Aalto-yliopisto Insinööritieteiden korkeakoulu Kon Tuotantoautomaatio. Kokoonpanon robotisoinnit

Transkriptio

1 Aalto-yliopisto Insinööritieteiden korkeakoulu Kon Tuotantoautomaatio Kokoonpanon robotisoinnit Ville Pyötsiä 69572R Linus Teir 66695F Jesse Wickström Sebastian Sigfrids

2 Sisällysluettelo 1 Johdanto Yleistä roboteista Robottityypit Karteesinen robotti Kiertymänivelinen robotti Napakoordinaatistorobotti Nivelvarsirobotti Rinnakkaisrakenteinen robotti Suorakulmainen robotti Sylinterirobotti Robotin etuja ja haittoja Robottien ja muiden kokoonpantavien tuotteiden suunnittelu Kokoonpanorobotit Määritelmät ja tyypit PUMA SCARA Kaksikätiset robotit Soveltuvuus ja käyttökohteet Sarjakoko ja vaihtelevuus Kokoonpanon soveltuvuus Konenäkö Liittämistä mahdollistavat lisäosat Tavallisimmat käyttökohteet Kokoonpanon robotisoinnin hyödyt Robotisointi manuaalisen kokoonpanon rationalisoivana ratkaisuna

3 3.3.2 Robotisoinnin vaikutus kokoonpanon lopputulokseen Muut hyödyt Robotin valinta Kustannukset Investointikustannukset Käyttökustannukset Säästöt Case: Fanuc-yhteiskäyttörobotti kokoonpanovalmistuksessa Tutkimus Osien syöttö Kokoonpanoasema Turvallisuushallinta Tulokset ja pohdinnat Yhteenveto Lähdeluettelo

4 1 Johdanto Tämän harjoitustyön päätavoite on esittää kokoonpanon robotisoinnin yleisemmällä tavalla. Tuotannossa robotisoinnin hankkiminen tarkoittaa kustannusten pienentäminen. Robotisoinnin hankkiminen on monivaiheinen prosessi ja sen maksaminen on melko kallista, mutta jos mietitään pitkällä tähtäimellä niin investointi maksaa itsensä pian takaisin. Kun robotisointi on hankittu tehtaalle, sillä saavutetaan suuria etuja vs. manuaaliseen käsin kokoonpano. Tarkoituksena tässä työssä hiukan tutustua yleisesti robotisointiin ja erityisesti kokoonpanon robotisointiin mukaan ottaen robotteja, jotka käytetään kokoonpanossa. On todettu robotisoinnista saadaan suuri apu, koska sillä yleensä korvataan esim. raskaat tehtävät, johon tavallinen ihminen ei kykene, ja myös vaaralliset tehtävät suorittavat. Robotit eivät tarvitse taukoja, voivat olla 24/7 ympäri vuoden pyhäpäivinäkin. Robotisoidut työpisteet ovat säästöä yritykselle ajan ja rahan suhteen. Myös henkilökunnalle on vähemmän tarvetta, työvoimaa voi käyttää esim. muihin tärkeimpiin työtehtäviin. Robotisoinnit otetaan käyttöön sekä pienimpiin että suuriin yritykseen tarpeen mukaan, mutta ensisijaisesti suunnattu suuriin yrityksiin, joissa tuotantomäärä on suuri. 3

5 2 Yleistä roboteista Yleisen standardi-määritelmän mukaan teollisuusrobotti on toiminnaltaan automaattinen, uudelleen ohjelmoitavissa oleva, haluttuja esineitä ja työkaluja kuljettava ja käsittelevä monitoimilaite. Robotti voi olla joko kiinteästi paikalleen asennettu tai liikuteltavissa kulloinkin tarpeellisen paikan ja tehtävän mukaan. /1/ Robotit ovat ruvenneet yhä enemmän korvaamaan ihmisen monilla teollisuuden aloilla varsinkin 2000-luvulla. Tämä on ollut mahdollista nopean automaatioteknologian ansiosta. Etenkin vaarallisissa ja yksitoikkoisissa tehtävissä robotit ovat osoittautuneet oivallisiksi apuvälineiksi, ja vielä lisäksi ne ovat käyttövarmoja, luotettavia ja tehokkaita. /1/ 2.1 Robottityypit Robotit voidaan lajitella pieniin, keskikokoisiin ja suuriin teollisuusrobotteihin. Pienien ja keskikokoisten robottien käyttökohteina ovat useimmiten hitsaus- ja maalaustyöt ja erilaisten pienkappaleiden siirtelyt ja muut käsittelyt. Suuria teollisuusrobotteja puolestaan käytetään kokoonpano- ja koneistustehtävissä, laivauksissa, logistiikassa sekä leikkaus- ja pakkaustehtävissä. Yleisimmät robottityypit ovat: karteesinen robotti, kiertymänivelinen robotti, napakoordinaatistorobotti, nivelvarsirobotti, rinnakkaisrakenteinen robotti, suorakulmainen robotti ja sylinterirobotti. /2/ Karteesinen robotti Karteesinen robotti on portaalirobottia muistuttava, mutta vain toiselta puolelta tuettu suorakulmainen robotti. Se on kuormankantokyvyltään portaalirobottia heikompi, pienten esineiden nosteluun ja kokoonpanotehtäviin kehitetty eräänlainen portaalirobotin muunnos. Useamman tukijalan puutteen takia karteesinen robotti ei kestä samanlaisia kuormia kuin portaalirobotti, vaikka sen liikkeet ovat portaalirobotin tapaan suorakulmaisia. /2/ 4

