第1期
No . 1 49
2021年3月
FIBER COMPOSITES
M ar.
2021
朱理想，乔小亮，朱琼杰，陈依德，徐希亮
(连云港中复连众复合材料集团有限公司，连云港222000)
摘要为了克服风电叶片主梁制造技术的不足，通过对现有铺布工艺和工装设备等进行分析研究，提供一种结
构合理、操作方便、生产效率高、铺放精度高、可以代替人工铺设的主梁玻纤布铺放设备。先后完成了铺放工装 轨道设计、铺放装置设计、旋转装置设计、电气控制部分设计等方面的研究，最后进行设备制造和安装调试。目 前，设备已经制造完成并投人使用，运行效果良好，基本达到预期目标，使低成本大梁机械铺放成为现实，对内 叶片制造实现机械化和自动化具有一定的指导意义。 关键词铺布机；风电叶片；铺放工艺；自动化；伺服控制
Research on Semi - automatic Laying Equipment
for Main Beam of Wind Turbine Blade
ZHU Lixiang , QIAO Xiaoliang , ZHU Qiongjie , CHEN Y ide , XU Xiliang (Lianyungang ZhongfuLianzhong Com posite Group Co . , Ltd . , Lianyungang 222000)
ABSTRACT In order to overcome the shortcomings of the manufacturing technology of main beam of wind turbine blade, through the analysis and research of the existing laying process and equipment, this paper provides a glass fiber laying e- quipment for the main beam with reasonable structure, convenient operation, high production efficiency and high laying precision, which can replace the artificial laying equipment. After a series of investigation and analysis, the research on track design of l
aying tooling, laying device design, rotating device design, electrical control part design has been completed successively. Finally, the equipment manufacturing, installation and debugging have been carried out. At present, the equipment has been manufactured and put into use, the operation effect is good, basically achieve the expected goal, make the realization of low - cost beam machinery spread become a reality, has a certain guiding significance for the industry to a- chieve mechanization and automation of blade manufacturing.
KEYWORDS spreader ； wind turbine blade ； laying process ； automation ； servo control
1引言
随着风电叶片行业的不断发展，机械化和自动 化代替人工作业是大势所趋，全生产线的自动化升 级将极大降低风电叶片的成本，大幅提升叶片制造 加工的精度和质量。通过对风电叶片主梁半自动铺 放设备的成功应用，推动了风电叶片制造实现机械
化和自动化的的整体进步，对风电叶片制造实现机 械化和自动化具有一定的指导意义。
达诺巴特集团旗下的达诺巴特公司（DAN 0- BAT )基于自身在高端数控机床领域的技术实力以 及与顶级叶片生产商的通力合作，率先突破性的开 发了叶片自动制造系统，同时也是目前全球唯一投 人实际生产运行的成熟的叶片自动制造系统。叶片
50纤维复合材料2021 年
自动制造系统定义为大型数控工作系统，主要功能 包括自动喷胶衣、自动喷短切纤维、自动铺层、自 动打磨、自动涂胶等，客户亦可以根据自身需求来 选择整体自动化，或者选择其中一个或几个功能。 工作单元采用移动式悬臂梁结构，横梁上安装有十 字滑轨，相应的工作功能头位于滑轨上，最终实现 5轴控制，从而完成各工序的自动化操作。系统也 可设计用于主梁、后缘等部件的自动制造。据了解 1个大梁铺设装置报价近1〇〇万（不含上料装置）。目前国内叶片行业中，大梁纤维布的铺设都是 在大梁模具的一端设置放布支架，通过工人手工拖 动和擀压玻纤布使玻纤布平整铺在模具上，大梁上 铺设的每层布长度一半都和叶片长度接近，层数多 达五六十层，每个工人铺设一套大梁模具需要步行 十多公里，工人工作劳动强度大，且效率很低，同 时大梁上铺设的玻纤布是递减的，需要工人观察模 具标识进行玻纤布铺放。国内金风科技叶片试制工 厂也尝试制作了大梁铺放设备，其采用了龙门式结 构，铺布设备通过预设轨道沿着主梁模具进行移动 铺设，此设备造价约170万，不但造价高昂，实际 使用效果也不是很理想。
在国外较发达的国家，机械化、数控化、智能 化逐渐成为叶片制造行业的发展趋势。随着国内叶 片制造业的发展，自动铺布的需要越发强烈，作为 叶片制造业的关键设备，研制安全可靠、自动化程 度高的铺布机至关重要。目前，随着中国劳动力成 本逐渐提高，自动化铺布设备的严重缺乏制约着国 内叶片制造企业的发展。
