Robot de soldadura voladizo para construcción naval: Guía de selección de ejes 7/8/9

Los constructores navales de todo el mundo se enfrentan a una tormenta perfecta de demanda acelerada y una fuerza laboral calificada cada vez menor. El Informe IFR World Robotics 2025 sólo en 2024 se registraron 542.000 instalaciones de robots industriales, el doble que hace una década. En la construcción naval, donde los paneles del casco tienen más de 10 metros de largo y las costuras de soldadura se extienden en cientos de metros lineales por buque, el robot de soldadura voladizo se ha convertido en la configuración estándar para abordar el requisito de automatizar tareas de soldadura a gran escala.

Este informe describe los principios de ingeniería detrás de los robots de soldadura en voladizo, proporciona una comparación de configuraciones de 7, 8 y 9 ejes y analiza lo que los gerentes de astilleros y los ingenieros de soldadura deberían esperar en términos de especificaciones, parámetros de configuración y retorno de la inversión. Todas las afirmaciones están respaldadas por datos rastreables y, cuando los datos son limitados, se reconocen.

Por qué los astilleros necesitan robots de soldadura voladizos

La fuerza laboral de soldadura de Shipbuilding está envejeciendo precisamente en el momento equivocado. Según la Sociedad Estadounidense de Soldadura, las proyecciones muestran que para 2028 solo Estados Unidos necesitará más de 330.000 nuevos profesionales de soldadura, aproximadamente 82.500 por año. La edad promedio de un soldador hoy es 55 años, y por cada cinco soldadores que se jubilan, dos nuevos ingresan al comercio.

La construcción naval siente el impacto de esta tendencia más que otras industrias. Los astilleros comerciales y navales enfrentan la competencia de las empresas de construcción, energía y automoción por la misma reducción de fuerza laboral; Los retrasos en la producción debido a la falta de personal no son limitaciones hipotéticas sino verificadas para los programas activos de adquisiciones de la Marina.

Los robots de soldadura en voladizo resuelven el problema específico que enfrentan los constructores navales que operan con celdas robóticas fijas: la pieza de trabajo es demasiado grande para trasladarla al robot, por lo que el robot debe trasladarse a la pieza de trabajo. Un marco en voladizo suspendido de un riel terrestre avanza a lo largo de las secciones del casco y los conjuntos de paneles, lo que permite al robot llegar a estructuras profundas que de otro modo estarían fuera del alcance de un brazo estacionario. Este enfoque centrado en la movilidad distingue a los sistemas en voladizo de las unidades robóticas articuladas fijas más típicas unidas a los pisos de las fábricas.

Los profesionales de los astilleros coinciden colectivamente en que la automatización de la soldadura en la industria de la construcción naval no se trata de reemplazar a los soldadores humanos, sino de multiplicar la productividad del diminuto número de soldadores en el astillero: un generalista que intercambia el panel discreto del muelle sobre la costura por múltiples paneles asistidos por robots paralelos. operadores.

Cómo funciona un robot de soldadura voladizo: arquitectura y sistema de movimiento

Un voladizo robot soldador se compone de un brazo articulado estándar de 6 ejes, colocado encima de una estructura en voladizo elevada que se desplaza sobre un conjunto de riel de tierra. Su estructura en voladizo extiende la envolvente de trabajo tanto en el eje Y como en el eje Z sin necesidad de manipular la pieza de trabajo.

Componentes principales

Múltiples subsistemas de la estación de trabajo de soldadura en voladizo alimentan:

• Conjunto de riel de acero con riel de tierra (eje X) de hasta más de 30 metros de longitud, que transporta todo el conjunto en voladizo. Velocidad de desplazamiento en el rango de 8 metros/minuto.
• Conjunto de brazo elevado de viga voladiza (eje Y/Z) que coloca el robot encima y dentro de la pieza de trabajo. Eficiencia de desplazamiento típica en el eje Y alrededor de 2 metros.
• Robot robótico de soldadura por arco industrial estándar con brazo de 6 ejes (Fanuc, ABB, KUKA o Yaskawa son una decisión popular) montado al final del voladizo.
• Fuente de energía de soldadura-inversor digital con capacidad de pulso, diseñado para adaptarse al proceso de soldadura (MIG/MAG, TIG o híbrido).
• Cámara gran angular de seguimiento de visión 3D y costura láser para escaneo de piezas de trabajo más sensor láser para corrección en tiempo real de la desviación de la costura.
• El sistema de control PLC gestiona el movimiento en todos los ejes, controla los parámetros de soldadura y gestiona la integración y la interfaz con el sistema de programación gratuita de enseñanza.

Una distinción definitoria entre configuraciones de voladizo y pórtico es el soporte de un solo lado: con el estiramiento de la viga en voladizo, cuanto más largo sea el voladizo, mayor será la deflexión potencial al final de la herramienta. Si bien muchos sistemas modernos compensan mediante el seguimiento de la costura láser (que ajusta dinámicamente la trayectoria de soldadura), los fabricantes que trabajan con costuras de soldadura de tolerancia estricta deben considerar esta característica de diseño al especificar los sistemas.

