JP2009137102A - フィラメントワインディング装置、およびフィラメントワインディング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被巻付部材の表面に繊維束を巻き付けるフィラメントワインディング装置とフィラメントワインディング方法に関して、巻付処理工程と検査工程とのタイムラグをなくして、樹脂付着量が基準に満たない不良品の発生を最小限化する。
【解決手段】マンドレル１に対する樹脂付着繊維Ｆの巻付処理を担う巻付装置に、巻付処理終了後のマンドレル１の重量計測を行う重量計測装置３７・３８を設ける。具体的には、巻付装置は、巻付位置へのマンドレル１の装填動作、および巻付位置からのマンドレル１の取出動作を担う着脱装置３０を備え、この着脱装置３０に重量計測装置３７・３８を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、被巻付部材の表面に繊維束を巻き付けるフィラメントワインディング装置とフィラメントワインディング方法に関して、被巻付部材の重量に基づいて、巻付処理の良否判定を行う技術に関する。

被巻付部材の外表面に熱硬化性樹脂からなる強化繊維層を形成することで、被巻付部材の強度の向上を図る所謂フィラメントワインディング成形には各種のものがあり、例えば、例えば特許文献１には、圧力容器の外周面に強化繊維層を形成することで、最高充填圧力や最小破裂圧力の向上を図ったＦＲＰ製品が開示されている。

特開２００５−３３７２７２号公報

この種のＦＲＰ製品の信頼性は、強化繊維層に含まれる樹脂量に拠るところが大きい。そこで、従来のフィラメントワインディング成形では、巻付処理工程から加熱処理工程への搬送段階において、繊維付着繊維を含む被巻付部材の総重量の計測を行って良否判定を行うことで、樹脂の付着量が基準に満たないＦＲＰ製品を製造ラインから排除している。つまり、被巻付部材、およびこれに巻き付けられる繊維の重量は一定であって、総重量のバラツキは樹脂量に拠るものと考えて、総重量が基準値に満たないＦＲＰ製品を樹脂の付着量が不足している不良品と判断して、これを製造ラインから排除している。

従来のフィラメントワインディング成形の問題は、重量検査を搬送段階で行っているため、巻付処理が終了してから不良品を検出するまでにタイムラグが生じることが避けられず、結果として樹脂付着量の不足する不良品が生産されることにある。つまり、巻付処理終了後の被巻付部材が搬送段階に至って重量計測が行われるまでは不具合を認識できず、ライン停止等の措置を取ることができないため、措置を講ずるまでの間にも巻付処理が行われて、不良品が生産されることにある。

本発明の目的は、被巻付部材の表面に繊維束を巻き付けるフィラメントワインディング装置とフィラメントワインディング方法に関して、巻付処理工程と検査工程とのタイムラグをなくして、樹脂付着量が基準に満たない不良品の発生を最小限化することにある。

本発明に係るフィラメントワインディング装置は、被巻付部材に対する樹脂付着繊維の巻付処理を担う巻付装置に、巻付処理終了後の被巻付部材の重量計測を行う重量計測装置を設けたことを特徴とする。
被巻付部材の具体例としては、所謂「マンドレル」と称される圧力容器を挙げることができる。

具体的には、巻付装置は、巻付位置への被巻付部材の装填動作、および巻付位置からの被巻付部材の取出動作を担う着脱装置を備え、前記着脱装置に前記重量計測装置が設けられている形態を採ることができる。

より詳しくは、被巻付部材の軸心方向両端のそれぞれには、取付治具が固定されており、前記着脱装置は、該取付治具を支持するチャックを含み、前記重量計測装置が、前記チャックを支持するアームに設けられており、前記重量計測装置が、前記チャックと前記取付治具とを含む被巻付部材の重量を計測するものとすることができる。

