KR101346175B1

KR101346175B1 - 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇

Info

Publication number: KR101346175B1
Application number: KR1020120067008A
Authority: KR
Inventors: 조승호; 김성태; 석진욱; 이병규
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2013-12-31

Abstract

풍력발전기용 블레이드의 조립로봇이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇은, 바디 블록과, 바디 블록을 타워(tower)에 회전 가능하게 지지시키는 블록 회전지지부를 구비하는 로봇 바디; 타워의 상단부에 배치되는 허브(hub)의 허브 베어링에 조립되는 블레이드(blade)를 그립핑하는 블레이드 그립퍼; 및 로봇 바디와 블레이드 그립퍼에 연결되며, 허브 베어링에 대한 블레이드의 얼라인(align) 작업을 위하여 허브 베어링에 대한 블레이드의 상대위치를 조절하는 블레이드 얼라인용 상대위치 조절유닛을 포함한다.

Description

풍력발전기용 블레이드의 조립로봇{Assembly robot for windmill blade}

본 발명은, 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 블레이드의 조립 작업을 종래보다 용이하게 진행할 수 있는 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇에 관한 것이다.

풍력발전기(혹은 풍력터빈)는 바람에 의한 회전에너지로부터 전기에너지를 생산하는 장치로서, 화석연료의 고갈과 환경문제로 인해 점차 그 비중이 커지고 있다.

이러한 풍력발전기는 바람에 의해 회전되는 다수의 블레이드(blade)가 허브(hub)에 연결되어 마련되는 로터(rotor)와, 로터와 연결되는 나셀(nacelle)을 지지하면서 보호하는 나셀 커버(nacelle cover)와, 나셀 커버를 지지하는 타워(tower)를 포함한다.

블레이드는 공기 역학적으로 설계된 형상을 이용하여 바람의 에너지에서 유용한 공력 토크(torque)를 발생시키고 이 공력 토크를 이용하여 발전기를 회전시켜 전기를 발생시킨다.

전기 발생량을 증가시키기 위해서는 블레이드의 공기 역학적 형상이 중요하다. 뿐만 아니라 구조적으로 그 형상으로부터 유발되는 하중을 적절히 지지할 수 있어야 한다.

하중은 공기역학적 형상에 지배적이지만 구조적인 최적 설계를 통해 동일한 하중을 지지하면서도 최대한 가벼운 블레이드를 설계 하는 것이 또 하나의 중요한 설계 기술이다.

한편, 블레이드는 타워와 마찬가지로 대단히 큰 거대 구조물이기 때문에 풍력발전기의 설치 시, 즉 타워의 상단부에 결합된 허브에 다수의 블레이드를 조립(설치)하는 작업은 용이하지 않다.

특히, 필요에 따라 많은 크레인을 동원할 수도 있는 육상과 달리 해상처럼 작업 환경이 열악한 장소에서 타워의 상단부에 결합된 허브에 다수의 블레이드를 조립하는 작업은 여간 어려운 것이 아니다.

이는 육상과 달리 해상의 경우, 강풍이나 파고 등의 외기 조건이 상당히 나쁠 뿐만 아니라 해상에서의 크레인 작업이 다소 제한적일 수 있기 때문이다.

이러한 상황을 감안하여 허브에 블레이드를 조립 또는 설치하기 위한 방안들이 지속적으로 제안되고 있기는 하지만 실질적인 구조 대비 그다지 효율적이지 못한 것으로 알려지고 있으므로 이에 대한 새롭고 진보적인 방안이 요구된다.

선행기술 ; 미국특허 US7,726,941

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 크레인 없이도 타워에 대해 블레이드를 효율적으로 그립핑할 수 있음은 물론 허브 베어링과 블레이드 간의 얼라인(align) 작업을 용이하게 수행할 수 있으며, 이에 따라 블레이드의 조립 작업을 종래보다 용이하게 진행할 수 있는 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 바디 블록과, 상기 바디 블록을 타워(tower)에 회전 가능하게 지지시키는 블록 회전지지부를 구비하는 로봇 바디; 상기 타워의 상단부에 배치되는 허브(hub)의 허브 베어링에 조립되는 블레이드(blade)를 그립핑하는 블레이드 그립퍼; 및 상기 로봇 바디와 상기 블레이드 그립퍼에 연결되며, 상기 허브 베어링에 대한 상기 블레이드의 얼라인(align) 작업을 위하여 상기 허브 베어링에 대한 상기 블레이드의 상대위치를 조절하는 블레이드 얼라인용 상대위치 조절유닛을 포함하는 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇이 제공될 수 있다.

상기 블록 회전지지부는, 상기 타워의 측벽에 그 원주 방향을 따라 결합되는 태양기어; 상기 태양기어에 치합되어 상기 태양기어를 따라 회전되는 적어도 하나의 유성기어; 및 상기 태양기어와 상기 바디 블록에 연결되어 상기 바디 블록을 지지하면서 상기 바디 블록의 회전 운동을 가이드하는 블록 가이드부를 포함할 수 있다.

상기 블록 회전지지부는, 상기 유성기어에 연결되며, 상기 유성기어가 정역 방향으로 회전되도록 하는 동력을 제공하는 동력제공부를 더 포함할 수 있다.

상기 블록 가이드부는, 상기 타워와 상기 태양기어 사이에서 구름 회전되는 적어도 하나의 롤러; 및 상기 바디 블록에 상기 롤러를 회전 가능하게 지지하는 롤러 지지체를 포함할 수 있다.

