Jari Kaarela
ROBOTIN ETÄOHJELMOINNIN KÄYTTÖÖNOTON VAIHEET ROBOTISOIDUSSA OHUTLEVYN SÄRMÄYKSESSÄ
Opinnäytetyö
KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU
Tekniikan ylempi ammattikorkeakoulututkinto
Teknologiaosaamisen johtaminen – koulutusohjelma
Toukokuu 2007
KESKI-POHJANMAAN TIIVISTELMÄ AMMATTIKORKEAKOULU Teknologiaosaamisen johtaminen - koulutusohjelma Työntekijä: Jari Kaarela Työn nimi: Robotin etäohjelmoinnin käyttöönoton vaiheet robotisoidussa ohutlevyn
särmäyksessä Päivämäärä: 12.05.2007 Sivumäärä 74 Työnohjaajat: Eero Pikkarainen, Pekka Nokso-Koivisto, Sakari Pieskä, Jari Savukoski Työn tavoitteina oli kuvata graafisen etäohjelmoinnin käyttöönoton vaiheet Mecanova Oy:n robottisärmäyssovelluksessa, ratkaista käyttöönotossa esiin tulleita ongelmia sekä kehittää käyttöönotossa sovellettuja menetelmiä ja varsinaista etäohjelmoinnin särmäyssovellusta. Työn teoriaosuus käsitteli robotiikan yleisiä kehitysnäkymiä ja teollisuusrobottien ohjelmointimenetelmiä sekä niiden kehitysvaiheita. Etäohjelmointiin kiinteästi liittyvää simulointia ja sen määritelmää käytiin myöskin läpi käsitteiden selventämiseksi. Teoriaosuudessa perehdyttiin työssä käytetyn IGRIP UltraArc etäohjelmointiohjelmiston yleisiin ominaisuuksiin. Etäohjelmointimallin kalibrointi on menetelmän käytettävyyden kannalta yksi tärkeimmistä tekijöistä, tästä syystä työssä painottuikin kalibroinnin aihealueen käsittely. Käytännön osuudessa käytiin läpi etäohjelmoinnin käyttöönoton vaiheet yhden robottisärmäyssolun osalta aina solun laitteiden mallintamisesta valmiin robottiohjelman testaamiseen saakka. Käyttöönoton aikana kehitettiin etäohjelmoinnin robottisärmäyssovellusta, kalibrointimenetelmää sekä rakennettujen mallien käyttöä robottisolujen uudelleen asennuksen yhteydessä. Työssä käytettiin tutkimusmenetelminä toimintatutkimusta ja tapaustutkimusta. Saatujen kokemusten perusteella etäohjelmoinnin käyttöönottoprojekti vaatii onnistuakseen tehtävään sitoutuneilta henkilöiltä pitkäjänteistä ja päämäärätietoista työtä. Etäohjelmointi on varsin käyttökelpoinen työkalu robottisärmäyksessä ja sillä saavutetaan paljon muitakin merkittäviä etuja kuin pelkästään robotin etänä tapahtuvan ohjelmoinnin tuomat edut. Avainsanat: Etäohjelmointi, kalibrointi, IGRIP
CENTRAL OSTROBOTHNIA UNIVERSITY OF ABSTRACT APPLIED SCIENSES Master´s Degree for Technology Competence Management Author: Jari Kaarela Name of thesis: Off-line programming implementation process in robotic press brake cells Date: 12.05.2007 Pages 74 Supervisors: Eero Pikkarainen, Pekka Nokso-Koivisto, Sakari Pieskä, Jari Savukoski The aim of this thesis was to introduce implementation process of graphical off-line programming in Mecanova company’s robotic press brake cells, solving problems during implementation process, developing methods of implementation process and bending applications. The theoretical part of the work deals with the future of robotics, programming methods of industrial robots and steps in developing them. IGRIP UltraArc simulation program is the main tool of this work. This program’s typical features are presented in the theoretical part of this work. The simulation model’s calibration is a very important factor for this models usability. Because of this, the theoretical part of the work emphasizes the simulation models calibration. The empirical part went through steps of implementation process for graphical off-line programming in one robotic press brake cells. This process covers steps from the modelling of devices to ready robot programs testing. During the implementation process bending applications and calibration methods were developed. Method’s of research were action and case research. Off-line programming is a very useful tool in robotic press brake cells. Off-line programming can provide several benefits in addition to robot off-line programming and its benefits. Key words: Off-line programming, calibration, IGRIP
TIIVISTELMÄ ABSTRACT SISÄLLYSLUETTELO
1 JOHDANTO 1 2 TYÖN TAUSTAA 2
2.1 Työn määrittely ja aiheen rajaus 3 2.2 Mecanova Oy 5 2.3 Teoreettinen viitekehys 6
3 ROBOTIIKAN KEHITYSNÄKYMIÄ 8
3.1 Robotisointiasteen kehittyminen Suomessa 8 3.2 Robottien määrän kasvu maailmanlaajuisesti 9 3.3 Robotiikan tulevaisuuden näkymiä 9
4 TEOLLISUUSROBOTTIEN OHJELMOINTIMENETELMIÄ 12
4.1 Ohjelmointimenetelmien jakotapoja 12 4.2 Sähkömekaanisten kytkentöjen avulla toteutettu ohjelmointi 13 4.3 Johdattamalla ohjelmointi 13 4.4 Opettamalla ohjelmointi 14 4.5 Etäohjelmointi 15 4.6 Ohjelmointimenetelmien yhdistelmät 18 4.7 Robotin ohjaimeen integroidut CAR/CAD/CAM -toiminnot 19
5 JÄRJESTELMÄ, MALLI JA SIMULOINTI 22
5.1 Simuloinnin käyttökohteita 23 5.2 Robottisimulointiohjelmistoja 24
6 SIMULOINTIMALLIN KALIBROINTI 26
6.1 Robottisolun kalibroinnin osa-alueita 26 6.2 Kalibroinnissa käytettäviä laitteita 27
7 KALIBROINTI NIVELVARSIMITTALAITETTA KÄYTETTÄESSÄ 29
7.1 Kalibroinnin suunnittelu 29 7.2 Mittausdatan kerääminen 31 7.3 Robotin kalibrointi 33 7.4 Ulkoisten akseleiden kalibrointi 34 7.5 Työkalupisteen ja työkalun kalibrointi 35 7.6 Kalibrointituloksen tarkistaminen 36 7.7 Kalibroinnin kulun virtuaalisuunnittelu 37
8 ETÄOHJELMOINNIN KÄYTTÖÖNOTTOA EDELTÄVIÄ VAIHEITA 40 8.1 Työn kohteen kuvaus ja työn eteneminen 40 8.2 Monitoimisolun esittely 41 8.3 Työssä käytetyn simulointiohjelmiston kuvaus 41 8.4 Robottisolun laitteiden mallintaminen 42 8.5 Robottisolun mallin kalibrointi 43 8.6 Kalibroinnin tarkistaminen 44 8.7 Tuotteen, särmäysterien ja tarttujan mallintaminen 44 8.8 I/O -määritysten mallintaminen 45 8.9 Etänä tehdyn robottiohjelman testaaminen 45
9 ETÄOHJELMOINNIN KÄYTTÖÖNOTTOPROJEKTI 46
9.1 Ohjelmiston asennus 47 9.2 Käytönopastus 48 9.3 Etäohjelmointimallin kalibrointi robottisolun siirron jälkeen 48 9.4 Paikoitustelineen kalibrointimenetelmän kehittäminen 50 9.5 Kalibroinnin tarkastus mittalaitetta käyttäen 51
10 SÄRMÄYSROBOTIN ETÄOHJELMOINNIN VAIHEET 54
10.1 Tyypillinen monitoimisolun robotin työkierto 54 10.2 Ohjelmointi toisen version makroja käyttäen 55 10.3 Testiajo tuotteella 61
11 ETÄOHJELMOINTIMALLIEN HYÖDYNTÄMINEN ROBOTTISOLUJEN
SIIRTOTYÖN YHTEYDESSÄ 63 11.1 Robottisolujen siirtotyö 63 11.2 Siirrossa syntyneen poikkeaman analysointi 63 11.3 Siirrossa syntyneen poikkeaman ohjelmallinen korjaaminen 64
12 JOHTOPÄÄTÖKSET 65
12.1 Etäohjelmoinnin käytöllä saatavia etuja 66 12.2 Työn keskeisimpiä tuloksia 66 12.3 Jatkokehityssuunnitelmat 68
13 YHTEENVETO 70 LÄHTEET 72
1
1 JOHDANTO
Etäohjelmoinnin käyttöönotto on yritykselle iso satsaus, johon liittyy myös omat riskinsä
niin kuin yleensä kaikkeen toimintaan, jossa otetaan käyttöön uutta teknologiaa.
Etäohjelmointia on sovellettu jo kohtalaisen kauan hitsausprosesseissa laiva- ja
autoteollisuudessa mutta robotisoidussa särmäyksessä etäohjelmoinnin soveltajia on
huomattavasti vähemmän. Tämä laajuus, jolla Mecanova on nyt ottamassa etäohjelmointia
käyttöön, tekee yrityksestä menetelmän soveltajien uranuurtajan.
Mecanova Oy on panostanut voimakkaasti tuotannon automatisointiin ja erityisesti
robotiikan hyödyntämiseen. Yhtenä robotiikan sovelluskohteena on ollut jo pitkään
ohutlevyjen särmääminen. Ohutlevytuotannossa roboteilla tehtävät vaiheet vaativat yleensä
suuria sarjakokoja ollakseen kannattavia.
Valmistettavien tuotteiden sarjakokojen pienentyminen ja samalla tuotteen muuttuminen
särmäyksen kannalta alati haasteellisemmaksi asettaa paineita särmäysrobottien
ohjelmointimenetelmien kehittämiseen (Kukkola, 2005). Lyhyissä sarjoissa tehtävien ja
useasti muuttuvien tuotteiden kohdalla perinteisellä opettamismenetelmällä tapahtuva
robottien ohjelmointi laskee robotin käyttösuhdetta huomattavasti.
Robottien käyttösuhdetta voidaan kasvattaa käyttämällä mahdollisimman pitkälle menevää
graafista etäohjelmointia, jolloin ohjelmoinnin ajan itse robotti voi tehdä tuottavaa työtä.
Etäohjelmointia ja siihen kiinteästi liittyvää simulointia voidaan hyödyntää monella eri
tavalla jo tuotteen suunnitteluvaiheessa.
2
2 TYÖN TAUSTAA
Opinnäytetyön lähtökohtana toimii 2003- 2005 Centria Tutkimus ja kehityksen toteuttama
projekti, jossa rakennettiin kahdesta Mecanova Oy:n robottisärmäyssolusta
etäohjelmointimallit IGRIP -ohjelmistolla. Toinen näistä mallinnetuista robottisoluista on
monitoimisolu, jossa voidaan särmäyksen lisäksi tehdä myös robotisoitua kierreinserttien
asennusta.
Syksyllä 2005 alkoi huhtikuulle 2006 kestänyt Centria Tutkimus ja kehityksen toteuttama
uusi projekti, jossa rakennettiin ja kalibroitiin edellisten lisäksi viisi kappaletta
robottisärmäyssolujen malleja. Näiden esiselvitysprojektien myötä yritys sai tietoa
etäohjelmoinnin vaatimuksista ja hyödyntämismahdollisuuksista omassa tuotannossaan.
Alkukesästä 2006 yritys teki päätöksen etäohjelmoinnin käyttöönotosta ja ohjelmiston
hankinnasta. Saman vuoden loppupuolella valmistui Mecanovan uusin tuotantotilojen
laajennus. Mallinnetut ja kalibroidut robottisolut muutettiin tähän laajennusosaan vuoden
2007 alussa. Etäohjelmoinnin käyttöönottoa varten aloitettiin syksyllä 2006 projekti, jossa
mallinnetut solut kalibroitiin muuton jälkeen uusiin paikkoihinsa. Projektin aikana otettiin
käyttöön myös särmäysmakrojen uusimmat versiot ja suoritettiin etäohjelmoinnin
käytönopastusta yrityksen etäohjelmointitehtävään valitsemille kahdelle henkilölle.
Työn tekeminen aloitettiin syksyllä 2005 alkaneen projektin kanssa yhtä aikaa, jolloin siihen
saatiin mukaan varsin kattavasti etäohjelmoinnin käyttöönoton eri vaiheet (kuvio 1).
3
Syksy 2003
Kevät 2005
Seuraavien viiden solun mallinnus ja kalibrointi
Syksy 2005
Kevät 2006
Kahden ensimmäisen solun mallinnus ja kalibrointi
Syksy 2006
Kevät 2007
Robottisolujen siirto, uudelleen kalibrointi, uudet makrot, ohjelmiston asennus, käytönopastus, testaukset
Päätös ohjelmiston hankinnasta ja käyttöönotosta
Opinnäytetyö
Syksy 2003
Kevät 2005
Seuraavien viiden solun mallinnus ja kalibrointi
Syksy 2005
Kevät 2006
Kahden ensimmäisen solun mallinnus ja kalibrointi
Syksy 2006
Kevät 2007
Robottisolujen siirto, uudelleen kalibrointi, uudet makrot, ohjelmiston asennus, käytönopastus, testaukset
Päätös ohjelmiston hankinnasta ja käyttöönotosta
Opinnäytetyö
KUVIO 1. Etäohjelmoinnin käyttöönoton vaiheet.
2.1 Työn määrittely ja aiheen rajaus
Tässä työssä käydään läpi etäohjelmoinnin käyttöönoton vaiheet yhden robottisärmäyssolun
osalta aina solun laitteiden mallintamisesta valmiin robottiohjelman testaamiseen saakka.
Tämän työn tutkimusongelmana on vastata kysymykseen ”Mitä vaiheita sisältyy robotin
etäohjelmoinnin käyttöönottoon robotisoidussa ohutlevyn särmäyksessä?”. Tämän yhden
solun lisäksi olemassa olevien kuuden särmäyssolun etäohjelmointimallien rakentamista ja
käyttöönottoa ei tässä työssä kuvata. Niiden osalta rakentamisen ja käyttöönoton vaiheet
noudattaisivat hyvin pitkälti työssä läpikäydyn solun vastaavia vaiheita.
Työssä ei tarkastella etäohjelmoinnin käyttöönottoa taloudellisten seikkojen näkökulmasta
kuten kustannusten tai takaisinmaksuaikojen muodossa. Nämä seikat on rajattu työstä pois,
koska etäohjelmoinnin käyttöönoton taloudellisten tulosten analysointi voidaan tehdä vasta
kun menetelmää on käytetty yrityksessä riittävän kauan eli puolesta vuodesta vuoteen.
Tämän käyttöajan jälkeen menetelmä ja sen vaatimat toimintatavat ovat integroituneet
riittävän hyvin, jolloin voidaan vertailla vanhaa ja uutta menetelmää toisiinsa. Mikäli
kustannusvaikutusten analysointi suoritettaisiin jo tässä vaiheessa käyttöönottoa, vääristyisi
tilanne menetelmän uutuuden ja liian vähäisen tuotantokäytöstä kertyneen vertailutiedon
vuoksi.
Työn päätavoitteiden ohella työllä on tarkoituksena tiivistää edelleen olemassa olevaa
yhteistyöverkostoa etäohjelmoinnin käyttöönottovaiheessa mukana olevien tahojen välillä.
Tämän verkoston avulla on tarkoitus turvata etäohjelmointimenetelmän edelleen
4
kehittäminen, avun saaminen mahdollisissa ongelmatilanteissa sekä mallin päivitys- ja
muutostöiden onnistuminen.
Työn teoriaosuudessa käydään läpi robotiikan yleisiä kehitysnäkymiä ja teollisuusrobottien
ohjelmointimenetelmiä ja niiden kehitysvaiheita. Etäohjelmointiin kiinteästi liittyvää
simulointia ja sen määritelmää käydään myöskin läpi käsitteiden selventämiseksi.
Teoriaosuudessa perehdytään työssä käytetyn IGRIP -etäohjelmointiohjelmiston ja sen
UltraArc -version yleisiin ominaisuuksiin.
Etäohjelmointimallin kalibrointi on etäohjelmoinnin käytettävyyden kannalta yksi
tärkeimmistä tekijöistä. Työn käytännön osa alkaa kappaleesta 7 kalibroinnin aihealueen
käsittelyllä, jossa käydään kalibrointitapahtuman vaiheet läpi nivelvarsimittalaitetta
käytettäessä.
Työssä on käytetty tutkimusmenetelminä toimintatutkimusta ja tapaustutkimusta, eli Case -
tutkimusta. Nämä tutkimusmenetelmät soveltuvat hyvin tällaiseen työhön, jossa kehitetään
toimintaa ja tutkitaan varsin yksityiskohtaista tietoa.
Kuviolla 2 pyritään selventämään työn aihealuetta ja työn rajausta. Työhön valitut
aihealueet ovat kirjoitettu lihavoidulla sinisellä tekstillä.
5
ROBOTIN OHJELMOINTI-MENETELMIÄ•opettamalla•johdattamalla•mallipohjainen etäohjelmointi
SIMULOINNIN KOHTEITA•tehdassimulointi•ihmismallit•robottisimulointi
•etäohjelmointi
ROBOTIIKAN ALUEITA•palvelurobotit•mobiilirobotit•teollisuusrobotit
TEOLLISUUS ROBOTTIENRAKENTEITA
•scara•rinnakkaisrakenne•käsivarsi
ROBOTTISIMULOINTI OHJELMISTOJA•Robot Studio•DTPS•IGRIP
MECANOVAN ROBOTTISÄRMÄYS SOLUT•Härmä•Kecskemét (Unkari)•Nivala
•solu 1:•solu 7
KALIBROINTIMITTAUKSEN MENETELMIÄ•robotti•laser scanner•nivelvarsimittalaite
ROBOTIIKAN SOVELLUS-KOHTEITA•hitsaus•maalaus•kappaleenkäsittely
•pakkaus•särmäys
SÄRMÄYSKONEEN PALVELU•manuaalisesti•robotilla
ROBOTIN OHJELMOINTI-MENETELMIÄ•opettamalla•johdattamalla•mallipohjainen etäohjelmointi
SIMULOINNIN KOHTEITA•tehdassimulointi•ihmismallit•robottisimulointi
•etäohjelmointi
ROBOTIIKAN ALUEITA•palvelurobotit•mobiilirobotit•teollisuusrobotit
TEOLLISUUS ROBOTTIENRAKENTEITA
•scara•rinnakkaisrakenne•käsivarsi
ROBOTTISIMULOINTI OHJELMISTOJA•Robot Studio•DTPS•IGRIP
MECANOVAN ROBOTTISÄRMÄYS SOLUT•Härmä•Kecskemét (Unkari)•Nivala
•solu 1:•solu 7
KALIBROINTIMITTAUKSEN MENETELMIÄ•robotti•laser scanner•nivelvarsimittalaite
ROBOTIIKAN SOVELLUS-KOHTEITA•hitsaus•maalaus•kappaleenkäsittely
•pakkaus•särmäys
SÄRMÄYSKONEEN PALVELU•manuaalisesti•robotilla
KUVIO 2. Työn aihealueen rajaus.
