Toimintamalli hitsausdatan keräämiseen

Hannu Korhonen, Savonia ammattikorkeakoulu

Tämä toimintamalli kuvailee mittausdatan keräystä hitsausprosessin aikana ja sen jälkeen, kun tavoitteena on toistaa mittaus myöhemmin tai suorittaa mittauksesta tutkimusta. Toimintamallissa keskitytään lisäävän aineen robottihitsaukseen (WAAM = Wire Arc Additive Manufacturing) ja muovikappaleiden tulostamiseen robotilla. Prosessit ovat yhteneväisiä järjestelmän rakenteen vuoksi ja toimintamalli on sovellettavissa molempiin prosesseihin laajasti. Yhteistä näille prosesseille on tulostusmallin suunnittelu, aineen lisäys haluttuun kohtaan annostelevalla laiteella ja aineenlisäysprosessi. Kappaleet voivat olla pienenestä muutaman millilitran lisäyksestä aina kuution kokokoiseen kappaleeseen. Rajat asettaa tulostusrobotin tarkkuus ja robotin tai kappaleen käsittelylaitteiston ulottuvuus.

Tämä toimintamalli koostuu seuraavista osista:

• Yleistä mittausdatan keräämisestä
• Robottijärjestelmä
• Solunohjain tai datan keruulaitteisto
• Offline datan keräys
• Referenssilaitteisto

Yleistä mittausdatan keräämisestä

Mittausdatan keräämisen lähtökohta on sen luotettavuus, yhtäaikaisuus ja toistettavuus. Mittausdatan keräämisen täytyy tapahtua joko manuaalisesti tai automaattisesti. Suurissa määrissä ja nopeissa näytteenottosykleissä mittausdatan kerääminen tapahtuu mittalaitteen ohjaamana ja tallennus suoritetaan automaattisesti. Mittausdataa voi olla yksittäisen anturin tieto tai robotin työkalun paikan ja asennon seuraamista, tai valmistetun tuotteen valokuva, tai 3D skannaus.

PLC, (Programmable Logic Controller) eli ohjelmoitava logiikkaohjain, on teollisuudessa laajasti käytetty mikroprosessoripohjainen ohjausjärjestelmä, joka suorittaa reaaliaikaisia ohjaustehtäviä. PLC vastaanottaa signaaleja antureilta ja muilta tulo­laitteilta, käsittelee ne ohjelmoidun logiikan mukaisesti ja ohjaa lähtölaitteita, kuten moottoreita, venttiileitä ja releitä. Signaalit voidaan siirtää sarjamuotoisesti kenttäväylä kautta, joka voi yhdistää useita mittausmoduuleja. PLC:n keskeisiä ominaisuuksia ovat luotettavuus, modulaarisuus ja kyky toimia vaativissa teollisuusympäristöissä. PLC:n ohjelmointi tapahtuu standardoitujen kielten, kuten Ladder Logicin, Function Block Diagramin tai Structured Textin avulla, mikä mahdollistaa joustavan soveltamisen erilaisiin prosesseihin. Näin PLC toimii keskeisenä rajapintana kenttälaitteiden ja ohjausjärjestelmän välillä mahdollistaen monimutkaisten automaatioprosessien hallinnan ilman laajoja fyysisiä johdotusmuutoksia. PLC:n reaaliaikainen prosessi on syklinen ja voi toimia jopa 1 ms sykliajalla.

Monet nykyiset PLC-laitteet tukevat eri kenttäväyliä, joiden avulla voidaan helposti kerätä robottidataa syklisesti. Lisäksi PLC voi tallettaa kerättyä dataa aikaleimoilla varustettuna eri tallennuslaitteisiin tai järjestelmiin.

Kenttäväylä, (Fieldbus) kommunikointiväylä kahden tai useamman laitteen välissä. Useimmiten kommunikointi on master-slave tyyppistä, eli väylässä on yksi ohjain, joka kyselee dataa orja laitteista syklisesti tai tapahtumapohjaisesti. Kenttäväylä on suunniteltu siirtämään rajoitettu määrä tietoa, yleensä tieto on bittejä tai arvoja laitteilta. Syklinen (reaaliaikainen) data voi liikkua 1-10 ms välein ja vaihteluväli voi olla alle 1 µs.  Nykyisin useat kenttäväylät pohjautuvat ethernet-tekniikkaan sen halpuuden ja saatavuuden takia.

