Teollisuuden robotiikka

Kirjan lisämateriaalit

1. Teollisuuden robotiikka Suomessa

Mitä koneita ovat teollisuusrobotit? Miksi niitä käytetään? Syrjäyttävätkö robotit ihmistyövoiman? Mikä on robotiikan tilanne Suomessa? Millainen on robotiikan lähitulevaisuus?

2. Teollisuusrobotiikan sovelluksia

Teollisuusrobotiikkaa voidaan soveltaa useilla eri teollisuudenaloilla. Robotisoinnin vaatimukset ja haasteet vaihtelevat suuresti käyttökohteesta ja robotisoitavasta prosessista riippuen. Robotti saattaa olla vain pieni osa suurempaa valmistusjärjestelmää, tai yksinkertaisen tuotantosolun avainkone. Sovelluksesta riippumatta robotisoinnin tavoitteena on yleensä tuottavuuden nostaminen tai ihmisten työskentelyolosuhteiden parantaminen.

Tyypillinen robotisoitu pistehitsaussolu autotehtaalla

Robotisoitu adaptiivinen hitsaussolu raskaaseen hitsaukseen

Autotehtaan linjastolle toteutettu robottisovellus, joka tekee nokka-akseleiden laadunvarmistusta.

Robotisoitu jäysteenpoistosolu usealla eri hionta- ja jäysteenpoistoteknologialla.

Autotehtaalla kaikki robotisointisuunnitelmat tehdään digitaalisesti jo konseptisuunnitteluvaiheesta alkaen.

3. Robotisointi projektina ja robottijärjestelmän elinkaari

Robottijärjestelmä voi saada alkunsa halusta tehdä jokin asia aiempaa fiksummin. Kun valmis järjestelmä on kaikkien uudistamisien jälkeen ajettu loppuun, käytöstä vapautuneet materiaalit kierrätetään. Matkan varrella robottijärjestelmän parissa työskentelee useita ammattilaisia.

Robotisointi alkaa tarpeen ja tavoitteen tunnistamisesta ja alkusuunnittelusta. Itse robottijärjestelmä tuotetaan robotisointiprojektissa, jossa robottisolu suunnitellaan yksityiskohtaisesti, kootaan ja testataan ensin toimittajalla ja sen jälkeen asennetaan ja otetaan käyttöön loppuasiakkaalla. Robotin elinkaari alkaa suunnittelupöydältä ja jatkuu tuotantokäytössä. Nivelten löystyessä robotti siirtyy helpompiin työtehtäviin ja päättyy lopulta kierrätykseen. Elinkaaren vaiheista tuotantokäyttö on pisin: robotti voi toimia tuotannossa yli kymmenen vuotta, aika ajoin modernisoituna ja uusiin tehtäviin räätälöitynä jopa kymmeniä vuosia.

4. Teollisuusrobotiikan turvallisuus

Teollisuusrobotiikan turvallisuuden perusvaatimukset Euroopassa määrittelee konedirektiivi, jonka mukaan koneeksi katsotaan kaikki teollisuuden robottisolut. Jokaisen Euroopan talousalueella käyttöön otettavan robottisolun pitää täyttää tietyt turvallisuusvaatimukset. Vaatimustenmukaisuus osoitetaan CE-merkinnällä. Konedirektiivin turvallisuusvaatimuksia tarkennetaan laitekohtaisilla turvallisuusstandardeilla, esimerkiksi teollisuusroboteille ja -soluille on omat standardinsa. Sovellusten riskejä poistetaan ensisijaisesti suunnittelulla. Jos tämä ei riitä, turvallisuutta voidaan lisätä turvalaitteilla, -ohjeilla ja koulutuksella.

5. Teollisuusrobotti

Teollisuusrobotin päätehtävä on liikuttaa työkalulaippaansa kiinnitettyä työkalua ohjelmoinnin määräämiin paikotuspisteisiin. Tässä osassa käydään läpi yleisimmän robottityypin, nivelvarsieli käsivarsirobotin rakenne ja toimintaperiaate. Samat periaatteet ovat käytössä lähes kaikissa roboteissa valmistajasta ja rakenteesta riippumatta.

6. Liikkuvat robotit

Robottien siirtyminen tehdassalien ulkopuolelle on jo alkanut. Industry 4.0 -ohjelma tuo tarpeen entistä älykkäämmistä ja toisiin järjestelmiin liittyvistä roboteista. Tärkeä ominaisuus useille näistä roboteista on, että ne eivät enää ole sidottuja yhteen paikkaan. Liikkuvat robotit toimivat jo tänä päivänä maalla, merellä ja ilmassa.

7. Aistijärjestelmät ja kommunikointi

Yksittäinen robotti on varsin turha kapistus. Se osaa päätehtävänsä mukaan sijoittaa työkalulaippansa haluttuun pisteeseen halutussa asennossa ja tunnistaa oman asentonsa, mutta on muuten täysin tunnoton, kuuro, mykkä ja sokea. Tehdäkseen työnsä se tarvitsee tietoa ympäröivästä maailmasta. Tätä tietoa tuottavat erilaiset aistijärjestelmät. Aistijärjestelmistä ehdottomasti keskeisin on konenäkö, joka antaa robotille silmät. Konenäkö on niin laaja ja tärkeä aihe, että sille on tässä kirjassa omistettu oma lukunsa.

