ES2962007T3 - Optimización de proceso de disposición para la fabricación de palas de turbina eólica utilizando un sistema de proyección óptica basado en modelos - Google Patents

Abstract

Un método para diseñar los kits y colocar las capas de refuerzo y el núcleo usando un sistema de proyección, que comprende un molde que tiene una superficie contorneada; un generador de proyección de diseño que: define una pluralidad de secciones de molde; identifica las dimensiones y la ubicación de una pluralidad de segmentos de disposición. Se proporciona un método de calibración basado en modelos para la alineación del sistema de proyección láser en el que las características del molde se dibujan digitalmente, se incorporan en los tapones que forman el molde de pala de turbina eólica y se transfieren al molde. El molde también incluye objetivos reflectantes que están acoplados a la geometría moldeada en la que su posición se calcula a partir del modelo 3D. Este método garantiza el nivel de precisión requerido por el sistema de proyección para ayudar eficazmente en la fabricación de palas de turbinas eólicas. En este método, se utiliza la ubicación digital de los reflectores para compensar las deformaciones del molde. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Optimización de proceso de disposición para la fabricación de palas de turbina eólica utilizando un sistema de proyección óptica basado en modelos

Referencia cruzada a solicitudes relacionadas

Esta solicitud reivindica la prioridad según 35 U.S.C. apartado 119(e) de la solicitud provisional US-62/527.726, presentada el 30 de junio de 2017, y la solicitud provisional US-62/625.735, presentada el 2 de febrero de 2018.

Campo del objeto descrito

El objeto descrito se refiere a un sistema para fabricar palas de turbina eólica. Especialmente, el presente objeto descrito se refiere a un proceso de disposición de la pala de turbina eólica que corrige una ubicación incorrecta de las capas de refuerzo desplazamientos del núcleo o huecos no deseados para preservar de este modo la integridad estructural de la pala.

Resumen del objeto descrito

El objetivo y las ventajas del objeto descrito se expondrán y resultarán evidentes a partir de la descripción que sigue, y se aprenderán mediante la puesta en práctica del objeto descrito. Se conseguirán y obtendrán ventajas adicionales del objeto descrito mediante los métodos y sistemas especialmente señalados en la descripción escrita y en las reivindicaciones de la misma, así como de los dibujos adjuntos.

La estructura compuesta de tipo sándwich de las palas de turbina eólica permite alcanzar el rendimiento mecánico deseado del sistema, manteniendo al mismo tiempo el peso de la pala en un mínimo. En esta disposición, los elementos estructurales principales, es decir, las vigas, proporcionan la capacidad de carga; las capas de refuerzo forman la superficie aerodinámica de la pala, y el material de núcleo juega un papel crítico en el soporte de los revestimientos evitando su deformación y mantener la forma de la sección transversal. En consecuencia, el proceso de disposición es una etapa sensible e importante en la fabricación de la pala de turbina eólica, ya que cualquier ubicación incorrecta de la capa de refuerzo, desplazamientos del núcleo o huecos no deseados podrían comprometer la integridad estructural de la pala.

Durante el proceso de fabricación, y para facilitar el proceso de disposición, así como el transporte de material a los moldes, el material de refuerzo y de núcleo se corta en piezas más pequeñas, lo que se conoce como “ kitting” . Un mal diseño de los kits lleva a un mayor tiempo de ciclo de producción y aumenta el riesgo de huecos de núcleo y de problemas de calidad, ya que las actividades de adaptación y recorte en el molde aumentarán.

Según un aspecto de la presente descripción, se utiliza un sistema de proyección óptica (p. ej., láser) que optimiza el proceso de kitting de vidrio/núcleo y facilita la fabricación de la pala. Los patrones de kitting optimizados no solo solucionan los problemas de calidad, sino que también acortan significativamente el tiempo de ciclo de producción, así como el período de lanzamiento de un nuevo producto.

El método tradicional de kitting del material de vidrio/núcleo consiste en utilizar dibujos CAD y modelos 3D de la pala para especificar los bordes y contornos y suministrarlos a los proveedores para cortar las partes. Sin embargo, debido a que los patrones de kitting basados en CAD se desvían con respecto a las partes reales en el molde, se requieren múltiples iteraciones de revisiones de patrón de kitting antes de que las partes se monten en el molde correctamente. Dado que no existe una forma fiable de medir los huecos y especificar las desviaciones con técnicas convencionales, este proceso de revisión iterativo consume mucho tiempo y es muy tedioso. Según un aspecto de la presente descripción, el proceso de fabricación utiliza un sistema de proyección óptica (p. ej., láser) para cerrar este bucle, calibrar el modelo 3D y actualizar el patrón de kitting utilizando los cortes de vidrio y la proyección de los paneles de núcleo en los moldes. La calibración basada en modelos del sistema de proyección también asegura el nivel deseado de precisión en el proceso. Axel Rieckmann: “ Laser projectors benefit turbine blade manufacture” (2011-02-15), http://www.renewableenergyfocus.com/view/15485/laser-projectors-benefit-turbine-blade-manufacture/ describe las características del preámbulo de la reivindicación 1.

Los dibujos adjuntos, que se incorporan y constituyen parte de esta memoria descriptiva, se incluyen para ilustrar y ofrecer una comprensión adicional del método y el sistema del objeto descrito. Junto con la descripción, los dibujos sirven para explicar los principios del objeto descrito.

