JP5578305B2 - フィラメントワインディング装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数個のボビンをマンドレルの回りに回転駆動してフープ巻層を形成する形態のフィラメントワインディング装置に関する。

フィラメントワインディング装置（以下、単にワインディング装置という。）においては、熱硬化性樹脂を含浸させたガラス繊維やカーボン繊維などの繊維束をマンドレルに巻き付けて、ワインディング成形品を形成する。本発明のワインディング装置におけるフープ巻ヘッドは、複数のボビンをマンドレルの軸心回りに回転駆動してフープ巻きを行なうが、この種のワインディング装置の基本形態は特許文献１に公知である。そこではマンドレルと直交するフレームに、回転駆動される巻掛テーブルを設け、巻掛テーブルに複数個のボビンを配置している。

本発明に関して、フープ巻きの過程をより短時間で行なってワインディング成形品を効率よく生産することは、例えば特許文献２に開示してある。そこでは、フープ巻きされるマンドレルの全領域を中心軸に沿って４等分し、区分された各領域に対応して４個の給糸構造を設け、各給糸構造から供給される繊維束を各区分領域に対して同時に巻き付ける。このように、４本の繊維束をマンドレルに対して同時に巻き付ると、フープ巻きに要する時間を約４分の１に短縮できる。

特開２００８−１９５０００号公報（段落番号００２５、図９） 特開２００５−３１３５４９号公報（段落番号０１０７、図７）

ワインディング装置において、フープ巻きの過程をより短時間で行なうには以下の手法がある。マンドレルあるいは巻掛テーブルの駆動回転数を高めて、繊維束の巻付速度を向上する。より多くの繊維束をマンドレルに対して同時に巻き付けて、フープ巻層の形成時間を短縮する。特許文献２のワインディング装置は、その一例である。複数個のマンドレルに対して、個別的にしかも同時に繊維束を巻き付て、ワインディング成形品の単体当りの生産速度を向上する。

上記のように、マンドレルあるいは巻掛テーブルの駆動回転数を高めて、繊維束の巻き速度を向上することは可能であるが、おのずと限界がある。限界状態では発熱や振動などを伴なうため、技術的にこの限界を越えることは容易ではない。また、マンドレルに巻き付けられる繊維束の本数を単に増やす場合には、繊維束のマンドレルに対する巻付角度が小さくなるのを避けられない。さらに、複数本の繊維束を、同じ角度で同じ向きにフープ巻きすることになるので、フープ巻層を厚く形成することはできるものの、充分な強度が得られにくい。

特許文献２のワインディング装置の場合には、４本の繊維束を４等分された領域ごとに同時に巻き付けるので、上記のように繊維束の本数を単に増やす場合の不利を避けることができる。しかし、４等分された領域ごとに繊維束を巻き付けるので、フープ巻層が不連続になるのを避けられず、フープ巻層の全体強度に不安が残る。得られたワインディング成形品の全てのフープ巻層において、軸心方向の同じ位置（４等分位置）に明確な境界が形成されるからである。

複数個のマンドレルに対して、個別にしかも同時に繊維束を巻き付けるワインディング装置の場合には、マンドレルの駆動構造や給糸構造などを同時に複数組用意する必要がある。そのため、ワインディング装置の全体構造が大掛かりでコスト高となり実用性に欠ける。また、複数個のマンドレルに対して同時に繊維束を巻き付けるので、ひとつのマンドレルで巻き付け不良が起こったような場合に、全体装置を停止して修復作業を行なう必要があり、必ずしも生産性を向上できない。

本発明の目的は、複数の繊維束をマンドレルに対して同時に巻き付けて、フープ巻層を短時間で形成でき、しかも、マンドレルに対して巻き付けられる複数の繊維束の巻付方向を好適化して高強度のフープ巻層を形成できるワインディング装置を提供することにある。本発明の目的は、複数の繊維束をマンドレルに対して同時に巻き付けるワインディング装置でありながら、全体構造がいたずらに複雑化するのを防いで、装置全体の導入コストが少なくて済むワインディング装置を提供することにある。

