JP2015505279A - 風力タービン用ボルト締めロボット - Google Patents

Abstract

風力タービン（１）の継ぎ手円形フランジ接続部（１８）に一連のナットボルト（５）をボルト留めするロボット（４）であって、ロボット（４）は、少なくとも２つの車輪（１２）と、ロボット（４）を一連のナットボルト（５）に沿って搬送する駆動部（８）と、ナットボルト（５）を所定のトルクでボルト留めするツール（７）と、ボルト留めされるナットボルト（５）上にツール（７）を位置決めする位置センサ（１１）と、締付工程を制御し、ボルト留めされたナットボルト（５）それぞれの安定性に関連するパラメータを証拠として記録するロボット制御システム（１７）とを備える。【選択図】 図２

Description

本発明は概して、風力タービンの継ぎ手円形フランジ接続部に一連のナットボルトをボルト留めするロボットに関する。

本発明はさらに、風力タービンの継ぎ手円形フランジ接続部に一連のナットボルトをボルト留めする方法に関する。

図１に示すような風力タービン１は、工場の作業場でそれぞれ事前に組み立てられるいくつかの大きな単一部品で構成される。風力タービン１のタワー２は、１００メートルまたは１５０メートル、あるいはさらに上の高さに達することがあり、典型的には、両端に円形フランジ接続部のある、長さが例えば２０メートルまたは３０メートルのチューブ部分３で構成される。風力タービン１が現地で建てられる際、チューブ部分３は、組み合わされ、ボルトおよびナットボルトにより継ぎ手円形フランジ接続部で接続される。接続部に要求される剛性および強度を確保するには、大量の、典型的には数百本の大型ボルトが必要である。継ぎ手部分において適切な規定の剛性および強度を達成するためには、すべてのボルトが所定の予荷重またはトルクでボルト留めされなければならない。

風力タービンが建てられる際、ボルトナットは、現在は手作業で付けられて予備締めされるのが典型的である。これに続いて、手作業で規定の予荷重がナットボルトにかけられる。この手順では、油圧高トルクレンチが用いられるのが典型的である。作業環境の温度や、油圧油の温度、油圧トルクレンチに供給される利用可能な油圧などといったいくつかの要因またはパラメータが、この締付工程の品質に影響を及ぼす。

すべてのボルトの締め付けは典型的には手作業で行われ、風力タービンの剛性および強度を確保するためには高水準の品質が必要である。締付工程は、１基の風力タービン１につき数日間かかることもある、非常に危険な作業である。おそらくは建てて何年もたってからのことであろうが、風力タービン１のタワー２が倒壊した場合、そうした事故の原因を解析し、倒壊前にボルトが仕様に従って締められたか否かを証拠立てるのは困難である。

本発明はさらに、振動する機器を用いた単調な反復作業によって引き起こされる身体的衰弱および業務上の疾病を緩和することを探求するものである。

本発明の目的は、既知の手仕事による作業の問題点を回避する、風力タービンの継ぎ手円形フランジ接続部に一連のナットボルトをボルト留めするロボットを提供することである。

この目的は、ロボットを一連のナットボルトに沿って搬送する駆動部と、ナットボルトを所定のトルクでボルト留めするツールと、ボルト留めされるナットボルト上にツールを位置決めする位置センサと、締付工程を制御し、ボルト留めされたナットボルトを証拠立てるパラメータを格納するロボット制御システムとを備えるロボットにより達成される。

本発明のさらなる目的は、既知の手仕事による作業の問題点を回避する、そのようなナットボルトをボルト留めする方法を提供することである。

この目的は、以下のステップ、すなわち、ナットボルトを継ぎ手円形フランジ接続部の各ボルトに対して位置決めするステップと、請求項１ないし７のいずれかに記載のロボットを継ぎ手円形フランジ接続部に対して位置決めし、ロボット制御システムを起動して、所定の順序および／または所定のトルクでナットボルトを締めると共にボルト留めされたナットボルトを証拠立てるパラメータを格納するステップとを含む方法により達成される。

