-
TECHNISCHES
GEBIET
-
Die
vorliegende Erfindung ist im Allgemeinen auf die Herstellung von
Kompositstrukturen bezogen. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung eine computergesteuerte Faserplatziervorrichtung, die verwendet
wird, um Faserseil auf eine Ablageoberfläche aufzubringen, gewöhnlich um
eine rotierende Spindel herum, um ein Werkstück zu bilden. Noch genauer
ist die vorliegende Erfindung besonders geeignet, aber nicht darauf
beschränkt,
zum Vorsehen einer optimalen Faserseilspannung, zum Steuern der Geschwindigkeit
des Faserseils und zum präzisen Überwachen
des Faserwegs, während
das Faserseil abgespult wird und schließlich auf die Ablageoberfläche aufgebracht
wird.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Faserseilplatzierungs-/Wicklungs-Maschinen
platzieren oder wickeln typischerweise eine Vielzahl von Fasern,
Faserseilen oder Fäden
auf, die mit einem wärmeaushärtenden
Harz in einem vorausgewählten
Muster oder Bindung imprägniert
worden sind, welche auf einer Ablageoberfläche positioniert wird, die
auf einer rotierenden Spindel montiert ist. Die Ablageoberfläche oder
das Werkstück
können zylindrisch
sein oder, noch wahrscheinlicher, von unregelmäßiger Form. Ungeachtet der
Geometrie, die das fertige Werkstück bekommen soll, ist es im
Allgemeinen zwingend erforderlich, dass die Dimensionen, Konturen
und Gesamtstrukturqualität
des Werkstücks
die sehr strikten Herstellungs- und Beschaffenheitserfordernisse
treffen oder übertreffen.
-
Die
meisten Faserseilplatzierungs-/Wicklungs-Maschinen weisen eine Vielzahl
von Spulen auf, die Fasern oder Seile enthalten, in welchen die Faser
abgewickelt wird, damit sie präzise
um das Werkstück
durch einen computergesteuerten Kopf positioniert werden kann, der
auf einem Roboterarm angeordnet ist. Es ist wichtig, dass jede Faser,
von welchen 32 oder mehr einzelne Spulen von Fasern existieren können, während sie
abgewickelt werden und gleichzeitig durch den Kopf positioniert
werden, um das Werkstück
mit einer vorgewählten
Spannung gewickelt werden, welche optimal ist für die bestimmten Fasern, die
verwendet werden und die Geometrie der besonderen Ablageoberfläche oder
des Werkstücks,
welches konstruiert wird. Solche Spannungen können typischerweise von 1,11
Newton (0,25 Pfund) bis ungefähr
4,45 Newton (1,0 Pfund) rangieren. Daher besteht die langanhaltende
Notwendigkeit in der Kompositeherstellungsindustrie, Faserspannung
präzise
zu steuern, soviel wie möglich,
oder zumindest die Spannung der Faser innerhalb eines akzeptablen
Bereichs aufrechtzuerhalten, während
die Faser von ihrer einzelnen Spule abgewickelt wird und anschließend um
das Werkstück
positioniert wird.
-
Zusätzlich kann
das Spannersystem dazu aufgerufen werden, die Faser in einem Standby-
oder stationären
Modus zu halten, sollte diese spezielle Faser nicht an einem gegebenen
Abschnitt des Werkstücks
benötigt
werden. Faserspannersysteme werden auch dazu verwendet, jegliche
Lockerung der Faser langsam aufzunehmen, wenn zuerst Spannung auf
die Faser durch das Spannersystem aufgebracht wird, um so die Faser
nicht übermäßig zu belasten
oder zu zerbrechen. Weiterhin detektieren Faserspannersysteme idealerweise
Fehlfunktionen in der Zufuhr der Faser, berichten sie einem Mastercomputer
oder einem Controller und, falls als geeignet erachtet, entlasten
die Spannung auf der Faser. Vorzugsweise sollten Spannersysteme
in der Lage sein, Verbrauch zu überwachen,
und einen nahezu leeren Spulenzustand zu detektieren und solch eine Information
an den Mastercontroller zu berichten, woraufhin der Bediener die
nahezu leere Spule mit einem Minimum von Unterbrechung ersetzen
kann. Daher sei gewürdigt,
dass ein Bedarf in der Industrie für ein Faserspannersystem besteht,
das nicht nur richtig und präzise
die Spannung einer Vielzahl von Fasern innerhalb eines engen Bereichs
von Kraft auf eine ökonomische
Art und Weise aufrechterhält,
sondern auch zuverlässig
eine Vielfalt des Überwachens,
Berichtens als auch vieler Detektionsaufgaben durchführt.
-
Faserspannersysteme,
welche diejenigen enthalten, die in computerisierten Faserplatzier-/Wicklungs-Maschinen
verwendet werden, verwenden oft eine Vielzahl von Umlenkrollen oder
Umleitrollen, die auf einer Trägerstruktur
montiert sind, welche die Faser führt und trägt, während sie abgewickelt wird
oder ablaufen gelassen wird, während sie
in Richtung des computergesteuerten Kopfes entlang eines vorgewählten Pfades
wandert. Typischerweise ist die Spule von Faser auf einem Spulenhalter montiert,
welcher durch einen prozessorgesteuerten elektrischen Motor angetrieben
wird.
-
Ein
Faserspannersystem, das innerhalb einer Faserplatziermaschine inkorporiert
ist, ist in US-Patent
5,223,072 offenbart – Brockman
et al. Das Brockman et al. '072
Patent stellt eine Lastzelle dar, die an einer Umleitrolle montiert
ist, um die Spannung der Faser abzutasten, was in Verbindung mit
einem CNC-Controllersystem
und einem lokalen Mikroprozessor dann das Drehmoment steuert, das
auf die Spule durch einen Antriebsmotor übertragen wird. Weiterhin verwendet
das CNC-Controllersystem und der lokale Prozessor eine Positions-
und Geschwindigkeitsfeedbackinformation von dem Antriebsmotor und
inkorporiert eine Geschwindigkeitsschleife als auch eine Kraftschleife.