6 Kuva 1: Karteesinen robotti /6/ Kiertymänivelinen robotti Yleisin teollisuusrobottityyppi on kiertymänivelinen robotti, jonka yleensä neljästä kuuteen vapausastetta ovat kiertyviä. Tämän robottityypin kantokyky on pieni, mutta sitä vastoin sen ulottuvuus on suuri pallonmuotoisen työalueensa takia. /2/ Kuva 2: Kiertymänivelinen robotti /7/ 5

7 2.1.3 Napakoordinaatistorobotti Erona sylinterirobottiin napakoordinaatistorobotin työalue on pallomainen. Tämä johtuu siitä, että siinä on kaksi robotin akselia korvattu kiertyvillä nivelillä, joista vain yksi liikkuu lineaarisesti. On esitetty, että napakoordinaatistorobotti olisi muita robotteja monipuolisempi, koska sen tarvitsema työtila on pyöreä eli vähiten tilaa vievä. /2/ Kuva 3: Sylinterirobotti (vas) ja napakoordinaatistorobotti /8/ Nivelvarsirobotti Monimutkaisiin tehtäviin ja esineiden työstämiseen on kehitetty nivelvarsirobotti, jossa voi olla jopa kuusi vapausastetta. Elintarviketeollisuus käyttää tätä robottityyppiä esimerkiksi yksittäisten pakkausten kasaamisessa ja siirtelyssä ja muissa mutkikkaissa sovellutuksissa. Nivelvarsirobotista on kehitetty myös raskaiden tehtävien ns. Godz-versio, joka kykenee käsittelemään muun muassa konepaletteja, työstökoneiden runkokappaleita ja jopa valuja. /2/ Kuva 4: Nivelvarsirobotti /9/ 6

8 2.1.5 Rinnakkaisrakenteinen robotti Suurta kantokykyä ja työstökäsivarren jäykkyyttä vaativiin tehtäviin on rakennettu rinnakkaisrakenteinen robotti. Siinä rakenteessa kulmikkaat tai pyöreät tukiakselit ovat rinnakkain, kun ne muissa versioissa yleensä ovat peräkkäin. Rinnakkaisrakenteiset robotit ovat kestäviä, tarkkoja ja toimivat pienellä toiminta-alalla. /2/ Kuva 5: Rinnakkaisrakenteinen robotti /9/ Suorakulmainen robotti Suorakulmaisella robotilla tarkoitetaan kulmistaan tuettua robottia, jonka kiskoilla tapahtuvat liikkeet ovat lineaarisesti kolmella ensimmäisellä vapausasteella. Tällainen on esimerkiksi ison kuormauskyvyn omaava portaalirobotti. Tätä ei tule kuitenkaan sekoittaa sitä heikompaan, mutta nopeatehoiseen ja kokoonpanoissa yleisesti käytettyyn ihmisen käsivartta muistuttavaan, kolmella kiertyvällä nivelellä toimivaan ja yhdensuuntaisella työvarrella varustettuun Scara-robottiin. Scara = (Selective Compliance Assembly Robot Arm) /2/ Kuva 6: Suorakulmaisen robotin toimintamalli /9/ 7