本発明によるボルト締めロボットおよび方法には、風力タービンの異なる部品を接続するすべてのボルトおよびナットボルトを、要求された予荷重で全自動で締めることができる、という利点がある。さらに、ロボットの自動化により、締付工程の完全な証拠立てを行うことができる。

本発明のこれらおよび他の態様について、以下に説明する実施の形態を参照して明らかにする。当業者は、さまざまな実施の形態が組み合わせ可能であることを理解するであろう。

図１は、チューブ部分で作られたタワーを持つ風力タービンを示す図である。 図２は、ボルト締めロボットの斜視図である。 図３は、図２のボルト締めロボットの正面図である。 図４は、図２のボルト締めロボットの上面図である。

図２は、風力タービン１の継ぎ手円形フランジ接続部１８に一連のナットボルト５をボルト６とボルト留めするボルト締めロボット４の斜視図である。以下の２つの方法のうちの少なくとも１つを用いて、ナットボルト５を好ましい予荷重または所定のトルクでボルト留めすることができる。

方法１−ボルトを引っ張る
この方法では、ボルト６の引き伸ばしによってボルト６に張力がかけられる。ボルト６は必要な仕様に従う通常のねじ式ボルト（伸びボルトではない）である。従って、油圧張力装置が用いられる。ボルト６またはスタッドボルトのねじ部にはまるクランプによって、ボルト６にしっかりと接続される。プラーとして働く油圧ラムがクランプに接続される。小型ポンプからの油圧油が油圧ラムに作用し、油圧ラムがプラーに作用する。これがボルト６に伝達され、その結果、伸びが生じる。張力、すなわちボルト６の引き伸ばしは、油圧によって効果的に制御される。実際には、張力は、ラムにおける油圧と設計圧力の比に比例する。ボルト６の端部に力が加えられている間、ナットボルト５は、わずかな規定トルクが計測できるようになるまで回転させられる。圧力が解除されると、ナットボルト５が荷重で弾性的に変形するので、予荷重がわずかに低下する場合がある。ナットボルト５にかけるトルクを低い値に明確に定めておくことにより、予荷重の低下を非常にわずかな範囲にとどめることができる。

さらに、予荷重の低下の平均は継ぎ手に用いられるボルト、ナット、およびフランジによって定まるが、校正試験の際にこれを継ぎ手接続部ごとに決めることができる。そのような校正試験は、例えばスキッドモア試験（Ｓｋｉｄｍｏｒｅ ｔｅｓｔ）であり、この試験では、接合部に用いられるボルトと同等のボルトが、接合部に用いられるのと同じトルク、同じツールを用いて特別なスキッドモア装置にボルト留めされる。スキッドモアボルト張力校正器は、ボルトなどのねじ式締結具の張力を測定するのに用いられる油圧式荷重計である。ボルトの張力が油圧シリンダの油を圧縮する。そして、シリンダに接続された圧力計が、圧力ではなく力の単位で読み取るように校正される。その結果、ロボット４がこの方法を用いてナットボルトをボルト留めする場合には、ボルトとナットボルト接続部の取り付けに関する不確かさが最小限に抑えられる。

方法２−トルクレンチを使用する
この方法では、ナットボルト５にトルクをかけ、ナットボルト５のねじによりボルト６の張力が生じることによって、ボルト６に張力がかけられる。ナットボルト５を所与の予荷重まで締めるのに必要な定格トルクは、表から求めることもできるし、トルクと生じるボルト張力との関係を用いた計算によって求めることもできる。上記の手順により求めた要求トルクを、従来のトルクレンチの設定値にする。そのようなトルクレンチは一般に油圧駆動であり、油圧ポンプが、規定の比率で必要なトルクをナットボルト５にかける。

