Hitsauksen automatisointimahdollisuuksien huomiointi

Transkriptio

1 Hitsauksen automatisointimahdollisuuksien huomiointi Esa Hiltunen Lappeenrannan teknillinen yliopisto Konetekniikan osasto 1

2 Hitsauksen automatisoinnin vaikutukset Automatisoinnin ja robotisoinnin ensisijainen tavoite tuottavuuden parantaminen Lisäetuja parempi työergonomia tasaisempi laatu tehokkaampien hitsausprosessien käyttömahdollisuus Automatisointitason valinta tuotantomäärät tuotteet 2

3 Mekanisointitaso / tuottavuus Mekanisointitaso / kustannus/kpl TUOTTAVUUS Erikoisautomaatit Ohjelmoitavat automaatit Hitsausrobotit KUSTANNUS / KPL KÄSINHITSAUS Mekanisoitu hitsaus MEKANISOITU HITSAUS Käsinhitsaus ROBOTTIHITSAUS JOUSTAVUUS SARJASUURUUS 3

4 Tuotteiden ja tuotannon analysointi Kun päätetään siirtyä automatisoituun hitsaukseen, esimerkiksi uuden tuotteen tai tuotannon kasvamisen myötä, analysoidaan nykyistä ja tulevaa tuotantoa ja vertaillaan erityyppisten järjestelmien soveltuvuutta uusien tuotteiden valmistukseen Huomioidaan mm. tuotteet ja tuotantomäärät oletettu elinkaari toimitussopimusten pituus, tuotevalikoima ja -variaatiot mahdolliset tuotteen rakenteen muutokset hitsattavien tuotteiden määrä, hitsimäärä total hitsien monimutkaisuus tuotteiden panostus tuotekohtaisen tuotannon tahtiaika 4

5 Automatisointikonseptin valinta lähtökohta: riittävästi automatisoidusti hitsattavia tuotteita yksinkertaiset tuotteet yksinkertaisella mekanisoinnilla konseptin valintaa varten selvitettävä mekanisoidusti hitsattavat tuotteet robottihitsattavat tuotteet hitsityypit ja hitsimäärät 5

6 Hitsien geometriatyypit 1. Suorat hitsit yhdessä tasossa ja yhdessä suunnassa 2. Suorat hitsit useassa tasossa ja useassa suunnassa 3. Suorat ja pyörähdyssymmetriset hitsit useassa tasossa ja suunnassa, työkappaletta voidaan pyörittää 4. Suorat ja pyörähdyssymmetriset hitsit useassa tasossa ja suunnassa, työkappaletta ei voi pyörittää 5. Hitsit käyriä yhdessä tasossa 6. Hitsit avaruuskäyriä 6

7 YRITYS OY Kotelon takaosa Hitsin Hitsityyppi Hitsin pituus Hitsin Lisäaine Hitsin paino Hitsaus- No. a-mitta V II V II tilav. kg V II aika 1 6 X ,15 0,15 0, X ,21 0,21 0, X ,21 0,21 0, X ,29 0,29 0, X ,10 0,10 0, X ,06 0,06 0, X ,02 0,02 0, X ,22 0,22 0, X ,07 0, X ,11 0,11 0, X ,11 0,11 0, X ,51 0, X ,16 0,16 0, X ,04 0,04 0, X ,15 1,15 0, X ,77 0,77 0, X ,92 0,92 0, X ,14 1,14 0, X ,78 0,78 0, X ,90 0,90 0, X ,90 0,90 0, X ,44 0,44 0, X ,90 0,90 0, X ,87 0,87 0, X ,15 0, X ,38 0,38 0, X ,54 0,54 0,16 Yhteensä ,10 10,25 0,89 0,96 3,25 Osuus % 84,4 5,0 10,6 84,7 7,4 7,9 Ei rob. 0,9 Kaariaikasuhde robotilla 50 % Hitsiaineentuotto 7 kg/h Kokonaisaika 4,15 h 7

8 Automatisointikonseptin valinta Robotisoidaan tuotteet, joissa paljon hitsejä moneen suuntaan hitsit lyhyitä tai lyhyehköjä hitsattavat pinnat kaarevia Runsaasti pituushitsejä sisältävien tuotteiden hitsaukseen yksinkertaiset apu- ja käsittelylaitteet Työkappaleiden monimutkaistuessa käsittelylaitteiden vapausasteiden määrää kasvatettava Tuotteet robottiaseman fyysinen koko Hitsausaika käsittelylaitetarve Ulkoisten liikeakseleiden lukumäärä ja liikepituudet Käsittelylaitteiden lukumäärä ja kapasiteetit 8