本発明に係るワインディング装置は、マンドレルを支持する支持台と、支持台を支持する基台と、マンドレルへ向かって繊維束を供給するフープ巻用のヘッドユニットを備えている。支持台とヘッドユニットとは、マンドレルの中心軸に沿って相対移動可能に構成する。ヘッドユニットは、複数個の単位ヘッドをマンドレルの中心軸に沿って配置して構成する。単位ヘッドは、マンドレルの往復移動を許す通口を備えた巻掛テーブルと、巻掛テーブルを回転自在に支持するフレームと、巻掛テーブルに配置される複数個のボビンと、巻掛テーブルを回転駆動するテーブル駆動構造とを含む。以て、個々の単位ヘッドから供給される繊維束を、マンドレルの一端から他端へわたって連続して巻き付けて、一回のフープ巻処理で該マンドレルに複数層のフープ巻層を同時に形成することを特徴とする。

フープ巻用のヘッドユニットは、繊維束をマンドレルに対して正方向に巻き付ける単位ヘッドと、繊維束をマンドレルに対して逆方向に巻き付ける単位ヘッドとで構成する。以て、単位ヘッドの巻掛テーブルを回転駆動して、正方向のフープ巻層と逆方向のフープ巻層とを形成する。

フープ巻用のヘッドユニットは、繊維束をマンドレルに対して正逆双方向へ巻き付け可能な複数個の単位ヘッドで構成する。以て、隣接する単位ヘッドの巻掛テーブルを、正方向および逆方向に回転駆動して、正方向のフープ巻層と逆方向のフープ巻層とを形成する。

ヘッドユニットを、基台に設けたガイド構造で往復移動可能に支持する。以て、ヘッドユニットをヘッド駆動構造で一方向へ移動操作して、複数のフープ巻層を形成する。

複数個のボビンを、それぞれのボビン中心軸がマンドレルの中心軸と平行になる状態で巻掛テーブルで支持する。

フレームを巻掛テーブルの周囲を囲む状態で構成し、その内面側に複数個の旋回ローラーと、複数個のスラストローラーとをそれぞれ配置する。巻掛テーブルは、通口を備えたテーブル基体と、旋回ローラーで回転自在に支持される断面円形の筒壁と、スラストローラーで位置保持支持されるリング壁とで構成する。テーブル基体に複数個のボビンを配置する。

本発明においては、複数個の単位ヘッドをマンドレルの中心軸に沿って隣接配置してフープ巻用のヘッドユニットを構成した。単位ヘッドは、フレームで回転自在に支持される巻掛テーブルと、テーブル駆動構造と、巻掛テーブルに配置される複数個のボビンなどで構成した。そのうえで、個々の単位ヘッドから供給される前記繊維束を、前記マンドレルに対して巻き付けて、複数のフープ巻層を同時に形成するようにした。したがって、本発明のワインディング装置によれば、複数層の全体厚みが大きなフープ巻層をより短時間で同時に形成できる。また、繊維束をマンドレルに対して正方向と逆方向とに巻き付ける場合には、正方向のフープ巻層と逆方向のフープ巻層とを混在させて、複数本の繊維束をマンドレルに同じ向きで巻き付ける従来装置に比べて、フープ巻層の強度を充分に増強できる。さらに、繊維束ＹをマンドレルＭの全巻付け領域にわたって連続して巻き付けるので、フープ巻層に明確な境界が形成されるのを解消して、ワインディング成形品の構造強度を向上できる。

