Novel Robot Solutions for Carrying out Field Joint Welding and Machining in the Assembly of the Vacuum Vessel of ITER

It is necessary to use highly specialized robots in ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) both in the manufacturing and maintenance of the reactor due to a demanding environment. The sectors of the ITER vacuum vessel (VV) require more stringent tolerances than normally expected for the size of the structure involved. VV consists of nine sectors that are to be welded together. The vacuum vessel has a toroidal chamber structure. The task of the designed robot is to carry the welding apparatus along a path with a stringent tolerance during the assembly operation. In addition to the initial vacuum vessel assembly, after a limited running period, sectors need to be replaced for repair. Mechanisms with closed-loop kinematic chains are used in the design of robots in this work. One version is a purely parallel manipulator and another is a hybrid manipulator where the parallel and serial structures are combined. Traditional industrial robots that generally have the links actuated in series are inherently not very rigid and have poor dynamic performance in high speed and high dynamic loading conditions. Compared with open chain manipulators, parallel manipulators have high stiffness, high accuracy and a high force/torque capacity in a reduced workspace. Parallel manipulators have a mechanical architecture where all of the links are connected to the base and to the end-effector of the robot. The purpose of this thesis is to develop special parallel robots for the assembly, machining and repairing of the VV of the ITER. The process of the assembly and machining of the vacuum vessel needs a special robot. By studying the structure of the vacuum vessel, two novel parallel robots were designed and built; they have six and ten degrees of freedom driven by hydraulic cylinders and electrical servo motors. Kinematic models for the proposed robots were defined and two prototypes built. Experiments for machine cutting and laser welding with the 6-DOF robot were carried out. It was demonstrated that the parallel robots are capable of holding all necessary machining tools and welding end-effectors in all positions accurately and stably inside the vacuum vessel sector. The kinematic models appeared to be complex especially in the case of the 10-DOF robot because of its redundant structure. Multibody dynamics simulations were carried out, ensuring sufficient stiffness during the robot motion. The entire design and testing processes of the robots appeared to be complex tasks due to the high specialization of the manufacturing technology needed in the ITER reactor, while the results demonstrate the applicability of the proposed solutions quite well. The results offer not only devices but also a methodology for the assembly and repair of ITER by means of parallel robots.

Robots and robotic systems for the electronics and telecommunication industry

Tämä diplomityö tutkii elektroniikka- ja telekommunikaatioteollisuutta sekä siihen läheisesti liittyviä robotteja ja robottijärjestelmiä. Tavoitteena on määrittää E&T-teollisuuden prosesseihin soveltuvien robottien testausmenetelmä. Tavoitteena on myös selvittää kahden ABB:n robotin soveltuvuutta E&T-teollisuuden tarpeisiin. Muutamia systemaattisia valmistusjärjestelmien suunnitteluun soveltuvia menetelmiä ja apuvälineitä on myös käsitelty. Alussa työ keskittyy elektroniikka- ja telekommunikaatioteollisuuden nykytilan tutkimiseen sekä siellä vallitsevien ja ennustettujen trendien kartoitukseen. Kohdat “Collaborative manufacturing” ja E&T-teollisuuden valmistusjärjestelmille asettamat vaatimukset käydään yksityiskohtaisesti läpi. Tutkimuksen pääkohteina ovat robotit, erityisesti ABB:n IRB 140 ja IRB 340 sekä robottien testausmenetelmän määrittäminen. Työssä käydään läpi IRB 340:llä suoritetut testit, jotka tehtiin sekä konenäköjärjestelmää apuna käyttäen että ilman. Myös TTKK:lla suoritetut robottitestit on käyty läpi. Robottien testituloksia on analysoitu ja vertailtu muihin robotteihin. Testausmenetelmät perustuvat ISO 9283 standardiin. Viimeinen osa työstä esittelee robottijärjestelmien systemaattiseen suunnitteluun soveltuvia menetelmiä ja apuvälineitä. Esillä ovat mm. Modular function deployment (MFD) ja The system design method (SDM).

