Miten saamme tehot irti roboteista? Modernin robottitekniikan mahdollisuudet tuotannossa työpaja Seinäjoki, Frami, 4.4.2017 SMACC, SeAMK ja IntoSeinäjoki Timo Salmi, VTT
2 Kokonaisvaltainen lähestymistapa kokonaisuus ratkaisee tuote prosessi laitteisto heikoin lenkki määrittelee kapasiteetin ja joustavuuden joustavuustarve syytä määritellä tarkemmin joustavuutta saatavissa älykkyydellä
3 Mistä tuotantojärjestelmä koostuu robotti käsittelee kappaleita - kappaleenkäsittelyrobotti tekee prosessivaiheita - prosessirobotiikka prosessi työkalut erillinen työstökone robotin kourassa oleva työkalu robotin kourassa oleva kappale materiaalinkäsittely järjestelmään kuljetus ja kuljetus pois puskurointi järjestelmään syöttö siirto pois prosessoinnista kiinnitys prosessoinnin ajan kuljettimet makasiinit kiinnittimet tarraimet ohjausjärjestelmät robotin ohjaus anturit antureiden ohjausjärjestelmä järjestelmäohjaus ohjelmointijärjestelmä liityntä tehdasjärjestelmiin materiaalivirran ohjaus
4 Sarjakoko Tuotteen elinaikana tehtävien kappaleiden määrä. Sarjakoko ohjaa tuotekohtaisia investointeja. Kapasiteettitarve Minkälaisella volyymillä tuotetta pystytään tuottamaan. Käytettävissä oleva työaika johtaa tarvittavaan tahtiaikaan. Työmäärä/tuote johtaa tarvittavien työasemien määrään: robotteja, manuaalisia työpisteitä, työstökoneita jne. Määrää myös järjestelmän rakenteen, esim. solu linja. Tahtiaika ohjaa toiminnan painopistettä akselilla prosessi materiaalinkäsittely. Eräkoko Robottijärjestelmään liittyviä vaatimuksia ja parametreja Ohjaa materiaalinkäsittelyn ratkaisuja. Tahtiajan kanssa määrittelee, kuinka joustavaa eränvaihdon on oltava. Ratkaisut asetuksien helpottamiseksi: asetusten eliminointi, automatisointi, asetusten nopeuttaminen.
5 Robottijärjestelmään liittyviä vaatimuksia ja parametrejä Kappaleiden geometriset ominaisuudet yksittäinen tuote ja sen geometriset ominaisuudet tuotevariaatiot tuoteperhe tuotteisto, tuotemix liityntä Kappaleiden valmistustekniset ominaisuudet valmistusmenetelmät ja niihin liittyvät ominaisuudet ja parametrit samankaltaisuus / erilaisuus kappaleiden käsiteltävyyteen liittyvät ominaisuudet
6 Robottijärjestelmään liittyviä vaatimuksia ja parametreja Investoinnin tulee olla kannattava Järjestelmän elinaikanaan tuoma rationalisointihyöty tulee ylittää investointikulut rahoituskuluineen. Työvoiman säästö, mahdollinen laadun tuoton paraneminen. Käyttökulut, energia huolto yms. Manuaalisen työn osuus, ml. asetukset, häiriöiden selvittäminen. Monesti tavoitellaan suhteellisen lyhyttä takaisinmaksuaikaa Ei ilmennä investoinnin kannattavuutta optimaalisesti enemmänkin rahoitusvaikutusta. Ohjaa investointeja. Tuotekohtaiset investoinnit järjestelmäkohtaiset investoinnit. Osa investoinneista kohdistuu tietyn tuotteen valmistamiseen. Tuotekohtaiset kiinnittimet, tarraimet, työkalut, ohjelmat. Tulee kattaa tuotteen elinaikana. Liittyy tuotteen volyymiin liittyvä riski. Osa investoinneista on tuotteesta riippumattomia.
