EP0142147B1

EP0142147B1 - Wickelmaschine

Info

Publication number: EP0142147B1
Application number: EP84113603A
Authority: EP
Inventors: Hugo Dipl.-Ing. Betzold; Holger Dipl.-Ing. Bock; Klaus-Peter Dipl.-Ing. Fischer; Ernst Dipl.-Ing. Käppeler
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier System GmbH
Priority date: 1983-11-12
Filing date: 1984-11-10
Publication date: 1987-02-04
Also published as: EP0142147A1; DE3341045A1; DE3462326D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Wickelmaschine zum Herstellen von Faserverbundteilen nach dem Faserwickelverfahren.
Wickelmaschinen dienen der Herstellung von Faserverbundteilen unter Verwendung verschiedener Fasern zwecks optimaler Bauteilauslegung.
Den bekannten Maschinen ist gemeinsam, dass die Fäden von Spulen oder aus Töpfen (diese sind auf dem Spulen- oder Topfständer angeordnet) abgezogen werden, durch ein Tränkbad geführt und über ein auf einem Schlitten befestigten Fadenauge auf einem rotierenden Körper abgelegt werden. Dies geschieht dadurch, dass der Dorn, auf den der Körper gewickelt werden soll, im allgemeinen um eine Horizontalachse rotiert und dass das auf einen Schlitten montierte Fadenauge entweder parallel zur Rotationsachse oder der Kontur des zu bewickelnden Körpers folgend hin- und herbewegt wird (reversiert).
Bei bekannten Wickelmaschinen wird der Faden von Querkräften belastet, dies geschieht zum Beispiel beim Abziehen von der Vorratsrolle, wenn deren Achse starr gelagert ist oder beim Zuführen des Fadens vom Spulenständer zum Tränkbad bzw. vom Tränkbad zum Fadenablageschlitten, wenn diese Anlagenteile bei der Hin- und Herbewegung nicht starr zusammengefasst sind. Insbesondere bei der Verwendung von Kohlefasersträngen (Fäden) - sie bestehen aus einer Vielzahl sehr dünner Filamente (Fasern)- kann es dabei wegen der geringen Querkraftfestigkeit zu Brüchen einzelner Fasern kommen.
Bei den bekannten Wickelmaschinen ist der längs der Dornachse bewegte Fadenablageschlitten mit dem Tränkbad und evtl. dem Spulenständer zusammengefasst und weist deshalb eine hohe Masse auf. Dadurch muss an den Umkehrpunkten eine grosse Antriebsleistung zur Verfügung stehen, um die Verzögerung und Beschleunigung bis zur jeweils erforderlichen Geschwindigkeit für den Schlitten bei der erfoderlichen Ablagegenauigkeit zu erhalten. Wickeldorn und Fadenablageschlitten werden bei den bekannten Wickelmaschinen von Elektromotoren angetrieben, wobei die Koordination der Rotationsbewegung mit der hin-und hergehenden Bewegung sowohl mechanisch als auch elektrisch oder elektronisch ausgeführt sein kann. Bei modernen Wickelmaschinen wird der Rotationsantrieb und der Translationsantrieb über einen Computer koordiniert. Dies geschieht im allgemeinen dadurch, dass über eine Rückführung und einen entsprechenden Regler die Translationsgeschwindigkeit des Schlittens auf die Rotationsgeschwindigkeit des Wickeldorns abgestimmt wird. Um speziell bei der sogenannten Kreuzwicklung (Helix) hohe Geschwindigkeiten zu erzeugen, bedarf dies relativ aufwendiger und damit teurer Rechneranlagen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wickelmaschine zu schaffen, die hohe Fadenablagegeschwindigkeiten erlaubt, die den Faden mit hoher Präzision ablegt, die das Fadenmaterial beim Wickelprozess möglichst frei von Beschleunigungskräften, Querkräften oder Scherkräften hält, die von einem relativ kleinen Rechner gesteuert werden kann und deren Mechanik ein weitgehend freies Programmieren des Wickelvorgangs bis hin zur Steuerung ohne Rechner erlaubt.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Wickelmaschine mit den Merkmalen, wie sie im ersten Teil des Anspruches 1 aufgeführt sind und zum allgemeinen Stand der Technik zählen, erfindungsgemäss gelöst mit der im Anspruüch 1 genannten Merkmalskombination.
