DE3843488C2

DE3843488C2 -

Info

Publication number: DE3843488C2
Application number: DE3843488A
Authority: DE
Inventors: Karl-Wilhelm Dipl.-Ing. Kirberg; Mark 5100 Aachen De Muehlhausen
Original assignee: Vereinigung Zur Foerderung Des Instituts fur Kunststoffverarbeitung In Industrie und Handwerk An Der Rhein-Westf Technischen Hochschule Aachen Ev 5100 Aachen De
Current assignee: Vereinigung Zur Foerderung Des Instituts fur Kunststoffverarbeitung In Industrie und Handwerk An Der Rhein-Westf Technischen Hochschule Aachen Ev 5100 Aachen De
Priority date: 1988-12-23
Filing date: 1988-12-23
Publication date: 1992-07-23
Also published as: DE3843488A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Wickelanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Wickelverfahren werden hochfeste bzw. hochsteife Fasern wie Glas-, Kohlenstoff-, Metall- oder Aramidfa sern kontinuierlich auf einen Kern gewickelt oder di rekt auf ein Werkstück gewickelt, das mit einem Laminat verstärkt werden soll. Dabei werden die Fasern in die Matrix - vernetzende Kunststoffe wie Duroplaste und Elastomere oder Thermoplaste - eingebettet. Der typi sche Fertigungsablauf für ein solches gewickeltes Bau teil besteht aus folgenden Schritten:

- Tränkung der Verstärkungsfasern,
- Wickeln auf der Wickelmaschine,
- Härten im Härteofen und gegebenenfalls
- Entformung des Wickelkerns.

Die hierfür notwendigen Wickelmaschinen sind üblicher weise NC-gesteuerte bzw. CNC-gesteuerte Maschinen.

Bekannt sind Wickelmaschinen in der Art einer Drehbank, bei denen das Werkstück in Einspannvorrichtungen spin del- und reitstockseitig eingespannt ist und bei denen ein Fadenauge längs und konzentrisch zu der Rotations achse bewegt werden kann, um rotationssymmetrische Bau teile bei Zufuhr von mindestens einem Wickelfaden über das Fadenauge zu bewickeln. Eine derartige Wickelma schine kann nur rotationssymmetrische Werkstücke mit geradliniger Werkstückhauptachse bei zentrischer Werk stückeinspannung bewickeln. Es ist aber nicht möglich, Werkstücke mit gekrümmter Werkstückachse kontinuierlich zu bewickeln, die einen je nach Drehwinkel und Faden augenposition unterschiedlichen Abstand zur Rotations achse hat.

Bekannt ist es auch, zum Beispiel vasenförmige Körper über ein Ringfadenauge zu bewickeln, wobei mehrere Wickelfäden gleichzeitig zugeführt werden. Dabei ro tiert der rotationssymmetrische zentrisch eingespannte Wickelkern kontinuierlich, während das Ringfadenauge translatorisch bewegt wird.

Außerdem sind Wickelmaschinen bekannt, bei denen das Werkstück feststeht und ein Roboterarm den Wickelfaden um das Bauteil herumwickelt. Ein derartiger Industrie roboter führt ein Fadenauge in den drei Raumachsen und kann das Fadenauge zusätzlich winkelmäßig um zwei Schwenkachsen herum positionieren. Mit einer derartigen Wickelanlage ist nur das Wickeln mit einem Einzelfaden oder mit einem Faserband möglich. Ein Bewickeln von Werkstücken mit gekrümmter Hauptachse, insbesondere mit stark gekrümmter Hauptachse, ist auch mit einem solchen Industrieroboter sehr aufwendig, da die komplizierten Bewegungsabläufe im Teach-in-Verfahren für die gesamte Fadenspur eingegeben werden müssen. Werkstücke mit stark gekrümmter Hauptachse können mit einem derartigen Industrieroboter nicht in wirtschaftlich vertretbaren Fertigungszeiten hergestellt werden.

Die aus der US-PS 47 71 957 bekannte Wickelvorrichtung umwickelt das Werkstück jeweils nur mit einem einzigen Wickelfaden oder einer Vielzahl zueinander paralleler Wickelfäden. Der Wickelfaden wird über eine kreisförmig rotierende Fadenzuführeinrichtung um einen gleichförmig gekrümmten Wickelkörper gewickelt, wobei die Kreisbahn der Fadenzuführeinrichtung nicht koaxial zur Werkstückhauptachse in der Wickelebene verläuft.