Vibration free machining tools

Appearance of the vibration is the very important problem in long tool turning and milling. Current solutions of minimizing vibrations provided by different tool suppliers are very expensive. This Master’s Thesis is presenting the new type of vibration free machining tools produced by Konepaja ASTEX Gear Oy that have cheaper production costs compare to competitors’ products. Vibration problems in machining and their today’s solutions are analyzed in this work. The new vibration damping invention is presented and described. Moreover, the production, laboratory experimental modal analysis and practical testing of the new vibration free prototypes are observed and analyzed on the pages of this Thesis. Based on the testing results the new invention is acknowledged to be successful and approved for further studies and developments.

Energy and raw material consumption analysis of powder bed fusion: case study: CNC machining and laser additive manufacturing

Laser additive manufacturing (LAM), known also as 3D printing, is a powder bed fusion (PBF) type of additive manufacturing (AM) technology used to manufacture metal parts layer by layer by assist of laser beam. The development of the technology from building just prototype parts to functional parts is due to design flexibility. And also possibility to manufacture tailored and optimised components in terms of performance and strength to weight ratio of final parts. The study of energy and raw material consumption in LAM is essential as it might facilitate the adoption and usage of the technique in manufacturing industries. The objective this thesis was find the impact of LAM on environmental and economic aspects and to conduct life cycle inventory of CNC machining and LAM in terms of energy and raw material consumption at production phases. Literature overview in this thesis include sustainability issues in manufacturing industries with focus on environmental and economic aspects. Also life cycle assessment and its applicability in manufacturing industry were studied. UPLCI-CO2PE! Initiative was identified as mostly applied exiting methodology to conduct LCI analysis in discrete manufacturing process like LAM. Many of the reviewed literature had focused to PBF of polymeric material and only few had considered metallic materials. The studies that had included metallic materials had only measured input and output energy or materials of the process and compared to different AM systems without comparing to any competitive process. Neither did any include effect of process variation when building metallic parts with LAM. Experimental testing were carried out to make dissimilar samples with CNC machining and LAM in this thesis. Test samples were designed to include part complexity and weight reductions. PUMA 2500Y lathe machine was used in the CNC machining whereas a modified research machine representing EOSINT M-series was used for the LAM. The raw material used for making the test pieces were stainless steel 316L bar (CNC machined parts) and stainless steel 316L powder (LAM built parts). An analysis of power, time, and the energy consumed in each of the manufacturing processes on production phase showed that LAM utilises more energy than CNC machining. The high energy consumption was as result of duration of production. Energy consumption profiles in CNC machining showed fluctuations with high and low power ranges. LAM energy usage within specific mode (standby, heating, process, sawing) remained relatively constant through the production. CNC machining was limited in terms of manufacturing freedom as it was not possible to manufacture all the designed sample by machining. And the one which was possible was aided with large amount of material removed as waste. Planning phase in LAM was shorter than in CNC machining as the latter required many preparation steps. Specific energy consumption (SEC) were estimated in LAM based on the practical results and assumed platform utilisation. The estimated platform utilisation showed SEC could reduce when more parts were placed in one build than it was in with the empirical results in this thesis (six parts).

Valukappaleen ainetta rikkomattoman tarkastusprosessin kehittäminen

Ainetta rikkomattomien tarkastusten merkitys erityisesti valettujen kappaleiden valmistuksen yhteydessä on ratkaiseva koneenosan luotettavuuden varmistamisessa. Suurilujuuksiset kuormausnosturin kääntöpylväät ovat kriittisiä osia, joiden vaurioituminen aiheuttaa kustannuksia ja työturvallisuusriskin. Kuormainvalmistajat haluavat, että toimitetut kääntöpylväät täyttävät asetetut laatuvaatimukset, joihin kuuluu säröttömyyden varmistaminen tarkastamalla. Väsymisvaurioiden välttämiseksi kappaleiden pinnan virheettömyys on tarkastettava jollakin pintatarkastusmenetelmällä. Magneettijauhetarkastus on eräs käyttökelpoinen ja taloudellinen menetelmä kyseessä olevien teräsvalukappaleiden tarkastamisessa. Tähän työhön on koottu magneettijauhetarkastukseen (menetelmänä) liittyvää tietoa. Työssä on laadittu kääntöpylväisiin koneistuksia tekevän yrityksen käyttöön tarkastuksen yleisohje. Yrityksessä otetaan käyttöön uusi magneettijauhetarkastuslaitteisto. Tarkastusmenetelmä on fluoresoivamärkä menetelmä, jossa käytetään UV-valaistusta. Tarkastusohjeen tueksi on kuvattu vertailukuvasarja tarkastajien käyttöön. Suurin sallittava särönpituus on väsymisen kannalta tärkein yksittäinen tekijä ja siksi sen arvioinnin on oltava luotettavaa. Työturvallisuuteen on kiinnitetty erityistä huomiota, sillä asiakkaatovat usein kiinnostuneita paitsi itse tuotteesta, myös yrityksen toiminnallisesta laadusta. Yhtenä laadun mittarina voidaan pitää vahinkojen ja tapaturmien vähäisyyttä. Selkeät toimintaohjeet viestivät laatutietoisesta turvallisesta toiminnasta. Yrityksen laatukäsikirjaan on tehtävä lisäys pylväiden tarkastamisesta jatyöturvallisuudesta. Työssä on laadittu lisäyksestä ehdotus. Lisäksi työssä on pohdittu yrityksen ja työntekijöiden toimintaan liittyviä vastuukysymyksiä.

