La guía mecánica y los equipos autónomos se encuentran con los contratistas a medio camino

Apr 27, 2024

Build Robotics proporcionó a Bechtel controles que permiten que las excavadoras funcionen de forma autónoma, supervisadas por un operador en el sitio en un remolque cercano. Foto cortesía de Built Robotics

A medida que los fabricantes de equipos adoptan cada vez más la electrificación y el funcionamiento autónomo, los proveedores de tecnología de posicionamiento, middleware y robótica, como Moog Construction, Built Robotics y Trimble, buscan ayudar a los contratistas a probar las aguas del futuro.

Cambiar a operaciones eléctricas o autónomas no es un gasto pequeño para los contratistas. Los costos varían, pero un equipo pesado que funciona con baterías puede tener una prima del 50% o más sobre las máquinas diésel, y eso sin tener en cuenta los precios para instalar estaciones de carga y actualizar las bahías de servicio.

La electrificación posventa de equipos propulsados ​​por diésel puede hacer que los contratistas se acostumbren a estos nuevos sistemas por un precio más bajo, mientras que los paquetes de sensores instalados por los concesionarios ofrecen una muestra de las máquinas semiautónomas. Los canales de alquiler son otra forma de probar estas nuevas formas de trabajar.

SunBelt Rental adquirió las primeras 100 unidades del cargador compacto de orugas Bobcat T7X totalmente eléctrico en 2022 y amplió ese acuerdo con unidades adicionales compradas a principios de este año. El T7X tiene el marco de software integrado de Moog, un controlador de máquina eléctrica, actuadores eléctricos de elevación e inclinación, motores de tracción eléctricos y el compartimento del antiguo motor diésel está lleno de baterías y controladores electrónicos. Su elevador funciona con actuadores eléctricos, no hidráulicos, por lo que, si bien tiene la potencia de un cargador de cadenas Bobcat T76 normal, la batería y los componentes del controlador hacen que el T7X sea aproximadamente 1000 libras más pesado, lo que resulta en un manejo diferente para el operador.

El cargador de orugas compacto autónomo (arriba) puede programarse para entregar materiales o realizar otras tareas por parte de un operador remoto utilizando el software de Moog (izquierda). Fotos de Jeff Yoders/ENR

Keith Churchill, director de innovación de Bechtel, y Ken Burke, director de operaciones globales de la empresa, trabajaron en el patio de equipos de la empresa en el área de Houston en 2021 utilizando hardware de Built que permitió que las excavadoras de la empresa funcionaran de forma totalmente autónoma.

Churchill dijo que un mercado laboral competitivo hacía ventajoso para los operadores calificados del importante contratista EPC supervisar varias de las excavadoras autónomas desde un remolque en lugar de pasar horas seguidas cavando zanjas para grandes proyectos de granjas solares en Texas y Luisiana.

Los operadores podían monitorear las excavadoras Komatsu y Caterpillar en el sitio mientras cavaban zanjas para líneas eléctricas y agujeros para pilotes para sostener los paneles. Burke y su equipo probaron el sistema de Build en el astillero de Bechtel, e idearon mejoras como el uso de una geocerca de seguridad para garantizar que las excavadoras se apagaran automáticamente si se acercaban demasiado a los humanos. El sistema de Built se adapta a las excavadoras hidráulicas Caterpillar y Komatsu normales y convierte los controles electrohidráulicos de la máquina en una computadora a bordo programada para realizar tareas de excavación estandarizadas y repetitivas tal como se carga antes de la operación. En los proyectos solares de Bechtel, las excavadoras incorporadas lograron un tiempo de actividad del 93 % con una tasa de productividad de 191 pies lineales por hora, un aumento de productividad del 45 % en comparación con un solo operador cavando zanjas.

Los cargadores de orugas autónomos y totalmente eléctricos de Moog están cumpliendo una función similar en un proyecto solar a gran escala de un importante proveedor de energía solar en el oeste de Nueva York. Cada cargador tiene una unidad GPS, así como cámaras frontales y traseras y sensores LiDAR que se comunican directamente con el software Moog. Esta configuración permite al operador programar comandos simples, como recoger paletas de materiales en un área de depósito y entregarlas donde se necesitan, luego darse la vuelta y repetir la tarea.