9 2.1.7 Sylinterirobotti Kun robottiin asennetaan ensimmäiseksi vyötäröniveleksi kiertyvä nivel, saadaan hiukan suorakulmaista robottia muistuttava sylinterikoordinaatistolla varustettu sylinterirobotti. Tällä robottityypillä on yhden kiertymän lisäksi kaksi lineaarisesti liikkuvaa niveltä. Sylinteriroboteilla ylletään kapeisiin ja syviinkin onkaloihin ilman reunatörmäyksiä. Sen takia ne soveltuvat muun muassa elintarviketeollisuuden moninaiseen käyttöön. /2/ Kuva 7: Sylinterirobotin toimintamalli /9/ 8

10 2.2 Robotin etuja ja haittoja Robotti on ihmistä nopeampi ja sen työnlaatu on tasaisempaa robotille hyvin soveltuvissa työtehtävissä. Robotin etuja ovat myös niiden suhteellisen pienet investointikulut ja väsymättömyys pitkiinkin työsuorituksiin, joiden liikesuorituksissa ihmisen lihaksisto ja luusto joutuvat koetukselle. Näiden syiden takia robotti on oivallinen käyttöväline useimpiin tuotantotehtäviin. Lyhyitä huoltoseisokkeja lukuun ottamatta robotti soveltuu hyvin ympärivuorokautiseen työhön, eikä se tarvitse kahvi-, ruoka- tai tupakkataukoja eikä vapaapäiviä. Osa roboteista kykenee jo itsenäiseen työskentelyyn pitkiäkin aikoja ilman ihmisen valvontaa, mutta useimpia robotteja valvotaan säännöllisesti - ainakin toistaiseksi. Robotin heikkoutena voidaan pitää sitä, että sillä ei ole harkintakykyä ongelmatilanteissa. Voi hyvin sattua, että robotin jokin liikkuva osa törmää sen liikeradalle tulleeseen vieraaseen esineeseen tai sen ohjelmassa voi olla tai siihen voi tulla vähäinenkin virhe vaikkapa sähkökatkoksesta. Silloin robotti toimii väärin. Se alkaa valmistaa virheellisiä osia, ellei sitä ole ohjelmoitu vastaavissa tilanteissa pysähtymään. Tietenkin robotit maksavat paljon, mutta hintoja pitää verrata työntekijöiden palkkaja muihin kustannuksiin. /3/ Robottien ja muiden kokoonpantavien tuotteiden suunnittelu Hyvällä ennakkosuunnittelulla ja tuotekehitysprojektilla saadaan paras mahdollinen tulos niin tuotteelle kuin sille muodostuvalle lopulliselle hinnalle. Sen takia jo ennakkoon on tärkeätä selvittää, pitääkö tuote koota käsin vai voiko sen kokoonpanoa automatisoida. Kokoonpanoprosessissahan erilaiset komponentit yhdistetään yhdeksi toimivaksi tuotteeksi. Englannin kielessä käytetään termiä Design For Assembly eli DFA. Tämä termi tarkoittaa sitä, että kun halutaan minimoida tuotteen kaikkia valmistuskustannuksia, sen kokoonpanoaikaa on lyhennettävä ja yksinkertaistettava. Nykyään on jo saatavilla tällaisia toimivia valmiita DFAmenetelmiä käyttäviä sunnitteluohjelmistoja. Jos DFA-perusteita käytetään, on suunnittelussa hyvä hyödyntää heti alusta pitäen ohjelman monia erityisominaisuuksia, jotka helpottavat ja yksinkertaistavat kokoonpanoa. Toinen englannin kielen termi Dedsign For Automated Assembly eli DFAA tarkoittaa puolestaan sitä, kun kokoonpanossa on mahdollista käyttää robottia. Tällä tarkoitetaan, että automaatio tekee ainakin osan, ellei kaiken tuotteen kokoonpanotyöstä. /4/ /5/ 9