상기 블레이드 얼라인용 상대위치 조절유닛은, 상기 타워의 길이 방향에 대한 상기 블레이드의 틸팅 각도를 조절하는 틸팅 조절부; 및 상기 틸팅 조절부와 연결되며, 상기 블레이드의 스위블 각도를 조절하는 스위블 조절부를 포함할 수 있다.

상기 틸팅 조절부는, 일단부는 상기 바디 블록에 자유 회전 가능하게 결합되고 타단부는 상기 스위블 조절부에 결합되는 틸팅 조절바아; 및 상기 바디 블록과 상기 틸팅 조절바아에 연결되어 상기 틸팅 조절바아를 구동시키는 적어도 하나의 틸팅 조절용 액추에이터를 포함할 수 있다.

상기 스위블 조절부는, 상기 틸팅 조절바아의 단부가 결합되는 바아 결합부; 일측은 상기 블레이드 그립퍼에 연결되고 타측은 상기 바아 결합부에 스위블 가능하게 결합되는 스위블 바디; 및 양단부가 상기 바아 결합부와 상기 스위블 바디에 연결되며, 상기 블레이드의 스위블 각도 조절을 위해 상기 바아 결합부에 대하여 상기 스위블 바디를 구동시키는 적어도 하나의 스위블 조절용 액추에이터를 포함할 수 있다.

상기 스위블 바디는 상기 블레이드 그립퍼를 선형 이동시키는 리니어 모터를 포함할 수 있다.

상기 블레이드 그립퍼는, 그립핑 바디; 상기 그립핑 바디에 연결되는 다수의 그립핑 아암; 및 상기 그립핑 아암들의 단부에 마련되어 상기 블레이드의 외표면에 접촉가압되는 접촉가압부를 포함할 수 있다.

상기 접촉가압부는, 작업유체의 압력에 의해 부피 팽창되면서 상기 블레이드의 외표면에 탄성적으로 접촉가압되는 탄성 접촉가압 튜브일 수 있다.

상기 탄성 접촉가압 튜브로 상기 작업유체를 공급하는 작업유체 공급부; 상기 탄성 접촉가압 튜브 내로 공급되는 상기 작업유체의 압력을 감지하는 작업유체 압력감지부; 및 상기 작업유체 압력감지부의 정보에 기초하여 상기 작업유체 공급부의 동작을 컨트롤하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.

상기 블레이드에 대한 상기 블레이드 그립퍼의 그립핑 위치에 대응되는 위치에서 상기 블레이드의 내부에 배치되며, 상기 블레이드 그립퍼의 그립핑 방향에 역 방향으로 저항하면서 상기 블레이드의 변형을 저지시키는 변형저지유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 변형저지유닛은, 작업유체의 공급 또는 취출에 의해 부피 팽창 또는 부피 수축 가능한 변형저지용 튜브일 수 있다.

상기 변형저지유닛은, 상기 변형저지용 튜브의 부피 팽창 방향을 가이드하기 위해 상기 변형저지용 튜브의 적어도 어느 일측에 결합되어 해당 영역에서의 부피 팽창을 저지시키는 적어도 하나의 부피 팽창 저지벽체를 더 포함할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 크레인 없이도 타워에 대해 블레이드를 효율적으로 그립핑할 수 있음은 물론 허브 베어링과 블레이드 간의 얼라인(align) 작업을 용이하게 수행할 수 있으며, 이에 따라 블레이드의 조립 작업을 종래보다 용이하게 진행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇이 적용될 풍력발전기의 정면도로서 하나의 블레이드가 설치되기 전 상태의 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇의 설치 상태도이다.
도 3은 도 2를 다른 각도에서 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 각각 도 2 및 도 3의 요부 확대도이다.
도 6은 블레이드가 타워의 원주 방향으로 회전되는 과정을 도시한 도면이다.
도 7은 블레이드가 스위블 동작되는 과정을 도시한 도면이다.
도 8은 블레이드가 틸팅 동작되는 과정을 도시한 도면이다.
도 9는 블레이드가 허브 쪽으로 직선 이동되는 과정을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇에서 접촉가압부 영역의 확대 구조도이다.
도 11은 도 10에 적용되는 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇의 제어블록도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇의 요부 구조도이다.
도 13은 블레이드에 대한 변형 단면 구조도이다.
도 14는 도 13에 적용될 본 발명의 제4 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇의 변형저지유닛에 대한 개략적인 구성도이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇이 적용될 풍력발전기의 정면도로서 하나의 블레이드가 설치되기 전 상태의 도면이다.

이 도면을 참조하여 풍력발전기에 대해 간략하게 살펴보면, 풍력발전기는 나셀(nacelle, 미도시)에 연결되고 바람에 의해 회전되는 다수의 블레이드(110, blade)와, 나셀과 블레이드(110)의 축 방향 하중을 지지하는 타워(101, tower)를 포함한다.

블레이드(110)는 바람에 의해 회전되면서 회전운동을 발생시키는 일종의 날개이다. 허브(102)를 기준으로 방사상으로 배치되는 블레이드(110)는 바람에 의해 쉽게 회전될 수 있도록 유선형의 날개 형상을 가질 수 있으며, 2개 이상이 적용될 수 있다. 본 실시예의 풍력발전기에는 3개의 블레이드(110)가 적용되고 있지만 이의 개수에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다.