Die erfindungsgemässe Wickelmaschine hält die Fäden weitgehend frei von Querkräften und vermeidet so den Bruch von einzelnen Fasern. Ausser der Zugbelastung wirken auf die Fäden praktisch nur leichte Torsionen. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Vorratsrollen taumelnd gelagert sind und dass die Tränkvorrichtung durch Schwenken um einen Drehpunkt dem Fadenablageschlitten nachgeführt wird.
Die Hauptdrehachse jeder Vorratsrolle ist um eine Achse, die senkrecht zur Fadenabzugsrichtung und senkrecht zur Hauptdrehachse liegt, schwenkbar gelagert, so dass der Faden stets in Ablagerichtung, also querkraftfrei, abgezogen wird. Die Taumelbewegung erfolgt entweder aktiv, zum Beispiel über einen Schrittmotor, oder passiv über die Fadenspannung, wenn zum Beispiel die Schwenkachse hinter der Hauptdrehachse Vorratsrolle angeordnet ist.
Die vom Fadenablageschlitten getrennte und am Fundament befestigte Tränkvorrichtung ist um ihre Hochachse schwenkbar gelagert, so dass sie den Bewegungen des Fadenablageschlittens folgen kann. Die Verschwenkung erfolgt aktiv entweder über eine längenveränderliche leichte Stange, die an einem Bauteil starr, am anderen drehbar befestigt ist, oder über einen Stellmotor (Schrittmotor), der von der Fadenablageschlittenstellung zum Beispiel über ein elektrisches Getriebe gesteuert wird.
Durch die Trennung zwischen translatorisch bewegtem Fadenablageschlitten und verschwenkter Tränkvorrichtung kann der Fadenablageschlitten mit geringerer Masse ausgeführt werden, so dass hohe Ablagegenauigkeit, hohe Geschwindigkeiten, kleine Kräfte und geringe Antriebsleistungen realisiert werden können. Der durch die Trennung bedingte längere Fadenweg bei voller Auslenkung des Fadenablageschlittens bildet vorteilhaft einen kurzzeitigen Fadenvorrat, der für eine rasche Beschleunigung nach den Wendepunkten des Fadenablageschlittens zur Verfügung steht.
Die hohe Wickelgeschwindigkeit wird auch dadurch erreicht, dass alle bewegten Teile, insbesondere der Fadenablageschlitten und alle mit dem Faden in Berührung kommenden Teile wie Rollen und Walzen sehr leicht ausgeführt werden, was zu geringen Trägheitsmomenten führt und hohe Fadengeschwindigkeitsänderungen ohne die Gefahr des Reissens oder des Nachlaufens erlaubt.
Hohe Wickelleistungen werden durch die gleichzeitige Bewicklung mehrerer Wickeldorne erreicht. Die Wickeldorne sind so gelagert, dass sie gemeinsam oder jeder für sich schnell und einfach ausgewechselt werden können, um zum Beispiel in einer anderen Wickelmaschine mit einem Faden anderer Stärke weiterbewickelt zu werden. Vorteilhaft ist auch die Verwendung von Hilfsrahmen zur gleichzeitigen Umsetzung mehrerer Dorne auf eine andere Maschine.
Erfindungsgemäss wird eine gleichmässige Harztränkung nicht in einem Harzbad sondern durch eine fadengeschwindigkeitsgesteuerte Tropfdosierung auf einer beheizbaren Rolle durchgeführt. Anpressrollen oder Abstreifrollen oder ihre Anordnung sind von anderen Wickelmaschinen her bekannt, jedoch werden erfindungsgemäss die Trägheitsmomente der bewegten Teile durch extremen Leichtbau verringert. Ein Gehäuse über der Tränkvorrichtung verhindert Verunreinigungen oder Viskositätsschwankungen des Harzes durch Abkühlen.
