Käsinhitsauksen mekanisointiratkaisujen kehittäminen

Työn tavoitteena on kehittää asiakkaiden käsinhitsausta kartoittamalla heidän hitsaavaa tuotantoa, sekä sen mahdollisia ongelmia. Järjestettävän hitsauskokeen avulla mitataan mekanisoidun hitsauksen tuottavuutta, laatua ja työergonomiaa. Työ sisältää teoreettisen ja käytännöllisen osuuden. Teoreettinen osuus pohjautuu kirjallisuuteen ja käytännöllinen osuus eri yrityksien kyselyihin ja haastatteluihin sekä hitsauskokeeseen. Teoreettinen osuus käsittelee käsinhitsausta ja siihen liittyviä mekanisointiratkaisuja. Käsinhitsauksessa käsitellään yleisimmät käsinhitsausprosessit, käsinhitsattava tuote ja tuotanto sekä sen tuottavuutta. Mekanisointiratkaisuissa käsitellään yleisimmät mekanisointiratkaisut ja laitteet sekä käytännön toteutusta. Käytännöllisessä osuudessa yritykset pitivät nykyisin hitsauksessa tärkeimpänä hitsaajien ammattitaitoa, tuottavuutta, työn mielekkyyttä, laatua sekä työturvallisuutta. Yrityksien tulisi tarkastella tuotannossaan hitsaussolujen sisältöä, sisäistä logistiikkaa ja kappaleiden kiinnitystä. Kappaleenkäsittelijään yrityksiltä tuli paljon kehitysideoita, kuten kiinnitykseen valmiita ratkaisuja sekä pöytälevyyn erilaisia vaihtoehtoja. Hitsauskokeen perusteella kappaleenkäsittelijällä työaika oli 29,4 % pienempi kuin työpöydällä. Laadullisesti koe antoi myös positiivisia tuloksia, käsittelypöydässä hitsattuja rakenteita ei tarvinnut korjata, mutta normaalissa työpöydässä piti, jotta C –luokan vaatimukset täyttyivät. Työturvallisuuden ja ergonomian kannalta suurimmat hyödyt olivat hyvä työasento, huurujen ja kurkottelun vähentyminen, mahdollisten palovammojen vähentyminen sekä vähemmän vaaraa osien putoamisesta.

Flexible multibody dynamics and intelligent control of a hydraulically driven hybrid redundant robot machine

