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      海洋衛士壓載水

      破解"用工荒”難題,韓國三大船企加快機器人應用

      2024-04-05 15:15:00
      來源:中國船檢 編輯: 國際船舶網 我有話要說

      圖1 現代三湖重工舉行協作機器人及自動焊接設備演示會(圖源/現代三湖重工官網)

      隨著近年來高附加值和環保船舶訂單的不斷增加,韓國造船業在迎來高景氣周期的同時,卻因熟練勞動力嚴重短缺而備受困擾。為此,韓國三大造船企業正在加快引進協作機器人(Cobot)等自動化、機械化設備,全力構建現代化設備體系,在緩解“用工荒”,提升作業質量、效率和安全性的同時,為轉型為數字化智能船廠奠定基礎。

      HD韓國造船海洋旗下三家造船子公司都在不斷加大投資引進各種機器人等自動化設備,特別是現代三湖重工在機器人應用方面跑出了“加速度”,成為韓國船企推進自動化和智能化的“后起之秀”。韓華海洋(原大宇造船海洋)在重點圍繞焊接和涂裝作業推進機器人技術應用的同時,計劃斥資2億多美元將目前10%左右的機器人自動化率最高提升至70%,引領未來海洋產業模式轉換。三星重工大力推進船舶建造工序中的自動化、無人化作業轉型,并已開發出適用于薄膜型貨艙焊接作業的激光高速焊接機器人,有望在此基礎上大幅提高LNG運輸船的建造效率,降低生產成本。

      HD韓國造船海洋3家造船子公司加大投資引進機器人,現代三湖重工跑出“加速度”。

      為增加自動化、機械化設備設施,提高生產效率,HD韓國造船海洋2023年在造船、海工領域投資4555億韓元(約合3.45億美元),同比增幅達54.7%,其中相當部分用于機器人等設備的引進。HD韓國造船海洋旗下造船子公司HD現代重工是韓國造船業首家推出協作機器人的船廠。2018年,HD現代重工首次在大組裝工程中引進協作機器人,該型協作機器人通過配備檢測異常電流或碰撞的安全功能,能夠與人類共同工作。此后,HD現代重工又對該型協作機器人進行了改進,使其重量減少了一半以上,更加便于運輸,并可以在垂直以及水平方向上以人字形模式進行割炬和焊接。

      HD現代重工2023年在造船、海工領域投資662億韓元(約合5000萬美元)用于設備設施建設,超過了2022年的620億韓元。該公司計劃開發相關自動化設備,將此前旨在提高大型船舶強度的船體構件切割由手工作業轉變為自動化作業,不僅可以節省一半左右的工時,還能減少切割誤差。

      2022年10月, 現代三湖重工在機器人應用上也邁出了重要一步,該公司與現代機器人公司(Hyundai Robotics)聯合研發的機器人實現了子組件焊接過程的完全自動化。6個工業機器人同時參與焊接,利用最先進的圖像處理技術自動提供焊接線的軌跡。此外,各個方向的焊接成為可能,通過一種特殊的數字焊接技術,即氣體金屬弧焊(GMAW),最大限度地減少了焊渣的產生,提高了焊接質量。

      2023年8月,現代三湖重工宣布將引進24臺新型Universal Robot(UR)協作機器人,但由于生產現場工作量大增,勞動力不足等問題依然存在,因此決定增加引進協作機器人的數量,在年內共引進40臺協作機器人,為生產現場提供支援。10月18日,現代三湖重工舉行協作機器人及自動焊接設備演示會(如圖1所示),向韓國中小造船研究院等公共機構和外部合作企業介紹了現場應用成果,并表示將為合作企業引進及擴大相關設備提供技術援助。10月20日,現代三湖重工抽調其自動化創新中心負責自動化焊接的部分人員成立“機器人控制開發組”,作為公司引進焊接協作機器人的開發和管理部門。公司內部還設有根據需求提供協作機器人手臂、機器人抓手及相關軟件等系統整合(SI)的組織。