Bei der Herstellung von Rotationskörpern ist es notwendig, die Faser gleichmässig aufzubringen, um Unwuchten zu vermeiden. Schwankungen der Fadenbelastung führen zu Oberflächen- und Formfehlern der Wickelkörper. Zur Kompensation wird eine Andrückrolle verwendet; mit der das schwenkbare Fadenauge am Wickelkörper anliegt. Daneben ist erfindungsgemäss eine am Fadenablageschlitten ausserhalb des schwenkbaren Fadenauges befestigte Aussenrolle vorgesehen, über die der Faden geführt wird. Die Aussenrolle ist so angebracht, dass Schwankungen in der Zugspannung des Fadens nicht zu einer Abstandsänderung der Andrückrolle vom Wickelkörper führen, sondern kompensiert werden, dass also der resultierende Vektor aller Aussenkräfte durch die Drehachse der Fadenaugenbefestigung läuft. Ein erhöhter Zugwiderstand, der ohne Aussenrolle zur unerwünschten Entlastung oder zum Abheben der Andrückrolle vom Wickelkörper führen würde, verandert bei der gewählten Anordnung lediglich die Grösse aber nicht den Winkel der resultierenden Kraft und verhindert somit ein Abweichen des Fadenauges vom vorberechneten Anlagepunkt.
Bei dem Antrieb von Wickeldorn und Fadenablageschlitten über zwei gesteuerte Schritt- oder Asynchronmotoren, von denen einer auch als Linearmotor ausgebildet sein kann, kann auf eine Rückführung des Wegsignals verzichtet werden, wobei die durch einen Kleinrechner vorab berechneten Steuerungssätze bzw. Impulse die Motoren ansteuern und bei Schritt-und Asynchronmotor mit Führungssystem die Koordination über die Zahl der Impulse und eine entsprechende Impulsfolgefrequenzsteuerung oder beim Asynchronmotor mit Führungssystem direkt mit den Steuerungssätzen erfolgen kann. In jedem Fall kann wegen des einfachen Steuerungskonzeptes und der Vorausberechnung der Datensätze die Rechneranlage sehr klein sein, was zu einer entsprechenden Ersparnis beim Bau und Betrieb solcher Anlagen führt.
Die Translationsbewegung des Fadenablageschlittens wird durch gesteuerte Laufrichtungsänderung des entsprechenden Antriebs erreicht. Statt durch Laufrichtungsänderung des Antriebs kann der Reversionsbetrieb des Fadenablageschlittens auch durch einen Ketten- oder Riementrieb mechanisch erzeugt werden. Eine Kette oder ein Riemen läuft über wenigstens zwei an den Wendepunkten des Fadenablageschlittens angeordnete Kettenräder und wird dort umgelenkt. Grösse und Lage der Kettenräder richtet sich nach dem herzustellenden Bauteil.
Ein Mitnehmerstift auf Kette oder Riemen greift in eine Längsbohrung des Fadenablageschlittens. Der Fadenablageschlitten wird somit bei kontinuierlichem Umlauf der Kette hin und her bewegt.
Zur Erzeugung der gewünschten Fadenablagemuster kann neben oder anstatt der Programmsteuerung der Antriebsmotoren eine an die Aufgabe angepasste beliebige mechanische Programmierung des Geschwindigkeitsverlaufes und der Stoppzeiten des Fadenablageschlittens erfolgen.
Dies wird dadurch erreicht, dass eine Kette über ein von mehr als 2 Kettenrädern gebildetes, beliebig gestaltbares Vieleck geführt wird.
Über die Lage, den Abstand und die Dimensionierung der Zahnräder, über die die Kette geführt wird, lassen sich Geschwindigkeitsverlauf und Stoppzeiten einstellen.
Stoppzeiten, z.B. in den Wendezonen oder Geschwindigkeitsänderungen, können dann gegen Null und bis Null eingestellt werden, wenn sich die Zahnräder dieser Zonen in verschiedenen Ebenen befinden, sich überschneidend angeordnet sind und eine Mehrfachkette verwendet wird.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der nachfolgend beschriebenen Figuren erläutert.
Es zeigen:

