Modulaarinen arkkitehtuuri tuoteperheen kehittämisessä

Modulaarisen tuotteen kehittäminen tehostaa yrityksen kilpailukykyä ja helpottaa asiakkaiden tarpeiden tyydyttämistä. Tuoteperheen edut verrattaessa massatuotantoon ovat laajempi tuotevalikoima sekä parempi tuotettavuus massaräätälöintiin verrattuna. Eri tuotevaihtoehtoja ja moduuleja on mahdollista kehittää rinnakkain. Moduloitava tuoteperhe helpottaa yrityksen eri vaiheita aina tuotteen suunnittelusta huoltotoimenpiteisiin ja lopulta tuotteen purkamiseen. Asiakkaille tärkeitä hyötyjä moduloinnin osalta ovat tuotteiden parempi laatu ja huollettavuus. Täysin uuden modulaarisen tuoteperheen kehittäminen vaatii runsaasti resursseja suunnitteluosastolla. Modulaarisessa tuotteessa suunnittelutyö voidaan kohdistaa vain tietyn moduulin kohdalle ja suunnitteluaikoja saadaan täten lyhennettyä. Tässä kandidaatintyössä tutkittiin, miten hitsausautomaatiosovelluksissa modulaarisuus on toteutettu sekä pohditaan kehityskohteita, koska hitsausautomaatiosovelluksia tuotetaan runsaasti asiakasräätälöintinä. Tarkasteltavana tuoteperheenä oli robottihitsausportaalit ja hitsaustornit.

Robotiikkatuoteperheen kehittäminen

Robottiikkatuoteperheeseen kuuluu robottihitsausportaalit, joiden päärunko rakentuu kote-lopalkeista. Koteloprofiilien käyttö on suosittua teollisuuden eri aloilla ja se soveltuu hyvin raskaaseen konepajateollisuuteen. Hitsausrobottiportaalin suunnitteluun liittyy monia eri vaiheita ja valituilla teknisillä ratkaisuilla voidaan vaikuttaa valmistettavan tuotteen hitsin laatuun ja työn onnistumiseen. Hitsausrobottiportaalit ovat usein asiakasräätälöityjä ratkaisuja, jolloin suunnittelutyö sekä valmistusvaihe vaativat runsaasti kapasiteettia. Modulaarisuuden avulla suunnittelu- ja valmistusvaiheita on mahdollista nopeuttaa sekä parantaa tuotteen testausta, huollettavuutta ja laatua. Tässä diplomityössä tutkittiin, miten hitsausrobottiportaalin vaakapuomi käyttäytyy ja taipuu erilaisissa kuormitustilanteissa. Lisäksi työssä määritettiin alkuperäisen koteloprofiilin tilalle uusi optimoitu koteloprofiili sekä tarkasteltiin moduloinnin mahdollistamista robo-tiikkatuoteperheen portaalisovelluksiin.

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.

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.

Alumiiniveneen rungon modulointi robottihitsauksen tehostamiseksi

Alumiiniveneiden valmistuksessa hitsauksen automatisointiaste on hyvin matala. Kilpailukyvyn säilyttämiseksi on tärkeää saada automatisointiastetta nostettua ja tätä kautta hitsauskustannuksia alennettua. Automatisoinnin esteenä ei ole teknologian puute, vaan ongelmana on alumiiniveneiden rakenteen huono soveltuvuus automatisoituun tuotantoon. Rakenteen kehittäminen modulaariseksi on yksi mahdollisuus tehostaa robottihitsausta venerunkojen valmistuksessa. Tässä diplomityössä tutkittiin modulaarisuutta, modulointiin johtavia tekijöitä sekä modulaarisuudella mahdollisesti saavutettavia etuja valmistavassa teollisuudessa ja erityisesti robottihitsauksessa. Lisäksi käsiteltiin modulointiin läheisesti liittyvää valmistus- ja kokoonpanoystävällistä suunnittelua. Työssä tehtiin modulointiesimerkki huviveneen rungon robottihitsauksen tehostamiseksi. Veneen runko ja siihen suunniteltu jäykisterakennemoduuli mallinnettiin käyttäen SolidWorks-ohjelmistoa sekä Delmia V5-ohjelmistoon sisällytettyä Catia V5-suunnitteluympäristöä. Suunnitellun modulaarisen rakenteen hitsattavuutta ja hitsaukseen kuluvaa aikaa simuloitiin Delmia V5-ohjelmistolla. Modulaarisen rakenteen avulla robottihitsattavuutta on mahdollista tehostaa erityisesti rungon sisäisen jäykisterakenteen osalta. Kun tuotteesta on suurempi osa hitsattavissa robotin avulla, on myös robotisointi-investoinnit kannattavampia. Modulaarisuuden avulla voidaan päästä myös pienillä tuotantomäärillä sarjatuotannon etuihin, kun samaa moduulia voidaan käyttää vähäisillä muutoksilla useammassa eri venemallissa.