-
Ein
weiteres Faserspannersystem ist in US-Patent
5,277,373 an
Morton offenbart, welches eine Faserspannung durch Abtasten der
Position eines Tänzerarms
mit einem analogen magnetischen Winkelpositionssensor steuert.
-
Hinsichtlich
des Verwendens von Umlenkrollen oder Umleitrollen, um den Faserpfad
zu manipulieren, um eine vorgewählte
Spannung aufrechtzuerhalten, beschreibt ein Artikel, der in der
August 1997 Ausgabe des PCIM-Magazins, beginnend auf Seite 90 veröffentlicht
ist, ein Spannungssteuersystem, das in der Herstellung von Nano-Technologie
Fasersensoren für
die Biotechnologieindustrie verwendet wird. Das beschriebene System
enthält
die Verwendung eines Tänzerarms,
der eine Umleitrolle an dem freien Ende des Arms aufweist und einen
Niedrigreibungsluftzylinder, der an einem Mittelpunkt entlang des
Arms angebracht ist. Das computergesteuerte Endlosschleifenfeedbacksystem
ermöglicht
es der Faserspannung, aufrechterhalten zu werden durch Durchführen automatischer
Anpassungen an einen elektrischen Druckregler, um den Druck, der
an den Zylinder zugeführt
wird, zu erhöhen
oder zu erniedrigen, um den Arm zu repositionieren, wodurch die
Faserspannung während
des Herstellungsprozesses davon geändert wird.
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung enthält das Vorsehen eines genauen
zuverlässigen und
preisgünstigen
Faserseilspannungssystems. Eine weitere Aufgabe ist es, zeitaufwendige
Kalibrierungserforjdernisse zu reduzieren, wenn nicht sogar zu eliminieren,
und ein Spannersystem vorzusehen, das geeignet zur Verwendung nicht
nur in jeglicher Faserplatziermaschine ist, sondern auch zur Verwendung
in jeder Maschine oder jedem Prozess, wo Spannung und Steuerung
eines fasrigen Elements erfordert wird. Es ist noch eine weitere
Aufgabe, ein Faserspannersystem vorzusehen, das weder Kraft misst,
enthaltend elektrisch gesteuerte Kraft, noch analoge Sensoren benötigt und
assoziierte Schaltungen, welche Drift unterliegen. Eine weitere
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Faserspannersystem
vorzusehen, welches die Notwendigkeit eliminiert, das Faserspulenhalterdrehmoment
zu steuern, wodurch die Verwendung von billigen Schrittmotoren erlaubt
wird, um den Faserspulenhalter anzutreiben. Eine weitere Aufgabe
ist es, ein Faserspannersystem vorzusehen, welches ein gebrochenes Seil
oder andere Fehlfunktionen detektiert und dies an einen Hauptcontroller
berichtet und, falls als geeignet erachtet, ein Spannen beendet.
Eine zusätzliche
Aufgabe ist es, ein Faserspannersystem vorzusehen, das Faserlockerung
langsam aufnimmt, wenn Spannung zuerst aufgebracht ist, eine nahezu
leere Spule detektiert, Faserverbrauch bestimmt, als auch Fasergeschwindigkeit überwacht.
Dies und andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
auf ein Durchsehen der vorliegenden Spezifikation in ihrer Gesamtheit
offensichtlich werden.
-
BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung sieht eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren
gemäß Anspruch
13 zum Steuern der Spannung einer oder mehrerer Faserseile vor und
umfasst vorzugsweise einen Trägerrahmen,
der einen Spulenhalter, einen Motor zum Antreiben des Spulenhalters,
einen Tänzerarm,
der ein freies Ende mit einer Umlenkrolle, die darauf montiert ist,
und ein fixiertes Ende aufweist, das schwenkbar montiert ist, um
mit einem Winkelpositionssensor zusammenzuwirken, einen pneumatischen
Niedrigreibungszylinder, der auf dem Tänzerarm und dem Trägerrahmen
montiert ist, eine zweite Umleitrolle, die montiert ist, um mit
einem zweiten Winkelpositionssensor zusammenzuwirken, einen Controller
und assoziierte Schaltungen aufweist, um das positionsgesteuerte
Spannersystem zu steuern.
-
Vorzugsweise
ist ein Mikrocontroller vorgesehen, der auf einer einzelnen gedruckten
Schaltung (PCB) montiert ist, welche eine Signalpufferschaltung aufweist,
um vier individuelle Spanner zu steuern. Die PCB wird vorzugsweise
in eine Busleiterplatte des STD-Typs eingestöpselt, welche eine Kommunikation
zwischen mehreren Mikrocontrollern erlaubt, wodurch die Steuerung
von zumindest 32 individuellen Spannern erlaubt wird. Eine Kommunikation
zwischen einem Faserplatziermaschinenhaupt- oder Mastercontroller
und jedem Spannercontroller wird auch vorgesehen. Vorzugsweise sind
die Motoren, die die Spuulenhalter antreiben, Schrittmotoren, die durch
jeweilige Schrittantriebe angetrieben werden. Der Mikrocontroller
steuert den Schrittmotor, um so die Faser zuzuführen oder nicht zuzuführen, um
den Tänzerarm
in einer vorgewählten
Position aufrechtzuerhalten, gewöhnlich
seine zentrale Position. Der Luftzylinder, der auf jedem Tänzerarm
montiert ist, ist mit einem gemeinsamen pneumatischen Druckregler verbunden,
so dass alle Spanner in der gleichen Orientierung den gleichen pneumatischen
Druck empfangen. Die Spannung auf jeder Faser wird somit gesteuert
durch Überwachen
ihrer jeweiligen Tänzerarmposition,
wie sie durch den Winkelpositi onssensor abgetastet wird, der zusammen
mit dem Tänzerarm
an seinem Schwenkpunkt platziert ist und dementsprechend den Schrittmotor
aktiviert, um zu bewirken, dass die Faser es dem Tänzerarm
erlaubt, zu seiner neutralen Position zurückzukehren. Zusätzlich tragen
Kräfte
auf Grund der Schwerkraft und des pneumatischen Zylinders, der auf
den Tänzerarm einwirkt
und somit das Faserseil, dazu bei, die Faserspannung auch aufrechtzuerhalten.
