The Future of Pre-accession Programmes

La soldadura es la operaci´on de mayor importancia dentro del sector naval. De hecho, el peso del material aportado en la soldadura puede llegar a ser el 2-3 % del peso total del buque [Balaguer, 2005]. Adem´as, el coste del kilogra- mo de consumible de soldadura depositado tiene un valor diez veces superior al coste del mismo peso en acero [Andritsos and Perez-Prat, 2000]. Es por ello que es una de las operaciones donde m´as se ha investigado con el fin de obtener soluciones rob´oticas que permitan su automatizaci´on para eliminar las incerti- dumbres derivadas de la soldadura manual. De este modo se consigue reducir el peso de la soldadura y los tiempos de operaci´on, a la vez que aumenta la calidad de la misma y mejora las condiciones del trabajo de los operarios.

A continuaci´on se mostrar´an las diferentes soluciones rob´oticas para los pro- cesos de soldadura desarrollados durante la construcci´on del casco de un barco. En primer lugar, y a modo de introducci´on hist´orica a la robotizaci´on en el sector naval, se revisar´a la fase de formaci´on de cada una de las estructuras abiertas que formar´an el doble casco. Seguidamente, se mostrar´an las solucio-

nes que permiten la uni´on de dichas estructuras mediante la realizaci´on de las soldaduras interiores. Finalmente, se muestran aquellas soluciones que permiten la soldadura entre diferentes bloques en la etapa de ensamblado ya en la grada o dique.

Soldadura en estructuras abiertas

Desde los a˜nos 90, numerosos astilleros han empleado robots aut´onomos para la realizaci´on de las soldaduras. Las primeras aproximaciones utilizaban carros m´oviles que incorporaban su propio equipo de soldadura. Suelen ser una solu- ci´on muy eficiente para la realizaci´on de cordones de gran longitud y m´ultiples pasadas, en soldaduras horizontales, verticales, en cornisa o bajo techo, y tanto en ´angulo como a tope. Para las uniones horizontales suelen utilizarse carros de soldadura con un solo grado de libertad en la antorcha que se desplazan a lo largo de la uni´on sin aplicarle ning´un movimiento, salvo el correspondiente ajus- te en cada pasada. En cambio, para realizar los cordones verticales, en cornisa o bajo techo, el dispositivo posee dos grados de libertad para que la antorcha pueda realizar movimientos ondulatorios a medida que avanza a lo largo de la uni´on [Lee et al., 2011]. Existen numerosos modelos comerciales dise˜nados ad hoc para cada aplicaci´on [BUG-O SYSTEMS, 2015].

Estos sistemas rob´oticos gozan de gran aceptaci´on en la industria, pues son compactos y ligeros. Sin embargo, presentan serias dificultades para seguir por si solos la trayectoria de la uni´on en cada instante sin tener que ajustar su posici´on al inicio de cada una de las pasadas. En ciertas aplicaciones, es posible garantizar la perfecta alineaci´on del carro con la uni´on instalando previamente sobre la estructura una serie de gu´ıas, por ejemplo ra´ıles, alineadas con la uni´on a soldar y sobre la que rodar´an estos carros. Sin embargo, cuando esto no es posible, deben incluir un algoritmo eficaz de seguimiento en su sistema de control. Son muchos los estudios realizados en este sentido que utilizan diferentes tipos de sensores como por ejemplo, sensores de contacto, sondas, visi´on [Xiong et al., 2009], l´aser [Fridenfalk and Bolmsj¨o, 2003], de arco [Pan, 2001], electromagn´eticos [You and Kim, 2002] o, tambi´en, mediante ultrasonidos [Bastos et al., 1994]. Por otra parte, este tipo de carros de soldadura solo son eficaces a la hora de realizar cordones de soldadura sencillos y unidireccionales, debido a los insuficientes grados de libertad del mecanismo de la antorcha. Es por ello que no son los m´as

adecuados para la soldar las numerosas uniones en forma de U1 formadas por los diversos refuerzos de la estructura.

Una soluci´on adoptada para la soldadura de las uniones tipo U es la uti- lizaci´on de manipuladores rob´oticos de seis ejes como, por ejemplo, el sistema “DANDY” desarrollado porDSME2 _{[Ku et al., 2014] (Fig. 2.2(a)). Estos siste-}

mas son capaces de reconocer los puntos iniciales y finales de la uni´on, as´ı como la trayectoria que han de seguir. La disposici´on regular de estas uniones en cada bloque ha hecho que muchas empresas utilicen un conjunto de estos manipula- dores, que posicionados simult´aneamente por medio de un puente gr´ua en cada una de ellas, realizan su soldadura. Una vez realizada la operaci´on, son posicio- nados en un nuevo conjunto de uniones [Kawasakirobotics, 2015], [Min, 2008] (Fig. 2.2(b)).