Los cargadores de orugas autónomos están entregando materiales como paneles fotovoltaicos de polisilicio, que pesan cada uno 80 libras. El sitio del proyecto, como la mayoría de los sistemas solares a escala de servicios públicos, se encuentra en un área remota, y los equipos de instalación requieren la entrega de cientos de paletas de paneles cada semana. El gerente de desarrollo comercial de Moog, Aditya Sharma, dijo que la función de entrega autónoma aporta el nivel de coherencia que el contratista necesita.

Dijo que las raíces de Moog en el tipo de mecatrónica que ya se aplica ampliamente en la exploración espacial, aplicaciones militares y exploración de petróleo y gas es una ventaja para los socios de la compañía como Bobcat y Sunbelt cuando se trata tanto de autonomía como de operación eléctrica.

“Muchos de los OEM [de construcción] no tienen el equipo de ingeniería ni los actuadores ni los servomotores para montar todo esto. Así que intentan obtenerlo de todos los puntos de la brújula”, explica Thomas Greier, ingeniero de sistemas de robótica en Moog. Greier dice que el enfoque actual de la compañía en la energía solar es una función de que esos proyectos requieren mucha mano de obra, son sucios, remotos y tienen una gran demanda en la transición en curso hacia la generación de energía limpia. Greier también cree que, una vez que los operadores entiendan lo que pueden hacer con las máquinas eléctricas, las preferirán a los equipos diésel.

“Tu poder está distribuido. Entonces, a diferencia de un sistema hidráulico tradicional, tiene caballos de fuerza independientes en cada eje; puedes trabajar con toda la potencia, levantar, inclinar y tracción, todo al mismo tiempo, dependiendo de tu aplicación”, dice Erik Berg, ingeniero senior de sistemas de Moog Construction. “Se trata de una caja de cambios planetaria tradicional, pero detrás hay un servomotor que impulsa la caja de cambios y proporciona el 100 por ciento de par desde velocidad cero. Lo que eso significa es que, como operador, tengo el par máximo en todo el rango de potencia en comparación con el diésel. Increíble para nivelar y cavar pilotes”.

Según Berg, ajustar el rendimiento para diferentes tareas rara vez requerirá cambiar sistemas completos como en una plataforma hidráulica, ya que los servomotores y actuadores de un cargador de orugas eléctrico son configurables por software. Los ajustes para la longitud de carrera y la velocidad de los actuadores se pueden cambiar actualizando el software, de forma similar a instalar la última actualización de firmware para una PC. Tampoco es necesario rellenar los fluidos hidráulicos.

Su elevador tiene un sensor IMU (derecha) que informa la distancia inclinada o elevada al software. El CTL tiene actuadores eléctricos (centro) y no hidráulicos para operar su elevador (izquierda). La caja de la batería contiene tecnología de gestión de carga diseñada para igualar el uso de energía y conservar mejor la carga a lo largo del tiempo, además de una caja de cambios que suministra energía de la batería a servomotores individuales en las orugas y elevadores de la máquina. Fotos de Jeff Yoders/ENR

Trimble está adoptando un enfoque similar para que los clientes utilicen sus flotas de maquinaria existentes de nuevas maneras, ofreciendo actualizaciones para llevar la guía de la máquina 3D a la cabina para ayudar a los operadores a ahorrar tiempo. Si bien los controles y la orientación de las máquinas en 3D han estado disponibles comercialmente durante más de una década, todavía es necesario algo de tiempo para acostumbrarse a utilizarlos para obtener una nivelación en la cabina y eliminar la necesidad de que un topógrafo u otro trabajador sostenga estacas de nivelación fuera de la máquina. Pero poder instalar hoy un sistema de control de máquinas con una inversión mínima en comparación con invertir en una máquina completamente nueva, está cambiando el cálculo de los contratistas.

Siteworks Machine Guidance utiliza el software Trimble Siteworks para topografía y diseño de proyectos para brindar orientación al operador a través de una pantalla de tableta en la cabina. Un solo operador de excavadora puede realizar actividades que antes requerían un equipo completo, con unidades de GPS trabajando junto al operador, realizando tareas topográficas y de diseño en el campo. El registro de datos sobre las zanjas excavadas o el número exacto de cangilones excavados también se puede realizar automáticamente.