Der zweite Winkelpositionssensor, der mit seinen jeweiligen Umlenkrollen
zusammenwirkt, sieht Fasergeschwindigkeitsinformationen vor, wodurch
eine bessere Steuerung der Tänzerarmposition
erlaubt wird und eine Abschätzung
des gegenwärtigen
Spulendurchmessers, um besser den Faserverbrauch nach zu verfolgen und
jegliche Unregelmäßigkeiten
oder Fehlfunktionen des Faserweges zu detektieren.
-
Da
jeder Mikrocontroller vorzugsweise vier Spanner steuert, hat jeder
Mikrocontroller direkte Kenntnis beider angrenzender Nachbarspanner
hinsichtlich des anderen Paares von Spannern, innerhalb seiner direkten
Steuerung. Weiterhin sind die PCB's und die Busleiterplatte konstruiert,
um es den Fasergeschwindigkeiten der anderen Spannernachbarn zu
erlauben, dem Hauptfaserplatziermaschinencontroller leicht verfügbar zu
sein, sollte die Detektion einer gebrochenen Seilfaser in irgendeinem der
Spanner auftreten. Zusätzlich
detektiert die Steuerlogik, falls eine Faser versagt, abgewickelt
zu werden und wird automatisch den jeweiligen Schrittmotor deaktivieren
und danach den Faserweg überwachen.
Danach wird dann die Steuerlogik bewirken, dass der Schrittmotor
langsam eine Spannung wieder einleitet, falls es scheint, dass das
detektierte Problem sich selbst aufgelöst hat. Eine optionale Kupplung,
welche automatisch auf dem Schritmotor in Eingriff ist, welche aktiviert
wird und automatisch freigegeben wenn, wenn der Schrittmotor deaktiviert wird,
kann vorgesehen sein. Somit sieht die optionale Kupplung einen Mechanismus
vor, in welchem der Spulenhalter von dem Schrittmotorantrieb selektiv gekoppelt
und entkoppelt wird und im weiteren Reduzieren der Faserspannung
auf ein Abtasten eines Abspulproblems des Controllers hin behilflich
ist.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
Während die
Spezifikation mit Ansprüchen endet,
die insbesondere die vorliegende Erfindung herausstellen und eindeutig
beanspruchen, kann die vorliegende Erfindung leichter verstanden
werden durch vorheriges Ansehen der Zeichnungen in Verbindung mit
der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung.
-
1 ist eine Darstellung einer
typischen Faserplatziermaschine, in welcher die vorliegende Erfindung
insbesondere zur Verwendung geeignet ist;
-
2 ist eine isometrische
Ansicht der bevorzugten Ausführungsform
des positionsgesteuerten Spanneraufbaus zur Verwendung in Verbindung mit
einer Faserspule, die auf der oberen linken Seite des Spulengestells
angeordnet ist und welche, falls sie horizontal gedreht wird und
auf ein Substituieren einer geringfügigen Komponente hin, zur Verwendung
in Verbindung mit einer Faserspule geeignet wäre, die auf der unteren rechten
Seite des Spulengestells angeordnet ist;
-
3 ist eine isometrische
Ansicht der bevorzugten Ausführungsform
des positionsgesteuerten Spanneraufbaus, zur Verwendung in Verbindung mit
einer Faserspule invertiert, die auf der oberen rechten Seite des
Spulenständers
angeordnet ist;
-
4 ist eine Querschnittsansicht
des positionsgesteuerten Spanneraufbaus, aufgenommen entlang einer
Linie 4-4 der 2;
-
5 ist eine Querschnittsansicht
eines positionsgesteuerten Spanneraufbaus, aufgenommen entlang einer
Linie 5-5 der 4;
-
6 ist eine Frontansicht
des Tänzerarms und
des pneumatischen Zylinderabschnitts des positionsgesteuerten Spanneraufbaus,
welcher der Ansicht entspricht, die entlang der Linie 6-6 der 5 aufgenommen ist;
-
7 ist eine isometrische
Ansicht des optionalen Kupplungsaufbaus der vorliegenden Erfindung;
-
8 ist eine Frontansicht
des optionalen Kupplungsaufbaus, der in 7 gezeigt ist; und
-
9 ist eine Querschnittsansicht
des optionalen Kupplungsaufbaus, aufgenommen entlang einer Linie
9-9 der 7.
-
BESTER MODUS
ZUM AUSFÜHREN
DER ERFINDUNG
-
Bezug
nehmend nun auf 1 der
Zeichnungen, ist eine Darstellung einer typischen Roboterfaserplatzierungs-/Wicklungsmaschine
oder System 2 gezeigt, welches eine Vielzahl von Fasernseilen 4 aufweist,
welche bis zu zumindest 32 individuellen Seilen umfassen können, welche
simultan von oberen positionierten Faserspulen 6 und unteren
positionierten Faserspulen 8 abgewickelt werden. Eine Faserplatzier-/Wicklungsmaschine 2 ist
mit einem Spulenhalter 7 versehen, welcher eine linke Seite 7L und eine
rechte Seite 7R aufweist. Jede Seite des Spulenhalters 7 trägt jeweilig
eine obere Reihe von Faserspulen und eine untere Reihe von Faserspulen und
treibt diese an. Insbesondere, obwohl in 1 nicht sichtbar, ist die Reihe von Faserspulen,
die auf der oberen linken Seite des Spulenhalters 7 angeordnet
ist, als 7UL gekennzeichnet, die Reihe der Faserspulen,
die auf der unteren linken Seite des Spulenhalters 7 angeordnet
ist, ist als 7LL gekennzeichnet und ist angeordnet, um
ein Spiegelbild der Reihe von Faserspulen zu sein, die auf der oberen
rechten Seite des Spulenhalters 7, gekennzeichnet als 7UR,
und ist der Reihe der Faserspulen, die auf der unteren rechten Seite
des Spulenhalters 7, gekennzeichnet als 7LR in 1, platziert ist. Die individuellen
Faserseile 4, welche von den jeweiligen Spulen abgewickelt werden,
die in den verschiedenen Reihen des Spulenhalters positioniert sind,
und gewöhnlich
vorimprägniert
werden mit einem wärmeaushärtenden
harzigen Material, werden individuell durch einen computergesteuerten
Faserseilplatzierkopf 10 geführt, welcher schließlich vorgewählte individuelle
Fasern auf der Oberfläche
eines Werkstücks 12 platziert.