11 3 Kokoonpanorobotit Robottien käyttö kokoonpanosovelluksissa ei ole yhtä yleistä kuin niiden käyttö hitsauksessa, maalauksessa tai materiaalinhallinnassa. Soveltuvuuksia löytyy kuitenkin, ja elektroniikkakokoonpanoissa ne ovatkin laajalti käytettyjä./10/ Kilpailukyvyn säilyttämiseen vaadittava kokoonpanon joustavuus ja tehokkuus tarjoaa ison haasteen monelle yritykselle. Robotisointi voi tarjota kokoonpanojen toistettavuuden ja tarkkuuden parantamista, läpimenoaikojen lyhennystä, jäljitettävyyttä sekä kokoonpano työntekijöiden ergonomian kohennusta./11/ Tässä kappaleessa käydään läpi kokoonpanorobottien määritelmiä ja tyyppejä, käyttökohteita ja soveltuvuutta, hyötyjä, käyttötarpeeseen soveltuvan robotin valinta sekä kustannuksia. 3.1 Määritelmät ja tyypit Kokoonpanorobotit ovat osa teollisuusrobotteja, joita SFS-EN ISO standardi määrittelee automaattisesti ohjatuiksi ja uudelleen ohjelmoitaviksi monikäyttöisiksi käsittelylaitteiksi. Ne ovat kiinteästi asennettuja tai liikkuvia ja niiden akseleista vähintään kolme ovat ohjelmoitavissa. Teollisuusrobotteihin sisältyy myös standardin mukaan käsittelylaitteet, ohjauslaitteet sekä mahdolliset lisäakselit. Standardissa myös käsin ohjattavat robotit, liikkuvien robottien käsittelyosuudet sekä yhteistoimintarobotit määritellään teollisuusroboteiksi. /12/ PUMA PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly) on ensimmäinen teollisuudessa käytetty eri sensorein, kuten konenäöllä, varustettu robotti. Se kehitettiin Unimation:n ja GM:n välisenä yhteistyönä ja sen tyyppiset robotit ovat olleet käytössä teollisuudessa vuodesta 1978 asti. PUMA:n rakennetta jäljitteleviä robotteja käytetään vieläkin elektroniikkakokoonpanossa ja muualla teollisuudessa./14/ 10

12 3.1.2 SCARA Toinen laajalti kokoonpanoon käytetty robottirakenne on SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm). SCARA:n on lieriömäisen rakenteen omaava robotti, jolla on neljä vapausastetta (kuvassa 1 viides rakenne, jointed-arm vertical-axes). Sen kulmajäykkyys vaakatasossa ja pystysuuntainen liike tekevät siitä erittäin käytännöllisen piirikorttien kokoonpanotöissä, sekä poimija-paikoita sovelluksissa. Myös osien tunnistus on mahdollinen konenäkösovelluksien myötä./15/ Kaksikätiset robotit Kaksikätiset robotit ovat teollisuusroboteista kaikkien eniten ihmistä jäljitteleviä. Niillä pystytään automatisoimaan ennen käsintehtyjä kokoonpanoja ja operoimaan pienessä tilassa käyttäen hyväkseen molempien käsien yhteistyötä. Ihmismäinen rakenne ja liikkumismahdollisuudet tekevät myös näiden robottien ohjelmoinnista helpompaa ja intuitiivisempaa. /16/ 11

13 3.2 Soveltuvuus ja käyttökohteet Investoidessa kokoonpanorobotteihin on syytä arvioida robotisoinnin soveltuvuutta haluttuun käyttökohteeseen. Tässä osiossa käydään läpi eri kokoonpanotyyppien soveltuvuutta robotisoinnille sivuamalla sarjakokoa ja vaihtelevuutta, kokoonpanon osien soveltuvuutta sekä käyttökohteita lisääviä robottiin liitettäviä lisälaitteita. Lopussa tarkastellaan kokoonpanorobottien tavallisimpia sovelluskohteita Sarjakoko ja vaihtelevuus On muistettava, että on muitakin kokoonpanomenetelmiä, jotka ovat tietyissä tapauksissa todennäköisesti robotisoitua kokoonpanoa soveltuvimpia. Vaikeissa ympäristöissä tai vaarallisissa olosuhteissa tehtävät kokoonpanotyöt lukuun ottamatta, sarjakooltaan pienet ja vaihtelevuudeltaan suuret kokoonpanotyöt ovat järkeviä teettää ihmistyöllä. Toisaalta suuret ja vähän vaihtelevat sarjat vaativat erikoismenetelmiä käyttävää niin sanottua kovaa automaatiota. Yksikkökustannuksen ja sarjakoon riippuvuuden eri kokoonpanomenetelmille voi nähdä kuvasta 8. /14/ Kuva 8: A-alueen sarjakoko on parhaiten soveltuva robotisoidulle kokoonpanolle. /14/ Kokoonpanon soveltuvuus Siirryttäessä robotisoituun kokoonpanoon on varmistettava kokoonpanon ja sen eri osien soveltuvuus tähän. Osia saattaa joutua yksinkertaistamaan ja positiivisia tarrautumispisteitä lisäämään. Osien yksiselitteinen paikoitus, pinottavuuskokoonpanomenetelmän mukainen suunnittelu sekä ruuvien helpompi sijainti saattavat myös olla tarpeellisia. Tästä voi toisaalta myös seurata positiivinen synergia-efekti yksinkertaisempien ja näin ollen halvemmin tuotettavissa olevien osien muodossa. /14/ 12

