本发明涉及用于制造风轮机叶片构件的方法及系统。
发明背景
风轮机叶片构件（如叶片半壳或叶片半壳区段）的制造通常涉及到在成型模具中的纤维材料的层叠。纤维材料一般被施加为层区段（plysection）或条。不同的层区段是根据用于叶片构件的预先层叠计划被连续地施加。
然后可将树脂施加到模具中的纤维材料。树脂被允许固化来形成模制的叶片构件。
传统上，层叠材料是被手动地施加到模具的表面上。然而，由于一些叶片构件相对较大，例如现代风轮机叶片可超过40米长，故此类手动层叠导致了较长的循环时间用来制造此类叶片构件。
为了减少用于叶片构件的制造时间，可从由操作者控制的层叠头来分配纤维材料。层叠头是被布置成从设在层叠头处或层叠头上的卷来施加此材料，该材料沿着线性施加平面进行施加。层叠头是安装在车（wagon）上并可相对于模具移动，以沿着任何期望的模具部分分配纤维材料的层区段。
当剩余的纤维材料太短而不能用于根据用于叶片构件的层叠计划将被分配的下一个层区段时，由操作者用新的卷替换层叠头的卷。风轮机叶片构件的制造因此在用过的卷上留下残余的纤维材料作为剩余材料。
本发明的一个目的在于提供试图减少这些问题的用于制造风轮机叶片构件的改进的方法及系统。
发明概要
本发明涉及一种用于制造风轮机叶片构件的方法，其使用层叠头，层叠头用于在叶片构件模具中的来自于多个卷中的各卷的作为层区段或条的纤维材料的自动或半自动层叠，所述方法包括步骤：
a)限定用于叶片构件的层区段的列表，其包括用于层区段的层叠序列和每一个层区段的长度，
b)使用至少所述层区段的列表、所述多个卷的至少一个子集和在所述多个卷上的纤维材料的初始长度，生成层叠计划的选择，
c)在至少一个第一标准约束下，选择所述层叠计划的选择中的一个层叠计划，所述至少一个第一标准包括在所述多个卷上的纤维材料废料的剩余量在长度方向上的优化，以及
d)用计算装置控制层叠头和所述多个卷，以在所述叶片构件在所述叶片构件模具中的制造中执行所选择的层叠计划。
通过包括预先计划步骤，该方法确保了在风轮机叶片构件的制造中更有效地使用纤维材料。该方法还确保了没有向制造过程加入不必要的循环时间。
短语"在所述多个卷上的纤维材料的初始长度"应被理解为在其最初进入风轮机叶片构件的制造过程时存在于卷上的任何纤维材料长度。例如，可除去引入在卷上的纤维材料的第一层的任何工艺损坏，以实现在卷上的"纤维材料的初始长度"。理解到的是，纤维材料在卷上是连续的，并且层区段在遵循层叠计划时在处于层叠头中时是被从卷切割。
用语"废料"应被广义地理解为在特定的风轮机叶片构件的制造中的在卷上的剩余纤维材料。
例如，整个卷可具有300m纤维材料的初始长度。此类卷可被用于层区段的层叠，直到下一个层区段的长度大于在卷上的剩余的玻璃纤维材料。然后可转换到新的卷，并且剩余的玻璃纤维材料将被认作是废料。本发明的一个目的在于减少此类废料。
优选地，所述层叠计划中的每一个包括被分布在所述多个卷的所述至少一个子集上的所述层区段的列表中的连续层区段的不同序列组，以执行整个列表的层叠。可能的序列组揭示了与有利地建立整个列表相关的卷的潜在使用。
优选地，分布在卷上的连续层区段的所述序列组是在卷上和/或其子区段的初始长度的第一预定目标值和第二预定目标值内生成。目标值限定了与纤维材料废料标准的优化相关的用于卷的有利窗口（window）。
优选地，在卷上的初始长度(x)的所述子区段是预定数量的子区段。有限数量的子区段确保了层叠计划的可管理的选择。
优选地，所述预定子区段是1/2*初始长度(x/2)、1/3*初始长度(x/3)、1/4*初始长度(x/4)......直到1/n*初始长度(x/n)达到预定最小长度，或者所述预定子区段是初始长度减去一个值(x-值)、初始长度减去该值的两倍(x-2*值)、初始长度减去该值的三倍(x-3*值).......直到达到预定最小长度。因此，实现的本发明的有利实施例涉及到限定了有少量或大量层叠计划的解决方案。
优选地，所述第一预定目标值和所述第二目标值是在0.95到0.97和0.99到大约1.00*卷的初始长度(x)和/或其子区段的范围内，如分别为0.95和0.99的值。由此，生成了层叠计划的选择，其中计划可确保合理到有利的废料值。
