EP3436695A1 - Messsystem zur vermessung einer oberfläche eines rotorblattes einer windenergieanlage - Google Patents

Messsystem zur vermessung einer oberfläche eines rotorblattes einer windenergieanlage

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Publication number
EP3436695A1
EP3436695A1 EP17714226.2A EP17714226A EP3436695A1 EP 3436695 A1 EP3436695 A1 EP 3436695A1 EP 17714226 A EP17714226 A EP 17714226A EP 3436695 A1 EP3436695 A1 EP 3436695A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring
measurement
profile
unit
sensors
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17714226.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heiner SWEERS
Andree Altmikus
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wobben Properties GmbH
Original Assignee
Wobben Properties GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wobben Properties GmbH filed Critical Wobben Properties GmbH
Publication of EP3436695A1 publication Critical patent/EP3436695A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D17/00—Monitoring or testing of wind motors, e.g. diagnostics
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/245—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures using a plurality of fixed, simultaneously operating transducers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/20—Rotors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • Measuring system for measuring a surface of a rotor blade of a wind energy plant
  • the present invention relates to a measuring system and a measuring method for measuring a surface of a rotor blade of a wind energy plant as a measuring object.
  • the measurement of surfaces of measurement objects is associated with high expenditure, in particular for measurement objects with a large extent and / or complicated geometry.
  • the surface must be measured in many applications, for example in the field of quality assurance of rotor blades of a wind turbine, in a high resolution, so that a meaningful fluid dynamics simulation is feasible.
  • a three-dimensional image of the rotor blade according to manufacture can be obtained whose areal deviations from tolerance specifications can be diagnosed and evaluated in terms of their impact on performance and sound in plant operation.
  • the integration of the measuring process into the production process as part of the final inspection makes it possible to carry out improvements and to reduce rejects.
  • a currently known measuring system or measuring method is based on the use of profile templates.
  • Profile templates are placed at specific positions of the measurement object in order to avoid deviations from the profile templates defined by the profile templates. Neten profiles can detect.
  • a disadvantage of this method is that the positioning of the templates is inaccurate and that such a measurement is feasible only for a few profile cuts on the measurement object, such as the rotor blade in a realistic time. The known method is thus inaccurate and also associated with a high expenditure of time.
  • EP 0 364 907 A2 discloses a method of determining the geometry of a body in a forging press wherein the body in the forging press is shifted for machining for a machining pass and is rotated in a predetermined manner about the longitudinal axis.
  • GB 2 335 488 A includes a method for determining the size and / or shape of a series of products which move across a gap between conveyor belts. Distance measuring devices are attached to a ring for this purpose.
  • US 4 815 857 A discloses a method of measuring, for example, a tube comprising the steps of keeping the tube in a measuring range which is scanned by light rays.
  • the light rays are moved in a plane at right angles to each other until shadows arise through the tube and disappear. At these locations, the positions of the light sources of the light beams and the light sensors are measured and the shadows recorded.
  • the scan plane is shifted at right angles to the measurement plane, the displacement measured and the process repeated.
  • DE 101 08 812A1 discloses a method and a device for contactless determination and measuring of the surface contour of measurement objects, in particular profile tubes with a laser measurement system, wherein the measurement object and the laser measurement system are moved linearly and rotationally relative to each other.
  • DE 38 85 714T2 discloses a measuring device and a measuring method, which are particularly suitable for making measurements on objects having a substantially circular cross-section.
  • US 4 146 967 A discloses a device for measuring the contour of helicopter rotor blades.
  • the apparatus or attachment of the present invention measures airfoil shape and twist at any position along a rotor blade and the chord and flap side deflection of the rotor blade.
  • none of the known systems discloses a measuring system which takes into account the special requirements of the geometry of wind turbine rotor blades. Wind turbine rotor blades differ by a multiple in cross section between a near-hub region and the tip portion of the rotor blade. Nevertheless, it is important to be able to measure the surface of the rotor blade precisely over the entire length of the blade, ie with a consistently high resolution.
  • the present invention was based on the object to provide a measuring system and a measuring method for measuring a surface of a rotor blade of a wind turbine as a measurement object, which allow accurate measurement of the entire surface of the measurement object with reduced effort.
  • the object is achieved by a measuring system for measuring a surface of a rotor blade of a wind turbine as a test object.
  • the measuring system comprises a carrier unit with a plurality of measuring sensors arranged in a measuring plane, a movement unit and a feed unit.
  • the measuring system is set up to align the measuring plane with a profile section of the measuring object.
  • the movement unit is set up to move the carrier unit in a longitudinal direction at an angle on the measuring plane relative to the measuring object.
  • the delivery unit is set up to deliver at least one measuring sensor in the measuring plane relative to the profile section, ie to position it.
  • the measuring sensors are designed as laser light section sensors.
  • Laser light section sensors allow a precise and reliable measurement of a height profile, in this case the surface of the measurement object, in the measurement plane of the profile section.
  • the measuring system can detect profile sections of the entire measurement object, without the measurement object is to be actively moved.
  • a rotor blade of a wind turbine can be traversed lengthwise by the moving unit of the carrier unit.
  • the measurement plane is perpendicular to the longitudinal direction. In other embodiments, however, the measurement plane may also be angled with respect to the longitudinal direction as long as the measurement plane is not parallel to the longitudinal direction.
  • a longitudinal direction of the measurement object is aligned with the longitudinal direction of the measurement system.
  • the longitudinal direction of the measurement object is, for example, the direction in which the measurement object shows the greatest extent.
  • the measuring system according to the invention is particularly suitable for elongated measuring objects. In addition to rotor blades come here, for example, aircraft wings and the like into consideration.
  • At least one of the measuring sensors can be delivered in the measuring plane, that is, the distance between the measuring sensor and the measuring object can be changed. It can thus be ensured that the distance between the measuring sensor and the measuring object always remains within a range in which a resolution of the measuring sensor with respect to the surface of the measuring object and thus of the profile section is sufficiently high. This is particularly advantageous for rotor blades of wind turbines, which vary greatly in cross section.
  • the delivery unit is configured to deliver a distance between the at least one measurement sensor and the measurement object in such a way that a requirement for a measurement resolution of the measurement sensor relative to the surface of the rotor blade is met both in a hub region of the rotor blade and in a blade tip region.
  • the resolution of curved surfaces depends strongly on the radius of the surface curvature. For rotor blades of wind turbines, a constant high resolution can therefore be achieved by changing the distance from the sensor to the measured object.
  • both a hub region, which has a very large cross section, and a blade tip region, which has a significantly smaller cross section, can be measured with sufficient measurement resolution, so that, for example, requirements for fluid mechanical simulations or the like.
  • a local measurement accuracy at profile leading and trailing edge in the range of 0.05 to 0, 17 mm on the pressure side and from 0.07 to 0.41 mm on the suction side.
  • the delivery unit can furthermore be suitable for delivering at least one of the measurement sensors in such a way that an inaccessible measurement position or a hard-to-reach measurement position can be detected.
  • obstacles in the travel path that is to say, along the path which the measuring system moves by means of the movement unit, can be bypassed.
  • the measurement object can be supported with a trailer or the like and the delivery unit at the point in the travel path, on which the trailer is located, are moved out of the measurement plane in such a way that the trailer does not affect the travel path.
  • the delivery unit is set up to deliver a plurality of the measuring sensors, and particularly preferably the delivery unit is set up to deliver all of the measuring sensors.
  • the delivery unit has a mechanical delivery element that is configured to mechanically deliver the measurement sensor.
  • a mechanical delivery element that is configured to mechanically deliver the measurement sensor.
  • the feed unit has a linear feed element and an axis of the feed element extends in the measurement plane. Irrespective of the position of the measuring sensor with respect to the delivery element, all measuring sensors of the carrier unit thus lie in the same measuring plane. With regard to the measurement object, all measuring sensors can thus detect the profile section in a profile plane, namely the measurement plane.
  • the delivery unit comprises a hydraulic cylinder.
  • Hydraulic cylinders allow accurate delivery of the measuring sensors, are widely used and also the precise control of hydraulic cylinders is possible without difficulty.
  • the measurement sensors are set up to detect a part of the profile section of the measurement object in the measurement plane.
  • the measuring system further has a calculation unit which is set up to join the detected parts of the profile section to form an entire profile section.
  • the parts of the profile section detected by the respective measuring sensors overlap at least partially, so that a calibration of the measuring sensors for assembling the entire profile section is simplified.
  • seven measuring sensors have proven to be advantageous. Also other numbers of sensors are preferred in other embodiments and for example for other DUTs.
  • the calculation unit is further configured to join profile sections at different positions of the carrier unit in the longitudinal direction to a profile of the surface of the measurement object. Profile sections at different positions of the measurement object are obtained by the measurement sensors in that the carrier unit is moved relative to the measurement object by means of the movement unit.
  • a profile may be formed as a collection of profile sections in two dimensions or as a three-dimensional surface obtained, for example, by interpolating the profile sections or points of the profile sections.
  • the calculation unit is set up to compare the detected profile section or the acquired profile with a reference profile section or a reference profile and determine when a deviation between reference profile section or reference profile and detected profile section or profile exceeds a predetermined tolerance value.
  • the calculation unit can thus compare a profile section or a profile generated from a plurality of profile sections with a reference profile section or a reference profile.
  • the reference profile section or the reference profile is, for example, a computer model or a target value of the measurement object. Deviations from the reference profile can have negative effects on properties of the measurement object, in the example of the rotor blade, for example, on the noise development or the power curve. If the deviation exceeds a predetermined tolerance value, it can be assumed that the production is faulty and may need to be improved. This can be advantageously used in a quality assurance process to select committee or to be able to make improvements.
  • the calculation unit is further configured to make a correction of the detected profile section or the detected profile based on a dead weight of the measurement object and gravity.
  • a dead weight of the measurement object As a function of a bearing of the measurement object, deflections in the center of the measurement object can be detected, in particular in the case of long measurement objects.
  • These deviations, which are significant as a function of the measurement object, are corrected by the calculation unit such that deviations between the reference profile and the acquired profile are based on the Dead weight of the measurement object can not be unjustifiably determined as a lack of the measurement object.
  • each of the measuring sensors comprises a laser cutting source and a camera, which is preferably an optical camera.
  • the camera is set up to detect a reflection of a laser line of the laser cutting source from the rotor blade.
  • the camera is adapted to adjust the exposure time such that only the light of the laser cutting source is detected and the recording is not disturbed by ambient light.
  • a light intensity of the laser cutting source is preferably high, so that the exposure time of the camera can be selected correspondingly short.
  • the measuring sensors preferably furthermore each include a calibration system which makes it possible to determine 3 spatial degrees of freedom and 3 rotational degrees of freedom of the measuring sensor independently of each other.
  • the carrier unit is designed as a portal, wherein the measuring sensors are aligned in the direction of the interior of the portal.
  • the measuring sensors when measured, are arranged around the measuring object.
  • the measuring sensors are aligned from the outside on the measuring object, which is then in a measurement in the interior of the portal.
  • Profile sections and also the profile of the outer surface of the measurement object can thus be measured by means of the measuring system.