Aus der DE-PS 5 25 941 ist eine Vorrichtung zum Bewickeln bogenförmiger Körper, insbesondere Spulenträger oder Kernteile von Induktionsspulen bekannt. Die bekannte Wickelvorrichtung enthält einen scheibenförmigen Träger, der auf einer umlaufenden Welle befestigt ist. An dem Träger sind mehrere Vorratsspulen für das Wickelmaterial drehbar gelagert. Das von einer Vorratsspule abgewickelte Wickelmaterial wird über ein ebenfalls an dem Träger befestigtes Fadenauge in der Wickelebene tangential durch Rotation des Trägers auf den Wickelkörper gelenkt, wobei das Werkstück mit Hilfe einer Schwenkvorrichtung sukzessive durch die Wickelebene hindurchgeführt wird. Mehrere Vorratsspulen und entsprechend mehrere Fadenaugen rotieren um das Werkstück herum, dessen Hauptachse in der Wickelebene mit der Rotationsachse des Trägers zusammenfällt.

Mit der bekannten Vorrichtung ist nur ein Bewickeln von gleichförmig gekrümmten oder nicht gekrümmten Körpern möglich, wobei für jedes Werkstück eine eigene speziell konstruierte Werkstückeinspannvorrichtung notwendig ist. Das automatische Bewickeln räumlich gekrümmter Werkstücke ist mit der bekannten Vorrichtung nicht durchführbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wickelanlage zu schaffen, bei der ein automatisches Bewickeln von Werkstücken mit räumlich gekrümmter Hauptachse ermöglicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgese hen,

- daß die Werkstückeinspannvorrichtung einen räumlich steuerbaren Arm umfaßt, an dem das Werkstück einseitig eingespannt ist,
- daß die Fadenaugen der Fadenzuführeinrichtungen in einem koaxial zur Rotationsachse angeordneten Ringfadenauge angeordnet sind, das das Werkstück in der Wickelebene konzentrisch umgibt, und
- daß der räumlich steuerbare Arm beim Bewickeln des Werkstücks auf einer der Werkstückhauptachse folgenden Bahn den in der Wickelebene liegenden und orthogonal zur Werkstückachse verlaufenden Werkstückquerschnitt stets koaxial zu dem Ringfadenauge hält.

Die Erfindung ermöglicht, Bauteile mit engem Krümmungs radius der Werkstückhauptachse bei Krümmungen von mehr als 90° oder räumlich gekrümmt verlaufender Werkstückhauptachse mit kurzen Taktzeiten automatisch mit mehreren Wickelfäden gleichzeitig zu bewickeln. Der mehr achsig räumlich steuerbare Arm, z. B. eines Industrieroboters, kann nicht nur das Werkstück zuführen und nach dem Bewickeln ablegen sondern auch das Werkstück innerhalb des rotierenden Ringfadenauges so bewegen, daß die Werkstückhauptachse im Schnittpunkt mit der Fadenzulaufebene stets mit der Rotationsachse zusammenfällt. Dadurch kann das Werkstück so bewickelt werden, als sei es ein rotationssymmetrisches Teil mit gerader Hauptachse. Dabei ist, um eine starke Verdrallung der Wickelfäden zu vermeiden, vorgesehen, daß die Fadenzuführvorrich tung mit dem Ringfadenauge mitrotiert. Das Werkstück ist einseitig in der Werkstückeinspannvorrichtung ein gespannt und kann daher mit seinem freien Ende durch das Ringfadenauge während der Rotation des Ringfaden auges hindurchgeführt werden, wobei über eine Bahn steuerung das Werkstück auf einer der Werkstückhaupt achse folgenden Bahn derart durch das Ringfadenauge bewegt wird, daß in der Wickelebene stets die Werkstückhauptachse mit der Rotationsachse zusammenfällt.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgese hen, daß das Ringfadenauge mit dem Drehantrieb über ein Zwischengetriebe mit ansteuerbarem Antrieb gekoppelt ist, das das Fadenauge translatorisch in Richtung der Rotationsachse verschiebt. Das in Richtung der Rota tionsachse verschiebbare Ringfadenauge kann je nach Raumform des Werkstücks und Bewickelungsfortschritt unterschiedliche Positionen einnehmen, um eine Kolli sion mit dem Werkstück oder des Zwischengetriebes mit dem Werkstück zu vermeiden. Auf diese Weise lassen sich komplizierte stark gekrümmte Werkstückformen in einem Arbeitsgang ohne Kollision bewickeln.