      現代三湖重工表示,其引進的協作機器人使用方便,即使是非熟練技術工人,只要接受最低限度的培訓就可以實施自動焊接。此前,韓國造船業曾使用過自動焊接小車等機械化設備,但1名工人很難同時使用多種設備,且現有的自動焊接小車每天只能進行36次作業,而協作機器人可以超越這種局限,F代三湖重工引進的彩虹機器人(Rainbow Robotics)和universal Robotics (UR)協作機器人,1名工人可以同時使用2臺,只要接受了最基礎的培訓,任何人都可以進行優質的焊接作業。這些機器人每天可進行50次作業,實現效率的最大化。

      現代三湖重工之所以大幅增加在機械化和自動化領域的投資,加快引進協作機器人,主要是為了解決訂單暴增與勞動力短缺的巨大矛盾。據 統 計,2021年至2023年,現代三湖重工總計承接了超過208億美元的新船訂單,目前的手持訂單量在HD韓國造船海洋的3家造船子公司中最為充沛,已經確保了3年以上的穩定作業量。

      但由于造船業在韓國被稱為“臟累險”的3D(Dirty,Difficult,Dangerous)工種,已成為韓國年輕人回避的職業,船廠正面臨嚴重的勞動力短缺問題。隨著韓國政府改進外籍勞工引進政策,目前現代三湖重工的合作公司(轉包企業)中已有超過3000名外籍勞工在生產現場工作,在一定程度上緩解了一線勞動力不足的困難。不過,隨著高附加值船舶訂單的增加,船廠對高級技工的需要更加迫切,而這些高素質的勞動力主要還是要依靠韓國國內提供,但目前韓國年輕人卻并不愿意到船廠工作。僅在今年,現代三湖重工還存在500名左右高級技工的需求缺口,因此,能夠為生產現場提供援助的協作機器人等自動化設備的重要性正日益提高。

      現代三湖重工自動化創新中心常務柳相勛表示 :“為了解決勞動力短缺問題,加快引進協作機器人是必不可少的。公司正在根據協作機器人的技術開發速度和生產現場對協作機器人的需要推進機器人的使用,估計可以代替所有焊接工作的20%以上。”

      現代三湖重工強調,勞動力短缺將成為造船業的趨勢性問題,船企應增加在機械化和自動化領域的投資,進一步提高作業效率。

      同時,對于擴大協作機器人應用是否會與為保護工人就業的公司工會產生不和諧的可能性,柳相勛表示 :“與普通機器人不同,協作機器人是和工人一起工作的角色。工會成員也認識到了勞動力短缺問題的嚴重性。因此,加大協作機器人應用對勞資雙方來講都是積極的因素。通過工會和機器人研發人員之間的合作,公司正在開發更加具有現場親和力的機器人。”

      HD現代尾浦造船在2022年投資1078億韓元(約合8100萬美元)的基礎上,2023年編制了577億韓元(約合4300萬美元)的預算用于造船設備設施建設。據悉,該公司已推出了制作機艙分段時使用的T-bar carriage、V-ROD carriage、Electric carriage 3種自動化焊接小車。這些設備在制作1800TEU集裝箱船的機艙分段時,示范應用結果顯示,自動化率提高了13%。HD現代尾浦造船計劃通過追加投資,將這3種焊接設備擴大應用到其他船型分段的制作,提高生產質量和生產效率。

      2023年11月21日, 現代尾浦造船成立“數字生產革新中心”,其任務是通過開發生產自動化指向設計系統、構建以制造革新平臺為基礎的信息物理系統(Cyber Physical System,簡稱CPS),實現生產的機械化、電動化、自動化,營造最適合船舶建造現場的數字制造環境。該中心還將開發貫通設計 -生產數據的數字制造平臺,并與HD韓國造船海洋合作,對旗下的HD現代重工、現代尾浦造船、現代三湖重工3家造船子公司的自動化裝備要素技術進行驗證。

