VALMISTUSMENETELMÄT 2015

Transkriptio

1 VALMISTUSMENETELMÄT

2 1 JOHDANTO 1.1 Taustaa 1.2 Historiaa 1.3 Käytetyt termit ja lyhenteet 2 AUTOMATISOINTI 2.1 Tuotannon automatisointi Historiaa Automaatio Joustava FMS 2.2 Tuotantolinjan toimivuuden varmistaminen 2.3 Millaista hyötyä automatisoinnista on? 3 FMS JÄRJESTELMÄNÄ 3.1 Yleistä Määritelmä Mitä FMS -teknologialla tarkoitetaan FMS -teknologian tasot 2

3 3.2 NC -ohjaus Mitä on NC Käsitteitä ja määritelmiä Numeerisen ohjauksen etuja ja varjopuolia NC -konetyypit ja niiden toiminta Solu 3.3. FMS järjestelmän rakenne ja ohjaus 3.4 FMS -laitteita Materiaalin käsittelyjärjestelmät NC -työstökoneet Robotit Levytyöstökoneet Varasto ja hyllystöhissi Särmäyspuristin 4 FMS-JÄRJESTELMÄN TOTEUTUS 4.1 FMS - teknologian merkitys liiketoiminnassa 4.2 Investoinnin suunnittelu ja toteutus 4.3 Järjestelmän vaatima koulutus 3

4 5 LAHDEN AMK:N "FMS-LAITTEISTO" 5.1 Yleistä 5.2 Mitä laitteita 5.2.1CNC -työstö ABB -robotit Pneumaattinen lävistys/kanttilaitteisto Mitä muita mahdollisuuksia 6 MUUT ASIAT JA PROJEKTIT 6.1 Tunnistetekniikat 6.2 InTouch valvomo-ohjelmiston käyttö ohjausjärjestelmänä 6.3 FMS -järjestelmän layout suunnittelu ja virtuaalisointi Robot- Studio ohjelmalla 6.4 Yritysprojektit ja -vierailut FASTEMS - caset Anstar Oy Muut mahdolliset 4

5 1 JOHDANTO 1.1 Taustaa Kun valmistusta ulkoistetaan ja siirretään pois ydintoimintojen läheltä, toimintamallin vaikutukset tuntuvat toisaalta yhä syvemmällä, mutta myös etäämmällä. Kehitys kehittyy, mutta kehittyykö se oikeaan suuntaan? 1980 luvun alussa pelkkä 6 kilon käsittelykyvyn robotti maksoi nykyrahaan suhteutettuna noin euroa. Silti jo silloin oli kauaskatseisia yrityksiä, jotka automatisoivat robotiikkaan, vaikka robotin hinta vastasi viiden miehen vuosipalkkaa. Miksi? Ensi vaiheessa ihmiset haluttiin pois tehtävistä, joissa ei väki muutenkaan viihtynyt. Oli työtehtäviä, kuten sarjahitsaus ja raskaat, yksitoikkoiset panostustehtävät, jotka selvästikään eivät olleet ihmisten töitä. Myös laadulla perusteltiin jo tuolloin automaatioinvestointeja, vaikka takaisinmaksuajat olivat pitkiä. Ennen kaikkea valmistuksen kehittäminen ja siihen investoiminen koettiin jo tuolloin tärkeäksi tulevaisuuden kilpailukyvyn kannalta. Ymmärrettiin, että osa hyödyistä tulee pitkällä tähtäimellä. Kun valmistuksen strategisesta merkityksestä keskusteltiin, oli itsestään selvää, että se koettiin tärkeäksi koko yrityksen menestymisen kannalta. Jos valmistustoiminta häviää, muutaman vuoden kuluttua häviää myös ymmärrys valmistamisesta. Perinteisten konepajayritysten strategiassa ei olekaan enää niin itsestään selvää, että valmistaminen on ydinosaamista. Miksei? Siksi, että joku muu tekee asioita tehokkaammin eikä sijoittamisella valmistustoimintoon saa ehkä yhtä hyvää tuottoa kuin yrityksen muilla toiminnoilla. Tällöin usein unohdetaan aiempi viisaus, jonka mukaan valmistusstrategiat ovat pitkän tähtäimen asioita ja kilpailukyvyn peruspilareita. Jos valmistustoiminta häviää, muutaman vuoden kuluttua häviää myös ymmärrys valmistamisesta. Tulilinjalle nousevat tuotteisiin liittyvä suunnittelu, 5

6 tuotekehitys ja niin edelleen. Lopuksi jäljellä on vain brändi, jonka arvo on suhteellista, koska oma kustannustietoisuus on hävinnyt tai tuote on vain yksinkertaisesti liian kallis valmistaa. Todennäköisesti tällöin joku on jo sen kopioinutkin ja valmistaa sitä halvemmalla jossain muualla. Kehitys voi tietysti mennä toiseenkin suuntaan. Jossain vaiheessa tuotanto on jo ulkoistettua toimintaa ja osaamisia voidaan saada vielä takaisin. On kuitenkin ymmärrettävä, että tuotteen valmistaminen ja siihen liittyvä tietotaito on strategista osaamista, jonka hankkiminen vie paljon aikaa. Kaikkea osaamista ei nykyään ole tarpeen enää pitää omissa hyppysissä, jos verkostonsa on lähellä toimijoita, jotka voivat sitoutua päähankkijaan ja omalta osaltaan pitää huolta kilpailukyvyn säilymisestä. Verkosto on kuitenkin palvelujen tuottamisjärjestelmä ja verkoston tehokas käyttö pitää osata vielä paremmin kuin omissa käsissä oleva tuotanto. Omaan tuotantoon voidaan piilottaa virheitä, mutta verkostonsa ne tulevat esiin. Verkoston hallinnassa on paljon enemmän toiminnallisia elementtejä kuin omassa hallussa olevassa prosessissa. Valmistuksen hallinta on näin ollen strategisesti tärkeä asia, oli se sitten omissa tai vieraissa käsissä. 30 vuotta on myös osoittanut, että usein FMS-järjestelmä on se tuotannon selkäranka, johon on voitu tukeutua. Koneet ja laitteet sen ympärillä ovat vaihtuneet, mutta valmistuksen runko on säilynyt. Järjestelmät ovat olleet joustavia myös oman laajennettavuutensa ja muutosvalmiutensa osalta. 6

7 1.2 Historiaa Numeerinen ohjaus tarjosi 1950-luvulta alkaen mahdollisuuden automatisoida pienten sarjojen vaihtelevaa tuotantoa. Se ja uusi työstökonetyyppi eli koneistuskeskukset tekivät 1960-luvun gurujen visioihin ilmestyneistä joustavien valmistusjärjestelmien utopioista vähitellen totta. Numeerisesti ohjatut työstökoneet ovat kalliita, joten niitä on käytettävä mahdollisimman suuri osa vuorokauden tunneista, joustavuuden kelpoisena arviointiperusteena on käytetty osakirjoa, joka järjestelmällä voidaan valmistaa. Tällä mittarilla mitattuna järjestelmät ovat kovin erilaisia muutamasta osasta kymmeniin, jopa satoihin. Toimiviin järjestelmiin tarvittiin peruselementit, numeerisesti ohjatut työstökoneet lähinnä avarrus-, jyrsin- ja porakoneiden pohjalta kehitetyt koneistuskeskukset, automaattiset työkalujen ja työkappaleitten vaihtajat, hyllystöt ja robotit sekä tietenkin järjestelmän kokonaisohjaus. CAM ja CIM ilmestyivät konepajakieleen. Kiinnostus teollisuusrobotteja kohtaan heräsi 1970-luvulla. Vanhemmissa hyllystöjärjestelmissä oli vähän robotteja. Sittemmin niille löytyi laajempaa käyttöä muun muassa työkappaleiden panostuksessa ja jäysteen poistossa. Robotit soveltuvat erityisen hyvin kokoonpanon automatisoimiseen. Aikoinaan DDR oli järjestelmien innovatiivinen alkuvaiheen kehittäjä, jonka vauhti sittemmin hyytyi. Joustavien valmistusjärjestelmien määrä kasvoi vuoden 1975 tienoilla Japanissa nopeasti. Läpimurto Euroopassa tapahtui 1980-luvun alkuvuosina. Ensimmäiset joustavat valmistusjärjestelmät otettiin suomalaisissa konepajoissa käyttöön samoihin aikoihin. Autonomisesta tuotannosta alettiin kiinnostua ja 1990-luvuilla tekniikan kehittymisen sallimien mahdollisuuksien myötä. Japani oli tuolloin miehittämättömän konepajavalmistuksen edelläkävijä. Sitä tutkittiin leveällä rintamalla ja käynnistettiin 7

8 muutamia kunnianhimoisia kokeiluja. Tekniikka ei kuitenkaan vielä sallinut taloudellisesti kannattavaa ja toimintavarmaa miehittämätöntä tuotantoa. Maan talouden alamäki ja 1990-luvun alun matalasuhdanne jarruttivat sen kokeiluja. Merkittävä kehityksen virstanpylväs oli japanilainen Tsukuban koetehdas vuodelta Suomeen tällaisia investointeja ei ehditty tehdä. Fastemsin 30 vuotta automaatiota Ajanjakson voi venyttää alkamaan jo 1970-luvulta, koska Fastemsin FMS -tuotantofilosofian ja -teknologian taustaa luotiin juuri 70-luvulla. Valmettehdasautomaatio on ollut mukana konepajojen tehokkaan lastuavan työstön kehittämisessä jo 1990-luvulta lähtien. Valmet Linnavuoren tehdas on ollut ja on edelleenkin maamme johtavia sarjatuotannon konepajoja ja Fastemsin eli entisen Valmet-tehdasautomaation alkutaival oli tiivistä uusien asioiden opettelua ja yhteistyötä moottorivalmistuksen menetelmä- ja työvälinekehityksessä. Toiminta laajeni lukujen vaihteessa työkaluosaston toiminnasta erikoistyöstökoneiden valmistukseen. Erikoistyöstökoneisiin keskittynyt liiketoiminta ja systemaattisempi tuotekehitys alkoivat 1970-luvun alkuvuosina luvun loppupuolella sarjatuotannon joustava erävalmistus oli Valmet - tehdasautomaation toimesta kehittynyt useassa kotimaisessa konepajassa jo varsin pitkälle. Toisaalta useita merkittäviä innovaatioita kehiteltiin myös toistuvan pienerävalmistuksen mahdollistamiseksi, suursarjatuotannon tehokkuudesta kuitenkaan merkittävästi tinkimättä. Nivelakselikäyttöiset monikarayksiköt olivat eräs paljon käytetty ratkaisumalli asetusaikojen minimointiin. Monissa asiakasprojekteissa 8

9 sovellettiin myöhemmin myös monikarapäiden automaattista vaihtoa. Konepajojen sarjatuotantoa tehtiin aiemmin suurissa valmistuserissä, panostus koneeseen hoidettiin manuaalisesti, koneessa kappaleen siirto ryöstöasemasta toiseen toteutettiin jakopöydillä, jakorummuilla, lineaariliikkeellä, kampimekanismilla... Asetusten vaihto oli aikaa vievää ja vaivalloista ammattilaisten käsityötä, johon sisältyi hammaspyörien vaihtoa syöttönopeuksien ja lastuamisnopeuksien muuttamiseksi, rajakytkimen ja vasteiden säätöjä, kiinnittimien vaihtoja ja säätöjä. Joissakin tapauksissa asetukseen käytetty aika oli jopa pidempi kuin erän tuotantoaika ja silti kyseessä oli ylivoimaisesti tehokkain ja taloudellisin tapa tuottaa laadukkaita työkappaleita. Moniakselisiin erikoisryöstökoneisiin soveltuvaa numeerista ohjausta ei ollut vielä 1970-luvulla kaupallisesti saatavilla. Niinpä Fastemsilla kehitettiin yhdessä Tampereen teknillisen korkeakoulun kansa ns. Multiway ohjaus. Multiway -ohjauksella varustettuja erikoiskoneita ja valmistussoluja Fastems toimitti yhteensä lähes 30 kpl, mutta jo 80-luvun puolivälissä siirryttiin käyttämään kaupallisia CNC -ohjauksia, jotka tällöin jo 9

10 kykenivät palvelemaan useampia akselisiakin työstökoneita. Suurin osa 80 ja 90-lukujen asiakastoimituksista oli varustettu Siemensin eri ohjausversioilla. Robotiikan esiinmarssi 1970-luvulla alkoi ilmestyä myös robotiikan ensimmäisiä sovelluksia konepajoihin. Valmet-tehdasautomaatio oli vahvasti mukana alan kehityksessä. Ensimmäinen "portaalipanostaja" tehtiin 1978 kiertokankien jyrsintälinjan soluun. Automaattiset syöttö- ja poistoradat mahdollistivat muutaman tunnin miehittämättömän tuotantojakson. Ensimmäisen varsinaisen portaalirobotin Fastems toimitti Volvolle Flobyn tehtaalle Ruotsiin Kyseessä oli kuorma-auton pyörännapojen monikaraisen erikoiskoneen automaattinen panostus. 80-luku ja 90-luvun alkupuoli olivat automatisoitujen solujen aikaa; kappaleidenkäsittelyä tehtiin portaalirobotilla tai yksinkertaisemmilla manipulaattorilaitteilla, joissakin sovelluksissa jo nivelvarsiroboteillakin. Yksi Fastemsin kannalta merkittävä kappaleenkäsittelyautomaation osa-alue on ollut edellä mainittu portaalirobotti. Kohti joustavaa tuotantoa Valmet-tehdasautomaation ensimmäinen "portaali- FMS" oli vauhtipyöräsolu (Valmet Diesel 1985). Se oli esillä täysimittaisena toimivana kokonaisuutena messuilla Hannoverissa Tämän vauhtipyöräsolun tarpeisiin Fastems kehitti myöskin ensimmäisen FMS- ohjaussukupolven. Jo hieman aiemmin vuonna 1983 FMStuotealue oli eriytetty omaksi Tampereella toimivaksi Valmet-tehdasautomaation yksiköksi, joka lähti voimakkaasti panostamaan joustavaan tuotantojärjestelmäkehitykseen. 70-, 80- ja 90-luvuilla automaatio kehittyi voimakkaasti kaikilla lastuamisen osa-alueilla. Teräteknologian ja ohjausten, käyttöjen sekä anturointien nopea kehitys mahdollisti tehokkaan ja luotettavan, mutta myös 10

