ROBOTTIHITSAUKSEN KÄYTTÖÖNOTON EDELLYTYKSET ASIAKASOHJAUTUVASSA YKSITTÄIS- JA PIENSARJATUOTANNOSSA

Diplomityö koostuu teoria- ja tutkimusosasta. Teoriaosassa on käsitelty robottihitsaus-järjestelmän hankinnan edellytyksiä asiakasohjautuvan yksittäis- ja piensarjatuotannon lähtökohdista. Tarkastelun osa-alueita ovat asiakasohjautuva tuotanto, robottihitsaus yksittäis- ja piensarjatuotannossa, robottien ohjelmointimenetelmät, robottihitsauksen laatu ja laadunvarmistus, tehokkuus, tuottavuus, kannattavuus, robottihitsattavan tuotteen ja robottihitsausjärjestelmän suunnittelu, robottihitsausaseman turvallisuus sekä robotti-järjestelmän toteutus ja käyttöönotto. Teoriaosa on koottu siten, että sitä voidaan käyttää myös oppimateriaalina. Siinä esitetään myös sovellusesimerkki Imatran ammattikoululla toteutetusta robottihitsausaseman turvallisuusrakenneratkaisusta, jonka on suunnitellut ja toteuttanut diplomityön laatija. Diplomityön tutkimusosassa selvitetään kyselytutkimuksen avulla robottihitsauksen käyt-töönoton edellytyksiä asiakasohjautuvassa yksittäis- ja piensarjatuotannossa eteläkarjalai-sissa konepaja- ja metallialan yrityksissä. Tutkimukseen mukaan valituille 25 yritykselle ja yrityksistä valituille vastuuhenkilöille lähetettiin kirjallinen kyselytutkimus, johon vastaus saatiin 17 yritykseltä. Diplomityön tavoitteena oli selvittää robottihitsauksen käyttöönoton edellytyksiä. Tutkimuksella haettiin tietoja myös muusta yritysten suunnittelemasta hitsaus-tuotannon kehittämisestä kuten mekanisoinnista ja sen nykytilasta sekä muista mahdollisista hitsaukseen liittyvistä hankkeista. Tutkimustulosten perusteella on todettavissa, että Etelä-Karjalassa toimivista asiakas-ohjautuvista yksittäis- ja piensarjatuotantoa harjoittavista konepaja- ja metallialan yri-tyksistä löytyy yrityksiä, jotka ovat kiinnostuneita robottihitsausjärjestelmän hankinnasta, mutta saatujen tulosten perusteella voidaan todeta, että edellytyksiä siihen ei vielä näyttäisi olevan. Syiksi robottihitsausjärjestelmän hankinnan edellytysten puuttumiseen voidaan mainita muun muassa sopimaton tuoterakenne, liian yksilölliset tuotteet ja pienet sarjat, joilla ei ole toistuvuutta. Lisäksi yritykset toimivat pelkästään alihankintayrityksinä eikä niillä ole omaa tuotetta. Robottihitsausjärjestelmän hankinta voisi olla mahdollista niissä yrityksissä, jotka ovat verkottuneet, toimivat vakaavaraisesti ja joiden viennistä osa suuntautuu välillisesti tai välittömästi ulkomaille. Yhteistyöverkkojen voidaan olettaa parantavan robottihitsaus-järjestelmän hankinnan mahdollisuuksia. Tällöin kustannuksia voidaan jakaa usealle eri yritykselle ja siten voidaan tehostaa myös järjestelmän käyttöastetta sekä hankkia uusia asiakkaita. Kaksi yrityksistä on harkinnut joko oman tai leasing-robottihitsausjärjestelmän hankintaa. Ongelmina robottihitsausjärjestelmän yhteishankinnalle pidettiin esim. kenen tiloihin järjestelmä hankitaan, kuka huolehtii kunnossapidosta, miten palkat maksetaan työntekijöille ja miten käytössä oleva työaika jaetaan eri yrityksille. Diplomityön johtopäätökset ja suositukset osassa esitetään muutamia jatkotoimenpide-ehdotuksia siitä, kuinka tiettyjen yritysten osalta voitaisiin robottihitsauksen käyttöönottoa edistää. Tutkimuksen tuloksena saatua tietoa hyödynnetään muun muassa Lappeenrannan teknillisen yliopiston tutkimus- ja koulutushankkeissa sekä toisen asteen kone- ja metallitekniikan koulutuksen suunnittelussa ja toteutuksessa.