The assembly and maintenance of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) vacuum vessel (VV) is highly challenging since the tasks performed by the robot involve welding, material handling, and machine cutting from inside the VV. The VV is made of stainless steel, which has poor machinability and tends to work harden very rapidly, and all the machining operations need to be carried out from inside of the ITER VV. A general industrial robot cannot be used due to its poor stiffness in the heavy duty machining process, and this will cause many problems, such as poor surface quality, tool damage, low accuracy. Therefore, one of the most suitable options should be a light weight mobile robot which is able to move around inside of the VV and perform different machining tasks by replacing different cutting tools. Reducing the mass of the robot manipulators offers many advantages: reduced material costs, reduced power consumption, the possibility of using smaller actuators, and a higher payload-to-robot weight ratio. Offsetting these advantages, the lighter weight robot is more flexible, which makes it more difficult to control. To achieve good machining surface quality, the tracking of the end effector must be accurate, and an accurate model for a more flexible robot must be constructed. This thesis studies the dynamics and control of a 10 degree-of-freedom (DOF) redundant hybrid robot (4-DOF serial mechanism and 6-DOF 6-UPS hexapod parallel mechanisms) hydraulically driven with flexible rods under the influence of machining forces. Firstly, the flexibility of the bodies is described using the floating frame of reference method (FFRF). A finite element model (FEM) provided the Craig-Bampton (CB) modes needed for the FFRF. A dynamic model of the system of six closed loop mechanisms was assembled using the constrained Lagrange equations and the Lagrange multiplier method. Subsequently, the reaction forces between the parallel and serial parts were used to study the dynamics of the serial robot. A PID control based on position predictions was implemented independently to control the hydraulic cylinders of the robot. Secondly, in machining, to achieve greater end effector trajectory tracking accuracy for surface quality, a robust control of the actuators for the flexible link has to be deduced. This thesis investigates the intelligent control of a hydraulically driven parallel robot part based on the dynamic model and two schemes of intelligent control for a hydraulically driven parallel mechanism based on the dynamic model: (1) a fuzzy-PID self-tuning controller composed of the conventional PID control and with fuzzy logic, and (2) adaptive neuro-fuzzy inference system-PID (ANFIS-PID) self-tuning of the gains of the PID controller, which are implemented independently to control each hydraulic cylinder of the parallel mechanism based on rod length predictions. The serial component of the hybrid robot can be analyzed using the equilibrium of reaction forces at the universal joint connections of the hexa-element. To achieve precise positional control of the end effector for maximum precision machining, the hydraulic cylinder should be controlled to hold the hexa-element. Thirdly, a finite element approach of multibody systems using the Special Euclidean group SE(3) framework is presented for a parallel mechanism with flexible piston rods under the influence of machining forces. The flexibility of the bodies is described using the nonlinear interpolation method with an exponential map. The equations of motion take the form of a differential algebraic equation on a Lie group, which is solved using a Lie group time integration scheme. The method relies on the local description of motions, so that it provides a singularity-free formulation, and no parameterization of the nodal variables needs to be introduced. The flexible slider constraint is formulated using a Lie group and used for modeling a flexible rod sliding inside a cylinder. The dynamic model of the system of six closed loop mechanisms was assembled using Hamilton’s principle and the Lagrange multiplier method. A linearized hydraulic control system based on rod length predictions was implemented independently to control the hydraulic cylinders. Consequently, the results of the simulations demonstrating the behavior of the robot machine are presented for each case study. In conclusion, this thesis studies the dynamic analysis of a special hybrid (serialparallel) robot for the above-mentioned special task involving the ITER and investigates different control algorithms that can significantly improve machining performance. These analyses and results provide valuable insight into the design and control of the parallel robot with flexible rods.

Lujien painelaiteterästen hitsaus

Työn tavoitteena oli tutkia lujan nuorrutetun painelaiteteräksen P500QL2 hitsattavuutta ja koehitsausten avulla löytää optimaaliset hitsausparametrit ja lämmöntuonti teräksen hitsaukseen. Työn tavoitteena oli myös selvittää ja käsitellä kaikkien painelaiteterässtandardissa esitettyjen lujien painelaiteterästen hitsauksessa huomioon otettavia asioita. Työn teoriaosuudessa käsitellään lujien painelaiteterästen hitsauksessa huomioitavia erityispiirteitä, kuten lämmöntuontia, jäähtymisaikaa, esilämmitystä sekä hitsausaineiden valintaa. Lisäksi teoriaosuudessa käsitellään painelaitteiden valmistusta, painelaiteterässtandardiin kuuluvia lujia painelaiteteräksiä sekä keinoja lujien terästen hitsattavuuden arviointiin. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin aineenvahvuudeltaan 50 mm paksun P500QL2-teräksen päittäisliitoksen mekaanisia ominaisuuksia eri lämmöntuonneilla hitsattuna. Kokeellisessa osassa tutkittiin myös myöstön poisjättämisen vaikutuksia liitoksen mekaanisiin ominaisuuksiin. Mekaanisia ominaisuuksia tutkittiin toteuttamalla koekappaleiden aineenkoetus menetelmäkoestandardin vaatimuksia soveltaen. Tutkimuksessa käytettyjä testausmenetelmiä olivat silmämääräinen tarkastus, magneettijauhetarkastus, ultraäänitarkastus, mikro- ja makrorakennetarkastelu, kovuuskokeet, vetokokeeet ja iskukokeet. Testauksessa saatujen tulosten avulla lujan painelaiteteräksen P500QL2 hitsaukseen laadittiin alustava hitsausohje. Hitsausliitosten testauksessa saatujen tulosten perusteella havaittiin hitsien lujuuden ja kovuuden laskevan lämmöntuonnin kasvaessa. Hitsausliitosten iskusitkeysominaisuudet olivat erinomaiset vielä suurellakin lämmöntuonnilla, mutta liitosten murtovenymäarvot laskivat lämmöntuonnin kasvaessa. Myöstön havaittiin parantavan hitsin mekaanisia ominaisuuksia huomattavasti. Tutkimuksen tulosten perusteella painelaiteteräs P500QL2 on hitsattavissa suurella lämmöntuonnilla ja suurella tuottavuudella liitoksen täyttäessä painelaitevalmistuksen edellyttämät vaatimukset.