  • the portal is dimensioned such that it can be arranged around the measurement object over an entire length of the measurement object.
  • the measuring sensors are preferably arranged around the measuring object in such a way that, at each longitudinal position of the measuring object, joining of a complete profile section by means of the measuring sensors is possible.
  • the carrier unit is set up to be arranged within the profile section of the measurement object, the measurement sensors being directed away from the carrier unit to the outside.
  • the measuring system is set up, for example, to measure the inside of the surface of the measurement object.
  • a measuring object that can preferably be measured with the measuring system of this embodiment is, for example, a mold for producing a rotor blade.
  • the positioning of the measuring sensors in one embodiment can be changed depending on the measuring object. In a case where the geometry of the surface of the measurement object has no protrusions or the like, the measurement sensors may simply be oriented toward the center of the portal.
  • At least one measuring sensor has a rotation unit which is set up to rotate the measuring sensor with respect to the carrier unit in the measuring plane.
  • the movement unit comprises a guide component and a drive component, wherein the guide component defines the longitudinal direction and the movement unit is set up to move the carrier unit along the guide component by means of the drive component.
  • the guide component comprises a rail and the drive component is preferably designed according to a longitudinal direction of the measurement object.
  • the guide component need not be linear, but may also be curved or otherwise run, for example, to follow a shape of the measurement object.
  • the measuring system further comprises a position determination unit which is set up to determine the position of the carrier unit along the longitudinal direction.
  • the position determination unit can determine a position of the carrier unit, an assignment of a detected profile section to a longitudinal position is easily and precisely possible.
  • the position determination unit is set up to determine the position based on a relative movement of the carrier unit by means of the movement unit.
  • the position determination unit has a position laser. By means of the position laser, the position of the carrier unit can be determined exactly.
  • the position determination unit comprises a fixed component, the position of which is stationary during a measurement, and a movable component, which is attached to the carrier unit and moves with the carrier unit relative to the measurement object.
  • the position determination unit comprises a retroreflector mounted on the carrier unit such that it is guided on a circular or elliptical path on or around the carrier unit. From the trajectory of the retroreflector, which is helical by the relative movement of the carrier unit, the position and the orientation of the carrier unit can be determined at any time.
  • the object is further achieved by a measuring method for measuring a surface of a measured object.
  • the measuring method comprises the steps: aligning a carrier unit with a plurality of measuring sensors arranged in a measuring plane with a profile section of the measuring object, moving the carrier unit in a longitudinal direction at an angle on the measuring plane relative to the measuring object and delivering at least one of the measuring sensors in the measuring plane relatively to the profile section.
  • the measurement object is preferably a rotor blade of a wind energy plant.
  • the delivery of at least one of the measuring sensors does not have to be done with every profile cut.
  • a delivery of the measuring sensor during a movement of the carrier unit can take place stepped, if it is assumed that the measurement object is a while in the focus of the measuring sensor.
  • the measuring sensor provides a sufficient accuracy over a certain travel of the measuring system in the longitudinal direction and is only then, when leaving a focus area, delivered.
  • the carrier unit can be moved continuously in the longitudinal direction, or stepwise, in which case the movement of the carrier unit is interrupted for measuring respective profile cuts in this case.
  • At least one of the measuring sensors in the measuring plane is delivered relative to the profile section, a resolution of the measuring sensor with respect to the surface of the measuring object can be ensured by the distance between the measuring sensor and profile section is adjusted. This ensures a high quality of the survey. Due to the movement, it is easily possible to detect a plurality of profile sections, which reduces the outlay for measuring the measurement object.
  • at least one profile section of the measuring object is detected before and after the movement of the carrier unit and the delivery of at least one of the measuring sensors.
  • the surface is calculated by interpolation between the profile sections which are detected at different positions of the carrier unit.
  • several two-dimensional profile sections from the measurement plane are interpolated to a three-dimensional profile of the surface.
  • the profile sections and the profile can be present in all conceivable data structures, for example as point clouds, vectors, etc.
  • a part of a profile section, which is detected by a measuring sensor, varies depending on the feed position of the measuring sensor.
  • the conversion of the recorded profile cuts is based on the position of the measuring sensor, where it is due to the delivery.
  • the delivery position of the measuring sensor Preferably, a calibration of the measuring sensors with each other is set up such that the measuring sensors for all positions of the measuring sensors, as they can be obtained by the delivery, are calibrated together.
  • a position of the carrier unit in the longitudinal direction is detected for each profile section.
  • at least one profile section is corrected as a function of its position in the longitudinal direction.
  • the position, namely the height, of the profile section with respect to the measuring plane can be corrected. Due to its own weight and storage of the measurement object, in the example of a rotor blade of a wind energy plant, this is supported at its two ends and possibly additionally in the middle, resulting in a deflection of the measurement object between the bearings.
  • the inventive method in this embodiment comprises a correction of the respective profile sections.
  • a surface profile of the measurement object is calculated from the recorded profile sections.
  • the calculated surface profile can then compared with a reference profile to determine any deviations of the calculated surface profile from a reference profile. Any deviations detected may be used to ensure a quality of the measurement object, for example the rotor blade. Regardless of systematic errors affecting the entire surface profile, individual profile sections can also be compared with respective reference profile sections. Thus, any deviations of the profile section of a reference profile section can be determined without the entire surface profile is calculated.
  • a single profile section in particular a point cloud detected by the measurement sensors, can be described, for example, by means of a "least square fit method" to a local reference cross section, for example in the form of a numerically generated spline curve Deviations or error measures may be used to determine a quality of the measurement object at the local position
  • at least one of the measurement sensors in the measurement plane is delivered relative to the profile intersection by determining the distance of the measurement sensor from the measurement object The determination of the distance preferably takes place automatically, In this embodiment it is ensured that the distance between the measuring sensor and the measuring object is always in the range preferred for the desired resolution of the measurement.
  • the object is further achieved by a measuring method for measuring a surface of a measured object, in particular a rotor blade of a wind turbine, using a measuring system according to the invention.
  • the object is further achieved by a method for quality assurance of a measurement object using a measuring system.
  • the measuring object is in particular a rotor blade of a wind power plant and the measuring system is in particular a measuring system according to the invention.
  • the measuring system initially measures a surface of the measurement object with a first resolution.
  • the measured with the first resolution surface of the measurement object is compared with a reference surface.
  • the measuring system measures the surface of the measured object with a second, higher Resolution.
  • the re-measurement may include the entire sheet or include only local longitudinal areas.
  • the quality assurance method determines, in a first step, whether, based on a coarser resolution, there are indications of a deviation of the surface of the measurement object from a reference surface. In the event that such deviations occur, a second, higher resolution is measured to obtain a more accurate estimate of the deviation. In the case in which a check of the measurement object with the first resolution is already sufficient, can therefore be dispensed with a second, tedious detection. Thus, the requirements for efficiency and efficiency of the quality assurance process can be met.
  • the resolution is the distance between two adjacent profile sections in the longitudinal direction.
  • a first resolution is, for example, a distance in the longitudinal direction of 20 millimeters between two profile sections and a second resolution is a distance, for example, of 2 millimeters in the longitudinal direction.
  • the distance in second resolution is less than the distance in the first resolution.
  • the first resolution measurement requires less time because fewer profile cuts are detected for the entire target.
  • FIG. 1 shows schematically an embodiment of a measuring system
  • FIG. 2 shows schematically the functional principle of a laser cutting sensor
  • FIGS. 3a and 3b show schematically and by way of example a calibration of measuring sensors
  • FIGS. 4a and 4b show schematically and by way of example a position determination unit of the measuring system according to the invention
  • Fig. 5 shows schematically and exemplarily a storage of an example of a test object, namely a rotor blade of a wind turbine and
  • FIGS. 6a to 6c show schematically and by way of example further embodiments of a measuring system.
  • the measuring system 1 comprises a carrier unit 3, which is configured in the form of a frame and a movement unit 5, by means of which the frame 3 can be moved.
  • the frame extends in a width x and a height y and is movable by means of the movement unit 5 in a longitudinal direction z which is perpendicular to both the width x and the height y.
  • the width x and the height y define the measuring plane of the measuring system in this exemplary embodiment.
  • the selection of the axes is exemplary and may be different in other embodiments.
  • the moving unit 5 in this example is an electric motor that moves the measuring system 1 along the longitudinal direction z via a rail (not shown) on the floor on which the frame 3 is placed, for example by means of wheels.
  • the measuring sensors 30 are each directed inwardly from the frame 3 in the measuring plane to the area into which a measuring object is to be inserted.
  • two measuring sensors 30, namely those arranged at the upper end of the frame 3 are fastened to the frame 3 by means of a feed unit 40.
  • the feed unit 40 allows the measuring sensor 30, which is attached to the frame 3 via the feed unit 40, to be moved in the measuring plane.
  • the feed unit 40 comprises two parallel linear feed elements 42, which are arranged on vertical sections of the frame 3 and movably support a horizontal support between the two linear feed elements 42 in the vertical direction y.
  • only one or more than two of the measuring sensors 30 are fastened to the frame 3 by means of the feed unit 40, in particular preferably all of the measuring sensors 30.
  • Each of the measuring sensors 30 can have its own feed unit 40, or several of the measuring sensors 30 can be delivered with a common delivery unit 40.
  • 2 schematically shows the principle of operation of a laser-cut sensor as an example of a measuring sensor 30.
  • the measuring sensor 30 is a laser light-section sensor comprising a laser light source 32, a cylindrical lens 34, a lens 37 and a detector, for example a camera 39.
  • the punctiform light emitted by the laser light source 32 is split into a line by means of the cylindrical lens 34.
  • the line emerges from the measuring sensor 30 and onto a surface of a measuring object 2.
  • the incident laser light 36 is reflected at the surface 2 and enters the camera 39 as a reflected line 38 via the lens 37.
  • the height profile of the surface 2 can be calculated.
  • Laser light section sensors are based on the known principle of laser triangulation, wherein the point light source is expanded into a two-dimensional line.
  • the laser light section sensor 30 is only an example of surface sensors that can be used in the measuring system 1 according to the invention.
  • FIGS. 3a and 3b show schematically and by way of example a calibration of the measuring sensors 30.
  • FIG. 3a shows the beam path 301 to 307 of the seven measuring sensors 30 shown in FIG.
  • the beam path is first linear and is then fan-like split by a cylindrical lens 34, as shown in Fig. 2.
  • the beam paths 301 to 307 strike the surface 2 of the measurement object 2 at different positions and at different angles, here in the example a profile of a rotor blade of a wind turbine.
  • FIG. 3b shows a part of a profile section which is achieved by means of the division of the measuring sensors 30 shown in FIG. 3a.
  • Fig. 3b only the parts of the profile section, as it is detected by three measuring sensors 30 are shown. Taking into account all seven measuring sensors 30, other measured values of the respective adjacent sensors would also be visible in the edge region of FIG. 3b.
  • Fig. 3b it can be seen that the parts of the profile sections, which originate from the respective beam paths 302, 303 and 304, overlap in the section of the profile profile shown.
  • the progressions are such that always at least two, in the central region even all three, of the sensors overlap.