トルクの大部分がワッシャ、ナットボルト５、およびボルト６の間の摩擦に打ち勝つために用いられ（通常、かけられたトルクの８５％ないし９５％）、摩擦条件のわずかな変動がボルト６の張力（予荷重）に著しい変化を引き起こしかねないことを考慮しなければならない。通常、この効果は、いわゆる摩擦安定剤を用いることによって低減できる。摩擦安定剤は、ナットボルト５に、またはボルト６のねじに塗布される物質である。この方法を用いる場合、校正試験装置で同等のボルト６、ワッシャ、およびナットボルト５を用いることによってトルク工具の校正を行うのが通常の手順である（スキッドモア試験）。

トルクと、対応するボルト６のテンションとの間にはいくつかの影響因子があるので、方法１の方が高品質が得られ、従って好適であると考えられる。

図２の第１の実施の形態によるボルト締めロボット４には、動作可能な状態の（方法２で説明された）トルクレンチ７が装備されている。ボルト締めロボット４はさらに、ロボット４を一連のナットボルト５に沿って搬送する駆動部１９を備え、駆動部１９はベルト駆動部８を備える。ロボット４のさらなる要素は、ベースフレーム９、およびトルクレンチ７を取り付けるためのクランプシステム１０である。ベースフレーム９の下側には、位置決めセンサ１１、および駆動部１９の車輪１２が配置される。図２はさらに、継ぎ手円形フランジ接続部１８の円形フランジ１３、およびロボット４の背後にある、チューブ部分３の継ぎ手円形フランジ接続部１８の金属壁１４を示す。

ベルト駆動部８は、ボルト締めロボット４のベースフレーム９の上部に取り付けられる。ベルト駆動部８のベルト１５には、いくつかの電磁石が装備されている（図示しない）。チューブ部分３にロボット４を合わせる設定手順の際、ベルト駆動部８は、磁石が確実に壁１４に接触するようにする３個の調整ローラ１６で調整される。その結果、常に１つ以上の電磁石が壁１４に接触している。接触している電磁石は作動状態であり、ロボット４を金属壁１４に接続する。この接触により、ロボット４の固定が確実になる。ベルト１５の動きにより、一連のナットボルト５に沿って搬送されるようにロボット４が駆動される。

ベースフレーム９にはクランプシステム１０が置かれる。クランプシステム１０は調整可能であり、異なる種類のトルクレンチ７に合わせて構成することができる。クランプシステム１０は、トルクレンチ７を回転させたり、トルクレンチ７を上下に移動させたりすることができる。これは、あるナットボルト５から、締め付けられるべき次のナットボルト５に、トルクレンチ７を移動させるために必要である。トルクレンチ７の回転が必要なのは、ナットボルト５の六角頭の向きがナットボルト５ごとに変わる可能性があるためである。トルクレンチ７は、ナットボルト５上に置かれた時に自由に回転できる。これが可能なのは、クランプシステム１０の中心軸の回転点がナットボルト５のちょうど中心上にあり、従ってベースフレーム９およびクランプシステム１０に力を伝達することなくトルクレンチ７が自由回転できるようになっているためである。締付手順の際、トルクレンチ７は、車輪１２またはフランジ１３に支えられる。

位置センサ１１は、ベースフレーム９の下側に置かれる。位置センサ１１は、ボルト６上のナットボルト５に対するロボット４の位置を割り出し、センサ情報をロボット制御システム１７に提供する。ロボット制御システム１７は、締付工程を制御し、ボルト留めされたナットボルト５それぞれが仕様に従って取り付けられたことを証拠立てるパラメータを格納するものである。ナットボルト５をボルト留めするのに用いられる仕様は、用いられる材料（ボルト６およびナットボルト５）、およびその他の要因（例えばタワー２の構造設計）に左右される。

