BR102020002191A2 - Aparelho e método para automação de usinagem de costuras de solda - Google Patents

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Jose Fermin Gutierrez Fernandez
Pablo UNANUA HERMOSO DE MENDOZA
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Abstract

a presente invenção refere-se a um aparelho (1) para automação de usinagem de costuras de solda (6) de uma torre de turbina eólica (7). ele compreende um braço automatizado (2); uma ferramenta de usinagem (3) fixada a um braço automatizado (2); um sistema compensador (4) fixado à ferramenta de usinagem (3) ou sendo parte do braço automatizado (2); um visor de junta (5) que identifica e localiza a costura da solda (6); e uma unidade de controle para coordenar o movimento da ferramenta de usinagem (3) com o sistema compensador (4) e o visor de junta (5). é também provido um método de realização de uma usinagem de costura soldada (6) circular em uma torre de turbina eólica (7) com o dito aparelho (1).

Description

APARELHO E MÉTODO PARA AUTOMAÇÃO DE USINAGEM DE COSTURAS DE SOLDA OBJETO DA INVENÇÃO
[001] A presente invenção refere-se a um aparelho automático para usinagem de costuras de solda em torres de turbina eólica. Especificamente, o aparelho é projetado para realizar a usinagem após a soldagem das costuras circunferenciais da torre.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[002] Resistência à fadiga de uma torre de turbina eólica é limitada pelas zonas soldadas. Uma dessas zonas soldadas são as costuras circulares entre carcaças e entre carcaças e flanges.
[003] A partir do estado da técnica alguns métodos para realização de conexões soldadas. Por exemplo, é conhecido o documento EP2047941 que divulga um método de reforço de uma conexão soldada compreendendo pelo menos uma costura de solda e/ou de aumento de tolerância de uma conexão soldada em relação à carga de fadiga. A geometria de pelo menos uma costura de solda de pelo menos uma seção de pelo menos um componente, cuja pelo menos uma seção se une a pelo menos uma costura de solda, é especificamente modificada através da remoção de material de soldagem da pelo menos uma costura de solda e através da remoção de material da pelo menos uma seção do pelo menos um componente, material que se une à pelo menos uma costura de solda.
[004] No documento EP2775141 é divulgada uma estrutura de suporte de aparelho-interna-de torre com uma estrutura soldada que pode assegurar uma classificação de resistência à fadiga igual a ou maior do que aquela de soldagem de extremidades ou que não requer nenhuma soldagem.
[005] Também o documento JP2004034141 provê um método de produção de uma junta tendo uma condição de superfície satisfatória. Duas peças de membros de união tendo espessuras mutuamente diferentes são apoiadas uma sobre a outra. Uma ferramenta de união para união em movimento de fricção tendo uma sonda giratória é usada, e a sonda giratória da ferramenta de união é inserida na parte sobreposta de ambos os membros de união a partir do lado da superfície. Nesse estado, a sonda é movimentada ao longo da parte sobreposta, de modo que a parte sobreposta é submetida à união de movimento por fricção. Em seguida, a superfície da parte unida é cortada usando uma ferramenta de corte.
[006] Em geral, as carcaças circunferenciais de torres de turbina eólica têm uma resistência à fadiga que pode ser definida como categoria de detalhe de DC80 de acordo com EN1993-1-9. É possível aumentar essa categoria de detalhe para DC90, através da implementação de algumas melhorias técnicas nas oficinas. Isso permite aumento da resistência à fadiga da torre e, portanto, reduz seu peso.
[007] As principais características geométricas das soldas circunferenciais são descritas aqui e associadas com uma Categoria de Detalhe (DC) específica:
  • -DC112: todas as soldas têm que ser esmerilhadas para a superfície da chapa; chapa apêndice de solda a ser usada e subsequentemente removida, as bordas da chapa a serem esmerilhadas na direção da tensão; soldadas a partir de ambos os lados.
  • -DC90: a altura da convexidade da solda tem que ser menos de 10% da largura da solda, com transição suave para a superfície da chapa; chapa apêndice de solda ser usada e subsequentemente removida, as bordas da chapa a serem esmerilhadas na direção da tensão; soldadas a partir de ambos os lados.
