一种机械手及利用机械手进行风机叶片安装的方法与流程

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种机械手及利用机械手进行风机叶片安装的方法。

背景技术：

随着环保问题的日益突出，能源供应的渐趋紧张，风能作为一种清洁的可再生能源，已越来越受到欢迎和重视。风电是世界上公认的除水能，核电外，市场竞争力最强的可再生能源技术，能较快实现规模化和产业化。特别是海上风电资源，开发潜力巨大，已成为我国开发清洁能源的一个重要新领域，但是，为了尽量节约海域使用面积，提高资源使用效率，并尽可能降低风机基础成本、安装成本和作业风险等，风电机组有向大型化发展趋势，海上风机单机容量越来越大，整机重量越来越重，轮毂重心越来越高，特别是叶片的重量及外型尺寸增加显著， 这给风机安装增加了很大难度。现有技术中通常采用夹具、起重机以及工装塔筒相配合的方式完成风机叶片的装拆，但是现有的夹具只能从一个方位（竖直）进行风机叶片安装，不能很好地满足安装需求，而且当风机安装高度较高时，工装塔筒高度也需要随之增高，造成整体造价增加，同时使得施工危险度增加。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种机械手及利用机械手进行风机叶片安装的方法，通过机械手的开合、夹持、俯仰、旋转等动作能很好地实现大型风机叶片在空中的安装。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一种机械手，包括箱体、吊杆、俯仰液压缸和抱合机构，所述箱体与抱合机构通过旋转机构相连接，所述旋转机构驱动抱合机构旋转，所述俯仰液压缸的缸体与所述箱体相连接，所述俯仰液压缸的活塞杆与所述吊杆相铰接，所述吊杆与所述箱体相铰接。

所述抱合机构包括相铰接的固定臂和活动臂，所述活动臂在抱合液压缸驱动作用下相对所述固定臂转动，所述固定臂与活动臂闭合时由安全销锁紧，所述抱合机构还包括夹持机构，所述夹持机构包括多个夹持板，所述夹持板成对布置，每对夹持板中的一个夹持板与固定臂相连接，另一个夹持板与活动臂相连接，在夹持风机叶片时，每对夹持板间的间隙逐渐缩小直至夹紧风机叶片。

所述抱合液压缸的缸体与固定臂相固定，抱合液压缸的活塞杆与活动臂相连接，所述安全销与所述固定臂相连接，所述安全销在插拔销液压缸的驱动作用下移动，所述每对夹持板中的一个夹持板通过夹持液压缸与固定臂相连接，另一个夹持板通过夹持螺杆组件与活动臂相连接。

所述旋转机构包括旋转板、转盘轴承和液压马达，所述转盘轴承的内圈与所述旋转板相连接，所述转盘轴承的外圈与所述箱体相连接，所述液压马达驱动转盘轴承的内圈转动，所述旋转板与所述抱合机构相固定。

机械手还包括第一延伸杆和第二延伸杆，所述抱合机构有两个，第一延伸杆、一个抱合机构、旋转板、第二延伸杆以及另一个抱合机构依次固定连接，两个所述抱合机构在夹紧风机叶片时分别位于风机叶片重心两侧。