허브(102)는 다수의 블레이드(110)가 연결되는 장소이다. 허브(102)와 다수의 블레이드(110)를 통틀어 로터(rotor)라 부르기도 한다. 허브(102)는 정면에서 바라볼 때 대략 원형의 형상을 가지며, 측면에서 바라볼 때는 돔(dome) 형상을 가질 수 있다.

이러한 허브(102)에는 허브 베어링(103, hub bearing)이 마련된다. 허브 베어링(103)에는 스티프너(104)가 결합되며, 허브 베어링(103)에는 그 원주 방향을 따라 다수의 볼트공(103a)이 형성된다. 볼트공(103a)들은 블레이드(110)의 단부에 마련되는 스터드 볼트(110a)들과의 결합 장소를 이룬다.

허브(102)에는 블레이드(110)의 회전운동을 전달받아 동력을 발생시켜 전기에너지를 생산하는 나셀(nacelle, 미도시)이 연결되며, 나셀은 나셀 커버(105, nacelle cover)에 의해 보호된다.

앞서도 잠시 언급한 바와 같이, 나셀은, 블레이드(110)의 회전운동을 전달받아 동력을 발생시켜 전기에너지를 생산하는 등 풍력발전기를 구동시키는데 있어 중요한 역할을 담당하는 기계부품들, 예컨대 메인 샤프트(main shaft, 미도시), 기어 박스(gear box, 미도시), 제너레이터(generator, 미도시)와 같은 기계부품들이 구조적으로 결합되어 있는 구조체를 통틀어 부르는 이름이다.

나셀 커버(105)는 나셀의 외부에 결합되어 나셀을 보호하는 역할을 한다. 나셀 커버(105)는 외기에 그대로 노출되어 눈, 비 혹은 햇볕 등에 상시 노출되기 때문에 어느 정도의 강성이 보장되어야 한다. 따라서 나셀 커버(105)는 내구성이 우수한 비금속 혹은 금속 복합 재질로 제작될 수 있다.

타워(101)는 상하로 길게 배치되는 축으로서, 다수의 블레이드(110), 허브(102), 나셀 및 나셀 커버(105) 등의 구조물에 대한 축 방향 하중을 지지한다.

타워(101) 역시, 블레이드(110)와 마찬가지로 내부가 빈 파이프(pipe) 형의 구조물이며, 타워(101)의 내부 빈 공간을 통해 케이블(cable) 등이 통과된다. 케이블은 송전용 파워 케이블(power cable), 통신용 케이블(cable) 등을 포함한 다양한 종류의 케이블일 수 있다.

한편, 사이즈 혹은 크기가 작은 풍력발전기의 경우에는 설치에 어려움이 없지만, 예컨대 타워(101)의 길이가 대략 100 미터(m) 내외이고 블레이드(110)의 길이 역시 타워(101)에 준하는 길이를 갖는 대형 풍력발전기의 경우, 도 1처럼 허브(102)에 블레이드(110)를 설치하는 설치 작업이 그리 용이한 것은 아니다.

특히, 해상과 같이 작업 환경이 열악한 장소에서 타워(101)의 상단부에 결합된 허브(102)의 허브 베어링(103) 상에 마련되는 볼트공(103a)들에 블레이드(110)의 단부에 마련되는 스터드 볼트(110a)들이 하나씩 맞대응되게 끼워지도록 허브 베어링(103)과 블레이드(110) 간의 얼라인(align) 작업을 수행하면서 허브(102)에 블레이드(110)를 설치(조립)하는 작업은 만만치 않다.

이는 블레이드(110)를 변형 없이 안정적으로 그립핑해야 할 뿐만 아니라 그립핑된 상태에서 블레이드(110)의 임의 방향 운동, 다시 말해 허브 베어링(103)에 대한 블레이드(110)의 상대위치를 조절하는 조절 작업을 수행해야 하기 때문이며, 현재까지는 이러한 기능을 담당하는 로봇이 제한된 바 없으므로 이를 해결하기 위해 본 실시예의 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇(120)이 제안된다.

도 2는 도 1에 도시된 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇의 설치 상태도, 도 3은 도 2를 다른 각도에서 도시한 도면, 도 4 및 도 5는 각각 도 2 및 도 3의 요부 확대도, 도 6은 블레이드가 타워의 원주 방향으로 회전되는 과정을 도시한 도면, 도 7은 블레이드가 스위블 동작되는 과정을 도시한 도면, 도 8은 블레이드가 틸팅 동작되는 과정을 도시한 도면, 그리고 도 9는 블레이드가 허브 쪽으로 직선 이동되는 과정을 도시한 도면이다.

이들 도면을 참조하면, 본 실시예의 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇(120)은 로봇 바디(130), 블레이드 그립퍼(140), 그리고 블레이드 얼라인용 상대위치 조절유닛(150)을 포함한다. 편의를 위해 도면 참조부호는 도 4 및 도 5에 집중해서 부여했다.

로봇 바디(130)는 타워(101) 쪽에 결합되는 부분이다. 이러한 로봇 바디(130)는 바디 블록(131)과, 바디 블록(131)을 타워(101)에 회전 가능하게 지지시키는 블록 회전지지부(132)를 포함한다.

바디 블록(131)은 타워(101) 쪽에 결합되며, 블록 회전지지부(132)를 비롯하여 블레이드 얼라인용 상대위치 조절유닛(150)을 지지한다.