En una realización ilustrativa de la presente descripción, un método para la fabricación de una estructura compuesta comprende recibir al menos una especificación para un diseño de estructura compuesta, incluyendo la estructura compuesta una pluralidad de paneles de núcleo; generar un modelo de fabricación del diseño de estructura compuesta, incluyendo el modelo de fabricación una pluralidad de paneles de núcleo; extraer al menos un archivo de proyección óptica del modelo de fabricación, teniendo el archivo o archivos de proyección óptica coordenadas para la proyección de una marca o marcas dentro de un molde; identificar características de referencia seleccionadas asociadas con un panel de núcleo; proyectar al menos una marca para representar un borde de un panel de núcleo; y comparar las características de referencia del panel de núcleo con el borde proyectado del panel de núcleo.

En los lugares donde la comparación de las características de referencia del panel de núcleo y el borde proyectado del panel de núcleo no coinciden, el método ajusta el posicionamiento del panel de núcleo y/o ajusta el modelo de fabricación, lo que puede incluir actualizar mediciones de panel de núcleo seleccionadas.

La proyección puede realizarse mediante una pluralidad de láseres superiores que están configurados para un movimiento relativo con respecto al molde, y/o configurados para un movimiento relativo entre sí. Además, el archivo o archivos de proyección óptica incluyen bordes de paneles de núcleo, y la geometría de todos los paneles de núcleo se proyecta simultáneamente o en serie (es decir, un panel cada vez). Con fines ilustrativos, la presente descripción puede realizarse en donde la estructura compuesta sea una pala de turbina eólica que incluya una sección de raíz y una sección de punta.

Además, la presente descripción incluye un método para la fabricación de una pala de turbina eólica que comprende: recibir al menos una especificación para un diseño de pala, incluyendo el diseño de pala una pluralidad de paneles de núcleo; crear un molde, configurándose el molde para formar la pala y con una pluralidad de dianas reflectantes incluidos en el mismo; generar un modelo de fabricación 3D del diseño de pala, incluyendo el modelo de fabricación una pluralidad de paneles de núcleo; extraer al menos un archivo de proyección óptica del modelo de fabricación, teniendo el archivo o archivos de proyección óptica coordenadas para la proyección de una marca o marcas dentro de un molde y coordenadas digitales para las dianas reflectantes; calibrar un aparato de proyección óptica; en donde la calibración incluye comparar la marca proyectada con la ubicación digital de la diana reflectante.

En una realización ilustrativa, el molde se crea a partir de un tapón, incluyendo el tapón dianas de proyector reflectantes que se integran en el molde. Además, el aparato de proyección incluye una pluralidad de láseres, alineándose cada láser con seis o más dianas reflectantes. Además, proyectores láser adyacentes pueden alinearse con una o más dianas reflectantes compartidas.

En algunas realizaciones, la calibración del aparato de proyección óptica se realiza a una temperatura elevada, y las dianas reflectantes (p. ej., espejos) se integran dentro del molde.

Breve descripción de los dibujos

Se muestra una descripción detallada de diversos aspectos, características y realizaciones del objeto descrito en la presente memoria con referencia a los dibujos adjuntos, que se describen brevemente a continuación. Los dibujos son ilustrativos y no están dibujados necesariamente a escala, con algunos componentes y características exagerados para mayor claridad. Los dibujos ilustran diversos aspectos y características del presente objeto y pueden ilustrar una o más realizaciones o ejemplos del presente objeto en su totalidad o en parte.

Las Figs. 1-4 son representaciones esquemáticas de diagramas de flujo de disposición basada en modelos según el objeto descrito.

La Fig. 5 es una vista ilustrativa de un sistema de proyección superior dispuesto sobre un molde de pala.

Las Figs. 6-11 son vistas ilustrativas de segmentos de disposición con líneas de proyección láser según el objeto descrito.

Las Figs. 12-14 son vistas ilustrativas de una técnica de calibración basada en modelos según el objeto descrito.

Descripción detallada de una realización ilustrativa

A continuación se hará referencia en detalle a realizaciones ilustrativas del objeto descrito, ilustrándose un ejemplo de las mismas en los dibujos adjuntos. El método y las etapas correspondientes del objeto descrito se describirán junto con la descripción detallada del sistema.

La Figura 1 muestra un diagrama de flujo de proceso de diseño/fabricación basado en modelos de palas que incluye la entrada de diseño, así como las salidas de fabricación con respecto al proceso de disposición. El modelo de fabricación calibrado como se describe en la presente memoria podría acoger una serie de disciplinas de ingeniería (p. ej., modelización, productibilidad-kitting, análisis) así como disciplinas de producción (p. ej., disposición de vidrio, posicionamiento del núcleo, aplicación de perlas de pasta).

La sección superior de la Figura 2 muestra, en un enfoque tradicional, que el proceso comienza generando el modelo 3D de un núcleo dentro del molde (etapa 0). Utilizando este modelo, se genera el patrón plano del núcleo (disposición 2D). La disposición 2D se divide virtualmente a continuación en varios paneles (etapa 1) y se suministra al proveedor de kits (etapa 2). El tamaño y las formas de cada panel pueden variar, teniéndose en cuenta el tamaño máximo de los paneles según consideraciones logísticas (p. ej., manipulación del material). Después del primer ensayo de posicionamiento del núcleo durante un nuevo lanzamiento de producto, se requieren herramientas de medición manual para identificar las desviaciones (incluyendo los casos relacionados con el diseño y la fabricación) y el patrón de kitting finaliza a través de varias iteraciones (bucle 1) entre mediciones manuales en el molde y revisiones de dibujo 2D.