巻付処理前後における被巻付部材の重量差を検出し、該重量差に基づいて巻付処理の良否判定を行うようにすることができる。

本発明におけるフィラメントワインディング方法は、被巻付部材に対する樹脂付着繊維の巻付処理を担う巻付装置に、巻付位置への被巻付部材の装填動作、および巻付位置からの被巻付部材の取出動作を行う着脱装置が設けられており、前記着脱装置に重量計測装置が設けられるフィラメントワインディング装置を対象とする。
そして、前記取出動作に際して、前記重量計測装置により巻付処理後の被巻付部材の重量を計測する計測工程と、前記計測工程において得られた計測値を予め設定されている閾値と比較する比較工程とを含むことを特徴とする。

また、本発明におけるフィラメントワインディング方法は、被巻付部材に対する樹脂付着繊維の巻付処理を担う巻付装置に、巻付位置への被巻付部材の装填動作、および巻付位置からの被巻付部材の取出動作を行う着脱装置が設けられており、前記着脱装置に重量計測装置が設けられるフィラメントワインディング装置を対象とする。
そして、前記装填動作に際して、前記重量計測装置により巻付処理前に被巻付部材の重量を計測する第１の計測工程と、前記取出動作に際して、前記重量計測装置により、巻付処理後の被巻付部材の重量を計測する第２の計測工程と、前記第１および第２の計測工程で得られた計測値を減算し、該減算値を予め設定されている閾値と比較する比較工程とを含むことを特徴とする。

本発明においては、被巻付部材に対する樹脂付着繊維の巻付処理を担う巻付装置に、被巻付部材の重量計測装置を設けたので、計測値に基づく巻付処理の良否検査を巻付処理の終了直後に行うことができる。したがって、巻付処理工程から加熱処理工程への搬送段階において良否検査を行う従来構成と比べて、樹脂の付着量が基準に満たない不良品をタイムラグ無く検出することができ、ライン停止等の措置を速やかに執ることができるので、巻付処理における不良品の発生を最小限化して、製品歩留まりの向上を図ることができる。

重量計測装置は、巻付位置への被巻付部材の装填動作、および巻付位置からの被巻付部材の取出動作を担う着脱装置に設けることができる。このように、着脱装置に重量計測装置を設けていると、着脱装置で被巻付部材を保持した状態で重量計測を行うことができる。これによれば、巻付装置に別途設けられた重量計測装置に被巻付部材を移し変える必要がなく、巻付位置からの取出動作に際して良否判定を行うことができる。したがって、製造ラインの停止等の速やかな対応が可能となり、巻付工程と検査工程とのタイムラグに起因して不良品が生産される不具合を抑えることができるので、製品歩留まりの向上を図ることができる。

具体的には、被巻付部材の軸心方向両端のそれぞれには、取付治具が固定されており、着脱装置は、該取付治具を支持するチャックを含み、重量計測装置が、前記チャックを支持するアームに設けられており、重量計測装置が、チャックと取付治具とを含む被巻付部材の重量を計測する形態を採ることができる。これによれば、被巻付部材に取付治具が装着され、該取付治具をチャックで支持する状態で重量計測を行うことができる。したがって、巻付位置からの取出動作に際して良否判定を行うことができる。

各被巻付部材には、僅かではあるが重量にバラツキがある。このため、巻付処理後の被巻付部材の重量に基づいて良否判定を行う形態では、良否判定が正確さに欠けるきらいがある。これに対して、巻付処理前後の被巻付部材の重量差を検出し、該重量差に基づいて巻付処理の良否検査を行うようにすれば、各被巻付部材の重量をオフセットして、樹脂の重量を計測することができるので、正確に良否判定を行うことができる。

図１ないし図７に、本発明に係るフィラメントワインディング装置（以下、ＦＷ装置と記す）の実施形態を示す。このＦＷ装置は、カーボン繊維（以下、単に繊維と記す）Ｆの供給部、繊維Ｆに熱硬化性樹脂を付着させる樹脂含浸部、樹脂付着繊維Ｆをマンドレル（被巻付部材）１に巻き付ける巻付装置などで構成される。ＦＷ装置による巻付処理が終了したマンドレル１は、不図示の搬送装置により加熱装置に搬送されて加熱処理が施される。以上の工程により、外周面に強化繊維層を備える圧力容器を製造することができる。