ロボット制御システム１７はコンピュータによって実現され、ロボット４上に置く（取り付ける）こともできるし、継ぎ手接続部１８の近くに置くこともできる。ロボット４とロボット制御システム１７との間では、バスケーブルまたは遠隔接続によりロボット４とロボット制御システム１７との間のデータ転送が確立される。どちらの場合も、必要な電気はケーブル経由でロボット制御システム１７およびロボット４に供給されるが、これはロボット４が自立型でないためである。ロボット制御システム１７は、一連のナットボルト５をボルト留めするのに必要な方法に従って自由に構成することができる。これにより、使用者は、ナットボルト５を特定のパターンまたは所定の順序に従って締めることもできるし、ナットボルト５を次から次へと連続して締めることもできる。すべてのナットボルト５を２度締めするという手順もロボット制御システム１７で実行することができる。ナットボルト５の締め付けに加えて、ロボット制御システム１７は、各ナットボルト５の締付工程についての使用者の定めた証拠立てを提供するための、使用者の定めた必要なパラメータをすべて記録する。証拠立ては全自動で行われ、Ｗｉｆｉ接続を介して直接、補完システムに渡され得る。締付工程の証拠立ておよび進捗も遠隔的に追うことができる。

ロボット制御システム１７は、ナットボルト５それぞれについて重要なパラメータをすべて追跡し、証拠立てる。これを可能にするため、ロボット制御システム１７は、パラメータを測定し、例えば周囲温度、トルクレンチ７の油圧油の温度、および油圧を証拠立てるための、適切なセンサを備える。必要に応じて、追加のパラメータ／設定値を証拠立てに加えることができる。また、ロボット制御システム１７は、上記のようにボルト締付手順も証拠立てる。ロボット４は無人で動作する。これにより、事故の危険が減り、締められたナットボルト５の品質が上がる。締付手順で不具合が生じた場合に備えて、ロボット４は引き続き次のナットボルト５に移るように構成されてよい。問題解決ルーチンにより、起こり得る異常が証拠立てられ、手順がスタッフに提供される。手順は、ロボット４のロボット制御システム１７で表示することもできるし、遠隔接続を介して自動的に送信することもできる。これにより、効率的な準備と非常に効率的な問題解決が可能になり、従って所要時間が短縮される。

ロボット４の車輪１２の寸法は、継ぎ手円形フランジ接続部１８に用いられるナットボルト５の寸法に左右される。ナットボルト５の大きさに応じて、車輪１２の形状を調整することもできるし、車輪１２を交換することもできる。さらに、車輪１２は、ロボット４を継ぎ手円形フランジ接続部１８のボルト円の回りで移動させるために、互いに角度を付けられている。

別の実施の形態において、ロボットを搬送する駆動部は、１つ以上の車輪１２を駆動する電気モータのような他の任意の搬送方式によって実現できる。搬送は、車輪なしでも実現できるし、２本、または４本以上の車輪でも実現できる。さらに、壁１４に接続する真空パッドで駆動部を実現することもできる。

ロボット４を用いると、風力タービン１のチューブ部分３の継ぎ手円形フランジ接続部１８に一連のナットボルト５をボルト留めする方法は、以下のように単純になる。クレーンがチューブ部分３同士を上下に重ねてタワー２を建て、１人以上の作業員が、タワー２を一時的に安定させられるように、ナットボルト５を置いて予備締めする。その後、図２ないし図４に示すようにロボット４が継ぎ手円形フランジ１３上に置かれ、ロボット制御システム１７が起動されてナットボルト５をボルト留めする手順を開始する。ロボット４のセンサは、関連パラメータをすべて測定して証拠立てる。動作が正しいことを確認するため、この証拠立てはリアルタイムで吟味されてよい。その後、風力タービン１が仕様に従って建てられたことを証拠立てられるようになる。さらに、この証拠立ては、改ざんも変更もできず、実際の状況と、所与のパラメータへの適合とを証明するのに用いることができる。