Metsäkonetuotannon hitsauksen robotisointi

Diplomityön tavoitteena oli selvittää robottihitsauksen antamat mahdollisuudet metsäkoneen runkorakenteiden hitsauksessa. Työn teoriaosassa selvitettiin kaarihitsauksen automatisointia ja sen tuomia etuja manuaaliseen hitsaukseen verrattuna. Työssä käytiin läpi kaarihitsauksen automatisointiinsoveltuvat robottivaihtoehdot, nykyaikaisen robotin hitsausvarustus, sekä kappaleenkäsittelylaitteet ja robotisoidun käytön turvallisuus. Hitsauksen robotisointiin soveltuvat eri hitsausmenetelmät ja perinteisten menetelmien tehostamiskeinot käytiin lävitse teoriaosuudessa. Hitsaustuotannon laatuun vaikuttavia asioitaja robottihitsattavan kappaleen suunnittelun huomioonottamista tuotesuunnittelussa tarkasteltiin myös työn teoriaosuudessa. Käytännön osiossa tarkasteltiin robotilla hitsattavat tuotteet ja tehtiin niille luoksepäästävyystarkasteluja. Laadittiin vaatimusluettelo tarvittavalle hitsausrobottilaitteistolle ja mallinnettiin erilaisia vaihtoehtoisia ratkaisuja hitsausrobottiympäristöstä kaarihitsauksen graafista simulointiohjelmaa käyttäen. Vertailtiin eri laitetoimittajilta saatuja 'avaimet käteen'- periaatteella tarjottuja ratkaisuja janiiden vastaavuutta laadittuun vaatimusluetteloon sekä eri laiteratkaisujen keskinäistä paremmuutta kyseiseen tapaukseen. Päätuotteille määritettiin hitsausajat ja selvitettiin laitteiston hitsauskapasiteettia. Investoinnin taloudellista kannattavuutta tarkasteltiin eri laskentamenetelmien avulla. Lopuksi arvioitiin hitsaustuotannon jatkokehitystarpeita tulevaisuutta ajatellen.

Mikrokanavareaktorin käyttö reaktorina eksotermisissä reaktioissa

Tämän työn kirjallisuusosassa on tarkasteltumikrokanavareaktoria teknisestä näkökulmasta. Kirjallisuusosassa käydään läpi mikrokanavareaktorin rakennetta, valmistajia sekä valmistusmenetelmiä. Toisena näkökulmana kirjallisuusosassa tarkastellaan mikrokanavareaktorin soveltuvuutta eksotermisiin reaktioihin. Eksotermisista reaktioista tarkasteluun valittiin FIscher-Tropsch synteesi, jota tarkastellaan tässä työssä tarkemmin. Lopuksi kirjallisuusosassa käsitellään mikrokanavareaktoritekniikkalla saavutettavia etuja sekä mikrokanavareaktoritekniikkaan liittyviä ongelmia. Soveltavassa osassa tarkasteltiin mikrokanavareaktorin soveltuvuutta Fischer-Tropsch synteesiin käyttäen apuna Aspen+ simulointiohjelmaa. Aspen+ simulointiohjelman avulla nähtiin mikrokanavareaktorin koon vaikutus Fischer-Tropsh synteesiin. Lisäksi soveltavassa osassa suunniteltiin simulointituloksiin sekä kirjallisuudesta saatuihin tietoihin perustuva teollisuuden mittakaavaan soveltuva mikrokanavareaktori. Lopuksi työssä pohdittiin mikrokanavareaktoritekniikkaa kirjallisuus sekä sekä soveltavan osan perusteella.