マンドレル１は、中央の円筒部と、円筒部の両端に連続するドーム部とを有し、高強度アルミニウム材、ステンレス材などの金属材、あるいは樹脂成形品などを素材として形成される。ＦＷ装置において繊維Ｆの巻付処理を施される間は、図４に示すように、各ドーム部の頂部に突設した円柱状の口部２に、取付治具３がそれぞれ固定される。

繊維Ｆの巻付装置は、マンドレル１に対して巻付処理を施すフープ巻ヘッド１０およびヘリカル巻ヘッド２０と、マンドレル１の巻付位置への装填動作および巻付位置からの取出動作を担う着脱装置３０とを備えている。着脱装置３０は、取付治具を支持する第１および第２チャック３１・３２と、各チャック３１・３２を支持するアーム３３・３４とで構成される。マンドレル１は、両側の取付治具３・３をチャック３１・３２でそれぞれ挟持された状態で、繊維Ｆの巻付位置に装填される。両ヘッド１０・２０による巻付処理の終了後は、両取付治具３・３がチャック３１・３２により再び挟持されて、巻付位置から取り出される。第１チャック３１には、モータ３５の駆動力を受けて回転駆動される原動ギヤが設けられており、この原動ギヤの回転動力が、取付治具３を介してマンドレル１に伝動される。

これら第１および第２チャック３１・３２を支持するアーム３３・３４には、取付治具３等と合わせたマンドレル１の重量を計測可能なロードセル（重量計測装置）３７・３８がそれぞれ設けられており、これらロードセル３７・３８により計測された重量に基づいて、巻付処理の良否検査、具体的には、そのマンドレル１に巻き付けられた繊維Ｆに対する樹脂の付着量の検査を行うことができる。符号３９は、良否検査の結果に基づいてＦＷ装置の各種制御を行う制御部を示す。

フープ巻ヘッド１０は、主としてマンドレル１の円筒部に対して繊維Ｆの巻付処理を施す。図２においてフープ巻ヘッド１０は、中央に円形の開口１１を有するフレーム１２と、先の開口１１に沿って旋回駆動される複数個のボビン１３と、ボビン１３を移行案内するガイド溝１４と、図示していないボビン１３の駆動機構などで構成してある。
巻付処理時におけるマンドレル１は、フレーム１２と直交する状態で、開口１１の中央部分に支持されており、ボビン１３を旋回駆動することにより、ボビン１３から繰り出される繊維Ｆをマンドレル１に巻き付けることができる。また、フレーム１２をベース５の長手方向に沿って往復操作することにより、マンドレル１に対する繊維Ｆの巻付箇所を変更できる。

ヘリカル巻ヘッド２０は、マンドレル１の円筒部およびドーム部に対して繊維Ｆの巻付処理を施す。図３においてヘリカル巻ヘッド２０は、ベース５の長手方向の中央部分に固定される門形のフレーム２２と、フレーム２２の中央に設けられる円形の開口２１と、開口２１の周縁に配置されるガイドリング２３と、ガイドリング２３の両側に配置される張力調整部２４などで構成してある。ガイドリング２３の周囲には一群の補助ガイドが配置され、ガイドリング２３の内面には、ガイドリング２３に貫通される一群のガイド穴に対応して開繊ガイドが設けてある。供給部から送給される繊維Ｆは、フレーム２２の外側方に配置したガイドローラで変向案内され、張力調整部２４で所定の張力を付与されたのち、ガイドリング２３のガイド穴へと案内される。
巻付処理時におけるマンドレル１は、フレーム２２と直交する状態で開口２１の中央部分に支持されており、このマンドレル１を往復操作しながら所定角度だけ回転操作することにより、ガイドリング２３で案内された繊維Ｆを、マンドレル１の周面の長手方向に沿って巻き付けることができる。

