DE3843490A1 - Wickelmaschine sowie wickelverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wickelmaschine mit einer Steuerung, mit einem Drehantrieb, mit einer um eine Rotationsachse in einer Einspannebene rotierend ange­ triebenen ersten Einspannvorrichtung und einer mit­ laufenden zweiten Einspannvorrichtung, zwischen denen ein rotierendes Werkstück beidseitig eingespannt ist, mit mindestens einem Fadenauge zum tangentialen Zu­ führen mindestens eines Wickelfadens oder einer Faden­ schar in einer Fadenzulaufebene, wobei das Fadenauge in Längsrichtung der Rotationsachse verschiebbar ist, und die Werkstückhauptachse mit der Rotationsachse in der Fadenzulaufebene konzentrisch ist, sowie ein Wickelver­ fahren zum Bewickeln von um eine Rotationsachse ro­ tierenden Werkstücken mit Wickelfasern

• - durch Drehen eines beidseitig in senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden Einspannebenen einge­ spannten Werkstücks um die Rotationsachse,
• - durch tangentiales Zuführen von mindestens einem Wickelfaden über ein Fadenauge und
• - durch Längsverschieben des Fadenauges entlang der Rotationsachse, wobei die Drehbewegung des Werk­ stücks, die Fadenzufuhr und die Längsbewegung des Fadenauges von einer Steuerung gesteuert wird.

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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wickel­ maschine und ein Wickelverfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß ein Bewickeln von Bau­ teilen mit gekrümmter Hauptachse automatisch und mit kurzen Fertigungszeiten ermöglicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist nach der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung vorgesehen,

• - daß die Einspannvorrichtungen das Werkstück gelen­ kig einspannen und
• - daß mindestens eine Einspannvorrichtung in einer senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden mitro­ tierenden Verschiebungsachse in der Einspannebene verstellbar ist.

Ferner ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorge­ sehen, daß das rotierende Werkstück mit gekrümmter Hauptachse im Kreuzungspunkt mit der Fadenzulaufebene des Fadenauges stets konzentrisch zu der Rotationsachse gehalten wird, indem das Werkstück in der Einspannebene gelenkig eingespannt wird und das Werkstück in minde­ stens einer Einspannebene längs einer Verschiebungs­ achse linear und der Drehbewegung überlagert erstellt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsge­ mäße Verfahren ermöglichen die Einspannposition des Werkstücks während des Bewickelns kontinuierlich derart zu verändern, daß im Kreuzungspunkt der Fadenzulaufebe­ ne mit der Werkstückhauptachse stets die Werkstückhaupt­ achse konzentrisch zu der Rotationsachse der Wickelma­ schine ist. Auf diese Weise lassen sich Werkstücke mit gekrümmter Hauptachse mit kurzen Fertigungszeiten und mit hoher Wiederholgenauigkeit bewickeln. Das Werkstück kann in der Fadenzulaufebene so bewickelt werden, als ob es ein rotationssymmetrisches Teil mit geradliniger Hauptachse sei.

Diese Vorgehensweise hat nicht nur Vorteile bei einer Mehrfadenzuführung aus unterschiedlichen Richtungen sondern auch bei Einzelfadenzuführung oder Zuführung von Fadenscharen, da eine quasistatische Aufwicklung erfolgt, die zu einer Qualitätsverbesserung der Be­ wickelung führt.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß ein Ringfadenauge dem Werkstück mehrere Wickelfäden gleichmäßig auf dem Um­ fang des Ringfadenauges verteilt radial zuführt. Die variable Werkstückeinspannung läßt sich besonders vor­ teilhaft in Verbindung mit einem Ringfadenauge einset­ zen, da es bei einem Ringfadenauge besonders auf die Konzentrizität zwischen Werkstückhauptachse, Rotations­ achse und Längsachse des Fadenauges ankommt.