11 joustavan ja osittain miehittämättömän automaation soveltamisen verstaan tuotanto-olosuhteissa. Koneistuskeskuksiin tulivat työkalumakasiinit ja paletinvaihtajat, sorveihin kappaleenvaihtomanipulaattorit ja pyörivät työkalut. CNC -ohjausten, servokäyttöjen ja mitta-anturien kehittyminen oli myös täysin ratkaisevaa lastuamisprosessien ja kappalelaadun kehittämiselle. Erikoistyöstökoneissa oli tahtiaika eli käytännössä lastuvirta edelleen tärkein ominaisuus, mutta samalla joustavuutta piti lisätä ja automaatio oli siihen ratkaisu. Uskallusta ja ideoita ei Valmet-tehdasautomaatiolta koskaan ole puuttunut ja asiakkaathan ne tarpeet ja jopa vaatimukset useimmiten neuvottelupöydälle toivat! Tuloksena oli varsin edistyksellisiä ja teknologian etulinjassa olevia tuotantoautomaation soluja ja linjoja. Suomen konepajateollisuuden viime vuosikymmenten tuotteista ei löytyne montaakaan, joiden valmistuksessa ei jollain tavoin olisi mukana Fastemsin tuotantoautomaatiota! Kuljetusvälineissä, prosessiteollisuuden laitteissa, metsäkoneissa, vaihteistoissa, venttiileissä, pumpuissa,... vähintään näiden tuotteiden komponenttien valmistuksessa käytettiin Fastemsin toimittamaa automaatio- ja työstötekniikkaa. 1.3.Käytetyt termit ja lyhenteet ATC Automaattinen työkalunvaihto AWC Automaattinen kappaleen vaihto APC Automaattinen paletinvaihto CNC Pientietokone-ohjaus, johon kuuluu ohjelmamuisti CAD /CAM CAD/CAM -piirros- ja suunnitteluohjelmat FMC Joustava automaattinen solu 11

12 FMU Joustava automaattinen valmistusyksikkö FMS (Flexible Manufacturing System) tarkoittaa joustavaa valmistusjärjestelmää MMS FMS -järjestelmää varten tehty ohjausohjelmisto MMS (Manufacturing Management System) NC Numeerinen ohjaus Nestaus Kappaleen mallentaminen tietokoneohjelman avulla levy-työstökoneelle PLC Ohjelmoitava logiikka 2 AUTOMATISOINNISTA 2.1 Tuotannon automatisointi Tarkastellaan metalliteollisuudessa tapahtunutta laitteistokehityksen historiaa. Lisäksi paneudutaan kysymykseen, miten varmistetaan tuotantolinjan toimivuus ja mitä hyötyä on tuotantolinjan automatisoinnista Historiaa 1960-luvulla tuli teollisuuden käyttöön NC -tekniikka eli numeerinen ohjaus. Numeerisesti ohjattu tarkoittaa sitä, että työstökone suorittaa kappaleen koneistamiseen tarvittavat liikkeet automaattisesti. Tätä ei saa sekoittaa numeerisella näytöllä varustettuihin manuaalisiin koneisiin, joissa tiedot näkyvät numeerisella näytöllä. Manuaalinen, numeerisella näytöllä varustettu kone ei toteuta toimintaa automaattisesti, vaan sitä ohjataan manuaalisesti. NC -ohjaus mahdollisti ohjelmien luonnin tietokoneen avulla, mitkä sitten siirrettiin työstökoneelle numeerisina käskyinä. Tähän tekniikkaan voitiin myöhemmin liittää mukaan myös automaattinen työkalunvaihto eli ATC. 12

13 1970-luvulla ensimmäiset teolliset robotit otettiin käyttöön ja mukaan tuli APC eli automaattinen paletinvaihtaja, jolla suoritettiin kappaleen vaihto työstökoneelle. Tietokonepohjainen ohjelmointi ja ohjelmoitavat logiikat yleistyivät luku lisäsi valmistukseen solut ja tuoteverstaat sekä mikroprosessoripohjaisen CNC -tekniikan, jolla NC-teknologiaa voitiin soveltaa suursarjatuotantoon. Mukaan tulivat lisäksi CAD/CAM -piirros- ja suunnitteluohjelmat. Näihin piirros- ja suunnitteluohjelmiin tuli myöhemmin mukaan simulointimahdollisuus. Tämä tarkoitti, että tehty ohjelma voitiin ajaa tietokonenäytöllä ennen varsinaisen ohjelman käyttöönottoa. Viimeisiä vuosikymmeniä on leimannut koneellisen valmistuksen ohjauksen kehitys. Automaation kehitys on muuttanut ihmisen suoran työn osuuden epäsuoraksi. Uudelleenohjelmoitavuus on kehittynyt, ja yhdellä koneella voidaan helposti valmistaa erilaisia kappaleita vain vaihtamalla ohjelmaa Automaatio Automaatti tarkoittaa itsestään liikkuvaa konetta tai laitetta, joka ilman näkyvää ohjausta suorittaa tietyn tehtävän. Se voi toimia itsestään tai ihminen voi käynnistää sen. Automaation tuotantoprosessille on tunnusomaista sen automaattisesti suorittama säätely ja valvonta. Tästä johtuen tuottavuus on kehittynyt suursarjatuotannossa nopeammin kuin piensarjatuotannossa, joissa tuotteiden läpimenoajat ovat pitkiä. Tuotantojärjestelmän automatisointi onnistuu myös jäykän automaation keinoin, jolta kuitenkin puuttuu helppo muunneltavuus, ja jolla pystytään tekemään vain määrätynlaisia kappaleita. Jäykkää automaatiota käytettäessä eräkokojen täytyy olla suuria ja tuotevaihtoehtojen vähäisiä, toisin sanoen se soveltuu etenkin samanlaisten toistuvien tapahtumien suorittamiseen. Aina näin ei kuitenkaan 13

14 ole, vaan eräkoot ja tuotesarjat saattavat olla pieniä, jolloin tuotantojärjestelmällä on oltava kyky mukautua erilaisiin ja erikokoisiin tuotteisiin. Jotta järjestelmästä saataisiin ulos riittävä hyöty, sen on oltava joustava. Tämä tarkoittaa sitä, että kappaleen reitti voidaan vapaasti ohjelmoida Joustava FMS FMS (Flexible Manufacturing System) tarkoittaa joustavaa valmistusjärjestelmää. Joustavalla valmistuksella tarkoitetaan sitä, että tuotanto jatkuu keskeytymättä, vaikka työkappaleet, niiden määrät ja sarjakoot vaihtuisivatkin. Järjestelmä toimii osan ajasta jopa täysin miehittämättömänä. FMS -järjestelmä voidaan myös pysäyttää kesken prosessin ja valmistaa välissä jokin kiireellinen työkappale. Tämän jälkeen voidaan jatkaa työjonoon jäädystä kohdasta. Joustava valmistus voidaan mieltää tuotannolliseksi yksiköksi, johon ulkoapäin syötetään tietoa ja raaka-ainetta. Yksikkö muokkaa raaka-aineen haluttuun muotoon ja siirtää muodostuneen osan ulos järjestelmästä esim. varastoon. Valmistusjärjestelmällä on siis laitteet ja valmiudet tiedonhallintaan, materiaalin käsittelyyn ja työstöön. Järjestelmän kaikki laitteet ovat NC -ohjattuja ja järjestelmästä löytyy tuotettujen kappaleitten valmistustiedot, jotka sisältävät materiaalityypin, kappalemäärät sekä muut tarpeelliset tiedot. Osa koneista toimii varastoa täyttävinä ja osa erimuotoisten kappaleiden taittokoneina. Metalliteollisuudessa kappaleiden valmistussarjat ovat usein pienehköjä, mutta toistuvuus on suuri. FMS -järjestelmällä saadaan yksitoikkoiset työvaiheet koneistettua ja tuotantoaikaan mukaan myös yöt sekä viikonloput. FMS- 14

15 järjestelmä perustuu hyvään suunnitteluun ja käytössä olevien koneiden kokonaisvaltaiseen hyötykäyttöön. FMU eli joustava valmistusyksikkö on järjestelmän perusta. Se voi olla tavallisimmillaan yksittäinen NC-ohjattu työstökone, jos sillä on oma varastotoiminta. Tällöin myös toiminta on yksivaiheista. Monivaiheisuus tulee mukaan vasta, kun kappale kulkee useammalla eri koneella FMC on joustava automaattinen solu, joka koostuu kahdesta tai useammasta täysin automaattisesta työstökoneesta, jotka on tarkoitettu tietyille toiminnoille. Näissä keskuksissa erilliset työvaiheet yhdistetään yhdelle tai useammalle erikoiskoneelle. Automaattinen solu eroaa yksittäisistä levytyöstökeskuksista siten, että siihen on liitetty automaattinen kappaleenkäsittelyjärjestelmä, yleisimmin kääntöpöytä. Järjestelmä suorittaa automaattisen työkappaleen vaihdon (AWC) koneelta toiselle. Usein kappaleen eteenpäin siirto seuraavalle yksikölle suoritetaan robotin avustuksella, jos kappale on tarpeeksi kevyt. FMS on järjestelmäkokonaisuus, joka muodostuu työstökoneista, automaattisesta työkalukäsittelystä ja automaattisesta materiaalin käsittelystä. Materiaalin hallinta perustuu automaattiseen varastointi- ja kuljetusjärjestelmiin, jotka sitovat muun järjestelmän yhdeksi kokonaisuudeksi. FMSjärjestelmään kuuluu myös olennaisena osana tiedonhallinta. Tämä tiedonhallinta mahdollistaa automaation, tuotannonhallinnan ja koko järjestelmän ohjauksen. FMS ei kuitenkaan ole täysin miehittämätöntä valmistusta, vaan ihminen suunnittelee, valvoo ja ohjaa valmistustoimintaa sekä sen häiriöttömyyttä ja automaattisen valmistuksen käyttösuhdetta. Järjestelmää voidaan laajentaa vaiheittain, esimerkiksi lisäämällä koneita ja laitteita asteittain. Käytössä olevia FMS-järjestelmiä on usein laajennettu ainakin kerran. Monia 15

16 näitä käytössä olevia järjestelmiä päivitetään useampiakin kertoja vastaamaan sen hetkistä käyttötarvetta. Järjestelmän koneita pitää myös tarvittaessa voida käyttää yksittäisinä koneina. Koneiden ei välttämättä tarvitse olla täysin samankaltaisia muiden järjestelmän koneiden kanssa, mutta sovelias rajapinta niiden on tarjottava järjestelmään nähden. Tällä tarkoitetaan sitä, että laitteet pystyvät osaksi tekemään toistensa töitä. 2.2 Tuotantolinjan toimivuuden varmistaminen Koska FMS-järjestelmän ideana on hyödyntää mahdollisimman moni vuoden aikana olevasta 8760 tunnista, on sen kaikkien laitteiden ja hallintaosien oltava ehdottoman luotettavia ja varmatoimisia. Häiriön ja vikatilanteen selvittäminen vaatii ihmisen puuttumista koneiden toimintaan. Käyttö- sekä huolto-ohjeiden on oltava sellaisessa paikassa, mistä ne ovat helppo löytää, ja mielellään myös ajan tasalle päivitettyinä. Tietojen päivittämismekanismin on oltava kunnossa. Kun päivitetään tai muutetaan jotain tietoa, on myös tiedettävä kuka muutokset on tehnyt, jotta voidaan myöhemmin tarvittaessa selvittää muutoksen syy. Muutoksesta on siis jäätävä jälki järjestelmään. Hankittaessa laitteistoa järjestelmään kannattaa se mitoittaa myös tulevaisuutta silmällä pitäen. Tuotantolinjan rakenteiden olisi oltava mahdollisimman yksinkertaisia, tarkkuudesta kuitenkaan tinkimättä. Laitteet edellyttävät tarkkaa liikkeiden hallintaa ja hallintalaitteiden toiminnan on oltava varmalla pohjalla. Jos FMS-järjestelmä on rakennettu siten, että koneet ovat erilaisia ja ne on tarkoitettu vain tietynlaisille työvaiheille, on mahdollista, että yhden koneen rikkoutuminen vaikuttaa koko järjestelmän 16

17 toimivuuteen. FMS-laitteet olisi järkevää pyrkiä rakentamaan toisiaan korvaavista konetyypeistä, jotka kykenevät samanlaisiin työstövaiheisiin. Tällöin tuotanto jatkuisi konerikosta huolimatta. Myös ruuhkahuippuja voitaisiin jatkossa hoitaa toisiaan täydentävien laitteistojen avulla. Mahdolliset kriittiset kohdat tuotantolinjassa tulisikin varmentaa kahdentamalla laitteisto varmuuden takaamiseksi. FMS:n keskeinen osa on usein hyllystöhissi, jonka ympärille muut työstöyksiköt rakennetaan. Tällainen on esimerkiksi korkea-varaston hyllystöhissi, joka toimii varaston täyttäjänä niin raaka-aineelle kuin valmiillekin tuotteille. Korkeavaraston toimintaan kannattaa harkita kahta hyllystöhissiä. Tällöin voi suorittaa jommallekummalle hyllystöhissille sen tarvitsemat huolto-toimenpiteet, eivätkä huoltotyöt katkaise tuotantolinjan toimintaa. Ennakoivat huollot ovat erittäin tärkeitä, koska niillä voidaan estää laitteistoon tulevia vikoja. Tuotantolinjan liikkeitä valvotaan erilaisten antureiden avulla. Lisäksi löytyy myös rajakytkimiä, turva-aitoja sekä valoverhoja, joiden valvontaa suorittaa ohjelmoitava logiikka. Ohjelmoitavan logiikan (PLC) avulla voidaan ohjata laitteiston eri toimintoja. Logiikka koostuu keskusyksiköstä ja erilaisista ohjauskorteista. Logiikan suorittimen työskentely-ympäristönä on muisti, joka voidaan jakaa kahteen perustyyppiin: tyhjenevään lukumuistiin ja kirjoituskelpoiseen työmuistiin, jossa voidaan säilyttää esimerkiksi väliaikaisten mittaustulosten antamia muuttuja-arvoja. Logiikan tarvitsemat käyttöohjelmat tehdään pysyvään muistiin. Pysyvällä muistilla tarkoitetaan sitä, että ohjelma säilyy koneessa sähkökatkonkin jälkeen. Logiikan ytimenä toimiva suoritin tutkii ohjauskortteihin saapuvat tulosignaalit ja niiden tilat. Logiikka tekee ohjelmansa mukaiset toimenpiteet, ovat ne sitten säätöjä, käynnistyksiä tai pysäytyksiä. Logiikan 17