Según el método descrito, como se muestra en la sección inferior de la Figura 2, después de aplanar el modelo 3D y especificar los bordes de las piezas del panel (etapa 1'), los patrones de kitting 2D se asignan de nuevo al modelo 3D (etapas 0'). En algunos casos, se especifica una pluralidad de bordes para una pieza de panel determinada. Por ejemplo, las piezas de panel que se instalan dentro de la sección de raíz pueden tener un mayor número de bordes especificados que las piezas de panel que se instalan dentro de la sección de punta de la pala. En algunas realizaciones se especifican todos los bordes, mientras que en otras realizaciones solo se especifican bordes seleccionados de una pieza de panel determinada. Por ejemplo, en regiones del molde en donde el contorno cambia a través de los paneles, puede especificarse un mayor número de bordes para obtener un mapeo de mayor densidad para capturar con precisión el gradiente del molde.

Utilizando el modelo actualizado, se extraen los archivos de proyección óptica (p. ej., láser) (etapa 4). Estos archivos de proyección pueden enviarse a todos los proyectores ópticos o, en algunas realizaciones, solo a proyectores seleccionados (p. ej., archivos de proyección de raíz enviados únicamente a los proyectores ópticos dispuestos sobre la sección de raíz del molde/pala). Además, los archivos de proyección pueden incluir una clave (p. ej., un prefijo o sufijo, de forma similar al direccionamiento de paquetes de protocolo de Internet) que señala que dos archivos de proyección particulares deben mantenerse de forma consecutiva, ya que se refieren a paneles adyacentes dentro del molde.

Durante el proceso de posicionamiento del núcleo en el taller (etapa 3), las líneas de láser proyectadas se utilizan para identificar los paneles que se desvían del modelo. En algunas realizaciones, la identificación de la desviación del panel puede realizarse automáticamente (p. ej., cámara óptica) con intervalos de tolerancia aceptables predefinidos. De forma adicional o alternativa, la identificación de la desviación del panel puede realizarse (o confirmarse, si inicialmente se realiza automáticamente) mediante inspección manual por el operario. Cuando se identifica una desviación más allá de los límites aceptables, el panel puede reposicionarse o desecharse, según se desee. Además, puede indicarse una alerta si/cuando un panel se desvía más allá de la tolerancia aceptable para resaltar esta desviación. En algunas realizaciones, debe introducirse una confirmación de que se ha solucionado la desviación para que se proyecte un patrón posterior.

La finalización del patrón de kitting de núcleo tiene lugar a través de iteraciones (bucle 2) entre mediciones en el molde asistidas por láser y modelo 3D. Estas iteraciones pueden realizarse según un enfoque global, p. ej., se repite todo el bucle, o es posible repetir solo subrutinas selectas del bucle, según se desee. En segundo lugar, en lo que respecta a cualquier intento de modificación, el modelo 3D se actualiza y los patrones 2D y los archivos de proyección láser se revisan como corresponda.

Estas desviaciones se deben principalmente al hecho de que los modelos 3D no son completamente representativos de la geometría real del molde, así como las capas de vidrio y núcleo. Además, debido a su estructura porosa, los materiales de núcleo pueden deformarse ligeramente antes de su introducción en los moldes. Una de las ventajas del método descrito es la reducción significativa en el número de iteraciones mencionadas anteriormente entre los bucles 1 y 2.

La magnitud del error aceptable puede depender de los materiales empleados y del entorno operativo para una pala determinada. En algunas realizaciones, el error o tolerancia aceptable puede variar a lo largo de, y a través de, la ubicación en la pala. Por ejemplo, la tolerancia o desviación de intervalo aceptable puede ser más pequeña en localizaciones de transición de material y/o de transiciones de espesor, así como a lo largo de los bordes anterior y posterior.

La Figura 3 es un diagrama de flujo de un enfoque de diseño y ejecución de disposición convencional en el que, una vez que ha finalizado el diseño de pala (p. ej., dimensiones de longitud, cuerda, curvatura, etc.), se determinan sus especificaciones (1 y 2). A partir de estos criterios de entrada, se genera (3) el modelo de fabricación. Este modelo se utiliza entonces para diseñar el kit (6) de corte de vidrio y de núcleo, que puede ser una pluralidad de subconjuntos que se combinan para formar un conjunto para formar la pala. Estos kits (6) de cortes de vidrio y de núcleo se aprueban a continuación para producción. Durante este periodo, también se generan procedimientos y herramientas (9) de comprobación de calidad. Tras el suministro de los kits, comienzan las actividades en el taller. Estas actividades incluyen la disposición de las piezas de vidrio y de los paneles de núcleo en el molde (11). Una vez posicionados, se verifica su ubicación mediante el proceso (12) de comprobación de calidad. Si se aprueba, el proceso de posicionamiento del núcleo se considera completado. No obstante, con frecuencia se identifican discrepancias en la posición en la disposición y el proceso de comprobación de calidad falla. Debido a la estructura de bucle abierto, es extremadamente difícil, si no imposible, determinar un análisis de causa raíz de la discrepancia y realizar los cambios adecuados. Por lo tanto, la etapa de resolución de problemas es con frecuencia larga y engorrosa. Las técnicas y el aparato correspondiente del sistema actualmente descrito son ventajosos en que solucionan las deficiencias del enfoque convencional, simplifican la complejidad y acortan la duración de esta etapa utilizando un proceso de optimización de bucle cerrado.

La Figura 4 es un diagrama de flujo de un nuevo enfoque para la optimización de la fabricación de palas utilizando un sistema de proyección óptica, como se describe en la presente memoria. Una vez que finaliza el diseño de una pala (p. ej., dimensiones de longitud, cuerda, curvatura, etc.), se determinan sus especificaciones (1 y 2). A partir de estos criterios de entrada, se genera (3) el modelo de fabricación. Este modelo se utiliza entonces para extraer archivos (4) de proyección láser, así como un diseño del kit (6) de vidrio y núcleo. Los archivos de proyección pueden incluir las localizaciones de borde de cada panel/segmento (p. ej., todo el perímetro del panel/segmento) a situar por todo el molde para formar la estructura compuesta, p. ej., la pala de turbina eólica. Además, los archivos de proyección pueden incluir una indicación del centro de origen utilizado para calcular/determinar las localizaciones de borde mencionadas anteriormente.

