From Experience to Skill HitSavonia-hankkeen loppuraportti 27.11.2007 Esa Hietikko (toim.)
Savonia-ammattikorkeakoulu Julkaisutoiminta PL 6 (Microkatu 1 D) 70201 KUOPIO puh: (017) 255 5023 fax: (017) 255 5043 e-mail: julkaisut@savonia-amk.fi www.savonia-amk.fi/julkaisut 1. painos Tämän teoksen kopioiminen on tekijänoikeuslain (404/61) ja tekijänoikeusasetuksen (574/95) mukaisesti kielletty lukuun ottamatta Suomen valtion ja Kopiosto ry:n tekemässä sopimuksessa tarkemmin määriteltyä osittaista kopiointia opetustarkoituksiin. ISBN 978-952-203-067-2 ISBN 978-952-203-068-9 (PDF) ISSN 1795-0848 Savonia-ammattikorkeakoulun julkaisusarja D 7/2007 Kustantaja: Savonia-ammattikorkeakoulu Tekniikka Kuopio Kansi: Tapio Aalto Painopaikka: Kopijyvä Kuopio 2007
3 Sisällys JOHDANTO... 7 SUOMEN HITSAAVAN TEOLLISUUDEN NYKYTILA JA TULEVAISUUS 11 TAUSTAA...13 HITSAAVASTA TYÖVOIMASTA PULAA...14 TUOTANTO MUUTTUU...15 TILANNE POHJOIS-SAVOSSA...16 LÄHTEET...19 KETTERÄ HITSAUSAUTOMAATIO... 21 YLEISTÄ...23 PIENET TUOTESARJAT...24 KETTERÄ-KONSEPTI...25 KETTERÄJÄRJESTELMÄN TOTEUTUS JA TOIMINTA...26 HYBRIDIVALMISTUS...28 LÄHTEET...29 JOUSTAVAN HITSAUSSOLUN SIMULOINTI JA ETÄOHJELMOINTI... 31 TAUSTAA...33 SIMULOINTIOHJELMAT...34 MALLINNUS...34 JOUSTAVA HITSAUSSOLUN LAYOUT SUUNNITTELU...34 VALMISTETTAVUUDEN SIMULOINTI...35 ETÄOHJELMOINTIMALLI...35 KONFIGUROINTI...35 KÄYTTÖÖNOTTO JA KOULUTUS...36 HITSAUSOHJELMIEN TEKO...36 VAIKUTUS TUOTANTOKULTTUURIIN...37 YHTEENVETO...37 HITSATTAVAN RAKENTEEN VALMISTUSMYÖTÄINEN SUUNNITTELU... 39 TAUSTAA...41 DFX -PERIAATE...42 KUSTANNUSTIETOUS...43 HITSATTAVIEN TUOTTEIDEN OSAVALMISTUKSEN DFM...45
4 OHUTLEVYOSIEN SUUNNITTELU... 47 HITSAUSKOKOONPANON SUUNNITTELU... 48 LÄHTEET... 48 HITSATUN RAKENTEEN KESTOIÄN MÄÄRITTÄMINEN...51 TAUSTAA... 53 KESTOIKÄLASKENNAN TEORIAA... 54 MITOITUSPERIAATTEET... 54 RAKENNETTA VÄSYTTÄVIEN JÄNNITYSTEN LASKENTA... 55 VÄSYMISEN SIETOKYKY... 57 VAIHTUVA-AMPLITUDISEN JÄNNITYSHISTORIAN KÄSITTELY... 59 DYNAMIIKAN SIMULOINTI... 63 FE-ANALYYSI... 65 PITKÄAIKAISET MITTAUKSET... 67 DYNAMIIKAN SIMULOINTI, FE-ANALYYSIT JA PITKÄAIKAISET MITTAUKSET KESTOIKÄLASKENNASSA... 69 KESTOIKÄANALYYSIT ASIAKASPALVELUNA... 71 YHTEENVETO... 74 HITSATUN RAKENTEEN TARKASTAMINEN JA MATERIAALIEN MERKITYS...77 TAUSTAA... 79 HITSAUKSEN JÄLKI- JA LÄMPÖKÄSITTELYT... 80 HITSIEN TARKASTUS JA AINEENKOETUS... 81 Ainetta rikkomattomat tutkimusmenetelmät...82 Ainetta rikkovat tutkimusmenetelmät...87 KOKEMUKSESTA OSAAMISEKSI - HITSAUTEKNIIKAN LABORATORIO...93 TAUSTA... 95 LÄHTÖKOHTA... 96 TAVOITTEET... 97 TOTEUTUS... 98 KOULUTUSTOIMINTA... 100 PAINELAITEAKATEMIA VARKAUS... 101 TULOKSIA... 102 CASE-ESIMERKKEJÄ...105 PIVASET OY... 107
Yritys... 107 Toimeksianto... 107 Hitsattava tuote... 107 Hitsaussuunnitelma... 108 Hitsaustestit... 108 Hitsauskiinnitin... 109 Letkukaapin hitsaus... 109 Oven hitsaus... 110 Robottisolun layout... 111 Yhteenveto... 112 BRANDENTE OY... 112 Yritys... 112 Työn kuvaus... 112 Ensimmäinen testi - jalusta... 112 Toinen testi - teräsrakenne... 114 Tulokset kokonaisuudessaan... 116 Kolmas testi - säiliö... 117 PAAKKILAN KONEPAJA OY... 118 Yritys... 118 Työn kuvaus... 118 Kalibrointi... 120 Etäohjelmointi... 122 Tulokset... 123 PONSSE OYJ... 124 Yritys... 124 Työn kuvaus... 124 Kiinnitinsuunnittelu... 125 Tulokset... 128 5
6
7 1 Johdanto Esa Jääskeläinen & Esa Hietikko
8