  • a profile cut is produced, which is displayed as a single line.
  • the calibrated sensors 30 provide matching measured values that make up an entire profile section. can be calculated.
  • Fig. 3b is a flaw 60 can be seen at which the rotor blade deviates from a normal course. Also at the point 60, there is no deviation of the measuring line 303 from the measuring line 304, that is, the defect 60 has been determined consistently from the measuring sensor 30, the beam path 303, and the measuring sensor 30, the beam path 304 stems.
  • the overlap of the individual measurement lines 302, 303 and 304 may optionally be adjusted in a subsequent step subsequent to the measurement.
  • the lines can be smoothed by a suitable method, in particular B-splines or the like.
  • a suitable method for producing a smooth surface can subsequently be used.
  • a NURBS surface can be fitted into the point cloud of the entire measurement object. This creates a smooth, simulation-capable surface.
  • FIG. 4 a shows schematically and by way of example a position determination unit 50 which is used in a measuring system 1.
  • the sensors 30 are shown schematically by the laser light source 32 and the cylindrical lens 34, which are arranged on a schematic frame 3, which is sketched in the form of a semicircle. Other elements of the measuring sensors 30 are omitted for better representability.
  • FIG. 4 a shows a rotor blade as an example of a measurement object 2 which is moved along the frame 3 in the longitudinal direction z.
  • the position determination unit 50 has a position laser 52 and a retroreflector 54.
  • the position laser 52 is stationary and arranged independently of the frame 3. It does not move when the frame 3 is moved by the moving unit 5.
  • the position laser 52 measures the distance to the retroreflector 54 that moves with the frame 3.
  • the retroreflector 54 reflects the radiation incident from the position laser 52 largely independently of the orientation of the retroreflector 54 with respect to the position laser 52 back to the position laser 52.
  • the retroreflector 54 is continuously guided on a circular or elliptical orbit.
  • the circular or elliptical path of the retroreflector 54 may be made with respect to an attachment surface attached to the frame 3 or with respect to the entire frame 3.
  • FIG. 4b shows schematically and by way of example the measuring system 1 shown in FIG. 1 together with the measuring object 2, in this example the blade tip of a rotor blade.
  • the frame 3 is guided along the rotor blade 2, the measuring sensors 30 detecting profile sections of the rotor blade 2 continuously or at specific intervals.
  • a stationary retroreflector 54 is shown in the example shown in FIG. 4b.
  • the retroreflector 54 may be employed to determine the distance from the position laser 52 (not shown in Figure 4b).
  • the measurement system 1 is suitable for automatically detecting a three-dimensional surface geometry of a measurement object 2.
  • the measurement does not take place from a stationary location of the measurement system 1, but from different positions, by the frame 3 by means of the movement unit 5 along of the measuring object 2 is moved and the measuring sensors 30 thus perform a relative movement to the measuring object 2 during the measuring process.
  • a carrier unit for example in the form of a frame 3 with a plurality of measuring sensors 30, which are for example optical triangulation sensors such as laser light sensors, is guided for example on a rail system on the measuring object 2 and precisely tracked by means of a position determining unit 50.
  • the position determination unit 50 is, for example, a position laser 52 which determines the distance to a retroreflector 54 which is mounted on the frame 3. This results in a sequence of complete profile sections of the measurement object 2. Individual measurements of profile sections can be fused to form a three-dimensional overall model with high resolution. Autonomous or preprogrammed industrial trucks could also be used here as a movement unit 5 for moving a carrier unit 3. Also, the portal could be freely manipulated attached to an industrial robot to describe arbitrary space curves as travel along a measurement object can.
  • the delivery component 40 which is set up to set the distance of the measurement sensors 30 to the measurement object 2, ensures that the measurement resolution of the surface of the measurement object 2 is sufficient regardless of the diameter of the measurement object 2 at the position at which the current profile intersection is measured is great.
  • deviations of the three-dimensional overall model can be determined.
  • the measured data acquired by the measuring system 1 forms the basis for a flow simulation for the performance evaluation or for the acoustic evaluation of the rotor blade.
  • the total measuring time for a rotor blade is not longer than 30 minutes.
  • a profile section can be taken every 2 millimeters with the measuring system 1 according to the invention in the longitudinal direction of the measuring object 7.
  • the local measurement inaccuracy at profile leading and trailing edge can be in the range of 0.05 to 0.017 mm on the pressure side and 0.07 to 0.41 mm on the suction side with the measuring system according to the invention.
  • 5 shows a side view of an example of a measuring object 2, namely a rotor blade of a wind turbine.
  • the rotor blade 2 is fixed at its hub end in a stationary bracket 22.
  • the rotor blade 2 is supported by at least one support device 24.
  • the support device 24 is in this example about one third of the blade length away from the blade tip. In other examples, the support 24 may be provided at other locations on the blade, and more than one support 24 may be used to support the rotor blade 2.
  • FIGS. 6a to 6c show three exemplary embodiments of a carrier unit 300, 400 and 500, which can be moved along the entire rotor blade 2 despite the provided supporting device 24.
  • FIG. 6a shows carrier unit 300, which is configured in the form of an inverted U.
  • the moving unit of the carrier unit 300 includes two wheels 310 provided at each lower end of the vertical frame members.
  • FIG. 6 a shows two measuring sensors 330, which are arranged on opposite sides of the rotor blade 2.
  • the measuring sensor 330 lying on the side shown on the right in the drawing can be displaced by means of a feed unit 340 along a direction 345 in the measuring plane.
  • the measurement sensor 330 may also be configured with respect to the infeed unit 340 rotatably mounted and thus be delivered in two axes.
  • the feed unit 340 is further shown at mid-height of the rotor blade 2, in other examples, the displacement unit 340 may also be disposed at other positions relative to the rotor blade or adjustably mounted relative to the carrier unit 300.
  • FIG. 6 b shows a further exemplary embodiment of a carrier unit 400.
  • the carrier unit 400 is composed of two frame elements 405 which are arranged on respectively one pressure side and one suction side of the rotor blade 2.
  • the two sides 405 are not connected to one another and can be displaced in one direction 420 relative to one another.
  • the respective frame elements 405 have wheels 410.
  • FIG. 6 b also shows two measuring sensors 430.
  • One of the measuring sensors 430 which is shown on the right in the drawing, is arranged pivotably relative to the carrier unit 400 via a displacement unit 440 at a pivot point 442 in a direction 445.
  • the two frame elements 405 are removed from each other.
  • the pivotable sensor 430 on the right side is not below the rotor blade 2. After passing the sensor can be positioned again below the rotor blade 2 in the vicinity of the profile nose of the rotor blade 2.
  • a high resolution of the profile nose area which is a very sensitive area for aerodynamics, can be guaranteed.
  • the frame members 405 can be removed from each other and the feed unit 440 allows rotatable delivery of the measurement sensor 430, in other examples either the frame is constructed of two frame members 405 or one of the measurement sensors can be rotatably delivered. Combinations with other embodiments are advantageously possible.
  • 6c shows schematically a further embodiment of a carrier unit 500.
  • the carrier unit 500 stands on the right side in the drawing by means of a stand element 510 on the ground.
  • the stand element 510 may also include wheels, for example.
  • only two measuring sensors 530 are shown schematically, of which the one shown in the drawing on the right can be delivered by means of a feed element 540 along a feed direction 545. After passing through the support element 24, the sensor 530 shown on the right in the drawing can thus be positioned below and in the vicinity of the profile nose of the rotor blade 2 without impairing a method of the carrier unit 500 along the measurement object.
  • the carrier unit 3, 300, 400, 500 may also comprise the delivery element integrated. As a result, for example, measuring sensors in the measurement plane can be delivered by delivering part of the entire frame etc.
  • the carrier unit 3 300, 400, 500.
  • the exemplary embodiments shown illustrate a rotor blade 2 of a wind turbine as an example of a test object, the effects and advantages achieved by the invention are also applicable to other test objects, in particular elongate test objects with a varying cross section.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem (1) und ein Mess verfahren zur Vermessung einer Oberfläche eines eines Rotorblattes einer Windenergieanlage als Messobjekt (2). Das Messsystem (1) umfasst: eine Trägereinheit (3) mit mehreren in einer Messebene angeordneten Messsensoren (30), wobei das Messsystem (1) eingerichtet ist, die Messebene mit einem Profilschnitt des Messobjektes (2) auszurichten, eine Bewegungseinheit (5), die eingerichtet ist, die Trägereinheit (3) in einer in einem Winkel auf der Messebene stehenden Längsrichtung (z) relativ zu dem Messobjekt (2) zu bewegen und eine Zustelleinheit (40), die eingerichtet ist, wenigstens einen Messsensor (30) in der Messebene relativ zu dem Profilschnitt zuzustellen. Das Messsystem (1) und das Messverfahren ermöglichen ein genaues Vermessen der Oberfläche des Messobjektes mit verringertem Aufwand.

Description

Messsystem zur Vermessung einer Oberfläche eines Rotorblattes einer Windenergieanlage
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem und ein Messverfahren zur Vermessung einer Oberfläche eines Rotorblattes einer Windenergieanlage als Messobjekt.
Die Vermessung von Oberflächen von Messobjekten ist insbesondere bei Messobjekten mit großer Ausdehnung und/oder komplizierter Geometrie mit einem hohen Aufwand verbunden. Die Oberfläche muss in vielen Anwendungsbereichen, beispielsweise im Bereich der Qualitätssicherung von Rotorblättern einer Windenergieanlage, in einer hohen Auflösung vermessen werden, so dass eine aussagekräftige strömungsmechanische Simulation durchführbar ist. Nur mit Hilfe eines solchen hochauflösenden Messsystems kann ein dreidimensionales Abbild des fertigungsgemäßen Rotorblattes gewonnen werden anhand dessen flächenhafte Abweichungen von Toleranzvorgaben diagnostiziert und hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Leistung und Schall im Anlagenbetrieb bewertet werden können. Die Integration des Messverfahrens in den Produktionsablauf im Rahmen der Endkontrolle erlaubt es, Nachbesserungen vornehmen und Ausschuss reduzieren zu können. Ein derzeit bekanntes Messsystem beziehungsweise Messverfahren basiert auf der Verwendung von Profilschablonen. Profilschablonen werden an bestimmten Positionen des Messobjektes platziert, um Abweichungen von den durch die Profilschablonen defi- nierten Profilen detektieren zu können. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die Positionierung der Schablonen ungenau ist und dass eine derartige Vermessung nur für wenige Profilschnitte auf dem Messobjekt, wie beispielsweise dem Rotorblatt, in realistischer Zeit durchführbar ist. Das bekannte Verfahren ist somit ungenau und außerdem mit einem hohen zeitlichen Aufwand verbunden.
EP 0 364 907 A2 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der Geometrie eines Körpers in einer Schmiedepresse, wobei der Körper in der Schmiedepresse zur Bearbeitung für einen Bearbeitungsdurchlauf verschoben und in vorbestimmter Weise um die Längsachse gedreht wird. GB 2 335 488 A umfasst ein Verfahren, um die Größe und/oder Form einer Folge von Produkten zu bestimmen, welche sich über eine Lücke zwischen Förderbändern bewegen, An einem Ring sind hierfür Abstandsmessgeräte befestigt.