优选地，所选择的层叠计划的所述标准包括小于在所述多个卷的所述至少一个子集上的纤维材料的初始长度的1%的纤维材料废料的剩余量。由此，实现了本发明的有利实施例，其具有纤维材料的有效使用。
优选地，用于选择一个层叠计划的第二标准包括在所述层叠头中的卷的附加转换数量相对于理想的转换数量的优化。由此，实现了本发明的有利实施例，其减少了纤维材料废料，并且同时通过限制卷的必要转换数量而保持了尽可能低的循环时间。
用语"转换（changeovers）"应被理解为将新的或部分用过的卷设置在层叠头中。理想的转换数量对应于在未优化用于执行制造风轮机叶片构件的方法时的必要的转换数量。
优选地，所述转换数量等于或小于在制造风轮机叶片构件中的预定极限值，如等于或小于4次转换、5次转换或6次转换，因为卷的转换不利地影响循环时间。
在本发明的实施例中，用于选择一个层叠计划的第三标准包括卷的转换的时间安排（timing），其需要将芯材置于叶片构件模具中，以便在芯材被置于模具中时执行转换。
出于结构原因，当制造风轮机叶片构件（例如，如叶片半壳）时，芯材（如轻木或合成聚合物材料）通常是被置于某些纤维层之间或者在某些层区段的顶部上。在芯材置于模具期间，将芯材布置在模具中所花费的时间内，必须中断层区段的层叠。在此中断期间，期望执行卷的转换，这也花费时间。以此方式，缩短了用于构件的生产时间。
例如，某个叶片壳设计可能意味着在7号层区段层叠之后将轻木布置在模具中。现在，第三标准将触发用于根据至少一个第一标准的层叠计划的搜索，第一标准建议在7号层区段之后转换卷。
如果此类层叠计划存在，则可将其认作是用于该特定叶片壳设计的制造所选择的层叠计划。
因此，根据利用第三标准和至少一个第一标准的这些实施例，可接受的是在多个卷上的纤维材料废料的剩余量略微增加，然后通过节省所花费的时间来补偿，通过在模具中布置芯材的同时执行卷的转换来生产风轮机叶片构件。
优选地，例如树结构建模的数学组合被用在生成所述层叠计划的选择中。树形结构建模是一种推导出可能的层叠计划的最佳选择的特别适合的逻辑方式。
在本发明的实施例中，生成层叠计划的选择是用计算装置执行。
优选地，所述层区段的列表包括了将叶片半壳或半壳区段制造为所述风轮机叶片构件所必需的层区段。
本发明还涉及一种用于制造风轮机叶片构件的有利系统。
根据本发明的实施例，层叠头是位于车中，该车适用于在模具中或模具处在不同方向上移动。
优选地，车或模具包括用于多个卷的储存器。
根据本发明的实施例，纤维材料(11)包括玻璃纤维、碳纤维、杂化物（hybrid）或其组合。
在本发明的优选实施例中，风轮机叶片构件是叶片半壳或叶片半壳区段。
发明详细说明
参考附图，现在将仅通过举例的方式描述本发明的实施例，附图将被理解为仅是说明性的，并且未按比例提供。
图1是具有三个风轮机叶片的现代风轮机的等距透视图；
图2a是用于制造风轮机叶片构件的模具和层叠头的横截面视图；
图2b是图2a中所示模具的俯视图，许多层区段在风轮机叶片构件的制造中被层叠；
图3是用于风轮机叶片构件的层区段的列表，每一个区段有各自长度；
图4是根据本发明的用于制造风轮机叶片构件的方法的流程图；
图5是表格的第一半，其示出了用于制造风轮机叶片构件的可用计划的不同部分；
图5(续)是图5中表格的第二半；
图6是用于在层叠计划的选择之间选择层叠计划的树结构建模的例子；
图7是限定的列表的表格，所述限定的列表具有用于图6中所示树结构建模的层区段和层区段的长度；
图8是公开了与计划的选择相关的不同数量的卷转换下的废料值的表格；以及
图9是公开了根据本发明的用于风轮机叶片构件的层叠计划的例子的表格。
详细说明
图1示出了现代风轮机1的等距透视图，该现代风轮机1包括风轮机塔架2和安装在塔架2上的风轮机机舱3。风轮机的转子4包括风轮机毂5和从毂径向地延伸的三个风轮机叶片6。风轮机叶片6中的每一个具有从根部到末梢表示为l的长度。
图2a示出了系统7的横截面视图，该系统7用于制造风轮机叶片构件(如用于风轮机叶片中的壳半部或壳半部的区段)。例如，壳半部的区段可以是根部和末梢区段以及一个或多个中心区段，该一个或多个中心区段在制造许多叶片区段中用于随后例如在风轮机地点处或附近的连接。
