Teollisuusrobotti

Pieni teollisuusrobotti Kawasaki FS-03N.

Teollisuusrobotti on tietokoneohjattu työkappaleita tai työvälineitä käsittelevä yleiskäyttöinen kone, robotti. Yleiskäyttöisyys tarkoittaa sitä että ohjelma jonka mukaan robotti toimii on helposti muutettavissa ja samaa robottia voidaan käyttää useisiin käyttötarkoituksiin. Robotin liikkeet voidaan tuottaa sähköisten, pneumaattisten tai hydraulisten toimilaitteiden avulla.

Robotiikka on oppi robottien suunnittelemisesta, rakentamisesta ja käytöstä.

Lineaariliikkeinen robotti, jonka valmistaja on saksalainen Reis Robotics.

Määritelmiä

Ohjausteknisesti teollisuusroboteissa on oleellista liikeakseleiden aseman mittaus ja takaisinkytkentä eli servo-ohjaus. Robotteja, joiden akselien liikkeet menevät vain ääriasennosta toiseen ilman paikanmittausta, sanotaan manipulaattoreiksi. Teollisuusrobottien tilastoinnissa robotiksi luokiteltavalta laitteelta vaaditaan vähintään kolmea vapaasti ohjelmoitavaa liikeakselia ja vähintään yhtä työkalua. Myös automaattitrukit eli vihivaunut luetaan usein roboteiksi, mutta niitä ei tilastoida teollisuusroboteiksi.

PUMA-robotti

Standardin ISO 8373:2021 mukaan (suomeksi käänettynä):

• Automaattisesti ohjattu
• Uudelleenohjelmoitava
• Monikäyttöinen käsittelylaite
• Vähintään kolme vapausastetta
• Voi olla joko kiinteästi paikalleen tai mobiilialustan päälle asennettu

Teollisuusrobottien historia

Robotti vuodelta 1983, jossa ranteen liikkeitä ohjaavat moottorit ovat käsivarren kyljessä ja liike välittyy työntötankojen avulla.

Teollisuusrobotteja alettiin kehittää 1960-luvulla Yhdysvalloissa. Pioneeriyritys oli Unimationin Incorporation, joka toi vuonna 1961 markkinoille ensimmäisen teollisuusrobotin Unimate 1900. Ensimmäinen asennettiin 1961 General Motorsin autonosia valmistavalle tehtaalle painevalukoneen palveluun. Vuonna 1969 GM automatisoi Lordstownin tehtaansa Ohiossa, jossa se pystyi siellä tuottamaan 110 autoa tunnissa. Tämä oli kaksi kertaa enemmän kuin mikään muu tuonaikainen tehdas. Autoteollisuudesta muodostuikin robotiikan suurin käyttäjä. Japanilainen Kawasaki lisensoi Unimationin tekniikan ja alkoi valmistaa robotteja Japanissa. Unimationin valmistamista roboteista tunnetuin on alkujaan Victor Sheinmanin 1973 suunnittelema robotti, josta Unimation General Motorsin avustamana kehitti vuonna 1977 robottimallin PUMA (lyhenne sanoista Programmable Universal Machine for Assembly tai Programmable Universal Manipulation Arm). Nokia valmisti Puma robotteja 1980-luvulla. Unimationin osti vuonna 1980 Westinghouse, joka myi sen vuonna 1988 Sveitsiläiselle robottivalmistajalle Stäublille.

1970-luvun puolivälin jälkeen tulivat markkinoille ASEA ja japanilaiset yritykset sähköisillä roboteilla. Myös Saksalainen KUKA aloitti 1970-luvulla. 1990-luvun alkuun mennessä nivelrobottikäsivarret olivat saavuttaneet teknisen kypsyytensä, niihin tuli muun muassa vaihtovirtaservot. Tämän jälkeen robottien valmistuksessa on yritetty saada massatuotannon etuja. Robottitehtaissakin käytetään robotteja. Robottien hinnat puolittuivatkin 2000-luvulle tultaessa 1990-luvun alun tasosta. Maailmassa on noin miljoona teollisuusrobottia ja vuosittaiset markkinat ovat noin 100 000 teollisuusrobottia.