On kuitenkin olemassa huomattavasti konenäköä yksinkertaisempia aistijärjestelmiä. Yksinkertaisimmillaan aistijärjestelmä voi olla yksittäinen päällä/pois tieto rajakytkimeltä, joka kertoo, onko uusi kappale saapunut poimintapisteeseen.

Tiedon välittämiseen aistijärjestelmiltä ja muilta oheislaitteilta tarvitaan erilaisia kommunikointitapoja. Robotin täytyy pystyä kommunikoimaan muiden laitteiden kanssa saadakseen tietoa mm. työvaiheista ja kappaleiden sijainneista. Lisäksi sen on pystyttävä kertomaan muille laitteille omasta tilanteestaan: milloin on hyvä hetki käynnistää työkalu tai avata pidikkeet? 2020-luvulla robotti on jo itsessään useasta tietokoneesta koostuva järjestelmä, jossa on useita sisäisiä tiedonsiirtoratkaisuja. Tämän lisäksi robotti liitetään usein osaksi ympäröivää tietoverkkoa, jolloin sen tuottamaa tietoa voidaan käyttää laajasti hyödyksi ja robottia voidaan ohjata etänä.

8. Konenäkö

Tekniikkaa, joka saa robotit näkemään ympäristönsä, kutsutaan konenäöksi. Konenäön avulla robotin joustavuutta voidaan lisätä mm. kappaleiden tunnistamisessa, paikoittamisessa sekä laadunvarmistuksen sovelluksissa kuten mittaamisessa ja virheiden etsinnässä. Varsinkin 3D-kuvantaminen ja koneoppiminen ovat teknologioita, jotka lisääntyvät tulevaisuuden tuotantosoluissa.

9. Oheislaitteet

Robotti tarvitsee aina muita laitteita avukseen, jotta vaaditut tehtävät voidaan suorittaa. Robottijärjestelmään liittyy koneita ja erilaisia laitteita työkappaleiden käsittelyyn sekä prosessointiin. Työkappaleiden siirtoon tarvitaan kuljettimia ja käsittelylaitteita, jotta ne saadaan robotin ulottuville. Tässä osiossa käydään läpi tyypillisiä oheislaitteita, sekä niille asetettuja vaatimuksia toiminnallisuuden, liitettävyyden sekä luotettavuuden suhteen.

10. Työkalut

Robotti tarvitsee työkalun ollakseen hyödyllinen. Aiemmin kirjassa on jo todettu, että robotin päätehtävä on hallittu liike. Tätä liikettä päästään hyödyntämään tuottavaan toimintaan, kun robottiin lisätään työkalu. Tällöin robotti vie työkalun haluttuun paikkaan hallitusti, ja työkalu tekee varsinaisen työn. Työkaluja on niin monia erilaisia, että niistä on mahdoton tehdä kaiken kattavaa listaa. Kuitenkin, kun robotit kerran on tehty korvaamaan ihmisten työpanosta, voidaan olettaa, että kaikista ihmisen käyttämistä, hyviksi havaituista työkaluista on olemassa robottiversio. Lisäksi roboteille on kehitetty aivan omanlaisiaan työkaluja, sillä robotin liikkeen tarkkuus, toistokyky ja vakaa hyötykuorma tuovat uudenlaisia mahdollisuuksia.

11. Robottien ohjelmointi

Kun kinematiikan ja koordinaatistojen avulla saa robotin oikeaan paikkaan, niin ohjelmoinnin tehtävä on saada robotti sinne oikeaan aikaan ja oikealla liiketyypillä. Ohjelmoinnin osalta robotiikka tarjoaa teollisista laitteista eniten haasteita ja mahdollisuuksia. Käskykanta roboteilla on kasvanut vuosien aikana erittäin laajaksi ja monipuoliseksi. Viimeiset robotiikassa tapahtuneet kehitysaskeleet ovat pääosin tapahtuneet juuri ohjelmoinnin ja siihen liittyvien oheisohjelmistojen sekä -laitteiden kohdalla. Luvussa käydään läpi opettamisen ja ohjelmoinnin eroavaisuudet, yleisimmät käskyt sekä ohjelmoinnin aloittamiseen ja hyviin käytäntöihin liittyviä asioita.

12. Simulointi ja mallipohjainen etäohjelmointi

Simulointi ja mallipohjainen etäohjelmointi ovat digitaalisia työkaluja teollisuusrobottien toiminnallisuuksien mallintamiseen, varmentamiseen ja ohjelmoimiseen virtuaalisissa ympäristöissä. Yhdessä näiden avulla pystytään suunnittelemaan ja ohjelmoimaan automatisoituja robottijärjestelmiä ilman todellisia fyysisiä järjestelmiä ja varmistamaan suunniteltujen järjestelmien toimivuus ennen niiden käyttöönottoa. Osiossa käydään läpi simuloinnin ja mallipohjaisen etäohjelmoinnin perusteet teollisuusrobotiikan näkökulmasta sekä perehdytään digitaalisten kaksosten ja virtuaalitodellisuuden tuomiin mahdollisuuksiin teollisuusrobotiikassa.