9 Automatisointikonseptin valinta Robottihitsauksen tuottavuusedut parhaimmillaan keskisuuret sarjat suuret sarjat etäohjelmointi ja makro-ohjelmointi madaltaneet sarjakoon kynnystä Tuotannon kehittäminen koskettaa koko tuotantoketjua osavalmistukselle uudet vaatimukset Menetelmäsuunnittelussa ei tule tavoitetasoksi asettaa ihmistyövoiman käyttötapaa ja suorituskykyä Robottien liikenopeudessa huomattavaa lisäpotentiaalia väliliikkeet hitsausnopeudet (1 2 m/min) 9

10 Tuotteen suunnittelussa huomioonotettavia tekijöitä Suunnittelijalla oltava selkeä ja totuudenmukainen tietämys käytettävissä olevista tuotantokoneista ja niiden mahdollisuuksista osanvalmistus (leikkaus, särmäys, osakokoonpanohitsaus, ) tarkkuudet loppukokoonpanohitsaus robotilla robotin ulottuvuus, aseman kapasiteetti, pöytien pyörähdyshalkaisijat railonhaun ja seurannan periaate ja käytön edellytykset detaljisuunnittelu Lähtökohta : mahdollisimman vähän liitettäviä osia 10

11 Standardointi ja modulointi Erilaisten toimintojen, nimikkeiden, osien jne. lukumäärän vähentäminen kokonaiskustannusten alentaminen Käytetään, kun sarjakoon pienuus rajoittaa automatisoinnin kannattavuutta Tuotantolaiteinvestointien takaisinmaksu edellyttää suuria sarjakokoja Kun sarjakoko ei yksittäisellä tuotteella nouse riittävän suureksi => standardointi ja modulointi 11

12 Tuote jaetaan sopiviksi toiminnallisiksi ja fyysisiksi kokonaisuuksiksi eli moduuleiksi Moduuli soveltuu moniin tuotteisiin tai useaan kohtaan samaa tuotetta sama korvake ajovalojen ripustuksessa ja astinlaudan kiinnityksessä Tuotteissa lisäksi tuotekohtaisia osia, jotka spesifioivat eri tuotevariaatiot Standardoinnin ja moduloinnin tulos: tuoteperheet, tuoteosaperheet moduuliosat 12

13 Tuoteperheen kappaleiden ja moduuliosien valmistukseen on järkevää ja taloudellista organisoida omia tehokkaita valmistussoluja ja kehittyneitä valmistusjärjestelmiä kappaleet samanmuotoisia käsittävät samoja valmistusvaiheita valmistusmäärä suuri Robottihitsausasema FM-järjestelmä 13

14 Standardointi ja modulointi ulotettava robottihitsauksessa levynpaksuuksiin liitosmuotoihin railogeometrioihin a-mittoihin hitsausparametreihin hitsausaliohjelmiin ja makroihin 14

15 Esikäsittely ja osanvalmistus selkeytyy ja nopeutuu Materiaalihukka minimoituu Erilaisten hitsien määrä vähenee 15

16 Kun erilaisten hitsien määrä vähenee, niin parametrikokeiden määrä vähenee ja parametritaulukoiden lukumäärä helpommin hallittavissa hitsauskiinnittimien lukumäärä vähenee osakokoonpanojen standardoinnilla voidaan etukäteen varmistua railojen luoksepäästävyydestä ja railonhaun onnistumisesta ohjelmointi nopeutuu 16

17 Hitsausasennon vaikutus hitsausaikaan v pystypiena f alapiena d jalkopiena 17

18 Liitos- ja railomuodot robottihitsauksessa Suosittava pienaliitoksia ilman läpihitsausvaatimusta sisältävät itsessään eräänlaisen juurituen osien sovittaminen ja asemoiminen toistensa suhteen helppoa eikä railo vaadi suurta tarkkuutta lisäainelangan kohdistusvaatimus vain n. 1/5 päittäisliitoksesta railotilavuus pysyy hallinnassa (avoin railogeometria sallii pienet a-mitan vaihtelut) 18

19 Liitos- ja railomuodot robottihitsauksessa ilmaraon vaihtelu ei kovin radikaalisti vaikuta a-mittaan minimivaatimus levyn reunassa pienan korkeuden päälle 3 4 mm reunan sulaminen ja hitsin valuminen vaaputukseen perustuva railonseuranta kaikista hitseistä jopa n. 80% on pienahitsejä 19