在图2a中所示出的系统7包括用于纤维材料（如玻璃纤维、碳纤维、杂化物或其组合）的模具8和层叠头9。纤维材料的卷10被定位在层叠头9中，用于将纤维材料11的区段分配到模具8的表面上。由层叠头9分配到模具8中的纤维材料的每一个分配长度在以下文本中称为层区段，如附图中的模具8中所示的层区段x1。
如图2a中示意性所示，层叠头9是位于具有轮的车15中，其中车和层叠头可相对于模具8移动，以沿着任何期望的模具部分来分配纤维材料的层区段。
用于纤维材料12a，12b的其它卷的储存设施是位于车15上，或位于车15和模具8的附近。提升装置13在储存设施与层叠头9之间执行卷的转换，其中提升装置13可以是高架提升机、靠近模具的移动起重机，或用于执行卷转换的其它适合的提升装置。
用于制造风轮机叶片构件的系统7还包括计算装置14，其用于控制风轮机叶片构件的制造过程。计算装置14可包括任何所需的硬件和软件，如中央处理器单元以及永久和暂时的数据储存器，以用于执行软件程序。
图2b示出了在图2a中出现的模具8的俯视图，其具有在风力涡轮机叶片构件的制造中被层叠的许多层区段x1至xn。
图2b中的层区段x1到xn是使用具有从长度(x1)到长度(xn)的各自长度的层叠头(未在附图中示出)进行层叠的。所示出的长度x1至xn是被示出为单独的短的层区段以保持图的清楚，但是许多层区段可具有接近模具的整个长度的长度，并且层区段可与其它的层区段重叠或者或多或少置于彼此的顶部上。
图3示出了用于在模具中制造风轮机叶片构件的层区段的列表。
列表是在制造过程开始之前制作，并且限定了用于所需层区段的层叠序列-层区段1，接着是层区段2，接着是层区段3等，直到达到层区段n。该列表还限定了每一个层区段的特定长度。
图4示出了根据本发明的用于制造风轮机叶片构件的方法的流程图。
流程图中的第一步骤a)限定了用于叶片构件的层区段的列表，其包括如图3中所示的层叠序列和每一个层区段的长度。
步骤b)使用至少所述层区段的列表、多个卷的至少一个子集和所述多个卷上的纤维材料的初始长度，生成层叠计划的选择。
步骤c)在至少一个约束下选择所述层叠计划的选择中的一个层叠计划，所述至少一个标准包括所述多个卷上的废纤维材料的剩余量在长度方向上的优化。
用步骤b)和c)所解决的组合问题和优化，可利用或不利用计算装置来执行。
步骤d)用计算装置来控制层叠头和所述多个卷，以在叶片构件在叶片构件模具中的制造中执行所选择的层叠计划。
图5和5(续)示出了本发明的一个实施例，其中生成了用于层区段的列表的层叠计划的选择。
该表的第一列提到了在卷上的纤维材料的长度。在行中的值x是纤维材料的初始长度，如300米，并且y可以是预定值，如20米，提议了在所建议的实施例中的300米、280米、260米、240米......的行值。
最小长度是预定的，并且所预定的最小长度例如在所建议的实施例中可以是50米或100米。所预定的最小长度是这样的值，其中在卷上的剩余纤维材料长度使其对于执行另一个卷转换是不希望的。
在另一个实施例中，第一列还可被选择成x的分数，如x、x/2、x/3、x/4和x/5，具有较少的值和可能的层叠计划，直到达到如上所述的预定的最小长度。
第二和第三列"目标1"和"目标2"限定了用于每一个卷长度的目标窗口，其中目标1和目标2在实施例中被提及为0.95和0.99，表明了目标应该大于卷长度（即，卷长度x）的95％且低于99％：
0.95*x<可能的序列组的长度<0.99*x。
为了推导出最低的浪费，1％至5％的极限(即对应于0.95至0.99的范围)浪费在该实施例中是被认为可接受的，并且一些纤维材料浪费是不可避免的，例如起皱和工艺损坏，因此1％的最小极限，并且扩展到最大5％，由于超过5％将导致更多的纤维材料浪费/不可用的剩余材料，该方法是不可接受的。如果实施例表明需要更低的废料或者如果可以避免起皱和工艺损坏并且允许大约1.00而不是0.99的极限值，除了0.95和0.99之外的其它值是可能的，例如值为0.97。如果可能的层叠计划的选择需要高于用上述目标窗口所建议的值，则也可以使用低于0.95的值，如0.90。
