大型风电叶片自动切边技术研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：崔成勇(1985)，男，汉族，河南林州人，任职中材科技风电叶片股份有限公司，工程师职称，硕士研究生学历，主要研究领域为风电叶片自动化装备。-52-大型风电叶片自动切边技术研究 崔成勇 崔俊伟 颜 晨 李振飞 中材科技风电叶片股份有限公司，北京 100080 摘要：摘要：风电叶片作为大尺寸的复合材料产品，外形复杂，飞边切割费时费力，且加工过程产生大量的粉尘和废料。针对风电叶片的特点，文章讨论了大型风电叶片切边工序的设备形式，关键切割工具的选型，自动化切边过程中切割定位和工位转换的实现方式，提出了一种全自动切边设备。设备在实际生产中实现了小批量应用，取得了较好的使用效果，对于大尺寸柔性工件的加工具有重大意义。关键词：关键词：风电叶片；切割；复合材料 中图分类号：中图分类号：TB332 0 引言 风电叶片是通过上叶片和下叶片在不同的模具内成型后再合模粘接而成。由于生产工艺的局限性，合模缝的粘接处，会有多余的玻璃钢飞边，对叶片的性能和外形有很大的影响。因此成型后的叶片需要准确切除多余的飞边后才能进入下一道工序。而大型风电叶片的生产车间，工件占用空间大，布局紧凑，型号更新迭代快，工位经常变动，大型加工设备的布置和移动较为困难，因此对于切边方式有很大的限制。，传统作业方式是工人手持电动切割工具沿叶片外轮廓进行切割，由于叶片外形复杂，对于较高位置还需要借助登高平台。切割过程中会产生大量的粉尘，不利于工人的身体健康。针对这一情况，一些企业和技术人员也做出了改进，如对手动工具改造，提高收尘效率；采用地轨、龙门架和切割头相结合的半自动设备，但是切割范围固定，无法扩展，且地轨安装费时，不容易移动位置。同时，针对风电叶片后处理各个工序，也出现了一些AGV 平台和机器人相结合的设备，如风电叶片自动打磨机器人的开发等1。本文通过切割工艺、定位方式、移动方式等方面论述了自动切边技术的构成。1 切割工艺选择 1.1 主要工具 复合材料的切割工具主要分为合金刀具和特种加工工具两大类，后者主要有水射流切割、超声振动加工和激光加工等2。水切割是一种冷态加工，不改变被切割材料组织，避免其加工热变形3，但是需要提供高压水源和场地改造；激光加工相较于传统机械加工不会产生刀具磨损和切削力，克服了加工中的材料分层和破碎问题，但是对于厚度较大的复合材料，需要较大的发射功率，其热效应容易使界面烧糊、发黑，影响质量。超声振动加工可降低切削力减少刀具磨损，提高加工质量，国内外学者在这方面开展了一系列研究。但是超声加工更适于纤维切割；带锯作为一种常用的加工刀具，广泛用于木材、金属材料的切割，在某半自动切边设备上得到了应用，但是其切缝宽、切口不平整、易产生毛边，且占用较多的上下空间，切割范围受支架高度影响较大。不同切割方式的对比如表 1 所示。1.2 铣刀 铣刀具有精度较高，便于自动化集成等特点，龙门式铣床在金属材料切割方面应用较广。但是，复合材料是两种或两种以上的材料通过物理方法形成的，不像金属为晶格结构，因而材料的塑性变形难，散热性也差4。为验证铣刀切割是否具有可行性，使用龙门式铣床对从叶片上切除的 12-14mm 厚的飞边样品进行了测试，数据如表 2 所示，切割效果如图 1 所示。图 1 铣刀实验效果 中国科技期刊数据库 工业 A-53-表 1 切割方式对比 序号 刀具种类 优点 缺点 1 水刀 粉尘少、曲线切割方便，无热效应，切面质量好 需要进行废水处理、车间场地改造 2 激光切割 切割速度较快，精度较高，投资大，热效应，界面发黑燃烧风险、厚度较大材料切割不理想 3 超声波 切割速度较快，精度较高，硬度较大材料切割不理想 4 带锯 曲线切割方便 占用飞边上下空间，切缝宽、切口不平整、毛边。