Piensarjatuotannon hitsauksen robotisointi

Diplomityön tarkoituksena on selvittää hitsauksen robotisointimahdollisuudet vakiintuneelle piensarjatuotteelle. Tarkastelun kohteeksi valittiin maanpäällisen porausyksikön runkopari, joka rakentuu ylä- ja alarungosta. Hitsaus on nykytilanteessa käsinhitsausta ja tuotetta tehdään noin 300 kpl / vuosi. Hitsauksen robotisoinnilla halutaan aikaansaada kustannussäästöä hitsauksen osalta ja tuotantokapasiteetin nousua. Työn teoriaosa voidaan jakaa neljään osaan: hitsaustekniikka, robottihitsattava tuote, robotisoituhitsaus ja investointilaskelmat. Hitsaustekniikassa lähdetään liikkeelle hitsauksen kannalta oleellisimmista perusasioista, jolloin lukijalle syntyy laajempi kokonaiskuva asiasta. Hitsauksen robotisointia suunniteltaessa korostuu tuotteen hitsattavuus. Hyvin suunniteltu tuote mahdollistaa robotisoidun hitsauksen ja luo edellytykset laadukkaalle, taloudelliselle ja tuottavalle hitsaukselle. Robotisoidun hitsauksen osassa rakennetaan kokonaisuus, jolloin lopputuloksena on tehokas robottijärjestelmä. Samalla käsitellään sekä varsinaista hitsausteknistä toteutusta että robottijärjestelmän komponentteja. Investointilaskelmien avulla varmistetaan robottijärjestelmän ja koko tuotantoketjun kannattavuus. Käytännön osuudessa selvitetään robotisoidun hitsauksen mahdollisuudet valitulle tuotteelle ja robotisoinnin aikaansaamat kustannussäästöt. Tuotteen ylärungosta valitaan etuosa tarkempaa CASE tyylistä tarkastelua varten. CASE:ssa käydään läpi etuosan valmistettavuus ja selvitetään robotisoinnista aikaansaamat säästöt. Investointilaskelmien avulla selvitetään käytännön osuudessa robotisoidun hitsauksen kannattavuus tietyille robottijärjestelmille.

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.

Hitsaustoiminnan käynnistäminen pk-alihankintakonepajassa

Tämä diplomityö on tehty HT Laser Oy:n Vieremän tehtaan hitsaustoiminnan käynnistämisen yhteydessä. Diplomityön tavoitteena oli hitsaustoiminnan käynnistämisen kustannusten minimointi ja hitsattavien tuotteiden myynti- ja valmistusprosessin luominen. Työn teoriaosassa on esitelty hitsauslaitteistolle asetettavia vaatimuksia, hitsauskustannuksiin vaikuttavia tekijöitä, tuotantojärjestelmiä, tuotannon ohjausmenetelmiä, laadunhallintaa, henkilöstöasioita, osavalmistusta, hitsauksen hinnoittelua ja tilauskäsittelyä. Ensisijaisesti työssä on tavoiteltu sujuvan ja tuloksellisen tilaus/tarjouskäsittelyprosessin luomista. Tämä on nähty edellytyksenä ongelmattomalle tuotannolle ja hyvälle toimitusvarmuudelle. Työssä on luotu malli tarjousvaiheessa läpikäytävälle esikatselmukselle, jota on esitelty kahden case -esimerkin avulla. Case -esimerkeissä on käsitelty myös tuotteiden valmistukseen ja hinnoitteluun liittyviä asioita ja ongelmia sekä näiden ratkaisuja.

Laserhitsattavan tuotteen suunnittelu

Tässä työssä tarkastellaan laserhitsattavan tuotteen suunnittelua ja sen tuotekehitykseen liittyviä tekijöitä. Tuotteen suunnittelua käsitellään valmistuksellisesta näkökulmasta, eli siitä, kuinka tuotteen suunnittelussa voidaan ottaa huomioon tuotteen valmistus- ja kokoonpanoystävällisyys. Laserhitsattavan tuotteen suunnittelua käsitellään myös tuotteen ominaisuuksien kannalta, eli kuinka lopullisesta tuotteesta saadaan mahdollisimman laadukas ja kilpailukykyinen. Suomen kaarihitsausosaaminen on kansainvälisesti korkealuokkaista, mutta laserhitsaus eroaa perinteisistä kaarihitsausprosesseista paljon. Kun laserilla hitsattavaa tuotetta suunnitellaan, ovat menetelmäkohtaiset suunnittelusäännöt erilaiset kuin kaarihitsauksessa. Laserhitsaus vaatii teknisesti pajalta enemmän, mutta se myös avaa uusia ovia tuotesuunnittelulle ja mahdollistaa tuotteita, jotka olisivat perinteisillä menetelmillä hankalia tai mahdottomia valmistaa. Oikein käyttöönotettuna laserhitsauksella voidaan päästä matalampiin valmistuskustannuksiin. Kustannustehokkaaseen tuotantoon päästäkseen täytyy kuitenkin ymmärtää tuotteen kustannusrakenne. Työn lopussa tarkastellaan ja vertaillaan perinteisen ja laserhitsatun tuotteen kustannuksia ja kustannusrakennetta.