Lean Duplex -terästen hitsaus

Viime vuosien aikana tapahtunut nikkelin hinnan nouseminen on vaikuttanut austeniittis-ferriittisten ruostumattomien terästen, ns. duplex -terästen kehittämiseen. Niukkaseosteisemmissa lean duplex -teräksissä seostetun nikkelin määrää on vähennetty ja sitä on korvattu typellä ja mangaanilla. Nämä muutokset ko. terästen seostuksessa aiheuttavat haasteita hitsaukselle, erityisesti austeniitti-ferriitti -suhteen säilyttämisessä, sekä sitä kautta iskusitkeyden ja korroosio-ominaisuuksien säilyttämiselle. Suurempi typen osuus myös lisää teräksen hitsisulan viskositeettia, mikä heikentää juuripalkojen hitsauksessa tunkeumaa. Tässsä diplomityössä on tutkittu keinoja helpottaa paksujen (yli 20 mm) lean duplex -teräslevyjen hitsausta käytännön näkökulmasta, sekä parantaa hitsattujen levyjen iskusitkeyttä. Hitsauskokeilla löydettiin hitsausta helpottavia menetelmiä ja kokeista saatiin karsimalla valikoitua hitsausarvot, joilla pystytään hitsaamaan painelaitedirektiivin mukaisesti hyväksyttäviä hitsejä lean duplex -laatuihin LDX2101 ja UR2202.

Elinkaarihankkeen rakennusliikeriskit

Tiivistelmä: Elinkaaren palvelumallit ovat suosittuja julkisten palveluiden hankintamuotoja Iso-Britanniassa. PPP–malli on yksi monista julkisten palvelujen kumppanuusmalleista, josta on tullut joissakin kunnissa yhä suositumpi hankintamalli myös Suomessa. Tämä on seurausta kuntien tiukasta taloustilanteesta, jossa PPP–hankkeen katsotaan mahdollistavan julkisen sektorin investoinnit joutumatta leikkaamaan muita pakollisia hankintoja. Kuitenkin koko elinkaaren kattavat palvelutarjonnan hankintamallit ovat vielä melko uusia malleja ja meillä on tarve löytää toimivia sopimusmalleja ja käytäntöjä, jotta hankkeista saadaan rakennusliikettä kiinnostavia liiketoimintamalleja. Ulkomailla elinkaarihankkeista on tehty monia tutkimuksia ja konsultit ovat kääntäneet niitä omiin tarkoituksiinsa sopiviksi. Kuitenkin Suomen lainsäädäntö on erilainen julkisten palveluiden tuottamisessa, erityisesti lakisääteisissä terveydenhuoltopalveluissa, vesi- ja jätevesihuollossa, vankeinhoidossa, ja niin edelleen. Tästä näkökulmasta ulkomailla tehdyt tutkimukset eivät sellaisenaan sovi Suomeen käytettäviksi. Esimerkiksi tutkimuksissa esitetään, että elinkaarihankkeet tuottavat pitkän aikavälin kassavirtaan, mutta tämä etu koskee vain rahoittaja ja kiinteistöpalvelu yrityksiä - ei rakennusyritystä. Tutkimuksissa mainitaan myös muista elinkaarihankkeiden mahdollisuuksista, jotka jäävät kuitenkin rakennusliikkeen näkökulmasta epäselviksi. Perinteisiin rakennuttamisen malleihin verrattuna elinkaarihankkeiden sopimusmenettelyt ovat monimutkaisempia sekä aikaa vievempiä ja sopijaosapuolten yhteistyö elinkaarihankkeissa on välttämätöntä. Käytännössä elinkaarihankkeiden riskienjako nähdään julkisen sektorin ja yksityisen sektorin välillä yksipuoliseksi. Jotta elinkaarimalli yleistyisi Suomessa, niin elinkaarisopimuksen riskienjaosta on tehtävä tasapuolinen ja käyttäjä pitää saada myös riskejä kantamaan. Tässä työssä keskitytään arvioimaan elinkaarimallien keskeisiä menestystekijöitä ja riskitekijöitä ja löytää mahdollisia tapoja tehdä hankintaprosessista helppoa ja sujuvaa. Samalla yritetään selvittää, miten elinkaarihankkeesta saadaan rakennusliikkeen kannalta menestyvää liiketoimintaa. Johtopäätökset perustuvat aikaisempiin tutkimuksiin ja empiiriseen tapaustutkimukseen. Työssä arvioidaan niitä seikkoja, jotka vaikuttavat yksityisen sektorin tarjouspäätökseen. Arvioinnissa erotetaan toisistaan kolme erillistä riskitekijää; tarjouksen tekemisen riskit, rakennushankkeen riskit ja elinkaaren aikaiset riskit. Työssä todetaan, että aikaisemmat tutkimukset ovat riittämättömiä rakennusliikkeen riskien arvioimiseen.