US 4 815 857 A offenbart eine Methode zur Vermessung von, beispielsweise einer Röhre, die die Schritte umfasst, dass die Röhre in einem Messbereich behalten wird, welcher von Lichtstrahlen gescannt wird. Die Lichtstrahlen werden in einer Ebene in rechten Winkeln zueinander bewegt bis Abschattungen durch die Röhre entstehen und verschwinden. An diesen Stellen werden die Positionen der Lichtquellen der Lichtstrahlen und der Lichtsensoren gemessen und die Abschattungen verzeichnet. Die Scanebene wird rechtwinklig zur Messebene verschoben, die Verschiebung gemessen und der Prozess wiederholt.
DE 101 08 812A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungslosen Ermitteln und Vermessen der Oberflächenkontur von Messobjekten, insbesondere Profilrohren mit einem Lasermesssystem, wobei das Messobjekt und das Lasermesssystem relativ zueinander linear und rotatorisch bewegt werden. DE 38 85 714T2 offenbart eine Messvorrichtung und ein Mess verfahren, die besonders zum Vornehmen von Messungen an Gegenständen geeignet sind, die einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt haben.
US 4 146 967 A offenbart eine Vorrichtung zur Vermessung der Kontur von Hubschrauberrotorblättern. Die Vorrichtung oder Befestigung der vorliegenden Erfindung misst Tragflächenprofilform und Verdrehung an jeder Position entlang eines Rotorblatts und die Sehnen- und Klappenseitige Verbiegung des Rotorblatts. Keines der bekannten Systeme offenbart aber ein Messsystem, das den besonderen Anforderungen der Geometrie von Windenergieanlagen-Rotorblättern Rechnung trägt. Windenergieanlagen-Rotorblätter unterscheiden sich um ein Vielfaches im Querschnitt zwischen einem nabennahen Bereich und dem Spitzenbereich des Rotorblattes. Den- noch ist es wichtig, die Oberfläche des Rotorblattes über die gesamte Blattlänge präzise, also mit einer gleichbleibend hohen Auflösung, vermessen zu können.
Vor diesem Hintergrund lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Messsystem und ein Messverfahren zur Vermessung einer Oberfläche eines Rotorblattes einer Windenergieanlage als Messobjekt bereit zu stellen, die ein genaues Vermessen der gesamten Oberfläche des Messobjektes mit verringertem Aufwand ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Messsystem zur Vermessung einer Oberfläche eines Rotorblattes einer Windenergieanlage als Messobjekt gelöst. Das Messsystem umfasst eine Trägereinheit mit mehreren in einer Messebene angeordneten Messsensoren, eine Bewegungseinheit und eine Zustelleinheit. Das Messsystem ist eingerich- tet, die Messebene mit einem Profilschnitt des Messobjektes auszurichten. Die Bewegungseinheit ist eingerichtet, die Trägereinheit in einer in einem Winkel auf der Messebene stehende Längsrichtung relativ zu dem Messobjekt zu bewegen. Die Zustelleinheit ist eingerichtet, wenigstens einen Messsensor in der Messebene relativ zu dem Profilschnitt zuzustellen, also zu positionieren. Die Messsensoren sind als Laserlichtschnittsensoren ausgestaltet. Laserlichtschnittsensoren erlauben eine präzise und zuverlässige Vermessung eines Höhenprofils, in diesem Fall der Oberfläche des Messobjektes, in der Messebene des Profilschnitts. Indem die Trägereinheit mittels der Bewegungseinheit relativ zu dem Messobjekt bewegt werden kann, kann das Messsystem Profilschnitte des gesamten Messobjektes erfassen, ohne dass das Messobjekt aktiv zu bewegen ist. Somit kann beispielsweise ein Rotorblatt einer Windenergieanlage seiner Länge nach durch die Bewegungseinheit von der Trägereinheit abgefahren werden. Durch das Bewegen ist somit ein Vermessen der Oberfläche mit verringertem Aufwand möglich, da beispielsweise das Wechseln und Anpassen der Schablonen des bekannten Verfahrens entfällt. Durch das Erfassen eines Profilschnittes in der Messebene und ein relatives Bewegen dazu in einer Richtung, die nicht in der Ebene des Profilschnittes liegt, können mehrere an mehreren Positionen des Messobjektes erfasste Profilschnitte zu der gesamten Oberfläche des Messobjektes zusammengefügt werden. Vorzugsweise steht die Messebene senkrecht zu der Längsrichtung. In anderen Ausführungsformen kann die Messebene aber auch bezüglich der Längsrichtung abgewinkelt sein, solange die Messebene nicht parallel zu der Längsrichtung liegt. Vorzugsweise wird eine Längsrichtung des Messobjektes mit der Längsrichtung des Messsystems ausge- richtet. Die Längsrichtung des Messobjektes ist beispielsweise die Richtung, in der das Messobjekt die größte Ausdehnung zeigt. Das erfindungsgemäße Messsystem ist insbesondere für längliche Messobjekte geeignet. Neben Rotorblättern kommen hier beispielsweise Flugzeugflügel und Ähnliches in Betracht.
Mittels der wenigstens einen Zustelleinheit kann wenigstens einer der Messsensoren in der Messebene zugestellt werden, das heißt, der Abstand zwischen Messsensor und Messobjekt kann verändert werden. Somit kann gewährleistet werden, dass sich der Abstand zwischen Messsensor und Messobjekt immer innerhalb eines Bereiches aufhält, in welchem eine Auflösung des Messsensors bezüglich der Oberfläche des Messobjektes und somit des Profilschnittes hinreichend hoch ist. Dies ist insbesondere für Rotorblätter von Windenergieanlagen von Vorteil, die stark im Querschnitt variieren.
Die Zustelleinheit ist dazu eingerichtet, einen Abstand zwischen dem wenigstens einen Messsensor und dem Messobjekt derart zuzustellen, dass eine Anforderung an eine Messauflösung des Messsensors bezüglich der Oberfläche des Rotorblattes sowohl in einem Nabenbereich des Rotorblattes als auch in einem Blattspitzen bereich erfüllt ist. Die Auflösung von gekrümmten Oberflächen hängt stark vom Radius der Oberflächenkrümmung ab. Für Rotorblätter von Windenergieanlagen kann eine konstant hohe Auflösung daher durch eine Änderung des Abstands vom Sensor zum Messobjekt erreicht werden. In dem Beispiel eines Rotorblattes kann somit sichergestellt werden, dass sowohl ein Nabenbereich, der einen sehr großen Querschnitt hat, als auch ein Blattspit- zenbereich, der einen deutlich kleineren Querschnitt hat, mit ausreichender Messauflösung vermessen werden können, so dass beispielsweise Anforderungen an strömungsmechanische Simulationen oder Ähnliches erfüllt werden.
Vorzugsweise kann damit eine lokale Messgenauigkeit an Profilvorder- und -hinterkante in dem Bereich von 0,05 bis 0, 17 mm auf der Druckseite und von 0,07 bis 0,41 mm auf der Saugseite betragen. Innerhalb dieser Toleranzbereiche kann eine Garantie für Leistungswerte beziehungsweise akustischer Werte des Rotorblattes eingehalten werden, wobei natürlich auch andere Toleranzbereiche gemäß den Anforderungen des Rotorblattes einhaltbar sind. Die Zustelleinheit kann ferner dazu geeignet sein, wenigstens einen der Messsensoren derart zuzustellen, dass eine unzugängliche Messposition beziehungsweise eine schwer zugängliche Messposition erfasst werden kann. Auch können mittels der Zustelleinheit Hindernisse im Verfahrweg, das heißt, entlang des Weges, den sich das Messsystem mittels der Bewegungseinheit bewegt, umschifft werden. Beispielsweise kann das Messobjekt mit einem Aufleger oder Ähnlichem gestützt werden und die Zustelleinheit an der Stelle im Verfahrweg, an der sich der Aufleger befindet, derart aus der Messebene bewegt werden, dass der Aufleger den Verfahrweg nicht beeinträchtigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zustelleinheit eingerichtet, mehrere der Messsensoren zuzustellen, besonders bevorzugt ist die Zustelleinheit eingerichtet, alle der Messsensoren zuzustellen.
In einer Ausführungsform weist die Zustelleinheit ein mechanisches Zustellelement auf, das dazu eingerichtet ist, den Messsensor mechanisch zuzustellen. Durch mechanische Zustellung kann eine bessere Messauflösung ohne das Auftreten optischer Artefakte bzw. Fehler erzielt werden, wodurch die Vermessung des Messobjektes optimiert wird.
In einer Ausführungsform weist die Zustelleinheit ein lineares Zustellelement auf und eine Achse des Zustellelementes verläuft in der Messebene. Unabhängig von der Position des Messsensors bezüglich des Zustellelements liegen somit alle Messsensoren der Trägereinheit in der gleichen Messebene. Bezüglich des Messobjektes können somit alle Messsensoren den Profilschnitt in einer Profilebene, nämlich der Messebene, erfassen.
In einer Ausführungsform umfasst die Zustelleinheit einen Hydraulikzylinder. Hydraulikzylinder ermöglichen eine genaue Zustellung der Messsensoren, sind weit verbreitet und auch die präzise Steuerung von Hydraulikzylindern ist ohne Schwierigkeiten möglich.
In einer Ausführungsform sind die Messsensoren eingerichtet, jeweils einen Teil des Profilschnitts des Messobjektes in der Messebene zu erfassen. Das Messsystem weist ferner eine Berechnungseinheit auf, die eingerichtet ist, die erfassten Teile des Profilschnitts zu einem gesamten Profilschnitt zusammenzufügen. Vorzugsweise überlappen die von den jeweiligen Messsensoren erfassten Teile des Profilschnittes zumindest teilweise, so dass eine Kalibrierung der Messsensoren zum Zusammenfügen des gesam- ten Profilschnittes vereinfacht ist. Für die Vermessung von Rotorblättern haben sich sieben Messsensoren als vorteilhaft herausgestellt. Auch andere Anzahlen von Sensoren werden in anderen Ausführungsformen und beispielsweise für andere Messobjekte bevorzugt.
In einer Ausführungsform ist die Berechnungseinheit ferner eingerichtet, Profilschnitte an verschiedenen Positionen der Trägereinheit in Längsrichtung zu einem Profil der Oberflä- che des Messobjektes zusammenzufügen. Profilschnitte an verschiedenen Positionen des Messobjektes werden durch die Messsensoren dadurch erlangt, dass die Trägereinheit relativ zu dem Messobjekt mittels der Bewegungseinheit bewegt wird.
Ein Profil kann als eine Sammlung von Profilschnitten in zwei Dimensionen oder als eine dreidimensionale Fläche ausgebildet sein, die beispielsweise durch Interpolation der Profilschnitte beziehungsweise von Punkten der Profilschnitte erhalten wird.