Después de finalizar el diseño del kit, pueden añadirse patrones adicionales a los archivos de proyección que localizan específicamente las características relacionadas con la posicionamiento del panel de núcleo en el molde (p. ej., la distancia desde el borde posterior, tapa del larguero, etc.). Estos patrones adicionales pueden basarse en la ubicación y/o tipo de estructura de núcleo/material dentro del molde. Algunos materiales de núcleo ilustrativos incluyen balsa de contrahílo, espuma de acrilonitrilo estireno (SAN), espuma de cloruro de polivinilo (PVC) y espuma de tereftalato de polietileno (PET). En algunas realizaciones, p. ej., núcleos de balsa y espuma, los núcleos pueden cortarse o segmentarse para crear articulaciones que permiten su adaptación a superficies curvas. Estos cortes pueden crear huecos en la superficie del núcleo en donde un segmento se aleja formando un ángulo de otro. En consecuencia, los patrones adicionales pueden centrarse en estas áreas “problemáticas” donde existe un mayor riesgo/probabilidad de formación de huecos. De forma adicional o alternativa, puede existir una mayor concentración de patrones adicionales situados en las secciones de soporte de carga más altas, p. ej., la raíz, que en las secciones de soporte de carga más bajas de la pala.

Además, el sistema de proyección óptica se instala y se calibra (5), como se describe con más detalle en la presente memoria, y el diseño del kit de núcleo se envía al proveedor para producción (8). Una vez que se completan los archivos de proyección óptica (p. ej., láser) y las etapas de calibración, comienza la actividad en el taller.

Para proporcionar retroalimentación de diseño, todas las características de referencia de vidrio y núcleo definidas por el proceso (12) de verificación de calidad se prueban con respecto a la proyección láser de las características (10) de referencia de vidrio y núcleo. Si se observa alguna discrepancia en esta etapa, se concluye inmediatamente que las referencias de calidad o la calibración láser deben reconsiderarse y revisarse. En algunas realizaciones, el proceso de fabricación puede suspenderse temporalmente hasta que se lleve a cabo esta reconsideración/revisión. En algunas realizaciones, esta reconsideración/revisión puede realizarse y puede requerir una confirmación o aprobación del operario/empleado.

Además, la presente descripción muestra dos verificaciones de calidad separadas para confirmar la precisión del posicionamiento del panel. Como se muestra en la Figura 4, se muestran dos diamantes “de coincidencia” en el diagrama de flujo; el diamante “de coincidencia” superior compara el patrón láser proyectado y puede transmitir/actualizar/corregir discrepancias con el archivo (5) de calibración láser. De forma similar, el diamante “de coincidencia” inferior compara el patrón láser proyectado con el posicionamiento del panel de núcleo dentro del molde, y puede transmitir/actualizar/corregir las discrepancias de vuelta al diseño (6, 8) del panel de núcleo/vidrio.

Una vez aprobados, el vidrio y el núcleo se posicionan utilizando el patrón láser como guía utilizando un método en donde la mayor parte de las piezas y paneles se posicionan basándose en una referencia láser directa. En otras palabras, cada parte se sitúa dentro del molde en una ubicación en la que su borde o bordes se alinean con la línea de referencia láser proyectada. Si se produce una discrepancia entre la geometría proyectada y la pieza o piezas, las proyecciones láser facilitan el aislamiento de las partes individuales y una mejor clasificación de la discrepancia. Este proceso proporciona información suficiente para determinar rápidamente el análisis de causa raíz que permite un diagnóstico preciso del aspecto problemático de la fabricación (p. ej., la producción o el diseño del kit).

Utilizando este enfoque, los procesos de kitting y ajuste de vidrio y de núcleo tienen una configuración de bucle cerrado (p. ej., los elementos resaltados 3, 4, 6, 7, 8, 10, 11 en la Figura 4) y el proceso de solución de problemas se optimiza significativamente.

La Figura 5 es una ilustración de una realización ilustrativa del sistema de proyección óptica. En esta realización ilustrativa, una serie de láseres (10) se disponen por encima del molde de turbina eólica y proyectan patrones hacia abajo sobre el molde durante el proceso de fabricación. El número de proyectores láser depende de la longitud de la pala, así como de la altura de los proyectores con respecto a la superficie del molde. La posición de los proyectores en esta realización ilustrativa es fija, aunque incluyen espejos con accionamiento galvanómétrico en cada proyector, de forma que las reflexiones del rayo láser son móviles para crear los contornos 3D. Aun cuando los láseres mostrados se montan de forma independiente en una posición fija, se contemplan configuraciones alternativas en las que la totalidad o un subconjunto de proyectores láser son capaces de realizar un movimiento relativo entre sí. Por ejemplo, un proyector láser puede ajustar su posición vertical con respecto al molde de la pala, p. ej., descender desde el techo para situarse más cerca del molde, para crear una línea de patrón más enfocada e intensa de mayor resolución. Los proyectores pueden con patrones predefinidos para proyección sobre el molde de pala (y/o cualquier material de disposición que pueda disponerse en el mismo). Cada diseño de pala puede requerir un patrón de proyección distinto y, por lo tanto, un programa único introducido en el sistema de proyección.