2.2 Mecanova Oy
Mecanova Oy on perustettu Keski-Pohjanmaalla sijaitsevassa Nivalassa vuonna 1989.
Perustamisvaiheessa yhtiön liikeideana oli vaativien ohutlevykomponenttien valmistus
suomalaisen sähköteollisuuden tarpeisiin. (Mecanova Oy, 2006)
Mecanova on suomalainen sopimusvalmistaja, jonka ydinosaamista ovat mekaniikan
valmistus ja kokonaisvaltaisten mekaniikkaratkaisujen tuottaminen. Sen asiakkaat ovat
elektroniikka- ja sähköteollisuuden johtavia laitevalmistajia, jotka arvostavat palvelun laatua
ja kustannustehokkuutta. Vuonna 2006 Mecanovan liikevaihto oli noin 70 MEur,
työntekijöitä konsernissa oli noin 500 henkilöä. Suurimpia asiakasryhmiä ovat
tietoliikenteen, lääketieteen ja teollisuuden elektroniikkavalmistajat. Mecanova -konserniin
kuuluu emoyhtiö Mecanova, osakkuusyhtiöt Sweco Mecaplan ja Hollmén sekä tytäryhtiöt
Mecapinta ja Mecanom (kuvio 3). (Mecanova Oy, 2006.)
6
Mecanovalla on Nivalan toimipisteessä käytössä yhteensä 14 teollisuusrobottia
särmäyksessä, hitsauksessa, kierteytyksessä ja senkkauksessa. Roboteista seitsemän on
valjastettu särmäyspuristimen palveluun.
KUVIO 3. Mecanova konsernin rakenne. (Mecanova Oy, 2006)
2.3 Teoreettinen viitekehys
Robottisimuloinnin ja etäohjelmoinnin aihealueesta on tehty useita teoksia, joista osaa
käytetään tässä työssä lähteinä. Etäohjelmoinnin käyttöönottoprosessista on sen sijaan
vaikeampi löytää teoksia, joissa käydään läpi kaikki päävaiheet lähtien mallin
rakentamisesta ja päätyen toimivaan robottiohjelmaan saakka. Tällä työllä pyritään osaltaan
täydentämään tätä etäohjelmoinnin aihealueen tutkimuksellisessa kentässä olevaa aukkoa.
Työssä käsitellään etäohjelmoinnin käyttöönottoa yrityksen näkökulmasta, eli pyritään
selvittämään niitä asioita ja mahdollisia ongelmakohtia, joihin yritys törmää
etäohjelmoinnin käyttöönottamisessa ja varsinaisessa etäohjelmoinnissa. Tutkimuksen
kannalta olennaisia aihealueita ja niiden keskinäisiä suhteita pyritään selventämään kuviolla
4.
7
Robotin etäohjelmoinnin käyttöönoton vaiheet robotisoidussa ohutlevyn särmäyksessä
3D- suunnittelu/ mallintaminen
Etäohjelmointimallin kalibrointi
Robottien etäohjelmointi
Kalibroinnin virtuaalisuunnittelu
Makro-ohjelmointi
CaseMECANOVA GROUP
Teollisuusrobotti/robotiikkakäyttö ja ohjelmointi
Robotisoitu kappaleen käsitte ly
Ohjelmiston asennus ja käytön opastus
Etäohjelmointimallin rakentaminen
Etäohjelmointimenetelmän kehittäminen
Robotisoitu särmäys
Tarttujan mallinnus
Tuotteen mallinnus
Yhteistyöverkoston kehittäminen
Robotin etäohjelmoinnin käyttöönoton vaiheet robotisoidussa ohutlevyn särmäyksessä
3D- suunnittelu/ mallintaminen
Etäohjelmointimallin kalibrointi
Robottien etäohjelmointi
Kalibroinnin virtuaalisuunnittelu
Makro-ohjelmointi
CaseMECANOVA GROUP
Teollisuusrobotti/robotiikkakäyttö ja ohjelmointi
Robotisoitu kappaleen käsitte ly
Ohjelmiston asennus ja käytön opastus
Etäohjelmointimallin rakentaminen
Etäohjelmointimenetelmän kehittäminen
Robotisoitu särmäys
Tarttujan mallinnus
Tuotteen mallinnus
Yhteistyöverkoston kehittäminen
KUVIO 4. Työn teoreettinen viitekehys.
Etäohjelmoinnin käyttöönoton tavoitteena on pienempien sarjakokojen kustannustehokas
valmistus robotteja käyttäen. Etäohjelmoinnin käyttöönottoprosessi alkaa tyypillisesti mallin
rakentamisella. Solussa olevien laitteiden 3D -mallit voidaan saada joissakin tapauksissa
valmiina, mutta yleensä ne joudutaan mallintamaan itse. Tarvittavien osien ollessa koossa
suoritetaan mallin kalibrointi joka, voidaan suunnitella hyvin pitkälle virtuaalisesti
ennakkoon hyödyntäen kalibroitavan solun ja nivelvarsimittalaitteen malleja.
Käyttöönottoprosessin kannalta tärkeä osa-alue on käytönopastuksen onnistuminen jolla
etäohjelmoinnin käyttöön tarvittava tietotaito saadaan siirrettyä yrityksen henkilöille.
Uusien työmenetelmien käyttöönotto vaatii onnistuakseen aina jossakin määrin myös
asenteiden muokkausta, koska uutta ei voi luoda pitäytymällä jatkuvasti totutuissa
toimintatavoissa.
8
3 ROBOTIIKAN KEHITYSNÄKYMIÄ
3.1 Robotisointiasteen kehittyminen Suomessa
Suomen Robotiikkayhdistyksen julkaisemien tilastojen mukaan teollisuusrobottien määrän
vuotuinen lisäys Suomessa on käynyt tällä vuosituhannella alhaisimmillaan vuonna 2002.
Sen jälkeen vuotuinen lisäys on ollut tasaisessa kasvusuhdanteessa (kuvio 5).
Robotiikkayhdistyksen mukaan erityisesti suomalainen elintarviketeollisuus on investoinut
kappaleenkäsittelyyn ja pakkausrobotiikkaan. Samoin hitsaussovellukset ovat hyvässä
kasvussa, joka kuvastaa konepajojemme hyvää tilauskantaa ja tulevaisuudenuskoa. (Suomen
Robotiikkayhdistys, 2006.)
KUVIO 5. Suomeen asennetut teollisuusrobotit kunkin vuoden loppuun mennessä. (Suomen
Robotiikkayhdistys, 2006)
9
3.2 Robottien määrän kasvu maailmanlaajuisesti
Kansainvälisen robotiikkayhdistysten liiton (IFR) julkaiseman tilaston mukaan Aasian,
Australian, Euroopan ja Yhdysvaltojen teollisuusrobottien vuosittainen asennusten määrä
noudattelee hyvin pitkälle samaa linjaan kuin Suomessakin (kuvio 6.) Tilastossa
silmiinpistävää on se, että asennusten määrän kasvu on suurinta Aasiassa ja Australiassa,
Euroopassa kasvu on käytännössä pysähtynyt vuoden 2002 tasolle.
KUVI
3.3
Japan
henki
Ennus
maltil
sisällä
Henki
viihdy
kuulu
Aasia/Australia Eurooppa Yhdysvallat
O 6. Arvioitu vuosittainen asennettujen teollisuusrobottien määrä. (IFR, 2006)
Robotiikan tulevaisuuden näkymiä
in robotiikkayhdistyksen (Japan Robotics Association) tekemän ennusteen mukaan
lökohtaisen- ja palvelurobotiikan markkinat kasvavat rajusti lähitulevaisuudessa.
teen mukaan teollisuusrobottien markkinat kasvavat myös, mutta huomattavasti
lisemmin kuin henkilökohtaisen ja palvelurobotiikan sektorilla (kuvio 7). Luvut eivät
halpoja sähköisiä leluja.
lökohtaisilla roboteilla tarkoitetaan robotteja joita kuluttajat hankkivat kotiinsa
ttäjäksi, kouluttajaksi tai avustajaksi. Henkilökohtaisten robottien kategoriaan
vat esimerkiksi pölyimurirobotit ja robottikoirat. (Kara, 2007.)
10
Palvelurobotteihin lukeutuvat puoli- tai täysin autonomiset mobiilirobotit, jotka avustavat
ihmistä. Sovelluskohteina ovat tehtävät, jotka vaativat suurta keskittymistä, ovat fyysisesti
raskaita tai olosuhteiltaan ihmiselle vaarallisia. Tällaisia tehtäviä ovat esimerkiksi
teollisuudessa puhdistus ja huoltotehtävät sekä erilaiset tutkimustehtävät niin maan
kamaralla kuin avaruudessakin. (Kara, 2007.)
KUVIO 7. Robo
YK:n talousko
ennuste antaa
markkinoiden
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
Mar
kkin
at (
milj
ardi
a $)
KUVIO 8. Henk
Kotirobotit Lääketieteellinen käyttöJulkinen sektori Bio-teollisuus Tuotantokäyttö
Markkinaosuus ($ 1000)
s
tiikan markkinaosuudet sektorei
mission (UNEC) ja kansainv
hyvin samansuuntaisia l
kehitysnäkymistä Japanin rob
0,605,40
2002 2005
Vuo
ilökohtaisen ja palvelurobotiikan
Henkilökohtaisten ja
palvelurobottien osuu
i
Vuosttain. (Kara, 2007)
älisen robotiikkayhdistysten liiton (IFR) tekemä
ukuja henkilökohtaisten ja palvelurobotiikan
otiikkayhdistyksen kanssa (kuvio 8).
17,10
51,70
2010 2025
si
markkinoiden kasvu. (Kara, 2007)
11
Vuonna 2006 nähtiin käsivarsirobotin rakenteessa pitkästä aikaa suurempi uudistus kun
Motoman esitteli ensimmäisenä robottivalmistajana uuden yksivartisen seitsemän akselisen
ja kaksivartisen 13 akselisen ”humanlike” robottimallinsa DA10 ja DA 20 (kuvio 9).
Valmistajan mukaan robottimallit ovat ideaalisia automaattiseen kokoonpano- ja
käsittelytehtäviin. Robottimallit jäljittelevät kokonsa ja joustavuutensa puolesta ihmisen
käsivartta ja ylävartaloa (Motoman Robotics Finland Oy, 2007).
KUVIO 9. Uuden sukupolven teollisuusrobottimalleja. (Motoman Robotics Finland Oy, 2007)
12
4 TEOLLISUUSROBOTTIEN OHJELMOINTIMENETELMIÄ
4.1 Ohjelmointimenetelmien jakotapoja
Alanderin ja Niemen mukaan robottien ohjelmointimenetelmät voidaan jakaa kahteen
ryhmään: suoraan (eng. on-line) ja erillään (eng. off-line) ohjelmointiin. (Alander, Niemi,
1987.)
Yhdysvaltalaisen työturvallisuutta ja terveyttä edistävän järjestön OSHA:n (Occupational
Safety & Health Administration) tulkinnan mukaan robottien ohjelmointimenetelmät
voidaan jakaa kolmeen eri tekniikkaan: opettamalla ohjelmointiin, johdattamalla
ohjelmointiin ja etäohjelmointiin.
Kuviossa 10 on esitetty edellä mainittujen ohjelmointimenetelmien lisäksi ohjelmoinnin
sekamenetelmät ja tekstuaalinen ohjelmointi. Tässä työssä käsiteltyjen robottien
ohjelmointimenetelmien lisäksi on olemassa useita menetelmiä, niiden alalajeja sekä
muunnoksia ja yhdistelmiä. Ohjelmointimenetelmistä käydään muutamia läpi tarkemmin
seuraavissa kappaleissa.
Opettamalla ohjelmointi
Johdattamalla ohjelmointi
On-line ohjelmointi Etäohjelmointi (off-line)
Tekstuaalinen etäohjelmointi
Mallipohjainen etäohjelmointi
Ohjelmoinnin sekamenetelmät
Robottiohjelma
Opettamalla ohjelmointi
Johdattamalla ohjelmointi
On-line ohjelmointi Etäohjelmointi (off-line)
Tekstuaalinen etäohjelmointi
Mallipohjainen etäohjelmointi
Ohjelmoinnin sekamenetelmät
Robottiohjelma KUVIO 10. Robotin ohjelmointimenetelmiä.
13
4.2 Sähkömekaanisten kytkentöjen avulla toteutettu ohjelmointi
Ensimmäiset robottiohjelmat olivat toteutettu sähkömekaanisten kytkentöjen avulla, joilla
nivelet saatiin ajamaan päin haluttuja rajakatkaisijoita vaihe kerrallaan. Ohjauksesta
huolehti sähkömekaaninen logiikka. (Kuivanen, 1999.)
4.3 Johdattamalla ohjelmointi
Johdattamalla ohjelmointi on varsinaisista ohjelmointimenetelmistä vanhin. Tästä
menetelmässä toimilaitteista vapautettua robotin käsivartta liikuteltiin käsin haluttuihin
asemiin. Robotin niveliin sijoitettujen paikka-antureiden lukemat tallennettiin
instrumenttinauhurin avulla nauhalle josta ne saatiin toistettua robotilla. Johdattamalla
ohjelmointia käytettiin hyvin yleisesti maalausrobottien ohjelmoinnissa. (Kuivanen, 1999.)
Johdattamalla ohjelmoinnin hankaluutena on ollut ohjelmien vaikea korjattavuus,
epätarkkuus ja helppokäyttöisen käyttöliittymän puuttuminen. Näihin ongelmakohtiin on
kehitetty ratkaisuja uuden tekniikan antamien mahdollisuuksien myötä. Erityisesti robotin ja
ihmisen liitynnän rajapintaan on haettu ohjelmointia helpottavia ratkaisuja. (Schraft, Meyer,
2006.)
Robotin johdattaminen tapahtuu voima-anturin kautta robotin ollessa automaattimoodissa.
Johdattamisen aikana robotille annetaan tarvittavat käskyt puheohjauksella (kuvio 11).
Tällaisia käskyjä ovat esimerkiksi ”aloita tallennus” tai ”nopeammin”.
Teollisuusympäristöön soveltuvalla kosketusnäytöllä varustetulla PDA-laitteella voidaan
myös antaa robotille käskyjä, muokata nopeusarvoja ja saada 3D -visualisointia. (Schraft,
Meyer, 2006.)
14
Voima-anturi
Robotin ohjain
Teollisuus PC
Näppäimistö/hiiri/näyttö
Robotti
i
Puheohjaus
KUVIO 11. Erilaisia laitteita integroitu
4.4 Opettamalla ohjelmointi
Seuraavana kehittyi nykyisin y
opettamalla ohjelmointi. Tässä m
käsiohjaimen avulla, jonka jälkeen
asennon määrittelyn ohella oh
liiketyyppi ja mahdolliset ulkois
1999.)
Edellä kuvatuille ohjelmointimene
robottia eli puhutaan online -ohje
ohjelmoinnin aikana tuottavaa työ
käyttö tulla taloudellisesti kannatta
Opettamalla ohjelmoinnissa tarvi
käsiohjainta on kehitetty mah
ohjelmallisten ratkaisujen avull
ohjelmointityö kuitenkin kuluttaa r
XML komentotulkk
t
n
l
e
a
j
te
t
lm
tä
m
tt
d
a
o
XML käsky
PDA-laite
a ihmisen ja koneen rajapintaan. (Schraft, Meyer, 2006)
eisimmin käytössä oleva ohjelmointimenetelmä eli
netelmässä robotin työkalu viedään haluttuun asemaan
sema tallennetaan ohjelmamuistiin. Työkalun aseman ja
elmapisteelle määritellään tyypillisesti liikenopeus,
n laitteiden ohjaamisen tarvittavat tiedot. (Kuivanen,
elmille on yhteistä se, että niissä ohjelmointiin tarvitaan
oinnista. Näitä menetelmiä käytettäessä robotti ei tee
eli sen käyttösuhde laskee. Tästä syystä saattaa robotin
attomaksi tehtäessä määrällisesti pieniä tuote-eriä.
avaa robotin aikaa on pyritty vähentämään sillä, että
ollisimman helppo- ja nopeakäyttöiseksi erilaisten
(Kuivanen, 1999). Tästä huolimatta varsinainen
botin työaikaa.
15
4.5 Etäohjelmointi
Tekstuaalisessa, eli tekstipohjaisessa etäohjelmoinnissa robottiohjelma kirjoitetaan
tekstitiedostoina erillisellä tietokoneella mahdollisimman valmiiksi. Tämän jälkeen ohjelma
siirretään robotille, testataan ja tarvittaessa korjataan robottia käyttäen. Tekstipohjainen
etäohjelmointi on tehokas menetelmä sellaisissa tapauksissa, joissa työkappaleiden mitat
muuttuvat, mutta piirteet säilyvät samanlaisina. Tällöin mittatiedot voidaan syöttää PC -
ohjelmaan, joka laskee paikkarekisterimuuttujat. Näitä muuttujia voidaan puolestaan käyttää
paikoitusparametreina, joiden avulla PC -ohjelma muodostaa robottiohjelman. (Hiltunen,
2007)
Pyrittäessä käyttämään mahdollisimman vähän robotin aikaa ohjelmointiin on ratkaisuna
robotin mallipohjainen ohjelmointi. Kokemukseni mukaan tätä menetelmää käyttämällä
parhaimmassa tapauksessa robotin aikaa tarvitaan uuden ohjelman käyttöönottamisessa vain
mallilla tehdyn ohjelman testiajon verran. Robotiikka-kirjassa määritellään mallipohjainen
ohjelmointi seuraavasti:
Robottien mallipohjainen ohjelmointi (off-line) tarkoittaa robotin ohjelmointia
ilman tuotantorobottia, tuotannon ulkopuolisessa tietokoneessa käyttäen 3D
graafista käyttöliittymää ja robotin ja sen oheislaitteiden simulointimalleja
sekä hyödyntäen tuotteen suunnittelun 3D- muototietoa. (Kuivanen, 1999, 81).
