Automatyka na morzu i offshore

Statki budowane są w technologii blokowej, która polega na ich montowaniu z prefabrykowanych sekcji. Segmenty te są wykonywane w stoczni, włącznie z wbudowaniem w nie wyposażenia oraz różnych instalacji (elektrycznej, wodno-kanalizacyjnej, wentylacji) – im więcej elementów można zainstalować w blokach na tym etapie, tym sprawniejszy i szybszy jest montaż końcowy. Następnie sekcje są transportowane do doku albo pochylni, gdzie są łączone, tworząc kadłub statku.

Mimo że technologia blokowa znacząco usprawnia budowanie statków, nadal jest to zadanie czasochłonne i pracochłonne, obciążające fizycznie pracowników, wymagające precyzji i skomplikowane, przede wszystkim ze względu na swoją skalę oraz poziom kastomizacji. Tradycyjnie przemysł stoczniowy polegał na pracy wykwalifikowanego personelu. Ostatnio jednak branża ta coraz częściej boryka się z trudnościami w tym zakresie – braki siły roboczej są coraz bardziej odczuwalne, w miarę jak m.in. energetyka jądrowa, budownictwo i przemysł naftowy przyciągają coraz więcej przeszkolonego personelu morskiego.

Automatyzacja spawania w stoczniach

W odpowiedzi na to wyzwanie w stoczniach upowszechniają się roboty – automatyzacja jak największej liczby zadań staje się koniecznością, aby w obliczu braków wykwalifikowanych pracowników nadążyć za wymaganiami klientów i zachować konkurencyjność. Robotyzacja najbardziej pracochłonnych i najuciążliwszych zadań zwiększa też produktywność i poprawia bezpieczeństwo pracowników. Zadaniem, w którym roboty są wykorzystywane od dawna, jest spawanie.

Jest to podstawowa technologia łączenia materiałów w branży stoczniowej, która polega na uzyskiwaniu wodoszczelnych oraz gładkich połączeń, które zmniejszają opory ruchu kadłuba. Jednocześnie jest to jeden z najdroższych i najbardziej czasochłonnych etapów budowy statków. Nic zatem dziwnego, że już w latach 80. zeszłego wieku w stoczniach, najpierw w Japonii, a następnie na całym świecie, zaczęto instalować roboty spawalnicze. Od tego czasu jednak, chociaż koszty pracy znacznie wzrosły, podczas gdy ceny robotów przemysłowych spadły, a ich technologia się rozwinęła, robotów spawalniczych w produkcji statków przybywało w wolniejszym tempie, niż w innych gałęziach przemysłu. Zwłaszcza w małych i średnich stoczniach stopień zrobotyzowania spawania w dalszym ciągu jest bardzo niski. Wynika to przede wszystkim ze specjalnych wymagań, jakie niesie ze sobą wdrożenie robota na stanowisku montażowym bloków statku. Sprawiają one, że inwestycja w zakup takiej maszyny nie zwraca się na tyle szybko, aby było to opłacalne, ze względu na jej nieefektywne wykorzystywanie.

 

Fot. 1. Autonomiczny pojazd podwodny firmy Eelume

Wyzwania w spawaniu statków

Największe wyzwania w robotyzacji spawania statków to: duże wymiary elementów (ze względu na nie zwykle zasięg robotów spawalniczych to 1,5‒2 metry i wymagane są specjalne systemy pozycjonowania i transportowe, jak roboty suwnicowe, dźwigi, systemy mobilne, przenośniki), małe tolerancje odchyłek położenia i geometrii elementów, ograniczona przestrzeń robocza. Przede wszystkim jednak problemem jest to, że zadania spawania w przemyśle stoczniowym nie są powtarzalne, ponieważ produkcja statków nie jest seryjna, lecz zindywidualizowana – każdy projekt jest w zasadzie wyjątkowy. Dlatego roboty przemysłowe, projektowane pod kątem jak najefektywniejszej realizacji zadań powtarzających się, są w tym zastosowaniu nieelastyczne. Dla ich efektywności jest również kluczowy wybór właściwej metody ich programowania. Wymaga to często niekonwencjonalnego podejścia, ponieważ techniki tradycyjne w przypadku produkcji jednorazowej zazwyczaj skutkują niekorzystnym stosunkiem czasu programowania do czasu spawania. Rozwój opłacalnych metod programowania jest zatem warunkiem koniecznym dla wzrostu liczby robotów wykorzystywanych w przemyśle stoczniowym.

 

Fot. 2. Robot ANYmal firmy ANYbotics

Programowanie robotów w stoczniach

Początkowo roboty spawalnicze były programowane online, ze względu jednak na złożoność oraz koszty tej techniki szybko zastąpiono ją metodą offline. W jej zakresie stosowano różne podejścia. Na przykład w celu określenia geometrii obiektu dane CAD przesyłano bezpośrednio do systemu programowania robota lub niezbędne informacje wprowadzano w postaci parametrycznego opisu obiektu na podstawie rysunków. Jeżeli chodzi o planowanie trajektorii, korzystano z kolei z makr, czyli predefiniowanych wzorców ruchu dla często powtarzających się detali. Znacznie skracało to programowanie robota, o ile makr nie było zbyt wiele, co inaczej utrudniało zarządzanie nimi i ich wybór. Z czasem podejście to uzupełniono o rozwiązania w zakresie unikania kolizji i ostatecznie opracowano systemy programowania automated offline programming, które zaczęły zapewniać opłacalny stosunek czasu programowania do czasu produkcji. Niestety, programowanie offline, zwłaszcza w przypadku małych i średnich stoczni, ma wady, takie jak wymóg umiejętności programowania na wysokim poziomie w przypadku obiektów o nietypowych kształtach i nieuwzględnianie odchyleń pozycji i geometrii przedmiotu. Dlatego trzeba go wyrównywać zgodnie z wcześniej zdefiniowanymi lokalizacjami. Z czasem zaczęto więc w stoczniach wdrażać podejście hybrydowe, na przykład na podstawie danych CAD i informacji z systemu wizyjnego.