Suomalainen metalliteollisuus on toistaiseksi kyennyt toimimaan kilpailukykyisesti vaikka halvan työvoiman maat Aasian suunnassa ovat pakottamassa sitä kehittämään uusia menetelmiä kilpailuedun säilyttämiseksi. Yksi vakavimmista uhkista on työvoiman riittävyys suurten ikäluokkien alkaessa siirtyä eläkkeelle. Hitsaustuotantoa harjoittavan teollisuuden on kehitettävä tuotteitaan paremmin mekanisoituun ja robotisoituun hitsaukseen soveltuviksi. Etäohjelmointi ja simulointi ovat merkittävässä asemassa erityisesti silloin kun kyseessä ovat pienet sarjat, mikä pitää paikkansa hyvin useassa tapauksessa. Varsinkaan PK-yrityksillä ei kuitenkaan usein ole mahdollisuuksia eikä osaamista uusien tuotantomenetelmien saati sitten tuotteiden kehittämiseen. Metalli on merkittävä teollisuudenala Pohjois-Savossa. Metalliteollisuuden piiriin laskettavia yrityksiä on yli 400 ja edelleen voidaan arvioida, että lähes puolet näistä on jollain tavalla tekemisissä hitsaustekniikan kanssa. Hitsaustyö ei tulevaisuudessakaan vähene. Käsin tehtävän hitsaustyön suhteellinen osuus kuitenkin pienenee sekä kustannus ja laatupaineiden että työvoimapulan takia. Hitsaukseen liittyvällä osaamisella on nyt ja tulevaisuudessa hyvin keskeinen merkitys alueen yritysten toimintaedellytysten ja kasvun turvaamisessa. Erityisesti tuotteen ja tuotantomenetelmien kehitykseen on kiinnitettävä suurta huomiota jatkossa. Pelkkä klubiaskin kansi (kuva 1.1) ei enää riitä. 9 Kuva 1.1. Perinteinen suomalainen suunnittelutyökalu.
10 HitSavonia-projektin keskeisimpänä tavoitteena oli parantaa hitsaukseen ja erityisesti sen automaatioon liittyvää osaamista Pohjois-Savon, Itä-Suomen ja koko maan alueella. Konkreettisena tavoitteena oli rakentaa laboratoriotila hitsaustekniikan koulutusta, tutkimusta, sekä yrityskohtaisia kehitystarpeita varten. Laboratoriossa piti pystyä testaamaan ja edelleen kehittämään virtuaalimallinnuksen keinoin saatuja tietoja esim. kiinnitinsuunnittelun, robottien ohjattavuuden ja käytettävyyden, kappaleiden hitsattavuuden ja jigittömän tuotannon näkökohdista. Laboratorion tuli palvella yhtä lailla perusopetuksen kuin yrityskohtaisten kehittämisprojektien tarpeita. Pohjois-Savossa on runsaasti liikkuvien työkoneiden ja niiden komponenttien ja järjestelmien valmistukseen keskittyneitä yrityksiä Tästä johtuen sekä toimitilojen että toiminnan ytimenä olevan robottijärjestelmän mitoituksessa lähdettiin kevyen ja keskiraskaan teollisuuden tarpeista Hitsaustekniikan laboratorio aloitti toimintansa kesäkuussa 2006. Alkuvaihe meni vielä uusien laitteiden käytön opettelussa, mutta tällä hetkellä laboratorion käyttöaste on erinomainen ja sitä käytetään sekä opetuksessa että yritystoimeksiantojen suorittamisessa. Hitsaustekniikan laboratorion rakentamisen takana ovat osin EUrahoitteiset projektit Hitsavonia ja HitSavonian investoinnit. Hitsaustekniikan laboratoriossa tapahtuvan koulutus, tutkimus ja kehitystoiminnan käynnistämiseen on 1.9.2004 31.12.2007 välisenä aikana käytetty noin 2,5 milj.. Kyseessä on siis Pohjois-Savon mittakaavassa varsin merkittävä investointi hitsausosaamisen kehittämistyöhön. Merkittävän osuuden projektirahoituksesta on myöntänyt Itä-Suomen lääninhallituksen sivistysosasto, jolle haluamme osoittaa parhaimmat kiitokset. Tässä yhteydessä on myös kiitettävä muita toiminnan toteutukseen osallistuneita rahoittajia ja yhteistyötahoja. Ilman tätä hyvin toiminutta verkostoa ei projektia olisi pystytty toteuttamaan.