5 圆盘锯 成本低，寿命长 曲率较大的曲线切割不便 6 铣刀 精度较高，便于自动化集成 不适合较厚的材料，寿命较短，刀具成本较大、电机占用空间大，与叶片本体干涉 表 2 铣刀测试数据 序号 铣刀直径（mm）进给速度（m/min）转速（rad/min）效果 图 a 6mm 0.3m/min 2500 转/分 切割有毛糙飞边 图 b 6mm 0.3m/min 3000 转/分 切口比低转速稍光滑 图 c 10mm 0.9m/min 8000 转/分 玻璃钢开始软化，速度难以维持 图 d 10mm(风冷）1.8m/s 13000 转/分 玻璃钢软化、冒烟，刀具损坏 图 2 自动切边设备俯视图 对比实验结果可得出以下结论：（1）主轴电机旋转速度越高，其切口越光滑。（2）进给速度越快，反作用越大，执行机构收到的切割阻力越大。（3）高速切割时需要采取散热措施，否则容易造成材料熔化，发黑和粘刀。测试状态下，最大切割速率只能达到 0.9m/min，且升温较快，长距离切割时，无法保证切割质量和刀具寿命。（4）由于结构限制，主轴电机占用空间，仅适用于较平整表面加工，限制了其在叶片曲面上应用。1.3 圆盘锯 圆盘锯作为传统的手工切割飞边的工具，其切割效果在手动切边过程中已经得到了验证，这里通过现场切割实验，验证其在自动化切边设备上的实施效果。2 自动切边设备开发 设备模型如图 2 所示。实验参数如下：锯片直径 300mm，边缘镶嵌金刚砂，驱动电机采用高速电主轴电机，转速最高可达中国科技期刊数据库 工业 A-54-10000rad/min 以上；采用库卡标准六轴机器人，末端法兰安装切割头。2.1 切割稳定性 选取一支叶片上的若干切割区域，使用机器人带动切割头连续切割，未完全切断，采用游标卡尺测量切割产生的缝隙宽度。平均值：5.67mm，方差：0.10mm.自动切边切割轨迹宽度稳定性较好，相比人工切割，不因人的体力限制或熟练度不同而出现较大波动。图 3 切缝宽度 2.2 切割速度 影响切边效率和质量的主要因素是进给时叶片飞边受到的锯片推力和剪切力，而受力与进给速度和锯片转速直接相关。为了研究工艺参数对切割效果的影响，在不同的工艺参数下进行了实验，分析飞边切割与工艺参数之间的内在关系。表 3 工艺参数与切割效果 切割头移动速度（m/min）电主轴转速(r/min)切割效果 3 5000 切割效果较好，效率低下 5 5000 存在锯片卡顿，切口粗糙 5 7500 切割流畅 6 7500 切割流畅，切口较平滑 8 7500 切割流畅，切口较平滑 8 8000 切割流畅，切口平滑 10 8000 锯片卡顿，电机间断过载报警 10 9000 电机频繁过载报警 经过测试，切割头在移动速度为 8m/min，电主轴转速为 8000r/min 时，具有较高的切割效率，较好的切割质量，同时不容易发生故障。2.3 覆盖范围 对叶片进行切边时，叶片的叶根、叶中位置放置在支架或装运车上，人工切边时，对于难切割部位，工人通过调整姿态、方向来克服。而对于自动切边设备，由于圆盘锯片形状的限制和机器人对运行空间的要求，对于不同长度的叶片，都需要避让转运车或支架位置，以及后缘局部内凹区域，部分叶片由于放置时向后缘倾斜，叶根转运车后缘支撑位置需避让，再由人工找补。对于 70 米-90 米的多种型号叶片，实际可覆盖叶片总长度长度 90%左右。2.4 工作寿命 圆盘锯在设备间歇运行的工况下，使用寿命在 400米以上，满足大型风电叶片的切割要求。2.5 切割定位 人工切边时先采用记号笔画线，随后操作切割工具沿画线位置切除飞边，整个过程完全依赖目视，受主观意识影响较大，对工人的操作水平要求较高。视觉测量技术根据相机获取视觉测量的信息从而对 目标的位置和姿态进行测量。通过相机获得目标图像生成匹配的像对，再利用目标在相机左右目的视差及模型参数反推其在三维坐标及位姿5。自动切边设备采用视觉测量自适应识别切割位置的技术，执行机构切割头旁边安装双目视觉相机，机器人带动执行机构扫描人工画线轨迹，经过计算和坐标变换，将画线位置转换为库卡机器人的一系列坐标，得出刀具切割时的移动轨迹，再由机器人带动切割头安装计算轨迹实现精确切割。