aloitettiin skaalauksella. Skaalauksella tarkoitetaan robotinohjelmassa määritetyn ja hitsausvirtalähteen antaman hitsausvirran ja jännitteensaamista yhteneväisiksi. Käytännössä tämä tarkoitti sitä, että hitsausvirranskaalauksessa täsmättiin jokaisen langan langansyöttönopeus sellaiseksi, että kaikillalangoilla saatiin mahdollisimman sama hitsausvirta. Toinen vaihtoehto olisi pitäälangansyöttö vakiona kaikilla langoilla, jolloin vertailtaisiin näin saatuja virta-arvojakeskenään. Jännitteen osalta skaalauksilla pystytään vaikuttamaan langansulamisnopeuteen ja mahdolliset erot langoissa näkyvät pienenä hienosäädöntarpeena jännitteessä.

Skaalaukset tehtiin jokaiselle langalle viisillä eri hitsausarvoilla siten, että umpi-sekä täytelangoilla oli keskenään samat hitsausarvot, mutta umpi- ja täytelankojenarvot poikkesivat hieman toisistaan. tämä ero johtuu eroista lankojenhitsattavuudessa. Myös 92 % Ar + 8 % CO2 -suojakaasulla ja 75 % Ar + 25 %CO2 -suojakaasulla tehdyt skaalaukset poikkesivat hieman toisistaan, johtuensuojakaasun vaikutuksesta hitsausarvoihin ja valokaaren käyttäytymiseen.

Skaalausten jälkeen hitsattiin kaksi pienahitsauskoetta samaan kappaleeseen.Hitsausasennoksi valittiin alapiena (PB). Hitsauspistooli kallistettiin 45° ja lankasuunnattiin nurkkaan. Hitsauspistoolin kuljetus tapahtui 15° työntävässä asennossa.Kappaleen päämitoissa oli hienoista vaihtelua, johtuen osien valmistuksen epä-tarkkuuksista. Olennaiset mitat kuitenkin vakioitiin eli pienaliitoksen pystylevynkorkeus säädettiin 15 mm ja hitsauspituus säädettiin noin 350 mm/hitsi.

Kokeessa pyrittiin saamaan a-mitaltaan noin 6 mm hitsi. Ennakkotestaustenperusteella päädyttiin käyttämään 92 % Ar + 8 % CO2 -suojakaasulla seuraaviahitsausparametreja: hitsausvirta 300 A, hitsausnopeus 35 cm/min, suutinetäisyys25 mm ja kaarijännite siten, että ensimmäinen hitsi hitsattiin 31 V jännitteellä,jonka jälkeen annettiin kappaleen jäähtyä jonkin aikaa. Toinen hitsi hitsattiin 32 Vjännitteellä, jolloin nähtiin myös jännitteen vaikutus hitsaustapahtumaan.Umpilangoilla 75 % Ar + 25 % CO2 -suojakaasulla tehdyissä hitsauskokeissakäytettiin hitsausnopeutta 40 cm/min, jolla kompensoitiin ko. suojakaasun myötäkasvanutta langansyöttönopeutta.

Hitsauksen tuottavuutta mitattiin sulatettuna hitsiaineen määränä eli hitsiaineentuottona. Sitä varten kaikki täytelangalla hitsattavat koekappaleet punnittiin ennenja jälkeen hitsauksen ja hitsausaika katsottiin robotin prosessiaikakellosta.Umpilankojen hitsaustesteissä tehtiin sama punnitus kahdelle koekappaleelle.Näiden kahden testin perusteella annettiin muille umpilangoilla hyötyluku elikerroin, jonka perusteella korjattiin langan halkaisijan ja syötön perusteella laskettu

69

sulatettu lisäainemäärä vastaamaan todellista hitsiainemäärää. Lankakohtaisissataulukoissa ilmoitetaan hitsiainemäärä kg/h. Tämä tarkoittaa tilannetta, että mikälitesteissä käytetyillä hitsausarvoilla hitsattaisiin yhtäjaksoisesti yksi tunti, niin silloinsyntyisi kyseisen painon verran valmista hitsiä.

Näiden tuottavuustestien perusteella arvioitiin myös roiskeiden määrää. Roiskeidenmäärä ja koko arvioitiin silmämääräisesti ja niiden kiinnitarttuvuus pistokoemaisestiteräsharjalla ja taltalla.

Tuottavuustestien jälkeen tehtiin jokaisella langalla kaksi sytytystestiä. Sytytystestitpoikkesivat toisistaan vain hitsausvirran ja jännitteen osalta. Testi tehtiin niin, ettänoin 21 mm suutinetäisyydellä opetettiin levyllä 20 mm välein pisteitä. Jokaisessapisteessä valokaari sytytettiin 0,5 sekunnin ajaksi. Pisteet järjestettiin neljään riviin,niin että langan pää ehti hieman jäähtyä ennen uuden rivin aloitusta. Ensimmäinentesti tehtiin 300 A virralla ja 31 V jännitteellä, kun taas toisessa testissä käytettiin150 A virtaa ja 18,7 V jännitettä. Sytytystestit videoitiin ja lopputulokset kuvattiinlankakohtaisiin taulukoihin.

Lopuksi tuottavuusteissä syntyneet pienaliitokset sahattiin, hiottiin, kiillotettiin.Tämän jälkeen peittauskäsittelyllä saatiin kiillotetulta pinnalta tunkeumakuvio esiin.Hiestä voitiin todeta mahdolliset hitsausvirheet, hitsin tunkeuma ja tunkeumanmuoto.

Tulokset

Skaalauksissa oli jonkin verran eroja lankojen välillä, mutta kaikki langat saatiinkuitenkin varsin hyvin skaalattua. Hiilidioksidivaltaisempi suojakaasu näkyiskaalausta vaikeuttavana tekijänä, lähinnä pienillä skaalausarvoilla. Tätä olisi voinutkompensoida esimerkiksi lyhentämällä suutinetäisyyttä alle 200 A virta-arvoillatehtävissä skaalauksissa. Skaalauksissa myös huomattiin, että etenkin pienillä virta-arvoilla metallitäytelankojen jännitetaso on oltava hieman umpilankoja korkeampi.

Umpilankoja keskenään vertailtaessa niiden erot hitsiaineen tuottavuuden suhteenolivat suhteellisen pieniä. 92 % Ar + 8 % CO2 –suojakaasulla hitsattaessa suurinlangansyöttönopeus (1186 cm/min) ja tuottavuus (6,1 kg/h) oli Hyundai SM-70–langalla. Vastaavasti pienin langansyöttönopeus (1113 cm/min) ja tuottavuus (5,7kg/h) oli Elgamatic 100 -langalla. Eroa vielä kaventaa hieman se, että todellisetvirta-arvot olivat testitilanteessa 20 A –suuremmat Hyundain langalla. Ero johtuuskaalauksen epätarkkuudesta. Voidaankin todeta, ettei eri umpilankojentuottavuuden välillä ole merkittävää eroa.

70

Samalla suojakaasulla hitsatuissa täytelankatesteissä erot eri lankojen välillä olivathieman suuremmat. Suurin langansyöttönopeus (1341 cm/min) ja myös tuottavuus(6,6 kg/h) oli Esab OK Tubrod 14.13 langalla ja pienin langansyöttönopeus (1279cm/min) ja tuottavuus (5,7 kg/h) oli Hyundai Supercored 70NS -langalla. Tuloksentekee mielenkiintoiseksi se, että ennen testien aloitusta uskottiin, umpi- jatäytelankojen välinen hitsiaineen tuottavuusero suuremmaksi.

Kun suojakaasuksi vaihdettiin 75 % Ar + 25 % CO2 -kaasu, niin odotetustituottavuus kasvoi molemmilla lankatyypeillä, täytelangoilla vain marginaalisesti,mutta umpilangoilla tuntuvasti. Hyundai SM-70 -langalla tehdyn ensimmäisentuottavuustestin lopputuloksena ”hitsi paloi läpi” 6 mm pystylevystä (kuva 6.1).Tämän johdosta molemmat umpilankatestit tällä suojakaasulla tehtiin 8 mmpystylevylle.

Roiskeiden määrissä eri lankojen välillä ei ollut merkittävää eroa, kun hitsattiin 92% Ar + 8 % CO2 -suojakaasulla. Umpilangoilla (kuva 6.2) oli kuitenkin hiemanenemmän roiskeita kuin täytelangoilla (kuva 6.3), mutta täytelangoilla esiintyityypillisesti hyvin hienojakoista, mutta helposti poistettavaa pölymäistä roiskettahitsin ympäristössä. Kun suojakaasuksi vaihdettiin 75 % Ar + 25 % CO2 -kaasu,alkoi ero umpilankojen ja täytelankojen välillä kasvaa. Etenkin Hyundai SM-70 -langalla syntyi merkittävässä määrin suhteellisen hankalasti irrotettavia roiskeita.Roiskeiden määrää olisi mahdollisesti voitu vähentää nostamalla hieman jännitettä,mutta kun näin ei menetelty, saatiin lankojen väliset erot paremmin esiin.

KKKKKuva 6.1.uva 6.1.uva 6.1.uva 6.1.uva 6.1. Läpipalaminen, vasemmalla 75/25-suojakaasu ja oikealla 92/8-suojakaasu, hitsaus-KKKKKuva 6.1.uva 6.1.uva 6.1.uva 6.1.uva 6.1. virta sama molemmissa.

71

KKKKKuva 6.2.uva 6.2.uva 6.2.uva 6.2.uva 6.2. Hyundai SM-70 -lanka ja 75 % Ar + 25 % CO2 -suojakaasu.

KKKKKuva 6.3.uva 6.3.uva 6.3.uva 6.3.uva 6.3. Hyundai Supercored 70NS -lanka ja 75 % Ar + 25 % CO2 -suojakaasu.

72

Sytytystesteissä (kuva 6.4) ei tullut esiin merkittäviä eroja eri lankojen välillä.Käytännössä kaikki 300 A virta-arvoilla tehdyt testit onnistuivat 100-prosenttisesti.150 A virta-arvoilla syntyi vähän eroja, mutta siinäkin suurimmat erot tulivatvaihdettaessa suojakaasu hiilidioksidivaltaisemmaksi. Tällöin valokaaren syttyvyyshuononi, mutta tätä olisi voinut kompensoida nostamalla jännitetasoa hieman.

Tunkeumissa esiintyi lankojen ja myös eri hitsien välillä eroavaisuuksia. Hitsienvälillä erot olivat hyvin odotetun kaltaiset eli tuottavuustestin toinen hitsi, jossakäytettiin yhtä volttia suurempaa jännitettä, oli hitsi pintamuodoltaan jatunkeumaltaan yleensä hieman leveämpi, mutta tunkeuma oli usein myös hiemanpienempi, kuten kuvasta 6.5 on nähtävissä. Kuvan vasemmanpuoleinen hitsi onhitsattu 31V ja oikea 32V jännitteellä. Kantavaan a-mittaan tällä ei välttämättä olevaikutusta sillä leveämpi tunkeuma tarkoittaa suurempaa virhemarginaalia langansuuntaukseen. Umpilangoista Lincoln SupraMig erottui muita syvemmän jakapeamman tunkeuman johdosta.

Suojakaasun vaihtaminen hiilidioksidivaltaisempaan aiheutti odotetusti kuvista 6.5ja 6.6 nähtävän muutoksen tunkeumakuvioon eli tunkeuma sekä kasvoi että myösleveni. Ero oli täytelangoilla hieman umpilankoja suurempi, mutta myösumpilangoilla selvästi havaittava.

Taulukkoon 6.1 on koottu hitsaustestien tulokset niiltä osin kuin ne on numeerisestimahdollista esittää. Siitä voidaan huomata miten metallitäytelangoilla suojakaasullaon vain vähäinen vaikutus sulatettuun hitsiainemäärään, mutta umpilangoillavaikutus on huomattava. Mielenkiintoinen havainto on myös Esab OK Tubrod14.13 langan yhteydessä havaittu suojakaasun vaikutus tunkeumaan, sillä ainakinyhdestä kohtaa hitsiä otettujen hieiden perusteella tunkeuma kasvaa hiilidiok-sidivaltaisemmalla kaasulla merkittävästi. Kohdan ”Suurin tunkeuma” -mitallatarkoitetaan a-mitan ja suurimman tunkeuman yhdistelmämittaa. Lincoln SupraMigerottui muista umpilangoista hieman paremman tunkeuman johdosta. Syytä kentiesselittää se, että kyseessä on G4Si1-tyypin lanka kun muut ovat G3Si1-tyypin lankoja.

KKKKKuva 6.4.uva 6.4.uva 6.4.uva 6.4.uva 6.4. Sytytystesti Lincoln Outershield MC710-H -langalla ja 150 A hitsausarvoilla.

73

KKKKKuva 6.5.uva 6.5.uva 6.5.uva 6.5.uva 6.5. Esab OK Tubrod 14.13 -lanka ja 92 % Ar + 8 % CO2 -suojakaasu.

KKKKKuva 6.6.uva 6.6.uva 6.6.uva 6.6.uva 6.6. Esab OK Tubrod 14.13 -lanka ja 75 % Ar + 25 % CO2 -suojakaasu.

74

Loppupäätelmät

Testeissä haluttiin tarkastella hitsauksen tuottavuutta, tunkeumaa, sytytyksiä,roiskeiden määrää sekä hitsin visuaalista laatua. Erot etenkin tuottavuudessa jäivätodotuksia pienemmiksi, mutta mitattavia eroja kuitenkin saatiin. Taulukossa 6.2on laskettu keskiarvojen perusteella eri lankatyyppien ja suojakaasun vaikutustasulatettuun lisäainemäärään sekä tunkeumaan. Tunkeuman osalta on keskiarvonlaskennassa käytetty vain niitä neljää lankaa, jotka hitsattiin molemmillasuojakaasuilla. Umpilanka 75/25-kaasun tunkeuma ei ole täysin vertailukelpoinen,koska hitsausnopeus oli 40 cm/min, kun muuten se oli 35 cm/min.

TTTTTaulukko 6.1. aulukko 6.1. aulukko 6.1. aulukko 6.1. aulukko 6.1. Hitsauslankavertailun kooste.

TTTTTaulukko 6.2.aulukko 6.2.aulukko 6.2.aulukko 6.2.aulukko 6.2. Tuottavuusvertailun yhteenveto.

1) Hitsausnopeus 40 cm/min

LLLLLankatyyppiankatyyppiankatyyppiankatyyppiankatyyppi

umpilanka92/8-kaasuTäytelanka92/8-kaasuumpilanka75/25-kaasu1)

Täytelanka75/25-kaasu

KKKKKeskimääräineneskimääräineneskimääräineneskimääräineneskimääräinenhitsausvirtahitsausvirtahitsausvirtahitsausvirtahitsausvirta

315 A

308 A

304 A

300 A

KKKKKeskimääräineneskimääräineneskimääräineneskimääräineneskimääräinenhitsiainemäärähitsiainemäärähitsiainemäärähitsiainemäärähitsiainemäärä

5,9 kg/h

6,2 kg/h

6,5 kg/h

6,4 kg/h

HitsausvirtakorjattuHitsausvirtakorjattuHitsausvirtakorjattuHitsausvirtakorjattuHitsausvirtakorjattutuottavuusindeksituottavuusindeksituottavuusindeksituottavuusindeksituottavuusindeksi

100 %

107 %

114 %

113 %

KKKKKeskimääräineneskimääräineneskimääräineneskimääräineneskimääräinentunkeumatunkeumatunkeumatunkeumatunkeuma

9,1 mm

7,5 mm

9,2 mm

9,3 mm

75

Erot hitsattavuudessa niin umpilankojen kuin täytelankojenkin välillä olivat hyvinpienet kun hitsattiin 92 % Ar + 8 % CO2 -suojakaasulla. Kun siirryttiinhiilidioksidivaltaisemman suojakaasun käyttöön, alkoi umpilangoilla esiintyähaitallisessa määrin roiskeisuutta, kun taas täytelankojen hitsattavuus eihuonontunut ollenkaan. Hitsin visuaalisen laadun osalta erot olivat pienet. Täyte-langoilla hitsin pinta oli hieman tummempi ja joissakin tapauksissa hitsin pinnallanäkyi umpilankoja enemmän kuonahilsettä. Myös perusaineeseen liittyminen olitäytelangoilla hieman jouhevampaa, mutta kuten sanottua erot olivat kaikenkaikkiaan pienet.