18 avulla voidaan suorittaa erilaisia laskuritoimituksia, lämmön säätöä, kuljetinratojen paikoitusta ja säätöä servomoottoreille. On myös erilaisia ohjauskortteja, joihin voidaan liittää sellaisia antureita, jotka valvovat laitteiston kuntoa. Omron -logiikkayksikkö ohjainkortteineen 2.3 Millaista hyötyä automatisoinnista on? Nykyaikainen tuotantoautomaatio perustuu tietotekniikan ja ohjaustekniikan laajaan hyväksikäyttöön. Olkoon kyse sitten massa- tai kappaletuotannosta, pysyvät tuotantoautomaation ratkaisut lähes samantyyppisinä. Automaatiotekniikka käsittelee laitteen sisäisiä eli elektronisia toimintoja. Yksi automaatiotekniikan muodoista on koneautomaatio eli mekatroniikka, joka tarkoittaa mekaanisen laitekokonaisuuden varustamista elektronisella ohjausjärjestelmällä. FMS-tuotantojärjestelmää kuvataan usein nopeana, kustannustehokkaana ja tasa-laatuista tulosta tuottavana järjestelmänä. Tuotantojärjestelmän tehtävänä on ohjailla materiaalivirtoja, jotka muunnetaan järjestelmän sisällä valmiiksi tuotteiksi. Tällä tavalla saadaan materiaalin arvo nousemaan. 18

19 FMS-tuotantojärjestelmän toiminnassa voidaan nitoa yhteen suunnittelu ja valmistusprosessit. Tuotantoa on helpompi ohjailla, kun samassa tuotantolinjassa on osavalmistusyksiköt ja kokoonpano-osastot. Näin materiaalin kulutusta ja sen seurantaa voidaan jaotella eri osastojen kesken. Lisäksi jonkin valmistettavan osan puute voidaan huomata ajoissa ja työn panostus voidaan siirtää väliaikaisesti kyseessä olevalle osalle. Tällöin koko tuotteen valmistusaika ei oleellisesti pitene, esimerkiksi mahdollisten materiaalien puutosten vuoksi. Automatisoitua tuotantoa voidaan helposti muunnella senhetkisten tarpeiden mukaiseksi. Suunnittelulla pyritään valmistusystävälliseen tuotantoon. Kun suunnittelussa saadaan yhdisteltyä eri osia osakokonaisuuksiksi, vältytään liitospintojen ylimääräiseltä työstöltä ja säästetään aikaa. Myös yksitoikkoiset toiminnot kannattaa siirtää koneiden tekemiksi, mikäli se vain onnistuu. Teollisuudessa valmistusongelman ratkaisija saa usein etulyöntiaseman, sillä tuotteen valmistuksen yksinkertaistaminen tuo säästöä monin eri tavoin. Jatkuva suunnittelu parantaa myös tuotteen laatua, koska mukana on tuotteen koko elinkaari. Pienissä valmistuserissä ohjaustekniikka korostuu. Näissä on voitava helposti muunnella ohjaukseen annettuja asetusarvoja. Tuotejoustavuus syntyy, kun työjärjestys on vapaa. Järjestelmän on pystyttävä työstämään erilaisia kappaleita mielivaltaisessa järjestyksessä ja erilaisia määriä. On olemassa myös määräjoustavuutta, jota käytetään kuormitustilanteissa, kun tuotantokapasiteetin lisäys on suoritettava taloudellisesti. 19

20 3 FMS JÄRJESTELMÄNÄ 3.1 Yleistä Määritelmä Joustava konepaja-automaatio voidaan jakaa joustaviin tuotantojärjestelmiin (FMS - teknolgia), robotiikkaan ja joustavaan materiaalinkäsittelyautomaatioon. Lisäksi mukaan voidaan liittää joustava kokoonpanoautomaatio (FAS) ja automatisoitu laadunvarmistus. Tyypillisesti FMS-järjestelmä koostuu automaattisesta materiaalien käsittelystä, varastosta ja useammasta työstöasemasta eli NC-koneesta. Kokonaisuutta ohjataan järjestelmään sulautetuilla tietokoneilla. Yleisesti järjestelmällä on olemassa useita erilaisia automaattisia kappaleiden siirto-, kääntö- sekä vaihtojärjestelmiä. Valmiit kappaleet ladotaan yleensä lavaustekniikalla lavalle tai viimeisimmälle siirtohihnalle, josta ne varastoidaan. Lavaus tarkoittaa sitä, että kappaleet tulevat limittäin alustalle, jolloin ne on siitä helppo laskea ja ne pysyvät järjestyksessä. FMS-järjestelmän asetuksia voidaan vaihtaa pysäyttämättä tuotantolinjan koneita. Lavaustekniikkaa 20

21 3.1.2 Mitä FMS -teknologialla tarkoitetaan FMS -teknologialle on käytännössä vakiintunut seuraavia tunnusomaisia piirteitä: FMS -järjestelmä kykenee ylläpitämään keskeytymätöntä tuotantoa joko vähäisellä miehityksellä tai jopa täysin ilman ihmisvalvontaa huomattavan osan toiminta-ajastaan Työkappaleiden ja työkalujen käsittely ja kuljetukset on automatisoitu, samoin työstön, koneiden ja koko järjestelmän monitorointi FMS -järjestelmissä on niiden laajuudesta riippuen yhdestä kymmeniin NC -työstökonetta Järjestelmien työkappaleosaperheissä saattaa olla muutama kappale tai useita satoja erilaisia työkappaleita. Työkappaleiden valmistusmäärät poikkeavat tyypillisesti hyvin paljon toisistaan. Järjestelmissä pyritään yksittäiskappalevirtaan. Useimmissa järjestelmissä reitti on vapaa ts. työkappaleet voivat liikkua järjestelmässä valinnaisesti järjestelmäohjauksen avulla. Näin työnvaiheiden järjestys on valinnainen tai järjestelmässä on useita toisensa korvaavia työstökoneita. FMS - järjestelmien kappaleosaperheisiin voidaan tuoda täysin uusia kappaleita ilman että ne aiheuttavat asetus tai muita ongelmia. FMS - järjestelmä pystyy henkilöstön osalta joustavasti sopeutumaan markkinoilla tapahtuviin muutoksiin. Tämä tapahtuu mitoittamalla järjestelmä niin, että kolmas 21

22 vuoro ja viikonloput ajetaan miehittämättä. Jos tilauskanta vähenee, jätetään miehittämättömät jaksot pois, eikä tarvita lomautuksia. Järjestelmää voidaan laajentaa vaiheittain, ts. siihen voidaan lisätä koneita tai periferialaitteita tarvittaessa myöhemmin. Järjestelmän laitteita pitää tarvittaessa myös voida käyttää yksittäisinä moduuleina FMS -teknologian tasot FMS -teknologian koneet ja järjestelmät koostuvat NC -työstökoneista, materiaalinkäsittelylaitteista ja -järjestelmistä sekä informaatiojärjestelmistä. Modulaarisuus on tunnusomaista FMS - järjestelmille. Näin ollen FMS -teknologian soveltaminen voidaan aloittaa pienestä, yhden NC -koneen yksiköstä ja myöhemmin laajentaa järjestelmää aina joustavaksi automaattiseksi tehtaaksi (FMF) asti. FMS -teknologian eritasoisia konejärjestelmiä ovat: Joustava automaattinen valmistusyksikkö (FMU), joustava, automaattinen valmistusjärjestelmä (FMS), joustava transferlinja (FTL) joustava, automaattinen tehdas (FMF). 22

23 FMS -teknologian tasot, MC = koneistuskeskus, APC = automaattinen paletinvaihtaja Joustava valmistusyksikkö (FMU) Joustavan konepaja-automaation perusyksikkö on FMU, joka on miehittämättömät käyttöjaksot mahdollistavin käyttölaittein varustettu NC -työstökone. Miehittämättömät käyttöjaksot voidaan saavuttaa esim. seuraavin laittein: 23

24 Monitoimisorvi -FMU Joustava valmistusjärjestelmä (FMS) Joustavia valmistusyksiköitä voidaan edelleen yhdistää joustaviksi valmistusjärjestelmiksi (FMS). FMS on kahden tai useamman NC -työstökoneen ympärille rakennettu tuotantojärjestelmä, johon liittyy materiaalinkäsittelyjärjestelmä ja keskusohjaus. Jotta NC -koneiden ohjaimet olisivat liitettävissä ulkopuoliseen keskusohjaukseen, edellytetään niiltä mm. seuraavia toimintoja. -Mahdollisuus siirtää NC -ohjelmia ulkoapäin työstökoneen ohjelmamuistiin -Mahdollisuus siirtää työkalujen kompensointitietoja ulkoapäin NC -ohjaimeen 24

25 -Mahdollisuus antaa ohjelmien käynnistys- ja pysäytyskäskyjä ulkoapäin -Valmius lähettää tilatietoja ja kuittauksia ulospäin (esim. työkappale valmis, työkalurikko) 3.2 NC-ohjaus Mitä on NC NC-ohjaustekniikalla ei alun perin ollut tavoitteena tuotannon automatisointi, vaan sitä tarvittiin monimutkaisten osien valmistukseen, mikä ei ollut käsin operoiden mahdollista. Tarkoituksena oli rakentaa ohjauskoodi, joka ohjaisi työstävän koneen toimilaitteita ja jonka perusteella kone työstäisi halutunmuotoisia kappaleita. Ohjausohjelmia säilytetään joko hajautetusti työstökoneilla tai keskitetysti järjestelmän palvelimella. Työstökoneen muistikapasiteetti on kuitenkin niin pieni, että käytännössä ohjelmia säilytetään palvelimella. Tällöin samaa ohjelmaa voi käyttää useampikin eri kone. Tarvittaessa ohjelmanpalasia lähetetään käytössä olevia väyliä pitkin niitä tarvitseville koneille. Ohjausmenetelmiä on kolme: piste-, jana- ja rataohjaus. Nämä liikeperusmuodot ovat kaupallisissa työstökoneissa aina saatavilla. Pisteohjausta käytetään koordinaattiporauksissa, joissa siirtymisen aikana ei tapahdu työstötoimintaa. Janaohjauksella kappaleen työstöä suoritetaan vain yhteen suuntaan. Rataohjauksella voidaan kiertää kappaletta ja jyrsiä sitä mielivaltaisesti eri puolilta, riippuen tietenkin ohjattavien akseleiden määrästä. Kappaleen työstö voidaan rataohjauksessa suorittaa jatkuvana toimintona aina loppuun saakka. 25

26 Laitteen ohjaustavoilla tarkoitetaan sitä, miten tiedot ja korjaukset ohjelmoidaan koneen käyttöön. Voidaan käyttää ns. käyttöpaneelia, jonka kautta suoritetaan erilaisia ohjauskäskyjä. Eräs tapa on käsipyöräohjaus, jossa toimintoja ohjataan käsin käsipyörällä. Nykyisin kuitenkin tietokoneet ovat vallanneet ohjaustoiminnot. Tietokoneella on helppo valmistella ja muokata ohjaustietoja. NC-ohjauksella asemoinnit ovat tarkkoja käsiohjaukseen verrattuna. Ohjauksen apuna on monenlaisia aistimia eli antureita, jotka antavat tietoja säätötapahtumista ohjausväylän kautta Käsitteitä ja määritelmiä NC on lyhenne englanninkielisistä sanoista numerical control, ja se merkitsee numeerisesti ohjattua. Tällainen ohjaus toimii ilman ohjelmamuistia ja tietokonetta, ja se lukee jatkuvasti reikänauhaa tai reikäkorttia ja suorittaa työstökoneen ohjauksen sen mukaan.(historiaa!) CNC on lyhenne englanninkielisistä sanoista computerized numerical control. Usein puhutaan CNC -koneista, jolloin tarkoitetaan uudempia (noin vuoden 1974 jälkeen hankittuja) NC-koneita varustettuina ohjauksella, johon kuuluu pientietokone ja ohjelmamuisti. Vuosien myötä on lyhenne CNC menettänyt merkityksensä. NC -koneella tarkoitetaan jo yleisesti konetta, jonka ohjaukseen kuuluu ohjelmamuisti ja tietokone ohjaamaan sen toimintoja. Siis käytetään vain termiä NC puhuttaessa numeerisesti ohjatuista työstökoneista, kun ei haluta ilmaista erityisesti ohjauksen tietokonetta ja sen suorituskykyä. Samoin puhutaan NC -koneistajasta eikä CNC -koneistajasta. Tällä tarkoitetaan myös hieman laajempaa käsitettä, joka kattaa kaikki ne tuotantolaitteet, 26

27 joissa matkainformaatio annetaan numeroina. Tällaisia laitteita ovat normaaleiden numeerisesti ohjattujen työstökoneiden lisäksi mm. robotit. DNC on lyhenne englanninkielisistä sanoista direct numerical control. Se merkitsee suoraa tietokoneohjausta. Yleensä DNC -koneella tarkoitetaan NC -konetta, jonka muistiin siirretään NC -ohjelma suuremmasta yleistietokoneesta tiedonsiirtolinjan avulla. Ohjelmaa voidaan siirtää vaiheittain koneistustapahtuman etenemisen mukaan. Tällöin tuo yleistietokone voi suorittaa vaikkapa laaduntarkkailua ja muuttaa NC -koneen käyttäytymistä haluamakseen lähettämällä sille muunnellut, juuri laatimansa käskyt. Näin DNC -järjestelmässä NC koneen ohjaus ja yleistietokone keskustelevat koko ajan keskenään ja synkronoivat toimintojaan. NC koneen käyntiä voidaan valvoa yleistietokoneella ja se voidaan kytkeä tehtaan muuhun integroituun toimintaan. DDI on lyhenne englanninkielisistä sanoista direct data input. Se merkitsee NC -ohjelman siirtämistä linjaliikenteen avulla tietokoneavusteista NC ohjelmointia tukevasta yleistietokoneesta NC koneen ohjaukseen. Tällöin koko ohjelma siirretään kerralla, eikä koneistuksen aikana välttämättä tarvita vuorovaikutusta ohjauksen ja yleistietokoneen välillä. Näin vältetään hidas ja epävarma ohjelman siirtäminen reikänauhan avulla. Jossain vaiheessa alettiin käsitettä DNC käyttää järjestelmistä, joissa NC -ohjelma vain siirrettiin ilman reikänauhaa ulkopuoliselta tietokoneelta NC -ohjaukseen. Kuitenkin DNC on alkuaan tarkoitettu kuvaamaan paljon kehittyneempää tekniikkaa. Lyhenteen DNC voidaan myös ajatella olevan peräisin englanninkielisistä sanoista distributed numerical control, millä tarkoitetaan hajautettua ohjelmien jakelua. Periaate on sama kuin suorassa tietokoneohjauksessa, mutta nyt ohjelmavarasto on isommalla tietokoneella, jonka kanssa usea NC kone on vuorovaikutussuhteessa. 27