7 Piensarjavalmistuksen haaste Tuotteiden sarjakoot ovat pieniä Tuotteista on paljon erilaisia variaatioita Tuotteista tulee jatkuvasti uusia variaatioita Tuotteiden volyymien ennustettavuus on heikkoa yksittäinen tuote tai tuoteperhekään ei riitä investoinnin pohjaksi lähtökohdat automaatiolle hankalat kuitenkin odotetaan hyvää kilpailukykyä tuotantolaitteiden tuoteriippuva osuus on oltava mahdollisimman pieni investoitava joustavaan tekniikkaan joustavuus on investointi analysoitava joustavuustarpeet tuotantoinvestointi lähtee liikkeelle strategioista tuotantostrategia tuotestrategia henkilöstöstrategia
8 Erilaisia joustavuuden aspekteja tuotannolliselta kannalta Joustavuus lyhyen aikavälin kuormitusvaihteluihin Joustavuus kapasiteetin suhteen Kyky saada uusia erilaisia tuotteita tuotantoon Kyky tuottaa uusia asiakasvariaatioita tuotteista Kyky tuottaa erilaisia tuotteita samalla järjestelmällä Kyky tuottaa pieniä eriä Tekniset ratkaisut näihin joustavuuksiin ovat erilaisia.
9 Mitä erilaiset joustavuudet merkitsevät Kyvykkyys laajaan tuotevalikoimaan tuotantovolyymi koostuu useista erilaisista tuotteista, mahdollisesti useista tuoteperheistä joko samaan aikaan tai elinkaaren aikana tuotteesta riippuva osuus oltava mahdollisimman pieni kappaleenkäsittelyyn joustavuutta (tuotteesta riippumattomuutta): kiinnittimet tarraimet syöttö, makasinointi adaptiivisuuden ja anturitekniikan hyödyntäminen Uusien tuotteiden tuotantoon ottaminen on helppoa joustavaa kappaleenkäsittelyä edistykselliset ohjelmointimenetelmät
10 Mitä erilaiset joustavuudet merkitsevät Erän vaihto on helppoa materiaalinkäsittelyjärjestelmät tukevat pieniä eriä asetusten teon helpottaminen asetusten eliminointi joustava mekaniikka, tuoteriippumattomuus - fiksu tuotesuunnittelu asetusten teon automatisointi Mukautuminen tuotteissa oleviin muutoksiin robotin adaptoituminen tuotteiden mittavirheisiin prosessin adaptoituminen prosessissa oleviin vaihteluihin Mukautuminen ympäristössä oleviin muutoksiin esim. paikoitukset Järjestelmän muutosten toteuttaminen helppoa modulaarinen rakenne muunneltavuutta tukeva ohjausarkkitehtuuri
11 Mitä vaaditaan piensarjatuotannon robotiikalta Ehdotettu lähestymistapa järjestelmän suunnitteluun Määritellyn toimintaikkunan sisällä: siirryttäessä tuotteesta toiseen ei tarvita asetuksia ollenkaan, ne ovat hyvin helppoja tai automaattisia uusien tuotteiden vaatimat investoinnit ovat olemattomat ohjelmointi täysin tai lähes automaattista Hyvät valmiudet toimintaikkunan laajennukseen helposti muuteltava rakenne rekonfigurointia tukeva suunnittelujärjestelmä suunnittelu/simulointijärjestelmää hyödynnetään järjestelmän suunnittelussa ja toimintaikkunan laajentamisessa
12 Kokonaisvaltainen lähestymistapa kokonaisuus ratkaisee tuote prosessi laitteisto heikoin lenkki määrittelee joustavuuden joustavuustarve syytä määritellä tarkemmin joustavuutta saatavissa älykkyydellä
13 Älykkyyden lisääminen havainnointi + tiedonkäsittely => ohjaus sopeutuminen ympäristön vaihteluihin kappaleiden paikat kappaleiden mitat prosessin muutokset uusien tuotteiden opettaminen mekaniikan korvaaminen elektroniikalla ja ohjelmistoilla joustavuutta ja ketteryyttä älykkyyden avulla (flexibility & agility)
14 konenäkö Älykkyyden lisääminen - tekniikat monenlaista tekniikkaa: 2D, 3D, stereonäkö yms. paikoitukset, poiminta joustava syöttö ns. binpicking laadunvalvonta esimerkki: kappaleen mittaaminen anturitiedon käsittely - hiontaohjelmien luominen
15 Älykkyyden lisääminen - tekniikat voimaohjaus rata + vakiovoima vakiorata + muuttuva nopeus hionta ja koneistus erinäisiä muita töitä FC Pressure Constant speed Controlled force FC SpeedChange Variable speed Constant force Force control Force in the sensor controlled direction and speed along the surface is constant. Path is adapted to curvature of the surface. Controlled material removal rate. Force control Force in path direction is constant. The speed is variable. Path is constant. Controlled material removal rate. Kuva ABB Kuvassa VTT:n kehittämä voimaohjaukseen pohjautuva kahva, jolla voidaan ohjata robottia nostoapuvälineenä.
