CN108621450A - 丝缠绕系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及丝缠绕系统。丝缠绕系统包括：存储单元，所述存储单元预先存储缠绕对象的基准形状和缠绕条件，所述缠绕条件包括纤维被缠绕在具有基准形状的缠绕对象上的缠绕位置和缠绕角度；引导件，所述引导件相对于缠绕对象可移动，并且将纤维馈送到缠绕对象上；旋转装置，所述旋转装置使缠绕对象旋转，使得从引导件馈送的纤维被缠绕在缠绕对象上；测量单元，所述测量单元测量缠绕对象的形状；和控制器。当存储在存储单元中的基准形状与缠绕对象的测量形状之间存在差异时，控制器修正缠绕条件以便减小或消除差异，并且根据修正后的条件来控制引导件。

Description

丝缠绕系统
技术领域
本发明涉及一种丝缠绕系统。
背景技术
作为生产高压流体罐的方法，丝缠绕方法(也称为“FW方法”)是已知的(例如见日本专利申请公报2014-233852(JP 2014-233852 A))。根据FW方法，预先以热固性树脂浸渍的增强纤维被缠绕在缠绕对象的外周上，以在对象上形成多个纤维层，并且热固性树脂被热固化。通过使用FW方法，能够在缠绕对象的表面层上形成高强度的纤维增强树脂层。
当使用FW方法生产高压流体罐时，纤维需要被适当地缠绕在缠绕对象上，以便获得期望的强度。在JP 2014-233852 A中，提出一种用于检查作为缠绕对象的衬层的圆顶部上的纤维的缠绕位置和折叠半径以便掌握纤维的缠绕位置的方法。
发明内容
然而，在JP 2014-233852 A的方法中，未考虑缠绕对象的形状；因此，可能由于缠绕对象的形状的变化而导致缠绕误差的发生。
根据本发明的一个方面的丝缠绕系统包括：存储单元，所述存储单元预先存储缠绕对象的基准形状和缠绕条件，所述缠绕条件包括纤维被缠绕在具有基准形状的缠绕对象上的缠绕位置和缠绕角度；引导件，所述引导件相对于缠绕对象可移动，并且被构造成将纤维馈送到缠绕对象上；旋转装置，所述旋转装置被构造成使缠绕对象旋转，使得从引导件馈送的纤维被缠绕在缠绕对象上；测量单元，所述测量单元被构造成测量缠绕对象的形状；和控制器，所述控制器被构造成控制引导件和测量单元。控制器使测量单元测量缠绕对象的形状。当存储在存储单元中的基准形状与通过测量单元测量到的缠绕对象的形状之间存在差异时，控制器修正缠绕条件以便减小或消除差异，并且根据修正后的缠绕条件来控制引导件，使得纤维被缠绕在缠绕对象上。根据该方面的丝缠绕系统，通过使用缠绕对象的形状来修正缠绕条件，可以减小或消除由缠绕对象的形状的变化引起的纤维的缠绕的误差。
存储单元可以进一步存储与多个差异对应的多组缠绕条件。当存储在存储单元中的基准形状与通过测量单元测量到的缠绕对象的形状之间存在差异时，控制器可以将缠绕条件改变成与所述差异对应的缠绕条件，并且根据对应的缠绕条件来控制引导件，使得纤维被缠绕在缠绕对象上。利用该布置，与差异对应的缠绕条件被预先存储，并且因此，计算负荷可以被减小。
存储单元可以进一步预先存储：n层基准形状，其作为在将n层纤维缠绕在具有基准形状的缠绕对象上之后获得的形状；和第(n+1)层缠绕条件，其包括纤维被缠绕在具有n层基准形状的缠绕对象上的缠绕位置，其中n是正整数。控制器可以使测量单元测量通过将n层纤维缠绕在缠绕对象上获得的形状。当存储在存储单元中的n层基准形状与通过将n层纤维缠绕在缠绕对象上获得的形状之间存在差异时，控制器修正第(n+1)层缠绕条件以便减小或消除差异，并且根据修正后的第(n+1)层缠绕条件来控制引导件，使得纤维被缠绕在缠绕对象上。利用该布置，使用正被纤维缠绕的缠绕对象的形状来修正缠绕条件，使得由缠绕对象的形状的变化引起的纤维的缠绕的误差可以被有效地减小或消除。
本发明可以以各种形式实现。例如，本发明可以实现为控制丝缠绕系统的方法，或者用于实现该控制方法的计算机程序，或者记录该计算机程序的记录介质等形式。
附图说明