블록 회전지지부(132)는, 타워(101)의 측벽에 그 원주 방향을 따라 결합되는 태양기어(133)와, 태양기어(133)에 치합되어 태양기어(133)를 따라 회전되는 유성기어(134)와, 태양기어(133)와 바디 블록(131)에 연결되어 바디 블록(131)을 지지하면서 바디 블록(131)의 회전 운동을 가이드하는 블록 가이드부(135)와, 유성기어(134)에 연결되며, 유성기어(134)가 정역 방향으로 회전되도록 하는 동력을 제공하는 동력제공부(136)를 포함한다.

태양기어(133)는 타워(101)를 둘러싸는 큰 기어로서 타워(101) 의 링 플랜지(미도시) 영역에 결합될 수 있다.

유성기어(134)는 태양기어(133)에 치합되어 태양기어(133)의 원주면을 따라 회전된다. 본 실시예의 경우, 유성기어(134)가 바디 블록(131)의 양측에 한 쌍으로 배치되나 이러한 사항에 본 실시예의 권리범위가 제한되지 않는다.

블록 가이드부(135)는 타워(101)와 태양기어(133) 사이에서 구름 회전되는 롤러(135a)와, 바디 블록(131)에 롤러(135a)를 회전 가능하게 지지하는 롤러 지지체(135b)를 포함한다. 본 실시예의 경우, 안정적인 구조를 위해 롤러(135a)와 롤러 지지체(135b)가 한 쌍으로 적용되고 있으나 이러한 사항에 본 실시예의 권리범위가 제한되지 않는다.

동력제공부(136)는 한 쌍의 유성기어(134) 중에서 어느 하나에 직결되는 모터로 적용된다. 동력제공부(136)가 동작되어 유성기어(134)를 예컨대 시계 방향 혹은 반시계 방향으로 회전시킴으로써 한 쌍의 유성기어(134)는 도 6의 실선에서 점선처럼 태양기어(133)의 둘레를 따라 회전할 수 있으며, 이러한 구조에 의해 허브 베어링(103, 도 1 참조)에 대한 블레이드(110)의 어느 일 상대위치를 맞출 수 있다.

블레이드 그립퍼(140)는 도 1처럼 타워(101)의 상단부에 배치되는 허브(102)의 허브 베어링(103)에 조립되는 블레이드(110)를 그립핑하는 역할을 한다.

이러한 블레이드 그립퍼(140)는, 그립핑 바디(141)와, 그립핑 바디(141)에 연결되는 다수의 그립핑 아암(142)과, 그립핑 아암(142)들의 단부에 마련되어 블레이드(110)의 외표면에 접촉가압되는 접촉가압부(143)를 포함한다.

본 실시예의 경우, 그립핑 바디(141)에 총 4개의 그립핑 아암(142)들이 연결되어 블레이드(110)를 그립핑하고 있는데, 이러한 사항은 하나의 실시예에 불과하다. 따라서 도면의 형상에 본 실시예의 권리범위가 제한되지 않는다.

접촉가압부(143)는 실질적으로 블레이드(110)의 외표면에 접촉된 후에 가압되면서 블레이드(110)를 그립핑하는 부분으로서, 블레이드(110)의 외표면에 손상을 주지 않는 재질, 예컨대 고무, 실리콘, 우레탄 등의 재질로 제작될 수 있다.

또한 접촉가압부(143)는 블레이드(110)의 외표면 형상에 대응되는 곡률을 가질 수 있는데, 이러한 경우 좀 더 넓은 표면적으로 블레이드(110)의 외표면을 가압할 수 있기 때문에 블레이드(110)가 찌그러지는 등 블레이드(110)에 변형이 발생되는 것을 저지시킬 수 있다. 따라서 블레이드(110)가 변형되는 것을 저지하면서도 블레이드(110)를 안정적으로 그립핑할 수 있다.

한편, 블레이드 얼라인용 상대위치 조절유닛(150)은 로봇 바디(130)와 블레이드 그립퍼(140)에 연결되며, 허브 베어링(103, 도 1 참조)에 대한 블레이드(110)의 얼라인(align) 작업을 위하여 허브 베어링(103)에 대한 블레이드(110)의 상대위치를 조절하는 역할을 한다.

여기서, 상대위치 조절이라 함은 블레이드(110)의 위치를 조절하는 것을 의미하는데, 본 실시예의 경우, 블레이드(110)는 총 3가지 방향으로 위치가 조절될 수 있다. 예컨대, 도 6처럼 타워(101)의 원주 방향을 따라 블레이드(110)가 +A 방향 또는 -A 방향으로 조절될 수 있고, 도 7처럼 블레이드(110)가 B 방향으로 조절될 수도 있으며, 도 8처럼 블레이드(110)가 C 방향으로 조절될 수도 있다. 뿐만 아니라 후술할 틸팅 조절바아(161)에 의해 타워(101)에 대한 블레이드(110)의 접근 또는 이격 간격이 조절될 수도 있다. 본 실시예의 경우, 도 7의 B 방향 조절을 스위블(swivel)이라 하고, 도 8의 C 방향 조절을 틸팅(tilting)이라 하고 있다.

블레이드 얼라인용 상대위치 조절유닛(150)은, 도 8처럼 타워(101)의 길이 방향에 대한 블레이드(110)의 틸팅 각도를 조절하는 틸팅 조절부(160)와, 틸팅 조절부(160)와 연결되며, 도 7처럼 블레이드(110)의 스위블 각도를 조절하는 스위블 조절부(170)를 포함한다.