所述第一延伸杆上设置尾部配重。

所述箱体两侧设置揽风架。

利用上述任一机械手进行风机叶片安装的方法，包括以下步骤：

1)起吊所述机械手，使机械手在起吊过程中保持水平姿态，在机械手到达目标位置后，通过俯仰液压缸调整机械手的俯仰角度,使机械手俯身，同时使机械手的抱合机构打开；

2）移动机械手到夹持位置，使风机叶片置于机械手内部，再使机械手的抱合机构闭合，最后使抱合机构对风机叶片进行夹紧；

3）夹紧风机叶片后，调整机械手的俯仰角度,使机械手呈水平状态起吊至目标位置；

4）通过俯仰液压缸调整机械手的俯仰角度，并通过旋转机构调整机械手的旋转角度，使风机叶片达到安装姿态后，进行风机叶片的安装；

5）风机叶片安装完成后，使机械手的抱合机构松开风机叶片并使机械手的抱合机构打开，将机械手吊离风机叶片的安装位置，使机械手与风机叶片脱离。

所述机械手的俯仰角度为-30°～0°，所述机械手的旋转角度为-130°～130°。

机械手的俯仰角度和旋转角度通过传感器监测并在地面操纵器上显示。

本发明具有以下有益效果：操作简单，安全可靠，使用成本低，通过机械手的开合、夹持、俯仰、旋转等动作能很好地实现大型风机叶片在空中的安装。

附图说明

图1是机械手的立体结构示意图；

图2是抱合机构结构示意图；

图3是夹持板结构示意图；

图4是机械手呈水平状态示意图；

图5是机械手呈俯身状态示意图；

图6是机械手俯身夹持风机叶片前状态示意图；

图7是机械手俯身夹持风机叶片后状态示意图；

图8是机械手夹持风机叶片后恢复水平状态示意图；

图9是机械手水平安装风机叶片状态示意图；

图10是机械手竖直安装风机叶片状态示意图；

图11是机械手在风机叶片根部向下倾斜30度时进行安装的状态示意图；

图12是吊杆与箱体、俯仰液压缸的安装状态示意图；

图中：1、固定臂，2、活动臂，3、抱合液压缸，4、夹持液压缸，5、夹持板，6、夹持导向件，7、夹持螺杆组件，8、插拔销组件，9、导向孔，10、加强筋，11、第一抱合机构，12、第二抱合机构，13、旋转机构，14、箱体，15、吊杆，16、第一延伸杆，17、第二延伸杆，18、尾部配重，19、揽风架，20、俯仰液压缸，21、旋转板，22、支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本实施例中抱合液压缸3、夹持液压缸4，俯仰液压缸20以及插拔销液压缸均由缸体和活塞杆组成，活塞杆在油压作用下相对缸体进行伸缩。

如图1所示，一种机械手，包括箱体14、吊杆15、俯仰液压缸20、旋转机构和抱合机构，箱体14与抱合机构通过旋转机构相连接，旋转机构驱动抱合机构旋转；

箱体14内部设置吊杆15，吊杆15的顶部与钢丝绳相连接，起重机通过钢丝绳进行机械手的起吊，吊杆15底部与箱体14相铰接，使得箱体14相对吊杆15可转动，箱体14相对吊杆15的转动由俯仰液压缸20驱动，俯仰液压缸20的缸体与箱体14相连接，俯仰液压缸20的活塞杆与吊杆15底部相铰接；

在箱体14呈水平状态时，俯仰液压缸20呈倾斜安装，如图12所示，吊杆15的顶端A点处连接钢丝绳，起重机通过钢丝绳进行机械手的起吊，吊杆15与箱体14铰接于O点，吊杆15与俯仰液压缸20的活塞杆铰接于B点，俯仰液压缸20的缸体与箱体连接于C点，吊杆15、俯仰液压缸20及箱体14通过铰接组成一个可变三角形，通过俯仰液压缸20的伸缩，三角形的一条边长（俯仰液压缸20）改变长度，推动吊杆15旋转，从而使得起吊点A相对重心（机械手加叶片的重心）的位置发生变化，即起吊点A与重心的连线空间角度发生变化，作业时起重机的提升力是沿起吊点A竖直向上的，为了保持平衡，起吊点A与重心的连线需保持竖直，因此机械手必然发生转动，从而实现机械手的俯仰，俯仰角度为-30°～0°如图4所示，图4所示状态为机械手呈水平时的状态，当机械手沿图4所示箭头方向旋转时为俯身，沿图4所示箭头的反方向旋转时，为仰身。

旋转机构13包括旋转板21、转盘轴承和液压马达，转盘轴承的内圈与旋转板相连接，转盘轴承的外圈与箱体14相连接，液压马达驱动转盘轴承的内圈转动，从而驱动旋转板21转动，旋转板21与抱合机构相固定。

优选的，转盘轴承采用四点接触球轴承，其允许转速高，并且运转平稳，具有较大的承载能力，具体可采用内齿式四点接触球轴承或无齿式四点接触球轴承。本实施中抱合机构有两个，分别为第一抱合机构11和第二抱合机构12，机械手还包括第一延伸杆和第二延伸杆，第一延伸杆16、第一抱合机构11、旋转板21、第二延伸杆17和第二抱合机构12依次固定连接，其中第一延伸杆16、第一抱合机构11、旋转板21、第二延伸杆17和第二抱合机构12依次通过销连接固定，便于拆卸。

第一抱合机构11和第二抱合机构12分别位于风机叶片重心两侧对风机叶片进行夹紧。

液压马达驱动旋转机构13的旋转板21转动，从而使得第一延伸杆16、第一抱合机构11、旋转板21、第二延伸杆17和第二抱合机构12构成的整体旋转，旋转角度为-130°～130°箱体14放置在支架22上，支架22具有四个支腿；

优选的，箱体14的外部两侧可拆卸地设置揽风架19，揽风架19为棱锥形，可以为三棱锥、四棱锥等，这种形状使得揽风架19具有较好的稳定性；揽风架19采用可拆卸设置利于分装，便于储存和运输。