Robottien käyttö ja käyttökohteet

Kaikkien robottien perustana on uudestaan ohjelmoitavat liikkeet. Kun tuotanto muuttuu, robotin ohjelma voidaan sekunnissa vaihtaa käsittelemään uutta tuotetta. Tämän ominaisuuden vuoksi roboteista käytetään termiä joustava automaatio. Roboteissa on myös rakenteellista joustavuutta, sillä robottikäsivarsi, jota on käytetty koneenpalvelussa, voidaan uudelleen työllistää lavauksessa tai jopa hitsauksessa kohtuullisella työpanoksella. Teollisuusrobotteja voidaan soveltaa hyvin monenlaisissa tehtävissä valmistavassa teollisuudessa ja sen ulkopuolella.

Teollisuudessa robotteja käytetään paljon metalli-, muovi- ja elintarviketeollisuudessa. Suomen Robotiikkayhdistyksen tilastojen mukaan Suomessa oli vuoden 2022 lopussa käytössä yli 6000 teollisuusrobottia, pääasiassa kappaleenkäsittelyssä, hitsauksessa ja kokoonpanotehtävissä. Suomen sijoitus oli vuonna 2007 5 821 robottimäärällä oli suhteellisesti ottaen maailman kuudenneksi robotisoitunein teollisuusmaa, kun suhdelukuna on robottimäärä/10 000 teollisuuden työntekijää. Japanissa oli maailman robotisoitunein teollisuus vuonna 2007.

Vuonna 2023 robotisoiduin teollisuus löytyy Etelä-Koreasta 1012 teollisuusrobottia/10 000 työntekijää. Vuonna 2023 Suomi on jäänyt jälkeen teollisuuden robotti-investoinneissa, ollen edeltävällä listalla enää kahdeskymmenes ensimmäinen robottitiheydellä 157.

Robotit ovat osa teollisuuden automaatiota ja sen yhteiskunnalliset vaikutukset ovat samanlaisia eli ihmisten työpanoksia vapautuu muihin tehtäviin.

Robotiikka

Lineaarisen (karteesisen) robotin kinematiikkakaavio.

Rakenteiden jaottelu

Mekaniikkansa suhteen teollisuusrobotit voidaan jakaa nivelrobotteihin ja lineaarisesti liikkuviin, joita sanotaan portaaliroboteiksi. Tarkemman lajittelun mukaan perusrakenteita löytyy useampia:

• Suorakulmainen robotti (lineaariliikkeillä toteutettu), jollaisia ovat muun muassa portaalirobotit (gantry robots).

Sylinterikoordinaatistossa liikkuvan robotin kinematiikkakaavio.

• Sylinterirobotti, jossa yksi koko rakennetta kääntävä pyörivä akseli, muuta liikkeet lineaarisia, tyypillinen manipulaattoriratkaisu.
• Napakoordinaatistorobotti, jossa on koko rakennetta kääntävä akseli sekä käsivartta pystysuunnassa kääntävä akseli muiden akselien ollessa lineaarisia. Tämä on harvinainen ratkaisu erikoissovelluksiin.

SCARA-rakenteen kinematiikkakaavio.

• SCARA-robotit (Selective Compliance Assembly Robot Arm), joilla nivelet ovat vaakatasossa ja pystysuuntainen liike lineaarinen. SCARA-roboteilla on yleensä vain 4 vapausastetta. Rakenteen etuna on jäykkyys pystysuunnassa. SCARA-robotteja käytetään elektroniikan ja muun pienikokoisen mekaniikan kokoonpanossa. SCARA-rakenne voidaan toteuttaa niin, että kaikki käyttömoottorit ovat jalustassa. Tällaisia käsivarsia käytetään esimerkiksi piikiekkojen käsittelyyn vakuumikammiossa, jolloin liikevoima siirretään tiiviiden pyörivien läpivientien kautta.