Näiden testausten perusteella ei pidä tehdä liian pitkälle meneviä johtopäätöksiäeri lankojen ja lankatyyppien välisistä eroista, sillä se vaatisi laajemman testisarjanuseamman tyyppisiin railoihin. Tuloksia voidaan katsoa suuntaa antavina ja osinehkä yllättävinäkin. Jatkotutkimukseen olisi mielenkiintoista ottaa mukaan myöspaksumpia täytelankoja sekä verrata miten paljon pulssihitsaus lisää tuottavuuttaumpilangoilla. Tässä yhteydessä ei näihin lisätesteihin kuitenkaan ollut mahdol-lisuutta.

HITSAHITSAHITSAHITSAHITSAUKSEN AUKSEN AUKSEN AUKSEN AUKSEN AUTUTUTUTUTOMAOMAOMAOMAOMATISOINNIN KANNATISOINNIN KANNATISOINNIN KANNATISOINNIN KANNATISOINNIN KANNATTTTTTTTTTAAAAAVUUDEN ARVIOINTIVUUDEN ARVIOINTIVUUDEN ARVIOINTIVUUDEN ARVIOINTIVUUDEN ARVIOINTI

Ensisijainen tavoite hitsauksen automatisoinnissa on usein nostaa tuottavuutta,lyhentää tuotannon läpimenoaikaa ja parantaa laatua. Kun tuotannossa valmis-tettavien tuotteiden sopivuutta eri automatisointiasteille vertaillaan, on syytä tutkiavaihtoehtojen vaikutuksia kustannuksiin. Kaksi ehkä olennaisinta pääkohtaa tässätarkastelussa ovat tuotteen läpimenoajan tarkastelu ja sarjasuuruus.

Tuotteen läpimenoajan tarkastelu: Yrityksellä on usein olemassa melko hyvä kuvakuinka pitkä aika keskimäärin kuluu siitä kun työ lähetetään tuotantoon siihenpisteeseen kun tuote menee valmisvarastoon tai asiakkaalle. Usein myös tieto siitäkuinka pitkään tuote viettää aikaansa kussakin päätyövaiheessa on vielä saatavissa,mutta miten pitkään eri osatyövaiheisiin kuluu aikaa, on huonommin selvillä. Tässäyhteydessä tarkastellaan hitsaukseen liittyviä työvaiheita, kuten osien keräily,silloituskoonnin teko, itse hitsaus sekä tarkastus ja viimeistely. Samalla kun eri osa-alueita tarkastellaan pitää myös analysoida ne tekijät, josta aika muodostuu.

Tuotteiden sarjasuuruus: Hieman yksinkertaistaen käsivaraisen hitsauksen yksik-kökustannukset pysyvät vakiona sarjasuuruudesta riippumatta, mutta hitsauksenmekanisoinnilla ja robotisointi kustannukset pienenevät sarjasuuruuden kasvunmyötä. Pääasiallisena syynä tähän ovat työvoimakustannukset eli käsivaraisessahitsauksessa toistuvat samat työvaiheet riippumatta kuinka paljon tuotteitavalmistetaan, mutta etenkin automaation yhteydessä syntyy merkittävässä määrin

76

työn aloituskustannuksia. Aloituskustannuksista suurimman erän muodostavatasetusten tekoon liittyvät työvaiheet, kuten kiinnittimien ja tuotteiden asemointisekä ohjelmien tarkastus.

Hitsauksen kustannusten määrittely

Tuotteen läpimenoajan tarkastelun tärkeyttä on syytä korostaa, sillä tämän työntuloksena saatetaan huomata, ettei pelkkää hitsausta tarkastelemalla voida saavuttaamerkittävää pienennystä tuotteen valmistuskustannuksissa. VTT:n vuonna 2008suomalaisiin yrityksiin kohdistetun kyselytutkimuksen mukaan keskimääräinenhitsausaineentuotto on alle puoli kilogrammaa hitsaustyötunnissa. Hitsaus-työtunnilla on mitä ilmeisimmin tarkoitettu kaikkia hitsaukseen liittyviä työtunteja.Samaisen tutkimuksen mukaan selvästi yleisin hitsausprosessi kyseisissä yrityksissäoli Mig/Mag-hitsaus, osuuden ollessa selvästi yli 50% kaikista hitsauksista. Tästävoidaan päätellä, että karkeasti arvioiden keskimääräisen tuotteen hitsaustyövaiheenvalmistusaika on kaksi kertaa hitsien yhteenlaskettu paino tunteina. Mig/Mag-hitsauksessa tyypillinen hitsiaineen tuottavuus vaihtelee välillä 1…7 kg/hkaariaikasuhteella 100%. Jos tuosta vaihteluvälistä otetaan keskiarvo 4 kg/h, niinvoidaan ajatella että tyypillisesti 7/8-hitsaustyövaiheen läpimenoajasta tehdäänmuuta kuin hitsataan.

VTT:n tutkimuksessa oli yrityksiltä myös kysytty hitsauksen eri automaatioasteidenosuutta kokonaishitsausmääristä. Ylivoimaisesti suurin osuus eli reilusti yli 50%kaikista hitseistä tehdään käsivaraisesti. Yleisesti eri lähteissä väitetään, että käsi-varaisen hitsauksen kaariaikasuhde vaihtelee tyypillisesti välillä 15…30%, kun taasrobotisoinnilla kaariaikasuhde voidaan kasvattaa usein yli 50%, joissakin tapauksissajopa yli 80%. Näistä lähtökohdista voidaan arvioida, että hitsauksen keskimääräinenkaariaikasuhde voisi olla 25% eli 1/4-osa työajasta. Tämä taas tarkoittaisi VTT:ntutkimukseen peilaten, että hitsaustyövaiheesta keskimäärin noin puolet hitsataanja toinen puoli tehdään valmistelu- ja viimeistelytöitä. Käytäntö on osoittanut,että usein lähtötilanne ei ole edes näin hyvä, vaan aputöiden osuus saattaa ollahuomattavasti suurempi kuin hitsaustyön osuus.

Hitsauksen robotisoinnin myötä voidaan tuottavuutta kasvattaa jo aiemminmainitun kaariajan kasvattamisen kautta, mutta myös hitsauksen para-metrihallinnalla. Jos kaariaikaa voidaan nostaa 2,5 kertaiseksi ja hitsiaineentuottavuus 1,6 kertaiseksi, niin kokonaistuottavuus kasvaa nelinkertaiseksi. Tämätarkoittaisi siis hitsauksen nopeutumista 1/4 -osaan alkuperäisestä. Suoraanvaikutusta valmistelu ja viimeistelytöihin ei tällä välttämättä ole, joten koko-naisläpimenoajassa muutos on huomattavasti pienempi. Jos sama hitsaaja, jokaaiemmin teki kaiken käsityönä, tekee samat valmistelu ja viimeistelytyövaiheet kuin

77

aiemminkin, niin tuotannon pullonkaula siirtyy hitsauksesta näihin aputöihin. Näinlaskien robotti työllistää aiemman yhden hitsarin lisäksi kolme muuta, jottatuotannon tehostuminen saadaan täysin hyödynnettyä.

Kustannusten laskenta

Tässä esitetty kustannusten laskentaesimerkki on tiivistetty ja sovellettu esitys MikkoKiiskisen insinöörityönä tekemästä kustannusten laskennasta, jossa laskenta-esimerkkinä on käytetty kahta tuotetta.

Mig/Mag-hitsauksen kokonaiskustannukset muodostuvat konekustannuksista,hitsauslisäainekustannuksista ja valmistuskustannuksista. Valmistuskustannustenosuus on 70 - 90 % kokonaiskustannuksista, hitsauslisäainekustannukset osuus on10 - 20 % ja konekustannusten osuudeksi jää noin 10 %, mutta jos hitsauslaitteistoon investointina kallis, saattavat konekustannukset nousta hyvinkin suuriksi.Konekustannuksiin kuuluvat pääoma- ja kunnossapitokustannukset, valmis-tuskustannuksiin työ- ja energiakustannukset, kun taas hitsauslisäainekustannuksetmuodostuvat lisäaine- ja suojakaasukustannuksista.

Robottijärjestelmän investointikustannukset näkyvät korkeina hitsauksenkonekustannuksina. Kokonaisuus muodostuu robotin hankinta-, suunnittelu-,asennus- ja käyttöönottokustannuksista sekä työ- ja oheislaitteiden hankinta-kustannuksista. Hankintakustannukset muodostuvat pääosin robotin ostohinnastaja suunnittelukustannukset vastaavasti robotin asentamisen ja käyttöönotonsuunnittelutyöstä. Asennus- ja käyttöönottokustannukset sisältävät kaikki materiaalitja työt, jotka tarvitaan robottisolun rakentamiseen. Työväline- ja oheislaite-kustannukset taas muodostuvat tarraimien, syöttölaitteiden, ruuvivääntimien,palettien ja kuljettimien ym. hankinnasta.

Robottijärjestelmän käyttökustannuksia ovat välittömät palkkakustannukset,välilliset palkkakustannukset, huolto- ja kunnossapitokustannukset, energia-, aine-ja tarvikekustannukset sekä mahdolliset koulutuskustannukset. Välittömätpalkkakustannukset koostuvat robotin käyttäjien palkoista ja välilliset käyttöä tuke-vien ja avustavien henkilöiden palkoista, kuten ohjelmoinnista ja työnjohdosta.Huolto- ja kunnossapitokustannukset koostuvat ennakoivan ja korjaavankunnossapidon kustannuksista, joiden ohjearvona voidaan pitää noin 10 % robotinhankintahinnasta. Energia-, aine- ja tarvikekustannukset koostuvat sähköstä,paineilmasta ja voiteluaineista. Tämä osa on hyvin pieni verrattuna muihin käyttö-kustannuksiin.

78

Robottihankinnan kannattavuutta voidaan laskea ihan perinteisesti investointi-laskelmilla. Yksinkertaisimmillaan kannattavuustarkastelu voidaan laskea robotintakaisinmaksuaikana. Tällöin määritetään aika, jolloin robottisolu saadaan maksettuatuottojen ja säästöjen avulla.

Tässä työssä esitetty laskenta aloitettiin tarkastelemalla tuotteiden hitsimääriä jahitsausaikoja. Hitsimäärien tarkastelussa käytettiin apuna Exceliin tehtyä laskenta-taulukkoa, johon voitiin kirjoittaa hitsikohtaiset tiedot, joiden pohjalta saatiintuotteiden kokonaishitsiainemäärät ja hitsauspituudet. Hitsauksen silloituskoonnintekemiseen kuluvaa aikaa tarkasteltiin todellisissa tuotanto-olosuhteissa kellot-tamalla hitsaajan tekemää työtä, mutta hitsaukseen kuluvaa aikaa ja kustannuksiaarvioitiin laskennallisesti. Hitsauskustannusten laskentaan on käytetty kaavoja 6.1– 6.5.

Hitsauslisäainekustannukset (KL).

Suojakaasukustannukset (KS)

Työkustannukset (KJ)

Energiakustannukset (KE)

Konekustannukset (KK)

(6.1)KL = M xHL €N m

KS = x V x HS x kTM (6.2)€

m

KT = x x HTTM

e1

(6.3)

(6.4)

(6.5)

€

m

KE = M x E x HE

€

m

KK= x x HKTM

e1 €

m

79

Tarkasteltavien tuotteiden hitsiainemääräksi saatiin 14,3 kg ja hitsauspituudeksi22,5 m. Tästä voidaan laskea keskimääräinen hitsiainemäärä 0,64 kg/m. Lisäaineenostohintana on tässä käytetty arvoa 2 €/kg. Hitsiaineen tuotoksi arvioitiinkäsivaraisessa hitsauksessa 4 kg/h ja robottihitsauksessa 6,4 kg/h. Suojakaasunvirtaamana käytettiin arvoa 20 l/min ja ostohintana 5 €/m3. Kaariaikasuhdekäsivaraisen hitsauksen osalta on 25 % ja robottihitsauksessa 63 %. Työn hinnaksiarvioitiin 25 €/h. Energian kulutuksen arvioitiin olevan 3 kWh/kg käsivaraisessahitsauksessa ja 5 kWh/kg robottihitsauksessa ja energian ostohintana on käytetty0,1 €/kWh.

Koneiden tuntihinnan määritykseen on huomioitu käsihitsauksen osalta laitteideninvestointikustannuksena 20.000 € ja robottihitsauslaitteiston osalta 200.000 €.Taulukkoon 6.3 on koottu vaihtoehtoisia hitsauksen kokonaiskustannuksiaesimerkkituotteille sekä käsivaraisena hitsauksena että robottihitsauksena.Muuttujina on käytetty vuotuista käyttöaikaa, laskentakorkokantaa ja poistoaikaa.Koneen tuntihinta on laskettu kaavalla 6.6, siten, että koneiden vuosittainen huolto-ja kunnossapitokustannuksiksi on arvioitu 10 % investointikustannuksista.

= hitsiainemäärä (kg/m)= lisäaineen ostohinta (€/kg)= hyötyluku, joka Mig/Mag-hitsauksessa on noin 0,95= hitsiaineen tuotto (kg/h)= kaasun virtausmäärä (l/min)= kaasun ostohinta (€/m3)= kerroin 0,06= kaariaikasuhde= työtunnin hinta (€/h)= energian kulutus (kWh/kg)= energian ostohinta (€/kWh)= koneen tuntihinta (€/h)

MHLNTVHSkeHTEHEHK

(6.6)TP

12 x 100

PHK= HH x + + Y x

TK

1

HHTPpYTK

= koneen investointikustannus (€)= koneen poistoaika (v)= pääoman korko (%)= koneen vuosittaiset huoltokustannukset (€/v)= koneen vuosittainen käyttöaika (h/v)

€

h

80

Taulukon 6.3. tuloksista on nähtävissä, että jo 800 hitsaustyötunnilla vuodessa oninvestoimalla robottihitsaukseen mahdollista saavuttaa säästöjä, mikäli hyväksytäänvähintään kolmen vuoden poistoaika. Tässä laskelmassa ei ole huomioitu, ettärobotin käyttäjä voi tehdä silloituskoontia samaan aikaan kun robotti hitsaa tuotteitaeli tämä mahdollisuus parantaa vielä hieman robotisoinnin kannattavuutta. Edellämainituilla lähtöolettamuksilla arvioituna tuotteiden hitsausaika manuaalityönä onnoin 14 h ja robotilla hitsattuna noin 3,5 h.

Loppupäätelmät

Tutkimuksen tavoitteena oli kahden esimerkkituotteen avulla arvioida hitsauksenrobotisoinnin kannattavuutta. Vertailussa käytetyt kustannukset ja työajat eivätvälttämättä vastaa kaikilta osin todellisuutta, mutta selventävät kuitenkin laskennassakäytettyjä periaatteita. Itse hitsausvaiheen lisäksi tarkasteltiin myös silloituskoonnintekoa. Toisen tutkitun tuotteen osalta silloituskoonnin tekoaika mitattiin ja toisenarvioitiin, jonka perusteella silloituskoontivaiheen kokonaisaika-arvioksi saatiin noin6,5 h.

Kun laskentaa verrataan VTT:n tutkimuksen tulokseen, jossa keskimääräinenhitsausaineentuotto on alle puoli kilogrammaa hitsaustyötunnissa, niinesimerkkituotteiden hitsaustyövaiheen läpimenoajan tulisi olla noin 29 h.Silloituskoonnin ja hitsauksen osalta näiden esimerkkituotteiden laskennalliseksivalmistumisajaksi saadaan manuaalityönä 20,5 h. Tämän päälle pitää vielä laskeamahdolliset aputyöajat, kuten osien keräily, tuotteen tarkastus ja mahdolliset

TTTTTaulukko 6.3.aulukko 6.3.aulukko 6.3.aulukko 6.3.aulukko 6.3. Käsivaraisen ja robotisoidun hitsauksen kustannusvertailu.

81

esivalmistelu ja viimeistelyajat, joten ollaan hyvin lähellä tuota keskiarvoa. Roboti-soimalla hitsaus kyseisten tuotteiden läpimenoaikaa voitaisiin lyhentää noin 10tuntia lähtöolettamuksilla, että silloituskoontia on tekemässä kaksi hitsaajaa ja etteirobotisointi vaikuta muihin työvaiheisiin.

Lähteet

1. Kiiskinen Mikko: Hitsaustuotannon automatisoinnin soveltuvuuden jakannattavuuden arviointi, Insinöörityö, Savonia-ammattikorkeakoulu, 2010.

2. Leino Kalervo, Karppi Risto ja Hentula Markku: Suomalaisen hitsaustuotannonkilpailukyky. VTT, [verkkodokumentti]. Viitattu 11.9.2010. Saatavissa http://akseli.tekes.fi/opencms/opencms/OhjelmaPortaali/ohjelmat/SISU/fi/Doku-menttiarkisto/Viestinta_ja_aktivointi/Julkaisut/VTT_R_06707 _08_Sisuhitsi.pdf,2008.