11 2 Suomen hitsaavan teollisuuden nykytila ja tulevaisuus Esa Hietikko & Esa Jääskeläinen
12
13 Taustaa Suomalainen metalliteollisuus on toistaiseksi kyennyt toimimaan hyvin kilpailukykyisesti niin eurooppalaisella kuin globaalillakin tasolla. Halvan työvoiman maat Aasian suunnassa, erityisesti Kiina, ovat pakottamassa myös suomalaista metalliteollisuutta kehittämään uusia menetelmiä kilpailuedun säilyttämiseksi. Yksi vakavimmista uhkista on työvoiman riittävyys suurten ikäluokkien alkaessa siirtyä eläkkeelle. Hyvän talouskehityksen turvaamiseksi kotimainen työvoima on saatava tehokkaammin hyödynnettyä yhdistämällä koulutus ja osaaminen parempaan tuottavuuskehitykseen, innovatiivisuuteen ja laadukkuuteen. Samalla on pohdittava työperäisen maahanmuuton ja laajemmin työvoiman rajojen yli tapahtuvan liikkuvuuden merkitystä kehityksen kannalta. Hitsaustuotantoa harjoittavan teollisuuden on ryhdyttävä kehittämään tuotteitaan paremmin mekanisoituun ja robotisoituun hitsaukseen soveltuviksi. Etäohjelmointi ja simulointi ovat merkittävässä asemassa erityisesti silloin kun kyseessä ovat pienet sarjat. Varsinkaan PK-yrityksillä ei usein ole mahdollisuuksia eikä osaamista uusien tuotantomenetelmien saati sitten tuotteiden kehittämiseen. Perinteinen kapasiteettia tarjoava alihankintakonepaja ei kykene enää pitkään kilpailemaan järjestelmä- ja komponenttitoimittajien kanssa, jotka voivat tarjota päähankkijoille kokonaisvaltaisempaa palvelua. Yritykset edellyttävät uusilta työntekijöiltään nykyään yhä kattavampia valmiuksia. Vaikka tekniikan koulutus yrittää vakavissaan pysyä huimavauhtisen teknologian kehityksen perässä, peruskoulutuksella voidaan luoda vain perusta elinikäiselle jatkokoulutukselle. Yritykset keskittyvät yhä enemmän omaan ydinosaamiseensa, jolloin uusi henkilö joutuu yritykseen tullessaan istumaan tietyn ajan koulun penkillä kyetäkseen toimimaan yrityksen erikoistuneessa ympäristössä. Tätä jatkokoulutusaikaa voidaan lyhentää huomattavasti, jos opiskelija on jo peruskoulutuskaudella tekemisissä yrityksen kanssa työharjoittelujaksojen, projektitöiden ja opinnäytetöiden yhteydessä. HitSavonian kaltainen hanke on omalta osaltaan helpottamassa yritysten ja opiskelijoiden yhteis-
14 toimintaa ja verkottumista jo opiskeluaikana tarjoamalla heille yhteisen toimintaympäristön. Hitsaavasta työvoimasta pulaa Teknologiateollisuus on nykyisin Suomen ylivoimaisesti suurin teollisuussektori miten tahansa tarkasteltuna. Sektori koostuu kolmesta monin tavoin erilaisesta, mutta myös monin tavoin toisiinsa kietoutuneesta päätoimialasta: elektroniikka- ja sähköteollisuus, kone- ja metallituoteteollisuus sekä metallien jalostus. Sektori työllistää tänä vuonna Suomessa suoraan 270 000 ihmistä. Osuutena koko teollisuudesta teknologiateollisuus kattoi tuotannosta lähes puolet, viennistä 60 % sekä tutkimus- ja kehittämisinvestoinneista 75 %. Viime vuosina on tehty monia suuria ja pieniä yritysjärjestelyjä ja - kauppoja. Erikoistuminen on lisääntynyt. Isoja ja todella kansainvälistyneitä yrityksiä suomalaisessa teknologiateollisuudessa on muutamia kymmeniä, mutta niiden osuus koko alan liikevaihdosta ja työllisyydestä on yli puolet ja niiden merkitys yritysverkostoille ja koko alalle on vielä suurempi. Ne toimivat globalisaation keihäänkärkinä ja suomalaisen osaamisen edelläkävijöinä sekä teknologisina tiennäyttäjinä. Ne ovat tyypillisesti liiketoimintaverkostonsa vetureita, jotka tuovat liiketoimintaa laajalle joukolle muita yrityksiä myös Suomessa. Lukumääräisesti valtaosa suomalaisista teknologiateollisuuden yrityksistä on pieniä. Osa toimittaa tuotteita ja palveluja pääasiassa isoille yrityksille. Osalla on omia lopputuotteita, joita tarjotaan oman tai yhteistyökumppanin jakelukanavan kautta kansainvälisille markkinoille. Monella yrityksellä on menossa vahva kansainvälistymis- tai globalisoitumisprosessi. Voimakas, ydinliiketoimintaan keskittyminen ja siihen liittyvät ulkoistamis- ja verkottumistoimenpiteet ovat tuoneet alalle runsaasti uusia yrityksiä ja avanneet monille pienille yrityksille uusia kasvumahdollisuuksia. Kansainvälistyminen on jatkunut ja teknologiateollisuus on hyvin kansainvälistä. Sen kysynnästä valtaosa tulee kansainvälisiltä markkinoilta, yli 70% joko suoraan tai vientiyritysten alihankintoina. Alan hankinnoista tuonnin osuus on entistä suurempi. Teknologiateollisuuden osaaminen on pitkälti globaalia. Entistä suurempi osa suomalaisista teknologiateollisuuden yrityksistä on sijoittanut toimintojaan moneen maahan. Yritysten ulkomaiset