틸팅 조절부(160)는, 일단부는 바디 블록(131)에 자유 회전 가능하게 결합되고 타단부는 스위블 조절부(170)에 결합되는 틸팅 조절바아(161)와, 바디 블록(131)과 틸팅 조절바아(161)에 연결되어 틸팅 조절바아(161)를 구동시키는 틸팅 조절용 액추에이터(162)를 포함한다.

본 실시예에서 틸팅 조절바아(161)는 유압 실린더로 적용된다. 물론, 고압 실린더나 유공압 복합 실린더가 적용될 수도 있다. 실린더로 적용되는 틸팅 조절바아(161)로 인해 타워(101)에 대한 블레이드(110)의 접근 또는 이격 간격이 조절될 수 있다.

틸팅 조절용 액추에이터(162) 역시 유압 실린더로 적용될 수 있는데, 이러한 틸팅 조절용 액추에이터(162)는 틸팅 조절바아(161)의 양측에 하나씩 배치되어 틸팅 조절바아(161)가 안정적으로 구동될 수 있도록 할 수 있다.

스위블 조절부(170)는, 틸팅 조절바아(161)의 단부가 결합되는 바아 결합부(171)와, 일측은 블레이드 그립퍼(140)에 연결되고 타측은 바아 결합부(171)에 스위블 가능하게 결합되는 스위블 바디(172)와, 양단부가 바아 결합부(171)와 스위블 바디(172)에 연결되며, 블레이드(110)의 스위블 각도 조절을 위해 바아 결합부(171)에 대하여 스위블 바디(172)를 구동시키는 적어도 하나의 스위블 조절용 액추에이터(173)를 포함한다.

스위블 조절용 액추에이터(173) 역시, 유압 실린더로 적용될 수 있다. 스위블 조절용 액추에이터(173)는 바아 결합부(171)와 스위블 바디(172)의 양측에 하나씩 배치될 수 있으며, 이러한 구조를 통해 블레이드(110)의 스위블 동작 시 바아 결합부(171)에 대하여 스위블 바디(172)가 안정적으로 구동될 수 있도록 할 수 있다.

이때, 스위블 바디(172)는 도 9의 D 방향으로 블레이드 그립퍼(140)를 선형 이동시키는 리니어 모터를 포함할 수 있다. 즉 도 6 내지 도 8의 A 내지 C 방향으로 블레이드(110)의 위치를 조절하고, 틸팅 조절바아(161)로 타워(101)에 대한 블레이드(110)의 접근 또는 이격 간격을 조절하여 허브 베어링(103)에 대한 블레이드(110)의 상대위치를 조절한 다음에는 허브 베어링(103)을 향해 블레이드(110)를 이동시켜 허브 베어링(103) 상에 마련되는 볼트공(103a)들에 블레이드(110)의 단부에 마련되는 스터드 볼트(110a)들이 하나씩 맞대응되게 끼워지도록 하면서 블레이드(110)를 조립해야 하는데, 이를 위해 본 실시예의 경우에는 스위블 바디(172)가 리니어 모터를 포함하도록 하고 있는 것이다.

이러한 구성을 갖는 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇(120)의 작용에 대해 설명한다.

우선, 틸팅 조절바아(161)로 타워(101)에 대한 블레이드(110)의 접근 또는 이격 간격을 조절하면서 도 6 내지 도 8의 A 내지 C 방향으로 블레이드(110)의 위치를 조절하여 허브 베어링(103)에 대한 블레이드(110)의 상대위치를 조절한다.

간략하게 부연하면, 틸팅 조절바아(161)를 동작시킴으로써 타워(101)에 대한 블레이드(110)의 접근 또는 이격 간격을 조절할 수 있다. 그리고 도 6 내지 도 8의 A 내지 C 방향으로 블레이드(110)의 위치를 조절하기 위해서는 동력제공부(136), 스위블 조절용 액추에이터(173) 및 틸팅 조절용 액추에이터(162)를 각각 동작시키면 된다.

예를 들어, 동력제공부(136)가 동작되어 유성기어(134)를 예컨대 시계 방향 혹은 반시계 방향으로 회전시킴으로써 한 쌍의 유성기어(134)는 도 6의 실선에서 점선처럼 태양기어(133)의 둘레를 따라 회전할 수 있으며(+A 방향 혹은 -A 방향), 이에 따라 블레이드(110)의 위치를 조절할 수 있다.

또한 스위블 조절용 액추에이터(173) 및 틸팅 조절용 액추에이터(162)를 동작시킴으로써 도 7의 B 방향 또는 도 8의 C 방향으로 블레이드(110)의 위치를 조절할 수 있다.

이와 같은 방법으로 허브 베어링(103)에 대한 블레이드(110)의 상대위치를 조절한 이후에는 도 9처럼 스위블 바디(172)를 동작시켜 허브 베어링(103)을 향해 블레이드(110)를 이동되도록 한다.

이처럼 허브 베어링(103)을 향해 블레이드(110)를 이동시키면 허브 베어링(103) 상에 마련되는 볼트공(103a)들에 블레이드(110)의 단부에 마련되는 스터드 볼트(110a)들이 하나씩 맞대응되게 끼워질 수 있게 됨으로써 블레이드(110)의 조립 작업을 용이하게 수행할 수 있게 된다.