      現代尾浦造船計劃,到2025年為止,將以內業工程為中心,引進曲面板成型機器人、加工機器人、注塑機器人、龍門式Slit機器人、面板焊接(SAW)機器人等自動化設備,“數字生產革新中心”將利用虛擬模型(在具有與實際相同特性的虛擬空間進行的模擬試驗)來驗證新技術。此外,該公司還計劃在2023年7月26日到2024年5月期間,對超過1700名生產技術員工進行40次數字化轉型體驗培訓,培訓課程包括工業機器人和協作機器人示范等。

      據悉,在HD韓國造船海洋的統一規劃下,HD現代重工、現代三湖重工、現代尾浦造船正在聯合推進基于數字化的“造船未來戰略(Future of Shipyard,FOS) ”項目,并計劃在2030年之前轉型成為智能船廠。HD韓國造船海洋計劃,第一步是到2025年為止,在現代尾浦造船的內業工程中引進各種機器人等自動化設備,并完成與設計聯動的CPS的構建,實現內業工程的數字自動化。此后,將把現代尾浦造船的制造自動化體系與HD現代重工和現代三湖重工正在開發的新一代設計平臺合并,將設計到制造的數據作為一個平臺進行管理。通過實施這一計劃,HD韓國造船海洋將完成應用于所有造船子公司的基于數字孿(Digital Twin)技術的綜合革新平臺。該平臺完成后,將對在生產現場收集的數據進行分析,掌握問題所在,并以此為基礎實現修改設計的“船舶建造良性循環”過程。通過這些措施,有望進一步提高船舶的建造質量和施工效率。

      韓華海洋超80臺機器人應用,投資超2億美元將機器人自動化率提升至70%。

      韓華海洋從2017年開始開發人工悄�(AI)熱加工機器人(如圖2所示),2020年9月經過內部試用和演示,于10月在其旗下玉浦造船廠的加工車間正式投入使用。該型機器人被命名為“Goknuri”,也是全球造船業首款將AI技術應用于熱加工作業的機器人系統。“Goknuri”可在改善作業環境的同時,提高產品精密度和生產效率,而且通過與設計數據相連接,也可適用于冷加工作業。韓華海洋計劃通過“Goknuri” 實現作業內容的數據化,并將積累的數據用于其他船舶施工作業。

      圖2 韓華海洋開發的全球造船業首個AI熱加工機器人“Goknuri”(圖源/韓華海洋官網)

      同時, 韓華海洋從2019年開始著手研發焊接協作機器人。經過數十次的調整改進,在2023年年初,成功開發出可安全地與作業者近距離無障礙協作的碳素鋼管焊接機器人(如圖3所示),并應用于其玉浦造船廠的作業現場。該型協作機器人已通過韓國機器人使用者協會(KORUAk)的審查,獲得了“協作機器人安裝作業現場安全認證”。這也是韓國首次在沒有設置安全圍欄和安全傳感器的情況下,在現場使用協作機器人。

      圖3 可安全地與作業者近距離無障礙協作的碳素鋼管焊接機器人(圖源/韓華海洋官網)

      此前,在進行碳素鋼管焊接作業時,作業者需要親自移動重量超過30公斤的噴焊工作臺,并在手動調整位置后進行焊接,因此如果需要更換焊接位置,準備過程需要花費很多時間,成為提高生產效率的絆腳石。另外,在引進工業機器人后,為了完成精密焊接并應對焊接過程中的種種變數,作業者需要近距離與機器人進行協同作業,但為了防止作業者與機器人發生碰撞,現有的機器人與作業者之間又必須設置安全圍欄,因此無法進行精密焊接。

      據了解,該型碳素鋼管焊接機器人重量僅為17公斤,使用時無需另行設置安全圍欄,只需工作人員按下按鍵,即可在極其有限的密閉空間內自動進行精密焊接作業,熟練程度相當于具有3年工作經驗的焊接技師。

