JP4420250B2 - フィラメントワインディング装置 - Google Patents

Description

本発明は、フープ巻装置とヘリカル巻装置とを備えているフィラメントワインディング装置に関し、とくにフープ巻装置の改良に関する。

フィラメントワインディング法で圧力容器を形成する場合には、繊維束をマンドレルに対してフープ巻きし、あるいはヘリカル巻きすることにより補強層を形成している（特許文献１参照）。従来の一般的なフィラメントワインディング装置では、１種類の巻付ヘッドで繊維束をフープ巻きし、あるいはヘリカル巻きしている。

特開平１０−１１９１３８号公報（段落番号００２２〜００２３、図１）

上記のように、従来のフィラメントワインディング装置では、１種類の巻付ヘッドによってフープ巻きとヘリカル巻きとを行うため、マンドレルに対する繊維束の巻き付け処理に多くの時間が掛かるのを避けられず、圧力容器などを製造するうえで大きな障壁になっている。とくに、フープ巻きには多くの時間が掛かるため、フープ巻き処理の高速化が望まれている。

本発明の目的は、フープ巻き処理を短時間で能率よく行えるフープ巻装置を備えたフィラメントワインディング装置を提供することにある。

本発明のフィラメントワインディング装置は、フープ巻装置とヘリカル巻装置とを備えている。フープ巻装置は、円盤状の巻掛テーブルと、巻掛テーブルを回転駆動する駆動機構と、巻掛テーブルの周縁に沿って支持される複数個のボビンと、ボビンから繰り出される繊維束を巻掛テーブルの挿通穴に配置したマンドレルへ移行案内するガイド部材とを備えている。

巻掛テーブルの回転中心を中心とする同一円周上に、ボビンを均等間隔おきに配置する。ボビンとマンドレルとの間の繊維束の移行経路に臨む巻掛テーブルに、繊維束の張力を調整するテンサーを配置する。

テンサーとマンドレルとの間の繊維束の移行経路に臨む巻掛テーブルに、繊維束に樹脂を塗布する塗布装置、および／または繊維束に対する樹脂の付着状態を検知する付着センサーを配置する。

本発明のフィラメントワインディング装置は、フープ巻装置とヘリカル巻装置を備えていて、フープ巻き処理とヘリカル巻き処理をそれぞれ専用の装置で効率よく行えるようにした。また、巻掛テーブルと、同テーブルを回転駆動する駆動機構と、巻掛テーブルと同行回転する複数個のボビンと、繊維束をマンドレルへ移行案内するガイド部材などでフープ巻装置を構成して、巻掛テーブルを回転駆動することにより、複数の繊維束を同時にマンドレルに高速度で巻き付けるようにした。このように、巻掛テーブルを回転駆動しながら繊維束をマンドレルに巻き付けると、ヘリカル巻装置とマンドレルとが繊維束で繋がった状態のままで、マンドレルを回転させることなくフープ巻き処理を行えるので、マンドレルに対する繊維束の巻き付けを高速度で能率よく行える。したがって、単一の巻付ヘッドで繊維束をフープ巻きし、あるいはヘリカル巻きしていた従来装置に比べて、フープ巻き処理を短時間で終了して、圧力容器などワインディング製品の生産性を向上し、その分だけ製造コストを削減できる。

巻掛テーブルの回転中心を中心とする同一円周上に、ボビンを均等間隔おきに配置し、ボビンとマンドレルとの間の繊維束の移行経路に臨む巻掛テーブルに、繊維束の張力を調整するテンサーを配置するフープ巻装置によれば、マンドレルに巻き付けられる繊維束に適度のバックテンションを付与できる。これにより、繊維束をマンドレルに高速度で巻き付ける場合であっても、常に適正な張力が付与された状態の繊維束をマンドレルに巻き掛けて、高品位のフープ巻き処理を行うことができる。

繊維束の移行経路に臨む巻掛テーブルに、繊維束に樹脂を塗布する塗布装置や、繊維束に対する樹脂の付着状態を検知する付着センサーを配置するフープ巻装置によれば、樹脂が塗布された繊維束とガイド部材とが接触する機会を最小限化できる。これにより、繊維束に対する樹脂付着量を安定化でき、さらに繊維束を移行案内するガイド部材のメンテナンスに要する手間を軽減できる。