Teollisuusrobotti, (Industrial robot) on mekaaninen laite, jossa on kiertyvänivelisiä akseleita, jotka on varustettu yleensä servomoottoreilla ja kulman takaisinkytkennällä. Yleisin teollisuusrobotti on 6-akselinen, mutta tulostuksessa voidaan käyttää myös portaalityyppistä järjestelmää, jolla voidaan valmistaa isojakin kappaleita (> 1 m³). Vaihtoehtoisesti robotti varustetaan yhdellä tai useammalla ulkoisella lineaariakselilla. Lisäksi tulostusalusta voi olla varustettuna kääntö- tai lineaariakselilla. Tulostukseen liittyvät akselit kytketään robotin liikekontrolleriin. Robottia ohjaa kontrolleri (controller), joka voi olla tietokone, PLC, tai näiden yhdistelmä. Kontrolleri laskee annettujen liikekäskyjen perusteella akselille asennot ja nopeudet.

Robotin tarkkuus on absoluuttista tarkkuutta ja toistotarkkuutta. Absoluuttinen tarkkuus tarkoittaa kuinka tarkasti robotti osuu koordinaatistossa haluttuun pisteeseen. Toistotarkkuus on sitä, kuinka hyvin robotti toistaa saman liikkeen. Tulostuksessa molemmilla on iso merkitys, mutta toistotarkkuus on yleensä ratkaisevaa tulostuksen laadun kannalta: kuinka hyvin tulostettu palko osuu edellisen päälle. Robottitulostuksen kannalta on myös merkittävää, kuinka hyvin kontrolleri tulkitsee tulevia liikekäskyjä. Jos liikekäskypuskuri on pieni, voi tulostuksessa syntyä epäjatkuvuuksia.

Robotit tukevat yleisempiä kenttäväyliä, mutta myöhemmin hankittuina investointikulu voi olla merkittävä.

Hitsauskone, (welding machine) koostuu virtalähteestä, langansyöttölaitteesta, hitsauspolttimosta, maattokaapelista ja suojakaasulaitteistosta. Langansyöttölaite syöttää asetettua metallilankaa halutun määrä (mm / s) hitsauspolttimolle. Hitsauspolttimossa lankaan johdetaan virtalähteen syöttämä virta. Lanka työntyy hitsauspolttimosta ulos yhdessä suojakaasun kanssa osuen lopulta hitsattavaan materiaaliin. Kun lanka koskettaa materiaalia, johon hitsausvirtalähteen maadoitus on kytketty, muodostuu virtapiiri, jossa sähkövirta sulattaa esiin työntyvää hitsauslankaa ja hitsattavaa materiaalia yhteen muodostaen hitsin. Suojakaasu pyrkii estämään ilmakehän sisältämän hapen pääsy hitsiin ja myös helpottamaan hitsin muodostumista. Hitsin muodostumiseen vaikuttaa myös hitsauspolttimon liikkeen tasaisuus, etäisyys ja kulma materiaalista. Markkinoilla olevat WAAM-prosessiin tarkoitetut hitsauskoneet sisältävät nopeita virranhallintamenetelmiä ja prosessin optimointia. Myös kenttäväylä tuki on lisääntynyt mahdollistaen integroinnin soluohjaukseen tai robottiin.

Robotin data

Määritetään robotin kenttäväylälle tiedot työkalupisteen koordinaateista (X, Y, Z) ja kiertokulmat (rx, ry, rz) ja mahdollisesti pisteen nopeus. Joissakin roboteissa saadaan lisäksi nopeuden suunta ja kiihtyvyys. Datan lähetyksessä on hyvä käyttää kokonaislukuja, jotka saadaan esimerkiksi kertomalla arvo 1000:lla. OPC_UA ja vastaavissa protokollissa desimaalilukujen siirto onnistuu helposti.