3. Lukkari Juha: Hitsaustekniikka, Edita Prima Oy, 2002.

82

PUTKIOSIEN HITSAPUTKIOSIEN HITSAPUTKIOSIEN HITSAPUTKIOSIEN HITSAPUTKIOSIEN HITSAUKSEN ROBOUKSEN ROBOUKSEN ROBOUKSEN ROBOUKSEN ROBOTISOINTITISOINTITISOINTITISOINTITISOINTI

Tutkimuksen tavoitteena oli toisaalta selvittää optisen railonseurantalaitteistonsoveltuvuutta, mutta myös tutkimuskäytössä olevan robottijärjestelmä käytet-tävyyttä putkisto-osien valmistuksessa. Haasteet ovat erilaisia kuin raskaammissateräsrakenteissa. Hitsausmäärä tuotetta kohti jää melko vähäiseksi, joten tuotteentehokas läpimeno korostuu. Joidenkin komponenttien, kuten valmiidenputkikäyrien valmistustoleranssit ovat melko väljät ja toleranssien tiukantaminenei usein ole kohtuudella mahdollista. Railonvalmistustekniikat vaihtelevatkomponenttien välillä sahauksesta koneistukseen. Kuvassa 6.7 on esimerkki yhdestätutkimuksessa mukana olleesta putkiosasta.

KKKKKuva 6.7.uva 6.7.uva 6.7.uva 6.7.uva 6.7. putkiosista ja siihen liitetyistä yhteistä ja supistajasta koostuva tuote.

83

Lähtökohdat robotisoidulle hitsaukselle eivät ole helpot. Vaikeutta lisäävät hitsienkorkeat laatuvaatimukset ja railomuodot, joista kaikkein tyypillisin on yhdeltäpuolelta läpihitsattu liitos ilman juuritukea. Tämän johdosta tutkimus ei tuottanutkaikilta osin ehkä toivottuja tuloksia ja ajan puutteen vuoksi jouduimme jättämääntestauksen kesken. Johtopäätöksiin on kuitenkin koottu joitakin ajatuksia matkanvarrelta, mihin suuntaan tässä tutkittua robottihitsauksen konseptia kenties olisisyytä kehittää, että kyseisten kaltaisten tuotteiden hitsaus robotisoidusti olisimielekästä.

Kokeiden toteutus

Hitsaustestit aloitettiin ainevahvuudeltaan 3 mm levykappaleilla, I-railoon, ilmaraonollessa noin 2 mm. Ensimmäinen testi hitsattiin käsivaraiseen hitsaukseen tehdynhitsausohjeen mukaisesti hitsausvirran ollessa 85 A, jännite 17,7 V ja kuljetusnopeus25 cm/min. Hitsausasento oli PA eli jalkoasento. Lisäaineena käytettiinhalkaisijaltaan 0,8 mm G3Si1 tyypin umpilankaa ja suojakaasuna 92 % Ar + 8 %CO2 -kaasua. Hitsi onnistui hyvin, joten testausta päätettiin jatkaa muuttamallahitsausasento vaakaan. Näin haluttiin nähdä hitsausasennon vaikutus, silläputkiosien monimuotoisuudesta johtuen hitsaus on todennäköisesti helpompisuorittaa vaaka-asennossa.

Koska alustavat testit onnistuvat hyvin, niin kokeita jatkettiin itse putkisto-osilla.Tähän testiin lisättiin hieman hitsausvirtaa ja jännitettä, sillä levytestien perusteellaarveltiin pienen tehonlisäyksen olevan mahdollista. Mitattu hitsausvirta vaihteli87…90 A ja jännite 18,7…19 V välillä. Kuvan 6.8 min-tekstin kohdalla oli ilmarakoennen hitsausta vajaa 2 mm ja H-merkkien kohdalla oli pienet siltahitsit. Osiinjätettiin tarkoituksella noin 1 mm sovitusvirhe eli ilmarako oli suurimmillaan lähes3 mm, jolloin havaittiin että näin suuri ilmarako aiheuttaa hitsiin liitosvirheen.Muita kriittisiä paikkoja ovat hitsin aloitus-/lopetuskohdat ja siltahitsien paikat.Tämä näkyy etenkin juurenpuolella vajaana hitsautumisena.

Kuvan 6.8 testin tuloksena päätettiin tehdä hitsin aloitusten ja lopetusten testausta3 mm levyyn. Levykappaleilla testattiin myös levityksen käyttöä ja siltahitsienhiontatarvetta. Levitystekniikka antoi lupaavia tuloksia, sillä vielä 3 mm ilmarakotäyttyi levittämällä ihan hyvin ja silti 2 mm ilmaraon osalta päästiin vastaavaanlaatutasoon kuin ilman levitystä. Levityksen parametrit: levitysmuoto siniaalto,taajuus 3 Hz ja laajuus ±1,5 mm. Silloituskohtia hiottiin kevyesti eli railon yläpinnantasoon, joka vaikutti riittävältä juuren puolen sulamista ajatellen.

Koska aloituskohtaa ei ole mahdollista hioa, niin juuren puolelle jää hyvin herkästisulamaton kohta eli vajaa hitsautumissyvyys. Tämän estämiseksi kokeiltiin erilaisia

84

viiveitä niin aloituksen kuin myös lopetuksen osalta, mutta paras lopputulossaavutettiin käyttämällä lopetuksen yhteydessä hetken suurempaa hitsaustehoa.Käytännössä tehoa nostettiin kolmanneksella, jonka lisäksi kaari sammutettiinhitsaamalla hieman taaksepäin. Kuvasta 6.9 on nähtävissä melko virheetön aloitus/lopetuskohta.

KKKKKuva 6.8. uva 6.8. uva 6.8. uva 6.8. uva 6.8. Putkiosien testihitsi ilman levitystä.

KKKKKuva 6.9. uva 6.9. uva 6.9. uva 6.9. uva 6.9. Hitsin aloitus- ja lopetuskohta tehonlisäystä käyttäen.

85

Railonhaku ja -seuranta

Alkuperäisestä ajatuksesta käyttää optista seurantalaitteistoa jouduttiin luopumaan hetialkumetreillä, sillä tavanomaisilla putkiosilla törmättiin tilanahtauteen sekähitsauspistoolin asentorajoitukseen. Markkinoilla on myös optisia railonhakuantureita,tosin niitä ei voida käyttää railonseurantaan. Pelkän hakuanturin etu on, että se voidaansijoittaa robotin käsivarteen niin, ettei se heikennä hitsauspistoolin käytettävyyttä, muttatässä yhteydessä ei sellaista ollut käytettävissä.

Optisen anturoinnin hylkäämisen jälkeen päätettiin testata kosketukseen perustuvaarailohakua. Testikohteeksi otettiin yksi kuvassa 6.7 näkyvistä hyvin pienikokoisistayhteistä. Haku toteutettiin neljällä pisteellä yhteen ympäriltä, jolloin laskemallavastakkaisten suuntien hakutiedot yhteen, voidaan yhteen paikka valitun tason suhteenmäärittää. Korkeussuunta haettiin viidennen pisteen avulla pääputken pinnalta.Ongelmaksi muodostui haun riittämätön tarkkuus, jonka arveltiin johtuvan tuotteenpienistä dimensioista, pintojen kaarevista muodoista sekä haulla hankalastitodennettavissa olevista osien orientaatioeroista. Haun tarkkuutta voisi kenties parantaakäyttämällä lisäainelangan tilalla kaasusuutinta tai erillistä jäykkää hakulankaa, muttalaiteteknisistä syistä sitä ei voitu tässä yhteydessä testata.

Tämän jälkeen päätettiin kokeilla hitsausarvoihin perustuvaa railonseurantatekniikkaa.Hitsausarvoihin perustuva seuranta vaatii hitsausrailon, jossa on riittävästi tilavuutta.Tämä siitä syystä, että hitsausarvoissa pitää tapahtua seurantalaitteistolla todennettavissaolevia muutoksia. Karkea nyrkkisääntö on, että yhden millimetrin muutos vapaalangassatarkoittaa noin neljän ampeerin muutosta hitsausvirrassa. OTC:n hitsausrobotinrailonseurantaa käsittelevän ohjekirjan mukaan I-railossa seuranta on mahdollista aina4 mm ainevahvuudesta ylöspäin. Ainevahvuusvälillä 2,5 – 4 mm seuranta saattaa toimia,mutta varmuutta sille ei anneta ja alle 2,5 mm ainevahvuuksilla se ei todennäköisestitoimi. Toinen rajoitus liittyy ympyräliikkeisiin, sillä halkaisijaltaan alle 30 mmympyräliikkeillä seuranta ei välttämättä toimi.

Kun edellä mainitut rajoitukset otetaan huomioon, niin lähtökohdat hitsausarvoihinperustuvan seurannan käyttöön ovat heikohkot. Asiaa päätettiin kuitenkin kokeilla.Aluksi lanka suunnattiin alemman putken suuntaan, jolla pyrittiin parempaansulanhallintaan. Seuranta harhautui kuitenkin välittömästi, joten uusintatestiin muutettiinhitsauspolttimen asento mahdollisimman neutraaliksi. Uusintatesti suoritettiin levylleja hitsauspistooli asemoitiin 90 asteen kulmaan tasoon nähden ja lanka suunnattiinkeskelle railoa. Testilevyn paksuus oli 3 m ja railon ilmarako 2 mm. Tällöin seurantaonnistui, tosin hitsi vaelteli kuvan 6.10 osoittamalla tavalla. Näiden testien pohjaltaarveltiin, ettei railonseurannan toimivuuteen voida luottaa ja sen käytöstä päätettiinluopua.

86

Loppupäätelmät

Tutkimuksen tuloksena voidaan ajatella, että putkiosien hitsaus robotilla voisi ollamahdollista. Tuotteiden välillä on kuitenkin sen verran mittavaihtelua, että ilmanhyvin toimivaa railonhakua se ei tule olemaan kannattavaa. Toinen ongelma liittyyrobotin ulottuvuuteen. Kuvan 6.7 mukainen testijärjestely, jossa hitsattava tuotekiinnitettiin hitsauspöydällä olevaan sorvipakkaan aiheuttaa hitsauksen ulottu-vuusongelmia. Tutkimussolussa hitsauspöytää voidaan kyllä pyörittää ja kääntääkahden liikeakselin avulla, mutta silti hyvää hitsausasentoa ei oikein tahdo löytyä.Parempi lopputulos olisi mahdollista saavuttaa käyttämällä kappaleenkäsit-telyrobottia putkiosien käsittelyyn. Tällöin saavutettaisiin myös muita etuja, kutenmahdollisuus osien poimintaan. Miehittämätön työjakson pituus voisi olla niinpitkä kuin hitsattavia tuotteita on poimintapaikalla tarjolla.

Käyttämällä kappaleenkäsittelyrobottia hitsauspöytänä voitaisiin konenäkö-järjestelmää, ainakin periaatteessa, käyttää myös hitsausrailon hakuun ja mit-taukseen. Tämän asian käytännön testaukseen tässä yhteydessä ei kuitenkaan ollutmahdollisuutta, sillä tätä ominaisuutta ei osattu aikanaan määritellä kone-näköjärjestelmän käyttöliittymään, joten se vaatisi käyttöliittymän uudel-leenohjelmointityötä. Tutkimussolun kaltainen järjestelmä ei siis sellaisenaan annavielä riittäviä mahdollisuuksia kyseisen kaltaisten tuotteiden robottihitsaukseen.Järjestelmää edelleen kehittämällä se voisi kuitenkin olla mahdollista. Robottienohjelmointityö voi kuitenkin muodostua kannattavan automatisoinnin esteeksi,ellei tuotevariaatioiden määrää saada pidettyä kohtuullisen pienenä.

KKKKKuva 6.10.uva 6.10.uva 6.10.uva 6.10.uva 6.10. Railonseurannalla hitsattu I-railo 3 mm levyyn, pinta ylhäällä ja juuri alhaalla.

87

Yksi mahdollisuus olisi rakentaa Pema Vision –tyyppinen ohjelmointijärjestelmä,jossa konenäkökameralla skannataan tuote. Tuotekuvan perusteella tehdään jokoautomaattisesti tai operaattorin avustamana hitsausrobotille ohjelma. Putkiosientapauksessa pitäisi hitsausrobotin lisäksi tehdä myös tuotetta käsittelevälle robotilleohjelma. Hitsauksen kannalta skannauksen tarkkuus pitäisi olla luokkaa ±0,5 mm,muutoin tarvitaan erillistä railonhakua. Valmista laitetekniikkaa, jolla kyseinentarkkuus on mahdollista saavuttaa, on jo olemassa. Skannaukseen voitaisiinhyödyntää esimerkiksi laserkeilausta tai tekstuuria yhdistettynä videokuvaukseen.Tosin valmista ohjelmistoa, jolla laitetekniikka voitaisiin hyödyntää robottienohjelmointiin, ei liene kuitenkaan olemassa, joten asia vaatisi jatkotutkimista.

NOLLAPISTEKIINNITYKSEN SONOLLAPISTEKIINNITYKSEN SONOLLAPISTEKIINNITYKSEN SONOLLAPISTEKIINNITYKSEN SONOLLAPISTEKIINNITYKSEN SOVELVELVELVELVELTTTTTAMINEN HITSAAMINEN HITSAAMINEN HITSAAMINEN HITSAAMINEN HITSAUKSEENUKSEENUKSEENUKSEENUKSEEN

Hitsaustuotannossa on kappaleiden kiinnitys perinteisesti jätetty hitsaajan vastuulle.Hitsari on ne usein toteuttanut kiireessä, saatavilla olevista komponenteista jakiinnittimet poikkeavat rakenteellisesti toisistaan. Suunnitteluaikaa ei näihinkiinnittimiin ole paljoa käytetty, vaan ne on rakennettu usein aiempaan koke-mukseen pohjautuen, valmiiksi silloitetun tai hitsatun kappaleen ympärille.

Siirryttäessä käsivaraisesta hitsauksesta automatisoituun hitsaukseen, kiinnittimienmerkitys kasvaa. Hyvä tapa on suunnitella kiinnitin samanaikaisesti, kun tuote jasen valmistus suunnitellaan. Nykyaikainen ajattelu perustuu siihen, että tuotteenrakenteen ja toiminnan suunnitellun kanssa suunnitellaan myös sen valmistettavuusja tuotteen elinkaariliiketoimintaan liittyvät tekijät. Puhutaankin yhtenäis-suunnittelusta tai käytetään termiä ”concurrent engineering”.

Yksi tärkeimmistä kiinnittimen suunnittelun lähtökohdista on lämpötuonninaiheuttamien muodonmuutosten huomioiminen ja tämä merkitys korostuuautomatisoidussa hitsauksessa. Kiinnitin tulisi suunnitella niin, että sillä olisimuodonmuutoksia estävä ominaisuus, mutta silti tuote pitää saada kiinnittimestäirti ilman suurempaa väkivaltaa. Lisäksi kiinnitin ei saisi estää tuotteessa olevienrailojen hitsausta. Usein nämä vaatimukset sotivat toisiaan vastaan ja tarvitaaninnovatiivisia ratkaisuja ongelmien selvittämiseksi.

Monimutkaisissa tuotekonstruktioissa tarvitaan usein erillinen silloitus- jahitsauskiinnitin, jonka lisäksi tuote voidaan joutua jakamaan useisiinhitsauskokoonpanoihin. Usein joudutaan myös tekemään erilaisia lisätoimenpiteitäkokoonpanohitsauksen aikana, jotta tuote saadaan hitsattua loppuun asti. Näitätoimenpiteitä voivat olla osien lisääminen tuotteeseen tai jonkin kiinnittimen osanpoistaminen ennen kuin hitsaustyötä voidaan jatkaa. Käsivaraisessa hitsauksessatämä ei ole suuri ongelma, mutta perinteisessä robottihitsaussolussa ei tuotteeseen

88

voida lisätä hitsattavia osia eikä myöskään irrottaa kiinnittimen osia, ilman solunpysäyttämistä.

Vaikka kiinnittimet olisi suunniteltu hyvin, saattaa ongelmaksi muodostua niidensuuri määrä. Yleensä suunnittelussa tulisi käyttää mahdollisuuksien mukaanvakioituja kiinnityselementtejä, jolloin kiinnittimet voidaan valmistaa modulaarisesti.Tällä voidaan vähentää kiinnittimen kokonaismäärää sekä niihin liittyvien nimik-keiden määrää. Näistä lähtökohdista lähdettiin etsimään uutta ajattelua hitsaus-kiinnittimien suunnitteluun ja käyttöön, sillä kuten todettua hitsauskiinnittimiin eiusein paneuduta niiden vaatimalla vakavuudella.