（実施例） 図１ないし図８は本発明に係るフィラメントワインディング装置の実施例を示す。図２において、フィラメントワインディング装置は、図示していない繊維束供給構造と、巻付装置とで構成してある。巻付装置は、左右に長い基台１の上部に配置されてマンドレルＭを支持する支持台２と、フープ巻装置３と、ヘリカル巻装置４と、図示していないマンドレル交換装置などで構成する。支持台２およびフープ巻装置３は、それぞれ図示していない駆動機構で基台１の長手方向に沿って往復動自在に駆動される。ヘリカル巻装置４は基台１の中央位置に固定してあり、先の繊維束供給構造で支持された一群のクリールから送給される繊維束ＲをマンドレルＭに送給案内する。

最終製品が圧力容器である場合のマンドレルＭは、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で容器状に構成する。この実施例では図２に示すように、マンドレルＭが、中央の円筒部と、円筒部の両端に連続するドーム部と、ドーム部の頂部に突設される口部とを一体に備えている場合について説明する。繊維束Ｒは、例えばガラス繊維や炭素繊維の束からなる。先の繊維束供給構造のクリールに巻き込まれた繊維束Ｒには、予め熱硬化性のプラスチック材が含浸させてある。なお、クリールから繰り出した繊維束Ｒに樹脂を含浸させた後、ヘリカル巻装置２に送給してもよい。

支持台２は、基台１上のレール７で移行案内されるベース８と、ベース８の両側端に立設される支持腕９・９と、支持腕９・９の上端対向面に設けられるチャック１０・１０などで構成する。マンドレルＭの交換を容易化するために両支持腕９・９は、ベース８に対して起立姿勢から横臥姿勢へ切り換えられるように組み付けてある。マンドレルＭの左右両側には一対の取付治具１１が固定してあり、これらの取付治具１１がチャック１０で掴み支持されている。片方のチャック１０は図示していない駆動構造で回転駆動される。図示していないマンドレル交換装置で左右の取付治具１１を支持し、この状態でチャック１０を開放状態にし、さらに左右の支持腕９を外開き状に横臥させることにより、巻き付け処理が終わったマンドレルＭを取り出すことができる。また、逆の手順に従って新規なマンドレルＭを支持台２に装填することができる。

図３においてフープ巻装置３は、基台１上のレール１４で移行案内されるフレーム１５と、フレーム１５で回転自在に支持される円盤状の巻掛テーブル１６と、巻掛テーブル１６を回転駆動する駆動機構などを主な構造体にして構成してある。巻掛テーブル１６の一側に繊維束Ｒの供給構造が設けられ、他側に先の駆動機構などが設けてある。繊維束Ｒの供給構造は、テーブル周縁に沿って均等配置した４個のホルダー１７で支持されるボビン１８と、ボビン１８から繰り出される繊維束ＲをマンドレルＭへ移行案内するガイド部材などで構成する。

駆動機構は、巻掛テーブル１６の一側に固定される大径のギヤ２０と、モーター動力を先のギヤ２０に伝動する原動ギヤ２３ａおよび中間ギヤ２４などで構成する。巻掛テーブル１６の同じ側には筒軸２１が固定され、筒軸２１の突端にフランジ２２が設けてある。図４に示すように筒軸２１は、フレーム１５の縦壁に固定した３個の軸受２５で回転自在に支持されている。また、フランジ２２の両側を遊転自在な一対のガイドローラ２６で挟み保持することにより、巻掛テーブル１６および筒軸２１の軸心方向への遊動が規制されている。巻掛テーブル１６および筒軸２１には、マンドレルＭを交差配置するための挿通穴２７が設けてある。

図１に示すように、ボビン１８とマンドレルＭとの間の繊維束Ｒの移行経路には、調製ユニット２９を配置する。調製ユニット２９は、巻掛テーブル１６の一箇所に集約配置する。図５に示すように、調製ユニット２９の内部にはテンサー３０と、塗布装置３１と、付着センサー３２とが設けてある。これらの機器３０・３１・３２は、ボビン１８の側からマンドレルＭの側へ向かって記載順に配置する。テンサー３０は、繊維束Ｒに所定の張力を付与するために設けてあり、塗布装置３１は、繊維束Ｒに樹脂を塗布するために設けてある。付着センサー３２は、繊維束Ｒに対する樹脂の付着状態を検知するために設けてある。付着センサー３２が樹脂の付着不良を検知すると巻き掛け作業が停止される。

繊維束Ｒを移行案内するガイド部材は、導入ローラー３４と、ガイドローラー３５の一群と、ローラーユニット３６（図６参照）などで構成する。導入ローラー３４およびガイドローラー３５は、挿通穴２７の周囲を渦巻き状に囲む状態で配置してあり、各ボビン１８から繰り出された繊維束Ｒを変向案内して調整ユニット２９へと導入案内する。ローラーユニット３６は、調整ユニット２９を通過した後の繊維束Ｒを、マンドレルＭへ向かって平行姿勢で移行案内する。