28 Periaatteessa DNC -järjestelmässä koneen ohjauksena voi olla myös yksinkertaisempi NC ohjaus, jolloin suurin osa laskentatoiminnoista ja tiedonkäsittelystä toteutetaan isossa yleistietokoneessa. Linjaliikenteen avulla voidaan siirtää suoritettavaksi vain yksi lause kerrallaan, jolloin saadaan toteutettua mittaukset ja mahdollisuus ohjelman jatkuvaan muuttamiseen. AC on lyhenne englanninkielisistä sanoista adaptive control. Se merkitsee adaptiivista säätöä. Adaptiivinen säätö on NC -koneissa toteutettava mittaus- ja säätöjärjestelmä. Sen tuottamaa informaatiota käsittelee joko koneen oma ohjaus, tai se välitetään käsiteltäväksi suuremmalle, laskentakykyisemmälle yleistietokoneelle. Koneistuksen aikana voidaan valvoa mm. kappaleen mittoja, työkalun kulumista tai taipumia, värähtelyitä sekä karamoottorin ottamaa tehoa. Näistä mittauksista lähetettävän tiedon avulla voi koneen ohjaus tai DNC tietokone suorittaa erilaisia laskentoja ja muuttaa luistien ohjausinformaatiota. Adaptiivisessa säädössä käytetään lisäksi käsitteitä ACC (adaptive control constraint), adaptiivinen raja-arvosäätö, jolloin tietyt suureet pyritään pitämään määrättyjen raja-arvojen sisällä, ja ACO (adaptive control optimization), adaptiivinen optimoiva säätö, jolloin tietty suure pyritään pitämään lähellä sen optimiarvoa. DNC -käsite voi siis tarkoittaa hyvin eri tavoin toteutettuja ratkaisuja. Yleensä adaptiivista säätöä ei voida toteuttaa ilman sitä. Vuosien myötä käsite on laajentunut tarkoittamaan erilaisia ratkaisuja. Vielä tälläkin hetkellä ulkopuolisen tietojärjestelmän tuomaan ohjaukseen liittyy tulevaisuuden ratkaisuja ja kehitystä odottava näkemys. MDI on lyhenne englanninkielisistä sanoista manual data input. MDI-laitteella tarkoitetaan NC -ohjauksen näppäimistöä tai laitteistoa, jolla voidaan antaa tietoa käsin syöttämällä ohjauksen muistiin. 28

29 3.2.3 Numeerisen ohjauksen etuja ja varjopuolia Verrattuna aikaisempiin tuotantomenetelmiin, kuten käsikäyttöisiin tai nokka- ja käyräohjattuihin koneisiin, tuo numeerinen ohjaus varsin paljon erilaisia etuja. Koneen tyyppi ja sen käyttötilanne määräävät kuitenkin usein saavutetut edut. Automaatioasteen kasvaessa lisääntyvät edut (esim. koneistus- ja sorvauskeskukset). Toisaalta taas saavutettavat edut kietoutuvat sekavaksi etujen vyyhdeksi, jota yksittäisen yrityksen kohdalla on varsin hankala selvittää. Seuraavassa muutamia etuja verrattuina aikaisempiin tuotantomenetelmiin: - säästöt palkkakustannuksissa - erikoisosaajien tarve vähäisempää - koneen käyttäjän työ on helpompaa -pienemmät työkalukustannukset - lyhyempi läpimenoaika - joustava valmistus - tasainen laatu, hyvä tarkkuus -halpa tietoväline - piilevät mahdollisuudet kehittyvälle automaatiolle Säästöt palkkakustannuksissa: Säästöjä palkkakustannuksissa saavutetaan esimerkiksi siksi, että asetus- ja koneistusajat ovat lyhyemmät, laadun tarkkailu voidaan tehdä analysoimalla vain häiriötekijöitä ja koneen toimiessa automaattiohjauksessa NC -koneistaja voi suorittaa muita 29

30 työtehtäviä. Edeltäviin tuotantoautomaatteihin verrattuna on numeerisesti ohjatun koneen asettaminen uudelle sarjalle varsin nopeaa varsinkin tietokoneavusteista ohjelmointia käytettäessä. Ennen piti tuntikausia asetella käyriä ja nokkia sekä ajaa useita koekappaleita oikeiden mittojen saavuttamiseksi. Vertailua voidaan tehdä vaikkapa revolverisorvin asettamiseen. Erikoisosaajien tarve vähäisempää: Aikoinaan markkinoitiin NC -tekniikkaa sillä, että koneistajien ammattitaidolle ei aseteta kovin korkeita vaatimuksia. Vastuu kappaleen oikeellisuudesta on NC -ohjelman laatijalla, eikä koneistajalla. Ajateltiin myös, että NC -koneistaja ei tarvitse niin seikkaperäistä koulutusta kuin varsinaiset manuaalikoneistajat. Kuka tahansa voi vaihtaa NC -koneelle työkappaleen ja käynnistää ohjelman suorittamisen. Sittemmin tämä käsitys on muuttunut. Nykyisen näkemyksen mukaan NC koneistajan on oltava yrityksen taitavin työntekijä. Koneen käyttäjän työ on helpompaa: Koneen käyttäjän työ on entistä helpompaa. Laskutoimitusten tekemisen, asteikkojen seuraamisen ja erilaisten kampien kiertämisen sijasta hän järjestelee työtehtäviä NC -koneelle. Hän hankkii tarvittavat työkalut, asettelee kiinnittimet, vaihtaa tai asettaa kappaleita ja ohjelmia sekä tarkkailee koneen toimintoja. Pienemmät työkalukustannukset: Pienemmät työkalukustannukset saavutetaan siten, että NC -kone voi koneistaa useita muotoja samalla työkaluna. Tarkastellaan vaikkapa varsijyrsintää. Halkaisijaltaan 25 30

31 mm olevalla varsijyrsimellä voidaan ympyränkaari-interpolointia käyttäen hallita suuri määrä erilaisia reikäkokoja jyrsimen halkaisijasta ylöspäin. Erikokoisia suuria ja kalliita poria ei enää tarvita niin useita. Numeerista ohjausta käytettäessä ovat erilaiset poraus- ja piirroitusmallit tarpeettomia, jolloin säästetään apukonepajan toiminnoissa ja varastotilassa. Työkaluja käytetään taloudellista kestoaikaa vastaavilla nopeuksilla, koska ohjelmaan on talletettu testatut lastuamisarvot. Näin työkalut kestävät paremmin. Toisaalta voidaan monimutkaisiakin, vaikkapa sorvattavia muotoja, kuten kartio, pyöristys ja pallopinta, koneistaa yksinkertaisilla työkaluilla. Kuinka paljon työläämpää niiden tekeminen onkaan manuaalisella sorvilla? Niitä koneistettaessa tarvitaan erilaisia mallineita ja ohjaimia. Hyväkään sorvari ei ilman lisälaitteita kykene niitä koneistamaan. Lyhyempi läpimenoaika: Tietovälineen (ohjelman) vaihtaminen on nopeampaa verrattuna käyriin ja nokkiin. Piirrotukset ja keskiöporaukset ovat tarpeettomia. Työkalujen esiasetus tehdään koneen ulkopuolella ja mahdolliset korjaukset koneen muistiin kompensoinneilla. Näin saavutetaan lyhyet asetusajat, jolloin lyhyet sarjat ja pienet erät ovat taloudellisesti mahdollisia. Suurempi tuottavuus saavutetaan, kun käsin ohjatut liikkeet on automatisoitu. Myös työkalunvaihto tapahtuu koneen käydessä, samoin kuin paletinvaihtajalla varustetuilla koneilla työkappaleen vaihto. Suuret ja monimutkaiset kappaleet voidaan koneistaa yhdessä ainoassa paikassa ilman uuden käsittelyn tuomia rajoituksia. Tarvitaan vähemmän kiinnityksiä. Kappaleet on ikään kuin varastoitu nauhalle tai levylle ohjelman muotoon. Näin vältetään suuria varaosavarastoja. NC -koneistus sopii erinomaisesti, kun sarjakoko on Näin voidaan ajaa pieniä 31

32 sarjoja ja pitää keskeneräisten kappaleiden varastot pieninä. Voidaan koneistaa jopa suoraan kokoonpanoon. Joustava valmistus: Joustavalla valmistuksella NC -tekniikassa tarkoitetaan kahta asiaa. Toisaalta tarkoitetaan joustavia valmistuslinjoja ja toisaalta taas yleistä tuotannon ajallista ja teknistä joustavuutta. Yleisen tuotannon joustavuuden osalta voidaan todeta, että konstruktiotyö ja tuotannon tekninen suunnittelu on yksinkertaisempaa. Konstruktiomuutokset on helpompi toteuttaa, koska ohjelmaa on helpompi muuttaa kuin mekaanista ohjauslaitetta. Piirustukset voivat yksinkertaistua, koska matemaattisia käyriä ja pintoja ei tarvitse mitoittaa niihin kovin seikkaperäisesti. Tarkat arvot on talletettu NC -ohjelmaan. Ammattityövoiman puutteessakin voidaan verraten helposti siirtyä monikone käyttöön tai moni vuorotyöhön ja koneen rikkoontuessa vastaava työ voidaan siirtää toiselle vastaavantyyppiselle koneelle. N C-tekniikan myötä myös joustavat tuotantojärjestelmät tulevat mahdollisiksi. Näillä tarkoitetaan sitä, että erilaiset kuljettimet ja NC -koneet muodostavat kokonaisuuden, joissa voidaan koneistaa samanaikaisesti erilaisia kappaleita. Järjestelmässä on kappaleet tunnistavat laitteet, jolloin oikeat toimenpiteet osataan tehdä oikeille kappaleille. Tavoitteena on saada kappale valmiiksi yhdessä tällaisessa kokonaisuudessa. Tasainen laatu, hyvä tarkkuus: Ehkä tärkein NC -tekniikan eduista on hyvä laatu. Ilman haaveria NC -kone tekee kaikista kappaleesta mitoiltaan samanlaisia. Ainoastaan materiaalin ominaisuuksien vaihtelu ja työkalun kuluminen aiheuttavat pieniä mittapoikkeamia. Näin syntyy 32

33 vähemmän hylättäviä kappaleita. Laatua voidaan tarkkailla otannalla, eikä kaikkia kappaleita tarvitse mitata. NC -tekniikassa ihmisen tekemä inhimillinen virhe estyy eikä tapahdu asetusvirheitä. Näin työn laatu nousee. Halpa tietoväline: Kustannukset verrattuina käyriin, nokkiin tai pistoketauluihin ovat alhaiset. Lisäksi nykyisin ohjelman säilyttäminen tietokoneen levyllä on varsin halpaa ja vaivatonta. Aiemmin reikänauhojen säilyttämisessä ja arkistoinnissa oli ongelmia, jotka nyt ovat poistuneet, kun ohjelma siirretään tietoliikennelinjaa pitkin NC -koneelle. Lisäksi on toteutettu parempi informaation hallinta, jolloin työkalut, kiinnittimet ja ohjelmat käsitellään kokonaisuutena. Piilevät mahdollisuudet: Numeerisesti ohjattu työstökone muodostaa perustan nykyaikaiselle konepaja-automaatiolle. Se tekee mahdolliseksi tuottavan, rajoitetusti miehitetyn valmistustoiminnan. Kehitys jatkuu, ja on rajattomasti erilaisia NC -tekniikan sovelluksia tuotannon eri aloilla. NC -tekniikan haittoja ovat ainakin seuraavat: -suuret hankintakustannukset - laitteiden monimutkainen rakenne -jatkuvan seurannan tarve - aihioiden työvarojen tuomat hankaluudet - käyttäjien ammattitaidon kapeneminen?. 33

34 Suuret hankintakustannukset: Käsikäyttöisiin koneisiin verrattuina ovat numeerisesti ohjatut koneet huomattavasti kalliimpia, joskin niiden hinta ominaisuuksiin verrattuna laskee jatkuvasti. Jotta koneista saataisiin täysi hyöty, pitää työkalu- ja kiinnitysjärjestelmiin investoida runsaasti. Lisäkustannuksia aiheuttavat myös useat lisätoiminnot, kuten kappaleenvaihtajat ja valmiudet miehittämättömään käyttöön. Monimutkainen rakenne: Numeerisesti ohjatut koneet ovat rakenteeltaan monimutkaisempia. Mekaanisten osien lisäksi mukaan ovat tulleet tarkkuusosat ja elektroniikka. Yleensä osien määrän lisääntyessä ajatellaan tuotteen luotettavuuden laskevan. Huollot ja korjaukset ovat vaikeita, eikä oma henkilökunta niitä useinkaan kykene suorittamaan. Kunnossapitoa haittaa ammattitaitoisen työvoiman puute. Tämä lisää henkilökunnan koulutuksen tarvetta. Työkalujen rikkoutumista ja kulumista on kuitenkin seurattava jatkuvasti. Rikkoutunut työkalu voi aiheuttaa kalliin suden. Tämän vuoksi työkalujen kuntoa ja koneen toimintoja on tarkkailtava jatkuvasti. Valvonnan määrää voidaan vähentää miehittämättömän käytön toiminnoilla. Hitsattujen ja valettujen aihioiden oltava mitoiltaan tarkempia: Ilman etukäteen tehtäviä aikaa vieviä mittauksia NC -kone ei voi tunnistaa työvaroja työkappaleesta. Mikäli mittauksia ei suoriteta ja työvarat vaihtelevat eri aihioissa suuresti, tuottaa NC -kone mahdollisesti hylättäviä kappaleita. Ohjelmahan on tehty oletetuille työvaroille. 34