Typischerweise ist Werkstück 12 von
unregelmäßiger Form
und ist auf einer angetriebenen drehbaren Spule, welche dazu dient,
das Wickeln oder Ablegen der Faser zu vereinfachen, um die endgültige Konfiguration
des Werkstücks 12 aufzubauen.
Im Allgemeinen ist der Platzierkopf 10 auf einem Roboterarm 16 montiert,
der durch einen Hauptcontroller 18 gesteuert wird, welcher
nicht nur den Roboterarm 16 manipuliert, sondern auch das
Ablaufenlassen eines jeden der 32 oder mehr Faserseile 4 steuert,
als auch die Drehgeschwindigkeit der Spindel 14, so dass
die jeweiligen individuellen Faserseile 4 auf Werkstück 12 platziert
und gespannt werden in einer so abgestimmt wie möglichen Art und Weise.
-
Bezug
nehmend nun auf 2 der
Zeichnungen, ist der Positionspanneraufbau 22 der vorliegenden
Erfindung spezifischer Weise konstruiert, um in Verbindung mit oberhalb
positionierten Faserspulen verwendet zu werden, wie beispielsweise
die nicht-sichtbaren Faserspulen, die in Reihe 7UL, wie in 1 dargestellt, positioniert
sind, welche auf der Rückseite
angeordnet sein würden
oder der linken Seite 7L und ein Spiegelbild der unteren
Faserspulen 18, die installiert und sichtbar auf der rechten
Seite 7R des Spulenhalters 7 der 1 sind. Zurückkehrend zu 2, enthält ein Positionspanneraufbau 22 ein
Trägermodul 24,
welches eine Vorderseitenplatte 26, eine Bahnplatte 28 und
eine Umlenk/Tänzerträgerplatte 30 aufweist.
Trägermodul 24 ist
vorzugsweise aus einer Aluminiumumlegierung hergestellt, aber jegliches
Material, welches geeignete strukturelle Festigkeit aufweist, kann
verwendet werden. Eine Spule des Faserseils 32 ist auf
einer Spulenwelle 36 montiert, welche durch die Vorderseitenplatte 26 passiert
und welche wiederum durch einen Lagerblock 34, der auf
Vorderseitenplatte 26 montiert ist, getragen wird. Um die
Spulenwelle 36 anzutreiben, weist die Spulenwelle 36 eine
Spulenrolle 38 auf, die darauf montiert ist zum Aufnehmen
eines Antriebsriemens 40, der an Motorscheibe 44 angebracht
ist, welche mit dem Schrittmotor 22 verbunden ist. Schrittmotor 42 ist
kommerziell von Pacific Scientific verfügbar, wobei Model M21NRXB-LNN-NS-00
besonders geeignet ist. Jedoch würden
Schrittmotoren von jeglichen Herstellern, die die gewünschten
Abmessungen und physikalischen Eigenschaften aufweisen, gut mit
der vorliegenden Erfindung funktionieren. Eine einstellbare Schrittmotorbefestigung 46 sieht
ein einfaches und geeignetes Verfahren zum Einstellen der Spannung
des Antriebsriemens 40 vor. Obwohl eine Antriebsriemenanordnung
wegen ihrer Einfachheit, Erleichterung des Wählens des Antriebsverkleinerungsverhältnisses
und Erleichterung der Wartung bevorzugt ist, könnten alternative Antriebsmechanismen
wie beispiels weise Untersetzungsgetriebe genauso verwendet werden.
Ein elektrischer Stecker 48 ist bestimmt zum Verbinden
von Stromanschlüssen
und Signalanschlüssen
an Codierer 56 und 66, was unten beschrieben werden
wird. Schrittmotor 42 wird vorzugsweise elektrisch aktiviert durch
einen individuellen Schrittmotorantrieb (nicht in den Zeichnungen
gezeigt), da solche Antriebe gut bekannt sind und im Stand der Technik
verwendet werden.
-
Ein
Ende des Faserspannertänzerarms 50, worauf
Bezug zu nehmen ist als fixiertes Ende, ist schwenkbar an Umlenk-/Tänzerträgerplatte
30 und Vorderseitenplatte 26 verbunden, während das
andere Ende des Arms, das freie Ende, eine Faserseilumlenkrolle
darauf montiert aufweist. Das schwenkbar verbundene Ende des Tänzerarms 50 ist
montiert in Kombination mit einem Drehcodierer 56 durch
einen Tänzerarmcodierhalter 54.
Somit wird jegliche Bewegung des Tänzerarms innerhalb seines Bewegungsbereichs über einen
optischen Drehcodierer 56 detektiert. Ein besonders geeigneter
optischer Codierer, der die Modelnummer RS16D-1024-1/4-5-CA18-LD-0-M1-S aufweist,
ist kommerziell erhältlich
von Renco Encoders, Inc. Jedoch können alternative Codierer kommerziell
aus anderen Quellen erhalten werden. Ein extremer pneumatisch Niedrigreibungszylinder 58 ist
an einem vorgewählten
Punkt entlang der Spanne des Tänzerarms 50 angebracht,
welcher eine adäquate
Hubwirkung des Zylinders 58 hinsichtlich des gewünschten Bereichs
der Bewegung des Tänzerarms 50 erlauben
wird. Ein beispielhafter pneumatischer Zylinder, der besonders geeignet
für den
vorliegenden Positionsspanneraufbau ist, wird bezeichnet als Airpel-Zylinder,
verfügbar
von Airport Corporation. Der Airpel-Zylinder, Model E9D2.OU hat
sich als besonders geeignet bewährt.