tytäryritykset työllistivät vuonna 2001 yli 90 000 ihmistä. Vastapainoksi Suomessa sijaitsevasta teknologiateollisuudesta huomattava osa on ulkomaisessa omistuksessa eli yritykset ovat ulkomaisten yritysten tytäryrityksiä. Monissa teknologiateollisuuden alojen pörssiyrityksissä ulkomaalaisen finanssiomistuksen osuus on erittäin suuri. Suomessa metalliteollisuudella menee paremmin kuin koskaan ennen. Konepajojen tilauskirjat ovat tupaten täynnä. Edes kiinailmiö ei tunnu vieneen työpaikkoja suomalaisista metalliteollisuuden yrityksistä. Toisaalta tuotteiden katteet ovat tulleet alas, sillä materiaalien hinnat ovat viimeisten vuosien aikana nousseet. Erityisesti hitsausteollisuus on tänä päivänä ongelmissa, koska ammattitaitoisen ja osaavan työvoiman löytäminen on vaikeaa. Myös maantieteellisten etäisyyksien merkitys on vähentynyt kun uusia halvan työvoiman teollisuusmaita on tullut mukaan kilpailuun. Hitsauksen robotisointi ei poista työvoiman tarvetta hitsaavasta teollisuudesta, mutta asettaa uusia ammattitaitovaatimuksia tehden hitsaajasta operaattorin. Automatisoinnilla voidaan vähentää töiden siirtymistä halvemman työvoiman maihin ja esimerkiksi hitsauskaasuista ja epämiellyttävistä työvaiheista ja - ajoista aiheutuvia ongelmia. Pörssiyhtiöiden kvartaalitalouteen perustuva ohjaus on siirtynyt myös pienempiin yrityksiin. Mielenkiinto kohdistuu siihen mitä tapahtuu tässä ja nyt ja pidemmälle suuntautuvaa strategista suunnittelua harjoitetaan hyvin vähän. Tuotanto muuttuu Kaikille on selvää, että pienet korkean elintason maat, kuten Suomi, voivat selviytyä globaalissa kilpailussa vain erikoistumalla ja panostamalla osaamiseen ja teknologiaan on tulevaisuus sitten millainen tahansa. Ydinkyvykkyyskeskeinen liiketoiminta-strategia edellyttää liiketoimintaverkostoja, jotka tulevat entistä monimutkaisemmiksi ja vaikeammin hallittaviksi. Kilpailu siirtyy yksittäisen yrityksen kohdalta liiketoimintaverkostoon, jolloin ääritapauksessa yritykset voivat samanaikaisesti olla toistensa kilpailijoita, asiakkaita ja toimittajia. Oleellisin muutos teollisuusyritysten tuote- ja palvelukonseptissa tapahtuu yritysten muuttuessa tuoteyrityksistä tuote- ja palveluyrityksiksi. Tämä tarkoittaa yksinkertaisimmillaan sitä, että yksittäisten tuotteiden optimoinnin 15
16 sijasta yritykset ja toimitus-verkostot pyrkivät luomaan konsepteja, joilla hallitaan ja muunnellaan (varioidaan) tehokkaasti ja nopeasti koko tuotteistoa sekä niihin liittyviä palveluita. Koko tuotteen elinkaareen liittyy yrityksen näkökulmasta sekä velvoitteita (ympäristövaatimukset) että mahdollisuuksia (liiketoimintapotentiaali). Tuotteen elinkaari tuoteideasta kierrätykseen sisältää liikevaihtopotentiaalia. On arvioitu, että tuotekauppa muodostaa vain 5-20% tuotteeseen liittyvän liiketoiminnan volyymistä. Näitä muita mahdollisuuksia ovat esimerkiksi konsultointi, jälkimarkkinointi, tarvikkeet, operointi, tiedonhallinta, oheistuotteet ja -palvelut, rahoitus, vakuutus ja ylläpito. Yksi merkittävä kilpailu- ja tehokkuuselementti on tuotealusta, jonka varaan rakennetaan tuotteiden variointi, niiden integrointi, erilaiset järjestelmäratkaisut ja palvelut, kuten ylläpito ja tehokkuuden optimointi. Nopean massaräätälöinnin ja ylipäätään varioinnin tarpeet ovat erittäin vaikeita toteuttaa, mikäli yrityksen tuotteet muodostavat kukin oman kokonaisuutensa ja jokainen muutos aiheuttaa muutoksia koko tuotteiston ja yksittäisten tuotteiden arkkitehtuuriin. Tilanne Pohjois-Savossa Pohjois-Savossa teknologiateollisuus ja erityisesti metalliteollisuus on ollut vahva toimiala jo perinteisesti. Ylä-Savossa on useita erikoisajoneuvoja valmistavia veturiyrityksiä ja Varkauden seudulla toimii vahva energia- ja painelaiteteollisuuden keskittymä. Näiden lisäksi alueelta löytyy paljon alihankintaan keskittyviä konepajoja, joista jotkin ovat kehityspolulla veturiyritysten järjestelmätoimittajiksi. Liikkuvat työkoneet ja erikoisajoneuvot muodostavat valtakunnallisestikin merkittävän toimialan. Pohjois-Savosta puuttuu yliopistotasoinen teknologia-alan koulutus ja tutkimus ja sen vuoksi ammattikorkeakoulun merkitys alueen korkeinta opetusta ja tutkimus-toimintaa harjoittavana elimenä on suuri. Useissa yhteyksissä on todettu, että kilpailuetu perustuu edelleen kolmeen hyvin yksinkertaiseen periaatteeseen: 1. Tehdään halvemmalla kuin muut 2. Tehdään samaan hintaan kuin muut, mutta paremmin 3. Tehdään jotain, mitä kukaan muu ei tee eikä pysty tekemään.