Opettamalla ohjelmoinnin yhtenä hyvänä puolena voidaan pitää sitä, että siinä ohjelmoija
tekee luonnostaan valintoja ja ratkaisuja, joita etäohjelmoinnissa täytyy erikseen määritellä
ja ratkaista. Tehtäessä robottiohjelmaa opettamalla ohjelmoija valitsee luonnostaan robotille
sujuvat liikeradat ja asennot paikoituspisteissä. (Viklund, 1999.)
Etäohjelmoinnissa sujuvan liikkeen aikaansaamiseksi täytyy ohjelmoijan määritellä useasti
itse millä robotin nivelten arvojen yhdistelmällä kyseiseen paikoituspisteeseen halutaan
mennä. Robotti voi saavuttaa ohjelmoidun paikoituspisteen usealla eri nivelten arvojen
yhdistelmällä, joista ohjelmoijan tulee valita kulloinkin tilanteeseen sopiva yhdistelmä, näitä
yhdistelmiä nimitetään käänteisen kinematiikan ratkaisuiksi. (Viklund, 1999.)
16
Käänteinen kinematiikka tarkoittaa robotin mekanismista johtuvia yhtälöitä, joiden avulla
paikoituspisteen arvoista voidaan laskea robotille nivelarvot, joilla sen työkalupiste asettuu
ohjelmoituun pisteeseen. Suora kinematiikka tarkoittaa puolestaan yhtälöitä, joiden avulla
nivel- ja työkalupisteen arvoista voidaan laskea työkalupisteen asema ja asento robotin
kannan koordinaatistossa. (Viklund, 1999.)
Etäohjelmoitavan robottisolun laitteet robotti mukaan lukien mallinnetaan luonnollisiin
mittoihinsa. Varsinainen robotin simulointimalli sisältää näkyvän geometrian lisäksi useita
eri komponentteja (kuvio 12). Kinematiikkaan kuuluvat paikoituspisteiden aseman ja
asennon lisäksi nivelarvot toisiinsa liittävät laskusäännöt. Robotin simulointimallin
liikuttamisesta huolehtii ohjaimen malli, joka jäljittelee todellisen robotin ohjaimen
toimintaa. Etäohjelmointimallissa robotin ohjelma on yleiskielistä koodia, joka ei
sellaisenaan sovellu millekään todelliselle robottiohjaimelle. Tästä syystä robotille menevä
ohjelma täytyy kääntää ohjainkohtaista kääntäjää käyttäen simuloinnin jälkeen. Robotin
malliin olisi mahdollista liittää dynaamisia ominaisuuksia, mutta niitä ei yleensä käytetä
etäohjelmoinnissa niiden vaikean mittaamisen ja mallintamisen vuoksi. (Viklund, 1999.)
KUVIO 12. Robotin simulointimalli sisältää näkyvän geometrian lisäksi useita eri
komponentteja. (Viklund, 1999)
Etäohjelmointi on yleensä suunnittelun ja tuotannon välissä oleva toiminto. Tänä päivänä on
hyvin yleistä, että yritykset muodostavat verkostoja joissa kukin vastaa jostakin tietystä
tuotteen valmistusvaiheesta esimerkiksi suunnittelusta, osavalmistuksesta tai
kokoonpanosta. Suunnitteluvaiheesta saatavia tuotteen CAD -malleja voidaan käyttää
hyödyksi esimerkiksi robottien graafisessa etäohjelmoinnissa. Näin aikaansaatu
17
robottiohjelma voidaan siirtää vaikkapa verkkoyhteyttä käyttäen suoraan robotin ohjaimen
muistiin (kuvio 13). (Viklund, 1999.)
KUVIO 13. Etäohjelmointi osana yrityksen tai yritysverkoston toimintaa. (Viklund, 1999)
Suunnittelutiedon tehokas hyödyntäminen koko tuotantoprosessin ajan edellyttää, että
tuotteen valmistukseen tarvittavia tietoja voidaan siirtää sujuvasti sähköisessä muodossa.
Sähköinen tuotanto eli digitaalinen tuotanto (Digital Manufacturing, DIM) on yksi keino
pyrittäessä kohti optimaalista tuotantoprosessien kehittämistä. Digitaaliseen tuotantoon
kuuluu ohjelmisto- ja tuotantomenetelmiä, joiden avulla voidaan yhdistää tuotantoprosessin
suunnittelua, simulointia ja tuotannonohjausta ja käyttää hyödyksi eri vaiheissa tuotettua
informaatiota (kuvio 14). Nämä eri vaiheet voivat olla kaikki yhden yrityksen sisällä tai
hajautettu useiden yritysten muodostamaan verkostoon. (Pieskä, 2006b.)
18
KUVIO 14. Sähköiseen tuotantoon liittyviä osa-alueita. ( Pieskä, 2006b)
Kokemukseni mukaan digitaalisen tuotannon kompastuskiviksi voivat muodostua
ohjelmistojen yhteensopivuusongelmat, toisinsanoen käytettävät ohjelmistot eivät tue
haluttua tiedonsiirtomuotoa. Varsinkin CAD -ohjelmistoissa tiedostoja siirrettäessä
ohjelmistosta toiseen on tiedostomuotojen ja -versioiden kirjo valtava. Tästä syystä
ohjelmiston hankintavaiheessa tulee kiinnittää erityistä huomiota ohjelmiston tukemiin
tiedostojen sisään luku- ja tallennusmuotoihin. Digitaalinen tuotanto on myös keskeinen osa
tuotteen elinikäistä hallintaa.
4.6 Ohjelmointimenetelmien yhdistelmät
Käytettäessä eri ohjelmointimenetelmien yhdistelmiä puhutaan sekamenetelmästä (kuvio
15). Etäohjelmoinnilla tehty robottiohjelma joudutaan ensimmäisellä kerralla yleensä
ajamaan läpi robotilla piste kerrallaan. Samalla ohjelmaa voidaan tarvittaessa hienosäätää ja
korjata mahdolliset virheet. (Moilanen, 2003.)
19
OFF-LINE
OHJELMAN TEKO ETÄOHJELMOINTI-JÄRJESTELMÄSSÄ
SIMULOINTI ETÄOHJELMOINTI-JÄRJESTELMÄSSÄ
VIRHEIDEN KORJAUS
ON-LINE
PISTEIDEN TARKENNUS JA TESTAAMINEN
VALMIS ROBOTTIOHJELMA
VIRHEIDEN KORJAUS
OFF-LINE
OHJELMAN TEKO ETÄOHJELMOINTI-JÄRJESTELMÄSSÄ
SIMULOINTI ETÄOHJELMOINTI-JÄRJESTELMÄSSÄ
VIRHEIDEN KORJAUS
ON-LINE
PISTEIDEN TARKENNUS JA TESTAAMINEN
VALMIS ROBOTTIOHJELMA
VIRHEIDEN KORJAUS
KUVIO 15. Robotin ohjelmoinnin sekamenetelmä. (Moilanen, 2003)
4.7 Robotin ohjaimeen integroidut CAR/CAD/CAM -toiminnot
Reis Robotics esitteli kansainvälisessä robotiikkaseminaarissa (ISR) vuonna 2006
robottiohjaimen johon on integroitu CAR/CAD/CAM -toiminnot (Computer Aided Robotic/
Computer Aided Design/ Computer Aided Manufacturing). Graafisena 3D -käyttöliittymänä
toimivan ProVis ohjelmiston avulla käyttäjä voi ohjelmoida ja visualisoida fyysistä robottia.
Robotin ja käyttöliittymän välinen yhteys voidaan muodostaa ethernetin tai internetin
kautta (kuvio 15). Etäyhteyden kautta voidaan hoitaa esimerkiksi diagnostiikkaan tai
huoltoon liittyviä asioita. (Som, 2006.)
20
KUVIO 15. Internetpohjainen graafinen 3D -käyttöliittymä. (Som, 2006)
Ohjaimeen integroidut CAR/CAD/CAM -toiminnot avaavat robotin käyttäjälle uusia
mahdollisuuksia. Robotilla voidaan nopeasti ja helposti mallintaa työkappaleita joista ei ole
valmiiksi saatavilla 3D -mallia. Robotille opetetaan työkappaleesta muutamia pisteitä, joista
luodaan laskennan avulla geometrisia perusmuotoja esimerkiksi pintoja, ympyröitä jne.
Yhdistelemällä näitä geometrisia perusmuotoja saadaan aikaan monimutkaisiakin kappaleita
(kuvio 16). (Som, 2006.)
KUVIO 16. Robotilla luotu kappaleen 3D -malli pisteitä opettamalla. (Som, 2006)
21
Pohdintani mukaan menetelmän etuna on se, että erillinen työkappaleen kalibrointi ei ole
välttämätöntä, koska kappale paikottuu robottiin nähden oikeaan asemaan robotilla tehtävän
mallinnuksen ansiosta. Huonona ominaisuutena voidaan puolestaan pitää sitä, että
menetelmällä otetaan askel taaksepäin kohti opettamalla ohjelmointia, koska robotin aikaa
käytetään ohjelman tekemiseen ja työkappaleen mallintamiseen. Tätä huonoa ominaisuutta
voi osittain kompensoida kalibroinnin osalta saatava ajansäästö, mikäli robotilla tapahtuva
mallintaminen on todella sujuvaa.
22
5 JÄRJESTELMÄ, MALLI JA SIMULOINTI
Erilaisten järjestelmien tutkimiseen ja analysointiin on olemassa lukuisia menetelmiä (kuvio
17). Tässä tapauksessa järjestelmällä tarkoitetaan tietyn tehtävän suorittamista varten
muodostettua kokoonpanoa, joka voi koostua esimerkiksi ihmisistä tai laitteista. (Law,
Kelton, 2000).
Järjestelmä
Todellisella järjestelmällä kokeilu
Järjestelmän mallilla kokeilu
Konkreettinen malli
Matemaattinenmalli
Analyyttinen ratkaisu
Simulointi
KUVIO 17. Järjestelmän tutkimistapoja. (Law, Kelton, 2000)
Todellisella järjestelmällä tehtävät kokeilut tulevat kyseeseen silloin kun järjestelmä on jo
olemassa ja kokeiluja voidaan suorittaa turvallisesti ja ilman kohtuuttomia kustannuksia.
Mikäli tutkittavaa järjestelmää ei vielä ole tai kokeiluihin liittyy suuria riskejä, silloin
tutkiminen voidaan suorittaa järjestelmän mallia hyödyntäen. (Law, Kelton, 2000.)
23
Järjestelmän mallina voi toimia konkreettinen malli tai matemaattinen malli. Konkreettinen
malli voi olla esimerkiksi auton ulkokuoresta tehty täysikokoinen tai pienoiskoossa oleva
malli, jolla voidaan tutkia vaikkapa sen aerodynaamisia ominaisuuksia tuulitunnelissa.
(Law, Kelton, 2000.)
Matemaattisen mallin avulla voidaan analysoida järjestelmän reagointia siihen liittyvien
tekijöiden muuttuessa. Yksinkertaisin esimerkki matemaattisesta mallista lienee tasaisen
liikkeen matkan kaava s=v*t, jossa v on nopeus ja t on matkaan käytetty aika. (Law,
Kelton, 2000.)
Mikäli tarkastelun kohteena oleva järjestelmä on tarpeeksi yksinkertainen, voidaan sen
riippuvuussuhteita ja tekijöitä analysoimalla saada täsmällinen ratkaisu. Yksinkertaisissa
tapauksissa analyyttinen ratkaisu voidaan saada aikaan jopa pelkästään kynää ja paperia
käyttäen. Simulointi puolestaan mahdollistaa monimutkaisien järjestelmien toiminnan
tutkimisen muuttuvilla syötteillä. (Law, Kelton, 2000.)
5.1 Simuloinnin käyttökohteita
Sanakirjan mukaan (The Oxford English Dictionary) simulointi on:
tekniikkaa jolla jäljitellään jonkin taloudellisen, mekaanisen tms. tilanteen tai systeemin
käyttäytymistä yhtenevän mallin, tilanteen tai laitteiston avulla joko tiedon saannin
helpottamiseksi tai henkilöstön kouluttamiseksi (Simpson, Weiner, 1989).
Simuloinnin käyttökohteita on lukematon määrä aina terveydenhuollosta politiikkaan
saakka. Tuotantotoiminnan sektorilla simulointia voidaan hyödyntää esimerkiksi
pullonkaulojen paljastamisessa, läpäisyaikojen ja varastojen optimoinnissa sekä
robottisovelluksissa. (Pieskä, 2006c.)
Tuotemuutosten nopeutuminen on tyypillinen piirre nykytuotannossa. Tämän vuoksi myös
tuotantojärjestelmiä suunniteltaessa on pyrittävä ottamaan huomioon se, että niihin
joudutaan tekemään jatkossa muutoksia yhä useammin. Toisaalta haasteena tulee olemaan
uusien linjojen tai solujen käyttöönotto ja niiden nopea ylösajo.
24
Tällaisia tilanteita tulee vastaan uuden tuotantosolun rakentamisen lisäksi myös tehtäessä
muutoksia soluihin tai muutettaessa solun toimintaa uuden tuoteperheen vaatimusten
mukaiseksi. (Pieskä, Sallinen, Kaarela, Honkanen, Sumi, 2004.)
5.2 Robottisimulointiohjelmistoja
Robottisimulointiohjelmistojen valmistajia ja niiden tarjoajien kotisivuja on koottu Mattilan
opinnäytetyötä mukaillen taulukkoon yksi (Mattila, 2006). Tarjolla on useita ohjelmistoihin
erikoistuneiden yritysten sekä robottivalmistajien tuotteita. Suurin osa
simulointiohjelmistoista on tarkoitettu vain tietylle robottimerkille. Yksi tällainen
merkkikohtainen simulointi- ja etäohjelmointiohjelmisto on ABB:n RobotStudio.
Mikäli on tarvetta tehdä simulointimalli usealle eri robottimerkille ja -mallille niin
havaintojeni mukaan soveltuvien simulointiohjelmistojen määrä karsiutuu rajusti. Yhtenä
laajan robottimerkki- ja mallivalikoiman tarjoavasta simulointi- ja
etäohjelmointiohjelmistosta mainittakoon esimerkkinä Delmia:n IGRIP.
TAULUKKO 1. Robottisimulointiohjelmistovalmistajia ja niiden kotisivuja.
ABB http://www.abb.com/
Alma http://www.alma.fr/
Camelot http://www.camelot.dk/
Compucraft Ltd http://www.compucraftltd.com/
Delmia http://www.delmia.com/
EASY-ROB 3D Robot Simulation Tool http://www.easy-rob.de/
FANUC Robotics North America, Inc http://www.fanucrobotics.com/
Flow Software Technologies http://www.workspace5.com/
IGM Robotic Systems, Inc http://www.igmusa.com
Mitsubishi Electric http://www.mitsubishi-automation.com/
RobotWorks http://www.robotworks-eu.com/
UGS Technomatix http://www.ugs.com/
25
Centrian omien laboratorioympäristöjen lisäksi robottisimulointi- ja etäohjelmointimalleja
on rakennettu mm. robottihitsaus- ja robottisärmäyssovelluksiin sekä
lasinkäsittelytuotantoon (kuvio 18). Centria on toteuttanut myös useita
etäohjelmointimallien kalibrointiprojekteja sekä etäohjelmoinnin koulutusta.
Robottisimulointiohjelmisto on ollut keskeisenä työkaluna myös useissa opinnäytetöissä.
KUVIO 18. Centrian mallinnetut robottisolut.
Tyypillisiä robottisimulointiohjelmiston käyttökohteita ovat:
- robottisolun layout suunnittelu
- robotin oheislaitteiden suunnittelu (työkalut, jigit, kuljettimet)
- tuotesuunnittelu
- robotin etäohjelmointi
- työpisteiden ja -vaiheiden ergonomian suunnittelu
- koulutus ja markkinointi
Robottisimuloinnin ja etäohjelmoinnin käsitteet sekoitetaan toisiinsa hyvin helposti. Näiden
käsitteiden ero on helpointa ymmärtää niiden käyttökohteiden avulla. Simuloinnissa
pyritään rakentamaan reaalimaailmasta malli, jolla jäljitellään joidenkin tapahtumien
toimintaa. Tätä mallia voi hyödyntää esimerkiksi robottisolun layoutin suunnittelussa.
(Moilanen, 2003.)
Etäohjelmoinnissa voidaan hyödyntää tätä luotua simulointimallia, mutta sen
käyttötarkoituksena on ohjelmien tuottaminen robotille (Moilanen, 2003).
26
6 SIMULOINTIMALLIN KALIBROINTI
Simulointimallin käyttö etäohjelmointiin edellyttää sen, että malli vastaa riittävän hyvin
todellista solua, tämä puolestaan vaatii useimmiten solun mallin kalibrointia (Pieskä,
Kaarela, Rahja, Honkanen, Viklund, 2005b). Kalibroinnilla on tarkoitus kompensoida
simulointimallin ja todellisen robottisolun väliset poikkeamat. Etäohjelmoinnin tarkkuus
riippuu suurelta osin siitä, että kuinka hyvin simulointimalli vastaa todellisuutta.
6.1 Robottisolun kalibroinnin osa-alueita
Robottisolun mallin kalibrointi voidaan jakaa kahteen päätapaukseen: robotin ja
työkappaleen keskinäiseen kalibrointiin tai robotin ja työsolussa olevien ulkoisten
liikeakseleiden keskinäiseen kalibrointiin (Lylynoja, 1996). Kuviossa 19 on esitelty näissä
tapauksissa tyypillisesti tarvittavia koordinaatistoja.