Ein pneumatischer Zylinder 58 ist an der Umlenk-/Tänzerträgerplatte 30 durch
Montageklammer 60 verankert.
-
Eine
schwenkbare Klammer 42, die die Umlenkrolle 46 darauf
montiert aufweist, ist an das entfernte Ende 64 der Umlenk-/Tänzerträgerplatte
30 angebracht, um es dem Faserseil zu erlauben, von Spule 32 abgewickelt
zu werden, durch Positionsspanneraufbau 22 geführt zu werden
via Faserseilumlenkrollen 64 und 52, und ablaufen
gelassen zu werden durch Ablaufumlenkrolle 68, montiert
auf dem untersten Punkt und auf der Rückseite der Platte 30,
wie in 2 gesehen werden
kann, oder wie besser in 4 gesehen
werden kann, wobei eine Ansicht der gegenüberliegenden Seite des Spanneraufbaus 22 vorgesehen
ist und der Leitweg der Faser 106 dargestellt ist. Zurückkehrend
zu 2 und im Wege eines
Beispiels, erwies sich ein Tänzerarm, der
eine Gesamtlänge
von ungefähr
15,24 cm (6 Inch) aufweist und einen Mitte zu Mitte Abstand von 13,34
cm (5,25 Inch) zwischen dem Montagepunkt und dem schwenkbar fixierten
Ende des Tänzerarms und
dem Umlenkrollenbefestigungspunkt auf dem gegenüberliegenden freien Ende aufweist
und welcher einen Zylinder 68, der drehbar montiert ist
in 3,81 cm (1,5 Inch) von dem Zentrum des schwenkbar fixierten Endes
des Tänzerarms
ist, herausgestellt, die geeignete Geometrie aufzuweisen.
-
Zusätzlich hatte
der Beispielstänzerarm
einen Bewegungsbereich, der sich ungefähr 45° des Bogens oberhalb und unterhalb
der Horizontalen erstreckte, wodurch er sich auf ungefähr 90° insgesamt von
der obersten Position zu der untersten Position des Tänzerarmsbereichs
der erlaubten Bewegung, die als α in 2 und 4 dargestellt ist, belief. Dieser Bewegungsbereich
kann natürlich
modifiziert werden als die Länge
des Tänzerarms,
des Montagepunktes des Zylinders 58 und des Durchmessers
der Umlenkrollen oder funktionaläquivalenten
Faserführungen, um
die Anforderungen der besonderen Anwendungen zu treffen, in welchen
die vorliegende Erfindung geeignet ist.
-
Laufumlenkrolle 68 ist
in Verbindung mit einem zusätzlichen
optischen Drehcodierer 66 montiert, der von Renco Encoders
Inc. erhältlich
ist mit Modelnummer RS16D-P1-1024-1/4-5-CA18-LD-0-M1-S, welcher auch
bevorzugt ist wie mit Codierer 56 zum Detektieren der Drehgeschwindigkeit
der Umlenkrolle 68, während
Faser zum Faserseilplatzierkopf 10 der Faserplatziermaschine 2 laufen
gelassen wird. Alternativ können
andere optische Codierer kommerziell aus anderen Quellen erhalten
werden und anstelle des bevorzugten Renco Codierers verwendet werden. Die
Schottverschraubung 70 erleichtert ein Anbringen der Druckluftzuführleitung
an den pneumatischen Zylinder 58.
-
Obwohl
ein Positionsspanner, wie in 2 gezeigt,
besonders zum Halten und Spannen von Faserspulen geeignet ist, die
in Reihe 7UL montiert sind, platziert auf der oberen linken
Seite des Spulenhalters 7, kann der gleiche Positionierer
verwendet werden zum Halten und Spannen von Faserspulen, die in
Reihe 7LR montiert sind auf der unteren rechten Seite des
Spulenhalters 7 durch horizontales Drehen des Positionsspanneraufbaus 22 um
180°, so dass
der Spulenschaft 36, der eine Spule von Faserseilen 32 hält, sich
nach außen
weg vom Spulenhalter 7 erstreckt und sich Umlenk-/Tänzerträgerplatte 30 nach
unten erstreckt, wenn sie in Reihe 7LR positioniert ist.
Weiterhin wird es notwendig sein, die schwenkbare Klammer 62 zu
substituieren, in welcher eine Umlenkrolle 64 montiert
ist, durch eine gewichtsbelastete schwenkbare Klammer 82,
die ein Gegengewicht 84 aufweist, was unten weiter beschrieben
werden wird, welches dazu dient, die Klammer 82 und die
Umlenkrolle 64 richtig nach oben orientiert zu halten,
um Faser aufzunehmen, welche von Spule 32 angewickelt wird,
wenn Spanner 22 in einer invertierten Orientierung platziert
wird.
-
Wie
beim zusammengesetzten Spanner 22, der in 2 gezeigt ist, wird ein zusammengesetzter invertierter
Spanner 72, der in 3 gezeigt
ist, auf den Zusammenbau hin, horizontal um 180° gedreht und die gewichtsbelastete
Schwenkklammer 82, die eine Umlenkrolle 64 aufweist
und auch ein Gegengewicht 84 darauf montiert aufweist,
durch eine nicht mit Gewicht belastete Schwenkklammer 62 ersetzt, die
eine Umlenkrolle 64 darauf montiert aufweist, und zum Tragen
und Spannen von Faserspulen verwendet werden kann, die in Reihe 7UR positioniert
sind, platziert auf der rechten Seite 7R des Spulenhalters 7,
wie in 1 gezeigt ist.