図７に示すように、ホルダー１７は、巻掛テーブル１６に固定される固定腕３８と、巻掛テーブル１６に固定したスライド台３９で往復動自在に支持される可動腕４０と、これら両腕３８・４０に対向配置されるチャック４１などで構成する。チャック４１は、固定腕３８および可動腕４０で支軸およびベアリング４２を介して回転自在に軸支する。したがって、上下のチャック４１でボビン１８の巻き芯の両端を挟持することにより、ボビン１８を回転自在に支持できる。可動腕４０をスライド台３９に沿って固定腕３８から離れる向きにスライド操作することにより、チャック４１を開放姿勢に切り換えて、新規なボビン１８を交換装着することができる。

可動腕４０と、同腕側のチャック４１との間には、ボビン１８が繊維束繰り出し方向へ過回転するのを防ぐラチェット機構が設けてある。図８に示すように、ラチェット機構は、チャック４１と同行回転するラチェットホイール４４と、可動腕４０で揺動可能に軸支されるラチェット爪４５と、ラチェット爪４５をラチェットホイール４４へ向かって揺動付勢するねじりコイル形のばね４６とで構成する。ラチェット爪４５をばね４６の付勢力に抗して係合解除操作するために、Ｌ字状のガイドレバー４７をチャック軸で揺動可能に軸支し、ばね４８で揺動付勢している。ガイドレバー４７の一方の腕の先端にはガイドローラー４９が軸支してある。ボビン１８から繰り出された繊維束Ｒは、先のガイドローラー４９に巻き掛けたのち繰り出される。

上記のように、ラチェット機構を設けると、ボビン１８から引き出された繊維束Ｒの張力が増加するのに伴って、ガイドレバー４７がばね４８の付勢力に抗して揺動操作される。同時に、ガイドレバー４７の連動腕４７ａが、ラチェット爪４５に設けたピン５０をばね４６の付勢力に抗して変位操作する。これによりラチェット爪４５とラチェット歯との係合が解除されるので、ボビン１８が回転して繊維束Ｒが繰り出される。繊維束Ｒが繰り出されることによって繊維束Ｒに作用する張力が減少すると、ガイドレバー４７がばね４８で引き戻され、これに連動してラチェット爪４５が復帰揺動しラチェット歯と係合する。このようにラチェット爪４５がラチェットホイール４４に対して係脱を繰り返し行いながらボビン１８から繊維束Ｒが解舒される。したがって、ボビン１８が回転慣性力によって繰り出し方向へ過剰に回転することはなく、繊維束Ｒがボビン１８から過剰に引き出されて弛みを生じることもない。なお、繊維束Ｒの繰り出し方向を図７および図８に矢印で示している。

以上のように構成したフィラメントワインディング装置は、マンドレルＭに対してフープ巻装置３によるフープ巻きと、ヘリカル巻装置４によるヘリカル巻きとを繰り返し交互に行って、マンドレルＭの周囲に補強層を形成する。詳しくは、図２に示すようにマンドレルＭの全体が、ヘリカル巻装置４の一側に突出するように支持台２を移動させ、この状態で巻掛テーブル１６をモーター２３で高速回転しながら、支持台２を徐々にスライド移動させることにより、フープ巻き層を形成する。また、フープ巻装置３をヘリカル巻装置４に近接させておき、支持台２を往復移動しながらマンドレルＭをチャック１０で僅かずつ回転変位させることにより、ヘリカル巻き層を形成できる。

フープ巻き層を形成する場合には、４個のボビン１８から繰り出される繊維束Ｒが、同時にマンドレルＭの周面に高速度で巻き付けられる。そのため、フープ巻き処理を能率よく行って、マンドレルＭの外周面に補強層を短時間で形成できる。このとき、マンドレルＭは支持台２とともに往復移動するだけで回転することはないので、ヘリカル巻装置４とマンドレルＭとを繋ぐ繊維束Ｒが切断することはない。ワインディング処理が終了したマンドレルＭは、支持台２から取り外されて次の加熱工程へと送られる。支持台２には、新たなマンドレルＭが装填されて再び繊維束Ｒが巻き掛けられる。加熱工程では、繊維束Ｒに付着された溶融樹脂を熱硬化させて、補強層を硬化させる。最後に、取付治具１１をマンドレルＭから取り外して圧力容器の前段体を得ることができる。