Halvan työvoiman maiden paine tekee hankalaksi kilpailun pelkän hinnan avulla, jolloin ykköskohdan mukainen toiminta ei Suomessa ja Pohjois- Savossa oikein onnistu, tai ainakin se edellyttää automaation ja valmistusmyötäisen suunnittelun voimakasta lisäämistä. Tuotteiden tekeminen samaan hintaan kilpailijoiden kanssa on varteen otettava vaihtoehto, koska panostusmahdollisuus tuotekehitykseen, tuotantoteknologiaan ja laatuun on Suomessa parempi kuin kehittyvissä maissa. Merkittävä tekijä kustannusten muodostumisessa on edelleen tuotekehityksen laatuun panostaminen. Tuotekehitysvaiheessahan määräytyy noin 80 % tuotteen kokonaiskustannuksista. Toinen vaihtoehto on keskittyminen niin vahvaan osaamiseen tietyllä alueella, että kilpailijoilla ei ole mahdollisuutta soveltaa edellä olleen listan 1 ja 2 vaihtoehtoja. Kumpikin vaihtoehto on johtamassa ennen pitkää täydelliseen verkostoitumiseen, jossa tuotanto on moduloitu pieniin yksiköihin, jotka voivat sijaita missä vain. Tosin Pohjois-Savossa on ollut havaittavissa, että päähankkijat mielellään näkevät kumppaniensa sijoittuvan fyysisesti mahdollisimman lähelle loppukokoonpanoa. Tämä helpottaa ohjausta, materiaalin virtausta ja jokapäiväistä kommunikaatiota ja parantaa näin ollen kustannustehokkuutta entisestään. Verkostoituminen ei koske vain yrityksiä vaan myös ns. välittäjäorganisaatioilla tulee olemaan merkittävä rooli osana toimitusverkostoja. Esimerkiksi oppilaitokset ovat siirtymässä kumppaniyritysten tapaan lähemmäs päähankkijoiden tuotantotoimintaa sekä koulutuksellisesti että fyysisesti. Useassa tapauksessa oppilaitokset toimivat jopa samoissa tiloissa yritysten kanssa, jolloin oppilaiden on helpompaa siirtyä joustavasti oppilaitoksen kirjoilta yritysten työntekijöiksi. Toisaalta oppilaitokset ovat rakentaneet ja rakentamassa laboratoriotyyppisiä tutkimus- ja kehitysympäristöjä, joita voidaan hyödyntää yritysten kehitysprojekteissa ilman että varsinaista tuotanto-toimintaa tarvitsee häiritä koulutus- ja kehitystoiminnalla. Tilastotietojen valossa Pohjois-Savolla on paljonkin kiinnikuromista maan kehittyneimpiin alueisiin verrattuna. Kuvassa 2.1 on esimerkiksi verrattu väestön osuutta tiettyihin metallialan tunnuslukuihin vuonna 2004. Erityisesti kuviossa merkille pantavia ovat T&K-kulujen ja yliopistollisen jatkotutkinnon suorittaneiden osuus koko valtakunnan tasosta verrattuna henkilöstön määrän osuuteen. 17
18 Kuvassa 2.2 on samoja pylväitä verrattu Pirkanmaan vastaaviin lukuihin (Pohjois-Savon pylväät ovat kuviossa taustalla). Merkittävimmät erot löytyvät tässäkin kuviossa juuri T&K-kulujen ja jatkotutkinnon suorittaneiden henkilöiden osuudessa. Kuvioita katsellessa on helppo nähdä mihin Pohjois-Savossa tulee panostaa jatkossa. Yritysten tutkimus- ja kehitystoimintaa tulee lisätä radikaalisti. Se ei kuitenkaan onnistu nykyisen henkilöstön toimesta vaan korkeasti koulutettua henkilökuntaa on saatava merkittävästi lisää alueelle. Koska alueella ei ole yliopistotasoista teknistä koulutusta, on ammattikorkeakoulun rooli tässä suhteessa erittäin merkittävä. Kuva 2.1. Tilastokeskuksen mukaisia osuuksia tärkeiden tunnuslukujen osalta.