Um zusammenzufassen: Spanner 22, wie in 2 gezeigt, ist fertig zur Installation
in der oberen linken Reihe 7UL der linken Seite 7L des
Spulenhalters 7, wie in 1 gekennzeichnet ist;
auf ein horizontales Drehen eines zusammengesetzten Spanners 22 hin
und ein Ersetzen der Schwenkklammer 62 durch eine gewichtsbelastete Schwenkklammer 82 ist
solch ein gedrehter Spanner 22, der mit einer gewichtsbelasteten
Schwenkklammer 82 versehen ist, fertig zur Installation
in der unteren rechten Reihe 7LR der rechten Seite 7R des
Spulenhalters 7, wie in
-
1 gezeigt ist; Spanner 72,
wie in 3 gezeigt, ist
fertig zur Installation in der unteren linken Reihe 7LL der
linken Seite 7L des Spulenhalters 7, wie in 1 gekennzeichnet ist; und
auf ein horizontales Drehen eines zusammengesetzten Spanners 72 hin
und ein Ersetzen einer gewichtsbelasteten Schwenkklammer 82 durch
eine nicht-gewichtsbelastete Schwenkklammer 62 ist solch
ein gedrehter, Spanner 72 fertig zur Installation in der
oberen rechten Reihe 7UR der rechten Seite 7R des
Spulenhalters 7, wie in 1 gezeigt
ist. Somit sind Spanner 22 und 72, wie in 2 und 3 gezeigt, fertig, um jeweilig in zwei
der insgesamt vier unterschiedlich orientierten Spanneraufbauten
zu dienen, welche erforderlich sind, um Spulenhalter 7 mit
einer Gesamtanzahl von vier Reihen richtig getragener und orientierten
Spulen von Fasern zu versehen. Auf ein Drehen fertiger Spanneraufbauten 22 und 72 hin
und ein Durchführen
geeigneter Schwenksubstitutionen, werden gedrehte Spanneraufbauten 22 und 72 angepasst,
um jeweilig in den verbleibenden zwei der insgesamt vier unterschiedlich
orientierten Spanneraufbauten zu dienen, welche erforderlich sind,
um Spulenhalter 7 mit den insgesamt vier Reihen der richtig getragenen
und orientierten Spulen von Fasern zu versehen. Diese vierreihige
Anordnung erlaubt leichtes Ersetzen der Spulen von Fasern durch
den Bediener der Faserplatzier-/Wickelmaschine 2, wenn die
Spulen in jeder der vier Reihen 7UL, 7LL, 7UR und 7LR leer
sind, wenn die Faser von jeder Spule auf dem Werkstück 12 abgelegt
wird.
-
Sich
nun der 4 zuwendend,
ist eine Querschnittsansicht gezeigt, die entlang der Linie 4-4,
wie in 2 dargestellt
ist, aufgenommen ist. 4 zeigt
die Rückseite
des Trägermoduls 24,
welches die Umlenk-/Tänzerträgerplatte 30 enthält und den
Pfad eines individuellen Faserseils 106, während das
Faserseil abgewickelt wird und durch den Spanneraubau 22 durch
Umlenkrolle 64, Tänzerarmumlenkrolle 52,
Rückseitenumlenkrolle 96 und
zuletzt Laufumlenkrolle 68 geführt wird, bevor sie weiter
zu dem Faserplatzierkopf 10 wandert. Der Bewegungsbereich
des Tänzerarms 50,
welcher die Umlenkrolle 52 darauf montiert aufweist, in 2 als α dargestellt, und, wie gesehen
werden kann, wird der oberste Bereich durch die Form der Platte 30 begrenzt
und der unterste Bereich wird durch einen Stehbolzen 98 beschränkt, während sich
der Tänzerarm
um seinen Befestigungspunkt dreht, nicht sichtbar in 4. Ein Spulenhalter 100 ist
konfiguriert und abgemessen, um leicht eine Spule von Faserseil 32 aufzunehmen und
sicher zu halten, während
das Faserseil laufen gelassen wird. Solche Spulenhalter können hergestellt
werden oder leicht aus kommerziellen Quellen erhalten werden.
-
Sich
nun zu 5 wendend, ist
eine Querschnittsansicht gezeigt, welche entlang Linie 5-5, wie in 4 dargestellt, aufgenommen
ist. 5 sieht eine Ansicht
eines Spulenhalters 100 vor, wie er auf Spulenwellen 36 montiert
ist. Zusätzlich
wird ein Abstandshalter 102 verwendet, um Rolle 38 in
einem geeigneten Abstand von Lagerblock 34 zu beabstanden,
um mit der Motorscheibe ausgerichtet zu sein. Abstandshalter 104 wird
verwendet, um Spulenwelle 36 hinsichtlich des Lagerblocks 34 richtig
zu positionieren. Das Positionieren des Tänzerarmcodierers 56 mit
darin angebrachter Umlenkrolle 52 und des Laufcodierers 66 mit
darin angebrachter Umlenkrolle 68 kann leicht in dieser
Ansicht gesehen werden.
-
Bezug
nehmend nun auf 6, ist
eine Ansicht des oberen Abschnitts der Platte 30 gezeigt, welche
den Tänzerarm 50 zeigt
und den bevorzugten Airpel pneumatischen Zylinder 58, wie
entlang der Linie 6-6 der 5 aufgenommen.
Vorzugsweise ist der Gelenkkopf des pneumatischen Zylinders 58 an den
Tänzerarm 50 durch
ein Gelenkkopflager 68 und eine geeignete Befestigung angebracht.
Ein Zughaken 88 sichert das gegenüberliegende Ende des pneumatischen
Zylinders 58 an der Zylindermontageklammer 60 durch
eine geeignete Befestigung. Ein Paar von einstellbaren Dosierventilen 90 ist
auf Zylinder 58 vorgesehen zum Steuern der Fließrate der Luft,
die durch den Zylinder eintritt und diesen verlässt, um die Bewegung des Tänzerarms 50 fein
einzustellen und den Zylinder mit einer pneumatischen Vorbelastung
zu versehen, auf ein in Betrieb nehmen des Positionsspanneraufbaus 22 hin.
Vorzugsweise wird eine einstellbare Codiererklammer 92 installiert in
Verbindung mit Tänzerarmcodiererklammer 54 zur geeigneten
Einstellung davon.
