Teollisuusrobotti
Wikipedia
Teollisuusrobotti on sähköisesti, paineilmalla tai hydraulisesti liikkuva kappaleita tai työkaluja käsittelevä, tietokoneohjattu laite, jonka liikeradat ovat ohjelmallisesti muutettavissa. Robotiikka on oppi robottien suunnittelemisesta, rakentamisesta ja käytöstä. Ohjausteknisesti roboteissa on oleellista liikeakseleiden aseman mittaus ja takaisinkytkentä eli servo-ohjaus. Robotteja, joiden akselien liikkeet menevät vain ääriasennosta toiseen ilman paikanmittausta, sanotaan manipulaattoreiksi. Teollisuusrobottien tilastoinnissa robotiksi luokiteltavalta laitteelta vaaditaan vähintään kolmea vapaasti ohjelmoitavaa liikeakselia ja vähintään yhtä työkalua. [1] Myös automaattitrukit eli vihivaunut luetaan usein roboteiksi, mutta niitä ei tilastoida teollisuusroboteiksi.
Robotin määritelmä. Standardin SFS-EN 775 mukaan:
- Automaattisesti ohjattu
- Uudelleenohjelmoitava
- Monikäyttöinen käsittelylaite
- Useita vapausasteita
- Voi olla joko kiinteästi paikalleen tai liikkuvaksi asennettu
Manipulaattorilla ei ole standardoitua määritelmää, mutta manipulaattorin piirteitä ovat:
- Käsivarsityyppinen siirtolaite, jolla ei ole jatkuvaa asemamittausta, vaan liikkeet ajetaan päätyrajoihin
pystyen yleensä vain yhteen tehtävään ilman mekaanisia muutoksia.
- Tiettyä tehtävää varten suunniteltu mekaaninen laite
- Voidaan ohjelmoida tai käyttäjä voi reaaliaikaisesti ohjata.
- Ohjelmointi logiikkaohjauksella
Teollisuusrobotteja alettiin kehittää 1960-luvulla USA:ssa. Pioneeriyritys oli Unimation. 70-luvun puolivälin jälkeen tulivat markkinoille ASEA ja japanilaiset yritykset sähköisillä roboteilla. 90-luvun alkuun mennessä nivelrobottikäsivarret olivat saavuttaneet teknisen kypsyytensä, niihin tuli muun muassa vaihtovirtaservot. Tämän jälkeen robottien valmistuksessa on yritetty saada massatuotannon etuja. Robottitehtaissakin käytetään robotteja. Robottien hinnat puolittuivatkin 2000-luvulle tultaessa 90-luvun alun tasosta. Maailmassa on noin miljoona teollisuusrobottia ja vuosittaiset markkinat ovat n.100.000 teollisuusrobottia. [2]
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Robottien käytöstä ja käyttökohteista
Kaikkien robottien perustana on uudestaan ohjelmoitavat liikkeet. Kun tuotanto muuttuu, robotin ohjelma voidaan sekunnissa vaihtaa käsittelemään uutta tuotetta. Tämän ominaisuuden vuoksi roboteista käytetään termiä joustava automaatio. Roboteissa on myös rakenteellista joustavuutta, sillä robottikäsivarsi, jota on käytetty koneenpalvelussa, voidaan uudelleen työllistää lavauksessa tai jopa hitsauksessa kohtuullisella työpanoksella.
Teollisuudessa robotteja käytetään paljon metalli-, muovi- ja elintarviketeollisuudessa. Suomen Robotiikkayhdistyksen tilastojen mukaan Suomessa oli vuoden 2007 lopussa käytössä 5821 teollisuusrobottia, pääasiassa kappaleenkäsittelyssä, hitsauksessa ja kokoonpanotehtävissä. Suomen sijoitus tällä robottimäärällä on suhteellisesti ottaen maailman kuudenneksi robotisoitunein teollisuusmaa, kun suhdelukuna on robottimäärä/10.000 teollisuuden työntekijää. Japanissa on maailman robotisoitunein teollisuus. [3]
Robotit ovat osa teollisuuden automaatiota ja sen yhteiskunnalliset vaikutukset ovat samanlaisia eli ihmisten työpanoksia vapautuu muihin tehtäviin.
[muokkaa] Robotiikka
[muokkaa] Rakenteiden jaottelu
Mekaniikkansa suhteen teollisuusrobotit voidaan jakaa nivelrobotteihin ja lineaarisesti liikkuviin, joita sanotaan portaaliroboteiksi. Tarkemman lajittelun mukaan [4] perusrakenteita löytyy useampia:
- Suorakulmainen robotti (lineaariliikkeillä toteutettu), jollaisia ovat muun muassa portaalirobotit (gantry robots).