19 Kuva 2.2. Samat pylväät kuin edellisessä kuvassa vertailtuna Pirkanmaan tunnuslukuihin. Lähteet 1. Työministeriö 2007. Työvoima 2025, työpoliittinen tutkimus 325. 464 s. 2. Teknologiateollisuus ry 2003. Tulevaisuuden voittajat, Liiketoiminnan ja teknologian linjaus 2010. 36 s. 3. Himanen Pekka 2007. Suomalainen unelma, innovaatioraportti. Teknologiateollisuuden 100-vuotissäätiö. 156 s.
20 4. Hietikko E.: A Center of Excellence as a Part of Local Innovation Environment - Case HitSavonia, FINPIN -Conference, University Entrepreneurship Incubating Process, 11. - 14.6.2006 Lahti, Finland. 5. Hernesniemi Hannu (toim.) 2007. Menestyvä alihankkija Visio ja toimenpiteet. Teknologiateollisuus ry. 160 s.
21 3 Ketterä hitsausautomaatio Esa Jääskeläinen
22
23 Yleistä Suomalaiselle hitsaavalle teollisuudelle on tyypillistä laajahko tuotekirjo. Tämän seurauksena perinteisillä robottihitsausratkaisuilla saatava kustannussäästö manuaali-valmistukseen verrattuna on melko rajallinen. Tämä johtuu mm. siitä, että perinteisesti robottisolut on rakennettu niin, että vaikka itse hitsaus on automatisoitu niin kaikki muut työvaiheet tapahtuvat manuaalisesti. Tämä tarkoittaa sitä, että operaattori asettaa hitsauspöydällä olevaan kiinnittimeen tuotteen, jonka jälkeen se hitsataan robotilla. Robottihitsauksen jälkeen operaattori poistaa valmiin ja asemoi uuden tuotteen. Tällöin asetuksen teon ja ohjelmoinnin jälkeen operaattorista tulee hitsattavien tuotteiden silloittaja, viimeistelijä ja kappaleenvaihtaja. Robottihitsauksen tuottavuuden ja joustavuuden kasvattamiseksi on kehitetty tuotannollisesti joustavia automatisoituja valmistusjärjestelmiä. Joustavilla valmistusjärjestelmillä (FMS) otetaan merkittävä askel kohti miehittämätöntä työkiertoa. Tällä muutoksella pyritään lisäämään sekä työn mielekkyyttä että tuottavuutta, sillä operaattorin osaamista voidaan varmasti hyödyntää tehokkaammin kappaleenvaihtoa haasteellisemmissa työtehtävissä. Perinteisesti FMS-järjestelmät on rakennettu siten, että tuotteiden hitsaus vapaasti määritellyssä järjestyksessä jopa yhden kappaleen erissä on mahdollista. Tuotanto-logistisesti tämä perustuu siihen, että hitsattavat tuotteet ladotaan vakioiduilla paikoitus ja kiinnityselementeillä varustettuun palettiin. Paletti kulkee automaattista kuljetusjärjestelmää pitkin joko automaattivarastoon tai yksinkertaisemmissa järjestelmissä suoraan hitsauspöydälle. Paletin mukana kulkee myös tieto mistä tuotteesta on kysymys, jolloin soluohjain osaa valita robotille oikean hitsausohjelman. Hitsauksen jälkeen tuote palaa kuljetusjärjestelmää pitkin automaattivarastoon, purkupaikalle tai seuraavaan työpisteeseen. Edellä kuvatun järjestelmän avulla on mahdollista hitsata tuotteita pienissä, jopa yhden kappaleen erissä. Robotti voi myös toimia miehittämättömänä niin pitkään kun varastossa riittää hitsattavaa. Tällöin on mahdollista päästään jopa siihen, että hitsaus toimii 3-vuorossa yhden vuoron ollessa täysin miehittämätön. Tällöin on tehokkuudessa ja tuottavuudessa mahdollista päästä lähes suursarjatuotannon tasolle.