14 3.2.3 Konenäkö Konenäön myötä kokoonpanorobotin käyttöalueita ja soveltuvuutta voidaan kasvattaa entisestään. Eri sovelluksia käyttäen konenäkö mahdollistaa muun muassa osien tunnistamisen, mahdollisuuden tehdä tarkistuksia ja koneen omien päätösten teon. /14/ Liittämistä mahdollistavat lisäosat Sähkökokoonpanoille on olemassa lisäosia jotka mahdollistavat robotisoidun osien liittämisen toisiinsa robottiin kiinnitettävillä sideainejakelulaitteilla tai juotoskoneilla. /17/ Tavallisimmat käyttökohteet Useimmat kokoonpanorobotit ovat pieniä ja niitä käytetään pienten osien nopeaan ja tarkkaan sijoitteluun. Tehtävät koostuvat kokoonpanojen eri osien sovittamisesta ja liittämisestä toisiinsa, mikä toteutetaan eri ruuvien, pulttien, kiinnittimien tai napsahdusliitoksilla./18/ Toisaalta robotisoinnilla rationalisoidaan myös vaikeissa ympäristöissä tai vaarallisissa olosuhteissa tehtävät kokoonpanotyöt. /14/ Robotisoinnit ovat myös tavallisia kokoonpanon aputoiminnoissa. Tällöin robotti hoitaa erimuotoisia kappaleenkäsittelytehtäviä, kuten osien siirto kokoonpanorobotin ulottuville ja valmiiden osien pois nosto kun kokoonpano on suoritettu. Myös kiinnittimien ja työkalujen vaihto on mahdollinen robotisoinnin kohde. /19/ 13

15 3.3 Kokoonpanon robotisoinnin hyödyt Tässä osiossa tutkitaan kokoonpanon robotisoinnin yleisimpiä hyötyjä. Ensin käydään läpi miten kokoonpanojen robotisointi voi tuoda helpotusta manuaaliseen työskentelyyn, jonka jälkeen siirrytään robotisoinnin vaikutukseen itse kokoonpanoon lopputulokseen sekä muihin hyötyihin Robotisointi manuaalisen kokoonpanon rationalisoivana ratkaisuna Kuten jo aiemmin on mainittu voi robotisoimalla kokoonpanoa eliminoida tai vähentää vaikeissa ympäristöissä tai vaarallisissa olosuhteissa tehtävät manuaalisesti kokoonpanotyöt, sekä toisaalta paljon voimaa vaativia työvaiheita./14/ Tämän lisäksi robotisointia on myös syytä harkita hyvin yksitoikkoisissa kokoonpanotöissä. Tällaisissa tapauksissa työperäiset terveysongelmat voivat ilmetä liikkeiden toistuvuuden takia. Toistuvuus voi myös johtaa työperäisen stressiin. /18/ Kun rationalisoidaan edellä mainittuja työvaiheita robotisoinnilla, on tuloksena yleensä tuottavuuden nousu. /14/ Robotti ei väsy, eikä sille mikään työtehtävä ole tylsä, väsyttävä tai rasittava. Se voi lisäksi mahdollistaa monen päivän jatkuvan tuotannon, myös miehittämättömänä. /14/ Robotisoinnin vaikutus kokoonpanon lopputulokseen Automaattisen tarkistuksen myötä kokoonpanojen laatu nousee käytettäessä tällaista ominaisuutta omaavaa robottia. Robotisoinnin myötä kokoonpanojen tasalaatuisuus myös kohenee. /14/ Muut hyödyt Kokoonpanon robotisoitumisen muina hyötyinä mainittakoon, että yleisesti ottaen läpimenoaika lyhenee, keskeneräinen työ vähenee ja tuotemuutoksia voidaan implementoida sujuvasti. Jätteiden määrä sekä korjaustarve vähenevät myös./14/ 14

16 3.4 Robotin valinta Robottityypin lisäksi on olemassa muita ominaisuuksia, joita on syytä ottaa huomioon robottia hankkiessa. Valintavaiheessa tulisi verrata tarvittavia ominaisuuksia valmistajan tai alihankkijan toimittamiin tietoihin. Jotta robotista saadaan maksimaalinen hyöty, tulisi tarvittavat ominaisuudet määritellä mahdollisimman tarkasti. Vasta silloin voidaan siirtyä vertaamaan näitä tarpeita eri robottien ominaisuuksiin, joihin kuuluvat /18/: 1. Nopeus voidaan ilmoittaa robotin osien maksiminopeuksina tai tavallisen liikesarjan nopeus 2. Hyötykuorma robotin kohtaama maksimikuorma määriteltävä 3. Täsmällisyys resoluutio, toistettavuus ja tarkkuus 4. Tarkkuus opetetun tavoitepisteen ja robotin todellisen sijainnin välinen heitto 5. Rakenne vaadittava tila 6. Ohjaus ja ohjelmointi 7. Kustannukset 15