"Está ayudando al contratista, especialmente a las [empresas] más pequeñas que yo llamaría nivel no empresarial (talleres que generalmente son propietarios-operadores) a introducirse en la tecnología y ser realmente más productivos", dice Steve DiBenedetto, gerente de producto de Trimble. Construcción civil y soluciones de campo. Los operadores ahora "no tienen que estar entrando y saliendo de la máquina". Señala que Siteworks Machine Guidance también puede ayudar a los contratistas con desafíos de personal, porque no necesitan una persona separada en un hoyo con una estaca para realizar trabajos de topografía ni tener que llamar a un topógrafo para que regrese al sitio cuando alguien derriba estacas que estaban ya colocado.

Un distribuidor de Trimble SITECH puede instalar Siteworks Machine Guidance en unas pocas horas. Consta de tres partes: una antena GPS Trimble que se monta en la parte superior del brazo de la excavadora; un sensor de unidad de medición inercial (IMU) acoplado al hueso del brazo de la excavadora; y la tableta de campo en la cabina. Junto con un mazo de cables, el sistema se puede instalar en cualquier excavadora de tamaño pequeño a mediano, según Trimble.

La IMU permite cargar mediciones como la profundidad y el ángulo de excavación en el software de Trimble en la cabina. La antena GPS pone esos movimientos en contexto, incluso con un modelo 3D de lo que hay debajo del suelo, utilizando el motor de posicionamiento del software Trimble. El sensor, el GPS y la IMU se conectan a través de Bluetooth. Las antenas inteligentes Trimble SPS986 o Trimble R780 GNSS están disponibles para usar como antena GPS con la guía mecánica de Siteworks. Trimble vende Siteworks Machine Guidance como una suscripción con pagos mensuales o en una oferta perpetua más tradicional. Si un contratista ya tiene un sistema de posicionamiento en el sitio de Trimble que ejecuta Siteworks, la actualización podría costar alrededor de $5,000 dependiendo de los precios del distribuidor regional.

La entrega de paletas de paneles fotovoltaicos de polisilicio con CTL autónomos ahorra mano de obra en un proyecto solar en el oeste de Nueva York. Foto izquierda cortesía de Moog Construction

"Estamos utilizando el sistema principalmente en nuestros sitios de trabajo más pequeños", dice Tom Gardocki, copropietario de New Era Excavation en New Hampshire, quien también es conocido por su canal de YouTube "Dirt Ninja", donde muestra varios equipos que utiliza. . “Ya somos usuarios de Trimble, ejecutamos muchos de sus otros sistemas, incluido el control de nivelación 3D, en nuestras excavadoras y topadoras, y luego también tenemos múltiples configuraciones de base y móvil para 3D. Así que esta es otra herramienta en nuestro kit, para ciertos trabajos”.

Gardocki dice que New Era utiliza Siteworks Machine Guidance principalmente en proyectos más pequeños de drenaje y nivelación donde el trabajo no justifica el tiempo para construir un modelo 3D completo del sitio. En lugar de eso, simplemente va al sitio, toma fotografías de los puntos topográficos, los guarda en el diseño base y los muestra en la tableta Siteworks Machine Guidance para obtener orientación para la excavación. “Ese es el gran beneficio, casi se obtienen los dos sistemas en uno”, dice Gardocki. "No tienes toda la capacidad que tendrías si invirtieras en el sistema 3D completo, pero definitivamente es una excelente manera de iniciarte en el control de máquinas 3D".

Gardocki dice que puede tomar tan solo cinco minutos definir los puntos, configurar la máquina y excavar con precisión con la guía en la cabina.

Al igual que Moog y Built, Trimble también ha encontrado un mercado entusiasta de contratistas dispuestos a utilizar su tecnología en proyectos solares de nivel comercial.

Cuando Trimble agregó un campo de paneles solares de 1,7 MW para generar energía para su sede en Westminster, Colorado, a principios de este año, el contratista utilizó Trimble Groundworks para identificar y cavar agujeros para los pilotes que soportarían el panel solar.

Utilizando coordenadas GPS, el sistema Trimble Groundworks encuentra la ubicación exacta de un pilote y garantiza una plomada y alineación precisas y una profundidad adecuada. El método tradicional, que utiliza líneas de hilo para alinear los postes, introduce riesgo de error y tiene tiempos de preparación más largos, sin mencionar que agrega un riesgo de tropiezo para los trabajadores que realizan la medición. La profundidad de una excavación se puede rastrear mediante el ángulo y la profundidad del cucharón medidos por la IMU y, con las coordenadas GPS, se avisa a los contratistas sobre condiciones tales como que el sitio no está nivelado o marcado en las elevaciones adecuadas cuando aparecen.