Nivelrobotin kinematiikkakaavio.

• Kiertyvänivelinen robotti, ihmiskäsivartta muistuttava rakenne. Nivelroboteilla on yleensä kuusi vapaasti ohjelmoitavaa niveltä, jolloin nivelkäsivarren päässä oleva kappale tai työkalu voidaan asettaa robotin ulottuvuuden puitteissa kaikkiin mahdollisiin kulmiin. Tämän vuoksi nivelrobotti on soveltuvuudeltaan monipuolisin robottirakenne.
• Rinnakkaisrakenteiset robotit, joissa on kolmen lineaariliikkeen varassa työkalulaippa, ovat tukevia ja nopeita. Tällaiset robotit on asennettu roikkumaan telineestä ja niillä on suhteellisen rajoittunut ulottuvuus. Kolmipistetuetulla rinnakkaisrakenteella voidaan tehdä nopeita, niin sanottuja "Pick&Place" robotteja. Kun tukivarret on tehty hiilikuitutangoista, niin pystytään pitämään liikkuvat massat pieninä ja kiihtyvyydet sekä hidastuvuudet suurina. Tankojen keskipisteessä on työkalu, esimerkiksi imukuppi. Esimerkki tällaisesta Pick&Place robotista on ABB IRB340. Samalla rakenteella voidaan tehdä myös jäykkiä ja raskaampia robotteja, joiden ominaisuudet ovat tarkkuuden suhteen lähellä työstökoneita.

Robotin käyttövoima

Hydraulisia robotteja käytetään silloin, kun siirrettävät kuormat ovat suuria, tyypillisesti yli 100 kg, mutta voivat olla jopa kymmeniä tonneja. Voimakkaimmilla sähkökäyttöisillä roboteilla maksikuorma on yli 1000 kg. Robotteihin on kehitetty suorakäyttöisiä (direct drive) sähkömoottoreita, joita käytettäessä voidaan jättää vaihteistot pois. Näitä käytetään erityisesti SCARA-roboteissa. Pneumaattisia robotteja käytetään muun muassa räjähdysherkiksi luokitelluissa tiloissa.

Koordinaatisto ja liikkeiden hallinta

Teollisuusrobottien työalueen avaruus hallitaan koordinaatistoilla, joita voi olla kolmekin yhtä aikaa käytössä:

• Työkalukoordinaatisto, jolla määritetään työkalun asento.
• Peruskoordinaatisto, joka on sidottu robotin jalustaan.
• Maailmakoordinaatisto, joka esimerkiksi nivelroboteilla on käytössä silloin, kun robotti on asennettu servo-ohjatulle kelkalle (7. vapausaste).

Kuusiakselisen käsivarren asennon määrittämiseen tarvitaan kolme kulmatietoa ranneakseleista ja kolme kulmatietoa jalustaan sidotusta koordinaatistosta. Robotin oma ohjaus tietää akselien pituuden ja laskee näiden avulla xyz-koordinaatit. Kun nivelrobotti siirtää esimerkiksi hitsaustyökalua pitkin lineaarista hitsisaumaa, niin se joutuu kääntämään kaikkia akseleitaan. Samoin nivelrobotille voidaan määrätä ulkoinen piste esimerkiksi hitsauskolvin kärkeen siten, että tuo piste pystyy paikoillaan robotin vaihtaessa työkalun kulmaa. Nämä liikkeet edellyttävät varsin hyvää ratalaskentakykyä. Lineaariroboteissa on yleensä yksinkertaisempi ohjaus, koska akselien suuntaiset lineaariliikkeet saadaan aikaan itse liikeakseleilla.