Product costing model for laser welded hollow core steel panels

The aim of the study was to create an easily upgradable product costing model for laser welded hollow core steel panels to help in pricing decisions. The theory section includes a literature review to identify traditional and modern cost accounting methodologies, which are used by manufacturing companies. The theory section also presents the basics of steel panel structures and their manufacturing methods and manufacturing costs based on previous research. Activity-Based costing turned out to be the most appropriate methodology for the costing model because of wide product variations. Activity analysis and the determination of cost drivers based on observations and interviews were the key steps in the creation of the model. The created model was used to test how panel parameters affect the costs caused by the main manufacturing stages and materials. By comparing cost structures, it was possible to find the panel types that are the most economic and uneconomic to manufacture. A sensitivity analysis proved that the model gives sufficiently reliable cost information to support pricing decisions. More reliable cost information could be achieved by determining the cost drivers more accurately. Alternative methods for manufacturing the cores were compared with the model. The comparison proved that roll forming can be more advantageous and flexible than press brake bending. However, more extensive research showed that roll forming is possible only when the cores are designed to be manufactured by roll forming. Due to that fact, when new panels are designed consideration should be given to the possibility of using roll forming.

ASTM A923-Practice A application to identify intermetallic phases in a UNS S32750 superduplex welded joint

Duplex and superduplex stainless steels present superior mechanical and corrosion properties when compared to usual stainless steels. This superiority is based on chemical composition when in a balanced microstructure (approximately 50% of ferrite). During welding, changes may occur in both, the chemical composition and volume fraction of phases in the material, which may generate the presence of intermetallic phases and, as a consequence, modify the mechanical and corrosion properties of this group of stainless steels. The objective of this work is to apply ASTM A923- Practice A to verify the presence of intermetallic phases in welded joints of UNS 32750 su-perduplex stainless steel. Tubes of UNS 32750, with external diameters of 18 and 44 mm and a thickness of 1.5 mm, were welded using orbital GTAW, with filler metal 25Cr-10Ni-4Mo and a diameter of 0.8 mm. The metal-based and welded joints were characterized by optical and scanning electron microscopy. The results showed that there was no precipitation of the intermetallic phase, such as sigma phase, detected by ASTM A923, but the HAZ of the two tubes studied presented small regions with chromium nitrides, which can also change the properties of welded joins.

An Evaluation of Local Feature Combiners for Robot Visual Localization

In the last decade, local image features have been widely used in robot visual localization. To assess image similarity, a strategy exploiting these features compares raw descriptors extracted from the current image to those in the models of places. This paper addresses the ensuing step in this process, where a combining function must be used to aggregate results and assign each place a score. Casting the problem in the multiple classifier systems framework, we compare several candidate combiners with respect to their performance in the visual localization task. A deeper insight into the potential of the sum and product combiners is provided by testing two extensions of these algebraic rules: threshold and weighted modifications. In addition, a voting method, previously used in robot visual localization, is assessed. All combiners are tested on a visual localization task, carried out on a public dataset. It is experimentally demonstrated that the sum rule extensions globally achieve the best performance. The voting method, whilst competitive to the algebraic rules in their standard form, is shown to be outperformed by both their modified versions.

Robot visual localization through local feature fusion: an evaluation of multiple classifiers combination approaches

In the last decade, local image features have been widely used in robot visual localization. In order to assess image similarity, a strategy exploiting these features compares raw descriptors extracted from the current image with those in the models of places. This paper addresses the ensuing step in this process, where a combining function must be used to aggregate results and assign each place a score. Casting the problem in the multiple classifier systems framework, in this paper we compare several candidate combiners with respect to their performance in the visual localization task. For this evaluation, we selected the most popular methods in the class of non-trained combiners, namely the sum rule and product rule. A deeper insight into the potential of these combiners is provided through a discriminativity analysis involving the algebraic rules and two extensions of these methods: the threshold, as well as the weighted modifications. In addition, a voting method, previously used in robot visual localization, is assessed. Furthermore, we address the process of constructing a model of the environment by describing how the model granularity impacts upon performance. All combiners are tested on a visual localization task, carried out on a public dataset. It is experimentally demonstrated that the sum rule extensions globally achieve the best performance, confirming the general agreement on the robustness of this rule in other classification problems. The voting method, whilst competitive with the product rule in its standard form, is shown to be outperformed by its modified versions.