Eine Weiterbildung sieht vor, daß beide Einspannvor­ richtungen in der Einspannebene linear verstellbar sind. Auf diese Weise ist nicht nur erreichbar, daß die Werkstückhauptachse und die Rotationsachse im Kreuzungs­ punkt mit der Fadenzulaufebene konzentrisch sind, son­ dern es ist darüber hinaus möglich, eine Koaxialität herzustellen, so daß der Querschnitt des momentan be­ wickelten Werkstückabschnitts senkrecht zur Rotations­ achse der Wickelmaschine gehalten ist. Dadurch wird zuverlässig ein Abrutschen aufgewickelter Fäden vermie­ den und die Qualität und Reproduzierbarkeit der Be­ wickelung verbessert. Die beidseitige Einspannung des Werkstücks erlaubt außerdem, die auf das Werkstück einwirkenden Schwer- und Fliehkräfte zu minimieren.

Die Einspannvorrichtungen weisen vorzugsweise eine ge­ lenkig gelagerte, in der Verschiebungsachse bewegliche Spannzange auf, die um mindestens eine zur Einspann­ ebene senkrechte Ebene verschwenkbar ist. Die gelenkig gelagerte Spannzange ermöglicht dabei relative Schräg­ lagen der Enden des Werkstücks.

Die Spannzange ist über einen ansteuerbaren Linearan­ trieb in Richtung der Verschiebungsachse in der Ein­ spannebene in unterschiedliche Exzentrizitätpositionen verstellbar. Dies ermöglicht über die Steuerung der Wickelmaschine eine Überlagerung der Linearbewegung der Spannzange über die Drehbewegung der Einspannvorrich­ tung auf Grund des Drehantriebs.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgese­ hen, daß eine in der Einspannebene angeordnete Spann­ scheibe, die die Spannzange in der Verschiebungsachse geführt trägt, relativ zur kontinuierlichen Wickeldreh­ bewegung des Drehantriebs um die Rotationsachse über einen ansteuerbaren Stellantrieb verdrehbar ist. Eine solche Vorrichtung ermöglicht eine der Wickeldrehbewe­ gung überlagerte Drehbewegung der Einspannvorrichtung, so daß auch Werkstücke gewickelt werden können, deren Hauptachse räumlich gekrümmt ist. Dabei können die Ver­ schiebungsachsen der sich gegenüberliegenden Einspann­ vorrichtungen relativ zueinander unterschiedliche Win­ kellagen einnehmen.

Hierzu ist zwischen Spannscheibe und Drehantrieb ein mit dem Stellantrieb verbundenes Zwischengetriebe ange­ ordnet, wobei das Zwischengetriebe vorzugsweise aus einem Planetenradgetriebe besteht.

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

Es zeigen:

Fig. 1 eine Wickelmaschine zum Bewickeln von Werk­ stücken mit gekrümmter Hauptachse,

Fig. 2 eine Explosionszeichnung der Einspannvorrich­ tung und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Freiheits­ grade von zwei Einspannvorrichtungen.

Die in Fig. 1 gezeigte Wickelanlage umfaßt einen Spulen­ ständer 4, eine Tränkvorrichtung 5 und eine einer Dreh­ bank ähnelnde CNC-gesteuerte Wickelmaschine. In dem Spulenständer 4 sind in zwei Reihen Spulenkörper angeord­ net, von denen Wickelfäden 10 durch Öffnungen des Spulen­ ständers 4 nach außen hinausgeführt werden. Die Wickel­ fäden 10 werden nach dem Austritt aus dem Spulenständer 4 gebündelt und durch eine Tränkvorrichtung 5 geleitet, in der sie beispielsweise mit einem Kunstharz getränkt werden.