Nollapistekiinnittimen suunnittelu

Nollapistekiinnittimellä tarkoitetaan kiinnitysmenetelmää, jossa käytetäänstandardoituja kiinnityselementtejä. Kiinnityselementti koostuu kuvassa 6.11esitetyistä kahdesta toiminnallisesta kokonaisuudesta eli kiinnityssylinteristä jakiinnitystapista. Kiinnityselementtejä tarvitaan usein enemmän kuin yksi, silläyhdellä elementillä voidaan sitoa kappaleen nollapiste, mutta ei orientaatiota. Toinenelementti tarvitaan tuotteen linjaamiseen ja mikäli elementtien määrää lisätään,niin lopuilla elementeillä kasvatetaan kiinnitysjärjestelmän pitovoimaa.Nollapistekiinnittimet ovat vaihtoehto FMS-järjestelmissä yleisesti käytetyillevakiopaleteille, mutta niiden etu on joustavuus ja keveys.

KKKKKuva 6.11.uva 6.11.uva 6.11.uva 6.11.uva 6.11. Kiinnitystappi ja –sylinteri (kuvat ei ole samassa mittakaavassa).

89

Nollapistekiinnitintä lähdettiin suunnittelemaan helposti saatavilla olevienkomponenttien pohjalta. Näitä komponentteja on käytössä yleisestityöstökonesovelluksissa. Kiinnityselementtejä löytyi usealta eri maahantuojalta.Kiinnityssylintereitä oli joko paineilmakäyttöisenä tai hydraulisina. Suurin ero näidenvälillä on kiinnitysvoimassa. Vähimmillään kiinnitysvoimaa oli joitakin satojakilogrammoja ja nämä olivat yleensä paineilmatoimisia laitteita. Tutkimussoluntapauksessa pitovoimaltaan vain yli 1000kg kiinnityssylinterit tulivat kysymykseen,joten valinta kohdistui hydraulisiin sylintereihin. Lopuksi vertailuun jäi kaksisylinterimallia, joista valittiin DockLock-merkkiset sylinterit lähinnä suuremmanpitovoiman vuoksi.

Järjestelmään kuuluivat myös kiinnitystapit, joita valittuun sylinterimalliin olisaatavilla eripituisina ja erilaisiin käyttötarkoituksiin soveltuvina. Nollapiste-kiinnittimeen suunniteltiin neljä kiinnitintä, jolloin jokaista tuotetta kohti tarvitaanyksi keskittävä tappi, yksi linjaava tappi ja kaksi pitotappia, tosin järjestelmä toimiivaikka kaikkia neljää kiinnitintä ei tarvittaisikaan. Keskittävä tappi keskittääkiinnitettävän kappaleen tai kiinnittimen tarkasti paikoilleen, linjaava linjaa sensuunnan ja kiinnipitotapit lisäävät kiinnipitovoimaa. Kiinnitys tapahtuu aina todellatarkasti, koska tappien kiinnitystarkkuus on sadasosamillimetrejä. Kokonais-pitovoimaksi neljällä kiinnityssylinterillä saatiin 4200kg. Kun tutkimussolun L-malliseen hitsauspöytään voidaan kiinnittää maksimissaan n. 1500kg kappale, onkiinnitysvoima siihen nähden lähes kolminkertainen.

TTTTTaulukko 6.4.aulukko 6.4.aulukko 6.4.aulukko 6.4.aulukko 6.4. Sylinterivertailu.

TTTTTyyppiyyppiyyppiyyppiyyppi

KäyttövoimaKäyttöpaine (bar)Kiinnitysvoima (N)Sivuvoima maks. (N)Esiasemointitarkkuus (mm)Halkaisija (mm)Korkeus (mm)Korkeus pöydästä (mm)Irrotusvoimanlähde

Nollapistetappi/rengasSivupaikoitustappiKiinnittävätappiKommentti

StarkStarkStarkStarkStarkSpeedy 1000Speedy 1000Speedy 1000Speedy 1000Speedy 1000round 804348round 804348round 804348round 804348round 804348

Hydrauliikka8067227000±3105

10Paineenkohottaja

804209804230804238- Öljyliitäntä koneistettava- paletinrunkoon- Kalliit vastanastat

DockLDockLDockLDockLDockLockockockockockSylinteri 752160LSylinteri 752160LSylinteri 752160LSylinteri 752160LSylinteri 752160LUUUUU(Viton-tiiviste vakiona)

Hydrauliikka6512500/40000

112600-20Hydrauliikkapumppu758800-1 220VKeskittäväLinjaavaPito- Kuumuuden kesto 300 °C- Paras pitovoima- Erillinen hydrauliikka ja pi-liitäntä

90

Hydrauliikkapaineen tuottamiseksi tarvittiin pumppu joka kehittää vähintään 70bar:npaineen. Pumpuksi valittiin saman laitetoimittajan pumppu, jolla voitiin varmistaalaitteistojen täysi yhteensopivuus. Kiinnitin on lukittuneena kun järjestelmä on paineetonja se vapautetaan paineella. Tämä toimintaperiaate varmistaa järjestelmän turvallisenkäytön. Nollapistekiinnittimeen tarvittiin lisäksi kiinnityssylintereille tulevanhydrauliikkaöljyn tuomiseksi pyörivä liitin. Pyörivän liittimen ansiosta kiinnitysjärjestelmäei rajoita hitsauspöydän pyöritysliikettä.

Kiinnittimen rakenne

Kuvassa 6.12 näkyvä kiinnittimen runko valmistettiin teräslevystä ja sille tehtiin FEM-tarkastelu ennen valmistusta. Tarkastelulla varmistettiin rungon riittävä jäykkyysmaksimikuormituksessa. Valmistukseen käytettiin 20mm ja 15mm teräslevyjä, jotkaleikattiin plasmaleikkauskoneella ja hitsattiin kokoon Savonia-ammattikorkeakoulunhitsauslaboratoriossa. Ennen koneistusvaihetta kiinnittimen rungolle tehtiinjännityksenpoistohehkutus. Tarvittavat koneistukset tasojen oikaisemiseksi ja kiinnitys-ym. reikien tekemiseksi tehtiin Brandente Oy:n toimesta.

Maahantuojan antaman tiedon mukaan hitsauksen maadoitus olisi onnistunut suoraansylinterien kautta, mutta koska asiasta ei ollut dokumentoitua tietoa, kiinnittimen

KKKKKuva 6.12.uva 6.12.uva 6.12.uva 6.12.uva 6.12. Nollapistekiinnittimen runko.

91

runkoon lisättiin kaksi maadoituskenkää kunnollisen maadoituksen varmis-tamiseksi. Rungon sisälle sijoitettiin myös ohjauksessa tarvittavat paineilmaventtiilit,hydrauliikan jakotukit sekä tarvittavat letkut. Lisäksi kiinnittimen rungon kylkeentehtiin hydrauliikka-, paineilma-, ja sähköliitynnät, jotka näkyvät kuvan 6.13alareunassa. Hydrauliikkaliityntä mahdollistaa yksitoimisten hydraulistenkiinnityssylinterien käytön. Paineilmaliitynnän avulla kiinnityksessä voidaan käyttääkaksitoimisia paineilmasylintereitä sekä puhdistaa kiinnityssylinterien kiinnitys-elimet. Sähköliitynnän kautta saadaan kytkettyä mm. hitsauskiinnittimen anturointirobotinohjaukseen, mikäli siihen ilmenee tarvetta.

Kiinnityssylinterien ohjaus suunniteltiin siten, että sylintereitä ei ole mahdollista vapauttaamuutoin kun hitsauspöydän ollessa ala-asennossa. Tämä toteutettiin L-pöydän runkoonasennetulla turvarajakytkimellä, jonka ollessa vaikutettuna, sylinterien vapautus onmahdollista. Lisäksi pöytään lisättiin anturi, joka tunnistaa onko nollapistekiinnittimessäoleva tuote tai hitsauskiinnitin asianmukaisesti paikoillaan ja kiinnittynyt kunnolla.

Sovelluskohteet

Nollapistekiinnitintä voidaan käyttää hitsauskiinnittimien pikavaihtoon. Yksinkertainentapa toteuttaa asia on käyttää FMS-järjestelmän palettia vastaavaa kiinnityslevyä, jonkapäälle kuvan 6.14 mukaisesti rakennetaan hitsauskiinnitin. Kiinnityslevyyn on koneistettutarkat kiinnitystapin paikat, joka mahdollistaa nopean asetuksen teon ilman työkalujaja erillisiä paikoituksia.

KKKKKuva 6.13.uva 6.13.uva 6.13.uva 6.13.uva 6.13. Nollapistekiinnitin asennettuna kappaleenkäsittelypöytään.

92

Toinen tapa hyödyntää nollapistekiinnitintä on laittaa kiinnitystapit suoraantuotteeseen. Tällä päästään eroon erillisestä hitsauskiinnittimestä. Tuote tulee ollajoko valmiiksi silloitettu, että se voidaan hitsata robotilla, tai tuotteen hitsauskoontivoidaan tehdä kiinnitystapit sisältävän perusosan ympärille. Mikäli erillistäsilloituskoontia käytetään, on tuotteen paikoitus silloituskiinnittimeen syytä tehdäsamoilla kiinnitystapeilla kuin hitsausvaiheessa. Tällöin voidaan vähentää silloitusja hitsausvaiheen välille tulevaa mittavaihtelua. Kiinnityspisteiden paikka tuleesuunnitella siten, että tuotteen lämpölaajenemisen vaikutukset eivät siirrämerkittävästi kiinnityspisteiden paikkaa, ja estä tuotteen irtoamista nollapiste-kiinnittimestä.

Koska kiinnitystarkkuus riittää suoraan koneistukseen, voitaisiin kiinnitystappejahyödyntää joissakin tapauksissa myös kiinnitettäessä kappaletta työstökoneeseen.Tällöin säästyttäisiin kappaleen uudelleen asemoinnilta työstövaiheessa.

Loppupäätelmät

Suunniteltu nollapistekiinnitin on osoittautunut toimivaksi ratkaisuksi erikiinnitinlevyjen vaihtoon. Suurin sen tuoma etu on nopea ja tarkka asetuksen teko.Nollapistekiinnitintä ei ole vielä päästy testaamaan sellaisilla tuotteilla, joissakiinnitystapit olisivat kiinnitetty suoraan hitsattavaan kappaleeseen.

KKKKKuva 6.14. uva 6.14. uva 6.14. uva 6.14. uva 6.14. Kiinnityslevyn päälle valmistettu hitsauskiinnitin.

93

Tällaista kiinnitysjärjestelmää voi suositella yritykselle, joilla on paljon erilaisiarobotilla hitsattavia tuotteita ja hitsattavan tuotteen vaihtoaikaa halutaan lyhentää.Nollapistekiinnittimestä saatavaa hyötyä voidaan vielä kasvattaa valmistamallajokaiselle tuotteelle vähintään kaksi kiinnitintä. Tämä lisää jonkin verrankiinnitinkustannuksia mutta säästää asetusaikaa. Paras hyöty olisi saatavissa, joshitsauskiinnitin voitaisiin korvata suoraan tuotteeseen kiinnitettävillä kiinni-tystapeilla.

Nollapistekiinnittimen valmistaminen ilman omaa suunnittelu ja kokoonpanotyötämaksoi noin 8000 euroa. Suurimmat kustannukset tulivat kiinnityssylintereistä n.1000 euroa/kpl ja kiinnittimen rungon koneistuksesta. Vastaavasti tuotteisiin taikiinnityselementteihin kiinnitettävien tappien kustannukset eivät ole ongelma, silläkiinnitystappien hinta on vain joitakin kymmeniä euroja kappaleelta.

Parannettavia asioita kiinnittimessä olisi paksummat kiinnitystapit, jolloin niissävoitaisiin käyttää suurempia kiinnityspultteja. Lisäksi olisi hyvä suunnitella jokonollapistekiinnittimen runkoon tai kiinnityslevyihin mekaaniset varmistimet, joillakappaleen pysymisen käsittelypöydässä myös ylikuormitustilanteissa voitaisiinvarmistaa. Ylikuormitustilanteita voi aiheutua esimerkiksi hätäpysäytyksestä keskenkäsittelypöydän liikkeen. Varmistimet tulisi kuitenkin suunnitella siten, etteivät nehidasta kappaleen vaihtamista. Yksinkertaisimmillaan ne voisivat olla mekaaniset,jousikuormitteiset hakaset.

Vaikka kokemusta saman nollapistekiinnittimien käytöstä sekä hitsaukseen jakoneistukseen ei tässä hankkeessa saatu, on asia varmasti tutkimisen arvoinen.Kiinnittimien yhteiskäytöllä voitaisiin saavuttaa huomattavia säästöjä asetusajoissaja myös itse kiinnitinkustannuksissa.

94

7. CASE-esimerkkejä robottikoonnista ja hitsauksesta

Esa Jääskeläinen, Kari Solehmainen ja Aku Tuunainen

NIVELNIVELNIVELNIVELNIVEL

Tutkimuksessa ollut tuote (kuva 7.1) on erääseen koneeseen liittyvä nivelrakenne.Tuote koostuu esikoneistetusta nivelholkista, kahdesta polttoleikatusta nivellevystäja neliöteräspalasta. Kyseistä ja muita samankaltaisia tuotteita on kokoonpantu jahitsattu käsityönä tähän asti. Tavoitteena oli tutkia mahdollisuuksia sekä tuotteenkokoonpanon että hitsauksen automatisointiin.

Kokeiden toteutus

Tutkimus aloitettiin tarkistamalla hitsiin kohdistuva jännitys. Tarkastelun ajatuksenaoli varmistaa hitsin mitoitus ja sitä kautta mahdollisuus vähentää hitsimäärää.Laskenta ei kuitenkaan osoittanut tämän olevan mahdollista. Rakenteenmahdollisen pettämisen seurauksena syntyvien vahinkojen suuruus sekä hitsiinkohdistuvan dynaamisen kuormituksen johdosta haluttiin kaikki riskitekijätminimoida. Pienehkö myönnytys kuitenkin tehtiin, sillä hitsauspiirustuksissa olinivellevyjen väliseen ahtaaseen rakoon merkitty a5-hitsi. Tämä hitsi ei kuitenkaan

KKKKKuva 7.1.uva 7.1.uva 7.1.uva 7.1.uva 7.1. Nivel.

95

ole lujuuden eikä tuotteen toiminnallisuuden kannalta tarpeen, mikäli hitsaus yhdeltäpuolelta onnistuu.

Alkuvaiheissa pohdittiin myös mahdollisuutta muuttaa nivelen konstruktiotavalmistusystävällisemmäksi. Yksi ongelma on nivellevyjen kohdistus, sillänivelholkin ja -levyjen väliset liitokset eivät ole helposti paikoitettavissa. Paikoituksenohjaus tulee nivelholkin sivusta. Holkissa oleva M6-reikä pitää olla noin 90 asteenkulmassa levyihin nähden. Käyttämällä kappaleenkäsittelyrobottia tuotteen kokoon-panoon on tämä ongelma kertaluontoinen ja siten ei kovin merkittävä, jotenkonstruktiota ei testeihin muutettu.

Merkittävämmät ongelmat liittyivät hitsaukseen, sillä kuten aiemmin on jo useassayhteydessä todettu, yhdeltä puolelta läpihitsattua liitosta, jossa ei voida käyttääjuuritukea, pidetään robotisoinnin kannalta erittäin vaikeana, ellei jopa mahdot-tomana tapauksena. Luotettavan läpihitsautumisen päällimmäinen ongelma onvalmistustarkkuus. Mikäli osat eivät kohdistu toisiinsa nähden joka kerta samallatavalla, tulee hitsauksessa suuria ongelmia. Kappaleenkäsittelyrobotti ja oikeintoteutettu osien poiminta tuovat mahdollisen avun tähän ongelmaan. Sillä vaikkaosissa olisikin pientä vaihtelua, niin mittavaihtelu eliminoidaan hitsin kannaltaolennaisissa suunnissa. Tällöin osavalmistuksen mittavaihtelut eivät näy hitsissä.