Jauhekaari- ja tandem-MIG/MAG-hitsauksen vertailu

Tässä kanditaatintyössä vertaillaan jauhekaari- ja tandem-MIG/MAG-hitsausta kirjallisuustutkimuksena. Vertailun kohteena ovat hitsausprosessien tuottavuus ja kustannukset sekä hitsausprosesseilla saavutettava laatu. Lisäksi kandidaatintyössä esitetään hitsausprosesseille tyypilliset käyttökohteet CASE -esimerkkeinä.

Arktisissa olosuhteissa käytettäville materiaaleille ja hitsatuille rakenteille asetetut vaatimukset

Diplomityössä tarkastellaan kohdeyrityksen hitsatuille teräsrakenteille asetettuja vaatimuksia Norjan ja Venäjän arktisilla alueilla. Teknisten vaatimusten lisäksi tutkitaan terästen kylmäkäyttäytymistä ja hitsaustuotannolle kohdistettuja vaatimuksia. Tutkimuksen lopussa käsitellään Venäjän ja Norjan markkinoiden erityispiirteitä ja keinoja markkinoille pääsemiseksi. Tutkimuksen perusteella havaitaan, että kohdeyritys voi suunnitella ja valmistaa sekä Norjan että Venäjän vaatimusten mukaisia rakenteita ilman suuria muutoksia rakenteisiin tai hitsaustuotantoon. Materiaalien ja valmistuksen laadun sekä niiden valvonnan merkitys korostuu arktisissa hankkeissa. Yrityksellä on käytössään standardit EN 1090, ISO 9001, ISO 3834 ja ISO 14122, jotka edesauttavat yrityksen kansainvälistymistä. Hitsattujen rakenteiden haurasmurtumariski kasvaa kylmissä olosuhteissa. Haurasmurtuman ydintymistä edesauttavat tekijät täytyy tunnistaa ja niitä on vältettävä suunnittelussa ja valmistuksessa. Lujempien ja sitkeämpien terästen käyttäminen kylmissä olosuhteissa on perusteltua, mutta ne asettavat omat haasteensa hitsaukselle.

Let Go and Remember. How Finnish Communities Experienced and Memorialized School Shootings