以下将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点和技术及工业意义，在附图中，相同的标记指示相同的元件，并且其中：
图1是在第一实施例中使用的罐的示意性截面视图；
图2是示出丝缠绕系统的构造的示意性视图；
图3是图示丝缠绕系统的控制例程的流程图；
图4是用于解释第一实施例中修正缠绕条件的方法的视图；
图5是图示第二实施例的控制例程的流程图；并且
图6是图示第三实施例的控制例程的流程图。
具体实施方式
A.第一实施例
A1.缠绕对象的构造
图1是在第一实施例中使用的罐50的示意性截面视图。图1的示意性截面视图示出了沿着经过罐50的中心轴线CX的切割平面切割罐50时的罐50。在该实施例中，衬层10被用作缠绕对象，并且罐50是用于燃料电池的气罐。
罐50包括衬层10，衬层10具有盖部13和纤维层21。衬层10是容纳待被供应到燃料电池的气体的气密性容器。衬层10包括形成在其中央部分中的大致圆筒形本体部11和从本体部11的相反端连续形成的大致半球形圆顶部12。作为衬层10的材料，可以使用高强度铝材料或者不锈钢材料或者树脂材料。
盖部13被设置在圆顶部12的远端处，并且由金属形成。盖部13用作通过其将气体供应到衬层10的管。纤维层21被设置用于增加罐50的强度。在该实施例中，构成纤维层21的纤维是碳纤维，其被预先以作为热固性树脂的环氧树脂浸渍。作为纤维的材料，例如可以使用含人造丝的碳纤维，含聚丙烯腈(PAN)的碳纤维或含沥青的碳纤维。
A2.丝缠绕系统100的构造
图2是示出作为第一实施例的丝缠绕系统100的构造的示意性视图。丝缠绕系统100是用于根据丝缠绕方法将纤维束(其将被简称为“纤维”)22缠绕在衬层10的外周上的装置。丝缠绕系统100包括引导件110、旋转装置120、测量单元130、控制器600和存储单元610。
引导件110相对于衬层10是可移动的，并且用于将从线筒(未示出)抽出的纤维22馈送到作为缠绕对象的衬层10。在该实施例中，引导件110在衬层10的中心轴线的方向(图2中的x轴方向)上和在衬层10与引导件110靠近彼此的方向(图2中的y轴方向)上是可移动的。并且，在该实施例中，引导件110具有与纤维22接触的矩形平面，并且绕平行于与纤维22接触的平面的短手方向的轴线(图2中的v轴线)摇摆，使得抽出的纤维22可以在与x轴和y轴垂直的方向上移动。通过控制引导件110，能够控制纤维22在衬层10上的缠绕位置和缠绕角度。
旋转装置120旋转衬层10，以便将从引导件110抽出的纤维22缠绕在衬层10上。旋转装置120包括旋转杆122、支撑杆124和马达126。旋转杆122的一端被连接到马达126，另一端被固定到包括在衬层10中的盖部13中的一个盖部。支撑杆124的一端被固定到包括在衬层10中的另一盖部13。旋转杆122和支撑杆124都在插在盖部13中的同时被固定到盖部13。当马达126旋转时，衬层10随着旋转杆122绕中心轴线旋转，使得旋转装置120在将张力施加到纤维22的同时将纤维22缠绕在衬层10上。
测量单元130是用于测量衬层10的形状的装置。测量单元130可以在衬层10的纵向方向上移动，并且能够测量在纤维22被缠绕在衬层10上之前的衬层10的形状，和纤维22被缠绕在衬层10上的条件下的衬层10的形状。在该实施例中，激光位移计被用作测量单元130。
控制器600是用于控制丝缠绕系统100的每个装置的控制单元。控制器600控制至少引导件110和测量单元130。控制器600包括用于控制每个装置的CPU、RAM和ROM(未示出)。控制器600控制丝缠绕系统100的每个装置，以便以期望的张力，以期望的位置和角度来将纤维22缠绕在衬层10上(周围)。
存储单元610与控制器600电连接，并且预先存储基准形状和缠绕条件。基准形状是缠绕对象的基础或标准形状。缠绕条件是纤维22被缠绕在缠绕对象上的条件。在该实施例中，缠绕条件包括缠绕位置和缠绕角度。这里，缠绕位置指纤维22与缠绕对象接触的位置。缠绕角度指由经过抽出纤维22的位置和缠绕位置的直线与衬层10的中心轴线形成的角度。缠绕条件可以进一步包括缠绕速率。缠绕速率指每单位时间被缠绕在缠绕对象上的纤维的长度。