Die Wickelfäden 10 verlassen die Tränkvorrichtung 5 in Form einer Fadenschar 6, die einem Ringfadenauge 8 zuge­ führt wird. Das Ringfadenauge 8 ist mit gleichmäßig auf seinem Umfang verteilten Fadenaugen versehen, durch die die Wickelfäden im wesentlichen radial und tangential zur Oberfläche eines Werkstückes 3 umgelenkt werden können. Das Werkstück 3 ist in der drehbankähnlichen Wickelmaschine zwischen zwei Einspannvorrichtungen 1, 2 eingespannt, von denen die Einspannvorrichtung 1 mit dem Drehantrieb der Wickelmaschine gekoppelt ist, wäh­ rend die reitstockseitige Einspannvorrichtung 2 frei drehbar ist bzw. einen von dem Drehantrieb der Wickel­ maschine unabhängigen Drehantrieb aufweist. Das Werk­ stück 3 dreht sich mit Hilfe der Einspannvorrichtungen 1, 2 um eine Rotationsachse x, die koaxial zu den Ein­ spannvorrichtungen 1, 2 ist.

Das Fadenauge 8 kann längs eines Schlittens 7 transla­ torisch zwischen den beiden Einspannvorrichtungen 1, 2 parallel zur Rotationsachse x in Koordination mit der Wickeldrehbewegung bewegt werden. Die Vorschubbewegung des Fadenauges 8 und das Aufwickeln der Wickelfäden 10 auf das Werkstück 3 bewirkt dabei, daß die Fadenschar 6 aus der Tränke 5 abgezogen wird, wobei die Zuführung der Fadenschar 6 unter einer vorbestimmten Fadenspan­ nung erfolgt.

Das Werkstück 3 weist eine Hauptachse z auf, die, wie in Fig. 1 ersichtlich, nicht geradlinig verläuft, son­ dern eine Krümmung aufweist, die in mehreren Krümmungs­ ebenen verläuft.

Diese schwierig zu bewickelnde Raumform erfordert nicht nur eine nichtzentrische Einspannung des Werkstücks 3 sondern darüber hinausgehend eine variabel, je nach momentanem Drehwinkel und Fadenaugenposition variier­ bare Einspannposition in der Einspannebene der Ein­ spannvorrichtungen 1 und 2.

Im einzelnen bestehen die Einspannvorrichtungen 1, 2 aus einer Einspannscheibe 26, die koaxial zur Rotations­ achse x und orthogonal zu dieser verläuft.

Auf der Einspannscheibe 26 kann eine Spannzange 16 translatorisch längs einer Verschiebungsachse y in einer Nutführung 22 mit Hilfe eines Linearantriebs vor- und zurückbewegt werden. Im einzelnen besteht dieser Linearantrieb 23, wie aus Fig. 2 ersichtlich, aus einem Schneckengetriebe 18 mit einer Gewindestange 19 und einer Gewindebuchse 20, die die Spannzange 16 trägt. Die Gewindebuchse 20 weist einen T-förmigen Querschnitt auf und gleitet in der T-förmigen Nutführung 22 entlang der Verschiebungsachse y. Das eine Ende der Gewinde­ stange 19 wird von einer Lagerung 17 gehalten, die einen entsprechend der T-Nut geformten Abschnitt auf­ weist. Mit diesem Abschnitt kann die Lagerung 17 in die T-Nut eingeschoben und darin befestigt werden. An dem diametral gegenüberliegenden Ende der T-Nut 22 kann eine der Lagerung 17 entsprechende Lagerung 21 in die T-Nut eingeschoben werden, die zusätzlich einen an­ steuerbaren Motor für die Gewindestange 19 enthält. Die Spannzange 16 kann, wie in Fig. 2 mit Pfeilen angedeu­ tet, in zwei zueinander orthogonalen Ebenen verschwenkt werden, um eine gelenkige Halterung des Werkstücks 3 zu ermöglichen.

Die Einspannscheibe 26 kann mit dem Drehantrieb der Wickelmaschine über ein aus einem Planetenradgetriebe 28 bestehendes Zwischengetriebe gekoppelt sein, das einen eigenen, von der Maschinensteuerung ansteuerbaren Antrieb aufweist, um der Wickeldrehbewegung α eine zu­ sätzliche Drehbewegung b der Einspannscheibe 26 in bei­ den Drehrichtungen überlagern zu können. Dies ist not­ wendig, um die Krümmung der Werkstückhauptachse z in den unterschiedlichen Ebenen auszugleichen. Dabei kann die Einspannscheibe 26 vor- und zurückbewegt werden.