Ejemplos de una realización ilustrativa

El sistema de kitting de núcleo asistido por láser proyectado descrito en la presente memoria se sometió a prueba durante el diseño e instalación de un núcleo estructural de una pala de turbina eólica. El núcleo se diseñó internamente utilizando un modelo 3D para generar tanto un patrón plano 2D como proyecciones láser 3D de las posiciones de panel previstas. Los resultados del sistema de kitting de núcleo asistido por láser proyectado descrito en la presente memoria confirmaron los beneficios de suministrar los datos necesarios para realizar un análisis de causa raíz y cerrar el bucle de diseño cuando los paneles no se ajustan como se esperaba. En muchos casos, se encontró que el método de instalación y las técnicas de medición tradicionales, más que el diseño de núcleo, constituían la causa raíz del ajuste incorrecto del panel y se solucionaron simplemente haciendo que los trabajadores alineasen el núcleo con las líneas de láser.

Con el proceso convencional, las mediciones se toman a mano con una cinta métrica y una regla flexible o con un láser de seguimiento FARO. Sin embargo, en una disposición de molde de turbina eólica, la medición manual con una cinta métrica metálica es inexacta a lo largo de una superficie curva y no puede tener en cuenta la acumulación de espesor del material ya introducido en el molde. Las mediciones con cinta también son de uso limitado al medir desviaciones angulares y son muy propensas a errores de lectura humanos. Además, el seguimiento láser con un dispositivo FARO es lento para recoger datos, es un recurso limitado durante un nuevo lanzamiento de producto, y ya tiene una acumulación de tolerancia (es decir, acumulación de múltiples varianzas discretas) de las herramientas. Con opciones limitadas para la recopilación de datos, en ingeniería de forma típica se selecciona simplemente ajustar los tamaños de panel basándose en cómo los trabajadores cortan y parchean paneles durante la instalación sin llevar a cabo un análisis de causa raíz del ajuste incorrecto. No identificar y solucionar problemas subyacentes crea problemas cuando se inician líneas de herramientas posteriores y el núcleo no se ajusta correctamente en moldes posteriores, dando lugar a una recopilación de datos y cambios adicionales.

En consecuencia, se empleó el sistema de kitting de núcleo asistido por láser proyectado descrito en la presente memoria, en donde las proyecciones se crearon a partir del modelo 3D como curvas que señalan las localizaciones de control. En esta realización ilustrativa, los bordes a lo largo del borde anterior, el borde posterior, el espacio de tapa del larguero longitudinal auxiliar y las transiciones de material de la pala se modelan y proyectan en el molde de la pala. Es posible proyectar periódicamente líneas de referencia adicionales, p. ej., para cada dos a tres bordes de panel, para servir como una confirmación visual de que los paneles se colocan como se han modelizado.

El proceso de modelizado de la presente descripción tiene en cuenta las diversas propiedades del material de los componentes utilizados, p. ej., el espesor de los componentes de vidrio seco prefabricados, y los consumibles que se sitúan debajo del núcleo, localizando los límites y transiciones con mayor precisión que cualquier método de medición anterior. La precisión mejora aún más con respecto al enfoque convencional utilizando un método de alineación local que elimina la acumulación de tolerancia de las herramientas y corrige la expansión del molde a temperaturas elevadas. Según un aspecto del sistema de proyección óptica descrito en la presente memoria, la geometría de todos los núcleos puede proyectarse a la vez, proporcionando ingeniería con una evaluación visual instantánea del ajuste del núcleo. De forma adicional o alternativa, regiones selectas (p. ej., raíz / punta) pueden proyectarse de forma aislada, p. ej., en serie, y/o con diferentes duraciones. Por ejemplo, la sección de punta puede tener los bordes proyectados durante un tiempo más largo que los bordes de sección de raíz.

La aplicación del sistema de proyección óptica descrito en la presente memoria permite obtener una gran cantidad de ventajas con respecto a la técnica convencional. Por ejemplo, el sistema y el método descritos en la presente memoria:

1) Facilitan el descubrimiento de la causa raíz de un mal ajuste de los paneles;

2) Permiten obtener una verificación en el proceso con respecto a otros métodos de medición (no disponible previamente, sería necesario cortar la pala para permitir la inspección);

3) Permiten una identificación visual rápida de los paneles cortados incorrectamente por el proveedor en vez de una próxima inspección que lleva mucho tiempo;

4) Reducen los errores de medición del equipo de producción que, de otro modo, causarían retrasos al ser descubiertos por calidad.

5) Muestran la desalineación angular causada por una curvatura compleja.

6) Reducen el ruido en los datos de ajuste del panel, permitiendo un proceso de revisión más rápido.

7) Permiten obtener una posicionamiento de panel consistente proyectando bordes de referencia para reducir la acumulación de tolerancia. Esto elimina la necesidad de empezar siempre en la misma ubicación, concediendo más flexibilidad al equipo de producción; y minimiza los residuos, eliminando la necesidad de stock de material adicional requerido de forma típica.

Durante la fabricación de palas convencional, cualquier ajuste incorrecto en el núcleo se atribuyó al diseño y producción de los paneles de núcleo, y los dibujos de núcleo se ajustarían para una correspondencia. El uso de la presente descripción introduce ahora un tercer dato visible, que a menudo se alinea con el núcleo o la referencia correspondiente. En el caso donde las proyecciones láser coincidieron con una línea marcada, se determinó rápidamente que el núcleo se diseñó o se cortó incorrectamente, en línea con nuestro proceso correspondiente. Ejemplos incluyen que el proveedor ignore notas del dibujo, o que falte un detalle en el diseño.

En el caso en que el núcleo coincidió con la proyección láser pero no con otros métodos de medición, se realizaron otras investigaciones. A continuación se explican las técnicas de medición y los resultados.