Hitsaukseen liittyy myös toinen ongelma eli kuvassa 7.4 näkyvän mittatoleranssin51 +0,5 mm toteutuminen. Koska hitsi on levyn neutraaliakselin suhteen hyvinepäsymmetrinen, aiheuttaa hitsi hyvin suurta kulmavetäytymistä. Kulma-vetäytymistä voidaan ehkäistä kiinnittämällä levyt hitsauksen ajaksi toisiinsa. Toinenvaihtoehto on ennakoida vetäytyminen kääntämällä levy vinoon ennen hitsausta.Ennakon käyttö etenkin robotisoidussa hitsauksessa on hyvin perusteltua, sillä joshitsaustapahtuma toistuu joka kerta samanlaisena niin voidaan olettaa vetelynkinpysyvän vakiona. Tosin osien mitta- ja paikoitustarkkuus näkyy vaihteluna muodon-muutoksissa ja tästä syystä testeissä päädyttiin sekä käyttämään ennakkoa ettäsitomaan levyt toisiinsa.

Osien poimintaa voidaan käyttää hyvin monenlaisia robottitarraimia. Yleisimmättarraintyypit ovat erilaiset sormitarraimet, alipainetarraimet ja magneettitarraimet.Sormitarrain mahdollistaa hyvin tarkan paikoituksen, etenkin kun otepinta onsylinterimäinen, jolloin voidaan käyttää kolmisormitarrainta. Tästä syystänivelholkin käsittelyssä päädyttiin kuvan 7.2 tarrainratkaisuun. Magneettitarraimenvahvuus on sen monikäyttöisyys eli sama tarrain soveltuu hyvin monennäköistenja kokoisten osien poimintaan. Haittoina on sormitarrainta hieman heikompi poi-mintatarkkuus, suurempi herkkyys osien pinnanlaadulle sekä rajattu mate-riaalivalikoima, sillä osien on oltava ferromagneettisia. Monikäyttöisyyden ansiosta

96

muiden osien poiminta päätettiin toteuttaa kuvan 7.2 magneettitarraimella. Kuvasta7.2 on myös nähtävissä paineilmakäyttöiseksi muutettu sorvin kolmileukapakka,jota hyödynnetään tuotteen kiinnitykseen hitsauspöydälle.

Osien poiminta olisi ollut helpoin toteuttaa konenäön avustamana, sillä tällöin eitarvittaisi mittatarkkaa poimintapaikkaa. Laboratorion konenäköjärjestelmä eikuitenkaan tutkimushetkellä ollut vielä käyttökunnossa, joten poimintapaikallesuunniteltiin kuvan 7.3 mukainen osapaletti. Palettiin sopii kuuden tuotteen osat,joka on samalla miehittämättömän työkierron pituus. Kappaleenkäsittelyrobotilleon opetettu kunkin osan ensimmäinen poimintapaikka. Loppujen osien poimintaavarten kappaleenkäsittelyrobotin pääohjelmassa on silmukka, jossa siirretäänrobotin ohjelmapisteitä poimintatasossa, niin että seuraava osa saadaan poimittua.

Hitsausparametrit

Hitsauksessa käytettiin G4Si1-tyypin umpilankaa kauppanimeltään Lincoln SupraMig. Langan halkaisija oli 1,2 mm. Suojakaasuksi valittiin M21-tyypin suojakaasukauppanimeltään Woikoski SK-25, jonka koostumus on 25 % hiilidioksidia 75 %argonia. Kaasu soveltuu etenkin paksujen ainevahvuuksien hitsaukseen ja sietääenemmän railossa olevia epäpuhtauksia kuin argonvaltaisemmat seoskaasut.Epäpuhtauksia railossa on osien valmistusmenetelmästä johtuen ja niidenminimoimiseksi tulisi polttoleikkeiden olla raepuhallettuja tai hiottuja.

KKKKKuva 7.2.uva 7.2.uva 7.2.uva 7.2.uva 7.2. Kolmisormitarrain ja magneettitarrain.

97

Nivelosien välisestä suuresta railotilavuudesta johtuen, monipalkohitsaus on ainoamahdollisuus. Tästä seuraa lisähaastetta, sillä palkojen välillä ei ole mahdollistapoistaa hitsin pinnalle nousseita epäpuhtauksia. Tästä voi seurata moninaisiahitsausvirheitä, joita tutkittiin sahaamalla ja hiomalla koekappaleiden liitoksia. Railonlaskennallinen tilavuus ilmaraon ollessa 3 mm on noin 360 mm2 ja karkeannyrkkisäännön mukaan a6 on suurin pienahitsi, jonka voidaan hitsata kerralla.Tämä vastaa 36 mm2 railotilavuutta, joten laskennallisesti tarvittaisiin vähintään10-palkoa railon täyttöön. Käytännön hitsaustestit osoittivat, ettei tämäkään ihanriittänyt, vaan liitoksen hitsaukseen tarvittiin juuripalon lisäksi 10-täyttöpalkoa.Palkokohtaiset hitsausarvot on esitetty taulukossa 7.1.

Taulukosta 7.1 näkyy myös hitsausjärjestys. Vasen nivellevy silloitetaan ensinmolemmista päistään, jonka jälkeen oikea nivellevy silloitetaan juuripalonloppupäästä. Oikean nivellevyn juuripalko hitsataan kappaleenkäsittelyrobotinpitäessä nivellevystä kiinni. Täyttöpalot hitsataan vuoroin oikealle ja vasemmallenivellevylle. Tällöin edellinen palko ehtii jäähtyä, ettei palkojen välinen lämpötilanouse liian korkeaksi. Pintapalot 9 ja 10 hitsataan vähän pienemmillä arvoilla janiiden hitsauksessa käytetään levitysliikettä. Tällä tavoin saadaan hitsin pinnastatasaisempi ja kaksi vierekkäistä palkoa riittävät täyttämään railon.

Siltahitsien hitsausarvoissa on ilmoitettu silloitusaika kun taas hitsipaloissahitsausnopeus. Taulukon ulkopuolisen tietona kaikissa hitsipaloissa on käytettykaaren sytytyksen jälkeen 0,5 s. lähtöviivettä, jolla on pyritty aloituskohdanparempaan sulamiseen ja täyttöasteeseen.

KKKKKuva 7.3.uva 7.3.uva 7.3.uva 7.3.uva 7.3. Osien poimintaan suunniteltu osapaletti.

98

Rautaruukin ohjeistuksen mukaan, kun yhdistettynä levynpaksuutena käytetäänarvoa 75 mm, nivellevyn materiaalille S355K2G3 (EN10025-2 mukainenluokittelumerkintä S355K2+N) suositellaan hieman korotettua työlämpötilaa eli75 °C, kun kaarienergia on yli 1,0 kJ/mm. Mikäli kaarienergia on yli 2,0 kJ/mmtyölämpötila voi olla +20 °C. Testissä ei käytetty esilämmitystä eikä palkojen välistälämpötilaa ole mitattu, joten tarkkaa työlämpötilaa ei voida sanoa. Todellisethitsausarvot poikkeavat hieman taulukossa 7.1 esitetyistä ohjelmoiduista arvoista,sillä hitsausarvojen skaalauksessa käytetty railomuoto ja vapaalangan pituus eivättäysin vastaa nivelen hitsaustilannetta. Suurimmillaan välipalkoja hitsattaessatodellinen hitsausvirta oli noin 350 A ja pintapalkoja hitsattaessa noin 300 A. Näistätodellisista arvoista voidaan laskea kaavalla 7.1 palkokohtainen kaarienergia, jokatässä tapauksessa on noin 1,6 kJ/mm juuri- ja välipaloilla sekä 2,3 kJ/mmpintapaloilla.

(7.1)E =I(A) x U(V)

V 1000mm s

kJmm

E = kaarienergiaI = hitsausvirtaU = kaarijännitev = hitsausnopeus

TTTTTaulukko 7.1. aulukko 7.1. aulukko 7.1. aulukko 7.1. aulukko 7.1. Palkokohtaiset hitsausarvot.

hitsihitsihitsihitsihitsi

Ilmarakosilloitus Ojuuripalko Ojuuripalko Vtäyttöpalko 1täyttöpalko 2täyttöpalko 3täyttöpalko 4täyttöpalko 5täyttöpalko 6täyttöpalko 7täyttöpalko 8pintapalko 9pintapalko 10

hitsausarvothitsausarvothitsausarvothitsausarvothitsausarvot

200A / 22,0V / 1,5s200A / 22,0V / 1,5s300A / 33,6V / 40cm/min300A / 33,6V / 40cm/min300A / 33,6V / 45cm/min300A / 33,6V / 45cm/min300A / 33,6V / 45cm/min300A / 33,6V / 45cm/min300A / 33,6V / 45cm/min300A / 33,6V / 45cm/min300A / 33,6V / 45cm/min300A / 33,6V / 45cm/min260A / 31,9V / 25cm/min260A / 31,9V / 25cm/min

langansyöttölangansyöttölangansyöttölangansyöttölangansyöttö

1146 cm/min1146 cm/min1146 cm/min1146 cm/min1146 cm/min1146 cm/min1146 cm/min1146 cm/min1146 cm/min1146 cm/min896 cm/min896 cm/min

levityslevityslevityslevityslevitys

------------2 Hz / ±1 mm2 Hz / ±1 mm

lopetuslopetuslopetuslopetuslopetus

0,3s / 150A0,3s / 150A2s / 150A2s / 150A2s / 150A2s / 150A2s / 150A2s / 150A2s / 150A2s / 150A2s / 150A2s / 150A2s / 150A2s / 150A

99

Juuripalon hitsauksessa lämpötila oli 20 °C, jolloin kaarienergian tulisi olla yli 2kJ/mm, mutta näin suurella kaarienergialla ei juuren hitsausta todennäköisestisaataisi onnistumaan, joten juurihitsin onnistumisen varmistumiseksi saatetaanjoutua käyttämään esilämmitystä. Vaikka testeissä esilämmitystä ei käytetty, niinhitsistä tehdyissä hieissä ei havaittu kylmähalkeamia. Kovuusmittauksilla olisi voituvielä varmistaa onko hitsissä tapahtunut haitallisessa määrin karkenemista, muttatätä ei ajanpuutteen vuoksi kuitenkaan tutkittu.

Koekappaleiden mittaus

Lopputuotteen mittojen osalta kriittisin kohta on nivelholkin sisäreiän halkaisija,joka on hyvin tiukasti toleroitu. Mittojen toteutumista todennettiin testikappaleista,joiden mittaustiedot löytyvät taulukoista 7.2 ja 7.3. Taulukoiden arvoakseleidenotsikot vastaavat kuvassa 7.4 näkyviä mittapisteitä. Taulukoiden 7.2 ja 7.3 lukuarvotilmoittavat poikkeamia nivelholkin nimellismitasta 105 mm.

Nivelholkin sisähalkaisijan toleranssialue on +0,05 - +0,10, eli kumpikin taulukonholkeista ylittää toleranssialueen. Kun hitsauksen jälkeen huomattiin liian suuretmittapoikkeamat, niin päätettiin kokeilla paranisiko nivelen mittatarkkuusjännitystenpoistohehkutuksella. Hitsauksen aiheuttamien jännitysten poistumisenmyötä toivottiin myös muotovirheen vähenevän. Hehkutus tehtiin uunissa 650 °Clämpötilassa. Hehkutusaika oli kaksi tuntia ja jäähdytys tapahtui uunin mukana.Taulukoiden 7.2 ja 7.3 mittapoikkeamia vertailemalla huomataan, että hehkutuspienensi muotovirhettä, lähinnä mittaustasolla C. Vaikutus oli mittatoleranssiinnähden kuitenkin riittämätön.

TTTTTaulukko 7.2.aulukko 7.2.aulukko 7.2.aulukko 7.2.aulukko 7.2. Kahden koesarjan nivelen mittaustiedot ennen hehkutusta.

mittapiste

12345678

A

+0,12+0,06+0,05-0,01-0,01-0,02+0,03+0,10

B

+0,11+0,06-0,02-0,07-0,06-0,07+0,01+0,08

C

+0,10+0,07-0,01-0,05-0,04-0,04+0,03+0,09

mittapiste

12345678

A

+0,12+0,10+0,03-0,020-0,02+0,05+0,09

B

+0,12+0,09+0,01-0,05-0,03-0,05+0,04+0,12

C

+0,14+0,11+0,05-0,01-0,020+0,06+0,13

KKKKKoesarja 1oesarja 1oesarja 1oesarja 1oesarja 1 KKKKKoesarja 2oesarja 2oesarja 2oesarja 2oesarja 2

suurin ero: 0,19 mm suurin ero: 0,19 mm

100

KKKKKuva 7.4.uva 7.4.uva 7.4.uva 7.4.uva 7.4. Mittauspisteiden sijoittelu ja nivellevyjen välinen mittatoleranssi.

TTTTTaulukko 7.3.aulukko 7.3.aulukko 7.3.aulukko 7.3.aulukko 7.3. Nivelten mittaustiedot hehkutuksen jälkeen.

mittapiste

12345678

A

+0,09+0,0800-0,01-0,030+0,05

B

+0,06+0,05-0,03-0,06-0,06-0,09-0,07+0,01

C

+0,06+0,06+0,02-0,01-0,03-0,06-0,04+0,01

mittapiste

12345678

A

+0,12+0,08+0,020+0,01-0,01+0,04+0,11

B

+0,12+0,08+0,03-0,05-0,02-0,04+0,03+0,09

C

+0,11+0,08+0,0400+0,02+0,05+0,09

KKKKKoesarja 1oesarja 1oesarja 1oesarja 1oesarja 1 KKKKKoesarja 2oesarja 2oesarja 2oesarja 2oesarja 2

suurin ero: 0,18 mm suurin ero: 0,16 mm

101

Hietarkastelu

Hietarkastelulla haluttiin tutkia sekä palkokuviota että hitsin virheettömyyttä. Hieitävarten pilkottiin kaikkiaan kaksi niveltä. Tarkoitus oli tarkastella hitsien aloitus jalopetuskohtia sekä liitoksen keskikohtaa. Kuvaan 7.5 piirretyt viivat kuvastavatsahauskohtia. Ensimmäisessä pilkotussa nivelessä havaittiin joitakin hitsausvirheitä,joita pyrittiin poistamaan muuttamalla hitsauspistoolin suuntausta. Korjauksenjälkeen tehdyissä uusissa hieissä (kuvat 7.6 ja 7.7) ei näitä virheitä enää havaittu.

Kuvissa 7.6 ja 7.7 näkyvät nivellevyjen hitseistä tehdyt hieet. Kaksikirjaimistensymbolien ensimmäinen kirjain kuvastaa vasenta (V) tai oikeaa (O) nivellevyn puoltaja vastaavasti toinen kirjain merkitsee sahauskohtaa etureuna (E), keskikohta (K)ja takareuna (T) (kuva 7.5). Kuvista erottuu kohtuullisen selkeästi palkokuviot jalämpövyöhykkeet (HAZ). Hitseissä ei todettu muita merkittäviä virheitä, kuin vajaakupu E- ja T- leikkauksissa.

K K K K Kuva 7.5.uva 7.5.uva 7.5.uva 7.5.uva 7.5. Hietarkasteluun pilkottava nivel, johon merkattu sahauskohdat.

102

Loppupäätelmät

Nivelien robotisoitu valmistus onnistui vähintäänkin kohtuullisesti, silläkäsivaraisesti tehtävää jälkityötä jäi varsin vähän. Yleisen laadun tarkastuksen ohellalähinnä hitsien päiden viimeistely on tehtävä manuaalisesti. Kaikilta osin ei tosinpäästy tavoitteisiin. Suurin puute, jota tosin osattiin jo vähän odottaa ennen testejä,oli nivelholkin pyöreyden mittatoleranssin ylittyminen. Valmistustoleranssit sallivatsuurimmillaan 0,05 mm poikkeaman pyöreydessä, mutta hitsauksen jälkeenpoikkeama oli luokkaa 0,2 mm. Tältä osin jälkikoneistus on välttämätön. Vastaavastinivellevyjen välinen mittatoleranssi salli suurimmillaan 0,5 mm vaihtelun.Hitsauksen jälkeinen mittavaihtelu jäi sallittujen arvojen sisälle. Tähän päästiinsekä hitsauksen aiheuttaman vetelyn ennakoinnilla että käyttämällä levyjen välillätukea.

Yksi tavoite oli saada onnistumaan yhdeltä puolelta läpihitsattu liitos. Tämätoteutettiin vaakahitsinä ilmaraon ollessa noin 2,5 mm. Kriittisiä kohtia ovatsilloituspaikat ja hitsin aloituskohta. Näissä kohdin käytettiin ajastinta, jolloin

KKKKKuva 7.6. uva 7.6. uva 7.6. uva 7.6. uva 7.6. Vasemman nivellevyn hiekuvat järjestyksessä VE, VK ja VT.