PRIM an Open Mobile Robot Platform. Motivation, Present and Future Trends

This paper is focused on the robot mobile platform PRIM (platform robot information multimedia). This robot has been made in order to cover two main needs of our group, on one hand the need for a full open mobile robotic platform that is very useful in fulfilling the teaching and research activity of our school community, and on the other hand with the idea of introducing an ethical product which would be useful as mobile multimedia information point as a service tool. This paper introduces exactly how the system is made up and explains just what the philosophy is behind this work. The navigation strategies and sensor fusion, where machine vision system is the most important one, are oriented towards goal achievement and are the key to the behaviour of the robot

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.

Quality management of outsourcing welded structure: case China

For any international companies who wish to enter the Chinese market, quality is base on the fundamental. The companies are coming to realize the importance of quality gradually, thus companies have been put the quality problems on the agenda. The competitiveness of companies comes from quality. Quality is the key to success, and it can decide that the companies can be accepted or eliminated by the market. Due to the obvious benefits, the demand of the method of how to achieve high quality of product keeps growing. During achieving the high quality process, the main troubles come from the impact between Eastern and Western culture. Chinese culture which is different with Western one have lasted as long as five thousand years. Such a culture deeply rooted in the hearts of Chinese people, and effected generation after generation of Chinese people's working style and ways of thinking. This thesis determines how to find a good fit point between Eastern and Western culture. Doing right thing by the right way. The nature of improving quality is improving management level in fact. "How to manage, who should be managed", the thesis explains the basic and best option to achieve those. It describes three-dimension-style management to monitoring the working process. This kind of management style can inspect production process from horizontal and vertical direction. In this management way, it defines effective evaluation system to every subcontractor, and makes the companies to achieve the ultimate goal - satisfy quality. Because of the importance of human factor, the thesis determines the range of training of the inspector and welder due to the current situation of China. The results show that in order to reach reliable training effective evaluation, not only the quality of the human but also the ultimate goal of product quality.

Novel Methods for Error Modeling and Parameter Identification of a Redundant Serial-Parallel Hybrid Robot

To obtain the desirable accuracy of a robot, there are two techniques available. The first option would be to make the robot match the nominal mathematic model. In other words, the manufacturing and assembling tolerances of every part would be extremely tight so that all of the various parameters would match the “design” or “nominal” values as closely as possible. This method can satisfy most of the accuracy requirements， but the cost would increase dramatically as the accuracy requirement increases. Alternatively, a more cost-effective solution is to build a manipulator with relaxed manufacturing and assembling tolerances. By modifying the mathematical model in the controller, the actual errors of the robot can be compensated. This is the essence of robot calibration. Simply put, robot calibration is the process of defining an appropriate error model and then identifying the various parameter errors that make the error model match the robot as closely as possible. This work focuses on kinematic calibration of a 10 degree-of-freedom (DOF) redundant serial-parallel hybrid robot. The robot consists of a 4-DOF serial mechanism and a 6-DOF hexapod parallel manipulator. The redundant 4-DOF serial structure is used to enlarge workspace and the 6-DOF hexapod manipulator is used to provide high load capabilities and stiffness for the whole structure. The main objective of the study is to develop a suitable calibration method to improve the accuracy of the redundant serial-parallel hybrid robot. To this end, a Denavit–Hartenberg (DH) hybrid error model and a Product-of-Exponential (POE) error model are developed for error modeling of the proposed robot. Furthermore, two kinds of global optimization methods, i.e. the differential-evolution (DE) algorithm and the Markov Chain Monte Carlo (MCMC) algorithm, are employed to identify the parameter errors of the derived error model. A measurement method based on a 3-2-1 wire-based pose estimation system is proposed and implemented in a Solidworks environment to simulate the real experimental validations. Numerical simulations and Solidworks prototype-model validations are carried out on the hybrid robot to verify the effectiveness, accuracy and robustness of the calibration algorithms.

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.

PRIM an Open Mobile Robot Platform. Motivation, Present and Future Trends

This paper is focused on the robot mobile platform PRIM (platform robot information multimedia). This robot has been made in order to cover two main needs of our group, on one hand the need for a full open mobile robotic platform that is very useful in fulfilling the teaching and research activity of our school community, and on the other hand with the idea of introducing an ethical product which would be useful as mobile multimedia information point as a service tool. This paper introduces exactly how the system is made up and explains just what the philosophy is behind this work. The navigation strategies and sensor fusion, where machine vision system is the most important one, are oriented towards goal achievement and are the key to the behaviour of the robot