Eine Weiterbildung sieht vor, daß der Drehantrieb mit einer hülsenförmigen, einseitig offenen und koaxial zur Rotationsachse rotierenden Trommel gekoppelt ist, und daß die mitrotierenden Fadenzuführeinrichtungen aus einer der Anzahl der über das Ringfadenauge zugeführten Wickelfäden entsprechenden Anzahl von umfangsmäßig auf der Trommel gleichmäßig verteilt angeordneten Spulen besteht. Die mit dem Drehantrieb gekoppelte Trommel ist in ihrem Durchmesser und ihrer Tiefe auf die zu bearbei tenden Werkstücke abgestimmt, da die Werkstücke hinter dem Ringfadenauge in das Innere der rotierenden Trommel hineinragen können und mit der Trommel nicht kollidieren dürfen. In vorteilhafter Weise ist dabei der Außenmantel der Trommel geeignet, die Spulen der Fadenzuführeinrichtungen aufzunehmen. Dabei bildet jede Spule einen Fadenspeicher mit einem Wickelvorrat für mindestens einen Bewickelungsvorgang, wobei für jedes Fadenauge auf dem Umfang des Ringfadenauges eine Spule vorgesehen ist, von der über geeignete Umlenkrollen der Faden zugeführt werden kann.

Das Zwischengetriebe kann zwischen Trommel und Faden auge angeordnet sein, wobei der Durchmesser der Trommel größer ist als der Durchmesser des Ringfadenauges. Aus bewickelungstechnischen Gründen wird ein möglichst klei nes Ringfadenauge angestrebt, wobei mit Hilfe des zwi schen Ringfadenauge und Trommel angeordneten Zwischen getriebes Kollisionen vermieden werden können und gleichwohl das Ringfadenauge möglichst klein gestaltet werden kann.

In vorteilhafter Weise kann ein Spulenwechsler vorge sehen sein, der beim Werkstückwechsel die Spulen auf der Trommel automatisch wechselt. Die Werkstückwechsel zeiten werden somit genutzt, um die Fadenzuführeinrich tungen mit neuen Spulen zu beschicken, so daß der begrenz te Fadenvorrat der mitrotierenden Fadenzuführeinrichtungen nicht oder nur zu einer geringen Verlängerung der Takt zeit führt.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein zweiter koaxialer Drehantrieb vorge sehen, der ein zweites Ringfadenauge antreibt. Auf die se Weise ist eine Mehrfachbewickelung des Werkstücks mit hoher Wicklungsdichte bei kurzer Taktzeit möglich.

Das zweite Ringfadenauge wird dabei vorzugsweise in Gegenrichtung zum ersten Ringfadenauge gedreht. Die von dem zweiten Ringfadenauge erzeugte Wickellage ist win kelmäßig entgegengesetzt orientiert, so daß eine voll automatische Kreuzbewicklung des Werkstücks entsteht.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnun gen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die aus einem Roboterarm, einem mit einem Drehantrieb gekoppelten Ringfadenauge, einer mitrotierenden Fadenzuführeinrichtung und einem automatischen Spulenwechsler bestehende Wickelanlage,

Fig. 2 und Fig. 3 unterschiedliche Positionen des in Richtung der Rotationsachse verstellbaren Ringfaden auges und

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Wickelkopf mit zwei Ringfadenaugen.

Die in Fig. 1 gezeigte Wickelanlage besteht im einzel nen aus einem Drehantrieb 1, der ein Ringfadenauge 2 um eine Rotationsachse x dreht, wobei eine von Industrie robotern bekannte Werkstückeinspannvorrichtung 4 ein Werkstück 6 relativ zum Fadenauge 2 mit einem Arm 5 in einer gewünschten veränderlichen Position hält.

Die Antriebswelle 8 des Drehantriebs 1 ist mit einer im wesentlichen hülsenförmigen einseitig offenen Trommel 10 verbunden, die an ihrem freien Ende in einer Trom melabstützung 12 gelagert ist. Die Trommelabstützung 12 umfaßt die Trommel umfangsmäßig und ermöglicht eine freie Drehbewegung beispielsweise auf Wälzlagern.

Das Ringfadenauge 2 ist an dem freien Ende der Trommel 12 über ein Zwischengetriebe 14 angekoppelt, das aus mehreren Gelenkstäben 15 besteht, wobei jeweils zwei Gelenkstäbe 15 ein Gelenkpaar 16 bilden, dessen freie Enden einerseits an dem freien Ende der Trommel 10 angelenkt sind und andererseits an dem Umfangsring 24 des Ringfadenauges. Mit Hilfe der gleichmäßig auf dem Umfang der Trommel bzw. des Ringfadenauges 2 verteilten acht Gelenkpaare 16 ist eine translatorische Verschie bung des Ringfadenauges 2 relativ zur Trommel 10 mög lich.