      韓華海洋表示,隨著該型焊接機器人應用于現場,作業準備時間減少了約60%,不僅提高了生產效率,提升了作業的精確度與質量,還可解決工人短缺問題。該公司計劃持續進行技術開發,將這種目前僅應用于船舶管道的合管(Control pipe for ship)焊接作業的機器人應用于普通管道焊接。該公司焊接技術研究組組長樸鐘民表示 :“女性員工和非熟練技術工人也可以操作這種機器人,有望解決焊接高級技師短缺的問題。”

      據悉,韓華海洋“數字生產中心”2021年4月投產運營后,積極利用各種數據和機器人技術,正在謀求以焊接和涂裝為中心的生產現場作業工程的自動化。目前,韓華海洋在生產現場使用的包括協作機器人在內的機器人已經超過80臺,應用于10多個工種。該公司計劃追加投資3000億韓元(約合2.3億美元),將目前10%左右的機器人自動化率最高提升至70%,在應對生產熟練工人減少的同時,引領未來海洋產業模式轉換。

      為此,韓華海洋計劃首先確保將物聯網、AI等尖端數字技術與船舶生產相結合的自動化工程的安全性,在此基礎上通過構建最優生產工藝體系和基于自動化、數字化的船廠,以機器人等自動化設備代替高風險、高難度作業。

      韓華海洋在其玉浦造船廠現場構建的自動化生產線還融合了最新的AI、傳感器、IOT技術,正在加速實現智能化。特別是以高危作業領域——鋼板預處理及涂裝工程為中心,該公司致力于持續進行自動化、無人化設備研發。針對船舶建造后續工程相關作業,韓華海洋還將在韓國造船業中率先開發無軌焊接系統、電纜敷設自動化設備等,并普及到生產現場,在提高安全性的同時提升生產效率。

      韓華海洋希望通過此舉, 實現構建所有人都可輕松工作的安全造船廠與基于大數據的智能船廠文化相融合的“綠色&智能船廠(Green&Smart Shipyard)”目標。

      與HD韓國造船海洋的3家造船子公司一樣,韓華海洋的機器人研發與應用有著先天的優勢。HD韓國造船海洋的母公司HD現代旗下擁有現代機器人公司,其一直在向HD現代重工、現代三湖重工等供貨。2023年10月, 韓華海洋的母公司韓華集團將其旗下韓華Momentum負責制造協作機器人和自動導引車(AGV)的業務分離出來,單獨設立了韓華機器人公司,該公司計劃與韓華海洋在自動化領域開展技術交流并尋求合作。

      三星重工成功研發激光高速焊接機器人,助力LNG運輸船建造效率大幅提升。

      近年來,三星重工在全球LNG運輸船訂單潮中承攬了大量訂單,進一步穩固了其作為全球最大單體船廠的地位?死松臄祿@示,截止2023年底,三星重工手持訂單共計144艘、1046萬CGT,按CGT計占全球手持訂單總量的8.3%,位居全球首位。而在三星重工的手持訂單中,LNG運輸船又位居第一,共計80艘、688萬CGT,按CGT計占比高達66%,同樣高居全球第一。

      為應對前所未有的LNG運輸船等環保船舶訂單,培育相關建造力量,提高建造效率,三星重工2023年在造船、海工領域投資1515億韓元(約合1.15億美元),同比增幅達262.11%,主要用于機器人應用和AI領域的制造革新。

      針對船廠熟練焊接技能人才不足,以及等離子電弧焊在提高生產效率方面存在的局限性,韓國造船業要求開發新的焊接技術的呼聲一直不斷。為此,三星重工生產技術研究中心從2021年開始進行研發,根據激光焊接技術的應用特性,歷經2年開發出了適用于薄膜型貨艙焊接作業的高速焊接機器人(如圖4所示)。2023年9月21日,三星重工正式發布了這一成果。與現有的等離子電弧焊接(PAW)方式相比,該型激光高速焊接機器人的速度最快可提高5倍左右,有望大幅提高LNG運輸船的建造生產效率。