第四列公开了根据列表的用于在卷上的不同长度的纤维材料的可能的序列组的例子，该列表包括在实施例中的29个层部分。
在第四列的第一行中的例子表明，层区段1至6是在目标窗口内的可能的序列组。可能的序列组也将导致特定的废料值w1_1，该特定的废料值w1_1是由从当前的卷长度中减去层区段的长度之和进行限定的，即：
组(1-6)；w1_1=0.99*x-可能的序列组(1-6)的长度。
在第五列和第六列的第一行中的例子表明，层区段12至19和层区段14至22是在目标窗口内的其它的可能的序列组。两个可能的序列组也将导致废料值w2_1和w3_1：
组(12-19)；w2_1=0.99*x-可能的序列组(12-19)的长度。
组(14-22)；w3_1=0.99*x-可能的序列组(14-22)的长度。
在第一行中的可能的序列组和废料值的生成将继续(如果可能)成：
组(x-y)；w4_1=0.99*x-可能的序列组(x-y)的长度
组(z-w)；w5_1=0.99*x-可能的序列组(z-w)的长度
直到每一个可能的序列组已被加到第一行。
如在图中所示，可能的序列组和废料值的相同生成将在第二行和更多行中执行，直到已经达到用于卷长度的最小值。
应该强调的是，该表仅是用非常有限数量的可能的序列组进行阐明，以便保持表的清楚。下面行（如卷长度"x-10*y"）是在第六列中用空栏进行阐明，以表明与第一行中的完整的卷长度的许多组相比，减少的卷长度提供了不多的可能的序列组和废料值。
在如上述w1_1至w5_1的层叠计划中的废料值可能仍具有相同的值，即使它们是被不同地标记并且在纤维材料的层叠之后也可以具有零值。
在图5中生成的表格提供了一个数据库，用于为所限定的层区段的列表建立层叠计划的选择。
图6示出了使用树结构建模的例子在可能的层叠计划选择中选择一个层叠计划。
树结构建模在水平或层节点处开始，具有第一卷纤维材料和层区段1-n的限定的列表。用于第一卷的可能的序列组是组(1-2)、组(1-3)和组(1-4)。
后一组是在逻辑树中终止，作为逻辑树建模的一个例子，在下一级或层节点中的废料值是大于目标窗口，并且因此在建模过程中被丢弃/终止。
第二卷纤维材料建议在第一组(1-2)中继续的可能的序列组(3-5)、(3-6)和(3-8)，以及在第一组(1-4)中继续的组(5-9)。
第三卷纤维材料建议在组(1-2)和(3-6)中继续的组(7-10)、在组(1-2)和(3-6)中继续的组(7-8)、在组(1-2)和(3-8)中继续的组(9-n)，以及在组(1-4)和(5-9)中继续的组(10-n)。
第四卷纤维材料建议在组(1-2)、(3-6)和(7-10)中继续的组(11-n)，以及在组(1-2)、(3-6)和(7-8)中继续的组(9-n)。
树结构建模在此公开了使用三个或四个卷和卷转换cx的四种可能的层叠计划。转换还可包括被部分地使用的相同卷，并且然后通过卷转换以层叠计划的顺序被重新引入，其中在卷上的剩余纤维材料被使用。
每一个计划具有每一个使用过的卷的废料值wx，以及所有使用过的卷的剩余的纤维材料废料量，其中从层叠计划中选择一个计划。该一个计划被选择是为了限制在多个卷上的纤维材料废料的剩余量。
一个卷的废料值wx可以与层叠计划中用于其它卷的废料值不同或相同，并且值也可以是零。
附图表明了与其它三个可能的计划相比，3号层叠计划(组(1-2)、(3-6)、(7-10)和(11-n))提供了用于四个用过的卷的纤维材料废料的剩余量的最优化。
图7示出了限定的列表的表格，其具有用于图6中的树结构建模的层区段和层区段的长度，以及第三列，该第三列示出了每卷的纤维材料废料、以及所选择的层叠计划的卷转换的数量。
图8示出了具有表格的例子，该表格公开了与34个可能计划相关的不同数量的卷转换的剩余纤维材料废料量(x1-w34)，该34个可能计划是使用层区段/层区段长度、卷数量和在卷上的纤维材料的初始长度的列表生成的。
纤维材料废料(x1-w34)的一些剩余量可具有相同值，而不论各自的标记如何，并且具有零值。