This study examines the aftermath of mass violence in local communities. Two rampage school shootings that occurred in Finland are analyzed and compared to examine the ways in which communities experience, make sense of, and recover from sudden acts of mass violence. The studied cases took place at Jokela High School, in southern Finland, and at a polytechnic university in Kauhajoki, in western Finland, in 2007 and 2008 respectively. Including the perpetrators, 20 people lost their lives in these shootings. These incidents are part of the global school shooting phenomenon with increasing numbers of incidents occurring in the last two decades, mostly in North America and Europe. The dynamic of solidarity and conflict is one of the main themes of this study. It builds upon previous research on mass violence and disasters which suggests that solidarity increases after a crisis, and that this increase is often followed by conflict in the affected communities. This dissertation also draws from theoretical discussions on remembering, narrating, and commemorating traumatic incidents, as well as the idea of a cultural trauma process in which the origins and consequences of traumas are negotiated alongside collective identities. Memorialization practices and narratives about what happened are vital parts of the social memory of crises and disasters, and their inclusive and exclusive characteristics are discussed in this study. The data include two types of qualitative interviews; focused interviews with 11 crisis workers, and focused, narrative interviews with 21 residents of Jokela and 22 residents of Kauhajoki. A quantitative mail survey of the Jokela population (N=330) provided data used in one of the research articles. The results indicate that both communities experienced a process of simultaneous solidarity and conflict after the shootings. In Jokela, the community was constructed as a victim, and public expressions of solidarity and memorialization were promoted as part of the recovery process. In Kauhajoki, the community was portrayed as an incidental site of mass violence, and public expressions of solidarity by distant witnesses were labeled as unnecessary and often criticized. However, after the shooting, the community was somewhat united in its desire to avoid victimization and a prolonged liminal period. This can be understood as a more modest and invisible process of “silent solidarity”. The processes of enforced solidarity were partly made possible by exclusion. In some accounts, the family of the perpetrator in Jokela was excluded from the community. In Kauhajoki, the whole incident was externalized. In both communities, this exclusion included associating the shooting events, certain places, and certain individuals with the concept of evil, which helped to understand and explain the inconceivable incidents. Differences concerning appropriate emotional orientations, memorialization practices and the pace of the recovery created conflict in both communities. In Jokela, attitudes towards the perpetrator and his family were also a source of friction. Traditional gender roles regarding the expression of emotions remained fairly stable after the school shootings, but in an exceptional situation, conflicting interpretations arose concerning how men and women should express emotion. The results from the Jokela community also suggest that while increased solidarity was seen as important part of the recovery process, some negative effects such as collective guilt, group divisions, and stigmatization also emerged. Based on the results, two simultaneous strategies that took place after mass violence were identified; one was a process of fast-paced normalization, and the other was that of memorialization. Both strategies are ways to restore the feeling of security shattered by violent incidents. The Jokela community emphasized remembering while the Kauhajoki community turned more to the normalization strategy. Both strategies have positive and negative consequences. It is important to note that the tendency to memorialize is not the only way of expressing solidarity, as fast normalization includes its own kind of solidarity and helps prevent the negative consequences of intense solidarity.

Hitsauslankojen kallistuskulmien vaikutus hitsausliitoksen ominaisuuksiin S355-rakenneteräksen tandem-MAG-pienahitsauksessa

Tämä kandidaatintyö on tutkimus hitsauslankojen kallistuskulmien vaikutuksesta hitsausliitoksen ominaisuuksiin tandem-MAG-pienahitsauksessa S355-rakenneteräkselle. Kokeellinen osuus suoritettiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston hitsaustekniikan laboratoriossa jatkotutkimuksena Binbin Yanin diplomityölle ”Influence of wire configurations of welding S355 structural steel with tandem GMAW”. Tutkimuksen tavoitteena on määrittää tandem-MAG-hitsauksessa käytettyjen hitsauslankojen kallistuskulmien vaikutus hitsausliitoksen ominaisuuksiin. Teoriaosuuden tavoitteena on selvittää myös muiden hitsausparametrien vaikutus hitsausliitoksen ominaisuuksiin sekä perehtyä hitsisulan käyttäytymiseen terästen tandem-MAG-hitsauksessa.

Energy saving potential in reservoir pumping

Pumping systems account for up to 22 % of the energy consumed by electrical motors in European industry. Many studies have shown that there is also a lot of potential for energy savings in these systems with the improvement of devices, flow control or surrounding sys-tem. The best method for more energy efficient pumping has to be found for each system separately. This thesis studies how energy saving potential in reservoir pumping system is affected by surrounding variables, such as the static head variation and friction factor. The objective is to create generally applicable graphs to quickly compare methods for reducing pumping system’s energy costs. The gained results are several graphs showcasing how the chosen variables affect energy saving potential of the pumping system in one specific case. To judge if these graphs are generally applicable, more testing with different pumps and environments are required.