  • - DC80: a altura da convexidade da solda tem que ser não mais do que 20% da largura da solda, com transição suave para a superfície da chapa; chapa apêndice de solda a ser usada e subsequentemente removida, as bordas da chapa a serem esmerilhadas na direção da tensão; soldadas a partir de ambos os lados.
[008] No entanto, atualmente quase nenhuma das soldas de torre de torres de turbina eólica é projetada para DC112 e, portanto, com a necessidade de serem usinadas. Isso é porque DC112 significa um custo extra para a torre completa uma vez que o trabalho extra é significantemente mais caro do que economias na torre.
[009] Soldas circunferenciais em torre hoje em dia são projetadas com resistência à fadiga menor, DC80 e DC90 (de características geométricas de solda) uma vez que ela é a solução econômica mais eficiente. Para uma dada carga onde fadiga é o principal fator, DC90 (características geométricas de solda) é a solução mais eficiente. Atualmente uso de DC112 (esmerilhamento da solda) leva a uma torre final que é mais cara do que se a torre for projetada com DC90 nas soldas circunferenciais.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[0010] A presente invenção refere-se a um aparelho automático para usinagem de costuras de solda em torres de turbina eólica. Especificamente, o aparelho é projetado para realizar a soldagem das costuras circunferenciais da torre de acordo com um padrão DC112 ou superior.
[0011] Como descrito acima, seguindo a tendência de melhoria da resistência à fadiga das estruturas de torre, a próxima etapa na melhoria de resistência à fadiga de uma costura circular é aumentá-la de DC80 ou DC90 para DC112 (de acordo com EN1993-1-9) ou superior.
[0012] Isso implica em técnicas de fabricação muito exigentes e, na realidade, implica em muito trabalho em cada costura da solda. Para evitar esse tempo e trabalho extras para obter DC112 ou superior uma automação desse trabalho com um custo extra mínimo é divulgada.
[0013] O aparelho automático projetado é capaz de identificar as soldas e usina-las para obter as características geométricas adequadas de DC112 ou superior.
[0014] O aparelho compreende pelo menos um braço automatizado e uma ferramenta de usinagem fixada ao braço automatizado. Também, o aparelho compreende um sistema compensador fixado à ferramenta de usinagem ou sendo parte do braço automatizado, um visor de junta que identifica e localiza a solda e controla o aparelho e uma unidade de controle para coordenar o movimento da ferramenta de usinagem com o sistema compensador e o visor de junta.
[0015] Com esse aparelho e a programação adequada, implementados em uma instalação de fabricação de torre, as soldas circunferenciais das seções de torre podem ser adequadamente e eficientemente usinadas e desta maneira ser elevadas de DC80 ou DC90 para DC112 ou superior. Essa é uma melhoria em fadiga muito significante que permitiria otimização da estrutura da torre ao reduzir a quantidade de aço na torre e seu peso.
[0016] Ao usar esse processo de esmerilhamento de solda automatizado, custos de fabricação associados ao DC112 são otimizados e uma torre pode ser projetada com DC112 ou superior reduzindo os custos globais da torre.
[0017] É também parte da invenção um método de realização de uma junta circular soldada em uma torre de turbina com o aparelho anteriormente descrito. O método compreende pelo menos as etapas de:
  • - colocação do aparelho próximo da uma costura de solda;
  • - ativação do visor de junta para capturar imagens da costura de solda;
  • - processamento dos dados capturados no visor de junta na unidade de controle;
  • - adaptação da posição do braço automatizado e da ferramenta de usinagem de acordo com os dados da costura de solda capturados pelo visor de junta;
  • - usinagem da costura de solda ao adaptar continuamente a posição da ferramenta de usinagem com os dados capturados pelo visor de junta, por meio do sistema compensador, para assegurar que a mesma pressão seja feita pela ferramenta de usinagem ao longo da costura de solda.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0018] Para complementar a descrição sendo feita e a fim de auxiliar em uma melhor compreensão das características da invenção, de acordo com um exemplo preferido de modalidades práticas da mesma, um conjunto de desenhos é anexado como uma parte integral da dita descrição em que, com caráter ilustrativo e não limitante, o que segue foi representado.
[0019] Figura 1 - Mostra o aparelho para automação para usinagem de costuras de solda de carcaças adjacentes de uma torre de turbina eólica.