In einer Ausführungsform ist die Berechnungseinheit eingerichtet, den erfassten Profilschnitt beziehungsweise das erfasste Profil mit einem Referenzprofilschnitt beziehungsweise einem Referenzprofil zu vergleichen und zu bestimmen, wenn eine Abweichung zwischen Referenzprofilschnitt bzw. Referenzprofil und erfasstem Profilschnitt bezie- hungsweise Profil einen vorbestimmten Toleranzwert überschreitet. In dieser Ausführungsform kann die Berechnungseinheit somit einen Profilschnitt oder ein aus mehreren Profilschnitten erzeugtes Profil mit einem Referenzprofilschnitt bzw. einem Referenzprofil vergleichen. Der Referenzprofilschnitt bzw. das Referenzprofil ist beispielsweise ein Computermodell oder ein Zielwert des Messobjektes. Abweichungen von dem Referenz- profil können negative Auswirkungen auf Eigenschaften des Messobjektes, im Beispiel des Rotorblattes beispielsweise auf die Geräuschentwicklung oder die Leistungskurve, haben. Wenn die Abweichung einen vorbestimmten Toleranzwert überschreitet, ist davon auszugehen, dass die Herstellung fehlerhaft ist und möglicherweise nachgebessert werden muss. Dies kann in vorteilhafter Weise in einem Qualitätssicherungsverfahren eingesetzt werden, um Ausschuss zu selektieren beziehungsweise Nachbesserungen vornehmen zu können.
In einer Ausführungsform ist die Berechnungseinheit ferner eingerichtet, eine Korrektur des erfassten Profilschnittes beziehungsweise des erfassten Profils basierend auf einem Eigengewicht des Messobjektes und der Schwerkraft vorzunehmen. In Abhängigkeit von einer Lagerung des Messobjektes sind, insbesondere bei langen Messobjekten, Durchbiegungen in der Mitte des Messobjektes feststellbar. Diese, in Abhängigkeit des Messobjektes signifikanten, Abweichungen werden durch die Berechnungseinheit korrigiert, so dass Abweichungen zwischen Referenzprofil und erfasstem Profil basierend auf dem Eigengewicht des Messobjektes nicht ungerechtfertigter Weise als Mangel an dem Messobjekt bestimmt werden.
In einer Ausführungsform umfasst jeder der Messsensoren eine Laserschnittquelle und eine Kamera, die vorzugsweise eine optische Kamera ist. Die Kamera ist dazu eingerich- tet, eine Reflexion einer Laserlinie der Laserschnittquelle von dem Rotorblatt zu erfassen.
Vorzugsweise ist die Kamera dazu eingerichtet, die Belichtungszeit derart anzupassen, dass lediglich das Licht der Laserschnittquelle erfasst wird und die Aufnahme nicht durch Umgebungslicht gestört wird. Hierfür ist eine Lichtintensität der Laserschnittquelle vorzugsweise hoch, so dass die Belichtungszeit der Kamera entsprechend kurz gewählt werden kann.
Die Messsensoren umfassen vorzugsweise weiterhin je ein Kalibrierungssystem, welches es ermöglicht 3 Ortsfreiheitsgrade und 3 Rotationsfreiheitsgrade des Messsensors unabhängig voneinander zu bestimmen.
In einer Ausführungsform ist die Trägereinheit als Portal ausgestaltet, wobei die Mess- sensoren in Richtung des Inneren des Portals ausgerichtet sind. Das heißt, dass die Messsensoren, bei einer Vermessung, um das Messobjekt herum angeordnet sind. In dieser Ausführungsform sind die Messsensoren von außen auf das Messobjekt, das sich dann bei einer Vermessung in dem Inneren des Portals befindet, ausgerichtet. Profilschnitte und auch das Profil der äußeren Oberfläche des Messobjektes können somit mittels des Messsystems vermessen werden. Vorzugsweise ist das Portal derart dimensioniert, das es über eine gesamte Länge des Messobjektes um das Messobjekt herum angeordnet werden kann. Vorzugsweise sind die Messsensoren derart um das Messobjekt herum angeordnet, dass an jeder Längsposition des Messobjektes ein Zusammenfügen eines vollständigen Profilschnittes mittels der Messsensoren möglich ist. In einer anderen Ausführungsform ist die Trägereinheit eingerichtet, innerhalb des Profilschnittes des Messobjektes angeordnet zu werden, wobei die Messsensoren von der Trägereinheit weg nach außen gerichtet sind. In dieser Ausführungsform ist das Messsystem eingerichtet, von beispielsweise innen die Oberfläche des Messobjektes zu vermessen. Ein Messobjekt, dass bevorzugt mit dem Messsystem dieser Ausführungs- form vermessen werden kann, ist beispielsweise eine Form zum Herstellen eines Rotorblattes. Dadurch können Fehler, die in dem Rotorblatt entstehen, bereits vor Herstellung des Rotorblattes vermieden werden. Vorzugsweise kann die Positionierung der Messsensoren in einer Ausführungsform in Abhängigkeit des Messobjektes verändert werden. In einem Fall, in dem die Geometrie der Oberfläche des Messobjektes keine Vorsprünge oder ähnliches aufweist, können die Messsensoren einfach in Richtung der Mitte des Portals ausgerichtet sein. Wenn es die Oberfläche des Messobjektes erfordert, können auch andere Ausrichtungen einzelner Messsensoren, beispielsweise nicht in Richtung der Mitte des Portals, notwendig werden. In einer Ausführungsform weist mindestens ein Messsensor eine Rotationseinheit auf, die eingerichtet ist, den Messsensor bezüglich der Trägereinheit in der Messebene zu drehen. In einer Ausführungsform weist die Bewegungseinheit eine Führungskomponente und eine Antriebskomponente auf, wobei die Führungskomponente die Längsrichtung definiert und die Bewegungseinheit eingerichtet ist, die Trägereinheit mittels der Antriebskomponente entlang der Führungskomponente zu bewegen.
Vorzugsweise umfasst die Führungskomponente eine Schiene und die Antriebskompo- nente ist vorzugsweise entsprechend einer Längsrichtung des Messobjektes ausgelegt. Die Führungskomponente muss nicht linear, sondern kann auch gebogen sein oder anderweitig verlaufen, um beispielsweise einer Form des Messobjektes zu folgen.
In einer Ausführungsform weist das Messsystem weiter eine Positionsbestimmungseinheit auf, die dazu eingerichtet ist, die Position der Trägereinheit entlang der Längsrich- tung zu bestimmen. Indem die Positionsbestimmungseinheit eine Position der Trägereinheit bestimmen kann, ist eine Zuordnung eines erfassten Profilschnittes zu einer Längsposition einfach und präzise möglich. In einer Ausführungsform ist die Positionsbestimmungseinheit eingerichtet, die Position basierend auf einer Relativbewegung der Trägereinheit mittels der Bewegungseinheit zu bestimmen. In einer Ausführungsform weist die Positionsbestimmungseinheit einen Positionslaser auf. Mittels des Positionslasers kann die Position der Trägereinheit genau bestimmt werden. Vorzugsweise umfasst die Positionsbestimmungseinheit eine feste Komponente, deren Position während einer Vermessung ortsfest ist, sowie eine bewegliche Komponente, die an der Trägereinheit angebracht ist und sich mit der Trägereinheit relativ zu dem Messobjekt bewegt. Der Abstand zwischen fester Komponente und beweglicher Komponente entspricht dann der Position der Trägereinheit entlang der Längsrichtung. In einer Ausführungsform umfasst die Positionsbestimmungseinheit einen Retroreflektor, der auf der Trägereinheit angebracht ist, derart, dass er auf einer Kreis- oder Ellipsenbahn an oder um die Trägereinheit geführt wird. Aus der Trajektorie des Retroreflektors, die durch die Relativbewegung der Trägereinheit helixartig ist, kann zu jedem Zeitpunkt die Position und die Orientierung der Trägereinheit bestimmt werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch ein Mess verfahren zur Vermessung einer Oberfläche eines Messobjektes gelöst. Das Mess verfahren umfasst die Schritte: Ausrichten einer Trägereinheit mit mehreren in einer Messebene angeordneten Messsensoren mit einem Profilschnitt des Messobjektes, Bewegen der Trägereinheit in einer in einem Winkel auf der Messebene stehenden Längsrichtung relativ zu dem Messobjekt und Zustellen wenigstens eines der Messsensoren in der Messebene relativ zu dem Profilschnitt. Das Messobjekt ist vorzugsweise ein Rotorblatt einer Windenergieanlage.
Das Zustellen wenigstens eines der Messsensoren muss nicht bei jedem Profilschnitt erfolgen. Beispielsweise kann ein Zustellen des Messsensors bei einer Bewegung der Trägereinheit gestuft erfolgen, wenn davon ausgegangen wird, dass sich das Messobjekt eine Weile im Fokus des Messsensors befindet. Somit liefert der Messsensor über einen gewissen Verfahrweg des Messsystems in der Längsrichtung eine ausreichende Genauigkeit und wird erst anschließend, beim Verlassen eines Schärfebereiches, zugestellt. In anderen Ausführungsformen kann aber auch vorteilhaft sein, den Messsensor mittels des Zustellelementes nach jedem Profilschnitt zuzustellen, oder den Messsensor kontinuierlich zuzustellen. Auf gleiche Weise kann die Trägereinheit in der Längsrichtung kontinuierlich bewegt werden, oder stufenweise, wobei zum Vermessen jeweiliger Profilschnitte in diesem Fall das Bewegen der Trägereinheit unterbrochen wird.
Indem wenigstens einer der Messsensoren in der Messebene relativ zu dem Profilschnitt zugestellt wird, kann eine Auflösung des Messsensors bezüglich der Oberfläche des Messobjektes gewährleistet sein, indem der Abstand zwischen Messsensor und Profilschnitt angepasst wird. Damit wird eine hohe Qualität der Vermessung sichergestellt. Aufgrund des Bewegens ist ein Erfassen mehrerer Profilschnitte einfach möglich, was den Aufwand für die Vermessung des Messobjektes verringert. In einer Ausführungsform des Messverfahrens wird mindestens ein Profilschnitt des Messobjektes vor und nach dem Bewegen der Trägereinheit und dem Zustellen wenigstens eines der Messsensoren erfasst. Durch das Erfassen mehrerer Profilschnitte des Messobjektes an verschiedenen Positionen in Längsrichtung kann die Oberfläche des Messobjektes basierend auf den mehreren Profilschnitten auf einfache Weise rekonstruiert werden.
In einem Ausführungsbeispiel wird die Oberfläche durch Interpolation zwischen den Profilschnitten, die an verschiedenen Positionen der Trägereinheit erfasst werden, be- rechnet. Mit anderen Worten, mehrere zweidimensionale Profilschnitte aus der Messebene werden zu einem dreidimensionalen Profil der Oberfläche interpoliert. Die Profilschnitte und das Profil können in allen vorstellbaren Datenstrukturen, beispielsweise als Punktwolken, Vektoren etc., vorliegen.
Ein Teil eines Profilschnittes, der von einem Messsensor erfasst wird, variiert je nach Zustellposition des Messsensors. Die Umrechnung der erfassten Profilschnitte erfolgt basierend auf der Position des Messsensors, an der er sich aufgrund des Zustellens befindet. Anders ausgedrückt, die Zustellposition des Messsensors Vorzugsweise ist eine Kalibrierung der Messsensoren untereinander derart eingerichtet, dass die Messsensoren für sämtliche Positionen der Messsensoren, wie sie durch das Zustellen erhalten werden können, miteinander kalibriert sind.