KKKKKuva 7.7.uva 7.7.uva 7.7.uva 7.7.uva 7.7. Oikean nivellevyn hiekuvat järjestyksessä OE, OK ja OT.

103

hitsaamalla hetki paikallaan saatiin juuren sulaminen paremmin hallittua. Lopuksihitsattiin viisi niveltä jatkuvalla työkierrolla ja ainakin tämän testauksen perusteellajuuren sulan hallinta on mahdollista saada onnistumaan.

Lähteet

1. Ruukki: Kuumavalssatut teräslevyt ja –kelat, Materiaalin työstö, Hitsaus[verkkodokumentti]. Viitattu 22.9.2010. Saatavissa http://www.ruukki.com/www/mater ia ls.nsf/0/64E5332B3DCB0A71C22573A300406860/$Fi le/Hitsaus_HR_11.2007_FI.pdf?openElement, 2007.

104

VETVETVETVETVETOLEVYOLEVYOLEVYOLEVYOLEVY

Tutkittava case-tuote oli koneen kuljetinhihnan osa (kuva 7.8). Se koostuutaivutetusta levystä, seitsemästä keskenään samanlaisesta holkista sekä variaatiostariippuen kahdesta tai kolmesta ”nasta” levystä. Tuotetta valmistetaan manuaalisestija se valittiin case-tuotteeksi yksinkertaisen rakenteensa takia. Testien tavoitteenaoli selvittää, kuinka kyseinen tuote soveltuu valmistettavaksi automatisoidustirobotisoidussa tuotantosolussa.

Tutkimuksen toteutus

Tutkimuksessa haluttiin simuloida sitä, että tuotetta valmistettaisiin solussa useitakappaleita peräkkäin. Tuotteen osien poimintaan käytettiin robottisolunkonenäkökameraa. Kameran avulla osat voitiin panostaa suoraan lastauslavalle japoimia tarraimeen kuvaustuloksen perusteella. Tämä nopeutti testien toteutusta,koska tuotteen osille ei tarvinnut suunnitella ja valmistaa makasiineja.

Tuotteen vetolevyksi nimitettävää särmättävää osaa kehitettiin paremmaksiautomaation kannalta. Aikaisemmin osa oli valmistettu levyleikkurilla ja taivutettusärmäyspuristimella. Särmäyskulma vaihteli useita asteita ja osa saattoi kiertyä pituusakselinsa ympäri useita asteita. Todennäköisenä syynä tähän vaihtelevuuteen olilevyleikkurin aiheuttamat jännitykset. Osan valmistusmenetelmä vaihdettiin

KKKKKuva 7.8. uva 7.8. uva 7.8. uva 7.8. uva 7.8. Case-tuote vetolevy.

105

laserleikkaukseen ja levymateriaali hyvin särmättäväksi. Samalla osan ulkomittaamuutettiin hieman, jotta holkin ja levyn ilmarako pienenisi ja hitsauksessa syntyvätmuodonmuutokset pienenisivät.

Tuotteen nastaosien valmistustapaa vaihdettiin niin ikään osan käsittelyn takia.Aikaisemmin lattateräksestä sahaamalla valmistetut osat, vaihdettiin levystäleikattuihin samanmuotoisiin osiin. Tällöin ne voitiin poimia tasaiselta sivusärmältätarraimen magneettiin.

Koska HitSavonia laboratorion tutkimussolussa on vain yksi kappaleen-käsittelyrobotti, päätettiin että tuote kootaan ja hitsataan kääntöpöydälle tulevassakiinnittimessä. Tuotteen 3D-mallin perusteella sille suunniteltiin kuvassa 7.10näkyvä hitsauskiinnitin, sekä kappaleenkäsittelyyn kokoonpanossa tarvittavatrobottitarraimet. Tavoitteeksi asetettiin, että kappaleenkäsittelyrobotissa tarvitseekäyttää vain yhtä tarrainta, jolla tähdättiin tuotteen lyhyeen läpimenoaikaan jakohtuullisiin tarrainkustannuksiin.

Kokoamisvaiheessa tuotteen suurin osa, vetolevy, poimitaan lavalta ensimmäiseksi.Vetolevy kiinnittyy kuvassa 7.9 näkyvän kaksileukatarraimen leukojen kärjissäoleviin kestomagneetteihin. Koska magneettipoiminnalla vetolevynasemointitarkkuus on kiinnittimeen asemointia varten riittämätön, magneet-titarraimesta osa tiputetaan kuvassa 7.10 näkyvään hitsauskiinnittimeen suunni-teltuun asemointitelineeseen, jossa se paikottuu aina samaan kohtaan. Tämänjälkeen se poimitaan kaksisormitarttujaan ja viedään hitsauskiinnittimeen.

Testejä varten valmistetussa hitsauskiinnittimessä on kuvassa 7.10 näkyvät kaksipaineilmatoimista kiinnitintä, joilla asemoidaan vetolevy ja pidetään se paikallaanvalmistuksen ajan. Hitsauskiinnitin asennettiin solun hitsauskääntöpöytään siten,että tuotetta voidaan pyörittää vetoholkkien hitsien pituusakselin suuntaisesti.Tällöin hitsaus voidaan aina tehdä jalkoasennossa.

Vetoholkit poimitaan kaksileukatarraimeen rakennettuihin lisäleukoihin (kuva 7.11).Poimittaessa holkki paikottuu aina samaan asentoon leuoissa olevien kartioidenansiosta. Holkit asemoidaan kokoonpanoon yksi kerrallaan haluttuun kohtaan jahitsataan kiinni toiselta puolelta. Kun kaikki holkit ovat kiinni vetolevyssä, hitsataanholkit myös toiselta puolelta.

106

KKKKKuva 7.9. uva 7.9. uva 7.9. uva 7.9. uva 7.9. Vetolevyn poiminta lastauslavalta.

KKKKKuva 7.10.uva 7.10.uva 7.10.uva 7.10.uva 7.10. Tyhjä hitsauskiinnitin, jonka alaosassa vetolevyn asemointiteline.

107

Holkkien hitsauksen aikana kappeleenkäsittelyrobotilla poimitaan tuotteeseentulevat nastat lavakuvauspaikalta. Tuotteen variaatiosta riippuen poimitaan jokokaksi tai kolme nastaa tarraimen kestomagneetteihin (kuva 7.12.). Koska nastatasemoituvat magneetteihin epämääräisesti, niiden asemointi korjataan oikeaksihitsauskiinnittimeen rakennetussa paikoitustelineessä (kuva 7.13). Uudelleenasemoinnissa nasta ajetaan kahdesta suunnasta päin vastetta ja nasta liukuumagneetissa joka kerta saamaan asentoon. Asemoinnin jälkeen nastat viedäänkokoonpanoon ja silloitetaan yksi kerrallaan paikalleen. Nastojen silloituksen jälkeenne hitsataan kiinni molemmilta puolin. Tämän jälkeen tuote poistetaanhitsauskiinnittimestä ja siirretään valmiiden tuotteiden lavalle. Kuvassa 7.14 näkyyosa hitsauskiinnittimestä sekä yksi nasta ja holkki hitsattuna vetolevyyn.

KKKKKuva 7.11. uva 7.11. uva 7.11. uva 7.11. uva 7.11. Holkkien poimintaleuat.

KKKKKuva 7.12.uva 7.12.uva 7.12.uva 7.12.uva 7.12. Nastat poimittuna tarttujan magneettiin.

108

KKKKKuva 7.13.uva 7.13.uva 7.13.uva 7.13.uva 7.13. Nastojen asemointiteline.

KKKKKuva 7.14.uva 7.14.uva 7.14.uva 7.14.uva 7.14. Osakuva valmiista tuotteesta hitsauskiinnittimessä.

109

Hitsausparametrit

Tuotteen hitsauksessa käytettiin Lincoln Electric SupraMig 1,2 mm:n umpilankaaja Woikosken Awomix suojakaasua. Hitsausparametrit eri liitoksille on eriteltytaulukossa 7.4.

Tulokset

Tuotteen vastakkaisten puolten holkkien kohtisuoruustoleranssi toisiinsa nähdenoli melko tiukka. Tämän takia holkkien asemointia kokoonpanoon jouduttiinkokeellisesti etsimään, jotta linjaus saatiin toleranssialueen sisään. Ongelmallistaoli myös holkkien aseman ja kohtisuoruuden mittaaminen, koska tuotteessa ei oleselkeitä pintoja tai muotoja mistä mitata. Viimeisin testattu tuote mitattiin 3D-skannerilla ja suurin poikkeama akselin keskipisteestä oli 0,7 mm. Voidaan sanoa,että tuote on mahdollista valmistaa HitSavonia-solussa piirustuksissa vaadittujentoleranssien mukaan. Tuotteen valmistuksen optimointi tuotantoajoon, olisikuitenkin vaatinut hieman pidemmän sarjan valmistuksen ja niiden systemaattisenmittauksen. Mittaustulosten avulla holkkien asemointi olisi voitu korjataoptimaaliseksi.

Nastojen asemointitarkkuus siihen rakennetussa telineessä oli riittävä ja osiensilloitus sekä hitsaus onnistuivat halutulla tavalla. Tuotteen kokoonpano ja hitsauskestivät testi ajoissa melko kauan, johtuen konenäön käytöstä ja osien pitkästähakumatkasta. Optimoimalla robotin liikenopeudet, voitaisiin yhdessä tunnissavalmistaa noin kymmenen kappaletta kyseistä tuotetta.

Loppupäätelmät

Testien perusteella voidaan sanoa että vastaavanlainen työkierto olisi toteutettavissamyös tuotantokäyttöön. Tuote on hyvin yksinkertainen ja soveltuu kooltaan jamuodoltaan automatisoituun valmistukseen. Testien perusteella kappaleen-käsittelyrobotille riittää yksi tarrain, johon on tehty erikoisleuat tuotteen osienliikutteluun.

TTTTTaulukko 7.4.aulukko 7.4.aulukko 7.4.aulukko 7.4.aulukko 7.4. Hitsausarvot

Virta (A)Jännite (V)Kuljetusnopeus (vm/min)

NastaNastaNastaNastaNasta

2002245

HolkkiHolkkiHolkkiHolkkiHolkki

Yläpuolen hitsi

2002245

Alapuolen hitsi

2002242

110

Tuotteen valmistusaikaa voitaisiin laskea valmistamalla osille omat makasiinit, joihinhalutun mittaisen työkierron vaatima määrä osia panostettaisiin. Holkkien asemoin-tia täytyisi testata ja robotin asemointiohjelmaa todennäköisesti muokata useaankertaan, jotta holkkien asema saataisiin mittatoleranssin sisään. Asemoinnissa olisinäin mahdollista päästä pienempään mittavaihteluun kuin käsin hitsauksessa.Robotin toistotarkkuus ja aina samat hitsausparametrit minimoivat holkkienlinjaukseen syntyvät mittavirheet. Koska tuotteessa on särmätty osa, johon kaikkimuuta osat kiinnittyvät, on särmätyn kulman vaihtelu osan eri valmistuserien välilläpidettävä vähäisenä.

Testit olivat melko lyhyt kestoisia, joten pitempiaikaisen käytön vaikutukset robotintarraimeen ja hitsauskiinnittimeen jäivät näkemättä. Yhtenä uhkana ovathitsausroiskeet, jotka voivat aiheuttaa osan virheellisen asennon tarraimessa ja sitäkautta tuotteessa. Tähän voidaan varautua käyttämällä hitsausroiskesuojaa taimaalaamalla kriittisiä kohtia sekä tarraimessa että hitsauskiinnittimessä. Lisäksitämän kaltaisessa tuotannossa on solussa hyvä olla paineilmatoimiset puhdis-tuspisteet.

LLLLLUISTIUISTIUISTIUISTIUISTI

Yrityksen kanssa yhdessä valitun, kuvassa 7.15 näkyvän case-tuotteen avulla olitavoitteena tutkia monimutkaisen, useasta osasta koostuvan kappaleenautomatisoidun kokoonpanon ja hitsauksen yhdistämistä. Testien avulla kerättiintietoa ja kokemusta, millaisia vaatimuksia kyseisen tuotteen valmistuksenautomatisointi edellyttäisi. Tarkastelussa kiinnitettiin huomiota tuotteenvalmistettavuuteen sekä automatisoidun tuotannon vaatiman laitteiston pohdintaan.Kyseinen case-tuote koostuu 12 erilaisesta osasta, pääosin levyistä ja kahdestaholkista. Osien painot ovat välillä 0,3 – 55 kg. Tutkimuksesta jätettiin pois kuvaan7.15. keltaisella ympyröidyt alikokoonpanot testien jouduttamiseksi. Manuaalisessavalmistuksessa tuote kootaan ja hitsataan käsin, työvaiheiden kestäessä yli kaksityöpäivää.

Työn toteutus

Tutkimuksen alussa tarkasteltiin millä periaatteella kokoonpano ja hitsaus tehdään.Kuinka hitsauskiinnitin toteutetaan ja onko tuotetta mahdollista edes hitsata yhdelläkiinnityksellä. Tähän liittyi pohdinta tehtäisiinkö silloitus eri kiinnittimessä kuinvarsinainen hitsaus vai käytetäänkö kappaleenkäsittelyrobottia tuotteen hitsaus-vaiheen kiinnipitoon. Tuotteen kokonaispaino, 225 kg, kuitenkin saneli sen, etteikappaleenkäsittelyrobottia voitu käyttää kappaleen kiinnipitoon. Lopulta päädyttiinyhteen hitsauspöytään kiinnitettyyn mekaaniseen kiinnittimeen, jossa tuote siiskootaan ja hitsataan.

111

Muutokset tuotteen osiin

Tuotteen osiin jouduttiin tekemään muutoksia, jotta automatisoitu kokoonpanovoitiin toteuttaa. Tuotteen pitkiin osiin lisättiin olakkeita (kuva 7.16), joiden avullakokoonpanoon tuotavat osat saadaan asemoitumaan oikeaan kohtaan. Ilmanolakkeita olisi jouduttu luottamaan robotin toistotarkkuuteen, jolloin riski osanvirheellisestä asemoinnista olisi ollut huomattavasti suurempi. Olakkeidentoimivuutta ja valmistustarkkuutta testattiin hitsausparametritestejä vartenhankituissa case-tuotteen pienoisversiossa. Lisätyt olakkeet eivät aiheuttaneet mitään

KKKKKuva 7.15. uva 7.15. uva 7.15. uva 7.15. uva 7.15. Muokkaamaton ja muokattu tuotemalli päällekkäin.

KKKKKuva 7.16. uva 7.16. uva 7.16. uva 7.16. uva 7.16. Case tuotteen 3D-malli ilman olakkeita, olakkeet testikappaleessa ja olakkeet 3D-KKKKKuva 7.16.uva 7.16.uva 7.16.uva 7.16.uva 7.16. mallissa.

112

muutoksia lopulliseen tuotteeseen, koska tuote koneistetaan kyseisistä kohdistalopulliseen mittaansa hitsauksen jälkeen. Osien valmistuskustannuksiin lisätytolakkeet vaikuttavat vähäisesti. Lisäetuna on että, olakkeiden kohdalle tulevienhitsien aloitus ja lopetus kohtien mahdolliset hitsausvirheet eivät jää tuotteeseen.

Muutoksia jouduttiin tekemään myös levyihin, joita vasten holkkiosat tulevat.Tuotteen sivulevyjä ja holkkien tukilevyjä muokattiin kuvan 7.17 mukaisesti, jottaholkkit voitiin laskea kokoonpanoon ylhäältä. Lisäksi levyjen ympyräkaaren säteennimellismittaa suurennettiin 1 mm. Ilman edellä mainittujamuokkauksia, holkitolisi pitänyt työntää paikalleen reikämuodon läpi. Tämä voisi aiheuttaa ongelmia,jos jompikumpi levyistä ei olisi täsmälleen oikealla paikalla. Tällöin tuotaessa holkkiakokoonpanoon, saattaisi se osua levyyn ja pilata joko koko tuotteen tai vaurioittaarobottia tai sen työkalua. Holkin laskeminen paikalleen on vaarattomampivaihtoehto. Holkkeja ei voida hitsata robotilla kaikista vaadituista kohdista koskahitsauspistooli ei mahdu holkin ja pohjalevyn väliin. Kyseiset kohdat joudutaanhitsaamaan käsin tuotteen lopputarkastuksen yhteydessä.