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.

Optimizing of intelligence level in welding

The productivity, quality and cost efficiency of welding work are critical for metal industry today. Welding processes must get more effective and this can be done by mechanization and automation. Those systems are always expensive and they have to pay the investment back. In this case it is really important to optimize the needed intelligence and this way needed automation level, so that a company will get the best profit. This intelligence and automation level was earlier classified in several different ways which are not useful for optimizing the process of automation or mechanization of welding. In this study the intelligence of a welding system is defined in a new way to enable the welding system to produce a weld good enough. In this study a new way is developed to classify and select the internal intelligence level of a welding system needed to produce the weld efficiently. This classification contains the possible need of human work and its effect to the weld and its quality but does not exclude any different welding processes or methods. In this study a totally new way is developed to calculate the best optimization for the needed intelligence level in welding. The target of this optimization is the best possible productivity and quality and still an economically optimized solution for several different cases. This new optimizing method is based on grounds of product type, economical productivity, the batch size of products, quality and criteria of usage. Intelligence classification and optimization were never earlier made by grounds of a made product. Now it is possible to find the best type of welding system needed to welddifferent types of products. This calculation process is a universal way for optimizing needed automation or mechanization level when improving productivity of welding. This study helps the industry to improve productivity, quality and cost efficiency of welding workshops.

Green welding in practice

Efficient production and consumption of energy has become the top priority of national and international policies around the world. Manufacturing industries have to address the requirements of the government in relation to energy saving and ecologically sustainable products. These industries are also concerned with energy and material usage due to their rising costs. Therefore industries have to find solutions that can support environmental preservation yet maintain competitiveness in the market. Welding, a major manufacturing process, consumes a great deal of material and energy. It is a crucial process in improving a product’s life-cycle cost, strength, quality and reliability. Factors which lead to weld related inefficiencies have to be effectively managed, if industries are to meet their quality requirements and fulfil a high-volume production demand. Therefore it is important to consider some practical strategies in welding process for optimization of energy and material consumption. The main objective of this thesis is to explore the methods of minimizing the ecological footprint of the welding process and methods to effectively manage its material and energy usage in the welding process. The author has performed a critical review of the factors including improved weld power source efficiency, efficient weld techniques, newly developed weld materials, intelligent welding systems, weld safety measures and personnel training. The study lends strong support to the fact that the use of eco-friendly welding units and the quality weld joints obtained with minimum possible consumption of energy and materials should be the main directions of improvement in welding systems. The study concludes that, gradually implementing the practical strategies mentioned in this thesis would help the manufacturing industries to achieve on the following - reduced power consumption, enhanced power control and manipulation, increased deposition rate, reduced cycle time, reduced joint preparation time, reduced heat affected zones, reduced repair rates, improved joint properties, reduced post-weld operations, improved automation, improved sensing and control, avoiding hazardous conditions and reduced exposure of welder to potential hazards. These improvement can help in promotion of welding as a green manufacturing process.