이와 같은 구조가 적용되면, 특히 크레인 없이도 타워(101)에 대해 블레이드(110)를 효율적으로 그립핑할 수 있음은 물론 허브 베어링(103)과 블레이드(110) 간의 얼라인(align) 작업을 용이하게 수행할 수 있으며, 이에 따라 블레이드(110)의 조립 작업을 종래보다 용이하게 진행할 수 있다.

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇에서 접촉가압부 영역의 확대 구조도이고, 도 11은 도 10에 적용되는 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇의 제어블록도이다.

이들 도면을 참조하면, 본 실시예의 경우, 블레이드 그립퍼(240)의 그립핑 아암(242)들의 단부에 마련되는 접촉가압부(243)는 작업유체의 압력에 의해 부피 팽창되면서 블레이드(110)의 외표면에 탄성적으로 접촉가압되는 탄성 접촉가압 튜브(243)로 적용된다.

도 10처럼 탄성 접촉가압 튜브(243) 내로 작업유체가 공급되면 탄성 접촉가압 튜브(243)가 부피 팽창되는데, 이때, 탄성 접촉가압 튜브(243)의 후방에서는 그립핑 아암(242)이 탄성 접촉가압 튜브(243)를 지지하고 있기 때문에 부피 팽창되는 탄성 접촉가압 튜브(243)는 블레이드(110)의 외표면 쪽으로 넓게 펴지면서 넓은 표면적으로 블레이드(110)를 지지할 수 있게 된다.

이처럼 탄성 접촉가압 튜브(243)가 블레이드(110)의 외표면 쪽으로 넓게 펴지면서 넓은 표면적으로 블레이드(110)를 지지하게 되면 블레이드(110)의 그립핑을 위한 힘이 분산되는 효과를 제공하기 때문에 블레이드(110)가 변형되는 것을 저지하면서도 블레이드(110)를 안정적으로 그립핑할 수 있게 되는 것이다.

한편, 도 10과 같이 탄성 접촉가압 튜브(243)가 동작되기 위해 탄성 접촉가압 튜브(243)로 유압과 같은 작업유체를 공급하게 되는데, 이를 위해 도 11처럼 작업유체 공급부(281), 작업유체 압력감지부(282) 및 컨트롤러(283)가 마련된다.

작업유체 공급부(281)는 탄성 접촉가압 튜브(243)로 작업유체를 공급하는 일종의 유압 탱크이며, 작업유체 압력감지부(282)는 탄성 접촉가압 튜브(243) 내로 공급되는 작업유체의 압력을 감지하는 역할을 한다.

그리고 컨트롤러(283)는 작업유체 압력감지부(282)의 정보에 기초하여 작업유체 공급부(281)의 동작을 컨트롤한다.

이러한 역할을 수행하는 컨트롤러(283)는, 중앙처리장치(283a, CPU), 메모리(283b, MEMORY), 서포트 회로(283c, SUPPORT CIRCUIT)를 포함할 수 있다.

중앙처리장치(283a)는 본 실시예에서 작업유체 압력감지부(282)의 정보에 기초하여 작업유체 공급부(281)의 동작을 컨트롤하기 위해서 산업적으로 적용될 수 있는 다양한 컴퓨터 프로세서들 중 하나일 수 있다. 메모리(283b, MEMORY)는 중앙처리장치(283a)와 연결된다. 메모리(283b)는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로서 로컬 또는 원격지에 설치될 수 있으며, 예를 들면 랜덤 액세스 메모리(RAM), ROM, 플로피 디스크, 하드 디스크 또는 임의의 디지털 저장 형태와 같이 쉽게 이용가능한 적어도 하나 이상의 메모리이다. 서포트 회로(283c, SUPPORT CIRCUIT)는 중앙처리장치(283a)와 결합되어 프로세서의 전형적인 동작을 지원한다. 이러한 서포트 회로(283c)는 캐시, 파워 서플라이, 클록 회로, 입/출력 회로, 서브시스템 등을 포함할 수 있다.

본 실시예에서 작업유체 압력감지부(282)의 정보에 기초하여 작업유체 공급부(281)의 동작을 컨트롤하는 일련의 프로세스 등은 메모리(283b)에 저장될 수 있다. 전형적으로는 소프트웨어 루틴이 메모리(283b)에 저장될 수 있다. 소프트웨어 루틴은 또한 다른 중앙처리장치(미도시)에 의해서 저장되거나 실행될 수 있다.

본 실시예에 따른 프로세스는 소프트웨어 루틴에 의해 실행되는 것으로 설명하였지만, 본 발명의 프로세스들 중 적어도 일부는 하드웨어에 의해 수행되는 것도 가능하다. 이처럼, 본 발명의 프로세스들은 컴퓨터 시스템 상에서 수행되는 소프트웨어로 구현되거나 또는 집적 회로와 같은 하드웨어로 구현되거나 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합에 의해서 구현될 수 있다.

도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇의 요부 구조도이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇(320)의 경우, 전술한 제1 실시예의 구성에 더하여 변형저지유닛(370)을 더 포함하고 있다.

변형저지유닛(370)은 블레이드(310)에 대한 블레이드 그립퍼(340)의 그립핑 위치에 대응되는 위치에서 블레이드(310)의 내부에 배치되며, 블레이드 그립퍼(340)의 그립핑 방향에 역 방향으로 저항하면서 블레이드(310)의 변형을 저지시키는 역할을 한다.