Tuotannossa holkin paikan varmistukseen ja mahdollisen törmäysriskin pienen-tämiseen, voitaisiin käyttää hitsausrobotin railonhaku toimintoa. Tällöin solunrobottien välillä olisi oltava mahdollisuus siirtää paikka tietoja keskenään. Tällainentoiminto löytyy joidenkin robottitoimittajien valikoimista. Toinen ratkaisu voisiolla robotin ja työkalun väliin tulevan voima-anturin hyödyntäminen paikanmäärityksessä, joskin tällaiset ratkaisut ovat vielä melko kalliita.

KKKKKuva 7.17.uva 7.17.uva 7.17.uva 7.17.uva 7.17. Levyihin holkin takia tehdyt muokkaukset.

113

Tuotteen laserilla leikattuihin levyosiin tehtiin apuviivat lasermerkkauksella (kuva7.18), jolloin muiden osien asemointi nopeutui ja helpottui. Viivat tehtiin suoraan3D-mallin kokoonpanoon.

KKKKKuva 7.18.uva 7.18.uva 7.18.uva 7.18.uva 7.18. Lasermerkatut apuviivat case-tuotteen osissa.

114

Hitsauskiinnitin

Kuvassa 7.19 näkyvä tutkimusta varten toteutettu hitsauskiinnitin suunniteltiinsiten, että tuote voidaan hitsata valmiiksi yhdellä kiinnityksellä. Kiinnitinsuunniteltiin avoimeksi, jotta tuote voidaan hitsata molemmilta puolilta ja ettähitsauksen ajaksi jäykisteiksi tuotavat IPE-palkit voidaan helposti sijoittaakokoonpanoon. Hitsauskiinnittimessä on kaksi paineilmatoimista kiinnitys-elementtiä, jotka asemoivat ja lukitsevat kokoonpanon ensimmäisen eli perusosankiinnittimeen. Perusosan tarkka asemointi on tärkeä, koska seuraavat osat on saatavaasemoitua siihen tarkasti, muutoin valmis tuote ei täytä sille asetettuja vaatimuksia.Kuvan 7.19 oikealla reunalla näkyvällä mekaanisella kiinnittimellä varmistetaanosan kiinnipysyminen hitsauksen ja pöydän kääntelyn aikana. Lisävarmistukseksikiinnittimeen lisättiin vielä pulttikiinnitteiset levypalat, joihin ensimmäisenä tuotavaosa hitsataan kiinni. Suunnittelun jälkeen hitsauskiinnittimen toimivuus testattiinIgrip-simulointiohjelmalla, josta saatiin myös robottiohjelmat hankalimmillehitsausradoille.

Hitsauskiinnitin olisi mahdollista toteuttaa myös pystymallisena, jolloin tuotteensisäpuolelle jäävien hitsausohjelmien teko olisi ollut helpompaa (kuva 7.20).Pystymallisen hitsauskiinnittimen rakenne pitäisi olla huomattavasti tukevampi jasiitä olisi tullut todennäköisesti myös kalliimpi, joten siitä luovuttiin. Tutkimus-käytössä tehty hitsauskiinnitin on toiminut riittävän hyvin, mutta tuotantokäyttöön

KKKKKuva 7.19.uva 7.19.uva 7.19.uva 7.19.uva 7.19. Hitsauskiinnittimen 3D –malli, case-tuotteen sijoittuminen siihen ja jäykistepalkit.

115

se ei varmaankaan olisi tarpeeksi jäykkä. Tuotteen muodonmuutokset hitsauksessaovat suuret ja kevytrakenteinen kiinnitin ei ehkä tulisi niitä kestämään. Tuotantoavarten pystymallinen kiinnitin olisi järkevämpi, lisäksi tällainen kiinnitin voisisoveltua useammalle samantyyppiselle tuotteelle vaihtamalla vain joitainkiinnitysosia.

Robotin työkalut

Osien liikutteluun tarvittavien työkalujen määrä haluttiin pitää mahdollisimmanvähäisenä. Alkujaan tarraimia suunniteltiin tarvittavan kolme, mutta testien edetessäyhden käytöstä kuitenkin luovuttiin. Tuotteen levyosien muoto ja kokomahdollistivat hyvin magneettitarraimen käytön. Tarkoitukseen suunniteltiinmahdollisimman monikäyttöinen tarrain (kuva 7.21), jolla voidaan liikutella kaikkiakokoonpanon levyosia. Magneetteina käytettiin FIPA:n valmistamianostomagneetteja, jotka voidaan deaktivoida sähkövirran avulla. Yhden magneetinpitovoima on noin 750 N ja tarraimeen asennettiin kymmenen magneettia.Magneetteja varten kappaleenkäsittelyrobotin ohjauskaappiin asennettiin Omron:inS8VS 240 W -virtalähde. Virtajohdot kulkevat robotin työkaluun kuvaan 7.21merkityn liittimen kautta.

KKKKKuva 7.20. uva 7.20. uva 7.20. uva 7.20. uva 7.20. Case-tuotteen sijoitus pystymalliseen hitsauskiinnittimeen.

116

Holkkien liikutteluun käytettiin kuvassa 3.7 näkyvää kolmileukatarrainta SchunkPZN+125-1, jonka pitovoima on noin 3100 N. Leukojen suhteellisen suuriiskunpituus 13 mm helpottaa osien poimimista, vaikka osat eivät asemoituisi tarkastipoimintapaikassa. Holkkeja varten tarraimeen koneistettiin sopivat leukapalatSchunkin valmiista leuka-aihiosta.

Kokoonpanoa varten valmistettiin erikoistarrain kahden toisiinsa nähden tarkastiasemoitavan levyn asemointiin (kuva 7.22). Kokoonpanon suunnitteluvaiheessauskottiin, ettei kappaleenkäsittelyrobotin tarkkuus, magneettirtarrainta käyttäenole riittävä, jotta osat saataisiin asemoitua toisiinsa nähden vaatimusten mukaisesti.Välilevytarraimella oli tarkoitus poimia samanaikaisesti kaksi levyä, niille rakenne-tusta telineestä ja asemoida ne kokoonpanoon. Levyt olisi silloitettu kiinni kokoon-panoon, jonka jälkeen tarrain aukeaisi ja robotti poistuisi hakemaan uusia osia.

Välilevytarraimella tehtiin runsaasti testejä, joissa levyt poimittiin telineestä jaasemoitiin ja silloitettiin kokoonpanoon. Osien poiminta telineestä oli melkoepävarmaa, koska tarrain meni helposti jumiin sulkeutuessaan. Jumittuminen johtuitarraimen runkorakenteesta, joka joustaessaan jumitti liikkuvat osat. Jos osat saatiinpoimittua ja asemoitua kokoonpanoon, jumittui tarrain silloitushitsien vääntäessävälilevyjä vinoon. Ongelmien takia välilevytarraimen käytöstä luovuttiin ja levyjenasemointi tehtiin magneettitarraimella.

KKKKKuva 7.21.uva 7.21.uva 7.21.uva 7.21.uva 7.21. Tutkimuksissa käytetty magneettitarrain.

117

Kokoonpanotestien perusteella todettiin, että magneettitarraimen tarkkuus vaikuttiriittävältä, sillä silloituksen jälkeen osien asemointitarkkuuden tarkastamiseenkäytetty tulkki meni vaaditulla tavalla toleranssireikien läpi.

Hitsausarvot

Tuotteen hitseille määritettiin sopivat hitsausarvot ennen kokoonpanotestienaloittamista (taulukko 7.5). Määrityksessä käytettiin tuotteesta tehtyä pienempääversiota, johon hitsaustestit suoritettiin. Pienoismallissa oli vastaavat railomuodotkuin oikeassa tuotteessa. Kun sopivat hitsausarvot oli määritetty, hitsattiin toinenpienoismalli yhteen menoon, jolloin saatiin käytännön tietoa hitsausmuodon-muutoksista.

Tuotteen monipalkohitsejä varten rakennettiin ohjelmapohjat, joiden avullahitsausohjelmien tekoa voidaan nopeuttaa. Periaatteena monipalkohitsin ohjelmassaon, että vain hitsin pohjapalolle luodaan ohjelma, jota käytetään täyttöpalkojenhitsaamiseen määrittelemällä palkojen siirtymäarvot. Liikeakselien X, Y ja Zsuuntaisten siirtymien lisäksi myös, akselien rotaatiot eli Rx-, Ry- ja Rz-arvot ovatmuutettavissa. Dokumentoinnin kannalta monipalkohitsistä on syytä piirtääpalkokuva, josta on nähtävissä hitsausjärjestys ja jokaisen palon siirtymäarvosuhteessa ensimmäiseen palkoon.

Kun palkokohtaiset hitsausarvot ja täyttöpalkojen ero pohjapalkoon nähden onmääritetty etukäteen tehtyjen testitien perusteella, niin hitsausohjelmassa syötetään

KKKKKuva 7.22.uva 7.22.uva 7.22.uva 7.22.uva 7.22. Välilevytarrain vaihtotelineessään.

118

palko kerrallaan nämä siirtymäarvot hitsauspistoolin shift-arvoiksi. Vastaavastihaluttu hitsi valitaan ohjelmaan määritellyn muuttuja arvolla. Käytännössä tämätarkoittaa sitä, että robotin pääohjelmassa valitaan ensin halutun hitsin järjestys-numero ja sen jälkeen hitsausohjelma.

Osien panostus soluun

Tavoitteena oli käyttää kaikkien tuotteeseen tulevien osien poimintaan konenäköä,jotta osakohtaisia makasiineja ei tarvittaisi rakentaa. Kaikkien osien poimintaankonenäkö ei kuitenkaan soveltunut. Kuvassa 7.23 näkyy lavakameralla otettu kuvaosista, joiden käyttöön konenäkökamera soveltui hyvin.

Koska lavakameran kuva-alue on melko pieni, niin ensimmäisenähitsauskiinnittimeen vietävä pohjalevy poimittiin suoraan osien asemointia vartentehdystä telineestä. Muutoin poimintalava olisi pitänyt heti kokoonpanoajon alussapanostaa uudelleen. Ongelma voitaisiin ratkaista korvaamalla kiinteä lavapaikkakuljettimella, jolloin poimittavia osia voitaisiin syöttää jatkuvana prosessina.

Pitkille, suorakaiteen muotoisille osille oli rakennettava oma teline, koska tuotteenpituus hankaloitti konenäön käyttöä poiminnassa. Osien keskiosissa ei ole mitäänmuotoa, jonka avulla kappaleen pituussuuntainen sijainti voitaisiin kamerakuvastatunnistaa. Poiminta telineestä onnistuu halutulla tavalla.

Tuotteen holkkiosien poimintaa konenäön avulla testattiin, mutta osien korkeudestajohtuva vaihtelu kuvaustuloksissa koettiin epävarmaksi. Näin ollen päädyttiinpoimimaan holkit suoraan lattialta, niille merkityiltä paikoilta. Tuotantokäytössäholkkien poiminta voitaisiin toteuttaa vastaavalla tavalla esimerkiksi lastauslavalta.

TTTTTaulukko 7.5.aulukko 7.5.aulukko 7.5.aulukko 7.5.aulukko 7.5. Testeissä määritetyt hitsausparametrit.

hitsihitsihitsihitsihitsi

jäykiste a5Puoli V s8alapiena a2jalko a6Puoli V a8alapiena a8täyttöpalko 5Puoli V a8

alapiena a8

palko n.palko n.palko n.palko n.palko n.

123123

hitsausarvothitsausarvothitsausarvothitsausarvothitsausarvot

300A / 32,0V / 44cm/min300A / 31V / 45cm/min210A / 24V / 80cm/min300A / 32V / 35cm/min300A / 33,6V / 45cm/min300A / 33,6V / 45cm/min300A / 33,6V / 45cm/min300A / 32V / 35cm/min300A / 32V / 60cm/min300A / 32V / 60cm/min300A / 32,0V / 35 cm/min300A / 34,0V / 60 cm/min300A / 34,0V / 60 cm/min

langansyöttölangansyöttölangansyöttölangansyöttölangansyöttö levityslevityslevityslevityslevitys

-

------

-

lopetuslopetuslopetuslopetuslopetus

1s / 130A1s / 130A1s / 130A1s / 130A1s / 130A1s / 130A1s / 130A1s / 130A1s / 130A1s / 130A1s / 130A1s / 130A1s / 130A

119

Jäykisteiden poimintaa konenäön avulla testattiin, mutta siitä luovuttiin epävar-muuden takia. Jäykisteet (14 kpl) sijoiteltiin muiden osien väliin kuvauslavalle.Tilanahtaudesta johtuen osat jäivät liian lähelle toisiaan, jolloin muita osiapoimittaessa jäykisteet saattoivat tarttua tarraimeen, joka taas aiheutti ongelmiakokoonpanossa. Jäykisteille valmistettiin ohutlevystä oma makasiini, josta nepoimitaan kokoonpanoon (kuva 7.24).

Asemointiteline

Osien poimintaan käytettävän lavakameran tarkkuus on ±3 mm. Tarkkuus osanasemointiin kokoonpanoon ei ole riittävä, joten asemointia on jollain tavallakorjattava. Tarkkaa asemointia varten valmistettiin asemointiteline (kuva7.25), johonlavakameran avulla poimitut osat käydään pudottamassa. Telineessä tarraimestairrotettu osa asemoituu aina telineen vasteita päin samaan kohtaan. Kun osapoimitaan telineestä uudelleen robotin tarraimeen, on se aina samassa kohdassa.Holkien asemointi poiminnan jälkeen tehdään robotilla, kääntämällä holkkipystyasentoon ja käyttämällä tarrain auki, jolloin holkki tippuu tarraimessa oleviaolakkeita vasten.

Lava vaatii oman tilansa mutta poiminnat on helppo toteuttaa ja lavaa on helpposiirrellä.

KKKKKuva 7.23.uva 7.23.uva 7.23.uva 7.23.uva 7.23. Tarrainkameran ottama kuva lavalta poimittavista osista.

120

KKKKKuva 7.24.uva 7.24.uva 7.24.uva 7.24.uva 7.24. Jäykistemakasiini jossa yksi osa.

KKKKKuva 7.25.uva 7.25.uva 7.25.uva 7.25.uva 7.25. Kuvassa vasemmalta alkaen välilevyjen teline, pitkien osien teline ja asemointiteline.

121

Robottiohjelmien rakenne

Robottiohjelmat pyrittiin tekemään mahdollisimman modulaarisiksi. Tämämahdollistaan hyvin mm. kokoamisjärjestyksen muokkaamisen ilman, että robotinpaikoituspisteitä sisältäviä ohjelmia tarvitsee muuttaa. Riittää kun pääohjelmassakutsuttujen aliohjelmien järjestystä vaihdetaan.

Robottisolu koostuu useista laitteista eli mekanismeista. Yksi tai useampi mekanismimuodostavat yhdessä laitekokoonpanon eli unitin. Robottiohjelmat tehdäänjokaiselle unitille erikseen. Tutkimussolussa on olemassa mm. sellainen laiteko-koonpano, jossa molemmat robotit ja niiden radat on koottu yhteen, mutta robotti-solun ohjauksessa olevan ongelman takia tämä ei toimi kaikissa tilanteissa oikein.Unitin jokaista mekanismia voidaan luonnollisesti liikuttaa ja paikoittaa ohjelmaanerikseen, jolloin ohjelman ajovaiheessa niiden mekanismien, jota ei liikutettu tulisipysyä paikoillaan. Tähän ei voida tutkimussolussa kuitenkaan luottaa vaan esim.Nachin käsivarren liikkuessa saattaa OTC:n käsivarsi tehdä ”haamuliikettä”.

Ongelma on mahdollista kiertää tekemällä molemmille roboteille omat ohjelmat,mutta se lisää ohjelmointityötä kuten kuvan 7.26 tapauksessa on esitetty. Ongelmantakia kokoonpanovaiheen ohjelmat jouduttiin tekemään vähintään kolmessa osassayhden sijaan. Ennen osan tuontia kokoonpanoon, hitsausrobotin unitissa suorite-taan ohjelma, jossa hitsauspöytä ajetaan oikeaan asentoon. Tämän jälkeen haluttuosa asemoidaan paikoilleen kappaleenkäsittelyrobotin unitissa. Seuraavaksi hitsaus-robotti silloittaa osan kiinni kokoonpanoon ja palaa kotipisteeseensä tai johonkinodotuspisteeseen. Tämän jälkeen kappaleenkäsittely robotti irrottaa osan tarrai-mesta ja ajaa pois kokoonpanon luota, hakemaan uutta osaa.

KKKKKuva 7.26.uva 7.26.uva 7.26.uva 7.26.uva 7.26. Ote kokoonpanon pääohjelman ohjelmakutsuista.

