SMART-Projekt

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Vorstellung SMART-Projekt

Seit August 2014 wird das Projekt SMART (Scanning Monitoring, Analysing Repair and Transportation) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.

Ziel des Forschungsprojektes SMART ist die Entwicklung einer kletternden Wartungsplattform für Windenergieanlagen (WEA). Mit einer Arbeitskabine wird das Rotorblatt an einer gewünschten Stelle eingehaust, sodass Fehlerdetektion und Reparatur unabhängig von Wind und Wetter durchgeführt werden können. In der Arbeitskabine können sich Arbeiter in großer Höhe (schwindel-)frei bewegen und arbeiten. Insbesondere ist es möglich, innerhalb der robusten Plattform sowohl Mess-, als auch Reparaturtechnologien, autonom und teleoperativ vom Boden aus einzusetzen und Unfälle mit Personen im Vorfeld zu vermeiden.

In Kombination mit einem Trend-Monitoring-System kann die Analyse der Messdaten automatisiert und die Verfügbarkeit der Windkraftanlagen nachhaltig gesteigert werden.

Unter Berücksichtigung der Anforderungen aus der Industrie wird besonders auf die Logistik und eine schnelle Einsatzbereitschaft der SMART-Plattform wertgelegt. Diese hat großen Einfluss auf die wirtschaftliche Nutzung.

Das Projekt wurde vom BMWi bisher mit folgender Gesamtfördersumme unterstützt:

Phase 1: ca. 1,8 Millionen € für die Projektdauer von 18 Monaten
Phase 2: ca. 3,4 Millionen € für die Projektdauer von 30 Monaten

Vorteile des SMART-Konzeptes

Arbeitskabine für die ganzjährige, insbesondere wetterunabhängige Instandhaltung von Windenergieanlagen. Das SMART-Konzept bietet außerdem eine Plattform für folgende Möglichkeiten:

  • teilautonome und teleoperierte Reparatur von Rotorblättern im montierten Zustand
  • zerstörungsfreie Werkstoffprüfung durch Einsatz von Thermografie-, Mikrowellen- und Ultraschallmessgeräten
  • Trend-Monitoring und Analyse von Messdaten zur Steigerung der Verfügbarkeit von WEA
  • Transport von WEA-Komponenten (z.B. Ersatzteile im Rahmen der Instandhaltung) entlang der Turmachse
  • Reinigung, Inspektion und Reparatur von Turmoberflächen
  • Machbarkeitsanalyse für den Rotorblattaustausch für kleine bis mittelgroße Windkraftanlagen

Vorhabenbeschreibung: Phase 1

Phase 1 bestand darin, das SMART Klettersystem mit den in Frage kommenden Belastungen im Labormaßstab 1:3 zu entwickeln, zu testen und die Kletterfähigkeit nachzuweisen. Dabei wurden die Besonderheiten der Zertifizierungsgesichtspunkte berücksichtigt. Für die Zertifizierung zählt vor allem die Klettereignung für Windenergieanlagen WEA, d.h. dass der SMART-Roboter beim Klettervorgang keine Beschädigung der Turmstruktur und Turmoberfläche verursacht. Dieses Ziel ist vollständig mit der Demonstration des kletternden SMART erreicht worden. Die Forschungsergebnisse wurden dem PTJ am 01.12.2015 präsentiert.

In der ersten Phase wurde der Fokus auf das Kettenklettersystem gelegt und im Maßstab von 1:3 entwickelt und gebaut. Diese Maßnahme diente als eine Machbarkeitsstudie, um die Funktionalität des Kettenklettersystems beim „Auf- und Abfahren“ am Turm festzustellen. Das Wirkprinzip des Kletterns basiert auf Haftreibung. Die erforderliche Anpresskraft auf die Kettenläufer wird durch einen Spannmechanismus erzeugt. Als Konzept für den Spannmechanismus wird das Prinzip der „Nürnberger“-Schere verfolgt. Gleichzeitig wurde belegt, dass die Anpresskraft deutlich unterhalb der zulässigen Belastungsgrenze der WEA-Turmstruktur liegt.