整个过程除设备启动时需要人工调整一次初始切割位置外，后续操作可以自动、连续完成。2.6 工位切换 风电叶片尺寸较大，切边时需要沿工件进行移动。人工切边时，工人通过自身走动和推动登高平台移动来进行工位切换。龙门架、地轨等形式的设备往往具有工作区间难以扩展和整体位置移动困难等劣势而AGV 具有高效率、高自动化和高灵活性的特点，因此自动切边设备使用AGV作为承载设备和工位切换的平台。对于 AGV 来说，常用的导航方式有电磁导航、光学导航、GPS 导航、惯性导航等6，但是这些往往需要在地面铺设电缆、磁条或在车间内安装反光板，且需要工件放置在固定位置，不适用于工件位置经常移动或工作场所经常变换的工况。因此，自动化切边设备的 AGV 利用设备与叶片的相对位置作为移动过程中的导航依据。具体方式为，开始工作时，工人手动将设备移动到与叶片边缘大致平行的初始位置，并操作机器人，使画线位置位于相机视野中适当位置；切换自动模式后，AGV 自动向前移中国科技期刊数据库 工业 A-55-动并扫描人工画线轨迹，经过计算和坐标变换，得出设备相对于叶片的位置，并在行进过程中实时纠正，保持设备与叶片之间的距离基本恒定，实现不同工位之间的自主移动。由于切割过程和工位切换时均需要以机器人坐标系为基准，为防止设备移动过程中对切割精度的影响，切割过程和工位切换过程需要分开交替进行。设定移动速度为 5m/min，选取 AGV 靠近叶片一侧边缘上的 A、B 两点，测量移动到不同工位后与叶片外缘的最近距离，其结果如图 4 所示：图 4 切换工位时与叶片的距离 其中最大值为 1.33 米，最小值为 1.21 米。考虑到叶片外缘为曲线及 AGV 移动时地面因不平整造成的偏移，设备在切换工位连续行进过程中未发生明显位置偏离，可以满足作业需求。自动切边设备作业过程中的自主移动无需除工件以外的其他物体或设施进行辅助，因此可以在不同车间或同一车间的不同位置进行作业，如图 5 所示.对于大尺寸风电叶片，具有较好的使用效果。图 5 工作场景 3 结论（1）通过对多种切割工具的比对和测试，结合生产实际，在综合考虑成本、效率、覆盖范围的前提下，确定了圆盘锯作为执行机构的刀具。（2）采用视觉识别画线位置的方式，实现切割位置的自动定位和不同工位切换时的自主移动，对场地和叶片摆放位置精度要求低，适应现场布局经常变动和叶片频繁移动的工况，对大尺寸柔性风电叶片的后处理加工过程有重要意义，对相关的其他工序较大的借鉴价值。（3）使用自动切边设备后，相比人工切边，降低了对工人技术水平和熟练度的依赖，提升了质量的稳定性；降低了登高车使用过程中的跌落风险；减少了车间内的粉尘，降低了工人的职业病风险。参考文献 1颜晨,陈晓亮,李国良.一种新型风电叶片自动打磨机器人高效自适应打磨头系统设计开发J.复合材料科学与工程.2021(12):114-119.2徐纪豪,白一凡,孙圣元 碳纤维复合材料激光切割技术研究进展J.电加工与模具.2022(1):4-13 3薛胜雄,孟俊坤,李岳峰.大尺度曲面复合材料水切割的工况与机构研究J.流体机械 2016(12):25-28.4唐臣升.高效复合材料铣削刀具研制J.工具技术,2011(12):54-57.5 唐 艳 慧,任 宏,刘 巧 元,等.基 于 双 目 手 眼 相 机 的 自 动 化 精 度 测 试 系 统 J.机 电 工 程 技术,2022,51(04):142-145.6苏庆华,张娣娣,吴昊.AGV 导航技术综述J.计算机科学与应用,2022(8):1990-1997.基金项目：中国建材集团攻关专项资助（百米级柔性风电叶片关键技术攻关及应用示范，项目编号：2021HX1617）河北省重大科技成果转化专项资助（基于高性能玻板结构的百米级风力发电叶片关键技术研究与产业化，项目编号：22284301Z）。