Figur 1 den Aufbau einer erfindungsgemässen Wickelmaschine,
Figur 2 eine Walkrolle
Figur 3 eine Anordnung eines Fadenauges mit Aussenrolle,
Figuren 4, 4a und 5 drei Antriebe für den Fadenablageschlitten.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemässen Wickelmaschine zur gleichzeitigen Herstellung von drei Wickelkörpern in Seitenansicht und in Draufsicht
mit Tränkvorrichtung 2 (mit oder ohne Spulen-oder Topfständer), Fadenablageschlitten 4 auf Führungsschiene 6 und mit einem Rahmen 8 zur Aufnahme der drei Wickeldorne 10, auf denen die Wickelkörper 12 hergestellt werden. Auf dem Fadenablageschlitten 4 sind die Fadenaugen 14 beweglich befestigt, deren Andrückrollen 16 an den Wickelkörpern 12 anliegen. Zur Herstellung von Wickelkörpern 12 werden von nicht gezeigten Vorratsspulen, die entweder an der Tränkvorrichtung 2 befestigt sind oder die ausserhalb aufgestellt sind, Fäden abgezogen und gelangen in die Tränkvorrichtung 2, wo die Fäden mit Harz getränkt werden. Von dort gelangen die Fäden über den Fadenablageschlitten 4 und die Fadenaugen 14 auf die Wickelkörper 12. Die Wickelkörper 12 rotieren um die Achsen 18, der ^. Fadenablageschlitten 4 bewegt sich auf der Schiene 6 hin und her. Um eine Querbelastung der Fäden zu vermeiden, ist die Tränkvorrichtung 2 um die Hochachse schwenkbar gelagert. Die Nachführung der Tränkvorrichtung 2 erfolgt in der im oberen Teil der Figur 1 gezeigten Ausführung durch eine starre, längenveränderliche Stange 20.
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Tränk- oder Walkrolle 22, wie sie zum Beispiel in der Tränkvorrichtung 2 verwendet wird. Die Rolle 22 besteht aus einem dünnwandigen Rohr 24 (0,5 mm Wandstärke) aus eloxiertem fliessgedrücktem Aluminium. Die Stirnseiten bestehen aus gelochtem Aluminium und haben Wandstärken :-5 1 mm. Durch den Leichtbau wird ein sehr kleines Trägheitsmoment erreicht. Für einen leichten Lauf ist die Rolle 22 kugelgelagert (26).
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform der Anordnung eines Fadenauges 28 mit Aussenrolle 36 im Fadenablageschlitten 4. Das Fadenauge 28 ist um die Achse 30 schwenkbar im Fadenablageschlitten 4 befestigt und liegt mit der Andrückrolle 16 am Wickelkörper 12 an. Vom Fadenauge 28 sind ausser der Andrückrolle 16 lediglich die zwei Rollen 32 und 34 gezeichnet, über die der Faden zur Aussenrolle 36, die im Fadenablageschlitten 4 befestigt ist, und zurück geführt wird. Ohne Aussenrolle 36 würde bei steigender Fadenspannung die Andrückrolle 16 vom Wickelkörper 12 abheben und das Wickelergebnis ungleichmässig. Durch die Aussenrolle 36 jedoch wird erreicht, dass die Andrückrolle 16 bei jeder Fadenspannung ihre Lage und damit Anlagekraft exakt beibehält; die Aussenrolle 36 verhindert so Anlagekraftschwankungen. Das Fadenauge 28 behält den vorberechneten Anlagepunkt auf dem Wickelkörper 12 bei. Der resultierende Vektor 38 der Aussenkräfte führt durch den Befestigungspunkt (Achse 30) des Fadenauges 28.
Figur 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Zahnriementriebs zur Hin- und Herbewegung des Fadenablageschlittens 4 auf der Schiene 6 mit Verweilzeit in den Endstellungen. Am Fadenablageschlitten 4 ist ein Langloch 40 vorgesehen, in das ein Mitnahmestift 42 eingreift, der am Riemen 44 befestigt ist. Der Zahnriemen 44 wird über die vier Zahnräder 46, 48, 50, 52 geführt. In den Endstellungen steht der Fadenablageschlitten 4 bei gleichmässiger Drehzahl der Zahnräder eine bestimmte Zeit, die durch den Abstand der Zahnräder 46, 48 und 50, 52 vorbestimmbar ist, still.
Figur 4a zeigt eine gegenüber Figur 4 abgeänderte Riemenführung. Der Riemen 44 mit dem Mitnahmestift 42 zur Führung des Fadenablageschlittens 4 läuft über mehrere Zahnräder, die so angeordnet sind, dass der Fadenablageschlitten 4 sich an bestimmten Stellen schneller (Riemenabschnitt 49) oder langsamer (Riemenabschnitt 51) bewegt oder an anderen Stellen stoppt (Riemenabschnitt 53).
Figur 5 zeigt in Draufsicht und im Schnitt eine Ausführung eines Kettentriebes zur Hin- und Herbewegung des Fadenablageschlittens 4 mit nur kurzer Verweilzeit z.B. in der Endstellung. Dies wird durch ein Überschneiden der Kettenräder 54, 56 und 58 erreicht. Die Kettenräder 54, 56, 58 liegen in drei Ebenen und greifen in die Kette 60 ein. Die Kettenräder 54, 56, 58 sind sowohl in Richtung der Achse 62 (Zeiteinstellung) als auch in Richtung der Achse 64 (Beschleunigungs-, Verzögerungseinstellung) verstellbar. Die Kettenräder 54 bzw. 56 und 58 sind in Richtung der Achsen 62 und 64 auch getrennt verstellbar.