7 ejes frente a 8 ejes frente a 9 ejes: ¿Qué configuración se adapta a su astillero?

El número de ejes de un robot de soldadura en voladizo es la suma de (a) los 6 ejes del brazo robótico y (b) los ejes externos agregados por el sistema en voladizo, riel y posicionador. Cada eje agregado aumenta las capacidades marginales del sistema, lo que permite trabajar en mayores complejidades espaciales y capacidades más amplias, pero también aumenta marginalmente los costos y las necesidades de espacio.

Orientación de selección por tipo de astillero:

• Talleres de paneles pequeños a medios que sueldan paneles planos y refuerzos de vigas en H: la configuración de 7 ejes-ejes realiza soldaduras tipo 1G y 2G de manera más económica.
• Los patios de tamaño mediano que sueldan componentes estructurales y placas divisorias más anchas se beneficiarán de una configuración de 8 ejes, con una columna en Y que permite al robot llegar profundamente a conjuntos asimétricos y anchos sin reposicionar las horas de la grúa que ahorran piezas de trabajo.
• Los grandes astilleros que trabajan en la estructura del casco, mamparos complejos y formas curvas se beneficiarán de 9 ejes (con configuración con capacidad de posicionamiento y soldadura en todas las posiciones (incluidas las soldaduras aéreas y verticales)) capaces de soldar marcos estructurales que no pueden girar hasta quedar planos. posición.

Los astilleros no necesitan comprometerse con una configuración en voladizo de solo 7 ejes: muchas instalaciones emplean sistemas de 7 ejes en líneas de paneles planos de gran volumen y en celdas de marco estructural complejas dedicadas especifican estaciones de 8 y 9 ejes para cumplir con sus requisitos de múltiples posiciones.

Programación sin enseñanza y visión 3D: eliminación de la configuración manual de rutas

La soldadura de robots convencional es un método de enseñanza en el que el operador, con controles de pedal y joystick, “empuja” manualmente el robot a través de cada ruta de soldadura llamada programación colgante de enseñanza. En la construcción naval (donde cada sección del casco tiene una geometría única y la producción anual en términos de cada diseño es relativamente baja), la relación entre el tiempo de programación y el tiempo de soldadura real tradicionalmente ha impedido que la soldadura robótica tenga un costo justificable para la fabricación de barcos de acero. Un estudio publicado en ScienceDirect sobre programación de robots de construcción naval concluyó que los comandos de programación paramétrica podrían reducir el tiempo de configuración en aproximadamente 80% en comparación con los métodos tradicionales.

Los sistemas de soldadura sin enseñanza evitan por completo el colgante de enseñanza mediante dos enfoques:

Ruta 1: Importación de modelos 3D

En presencia de archivos CAD, importan modelos directamente desde Tekla Structures, SOLIDWORKS o UG (NX). El software reconoce todas las uniones soldadas dentro del conjunto 3D y genera automáticamente la ruta de soldadura completa según el tipo de junta (tee, esquina, etc.) y el espesor de la placa; carga automáticamente el parámetro de soldadura apropiado establecido para cada junta y produce toda la ruta de soldadura más rápido de lo que un operador humano tiene tiempo para programarla. A esto a menudo se le llama la forma más rápida; Ingeniería informa “tiempo de ingeniería” en orden de minutos u horas en lugar de días.

Ruta 2: Modelado inverso de nubes de puntos

Sin datos CAD (que son comunes en las fabricaciones de astilleros que funcionan a partir de diseños heredados o cambios de campo), el sistema emplea una cámara 3D de rango extendido para caminar sobre la pieza de trabajo y crear un gemelo digital de nube de puntos. Luego, su motor de inteligencia artificial analiza los datos de escaneo para identificar las uniones soldadas (como geometría construida en lugar de (como está diseñada)) y genera automáticamente una ruta de soldadura sin dibujo y sin ningún dibujo. Para trabajos de modernización y reparación de astilleros, la soldadura sin dibujo tiene un enorme potencial.

Cualquiera de estos enfoques alimenta el rastreador de costuras láser que realiza correcciones automatizadas en tiempo real de la trayectoria de la costura, compensando los espacios de ajuste, las soldaduras por adherencia y la distorsión térmica que se acumula a través de soldaduras de múltiples pasadas.

Los profesionales han observado repetidamente que en la fabricación pesada, las desviaciones del enrutador y del posicionador son problemas de fabricación óptimamente minimizados, como el entrenamiento de las características del material y el manejo del material en lugar de la precisión robótica. Sin embargo, los expertos en ingeniería le dirán que el control de calidad debe funcionar con un estándar muy alto para tener esa capacidad de “robot ciego”; sistemas sin enseñanza con seguimiento de costuras en tiempo real que respaldan los objetivos. logrado de manera útil en aplicaciones de campo marino, no lo elimine por completo.