Die Werkstückeinspannvorrichtung mit ihrem in den drei Raumachsen verstellbaren Arm 5 kann das Werkstück 6 mit einer Spannzange 18 in zwei zueinander rechtwinklig verlaufenden Ebenen verschwenken. Dabei bildet die Spannzange 18 das Handgelenk des Roboterarms, während der Arm 5 den Unterarm repräsentiert, der an einem Ober arm 20 angelenkt ist, der seinerseits gelenkig mit einem Drehgestell verbunden ist.

Der Roboterarm kann das Werkstück 6 aus einem Werkstück lager holen, dorthin zurückbringen und darüber hinaus relativ zu dem Ringfadenauge 2 in unterschiedliche Po sitionen bringen derart, daß die Werkstückhauptachse in der momentanen Wickelebene mit der Rotationsachse x zusammenfällt.

Bei stark gekrümmten Werkstückhauptachsen wird das Werk stück 6 von dem Roboterarm 5, koordiniert mit der Bewe gung des Ringfadenauges 2, sukzessive durch das Ring fadenauge hindurchgeschoben derart, daß die Koaxialität stets beibehalten wird.

Das Ringfadenauge 2 weist auf seinem Umfangsring 24 eine Vielzahl von gleichmäßig verteilten Fadenaugen 9 auf, die die Wickelfäden von der Fadenzuführeinrichtung 3 über geeignete Fadenführungsmittel erhalten.

Für jedes Fadenauge 9 des Ringfadenauges 2 ist eine eigene Fadenspule 26 in einer der winkelmäßigen Posi tion des Fadenauges 9 entsprechenden Position auf der Trommel 10 in einem Spulenhalter 28 vorgesehen. Jede Fadenspule 26 hat einen Wickelfädenvorrat für minde stens einen Bewickelungsvorgang. Einer oder mehrere Wickelfäden 30 können dabei von den Fadenspulen 26 ausgehend zwischen zwei Gelenkpaaren 16 verlaufen.

Die Wickelanlage weist ferner einen automatischen Spu lenwechsler 32 auf, der die Werkstückwechselzeiten dazu nutzt, die abgespulten Fadenspulen 26 durch erneut mit einem Wickelfädenvorrat versehene Fadenspulen 26 auszu tauschen. Durch geeignete Gestaltung des Spulenwechs lers 32 kann dieser Vorgang automatisch ausgeführt wer den.

Je nach Raumform des Werkstücks 6 kann es während des Bewickelns notwendig sein, daß das Ringfadenauge 2 unterschiedliche Positionen einnimmt, um eine Kollision mit der Trommel 10 oder mit dem Zwischengetriebe 14 zu vermeiden. Das Zwischengetriebe 14 ist hierfür mit einem von der Maschinensteuerung ansteuerbaren Antrieb versehen, so daß der Bewicklungsvorgang, bei dem das Werkstück entlang seiner Werkstückhauptachse von dem Roboterarm vorgeschoben wird, und bei dem das Ringfaden auge 2 zusätzlich zu seiner Rotationsbewegung auch translatorisch bewegt werden kann, vollautomatisch koordiniert werden kann.

Die Fig. 2 und 3 zeigen schematisch die Anfangs- und Endphase der Bewicklung eines stark gekrümmten Werk stücks 6 mit unterschiedlichen Stellungen des Zwischen getriebes.

Fig. 4 zeigt einen Wickelkopf mit zwei Ringfaden augen 2, 36 und zwei Trommeln 10, 38. Die Antriebswelle 8 der Trommel 10 ist dabei als Hohlwelle gestaltet, die koaxial eine Antriebswelle 40 für die zweite Trommel 38 aufnimmt.

Die Antriebswelle 40 kann gleichsinnig oder gegensinnig zur Antriebswelle 8 gedreht werden. Wenn die Antriebs welle 40 gegensinnig angetrieben wird, ist eine Kreuz bewicklung in zwei Lagen möglich, bei der das Ringfa denauge 2 die erste Lage in der einen Drehrichtung auf das Werkstück aufbringt, während das zweite Ringfaden auge 36 die darüber liegende zweite Lage in entgegen gesetzter Drehrichtung und unter einem sich in der Art eines Stufenwinkels mit der unteren Lage kreuzenden Winkel aufträgt.