2铺布工艺及总体设计方案
2. 1现有的工艺流程
(1)
在第一层大梁布的两边铺设包边，包边布
采用双轴纤维布，纤维布一端压在第一层大梁布
下，宽度5-8cm ;
(2) 放置布卷：移动行车，将布卷放置到拉布 架子上；
(3)
铺放布层：用拉布工装夹住布层边缘（防 止玻纤变形），纤维布拉到模具尖部后，由一个人 固定住纤维布，一个人挑起纤维布向模具根部走， 另外一个人紧随其后擀压纤维布，要求逐层擀压， 铺设不得超过固定边；一人顺着纤维方向，从尖部 向根部单方向抹平纤维布，并调整纤维布贴靠固定
边，保证平整无褶皱；
(4) 起始、结束位置的纤维布铺设比标识长5cm ；
(5)裁剪纤维布：纤维布布层全部结束后，在 法兰边模具起止标识位置用剪刀剪断，剪断方向垂 直纤维方向，纤维布要求剪齐，无穗边；2.2机械结构方案
机械结构总体设计要求满足500k g 承载，保证 设备的运行安全和功能实现。
驱动行走方式采用伺服电机驱动、齿轮齿条传 动，轨道随形设计及精准安装定位，保证设备整体 运行平稳。开创性结构设计，曲线运行传动及设备 安全取电功能。旋转装置可实现铺放小车180°旋 转，实现纤维布往复铺设，提高铺贴效率。通过张 力调节装置，实现纤维布的张力调整，通过擀布装 置，实现纤维布自动擀平[1]。2.3控制系统方案
小车运行控制系统电源采用滑触线供电（三相 四线制），滑触线根据小车轨道安装；大梁自动铺 布工装具有运行和停止信号遥控控制和面板按键控 制双向控制功能，轨道两端及铺放装置均装有急停 按钮（断电）、行程开关保护，系统安全性满足设 计要求；伺服控制系统采用带编码器的半闭环控制 系统实现速度和小车运行距离的间接测量控制；控 制单元具备调整速度及遥控控制等功能，可以按程 序设定定长、定点铺放[2’3]；控制系统采用上位机 触摸屏和嵌入式组态软件，下位机为PLC ，执行机 构为驱动器和伺服电机的控制系统总体方案[4]。2.4工艺性设计方案
铺放小车可按设定长度铺放，根据不同产品型 号调用铺层数据，工艺数据的调用和参数输人具有 密码保护；小车运行可根据设定速度和长度自动运
行，自动运行中可以手动停止，换卷后再启动自动 运行，另具有手动运行功能；小车根据设定速度运 动，设计速度可调整；在大梁铺设时，可通过操作
人员标定一次零点位置，后续无需标定；一层大梁
布铺设完成后，小车停止，系统自动进入下层铺设 数据，有反向按键发出控制信号使小车反向运行到 第二层铺设位置，开始铺设按键发出开始铺设信号
后再开始自动运行；铺放小车运行速度可通过触摸 屏设定，小车运行过程中速度不可调节。
2.5安全性设计方案
控制系统设有短路、过载、接地等电气保护； 小车的运行启动具有灯光闪烁信号警不；轨道两
端、控制柜及遥控装置均设有应急按钮；轨道两端 设有行程开关作为软限位，并设有固定挡板作为硬
风电叶片主梁半自动铺放设备的研究51 1期
限位。
3铺布设备的机械结构设计
根据工艺方案、控制系统要求和最终的功能实 现要求等设计了铺布设备的整体机械结构，并在多 次实施验证的基础上不断精简结构，优化设计，最 终确定了结构简单、便于制作、又能实现各种预期 功能的结构[4’5]，如图1所示。
图1铺布设备整体机械结构
3. 1铺布设备的轨道设计
考虑利用现有模具钢架作为基础，制作随形轨 道。将小车轨道安装在大梁模具的两侧，与模具型
面随型，使用10#槽钢，10#槽钢表面上安装有齿 条[M]。驱动轮装置通过钢结构框架和放布装置连 接，驱动轮装置通过电机减速机的驱动齿轮和齿条 啮合，使整个小车实现在小车轨道上运动：
小车动力源采用滑触线方式供电，滑触线外侧 使用塑料挡板遮挡。
3.2布卷放置装置设计
放布装置上安装有放布轴，可以实现布料的铺 放，放布轴两侧带有活动挡盘，张力调节装置上设 有弹簧拉杆，通过弹簧拉杆可以控制张力调节装置 的角度，实现纤维布的张力调整。放布轴上安装有 刹车盘，通过手动旋钮螺丝调节刹车盘松紧度，利用刹车盘增加阻尼，防止铺设时布卷转动速度过 大，同时满足工艺生产的布卷张力要求[8’9]。
3.3旋转装置设计
旋转装置利用高精度回转轴承可实现铺放小车 180°旋转，实现纤维布往复铺设，减少空驶时间，提高使用效率；擀布装置利用自身的重量和弧形适 应性可将铺设好的纤维布在大梁模具上擀平。
4结语
(1)创新性解决铺放小车曲线运行的传动和取 电问题，使实现低成本的大梁机械铺放成为现实，可以大面积推广；布卷装置具备180°旋转功能可以
实现往复铺放，减少空驶行程；大梁终点清零标定
方案，解决递减铺放标定问题，减少累计误差造成
的铺放定位和长度不准问题；伺服控制系统采用带
编码器的半闭环控制系统，可调速及距离测量，可
视化操作面板，设计人性化，操作方便；申请了
《一种风电叶片大梁产品纤维布的自动铺放设备》
发明专利[1°]。
(2)该半自动铺放设备的完成对大梁生产有着 重大意义。首先降低工人劳动强度，传统铺布作业
为人工拉扯玻纤布铺放在大梁模具上，现在的铺布
设备替代人工拉扯玻纤布；其次降低生产成本，传
统铺布作业需要6-8人完成，现在仅需要2人就
可完成，单台大梁铺布用时基本控制在3个小时以
内，极大提高了铺设的效率，缩短了生产周期；最
终提高生产效率及产品稳定性。每台设备每年可以
为企业节约几十万元人工成本，对提高生产效益及
产品稳定性的经济价值更是无法估量。
(3)自动铺布设备是一种能明显提高生产效 率、减轻劳动强度、提髙主梁精度并最终提高叶片
质量的先进而实用的设备，其投资回收期不长，在
现代风力叶片制造业中的地位应得到业界的重视和
肯定。风电叶片主梁半自动铺放设备的成功应用，
推动了风电叶片制造实现机械化和自动化的整体进
步，对风电叶片制造实现机械化和自动化具有一定
的指导意义。
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