Koneistuksen kannattavuus ostaa-valmistaa päätöksentekotilanteessa

Työn tavoitteena oli tutkia kohdeyrityksen oman koneistuksen tämän hetkistä kannattavuutta ostaa-valmistaa päätöksentekotilanteessa. Tarkoituksena oli löytää edullisin menetelmä hankkia yrityksen tarvitsemat koneistetut osat. Työssä selvitettiin oman koneistuksen aiheuttamat vuotuiset kustannukset, ulkoa ostettavan koneistuksen kustannukset sekä muille yrityksille myytävän alihankinnan tuomat tulot yritykselle. Työn lopussa on verrattu eri vaihtoehtojen vuotuisia kokonaiskustannuksia, joista perustellen valittiin kyseisen yrityksen toimintaan parhaiten soveltuva koneistettavien tuotteiden hankintamalli.Toimintamalleissa, missä yritykselle syntyy uutta liiketoimintaa, on kyseisen toiminnan osalta otettu huomioon yrityksen johdon asettama myyntikatetavoite. Työn lopputulemana on joko yrityksen koneistuksen jatkaminen entisellään, koneistustoiminnan laajentaminen tai koneistuksen täydellinen tai osittainen ulkoistaminen. Koneistusta on tarkasteltu tässä työssä kokonaisuutena.

Raaka-aine- ja energiatehokkuuden parantaminen Oras Oy:n valimossa

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia toimintatapoja ja edellytyksiä parantaa Oras Oy:n valimon raaka-aine- ja energiatehokkuutta. Tarkastelu suoritettiin ekotehokkuusajattelun näkökulmasta. Valimon ekotehokkuutta mitattiin metallin saannon sekä valu-uunien energiatehokkuuden avulla. Tutkimustyö suoritettiin valitsemalla tarkastelun kohteeksi 20 valutuotetta. Metallin saantoa selvitettäessä punnittiin tuotteita eri työvaiheissa,jolloin saatiin selville valukanavien sekä koneistus- ja hiontavarojen osuudet valutuotteisiin panostetusta messingistä. Saantoa laskettaessa tuli myös huomioida vuosittain hylättävien tuotteiden määrät sekä messingin raaka-ainekierto kokonaisuudessaan. Valu-uunien osalta selvitettiin toiminta-ajan ja energiankulutuksen jakautuminen messingin sulattamisen ja sulan kuumanapidon kesken. Työssä tarkasteltiin, kuinka paljon metallin saantoa voitaisiin parantaa pienentämällä valukanavien ja työvarojen osuutta valoksissa sekä vähentämällähylkyjen määrää. Lisäksi tarkasteltiin muutosten vaikutuksia raaka-ainekustannuksiin sekä jätteiden määrään. Valu-uunien energiatehokkuuden parantamisen osaltatarkasteltiin käyttöasteen nostamisen eli viikoittaisen käyntiajan lisäämisen vaikutuksia energiankulutukseen ja -kustannuksiin sekä edellytyksiä pitää osa uuneista kylmänä.

Hitsaavan tuotannon kehittäminen pyöräkuormainkaivureita valmistavassa yrityksessä