Liikeratojen ohjelmointi

Liikeratojen opettamisessa on käytössä seuraavia menetelmiä:

• Opettaminen, jossa robotti ajetaan yleensä ohjaussauvan avulla haluttuun asemaan, minkä jälkeen akselien asema talletetaan osaksi ohjelmaa. Liikerata muodostuu opetettujen ratapisteiden ketjusta. Ratapisteitä on tarve opettaa yleensä vain mutkakohdista ja pisteiden välinen liikerata voidaan määrätä rataohjatuksi (esim. lineaarinen, ympyrä tai kaari) ja sille annetaan nopeus.
• Koordinaattien antamista käytetään vain rajoitetuissa tapauksissa kuten vakio siirtyminä (esimerkiksi 100 mm ylöspäin) sellaisten toimintojen, kuin kameralla asemoidun kappaleen poiminnan jälkeen. Ohjausjärjestelmät voivat mahdollistaa myös käyttäjän määrittelemän apukoordinatiston, jonka ei tarvitse olla maailmakoordinaatiston kanssa yhdensuuntainen ja jolla voi olla oma nollapiste. Koordinaatistosiirtymän avulla voidaan koko liikerataa siirtää ja kääntää kappaleen mittaalla todetun aseman mukaan. Ohjelmoituja liikkeitä voidaan yhdistää, esimerkki sivuliike lineaariseen rataan, jolla saadaan aikaan hitsauksessa tarvittava sulan hämmennys.
• Etäohjelmointi on tullut yhä tärkeämmäksi, koska robotin opettaminen vie paljon tuotantoaikaa. Etäohjelmoinnissa määritetään 3D:nä niin robotti kuin sen ympäristö ja ajetaan robotin liikkeet simuloituna. Joitakin ratakäyriä, esimerkiksi autonkorin kaaria, on vaikea muuten opettaa kuin etäohjelmoituna.

Näitä kaikkia ohjelmointitapoja voidaan käyttää samassa sovelluksessa. Ohjelman runko ja liikeradat voidaan tehdä etäohjelmoituna. Kun ohjelma on ladattu robotille, se käydään askelittain läpi ja korjataan mahdolliset virheet.

Kaarihitsausrobotti, joka on asennettu liikekelkkaan (ns. ulkopuolinen akseli), jolla saadaan työalue riittämään suurelle teräsrakenteelle. Myös työkappaletta pyörittävä kääntölaite toimii robotin ohjaamana liikeakselina.

Adaptiivisuus

Kun robottiasemassa on kameroita tai muita antureita, robotti saadaan adaptiiviseksi. Esimerkiksi kappaleiden poiminen kuljettimelta kameran avulla onnistuu siten, että kamera kuvaa kappaleen ja kuvasta tunnistetaan, missä asennossa kappale on (pääkoordinaatin suunta ja paikka). Tämän jälkeen robotti pystyy kääntämään työkalunsa oikeaan kulmaan ja tekemään koordinaatisto siirtymän siten, että poimintaliike siirretään tapahtumaan kappaleen todellisen sijainnin mukaiseksi.

Tarkkuus

Robottikäsivarren asema mitataan epäsuorasti servomoottorien akseleihin liitettyjen asema-anturien kautta. Käsivarret ovat lisäksi pitkiä ja kevytrakenteisia, joten niihin syntyy helposti taipumaa kuormasta ja siirtymiä lämpölaajenemisen johdosta. Toistotarkkuutta roboteille luvataan /- 0,1 mm. Absoluuttinen tarkkuus saattaa jäädä niinkin huonoksi kuin /- 50 mm kuormitetun ja kuormittamattoman käsivarren välillä. Jos robotti ohjelmoidaan opettamalla ja kuormitettuna, niin huono absoluuttinen tarkkuus jää huomaamatta. Tarkkuudesta tulee ongelma etäohjelmoinnissa, jota vaikeuttaa lisäksi nivelrobotin koordinaatistojen vääristymät. Etäohjelmoinnin paikkavirheitä voidaan jossain määrin kompensoida korjauskertoimilla koordinaatiston eri pisteissä, kun virheen suuruus on ensin mitattu.