A3.丝缠绕系统100的控制例程
图3是图示丝缠绕系统100的控制例程的流程图。在该实施例中，当用户将丝缠绕系统100的启动按钮(未示出)设定到开启时，丝缠绕系统100的控制例程被执行。
如果启动按钮被设定为开启，则控制器600使测量单元130测量作为缠绕对象的衬层10的形状(步骤110)。在该实施例中，测量单元130在纵向方向上移动衬层10，以便从包括在衬层10中的盖部13中的一个盖部到另一盖部13测量衬层10的总体形状。
然后，控制器600确定被存储在存储单元610中的衬层10的基准形状和由测量单元130测量到的衬层10的实际形状之间的差异的存在或不存在(步骤120)。在该实施例中，当差异大于预设值时，控制器600确定存在差异，并且当差异等于或小于预设值时，控制器600确定不存在差异。在该实施例中，使用纤维22预计与具有基准形状的衬层10接触的位置和纤维22预计与具有实际形状的衬层10接触的位置之间的距离来做出该确定。在该实施例中，当以上距离大于5mm时，控制器600确定存在差异，并且当以上距离等于或小于5mm时，控制器600确定不存在差异。
如果控制器600确定在基准形状和实际形状之间存在差异(步骤S120：是)，则控制器600修正缠绕条件，以便消除基准形状和实际形状之间的差异(步骤S130)。然后，控制器600在修正后的缠绕条件下控制引导件110，以便将纤维22缠绕在衬层10上(步骤S140)。
如果控制器600确定在基准形状和实际形状之间不存在差异(步骤S120：否(参见图3))，则控制器600在预先存储在存储单元610中的缠绕条件下控制引导件110，以便将纤维22缠绕在衬层10上(步骤S140)。因而，丝缠绕系统100的控制例程结束。
图4是用于解释该实施例中修正缠绕条件的方法的视图。在图4中，衬层10的基准形状由虚线指示，并且衬层10的实际形状由实线指示。在图4中，水平轴线是作为衬层10的中心轴线的方向的x轴，并且竖直轴线是作为衬层10的径向方向的y轴。
图4图示了与衬层10的基准形状相比，衬层10的实际形状中的盖部13的远端被移位到图4的右侧的情形。这里，在衬层10的基准形状(由虚线指示)中，纤维22预计与衬层10接触的位置被假设为位置A1，该位置A1在中心轴线的方向(x轴方向)上与盖部13的远端间隔x1，在径向方向(y轴方向)上与盖部13的远端间隔y1。在该情形中，在衬层10的实际形状(由实线指示)中，纤维22预计与衬层10接触的位置为位置A2，该位置A2在中心轴线的方向(x轴方向)上与盖部13的远端间隔x2，在径向方向(y轴方向)上与盖部13的远端间隔y2。即，在该情形中，即使纤维22位于控制器600指定的位置处，衬层10的基准形状中的缠绕位置A1也与衬层10的实际形状中的缠绕位置A2不同。因此，控制器600通过计算来计算缠绕位置和缠绕角度，以便消除位置A1和位置A2之间的距离。更具体地，控制器600将缠绕位置修正到位置A3，所述位置A3在中心轴线的方向(x轴方向)上与盖部13的远端间隔x1，并且在径向方向(y轴方向)上与盖部13的远端间隔y1。并且，控制器600把由经过纤维22从引导件110抽出的位置和位置A1的直线和衬层10的中心轴线形成的角度θ1修正到由经过纤维22从引导件110抽出的位置和位置A3的直线和衬层10的中心轴线形成的角度θ2。
根据该实施例的丝缠绕系统100，能够减小或消除由各个衬层10中的形状的变化引起的纤维22的缠绕的误差。因此，能够抑制由于纤维22的缠绕中的误差引起的罐50的强度的不足。
B.第二实施例
图5是图示第二实施例的控制例程的流程图。第二实施例的丝缠绕系统与第一实施例的不同在于，与基准形状和实际形状之间的差异对应的多组缠绕条件被进一步存储在存储单元610中；然而，第二实施例的系统在其它方面与第一实施例中的系统相同。并且，第二实施例的控制例程与第一实施例的控制例程不同在于，控制例程包括步骤S130A，替代步骤S130，但是第二实施例的控制例程在其它方面与第一实施例的控制例程相同。