Con el enfoque convencional, las dos primeras palas requirieron 26 paneles complementarios tomados de otros kits de núcleo para llenar huecos. En cambio, solo se requirieron dos paneles para la tercera pala cuando se empleó el sistema de proyección láser descrito en la presente memoria, lo que demuestra que un método de instalación preciso es tan importante como un diseño preciso. Se identificaron las siguientes causas raíz adicionales de ajuste incorrecto del núcleo utilizando el sistema láser de proyección aquí descrito:

• Se descubrió que la ubicación de la tapa del larguero estaba fuera de tolerancia cuando el elemento prefabricado se puso sobre la capa de CFM que se posicionó mediante el proyector láser. (Ver las Figs. 6, 10 y 11, que representan la desalineación de la tapa del larguero identificada mediante proyección láser). En el lado de presión se ignoró previamente porque estaba dentro de una tolerancia de /- 5 mm, pero el efecto sobre el diseño del núcleo es significativo, ya que la tolerancia una vez puesto es de solo /- 10 mm en la dirección de la cuerda. Donde el núcleo se hubiese ajustado con la técnica convencional puede dejarse ahora sin cambios para que se ajuste a una posición nominal de la tapa del larguero. En el lado de succión de la pala simplemente se había ignorado, con la técnica convencional, que la tapa del larguero estaba fuera 18 mm en la raíz. Ambas posiciones del lado de presión y de succión del tapa del larguero pueden reajustarse ahora más cerca de un valor nominal empleando el sistema de proyección láser descrito en la presente memoria.

• Se dispusieron accesorios de posicionamiento de la tapa del larguero auxiliares utilizando el rastreador FARO convencional, pero no se alinearon con las proyecciones láser de la presente descripción. Debido a la contracción del molde, que el FARO no corrige, y a una suposición incorrecta sobre el diseño del equipo de seguimiento, los accesorios se situaron fuera de tolerancia. El núcleo se ajustó bien cuando se situó según la línea de láser sin los dispositivos, como se describe en la presente memoria.

• El desplazamiento del borde anterior con respecto al núcleo se marcó incorrectamente en la revisión de calidad con la técnica convencional. Realizar una medición de línea recta con una medición con cinta que no se adapta a la superficie del molde, no corregir la diferencia entre el borde aerodinámico y el borde de la herramienta, no tener en cuenta el espesor del material, y hacer una amplia línea de marcador ancha pasado el extremo de medición de la cinta produjeron en conjunto una línea marcada que estaba 15 mm demasiado alejada de la pala. (Ver la Figura 7, que representa una técnica inadecuada en mediciones manuales convencionales). A continuación, los trabajadores cortaron el núcleo 20 mm más corto, de modo que la línea de marcador completa sería visible una vez situado el núcleo, en vez de buscar un valor nominal. Sin las proyecciones de láser según lo descrito en la presente memoria, el núcleo se habría redibujado 20 mm más corto para coincidir. Por lo tanto, la ejecución del sistema de proyección láser actual dio lugar a que no fuese necesario ningún cambio.

• A lo largo del borde posterior, el láser y las marcas manuales coincidieron inicialmente debido a la curvatura más plana. Durante el transcurso de la instalación se observó una desviación de 10 mm entre el láser y la línea marcada. Tras volver a medir, el departamento de calidad determinó que el prefabricado de TEUD se había deslizado 10 mm hacia la pala alejándose del borde posterior, desplazando la línea de marcador con el mismo.

• Los paneles se diseñaron para quedar bien asentados contra la tapa del larguero, que forma un ligero ángulo con respecto a la cuerda. Sin láseres, el equipo ajustó los paneles con respecto a una línea de cuerda, formando huecos e interferencias en el ajuste. Con un posicionamiento según los láseres, el núcleo encaja bien. El uso de los láseres eliminó la necesidad de entrenamiento, documentación o conocimiento específico del producto adicionales. (Ver la Figura 8, que representa las líneas de cuerda).

• La curvatura compleja en el lado de succión en la transición de redondo a cuerda máxima provocó una desviación angular. La proyección de las líneas de borde del panel permitió una rápida identificación visual del área específica que se desvió, de modo que las fuentes del error podrían identificarse y resolverse. El proceso convencional habría realizado los cambios en la siguiente transición, dejando una docena de paneles desalineados con respecto a la posición prevista (ver la Figura 9, que muestra imprecisiones de medición manual con respecto a TEUD debido a una acumulación de espesor; las proyecciones láser coinciden con la posición del núcleo).

Por lo tanto, las proyecciones de toda la geometría del núcleo identificaron errores tempranos en el proceso de instalación. La ubicación en la dirección de la envergadura entre paneles se define como la parte superior del chaflán en transiciones entre dos paneles. Esto puede ser un error en la producción del borde del panel. A diferencia de las líneas de marcador que pueden ser cubiertas en cuanto se posiciona el núcleo, la línea de láser continúa mostrándose en la parte superior del núcleo y permite a un observador ver y señalar un error. Siguiendo el método tradicional, el departamento de calidad verificaría la posición, pero solo después de que se hayan instalado muchos paneles vecinos. El sistema láser proyectado descrito en la presente memoria también protege contra situaciones donde se realizan marcas erróneas en la ubicación respecto a la envergadura para indicar dónde empezar a situar los paneles, permitiendo que el error sea reconocido y corregido rápidamente.

En resumen, la técnica convencional para la instalación del núcleo en las palas requirió 26 paneles de núcleo suplementarios adicionales para llenar huecos. Por el contrario, con la instalación de núcleo asistida por láser descrita en la presente memoria, solo se necesitaron dos paneles. Esto demuestra que, sin láseres, incluso un kit bien diseñado puede no ajustar, y que el posicionamiento preciso de cada panel individual puede reducir el número de cambios in situ requeridos para hacer que un kit de núcleo satisfaga la tolerancia. Además, los láseres de proyección son una herramienta crucial en la comprensión de las causas raíz de la acumulación de tolerancia, y permiten obtener de forma rápida y eficiente un kit de núcleo listo para la producción.