In einer Ausführungsform des Messverfahrens wird zu jedem Profilschnitt eine Position der Trägereinheit in der Längsrichtung erfasst. Damit ist ein Zusammenfügen der Profilschnitte zu einer Oberfläche des Messobjektes einfach möglich, da die Position der Profilschnitte relativ zueinander bekannt ist. In einer Ausführungsform des Messverfahrens wird wenigstens ein Profilschnitt in Abhängigkeit von seiner Position in der Längsrichtung korrigiert. Insbesondere kann die Lage, nämlich die Höhe, des Profilschnittes bezüglich der Messebene korrigiert werden. Aufgrund von Eigengewicht und Lagerung des Messobjektes, im Beispiel eines Rotorblattes einer Windenergieanlage wird dieses an seinen beiden Enden und möglicherweise zu- sätzlich in der Mitte gelagert, kommt es zu einer Durchbiegung des Messobjektes zwischen den Lagerungen. Um auftretende Fehler, die basierend auf diesen Durchbiegungen in den Profilschnitten erkennbar sind, nicht fälschlicherweise als Fehler des Messobjektes beziehungsweise als Abweichungen des Messobjektes von einem Referenzobjekt zu erkennen, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren in dieser Ausführungsform eine Korrektur der jeweiligen Profilschnitte.
In einer Ausführungsform des Messverfahrens wird aus den erfassten Profilschnitten ein Oberflächenprofil des Messobjektes berechnet. Das berechnete Oberflächenprofil kann dann mit einem Referenzprofil verglichen werden, um eventuelle Abweichungen des berechneten Oberflächenprofils von einem Referenzprofil zu bestimmen. Eventuell festgestellte Abweichungen können verwendet werden, um eine Qualität des Messobjektes, beispielsweise des Rotorblattes, sicherzustellen. Unabhängig von systematischen Fehlern, welche das gesamte Oberflächenprofil betreffen, können auch einzelne Profilschnitte mit jeweiligen Referenzprofilschnitten verglichen werden. Somit können eventuelle Abweichungen des Profilschnittes von einem Referenzprofilschnitt bestimmt werden, ohne dass das gesamte Oberflächenprofil zu berechnen ist. In einer Ausführungsform kann ein einzelner Profilschnitt, insbesondere eine von den Messsensoren erfasste Punktewolke, beispielsweise mittels eines„Least-Square-Fit-Ver- fahrens" auf einen lokalen Referenzquerschnitt, beispielsweise in Form einer nummerisch erzeugten Spline-Kurve, beschrieben werden. Eventuell festgestellte Abweichungen beziehungsweise Fehlermaße können verwendet werden, um eine Qualität des Messobjektes an der lokalen Position festzustellen. In einer Ausführungsform des Messverfahrens wird wenigstens einer der Messsensoren in der Messebene relativ zu dem Profilschnitt durch Bestimmung der Entfernung des Messsensors von dem Messobjekt zugestellt. Die Zustellung basierend auf der Entfernungsbestimmung erfolgt vorzugsweise automatisch. In dieser Ausführungsform wird sichergestellt, dass sich der Abstand zwischen Messsensor und Messobjekt immer in dem für die gewünschte Auflösung der Messung bevorzugten Bereich befindet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch ein Messverfahren zur Vermessung einer Oberfläche eines Messobjektes, insbesondere eines Rotorblattes einer Windenergieanlage, unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Messsystems gelöst.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch ein Verfahren zur Qualitätssicherung eines Messobjektes unter Verwendung eines Messsystems gelöst. Das Messobjekt ist insbesondere ein Rotorblatt einer Windenergieanlage und das Messsystem ist insbesondere ein erfindungsgemäßes Messsystem. Das Messsystem vermisst eine Oberfläche des Messobjektes zunächst mit einer ersten Auflösung. Die mit der ersten Auflösung vermessene Oberfläche des Messobjektes wird mit einer Referenzoberfläche verglichen. In dem Fall, dass eine Abweichung der mit der ersten Auflösung vermessenen Oberfläche des Messobjektes von der Referenzoberfläche einen Schwellwert überschreitet, vermisst das Messsystem die Oberfläche des Messobjektes mit einer zweiten, höheren Auflösung. Dabei kann die erneute Vermessung das gesamte Blatt umfassen oder aber nur in Längsrichtung lokale Bereiche umfassen.
Das erfindungsgemäße Qualitätssicherungsverfahren stellt fest, in einem ersten Schritt, ob es basierend auf einer gröberen Auflösung Anhaltspunkte für eine Abweichung der Oberfläche des Messobjektes von einer Referenzoberfläche gibt. In dem Fall, dass derartige Abweichungen auftreten, wird mit einer zweiten, höheren Auflösung gemessen, um eine genauere Einschätzung der Abweichung zu erhalten. In dem Fall, in dem ein Überprüfen des Messobjektes mit der ersten Auflösung bereits ausreicht, kann somit auf ein zweites, langwierigeres Erfassen verzichtet werden. Damit können die Anforderungen an Wirtschaftlichkeit und Effizienz des Qualitätssicherungsverfahrens erfüllt werden.
Als Auflösung ist beispielsweise der Abstand zweier benachbarter Profilschnitte in Längsrichtung zu verstehen. Eine erste Auflösung ist beispielsweise ein Abstand in Längsrichtung von 20 Millimetern zwischen zwei Profilschnitten und eine zweite Auflösung ist ein Abstand beispielsweise von 2 Millimetern in Längsrichtung. Natürlich sind auch andere Abstände möglich, wobei der Abstand in zweiter Auflösung geringer als der Abstand in erster Auflösung ist. Die Vermessung mit erster Auflösung benötigt weniger Zeit, da weniger Profilschnitte für das gesamte Messobjekt erfasst werden.
Sämtliche für das Messsystem beschriebene Ausführungen können in analoger Weise vorteilhaft in dem erfindungsgemäßen Messverfahren zum Einsatz kommen. Ebenso können Elemente des erfindungsgemäßen Messsystems zur Durchführung von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet sein.
Weitere Ausgestaltungen sowie durch die erfindungsgemäßen Lösungen erzielte Vorteile werden im Folgenden mit Verweis auf die beigefügten Figuren beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Messsystems, Fig. 2 zeigt schematisch das Funktionsprinzip eines Laserschnittsensors,
Fig. 3a und 3b zeigen schematisch und exemplarisch eine Kalibrierung von Messsensoren
Fig. 4a und 4b zeigen schematisch und exemplarisch eine Positionsbestimmungseinheit des erfindungsgemäßen Messsystems Fig. 5 zeigt schematisch und exemplarisch eine Lagerung eines Beispiels eines Messobjekts, nämlich eines Rotorblattes einer Windenergieanlage und
Fig. 6a bis 6c zeigen schematisch und exemplarisch weitere Ausführungsbeispiele eines Messsystems. Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messsystems 1. Das Messsystem 1 umfasst eine Trägereinheit 3, die in Form eines Rahmens ausgestaltet ist sowie eine Bewegungseinheit 5, mittels derer der Rahmen 3 bewegt werden kann. In diesem Beispiel erstreckt sich der Rahmen in einer Breite x und einer Höhe y und ist mittels der Bewegungseinheit 5 in einer Längsrichtung z, die senkrecht sowohl auf der Breite x als auch der Höhe y steht, bewegbar. Die Breite x und die Höhe y definieren in diesem Ausführungsbeispiel die Messebene des Messsystems. Die Auswahl der Achsen ist beispielhaft und kann in anderen Ausführungsbeispielen anders sein. Obwohl in diesem Beispiel Breite x, Höhe y und Länge z jeweils senkrecht aufeinander stehen, kann dies in anderen Ausführungsbeispielen auch anders sein. Die Bewegungseinheit 5 ist in diesem Beispiel ein Elektromotor, der das Messsystem 1 entlang der Längsrichtung z über eine Schiene (nicht gezeigt) auf dem Boden, auf dem der Rahmen 3 platziert ist, beispielsweise mittels Rädern bewegt.
Innerhalb des Rahmens 3 sind in diesem Beispiel sieben Messsensoren 30 bereitgestellt. Die Messsensoren 30 sind jeweils von dem Rahmen 3 aus in der Messebene nach innen gerichtet, auf den Bereich, in den ein Messobjekt einzuführen ist. In diesem Beispiel sind zwei Messsensoren 30, nämlich die am oberen Ende des Rahmens 3 angeordneten, mittels einer Zustelleinheit 40 an dem Rahmen 3 befestigt. Die Zustelleinheit 40 ermöglicht, dass sich der Messsensor 30, der über die Zustelleinheit 40 an dem Rahmen 3 befestigt ist, in der Messebene bewegt werden kann. In diesem Beispiel umfasst die Zustelleinheit 40 zwei parallele lineare Zustellelemente 42, die an vertikalen Teilabschnitten des Rahmen 3 angeordnet sind und einen horizontalen Träger zwischen den beiden linearen Zustellelementen 42 in Höhenrichtung y bewegbar lagern. In anderen Ausführungsbeispielen ist nur einer oder mehr als zwei der Messsensoren 30 mittels der Zustelleinheit 40 an dem Rahmen 3 befestigt, insbesondere vorzugsweise alle der Messsenso- ren 30. Jeder der Messsensoren 30 kann über eine eigene Zustelleinheit 40 verfügen, oder mehrere der Messsensoren 30 können mit einer gemeinsamen Zustelleinheit 40 zugestellt werden. Fig. 2 zeigt schematisch das Funktionsprinzip eines Laserschnittsensors als Beispiel eines Messsensors 30. Der Messsensor 30 ist ein Laserlichtschnittsensor, der eine Laserlichtquelle 32, eine Zylinderlinse 34, eine Linse 37 und einen Detektor, beispielsweise eine Kamera 39, umfasst. Das von der Laserlichtquelle 32 ausgesandte punktförmige Licht wird mittels der Zylinderlinse 34 in eine Linie aufgespalten. Die Linie tritt aus dem Messsensor 30 aus und auf eine Oberfläche eines Messobjektes 2 auf. Das eintreffende Laserlicht 36 wird an der Oberfläche 2 reflektiert und tritt als reflektierte Linie 38 über die Linse 37 in die Kamera 39 ein. Durch den Versatz der auf der Kamera 39 auftreffenden Laserlinie kann das Höhenprofil der Oberfläche 2 errechnet werden. Laserlichtschnittsen- soren basieren auf dem bekannten Prinzip der Lasertriangulation, wobei die punktförmige Lichtquelle in eine zweidimensionale Linie aufgeweitet wird. Bei dem Laserlichtschnittsensor 30 handelt es sich nur um ein Beispiel von Oberflächensensoren, die in dem erfindungsgemäßen Messsystem 1 eingesetzt werden können.