Um zu vermeiden, daß die Wickelfäden 30 von der Spule 26 bei schneller Rotation der Trommel 10 auf Grund von Fliehkräften von der Fadenspule 26 schneller abgewickelt werden als der gewünschten Fadenabzugsgeschwindigkeit entspricht, kann die Fadenführung durch das Innere der doppelwandig gestalteten Trommel 10, wie aus Fig. 4 ersichtlich, erfolgen.

Die innere Trommel 38 hat einen Außendurchmesser, der gegenüber dem Innendurchmesser der Trommel 10 um einen Betrag verringert ist, der eine kollisionsfreie Rota tion beider Trommeln ermöglicht. Die Spulenhalter 28 und die Fadenspulen 26 sind bei der inneren Trommel an der äußeren Stirnfläche 42 im Randbereich befestigt. Auch bei den inneren Fadenspulen 26 verläuft die Faden führung durch die doppelwandig gestaltete Trommel 38 hindurch bis zur Stirnfläche 44, an der ein dem Zwi schengetriebe 14 entsprechendes Zwischengetriebe 46 befestigt ist, um das zweite Ringfadenauge 36 parallel zu dem Ringfadenauge 2 bewegen zu können.

Claims

1. Wickelanlage mit einem Drehantrieb um eine Rota tionsachse, mit einer Werkstückeinspannvorrichtung, mit mehreren umfangsmäßig verteilt um das Werkstück angeordneten, von dem Drehantrieb angetriebenen Fadenzuführeinrichtungen mit jeweils einem Fadenauge, durch das ein Wickelfaden in einer Wickelebene tangential auf das Werkstück zuläuft, wobei das Bewickeln des Werkstücks mit einer gleichzeitig translatorischen und rotatorischen Relativbewegung zwischen den Fadenzuführeinrichtungen und dem Werkstück erfolgt, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Werkstückeinspannvorrichtung (4) einen räumlich steuerbaren Arm (5) umfaßt, an dem das Werkstück (6) einseitig eingespannt ist,
- daß die Fadenaugen der Fadenzuführeinrichtungen (3) in einem koaxial zur Rotationsachse angeordneten Ringfadenauge (2) angeordnet sind, daß das Werkstück (6) in der Wickelebene konzentrisch umgibt, und
- daß der räumlich steuerbare Arm (5) beim Bewickeln des Werkstücks (6) auf einer der Werkstückhauptachse folgenden Bahn den in der Wickelebene liegenden und orthogonal zur Werkstückachse verlaufenden Werkstückquerschnitt stets koaxial zu dem Ringfadenauge (2) hält.

2. Wickelanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Ringfadenauge (2) über ein Zwischen getriebe (14) mit ansteuerbarem Antrieb mit dem Drehantrieb (1) gekoppelt ist, durch das das Ringfaden auge (2) translatorisch in Richtung der Rotations achse x verschiebbar ist.

3. Wickelanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Drehantrieb (1) mit einer hülsenförmigen, einseitig offenen, koaxial zur Rotationsachse x rotierenden Trommel (10) gekop pelt ist und daß die mitrotierenden Fadenzuführein richtungen (3) aus einer der Anzahl der über das Ringfadenauge (2) zugeführten Wickelfäden (30) entsprechenden Anzahl von umfangsmäßig auf der Trommel gleichmäßig verteilt angeordneten Spulen (26) bestehen.

4. Wickelanlage nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischengetriebe (14) zwischen Trommel (10) und Ringfadenauge (2) angeordnet ist und daß der Durchmesser der Trommel (10) größer ist als der Durchmesser des Ringfaden auges (2).

5. Wickelanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischengetriebe (14) aus einer Vielzahl umfangsmäßig angeordneter Gelenkstäbe (15) besteht, die jeweils paarweise aneinander und an dem freien Ende der Trommel (10) bzw. an einem Umfangsring (24) des Ringfadenauges (2) angelenkt sind.

6. Wickelanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spulenwechsler (32) angeordnet ist, der beim Werkstückwechsel die Spulen (26) auf der Trommel (10) automatisch wechselt.

7. Wickelanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Drehantrieb vorgesehen ist, der über eine koaxial zur Antriebswelle (40) des ersten Drehantriebs (1) angeordnete Hohlwelle (8) ein zweites Ringfadenauge (36) antreibt.

8. Wickelanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß das zweite Ringfadenauge (36) in Gegen richtung zum ersten Ringfadenauge (2) rotiert.

9. Wickelanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an dem räumlich steuerbaren Arm (5) eine gelenkige Spannzange (18) angeordnet ist, die in zwei zueinander orthogonalen Ebenen verschwenkbar ist.