- Sylinterirobotti, jossa yksi koko rakennetta kääntävä pyörivä akseli, muuta liikkeet lineaarisia, tyypillinen manipulaattoriratkaisu.
- Napakoordinaatistorobotti, jossa on koko rakennetta kääntävä akseli sekä käsivartta pystysuunnassa kääntävä akseli muiden akselien ollessa lineaarisia. Tämä on harvinainen ratkaisu erikoissovelluksiin.
- SCARA-robotit (Selective Compliance Assembly Robot Arm), joilla nivelet ovat vaakatasossa ja pystysuuntainen liike lineaarinen. SCARA-roboteilla on yleensä vain 4 vapausastetta. Rakenteen etuna on jäykkyys pystysuunnassa. SCARA-robotteja käytetään elektroniikan ja muun pienikokoisen mekaniikan kokoonpanossa. SCARA-rakenne voidaan toteuttaa niin, että kaikki käyttömoottorit ovat jalustassa. Tällaisia käsivarsia käytetään esimerkiksi piikiekkojen käsittelyyn vakuumikammiossa, jolloin liikevoima siirretään tiiviiden pyörivien läpivientien kautta.
- Kiertyvänivelinen robotti, ihmiskäsivartta muistuttava rakenne. Nivelroboteilla on yleensä kuusi vapaasti ohjelmoitavaa niveltä, jolloin nivelkäsivarren päässä oleva kappale tai työkalu voidaan asettaa robotin ulottuvuuden puitteissa kaikkiin mahdollisiin kulmiin. Tämän vuoksi nivelrobotti on soveltuvuudeltaan monipuolisin robottirakenne.
- Rinnakkaisrakenteiset robotit, joissa on kolmen lineaariliikkeen varassa työkalulaippa, ovat tukevia ja nopeita. Tällaiset robotit on asennettu roikkumaan telineestä ja niillä on suhteellisen rajoittunut ulottuvuus. Kolmipistetuetulla rinnakkaisrakenteella voidaan tehdä nopeita, niin sanottuja "Pick&Place" robotteja. Kun tukivarret on tehty hiilikuitutangoista, niin pystytään pitämään liikkuvat massat pieninä ja kiihtyvyydet sekä hidastuvuudet suurina. Tankojen keskipisteessä on työkalu, esimerkiksi imukuppi. Esimerkki tällaisesta Pick&Place robotista on ABB IRB340.[5] Samalla rakenteella voidaan tehdä myös jäykkiä ja raskaampia robotteja, joiden ominaisuudet ovat tarkkuuden suhteen lähellä työstökoneita.
[muokkaa] Robotin käyttövoima
Hydraulisia robotteja käytetään silloin, kun siirrettävät kuormat ovat suuria, tyypillisesti yli 100 kg, mutta voivat olla jopa kymmeniä tonneja. Voimakkaimmilla sähkökäyttöisillä roboteilla maksikuorma on luokkaa 500 kg. Robotteihin on kehitetty suorakäyttöisiä (direct drive) sähkömoottoreita, joita käytettäessä voidaan jättää vaihteistot pois. Näitä käytetään erityisesti SCARA-roboteissa. Pneumaattisia robotteja käytetään muun muassa räjähdysherkiksi luokitelluissa tiloissa.
[muokkaa] Koordinaatisto ja liikkeiden hallinta
Teollisuusrobottien työalueen avaruus hallitaan koordinaatistoilla, joita voi olla kolmekin yhtä aikaa käytössä: [6]
- Työkalukoordinaatisto, jolla määritetään työkalun asento.
- Peruskoordinaatisto, joka on sidottu robotin jalustaan.
- Maailmakoordinaatisto, joka esimerkiksi nivelroboteilla on käytössä silloin, kun robotti on asennettu servo-ohjatulle kelkalle (7. vapausaste).
Kuusiakselisen käsivarren asennon määrittämiseen tarvitaan kolme kulmatietoa ranneakseleista ja kolme kulmatietoa jalustaan sidotusta koordinaatistosta. Robotin oma ohjaus tietää akselien pituuden ja laskee näiden avulla xyz-koordinaatit. Kun nivelrobotti siirtää esimerkiksi hitsaustyökalua pitkin lineaarista hitsisaumaa, niin se joutuu kääntämään kaikkia akseleitaan. Samoin nivelrobotille voidaan määrätä ulkoinen piste esimerkiksi hitsauskolvin kärkeen siten, että tuo piste pystyy paikoillaan robotin vaihtaessa työkalun kulmaa. Nämä liikkeet edellyttävät varsin hyvää ratalaskentakykyä. Lineaariroboteissa on yleensä yksinkertaisempi ohjaus, koska akselien suuntaiset lineaariliikkeet saadaan aikaan itse liikeakseleilla.