図９はフープ巻装置の別の実施例を示す。この実施例では、各ボビン１８からマンドレルＭに至る繊維束Ｒの経路をそれぞれ独立した移行経路として渦巻き状に構成し、各移行経路における繊維束Ｒの経路長さが同じになるようにした。また、調整ユニット２９を導入ローラー３４の隣接部位に配置して、各移行経路における繊維束Ｒの処理条件が同じになるようにした。ローラーユニット３６は省いてある。他は先の実施例と同じであるので、同じ部材に同じ符号を付してその説明を省略する。

上記の実施例では、ボビン１８とマンドレルＭとの間の繊維束Ｒの移行経路に、塗布装置３１および付着センサー３２を配置したがその必要はなく、ヘリカル巻装置４に供給される繊維束Ｒと同様に、予め熱硬化性樹脂が含浸された繊維束Ｒをボビン１８から供給することができる。ボビン１８は２個以上、より好ましくは４個以上設けることにより、フープ巻き処理を効果的に行うことができる。

図２におけるＡ−Ａ線断面図である。 マンドレルと巻き付け装置の概略関係を示す正面図である。 フープ巻装置の正面図である。 図３におけるＢ−Ｂ線断面図である。 調製ユニットを概念的に示す説明図である。 繊維束のガイド構造を示す説明図である。 ボビンの支持構造を示す正面図である。 図７におけるＣ−Ｃ線断面図である。 フープ巻装置の別の実施例を示す側面図である。

符号の説明

２ 支持台
３ フープ巻装置
４ ヘリカル巻装置
１６ 巻掛テーブル
１７ ホルダー
１８ ボビン
２０ ギヤ
２３ モータ
３０ テンサー
３１ 塗布装置
３２ 付着センサー
４４ ラチェットホイール
４５ ラチェット爪
４６ ばね
Ｍ マンドレル
Ｒ 繊維束

Claims (3)

1. フープ巻装置、ヘリカル巻装置、および基台の上部に配置されてマンドレルを支持する支持台とを備え、マンドレルに対して該フープ巻装置によるフープ巻きと、該ヘリカル巻装置によるヘリカル巻きとを繰り返し交互に行うことにより、マンドレルの周囲に補強層を形成するフィラメントワインディング装置であって、
   前記支持台と前記フープ巻装置は前記基台の長手方向に沿って往復動自在に駆動可能に構成されており、前記ヘリカル巻装置は前記基台の中央位置に固定してあり、
   前記フープ巻装置は、基台上のレールで移行案内されるフレームと、該フレームで回転自在に支持される円盤状の巻掛テーブルと、該巻掛テーブルの一側に設けられた繊維束の供給構造と、該巻掛テーブルの他側に設けられた駆動機構とを有し、
   前記繊維束の供給構造は、前記巻掛テーブルの周縁に沿って均等配置された複数個のホルダーと、該ホルダーで支持されるボビンと、各ボビンから繰り出される繊維束を前記巻掛テーブルの挿通穴に配置したマンドレルへ移行案内するガイド部材と、各ボビンと前記マンドレルとの間の繊維束の移行経路に設けられた前記繊維束の張力を調整するテンサーと、前記繊維束に樹脂を塗布する塗布装置とを含み、
   前記ボビン、前記ガイド部材、前記テンサーおよび前記塗布装置を備える前記巻掛テーブルを回転駆動させながら、前記支持台を移動させることにより、マンドレルに対してフープ巻き層を形成することができ、
   フープ巻装置をヘリカル巻装置に近接させておき、前記支持台を往復移動しながらマンドレルを回転変位させることにより、マンドレルに対してヘリカル巻き層を形成することができるようになっていることを特徴とするフィラメントワインディング装置。
2. 前記ホルダーは、前記巻掛テーブルに固定される固定腕と、該巻掛テーブルに固定したスライド台で往復動自在に支持される可動腕と、これら固定腕と可動腕に対向配置されて、前記ボビンの両端を挟持して、該ボビンを回転自在に支持するチャックを含み、
   前記可動腕と、該可動腕の前記チャックとの間に、前記ボビンが繊維束の繰り出し方向へ過回転するのを防ぐラチェット機構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. 前記駆動機構は、前記巻掛テーブルの他側に固定されるギヤと、モーター動力を該ギヤに伝動する原動ギヤを含み、
   前記巻掛テーブルの他側には、突端にフランジを有する筒軸が固定され、該筒軸は、前記フレームの縦軸に固定した軸受で回転自在に支持されており、
   前記フランジの両側を遊転自在な一対のガイドローラで挟み保持することにより、巻掛テーブルおよび筒軸の軸心方向への揺動が規制されている請求項１又は２記載のフィラメントワインディング装置。

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