Im linken Teil der als Explosionszeichnung in Fig. 2 dargestellten Einspannvorrichtung 1 ist das Planetenrad­ getriebe 28 mit Stirnradverzahnung dargestellt.

Fig. 3 erläutert die Freiheitsgrade der Einspannvor­ richtung mit und ohne Zwischengetriebe. In der linken Darstellung ist die Einspannvorrichtung ohne Zwischen­ getriebe dargestellt, wobei die am Umfang angeordnete Pfeilrichtung die Wickeldrehbewegung α repräsentiert. Auf der Einspannscheibe ist ferner die Hin- und Herbe­ wegung längs der Verschiebungsachse y mit zwei zueinan­ der entgegengesetzten Pfeilen gekennzeichnet und darüber hinaus die Schwenkbewegung der Spannzange 16, die bei diesem Ausführungsbeispiel der Einspannvor­ richtung nur in einer Ebene verschwenkbar sein muß. Im rechten Teil der Fig. 3 ist die Einspannvorrichtung mit überlagerter Drehbewegung β dargestellt, bei der die Spannzange zusätzlich in einer zur ersten Schwenk­ ebene senkrechten zweiten Schwenkebene verschwenkbar ist.

Die zweite Einspannvorrichtung 2 kann mit einer Vor­ richtung versehen sein, die eine Kompensation der Län­ genänderung der Projektion der Hauptachse auf die Rota­ tionsachse ermöglicht. Im einfachsten Fall kann diese Kompensationsvorrichtung aus einer gefederten Lagerung der Einspannvorrichtung 2 bestehen, die eine Verschie­ bung der Einspannvorrichtung 2 in Richtung der Rota­ tionsachse zuläßt.

Die Steuerung der Wickelmaschine erzeugt kontinuierlich Stellsignale für die Linear- und Rotationsantriebe der Einspannvorrichtung 1 und 2. Da zwischen der translato­ rischen Bewegung des Fadenauges S und der Wickeldreh­ bewegung α eine konstante Beziehung besteht, genügt zur Berechnung der momentanen Einspannposition die Eingabe des Zeitparameters und der Raumformdaten des Werkstücks 3.

Die Kunstharztränkung kann abweichend von dem hier be­ schriebenen Ausführungsbeispiel auch nachträglich er­ folgen.

Bei einem einfacheren, in den Figuren nicht dargestell­ ten Ausführungsbeispiel, ist es auch möglich, die reit­ stockseitige Einspannvorrichtung zentrisch vorzusehen, wobei die Spannzange nach wie vor gelenkig vorgesehen sein muß. Eine solche Wickelmaschine, die kostengünsti­ ger herzustellen wäre, kann allerdings nur eine Konzen­ trizität der Werkstückhauptachse z mit der Rotations­ achse x im Kreuzungspunkt der Werkstückhauptachse mit der Fadenzulaufebene herstellen, nicht jedoch eine Ko­ axialität.

Claims (17)

1. Wickelmaschine mit einer Steuerung, mit einem Drehantrieb, mit einer um eine Rotationsachse in einer Einspannebene rotierend angetriebenen ersten Einspannvorrichtung und einer mitlaufenden zweiten Einspannvorrichtung, zwischen denen ein rotieren­ des Werkstück beidseitig eingespannt ist, mit min­ destens einem Fadenauge zum tangentialen Zuführen mindestens eines Wickelfadens oder einer Faden­ schar in einer Fadenzulaufebene, wobei das Faden­ auge in Längsrichtung der Rotationsachse ver­ schiebbar ist, und die Werkstückhauptachse mit der Rotationsache in der Fadenzulaufebene konzentrisch ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Einspannvorrichtungen (1, 2) das Werk­ stück (3) gelenkig einspannen und
• - daß mindestens eine Einspannvorrichtung (1) in einer senkrecht zur Rotationsachse x ver­ laufenden mitrotierenden Verschiebungsachse y in der Einspannebene verstellbar ist.

2. Wickelmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Ringfadenauge (8) dem Werkstück (3) mehrere Wickelfäden (10) gleichmäßig auf dem Umfang des Ringfadenauges verteilt radial zuführt.

3. Wickelmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß beide Einspannvorrichtungen (1, 2) in der Einspannebene linear verstellbar sind.

4. Wickelmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einspannvorrichtungen (1, 2) jeweils eine gelenkig gelagerte, in der Verschie­ bungsachse y bewegliche Spannzange (16) aufweisen, die um mindestens eine zur Einspannebene senkrech­ te Ebene verschwenkbar ist.

5. Wickelmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spannzange (16) über einen an­ steuerbaren Linearantrieb in Richtung der Ver­ schiebungsachse y in der Einspannebene in unter­ schiedliche Exzentrizitätspositionen verstellbar ist.

6. Wickelmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Linearantrieb aus einem Schnec­ kenantrieb (18) besteht.

7. Wickelmaschine nach Anspruch 4 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Spannzange (16) in einer Nutführung (22) einer mit dem Drehantrieb verbun­ denen Einspannscheibe (26) geführt ist.

8. Wickelmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einspannscheibe (26) relativ zur kontinuierlichen Wickeldrehbewegung α des Drehan­ triebs über einen von der Steuervorrichtung an­ steuerbaren Stellantrieb eine der Winkeldrehbewe­ gung α überlagerte Drehbewegung β ausführt.

9. Wickelmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen Einspannscheibe (26) und Drehantrieb ein mit dem Stellantrieb verbundenes Zwischengetriebe angeordnet ist.

10. Wickelmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Zwischengetriebe aus einem Pla­ netenradgetriebe (28) besteht.

11. Wickelmaschine nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht mit dem Drehantrieb verbundene Einspannvorrichtung (2) zur Kompensa­ tion der Längenänderung des Werkstücks (3) in der Projektion auf die Rotationsachse x auf Grund der variierenden Einspannungen in Richtung der Rota­ tionsachse x längs verschiebbar ist.

12. Wickelverfahren zum Bewickeln von um eine Rota­ tionsachse rotierenden Werkstücken mit Wickelfa­ sern

• - durch Drehen eines beidseitig in senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden Einspann­ ebenen eingespannten Werkstücks um die Rota­ tionsachse,
• - durch tangentiales Zuführen von mindestens einem Wickelfaden über ein Fadenauge und
  durch Längsverschieben des Fadenauges entlang der Rotationsachse, wobei die Drehbewegung des Werkstücks, die Fadenzufuhr und die Längsbewegung des Fadenauges von einer Steuerung gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierende Werkstück mit gekrümmter Haupt­ achse im Kreuzungspunkt mit der Fadenzulaufebene des Fadenauges stets konzentrisch zu der Rotations­ achse gehalten wird, indem das Werkstück in der Einspannebene gelenkig eingespannt wird und das Werkstück in mindestens einer Einspannebene längs einer Verschiebungsachse der Drehbewegung überlagert linear erstellt wird.

13. Wickelverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch beidseitiges variabel exzen­ trisches Einspannen das rotierende Werkstück mit seiner Hauptachse im Kreuzungspunkt mit der Fadenzulaufebene koaxial zu der Rotationsachse gehalten wird.

14. Wickelverfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gleichmäßig umfangs­ mäßig verteilte radial auf das Werkstück zulau­ fende Wickelfäden aufgewickelt werden.

15. Wickelverfahren nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der kontinuierlichen Drehbe­ wegung beim Wickeln eine Drehbewegung der Ein­ spannebene überlagert wird.

16. Wickelverfahren nach Anspruch 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß kontinuierlich Stellsignale für die variable Exzentrizität der Werkstückein­ spannung von der Steuerung aus voreingestellten und gespeicherten Werkstückraumformsignalen, dem momentanen Positionssignal des Fadenauges sowie dem momentanen Drehwinkelsignal des Werkstücks erzeugt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß ein mit den Stellsignalen gekoppeltes überlagertes Verdrehungssignal für die Einspann­ ebene von der Steuerung erzeugt wird.