Hitsausrobotti, jonka valmistaja on Motoman.

Robotti palvelee särmäyspuristinta. Kaltevalla tasolla kuvan etualalla suora levy paikoitetaan irrottamalla siinä ote levystä hetkeksi, jonka jälkeen saada uusi ote aina samasta kohdasta. Robotin oikealla puolella on lava, jolle robotti laittaa taivutetut kappaleet. Kappaleeseen tulee useampia särmäyksiä.

Työkalut ja tarraimet

Robotin työn onnistumisen kannalta on oleellista, että käytettävät tarraimet tai työkalut ovat toimivia ja sopivat valittuun tehtävään. Tarraimen suunnittelun ongelmana on, että tarraimen ja siirrettävän kappaleen yhteenlaskettu paino ei saa ylittää robotin maksimikuormitusta. Lisäksi painopisteen etäisyys työkalulaipasta on rajoitettu. Robotti liikkuu nopeasti, jolloin kiihdytyksistä ja hidastuksista aiheutuu suuria rasituksia mekaniikalle. Turvallisuuden vuoksi siirrettävä kappale ei saa irrota robotin otteesta.

Tarraimet ovat yleensä imukupeilla toimivia tai pihtimäisiä. Valmiita tarrainrunkoja on saatavissa, mutta yleensä tapauskohtaisesti joudutaan suunnittelemaan itse siirrettävään kappaleeseen tarttuvat osat. Työkaluja ovat esimerkiksi hitsauspistoolit. Hitsausvarustuksiin kuuluu, että robotin ohjelmasta tulee ohjaussignaalit valokaaren sytyttämisestä, suojakaasusta ja langansyötöstä. Hitsausarvoja voidaan muuttaa saumakohtaisesti. Työkalu voi olla myös pora tai hiomakone. Näiden kanssa voidaan käyttää voimanmittausta. Tarraimet ja työkalut voivat olla kiinni työkalunvaihtolaipassa, jolloin robotti pystyy vaihtamaan työkalua käsiteltävien kappaleiden tai työtehtävän mukaan. Robottiohjain voi hallita ylimääräisiä servoakseleita esimerkiksi asennettuna työkaluihin, jolloin voidaan ohjata tarttujan sormien liikettä. Tällaisen älykkään tarraimen avautuminen eri asentoihin voidaan määrittää ohjelmasta suoraa ja samoin kuin säätää sormien voimaa ja nopeutta. Älykkäällä tartujalla voidaan samalla työkalulla käsitellä eri kokoisia kappaleita.

Turvallisuus

Automaattisena ja voimakkaana koneena teollisuusrobotit asettavat työturvallisuudelle vaatimuksia. Robotti on Suomessakin ollut osallisena kuolemaan johtaneeseen työtapaturmaan. Robottien ja sen työaseman turvallisuutta koskee konedirektiivi ja useampikin sen kanssa harmonisoitu standardi (SFS-EN ISO 10218-1 Robotit ja robotiikkalaitteet. Turvallisuusvaatimukset. Osa 1: Teollisuusrobotit). Yleisesti turvallisuusvaatimukset johtavat siihen, että robottiasemat aidataan tai eristetään valorajoilla tai kosketusherkillä matoilla siten, että robotin työalueelle meneminen pysäyttää robotin. Teollisuusrobottien turvallisuusvaatimukset aiheuttavat ongelmia robottien käytön laajenemiselle esimerkiksi ravintoloihin tai sairaaloihin. Siellä robotit joutuisivat olemaan läheisessä kosketuksessa ihmiseen, joten turvallisuustason tulisi olla vielä teollisuuttakin parempi.