Claims

1. Wickelmaschine zum Herstellen von Faserverbundteilen, in der ein von einer Vorratsspule abgezogener Faden, über eine Tränkvorrichtung (2) einem Fadenauge (28) auf einem changierenden Fadenablageschlitten (4) zugeführt und auf einem Wickeldorn (10) abgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur schonenden, schnellen Fadenführung der Träger für die Vorratsspule entweder mit der Tränkvorrichtung (2) in ein Gehäuse integriert ist oder freistehend angeordnet und die Vorratsspule an ihm taumelnd gelagert ist, dass die Tränkvorrichtung (2) vom Fadenablageschlitten (4) getrennt ist und dessen translatorischer Bewegung durch Verschwenken folgt und dass die Trägheitsmomente aller bewegten Teile (22) sehr klein gehalten sind.

2. Wickelmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb von Fadenablageschlitten (4) und Wickeldorn (10) programmgesteuerte Motoren vorgesehen sind, wobei die Reversion des Fadenablageschlittens (4) durch Laufrichtungsänderung des einen Motors erfolgt.

3. Wickelmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb von Fadenablageschlitten (4) und Wickeldorn (10) gesteuerte Motoren (Schrittmotoren, Asynchronmotoren mit Führungssystem) vorgesehen sind, wobei die Reversion des Fadenablageschlittens (4) bei in einer Drehrichtung laufendem Motor durch eine mechanische Kettenführung (60) oder eine Riemenführung (44) und entsprechende Mitnehmerstücke (40, 42) erfolgt, wobei die Möglichkeit zur Reversion durch Laufrichtungsänderung des Motors bestehen bleibt.

4. Wickelmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen von Verweilzeiten und Schlittengeschwindigkeiten (bei gleichbleibender Motordrehzahl) eine Ketten- oder Riemenführung (44, 60) über gleich grosse oder verschieden grosse Zahnräder (46, 48) in einem Vieleck vorgesehen ist, wobei sich die Zahnräder (54, 56) in den Umlenk- und Umkehrzonen in verschiedenen Ebenen befinden können, so dass der Abstand der Zahnräder (54, 56) beliebig klein eingestellt werden kann.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die direkt an der Abgabestelle portionsweise Harzdosierung völlig verzögerungsfrei und abhängig von der Fadengeschwindigkeit auf mindestens einer beheizbaren Walze erfolgt.

6. Wickelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tränkvorrichtung (2) durch ein Gehäuse vor Verunreinigung und Abkühlung geschützt ist.

7. Wickelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur gleichmässigen Fadenablage eine am Fadenablageschlitten (4) befestigte Aussenrolle (36) zur Kompensation von Fadenspannungskräften am Fadenauge (28) vorgesehen ist.

8. Wickelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Fadenablageschlitten (4) mehrere übereinander angeordnete Fadenaugen (28) zur gleichzeitigen parallelen Bewicklung mehrerer Dorne (10) vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wickeldorne (10) auf einem Hilfsrahmen befestigt sind und so gleichzeitig gewechselt werden können.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Fadenablageschlittens (4) rein mechanisch durch verstellbare Zahnräder (46,48) oder Umlenkrollen erfolgt.