      圖4 三星重工開發的適用于薄膜型貨艙焊接作業的高速焊接機器人

      該型激光高速焊接機器人的特點包括 :使激光束以一定間隔和速度旋轉的搖擺焊接(Wobble);利用離焦量 (Defocusing)技術,可以生成廣闊的堆焊(Weld)寬度 ;內置激光位移傳感器,可以自動找到彎曲的焊接位置。在2米長的薄膜面板焊接時,等離子電弧焊需要5分鐘左右,而激光焊接的速度卻加快到只需1分鐘,因此正在成為大幅提高LNG液貨艙工程生產效率的革新技術。

      三星重工已在2023年8月成功完成了在韓國LNG型液貨艙(KC-2C)上應用激光高速焊接機器人的測試,并在年內完成法國GTT的LNG液貨艙(MK-Ⅲ)應用測試后,經過訂購方的最終使用許可,正式應用于生產。

      三星重工生產技術研究中心主任崔斗真表示 :“激光高速焊接機器人將成為在LNG運輸船的核心工程——液貨艙制造方面保持壓倒性競爭力的核心技術。今后,公司還計劃將其擴大應用到超低溫液氫運輸船的液貨艙。”

      目前,三星重工巨濟造船廠的船舶建造工序中的自動化、無人化作業轉型也在快速推進中。據悉,該船廠負責搬運重型材料的叉車已在2022年采用無人化技術,船舶制造所必需的焊接工序也將被多種焊接機器人代替。巨濟造船廠廠長尹鐘賢表示 :“我們計劃推出小型化、輕量化的焊接機器人,可以在任何工作場所移動工作。”

      同時,近年來大力推進“智能SHI(Smart Samsung Heavy Industries)”數字化轉型戰略的三星重工正在集中推進物聯網、數據自動化技術等的生產體系智能化,以及通過機器人處理自動化(RPA,Robotic Process Automation)等辦公自動化技術提高生產效率。因此,除了在生產現場廣泛應用協作機器人外,三星重工還在聊天機器人領域走在了業界前列。該公司繼在2022年開發并應用基于AI技術的對話型設計聊天機器人(ChatBot)之 后,2023年3月又宣布正在加快開發新型聊天機器人“SBOT”(如圖5所示),并應用于船舶設計等工作。

      圖5 三星重工開發的基于人工智能(AI)的聊天機器人“SBOT”(圖源/三星重工官網)

      三星重工計劃, 今后將對“SBOT”進行升級,使其適用于手機等移動設備,同時添加語音識別等功能,并將應用范圍擴大到營銷、采購等業務領域。值得一提的是,三星重工還計劃將“SBOT”與美國OpenAI研發的聊天機器人程序“ChatGPT”相連接,提高聊天機器人服務能力。

      韓國造船界人士指出,隨著訂單的不斷增長,在勞動力資源不足的情況下,預計三大船企以機械化、自動化為中心的投資今后仍將持續下去。同時,三大船企都在抓緊向高效率、低成本的智能船廠轉型,并計劃將相關技術和設備移植推廣到合作公司,構筑完備的智能生態體系。在這一過程中,機器人的廣泛應用也將成為大勢所趨。

      此外,韓國協作機器人界相關人士表示,與工業機器人更傾向于自主運行,執行重復性的、高精度的任務不同,協作機器人是一種與人類共享工作空間,甚至直接與人類進行物理接觸的機器人,更多地關注與人類的協同工作和安全協作,以實現更高效的生產。同時,韓國政府也正在放寬協作機器人使用相關規定,韓國雇傭勞動部決定,根據船廠作業特點制定新的安全規定,代替現有的使用協作機器人時必須設置安全圍欄的規定。從韓國協作機器人市場整體來看,盡管截至目前仍被汽車及電子產業所主導,但由于韓國造船業近年來不僅出現了嚴重的勞動力短缺問題,而且生產現場安全事故頻發,因此船廠引進協作機器人的呼聲也越來越高,預計短期內使用機器人的比重將大幅增加,同時隨著技術的發展,使用范圍還將進一步擴大。

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