Especificaciones clave para la soldadura de paneles y cascos de barcos

Al considerar una solución de robot de soldadura en voladizo para aplicaciones en astilleros, las especificaciones del ingeniero deben alinearse inicialmente con las selecciones de grados de acero comunes de la flota (AH32, AH36, DH36, EH36 según las reglas de la sociedad de clasificación) y las dimensiones de las placas estructurales, así como las soldaduras por día. y procedimientos de soldadura multipaso.

Las especificaciones siguientes se agregan de varios fabricantes. Si bien cada fabricante de robots tendrá variaciones en muchos de estos parámetros, el mejor enfoque es exigir especificaciones muy detalladas sobre cada parámetro para una aplicación determinada: marca, modelo, configuración.

Los códigos provienen de la especificación AWS D16.4[2] Códigos de soldadura de las especificaciones de los códigos AWS D17.2, D16.2 y D16.3 [3]. El cliente nunca recibe especificaciones directamente de la clasificación del barco, pero esas especificaciones pueden ser utilizadas por la sociedad de clasificación, que es en última instancia responsable de su interpretación e implementación. Las especificaciones del procedimiento de soldadura (WPS) para la construcción naval se proporcionan en Especificación AWS D16.4. Estos procedimientos especifican los parámetros que el astillero debe alcanzar para obtener la certificación de clasificación. Desde la perspectiva de los robots, la especificación AWS D16.4 describe todas las especificaciones de los procedimientos de soldadura para las que estarán calificadas sus aplicaciones robóticas. No tiene restricciones sobre la marca o configuración del robot que emplea el astillero, sólo sobre las geometrías de las juntas que practica.

ISO 3834 describe el sistema de gestión de calidad para el cual una organización de astilleros debe planificar e implementar los medios para proporcionar productos que cumplan con los requisitos del contrato de acuerdo con la especificación AWS D16.2.

Ventajas y limitaciones del despliegue de astilleros

Los sistemas de automatización no son soluciones únicas para la fabricación de barcos. Los robots de soldadura voladizos tienen obstáculos y ventajas específicos en el astillero que son opuestos a cualquier otro sistema de automatización. Comprender tanto los “vientos” como los “vientos en contra” hace que sea más evitable una costosa contradicción entre el sistema del comprador del astillero.

Quizás el error más común que encuentran los propietarios de astilleros al considerar la automatización por primera vez es que los robots voladizos no pueden adaptarse al escaneo y la geometría irregular que prevalecen en los cascos y cascos de los barcos. en realidad, una combinación de modelado inverso de nubes de puntos y seguimiento de costuras en tiempo real hace que incluso los cascos que no tienen una planitud nominal sean posibles de soldar. Lo que en realidad limita el rendimiento no es la geometría, sino la accesibilidad física. Si la antorcha voladiza se puede colocar en el ángulo y la distancia correctos desde la junta, el robot la soldará.

Los robots de soldadura de pórtico con puente elevado y montaje de doble robot se utilizan cuando la pieza de trabajo requiere cobertura más allá del voladizo en más de una dirección. Varios patios utilizarán esta combinación de configuraciones: líneas voladizas para el subconjunto de paneles, líneas de pórtico para el montaje final de bloques.

Datos de retorno de la inversión y productividad: lo que los astilleros pueden esperar

La automatización de la soldadura constituye un argumento convincente, pero es necesario examinar más de cerca las cifras de las vallas publicitarias. A continuación se muestran algunos ejemplos que aparecen en hojas de especificaciones y similares, con referencia de fuente proporcionada para cada uno:

Estos son los mejores casos de astilleros grandes y de gran volumen. Los astilleros más pequeños con niveles de utilización más bajos y una combinación de productos más diversa esperarían números diferentes. El período de recuperación tiende a estar fuertemente ponderado por la cantidad de horas por día que el robot realmente suelda, frente al tiempo de arco inactivo, es el factor más importante en el retorno de la inversión de la automatización de la soldadura.

Costos ocultos para presupuestar:

• La fijación por sí sola puede tener un valor igual o mayor que el costo del sistema robótico (según los profesionales en foros de la industria, hasta 2)
• Rails de sol necessitant une dalle de béton plane renforcée
  . superficie irregulare altère la precision des rails et imponen des reprises couteuses.
• Capacitación de operadores: para sistemas sin enseñanza, los operadores aún deben estar capacitados en monitoreo del sistema, control de calidad, resolución de problemas, etc.
• Las puntas de contacto, los revestimientos, las boquillas y los cables tienen costos unitarios pequeños, pero se acumulan rápidamente durante el funcionamiento continuo
• Contratos de mantenimiento “servicio anual, calibración y actualizaciones de software

El retorno de la inversión real dependerá de su volumen de producción, costo laboral y utilización de los trabajos. Solicite un análisis de costos detallado basado en muestras de su pieza de trabajo antes de su configuración.

Preguntas frecuentes