35 Käyttäjän ammattitaito NC -koneella työskentelevä koneistaja oppii vuosien myötä sen ominaisuudet niin hyvin, että hänen poislähdettyään tuntuu, kuin kukaan ei osaisi käyttää konetta tehokkaasti. Tämän vuoksi koneistajia pitäisi konepajassa kierrättää ja tutustuttaa uusiin työtehtäviin. Näin sairastumiset tai työpaikan vaihtamiset eivät aiheuttaisi tuotantokatkoksia NC -konetyypit ja niiden toiminta Jyrsinkoneista koneistuskeskuksiin: Alkuaan koko kehitys alkoi jyrsinnän tarpeista. Alussa automaattinen luistien ajo saatiin toteutettua muutamalla akselilla ilman lastuamisvoimia ja porakoneet syntyivät. NC -porakoneissa voidaan työkalu paikoittaa numeerisesti ohjattuna, mutta porausliikettä ohjaavat rajakatkaisimet. NC -jyrsinkoneissa on jo kolmen akselin numeerinen ohjaus. Niissä työkalu vaihdetaan kuitenkin vielä käsin. Kun jyrsinkoneisiin lisättiin automaattinen työkalunvaihto, kehittyivät lähinnä pystykaraiset koneistuskeskukset. Perinteisistä avarruskoneista kehittyivät vaakakaraiset koneistuskeskukset. Tyypillistä koneistuskeskuksille on automaattinen työkalunvaihto ja työkalumakasiini sekä ainakin kolmen akselin yhtäaikainen numeerinen ohjaus. Poraus- ja jyrsintätöihin hankitaankin nykyisin vain koneistuskeskuksia. NC -porakoneet ja NC -jyrsinkoneet ovat jäämässä historiaan. Koneistuskeskusten käyttöympäristöä voidaan muuttaa hankkimalla erilaisia pyöröpöytiä kappaleiden kääntämiseksi sekä paletinvaihtaja työkappaleiden vaihtamiseksi. Paletteja voidaan varastoida erilaisilla 35

36 palettiradoilla. Koneistuskeskukset ovat tyypillisesti myös joustavien valmistusjärjestelmien (FMS) osia. Koneistuskeskuksilla voidaan keskiöporata, porata, väljentää, kalvaa, upottaa, jyrsiä, avartaa ja kierteittää. Erityisenä etuna on ympyränkaari-interpolointi erikokoisten pyöreiden muotojen hallintaan sekä kolmen akselin yhtäaikainen ohjaus helpottamaan pintojen koneistamista. Koneistuskeskuksiin voidaan hankkia karapäällä kallistettava työkalu, jolloin puhutaan 5-akselisesta koneistuksesta. Tällöin on helppoa koneistaa esimerkiksi päästöjä muotteihin ja malleihin. Tasolaikkaa tai NC -avarruspäätä käytettäessä voidaan hallita avarrettavien reikien halkaisijamittaa tai avartaa vaikkapa kartiokkaita reikiä. Sorveista sorvauskeskuksiin: Aluksi numeerinen ohjaus toteutettiin vain sorvin kahdelle luistille. Työkalut järjestettiin revolveriin revolverisorveista tuttuun tapaan. Tällöin voitiin NC -sorveissa koneistaa normaaleita sorvauskappaleita numeerisesti ohjattuna. Sittemmin huomattiin, että sorvauskappaleissa on varsin paljon poraus- ja jyrsintä töitä. Normaalin sorvauksen jälkeen suurin osa kappaleista meni porakoneille, joissa niihin porattiin reikiä ja tehtiin kierteitä, tai jyrsinkoneille erilaisten muotojen ja kiilaurien jyrsintään. Sorveihin kehitettiin pyörivät työkalut, jolloin syntyi sorvauskeskus. Siinä suurin osa sorvattavista kappaleista tulee valmiiksi samassa koneessa. Varsinainen sorvauskara voidaan pysäyttää pyörivillä työkaluilla tehtävien koneistusten ajaksi, tai sillä voidaan jakaa, esimerkiksi reikäjako laipalle. Neliakselisilla sorveilla tarkoitetaan sorveja, joissa on kaksi tai useampi revolveri. Kun molemmilla revolvereilla on sekä pituus- että poikittaisliike, voidaan niillä myös koneistaa yhtä aikaa, mikäli ohjaus sen sallii. Käännettävät kappaleet olivat uusin 36

37 ongelma. Kun kappale pitää kääntää, asettaa se kappaleenvaihtajalle uusia vaatimuksia. Toisesta päästä sorvattu kappale otetaan pois karasta, ja karalle laitetaan uusi aihio. Puoleksi sorvattu kappale tarvitsee mahdollisesti välivaraston. Kun käännettävän kappaleen tuomiin hankaluuksiin alettiin kiinnittää huomiota, kehitettiin kaksikarainen sorvi. Viisiakselinen vaakakarainen koneistuskeskus. Suoraviivaisten X-, Y- ja Z-akseleiden lisäksi on pyöröpöydällä C- akseli sekä kääntöpöydällä A-akseli. 37

38 Kahdella työkalurevolverilla varustettu sorvi eli 4-akselinen sorvi on kyseessä Teollisuusrobotti tyypillisessä työympäristössään. 38

39 Kulmapää, jolla voidaan koneistaa 5-akselisesti kallistamalla työkalua. Nakerruskoneista levytyökeskuksiin: Aivan kuten jyrsinnässä ja sorvaamisessakin, on myös levytöissä edetty NC -tekniikassa kehittämällä levytyökeskus. Niissä on tyypillisesti työkalukasetteihin asetetut työkalut, joita ne vaihtavat automaattisesti. Joissakin koneissa voi olla työkalun kierto. Levyt vaihdetaan automaattisesti, ja valmiit kappaleet jätetään joko kiinni levyyn myöhempää irrottamista varten tai pudotetaan pöydän läpi kasettiin. Usein levytyökeskuksissa on lävistysyksikön sivussa laser- tai plasmaleikkausyksikkö, jolla kone kykenee leikkaamaan nopeasti muotoja, joita ei kannata tehdä nakertamalla. Levytyökeskuksissa levy tekee yleensä liikkeet ja lävistysyksikkö pysyy paikallaan. 39

40 Numeerinen ohjaus levytöissä: Varsin yleisiä numeerisesti ohjattuja koneita ovat erilaiset leikkauskoneet. Näistä voidaan mainita NC -poltokoneet, NC- plasma- ja NC -laserleikkauskoneet. Tyypillistä näille on laaja rakenne, koska levyn pitää sopia niiden sisälle. Ne voivat kahden akselin yhtäaikaista ohjausta käyttäen leikata levystä yhden kappaleen, leikata koko levystä yhtä samanlaista kappaletta tai ohjelmansa mukaisesti paloitella levyn moneen erilaiseen kappaleeseen. Mikäli käytetään monisuutinajoa, leikkaa kone yhtä aikaa useaa samanlaista kappaletta. Levytöissä voidaan NC -tekniikkaa käyttää lisäksi erilaisissa NC lävistys- ja nakerruskoneissa, NC -elektronisuihkukoneissa, NCsärmäyspuristimissa, NC -särmäntaivutuskoneissa, NC -suuntaisleikkureissa, NC -pyöristyskoneissa ja NC -paino- ja puristussorveissa. Numeerinen ohjaus hionnassa: NC -hiomakoneissa numeerista ohjausta käytetään pääasiassa kahteen seikkaan. Hiomalaikkaa voidaan muotoilla ja teroittaa timanttia käyttäen. Jotta laikka saataisiin muotoiltua pistemäistä timanttia vasten oikeaan muotoonsa, ohjataan laikan liikkeitä teroituksen aikana numeerisesti. Toisaalta hiomakoneissa on tyypistä johtuen erilaisia pistäviä tai paikoittavia, jopa vinoja liikkeitä. Myös eri hiomalaikkoja voidaan kääntää revolverin tapaan esille. Lisäksi pitkiä hiontaliikkeitä voidaan kompensoinnein suoristaa antamalla ohjaukseen johteista aiheutuneiden virheiden korjauksia. Markkinoilla on kierteenhiomakoneita, joissa hiomalaikka on teroitettu nousevan profiilin muotoon. Tällöin hiomakoneen kara ja laikan pyörimisliike ovat synkronoidut siten, että laikka voi suorittaa suoraviivaista tasaista liikettä. Adaptiivisen säädön soveltaminen on ennen 40

41 kaikkea hionnassa muita menetelmiä helpompaa. Tällöin lastut eivät haittaa esimerkiksi työkappaleen mittaamista automaattisesti. Numeerinen ohjaus hitsauksessa: Kaarihitsaus automatisoidaan tavallisesti käyttämällä hitsausrobotteja. Robotin apuna voidaan käyttää erilaisia numeerisesti ohjattuja pyöröpöytiä ja kääntölaitteita sekä paikoitusasemia. Pistehitsausta voidaan automatisoida NC -pistehitsauskonella tai robotilla. Numeerisen ohjauksen muita sovelluksia: Putket voidaan taivuttaa NC -putkentaivutuskoneella. Pistimiä ja muotteja voidaan valmistaa NC -kipinäeroosiokoneella. Pistimen muotoja voidaan leikata NC -lankasahalla, jossa jatkuvasti juokseva ohut lanka suorittaa leikkaamisen sähköeroosion avulla ja suoraksi kiristetyn langan paikkaa ohjataan numeerisesti. Kartiomuotoja voidaan leikata, kun langan sekä ylä- että alapäätä ohjataan toisistaan riippumatta. Vesisuihkuleikkauksella voidaan leikata hyvinkin erilaisia muotoja niin metalleihin kuin muoveihin. Piirikortteihin voidaan porata reikiä komponenttien jalkoja varten piirikorttien porakoneilla Solu Solu on pieni itsenäinen valmistusyksikkö, joka suorittaa jonkin osakokonaisuuden valmistuksen. Tuoteverstas saadaan muodostumaan, kun solujen työvaiheet yhdistetään yhdeksi valmistuskokonaisuudeksi. Tuoteverstaassa on mukana myös 41

42 tuotesuunnittelua. Solujärjestelmän tavoitteena on työn tuottavuus. Tämä saadaan aikaan, kun tuotteella on valmistuksen soveltamiseen hyvät lähtökohdat. Tuoteverstaassa materiaalivirtaa on pyritty selkeyttämään rakentamalla linjoja, jolloin tuotteen valmistusprosessista tulee joustava ja tuote siirtyy suoraan työtapahtumasta toiseen. Tuotanto koostuu erilaisista koneryhmistä eli soluista, joissa kappaleet kiinnitetään eräänlaisiin istukoihin tai paletteihin, ja joita työstetään monivaiheisesti useilla eri koneilla. Koneryhmillä pyritään hyvään tuottavuuteen ja tässä käytetään automaatioohjausta apuna. Näin saadaan kappaleelle nopea työstöaika ja koneille korkea käyttöaste. Tuoteverstailla saadaan läpimenoaika alenemaan sekä varastontarve pienenemään. Soluperiaate käyttää hyödykseen solurakennetta ja sen luomaa osakokonaisuutta. Näin kappale voidaan työstää lähes mielivaltaisessa järjestyksessä. Laitteiston ohjauksen merkitys kasvaa, kun tuotteen rakenne ei enää ole yksinkertainen. Soluperiaatteella saadaan aikaa erikoistumista sekä toimintavarmuutta, jolloin tuotteen hinta ja laatusuhde pysyy hyvänä. Itsenäisiä valmistusyksiköitä 42

43 3.3. FMS järjestelmän rakenne ja ohjaus Joustava automaattinen järjestelmä rakentuu työasemien ympärille. FMU :ssa niitä on yksi ja FMS :ssä vähintään kaksi. Lastuavissa järjestelmissä työasemat ovat luonnollisesti useimmiten työstökoneita. Yleisimpiä ovat koneistuskeskukset ja sorvit, mutta käytössä on myös sahoja, hiomakoneita sekä muita perustyöstökoneita ja erikoiskoneita, kuten hammastuskoneita. Koneissa on usein yksittäin käytettyjä työstökoneita suuremmat työkalu- ja kappalemakasiinit. Automaation vaatimusten ja miehittämättömien käyttöjaksojen onnistumisen takia työstökoneissa on oltava automaattinen työkalujen ja työkappaleiden tunnistus ja vaihto, sekä riittävä työstönja kunnonvalvonta. Lastujen käsittely- ja lastuamisnestejärjestelmät on yleensä keskitetty. Miehittämättömän käytön mahdollistavat valvontatoiminnot: FMS -tekniikan määritelmään kuuluu miehittämättömän käytön mahdollisuus. Sen tärkeitä osatekijöitä ovat työstön valvonta ja mittasäätö. Työstönvalvonnalla tarkoitetaan toimia, joilla työstössä esiintyvä häiriö voidaan havaita siten, että työkalun, työkappaleen ja työstökoneen vauriot voidaan estää tai rajoittaa mahdollisimman vähäisiksi. Mittasäädöllä varmistetaan työkappaleiden mittatarkkuus. Kappaleen tunnistus varmistaa oikeiden ohjelmien käytön. Työstönvalvonta voidaan jakaa työstön aikaiseen valvontaan ja työstön jälkeiseen valvontaan. Työstön aikaisella valvonnalla korjaustoimenpiteet voidaan tehdä välittömästi ja ne vaikuttavat heti työstettävään kappaleeseen. Reagointiaikojen on oltava nopeita. Työstön jälkeinen valvonta ehtii vaikuttaa vasta seuraavan kappaleen työstään. Siihen on pakko tyytyä, jos työstön aikainen valvonta ei teknisesti tai kustannussyistä ole mahdollista. 43

44 Karateho on lastuavan työstön yleisin valvontasuure helposta mitattavuudestaan johtuen. Muita mahdollisuuksia ovat vääntömomentti, lastuamisvoimien tai värähtelyjen mittaus. Värähtelyihin liittyvä akustinen emissio on myös ollut mielenkiinnon kohteena. Adaptiivinen säätö on työstönvalvonnan alalaji. Siinä säädetään työstä valittua suurelta jatkuvasti mitaten siten, että se on jatkuvasti tehokasta. Rouhintalastuaminen on toistaiseksi ollut adaptiivisen säädön ominta aluetta. Se on kuitenkin vielä vähäisessä käytössä menetelmien vuosia kestäneestä esittelystä huolimatta Adaptiivinen säätö tapahtuu esimerkiksi rouhintasorvauksessa mittaamalla jatkuvasti karatehoa ja säätämällä sen perusteella syöttöä. Koneistus keskuksissa adaptiivisen säädön soveltuvin käyttö on pintojen rouhintajyrsintä. Työkalurikon havaitseminen on tärkeä valvonnan kohde. Myös työkalun kestoajan valvonta on työkalujen mittauksen tarpeellinen sovellus. Koneen ohjaus laskee työkalun työstöajan. Kun ennalta määrätty kestoaika saavutetaan, käynnistetään joko varatyökalun tai työkappaleen vaihto tai pysäytetään kone. Työstökoneen mittasäädöllä tarkoitetaan työkalun aseman korjausta siten, että kappaleeseen saadaan halutut mitat. Sitä tarvitaan varmistettaessa mittojen oikeellisuus rajoitetusti miehitetyssä tai miehittämättömässä tuotannossa. Mittasäädöllä voidaan myös tunnistaa työkappaleita, mitata niiden kiinnityksiä ja todeta työkalun liiallinen kuluminen. Mittasäädön menetelmät jaetaan sen mukaan, mitataanko työkalua vai työkappaletta. Työkappaletta mittaavia menetelmiä sanotaan suoraksi mittasäädöksi ja työkalua mittaavia epäsuoraksi mittasäädöksi. 44

