robotin etÄohjelmoinnin kÄyttÖÖnoton vaiheet ... · 1 1 johdanto etäohjelmoinnin...

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
Vuos
ttain. (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 ohjelmistoja 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 [R
Työkalu [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

http://www.delfoi.com/web/solutions/production/robotiikka/fi_FI/off-line/_files/73872456344209371/default/Robottien off-lineohjelmointiprojektin toteutus.pdf



http://www.delmia.com/gallery/pdf/DELMIA_IGRIP.pdf

http://www.faro.com/content.aspx?ct=us&content=pro

http://www2.lut.fi/~hiltunen/virthitslu03.pdf

http://www.worldrobotics-online.org/downloads/2006_Executive_Summary(1).pdf

http://www.robonexus.com/roboticsmarket.htm

http://www.mecanova.com/

http://www.motoman.fi/

http://www.osha.gov/dts/osta/otm/otm_iv/otm_iv_4.html. Luettu 23.02.2007

http://www.roboyhd.fi/tilastot/Teollisuusrobottitilasto_2005.pdf

http://akseli.tekes.fi/opencms/opencms/OhjelmaPortaali/ohjelmat/Digitaalinen_tuoteprosessi/fi/etusivu.html

http://akseli.tekes.fi/opencms/opencms/OhjelmaPortaali/ohjelmat/Digitaalinen_tuoteprosessi/fi/etusivu.html

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.

robotin etÄohjelmoinnin kÄyttÖÖnoton vaiheet ... · 1 1 johdanto etäohjelmoinnin...

Documents