122

Jos hitsaus- ja kappaleenkäsittelyrobotin yhteinen unit:ti toimisi, voitaisiin ohjelmatriveiltä 20-22 tehdä yhteen ohjelmaan. Tämä helpottaisi ohjelmien tekoa ja niidentarkastamista huomattavasti. Lisäksi ohjelmien määrä vähentyisi ja ohjelmienrakenne olisi selkeämpi.

Koekappaleen mittaukset

Tutkimuksissa olleen tuotteen kokoonpano testattiin kolme kertaa automaattiajollaja joka kerta tuote saatiin koottua piirustuksissa vaadittujen toleranssien mukaan.Etukäteen hankalaksi arvioitujen välilevyjen (kuva 7.27) tarkka asemointi tosiinsanähden saatiin joka kerta toteutettua vaatimusten mukaan. Tosin tämän dokumentinmennessä painoon, ei tuotteen hitsausohjelmia ole ehditty toteuttaa.

Viimeisin valmistettu osa kuvattiin 3D-skannerilla ja skannattua mallia verrattiintuotteen alkuperäiseen 3D-malliin. Kuvassa 7.28 on Geomagic-ohjelmalla tehtymallien vertailu, jossa näkyy väreillä ilmaistuna mallien mittapoikkeamat. Ohjelmaanvoidaan syöttää suoraan osan mitat toleransseineen ja ohjelma ilmoittaa täyttääkötuote vaaditut toleranssit.

KKKKKuva 7.27.uva 7.27.uva 7.27.uva 7.27.uva 7.27. Tarkastustappi välilevyjen toleranssi rei’issä.

123

Tulokset

Automaattiajolla toteutetuissa kolmessa testissä kokoonpano-ohjelma on toiminutmoitteettomasti ja tuote on täyttänyt mitoiltaan sille asetetut vaatimukset. Silloitettutuote näkyy kuvassa 7.29. Kokoonpanovaihe on kestänyt robotin rajoitetullatestausnopeudella parhaimmillaan 45 min. Tuotteen osiin tehdyt muutokset ovattoimineet halutulla tavalla, eikä virheellisiä osien asemointeja ole tapahtunut. Osaholkkien hitseistä jää hitsaamatta, kuten etukäteen arvioitiin. Tuotetta voitaisiintältä osin kehittää paremmin robotilla valmistetavaksi, jotta se olisi robotin jäljiltäsuoraan valmis.

Case-tuotteelle ei vielä ole tehty hitsausohjelmaa. Pienoismallin hitsauksesta saatujenkokemusten pohjalta arvioituna case-tuotteen kokoonpano ja hitsaus voidaansuorittaa alle puolessa työpäivässä.

Vaatimukset laitteistolle

Testien aikana on kerätty tietoa millainen laitteisto voisi soveltua case-tuotteenvalmistukseen. Testeissä ohjelmat tehtiin manuaalisesti robottia liikuttelemalla jaopettamalla. Tämä oli erittäin hidasta ja ohjelmien testaaminen työlästä. Jottatuotantokäyttö olisi tehokasta, täytyisi laitteistolla olla tarkoitukseen sopiva offline-ohjelmointi mahdollisuus. Tällöin ohjelmien tekeminen ei veisi liikaa koneaikaa.Manuaaliset työvaiheet jäisivät osien asemoinnin tarkastamiseen ja korjaamiseen.

KKKKKuva 7.28.uva 7.28.uva 7.28.uva 7.28.uva 7.28. Alkuperäisen 3D-mallin ja skannaamalla tuotteesta luodun 3D-mallin erojen tarkastelu.

124

Tärkeä ohjelmien tekemistä ja käyttöä helpottava toiminto olisi mahdollisuus luodaja kiinnittää molempien solussa olevien robottien työkoordinaatisto valmistettavaantuotteeseen. Tällöin ensimmäisen osan asemoinnin, jonka ympärille tuote kootaan,ei tarvitsisi olla niin tarkka kuin nyt toteutetuissa testeissä. Hitsausohjelmien hautvoitaisiin myös sitoa tähän koordinaatistoon. Hakutoimintoa hitsauksessa kannattaakäyttää varsinkin testausvaiheessa.

Osien panostustapa kappaleenkäsittelyrobotille vaikuttaa oleellisesti solun layoutiin.Vaihtoehtoina tuotantokäyttöön voisi olla tarkoitukseen rakennetut telineet tuotteeneri osille. Tämä vaihtoehto vie runsaasti lattiatilaa ja on melko joustamatonvaihtoehto, jos tuote tai osat vaihtuvat. Testeissä käytetyn lavakameran tyyppinenratkaisu vie myös lattiatilaa, mutta on joustava osien vaihtelun suhteen. Soluuntuotavalle uudelle osalle riittää uusi poimintaohjelma ja mallikuvan luominenohjelmiston osakirjastoon. Konenäkö soveltuisi tarvittaessa myös alikokoonpanojenpoimintaan. Tuotantokäyttöön kameralle tarvittaisiin liukuhihna, johonpanostettaisiin tuotteen osat kokoamisjärjestyksessä koska yksittäinen lastauslavaei pinta-alaltaan riitä. Kuljetin toisi osia kameran kuvaus ja poimita alueelle sitämukaan kun osia tarvitaan.

Testeissä käytetty asemointiteline soveltui hyvin suurimmalle osalle case-tuotteenosista. Jäykisteiden pienen koon takia ne soveltuvat poimittaviksi makasiineista,mutta kuljetinratkaisussa osat voitaisiin panostaa riittävän väljästi, jotta poimintaonnistuisi. Pienten osien asemointiin robotin tarraimessa voitaisiin käyttää myöskiinteitä vasteita joita päin osa liu’utetaan.

KKKKKuva 7.29.uva 7.29.uva 7.29.uva 7.29.uva 7.29. Silloitettu case-tuote.

125

Loppupäätelmät

Case-tuotteen kanssa tehdyt testit olivat haasteellisia niin tekijöille kuin laitteistolle.Kun hitsausohjelmat tuotteelle saadaan tehtyä, jatketaan testausta edelleen. Jottavalmistusmenetelmän varmuudesta saadaan riittävät todisteet, täytyy testejä ajaavielä useaan kertaan. Tähän mennessä kerättyjen tulosten perusteella voidaan sanoa,että case-tuotteena ollut koneenosa voidaan valmistaan automatisoidusti.Mietittäessä valmistusmenetelmää tuotantoon, on eri vaiheisiin vaikuttavatepävarmuustekijät tutkittava tarkemmin.

KKKKKOURAOURAOURAOURAOURA

Yhden hankkeessa mukana olleen erityksen case-tuotteena oli kuvassa 7.30 näkyväkoneen osa, joka koostuu monimuotoisista levyosista. Tutkimuksessa mukanaolleesta kokoonpanosta oli jätetty pois osa tuotteen pienemmistä osista. Tarkas-tellusta osakokoonpanosta voidaankin käyttää nimitystä peruskokoonpano. Samai-sen tuotteen robotisoitua hitsausta on tutkittu aiemmin HitSavonia-hankkeessa janyt keskityttiin tuotteen robotisoidun kokoonpanon tutkimiseen. Aikaisemmissatutkimuksissa on todettu, että tuote soveltuu tietyin rajoituksin robotilla hitsat-tavaksi. Tutkimuksella haluttiin kerätä käytännön tietoa ja kokemuksia, millaisiavaatimuksia kyseisen tuotteen valmistuksen kokonaan automatisointi edellyttäisi.

KKKKKuva 7.30.uva 7.30.uva 7.30.uva 7.30.uva 7.30. Case-tuote.

126

Case-tuotteen toiminnallisuus on hyvin tärkeä osa lopullista tuotetta ja tästä syystätuotteen osiin ei lähdetty tekemään mitään automatisoitua kokoonpanoa helpottaviamuutoksia. Tarkastelussa suurin kiinnostus oli konenäön hyödyntäminen sekä osienpoimintaan että kokoonpanoon tuotavan osan mittaamiseen. Tavoitteena olirobotisoitu koonti täysin konenäköpohjaisesti, sillä yleiskäyttöisen asemointitelineensoveltaminen useimmille tutkimustuotteen osille olisi ollut lähes mahdotonta.

Testeissä oli siis tarkoituksena poimia kuvauslavalta osa kerrallaan robotin tarrai-meen konenäköä apuna käyttäen. Poiminnan jälkeen osan ennalta valittuyksityiskohta kuvattaisiin offset-kameralla ja kuvaustuloksesta saadun mittaustiedonperusteella osa asemoitaisiin kokoonpanoon halutulle paikalleen. Lisäksi tavoitteenaoli tutkia tuotteen särmättyjen osien kulmien mittatarkkuuden tarkastusta, kone-näköohjelmaan lisätyn kulmantunnistussovelluksen avulla.

Hitsauskiinnitin

Testeissä käytettiin aikaisemmassa hankkeessa toteutettua robottihitsauskiinnitintä(kuva 7.31). Kiinnittimen toimivuus on testattu simulointiohjelmalla ja case-tuotteelle on olemassa myös valmiit hitsausohjelmat. Testeissä tuotteen pohjalevykiinnitettiin suoraan kolmella pultilla (kuva 7.32) kiinnittimeen. Kiinnityspultteina

KKKKKuva 7.31.uva 7.31.uva 7.31.uva 7.31.uva 7.31. Hitsauskiinnitin.

127

käytettiin keskityskartiollisia uppokantapultteja, joiden avulla levy paikottuu ainasamaan kohtaan. Kiinnittimeen voisi suunnitella myös automatisoidun mekanismin,jolloin pohjalevy voitaisiin tuoda robotilla hitsauskiinnittimelle. Hitsauskiinnitinon kiinnitetty robotin L-pöytään nollapistekiinnittimellä (kuva 6.14).

Robotin työkalu

Työkaluna käytettiin jo aiemmin tutkimuksia varten toteutettua magneettitarrainta(kuva 7.21), joka on esitelty case-tapaus luistin yhteydessä. Ainut muutos mitätarraimeen tehtiin, oli kahden yksittäisen magneetin paikan vaihto. Tällä tavointarrain saatiin sopimaan kaikkien testiosien käsittelyyn. Yhtä lukuun ottamattakaikki osat oli sellaisenaan poimittavissa magneettitarraimella. Tähän ongelmalliseenosaan jouduttiin lisäämään yhden reiän kohdalle levynpala (kuva 7.33), jottamagneeteille saatiin riittävästi tartuntapinta-alaa. Tuotantokäyttöön levypalaa eiluonnollisestikaan voi lisätä, joten testeissä käytetty tarrain ei soveltuisi sellaisenaantuotantokäyttöön.

Työn toteutus

Koska tiedettiin että tuotteen hitsaus on toteutettavissa ja hitsauskiinnitin sopihyvin kokoonpanoon, aloitettiin suunnittelu kokoonpanojärjestyksen tarkastelulla.Simulointiohjelman avulla tarkasteltiin osien sijoittumista toisiinsa nähden.Ongelmallista oli tuoda osat kokoonpanoon siten, että kokoonpanoon tuotavatosat tukeutuisivat useammassa kuin yhdessä suunnassa toisiinsa. Kuten kuvasta7.34 käy ilmi, kokoonpanojärjestys on valittu siten, että jokainen osa tukeutuumahdollisimman moneen pintaan.

KKKKKuva 7.32. uva 7.32. uva 7.32. uva 7.32. uva 7.32. Yksi pohjalevyn kiinnityspulteista.

128

Hitsausarvot

Tuotteen hitsausarvoina käytettiin aikaisemmissa testeissä käytettyjä parametreja.Ainoastaan silloitushitsejä varten testattiin sopivat parametrit. Hitsauslisäaineenakäytettiin Elgacore MXX 100 1,2 metallitäytelankaa. Suojakaasuna 82% Ar + 18%CO2-seoskaasua. Kyseessä on hyvin hitsattava lanka, joten riski hitsausroiskeidenjoutumisesta kohtiin, jossa ne voivat aiheuttaa osan virheellisen asemoinnin onpieni. Hitsausparametrit tuotteelle ovat 340 A, 34 V, 50 cm/min. Osien silloituksessakäytetään samoja parametreja, mutta tuolloin hitsattiin paikallaan 0,6 sekuntia.

Osien panostus soluun

Tuotteen osien poimintaan käytettiin konenäköä. Kaikille testi osille tehtiin poimin-taohjelmat ja niitä testattiin hyvin tuloksin.

KKKKKuva 7.33.uva 7.33.uva 7.33.uva 7.33.uva 7.33. Osaan lisätty levyn pala tarrainta varten.

KKKKKuva 7.34.uva 7.34.uva 7.34.uva 7.34.uva 7.34. Kolmen ensimmäisen osan asemointi kokoonpanoon.

129

Koska tutkimussolussa tuotteen kaikki osat eivät mahdu kerralla kuvauslavalle,päädyttiin osat panostamaan yksi kerrallaan kuvauspaikalle. Tuotannossa ongelmanvoisi ratkaista liukuhihnalla, jolla syötetään osia kokoamisjärjestyksessä kuvaus/poiminta-alueelle. Robotin käsiajolla testattiin useaan kertaan yksittäisten osienpoimintaa panostuslavalta ja todettiin että poiminta tarkkuus on riittävä offset-kameran käyttöön. Kuvassa 7.35 on esitetty sekä lavapaikkakameran kuva ettäoffset-kameran kuva tuotteen eräästä sivulevystä.

Ongelmat offset-kameran kanssa

Tuotteen osat, pohjalevyä lukuun ottamatta poimitaan konenäön avullapanostuslavalta. Käytettävän lavakameran tarkkuus on ±3 mm, joka ei riitäkokoonpanon tarkkuuteen. Poiminnan jälkeen täytyy osan haluttu kohta kuvatatarkemmalla offset-kameralla, josta saadun mittaustiedon avulla osa voidaanasemoida riittävän tarkasti kokoonpanossa. Kuvassa 7.36 on esitetty offset-kamerankuvaustilanne.

Kun offset-kamera asennettiin soluun, sillä tehtiin erilaisia asemointitestejä. Testitsujuivat ongelmitta ja oletettiin, että kamera toimiin halutulla tavalla. Tämä case-tuote oli ensimmäinen käyttöönottotestien jälkeinen tuote, johon kameraa olitarkoitus käyttää.

Opetettaessa offset-kameralle uusi osa, kuvattavalle osalle luodaan työkalupistetunnistettavien piirteiden origoon. Tällöin määritetään myös työkalun suunnat,jotta kuvauksessa saadut poikkeama arvojen suunnat ovat yhtenevät kamerankoordinaatiston kanssa.

KKKKKuva 7.35.uva 7.35.uva 7.35.uva 7.35.uva 7.35. Hitvision-ohjelman kuvat lavakameralta ja offset-kameralta.

130

Kun kahdelle ensimmäiselle kokoonpanoon tuotavalle osalle oli tehty tarvittavattyökalumääritykset, oli tarkoitus testata osien asemoinnin toistotarkkuutta.Yksittäisen osan tarkka sijainti merkittiin kokoonpanoon. Tämän jälkeen testattiinosan kokoonpanoon viennin tarkkuutta toistamalla lavakuvausta ja offset-kuvaustauseita kertoja. Lava ja offset -kuvausohjelmien ajo peräjälkeen aiheutti hyvin useinkonenäköohjelman selittämättömän virheilmoituksen ja joskus koko ohjelmankaatumisen. Testejä yritettiin myös ajaa osissa, jotta virheilmoitusta ei olisi tullut,mutta se oli hankalaa ja hidasta.

Ongelman pääteltiin suurella varmuudella johtuvan konenäköohjelman ohjelma-koodiin jääneestä virheestä, joka myös lopulta löydettiin ja saatiin korjattua.Valitettavasti tämä tapahtui vasta niin myöhään, että uusintatestejä ei ehditty enääsuorittaa ennen tämä raportin julkaisua.

Tulokset

Ainoa asia mitä offset-kameran tarkkuudesta ja vaihtelevista testien tuloksistavoidaan tähän mennessä sanoa, on että toimiessaan osien asemoinnissa päästiinnoin yhden millimetrin tarkkuuteen. Asemoidun osan rotaation vaihtelevuutta eiehditty tarkastella.

Testejä tullaan jatkamaan, mutta niitä tuloksia ei valitettavasti saada enää tähänraporttiin. Tavoitteena on tehdä kokoonpano-ohjelmat case-tuotteelle sekä hitsatatuote. Valmiin tuotteen avulla voidaan arvioida offset-kameran toimivuuttahitsauskokoonpanon tekoon

KKKKKuva 7.36.uva 7.36.uva 7.36.uva 7.36.uva 7.36. Case-tuotteen sivulevy offset-kameran edessä kuvattavana.