24 Pienet tuotesarjat Robottihitsauksessa tuottavuuden merkittävimmät pullonkaulat liittyvät ohjelmointiin ja kiinnitintekniikkaan. Sarjatuotannossa robotin ohjelmointiin ja hitsauskiinnittimen suunnitteluun ja valmistukseen kuluvaa aikaa ja kustannuksia jakaa suuri tuotemäärä. Tällöin perinteinen toimintamalli eli opettamalla ohjelmointi ja tuotekohtaiset silloitus ja hitsauskiinnittimet voivat olla toimiva ratkaisu. Vastaavasti kun tuotteita valmistetaan toistuvasti, jopa yhden kappaleen erissä voivat perinteiset hitsauksen FMC- ja FMS-järjestelmät tulla kyseeseen. Etenkin kappaleilla, joissa on runsaasti hitsattavaa, voidaan perinteisillä FMS järjestelmillä päästä parhaimmillaan sarjakokoon yksi. Järjestelmän yksi suurimmista ongelmista on kuitenkin suurehkot investointikustannukset. Investointikustannuksia nostaa perinteiseen robottiautomaatioon nähden palettivarasto- ja kuljetusjärjestelmä. Lisäksi mikäli järjestelmällä on tarve valmistaa lyhyellä läpäisyajalla pieniä tuotesarjoja, on sarjan jokaiselle tuotteelle valmistettava oma ja suhteellisen arvokas palettikiinnitin. Kiinnitinkustannusten takia FMS-järjestelmää saatetaankin välillä käyttää kuten perinteistä robottihitsaussolua. Mm. edellä mainituista syistä johtuen perinteiset hitsauksen FMS-järjestelmät eivät ole Suomessa yleistyneet. Sillä vaikka ne sopivat hyvin usein toistuviin, jopa yhden kappaleen valmistuseriin niin nopean läpäisyajan pien-sarjoihin ne eivät välttämättä tuo kustannustehokasta ratkaisua. Terminologisesti ketterän hitsausautomaation yhteydessä voidaan puhua myös joustavasta valmistusjärjestelmästä (FMS), mutta ideologialtaan ketterä hitsausautomaatio kuitenkin poikkeaa perinteisestä hitsauksen FMSjärjestelmästä. Merkittävin ero syntyy siitä, että hitsausrobotin lisäksi solussa työskentelee myös apurobotti. Apurobotin tärkein tehtävä on toimia hitsausrobotin orjana kappaleenkäsittelytehtävissä. Lähtöajatus on korvata tuotekohtaiset palettikiinnittimet mahdollisimman yleiskäyttöisillä kiinnittimillä ja varustaa apurobotti monikäyttöisillä tarraimilla ja muilla työkaluilla. Tällä voidaan lyhentää merkittävästi kiinnitinsuunnitteluun ja valmistuksen kuluvaa aikaa.
Ketterä-konsepti Ketterän hitsausautomaation (Agile Welding Automation) konseptia on tutkittu ainakin 1990-luvulta lähtien. Asiasta on julkaistu myös joitakin suomenkielisiä artikkeleita mm. Kalervo Leinon Teollisuus Nyt 5/2001 lehteen kirjoittama artikkeli Ketterä hitsausautomaatio. Artikkelissa on esitetty VTT Valmistustekniikan, Lappeerannan teknillisen yliopiston ja Savonlinnan ammatillisen aikuiskoulutuskeskuksen vuosina 1998-2001 Teräsrakenteiden hitsauksen ketterä automatisointi hankkeen toteutusta ja tuloksia. Ketterä konsepti perustuu oikeastaan kahteen perusasiaan. Hitsausrobotin rinnalla toimivaan apurobottiin, jota voidaan käyttää tuotteen kokoonpanon ohella myös osavalmistukseen ja viimeistelyyn. Robottijärjestelmän etäohjelmointiin Apurobotin tärkein tehtävä eli kokoonpanotyö vähentää oleellisesti kiinnitintarvetta. Apurobotin mahdollisimman yleiskäyttöisillä tarraimilla voidaan hitsattavat osat poimia keräilypaikalta, asemoida hitsauskohtaan ja pitää paikoillaan silloitushitsauksen ajan. Tämän jälkeen hitsausrobotti jää suorittamaan varsinaista hitsaustyötä, jona aikana apurobotti hakee uuden osan. Kokoonpanon ainakin osittaisella automatisoinnilla on mahdollista myös kasvattaa hitsauksen robotisointiastetta. Mikäli tuote muutoin soveltuisi hitsattavaksi robotilla, niin sen konstruktio on voinut olla este kustannustehokkaalle hitsauksen automatisoinnille. Konstruktio on voinut olla esimerkiksi sellainen, että hitsausta ja tuotteen kokoonpanoa joudutaan vuorottelemaan hitsauksen luoksepäästävyyden takia. Tällöin perinteisissä robottihitsausjärjestelmissä välillä tehtävää kokoonpanoa joudutaan tekemään manuaalisesti. Manuaalisten välityövaiheiden seurauksena tuotteita joudutaan liikuttelemaan eri työpisteiden välillä, jonka johdosta hitsauksen robotisoinnista usein luovutaan joko kokonaan tai robotisointiaste jää hyvin alhaiseksi. Ehkä tärkein etäohjelmoinnilla saavutettava hyöty on, että robottien ohjelmoinnin aiheuttama tuotantokatkos jää opettamalla ohjelmointiin verrattuna hyvin lyhyeksi, tyypillisesti noin 1/10-osaan, mutta parhaimmillaan kappaleen vaihdon keston pituiseksi. Etäohjelmointi parantaa myös työ- 25