]
KUVIO 19. Ka
Robotti [R
]
]
libroinnis
Kinemaattinen
ketju [R]
Mittauslait
sa tarvittavia
Työkalu [R]
e
Perus [R]
Maailman origo [RTyökalu [K]
]
koordinaatistoja. (IGR
Kinemaattinen
ketju [K]
Perus [K
Käsittelylaite [K
IP, 2002)
27
Itse robotin kalibrointi voidaan jaotella akseleiden kalibrointiin, robotin kinemaattisen
ketjun kalibrointiin sekä kuormitusten ja muiden voimien vaikutukset huomioivaan
dynamiikan kalibrointiin. Hyvin suunnitellussa ja toteutetussa robottisolussa ei dynamiikan
kalibrointia ole yleensä tarvetta tehdä, koska joustojen, välyksien ja muiden ei-geometristen
virhelähteiden aiheuttamat virheet jäävät niin vähäisiksi. (Lylynoja, 1996.)
6.2 Kalibroinnissa käytettäviä laitteita
Perinteisellä tavalla kalibrointi suoritetaan mittaamalla robotin avulla riittävä määrä pisteitä
robotin työympäristöstä esimerkiksi työkalun paikalle asetetun piikin avulla. Kun
oheislaitteita on paljon, vie tämä kalibrointimenetelmä paljon aikaa, vaikka robotin
käyttäjänä olisikin kokenut henkilö. Lisäksi robotin riittämätön tarkkuus mittaamiseen
varsinkin isommilla nivelvarsiroboteilla voi muodostua ongelmaksi. Käytettäessä robottia
kalibrointipisteiden mittaukseen on kalibrointityö tavallisesti vienyt aikaa kaksikin
työpäivää, jolloin robottisolu on poissa tuotantokäytöstä. (Pieskä ym., 2005b.)
Robottisolun kalibrointimittauksiin on käytettävissä useita erityyppisiä ulkoisia mittalaitteita
ja menetelmiä. Lylynoja käy läpi diplomityössään laseriin, nauhakeloihin, teodoliittiin,
kameroihin, ultraääneen ja lähestymiskytkimiin perustuvia mittausmenetelmiä. Näiden
menetelmien lisäksi on olemassa vielä lukuisia eri vaihtoehtoja, joista käydään yksi läpi
seuraavana.
Nivelvarsityyppisten koordinaattimittauslaitteiden tarkkuuden kehittyessä niistä on tullut
kiinnostava apuväline robottisolujen kalibrointiin. Centrian kokemusten mukaan niiden
avulla voidaan kalibrointitulosta saada tarkemmaksi ja kalibrointiin käytettyä aikaa
huomattavasti lyhyemmäksi kuin esimerkiksi käytettäessä robottia mittausvälineenä (Pieskä
ym., 2005b.)
Centrialla käytössä olevan Faro Platinum Arm nivelvarsityyppisen
koordinaattimittauslaitteen tarkkuus on ±0.02 mm ja toiminta-alueen säde 1,2 metriä (kuvio
20).
28
KUVIO 20. Faro Platinum Arm nivelvarsimittalaite. (Faro, 2007)
Nivelvarsimittalaite on tehokas työkalu myös silloin, kun tehdään etäohjelmointimallin
kalibroinnin päivityksiä ja uudelleenkalibrointeja (Pieskä ym., 2005b). Tuote- ja
tuotantomuutoksen nopeuden kasvu on tyypillistä myös muillakin kuin pelkästään auto- ja
elektroniikkateollisuuden aloilla. Tämän vuoksi on tärkeää, että myös päivitys- ja uudelleen
kalibroinnit aiheuttavat mahdollisimman lyhyen katkoksen tuotantoon. (Pieskä, Kaarela,
Honkanen, 2005a).
Nivelvarsimittalaitteiden nopeampaa yleistymistä hidastanee niiden kohtuullisen korkea
hinta, vaikka ne ovat huomattavasti halvempia kuin esimerkiksi vastaavaan tarkkuuteen
yltävät pyyhkäisevät laserlaitteet (laser scanner) (kuvio 21). Toisaalta nivelvarsimittalaitteen
helpon siirrettävyyden vuoksi niitä voidaan helposti myös vuokrata kalibrointimittauksiin.
(Pieskä ym., 2005b.)
KUVIO 21. Laser scanner -laitteita. (Faro, 2007)
29
7 KALIBROINTI NIVELVARSIMITTALAITETTA KÄYTETTÄESSÄ
Seuraavien kappaleiden sisältö perustuu pääasiallisesti kokemusperäiseen tietoon, joka on
kertynyt kalibrointitapahtuman kehitystyön tuloksena. Kappaleissa kuvataan
kalibrointitapahtuman kulku aina sen suunnittelusta kalibrointituloksen tarkistamiseen
saakka. Kehitetty kalibrointimenetelmä ei ole sidottu mihinkään tiettyyn
robottisovellukseen, vaan sitä voidaan käyttää niin hitsaus-, kappaleen käsittely- kuin
särmäyssovelluksissakin. Seuraavassa kalibrointitapahtuman kulku käydään läpi kuitenkin
suurimmalta osin särmäyssovelluksen näkökulmasta.
Centria on tehnyt kalibrointimenetelmän kehitystyötä yhdessä Delfoi Oy:n kanssa.
Kehitystyön tavoitteena on ollut saada menetelmästä nopeampi, tarkempi ja
helppokäyttöisempi. Menetelmän perustana toimivat Faron nivelvarsimittalaite ja sen
CAM2 -ohjelmisto, IGRIP -ohjelmisto ja erityisesti sen kalibrointiosa, johon on kehitetty
kalibrointitoimintoja ja mittaustiedon käsittelyä helpottavia makroja. (Pieskä ym., 2005b.)
Kehitetyllä menetelmällä robottisolun kalibrointimittauksesta johtuvaa seisokkiaikaa on
saatu lyhennettyä huomattavasti verrattuna robotilla tapahtuvaan kalibroitiin. Tämän lisäksi
mittaustiedon tarkkuus ja käsiteltävyys ovat aivan eri tasolla kuin robotin käyttöön
perustuvassa mittausmenetelmässä.
7.1 Kalibroinnin suunnittelu
Robottisolun kalibrointi aloitetaan suunnittelemalla mittaustapahtumaa solun mallia
hyödyntäen ja mahdollisuuksien mukaan vierailemalla paikanpäällä. Suunnittelun pohjana
olevassa simulointimallissa laitteet ovat paikoitettu karkealla tasolla oikeille paikoilleen
toisiinsa nähden. Tähän paikoitukseen tarvittava mittatieto on kerätty yleensä rullamittaa
käyttäen laitteiden mallinnustyön yhteydessä. Joissakin tapauksissa solusta voi olla
30
saatavilla myös CAD -ohjelmalla tehty layout -piirros, joka voidaan ottaa pohjaksi karkeaa
paikoitusta tehtäessä.
Mallin avulla pyritään ennakkoon suunnittelemaan mahdollisimman tarkkaan robottisolusta
otettavien mittauspisteiden sekä geometrioiden paikat ja määrät. Mittalaite tulisi saada
sellaiseen kohtaan robottisolussa josta voidaan mitata kaikki tarvittavat kohteet ilman, että
mittalaitetta tarvitsee siirtää. Mittalaitteen siirtäminen pidentää aina mittaustapahtuman
kestoa sekä heikentää mittaustulosta jonkin verran. Gantry -tyyppisiä ja servoradalla
varustettuja soluja mitattaessa mittalaitteen siirtäminen on usein kuitenkin välttämätöntä.
Ennakkosuunnittelun kannalta on myös suureksi hyödyksi se, että kalibroitavaan
robottisoluun voidaan käydä tutustumassa paikan päällä. Vierailulla pystytään tekemään
robottisolun ympäristöolosuhteista havaintoja, jotka pelkän simulointimallin avulla
tehtävällä suunnittelulla jäisivät huomioimatta. Mittauksen kannalta huomioon otettavia
seikkoja ympäristöolosuhteissa ovat esimerkiksi poikkeuksellisen matala tai korkea
lämpötila, rakenteiden tärinä ja voimakkaat iskut sekä mallissa näkymättömät rakenteet
kuten esimerkiksi lattiapinnalle sijoitetut kaapelikanavat.
Robotin käsivarren ja ulkoisten akseleiden mittauspisteet otetaan kohteeseen kiinnitetystä
vastinkupista. Tämän kupin kiinnitys tulee tehdä mahdollisimman tukevasti, erillisellä
pultilla tai suoraan kierteitettyyn reikään (kuvio 22). Näiden kiinnityskohtien selvittäminen
onnistuu myös parhaiten käymällä robottisolussa.
KUVIO 22. Työkalun vaihtajaan pisteiden mittausta varten kiinnitetty vastinkuppi.
31
Robottiohjaimeen ulkopuolelta ladattavien tai ohjaimesta tallennettavien ohjelmien
tiedonsiirtotapoja on olemassa useita. Kalibroitavan solun tiedonsiirtotapa ja sen toimivuus
on hyvä varmistaa ennen mittauksia. Puuttuva tai rikkinäinen tiedonsiirtokaapeli,
toimimaton tiedonsiirto-ohjelma tai vioittunut muistikortti voi huonoimmassa tapauksessa
estää tehokkaasti kalibrointimittausten suorittamisen.
Ennakkosuunnittelun seuraavana vaiheena on robottiohjelmien tekeminen käsivarrelle ja
ulkoisille akseleille mittauspisteiden ottamista varten. Simuloinnin ja tarkastuksien jälkeen
ohjelma käännetään robottikohtaiselle kielelle, jonka jälkeen se on valmis siirrettäväksi
robotille.
7.2 Mittausdatan kerääminen
Robotin työkaluvaihtajaan kiinnitetään mittapisteiden ottamista varten vastinkuppi. Robottia
paikoitetaan etänä tehdyn ohjelman mukaan 30 pisteeseen, joiden paikat mitataan
mittalaitteella vastinkupista. Näiden pisteiden avulla suoritetaan kalibroinnissa robotin
aseman ja asennon määrittäminen mittalaitteeseen nähden sekä signatuurin tarkistus ja
tarvittaessa sen korjaus.
Servojalallisessa robotissa suoritetaan edellisen lisäksi kymmenen pisteen robottiohjelma,
jossa ajetaan ainoastaan servojalkaa. Näiden pisteiden avulla saadaan selville servojalan
pyörintäkeskiön asema ja asento mittalaitteeseen nähden ja tarvittaessa voidaan tarkistaa
servojalan pulssisuhde.
Servoradalla varustetusta robotista otetaan myös 30 pisteen lisäksi kymmenen pistettä
ainoastaan rataa ajaen. Näiden avulla saadaan selville radan suunta ja suoruus sekä
pulssisuhde.
Robottiin kiinnijäävästä työkalun vaihtajan osasta mitataan yleensä 30 pisteen ohjelman
viimeisessä pisteessä tarvittavat geometriat, joilla voidaan asemoida robottiin nähden
työkaluun jäävä vaihtajan osa ja sitä kautta myös itse työkalu (kuvio 23).
32
KUVIO 23. Työkalun vaihtajasta mitattuja geometrioita.
Robotin työkalut voidaan mallintaa ja tarvittaessa myös mitata solun ulkopuolella, koska
työkalun ja robotin välisestä liitospinnasta on nyt olemassa mittatieto, joilla ne voidaan
mallissa asemoida tarkasti toisiinsa.
Mittalaitteen jalusta pidetään samassa paikassa koko mittauksen ajan. Tästä asemasta
otetaan tarvittavat pisteet ja geometriat särmäyssolun tapauksessa särmäyspuristimesta
(kuvio 24), paikoitustelineestä ja mahdollisista robottiin kiinnitetyistä apulaitteista. Näillä
mittauksilla laitteet voidaan asemoida mittalaitteeseen nähden ja näin ne asemoituvat lopulta
oikein robotin suhteen.
KUVIO 24. Särmäyspuristimen teräpitimien mittausta.
Hitsaussoluissa on usein kappaleenkäsittelylaitteita kuten kääntöpöytiä ja niin sanottuja
grillejä. Näissä on tyypillisesti yhdestä kolmeen kalibroitavaa akselia. Laitteista mitataan
33
yhtä akselia kerrallaan ajaen pyörintäkeskiön määrittämistä varten pisteitä. Pisteiden
mittaaminen tapahtuu esimerkiksi pöydäntasoon kiinnitetystä vastinkupista. Kappaleen
kiinnitystasoista ja tarvittaessa laitteen rungosta mitataan lisäksi geometrioita.
7.3 Robotin kalibrointi
Varsinainen simulointimallin kalibrointi aloitetaan robotin ja mittalaitteen asemoinnilla
toisiinsa nähden sekä robotin signatuurin tarkistamisella ja tarvittaessa sen korjaamisella.
Signatuurin kalibroinnilla tarkoitetaan robotin sisäisten kinemaattisten parametrien
kalibrointia mitatun tiedon perusteella. Nämä sisäiset virheet johtuvat eroista robotin
todellisen kinematiikan ja ohjaimeen ohjelmoidun kinematiikan välillä. Erot aiheutuvat
geometrisista virheistä kuten poikkeamista nivelten nollakohdissa, nivelten pituuksissa sekä
kulmissa. (Lylynoja, 1996.)
Kalibrointia varten malliin siirretään mittalaitteella mitatut 30 pistettä sekä sitä vastaava
robottiohjelma. IGRIP:n Auto ID -kalibrointifunktiota käyttäen asemoinnin lisäksi saadaan
tuloksena robotin nivelten nollakohtien poikkeama ja pistepilvien välinen sovitustarkkuus
RMS (Root Mean Square fitting error) virheellä ilmoitettuna. Tämän virheen perusteella
voidaan heti arvioida myös kalibroinnin onnistumista (kuvio 25).
KUVIO 25. AutoID -kalibrointitoiminnon antamia tuloksia.
34
7.4 Ulkoisten akseleiden kalibrointi
Mitattujen ulkoisten akseleiden pisteiden ja vastaavien robotin paikoituspisteiden
perusteella voidaan määrittää ulkoisten akseleiden pulssisuhteet. Näin saadut pulssisuhteet
asetetaan simulointiohjelmistoon niin sanotun kääntäjän parametreihin.
Kääntäjällä suoritetaan robottiohjelman siirrossa ohjelmakoodin muuntaminen joko
simulointiohjelmiston käyttämästä kielestä robottikohtaiselle ohjelmointikielelle tai
päinvastoin. Kääntäjässä olevien pulssisuhteiden tulee vastata käytössä olevan robotin
pulssisuhteita, jotta akselien liikkeet vastaavat todellista tilannetta. Pulssisuhteiden lisäksi
malliin määritetään ulkoisten akseleiden pyörimissuunnat sekä nollakohdat.
Useasti käsittelylaitteissa on koneistettuja pintoja joista saadaan mitattua varsin tarkkoja
geometrioita (kuvio 26). Näillä geometrioilla pystytään heti kalibrointitilanteessa tekemään
vertailua pisteiden avulla saatuun kalibrointitulokseen.
KUVIO 26. Käsittelylaitteen kiinnitystason mittausta koneistetusta pinnasta.
Pulssisuhteiden määrittämisen jälkeen malliin siirretään ulkoisten akseleiden mittapisteet ja
robotin vastaavat pisteet sisältävä ohjelma. Mitattujen pisteiden avulla määritetään
servojalan ja kääntöpöydän akseleiden pyörintäkeskiöiden asemat ja asennot. Servoradan
tapauksessa mitattujen pisteiden avulla saadaan kalibroitua radan suunta sekä tarvittaessa
voidaan tarkastaa radan suoruus.
35
Särmäyssolua kalibroitaessa seuraavana vaiheena on särmäyspuristimen aseman ja asennon
määrittäminen. Kalibrointi tapahtuu suurelta osin mitattujen geometrioiden avulla (kuvio
27). Kalibroitavia kohteita ovat esimerkiksi ylä- ja alapalkin asema ja suunta, työkalujen
pitimien paikat, yläpalkin maksimi-aukeama sekä törmäysten kannalta tärkeät kohteet.
KUVIO 27. Särmäyspuristimesta mitattuja geometrioita (turkoosit pinnat).
Särmäyssolussa on yleensä myös keskitysteline sekä aihiopinoteline. Näiden kalibrointi
tapahtuu niinikään mitattujen geometrioiden avulla.
7.5 Työkalupisteen ja työkalun kalibrointi
Hitsaussoluissa työkalupisteen kalibrointiin tarvittavat pisteet otetaan yleensä robotilla.
Polttimeen kiinnitetään virtasuuttimen tilalle piikki jota paikoitetaan robotilla kiinteään
vastinpiikkiin mahdollisimman erilaisilla nivelarvoilla. Sama toistetaan vaihtamalla
polttimeen pidempi piikki (kuvio 28). Tavallisesti paikoituksia tehdään kuusi molemmilla
piikeillä. Näiden robottiohjelmien avulla mallissa saadaan tehtyä työkalupisteen kalibrointi
niin paikan kuin suunnankin osalta.
Kappaleenkäsittelysovelluksissa joissa käytetään esimerkiksi imukuppi- tai sormitarraimia
kalibrointi tehdään robotin osalta työkaluvaihtajan laippaan asti. Robottiin jäävä
työkaluvaihtajan laippa kalibroidaan robottiin nähden oikeaan asemaan ja asentoon
mitattujen geometrioiden avulla. Tarraimessa oleva laipan osa ja itse tarrain voidaan
kalibroida yhtenä kokonaisuutena. Tällöin kalibroidaan laipan kiinnitystason ja
tartuntapisteen sijainti toisiinsa nähden.
36
Yhdistämällä mallissa nämä vaihtajan kaksi kalibroitua pintaa toisiinsa saadaan aikaan
yhtenäinen kalibroitu ketju työkalupisteeseen saakka.
KUVIO 28. Tarttujan kalibrointi mitattujen geometrioiden avulla.
7.6 Kalibrointituloksen tarkistaminen
Kalibroinnin onnistuminen todetaan ajamalla todellisella robotilla ohjelma, joka on tehty
kalibroidulla mallilla. Ohjelmalla robottia paikoitetaan määrättyihin pisteisiin, joiden
paikoitustarkkuus voidaan todeta joko silmämääräisesti tai mittaamalla. Silmämääräisesti
tehty tarkastelu ei anna tarpeeksi luotettavaa tulosta kalibroinnin onnistumisesta soluissa,
joissa on useita ulkoisia akseleita ja sovellukselta vaaditaan suurta tarkkuutta.