45 Sorveissa ja koneistuskeskuksissa käytetään sekä suoraa että epäsuoraa mittasäätöä. Sorvien suorassa mittasäädössä kappaletta mitataan joko karaan tai erilliseen mittausasemaan kiinnitettynä. Työstön aikainen mittaus on sorvauksessa vielä teknisesti vaikeaa päinvastoin kuin pyöröhionnassa, jossa se on ollut käytössä jo kauan. Koneessa tapahtuvaan mittaukseen käytetään yleisesti työstökoneen työkalusijaan työkalujen tapaan kiinnitettyä mittauspäätä. Koneen ulkopuolella kappaleita mitataan mittaushaarukoin tai mittauskoneissa käytetyin laitejärjestelyin. Koneistuskeskuksissa työkappaleet mitataan sorvien tapaan työkalun paikalle sijoitetulle mittauspäällä tai koneen ulkopuolella koordinaattimittauskoneessa. Työkalun mittaamiseen käytetään pöytään kiinnitettävää mittauspäätä, johon työkalu, esimerkiksi pora tai jyrsin, saatetaan kosketukseen. Järjestelmien ohjaus: FM-järjestelmissä materiaali- ja työvälinevirrat ovat keskeisiä. Myös järjestelmien ohjaus ja ohjauksen käsittelemät tietovirrat ja niiden hallinta ovat nousseet hajautettujen tietoteknisten ratkaisujen ja arkkitehtuurien myötä tärkeään asemaan. Laitetekniikka FM-järjestelmissä hallitaan tällä hetkellä hyvin. Ohjausjärjestelmät ovat käyttäjälle valitettavan usein suljettuja ja sovellutuskohtaisesti räätälöityjä, joten muutosten ja korjausten tekeminen ilman järjestelmätoimittajan tukea ja apua on mahdotonta. Lähdekoodisen FM-ohjausohjelmiston rakentaminen itse alusta lähtien on liian suuritöinen urakka. 45

46 FM-ohjauksia on tarjolla: -keskitettyjä PC-sovelluksia -työasematietokonejärjestelmiä -mikrotietokoneohjauksia -logiikkapohjaisia ohjauksia -työstökoneen tai robotin ohjaukseen tukeutuvia järjestelmiä Keskitetyt perinteisiin DNC -liityntöihin tukeutuvat FM-ohjaukset ovat vanhinta järjestelmäsukupolvea. Keskustietokoneen hallitsemat tiukasti hierarkkiset FM-ohjaukset ovat syrjäytymässä. Tilalle ovat tulossa hajautetun tietokonearkkitehtuurin modulaariset FM-ohjaukset. Hajautetussa FM-ohjauksessa käsittelykapasiteettia ja toimintoja on hajautettu mahdollisimman lähelle prosessia. Korkeimmalla ohjaustasolla käsitellään järjestelmän tuotannonohjaukseen ja kuormitukseen liittyviä asioita. Samoin erilaiset käyttäjien raportit luodaan ohjauksen ylätasolla, kun sen sijaan prosessilaitteiden ohjaus, hälytykset ja valvonnan rutiinitehtävät hoidetaan ohjauksen alimmalla tasolla. Tietoverkot ja väylät ovat olennainen osa nykyaikaista FM- järjestelmän ohjausta. Liittymät FM-ohjauksesta verstaan muihin tietojärjestelmiin, kuten CAD-suunnitteluun, NC -ohjelmointiin ja tuotannonohjaukseen, ovat hyvin toimivan FM-ohjausjärjestelmän olennainen osa. 46

47 FM-järjestelmän ohjauksen päätehtäviä ovat : -kuljetuksen ja varastoinnin ohjaaminen -kappaleenkäsittelylaitteiden ohjaaminen -työstä- ja muiden asemien ohjaaminen -valmistuksen hienokuormitus ja ajoituksen ohjaaminen -monitoritoiminnot -tietojen keruu ja käsittely tuotannonohjausta sekä kustannus- ja palkanlaskentaa varten -tietojen keruu ja käsittely kunnossapitoa varten Kuljetuksen ja varastoinnin ohjaaminen on useimmissa FM järjestelmissä osa koko järjestelmää palvelevaa korkeavaraston ohjausta. Materiaalin siirrot voidaan FM-järjestelmässä hoitaa myös vihivaunuilla. Vihivaunujärjestelmä vaatii oman FMkeskusohjauksen alaisen ohjauksensa. Yksinkertaisimmillaan kuljetusten ja varastoinnin ohjaus on muutaman vihivaunun reitittämistä ja palvelupyyntöjen välittämistä. Mutkikkaammat suuret vihivaunujärjestelmät vaativat mittavan ohjausjärjestelmän ja ohjelmoidun reitityksen optimoinnin. Korkeavarastojen yleisin ohjausperiaate on paikkakoodatut hyllyt, jolloin mahdolliset järjestelmähäiriöt eivät halvaannuta F M-järjestelmän toimintaa ja vikatilanteista toipuminen voidaan hoitaa nopeasti ja tehokkaasti. Korkeavaraston tilankäytön ja käsittelykapasiteetin kannalta on eduksi, jos paikkakoodattujen hyllystöasemien sijaan varastopaikkoja voidaan optimoida dynaamisesti. 47

48 Eräs FM-järjestelmän ohjauksen tehtävä on kappaleenkäsittelylaitteiden ohjaaminen. Palettijärjestelmiä voidaan ohjata paikallisesti työstökoneiden ohjauksilla. Kuljetinhihnat, rullaradat, ketjukuljettimet ja erilaiset hissit vaativat omat ohjausjärjestelmänsä. Nämä toiminnot kannattaa hoitaa työstökoneiden ohjausten asemesta ylemmän tason FM-ohjauksella. Työstö- ja muiden asemien, kuten esimerkiksi pesukoneiden, ohjaaminen on osa toimivaa FM-järjestelmän ohjausta. Työstökoneiden ohjelmien siirto koneille ja korjattuina ohjelmina ohjausjärjestelmän arkistotiedostoihin, erilaisten hälytysten käsittely ja työkalutietojen siirto ovat esimerkkejä työstöasemakohtaisesti ohjattavista tiedoista. FM-järjestelmän ohjaukseen kuuluvat myös valmistuksen hienokuormituksen tiedot sekä ajoituksen ohjaaminen. Kappaleiden reititys FM-järjestelmässä ja kapasiteetin varaus työstökoneilta ja muilta käsittelylaitteilta ovat kuormituksen kohteita. FM-järjestelmän toimintaa ja tilaa kuvaavien raporttien ja valvontanäyttöjen tulostaminen ja hallinta ovat FM-ohjauksen tehtäviä. Valvottavia asioita ovat erilaiset virhe- ja vikailmoitukset ja hälytykset. Valvontaan liittyvät myös kunnonseurantaan ja huoltoon kuuluvat järjestelmäasiat. Käytettävyys- ja käyttöaikaseuranta ovat FM-ohjauksen oleellinen osa. FM-ohjauksella on ylätason liittymiä tuotannonohjauksen ja kustannuslaskennan järjestelmiin. FM-ohjaus tuottaa tietoja kustannusseurantaan ja raportointitietoja tuotannonohjaukselle. 48

49 FM-järjestelmälle asetetaan seuraavia yleisiä vaatimuksia: -ohjauksen algoritmien on turvattava FM-järjestelmän tehokas käyttö -ohjauksen pettäessä FM-järjestelmä ei saa joutua kokonaan toimintakyvyttömäksi -manuaalisten rutiinien on oltava hyvin vähäisiä -laitteiden ja ohjelmistojen luotettavuuden on oltava korkea -kriittiset ohjauksen osat tulee varmistaa esimerkiksi kahdentamalla -moduulirakenne -laajentamismahdollisuus -helppo käytettävyys -kehittynyt diagnoosijärjestelmä vikojen ja virheellisten toimintojen paikallistamiseksi laitteissa ja ohjelmistoissa -monipuolinen tapahtumien tilastointi -liitäntämahdollisuus tehtaan toimintoihin, kuten tuotannonohjaukseen, NC ohjelmointiin ja kunnossapitoon Uusimmissa FM-ohjauksissa järjestelmän käyttäjäystävällisyyttä on parannettu ja samalla karsittu mahdollisia virhetoimintoja järjestelmän käytössä. Käyttäjäystävällisyys nopeuttaa FM-järjestelmän käyttökoulutusta. Työasemapohjaisissa FM-ohjauksissa käyttäjäliittymät ovat graafisia. FM järjestelmä esitetään ohjainnäytöllä työstökoneita ja kuljetinjärjestelmää kuvaavilla ikoneilla ja symboleilla. Koneiden käynnistykset ja 49

50 pysäytykset hoidetaan kuvallisia symboleja hiiriohjaimella näpäyttämällä. Järjestelmän koneiden ja laitteiden tiloja ja toimivuutta havainnollistetaan väreillä. FM-järjestelmän ohjauksen on joustavasti kyettävä mukautumaan töiden vaihtuvaan järjestykseen. Kuormitustilanne vaihtelee päivittäin jopa useita kertoja saman päivän aikana. Töiden ohjaukseen voidaan- vaikuttaa osien reititystä muuttamalla ja palettijonojen järjestystä muuttaen priorisointisääntöjä vaihtamalla. FM-järjestelmän töiden optimointia helpottaa, jos ohjauksessa on ennusteita työkaluista ja tuotannosta. Järjestelmien kytkeminen CIM:n osaksi: FM-järjestelmät ovat osa yrityksen CIM -järjestelmää. Tuotesuunnittelun CAD-järjestelmän tuotemalleihin perustuva FM- järjestelmän vaatima ohjaus ja ohjelmointitieto voidaan tuottaa ja siirtää CIM -järjestelmän työasemilla ja tietoverkoilla. Tuotemalliin tukeutuva NC- ohjelmointi nopeuttaa osien koneistuksen aloittamista FM-järjestelmässä. FM-järjestelmien ohjaus tukee työstöohjelmien hallintaa ja siirtoa työstökoneille. Etuja, joita FM-järjestelmän kytkeminen osaksi yrityksen CIM -järjestelmää tuovat ovat: -tuotetiedon säilyminen samansisältöisenä läpi myynti-suunnittelu-valmistusketjun -mahdollisuus nopeisiin tuotemuutoksiin -nopea ja jousta läpäisyaika -tiedon kulku kahteen suuntaan; tuotetieto suunnittelusta valmistukseen ja raportointitieto FM-järjestelmästä operatiivisiin järjestelmiin, kuten tuotannonohjaukseen ja kustannuslaskentaan 50

51 -tuotemallin hyödyntäminen NC -ohjelmoinnissa -robottien etäohjelmointi -FM-järjestelmän kuormituksen ja kapasiteetin simulointi FM-järjestelmän ohjauksen periaatteet: FM-järjestelmän ohjaus voidaan jakaa kolmeen periaatteelliseen tasoon: Tehdas-, järjestelmä- ja konetasoon. Kun mukaan otetaan vielä yritystason tietokoneyhdennetyt toiminnot, voidaan laajasti ottaen puhua kokonaisvaltaisesta tietokoneyhdennetystä yritystoiminnasta eli CIM:stä. Seuraava FM-järjestelmien ohjauksen kuvaus on rajattu käsittämään järjestelmiin elimellisesti liittyvät tasot: Tehdas-, järjestelmä- ja konetasot. Ohjauksen eri osat on liitetty toisiinsa tietoverkoilla. Nämä verkot voivat olla tasokohtaisia, jolloin jokaisella ohjauksen tasolla on oma erillinen verkkonsa. Eri verkot liitetään tällöin toisiinsa tarvittavilla liitäntäyksiköillä. Nykysuuntauksen mukaan ohjauksen eri tasot pyritään kuitenkin liittämään yhteen standardisoituun tietoverkkoon. Tällaisena verkkona voi toimia esim. Ethernet -lähiverkko. Yhtä runkoverkkoa käyttämällä ohjauksen hierarkiaa voidaan keventää ja järjestelmässä liikkuvaa tietoa voidaan käyttää helpommin hyväksi kaikissa verkkoon liittyvissä tietojärjestelmissä. Näin toteutetaan CIM in perusperiaatetta reaaliaikaisen tiedon vapaasta käytöstä kaikkialla tietojärjestelmässä. Työntekijöiden olisi myös ymmärrettävä FM järjestelmäkokonaisuus, selvittävä rutiini kunnossapidosta sekä hallittava laitteiden uudelleenkäynnistys virhetilanteissa. Lisäksi 51

52 työntekijöiltä vaaditaan ryhmätyökykyä sekä ennakkoluulotonta asennoitumista uuteen teknologiaan ja hyvää motivaatiota. 52