즉 도 12처럼 블레이드 그립퍼(340)의 접촉가압부(343)가 블레이드(310)의 외측면에 접촉되어 블레이드(310)를 안쪽으로 가압하면서 블레이드(310)를 그립핑할 때, 변형저지유닛(370)이 블레이드(310)의 내부에 배치되어 바깥쪽으로 저항하게 되면 블레이드(310)의 그립핑 압력을 상쇄시킬 수 있기 때문에 블레이드(310)가 변형되는 것을 효과적으로 저지시킬 수 있다. 다시 말해, 블레이드 그립퍼(340)의 압력에 의해, 혹은 접촉가압부(343)의 강한 압력에 의해 블레이드(310)의 측벽이 안쪽으로 휘어지면서 변형되는 것을 효과적으로 저지시킬 수 있다.

본 실시예에서 이러한 역할을 담당하는 변형저지유닛(370)은 작업유체, 예컨대 유압의 공급 또는 취출에 의해 부피 팽창 또는 부피 수축 가능한 변형저지용 튜브로 적용된다. 이하, 편의를 위해, 변형저지유닛(370)을 변형저지용 튜브(370)로 설명하면서 참조부호를 동일하게 부여한다.

참고로, 블레이드(310)는 금속 재질로 제작되는 타워(102)와 달리 강성이 있으면서도 가벼워야 하기 때문에 비금속 재질로 제작되는데, 이때 블레이드(310)가 변형되지 않도록 블레이드(310) 내부에는 전단 웹(shear web, 311)이 마련된다.

이러한 구조에서 변형저지용 튜브(370)는 전단 웹(311)에 의해 구획되는 각 스페이스 모두에 마련될 수 있다. 물론, 다수의 스페이스 중에서 선택된 곳에만 변형저지용 튜브(370)가 적용되어도 무방하다.

변형저지용 튜브(370)를 설치할 때는 블레이드(310)의 내부에서 팽창이 되지 않은 일반적인 상태로 존재하나 블레이드(310)에 대한 그립핑 작업이 진행될 때에는 도 12처럼 부피 팽창되면서 블레이드(310)의 바깥쪽으로 저항함으로써 블레이드(310)의 그립핑 압력을 상쇄시켜 블레이드(310)의 변형을 저지시킬 수 있다.

도 13은 블레이드에 대한 변형 단면 구조도이고, 도 14는 도 13에 적용될 본 발명의 제4 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇의 변형저지유닛에 대한 개략적인 구성도이다.

도 13에 도시된 바와 같이, 일부의 블레이드(410)의 경우, 그 내부에 다수의 전단 웹(411,412)이 마련될 수 있으며, 다수의 전단 웹(411,412)으로 인해 블레이드(410)의 내부가 2개 이상이 스페이스(S1~S3)로 구획될 수도 있다.

이러한 경우, 변형저지유닛(470)은 각 스페이스(S1~S3)에 하나씩 개별적으로 배치될 수도 있지만 변형저지유닛(470)이 블레이드 그립퍼(340)의 압력에 의해, 혹은 접촉가압부(343)의 압력(A)에 역 방향으로 저항하면 되기 때문에 이러한 그립핑 압력(A)이 제공되는 곳에만 배치되어도 충분하다.

즉 도 13의 경우, 그립핑 압력(A)이 제공되는 제2 스페이스(S2)에만 변형저지유닛(470)이 배치되더라도 무방하다.

또한 변형저지유닛(470)이 동작될 때의 힘, 다시 말해 부피 팽창에 따른 압력은 그립핑 압력(A)에 역 방향인 도 13의 B 방향으로 작용하면 충분하며, 불필요하게 C 방향으로 압력이 가해질 필요는 없다. 실제, C 방향으로 압력이 가해질 경우, 전단 웹(411,612)들이 휘어지는 폐단이 발생될 수도 있다

이러한 점을 감안하여 본 실시예에서는 변형저지유닛(470)을 도 14와 같이 적용하고 있다.

즉 본 실시예에서 변형저지유닛(470)은, 작업유체의 공급 또는 취출에 의해 부피 팽창 또는 부피 수축 가능한 변형저지용 튜브(471)와, 변형저지용 튜브(471)의 부피 팽창 방향을 가이드하기 위해 변형저지용 튜브(471)의 적어도 어느 일측에 결합되어 해당 영역에서의 부피 팽창을 저지시키는 부피 팽창 저지벽체(472)를 포함한다.

이때, 부피 팽창 저지벽체(472)는 변형저지용 튜브(471)의 외측면에서 한 쌍의 그립핑 아암(132)의 그립핑 방향을 제외한 나머지 영역에 배치될 수 있다.