16 Älykkyyden lisääminen - tekniikat tietomallien hyödyntäminen ohjelmien generointi tietomalleista kappeleiden kalibrointi oppivat järjestelmät tiedon kerääminen -> ohjelmien kehittyminen laadunvalvonta - luokittelijat rekonfiguroituvuus muunneltavuus itserekonfiguroituvat järjestelmät automaattinen ohjelmien generointi tuote- ja prosessimalleista järjestelmät rakentuvat älykkäistä moduuleista toiminta pohjautuu ontologioihin; moduulien kuvaukset ns. plug n play-arkkitehtuuri
Anturitekniikka mahdollistaa adaptiivisuuden. Materiaalinkäsittelyn laitteet ei-kappalekohtaisia anturitekniikkaa hyödyntäviä kiinnittimet tarraimet materiaalinkäsittely työkalut Automaatiosaarekkeet konsepti, kooste 4.4.2017 piensarjatuotannon robotiikan elementeistä Robotti peruslaite prosessilaite materiaalinkäsittely 17 Ohjausohjelmistot yhteydet tietojärjestelmiin työjonojen hallinta adaptiivisuus, anturitiedon käsittely asetusten hallinta Ohjaus-hardware ja kommunikointi 5.4.2017 17 Ohjelmointi lähes automaattista off-line CAD-pohjalta ohjelmamoduulien pohjalta anturitietojen pohjalta online
18 Ihmisen ja robotin turvallinen yhteistyö Kuva ABB
19 Ihmisen ja robotin yhteistyö Yhteistyön tilanteita ohjelmointi häiriöiden selvitys materiaalinkäsittely varsinainen ihminen-robotti-yhteistyö prosessin yhteydessä jatkuva tai yksittäiseen prosessin vaiheeseen liittyen Tärkeimmät vaarat liikkuvan robotin törmäys ihmiseen puristumisvaara lentävät esineet, kipinät yms. tarraimesta putoava kappale Vaaran aiheuttajina robotti robotin työkalut (esim. hionta, koneistus, plasmaleikkaus, laser, tarraimet) oheislaitteet (esim. kuljettimet, kääntöpöydät, kiinnittimet) solun muut laitteet (esim. palveltava työstökone ja sen oheislaitteet)
20 Ihmisen ja robotin yhteistyö Perinteinen lähtökohta ihmisen ja robotin eristäminen. Uudet koneturvallisuusstandardit ja uusi turvatekniikka ovat tuoneet uudenlaisia mahdollisuuksia ihmisen robotin yhteistyöhön. Teollisuusrobotit ovat väsymättömiä, ne pystyvät toistamaan samoja liikkeitä tarkasti suurillakin kuormilla. Ihminen on robottiin verrattuna älykäs, luova ja erittäin joustava. Useissa tehtävissä parhaaseen tulokseen päästään, jos robotin ja ihmisen parhaimmat puolet saadaan yhdistettyä, tällöin robotin ja ihmisen on voitava työskennellä läheisessä yhteistyössä. Osa tehtävistä on voi olla hyvin vaikeita automatisoida, jolloin yksinkertaisempi ratkaisu on ihminen-robottiyhteistyö. Keskeinen vuorovaikutteisen robotiikan yleistymisen este on ollut yhteistyön turvallisuus. Robotin ja ihmisen työskentely yhteistyökumppaneina on ollut turvallisuuden näkökulmasta vain harvoin mahdollista.