17 3.5 Kustannukset On arvioitu, että kokoonpanon osuus tuotannon työvoimakustannuksista on jopa 50 %. /14/ Näin ollen säästöt tässä vaikuttavat suuresti tuotteen kokonaiskustannuksiin. Koska investoinnit ovat suuria, edellyttävät ne yleensä ympärivuorokautista käyttötarvetta, myös miehittämättömiä jaksoja hyödyntäen. /19/ Kustannuslaskelmia voidaan jakaa kahteen eri osaan: investointikustannukset ja käyttökustannukset. On huomioitava robotisoinnin kaikki mahdolliset kustannukset, sillä erilaiset lisäkustannukset voivat yhdessä olla jopa saamaan suuruisia tai isompia kuin itse robotin hankintahinta. /19/ Investointikustannukset Näihin kustannuksiin kuuluvat itse investointiin suoraan liittyvät kustannukset, kuten robotin ostohinta, suunnittelun kustannukset, asennuksen ja käyttöönoton kustannukset, työvälineiden ja oheislaitteiden hankinta sekä muut lisäkustannukset. Robotin hankintahintaan kuuluvat myös sen lisälaitteet ja erityisominaisuudet. /19/ Käyttökustannukset Automatisoinnista huolimatta ovat työkustannukset suuri osa robotin käyttökustannuksista. Näihin kuuluvat välittömät ja välilliset palkat, huolto ja kunnossapito, energian, aineiden ja tarvikkeiden kustannukset sekä kouluttautumisen kustannukset. /19/ Näiden kustannusten erittelyn myötä voidaan tehdä päätös robotisoinnin kannattavuudesta tiettyyn sovellukseen. Kannattavuustarkastelun perustana voidaan käyttää takaisinmaksuaikaa, tai toista vastaavaa menetelmää. /19/ Säästöt Säästöt tulevat suurimmaksi osaksi samoista kohdista mitä hyödyt-osiossa tarkasteltiin. On myös huomioitava, että robotisointi voi kohentaa yrityksen imagoa, ja vähentää ammattitaitoisen työvoiman tarvetta, josta metalliteollisuudessa on ollut pulaa. /19/ 16

18 4 Case: Fanuc-yhteiskäyttörobotti kokoonpanovalmistuksessa Fanuc on japanilainen vuonna 1958 perustettu monikansallinen automaatioalan yritys, jolla on markkinoiden johtava asema sekä tehdasautomatisoinnissa että CNC-ohjaimissa. Vaikka yrityksen omat tuotantolinjat ovat alansa pisimmälle automatisoituja, työllistää Fanuc kuitenkin yli 5200 työntekijää maailmanlaajuisesti /20/. Tässä raportissa käsitellään yrityksen tuottamaa tutkimusta, missä kokeillaan kustannustehottomien kokoonpanotyöpisteiden optimointia yhteiskäyttörobotilla. 4.1 Tutkimus Kokoonpanotuotannossa suuri osa kustannuksista syntyy työntekijöiden palkoista ja koulutuksen viemästä ajasta, kun uusi tai muokattu tuote lisätään tuotantoon. Työntekijöiltä odotetaan samalla kuitenkin korkeaa tuottavuutta ja luotettavuutta laadun suhteen, jatkuvasti muuttuvan tuotekirjon painostamana. Fanucin luotsaamassa tutkimuksessa haluttiin lisätä tuottavuutta ja joustavuutta kokoonpanotyöpisteessä, missä tuotettiin sähköteollisuuden kaapelitukia. Manuaalisessa työpisteessä työntekijä kasaa kappaleen osa osalta käyttäen tiettyjä osia ja suorittamalla työvaiheita, joiden tiedot löytyvät työohjeesta. Tutkimusta varten työpisteestä luotiin automaatiojärjestelmä yhteiskäyttörobotilla, joka auttaa työntekijää sekä fyysisesti että havainnollisesti. Tämä automaatiojärjestelmä on jaettu kolmeen eri osaan; osien syöttö, kokoonpanoasema ja turvallisuushallinta. /21/ Osien syöttö Tutkimuksen automaatiojärjestelmässä tarvittavat osat kokoonpanoon syötetään automaattisesti työntekijälle kokoonpanoasemaan. Osien käsittelyn suorittaa kaksi robottikäsivartta, jotka on kiinnitetty vapaasti liikkuvalle alustalle. Robotti poimii tarvittavat osat osahyllystöstä, tunnistaa ne kameroiden avulla ja asettaa ne osatarjottimelle, joka syötetään työntekijälle. Tietyt osat tarjotaan myös työntekijälle suoraan robotin tarttujan avulla, jolloin se pitää osia yhdessä oikeassa konfiguraatiossa ja työntekijän pitää vain suorittaa lopulliset kiinnitykset. Kuvassa 9 on esitetty robottiyksikkö ja miten se täyttää osatarjottimen kameroiden avustuksella. /21/ 17