Vorhabenbeschreibung: Phase 2

In Phase 2 wird der 1:3 Demonstrator aus der Phase 1 zum 1:1 Prototypen skaliert und weiterentwickelt. In dieser Phase werden die Arbeitskabine für die Instandhaltung der Rotorblätter und zwei langen Lastauslegern, welche am Klettersystem befestigt werden, entwickelt. Zusätzlich wird der Innenraum der Arbeitskabine für die Arbeiten an den Rotorblättern vorbereitet und Peripheriegeräte, sowie ein Robotik System integriert.

wie oben beschrieben wird in dieser Phase des Projektes der Prototyp entwickelt. Die Installation des SMART erfordert ein multifunktionales Transport- und Montagehilfsmittel. Die optimierte Logistik und eine schnelle, kosteneffiziente Installation des SMART an einer WEA sind wesentliche Anforderungen aus der Industrie.

Es wird vorrangig ein manntragendes Konzept für die SMART Kletterplattform verfolgt. Parallel dazu erfolgt die Entwicklung einer teleoperativen, robotergestützten Erweiterung, die in vielen Anwendungen, wie zum Beispiel bei reinen Prüfaufgaben mit Thermografie- oder Ultraschallmesssystemen ferngesteuert in der Höhe operieren kann. Ursächlich für diese parallele Entwicklung sind die wachsenden Hürden der Sicherheitsvorschriften für bemannte Instandhaltung.

Demonstrationsmodelle im Maßstab 1:20

Als Grundlage für die Entwicklung des Demonstrators im Maßstab 1:3 wurden Demonstrationsmodelle im Maßstab 1:20 gefertigt. Die Modelle sind voll funktionsfähig und ermöglichen die praktische Untersuchung der kinematischen Zusammenhänge. Dadurch können die Simulationsergebnisse in einem frühen Entwicklungsstadium validiert werden. Das Modell für das Kletterprinzip mit Gurten zeigte die negativen Einflüsse der Gurtdehnung: der Gurt-Kletterroboter bewegte sich nach jedem Spann- und Lösezyklus nach unten. Als Konsequenz verkürzte sich der theoretische Hub des Klettermechanismus.

An einem zweiten Modell, das mit Kettenfahrwerken bewegt wird, konnte die Antriebsregelung entwickelt und erste Erfahrungen mit dem kontinuierlichen Klettern gesammelt werden. Die gleichförmige Bewegung aller Kettenfahrwerke führt auf Grund unterschiedlicher Belastungen, Mikrogleiten bzw. Schlupf - insbesondere bei Lenkbewegungen - dazu, dass sich Spannungen in der biegesteifen Verbindung aufbauen, deren Größe und Art zukünftig am Demonstrator untersucht werden sollten.

Weitere Interationen der Demonstrationsmodelle beziehen sich auf die Optimierung des Antriebes und der Elektronik, sodass diese weniger fehleranfällig sind und auf Messen oder bei Vorträgen schnell und unkompliziert vorgeführt werden können. Außerdem wurden das Auslegersystem und die Wartungskabine überarbeitet, um einen aktuelleren Stand der Entwicklung darzustellen.

Demonstrator im Maßstab 1:3

Der Demonstrator besitzt insgesamt zehn Kettenantriebe, die äußerst kompakt und leicht aufgebaut sind, um die Gewichtskräfte, bei gleichzeitiger Erhöhung der Tragkraft, zu reduzieren. Sowohl für die Überwindung des Losfahrmomentes als auch zur Kompensation der Walkarbeit wurden Harmonic-Drive Antriebe eingesetzt, die ein hohes Drehmoment liefern können. Zur präzisen Regelung der Antriebe werden hochauflösende Absolutencoder mit Servoverstärkern verwendet. Damit kann in der Demonstrator-Phase eine synchrone Drehzahl der einzelnen Motoren sichergestellt werden, um so möglichst auf einer Geraden den WEA-Turm hochzuklettern. Es sind aber auch Untersuchungen zum Skid-Steering möglich: die Erzeugung einer Drehung um die Turmachse durch Variation der beiden Drehzahlen jeweils eines Kettenantriebes. Die Verifikation der erstellten kinematischen Modelle erfolgt mit einem selbst erstellten Trackingsystem auf Basis der ar_track_alvar Algorithmen, welche mit dem Robot Operating System ROS implementiert wurden.

Nach Verifikation des kinematischen Modells werden die Kräfte im Modell simuliert. Der Demonstrator wurde zur experimentellen Überprüfung des dynamischen Modells mit mehreren 6-Achs-Kraft- bzw. Momentensensoren ausgerüstet, die eine Erfassung des zeitlichen Verlaufs der Belastungen ermöglichen. Nach Berücksichtigung der experimentellen Ergebnisse und Abgleich mit dem kinematischen und dynamischen Modell, sollen die erstellten Modelle in Phase 2 des Projekts zur Skalierung des SMART Kletterroboters als 1:1 Prototyp dienen.