Käyttämällä mittalaitetta kalibroinnin tarkistamiseen saadaan tarkempaa ja
monipuolisempaa tietoa kalibroinnin tuloksesta. Mittaustulokset ja mittaustapahtuman kulku
ovat myös helposti dokumentoitavissa mahdollista myöhempää tarvetta varten. Mittalaitetta
käytettäessä poikkeamien aiheuttajat voidaan saada selville myös helpommin kuin
silmämääräisellä tarkastuksella.
Tarkastettaessa sellaisen robottisolun kalibrointia, jossa on esimerkiksi kääntöpöytä tai
muita kappaleenkäsittelylaitteita voidaan mittalaitetta käytettäessä robottia paikoittaa
käsittelylaitteessa olevaan virtuaalikappaleeseen. Tarkastusta varten on kalibroidulla
mallilla tehty käsittelylaitteeseen esimerkiksi suorakulmion muotoinen kappale, jonka
nurkkapisteisiin robotin työkalua paikoitetaan käsittelylaitteen eri asennoissa (kuvio 29).
Mallilla laadittu ohjelma ladataan robotille ja paikoituspisteet mitataan yksi kerrallaan
robotin työkalusta. Mitatut pisteet ja tarvittaessa niistä muodostunut geometria ladataan ylös
37
malliin, jolloin voidaan verrata mallilla tehtyä ja toteutunutta geometriaa tarkasti ja
monipuolisesti analysointityökaluja käyttäen.
KUVIO 29. Kalibrointituloksen tarkistaminen virtuaalikappaletta hyödyntäen.
7.7 Kalibroinnin kulun virtuaalisuunnittelu
Robottisolun kalibrointimenetelmän kehittämisen yhtenä tavoitteena on ollut pääseminen
mahdollisimman lyhyeen kalibroinnista johtuvaan seisokkiin tuotannossa. Vaikka
nivelvarsimittalaitteen käyttö nopeuttaa kalibrointimittausten tekoa huomattavasti, pystytään
ennakkoon tapahtuvalla kalibrointitapahtuman virtuaalisuunnittelulla lyhentämään aikaa
vielä esitetyistä tapauksista merkittävästi. Virtuaalisuunnitteluun perustuvassa kalibroinnissa
on robottisolun lisäksi tehty myös nivelvarsimittalaitteelle kinemaattinen malli ja määritelty
sille pallomainen työalue, jossa se pystyy tekemään mittauksia (kuvio 30).
38
KUVIO 30. Mittalaitteen kinemaattinen malli ja sen pallomainen työalue. (Pieskä ym., 2005b)
Mittalaitteen sijoittelua ja törmäysvapaita mittausreittejä voidaan suunnitella ennakolta,
minkä lisäksi myös mittauksessa tarvittavat robotin liikkeet voidaan tehdä simulointimallin
pohjalta etäohjelmointina. Tällöin kalibrointitapahtumassa robottia ajetaan askel kerrallaan
ennalta suunniteltuihin pisteisiin, jotka mitataan nivelvarsimittalaitteella. (Honkanen,
Sallinen, Pieskä, Kaarela, 2006.)
Saatujen kokemusten perusteella robottisolun kalibrointimittauksiin tarvittava aika voi jopa
puolittua verrattuna menetelmään jossa mittauksia varten tarvittava robottiohjelma tehdään
paikanpäällä (kuvio 31). Tämän lisäksi menetelmän eduksi voidaan laskea se, että
kalibroinnissa tapahtuvien virheiden määrä on vähentynyt. (Honkanen ym., 2006.)
39
PERINTEINEN KALIBROINTI
• Erittäin pitkätuotantokatkosaika
• Epätarkka mittaustulos
• Suuri mahdollisuus virheisiin
• Kalliit laitteet• Vaatii kaksi henkilöä
• Kalliit laitteet• Vaatii kaksi henkilöä
KEHITTYNEEMPIKALIBROINTI
VIRTUAALI-KALIBROINTI
MITTAUSVÄLINE
ROBOTINOHJELMOINTI
ROBOTIN TUOTANTOKATKOS
EDUT
HAITAT
ROBOTTI
8-16 TUNTIA
• Ei mittalaitteeninvestointia
• Voidaan suorittaa yhden henkilön voimin
ULKOINEN
ONLINE
3-5 TUNTIA
• Lyhyt tuotantokatkosaika
• Tarkka mittaustulos
ULKOINEN
OFF-LINE
1-2 TUNTIA
• Minimaalinen tuotantokatkosaika
• Tarkka mittaustulos• Virheet voidaan
eliminoida etukäteen
ONLINE
KUVIO 31. Eri kalibrointimittaustapojen vertailua. (Honkanen, 2005)
Kehitetyn toteutustavan avulla kalibrointimittauksia voidaan suunnitella entistä paremmin
ennalta, mikä nopeuttaa itse tuotantosolussa tehtäviä mittauksia. Lisäksi mittauksia voidaan
tehdä useammassakin osassa, mikäli tuotanto niin vaatii.
Siirrettävän nivelvarsimittalaitteen avulla voidaan helposti paikoittaa uudelleen tarkasti
solun oheislaitteita, mikäli niitä on välillä jouduttu siirtämään alkuperäisesti kalibroiduilta
paikoiltaan.
Robottisoluissa voidaan tarvita myös itse robotin toistotarkkuuden kalibrointia, mikäli
robotilla on törmätty johonkin robottiympäristössä tai kyseessä on kauan käytössä ollut
robotti. Myös tämä robotin niinsanottu signatuurikalibrointi onnistuu selvästi aiempaa
nopeammin siirrettävän nivelvarsimittalaitteen avulla.
40
8 ETÄOHJELMOINNIN KÄYTTÖÖNOTTOA EDELTÄVIÄ VAIHEITA
Centria Tutkimus ja kehitys toteutti Mecanovan kanssa yhteistyössä projektin vuosina 2003
– 2005, jossa rakennettiin ja kalibroitiin kahden robottisärmäyssolun etäohjelmointimallit.
Toinen näistä robottisoluista on niinsanottu monitoimisolu jossa voidaan särmäyksen lisäksi
tehdä myös robotisoitua kierreinserttien asennusta. Syksyllä 2005 alkoi huhtikuulle 2006
kestävä uusi projekti, jossa rakennettiin ja kalibroitiin edellisten lisäksi viisi kappaletta
robottisärmäyssolujen malleja. Näiden esiselvitysprojektien myötä yritys sai pohjatietoa
etäohjelmointiohjelmiston hankinta- ja käyttöönottopäätöksen tekoa varten.
8.1 Työn kohteen kuvaus ja työn eteneminen
Opinnäytetyö päätettiin rajata käsittämään ainoastaan tämän yhden monitoimisolun
käyttöönoton vaiheet, jottei työn laajuus kasvaisi kohtuuttoman suureksi. Täten tämän
yhden solun lisäksi olemassa olevien kuuden särmäyssolun etäohjelmointimallien
rakentamista ja käyttöönottoa ei tässä työssä kuvata. Niiden osalta rakentamisen ja
käyttöönoton vaiheet tosin noudattavat hyvin pitkälti työssä läpikäydyn solun vastaavia
vaiheita.
Työn kohteeksi valitun solun käyttöönoton vaiheet käydään läpi aina solun rakentamisesta
etänä tehtyyn ja robotilla testattuun ohjelmaan saakka. Työssä käytettyä IGRIP-
simulointiohjelmistoa esitellään kappaleessa 8.3, jonka jälkeen kappaleissa 8.4-8.9 käydään
läpi esiselvitysprojektissa suoritetut etäohjelmointimallin rakentamisen ja ensimmäisen
kalibroinnin vaiheet monitoimisolun osalta.
Käyttöönottoon sisältyi myös ohjelmiston asentamien yrityksen työasemaan, uusien
särmäysmakrojen käyttöönotto, robottisolun uudelleen kalibrointi siirron jälkeen sekä
41
ohjelmiston käytönopastus yrityksen valitsemille henkilöille. Näitä asioita käydään läpi
kappaleissa 9 ja 10.
Robottisolujen siirron yhteydessä kehitettiin menetelmä, jossa rakennetuilla
etäohjelmointimalleilla voitiin analysoida uudelleen asennuksen tarkkuutta. Tarvittaessa tätä
menetelmää voitaisiin käyttää myös robottiohjelmien korjaamiseen asennuksessa jääneen
paikotusvirheen kompensoimiseksi. Tätä menetelmää esitellään kappaleessa 11.
8.2 Monitoimisolun esittely
Monitoimisoluun kuuluvat Motoman UP 50 XRC -käsivarsirobotti, Amada HFE 8025
-särmäyspuristin, paikoitusteline, otto- ja jättölavat sekä Haeger:n kierreinserttien
asennuskone (kuvio 32). Monitoimisolun rinnalla, kuvassa oikealla, on toinen
robottisärmäyssolu, jossa on servojalalla varustettu robotti ja hiukan isompi särmäyspuristin
kuin monitoimisolussa. Nämä robottisolut kykenevät vaihtamaan työkappaletta keskenään
automaattisesti, jolloin robottisoluilla voidaan tehdä todella joustavasti niin isoja kuin
pieniäkin kappaleita, joissa voi olla myös kierreinserttejä.
KUVIO 32. Etäohjelmoinnin käyttöönoton kohteena oleva robottisolu.
8.3 Työssä käytetyn simulointiohjelmiston kuvaus
Tässä työssä käytetään pääasiallisena ohjelmistotyökaluna Centria:lla olevaa IGRIP-
ohjelmistoa ja Mecanova:lla IGRIP:n UltraArc-versiota. UltraArc on alunperin
hitsaussovelluksiin kehitetty ohjelmistoversio. Tässä versiossa ei ole kaikkia IGRIP:n
42
ominaisuuksia, lisäksi käyttöliittymä on valikoiltaan hiukan erilainen kuin IGRIP:ssä (kuvio
33).
KUVIO 33. IGRIP -ohjelmiston käyttöliittymä.
IGRIP on graafinen robottisimulointisovellus usean robotin solun mallinnukseen ja
etäohjelmointiin. Sovelluskohteena voi olla esimerkiksi robotisoitu hitsaus, maalaus,
liimaus, materiaalin poisto ja koneiden palvelu. (Delmia, 2006.)
IGRIP sisältää yli 500 teollisuusrobotin mallit sekä sovelluskohtaisia laitteiden malleja
kuten hitsauspolttimia ja kappaleenkäsittelylaitteita. Ohjelmistossa on kalibrointityökalut,
joilla malli saadaan tarkasti säädettyä vastaamaan todellista robottiympäristöä. IGRIP:iin
voidaan tuoda malleja useista eri CAD -ohjelmista. (Delmia, 2006.)
8.4 Robottisolun laitteiden mallintaminen
Robottisolun mallintaminen aloitettiin särmäyspuristimen mallintamisella. Suurin osa
puristimesta jouduttiin mallintamaan itse, koska laitetoimittajalta ei saatu kattavia 3D –
malleja lukuisista kyselyistä huolimatta. Särmäyspuristimen jälkeen mallinnusvuorossa
olivat paikoitusteline, turva-aidat, valoverhot, robotin ohjainyksikkö, kuormalava sekä
työvälinekaappi. Robotissa oleva työkaluvaihtajan malli saatiin valmiina laitetoimittajalta.
Kierreinserttien asennuskone jouduttiin mallintamaan niin ikään itse. Laitteesta saatiin
kylläkin laitetoimittajalta 2D CAD –malleja, mutta niistä ei tässä tapauksessa ollut
43
juurikaan hyötyä. Mallinnuksiin käytettiin Inventor ja SolidWorks -suunnitteluohjelmistoja
sekä IGRIP -ohjelmiston omaa CAD -modulia.
Särmäyssolussa oleva Motoman UP 50 XRC -robotin malli saatiin simulointiohjelmiston
kirjastosta, joten malliin tarvittavat osat olivat nyt olemassa. Seuraavana voitiin solusta
rakentaa malli, jossa koneet ja oheislaitteet sijoiteltiin silmämääräisesti oikeille paikoilleen.
Malliin lisättiin vielä särmäyskoneen kinematiikka, tarvittavat apukoordinaatistot sekä muita
särmäysmakrojen sekä kääntäjän vaatimia toimintoja ja ominaisuuksia (kuvio 34).
KUVIO 34. Ensimmäinen monitoimisolusta rakennettu malli.
Ennen kalibrointia kääntäjän toimintaa testattiin tekemällä mallilla yksinkertainen
liikeohjelma, joka käännettiin robotin kielelle. Toinen testi tehtiin siirtämällä robotilla
tehdystä ohjelmasta osa malliin. Kääntäjään tehdyt asetukset toimivat hyvin, joten malli oli
valmis kalibrointia varten.
8.5 Robottisolun mallin kalibrointi
Monitoimisolun etäohjelmointimallin ensimmäinen kalibrointi toteutettiin hiukan
poikkeuksellisella tavalla. Solusta otettiin nivelvarsimittalaitteella perinteiseen tapaan
tarvittavat mittapisteet, geometriat ja lisäksi digikameralla runsaasti kuvia. Solun malli,
mittaustiedostot ja digikuvat lähetettiin sähköpostitse Delfoi:lle jonka toimesta varsinainen
kalibrointi suoritettiin. Kalibroitu malli saapui takaisin sähköpostilla muutaman työpäivän
44
kuluttua, jonka jälkeen suoritettiin kalibroinnin tarkistaminen mukana tulleella
robottiohjelmalla.
8.6 Kalibroinnin tarkistaminen
Kalibroinnin tarkistamista varten mallilla oli tehty robottiohjelma, jossa robotin
piikkityökalua paikoitettiin 10 mm:n päähän alaterän matriisituen etureunasta sekä
paikoitustelineen pinnoista ja reunoista. Ohjelma ajettiin robotilla piste kerrallaan ja
todettiin työntömitalla mittaamalla pisteiden olevan noin 1 mm:n sisällä halutusta
etäisyydestä, näin ollen kalibrointi oli onnistunut.
8.7 Tuotteen, särmäysterien ja tarttujan mallintaminen
Kalibroinnin tarkistamisen ja siitä saadun hyvän tuloksen jälkeen etäohjelmointimallin
kokonaisuuden testaamista varten valittiin tuote ja sille sopivat särmäysterät sekä tarttuja.
Tuotteeksi valittiin mitoiltaan kohtalaisen pieni tuote, jossa oli yhdeksän taivutusta, joista
osa oli toisten taivutusten mukana liikkuvia. Tuotteen 2D -geometria saatiin valmiina dxf -
muotoisena tiedostona josta IGRIP:n omalla CAD -osiolla muodostettiin särmättävän
tuotteen malli ( kuvio 35).
KUVIO 35. Esimerkki IGRIP:llä tehdystä tuotteen mallista.
Särmäysterien poikkileikkausgeometriat mallinnettiin tuote-esitteestä saatujen mittojen
perusteella. Varsinainen terän malli muodostetaan särmäyssovelluksessa
poikkileikkausgeometriasta makrojen avulla (kuvio 36). Tarttujan ja siihen kiinnitetyn
työkaluvaihtajan malli muodostettiin nivelvarsimittalaitteella otettujen mittauksien
perusteella.
45
KUVIO 36. Esimerkki mallinetuista särmäysteristä.
8.8 I/O -määritysten mallintaminen
Robotissa olevat I/O -määritykset täytyy myös mallintaa etäohjelmointimalliin, jotta ne
tulostuisivat oikealla tavalla ja oikeaan paikkaan etänä tehtyyn robottiohjelmaan. Tällaisia
määrityksiä ovat esimerkiksi robotin ja särmäyspuristimen väliset kättelyt ja tarttujan
ohjauksessa käytetyt tulo- ja lähtökytkennät.
8.9 Etänä tehdyn robottiohjelman testaaminen
Kalibroinnin onnistuttua voitiin tehdä varsinainen koeajo, jossa särmättiin tuote. Tuotteelle
tehtiin simulointimallilla särmäysohjelma, joka siirrettiin robotille. Ohjelman siirto sujui
ongelmitta ja robotti lähti suorittamaan ohjelmaa. Robotin viedessä tuotetta ensimmäiseen
taivutukseen tuli ongelma robotin neljännen nivelen pulssirajan ylityttyä. Ongelma johtui
siitä, että mallin lähtötilanteeksi oli epähuomiossa tallentunut robotin asema, jossa neljäs
nivel oli jo valmiiksi kiertyneenä 360 astetta. Koeajoa pystyttiin kuitenkin jatkamaan
poistamalla kyseinen ohjelmapiste. Usean onnistuneen taivutuksen jälkeen voitiin todeta,
että tuotteen paikoitustarkkuus särmäysteriin nähden on varsin hyvällä tasolla ja että
sovellus on kokonaisuudessaan toimiva.
46
9 ETÄOHJELMOINNIN KÄYTTÖÖNOTTOPROJEKTI
Etäohjelmoinnin käyttöönotto on monivaiheinen projekti, joka vaatii aikaa tyypillisesti
kuukausia sekä usean henkilön työpanoksen. Jotta käyttöönottoprojekti saadaan vietyä
onnistuneesti loppuun saakka, sille voidaan asettaa tiettyjä edellytyksiä. Yhtenä
perusedellytyksenä on se, että yritys sitoutuu ohjelmiston hankintaan ja käyttöönottoon.
Käyttöönotto ei tapahdu hetkessä ja vastoinkäymisiin tulee varautua. Mikäli yritys ei ole
riittävän sitoutunut, projektista voidaan luopua kesken kaiken ja näin ollen projektin tuoma
hyöty jää tietenkin saavuttamatta. (Aalto, Lylynoja, 2005.)
Projektille tulee nimetä yrityksestä vastuullinen vetäjä, vähintään kaksi ohjelmoijaa sekä
CAD -yhdyshenkilö. Käyttöönoton jälkeen on tärkeää, ettei yritys jää ohjelmiston kanssa
yksin vaan mahdollisissa ongelmatilanteissa löytyy teknistä tukea. (Aalto, Lylynoja, 2005.)