19 Kuva 9: Robottijärjestelmä ja osatarjotin /21/ Kokoonpanoasema Kokoonpanoasemassa työntekijä ja robotti toimivat yhdessä useammalla kuin vain yhdellä tavalla. Robotti syöttää oikeat osat ja osakonfiguraatiot työntekijälle, samalla kun se jatkuvasti tarkkailee työn vaiheita ja työntekijän sijaintia työalueella. Järjestelmä avustaa myös työntekijää, näyttämällä laserosoittimen avulla (kuva 10) mihin kohtaan seuraava osa asennetaan. Työohje koottavalle kappaleelle on esillä näytöllä, joka on asennettu läpinäkyvän työtason alle. Työohjeet ovat myös muokattavissa työntekijän taidon perusteella, helpottaen aloittelevan työntekijän suoritusta. Kokoonpanoasemassa suoritetaan myös robotin opetus, jolloin asiantuntija opettaa robotille uuden kappaleen kokoonpano-ohjeet. /21/ Kuva 10: Kokoonpanoasema ja laserosoitin /21/ 18

20 4.1.3 Turvallisuushallinta Järjestelmän turvallisuushallinta mahdollistaa yhteiskäyttötoiminnon työntekijän kanssa. Kun robotti poimii osia ja valmistelee osatarjotinta ja osakonfiguraatiota työskentelee se korkealla nopeudella, ja lähentyessään työntekijää se hidastaa liikkeensä. Robotin työalue rajataan valoverhojen ja kameroiden avulla. Kuva 11 havainnollistaa kokoonpanoaseman ja osansyöttöalueen jaon. /21/ Kuva 11: Kokoonpanoasema (B) ja osansyöttöalue (A) /21/ 19

21 4.2 Tulokset ja pohdinnat Tutkimuksen tavoitteena oli tehostaa manuaalityöpistettä kaapelitukien kokoonpanotuotannossa käyttämällä yhteiskäyttörobotisointia ja älykästä tietotukea joka välittyy työntekijälle, sekä varmistaa järjestelmän turvallisuus. Tavoitteiden täyttyminen todistettiin kokeella missä kaksi eri työntekijää, kokenut ja aloittelija, suorittivat kokoonpanon sekä perinteisessä työpisteessä että uudessa automatisoidussa työpisteessä. Kumpikin henkilö suoritti kokoonpanon kolme kertaa molemmissa työpisteissä. Kuvassa 12 on esitetty kokeen tulokset graafisesti, missä pystyakselilla on kokoonpanoaika ja vaaka-akselilla toistokerrat. Kuva 12: Kokoonpanokokeen tulokset /21/ Kokeen tulosten perusteella voidaan todeta, että kokematon henkilö voi suorittaa kokoonpanon yhtä nopeasti kuin kokenut työntekijä, ja että kokoonpanoajat ovat johdonmukaisia riippumatta kokoonpanon konfiguraatiosta. Työpisteessä ei siis enää tarvita turvautua kokeneisiin työntekijöihin, ja automaation takia myös laatuvirheet vähenevät lähes nollaan. Automaatiojärjestelmän turvallisuus oli myös erinomaista, ja robotti kykeni toimimaan tehokkaasti työntekijän kanssa. Tutkimusraportissa mainitaan myös, että samankaltaisia järjestelmiä tullaan asentamaan tehtaisiin lähitulevaisuudessa ja että turvallisuuteen ja järjestelmän asennuksen kustannusten vähentämiseen panostetaan edelleen. /21/ 20