53 Konetaso: Alin taso, jota voidaan kutsua myös järjestelmäohjauksen lattiatasoksi, sisältää varsinaiset työstökoneiden, kappaleenkäsittelyjärjestelmän ja oheislaitteiden NC -ohjaimet sekä tarvittavat ohjaimiin liitetyt liitäntämikrot tai ohjelmoitavat logiikat (PLC). Oheislaitteiden ohjaimia voivat olla esim. automaattisen varaston, jäysteenpoistoaseman, mittausaseman ja pesuautomaatin ohjausjärjestelmät. Konetason ohjainkomponentit huolehtivat välittömästä työstökoneiden, kappaleenkäsittelyjärjestelmän ja oheislaitteiden ohjaamisesta. Konetason komponentit toimivat myös liitäntäpintana ylemmän tason ohjainkomponentteihin ja huolehtivat kaikesta tarvittavasta tiedonsiirrosta lattiatason ja järjestelmätason välillä. Useissa tapauksissa tämä liittyminen ylempään ohjaustasoon vaatii liitäntämikron tai PLC:n liittämisen NC -ohjaimeen. Uusimman sukupolven NC -ohjaimet voidaan kuitenkin jo liittyä suoraan järjestelmän tietoväylään. Järjestelmätaso: Yhteen tuotantojärjestelmään liittyviä järjestelmätason ohjaustoimintoja voidaan yhteisesti kutsua järjestelmä- tai soluohjaimeksi. Järjestelmäohjain koostuu periaatteellisella tasolla kolmesta perusosasta: Varsinaisesta järjestelmäohjaimesta, tietokantapalvelijasta ja käyttöliittymästä. Järjestelmätason ohjainkomponentit voidaan hajauttaa suurissa FMS:ssä useaan eri tietokoneeseen tai mikroon. Pienemmissä järjestelmissä voidaan koko järjestelmäohjain toteuttaa yhteen tietovälineeseen. Varsinainen järjestelmäohjain on ohjaimen suorittava osa. Se voidaan jakaa kahteen pääosaan: Yksikköohjausohjelmistoon ja toiminnan hallintaohjelmistoon. 53

54 Yksikköohjausohjelmisto välittää toiminnan hallintaohjelmiston generoimat toimintakäskyt konetasolle. Yksikköohjausohjelmisto siis kommunikoi lattiatason ohjauskomponenttien kanssa ja välittää alhaalta päin tulevat laitteiden ja järjestelmien tilatiedot ylöspäin. Toiminnan hallintaohjelmisto vastaanottaa tilatietoja ja generoi jatkuvasti sopivien algoritmien avulla tilanteen mukaista toimenpidelistaa. Hallintaohjelmisto käskyttää tämän toimenpidelistan mukaisessa järjestyksessä yksikköohjausohjelmistoa. Tietokantapalvelija kerää jatkuvasti järjestelmäohjaimen välittämiä tietoja järjestelmästä. Näitä tietoja ovat erilaiset tuotantoresursseihin (työstökoneet, työkalut, työkappalevarasto), kuljetusjärjestelmään ja tilauksiin liittyvät tiedot. Myös liitännät järjestelmäohjaimen ja yrityksen muiden tietojärjestelmien välillä hoidetaan tietokantapalvelijan kautta. Tietokantapalvelija toimii siis nimensä mukaisesti kaiken järjestelmässä liikkuvan tiedon reaaliaikaisesti päivittyvänä varastona ja liitäntäpintana. Järjestelmän käyttäjä kommunikoi järjestelmäohjaimen kanssa käyttöliittymien avulla. FMS:ssä voi olla useita käyttöliittymiä järjestelmän käyttöpisteiden vaatimusten mukaisesti. Käyttöliittymän kautta suoritettavia käyttäjätoimintoja ovat tyypillisesti: -järjestelmän käynnistys ja pysäytys -tilausten tekeminen ja priorisointi -asetustietojen päivitys asetusten tekemisen jälkeen -työkappaletietojen hallinta -työkalutietojen hallinta -NC -ohjelmien hallinta, liittyy työkappaletietoihin -tuotantotietojen (esim. kuormitusjakson aikana valmistuneet tilaukset) käsittely 54

55 -valmistuksen kokonaisvaltainen hallinta sekä järjestelmän valvontaan liittyvät toiminnot. Tehdastaso: Tehdastaso sisältää ohjaushierarkiassa järjestelmäohjaintason yläpuolella ja rinnalla toimivat ulkopuoliset tietojärjestelmät. Tällaisia ovat esim: -CAD/CAM -ohjelmointi -robottien etäohjelmointi -tuotannonohjaus -varasto-ohjaus 55

56 -menetelmähenkilöstön ja työnjohdon tietojärjestelmät -mahdollinen FMS:n simulointiohjelmisto Tietojärjestelmät liittyvät järjestelmäohjaimen tietokantaosaan. Näin toteutetaan CIMin periaatetta reaaliaikaisen tiedon vapaasta käytöstä kaikkialla, missä sitä tarvitaan. Tällöin esim. tuotannonohjaus voi rakentaa suoraan järjestelmän tilauslistaa tuotantotilanteen mukaan. Järjestelmän käyttäjä saa tilauslistan välittömästi käyttöönsä järjestelmän tietokantapalvelijan kautta. Käyttäjä voi näin päivittää tarvittaessa järjestelmän työjonoa tilauskannan mukaisesti. Yritystaso: Linkki FMS :stä yritysjohdon tietojärjestelmiin on myös keskeinen liiketoiminnan johtamisen kannalta. Yritysjohdolla, tuotesuunnittelulla ja myynnillä on käytettävissään tietokantapalvelijan kautta järjestelmän ohjauksen kehittyneisyydestä riippuen esim. FMS:n reaaliaikaisesti päivittyvät tuotanto-, käytettävyys- ja käyttösuhdetilastot. 3.4 FMS -laitteita Materiaalin käsittelyjärjestelmät FMS -järjestelmissä materiaalinkäsittely on automatisoitu. Automaattinen materiaalinkäsittely liittää työstöyksiköt toisiinsa. FM-järjestelmän materiaalinkäsittelyä ovat: -raaka-aineen ja aihioiden kuljetus ja varastointi -työvälineiden varastointi ja siirrot 56

57 -valmiiden osien ja tuotteiden varastointi sekä kuljetukset - jätteiden kuten lastujen ja lastuamisnesteiden kuljetus Koska FMS -järjestelmien on oltava luotettavia ja varmatoimisia, kuljetuslaitteilta edellytetään tarkkuutta, häiriöttömyyttä ja turvallisuutta. Tarkka asemointi ja paikoitus mahdollistavat tarkkojen työstökonekohtaisten makasiinien liittämisen osaksi materiaalikäsittelyä. Materiaalinkäsittelyn on oltava joustavaa, jotta erilaiset työstökoneet voidaan liittää osaksi järjestelmää. Materiaalinkäsittelyssä pyritään pitkälle vietyyn automatisointiin, kuljetus- ja varastointilaitteiden sen sijaan on toimittava manuaalisesti häiriötilanteiden aikana. Työstön jätteet, kuten lastut ja leikkausjätteet, eivät saa häiritä materiaalinkäsittelyjärjestelmiä. Uusimmissa FMS -järjestelmissä jätteiden kuljetus ja käsittely on tehokkaasti eriytetty raaka-aineiden ja valmiiden osien virtauksesta. Materiaalin kuljetus ja varastointi FM-järjestelmässä voidaan hoitaa: -paleteilla ja erikoiskiinnittimillä -kuormalavoilla -kuormalaatikoilla -lavoilla, joissa on kappaleiden asemointituet -kaseteilla -irrallisina kuljettimien päällä Pienissä FMS -järjestelmissä materiaalin käsittely hoituu esimerkiksi teollisuusrobotilla tai yksinkertaisella hihnakuljettimella tai rullaradalla. Suuremmissa useiden työstökoneiden FM-järjestelmissä kappaleita kuljetetaan ja siirretään esimerkiksi vihivaunuilla ja korkeavaraston hyllystöhissillä. 57

58 Automaattisten korkeavarastojen ja hyllystöhissien etuina perinteiseen varastointiin verrattuna ovat: -työstökoneiden parempi palvelu ja siitä johtuen korkeampi käyttöaste - lyhyet läpäisyajat -joustavat tuotantomuutokset -mahdollistavat työstökoneiden miehittämättömän käytön -tehostavat tilankäyttöä -eliminoivat pitkät kuljetusmatkat -vähentävät kuljetusvaurioita -pakottaa systemaattisuuteen kappaleiden sijoittelussa kuljetusalustoille -pakottaa standardisoimaan kuljetusalustat ja kiinnittimet -rajallinen säilytyskapasiteetti paljastaa ylisuuret varastot ja ongelmat tuotannossa -parantaa materiaalivirran hallittavuutta, kun osat eivät huku työstövaiheiden välillä 58

59 Kuvassa joustava valmistusjärjestelmä, jonka perusajatuksena on korkea varasto. Kappaleet asetetaan paleteille lastausasemassa. Siitä ne siirtyvät kuljettimella ja mahdollisella nosturilla korkeavarastoon. Ohjelmansa mukaisesti NC -kone tilaa varastoidun paletin ja palauttaa sen koneistuksen jälkeen varastoon. Kaukana toisistaan olevat työpisteet voidaan yhdistää vihivaunuilla FMS järjestelmäksi. Vihivaunujen etuja FMS-järjestelmän materiaalinkäsittelyssä ovat: -joustavuus reitityksessä ja layout-muutoksissa -kuljetusväylien käyttäminen myös muihin siirtoihin ja kuljetuksiin -tarvittaessa suuri käsittely ja kuljetuskapasiteetti -varmatoimisuus -eivät vaadi suuritöistä lattiarakenteiden uusimista, pelkkä ohjausjohtimen upotus lattiaan riittää 59

60 -ei edellytä kuljetuslaitteiston eristämistä muusta tuotantolaitteistosta ja tuotantotilasta -ovat paljon turvallisempia tavallisiin trukkeihin verrattuina Vihivaunusovellutusten ongelmia ovat: -akkukäyttöisyys edellyttää ylimääräistä varakapasiteettia, jotta latausaikojen kuljetustarve voidaan hoitaa -vihivaunut ovat hitaita -vaunut soveltuvat yleensä materiaalin siirtoihin ainoastaan yhdessä korkeustasossa -vaunujen paikoitustarkkuus ei vastaa työstökoneiden paletinkäsittelyjärjestelmien asemointitarkkuutta Vihivaunuja vastaaviin siirtoihin voidaan käyttää myös kiskovaunuja. Niiden rata on yleensä suora, mikä rajoittaa FMS -järjestelmän koneiden sijoittelua. Kiskovaunu saa energiansa virtajohtimesta, jolloin vältetään vihivaunujen akkujen latausongelmat. Kiskovaunut ovat vihivaunuja paljon nopeampia. Kiskovaunujen etuina ovat myös niiden tarkka paikoitus ja kyky hissirakenteen ansiosta palvella eri tasoilla olevia työstäja varastointiasemia. 60

61 Joustava valmistusjärjestelmä, jonka perusajatuksena on vihivaunu. Työkappaleet ovat varastoidut kauempana olevaan varastoon. Vihivaunu kuljettaa paletteja kullekin koneelle laaditun ohjelman mukaisesti. Kuljetut paletit vaihdetaan paletinvaihtajalla koneelle. 61

62 Joustava valmistusjärjestelmä, jossa lineaariradalla liikkuva robotti hoitaa koneiden palvelemisen. Kotimaisen Lillbacka Oy:n valmistama joustava valmistusjärjestelmä levytöihin. 62

63 3.4.2 NC - työstökoneet NC -työstökone on konepaja-automaation perusyksikkö, sillä työstökoneella aikaansaadaan monimutkaisen näköisiä kappaleita. NC eli numeerinen ohjaus teki mahdolliseksi kehittää avarrus-, jyrsintä- ja porauskoneita, joilla voidaan näitä monimutkaisia kappaleita tehdä. Koska erilaisissa kokonaisuuksissa tarvitaan kaiken muotoisia akseleita, oli NC- työstökone merkittävä keksintö, sillä nämä akselit työstetään monitoimisilla NC -koneilla ja sorveilla. NC -työstökoneelle voidaan tuoda erillinen ohjelma, jonka mukaan kappaleen muotoilu suoritetaan. Vastaavasti toimintojen määrittely voidaan myös tehdä työtapahtuman etenemisen yhteydessä. NC -työstökoneita on vaaka- ja pystykaralla. Näin voidaan työstää kappaletta erilaisista suunnista. Kara on laitteen osa, johon erilaiset terät asetetaan. Työkalut vaihdetaan yleisesti ohjelmoidusti, ja sijaitsevat koneessa revolverimaisessa työkaluvaihtajassa. Mittakellolla suoritetaan etäisyyksien mittauksia työstettävän kappaleen ja karassa olevan työkalun välillä. Työstökoneen ajoajan ja työstöajan erona on, että ajoaika kattaa koko kappaleen koneessa oloajan kaikkine työkaluvaihtoineen. Työstöaika on vain se aika, jonka työstäminen vaatii. Vaakakara ja terä 63

64 Työstökoneella työstetty kappale Työstökoneiden työkalut ovat nykypäivänä kehittyneet moniteräisiksi. Näitä työstöteriä kutsutaan minirevolvereiksi. Näillä saadaan työstövaiheesta muutama työkalunvaihto pois, jolloin työkierto nopeutuu. Minirevolveri 64

65 3.4.3 Robotit Yleistä: Robotti on uudelleen ohjelmoitavissa oleva monipuolinen mekaaninen laite. Robotti on suunniteltu liikuttamaan kappaleita, osia tai työkaluja sille ohjelmoitavien liikkeiden kautta. Robotilla siis hoidetaan siirrot ja kappaleiden liikuttelu, elleivät kappaleet ole liian raskaita ja kookkaita. Teollisuusrobotit ovat numeerisesti ohjattuja laitteita, joiden ohjelmointi on kehittynyt eri tavalla kuin työstökoneiden. Tästä saattaa syntyä kiusallisia eroavuuksia ohjelmoinnissa ja yhteiskäytössä. Robotilla on kaksi pääosaa: Ohjauskaappi, joka sisältää käyttöpaneelin sekä ohjelmointiyksikön, ja varsinaisen manipulaattorin. Robotissa on yleisesti nykyisin kuusi liikkuvaa niveltä eli akselia. Robotin valintaan vaikuttavia tekijöitä ovat kuormituskyky, ulottuvuus, tarkkuus ja nopeus. Robotti käyttää liikeratojensa tunnistamiseen ja ohjailuun erilaisia koordinaatistoja. Näitä koordinaatistoja ovat mm. perus-, työkalu- ja kohteenkoordinaatistot. Peruskoordinaatisto on robotin oma jalusta. Työkalukoordinaatisto, kuten jo nimikin viittaa, on työkaluille tarkoitettu. Kohdekoordinaatisto tarkoittaa yleensä paikkaa, jossa liikuteltava kappale sijaitsee. Robottien joustavuus ei ole paras mahdollinen, mutta riittävä konepaja-automaatioon, sillä robotti suorittaa liikettä kolmiulotteisessa ympäristössä. Robotit tarvitsevat erilaisia liikeratoja koordinaatistojen lisäksi siirrellessään kappaleita paikasta toiseen. Robottia valittaessa on huomioitava liikeradat, joita sillä halutaan teettää. Näihin liikerata valintoihin vaikuttaa siirtosuunta sekä kappaleen syöttö. 65