[0020] Figura 2 - Mostra dois aparelhos para automação para usinagem de costuras de solda de carcaças adjacentes trabalhando na usinagem em parte da torre da turbina eólica.
MODALIDADE PREFERIDA DA INVENÇÃO
[0021] De acordo com as figuras 1 e 2, uma modalidade exemplar da invenção é divulgada.
[0022] Um aparelho 1 para automação para usinagem de costuras de solda 6 de carcaças adjacentes de uma torre de turbina eólica 7 é descrito. O aparelho compreende um braço automatizado 2 e uma ferramenta de usinagem 3 unida do dito braço automatizado 2. Ainda, o aparelho 1 compreende um sistema compensador 4 e um visor de junta 5 que são essenciais a fim de resolver os problemas técnicos do estado da técnica e garantir que a ferramenta de usinagem 3 exerça a mesma pressão durante toda a operação de usinagem. O visor de junta 5 identifica e localiza a costura de solda 6 a ser usinada detectando o local exato, medida e forma da dita costura de solda 6.
[0023] O sistema compensador 4 é fixado à ferramenta de usinagem 3 ou é parte do braço automatizado 2. O visor de junta identifica e localiza a costura de solda e a junta a ser soldada. Os elementos do aparelho 1 o braço automatizado 2, a ferramenta de usinagem 3, o sistema compensador 4 e o visor de junta 5 são controlados juntos através de uma unidade de controle que é parte do aparelho 1 e que é configurada para coordenar os movimentos da ferramenta de usinagem 3, conectada ao sistema compensador 4 e ao braço articulado 2, com os dados recebidos do visor de junta 5.
[0024] A unidade de controle coordena o movimento da ferramenta de usinagem 3 com o sistema compensador 4 e o visor de junta 5 de modo que o visor de junta 5 detecta a localização exata, medida e forma da costura de solda 6, e o sistema compensador 4 desloca a ferramenta de usinagem 3 para o dito local exato da costura de solda 6 e adapta a posição da ferramenta de usinagem 3 para medida e forma do cordão de solda 6.
[0025] Mais especificamente, a unidade de controle é configurada para coordenar o movimento da ferramenta de usinagem 3 com o sistema compensador 4 e o visor de junta 5 de modo que o visor de junta 5 detecta o local exato, medida e forma da costura de solda 6 e o sistema compensador 4 desloca a ferramenta de usinagem 3 para o dito local exato da costura de solda 6 e adapta a posição da ferramenta de usinagem 3 para a medida e forma da costura de solda 6.
[0026] A ferramenta de usinagem 3 unida ao braço automatizado 2 é, em uma modalidade da invenção, um rebolo ou um disco abrasivo. Em uma outra modalidade a ferramenta de usinagem 3 pode ser qualquer ferramenta de remoção de aço.
[0027] O sistema compensador 4 compreende preferivelmente um processador que recebe informação a partir da unidade de controle, de acordo com os dados obtidos pelo visor de junta 5 que pode ser parte de um sistema de visor artificial. O processador, com base nos ditos dados, desloca a ferramenta de usinagem 3 de modo a exercer a mesma pressão, durante a operação de usinagem, ao longo da costura de solda 6, de acordo com a geometria da dita costura de solda 6.
[0028] O cordão da solda não é um círculo perfeito. Isso é devido às forças de gravidade e imperfeições de fabricação típicas tais como desalinhamentos ou pequenos rolos. Essas imperfeições fazem com que o cordão no momento de ser usinado tenha medidas diferentes e posições que variam de um círculo perfeito. O sistema de compensação 4 assegura que a ferramenta de usinagem 3 sempre exerça a mesma força de usinagem embora o cordão de solda seja irregular.
[0029] A ferramenta de usinagem 3 tem que fornecer sempre a mesma pressão pois, de outra forma, é possível usinar acima e abaixo das condições de pressão requeridas, desta maneira afetando a qualidade e a validade do processo de soldagem. Nos casos em que a ferramenta de usinagem 3 fornece uma pressão abaixo da requerida no processo, ela pode causar uma espessura de costura de solda 6 não válida. Neste caso, a seção da seção soldada não seria aceita e teria que ser refeita. Se a ferramenta de usinagem 3 prover uma pressão acima da requerida no processo, a resistência à fadiga seria muito baixa.