SMART-Kletterroboter der FH Aachen auf der Hannover Messe

Wie können Windenergieanlagen effizienter gewartet werden? Eine Antwort auf diese Frage könnte lauten: mithilfe einer kletternden Wartungsplattform, die gerade an der FH Aachen im Rahmen des Projekts SMART (Scanning, Monitoring, Analysing, Repair and Transportation) entwickelt wird. Ziel ist es unter anderem den zeitlichen Aufwand für Wartungen und somit den Stillstand der Windenergieanlagen erheblich zu reduzieren; die Wartung soll damit außerdem unabhängig von Wind und Wetter möglich sein.

Bei der Hannover Messe hat das SMART-Projektteam das Fahrwerk und einen Demonstrator der kletternden Wartungsplattform am Gemeinschaftsstand des Landes NRW präsentiert. Nicht nur viele Besucherinnen und Besucher der Messe informierten sich beim leitenden wissenschaftlichen Mitarbeiter, Mohsen Bagheri, über den Kletterroboter. Auch der Staatssekretär im Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes NRW, Dr. Thomas Grünewald, und Karl-Uwe Bütof, Abteilungsleiter im Ministerium für Wirtschaft, Energie, Industrie, Mittelstand und Handwerk NRW, zeigten sich beeindruckt von der Arbeit der FH-Wissenschaftler.

Das Forschungsteam hat einen Weg gefunden, wie man eine Service-Plattform baut, die außen am Turm der Windenergieanlage hochklettert. In einer Kabine an der Plattform können sich Personen in großer Höhe (schwindel-)frei bewegen und arbeiten. Mess- und Reparaturtechnologien können außerdem teleoperativ vom Boden aus durchgeführt werden.

In Kombination mit einem Trend-Monitoring-System kann die Analyse der Messdaten automatisiert und die Verfügbarkeit der Windkraftanlagen nachhaltig gesteigert werden. Unter Berücksichtigung der Anforderungen aus der Industrie wird besonders auf die Logistik und eine schnelle Einsatzbereitschaft der SMART-Plattform wertgelegt.

Förderung des Projekts SMART
Im August 2014 fiel der Startschuss für das Projekt SMART, das mit Hilfe des EurA-Netzwerks InTeWIND initiiert wurde. Ziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung einer kletternden Wartungsplattform für Windenergieanlagen (WEA). Das Projekt befindet sich mittlerweile in der zweiten Förderphase. Sie läuft über 30 Monate bei einer Fördersumme von 3,4 Millionen Euro. In der ersten Förderphase, die vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie mit 1,8 Millionen Euro gefördert wurde, haben die Wissenschaftler bereits einen Demonstrator des Kletterroboters im Maßstab 1:3 gebaut.

Betreuende Professoren sind Dr. Peter Dahmann vom Fachbereich Luft- und Raumfahrttechnik und Dr. Stephan Kallweit vom Fachbereich Maschinenbau und Mechatronik. Als leitende wissenschaftliche Mitarbeiter sind Mohsen Bagheri und Josef Schleupen für das Projekt tätig.

Den Demonstrator im Maßstab 1:3 können Sie auf YouTube sehen: SMART Demonstrator

Wissenschaftlische Mitarbeiter aus dem SMART-Projektteam (r. Mohsen Bagheri).
Foto: FH Aachen/ Pia Wilbrand
Mohsen Bagheri und Dr. Thomas Grünewald Staatssekretär im Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung.
Foto: FH Aachen/ Pia Wilbrand
Mohsen Bagheri und Dr. Thomas Grünewald Staatssekretär im Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung.
Foto: FH Aachen/ Pia Wilbrand
Das SMART-Projekt der FH Aachen auf der Hannovermesse.
Foto: FH Aachen/ Pia Wilbrand

Artikel "Rotorblattreparatur bei Wind und Wetter" bei Sonne, Wind & Wärme

Die Seite Sonne, Wind und Wärme hat in Ihrer Zeitschrift 04/2017 einen Artikel über den SMART Serviceroboter verfasst.

Weitere Informationen (PDF, de)

Update 09.06.2017:
Der Artikel ist jetzt auch online verfügbar.

Weiter zu Sonne, Wind & Wärme

SMART-Kletterroboter auf der HMI 2017

Besuchen Sie den SMART-Kletterroboter auf dem Landesgemeinschaftsstand B30 des Landes Nordrhein-Westfalen in Halle 2 auf der diesjährigen Hannover Messe (24. - 28. April).