20 reunan sulaminen ja hitsin valuminen vaaputukseen perustuva railonseuranta 20

21 Päittäisliitos pyrittävä konstruktiomuutoksin muuttamaan pienaliitos päällekkäisliitos juurituellinen päittäisliitos Mekanisoidussa, automatisoidussa ja robotisoidussa hitsauksessa yhdeltä puolelta läpihitsattava juuritueton päittäisliitos (BWssnb) on lähes mahdoton saada luotettavasti hyvällä laadulla hitsattua 21

22 Robottihitsattavuuden parantaminen konstruktiomuutoksin a) alkuperäinen päittäisliitos b) rakenne muotoiltu juuritueksi c) päittäisliitos muutettu pienaliitokseksi 22

23 Päittäisliitoksen hallitseminen a) erillinen juurituki b) pohjapalon hitsaus käsin c) liitoksen muotoilu (ei läpihitsausvaatimusta) Mig/mag-hitsauksen korvaaminen tig- tai plasmahitsauksella tai pohjapalko tig/plasma ja täyttöpalko mig 23

24 Itsepaikoittava liitos Asemoi liitospinnat tarkasti toistensa suhteen toimien samalla juuritukena hitsaus helpottuu (railotilavuus hallinnassa) silloituksesta voidaan useissa tapauksissa luopua kiinnitinkonstruktio yksinkertaistuu ja halpenee Laserleikkauksen mahdollisuudet! 24

25 Nastat / Itsepaikoittavat liitokset 25

26 Päällekkäisliitos kuten pienaliitos ei läpipalamisvaaraa eikä suurta tarkkuusvaatimusta railolle railonhaun ja seurannan vaatimus ylemmälle levylle min. 2,5 mm Varoitus! Väsyttävä kuormitus Korroosioaltis ympäristö Liitosmuotojen soveltuvuus railonseurantaa hyödyntävään robottihitsaukseen 26

27 Laipoitettu liitos ohutlevykonstruktiot 27

28 Nurkkaliitos esteettisesti kauniin ulkonäkönsä ansiosta suosittuja väärin mitoitettuna vaikeasti robottihitsattavissa läpipalamisvaara vaatii tarkkaa railonsovitusta ja osien asemointia pyrittävä konstruoimaan pienaliitoksiksi Nurkkaliitoksen robottihitsattavuuden parantaminen a) läpipalamisaltis ja suurta tarkkuutta vaativa nurkkaliitos b) sovitustarkkuus pienenee c) nurkkaliitos pienaliitokseksi, jolloin läpipalaminen estetty ja osanvalmistustoleranssi ei vaikuta hitsattavuuteen 28

29 Katkohitsi/jatkuva hitsi Katkohitsien käytöllä pyritään pituussuuntaisten muodonmuutosten (kaareutuminen) vähentämiseen Suositeltava tapa pienillä a-mitoilla (< 3 mm) Jatkuvan hitsin korvaaminen a- mitaltaan puolet suuremmalla katkohitsillä kaksinkertaistaa sulatettavan lisäainemäärän kaksinkertainen hitsausaika Suuri aloitusten ja lopetusten lukumäärä robottihitsauksen häiriöriski moninkertaistuu 29

30 Railojen luoksepäästävyys Robottihitsattavan tuotteen suunnittelussa tärkeää varmistaa, että hitsattava railo on hitsauspolttimen ulottuvilla Kaikkia hitsejä ei aina voi hitsata, varsinkaan optimaalisella poltinorientaatiolla (esim. kotelomaisten kappaleiden sisäpuolisten hitsien aloitukset ja lopetukset) Konstruktiomuutokset Osa hitseistä käsin Sisäpuolisten hitsien korvaaminen yhdeltä puolelta juuritukea vasten Rakenteen jakaminen osakokoonpanoihin hitsaus useassa eri vaiheessa 30

31 Railon luoksepäästävyyden parantaminen 31

32 Sisänurkan hitsaus Nurkkaan helposti liitosvirhe, kun uusi palko aloitetaan vanhan päältä Nurkan uudelleenkonstruointi a) varauksella b) nurkan loveaminen c) nurkan hitsaus jo silloitusvaiheessa d) nurkan pyöristäminen Siltahitsejä ei koskaan nurkkiin! 32

33 Luoksepäästävyys Robotin nivelten vaatima tila ja mahtuminen hitsattavan kappaleen sisään robotin työalueen ja polttimen ulottuvuusarviointi apuvälineenä polttimen vaatiman tilan kaaviokuva ja/tai polttimen malli ei tietoa nivelten asennosta ja törmäystarkasteluja ei voi tehdä Varmin tae hyvästä luoksepäästävyydestä ovat yksinkertaiset liitosmuodot ja avoimet rakenteet 33

34 Graafinen simulointi luoksepäästävyys ja polttimen törmäystarkastelut luotettavimmin graafisella simuloinnilla 34