[0030] O sistema compensador 4 permite adaptação da pressão da ferramenta de usinagem 3 para a pressão requerida de acordo com os dados recebidos do visor de junta 5. Desta maneira, o sistema compensador 4 é essencial no aparelho 1 da presente invenção, permitindo reconhecer a geometria da costura de solda 6 e compensar a pressão.
[0031] O visor de junta 5 é um outro elemento essencial do aparelho 1 da presente invenção. Esse elemento é encarregado de reconhecer a geometria da de costura de solda e então enviar essa informação para a unidade de controle de modo a que a unidade de controle envia as ordens certas para o sistema compensador 4 a fim de posicionar corretamente a ferramenta de usinagem 3. A combinação do visor de junta 5 e do sistema compensador 4 assegura que a usinagem ótima seja obtida, ambos em tempo e qualidade.
[0032] Em uma outra modalidade da invenção, o aparelho 1 compreende ainda trilhos 8 configurados para serem instalados em uma superfície 9 disposta paralela à direção longitudinal de uma torre de turbina eólica 7 cuja costura de solda 6 circunferencial deve ser usinada. Nesta modalidade, o braço automatizado 2 compreende primeiros guias 10 a fim de deslocar sobre os trilhos 8.
[0033] Em uma outra modalidade, o aparelho 1 compreende discos configurados para permitir o deslocamento do braço automatizado 2 com relação às carcaças e as costuras de solda 6 a serem usinadas.
[0034] Em uma modalidade adicional, o aparelho compreende um sistema GPS conectado à unidade de controle para determinar a posição do braço automatizado 2 e deslocar o braço automatizado 2 ao longo da direção longitudinal da torre 7 e das costuras de solda 6 a serem usinadas.
[0035] Uma vez que as exigências de DC incluem soldas nos dois lados da junta, nesse caso, a junta entre duas carcaças da torre de turbina eólica tem que ser feita no lado externo e também no lado interno da torre 7. Para permitir a usinagem da solda no interior, o aparelho 1 pode compreender uma coluna configurada para ser introduzida em carcaças adjacentes. Nessa modalidade, o braço automatizado 2 compreende segundos guias a fim de deslocar na coluna. Preferivelmente, a coluna compreende uma pluralidade de peças, unidas entre elas e que são feitas de um material rígido a fim de suportar o peso do aparelho 2 ou pelo menos o peso do braço automatizado 2, da ferramenta de usinagem 3, do sistema compensador 4 e do visor de junta 5.
[0036] A coluna é um sistema de estante-guia para permitir o deslocamento do braço através do interior da torre de turbina eólica 7. A coluna tem que ser rígida o suficiente para suportar o peso do braço automatizado 2 de modo que o dito braço automatizado 2 trabalhe sem vibrações excessivas. Também, a coluna tem que ser configurada o mais simples possível para facilitar sua montagem. A montagem dentro da seção é preferivelmente feita em duas ou mais partes. Preferivelmente essas partes são introduzidas por meio de uma ponte rolante na seção da torre de turbina eólica 7. As partes podem ser aparafusadas.
[0037] Preferivelmente, o aparelho 1 a ser usado no interior da seção da torre 7 é menor do que o aparelho a ser usado para usinagem do exterior da torre 7. Especificamente, o braço automatizado 2 é menor neste primeiro caso porque ele tem que caber no interior da seção 7 que pode ter um diâmetro de a partir de 4 m a 6 m.
[0038] É também uma parte da invenção um método de realização de uma usinagem de costura de solda 6 circunferencial em uma torre de turbina eólica 7 com o aparelho 1 anteriormente descrito.
[0039] O método compreende as etapas que seguem:
  • - colocação do aparelho 1 próximo de uma costura de solda 6;
  • - ativação o visor de junta 5 para capturar imagens da costura de solda 6;
  • - processamento dos dados capturados pelo visor de junta 5 na unidade de controle;
  • - adaptação da posição do braço automatizado 2 e da ferramenta de usinagem 3 de acordo com os dados da costura de solda 6 capturados pelo visor de junta 5;
  • - usinagem da costura de solda 6 adaptando continuamente a posição da ferramenta de usinagem 3 com os dados capturados pelo visor de junta 5, por meio do sistema compensador 4, para assegurar que a mesma pressão seja feita pela ferramenta de usinagem 3 ao longo da costura de solda 6.