Informationen zur FH Aachen / SMART

SMART Pressemitteilung (PDF, de)

SMART press release (PDF, en)

Flyer SMART (PDF, de)

Flyer SMART (PDF, en)

SMART-Vortrag AKIDA

Kletternde Wartungsplattform für die wetterunabhängige Instandhaltung
von Rotorblättern an Windenergieanlagen - SMART

Veröffentlichung am 16. November 2016 bei der AKIDA im Technologiezentrum Aachen

SMART-Kletterroboter auf der Hannover Messe 2016

Der SMART-Kletterroboter wurde sehr erfolgreich auf dem Stand C28 des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) in Halle 2 auf der diesjährigen Hannover Messe (25. - 29. April 2016) vorgestellt.

Von den einzigartigen Möglichkeiten des SMART konnten sich auch die Wissenschaftsministerin des Landes Nordrhein-Westfalen Svenja Schulze sowie der Parlamentarische Staatssekretär Herr Uwe Beckmeyer beim Messebesuch am Stand des BMWi überzeugen.

 

Interview mit dem Erfinder und stellv. Projektleiter Herr Mohsen Bagheri

SMART-Kletterroboter: (youtube-Video des BMWi)

 

 

Prof. Dr.-Ing. Peter Dahmann

Lehrgebiet Technische Mechanik
Raum O1112
T: +49.241.6009 52360
dahmann(at)fh-aachen.de | Veranstaltungen

Prof. Dr.-Ing. Stephan Kallweit

Lehrgebiet Informationstechnologie 1
Raum Goe 02411
T: +49.241.6009 52348
F: +49.241.6009 52681
kallweit(at)fh-aachen.de | Homepage | Veranstaltungen

Dipl.-Ing. Mohsen Bagheri

Lehrgebiet SMART Forschungsprojekt- Management
Raum 0404
T: +49.241.6009 52438
F: +49.241.6009 52680
bagheri(at)fh-aachen.de | Veranstaltungen

Enno Sebastian Dülberg M.Sc.


Raum 0405
T: +49.241.6009 52518
F: +49.241.6009 52681
duelberg(at)fh-aachen.de | Homepage |

Michael Kramer M.Eng.

Lehrgebiet SMART-Projekt, Projekt- und Konstruktionsingenieur
Raum 0406
T: +49.241.6009 52605
F: +49.241.6009 52680
kramer(at)fh-aachen.de |

Hoppe GT Kampschmidt, Jannik

Bachelorstudent Maschinenbau

Raum 0406
Aachener-und-Münchener-Allee 1
52074 Aachen

Email: jannik.hoppe-gt-kampschmidt@alumni.fh-aachen.de
Fon: 0241 6009 52883

Müller, Tobias

Bachelorstudent Maschinenbau und Mechatronik

Raum 0406
Aachener-und-Münchener-Allee 1
52074 Aachen

Email: tobias.mueller1@alumni.fh-aachen.de
Fon: 0241 6009 52883

Staudt, Thomas

Bachelorstudent Luft- und Raumfahrttechnik

Raum 0406
Aachener-und-Münchener-Allee 1
52074 Aachen

Email: thomas.staudt@alumni.fh-aachen.de
Fon: 0241 6009 52883

Dirk Käufer

CEO

Mühlenberg 5
42499 Hückeswagen

Email: d.kaeufer@kaeufer.de
Fon: 02192 9203-12

Werner Käufer

CEO

Mühlenberg 5
42499 Hückeswagen

Email: w.kaeufer@kaeufer.de
Fon: 02192 9203-32

Tim Brodersen Miethe, M.Eng.

Maschinenbauingenieur

Raum 0407
Aachener-und-Münchener-Allee 1
52074 Aachen

Email: t.brodersen@kaeufer.de
Fon: 0241 6009 52874

Siegmund Drothen

Konstrukteur

Mühlenberg 5
42499 Hückeswagen

Email: s.drothen@kaeufer.de
Fon: 02192 9203-39

Manfred Eberhardt, Dipl.-Ing.

CEO

Am Ziegelstadel 3
87766 Memmingerberg

Email: manfred.eberhardt@ematec.de
Fon: 08331 9487-0

Dietmar Heinrich, Dipl.-Ing.

Konstruktion und Projektleitung

Am Ziegelstadel 3
87766 Memmingerberg

Email: dietmar.heinrich@ematec.de
Fon: 08331 9487-137

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