这里，与基准形状和实际形状之间的差异对应的缠绕条件包括，例如，如下缠绕条件：当在衬层10的基准形状中的缠绕位置是A1并且缠绕角度是θ1的情况下衬层10的实际形状中的缠绕位置变成位置A2时，如图4中所示，缠绕位置是位置A3，并且缠绕角度是θ2。在该实施例中，关于不同的条件，代表对应缠绕条件(一旦衬层10的基准形状中的缠绕位置和缠绕角度以及衬层10的实际形状中的缠绕位置被确定，该对应缠绕条件被唯一地获得)的多项信息被存储在该存储单元610中，如在上述示例中。
在第二实施例的控制例程中，在步骤S130A(见图5)中，控制器600选择与基准形状和实际形状之间的差异对应的缠绕条件。然后，在步骤S140中，控制器600根据与差异对应的缠绕条件控制引导件110，以便将纤维22缠绕在衬层10上。在该实施例中，控制器600选择与衬层10的基准形状中的缠绕位置和缠绕角度以及衬层10的实际形状中的缠绕位置对应的缠绕条件。
根据第二实施例的丝缠绕系统，与差异对应的缠绕条件被预先存储在存储单元610中；因此，用于修正缠绕条件的计算变得不是必要的。结果，与第一实施例的丝缠绕系统的计算负荷相比，第二实施例的丝缠绕系统中的计算负荷可以被减小。
C.第三实施例
图6是图示第三实施例的控制例程的流程图。第三实施例的丝缠绕系统与第一实施例的丝缠绕系统的不同在于，(i)作为将纤维22缠绕在具有基准形状的衬层10上以形成“n”层(n是正整数)纤维22之后获得的形状的n层基准形状，和(ii)包括纤维22被缠绕在具有n层基准形状的衬层10上的缠绕位置的(n+1)层缠绕条件，被进一步预先存储在存储单元610中，但是第三实施例的系统在其它方面与第一实施例的系统相同。并且，第三实施例的控制例程与第一实施例的控制例程不同在于，控制例程包括步骤S140A，替代步骤S130，并且进一步包括步骤S150至步骤S190；然而，第一实施例与第三实施例的控制例程在其它方面彼此相同。
在第三实施例的控制例程的步骤S140A中，引导件110被控制成使得提供第一层的纤维22被缠绕在衬层10上。这里，提供第一层的纤维22指在自开始绕衬层10缠绕纤维22起在衬层10绕它的中心轴线做一个回转的同时被缠绕在衬层10上的纤维22。类似的，提供第n层的纤维22指在自开始绕衬层10缠绕纤维22起，在衬层10绕它的中心轴线做n-1个回转之后，在衬层10绕它的中心轴线做一个回转的同时被缠绕在衬层10上的纤维22。
在步骤S140A后，控制器600执行纤维22的缠绕，以便以在缠绕提供第一层的纤维22的情形中的方式相似的方式来形成第二层和后续层的纤维。即，关于用于第二层和后续层的纤维22，在纤维22被缠绕在衬层10上之前衬层10的形状被测量之后，纤维22也被缠绕在衬层10上。在以下描述中，“n”(“n”是正整数)将被使用，以便于理解。更具体地，在步骤S140A后，控制器600使测量单元130测量已经缠绕“n”层纤维22的衬层10的形状(步骤S150)。
然后，控制器600确定被存储在存储单元610中的n层基准形状和由测量单元130测量到的、已经缠绕n层纤维22的衬层10的实际形状之间的差异的存在或不存在(步骤160)。在该实施例中，当差异大于预设值时，控制器600确定存在差异，并且当差异等于或小于预设值时，控制器600确定不存在差异。在该实施例中，使用提供第(n+1)层的纤维22在衬层10的n层基准形状中预计与衬层10接触的位置和提供第(n+1)层的纤维22在已经缠绕n层纤维22的衬层10的实际形状中预计与衬层10接触的位置之间的距离来做确定。在该实施例中，当该距离大于5mm时，控制器600确定存在差异，并且当该距离等于或小于5mm时，控制器600确定不存在差异。
如果控制器600确定在n层基准形状和实际形状之间存在差异(步骤S160：是)，则控制器600使用基准形状和实际形状之间的差异来修正第(n+1)层缠绕条件(步骤S170)。然后，控制器600根据修正后的第(n+1)层缠绕条件来控制引导件110，以便将用于第(n+1)层的纤维22缠绕在衬层10上(步骤S180)。