[0040] Antes da usinagem das costuras de solda 6 com o aparelho 1 da invenção, as carcaças formando a torre de turbina eólica 7 são postas adjacentes uma à outra e as juntas entre eles são formadas. Preferivelmente todas as juntas formando a torre de turbina eólica 7 são soldadas antes das operações de estrela de usinagem.

Claims (9)

  1. Aparelho para automação de usinagem de costuras de solda de carcaças adjacentes de uma torre de turbina eólica (7), caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um dos componentes que seguem:
    • - um braço automatizado (2);
    • - ferramenta de usinagem (3) unida ao braço automatizado (2);
    • - um sistema compensador (4) fixado à ferramenta de usinagem (3) ou sendo parte do braço automatizado (2);
    • - um visor de junta (5) que identifica e localiza a costura de solda (6) a ser usinada detectando o local exato, medida e forma;
    • - uma unidade de controle para coordenar o movimento da ferramenta de usinagem (3) com o sistema compensador (4) e o visor de junta (5) de modo que o visor de junta (5) detecta o local exato, medida e forma da costura de solda (6) e o sistema compensador (4) desloca a ferramenta de usinagem (3) para o dito local exato da costura de solda (6) e adapta a posição da ferramenta de usinagem (3) para a medida e forma da costura de solda (6).
  2. Aparelho para automação de usinagem de costuras de solda, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda trilhos (8) configurados para serem instalados em uma superfície (9) disposta paralela à direção longitudinal de uma torre de turbina eólica (7) cuja costura de solda (6) circunferencial deve ser usinada; e o braço automatizado (2) compreende primeiros guias (10) a fim de deslocar sobre os trilhos (8).
  3. Aparelho para automação de usinagem de costuras de solda, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda discos configurados para permitir o deslocamento do braço automatizado (2) com relação às carcaças e às costuras de solda (6) a serem usinadas.
  4. Aparelho para automatização de usinagem de costuras de solda, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um sistema GPS conectado à unidade de controle para determinar a posição do braço automatizado (2) e deslocar o braço automatizado (2) ao longo da direção longitudinal da torre (7) e das costuras de solda (6) a serem usinadas.
  5. Aparelho para automação de usinagem de costuras de solda, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:
    • - uma coluna configurada para ser introduzida na torre de turbina eólica (7);
    • - um braço automatizado (2) compreende segundos guias a fim de deslocar a coluna.
  6. Aparelho para automação de usinagem de costuras de solda, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a coluna compreende uma pluralidade de peças, unidas entre elas e que são feitas de um material rígido a fim de suportar pelo menos o peso do braço automatizado (2), da ferramenta de usinagem (3), do sistema compensador (4) e do visor de junta (5).
  7. Aparelho para automação de usinagem de costura de solda, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a ferramenta de usinagem (3) fixada ao braço automatizado (2) é um rebolo ou um disco abrasivo.
  8. Aparelho para automação de usinagem de uma costura de solda, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema compensador (4) compreende um processador que recebe informação a partir da unidade de controle, de acordo com os dados obtidos pelo visor de junta (5), e desloca a ferramenta de usinagem (3) de modo a exercer a mesma pressão, durante a operação de usinagem, ao longo da costura de solda (6), de acordo com a geometria da costura de solda (6).
  9. Método de realização de usinagem de uma costura circular soldada em uma torre de turbina eólica com o aparelho como definido nas reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas que seguem:
    • - colocar o aparelho (1) próximo de uma costura de solda (6);
    • - ativar o visor de junta (5) para capturar imagens da costura de solda (6);
    • - processar os dados capturados pelo visor de junta (5) na unidade de controle;
    • - adaptar a posição do braço automatizado (2) e da ferramenta de usinagem (3) de acordo com os dados da costura de solda (6) capturados pelo visor de junta (5);
    • - usinar a costura de solda (6) adaptando continuamente a posição da ferramenta de usinagem (3) com os dados capturados pelo visor de junta (5), por meio do sistema compensador (4), para assegurar que a mesma pressão seja feita pela ferramenta de usinagem (3) ao longo da costura de solda (6).
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