[muokkaa] Liikeratojen ohjelmointi
Liikeratojen opettamisessa on käytössä seuraavia menetelmiä:
- Opettaminen, jossa robotti ajetaan yleensä ohjaussauvan avulla haluttuun asemaan, minkä jälkeen akselien asema talletetaan osaksi ohjelmaa. Liikerata muodostuu opetettujen ratapisteiden ketjusta. Ratapisteitä on tarve opettaa yleensä vain mutkakohdista ja pisteiden välinen liikerata voidaan määrätä rataohjatuksi (esim. lineaarinen, ympyrä tai kaari) ja sille annetaan nopeus.
- Koordinaattien antamista käytetään vain rajoitetuissa tapauksissa kuten vakio siirtyminä (esimerkiksi 100 mm ylöspäin) sellaisten toimintojen, kuin kameralla asemoidun kappaleen poiminnan jälkeen. Ohjelmoituja liikkeitä voidaan yhdistää, esimerkki sivuliike lineaariseen rataan, jolla saadaan aikaan hitsauksessa tarvittava sulan hämmennys.
- Etäohjelmointi on tullut yhä tärkeämmäksi, koska robotin opettaminen vie paljon tuotantoaikaa. Etäohjelmoinnissa määritetään 3D:nä niin robotti kuin sen ympäristö ja ajetaan robotin liikkeet simuloituna. Joitakin ratakäyriä, esimerkiksi autonkorin kaaria, on vaikea muuten opettaa kuin etäohjelmoituna.
Näitä kaikkia ohjelmointitapoja voidaan käyttää samassa sovelluksessa. Ohjelman runko ja liikeradat voidaan tehdä etäohjelmoituna. Kun ohjelma on ladattu robotille, se käydään askelittain läpi ja korjataan mahdolliset virheet.
[muokkaa] Adaptiivisuus
Kun robottiasemassa on kameroita tai muita antureita, robotti saadaan adaptiiviseksi. Esimerkiksi kappaleiden poiminen kuljettimelta kameran avulla onnistuu siten, että kamera kuvaa kappaleen ja kuvasta tunnistetaan, missä asennossa kappale on (pääkoordinaatin suunta ja paikka). Tämän jälkeen robotti pystyy kääntämään työkalunsa oikeaan kulmaan ja tekemään koordinaatisto siirtymän siten, että poimintaliike siirretään tapahtumaan kappaleen todellisen sijainnin mukaiseksi.
[muokkaa] Tarkkuus
Robottikäsivarren asema mitataan epäsuorasti servomoottorien akseleihin liitettyjen asema-anturien kautta. Käsivarret ovat lisäksi pitkiä ja kevytrakenteisia, joten niihin syntyy helposti taipumaa kuormasta ja siirtymiä lämpölaajenemisen johdosta. Toistotarkkuutta roboteille luvataan +/- 0,1 mm. Absoluuttinen tarkkuus saattaa jäädä niinkin huonoksi kuin +/- 50 mm kuormitetun ja kuormittamattoman käsivarren välillä. Jos robotti ohjelmoidaan opettamalla ja kuormitettuna, niin huono absoluuttinen tarkkuus jää huomaamatta. Tarkkuudesta tulee ongelma etäohjelmoinnissa, jota vaikeuttaa lisäksi nivelrobotin koordinaatistojen vääristymät. Etäohjelmoinnin paikkavirheitä voidaan jossain määrin kompensoida korjauskertoimilla koordinaatiston eri pisteissä, kun virheen suuruus on ensin mitattu.
[muokkaa] Työkalut ja tarraimet
Robotin työn onnistumisen kannalta on oleellista, että käytettävät tarraimet tai työkalut ovat toimivia ja sopivat valittuun tehtävään. Tarraimen suunnittelun ongelmana on, että tarraimen ja siirrettävän kappaleen yhteenlaskettu paino ei saa ylittää robotin maksimikuormitusta. Lisäksi painopisteen etäisyys työkalulaipasta on rajoitettu. Robotti liikkuu nopeasti, jolloin kiihdytyksistä ja hidastuksista aiheutuu suuria rasituksia mekaniikalle. Turvallisuuden vuoksi siirrettävä kappale ei saa irrota robotin otteesta.