Honestamente, el contratista de Trimble "dudó mucho en entrar en la tecnología y nosotros, como cliente, lo obligamos a utilizar Groundworks", dice DiBenedetto, y agrega que poco después de la finalización del proyecto, la empresa "hizo un pedido de cuatro sistemas." Agrega que la tecnología "realmente ayuda [al contratista] a hacer el trabajo. La misma propuesta de valor está ahí: más rápido, más preciso, y se necesitan [trabajadores] menos calificados para ayudar a colocar los pilotes en el lugar correcto".

"Dirt Ninja" Tom Gardocki utiliza Siteworks Machine Guidance en trabajos pequeños para configurar puntos de control y medir la precisión de la excavación donde el modelado 3D completo no sería rentable. La solución de Trimble utiliza una antena GPS, un sensor IMU y una tableta en la cabina que se conecta a la antena y al sensor mediante Bluetooth. Fotos cortesía de Trimble, Inc.

La carga de equipos eléctricos sigue siendo una preocupación para los contratistas que trabajan tanto en áreas remotas como para aquellos que simplemente no tienen estaciones de carga cercanas. Incluso cuando hay energía disponible, todavía hay competencia por estaciones de carga limitadas. A partir de ahora, el Bobcat T7X se puede cargar completamente durante la noche desde puertos EV estándar, pero el equipo de Moog cree que pueden lograr una carga completa en cuatro horas cuando usan sus cargadores patentados.

"Tenemos un cargador rápido que puede llenar su [equipo] mucho más rápido que la mayoría de las otras máquinas eléctricas, lo que tarda entre cuatro y diez horas en cargarse", dice Berg de Moog. “El tiempo de funcionamiento es de aproximadamente medio día, pero debido a la rapidez con la que se puede cargar, tenemos un concepto de carga oportunista en el que podríamos recomendar, después de un turno de mañana seguro, enchufar el equipo durante 10 a 15 minutos y luego ir a usarlo. almuerzo. Lo recuperaremos lo suficiente para terminar el resto del día durante el almuerzo. No es tan doloroso e inconveniente como tener que arrastrarlo a algún lugar para cargarlo durante ocho horas”.

Al igual que Trimble, Moog también busca soluciones que puedan tomar equipos existentes y brindarles nuevas capacidades con una instalación no original. Moog ha desarrollado una caja de batería eléctrica que se puede atornillar a cualquier excavadora de tamaño pequeño a mediano con cuatro pernos, dos conectores en los laterales y un mazo de cables que puede convertir cualquier excavadora OEM en una totalmente eléctrica. Berg afirma que la empresa también puede hacer teleoperables las máquinas que utilizan el gran paquete de baterías Moog porque el arnés de cableado está conectado a los joysticks de la cabina.

Los fabricantes de equipos que trabajan con Moog, Trimble y Built compiten por el negocio de los contratistas, pero grandes actores como Komatsu, Caterpillar y John Deere están comprometidos a trasladar la producción hacia las máquinas eléctricas, por lo que también tienen un incentivo para trabajar con proveedores de middleware para traer a sus clientes en este viaje.

Gardocki de New Era dice que las soluciones que satisfacen al contratista a mitad de camino y simplifican las tareas repetitivas son lo que la mayor parte del mercado (contratistas pequeños y medianos como su empresa) seguirán necesitando de sus máquinas durante una transición aún en su infancia. .

"Simplemente creo que estamos muy, muy lejos [de las máquinas autónomas]", dice Gardocki. “Ciertas tareas, obviamente, son más simples que otras, pero estamos hablando de construcción, donde las cosas cambian constantemente, y te encuentras con problemas y te topas con una cornisa subterránea y te topas con otras cosas enterradas. Para conseguir un robot lo suficientemente inteligente como para hacer eso, creo que llevará bastante tiempo".

Y añade: "Estos sistemas que simplifican las tareas para [requerir menos] personas pero aún dejan a un operador a cargo serán lo que todo el mundo estará buscando, al menos durante los próximos 10 años aproximadamente".