Putkimaisten kappaleiden hitsausautomaatioratkaisun kehittäminen

Putkipalkkiliitosten käyttäminen offshore-teollisuuden rakennusten tukirakenteissa on erittäin yleistä. Liitosten valmistaminen on hankalaa ja hidasta. Hyvin usein tukirakenteiden putkipalkkiliitokset joudutaan hitsaamaan manuaalisesti tukirakenteen suuren koon vuoksi. Tukirakenteen uudella valmistustavalla, jossa rakenne kootaan pienemmistä osista, voidaan putkipalkkiliitosten valmistaminen ja hitsaaminen automatisoida. Robottihitsausasema sekä sen käyttöliittymä ja ohjelmisto todettiin toimivaksi ratkaisuksi putkipalkkiliitosten hitsaamiseen. Automaatiosuunnitteluun liittyy monia eri vaiheita, joiden huolellinen läpikäynti takaa todenmukaisemman konseptiratkaisun. Konseptiratkaisu kehittyy samalla, kun laitteistoja ja layoutia muokataan valmiimmiksi. Automaatiosuunnittelun aikana pyritään löytämään oikea taso automaatiolle. Valittu automaation taso vaikuttaa tuotannon tuottavuuteen, läpimenoaikaan ja joustavuuteen. Automaation määrällä vaikutetaan myös ihmisen tekemän työn määrään ja työnkuvaan. Tässä diplomityössä kehitettiin Pemamek Oy:lle hitsausautomaatioratkaisuja putkimaisille kappaleille. Putkiston osia valmistavan tehtaan hitsaus- ja tuotantoautomaation konseptiratkaisua tarkasteltiin esimerkkitapauksen muodossa, jolla kuvattiin, kuinka automaatiojärjestelmä voidaan suunnitella konseptitasolle. Toinen hitsausautomaatioratkaisu, joka tässä työssä kehitettiin, on robottihitsausasema käyttöliittymineen putkipalkkiliitoksen hitsaamiseen.

Muodonmuutosten ja jäännösjännitysten hallinta kuumennettaessa

Jäännösjännitykset ja muodonmuutokset syntyvät paikallisesti lämmitettäessä tapahtuvan estetyn laajenemisen aiheuttamasta tyssääntymisestä ja jäähtymisestä aiheutuvasta kutistumisesta. Jäännösjännityksiä ja muodonmuutoksia pystytään hallitsemaan hyödyntämällä ennaltaehkäisy, vähennys- ja poistotoimenpiteitä. Mallintamisen avulla pystytään ennakoimaan tapahtuvia jäännösjännityksiä ja muodonmuutoksia. Näin ollen pystytään optimoimaan valmistusta aiheutuvien ominaisuuksien minimoimiseksi.

Renkaiden ja tienpinnan välisen kitkakertoimen mittausjärjestelmän suunnittelu ja toteutus

Teiden liukkauden mittaaminen on herättänyt kiinnostusta viime vuosina. Liikenneturvallisuutta pystyttäisiin parantamaan ja teiden talvikunnossapitoa tehostamaan, mikäli kitkakerroin voitaisiin mitata tiestöä käyttävissä ajoneuvoissa. Tässä työssä suunnitellaan ja toteutetaan ajoneuvon pituussuuntaiseen dynamiikkaan perustuva kitkakertoimen mittausjärjestelmä. Pyörien luisto ja ajoneuvon nopeus, sekä pyöriin ja ajoneuvoon kohdistuvat voimat selvitetään CAN – väylästä luettavien ajoneuvon antureiden ja IMU:n avulla. Järjestelmää simuloidaan käyttämällä Matlab:ia ja testataan käytännössä VW Transporter pakettiautossa. Testitulokset osoittavat järjestelmän toimivan tarkasti ja että ajoneuvon dynamiikkaan perustuvan kitkakertoimen mittauksen on käyttökelpoinen ja kustannustehokas tapa teiden liukkauden valvomiseen.