26 turvallisuutta, sillä etäohjelmointijärjestelmillä on mahdollista simuloida robottien työkiertoa ja siten välttää mm. robottien törmääminen toisiinsa tai muihin esteisiin. Ketteräjärjestelmän toteutus ja toiminta Ketterä konseptiin kuuluvan apurobotin käyttö tuo tullessaan useita haasteita valmistukseen. Voidaan sanoa, että ketterän automaation kriittisiä osa-alueita ovat etenkin: ohjelmointitekniikan kehittäminen nopeaksi ja helpoksi, yleiskäyttöisten kiinnittimien, tarraimien ja robottityökalujen kehitystyö, apurobotin paikoitustarkkuus sekä hitsausmuodonmuutosten hallittu huomioiminen Yleisin robottien ohjelmointiperiaate, opettamalla ohjelmointi on hidasta ja keskeyttää tuotannon, joten se ei tule kyseeseen ketterän hitsausautomaation yhteydessä. Etäohjelmointi tai jossain tapauksissa tuotteissa esiintyviin yhteneväisiin piirteisiin pohjautuva makro-ohjelmointi ovat varteenotettavia vaihtoehtoja. Etäohjelmoinnista puhuttaessa tarkoitetaan yleensä 3d-ympäristöön rakentuvaa mallipohjaista ohjelmointijärjestelmää. Toisaalla tässä raportissa on kerrottu yksityiskohtaisemmin mitä tällaisella etäohjelmointijärjestelmällä voidaan tehdä, mutta hyvin typistetysti sanottuna kyseessä on robottien ohjelmointiin tehty CAD/CAM-ohjelmisto. Robotin työkalun asento ja etäisyys määräytyvät tuotteesta tehdyn 3D-mallin perusteella. Etäohjelmointiohjelmistolla tehdyn robottiohjelman hyvyys on vahvasti riippuvainen sekä itse robottihitsausjärjestelmästä tehdyn simulointimallin että tuotteista ja kiinnittimistä tehtyjen 3D-mallien totuudenmukaisuudesta. Kiinnitinsuunnittelun yksi lähtökohta on oltava modulaarisuus tai joustava mukautuvuus. Näiden seikkojen toteutukseen on vaikea antaa yleispätevää sääntöä, mutta tarkat paikoitusmekanismit ja pikalukitukset sekä helposti liikuteltavat vastin- ja kiinnityspinnat hyviä suunnittelun lähtökohtia. Kiinnitinjärjestelmä voidaan toteuttaa palettipohjaisena tai vaikkapa standardoituun peruslevyyn pohjautuvana ratkaisuna. Palettipohjaisen järjestelmän hyödyt ovat aivan samat kuin perinteisessä FMS-järjestelmässä, mutta
palettien määrä voi jäädä murto-osaan aiemmasta. Peruslevyyn pohjautuva järjestelmä mukailee perinteistä robottisolumallia, mutta siinä ei vaihdeta tuotteen mukana koko kiinnitintä vaan vain ne kiinnitinmoduulit jotka tarvitaan. Lisäksi apurobotin käytöllä on myös kiinnittimien modifiointi mahdollista automatisoida. Kun tuotekohtainen kiinnitin korvataan edellä kuvatulla moduulikiinnittimellä, niin kiinnitintä ei välttämättä voida optimoida yksittäiselle tuotteelle. Osa tuotekohtaisen kiinnittimen tehtävistä on siis toteutettava robottitarraimilla. Toisaalta erillistä silloituskiinnitintä ei tällöin ehkä tarvita, koska apurobotti voi toimia myös tuotteen kokoonpanijana. Standardisoimalla kiinnitinmoduulien paikoitusmekanismit ja lukitukset voidaan niitä käyttää myös apurobotissa. Tästä esimerkki, hitsattavan tuotteen yksi osakokonaisuus (tuotemoduuli) silloitetaan manuaalisesti, mutta hitsataan robotilla. Kun tuote irrotetaan silloituskiinnittimestä, niin sen mukana tulee myös pikalukituksella varustettu peruselementti. Tämä peruselementti kiinnittyy apurobotin yhdeksi työkaluksi, jolloin hitsausrobotti voi hitsata tuotemoduulin apurobotin pitäessä siitä kiinni. Lopuksi apurobotti paikoittaa tuotemoduulin pääkokoonpanoon hitsausrobotin hoitaessa sen kiinnityksen. Robottien tarkkuudesta puhuttaessa on hyvä selventää robotin aseman mittaukseen käytettävää tekniikkaa. Työkalun asema robotin peruskoordinaatistossa on oleellinen liikkeiden ohjauksessa käytetty tekijä. Se määritetään yleensä laskemalla nivelkulmista ja tukivarsien kinemaattisista pituuksista työkalun paikka ja asento. Tätä kutsutaan epäsuoraksi aseman mittaukseksi. Epäsuora aseman mittaus aiheuttaa robottien ohjaukseen ongelman. Robotin ohjauksessa ei pystytä ottamaan huomioon ulkoisten voimien ja oman painon vaikutuksesta aiheutuvaa paikkavirhettä. Tätä kutsutaan sisäisen paikanmittauksen ongelmaksi ja tästä syntyvää eroa kutsutaan robotin absoluuttiseksi tarkkuudeksi. Robotin absoluuttinen tarkkuus suhteessa jalustaan kiinnitettyyn koordinaatistoon voi olla ± useita millimetrejä, pitkillä työkaluilla pahimmillaan jopa kymmeniä millimetrejä. Vastaavasti toistotarkkuudella tarkoitetaan robotin tarkkuutta liikkua ohjelmallisesti opetettuun pisteeseen. Tavallisen kokoonpanotyöhön soveltuvien, kuormankantokyvyltään 100 300 kg nivelrobottien toistotarkkuus on luokkaa ±0,3 mm. Toisin sanoen, jos apurobotille on opetettu hitsattavan osan paikoituspiste, voidaan uskoa, että robotti tuo myös seuraavan 27