Hitsauskoneen data

Hitsauskoneesta valitaan halutut oloarvot ja parametrit luettaviksi kenttäväylän kautta. Suositeltavin kokoonpano arvoille on

• aika
• hitsausvirta
• hitsausjännite
• langan materiaali
• langan paksuus
• langan syöttönopeus
• kaasun virtaus
• langan etäisyys polttimosta

Tietojen päivitysväli on laitteesta riippuen luokkaa 0,1–100 sekuntia. WAAM-tulostuksessa kannattaa valita mahdollisimman nopea päivitysväli.

Datan keräys

PLC ratkaisuissa tekstipohjaiset tiedostoratkaisut ovat yleinen ratkaisu, mutta myös MQTT tai HTTP post -tyyppiset ratkaisut ovat yleistyneet. Jos on mahdollisuus lähettää data Thingsboard-palveluun tai Influx-tietokantaan, on datan varastointi helpompaa.

Twincat-ympäristössä datan keräys on vaivattomin hoitaa Scope-työkalulla. Työkalulla valitaan tarvittavat signaalit ja käynnistetään keräys. Ilmaisversiossa nauhoitus on maksimissaan 1 tunnin mittainen, mutta maksullisessa rajaton.

Toimenpideluettelo

Suunnittelu

• määrittele mitattavat suureet laitteista
• määrittele tarvittava tiedonkeräyssykli ja määrä
• arvioi tiedon tallentamiseen tarvittava tila ja käsittelykapasiteetti
• määrittele ja selvitä tarvittavat tiedonsiirto-optiot ja komponentit laitteisiin
• testaa laitteiden konfigurointi etäohjelmointiympäristössä tai simulointimalleissa.

Laitteiden konfigurointi ja asennus

• suorita laitteiden varmuuskopiointi
• hanki ja asenna tarvittavat tiedonsiirtokomponentit laitteisiin
• tee tarvittavat asennukset ja merkinnät asennuksiin
• testaa konfiguroinnin toiminta.

Dokumentointi

• päivitä laitteiden dokumentaatio asennusten suhteen
• lisää mittausdatan skaalaus ja mahdolliset tila- tai ohjaustiedot
• arkistoi rajapinnan kuvaustiedostot (esimerkiksi valmistajan sivuilta ladattavat) paikkaan, josta automaatiojärjestelmä saa ne käyttöönsä
• arkistoi laitteistojen varmuuskopiot ennen ja jälkeen muutoksien.

Mittausdatan keräysjärjestelmän ohjelmointi ja käyttöönotto

• konfiguroi verkkoyhteydet (automaattisesti tai manuaalisesti)
• dokumentoi manuaaliset verkkoasetukset.
• aseta laitteiden kommunikointi kuvausten ja määritysten mukaisesti.
• liitä kommunikointi mittatietoa keräävään ohjelmistoon.

Mittausarvojen käsittely

• kerää mittausdataa ja totea sen oikeellisuus
• luo tietorakenne mittausarvoille:
  • Yksilöintitiedot (lähde, tunnus)
  • Skaalaus
  • Mittayksikkö
  • Aikaleima
• lisää muunnos- ja käsittelyosat (skaalaus, virhe- tai häiriötarkastus)
• tallenna tulokset samaan tietorakenteeseen ja yhdistä määrittelyrakenteeseen.

Tiedon toimitus tietovarastoon

• toteuta asynkroninen tiedonsiirto
• lisää puskurointi ja määrittele:
  • Puskurointiaika
  • Maksimikoko
  • Ilmoitukset rajan täyttyessä
• määrittele toiminta yhteysongelmissa (esim. varayhteys)
• Ilmoita tiedon poistamisesta muihin järjestelmiin.

Tallennusjärjestelmän yhteys

• luo laitetili tallennusjärjestelmään
• varmista, että datan tuottaja tunnistetaan ja toimitettuun dataan voidaan kohdistaa toimenpiteitä (varmuuskopiointi, laskenta, luokittelu).