Robottiautomaation kannattavuus

Robotit vähentävät teollisuuden työvoiman tarvetta yksinkertaisista tehtävistä, jotka usein ovat myös samaa liikesarjaa toistavina ihmisellekin kuluttavia. Robottiaseman kustannuksista noin puolet syntyy itse robotista ja sen oheislaitteista, yksi kolmasosa aseman suunnittelusta, asennuksesta ja ohjelmoinnista ja loput käyttöönotosta sekä käyttäjien koulutuksesta. Teollisuuden tuotantolaitteistoinvestoinneilta vaaditaan 2–3 vuoden takaisinmaksuaikaa. Robottien hinnat alkavat 20 000 eurosta. Peukalosääntönä voidaan katsoa, että yksi robotti korvaa noin yhden työntekijän. Kun tiedetään mikä on teollisuustyöntekijän keskiansio, näistä tiedoista voidaan päätellä, että kannattavan robotisoinnin edellytykset täyttyvät helposti kaksi- ja erityisesti kolmivuorotyössä. Tuotannollista etua roboteilla saavutetaan myös tasaisemman ja tasalaatuisemman tuotannon muodossa.

Suomalaisesta robottien valmistuksesta

Suomen suurin robottien valmistaja on Ulvilassa toimiva Cimcorp Oy (liikevaihto 48,4 miljoonaa, henkilöstö 205) , joka valmistaa portaalirobotteja. Nämä robotit kehitettiin 1970-luvun lopussa Valcon kuvaputkitehtaalle kuvaputkien käsittelyyn. Nykyään Cimcorp on erikoistunut lähinnä renkaiden käsittelyyn. Toinen robottien valmistaja on Oulussa sijaitseva Blastman Robotics Oy (liikevaihto 7,8 miljoonaa , henkilöstö 30), jonka robotteja käytetään suurten teräskappaleiden hiekkapuhallukseen. Näiden lisäksi on insinööritoimistoja ja konepajoja, jotka rakentavat robottisovelluksia käyttäen valmiita robottikäsivarsia tai räätälöimällä robotteja osista. Myös muutaman nostolaitevalmistajan kuten Erikkila automaattinosturit täyttävät robotin määritelmän.

Nokia Oyj valmisti 1980-luvulla robotteja Unimation Inc.:in lisenssillä. Robotti tyyppi oli Unimation Puma 560 ja niitä valmistettiin noin 1500 kpl Neuvostoliiton markkinoille. Robottien valmistus päättyi Neuvostoliiton hajoamiseen ja Nokian strategian muuttumisella yhä enemmän kohti mobiilipuhelimia. Nokia kehitti myös oman käsivarsirobottityyppinsä nimeltä NS-16. Tämä robotti pystyi käsittelemään maksimissaan 16 kg kuormia 1 m/s nopeudella. Ohjaustekniikka oli varsin edistyksellinen perustuen viime vaiheessa PC-tyyppiseen ohjaimeen, jollaiset yleistyivät vasta vuosikymmentä myöhemmin. Suomen Robotiikkayhdistys lunasti täysin palvelleena yhden viidestä valmistetusta NS-16 robotista ja kunnosti sen Suomen Tekniikan museon näyttelyjä varten.

Teollisuusrobotiikan opiskelu

Suomen Robotiikkayhdistys ry on julkaissut Teollisuuden robotiikka -kirjan, joka toimii alaln perusteoksena. Kirjan vapaasti saatavilla oleva sähköinen materiaali sisältää paljon esimerkkejä esimerkiksi teollisuusrobotiikan käyttökohteista.

Valmistajia

• Cimcorp
• Motoman
• KUKA

Katso myös

• Numeerinen ohjaus
• Mekatroniikka

Lähteet

• Chaline, Eric: 50 konetta, jotka muuttivat maailmaa (50 Machines that Changed the Course of History). (Suom. Veli-Pekka Ketola) Quid Publishing, (suom. versio Moreeni 2013), 2012. ISBN 978-952-254-160-4 Suomi

Aiheesta muualla

• Suomen robotiikkayhdistys
• Cimcorp Oy
• Blastman Robotics Oy
• Robotics on line