請求されている、継ぎ手円形フランジ接続部に一連のナットボルトをボルト留めするロボットは、同様の建物にも同じ目的で用いられてよい。例えば、本ロボットを用いて、風車またはアンテナ支柱もしくは見張り台として用いられるタワーのチューブ部分のフランジ作業をすることができる。風力タービンでは、タワーおよびブレードのトルク付与工程に本ロボットを用いることができる。

請求の範囲および本説明における「ボルト留めする」という用語は、当然のことながら、「締める」「トルクを与える」「予荷重をかける」「予応力を与える」または「ねじ留めする」という用語の意味を包含する。

本発明によるロボットは、既に手作業に基づいて建てられたタワー２について、証拠立ての目的のみで用いることもできる。その場合、ロボットは、既にボルト留めされたナットボルトを検査して、ボルト留めされたナットボルトに関するパラメータを収集し、格納する。これらが仕様に従っていれば、証拠立てられたパラメータによってタワーの構造解析に取り組むことができる。

Claims (9)

1. 風力タービン（１）の継ぎ手円形フランジ接続部（１８）に一連のナットボルト（５）をボルト留めするロボット（４）であって、
   前記ロボット（４）を前記一連のナットボルト（５）に沿って搬送する駆動部（１９）と、
   ナットボルト（５）を所定のトルクでボルト留めするツール（７）と、
   ボルト留めされる前記ナットボルト（５）上に前記ツール（７）を位置決めする位置センサ（１１）と、
   前記締付工程を制御し、ボルト留めされた前記ナットボルト（５）を証拠立てるパラメータを格納するロボット制御システム（１７）と
   を備えることを特徴とするロボット（４）。
2. ボルト留めされた前記ナットボルト（５）それぞれが仕様に従って取り付けられたか否かを証拠立てるパラメータを前記ロボット制御システム（１７）が格納する請求項１に記載のロボット（４）。
3. 所定の順序で前記継ぎ手円形フランジ接続部（１８）に前記ナットボルト（５）をボルト留めするように前記ロボット制御システム（１７）がロボット（４）を制御する請求項１に記載のロボット（４）。
4. 前記ロボット（４）の前記駆動部（１９）が、前記ロボット（４）を前記一連のナットボルト（５）の回りで移動させるために互いに角度を付けられた車輪（１２）を備える請求項１ないし３のいずれか１項に記載のロボット（４）。
5. 前記風力タービン（１）の前記継ぎ手円形フランジ接続部（１８）の金属壁（１４）に一時的に接続してロボット（４）を搬送する磁石がベルト（１５）に取り付けられたベルト駆動部（８）を前記ロボット（４）の前記駆動部（１９）が備える請求項１ないし４のいずれか１項に記載のロボット（４）。
6. 前記ベルト駆動部（８）が、前記円形金属壁（１４）への前記磁石の一時的な接続を確実にする前記ベルト（１５）用の調節ローラ（１６）を備える請求項５に記載のロボット（４）。
7. 前記ナットボルト（５）を所定のトルクでボルト留めする前記ツールが、ボルト引張法を用いるか、またはトルクレンチ（７）およびクランプシステム（１０）によって実現される請求項１ないし６のいずれか１項に記載のロボット（４）。
8. 風力タービン（１）の継ぎ手円形フランジ接続部（１８）に一連のナットボルト（５）をボルト留めする方法であって、以下のステップ、すなわち、
   ナットボルト（５）を前記継ぎ手円形フランジ接続部（１８）の各ボルト（６）に対して位置決めするステップと、
   請求項１ないし７のいずれかに記載のロボット（４）を前記継ぎ手円形フランジ接続部（１８）に対して位置決めし、前記ロボット制御システム（１７）を起動して、所定の順序および／または所定のトルクで前記ナットボルト（５）を締めると共にボルト留めされた前記ナットボルト（５）を証拠立てるパラメータを格納するステップと
   を特徴とする方法。
9. ボルト留めされた前記ナットボルト（５）それぞれが仕様に従って取り付けられたか否かを証拠立てるパラメータを前記ロボット制御システム（１７）が格納する請求項８に記載の方法。