Diplomityössä käsitellään pyöräkuormainkaivureita valmistavan yrityksen konepajatuotannon kehittämistä aihiovalmistuksen, hitsauksen ja koneistuksen osalta. Pääpaino kehittämistoimissa on hitsauksessa. Lähtökohtana tuotannonkehittämisen tarpeelle ovat tuotannon kasvu, kustannustehokkuuden lisääminen sekä pula ammattitaitoisesta työvoimasta. Diplomityössä selvitetään yrityksen vanhan konekannan päivittämismahdollisuuksia ja säästöjen hakemista tehokkaampia valmistusmenetelmiä käyttöönottamalla. Pohjatyönä tulevaisuuden tuotannon tehostamiselle selvitettiin nykyiset valmistuskustannukset. Työajankäytön historiatiedot löytyivät yrityksen tietojärjestelmästä, joita tarkennettiinkentältä kerätyin tiedoin. Myös koneiden käyttökustannukset tuntihinnat eri työvaiheille. selvitettiin ja näin saatiin määritettyä Lännen Tractors Oy:lle löytyi hitsaavassa tuotannossa kehitystoimenpiteitä, mitkä tekemällä voidaan tuotantoa tehostaa ilman investointeja. Tuotannon kehittäminen jaettiin kahteen vaiheeseen: 1. vaihe, missä ei investoida vaan keskitytään nykyisten menetelmien kehittämiseen ja vanhojen koneiden tehokkaampaan hyödyntämiseen ja 2.vaihe, missä tarkastellaan mahdollisten investointien kannattavuutta sekä selvitetään alihankinnan mandollisuutta. Tuotannon tehostamisen 1. vaiheen toimenpiteillä saadaan hitsauskustannuksia pienennettyä jopa 20 %. 2. vaiheen oman tuotannon tehostamiseksi koneistuksen eri tehtiin investointilaskelmat robottihitsaussolun ja vaihtoehtojen takaisinmaksuajasta sekä sisäisestä korkokannasta. Uuden robottihitsaussolun takaisinmaksuaika on n. 3 vuotta. Näiden laskelmien perusteella mahdollisuudet valmistaa komponentteja taloudellisesti. investoinneilla voidaan pyöräkuormainkaivureiden saavuttaa hitsattuja

Ammattiosaamisennäytöt ja työssäoppiminen toisen asteen koulutuksessa

Opetusviranomaiset ovat pohtineet keinoja nuorisoasteen (toisen asteen) ammatillisen koulutuksen laadun varmistamiseksi, kehittämiseksi ja kilpailukyvyn parantamiseksi. Yhtenä tällaisena keinona on tuotettu työssä oppimisjärjestelmä ja siihen on liitetty elokuusta 2006 alkaen ammattiosaamisen näytöt. Näyttöjen perustana on laki ammatillisesta koulutuksesta. Opiskelija osoittaa ammattiosaamistaan näytöissä opiskelusuunnitelmaan sisältyviä työtehtäviä tehden. Kolmivuotiseen (120 ov) perustutkinnon koulutukseen sisältyy työssäoppimista vähintään 20 ov. Näytöt pyritään järjestämään työssäoppimisen yhteydesssä opiskelijoiden työssäoppimispaikoilla. Arvioinnin ja palautteen osuus on tärkeä ja siinä mukana opiskelija, työpaikkaohjaaja ja opettaja. Tässä työssä on tuotettu yleinen toimintamalli näyttöjen toteuttamiseksityössäoppimisen yhteydessä. Toisena on tuotettu alueellinen vastaava toimintamalli oppilaitostasolle kone- ja metallialalle. Mallissa on huomioitu alueen teollisuuden erityispiirteet. Edellisten lisäksi on myös tuotettu toimintamalli oppilaitoskohtaisesta soveltamisesta näyttöjen toteuttamiseen kone- ja metallialalla yksilötasolle saakka. Järjestelmän käyttöönotto eri toimijoiden kesken on käynnistynyt. Sen onnistunut toteutus vaatii jatkuvaa innovatiivisuutta ja taloudellisia resursseja jokaisen siihen osallistuvan tahon osalta. Tällöin on saavutettavissa uudistuksen tarkoitus: koulutuksen laadun konkreettinen varmistaminen ja kehittäminen.

3D-robottipoimintajärjestelmän kehittäminen

Lasertekniikkaa hyödyntävä 3D-kuvaustekniikka tuo uusia mahdollisuuksia robotilla suoritettavaan kasastapoimintaan. Kasasta otetun syvyyskuvan avulla tuotteista voidaan määrittää perinteisen XY-paikkatiedon lisäksi tuotteen korkeus- ja asentotieto. Näitä uusia ominaisuuksia hyödyntämällä robotilla voidaan suorittaa yksittäisen tuotteen poiminta kasasta eri korkeuksilta ja eri asennoista. Diplomityö kuuluu osana Master Automation Groupin ensimmäiseen 3D-tekniikkaan perustuvaan MAG PixCell 3D -robosoituun kappaleenkäsittelysoluun. Työn tavoitteena on kehittääsyvyyskuvan käsittelyyn algoritmeja, joiden avulla robotilla voidaan poimia yksitellen kasassa olevia metallisia saksen teriä. Algoritmien tarkoituksena on varmistaa kasasta löydettyjen terien poimittavuus sekä määrittää poimittavien terien korkeudet ja asennot. Tarkastusten jälkeen robotille välitetään terien XYZ-koordinaatti- ja asentotiedot.