进一步地，揽风架19在箱体14的两侧呈对称设置；

进一步地，揽风架19包括多个支撑杆，多个支撑杆构成棱锥形结构；

进一步地，揽风架19由三根支撑杆组成，三根支撑杆的一端相交，另一端与箱体14相固定，其中两根支撑杆与箱体底部通过螺栓相固定，另一根与箱体顶部通过螺栓相固定，便于拆卸；

揽风架19用于系挂缆风绳。

优选的，第一延伸杆16的尾部设置尾部配重18，通过移动尾部配重18的位置以及调整尾部配重18的重量来调整机械手整体重心位置，进而便于调整机械手的姿态。

进一步地，尾部配重18通过挂钩与第一延伸杆16相连接，即尾部配重18通过挂钩钩挂在第一延伸杆16尾部，也可以在尾部配重18上设置圆孔，圆孔套设在第一延伸杆16尾部。

进一步地，第一延伸杆16上设置限位板，用于限制尾部配重18的移动范围。

进一步地，箱体14中设置配重，用于调整机械手整体重心位置。

箱体配重与尾部配重18可以配合使用，根据实际情况进行配重位置和重量调整，从而进一步调整机械手整体重心位置。

如图2所示，抱合机构包括固定臂1和活动臂2，,固定臂1和活动臂2相铰接，使得活动臂2相对固定臂1转动，该转动动作由抱合液压缸3驱动，抱合液压缸3的缸体与固定臂1相固定，抱合液压缸3的活塞杆与活动臂2相连接；

抱合机构还包括夹持机构，夹持机构包括多个夹持板5，夹持板5成对布置，每对夹持板中的一个夹持板5通过夹持液压缸4与固定臂1相连接，另一个夹持板5通过夹持螺杆组7与活动臂2相连接，在夹持风机叶片时，每对夹持板间的间隙逐渐缩小直至夹紧风机叶片；固定臂1与活动臂2闭合时由安全销锁紧；

其中夹持液压缸4设置于夹持板5的背面，夹持液压缸4的缸体与固定臂1相固定，夹持液压缸4的活塞杆连接于夹持板5的背面，通过夹持液压缸4的活塞杆的伸缩实现夹持板5的伸缩。

夹持螺杆组件7是由螺母套和螺杆组成，在进行风机叶片夹持时，活动臂2处的夹持板5保持不动。活动臂2处的夹持板5位置由可由夹持螺杆组件7的螺杆进行微调，以适应叶片的不同型面。活动臂2处的夹持板5的背部设置有一个液压缸。

本实施例中夹持机构具有六个夹持板5，每两个为一对，固定臂1上的三个夹持板5呈对称布置，处于对称中心线处的夹持板5水平安装，处于对称中心线两侧的夹持板5倾斜安装，活动臂2上的三个夹持板5采用同样的方式安装，以在执行夹紧动作时更好地贴合风机叶片的曲面，增大夹紧面积，使得夹紧更加可靠。

固定臂1上设置有插拔销组件8，插拔销组件8包括插拔销液压缸、安全销和插拔销到位传感器，安全销与固定臂1相连接，安全销可在插拔销液压缸的驱动作用下移动，固定臂1和活动臂2上均设置销孔，当抱合机构闭合时，活动臂2与固定臂1闭合而构成封闭结构，安全销在插拔销液压缸的驱动下，插入固定臂1和活动臂2的销孔中，将固定臂1和活动臂2闭合位置锁紧，防止活动臂2打开，从而避免装入抱合机构中的风机叶片掉出。

进一步地，活动臂2相对固定臂1闭合时构成封闭的矩形结构。

进一步地，固定臂1上设置有插拔销到位传感器，用于检测安全销是否插拔到位，以便于调节安全销的插拔深度。

进一步地，夹持板5背部还固定有夹持导向件6，夹持导向件6与固定臂1或活动臂2相连接。夹持导向件6用于对夹持板5进行导向和限位。

固定臂1和活动臂2上均设置导向孔9，夹持导向件6插入在导向孔9中；导向孔9为方孔。

如图3所示，夹持板5背部还设置多个横纵交叉的筋板10，可有效分担夹持板5应力，使夹持板5的形状保持稳定，增强夹持板5的刚度。其中夹持板5背部的中部设置安装架，夹持导向件6固定在安装架的中部，安装架的两侧分别连接一个夹持液压缸4。

优选的，夹持板5的夹持面设置有橡胶层，以在夹紧风机叶片时，使得叶片承受合理压强，同时避免破坏风机叶片表面结构和表面涂层，另外橡胶层具有一定弹性，能够更好地贴合在风机叶片表面。