マンドレル１を繊維Ｆの巻付位置に装填してから、巻付後のマンドレル１を巻付位置から取り出すまでの手順を、図１と図４ないし図７を用いて説明する。図４は、繊維Ｆの巻付前のマンドレル１が、第１・第２チャック３１・３２により巻付位置に装填される状態を示している。マンドレル１は、フープ巻ヘッド１０およびヘリカル巻ヘッド２０の開口１１・２１の中心線上に移動されてから、図４に示す矢印ａ方向に移動されて、当該マンドレル１に対する巻付処理の始端となる受渡リング４１が矢印ａ方向側の取付治具３に装着される。図示しないが、受渡リング４１の外周面と両ヘッド１０・２０との間には繊維Ｆが架け渡されている。

受渡リング４１の装着について詳しく説明すると、両開口１１・２１の中心線上では、受渡リング４１を保持しておくための軸状の保持具４３が、該保持具４３の軸方向に移動可能なチャック４４で支持されている。またこのとき受渡リング４１は、繊維Ｆを切断するためのカッタ４５に付設された押圧具により外周面を押圧されることで、保持具４３に対する変位が規制されている。したがって、マンドレル１の矢印ａ方向側の取付治具３の端面と保持具４３の端面とを当接させてから、各チャック３１・３２・４４がマンドレル１および保持具４３を同時に矢印ａ方向に移動させることで、受渡リング４１が保持具４３から取付治具３に移し替えられる。

受渡リング４１が装着された取付治具３は、図５に示すように新たな受渡リング４２を装着されてから、その先端部を第３チャック４７で挟持される（矢印ｂ）。それまで当該取付治具３を支持していた第２チャック３２は、当該取付治具３から離れる（矢印ｃ）。その後マンドレル１は、第１・第３チャック３１・４７により、両ヘッド１０・２０の開口１１・２１の内部に移動される（矢印ｄ）。このときに、後で装着された（第２）受渡リング４２が、先に装着された（第１）受渡リング４１に隣接する位置に移動される。

開口１１・２１の内部にマンドレル１が移動すると、両ヘッド１０・２０による繊維Ｆの巻付処理が開始される。巻付処理時におけるマンドレル１は、図６に示すように、チャック３１・４７により軸方向に往復操作されるとともに（矢印ｅ）、チャック３１に設けられた先の原動ギヤの駆動力により回転操作される。この巻付処理は、第２受渡リング４２の外周面に繊維Ｆの終端部を巻き付けたところで終了となる。巻付処理後のマンドレル１は、第２受渡リング４２が先の保持具４３に移し替えられた後、第１・第２チャック３１・３２により巻付位置から取り出される。

巻付処理が終了し、図７に矢印ｆで示すように両ヘッド１０・２０の開口１１・２１から抜き出されたマンドレル１に対しては、カッタ４５による繊維Ｆの終端部の切り離しが行われる。終端部の切り離し後の第２受渡リング４２は、カッタ４５に付設された押圧具により外周面を押圧されており、この状態でマンドレル１が矢印ｆ方向に更に移動されると、第２受渡リング４２が第１受渡リング４１に対してリング４１から離れる方向に相対移動する。その後、両受渡リング４１・４２の間で取付治具３が第２チャック３２により挟持されてから（矢印ｇ）、第３チャック４７が当該取付治具３から離れる（矢印ｈ）。

次に、図１に示すように、保持具４３を支持するチャック４４を移動させて、第２チャック３２で支持される取付治具３の端面に保持具４３の端面を当接させる。上述のように、第２受渡リング４２は先の押圧具により外周面を押圧されて、保持具４３に対する変位が規制されているので、各チャック３１・３２・４４がマンドレル１および保持具４３を同時に矢印ｉ方向に移動させることで、第２受渡リング４２が取付治具３から保持具４３に移し替えられる。そして、マンドレル１は、第１・第２チャック３１・３２により巻付位置から取り出される。

以上の手順からなる繊維Ｆの巻付処理の良否検査は、ロードセル３７・３８により巻付処理前のマンドレル１の重量を計測する第１の計測工程と、巻付処理後のマンドレル１の重量を計測する第２の計測工程と、第１および第２の計測工程で得られた計測値を減算して求められる巻付処理前後の重量差を、予め設定した閾値と比較する比較工程とで構成される。なお、ロードセル３７・３８で計測される重量には、第１・第２のチャック３１・３２の重量が含まれることとなるが、当該重量は予めオフセットされている。