21 Ihminen-robottikonseptien kehityskulku
22 JATKUVAN SIGNAALIN KATKEAMINEN SIGNAALI SAADAAN HAVAITTAESSA KOHDE TUNTOMATTO PERINTEISIÄ TURVALAITTEITA TUNTOREUNA VALOKENNO VALOVERHO KONENÄKÖ - KAMERA LASERSKANNERI OPTINEN LÄHESTYMIS- KYTKIN MIKROAALTO- ANTURI ULTRAÄÄNI- ANTURI PASSIIVINEN INFRAPUNAILMAISIN Turvalaitteissa vikaantuminen ei aiheuta vaaratilannetta, vikaantuminen tapahtuu turvalliseen suuntaan. Vaihtoehtoisesti turvallisuus taataan kahdennetulla järjestelmällä. 22
23 UUTTA TURVATEKNIIKKAA Turvaohjaimet softapohjaiset ohjaimeen integroidut turvajärjestelmät alueiden rajaus, nopeuden rajaus Uusia turvalaitteita kameraan perustuvat turvajärjestelmät laserpohjaiset Luontaisesti turvalliset robottijärjestelmät kevyet robotit, hidastaminen voima-anturoidut robotit pehmustus, törmäystunnistus DLR JUSTIN DLR LWR III Pilz, Safety Eye KUKA, KR 3 SI Laser Scanner, Schmersal 23 Neuronics Katana
24 Uusia turvalaitteita - turvalaserskanneri Turvalaserskanneri on optinen anturi, joka pyyhkii ympäristöään viuhkamaisesti (kaksiulotteisesti) infrapunalasersäteellä ja mittaa säteisiin osuneiden kohteiden etäisyydet ja paikan. Turvalaserskannerin pyyhkimä alue on jopa yli 270 astetta ja mittausetäisyys on useita metrejä (esim. 4 7 m). Vaaka-asennossa on huomioitava lisäksi käden ulottuvuus. Turvaetäisyyksissä huomioitava ihmisen kulkema matka ennenkuin robotti pysähtyy: anturin reagointiaika robotin reagointiaika robotin pysähtymisaika lisäksi mahdollisesti robotin pysähtymismatka turvaetäisyydet merkittäviä kuva, häkki vs. optinen
25 SafetyEye - konenäköpohjainen turvajärjestelmä (Pilz) SafetyEye järjestelmässä määritellään kolmiulotteiset alueet pysäytykselle varoitukselle ja mahdollisille muille alueille. Kamera asetetaan 1,5 7,5 m korkeudelle ja se havaitsee kuvassa ihmisen kehon ja periaatteessa raajatkin. Järjestelmä sisältää kolme kameraa, kaksi tietokonetta ja turvalogiikan. Vasteaika on 300 ms ja se täyttää luokan 3 ohjausjärjestelmän vaatimukset (EN 954-1). Järjestelmä herkkä kaikenlaisille ympäristön muutoksille. 25
26 Turvaohjain -robottien alueiden pienentäminen Robotin alueen pienentäminen mekaanisilla rajoilla (hard stop). Turvaohjain ohjelmallisesti rajoitetut robotin alueet (estää rajan ylittämisen / reagoi ylittämiseen) ohjelmallisesti rajoitetut nopeudet pysähtymisen valvonta => ohjelmallinen turvallinen pysäytys mahdollista määritellä useita rajoitettuja 3D-alueita Source ABB