(a) (b)

Figura 2.2: (a): sistema “DANDY” para la realizaci´on de las soldaduras en uniones tipo U; (b): varios robots Kawasaki operando conjuntamente en el en- samblaje de los dobles cascos

Soldaduras interiores en los dobles cascos

La automatizaci´on de las operaciones de soldadura en el interior de estructu- ras cerradas, como sucede en el doble casco, todav´ıa no ha sido resuelta de ma- nera satisfactoria. En este caso, los entornos de trabajo son espacios confinados, peque˜nos y con un entramado de refuerzos que imposibilitan la implementaci´on de las soluciones que se han visto anteriormente. Por lo tanto, en este caso, se 1_{Son las uniones formadas por la chapa base, dos refuerzos longitudinales y una varenga.} 2_{Daewoo Shipbuilding and Marine Engineering}

requiere de sistemas rob´oticos lo suficientemente compactos y robustos capaces de introducirse y desplazarse dentro de estos entornos.

Se han planteado diferentes enfoques a la hora de abordar el problema. Por una parte, se ha propuesto el uso de sistemas port´atiles, los cuales realizar´ıan la soldadura autom´aticamente una vez trasladados al interior del compartimen- to. Algunos de ellos pueden desplazarse dentro del compartimento mediante ruedas, posicionando la antorcha a lo largo de la uni´on [Kam et al., 2001]. En condiciones de trabajo realistas, la suciedad del suelo, por ejemplo, hace dif´ıcil garantizar la repetitividad de las pasadas de soldadura sobre el mismo cord´on ´unicamente mediante un control mec´anico de las ruedas, incluso con la instalaci´on de electroimanes que aumenten la tracci´on. Autores como [Ngo et al., 2007] han presentado diversos algoritmos de control tratando de resolver el problema. Otro tipo de carros, en cambio, permanece fijo en el interior del compartimento mientras un manipulador rob´otico posiciona la antorcha a lo largo del cord´on [Lee et al., 2008]. Estas soluciones tienen el inconveniente que no solo han de introducirse dentro de cada compartimento, sino que, adem´as, una vez realizada la soldadura en una de las celdas del compartimento, han de volverse a instalar en la siguiente celda.

Otro tipo de aproximaciones, en cambio, disponen de su propio sistema de desplazamiento que les permite introducirse dentro de los bloques y avanzar por el interior de los mismos. Son sistemas que se componen de tres elemen- tos fundamentales: el sistema de desplazamiento, un manipulador rob´otico que posiciona la antorcha y la unidad de soldadura, adem´as de la propia unidad de control. Un ejemplo de estos es el sistema presentado por la empresa Inro- tech [Inrotech, 2015] que puede desplazarse a trav´es de las aberturas existentes en el doble casco sobre un sistema de ra´ıles dispuestos en el interior del mismo. Una vez dentro, el brazo rob´otico se expande para soldar autom´aticamente las diferentes uniones. Esta soluci´on presenta el inconveniente de la necesidad de instalar manualmente todo el entramado de ra´ıles en las diferentes secciones del doble casco. Otras soluciones son los robots de la familia “RRX” [Ku et al., 2010]. En este caso, este tipo de robots utilizan una viga extensible para su des- plazamiento, la cual aprovecha los refuerzos longitudinales del doble casco para avanzar sobre los mismos. De la misma manera, [De Santos et al., 2005] pro- ponen el sistema rob´otico “ROWER1” que tambi´en aprovecha estos refuerzos longitudinales. Sin embargo, en este caso el sistema de desplazamiento consiste en una plataforma m´ovil basada en un robot cuadr´upedo cuyas patas poseen

una configuraci´on tipo SCARA. Un inconveniente de este sistema es su gran tama˜no, por lo que es necesario introducirlo en m´odulos dentro del bloque, para ser ensamblado posteriormente.

Soldadura entre dos bloques

Una soluci´on propuesta para la soldadura interior de dos bloques y que evita la necesidad de llevar a cada uni´on la maquinaria necesaria para realizarla, es la presentada por [Bostelman et al., 1999]. Se basa en el uso de un robot llamado “RoboCrane”3, que posiciona una plataforma frente a las distintas aberturas del doble casco, la cual introduce un robot de soldadura hasta la uni´on a soldar por medio de un brazo telesc´opico.

En el caso de la soldadura exterior, tambi´en han sido realizados diferentes desarrollos. Por un lado, [Krause, 2000] propone una plataforma rob´otica que se mueve por los cascos ferromagn´eticos a trav´es de un sistema de ruedas magn´eti- cas tractoras. Esta plataforma incorpora la antorcha y el propio sistema de soldadura y, adem´as, es capaz de avanzar sobre superficies con cierta curvatura. Sin embargo, este tipo de morfolog´ıas que basan su sistema de desplazamiento en ruedas o en orugas, presentan dificultades a la hora de sobrepasar diferen- tes obst´aculos presentes en el casco. Otro tipo de aproximaci´on en la realizada por [Grieco et al., 1998] que presentan el robot escalador “REST-1” destinado a la realizaci´on de las soldaduras a tope de las caras planas del casco exterior de un buque o, por ejemplo, los paneles que conforman los dep´ositos de los petro- leros. En este caso, el sistema consiste en un hex´apodo que se mueve por medio de patas tipo SCARA y en cuyos extremos poseen electroimanes para fijarse a los cascos ferromagn´eticos. El robot “REST-2 es una evoluci´on del anterior, consiste en un sistema rob´otico cuadr´upedo, m´as peque˜no y cinco veces m´as ligero (40 kg) gracias a la implantaci´on de sistemas de soldadura m´as peque˜nos y compactos.