第１の計測工程は、巻付位置へのマンドレル１の装填動作に際して行われる。より詳しくは、図４に示す状態、すなわち、第１受渡リング４１が装着される前に行われる。リング４１の装着前に重量計測を行うのは、フープ巻ヘッド１０およびヘリカル巻ヘッド２０とリング４１の外周面との間に架け渡された繊維Ｆの張力により、計測値に誤差が生じるのを防ぐためである。ここでの重量計測値は、チャック３１・３２の重量が予めオフセットされていることから、マンドレル１の重量と、両側の取付治具３・３の重量とを合わせた値となる。

第２の計測工程は、巻付位置からのマンドレル１の取出動作に際して行われる。より詳しくは、図１に示す状態、すなわち、第２受渡リング４２が保持具４３に移し替えられた後に行われる。これも先と同様、両ヘッド１０・２０とリング４２の外周面との間に架け渡された繊維Ｆの張力により、計測値に誤差が生じるのを防ぐためである。ここでの重量計測値は、マンドレル１および両取付治具３・３の重量に、第１受渡リング４１および巻き付けられた樹脂含浸繊維Ｆの重量とを合わせた値となる。

第２の計測工程が終了すると、良否検査は比較工程に進む。上記のように、第１の計測工程での計測値は、マンドレル１および両取付治具３・３の重量を合わせた値であり、第２の計測工程での計測値は、マンドレル１、両取付治具３・３、第１受渡リング４１および樹脂含浸繊維Ｆの重量を合わせた値であるから、両計測値を減算すれば、リング４１と樹脂含浸繊維Ｆの重量を合わせた値を求めることができる。このうちリング４１の重量は一定であり、また、巻付けられる繊維Ｆの重量も一定であるから、上記の減算値のバラツキは、繊維Ｆに付着する樹脂の重量により生じるものと考えることができる。

上記の減算値の比較対象となる閾値は、リング４１および巻き付けられる繊維Ｆの重量に、繊維Ｆに付着すべき最低限の樹脂の重量を合わせた値に設定されている。したがって、求められた減算値が閾値以上の場合は、繊維Ｆに対する樹脂の付着量が基準を満たしているとして、そのマンドレル１を合格品とみなす。そして制御部３９は、当該マンドレル１を支持している第１・第２チャック３１・３２を、加熱部に至る搬送装置に向けて移動させる制御を行う。この搬送装置に載置されたマンドレル１は、その後、加熱部において加熱処理を施される。また制御部３９は、求められた減算値と、閾値とは別に定められた最適値との開きに基づき、繊維Ｆに樹脂を付着させる樹脂含浸部をフィードバック制御することが望ましい。

一方、求められた減算値が閾値を下回っている場合は、樹脂の付着量が基準に満たないとして、そのマンドレル１を不良品とみなす。このように不良品が検出されると、制御部３９は、ＦＷ装置の製造ラインに何らかの異常、例えば、樹脂含浸部において樹脂の含浸不良が生じたとみなして、当該ラインを停止させる。これと同時に、当該マンドレル１を支持している第１・第２チャック３１・３２を、製品ロスのストック部に至る搬送装置に向けて移動させる制御を行う。これにて、樹脂の付着量が基準に満たない不良品を製造ラインから排除できる。

以上のように、本実施形態に係るＦＷ装置においては、マンドレル１に対する樹脂付着繊維Ｆの巻付処理を担う巻付装置に、マンドレル１の重量計測装置３７・３８を設けたので、計測値に基づく巻付処理の良否検査を巻付処理の終了直後に行うことができる。したがって、巻付処理工程から加熱処理工程への搬送段階において良否検査を行う従来構成と比べて、樹脂の付着量が基準に満たない不良品をタイムラグ無く検出することができ、ライン停止等の措置を速やかに執ることができるので、巻付処理における不良品の発生を最小限化して、製品歩留まりの向上を図ることができる。