-
Bezug
nehmend im Allgemeinen auf 1 bis 6 wird, wenn angemessen,
hinsichtlich des Steuerns des Schrittmotors 42 ein Schrittmotorantrieb vorzugsweise
mit einem Mikrocontroller verbunden, der auf einer einzelnen gedruckten
Schalterplatte (PCB) montiert ist mit einer Signalpufferschaltung, um
vorzugsweise vier benachbarte Positionsspanneraufbauten 22 und 72 zu
steuern, d. h. vier solche Aufbauten, die auf der gleichen Seite
der Faserplatziermaschine 2 angeordnet sind und die direkt
angrenzend aneinander sind. Die jeweiligen PCBs werden in eine einzige
Busleiterplatte des STD-Typs eingestöpselt, welche eine Kommunikation
zwischen allen der Mikrocontroller erlaubt, die benötigt werden, um
alle Positionsspanneraufbauten zu steuern. Vorzugsweise ist ein
RS485 serieller Bus vorgesehen, welcher eine Kommunikation zwischen
dem Hauptfaserplatziermaschinencontroller 18 und jedem
Spannercontroller (nicht in den Zeichnungen gezeigt) erlaubt. Die
Mikrocontroller steuern jeweilige Schrittmotoren 42 mittels
eines Schrittmotorantriebs, um so reaktiv den Tänzerarm 50 zu seinem
Zentrum oder einer horizontalen Position zurückzuführen. Alle gleich orientierten
pneumatischen Zylinder 58, d. h., all diejenigen, die aufrecht
sind im Gegensatz zu denjenigen, die invertiert sind, empfangen
den gleichen Luftdruck über
einen gemeinsamen Druckregler für jede
Orientierung. Mit anderen Worten gibt es einen ersten gemeinsamen
Druckregler für
die Spanneraufbauten, die in einer aufrechten Position montiert sind,
d. h., all diejenigen, die in Reihen 7UL und 7UR installiert
sind, und einen zweiten gemeinsamen Druckregler für die Spanneraufbauten,
die in einer invertierten Position montiert sind, d.h., all diejenigen, die
in Reihen 7LL und 7LR installiert sind, um leicht unterschiedliche
Betriebsdrücke
der jeweilig orientierten Aufbauten zu empfangen. Typische pneumatische
Betriebsdrücke
sind in der Größenordnung
von ungefähr
103,4 KPa (ungefähr
15 psig), wobei zusätzliche
34,5 bis 68,9 KPa (5 bis 10 psig) zu den invertierten
Aufbauten zugeführt
werden. Die verschiedenen Umlenkrollen sind positioniert und der
Tänzerarm
ist geometrisch konstruiert, so dass kleinere Variationen in der
Tänzerarmposition
in vernachlässigbaren Änderungen
in der Faserspannung resultieren. Das heißt die Faserspannung wird durch
das Gewicht des Tänzerarms
beeinflusst, ein schließlich
der Umlenkrolle, die an das freie Ende davon angebracht ist, infolgedessen
verschiedene gemeinsame Druckregler und jeweilige Einstellung für die aufrechten und
invertierten Spanneraufbauten als auch durch Kräfte, die dem pneumatischen
Zylinder zuzuschreiben sind, der auf den zugeführten Luftdruck reagiert. Spannung
wird im Allgemeinen mit dem Mikrocontroller geregelt, der die Position
des Tänzerarms überwacht über eine
Eingabe von dem Tänzerarmcodierer
und die Fasergeschwindigkeit über
den Laufumlenkcodierer, um zu bewirken, dass der Schrittmotorantrieb
bewirkt, dass der Schrittmotor die Drehzahl erhöht oder erniedrigt, wie geeignet,
um den Tänzerarm
zu seinem Zentrum oder horizontalen Position zurückzuführen. Allgemein gesagt, während die
Tänzerarrnumlenkrolle 52 nach
oben schwenkt hinter die neutrale zentrale Position weg von der
Faserspule 32 für
die aufrechte Orientierung, die in 4 dargestellt ist,
wird das Faserseil eine Erhöhung
in der Spannung von der Norm erfahren und auf ein Schwingen der
Rolle 52 unterhalb der neutralen zentralen Position in
Richtung Faserspule 32 hin, wird Faserseil 106 eine
Erniedrigung in der Spannung von der Norm erfahren. Das gleiche
trifft für
die invertierte Orientierung des Faserpositionsspanneraufbaus hinsichtlich der
relativen Bewegung der Rolle 52 hinsichtlich der Spule 32 zu,
jedoch würden
Bezugnahmen auf "aufwärts" und "abwärts" umgekehrt sein.
-
Weiterhin,
da der Laufcodierer 66 Informationen für den Mikroprozessor bezüglich der
Laufumlenkrollendrehzahl vorsieht, kann die Faserseilgeschwindigkeit
bestimmt werden durch bekannte Algorithmen und Verfolgen der Gesamtmenge
von Faser, die von einer gegebenen Spule abgewickelt wurde und des
Faserbetrags, die auf der Spule verbleibt kann durch bekannte Algorithmen
und vorher eingegebene Daten bestimmt werden. Somit erlaubt die vorliegende
Erfindung, dass die Spannung der Faser gesteuert wird ohne die Notwendigkeit
des Steuerns des Drehmoments des Faserspulenmotors, der den Spulenhalter
antreibt und dadurch wird die Notwendigkeit von analogen Sensoren
und assoziierte Schaltungen eliminiert, welche zu Drift und Kalibrierungsschwierigkeiten
neigen.
-
Weiterhin
eliminiert der Faserlaufcodierer der vorliegenden Erfindung die
Notwendigkeit für
den Faserplatziermaschinenhauptcontroller, Fasergeschwindigkeitsinformationen
an den Mikrocontroller vorzusehen, wodurch eine genauere und schnellere Fehlerdetektion
erlaubt wird. Darüber
hinaus kann der Faserspanner, der einen Faserlaufcodierer in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung enthält, verwendet werden auf Faserplatzier-/Wickelmaschinen,
die ansonsten nicht mit Zuführfasergeschwindigkeitsinformationen
ausgestattet sind.