Tarraimet ovat yleensä imukupeilla toimivia tai pihtimäisiä. Valmiita tarrainrunkoja on saatavissa, mutta yleensä tapauskohtaisesti joudutaan suunnittelemaan itse siirrettävään kappaleeseen tarttuvat osat. Työkaluja ovat esimerkiksi hitsauspistoolit. Hitsausvarustuksiin kuuluu, että robotin ohjelmasta tulee ohjaussignaalit valokaaren sytyttämisestä, suojakaasusta ja langansyötöstä. Hitsausarvoja voidaan muuttaa saumakohtaisesti. Työkalu voi olla myös pora tai hiomakone. Näiden kanssa voidaan käyttää voimanmittausta. Tarraimet ja työkalut voivat olla kiinni työkalunvaihtolaipassa, jolloin robotti pystyy vaihtamaan työkalua käsiteltävien kappaleiden tai työtehtävän mukaan.
[muokkaa] Turvallisuus
Automaattisena ja voimakkaana koneena teollisuusrobotit asettavat työturvallisuudelle vaatimuksia. Robotti on Suomessakin ollut osallisena kuolemaan johtaneeseen työtapaturmaan. Robottien ja sen työaseman turvallisuutta koskee konedirektiivi ja useampikin sen kanssa harmonisoitu standardi (robotin turvaratkaisuista SFS-EN 775). Yleisesti turvallisuusvaatimukset johtavat siihen, että robottiasemat aidataan tai eristetään valorajoilla tai kosketusherkillä matoilla siten, että robotin työalueelle meneminen pysäyttää robotin. Teollisuusrobottien turvallisuusvaatimukset aiheuttavat ongelmia robottien käytön laajenemiselle esimerkiksi ravintoloihin tai sairaaloihin. Siellä robotit joutuisivat olemaan läheisessä kosketuksessa ihmiseen, joten turvallisuustason tulisi olla vielä teollisuuttakin parempi.
[muokkaa] Robottiautomaation kannattavuus
Robotit vähentävät teollisuuden työvoiman tarvetta yksinkertaisista tehtävistä, jotka ovat usein ovat myös samaa liikesarjaa toistavina ihmisellekin kuluttavia. Robottiaseman kustannuksista noin puolet syntyy itse robotista ja sen oheislaitteista, yksi kolmas osa aseman suunnittelusta, asennuksesta ja ohjelmoinnista ja loput käyttäjien koulutuksesta, käyttöönotosta ja koulutuksesta. Teollisuuden tuotantolaitteisto investoinneilta vaaditaan 2-3 vuoden takaisinmaksuaikaa. Robottien hinnat alkavat 20.000 eurosta. Peukalosääntönä voidaan katsoa, että yksi robotti korvaa noin yhden työntekijän. Kun tiedetään mikä on teollisuustyöntekijän keskiansio, niin näistä tiedoista voidaan päätellä, että kannattavan robotisoinnin edellytykset täyttyvät helposti kaksi- ja erityisesti kolmivuorotyössä. Tuotannollista etua roboteilla saavutetaan myös tasaisemman ja tasalaatuisemman tuotannon muodossa.
[muokkaa] Suomalaisesta robottien valmistuksesta
Suomen suurin robottien valmistaja on Cimcorp Oy, joka valmistaa portaalirobotteja. Nämä robotit kehitettiin 70-luvun lopussa Valcon kuvaputkitehtaalle kuvaputkien käsittelyyn. Nykyään Cimcorp on erikoistunut lähettämöiden ja varastojen kappaleen käsittelyyn. Toinen robottien valmistaja on Blastman, jonka robotteja käytetään suurten teräskappaleiden hiekkapuhallukseen. Näiden lisäksi on suurempi joukko insinööritoimistoja ja konepajoja, jotka rakentavat robottisovelluksia käyttäen valmiita robottikäsivarsia tai räätälöimällä robotteja osista. Muutaman nostolaitevalmistajan automaattinosturit täyttävät myös robotin määritelmän.
[muokkaa] Katso myös
- Numeerinen ohjaus
- Mekatroniikka
- Saksalainen robottivalmistaja KUKA
[muokkaa] Aiheesta muualla
- Suomen robotiikkayhdistys
- Cimcorp Oy
- Blastman Robotics Oy
- Robotics on line
- TKK:n harjoitustyö, jossa vertailtu robottien ja manipulaattoreiden eroa
[muokkaa] Lähteet
- ↑ toim. Risto Kuivanen: Robotiikka. Talentum Oyj, 1999. ISBN 951-9438-58-0.
- ↑ IFR: Maailman robottitilastot 2006 IFR. Viitattu 19. syyskuuta 2007.
- ↑ Suomen robotiikkayhdistys: Suomen robottitilastot 2007 Suomen robotiikkayhdistys. Viitattu 17. toukokuuta 2008.
- ↑ ISO 8373 {{{Nimeke}}}. International Organization for Standardization.
- ↑ ABB: IRB340 ABB. Viitattu 13. syyskuuta 2007.
- ↑ ISO 9787 {{{Nimeke}}}. International Organization for Standardization.