Development of Paperboard Forming Tools with a Focus on Intelligent Manufacturing

Tämä diplomityö käsittelee kartonginmuovaukseen käytettävien puristintyökalujen kehittämistä. Työntavoitteina oli kehittää työkalutekniikan suunnittelua ja valmistusta edullisemmaksi, nopeammaksi ja työkaluja toiminnoiltaan tehokkaammiksi. Työn tuli sisältää myös ohjeet työkalujen suunnittelemiseksi ja valmistamiseksi jatkoa ajatellen. Työn aikana selvitettiin mahdollisia työkalurakennevaihtoehtoja, valmistusmateriaaleja sekä niiden käsittelymenetelmiä ja lastuamista sekä sen tarjoamia mahdollisuuksia valmistusmenetelmänä. Työkalupari suunniteltiin modulaariseksi siten, että uusia työkaluja varten vain osa komponenteista täytyy valmistaa uudelleen, samalla työkalun osien lukumäärää pienennettiin merkittävästi. Valmistusmateriaaliksi valittiin hyvin lastuttava työkaluteräs ja sen koneistaminen tapahtui vaakakaraisessa koneistuskeskuksessa. Työn loppuvaiheessa työkalukokonaisuudelle tehtiin kustannuslaskelma jaoteltuna eri työvaiheille sekä komponenteittain. Työkalu asennettiin puristimeen ja sille suoritettiin käyttötestaus. Työn aikana karttuneen kokemuksen sekä koekäytön perusteella tehtiin jatkokehitysehdotuksia.

Joustava hitsausautomaatio piensarjatuotannossa

Kustannuspaineet, tuotteiden laatuvaatimukset ja lisääntyvässä määrin myös ammattitaitoisen työvoiman pula lisäävät robotisoinnin käyttötarvetta hitsauksessa. Tämä työ on tehty edellä mainituista lähtökohdista ja käsittelee robottihitsausjärjestelmän suunnitteluprojektia, joustavaa hitsausautomaatiota ja robotiikan soveltamista. Näkökohtana on Savonia-ammattikorkeakoulun sekä Pohjois-Savon alueen yritysten tutkimus-, kehitys- ja koulutustoiminnan tarpeet. Joustavuus on hitsausjärjestelmän päätavoite, jolla pyritään vastaamaan asiakasohjautuvan yksittäis- ja piensarjatuotannon haasteisiin. Ratkaisua yksittäis- ja piensarjatuotteiden kokonaistaloudelliseen hitsaukseen on haettu hitsausrobotin rinnalle lisätyllä apurobotilla, jonka päätehtävä on kappaleenkäsittely, mutta sitä voidaan käyttää myös mm. robotisoituun leikkauksen ja särmäykseen. Tavallisuudesta poikkeavaa järjestelmäratkaisua on perusteltu sillä, että ohjaus- ja ohjelmointitekniikan sekä kehittyneen anturoinnin myötä on robottien käytettävyys parantunut ja aiempaa haasteellisempien robottijärjestelmien toteuttaminen on tullut näin mahdolliseksi. Lisäksi virtuaalimallinnus, simulointi ja etäohjelmointi ovat työkaluja, joita voidaan käyttää mm. tuotannon laadun ja tehokkuuden parantamiseen. Työssä esitetty robottiaseman suunnittelu alkaa järjestelmän määrittelystä, vaatimuslistan laadinnasta sekä visioinnista ja päättyy kolmen järjestelmävaihtoehdon vertailuun. Esitetyillä järjestelmävaihtoehdoilla on haettu mahdollisuutta yhdistää yleensä erillisinä toteutettuja työvaiheita yhteiseen soluun. Tuotannon joustavuus on ollut tuotantokapasiteettia tärkeämpi laitteistokokoonpanon valintaperuste.