Por lo tanto, y según el objeto descrito, el método de optimización descrito en la presente descripción memoria elimina la necesidad de una medición manual y una revisión del kit de bucle abierto, lo que reduce significativamente el número de iteraciones requeridas, ajustándose el patrón final con niveles más altos de precisión. Además, el método de optimización descrito permite una medición del operario manual continua para confirmar que las tolerancias están dentro de intervalos aceptables, si así se desea.

Calibración basada en modelos

Según otro aspecto de la descripción, se describe una técnica de calibración basada en modelos para calibrar el aparato de proyección, p. ej., una pluralidad de proyectores láser con accionamiento galvanométrico.

Las Figs. 12-14 muestran esquemáticamente la distorsión de la superficie del molde en el espacio de producción (Figs.

12-14 en la mitad inferior de la Figura, ilustrada mediante la etiqueta “ (b) Taller” ) con respecto a la geometría del tapón (Figs. 12-14 en la mitad superior de la figura, representada por el “ (a) Ordenador)” en el espacio digital. Esta deformación podría haber sido causada por cargas térmicas o cualquier otra fuerza perturbadora aplicada durante la producción y el mantenimiento del molde. Aun cuando la geometría de tapón original (a partir de la cual se crea el molde para crear la pala de turbina eólica) y la geometría distorsionada son idénticas en las tres figuras, los patrones de proyección son únicos para la metodología de alineación que se aplica en cada caso.

En la Figura 12 se representa el método de alineación de proyección tradicional. En este enfoque, coincidiendo los orígenes del sistema de coordenadas para la producción (etiqueta “ (b) Taller” ) y los espacios digitales (“ (a) Ordenador” ) cerca de la raíz del molde, se utiliza (100) la posición de los marcadores en el espacio de producción como se describe en el sistema de coordenadas universales, para alinear el sistema de proyección. Siguiendo este método, la diferencia entre la posición de las características geométricas antes y después de la deformación lleva a una desviación entre el espacio de proyección láser y el espacio de producción. En caso de contracción térmica, dado que las desviaciones se acumulan comenzando desde el origen del sistema (00) de coordenadas, el error entre cada característica y su patrón proyectado asociado aumenta de la raíz a la punta (Y > X). Dado que la estructura se estrecha y es no homogénea, el cambio en las desviaciones no es lineal (Y t 2X).

Para mejorar el gran error acumulado en la región de la punta, una solución sería desplazar el origen del sistema (00') de coordenadas hacia la parte intermedia de las herramientas, como se muestra en la Figura 13. En este escenario, aunque el método de alineación es idéntico al caso anterior (utilizando las posiciones de marcador reales para fines de alineación), la suma de las desviaciones entre las características geométricas y sus patrones proyectados se reduce. Además, dado que el origen del sistema de coordenadas está en el centro de geometría, las desviaciones se extienden hacia las secciones de punta y raíz, de forma pseudosimétrica (no completamente simétrica, como se menciona en la sección anterior X' t Y'), y la desviación máxima alrededor de la punta y la raíz es menor que en el caso anterior (X'<Y y Y'<Y).

El proceso descrito en la presente descripción permite obtener una metodología que elimina las desviaciones entre los espacios de proyección y producción, como se muestra en la Figura 14. En esta disposición, la posición detectada de los marcadores en el sistema de coordenadas universal según su instalación en las herramientas (Figura 14, “ (b) Taller” ) se asigna a su característica de ajuste equivalente en el espacio digital (100'). La asignación completa del espacio de producción al espacio digital da lugar automáticamente a una coincidencia precisa entre el espacio de proyección y el espacio de producción en el taller. En otras palabras, el enfoque de asignación propuesto distorsiona el espacio de proyección para que coincida con el espacio de producción real en el taller. Por lo tanto, cualquier tipo de deformación en las herramientas podría compensarse con este método. Además, este enfoque no es sensible a la ubicación del origen del sistema de coordenadas.

Para ejecutar este método, durante el proceso de calibración, en vez de utilizar la ubicación real de los marcadores, la posición digital equivalente de los mismos se envía al sistema láser como los puntos de referencia.

La tolerancia de posición local, generalmente del orden de milímetros, es crítica para la posición relativa de distintas capas de material entre sí y con respecto a otras características (p. ej., el borde anterior). La tolerancia de posición global, definida como la posición de un componente en un extremo de la parte con respecto al otro extremo de la parte, puede ser un orden de magnitud completo más grande que la tolerancia de posición local. Esta mayor tolerancia global facilita ahorros de costes que son vitales para crear un producto competitivo, pero aumenta la dificultad de lograr tolerancias de posición local altas. Cualquier técnica de medición de reposicionamiento debe ajustarse a estos regímenes de precisión y mantener una referencia continua.

Para realizaciones en las que se instala un sistema de proyección láser y se calibra utilizando un único sistema de coordenadas global, es probable que las extremidades del molde experimenten desviaciones locales equivalentes a la deformación global de las herramientas. La ubicación de los puntos diana puede ajustarse así manualmente para reducir la variación observada entre el molde y la proyección. Sin embargo, este método no es fiable y requerirá cambios en el orden de la deformación global, lo que invalida la trazabilidad de este posicionamiento de vuelta al modelo digital. Además, este método debe realizarse a la misma temperatura utilizada para calificar las herramientas, o estará sujeto a desviaciones debidas a la expansión térmica.