-
Da
vorzugsweise ein Mikrocontroller für vier Positionsspanneraufbauten
verwendet wird, die physisch einander benachbart sind, hat der Mikrocontroller
direkt Kenntnis von der Fasergeschwindigkeit der anderen angrenzenden
Aufbauten für
jeden anderen Positionieraufbau innerhalb seiner Steuergruppe dank
dessen, dass der Mikrocontroller auf einem einzigen PCB montiert
ist, welches eine Signalpufferschaltung aufweist, um jeden der vier
Aufbauten in der Gruppe zu steuern. Zusätzlich steht der PCB eines
jeden Mikrocontrollers der anderen Gruppen für Spanneraufbauten in Kommunikation
mit dem Leiterplattenbus, so dass Informationen von anderen Mikrocontrollern
verfügbar
sind, um zu detektieren, ob ein Faserseil einer gegebenen Gruppe
gebrochen ist oder ein Faserseil nicht hinzugefügt wurde, nachdem ein Befehl
gegeben wurde, dies auszuführen.
In solchen Fällen
kann ein Signal an den Hauptcontroller der Faserplatziermaschine
gesendet werden, was ihr erlaubt, kurzzeitig angehalten zu werden,
damit ein Bediener das Problem bestimmen und ihm abhelfen kann.
-
Der
Spannungscontroller der vorliegenden Erfindung kann optional mit
einer programmierten Logik versehen sein, die in der Lage ist, zu
detektieren, ob ein gegebenes Faserseil versagt, abgewickelt zu
werden, was ein gelegentliches Problem bei gewickelter Faser sein
kann, welche übermäßig klebrig von
Zeit zu Zeit ist. Falls ein Faserseil versagt, abgewickelt zu werden,
kann die programmierte Logik den jeweiligen Schrittmotor zeitweise
abschalten und der Faserweg kann überwacht werden. Falls es scheint, dass
die Faser sich richtig bewegt, wird der Mikrocontroller ein Spannen
wieder graduell initiieren, um die Faser nicht zu zerbre chen und
das Faserseil nach Problemen zu überwachen.
Um die Korrektur eines solchen Abwicklungsproblems zu vereinfachen
kann eine optionale Kupplung vorgesehen sein, um den Betrag der
Spannung zu reduzieren, der erforderlich ist, um den inhärenten Rückwiderstand
oder Zug des Schrittmotors und Reduktionsantrieb zu überwinden. Somit
erhöht
die optionale Kupplung die Wahrscheinlichkeit in der Lage zu sein,
erfolgreich das problematische Faserseil automatisch abzuwickeln,
bevor ein Signal an den Hauptcontroller gesendet wird, die Faserplatziermaschine
kurzzeitig abzuschalten, um es dem Bediener zu erlauben, das Problem
zu suchen. Eine beispielhafte optionale Kupplung zum Erreichen des
Verfahrens ist in 7 bis 9 gezeigt.
-
Eine
isometrische Ansicht eines optionalen Kupplungsaufbaus 210 ist
in 7 gezeigt. Kupplungsaufbau 210 ist
auf Spulenhalterschaft 216 montiert, welcher an Lagerblock 212 befestigt
ist, auf welchen zuvor als Bezugszeichen 34 in den Zeichnungen
Bezug genommen wurde. Rolle 240 ist an Schaft 216 durch
einen Rückhaltering 220 gesichert
und Kupplungsgehäuse 224 wird
vom Drehen durch Rückhalteklipp 218 zurückgehalten
und kann besser in 8 gesehen
werden und der Querschnittsansicht des Kupplungsaufbaus, die in 9 gezeigt ist.
-
Im
Betrieb zieht ein Solenoid innerhalb der Kupplung das Reibungselement 226 in
Kontakt mit Schafthalterung 228, um Rolle 214 wirksam
an Schaft 216 zu koppeln. Ein besonders geeignetes Gehäuse und
Solenoidabschnitt der Kupplung sind kommerziell verfügbar von
PIC-Design, welche die Teile Nr. RW4-355 aufweisen. Danach ist der
Betrieb der gleiche, wie oben beschrieben, so dass Rolle 214 an
Motorscheibe 46 durch Antriebsriemen 40 verbunden
wird und Schaft 216 dreht auf ein Aktivieren des Schrittmotors 42 hin
durch seinen jeweiligen Antrieb gemäß den Instruktionen, die durch
den assoziierten Mikrocontroller erhalten werden. Auf ein Detektieren eines
Faserzuführproblems,
wie oben diskutiert wurde, durch den Mikrocontroller hin, wird das
Kupplungssolenoid deaktiviert und das Reibungselement 226 wird
nicht länger
wirksam durch die Bahnplatte 28 in Eingriff genommen, was
es dem Spulenhalterschaft 216 erlaubt, freier zu drehen und
dadurch die Laufspannung auf dem problematischen Faserseil zu reduzieren,
um es dem problematischen Faserseil zu erlauben, sich selbst zu
korrigieren. Auf den Ablauf einer vorausgewählten Zeitdauer, kann der Mikrocontroller
graduell die Spannung auf dem Problemfaserseil erhöhen über geeignete
Befehle an den Schrittmotorantrieb und auf ein wieder mit Stromversorgen
des Solenoids hin, um die Kupplung wieder in Eingriff zu nehmen,
falls es scheint, dass sich das problematische Faserseil selbst
korrigiert hat. Falls es dem Mikroprozessor nicht erscheint, dass
sich das problematische Faserseil selbst korrigiert hat, kann der
Mikroprozessor geeignete Signale an den Mastercontroller senden
zum Anzeigen einer Warnung und/oder des Abschaltens der Faserplatziermaschine
für eine
Untersuchung durch den Bediener.
-
Es
sei verstanden und gewürdigt,
dass die vorliegende Erfindung, wie sie durch die folgenden Ansprüche definiert
wird, nicht auf die besonderen Details, die in der oben ausgeführten Beschreibung dargestellt
wurden, beschränkt
ist, da viele Variationen davon möglich sind. Vielmehr wird der
Rahmen der vorliegenden Erfindung durch die folgenden Ansprüche definiert.