27 Esimerkkejä yhteistyöstä Vanerin laatuluokittelu Pinojen nouto trukilla, noudon kuittauspainikkeet Tarkastetut ja laatuluokitellut pinot Valvotut portit Prismapeilikennot valvovat robotin tarttujan kahta asemapaikkaa Tarkastusasema Laadunkuittauspainikkeet Ihminen tarkastaa vanerin laadun, luokittelee vanerin ja tekee tarvittavat paikkaukset. Robotti nostaa esim.120 kg painavan vanerilevyä ja asettaa sen sopivaan asentoon ihmisen tarkastusta varten. Robotti siirtää levyn laatuluokkaa vastaavaan pinoon. [Visuvesi Oy] Valokennolinjat rajaavat alueet takana, robotin ja tarkastusaseman välissä sekä kuittauspainikkeiden 20.5.2009 edustalla 27
28 Esimerkkejä yhteistyöstä 6D-hiirellä ohjattava robotti Työntekijä voi ohjata robottia tarttumalla tarttujaan asennettuun 6D-hiireen. 6D-hiiri soveltuu esimerkiksi robotin ohjelmointiin, opettamalla robotille kädestä pitäen reitit ja pisteet. Laitteella onnistuu myös robotin käyttö keventimenä tai nostimena, kiinnittämällä nostettava tai liikuteltava kuorma robotin tarttujaan, ja ohjaamalla sitä 6D-hiiren avulla. [Fraunhofer IPA / Reis Robotics] Vastaava ratkaisu tehtävissä voimaohjatulla robotilla, jonka tarraimessa on vapaustuskytkimet.
29 Liikuteltavan robotin liikuteltava turvajärjestelmä VTT:n kehittämä liikuteltava robottijärjestelmä, joka voidaan paikoittaa useisiin vaihtoehtoisiin paikkoihin. Turvajärjestelmä integroitu liikutusalustaan laserskannerit integroitu liikutusalustaan robotin turvaohjain, robotin alue rajoitettu, erilaisia nopeusvyöhykkeitä. mielekkäät turva-alueet reuna-alueiden nopeuksia rajoittamalla
30 Esimerkkejä mahdollisesta yhteistyöstä Robotti avustaa työntekijää, erilaisia ratkaisuja Solu, jossa robotti toimii älykkäänä jiginä kääntelee kappaletta ja ihminen tekee siihen operaatioita. (hitsaus, maalaus tai kokoonpanojigi). Kokoonpanosolu, jossa robotti tuo kokoonpantavan kappaleen ihmisen ulottuville tiettyjä robotille hankalia tai räätälöintioperaatioita varten. Kokoonpanosolu, jossa robotti ojentelee osia. Tehtävä kokoonpanotyö on niin haasteellinen ja vaatii monimutkaisia liikkeitä, joihin vain ihminen kykenee. Robotti asentaa tarkkuutta vaativan osan, työntekijän pitäessä kokoonpanoa jigiä vasten. (apuna esim. voimaohjaus, momenttirajoitus konenäkö).
31 Edistyksellinen ratkaisu dynaaminen turvajärjestelmä Eräs VTT:n demoama ratkaisu ihmisen ja robotin yhteistyöhön isoilla roboteilla. Lähtökohtana on robotin työaluetta lähestyvän ihmisen liikkeiden seuraaminen. Kun ihminen lähestyy robottia, sen nopeutta ja turva-aluetta pienennetään jopa robotin liikkeen pysäyttämiseen asti. Ihmisen etääntyessä turva-alueelta robotin nopeus palautuu asteittain automaattisesti. Seuranta-anturin ei tarvitse olla turvalaite, joten se vaatii rinnalle varsinaisen turvajärjestelmän, joka perustuu joustavaan turvalaitteeseen, esim. turvalaserskanneriin tai 3D-turvaskanneriin.
32 Robotti-ihminen yhteistyödemo VTT Kuvat vasemmalla: seurantajärjestelmä tunnistaa ihmishahmon. Kuva oikealla ylhäällä: Konenäköpohjainen turvajärjestelmä.