La precisión local puede lograrse sin requerir una alta precisión global utilizando una matriz de láseres de proyección, cada uno con su propio sistema de coordenadas local. Cada láser se alinea con sus propias dianas locales, creando un sistema de coordenadas de mejor ajuste local. De esta forma, el láser puede lograr la mayor precisión local posible. Los láseres adyacentes pueden alinearse utilizando una o más dianas compartidas. Si existe una deformación global, pueden alinearse dos láseres adyacentes con distintos sistemas de coordenadas, pero con una discontinuidad mínima en el límite de proyección debido a las localizaciones de diana compartidas. Este enfoque permite representar grandes deformaciones globales como una serie de pequeñas discontinuidades permitidas en la matriz.

En el caso de discontinuidades inaceptablemente grandes entre proyectores adyacentes, se dispone de dos opciones para mejorar el ajuste; o bien puede aumentarse el número de dianas de proyección compartidas, o puede aumentarse el número de proyectores de forma que la discontinuidad entre dos supervisores cualesquiera sea un porcentaje más pequeño de la deformación global.

Una fuente de la gran discontinuidad es el efecto de la expansión térmica cuando se calienta la herramienta. Los moldes generalmente se califican a temperatura ambiente, pero se utilizan en un estado calentado, donde la expansión térmica puede ser mayor que la tolerancia de posición permitida. La presente descripción proporciona un enfoque para alinear los proyectores láser que puede llevarse a cabo a cualquier temperatura, ya que las dianas reflectantes se referencian directamente desde las propias herramientas, de forma que la posición de las referencias se escala con la herramienta a medida que se expande y contrae térmicamente. Dado que no se requiere un molde a temperatura ambiente, la alineación y calibración pueden realizarse simultáneamente con pruebas térmicas o producción. A través del mismo mecanismo, la alineación.

En una realización ilustrativa, la demostración o validación de alineación de la matriz de proyección se produce antes de que pueda emplearse el sistema para su uso en un entorno de fabricación controlado. La verificación sigue un proceso similar a la alineación; proyectando además características conocidas que se han transferido desde el tapón del molde en/sobre el molde, y trazar directamente de vuelta al modelo 3D. Puede utilizarse cualquier marca de molde visualmente identificable, tal como marcas de trazado de molde, geometrías de inserto y/o bordes afilados. Debido a que estas marcas se transfieren desde un tapón de corte CNC, estas proporcionan los mismos beneficios que los descritos anteriormente para la alineación de los láseres. Se considera entonces que la precisión del sistema alineado es la distancia máxima entre una geometría moldeada y su proyección asociada. Esta medición es pequeña, por lo que puede hacerse con precisión con técnicas manuales, tales como el uso de calibres, cinta métrica, regla, etc.

Si bien el objeto descrito se describe en la presente memoria en términos de determinadas realizaciones preferidas, los expertos en la técnica reconocerán que pueden realizarse diversas modificaciones y mejoras en el objeto descrito sin apartarse de su ámbito. Además, aunque las características individuales de una realización del objeto descrito pueden explicarse en la presente memoria o mostrarse en los dibujos de una realización y no en otras realizaciones, debería ser evidente que las características individuales de una realización pueden combinarse con una o más características de otra realización o características de una pluralidad de realizaciones, siempre que estén dentro del ámbito de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (12)

1. REIVINDICACIONES

   i. Un método para la fabricación de una pala de turbina eólica que comprende:

   recibir al menos una especificación de un diseño de pala, incluyendo el diseño de pala una pluralidad de paneles de núcleo;

   crear un molde (11), configurándose el molde para formar la pala y teniendo una pluralidad de dianas reflectantes incluidas en el mismo;

   generar un modelo de fabricación 3D del diseño de pala, incluyendo el modelo de fabricación una pluralidad de paneles de núcleo;

   extraer al menos un archivo de proyección óptica del modelo de fabricación, teniendo el archivo o archivos de proyección óptica coordenadas para la proyección de una marca o marcas dentro de un molde y coordenadas digitales para las dianas reflectantes;

   calibrar un aparato (10) de proyección óptica;

   en donde la calibración incluye comparar la marca proyectada con la ubicación digital de la diana reflectante; y

   caracterizado por quela calibración se lleva a cabo mientras el molde está a una temperatura elevada.
2. 2. El método de la reivindicación 1, en donde el molde se crea a partir de un tapón, incluyendo el tapón dianas de proyector reflectantes que se integran en el molde.
3. 3. El método de la reivindicación 1, en donde la proyección se lleva a cabo mediante una pluralidad de láseres.
4. 4. El método de la reivindicación 1, en donde el aparato de proyección incluye una pluralidad de láseres, alineándose cada láser con seis o más dianas reflectantes.
5. 5. El método de la reivindicación 1, en donde el aparato de proyección incluye una pluralidad de láseres, alineándose los proyectores láser adyacentes con una o más dianas reflectantes compartidas.
6. 6. El método de la reivindicación 1, en donde el aparato de proyección incluye una pluralidad de láseres, configurándose los láseres para un movimiento relativo con respecto al molde.
7. 7. El método de la reivindicación 1, en donde el aparato de proyección incluye una pluralidad de láseres, configurándose los láseres para un movimiento relativo entre sí.
8. 8. El método de la reivindicación 1, en donde las dianas reflectantes se integran dentro del molde.
9. 9. El método de la reivindicación 1, en donde las dianas reflectantes están configuradas como espejos.
10. 10. El método de la reivindicación 1, en donde el archivo o archivos de proyección óptica incluyen bordes de paneles de núcleo.
11. 11. El método de la reivindicación 1, en donde la geometría de todos los paneles de núcleo se proyecta simultáneamente.
12. 12. El método de la reivindicación 1, en donde marcas de panel de núcleo selectas se proyectan en serie.