22 5 Yhteenveto Robotisoinnit tuovat mukanaan sekä haasteita että mahdollisia säästöjä ja työvaiheiden rationalisoivia mahdollisuuksia. Niitä käytetään vaarallisissa ympäristöissä tehtävissä työvaiheissa sekä henkilöstöä rasittavissa, hyvin toistuvussa, tehtävissä. Kokoonpanorobotit eivät ole vielä yhtä laajasti käytettyjä kuin esimerkiksi maalaus- ja hitsausrobotit. Käyttö kuitenkin lisääntyy koko ajan ja yhtenä ajavana voimana voidaan pitää nykyaikaisten robottien monipuoliset ominaisuudet kuten voima-anturit ja konenäkö. Myös case-esimerkissä esiin tulleet yhteiskäyttörobotit voidaan sujuvasti soveltaa kokoonpanon tehtäviin. Robotteihin investointi voi olla yritykselle erittäin kannattavaa oikeanlaisesti toteutettuna ja todellisen tarpeen tyydyttävänä ratkaisuna. 21

23 6 Lähdeluettelo 1. SFS-EN 775 Teollisuusrobotit. Turvallisuus. Suomen standardoimisliitto 2. Benhabib, B. Manufacturing Design, Production, Automation and Integration, New York: Marcel Dekker Inc., 2003, 589 s. ja Aaltonen, ym. Konepaja -automaatio, Porvoo, WSOY Automaattinen kokoonpano, kokoonpanon suunnittelurobotit. [online]. [Viitattu ]. Saatavissa: 4. Suomen robotiikkayhdistys Ry.(1999). [online]. [Viitattu ]. Saatavissa: Robotiikka.( 5. Benhabib, B. Manufacturing Design, Production, Automation and Integration, New York: Marcel Dekker Inc., 2003, 589 s. ja Aaltonen, ym. Konepaja -automaatio, Porvoo, WSOY Kuva. Aukati Oy:n kotisivut [online]. [Viitattu ]. Saatavissa: 7. Kuva. ABB Oy kotisivut [online]. [Viitattu ]. Saatavissa: f?sequence=2. 8. Kuva. AMK kotisivut. [online]. [Viitattu ]. Saatavissa: %20tuotelinjan%20paletin%20suunnittelu.pdf?sequence=1. 9. Kuva- AMK Doria. [online]. [Viitattu ]. Saatavissa: Bralla, James G. (2007). Handbook of Manufacturing Processes - How Products, Components and Materials are Made. Industrial Press. Online version available at: George Michalos, Sotiris Makris, Jason Spiliotopoulos, Ioannis Misios, Panagiota Tsarouchi, George Chryssolouris, ROBO-PARTNER: Seamless Human-Robot Cooperation for Intelligent, Flexible and Safe Operations in the Assembly Factories of the Future, Procedia CIRP, Volume 23, 2014, Pages 71-76, ISSN , SFS-EN ISO Robotit ja robotiikkalaitteet. Turvallisuusvaatimukset. Osa 1: Teollisuusrobotit. Helsinki, Suomen standardisoimisliitto. 90 s. 13. Smith, Edward H. (1998). Mechanical Engineer's Reference Book (12th Edition). Elsevier. Online version available at: Moravec, Hans Peter. Industrial robots. Encyclopedia Britannica Praveen Bhatia, Janarthanan Thirunarayanan, Nalin Dave, An expert system-based design of SCARA robot, Expert Systems with Applications, Volume 15, Issue 1, July 1998, Pages , ISSN , Panagiota Tsarouchi, Sotiris Makris, George Michalos, Michael Stefos, Konstantinos Fourtakas, Konstantinos Kaltsoukalas, Dimitris Kontrovrakis, George Chryssolouris, Robotized Assembly Process Using Dual Arm Robot, Procedia CIRP, Volume 23, 2014, Pages 47-52, ISSN , 22

24 17. Kandray, Daniel E. (2010). Programmable Automation Technologies - An Introduction to CNC, Robotics and PLCs. Industrial Press. Online version available at: Patrick, Dale R. Fardo, Stephen W.. (2009). Industrial Process Control Systems (2nd Edition). Fairmont Press, Inc.. Online version available at: Aaltonen, K & Torvinen, S. (1997) Konepaja-automaatio. WSOY, Porvoo. ISBN FANUC LTD. Kotisivu. Viitattu Saatavuus, URL: M. Morioka, S. Sakakibara. A new cell production assembly system with human robot cooperation. CIRP Annals, Manufacturing Technology vol. 59, is. 1, 2010, p DOI: 23