Figuren 3a und 3b zeigen schematisch und exemplarisch eine Kalibrierung der Messsen- soren 30. In Fig. 3a ist der Strahlenverlauf 301 bis 307 der sieben in Fig. 1 gezeigten Messsensoren 30 dargestellt. Der Strahlenverlauf verläuft erst linear und wird dann durch eine Zylinderlinse 34, wie in Fig. 2 gezeigt, fächerartig aufgespalten. Die Strahlenverläufe 301 bis 307 treffen an unterschiedlichen Positionen und in unterschiedlichen Winkeln auf die Oberfläche 2 des Messobjektes 2, hier im Beispiel auf ein Profil eines Rotorblattes einer Windenergieanlage, auf.
Die einzelnen Strahlenverläufe 301 bis 307 überlagern zum Teil deutlich, was zur Kalibrierung und Ausfallsicherheit eingesetzt wird, wie in Fig. 3b verdeutlicht. Fig. 3b zeigt einen Teil eines Profilschnitts, der mittels der in Fig. 3a gezeigten Aufteilung der Messsensoren 30 erreicht wird. In Fig. 3b sind nur die Teile des Profilschnittes, wie er von drei Messsensoren 30 erfasst wird, gezeigt. In dem Randbereich der Fig. 3b wären unter Berücksichtigung aller sieben Messsensoren 30 auch andere Messwerte der jeweiligen benachbarten Sensoren sichtbar.
In Fig. 3b ist ersichtlich, dass die Teile der Profilschnitte, die den jeweiligen Strahlenverläufe 302, 303 und 304 entstammen, sich in dem gezeigten Abschnitt des Profilverlaufes überlappen. In dem in Fig. 3b gezeigten Beispiel sind die Verläufe derart, dass immer mindestens zwei, in dem mittleren Bereich sogar alle drei, der Sensoren überlappen. Als ein Ergebnis der Kalibrierung der Messsensoren 30 wird ein Profilschnitt erzeugt, der als eine einzige Linie dargestellt wird. Mit anderen Worten, die kalibrierten Sensoren 30 liefern zueinander passende Messwerte, aus denen sich ein gesamter Profilschnitt be- rechnen lässt. In Fig. 3b ist eine Fehlstelle 60 zu sehen, an der das Rotorblatt von einem gewöhnlichen Verlauf abweicht. Auch an der Stelle 60 zeigt sich keine Abweichung der Messlinie 303 von der Messlinie 304, das heißt, die Fehlstelle 60 ist übereinstimmend von dem Messsensor 30, dem Strahlenverlauf 303 entstammt, und dem Messsensor 30, dem Strahlenverlauf 304 entstammt, bestimmt worden.
Die Überlappung der einzelnen Messlinien 302, 303 beziehungsweise 304 kann gegebenenfalls in einem weiteren Schritt im Nachgang an die Messung angepasst werden. Beispielsweise können die Linien durch ein geeignetes Verfahren, insbesondere B-Spli- nes oder Ähnliches, geglättet werden. Auch kann bei der Erzeugung einer 3D-Fläche aus zweidimensionalen Profilschnitten im Nachgang ein geeignetes Verfahren zum Erzeugen einer glatten Oberfläche eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine NURBS-Fläche in die Punktewolke des gesamten Messobjektes eingepasst werden. Damit wird eine glatte, simulationsfähige Oberfläche erzeugt.
Fig. 4a zeigt schematisch und exemplarisch eine Positionsbestimmungseinheit 50, die in einem Messsystem 1 zum Einsatz kommt. In Fig. 4a sind die Sensoren 30 schematisch durch die Laserlichtquelle 32 und die Zylinderlinse 34 gezeigt, die auf einem schematischen Rahmen 3, der in Form eines Halbkreises skizziert ist, angeordnet sind. Weitere Elemente der Messsensoren 30 sind zur besseren Darstellbarkeit weggelassen. Ferner zeigt Fig. 4a ein Rotorblatt als Beispiel eines Messobjektes 2, das in Längsrichtung z entlang des Rahmens 3 bewegt wird.
Die Positionsbestimmungseinheit 50 weist einen Positionslaser 52 und einen Retroreflek- tor 54 auf. Der Positionslaser 52 ist stationär und unabhängig von dem Rahmen 3 angeordnet. Er bewegt sich nicht, wenn der Rahmen 3 mittels der Bewegungseinheit 5 bewegt wird. Der Positionslaser 52 misst den Abstand zu dem Retroreflektor 54, der sich mit dem Rahmen 3 bewegt. Der Retroreflektor 54 reflektiert die von dem Positionslaser 52 einfallende Strahlung weitgehend unabhängig von der Ausrichtung des Retroreflektors 54 bezüglich des Positionslasers 52 zurück zu dem Positionslaser 52. Der Retroreflektor 54 wird kontinuierlich auf einer Kreis- oder Ellipsenbahn geführt. Die Kreis- oder Ellipsenbahn des Retroreflektors 54 kann bezüglich einer Anbringfläche, die an dem Rahmen 3 befestigt ist, oder bezüglich des gesamten Rahmens 3 erfolgen. Indem sich der Rahmen 3 in Längsrichtung Z bewegt und der Retroreflektor 54 sich gleichzeitig auf einer Kreisoder Ellipsenbahn befindet, ergibt sich eine helixartige Trajektorie, woraus zu jedem Zeitpunkt die Position und Orientierung des Rahmens 3 des Messsystems 1 bestimmt werden kann. Fig. 4b zeigt schematisch und exemplarisch das in Fig. 1 gezeigte Messsystem 1 zusammen mit dem Messobjekt 2, in diesem Beispiel der Blattspitze eines Rotorblattes. Der Rahmen 3 wird entlang des Rotorblattes 2 geführt, wobei die Messsensoren 30 kontinuierlich oder mit bestimmten Abständen Profilschnitte des Rotorblattes 2 erfassen. Anstelle des rotierenden Retroreflektors 54 ist in dem in Fig. 4b gezeigten Beispiel ein stationärer Retroreflektor 54 gezeigt. Auch in diesem Beispiel kann der Retroreflektor 54 eingesetzt werden, um die Entfernung von dem Positionslaser 52 (in Fig. 4b nicht gezeigt) zu bestimmen.
Das erfindungsgemäße Messsystem 1 ist geeignet, eine dreidimensionale Oberflächen- geometrie eines Messobjektes 2 automatisiert zu erfassen. Insbesondere für große Dimensionen des Messobjektes 2 und der für eine aussagekräftige Bestimmung der Oberflächengeometrie des Messobjektes 2 erforderlichen hohen Messauflösung erfolgt die Messung erfindungsgemäß nicht von einem stationären Ort des Messsystems 1 , sondern von verschiedenen Positionen, indem der Rahmen 3 mittels der Bewegungsein- heit 5 entlang des Messobjektes 2 bewegt wird und die Messsensoren 30 somit während des Messvorganges eine Relativbewegung zum Messobjekt 2 ausführen. Eine Trägereinheit beispielsweise in Form eines Rahmens 3 mit mehreren Messsensoren 30, die beispielsweise optische Triangulationssensoren wie Laserlichtschnittsensoren sind, wird beispielsweise auf einem Schienensystem am Messobjekt 2 entlanggeführt und mithilfe einer Positionsbestimmungseinheit 50 präzise verfolgt. Die Positionsbestimmungseinheit 50 ist beispielsweise ein Positionslaser 52, der den Abstand zu einem Retroreflektor 54, der auf dem Rahmen 3 angebracht ist, bestimmt. So entsteht eine Sequenz vollständiger Profilschnitte des Messobjekts 2. Einzelmessungen von Profilschnitten können zu einem dreidimensionalen Gesamtmodell mit hoher Auflösung fusioniert werden. Auch autonome oder vorprogrammierte Flurförderzeuge könnten hier als Bewegungseinheit 5 zum Bewegen einer Trägereinheit 3 zum Einsatz kommen. Auch könnte das Portal frei manipulierbar an einem Industrieroboter befestigt sein, um beliebige Raumkurven als Verfahrweg entlang eines Messobjektes beschreiben zu können.
Die Zustellkomponente 40, die eingerichtet ist, den Abstand der Messsensoren 30 zu dem Messobjekt 2 einzustellen, sorgt dafür, dass die Messauflösung der Oberfläche des Messobjekts 2 unabhängig von dem Durchmesser des Messobjekts 2 an der Position, an der der aktuelle Profilschnitt gemessen wird, hinreichend groß ist. Durch Vergleich mit beispielsweise einem CAD-Modell können Abweichungen des dreidimensionalen Gesamtmodells bestimmt werden. Eine insbesondere bei langen Messobjekten 2, wie Rotorblättern einer Windenergieanlage, auftretende signifikante schwerkraftbedingte Durchbiegung wird simuliert und für die Auswertung berücksichtigt. Die von dem Messsystem 1 erfassten Messdaten bilden im Falle von Rotorblättern einer Windenergieanlage beispielsweise die Grundlage für eine Strömungssimulation zur Leistungsbewertung beziehungsweise zur akustischen Bewertung des Rotorblattes.
Mit dem erfindungsgemäßen Messsystem 1 kann erreicht werden, dass die Gesamtmesszeit für ein Rotorblatt nicht länger als 30 Minuten beträgt. In dieser Zeit kann mit dem erfindungsgemäßen Messsystem 1 in Längsrichtung des Messobjekts 7 alle 2 Millimeter ein Profilschnitt aufgenommen werden. Die lokale Messungenauigkeit an Profilvorder- und -hinterkante kann mit dem erfindungsgemäßen Messsystem in dem Bereich von 0,05 bis 0, 17 mm auf der Druckseite und von 0,07 bis 0,41 mm auf der Saugseite betragen. Innerhalb dieser Toleranzbereiche kann eine Garantie für Leistungswerte beziehungsweise akustischer Werte des Rotorblattes eingehalten werden. Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht eines Beispiels eines Messobjektes 2, nämlich eines Rotorblattes einer Windenergieanlage. Das Rotorblatt 2 ist an seinem Nabenende in einer stationären Halterung 22 befestigt. Um eine Durchbiegung des Rotorblattes zu reduzieren, wird das Rotorblatt 2 durch mindestens eine Stützvorrichtung 24 gestützt. Die Stützvorrichtung 24 ist in diesem Beispiel etwa ein Drittel der Blattlänge von der Blattspit- ze entfernt. In anderen Beispielen kann die Stützvorrichtung 24 auch an anderen Stellen des Blattes vorgesehen sein und es können auch mehr als eine Stützvorrichtung 24 zum Abstützen des Rotorblattes 2 verwendet werden.
Aufgrund der Stützvorrichtung 24 kann ein geschlossenes Portal nicht entlang des gesamten Rotorblattes 2 verlagert werden. Figuren 6a bis 6c zeigen drei Ausführungsbei- spiele einer Trägereinheit 300, 400 und 500, die trotz vorgesehener Stützvorrichtung 24 entlang des gesamten Rotorblattes 2 bewegt werden können.