本実施形態では、マンドレル１の巻付位置への装填動作と巻付位置からの取出動作を同一のチャック３１・３２により行ったが、これらはそれぞれ別のチャックで行うことができる。本発明における重量計測装置はロードセル３７・３８に限られない。

その他、良否検査における第１の計測工程は省略することができる。つまり、各マンドレル１の重量のバラツキは僅かであるため、これを同一とみなして、第２の計測工程での計測値のみに基づき、良否検査を行うことができる。この場合の閾値は、上記実施形態における閾値に、同一とみなしたマンドレル１の重量と、両取付治具３・３の重量を加えた値に設定されており、比較工程では、取出操作に際してのロードセル３７・３８による巻付処理後のマンドレル１の重量計測値と、当該閾値とを比較する。以上の構成によれば、重量計測が１度で済むことから、その分だけ製造ラインを高速化できるとともに、制御部３９の構造を簡単にできる点で有利である。

ワインディング製品の製造過程の第５過程を示す説明図である。 フープ巻ヘッドを示す側面図である。 ヘリカル巻ヘッドを示す側面図である。 ワインディング製品の製造過程の第１過程を示す説明図である。 ワインディング製品の製造過程の第２過程を示す説明図である。 ワインディング製品の製造過程の第３過程を示す説明図である。 ワインディング製品の製造過程の第４過程を示す説明図である。

符号の説明

１ 被巻付部材（マンドレル）
３ 取付治具
３０ 着脱装置
３１ 第１チャック
３２ 第２チャック
３７ 重量計測装置（ロードセル）
３８ 重量計測装置（ロードセル）
３９ 制御部
Ｆ 繊維

Claims (6)

1. 被巻付部材に対する樹脂付着繊維の巻付処理を担う巻付装置に、巻付処理終了後の被巻付部材の重量計測を行う重量計測装置を設けたことを特徴とするフィラメントワインディング装置。
2. 前記巻付装置は、巻付位置への被巻付部材の装填動作、および巻付位置からの被巻付部材の取出動作を担う着脱装置を備え、
   前記着脱装置に前記重量計測装置が設けられている請求項１記載のフィラメントワインディング装置。
3. 被巻付部材の軸心方向両端のそれぞれには、取付治具が固定されており、
   前記着脱装置は、該取付治具を支持するチャックを含み、
   前記重量計測装置が、前記チャックを支持するアームに設けられており、
   前記重量計測装置が、前記チャックと前記取付治具とを含む被巻付部材の重量を計測する請求項２記載のフィラメントワインディング装置。
4. 巻付処理前後における被巻付部材の重量差を検出し、該重量差に基づいて巻付処理の良否判定を行う請求項１ないし３のいずれかに記載のフィラメントワインディング装置。
5. 被巻付部材に対する樹脂付着繊維の巻付処理を担う巻付装置に、巻付位置への被巻付部材の装填動作、および巻付位置からの被巻付部材の取出動作を行う着脱装置が設けられており、
   前記着脱装置に重量計測装置が設けられており、
   前記取出動作に際して、前記重量計測装置により巻付処理後の被巻付部材の重量を計測する計測工程と、
   前記計測工程において得られた計測値を予め設定されている閾値と比較する比較工程とを含むことを特徴とするフィラメントワインディング方法。
6. 被巻付部材に対する樹脂付着繊維の巻付処理を担う巻付装置に、巻付位置への被巻付部材の装填動作、および巻付位置からの被巻付部材の取出動作を行う着脱装置が設けられており、
   前記着脱装置に重量計測装置が設けられており、
   前記装填動作に際して、前記重量計測装置により巻付処理前に被巻付部材の重量を計測する第１の計測工程と、
   前記取出動作に際して、前記重量計測装置により巻付処理後の被巻付部材の重量を計測する第２の計測工程と、
   前記第１および第２の計測工程で得られた計測値を減算し、該減算値を予め設定されている閾値と比較する比較工程とを含むことを特徴とするフィラメントワインディング方法。

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