Etäohjelmoinnin käyttöönotto asettaa myös laitteistolle tiettyjä vähimmäisvaatimuksia.
Tietokoneelta, johon UltraArc -etäohjelmointiohjelmisto asennetaan, vaaditaan seuraavia
ominaisuuksia: (Aalto, Lylynoja, 2005.)
• käyttöjärjestelmänä Windows 2000 tai XP
• muistia vähintään 512 MB
• keskusyksikkö vähintään 600 MHz
• 3D -näytönohjain, Open GL
• tietoliikenneyhteydet
• mielellään 3D CAD -ohjelmisto
47
Etäohjelmoitavassa robotissa tulee olla seuraavat varusteet:
• tiedonsiirto-ohjelmisto
• soluohjain tai massamuistiohjelma robottiohjelmien tallentamiseksi
• railonseuranta ja –haku kaarihitsaus-sovelluksissa
• kalibrointipiikki
Robotti, sen oheislaitteet ja ulkopuoliset radat tulee olla asennettuna normaalia
huolellisuutta noudattaen (Aalto, Lylynoja, 2005).
9.1 Ohjelmiston asennus
UltraArc -ohjelmistosta asennettiin Mecanovan Nivalan toimipisteeseen ensin versio 5.12,
johon oli jo olemassa niinsanottu kelluva lisenssi. Tätä versiota käyttäen toteutettiin
Centrialla tehdyn etäohjelmointimallin siirtäminen yrityksen työasemaan ja ensimmäiset
käytön opastukset. Hyvinkin pian huomattiin että IGRIP:n 5.9 versiolla toteutetun ja
testatun etäohjelmointimallin särmäysmakroista suurin osa ei toiminutkaan UltraArc:n 5.12
versiossa.
Makrojen toimimattomuuden syytä alettiin selvittää ohjelmiston maahantuojan avustuksella.
Nämä 1.0 version makrot ovat tehty vuosituhannen vaihteessa, jonka jälkeen ohjelmistosta
on ilmestynyt useita päivityksiä. Päivityksien myötä ohjelmistoon on tehty niin paljon
muutoksia, etteivät useita vuosia vanhat makrot enää olleet täysin yhteensopivia ohjelmiston
version 5.12 kanssa. Näitä 1.0 version makroja ei kannattanut alkaa räätälöimään käytössä
olevaan ohjelmiston versioon sopivaksi koska makroista oli tehty uusi versio 2.0. Nämä 2.0
version makrot vaativat toimiakseen ohjelmiston version 5.14. Tämän seurauksena
yritykseen jouduttiin hankkimaan ohjelmistosta uudempi versio.
UltraArc 5.14 version hankinta ei käynytkään ihan kädenkäänteessä sillä lisenssin ja
ohjelmiston saamiseen meni erinäisistä syistä johtuen aikaa useampi kuukausi.
Lisenssitiedoston saavuttua voitiin ryhtyä suorittamaan ohjelmiston asentamista yrityksen
työasemaan.
Ohjelmiston uuden version asennus onnistui kohtuullisen helposti. Ohjelmiston
käynnistyminen sen sijaan tuotti ongelmia. Uuden version myötä myös lisenssi oli
48
muuttunut sen verran, että vanha lisenssiajuri ei toiminutkaan. Tämän asian selvittyä
ohjelmisto lähti toimimaan moitteettomasti.
Solun malli oli alun perin rakennettu vanhoille makroille sopivaksi, joten se ei lähtenyt
suoraan toimimaan uusilla makroilla. Soluun täytyi tehdä kymmeniä muutoksia ja lisäyksiä,
jotta uudet makrot saatiin toimimaan oikein. Ensimmäisen solun osalta muutoksien
tekeminen ja uusien makrojen käyttökoulutus toteutettiin ostopalveluna Centrian toimesta.
9.2 Käytönopastus
Etäohjelmointisovelluksen käytönopastus aloitettiin perehtymällä UltraArc:n yleisiin
ominaisuuksiin kuten kirjastorakenteeseen, käyttöliittymään ja useimmin tarvittaviin
käsitteisiin. UltraArc:n käyttöön perehdyttiin useiden lyhyiden ja muutamien pidempien
jaksojen avulla. Jaksojen välissä ohjelmiston käyttöä opiskeleva henkilö ehti itsenäisesti
kokeilla läpikäytyjä asioita ja kokeilla myös uusia toimintoja. Mahdollisia vastaan tulleita
ongelmakohtia ja kysymyksiä selviteltiin yhdessä seuraavalla jaksolla tai pikimmiten
sähköpostin ja puhelimen välityksellä.
Tällainen useissa jaksoissa, mutta kuitenkin kohtalaisen lyhyillä väleillä tapahtuva opiskelu
on koettu hyväksi menetelmäksi perehdyttäessä UltraArc:n kaltaisiin laajoihin
ohjelmistoihin. UltraArc:n kyseessä ollen uutta asiaa tulee lyhyellä aikavälillä runsaasti,
tämän sisäistäminen ja omaksuminen vaatii taas aikansa.
9.3 Etäohjelmointimallin kalibrointi robottisolun siirron jälkeen
Robottisolun uuteen paikkaan siirron asennuksen jälkeen suoritettiin etäohjelmointimallin
kalibrointia varten robottisolussa mittaukset nivelvarsimittalaitteella (kuvio 37). Koska
kyseinen solu oli kalibroitu jo aiemmin, niin mittausta varten tarvittava robottiohjelma oli jo
olemassa. Käytettäessä tätä ohjelmaa täytyi mittalaite sijoittaa kohtalaisen tarkasti samalle
paikalle kuin mitä se oli ensimmäisellä kalibrointikerrallakin. Tämä tieto saatiin selville
robottisolun mallista.
49
KUVIO 37. Monitoimisolun kalibrointimittausta nivelvarsimittalaitteella.
Robottisolusta mitattiin kalibroinnissa tarvittavat robotin pisteet ja laitteiden geometriat.
Aikaa mittauksiin laitteiden asetteluineen meni noin tunti.
Varsinainen mallin kalibrointi hoidettiin ensimmäisestä kerrasta poiketen Centrian toimesta.
Kalibrointitulosten perusteella voitiin heti tehdä päätelmiä robottisolun siirtotyön
asennustarkkuudesta verrattuna vanhaan paikkaan. Näistä tuloksista on kerrottu enemmän
kappaleessa 11. Robotin osalta kalibrointituloksista voitiin todeta, että robotin mekaaninen
rakenne on hyvin tarkasti RMS -virheindeksillä mitattuna samaa tasoa kuin noin kolme
vuotta sitten tehdyssä kalibroinnissa. Näin ollen robotilla ei ole törmätty, ainakaan kovin
pahasti, eikä niveliin ole tullut lisää kulumisesta johtuvia välyksiä. Kierreinserttien
asennuskoneen ja sen käytössä olevan paikoitustelineen kalibrointi geometrioiden avulla
onnistuivat myös moitteetta.
Paikoitustelineen kohdalla sen sijaan kalibrointi ei onnistunut toivotulla tavalla. Telineen
mittaus suoritettiin perinteisellä tavalla, eli telineeseen asetettua peltiä apuna käyttäen
(kuvio 38). Telineen mallia ja mitattua geometriaa ei saatu asemoitua kalibroinnissa
kunnolla toisiinsa nähden, joten kalibroinnin tuloskaan ei voinut täten olla kovin hyvällä
tasolla. Ongelma johtui siitä, että telineeseen asetettu pelti oli taipuneena tai liikahti
mittauksen aikana. Tämän ongelman poistamiseksi paikoitustelineen kalibrointimenetelmää
ryhdyttiin miettimään uudelta pohjalta.
50
KUVIO 38. Paikoitustelineen mittaus telineessä olevan pellin avulla.
9.4 Paikoitustelineen kalibrointimenetelmän kehittäminen
Särmäysrobotin etäohjelmointimallin käytettävyyden kannalta on olennaisen tärkeää, että
paikoitusteline on kalibroituna hyvin tarkasti särmäyspuristimen alapalkin suhteen. Tämä
tärkeys tulee siitä, että etäohjelmointimallin särmäyssovelluksessa kappale paikoitetaan
makroilla telineessä olevaan koordinaatistoon ja taivutuksissa puolestaan särmäyspuristimen
alapalkkiin kytkettyyn särmäysterään (kuvio 39).
KUVIO 39. Tuotteen paikoituksessa käytettäviä koordinaatistoja (ympyröity punaisella).
51
Nivelvarsimittalaiteella on mahdollista kiinnittää mittauspisteet mittalaitteen oman
koordinaatiston sijasta myös johonkin ulkoiseen kohteeseen, esimerkiksi mitattavaan
kappaleeseen. Tämä mahdollistaa myös sen, että myöhemmin voidaan tarvittaessa ottaa
uusia mittauksia tai tarkastaa vanhoja saman koordinaatiston suhteen. Telineeseen aiemmin
mittauksia varten laitettu ongelmia aiheuttanut pelti päätettiin korvata ympäriinsä
koneistetulla vahvalla teräslevyllä joka myös mallinnettiin nivelvarsimittalaitteella (kuvio
40).
KUVIO 40. Paikoitustelineeseen kalibrointimittausta varten asetettu ja mallinnettu teräslevy.
9.5 Kalibroinnin tarkastus mittalaitetta käyttäen
Kalibrointituloksen tarkastaminen suoritettiin särmäyssovelluksessa ensimmäisen kerran
nivelvarsimittalaitetta käyttäen. Aiemmin kyseistä menetelmää on käytetty vain
hitsaussovelluksen kalibroinnin tarkastamisessa.
Tätä tarkastusmenetelmää varten mallilla laadittiin robottiohjelma, jossa robottiin
kiinnitettyä tarkastusta varten tehtyä työkalua paikoitettiin tiettyyn etäisyyteen solun
oheislaitteisiin nähden (kuvio 41).
52
KUVIO 41. Kalibroinnin tarkastusta varten tehty työkalu kiinnitettynä robottiin.
Robottiohjelma suoritettiin piste pisteeltä ajaen ja samalla pisteiden paikka mitattiin
nivelvarsimittalaitteella aina määrättyyn oheislaitteen kohtaan nähden.
Särmäyspuristimessa robottia paikoitettiin esimerkiksi alapalkin särmään nähden
vaakasuorassa ja 45 asteen kulmassa 100 millimetrin etäisyyteen (kuvio 42). Tarkastus
tehtiin kaikkiaan 26 mittauspisteen avulla. Tuloksista suurin osa voitiin todeta heti
paikanpäällä ja loput mallin avulla analysoimalla.
KUVIO 42. Robotti paikoitettuna yhteen tarkastusohjelman pisteeseen.
Tulosten perusteella voitiin todeta, että robotin paikoitusvirhe oli särmäyspuristimen
alapalkkiin nähden palkin pituussuunnassa 0,6 mm, syvyyssuunnassa 0,4 mm ja
korkeussuunnassa 2,8 mm. Pituus- ja syvyyssuunnan virheet olivat normaalilla tasolla,
mutta korkeussuunnan virhe oli aivan liian suuri.
53
Poikkeaman syytä ryhdyttiin selvittämään ja sen aiheuttajaksi paljastui virheellinen robotin
akselin pulssisuhde kääntäjän parametreissa. Tämä kääntäjä otettiin käyttöön ja
parametroitiin uusien makrojen käyttöönoton yhteydessä, jolloin myös pulssisuhteen
syöttämisessä on tapahtunut virhe. Tämän pulssisuhteessa olevan virheen selvittämistä
huomattavasti edesauttoi nivelvarsimittalaitteen käyttö tarkastusmittauksessa koska
mittaustulokset ovat tarkkoja, luotettavia ja niitä voidaan analysoida monipuolisesti.
Pulssisuhteen korjaamisen jälkeen robotin ja särmäyspuristimen välinen paikoitusvirhe jäi
jokaisen kolmen akselin suunnassa alle yhden millimetrin. Kierreinserttien asennuskoneen
alapainimen keskiön ja robotin välinen paikoitusvirhe jäi pulssisuhteen korjaamisen jälkeen
niinikään jokaisen kolmen akselin suunnassa alle yhden millimetrin.
Paikoitustelineen kohdalla oli jo ennen tarkastusmittauksen suorittamista oletettavissa, että
telineen kalibrointitarkkuus ei ole tarpeeksi hyvällä tasolla. Tarkastusmittaus vahvisti
oletuksen, paikoitusvirhe oli robottiin nähden pahimmillaan neljän millimetrin luokkaa.
Tilannetta huononsi vielä se, että asemavirheiden lisäksi oli havaittavissa myös telineen
asentoon liittyviä kalibrointivirheitä.
Telineestä otettiin saman tien uudet kalibrointimittaukset menetelmällä, jonka kehityskulku
esiteltiin luvussa 9.4. Mittalaitteen koordinaatisto kiinnitettiin särmäyspuristimen alapalkin
oikeaan päätyyn palkin suuntaisesti. Telineeseen asetettiin teräslevy, josta otettiin
nivelvarsimittalaitteella mitat, joiden avulla voitiin määrittää mallissa olevan telineen
koordinaatiston asema ja asento.
Kehitetyn menetelmän avulla telineen kalibrointi mallissa onnistui toivotulla tavalla.
Tarkastusmittausta tälle uudelleenkalibroinnille ei kuitenkaan erikseen enää suoritettu,
koska tarkastaminen tulee hoidettua tuotteen kanssa tapahtuvalla testiajolla, jolla testataan
samalla koko ohjelmointiketjun toimivuus.
54
10 SÄRMÄYSROBOTIN ETÄOHJELMOINNIN VAIHEET
10.1 Tyypillinen monitoimisolun robotin työkierto
Tyypillinen monitoimisolun robotin työkierto alkaa aihion ottamisella lavalta, jonka jälkeen
robotti suorittaa aihion paikoituksen telineessä. Paikoitustelineessä robotti vie aihion
ensimmäiseksi määrätyn taivutuksen mukaiseen paikkaan puristimen kitaan takavastetta
vasten. Robotti siirtää särmäysvaiheessa aihiota määrättyyn asemaan laaditun ohjelman
mukaisesti. Särmäysvaihe voi sisältää myös robotin seurantaliikkeen jolla tuetaan isoja tai
laajoja aukkoja sisältäviä kappaleita taivutuksen aikana. Joissakin tapauksissa täytyy kesken
särmäyksen suorittaa otteenvaihto, jolloin robotti käyttää aihiota otteenvaihtopisteessä.
Kierreinserttien asentamista varten robotti käyttää tuotetta asennuksen kannalta sopivassa
särmäyksen vaiheessa kierreinserttien asennuskoneella.
Kyseisessä solussa on tavallisuudesta poikkeavaa se, että aihio voidaan tarvittaessa käyttää
tiettyjen taivutusten tekemistä varten viereisessä robottisolussa (kuvio 43). Solujen robotit
hoitavat taivutettavien kappaleiden vaihdot automaattisesti.
KUVIO 43. Yhdessä toimivat vierekkäiset robottisolut.
55
10.2 Ohjelmointi toisen version makroja käyttäen
Särmäyksessä käytettävän robottiohjelman muodostaminen etäohjelmointimallissa tapahtuu
suurelta osin makroja käyttäen. Makroilla voidaan käyttäjän tekemien valintojen ohjaamana
automatisoida laskentaa vaativia tai usein toistuvia toimintoja. Särmäyssovelluksessa
makrojen käynnistämiseen käytettävät painikkeet ja usein tarvittavat ohjelmiston
vakiopainikkeet ovat koottuna yhden alasvetovalikon alle niinsanotuille käyttäjäsivuille
(kuvio 44).
KUVIO 44. Yhden käyttäjäsivun sisältämät painikkeet.
Toisen version makrojen toimivuutta ja käyttäjäystävällisyyttä on kehitetty merkittävästi
verrattuna ensimmäisen version makroihin. IGRIP UltraArc -ohjelmiston soveltuvuutta
robottisärmäykseen on käsitelty Krögerin ja Koivuniemen tekemässä opinnäytetyössä, jonka
mukaan makrojen toiminta vaatisi kehittämistä. Kokemukseni mukaan nämä edellä
mainitussa opinnäytetyössä esitetyt makroihin liittyvät ongelmakohdat on saatu korjattua
uusissa makroissa. Uusilla makroilla on useita toimintoja toteutettu aivan uudella tavalla,
56
kuten esimerkiksi särmättävän tuotteen ja robottiohjelman muodostaminen. Näitä uuden
version makrojen toimintoja käydään pääpiirteittäin läpi seuraavissa kappaleissa.
Tuotteen mallin muodostaminen
Etäohjelmointi alkaa tuotteen mallin muodostamisella, jossa tuotteesta tehdään
kinemaattinen 3D -malli. Tällaisen mallin luomiseen on olemassa ainakin kaksi
vaihtoehtoista menetelmää. Ensimmäisenä vaihtoehtona on käyttää lähtökohtana 2D –
rautalankamallia, josta makrojen avulla muodostetaan kinemaattinen 3D -malli. Toisena
vaihtoehtona on valmiin 3D -mallin käyttäminen tuotteen muodostamisen lähtökohtana.
Käytännössä havaittiin, että tuotteen mallin muodostaminen 2D -rautalankamallista toimii
sujuvasti vain, jos tuotteen mallissa on reikiä alle 20 kappaletta. Tätä suurempi reikien
määrä tekee tuotteen mallinnuksesta ja mallista varsin hitaan ja raskaan.
Tämän, usein rajoittavaksi tekijäksi tulevan seikan, voi välttää sillä että sisään luetaan
tuotteen valmis 3D -malli tuotteen muodostamisen lähtökohdaksi. Valmiin 3D -mallin tulee
olla WRML, IGES, PRO/E, UG tai IDEAS -muodossa ja taivutuskohdissa tulee olla pieni
rako. Tätä menetelmää käyttämällä voitiin välttää suurten reikämäärien aiheuttamat
ongelmat, mutta sen sijaan tuotteen kinematiikkaa tehdessä tuli ongelmia. Asiaa selviteltiin
ja päädyttiin ratkaisuun, jossa käytetään näiden kahden menetelmän yhdistelmää tuotteen
muodostamisessa. Tuotteesta luettiin sisään dxf -muotoinen 2D –rautalankamalli, jossa on
muotoviiva ja taivutusviivat sekä WRML -muotoinen 3D -malli ilman taivutuskohdissa
olevia rakoja (kuvio 45).