进一步地，橡胶层粘贴在夹持板5的夹持面上。

进一步地，夹持板5的夹持面上设置卡槽，橡胶层卡接在卡槽中。

一种利用机械手进行风机叶片的安装方法，包括以下步骤：

1）利用起重机起吊机械手，使机械手在起吊过程中保持水平姿态，在机械手到达目标位置后，调整机械手的俯仰角度,使机械手俯身，同时使机械手的抱合机构打开；

2）移动机械手到夹持位置，使风机叶片置于机械手内部，再使机械手的抱合机构闭合，最后使抱合机构对风机叶片进行夹紧；

3）夹紧风机叶片后，调整机械手的俯仰角度,使机械手呈水平状态起吊至目标位置；

4）通过俯仰液压缸调整机械手的俯仰角度，并通过旋转机构调整机械手的旋转角度，，使风机叶片达到安装姿态后，进行风机叶片的安装；

5）风机叶片安装完成后，使机械手的抱合机构松开风机叶片，并使机械手的抱合机构打开，将机械手吊离风机叶片的安装位置，使机械手与风机叶片脱离。

其中机械手的旋转动作由液压马达驱动,机械手的俯仰动作、抱合机构开合动作、夹持机构动作和安全销插拔动作分别由俯仰液压缸20、抱合液压缸3、夹持液压缸4和插拔销液压缸驱动，使得工作过程比较平稳、惯性小、反应快，易于快速启动和制动，自动化程度高，易于进行调节和控制。

机械手的俯仰动作、旋转动作、抱合机构动作、夹持机构动作、安全销插拔动作均由地面无线遥控操作，操作方便安全。

在进行步骤1）之前，机械手放置在支架22上。

其中步骤1）具体为：通过俯仰液压缸20的活塞杆伸缩，调整吊杆15的角度，从而调整机械手的姿态，使机械手保持水平状态，再用起重机起吊机械手，待机械手脱离支架22后，再次通过俯仰液压缸20调整吊杆15角度，使机械手俯身30度，同时由抱合液压缸3驱动活动臂2动作，使机械手的抱合机构打开；该过程中机械手从水平状态变为俯身状态的过程如图4至图5所示。

其中步骤2）具体为：如图6所示，下放并移动机械手到合适的夹持位置，再按照图7所示，由抱合液压缸3驱动活动臂2回转，使机械手的固定臂1和活动臂2闭合，闭合后，由插拔销液压缸驱动安全销动作，使安全销插入固定臂1和活动臂2的销孔中，锁紧固定臂1和活动臂2，使抱合机构呈封闭状态，然后由夹持液压缸4驱动夹持板5伸出，直至夹紧风机叶片。

步骤3）具体为：夹紧风机叶片后，通过俯仰液压缸20的活塞杆伸缩，调整吊杆15的角度，从而调整机械手的俯仰角度，如图8所示，使机械手保持水平状态，再用起重机将夹持风机叶片的机械手起吊至目标位置；

步骤4）具体为：到达目标位置后，通过俯仰液压缸20调整机械手的俯仰角度，并通过液压马达驱动旋转机构13，从而调整第一延伸杆16、第一抱合机构11、旋转板21、第二延伸杆17和第二抱合机构12构成整体的旋转角度，通过机械手的俯仰角度和旋转角度的调整，使风机叶片处于合适的安装姿态，然后再进行风机叶片的安装；如图9、图10和图11所示，机械手可实现风机叶片的水平安装、竖直安装以及风机叶片向下倾斜30度的安装。

步骤5）具体为：风机叶片安装完成后，由夹持液压缸4驱动夹持板5缩回，从而使夹持机构卸荷而松开风机叶片，然后由插拔销液压缸驱动安全销动作，拔出安全销，最后由抱合液压缸3驱动机械手的抱合机构打开，将机械手吊离风机叶片的安装位置，使机械手与风机叶片脱离。

其中机械手的俯仰角度为-30°～0°，机械手的旋转角度为-130°～130°。

其中机械手的俯仰角度和旋转角度通过传感器监测并在地面操纵器上显示。

本实施例中夹紧机构夹持风机叶片时，机械手从风机叶片的前缘夹持，第一抱合机构夹持位置为距离风机叶片重心2m处，第二抱合机构夹持位置为距离风机叶片重心13m处，夹持位置允许偏差范围在±1m区域内。采用上述夹持位置能够使得夹持更加稳固。

本实施例中风机叶片的吊装须在四级风以下的气候条件下进行。

本实施例中风机叶片被夹持前在地面的放置姿态为前缘垂直向上，以便于夹持。

本实施例中机械手动作还具有闭锁功能， 以避免误操作导致吊装过程事故发生。

本发明的机械手，能够在空中调整俯仰角度和旋转角度，从而调整风机叶片的安装姿态，便于风机叶片的安装，可靠度高；同时本发明机械手的各个部分可拆卸，方便运输和现场拼装；安装叶片过程中只需机械手与起重机配合，操作简单，安全可靠。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。