另一方面，如果控制器600确定在n层基准形状和实际形状之间不存在差异(步骤S160：否)，则控制器600根据预先存储在存储单元610中的第(n+1)层缠绕条件来控制引导件110和旋转装置120，以便将用于第(n+1)层的纤维22缠绕在衬层10上(步骤S180)。
在步骤S180后，控制器600在步骤S190中确定纤维22的缠绕是否被完成。如果控制器600确定缠绕还未被完成(步骤S190：否)，则控制流程返回到步骤S150。如果控制器600确定缠绕被完成(步骤S190：是)，则控制流程结束。
根据第三实施例的丝缠绕系统，在每当一层纤维22被缠绕时，测量缠绕后的衬层10的形状，使得纤维22的缠绕中的误差可以被减小或消除。结果，能够抑制原本可能会由于纤维22的缠绕中的误差导致发生的罐50的强度的不足。像第二实施例的丝缠绕系统，与n层基准形状和实际形状之间的相应差异对应的多组第(n+1)层缠绕条件可以被进一步存储在第三实施例的丝缠绕系统的存储单元610中。以该方式，用于修正第(n+1)层缠绕条件的计算变得不是必要的，并且计算负荷可以被减小。
D.修改示例
尽管在以上实施例中衬层10被用作缠绕对象，但是本发明不限于此。例如，管可以被用作缠绕对象。
本发明不限于以上实施例和修改示例，而是在不背离它的原理的情况下可以用各种布置来实现。例如，实施例和修改示例中的与以上“发明内容”中描述的技术特征对应的技术特征可以被适当替换或组合，以便解决部分或全部上述问题，或者获得部分或全部上述效果。并且，如果技术特征在说明书中不被描述成对本发明是必要的，则技术特征可以被适当删除。

Claims (3)

1.一种丝缠绕系统，其特征在于包括：
存储单元，所述存储单元预先存储缠绕对象的基准形状和缠绕条件，所述缠绕条件包括缠绕位置和缠绕角度，纤维以所述缠绕位置和所述缠绕角度被缠绕在具有所述基准形状的所述缠绕对象上；
引导件，所述引导件能够相对于所述缠绕对象移动，并且被构造成将所述纤维馈送到所述缠绕对象上；
旋转装置，所述旋转装置被构造成使所述缠绕对象旋转，使得从所述引导件馈送的所述纤维被缠绕在所述缠绕对象上；
测量单元，所述测量单元被构造成测量所述缠绕对象的形状；以及
控制器，所述控制器被构造成控制所述引导件和所述测量单元，其中
所述控制器使所述测量单元测量所述缠绕对象的形状，并且
当被存储在所述存储单元中的所述基准形状与由所述测量单元测量到的所述缠绕对象的形状之间存在差异时，所述控制器修正所述缠绕条件以便减小或消除所述差异，并且根据修正过的缠绕条件来控制所述引导件，使得所述纤维被缠绕在所述缠绕对象上。
2.根据权利要求1所述的丝缠绕系统，其特征在于：
所述存储单元进一步预先存储与多个差异对应的多组缠绕条件；并且
当被存储在所述存储单元中的所述基准形状与由所述测量单元测量到的所述缠绕对象的形状之间存在差异时，所述控制器将所述缠绕条件改变成与所述差异对应的缠绕条件，并且根据对应的缠绕条件来控制所述引导件，使得所述纤维被缠绕在所述缠绕对象上。
3.根据权利要求1或2所述的丝缠绕系统，其特征在于：
所述存储单元进一步预先存储：n层基准形状，所述n层基准形状作为在n层纤维被缠绕在具有所述基准形状的所述缠绕对象上之后获得的形状；以及第(n+1)层缠绕条件，所述第(n+1)层缠绕条件包括所述纤维被缠绕在具有所述n层基准形状的所述缠绕对象上的缠绕位置，其中n是正整数；
所述控制器使所述测量单元测量通过将所述n层纤维缠绕在所述缠绕对象上获得的形状；并且
当被存储在所述存储单元中的所述n层基准形状与测量到的通过将所述n层纤维缠绕在所述缠绕对象上获得的形状之间存在差异时，所述控制器修正所述第(n+1)层缠绕条件以便减小或消除所述差异，并且根据修正过的第(n+1)层缠绕条件来控制所述引导件，使得所述纤维被缠绕在所述缠绕对象上。
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