66 Robotin liikeratojen ohjausliikkeitä ovat mm. lineaari- ja kaariliike. Robotille voidaan myös opettaa liikeratoja käsiohjauksella, jotka sitten tallennetaan ohjausyksikön muistiin robotin suoritettaviksi. Käsiohjauksessa robotin liikuttamiseen useimmiten käytetään ohjaussauvaa. Nykypäivänä roboteissa on yleistynyt konenäkö, jolla voidaan suoritta esimerkiksi hitsausrobotin tekemien saumojen tarkistus vertaamalla mallikappaleen kuvaa tehtyyn. Robotin ohjelmointi suoritetaan pääohjelmalla ja siihen liitetyillä aliohjelmilla. Simulointiohjelmilla saadaan testattua roboteille tehdyt ohjelmat helposti. Teollisuudessa on käytössä erilaisia robotteja. Esimerkiksi maalausrobotin maalausjälki on tasaista, näin ollen maalauslinjoilla on usein käytössä robotteja eikä ihmisiä. Monesti materiaalit siirretään tai kuljetetaan roboteilla, näitä nimitetään vihivaunuiksi. Robotin kääntöpöytä Robotteja voidaan käyttää apuna eri toiminnoissa. Yksi tällainen apuna toimiva robotti on varastorobotti. 66

67 FMS - järjestelmien yhteydessä käytettävien robottien tyypit ja rakenteet: Suorakulmaiset robotit Suorakulmaisten robottien kolme ensimmäistä vapausastetta ovat lineaarisia. Tyypillisintä edustajaa kutsutaan yleensä portaalirobotiksi. Sen rakenne on tuettu työalueen nurkista palkeilla. Yleiskuva portaalirobotista Scara - robotit Scara robotti 67

68 Scara - robotissa (Selective Compliance Assembly Robot Arm) on tiettyyn suuntaan joustava kokoonpanorobottikäsivarsi ja kolmella kiertyvällä nivelellä työkalu saadaan tietyllä tasolla oikeaan kohtaan ja kiertymäkulmaan. Neljäs lineaarinen pystyliike on työtason normaalin suuntainen. Scara -robotti muistuttaa ihmisen vaakatasossa liikkuvaa käsivartta, mutta ranteeseen on asennettu pystyjohde. Kiertyväniveliset robotit Kiertyvänivelisessä robotissa kaikki vapausasteet ovat kiertyviä. Nämä ovat tavallisimpia teollisuusrobotteja. Vapausasteita on yleensä kuusi tai neljä. ABB:n IRB 6400R kiertyvänivelinen teollisuusrobotti 100 kg: kantokyvyllä., 4-vapausasteen paletointi- ja pakkausrobotti (ABB, robottiesite) ja Motoman:n uusi käsivarsirakenne. Nykyiset teollisuusrobotit perustuvat lähes poikkeuksetta tähän mekaniikkaan, jossa tukivarret on kytketty peräkkäin. Tästä johtuu, että robottien kuormankantokyky on melko pieni, mutta työalue (ulottuvuus) suurehko. Kehitteillä ovat sellaiset 68

69 robottikäsivarret, joissa on yli kuusi vapausastetta paremman kurottelukyvyn saavuttamiseksi. Tällöin robotin on esimerkiksi mahdollista kurottua ikkuna-aukosta auton sisälle, liikuttaa työkalua halutulla tavalla ja samalla väistellä ikkunoiden reunoja. Rinnakkaisrakenteiset robotit Suuria voimia robotit saadaan kestämään kytkemällä joitain robotin vapausasteita (tai pikemminkin toimilaitteita) rinnakkain. Tällöin rakennekin tukevoituu, kuten Neos - robotilla. Työalue tosin rajoittuu pieneksi. Rinnakkaisrakenteinen robotti työstötehtäviin. Erästä perusratkaisua, jossa kahden levyn välistä asemaa muutetaan kuudella kumpaankin levyyn kytketyllä lineaarisella toimilaitteella, kutsutaan nimellä `Stewartin alusta'. Erittäin nopeita robotteja valmistetaan kytkemällä rinnakkain ultrakevyitä rakenteita, kunhan vain työkohteen ympärillä riittää vapaata työaluetta. 69

70 ABB:n IRB 340 robotti soveltuu hyvin elintarviketeollisuuden pakkauslinjalle. Suljetun kinemaattisen rakenteen idea on jakaa tukivoimat toisiaan tukevien rakenteiden avulla, jolloin robotista tulee kestävä. Keveys ja mahdollisuus suuriin voimiin ovatkin rakenteen suurimmat edut. Näitä robottirakenteita on tutkittu ja suunniteltu vasta 1990-luvulta alkaen. Ne ovat yleistymässä työstötehtävissä, esimerkiksi karaa liikuttavina rakenteina. Kytkemällä mekaanisia vapausasteita eri tavalla yhteen ja varioimalla vapausasteiden liikematkoja saadaan lukuisia erilaisia robotteja. 70

71 Kokoonpanosolu traktorin moottorien valmistustehtaalla Levytyöstökoneet Levytyöstökeskukset ovat nykypäivänä melutasoltaan matalia, koska ne ovat sähköservotoimisia, ja näin ollen niillä on myös pieni energiankulutus. Levytyöstökoneet voidaan jakaa kahteen ryhmään, materiaalia työstäviin ja materiaalia muokkaaviin koneisiin. Toiset koneet suorittavat raaka-aineen muokkauksen haluttuun muotoon. Niissä työstettävät kappaleet ovat eripaksuisia metallilevyjä, jotka leikataan valmiiksi taiteltavaan muotoon. Suorat leikkaukset suoritetaan leikkuuterillä tai suoran pinnan lyöntityökaluilla. Materiaaliin tulevat reiät isketään halutunmuotoisilla työterillä. Nämä työkalut sijaitsevat koneessa itsessään ja vaihto tapahtuu revolverimaisesta makasiinista. Työstettäviä kappaleita tehdään joko polttoleikkaamalla tai iskutekniikalla. Iskutekniikkaa käytetään silloin, kun kyseisen kappaleen muodot sallivat iskutekniikan. 71

72 Muotojen tulee olla joko kulmikkaita tai erikoistyökalujen mahdollistamia reikiä. Polttoleikkauksella päästään erilaisten kaarien ja kulmien hallintaa, mutta tämä on kalliimpaa. Levytyöstön toiset koneet ovat niitä, jotka suorittavat työstettävän kappaleen taiton. Ohjelmallisesti määritellään taiton suunta ja taittokulmat, jotka kone suorittaa. Kappaleet haetaan varastosta erilaisten kääntöpöytien ja imukuppinostimien avulla taittokoneen pöydälle, jossa kappale keskitetään ja taittokone suorittaa sille määrätyt tehtävät. Taittokoneen leuat suorittavat taittoja apuleukojen avulla, jotka liikkuvat ylös sekä alas. Keskitettyä kappaletta liikutellaan pöydällä taitostarpeiden mukaisesti. Eripituisten kappaleitten välissä taittoleukojen määrää on muuteltava työstettävän kappaleen pituuden mukaan. Tämä aiheuttaa taittotapahtumaan taukoja, joten olisi suotavaa, että suoritetaan samanpituisten materiaalien taitot peräkkäin ja tuotettavien kappaleiden kappalemäärien tulisi olla mahdollisimman suuria. Muussa tapauksessa koneen aika kuluu erilaisten taittorautojen ja pituusmittojen määrittelyyn. Levytyöstökoneet käyttävät yleisesti automaattista työkalunvaihtoa (ATC). Myös kappaleenvaihto toimii automaattisesti (AWC). Näin saadut kappaleet varastoidaan myöhempää käyttöä varten. Materiaalitiedot tallennetaan varastotietoihin. Jotta tietynlainen kappale voidaan valmistaa, tarvitaan tiedot sen muodoista ja mitoista. Nämä tiedot syötetään levynkäsittelyyn suunnitelluilla ohjelmille, jotka muodostavat niistä kappaleen leikkausradat levytyöstökoneelle. Nämä ohjelmat auttavat saamaan maksimaalisen hyödyn käytössä olevasta levystä. Tätä toimintaa nimitetään nestaukseksi, jossa työstökoneen käyttäjä määrittelee millaisia kappaleita levystä tuotetaan. Uusimmissa työstökoneissa on automatiikka, joka tekee nestauksen automaattisesti. Kappaleen mitat tämäkin toiminta toki tarvitsee. Usein myös hyödynnetään isommat poistettavat osat, joihin määritellään pienempiä työstettäviä kappaleita. Sisemmät 72

73 kappaleet ovat ulommassa kiinni pienillä liitosliuskoilla, joita jätetään kappaleen teon yhteydessä. Nämä osat leikataan poikki, kun osat erotetaan toisistaan Varasto ja hyllystöhissi Automaattista materiaalien käsittelyä auttavat korkeavarastot ja hyllystöhissit. Nämä yleensä sijoittuvat levytyöstökoneiden yhteyteen, jolloin materiaalin saanti ja liikuteltavuus helpottuu varaston ja työstökoneiden välillä. Varastot toimivat junaperiaatteella, jossa kiskojen molemmin puolin on suuri määrä hyllyjä, joille aihiot varastoidaan. Hyllystöön kuuluu myös materiaalin latausasemia, joiden kautta suoritetaan materiaalin lisäykset ja poistot varastoon. Varasto-ohjelmalla saadaan selville, mitä aihioita on käytettävissä sekä aihioiden kappalemäärät. Jos hyllystöä käyttää vain yksi hyllystöhissi ja se rikkoutuu, kaikki siitä riippuvaiset koneet ympärillä ovat myös toimintakyvyttömiä. Tällainen varastointi on siis myös hyvin keskeisessä roolissa levytyökeskuksia ajatellen. Materiaalin latausasema, jossa liikuteltava lavakärry. 73

74 3.3.6 Särmäyspuristin Varaston läheisyydessä toimivat myös levyntaittokoneet. Näillä koneilla suoritetaan varastomateriaalin muokkausta, jota ei jostain syystä saada suoritettua levyntyöstökoneilla. Liian lähekkäiset taitokset eivät aina onnistu suurilla koneilla, eikä kaikkia taittoja voida tehdä levytyöstön taittokoneella, joten mekaanisia taittokoneita, särmäyspuristimia tarvitaan. Nämä voivat olla joko täysin miehitettyjä taikka robottiohjattuja. Esimerkiksi robotti on hyvä kappaleensyötössä. Särmäyspuristimen taittoleukojen ylä- ja alatasorautojen muuntelulla voidaan suorittaa eripituisia taittoja. Taittopöydän pituus rajoittaa kuitenkin kappaleitten maksimipituuden. Yläteriä eli painimen kärkiä on monenlaisia, nämä tarvitsevat alatyökaluksi alavasteuria, että taivutuksen jälki on hyvää ja halutun mukainen. Uran leveys vaikuttaa puristusvoiman määrään, kuin myös materiaalin paksuus. Materiaalin paksuus vaikuttaa myös käytettäviin rautoihin. Leukojen voima vaihtelee tyypillisesti kn välillä. Toiminnan toistotarkkuus on jopa 0,01millimetriä ja laitteen takavasteet ovat yleisesti moniakselisia. Taittokulmien ja taittokohtien on oltava kohdallaan, että haluttuun tuotteeseen ei tule mittamuutoksia. Särmäpuristimen käytössä tärkeitä tietoja ovat piirustuksissa kerrottavat tiedot siitä, miten taitos tehdään eli onko taitos tehtävä päältä vai alta ja millainen on taivutuskulma. Ohjaus tapahtuu nykypäivänä tietokoneella. Särmäyspuristimien nykyaikaiset ohjausjärjestelmät ovat graafisia ja usein 3-akselisia järjestelmiä. Tavallisella NC-ohjauksella varustetut koneet tekevät työkierron vaihe vaiheelta. Graafisessa ohjauksessa ohjelmaan sisältyy takavasteen vaatimat tiedot, joiden avulla useampivaiheinen särmäyksen kukin kulma saadaan oikeaan paikkaan. Tällainen 74

75 monipuolinen takavasteiden ohjelmoitavuustoiminta on usein kalliimpi kuin itse koko särmäyskone. Särmäyspuristimen taitoksia 4 FMS-JÄRJESTELMÄN HANKINTA 4.1 FMS - teknologian merkitys liiketoiminnassa Yleistä: FMS-järjestelmä auttaa tuotantotavoitteiden saavuttamisessa tehdasautomaation ja miehittämättömän tuotannon avulla. FMS -järjestelmällä pyritään hyödyntämään myös ajallisesti miehittämättömät jaksot. Voidaan puhua myös toisiaan täydentävästä järjestelmästä, jossa pyritään jakamaan erityyppiset vaiheet tietyille koneille. Ohjausjärjestelmien lisäksi järjestelmään kuuluvat olennaisena osana työstökoneet, teollisuusrobotit ja tuotantosolut. FMS-järjestelmä sisältää yleensä automaattisia kappaleen siirto- ja vaihtojärjestelmiä. Työkappaleiden liikutteluun on suunniteltu erilaisia paletteja. Tuotannossa tarvitaan myös monentyyppisiä kuljettimia, kääntöpöytiä sekä varastointihyllykköä. Koneistuskeskuksen koko materiaalivirta on automatisoitavissa hyllystön ja hyllystöhissin avulla, joka on liitettynä tuotantosoluun. 75

76 Vuodessa on 8760 tuntia, joita pyritään tuotannon automatisoinnilla hyödyntämään mahdollisimman monta. Tutkimukset kertovat, että 1990-luvulla tuntimäärästä hyödynnettiin vain noin 20 prosenttia. Kuitenkin CNC -tekniikan kehittyessä ja FMS:n avulla on nykyään päästy jopa prosenttiin, vaikka erävalmistus muuttuu jatkuvasti. Modulaariset laite- ja ohjelmistojärjestelmät yksittäisestä konesolusta aina koko tehtaan kattaviin järjestelmiin täyttävät valmistuslinjan erikoisimmatkin tarpeet. FMSjärjestelmän muuntelumahdollisuudet ovat lähes rajattomat. FMS on suurten massatuotantojen järjestelmä jo siksi, että laitteet tulevat maksamaan paljon. FMS-järjestelmä 76