在表格的可能计划1-34中，选择与最佳的剩余纤维材料废料量相关的计划作为第一约束标准。否则，有可能在表格的可能计划1-34中，选择与具有最低转换数量的最佳的剩余纤维材料量相关的计划作为第一和第二约束标准。
用于选择一个层叠计划的第三标准可包括卷的转换的时间安排，其需要将芯材置于叶片构件模具中，以便在芯材被置于模具中时执行转换。
出于结构原因，当制造风轮机叶片构件（例如，如叶片半壳）时，芯材（如轻木或合成聚合物材料）通常被置于某些纤维层之间或者在某些层区段的顶部上。在将芯材置于模具期间，在将芯材布置在模具中所花费的时间内必须中断层区段的层叠。在此中断期间，期望执行卷的转换，这也花费时间。以此方式，缩短了用于构件的生产时间。
例如，某些叶片壳设计可能意味着在7号层区段进行层叠之后将轻木布置在模具中。现在，第三标准将触发用于根据至少一个第一标准的层叠计划的搜索，第一标准建议了在7号层区段之后转换卷。
如果此层叠计划存在，则可将其认作是用于该特定叶片壳设计的制造所选择的层叠计划。
因此，根据利用第三标准以及至少一个第一标准的这些实施例，可接受的是在多个卷上的纤维材料废料的剩余量略微增加，然后通过节省所花费的时间来补偿，通过在模具中布置芯材的同时执行卷的转换来生产风轮机叶片构件。
因此，用于优化层叠计划的标准可以是：
1.废料%
2.卷转换
3.在应用芯材（如轻木）之前的最佳决定计划，
其中第一标准可单独使用或者与第二和/或第三标准组合使用。
图9示出了具有用于根据本发明的风轮机叶片构件的层叠计划的表格的例子。
该表中的计划包括一系列的39层区段，其具有范围从10米至47.5米的长度，如在第一列和第二列所示，表明了具有接近50米长度的风轮机叶片构件。
例子中的层区段是被层叠在具有层叠头的叶片模具中，使用了取自于四个卷(被标记为1至4)的纤维材料。每一个卷最初包括300米的纤维材料，但减去1％的长度以提供297米的实际长度，从中取得层区段。如以上结合图5所解释的，减去的1％是用于在卷上的纤维材料长度的最小极限/目标2值。
在层叠计划的序列中的层区段1到7号是取自1号卷。层区段1到7号的长度加起来是295米，留下2米的纤维材料废料，即，1号卷上的纤维材料几乎完全使用。
在层叠计划的序列中的层区段8到11号是取自2号卷。层区段8到11号的长度加起来是147米，留下在卷上的150米的纤维材料，即，层叠计划中的2号卷仅部分使用，并且卷被暂时储存用于随后使用。
在层叠计划的序列中的层区段12到32号是取自3号和4号卷，分别在卷上留下6米和1米的纤维材料废料。
在层叠计划序列中的层区段的33到39号是取自再引入的2号卷上的150米纤维材料，留下在卷上的2米纤维材料废料。
因此，在该例子中剩余的纤维材料废料量(2+6+1+2=11米)是被优化为小于在卷上的纤维材料的初始长度(4*297=1.188米)的1％的值，即使3号卷上的纤维材料废料高于2%(6/297*100)。
例子中的卷转换数量是与每次下一个层长度超过在卷上的剩余材料长度时已被引入新的完整卷的数量相同的。这是因为在没有优化的情况下，转换到第五个完整卷将是有必要的以便执行层叠。因此，纤维材料的浪费被显著减少了。
很容易想到，在其它情况下，减少浪费可能以额外的转换为代价，以更好地利用在卷上的可用纤维材料。
在以上描述中，已经参考附图描述了本发明的各种实施例，但是对于本领域技术人员显而易见的是，本发明可以以无限多种方式实现，例如使用在说明书中以各种组合进行公开的实施例，并且在所附权利要求范围内的各种变型内。
附图标记列表
1.风轮机
2.风轮机塔架
3.风轮机机舱
4.风轮机转子
5.风轮机毂
6.转子中的风轮机叶片
7.用于制造风轮机叶片构件的系统
8.用于风轮机叶片构件的模具
9.用于模具中的纤维材料的层叠的层叠头
10.定位在层叠头中的纤维材料的卷
11.由层叠头定位的纤维材料
12a.在层叠头中或层叠头处的纤维材料的储存卷
12b.在层叠头中或层叠头处的纤维材料的储存卷
13.用于执行卷转换的提升装置
14.计算装置
15.用于将层叠头移动的车和轮
16.用于将模具转动的铰链机构
17-20.流程图步骤
l.风轮机叶片的长度
x1-xn.层区段x1到xn，具有在层叠方向上的长度(x1)到长度(xn)