Fig. 6a zeigt Trägereinheit 300, die in Form eines umgedrehten U ausgestaltet ist. In diesem Beispiel umfasst die Bewegungseinheit der Trägereinheit 300 zwei Räder 310, die an jeweils einem unteren Ende der vertikalen Rahmenelemente vorgesehen sind. Fig. 6a zeigt zwei Messsensoren 330, die auf gegenüberliegenden Seiten des Rotorblattes 2 angeordnet sind. Der auf der in der Zeichnung rechts gezeigten Seite liegende Messsensor 330 ist mittels einer Zustelleinheit 340 entlang einer Richtung 345 in der Messebene verlagerbar. In einem Beispiel kann der Messsensor 330 auch bezüglich der Zustellein- heit 340 drehbar gelagert sein und somit in zwei Achsen zugestellt werden. In diesem Beispiel ist die Zustelleinheit 340 ferner in mittlerer Höhe des Rotorblattes 2 gezeigt, in anderen Beispielen kann die Verlagerungseinheit 340 auch an anderen Positionen bezüglich des Rotorblattes angeordnet sein beziehungsweise bezüglich der Trägereinheit 300 verstellbar montiert sein.
Fig. 6b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Trägereinheit 400. Die Trägereinheit 400 ist aus zwei Rahmenelementen 405, die auf jeweils einer Druckseite und einer Saugseite des Rotorblattes 2 angeordnet sind, zusammengesetzt. Die zwei Seiten 405 sind nicht miteinander verbunden und relativ zueinander in einer Richtung 420 verschieb- bar. Hierfür weisen die jeweiligen Rahmenelemente 405 Räder 410 auf. Auch Fig. 6b zeigt zwei Messsensoren 430. Einer der Messsensoren 430, der in der Zeichnung rechts gezeigt ist, ist über eine Verlagerungseinheit 440 an einem Drehpunkt 442 in einer Richtung 445 schwenkbar bezüglich der Trägereinheit 400 angeordnet. Zum Passieren der Stelle des Rotorblattes 2, an der die Stützvorrichtung 24 angeordnet ist, werden die zwei Rahmenelemente 405 voneinander entfernt. Dadurch befindet sich der schwenkbare Sensor 430 auf der rechten Seite nicht unterhalb des Rotorblattes 2. Nach dem Passieren kann der Sensor wieder unterhalb des Rotorblattes 2 in der Nähe der Profilnase des Rotorblattes 2 positioniert werden. Somit kann eine hohe Auflösung des Profilnasenbereiches, welcher ein für die Aerodynamik sehr sensibler Bereich ist, gewährleistet werden. Während in diesem Beispiel die Rahmenelemente 405 voneinander entfernt werden können und die Zustelleinheit 440 ein drehbares Zustellen des Messsensors 430 ermöglicht, ist in anderen Beispielen auch entweder der Rahmen aus zwei Rahmenelementen 405 aufgebaut, oder einer der Messsensoren kann drehbar zugestellt werden. Auch Kombinationen mit anderen Ausführungsbeispielen sind vorteilhaft möglich. Fig. 6c zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Trägereinheit 500. Die Trägereinheit 500 steht auf der in der Zeichnung rechten Seite mittels eines Standelementes 510 auf dem Boden. Das Standelement 510 kann beispielsweise auch Räder umfassen. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind lediglich schematisch zwei Messsensoren 530 gezeigt, von denen der in der Zeichnung rechts gezeigte mittels eines Zustellelementes 540 entlang einer Zustellrichtung 545 zugestellt werden kann. Nach dem Passieren des Stützelementes 24 kann der in der Zeichnung rechts gezeigte Sensor 530 somit unterhalb und in der Nähe der Profilnase des Rotorblattes 2 positioniert werden, ohne ein Verfahren der Trägereinheit 500 entlang des Messobjektes zu beeinträchtigen. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Trägereinheit 3, 300, 400, 500 auch das Zustellelement integriert umfassen. Dadurch können beispielsweise Messsensoren in der Messebene durch Zustellen eines Teils des gesamten Rahmes etc. der Trägereinheit 3, 300, 400, 500 zugestellt werden. Obwohl die gezeigten Ausführungsbeispiele als Beispiel eines Messobjektes ein Rotorblatt 2 einer Windenergieanlage verdeutlichen, sind die durch die Erfindung erzielten Wirkungen und Vorteile auch auf andere Messobjekte, insbesondere längliche Messobjekte mit variierendem Querschnitt anwendbar.

Claims

Ansprüche
1. Messsystem (1 ) zur Vermessung einer Oberfläche eines Rotorblattes einer Windenergieanlage als Messobjekt (2), umfassend:
eine Trägereinheit (3) mit mehreren in einer Messebene angeordneten Messsensoren (30), wobei das Messsystem (1 ) eingerichtet ist, die Messebene mit einem Profilschnitt des Messobjektes (2) auszurichten,
eine Bewegungseinheit (5), die eingerichtet ist, die Trägereinheit (3) in einer in einem Winkel auf der Messebene stehenden Längsrichtung (z) relativ zu dem Messobjekt (2) zu bewegen,
eine Zustelleinheit (40), die eingerichtet ist, wenigstens einen Messsensor (30) in der Messebene relativ zu dem Profilschnitt zuzustellen, wobei
die Messsensoren (30) als Laserschnittsensoren ausgestaltet sind und
die Zustelleinheit (40) dazu eingerichtet ist, einen Abstand zwischen dem wenigstens einen Messsensor (30) und dem Messobjekt (2) derart zuzustellen, dass eine Anforderung an eine Messauflösung des Messsensors (30) bezüglich der Oberfläche des Rotorblattes sowohl in einem Nabenbereich des Rotorblattes als auch in einem Blattspitzen bereich erfüllt ist.
2. Messsystem (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Zustelleinheit (40) ein mechanisches Zustellelement aufweist, das dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen Messsensor (30) mechanisch zuzustellen.
3. Messsystem (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zustelleinheit (40) ein lineares Zustellelement (42), insbesondere einen Hydraulikzylinder, aufweist und eine Achse des
Zustellelements in der Messebene verläuft.
4. Messsystem (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Messsensoren (30) eingerichtet sind, jeweils einen Teil des Profilschnitts des Messobjektes (2) in der Messebene zu erfassen, und wobei das Messsystem (1 ) ferner eine Berechnungseinheit aufweist, die eingerichtet ist, die erfassten Teile des Profilschnitts zu einem gesamten Profilschnitt zusammenzufügen.
5. Messsystem (1 ) nach Anspruch 4, wobei die Berechnungseinheit ferner eingerichtet ist, Profilschnitte an verschiedenen Positionen der Trägereinheit (3) in Längsrichtung (z) zu einem Profil der Oberfläche des Messobjektes (2) zusammenzufügen.
6. Messsystem (1 ) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Berechnungseinheit eingerichtet ist, den erfassten Profilschnitt bzw. das erfasste Profil mit einem Referenzprofilschnitt bzw. einem Referenzprofil zu vergleichen und zu bestimmen, wenn eine Abweichung zwischen Referenzprofilschnitt bzw. Referenzprofil und erfasstem Profilschnitt bzw. Profil einen vorbestimmten Toleranzwert überschreitet.
7. Messsystem (1 ) nach Anspruch 6, wobei die Berechnungseinheit ferner eingerichtet ist, eine Korrektur des erfassten Profilschnittes bzw. des erfassten Profils basierend auf einem Eigengewicht des Messobjektes (2) und der Schwerkraft vorzunehmen.
8. Messsystem (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Trägereinheit (3) als Portal ausgestaltet ist, wobei die Messsensoren (30) in Richtung des Inneren des Portals ausgerichtet sind.
9. Messsystem (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Trägereinheit (3) eingerichtet ist, innerhalb des Profilschnittes des Messobjektes (2) angeordnet zu werden, wobei die Messsensoren von der Trägereinheit (3) weg nach außen gerichtet sind.
10. Messsystem (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bewegungseinheit (5) eine Führungskomponente, insbesondere eine Schiene, und eine Antriebskomponente, insbesondere einen Elektromotor, umfasst, wobei die Führungskomponente die Längsrichtung (z) definiert und die Bewegungseinheit (5) eingerichtet ist, die Trägereinheit (3) mittels der Antriebskomponente entlang der Führungskomponente zu bewe- gen.
1 1. Messsystem (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das weiter eine Positionsbestimmungseinheit (50), insbesondere einen Positionslaser (52), aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Position der Trägereinheit (3) entlang der Längsrichtung (z) zu bestimmen.
12. Messsystem (1 ) nach Anspruch 1 1 , wobei die Trägereinheit (3) einen Retroreflek- tor (54) aufweist und wobei die Positionsbestimmungseinheit (50) eingerichtet ist, die Position der Trägereinheit (3) mittels des Retroreflektors (54) zu bestimmen.
13. Messverfahren zur Vermessung einer Oberfläche eines Rotorblattes einer Windenergieanlage als Messobjekt (2), umfassend die Schritte:
- Ausrichten einer Trägereinheit (3) mit mehreren in einer Messebene angeordneten Messsensoren (30) mit einem Profilschnitt des Messobjektes (2), wobei die Messsensoren (30) als Laserschnittsensoren ausgestaltet sind,
- Bewegen der Trägereinheit (3) in einer in einem Winkel auf der Messebene stehenden Längsrichtung (z) relativ zu dem Messobjekt (2),
- Zustellen wenigstens eines der Messsensoren (30) in der Messebene relativ zu dem Profilschnitt derart, dass ein Abstand zwischen dem wenigstens einen Messsensor (30) und dem Messobjekt (2) eine Anforderung an eine Messauflösung des Messsensors (30) bezüglich der Oberfläche des Rotorblattes sowohl in einem Nabenbereich des Rotorblattes als auch in einem Blattspitzen bereich erfüllt.
14. Messverfahren nach Anspruch 13, wobei je mindestens ein Profilschnitt des Messobjektes (2) vor und nach dem Bewegen der Trägereinheit (3) und dem Zustellen wenigs- tens eines der Messsensoren (30) erfasst wird.
15. Messverfahren nach Anspruch 14, wobei zu jedem Profilschnitt eine Position der Trägereinheit (3) in der Längsrichtung (z) erfasst wird.
16. Messverfahren nach Anspruch 15, wobei wenigstens ein Profilschnitt in Abhängigkeit von seiner Position in der Längsrichtung (z) korrigiert wird.
17. Messverfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei aus den erfassten Profilschnitten ein Oberflächen profil des Messobjektes (2) berechnet wird.
18. Messverfahren zur Vermessung einer Oberfläche eines Messobjektes (2), insbe- sondere eines Rotorblattes einer Windenergieanlage, unter Verwendung eines Messsystems (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
19. Verfahren zur Qualitätssicherung eines eines Rotorblattes einer Windenergieanlage als Messobjekt (2) unter Verwendung eines Messsystems (1 ) insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei
das Messsystem (1 ) eine Oberfläche des Messobjektes (2) zunächst mit einer ersten Auflösung vermisst,
die Oberfläche des Messobjektes (2) mit der ersten Auflösung mit einer Referenzoberfläche verglichen wird,
wobei das Messsystem (1 ) in dem Fall, dass eine Abweichung der Oberfläche des
Messobjektes (2) mit der ersten Auflösung von der Referenzoberfläche einen Schwellwert überschreitet, die Oberfläche des Messobjektes (2) mit einer zweiten, höheren Auflösung vermisst.
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