이와 같은 구조의 변형저지유닛(470)이 적용되면, 변형저지용 튜브(471) 내로 작업유체가 공급될 때, 변형저지용 튜브(471)가 도 13의 B 방향으로만 부피 팽창하면서 그립핑 압력(A)에 역 방향으로 저항하기 때문에 효율적일 수 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

101 : 타워 102 : 허브
105 : 나셀 커버 110 : 블레이드
120 : 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇 130 : 로봇 바디
131 : 바디 블록 132 : 블록 회전지지부
133 : 태양기어 134 : 유성기어
135 : 블록 가이드부 136 : 동력제공부
140 : 블레이드 그립퍼 141 : 그립핑 바디
142 : 그립핑 아암 143 : 접촉가압부
150 : 블레이드 얼라인용 상대위치 조절유닛 160 : 틸팅 조절부
161 : 틸팅 조절바아 162 : 틸팅 조절용 액추에이터
170 : 스위블 조절부 171 : 바아 결합부
172 : 스위블 바디
173 : 스위블 조절용 액추에이터

Claims

바디 블록과, 상기 바디 블록을 타워(tower)에 회전 가능하게 지지시키는 블록 회전지지부를 구비하는 로봇 바디;
상기 타워의 상단부에 배치되는 허브(hub)의 허브 베어링에 조립되는 블레이드(blade)를 그립핑하는 블레이드 그립퍼; 및
상기 로봇 바디와 상기 블레이드 그립퍼에 연결되며, 상기 허브 베어링에 대한 상기 블레이드의 얼라인(align) 작업을 위하여 상기 허브 베어링에 대한 상기 블레이드의 상대위치를 조절하는 블레이드 얼라인용 상대위치 조절유닛을 포함하는 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇.
제1항에 있어서,
상기 블록 회전지지부는,
상기 타워의 측벽에 그 원주 방향을 따라 결합되는 태양기어;
상기 태양기어에 치합되어 상기 태양기어를 따라 회전되는 적어도 하나의 유성기어; 및
상기 태양기어와 상기 바디 블록에 연결되어 상기 바디 블록을 지지하면서 상기 바디 블록의 회전 운동을 가이드하는 블록 가이드부를 포함하는 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇.
제2항에 있어서,
상기 블록 회전지지부는,
상기 유성기어에 연결되며, 상기 유성기어가 정역 방향으로 회전되도록 하는 동력을 제공하는 동력제공부를 더 포함하는 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇.
제2항에 있어서,
상기 블록 가이드부는,
상기 타워와 상기 태양기어 사이에서 구름 회전되는 적어도 하나의 롤러; 및
상기 바디 블록에 상기 롤러를 회전 가능하게 지지하는 롤러 지지체를 포함하는 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇.
제1항에 있어서,
상기 블레이드 얼라인용 상대위치 조절유닛은,
상기 타워의 길이 방향에 대한 상기 블레이드의 틸팅 각도를 조절하는 틸팅 조절부; 및
상기 틸팅 조절부와 연결되며, 상기 블레이드의 스위블 각도를 조절하는 스위블 조절부를 포함하는 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇.
제5항에 있어서,
상기 틸팅 조절부는,
일단부는 상기 바디 블록에 자유 회전 가능하게 결합되고 타단부는 상기 스위블 조절부에 결합되는 틸팅 조절바아; 및
상기 바디 블록과 상기 틸팅 조절바아에 연결되어 상기 틸팅 조절바아를 구동시키는 적어도 하나의 틸팅 조절용 액추에이터를 포함하는 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇.
제6항에 있어서,
상기 스위블 조절부는,
상기 틸팅 조절바아의 단부가 결합되는 바아 결합부;
일측은 상기 블레이드 그립퍼에 연결되고 타측은 상기 바아 결합부에 스위블 가능하게 결합되는 스위블 바디; 및
양단부가 상기 바아 결합부와 상기 스위블 바디에 연결되며, 상기 블레이드의 스위블 각도 조절을 위해 상기 바아 결합부에 대하여 상기 스위블 바디를 구동시키는 적어도 하나의 스위블 조절용 액추에이터를 포함하는 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇.
제7항에 있어서,
상기 스위블 바디는 상기 블레이드 그립퍼를 선형 이동시키는 리니어 모터를 포함하는 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 블레이드 그립퍼는,
그립핑 바디;
상기 그립핑 바디에 연결되는 다수의 그립핑 아암; 및
상기 그립핑 아암들의 단부에 마련되어 상기 블레이드의 외표면에 접촉가압되는 접촉가압부를 포함하는 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇.
제9항에 있어서,
상기 접촉가압부는,
작업유체의 압력에 의해 부피 팽창되면서 상기 블레이드의 외표면에 탄성적으로 접촉가압되는 탄성 접촉가압 튜브인 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇.
제10항에 있어서,
상기 탄성 접촉가압 튜브로 상기 작업유체를 공급하는 작업유체 공급부;
상기 탄성 접촉가압 튜브 내로 공급되는 상기 작업유체의 압력을 감지하는 작업유체 압력감지부; 및
상기 작업유체 압력감지부의 정보에 기초하여 상기 작업유체 공급부의 동작을 컨트롤하는 컨트롤러를 더 포함하는 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 블레이드에 대한 상기 블레이드 그립퍼의 그립핑 위치에 대응되는 위치에서 상기 블레이드의 내부에 배치되며, 상기 블레이드 그립퍼의 그립핑 방향에 역 방향으로 저항하면서 상기 블레이드의 변형을 저지시키는 변형저지유닛을 더 포함하는 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇.
제12항에 있어서,
상기 변형저지유닛은, 작업유체의 공급 또는 취출에 의해 부피 팽창 또는 부피 수축 가능한 변형저지용 튜브인 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇.
제13항에 있어서,
상기 변형저지유닛은,
상기 변형저지용 튜브의 부피 팽창 방향을 가이드하기 위해 상기 변형저지용 튜브의 적어도 어느 일측에 결합되어 해당 영역에서의 부피 팽창을 저지시키는 적어도 하나의 부피 팽창 저지벽체를 더 포함하는 풍력발전기용 블레이드의 조립로봇.