KUVIO 45. Tuotteen kinemaattisen mallin muodostaminen 2D ja 3D -muotoja käyttäen.
57
Tuotteen kinematiikan määrittäminen
Tässä vaiheessa määritetään tuotteen taivutusviivat, kunkin särmän mukana taipuvat osat
sekä hierarkia eli missä kukin osa on kiinni. Näiden vaiheiden jälkeen tuotteen malli on
valmis varsinaista robottiohjelman luontia varten.
Tuotteen prosessitietojen määrittäminen
Tuotteen prosessitietoihin määritellään taivutuksien tyypit, taivutuskulmat asteina,
taivutusjärjestys ja workpointin eli työpisteen numero, jossa kukin taivutus suoritetaan
(kuvio 46).
KUVIO 46. Prosessitietojen määrittäminen.
Särmäyspuristimen valmisteluun kuuluu särmäysterien muodostaminen niiden
poikkileikkausgeometrioista sekä terien pituuden ja paikan määrittäminen
särmäyspuristimen palkeissa oleviin referenssipisteisiin nähden.
Työpisteiden määritys
Jokaiselle taivutukselle on määritelty työpiste (workpoint), jossa sen taivuttaminen tapahtuu.
Työpiste tulee oletuksena valitun alatyökalun keskelle, sen yläpinnan tasalle. Työpisteitä
voidaan siirtää, lisätä, poistaa ja uudelleen muokata tarpeen vaatiessa myöhemminkin.
Särmättävyyden tarkistaminen
Särmättävyyden tarkistuksella voidaan nähdä taivutus kerrallaan miten tuote taipuu
puristimessa. Tässä vaiheessa voidaan vielä helposti korjata taivutusjärjestykseen ja tuotteen
58
asemointiin liittyviä määrityksiä. Särmättävyyden tarkistus tapahtuu pelkällä tuotteella
ilman robottia (kuvio 47).
KUVIO 47. Tuotteen särmättävyyden tarkistaminen.
Tarttumiskohtien määrittäminen
Tarttumiskohtien määrittäminen aloitetaan uudelle tuotteelle luomalla uusi työsekvenssi.
Työsekvenssin luomisen jälkeen määritellään tuotteen jokaiselle taivutukselle erikseen
puristimesta ottamista varten tarttumiskohdat (kuvio 48).
KUVIO 48. Tuotteen tarttumiskohdan määrittäminen.
Makrot määrittävät valittujen puristimesta ottamiskohtien (TAKE) perusteella
automaattisesti aina seuraavan taivutuksen jättöä (LEAVE) varten tarttumiskohdan (kuvio
49). Kun tarttumiskohta on määritetty, kyseisen rivin eteen tulee siitä merkiksi G -kirjain.
59
KUVIO 49. Tuotteen työsekvenssin sisältämät tiedot.
Tuotteen paikoittaminen paikoitustelineeseen
Tuotteen telineessä paikoittamista varten täytyy tuotteesta valita paikoituksessa käytettävät
pinnat. Nämä pinnat ovat tuotteen telineen pystyputkia vasten tuleva pinta, telineen
alapalkkia vasten tuleva pinta ja telineen pystypalkkia vasten tuleva pinta.
Aihiopinon paikka ottolavalla
Aihiopinon paikka ottolavalla määritellään näyttämällä tuotteen pintaa, joka tulee lavaa
vasten. Tämän jälkeen näytetään lavan yläpintaa, jonka päälle aihiot asetetaan ja säädetään
tuotteen tarkka paikka ja asento. Tuotteen lavalta ottamisen asetuksiin kuuluu myös
aihiopinojen määrä ja aihioiden lukumäärä kutakin pinoa kohden.
Tuotteen paikka jättölavalla
Tuotteen paikan määrittäminen jättölavalle tapahtuu samalla tavalla kuin aihiopinon paikan
määrittäminen. Lavauksen asetuksissa määritellään myös lavauskuvio, pinojen määrä ja
aihioiden määrä pinoissa.
Työsekvenssin tarkistaminen tarttujan kanssa
Työsekvenssi tarkistetaan simulointimallissa ensin pelkän tarttujan kanssa ilman robottia.
Mahdolliset tarttumiskohtiin liittyvät ongelmat voidaan tässä vaiheessa havaita ja korjata
vielä helposti.
60
Kappaleen kääntö
Tuotteen kääntö voidaan tehdä puristimessa, telineessä tai muussa valitussa paikassa.
Käännettäviksi tuotteiksi voidaan valita tilanteen mukaan parilliset, parittomat tai kaikki
tuotteet.
Robotin liikeratojen tekeminen ja käsiajo
Robotille tehdään alustavat paikoituspisteet makron avulla, joka myös samalla simuloi
sekvenssin läpi tuotteen ja tarttujan kanssa. Sekvenssi käydään läpi seuraavaksi käsiajolla
piste kerrallaan, jossa on nyt mukana tuotteen lisäksi myös robotti. Paikoituspisteiden
asemaa, nopeutta ja liiketyyppiä jne. voidaan muuttaa tarpeen mukaan (kuvio 50).
KUVIO 50. Paikoituspisteiden sisältämän tiedon muuttaminen.
Työsekvenssin simulointi
Tässä vaiheessa simulointimallissa pitää olla virheettömän työsekvenssin perusteella tehdyt
robotin paikoituspisteet jokaiselle työvaiheelle. Simulointia varten luodaan GSL -kielinen
ohjelma automaattisesti makroa käyttäen. Simuloinnin ajaksi voidaan asettaa aktiiviseksi
erilaisia törmäystarkasteluita esimerkiksi robotin ja paikoitustelineen välille. GSL -kielisen
ohjelman pisteet luodaan niinsanottuja pistekuviotiedostoja käyttäen. Näihin tiedostoihin
määritellään pisteiden sisältämä tieto kuten liikenopeudet, paikka ja asento määrätystä
koordinaatistosta. Alla esimerkki pistekuviotiedostosta jolla luodaan ohjelmapisteet tuotteen
paikoitustelineestä ottamista varten.
1,100,STRAIGHT,0,-1,0,0,0,0,0,-1,0,0,via,50,--%'TELINEESTÄ OTTAMINEN,--%PULSE OT#(1),0,0,-30,0,0,0,localiser_tag
2,100,STRAIGHT,4,0,0,0,0,0,0,-1,0,0,take,10,-,--%WAIT IN#(1)=ON(LF)--%TIMER T=0.20,0,0,0,0,0,0,localiser_tag
3,100,STRAIGHT,0,-1,0,0,0,0,0,-1,0,0,via,375,-,--+open_machine(),100,-100,-20,0,0,0,localiser_tag
61
Robottiohjelman kääntäminen
Moitteettomasti toimiva ja simuloitu ohjelma käännetään robottiohjelmaksi automaattisesti
makroa käyttäen. Toiminto luo pääohjelman sekä aliohjelmat lavalta ottamiseen, lavaukseen
ja taivutuksiin. Kääntämiseen tarkoitetut makrot ovat alunperin tehty seitsemän akseliselle
robotille ja erilaista ohjelmointitapaa varten kuin mitä Mecanova:n Nivalan toimipisteessä
käytetään. Tämän vuoksi makroa joudutaan muokkaamaan, jotta robottiohjelman koodi
saadaan oikeaksi ilman työlästä jälkikäteen manuaalisesti tapahtuvaa muokkaamista.
Robottiohjelman siirtäminen robotille
Etäohjelmoinnin viimeisenä vaiheena on mallilla laaditun ohjelman siirtäminen robotille ja
sen testaaminen. Tässä tapauksessa ohjelmat siirrettiin robotille muistikorttia käyttäen, joka
onkin varsin sujuva ja varmatoiminen menetelmä ohjelmien siirtoon. Mahdolliset
robottiohjelman käännösvaiheessa tulleet syntaksivirheet tulevat ilmi viimeistään ohjelmaa
ladattaessa robotin ohjaimelle. Ohjaimen ilmoittamien virhekoodien perusteella mahdollisen
ongelman selvittämiseen tarvitaan vähintään virhekoodit selittävä manuaali eikä sekään aina
suoraan kerro missä vika piilee. Useastikin nopein ja helpoin keino syntaksivian
selvittämiseen on verrata viallista koodia robotilla opettamalla tehtyyn koodiin.
Syntaksivirheitä esiintyy yleensä etäohjelmoinnin käyttöönottovaiheessa, jolloin välttämättä
kaikki kääntäjän parametrit ja mahdolliset jälkikäsittelymakrot eivät ole vielä täysin
kunnossa. Virheet saadaan ilmaantumaan huolellisella ja kattavalla testauksella
käyttöönoton yhteydessä, jonka jälkeen kääntäjään tai jälkikäsittelymakroihin tehdään
tarvittavat muutokset vikojen eliminoimiseksi.
10.3 Testiajo tuotteella
Testituotteeksi valittiin kohtalaisen pienikokoinen tuotannossa oleva tuote. Näin ollen
tuotteelle oli helposti saatavissa kaikki testaukseen tarvittavat tiedot ja välineet.
Testiohjelman tekeminen suoritettiin Mecanovan tiloissa yhdessä yrityksen henkilön kanssa,
joten ohjelman tekeminen toimi samalla myös yhtenä käytönopastuskertana.
62
Ohjelman tekeminen aloitettiin tarttujan mallintamisella ja siihen tarvittavien määrityksien
tekemisellä. Tämän jälkeen muodostettiin tuotteen kinemaattinen malli tuotteen 2D ja 3D -
malleja käyttäen. Tarvittavien särmäysterien 3D -mallit muodostettiin makrojen avulla 2D -
geometrioista.
Seuraavana vaiheena oli varsinaisen robottiohjelman tekeminen, joka alkoi tuotteen lavalta
ottamisella ja päättyi särmäysvaiheiden jälkeen tuotteen jättölavalle laittamiseen. Tämän
jälkeen ohjelma simuloitiin läpi ja käännettiin robotille siirtoa varten robotille soveltuvaksi
jbi -koodiksi. Kääntäjässä olevien puutteiden vuoksi jbi -koodia jouduttiin vielä jälkikäteen
muokkaamaan manuaalisesti.
Ohjelmasta päätettiin jo tässä vaiheessa ajaa robotilla vain osa, joka alkaa telineestä
ottamisella ja päättyy ensimmäisen taivutuksen jälkeen tuotteen puristimesta ottamiseen.
Etäohjelmoinnilla aikaansaadun ohjelman suorittamista varten robottiin ja
särmäyspuristimeen tehtiin tarvittavat asetteiden vaihdot. Etänä tehty robottiohjelma
siirrettiin robotille, jonka jälkeen testaus voitiin suorittaa piste kerrallaan ajaen. Tuote
paikottui todella tarkasti puristimeen ja taivutus osui juuri haluttuun kohtaan. Taivutuksen
jälkeen tuotteen ottaminen puristimesta tapahtui myös tarkasti. Näin ollen paikoitustelineen
uusi kalibrointimenetelmä vaikuttaisi varsin tarkalta ja toimivalta.
Testauksen tuloksena voitiin todeta, että etäohjelmoinnin koko ketju toimii hyvin lukuun
ottamatta tiedossa olleita kääntäjän puutteita, jotka saadaan poistettua makroa
muokkaamalla.
63
11 ETÄOHJELMOINTIMALLIEN HYÖDYNTÄMINEN ROBOTTISOLUJEN
SIIRTOTYÖN YHTEYDESSÄ
Käyttöönottoprojektin toteutuksen aikana valmistui Mecanovan Nivalan yksikön
tuotantotilojen laajennus, jolloin robottisolut myös siirrettiin tuotantolaitoksen uuteen osaan.
Robottisolujen siirtoa suunniteltaessa selvitettiin erilaisia menetelmiä, joilla robottisolut
saataisiin mahdollisimman tarkasti paikoitettua toisiinsa nähden samaan asemaan, jossa ne
olivat ennen siirtoa. Samassa yhteydessä selvitettiin myös sitä, että miten
etäohjelmointimalleja voidaan hyödyntää, jos vanhassa paikassa tehtyjä robottiohjelmia
joudutaan siirtotyön jälkeen laajalti muokkaamaan uuteen paikkaan sopiviksi.
11.1 Robottisolujen siirtotyö
Muutamissa soluissa paikoitustelineen sijaintia muutettiin tarkoituksellisesti robottiin
nähden työalueen optimoimiseksi. Siirtotyö tapahtui yrityksen henkilöiden toimesta, joilla
on jo kokemusta useammasta vastaavasta siirrosta. Robottisolujen laitteiden asemat toisiinsa
nähden määritettiin tarkasti laseria ja mekaanisia kohdistimia käyttäen vanhassa paikassa
ennen irrotusta. Näiden määritysten avulla laitteet paikoitettiin ja kiinnitettiin siirron jälkeen
uuteen asemaan.
11.2 Siirrossa syntyneen poikkeaman analysointi
Robottisolujen laitteiden siirron jälkeistä asennustyön tarkkuutta toisiinsa nähden verrattuna
vanhaan paikkaan voitiin analysoida etäohjelmointimallien avulla. Tämä tapahtui
vertaamalla vanhassa paikassa robottisolujen mallien kalibrointia varten mitattuja pisteitä ja
geometrioita uudessa asemassa otettuihin vastaaviin mittauksiin. Saatujen tulosten
perusteella laitteet on saatu asennettua hyvin tarkasti vanhaa asemaa vastaaville paikoille.
Monitoimisolun osalta särmäyspuristin oli robottiin nähden X,Y,Z suunnissa
64
2,7 mm, 1,5 mm, 0,7 mm eri asemassa kuin vanhassa paikassaan. Kierreinserttien
asennuskone oli vastaavasti robottiin nähden 0,3 mm, 4,1 mm, 3,1 mm eri asemassa kuin
vanhassa paikassa. Siirron tapahduttua näin tarkasti, vanhassa paikassa tehdyt
robottiohjelmat saadaan käyttöön uudessa paikassa hyvin vähäisillä muutoksilla.
11.3 Siirrossa syntyneen poikkeaman ohjelmallinen korjaaminen
Mikäli siirtotyö olisi suoritettu huolimattomasti ja sen seurauksena laitteet olisivat siirtyneet
toisiinsa nähden reilusti, vanhojen robottiohjelmien käyttäminen uudessa paikassa vaatisi
ohjelmapisteiden läpikäymisen ja uudelleenopettamisen. Tämä pisteiden tarkastus ja
uudelleenopettaminen voitaisiin tehdä perinteiseen tyyliin robotilla tai käyttäen vanhassa ja
uudessa paikassa kalibroituja etäohjelmointimalleja.
Vanhassa paikassa tehty robottiohjelma ladataan uudessa paikassa kalibroituun
etäohjelmointimalliin. Mallissa robotin ohjelma jaetaan osiin ja osien ohjelmapisteet
kiinnitetään niihin laitteisiin joihin ne kulloinkin liittyvät, esimerkiksi tuotteen särmäykseen
vienti- ja hakuliikkeet kiinnitetään särmäyspuristimeen. Kiinnittämisen jälkeen
ohjelmapisteitä siirretään ryhminä muuton yhteydessä syntyneen asemointivirheen verran.
Asemointivirheen suuruus saadaan selville edellisissä kappaleissa kuvatulla menetelmällä.
Pisteiden siirtämisen jälkeen robottiohjelma voidaan ladata robotille ja suorittaa ohjelman
testaus.
65
12 JOHTOPÄÄTÖKSET
Suomessa etäohjelmointia käytetään särmäysrobottien ohjelmoinnissa todella vähän. Syitä
menetelmän hitaaseen yleistymiseen on varmastikin useita. Yhtenä yleistymistä hidastavana
tekijänä voidaan pitää ohjelmistojen varsin korkeaa hintaa. Suurille ja keskikokoisille
yrityksille hinta ei ole niinkään välttämättä etäohjelmoinnin käyttöönoton esteenä, mutta
pienille yrityksille se on ensimmäinen kompastuskivi. Etäohjelmoinnin käyttöönoton
kustannukset eivät rajoitu pelkän ohjelmiston hankintaan, vaan niitä muodostuu myös
mallin rakentamisesta, kalibroinnista, koulutuksesta ja mahdollisista sovelluskohtaisten
toimintojen tekemisestä. Kustannuksia aiheutuu myös tuotantokatkoksista laitteiden
mallinnuksien ja solun mallin kalibroinnin aikana. Käyttöönottoprojektissa mukana olevien
yrityksen henkilöiden osalta kustannuksia muodostuu käyttöönottoon sitoutuneesta
työajasta. Ohjelmiston käytönaikaisia kustannuksia puolestaan aiheuttaa ylläpito ja
mahdolliset päivitysmaksut.
Muita merkittäviä etäohjelmoinnin yleistymistä hidastavia tekijöitä ovat käyttöönoton
vaatima kohtalaisen pitkä aika ja erityisosaamisen tarve. Etäohjelmoinnin käyttöönottoa
voidaan osittain verrata toiminnanohjausjärjestelmän käyttöönottoon. Molemmat
käyttöönotot vaativat kohtalaisen paljon aikaa, ne toimivat osana laajempaa järjestelmää,
niiden käytöstä saavutettava hyöty tulee useiden tekijöiden summana pidemmällä
aikavälillä. Näiden ohjelmistojen käyttöönottoa ehkä parhaiten yhdistävä tekijä on se, että
ne lähes poikkeuksetta räätälöidään tarkoitukseen sopiviksi perusohjelmiston pohjalta. Tämä
ohjelmiston räätälöinti, lähtötietojen syöttäminen ja käytönopastus vaativat erityisosaamista,
jonka yritys yleensä joutuu ostamaan ohjelmiston toimittajalta tai muulta asianomaisen
palvelun tarjoajalta.
66
12.1 Etäohjelmoinnin käytöllä saatavia etuja
Etäohjelmoinnin käytöllä voidaan saavuttaa merkittäviä etuja robotisoidussa tuotannossa.