33 Dynaamisen turvajärjestelmän toiminta: työntekijän seuranta ja robotin dynaaminen turva-alue 1. Työntekijä lähestyy valvontakenttää, robotti toimii täydellä nopeudella ja turva-alueella. Valvontakenttä (keltainen) Turvalaserskanneri, turva-alue (punainen) 3. Työntekijä lähestyy edelleen robottia. Robotti pienentää nopeutta ja turva-aluetta. Robotti lähtee viemään työkappaletta ihmisen ulottuville. 2. Työntekijä on valvontakentällä ja lähestyy robottia. Robotti hidastaa nopeutta ja pienentää turva-aluetta 4. Työntekijä lähestyy edelleen. Robotti vie työkappaleen ihmisen ulottuville ja pysähtyy. Turvaohjain monitoroi, että robotti on pysähtyneenä ja poistaa turva-alueen käytöstä, koska robotti on pysähtynyt.
34 Luontaisesti turvallisten ns. yhteistyörobottien käyttö kevyt rakenne, pehmustukset törmäysten tunnistus voima-anturointi voimien ja nopeuksien rajoittaminen vakio/erilaiset asetukset standardissa erilaiset voimat kehon eri osille turvallinen robotti ei riitä, tarvitaan turvallinen kokonaisuus käytännöt osittain vakiintumattomia
35 Lähde ISO/TS15066
36 KUKA LWR iiwa uudelleenrakennettu ja kaupallistettu DLR LWR 7-akselinen robotti, kevytrakenteinen 7 ja 14 kg kuorman versiot voima-anturointia hyödynnetään sekä turvallisuudessa että toiminnallisuudessa opettaminen johdattamalla monipuolisia turvatoimintoja alueittain määriteltävissä turvamoodi: nopea ja tarkka tai turvallinen ja hitaampi tietyn suuntainen tönäisy robottiin voi olla osa käyttöliityntää
37 tullee markkinoille 2015 ABB YuMi kaksikätinen robotti, 7-akselinen robotti teollisuuden kokoonpanoon soveltuva robotti, joka voi toimia yhdessä ihmisten kanssa ihmistä mukailevat käsivarret ja runko, johon on integroitu IRC5 ohjain pehmustetut kaksi käsivartta kevyt rakenne, pieni kuorma, pieni inertia, hitaat liikkeet, kaksi käsivartta älykkäät liikkeet taustalla useita tutkimuslaitoksia ja projekteja, aiemmin tunnettiin nimellä FRIDA
38 Universal Robots Universal Robots UR5 ja UR10 6-akselinen, hyötykuorma 3, 5 tai 10 kg kevyt, käsin nostettavissa ulottuma 850 1 350 mm, tarkkuus ± 0,1 mm Ominaisuudet perinteiseen robottiin verrattuna: taluttamalla opettaminen sisäänrakennettuna törmäystunnistin on erittäin herkkä, robotin voi asentaa ilman turvahäkkiä ihmisten sekaan ja se täyttää EU:n turvastandardit tässä on kuitenkin tullut vastaan erilaisia tulkintoja määräyksistä edullisempi kuin perinteinen robotti käyttöliittymä on pyritty rakentamaan helppokäyttöiseksi kaikki nivelet kääntyvät 360 astetta (perinteisissä yleensä ainakin osa nivelistä vähemmän) käyttöjännite 230 V (perinteiset vaativat voimavirtaa) hidas, TCP-nopeus vain 1 m/s, vastaava perinteinen robotti esim. 2,5 m/s tarkkuus ±0,1 mm on kohtuullinen, mutta perinteisillä pienillä teollisuusroboteilla ~±0,05 mm
39 Uusimman tekniikan tuomat käytännön mahdollisuudet ns. turvalliset robotit älykkäät turva-anturit turvaohjaimet dynaamiset turvajärjestelmät liikuteltavan robotin turvajärjestelmä robotin ohjaaminen 6D-ohjaimella - robotti kuorman keventäjänä innovatiivisuus Uudenlaisia ratkaisuja ihmisen ja robotin yhteistyöhön.
40 VTT luo teknologiasta liiketoimintaa