Effect of laser welding on the titanium composite tensile bond strength

The aim of this study was to analyze the shear bond strength between commercially pure titanium, with and without laser welding, after airbone-particle abrasion (Al2O3) and 2 indirect composites. Sixty-four specimens were cast and divided into 2 groups with and without laser welding. Each group was divided in 4 subgroups, related to Al2O3 grain size: A - 250 µm; B - 180 µm; C- 110 µm; and D - 50 µm. Composite rings were formed around the rods and light polymerized using UniXS unit. Specimens were invested and their shear bond strength at failure was measured with a universal testing machine at a crosshead speed of 2.0 mm/min. Statistical analysis was carried out with ANOVA and Tukey's test (α=0.05). The highest bond strength means were recorded in 250 µm group without laser welding. The lowest shear bond strength means were recorded in 50 µm group with laser welding. Statistically significant differences (p<0.05) were found between all groups. In conclusion, airborne particle abrasion yielded significantly lower bond strength as the Al2O3 particle size decreased. Shear bond strength decreased in the laser welded specimens.

Hybrid fault diagnosis scheme implementation for power distribution systems automation

Power distribution automation and control are import-ant tools in the current restructured electricity markets. Unfortunately, due to its stochastic nature, distribution systems faults are hardly avoidable. This paper proposes a novel fault diagnosis scheme for power distribution systems, composed by three different processes: fault detection and classification, fault location, and fault section determination. The fault detection and classification technique is wavelet based. The fault-location technique is impedance based and uses local voltage and current fundamental phasors. The fault section determination method is artificial neural network based and uses the local current and voltage signals to estimate the faulted section. The proposed hybrid scheme was validated through Alternate Transient Program/Electromagentic Transients Program simulations and was implemented as embedded software. It is currently used as a fault diagnosis tool in a Southern Brazilian power distribution company.

Modeling extended Petri nets compatible with GHENeSys IEC61131 for industrial automation

Petri net (PN) modeling is one of the most used formal methods in the automation applications field, together with programmable logic controllers (PLCs). Therefore, the creation of a modeling methodology for PNs compatible with the IEC61131 standard is a necessity of automation specialists. Different works dealing with this subject have been carried out; they are presented in the first part of this paper [Frey (2000a, 2000b); Peng and Zhou (IEEE Trans Syst Man Cybern, Part C Appl Rev 34(4):523-531, 2004); Uzam and Jones (Int J Adv Manuf Technol 14(10):716-728, 1998)], but they do not present a completely compatible methodology with this standard. At the same time, they do not maintain the simplicity required for such applications, nor the use of all-graphical and all-mathematical ordinary Petri net (OPN) tools to facilitate model verification and validation. The proposal presented here completes these requirements. Educational applications at the USP and UEA (Brazil) and the UO (Cuba), as well as industrial applications in Brazil and Cuba, have already been carried out with good results.

Extrahepatic portal vein thrombosis after umbilical catheterization: is it a good choice for Rex shunt?

Background: Extrahepatic portal vein thrombosis (EHPVT) is an important cause of portal hypertension in children. Rex shunt has been used successfully to treat these patients. Methods: We report our experience in 19 infants and children (5 months to 14 years) with HPVT eligible for a mesenteric-portal surgical shunt with left internal jugular vein autograft. Eight children had idiopathic EHPVT, nine had post-umbilical catheterization EHPVT, one had portal vein agenesis, and one had posttransplant EHPVT. Results: It was possible to perform the Rex shunt in all patients except for 8 of 9 cases in the post-umbilical catheterization EHPVT group. A Warren procedure was performed in 4 of those patients and a proximal splenorenal shunt in 1. Current follow-up ranges from 3 to 26 months. Shunt thrombosis occurred in one patient with portal vein agenesis and associated cardiac anomaly. Portal hypertension has significantly improved after surgery. None of our patients have experienced new bleeding episodes until now. Conclusions: The Rex shunt should be considered in the treatment of children with idiopathic EHPVT experiencing repeated gastrointestinal bleeding episodes refractory to endoscopic treatment. Nevertheless, the role of this operation for children with post-umbilical catheterization EHPVT is yet to be clearly evaluated. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.