Siirryttäessä opettamalla tapahtuvasta robotin ohjelmoinnista etäohjelmointiin ensimmäinen
etu saavutetaan robotin käytettävyyden kasvun myötä. Opettamalla tapahtuva ohjelmointi
vähentää robotin käytettävyyttä, jolloin pienten sarjojen tekeminen robotilla ei välttämättä
ole enää kustannustehokasta. Etäohjelmoinnin käytön myötä yhä pienemmät sarjakoot
voivat tulla robotisoidussa tuotannossa kannattavaksi, koska robotin tuottavaa työaikaa ei
tarvitse käyttää ohjelmointiin. Tällöin nousevatkin seuraavana aseteaikojen pituudet
ratkaisevaksi tekijäksi tarkasteltaessa pienten sarjojen robotisoidun valmistamisen
kannattavuutta.
Etäohjelmoinnin integroiduttua osaksi yrityksen sähköistä suunnittelutietoa hyödyntävää
prosessia voidaan sillä helpottaa ja nopeuttaa uuden tuotteen sisäänajamista tuotantoon.
Tuotteen suunnitteluvaiheen aikana etäohjelmointimallia voidaan käyttää hyödyksi tuotteen
tuotannollisuuden kehittämisessä. Prototyyppi -vaiheessa olevalle tuotteelle voidaan mallilla
tehdä särmättävyystarkasteluita ja mahdollisiin ongelmakohtiin kyetään vielä vaikuttamaan
tai niihin osataan ainakin paremmin varautua. Tuotteen ollessa valmiina suunnittelun osalta
voidaan sille lähteä saman tien suunnittelemaan ja toteuttamaan särmäyksessä käytettäviä
tarttujia sekä varsinaista robottiohjelmaa.
Tuotannossa, jossa on useita robottisoluja, voidaan etäohjelmoinnilla helpottaa tuotannon
suunnittelua ja ennakointia. Etäohjelmointimalleilla voidaan uudelle tuotteelle valitun
robottisolun sopivuus tehtävään varmentaa ja tarvittaessa vielä vaihtaa huomattavasti
helpommin ja pienemmillä kustannuksilla kuin perinteisillä menetelmillä olisi mahdollista.
Etäohjelmointimallia käyttäen voidaan robotin tarvitsema työaika kappaletta kohden
määrittää tarkasti, mikä myöskin osaltaan helpottaa ja tarkentaa tuotannon suunnittelua.
12.2 Työn keskeisimpiä tuloksia
Työssä läpikäydyn projektin keskeisimpiä tuloksia on esitelty myös julkisesti Automaatio
2007 seminaaripäivillä Helsingissä (Kaarela, Pieskä, Savukoski, Uusitalo, 2007). Työn on
aihealueeltaan ajankohtainen siinäkin mielessä, koska Tekes valmistelee
teknologiaohjelmaa, jonka tavoitteena on parantaa yritysten kilpailukykyä nostamalla
67
tietotekniikan soveltamisen tasoa niiden tuoteprosessissa. Tekesin mukaan kehitystarve
koetaan ajankohtaiseksi, koska teollisuuden tuotekehitys- ja tuotantoprosessit ovat
verkostoituneet nopeasti ja uutta toimintamallia tukevien nykyaikaisten
tietojärjestelmäratkaisujen kehittäminen on jäänyt vain harvojen suuryritysten ja puhtaasti
uusia ratkaisuja toimittavien tahojen varaan. (Tekes, 2007.)
Työhön saatiin mukaan kattava läpileikkaus etäohjelmoinnin käyttöönoton vaiheista
robotisoidussa ohutlevyn särmäyksessä. Näin ollen työn sisältökin vastaa
tutkimusongelmaan varsin hyvin.
Etäohjelmointimenetelmää kehitettiin tuotteen kinemaattisen mallin muodostamisen osalta
nopeammaksi ja helppokäyttöisemmäksi. Kehitetyn menetelmän lähtökohtana pidettiin sitä
että se soveltuu yhteen yrityksellä käytössä olevan 3D -suunnitteluohjelmiston kanssa.
Mecanovan Nivalan tehtaan viimeisin tilojen laajennus valmistui käyttöönottoprojektin
aikana. Tähän uuteen osaan siirrettiin kaikki esiselvitysprojektien aikana mallinnetut ja
kalibroidut robottisärmäyssolut, jonka vuoksi ne täytyi kalibroida uudelleen uusiin
paikkoihinsa.
Siirtotyötä suunniteltaessa varauduttiin siihen, että robottien siirron jälkeen robottiohjelmia
joudutaan tarkastamaan ja muokkaamaan paljonkin jotta ne saadaan käyttöön uudessa
paikassa. Tätä robottiohjelmien käsittelytarvetta silmällä pitäen kehitettiin menetelmä, jossa
ohjelmien käsittely tehtäisiin robotin sijasta etäohjelmointimalleilla.
Uudelleenkalibroinnin yhteydessä kehitettiin myös kalibrointimenetelmää huomattavasti
tarkemmaksi koko särmäystapahtumaa ajatellen. Kalibroinnin tarkastuksen yhteydessä
käytettiin puolestaan ensimmäistä kertaa nivelvarsimittalaitetta, jolla tarkastustulos saatiin
aivan uudelle tasolle tarkkuuden ja tulosten analysoitavuuden suhteen.
Saatujen kokemusten perusteella etäohjelmoinnin käyttöönottoa ja käyttöä ei tule jättää
yrityksessä yhden henkilön harteille, vaan siihen tulee kouluttaa vähintään kaksi henkilöä.
Tämä edistää menetelmän oppimista, käyttöä ja kehittymistä. Yrityksen kannalta on myös
edullista että menetelmän hallitsevia käyttäjiä on enempi kuin yksi henkilö. Tällä turvataan
68
paremmin etäohjelmointiosaamisen säilyminen ja jatkuminen yrityksessä mahdollisista
henkilöiden tekemistä tehtävien tai työpaikan vaihdoista huolimatta.
Saatuja tuloksia voidaan pitää yleiskäyttöisinä kalibroitiin ja robottisolun siirtotyöhön
kehitettyjen menetelmien ja parannuksien osalta, joista saatuja kokemuksia ja tuloksia
voidaan hyödyntää muissakin sovelluskohteissa kuin pelkästään robottisärmäyksessä.
Särmäyssovelluksen osalta saatuja kokemuksia ja tuloksia ei voida pitää niinkään
yleiskäyttöisenä vaan ne ovat sidottuja kyseiseen sovellusympäristöön.
Tuloksia voidaan pitää luotettavina, koska ne ovat saatu käytännössä tapahtuneen
kehitystyön myötä ja ovat näin ollen myös käytännössä testattuja yhtä lukuun ottamatta.
Tämä yksi käytännössä testaamaton menetelmä on robottisolujen siirron yhteydessä
syntyneen asemointivirheen ohjelmallinen korjaaminen etäohjelmointimallia käyttäen.
Menetelmää ei sovellettu käytännössä, koska robottien uudelleen asennustyö onnistui niin
tarkasti, ettei ohjelmapisteiden asemia tarvinnut laajamittaisesti ryhtyä korjaamaan.
12.3 Jatkokehityssuunnitelmat
Etäohjelmointiohjelmiston toisen version särmäyssovellus toimii jo kohtalaisen jouhevasti
verrattuna ensimmäiseen versioon. Käyttöliittymää ja ohjelmiston kirjastorakennetta
muokkaamalla sovelluksesta saataisiin vielä helpommin toimiva työkalu. Robottiohjelman
kääntäminen GSL -koodista tapahtuu makron avulla, jonka toiminta on alun perin
suunniteltu tiettyä robotin ohjelmointityyliä tukevaksi. Tämä tyyli ei kuitenkaan vastaa
täysin Mecanovalla käytössä olevaa ohjelmointityyliä, jonka vuoksi kääntäjän tuottamaa
koodia joudutaan muokkaamaan käsin. Räätälöimällä kääntäjämakroa niin, että se tuottaa
käytössä olevan ohjelmointityylin mukaista robottiohjelmaa, vältytään tältä turhalta ja
hitaalta käsin tehtävältä robottiohjelman muokkaukselta.
Käyttöönoton kohteena olleen robotin etäohjelmoinnin ja yrityksessä jo käytössä olevan
särmäyspuristimen etäohjelmoinnin integrointia ja sen tuomaa etua ei tässä työssä tutkittu
työn rajauksesta johtuen. Tämä olisi kuitenkin tutkimisen arvoinen kohde, sillä
ohjelmistojen osittaisellakin integroimisella voitaisiin karsia pois joitakin päällekkäisiä
työvaiheita tuotteen ja särmäysterien mallinnuksen osalta.
69
Monitoimisolussa olevalle kierreinserttien asennuskoneelle tuotteen vienti- ja
hakuliikkeiden robottiohjelmapisteiden luontiin särmäysmakrot eivät tuoneet mukanaan
mitään automatisointia. Näiden pisteiden luonti tapahtuu etäohjelmoinnissa manuaalisesti
piste kerrallaan joka on näin tehtynä varsin hidasta työtä. Pisteiden nopeaan luontiin olisi
mahdollista rakentaa samaan tyylin makrot kuin särmäyspuristimellekin vienti- ja
hakuliikkeisiin on tehty.
70
13 YHTEENVETO
Työssä käytiin läpi etäohjelmoinnin käyttöönoton vaiheet yhden Mecanova Oy:n Nivalan
tehtaalla olevan robottisärmäyssolun osalta. Työn päällimmäisinä tavoitteina oli kuvata
graafisen etäohjelmoinnin käyttöönoton vaiheet, ratkaista käyttöönottoon liittyviä
ongelmakohtia sekä edelleen kehittää käyttöönoton menetelmiä ja varsinaista
särmäyssovellusta. Etäohjelmoinnin käyttöönotto toteutettiin käytännön tasolla Centria
Tutkimus ja kehityksen toteuttamassa kehitysprojektissa.
Mecanovalle suoritettua etäohjelmoinnin käyttöönottoa edelsi kaksi esiselvitysprojektia
joissa yritykselle mallinnettiin ja kalibroitiin yhteensä seitsemän robottisärmäyssolua.
Näiden projektien jälkeen yritys teki päätöksen etäohjelmoinnin käyttöönotosta ja hankki
ohjelmiston uusimman version käyttöönsä. Tämän jälkeen suoritettiin ohjelmiston ja uusien
makrojen asennus sekä annettiin käytönopastusta yrityksen etäohjelmointitehtävään
valitsemille kahdelle henkilölle.
Työn aikana ilmenneet käyttöönottoon liittyvät ongelmakohdat saatiin ratkaistua eikä
jäljelle jäänyt mitään ylitsepääsemättömiä esteitä etäohjelmoinnin tuotannolliselle käytölle.
Työssä kehitettiin käyttöönotossa sovellettavaa kalibrointimenetelmää tarkemmaksi ja
nopeammaksi. Varsinaista etäohjelmoinnin särmäyssovellusta kehitettiin
helppokäyttöisemmäksi tuotteen kinemaattisen mallin muodostamisen osalta. Samalla
tuotteen kinemaattisen mallin muodostaminen saatiin paremmin soveltuvaksi yrityksen
käyttämään suunnitteluohjelmistoon.
Työssä sovellettiin etäohjelmointia aivan uudella tavalla ja uudessa käyttökohteessa,
robottisolujen siirtotyön yhteydessä. Tälle uudelle sovelluskohteelle syntyi tarvetta, kun
yrityksen viimeisin tuotantotilojen laajennus valmistui käyttöönottoprojektin aikana ja
robottisolut siirrettiin näihin uusiin tiloihin.
71
Saatujen kokemusten perusteella voidaan yhteenvetona todeta, että etäohjelmointi on varsin
käyttökelpoinen työkalu robottisärmäyksen prosessissa, jossa sillä voidaan saavuttaa
merkittäviä etuja useissa eri vaiheissa. Tuotteen ollessa suunnitteluvaiheessa
etäohjelmointimallia voidaan käyttää hyödyksi tuotteen tuotannollisuuden kehittämisessä.
Tuotteelle voidaan mallilla tehdä särmättävyystarkasteluita ja havaittuihin ongelmakohtiin
kyetään vielä vaikuttamaan tai niihin osataan ainakin paremmin varautua. Tuotteen ollessa
valmiina suunnittelun osalta voidaan sille ryhtyä suunnittelemaan ja toteuttamaan
särmäyksessä käytettäviä tarttujia sekä varsinaista robottiohjelmaa. Tuotantovaiheessa
etäohjelmointimallia käyttäen pystytään robotin työaika kappaletta kohden määrittämään
tarkasti ennakkoon, mikä myöskin osaltaan helpottaa ja tarkentaa tuotannon suunnittelua.
72
LÄHTEET
Julkaistut lähteet
Alander, J., Niemi, K. (1987). Robottien ohjaus ja ohjelmointi. Espoo. Otakustantamo. Honkanen, V.-M., Sallinen, M., Pieskä, S., Kaarela, J. (2006). Quick and Easy Programming, Calibration and Remote Monitoring for Robot Work Cells. Publishing House of Poznan University of Technology. Kaarela, J., Pieskä, S., Savukoski, J., Uusitalo, P. (2007). Seminaarijulkaisu. Digitaaliseen tuoteprosessiin tähtäävän toimintamallin kehittämiskokemuksia. Automaatio 2007 seminaaripäivät. 27.-28.3.2007, Helsinki. Kuivanen, R. (toim.) (1999). Robotiikka. Vantaa. Talentum. Law, A., Kelton, D. (2000). Simulation modeling and analysis. Third Edition. Pieskä, S., Kaarela, J., Honkanen, V.-M. (2005a). Simulation Based Development of Production Cells. Publishing House of Poznan University of Technology. Pieskä, S., Kaarela, J., Rahja, T., Honkanen, V.-M., Viklund, A. (2005b). Seminaarijulkaisu Nopeutta robottisolujen kalibrointiin. Automaatio 2005 seminaaripäivät, 6.-8.9.2005, Helsinki. Pieskä, S., Sallinen, M., Honkanen, V.-M., Kaarela, J. (2006a). Robotic simulation and web-technology enable collaboration in digital manufacturing. Solid State Phenomena Vol. 113 (2006), Trans Tech Publications, Switzerland. Pieskä, S., Sallinen, M., Kaarela, J., Honkanen V-M., Sumi Y. (2004). Seminaarijulkaisu. Applying remote monitoring and control for rabid and safe changes in robotic production cells. International Conference on Machine Automation, November 2004, Osaka, Japan. Schraft, R., Meyer, C. (2006). Seminaarijulkaisu. The need for an intuitive teaching method for small and medium enterprises. ISR 2006 37th International Symposium on Robotics. May 15 – 17, 2006, Munich, Germany. Simpson, J., Weiner, E. (1989). The Oxford English Dictionary, 20 volume set, Second edition. Edited by Simpson John and Weiner Edmund.
73
Som, F. (2006). Seminaarijulkaisu. Innovative robot control offers more operator ergonomics and personnel safety. ISR 2006 37th International Symposium on Robotics. May 15 – 17, 2006, Munich, Germany. Sähköiset lähteet Aalto, H., Lylynoja, A. (2005). Robottien etäohjelmointiprojektin toteutus. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.delfoi.com/web/solutions/production/robotiikka/fi_FI/off-line/_files/73872456344209371/default/Robottien%20off-lineohjelmointiprojektin%20toteutus.pdf. Luettu 1.2.2007 Delmia. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.delmia.com/gallery/pdf/DELMIA_IGRIP.pdf. Luettu 29.12.2006 Faro. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.faro.com/content.aspx?ct=us&content=pro. Luettu 14.4.2007
Hiltunen, E. Luentomoniste. Robottitekniikasta hitsauksessa. WWW-dokumentti.
Saatavissa: http://www2.lut.fi/~hiltunen/virthitslu03.pdf. Luettu 4.5.2007
IFR. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.worldrobotics-online.org/downloads/2006_Executive_Summary(1).pdf. Luettu 3.1.2007 IGRIP. (2002). CD-ROM. IGRIP Online Documentation. Delmia Kara, D. (2006). WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.robonexus.com/roboticsmarket.htm. Luettu 12.4.2007 Mecanova Oy. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.mecanova.com. Luettu 22.12.2006 Motoman Robotics Finland Oy. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.motoman.fi. Luettu 19.2.2007 OSHA. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.osha.gov/dts/osta/otm/otm_iv/otm_iv_4.html. Luettu 23.02.2007 Suomen Robotiikkayhdistys. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.roboyhd.fi/tilastot/Teollisuusrobottitilasto_2005.pdf. Luettu 25.12.2006 Tekes. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://akseli.tekes.fi/opencms/opencms/OhjelmaPortaali/ohjelmat/Digitaalinen_tuoteprosessi/fi/etusivu.html. Luettu 8.5.2007
74
Julkaisemattomat lähteet Honkanen, V.-M. (2005). Seminaariesitys. Quick and Easy Programming, Calibration and Remote Monitoring for Robot Work Cells. 2 nd International Conference “Virtual Desing and Automation 28-29.11.2005, Poznan. Kukkola, A. (2005). AMK -opinnäytetyö. Robottisolujen kehittäminen. Ylivieska. Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoulu. Kröger, J., Koivuniemi, M. (2002). AMK -opinnäytetyö. Robottisimulointiohjelmiston soveltuvuus robottisärmäyssoluun. Ylivieska. Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoulu. Lylynoja, A. (1996).Diplomityö. Etäohjatun ja –ohjelmoidun robottisolun kalibrointi. Tampere. Tampereen teknillinen korkeakoulu. Mattila, J. (2006). AMK -opinnäytetyö. Sähköiseen tuotantoon soveltuvien simulointiohjelmistojen analysointi. Ylivieska. Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoulu. Moilanen, N. (2003). Diplomityö. Robottihitsausjärjestelmän suunnittelu ja etäohjelmoinnin pilotointi raskaita teräsrakenteita valmistavalle konepajalle. Pori. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Pieskä, S. (2006b). Seminaariesitys. Digitaalinen tuotanto ja RFID sekä muita RF-tekniikan sovelluskohteita. RFM-seminaari 7.-8.9.2006 Akustiikka, Ylivieska Pieskä, S. (2006c). Luentomoniste. Tehdassimulointikurssi. Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoulu. Ylivieska. Viklund, A. (1999). Diplomityö. Suomenkielinen käyttöliittymä hitsausrobotin etäohjelmointijärjestelmään. Tampere. Tampereen teknillinen korkeakoulu.