繊維束を正方向に巻き付ける単位ヘッドと、繊維束を逆方向に巻き付ける単位ヘッドとでフープ巻用のヘッドユニットを構成すると、個々の単位ヘッドの構造が複雑になるのを避けて、その製造コストを削減できる。とくに、前者の単位ヘッドと、後者の単位ヘッドとの構造を共通の構造とする場合には、単位ヘッドの製造コストをさらに削減してワインディング装置の導入コストを節約できる。因みに、繊維束をマンドレルに対して正逆双方向へ巻き付け可能とする単位ヘッドの場合には、ボビンから繰り出した繊維束のガイド方向を変更するための構造が必要になり、その分だけ単位ヘッドのコストが嵩む。

繊維束をマンドレルに対して正逆双方向へ巻き付け可能な複数個の単位ヘッドでフープ巻用のヘッドユニットを構成すると、必要に応じて個々の単位ヘッドによる繊維束の巻付方向を自由に変更できる。したがって、フープ巻層の径方向の形成位置の違い応じて、単位ヘッドによる繊維束の巻付方向を変更して、ワインディング成形品の巻組織の最適化を図ることができる。また、ボビンから繰り出した繊維束のガイド方向を自動的に変更する場合には、複数本の繊維束の巻付方向の変更を一斉に行なって、ワインディング成形に要する時間を短縮できる。

ヘッドユニットをヘッド駆動構造で一方向へ移動操作して、マンドレルの周囲に複数のフープ巻層を形成するワインディング装置によれば、マンドレルを一方向へ移動させながら複数のフープ巻層を形成する場合に比べて、ワインディング装置を小形化できる。とくに、ヘリカル巻ヘッドとフープ巻用のヘッドユニットとを併用してワインディング成形品を形成する場合には、ヘッドユニットが移動する分だけマンドレルの移動ストロークを短縮して、ワインディング装置を小形化できる。したがって、複数の単位ヘッドを備えたワインディング装置でありながら、全体構造がいたずらに複雑化するのを防いで、全体装置の導入コストを削減できる。

ボビン中心軸がマンドレルの中心軸と平行になる状態で、各ボビンを巻掛テーブルで支持すると、複数個のボビンをマンドレルの周囲に周回する状態で配置できるので、巻掛テーブルにおいて複数のボビンが占める空間量を小さくできる。これにより、巻掛テーブルの旋回半径をより小さなものとして、単位ヘッドをさらに小形化できる。また、他のボビン配置を採用する場合に比べて、周回方向のボビンの配置個数を多くできる。

テーブル基体と、断面円形の筒壁と、リング壁とで巻掛テーブルを構成し、その周囲を囲むフレームに設けた旋回ローラーとスラストローラーとで巻掛テーブルを回転自在に支持すると、単位ヘッドの左右幅を極力小さくすることができる。これにより単位ヘッドの隣接間隔をより小さくして、フープ巻用のヘッドユニット、およびワインディング装置を小形化できる。また、単位ヘッドの隣接間隔が小さい分だけ、最初の単位ヘッドが繊維束の巻き付けを終了してから、最後の単位ヘッドが繊維束の巻き付けを終了までの時間を短縮できるので、ワインディング成形品を能率よく成形することにも寄与できる。

複数の繊維束の巻き付け形態を示す原理説明図である。 ワインディング装置の概略正面図である。 ワインディング装置の概略平面図である。 図３におけるＡ−Ａ線矢示図である。 図４におけるＢ−Ｂ線断面図である。 単位ヘッドの別の実施例を示す要部のみの正面図である。

（実施例） 図１ないし図５は本発明に係るワインディング装置の実施例を示す。図２および図３においてワインディング装置は、巻付装置と図示していない繊維束供給構造とで構成してある。巻付装置は左右に長い基台１の上面に配置されてマンドレルＭを支持する支持台２と、フープ巻用のヘッドユニット３と、ヘルカリ巻ヘッド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およびフープ巻き用のヘッドユニット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駆動できる。ヘルカリ巻ヘッド４は、基台１の中央付近に配置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ＹをマンドレルＭへ向かって送給案内する。

最終製品が圧力容器である場合のマンドレルＭは、例えば高強度アルミニウム材や、ステンレス材を素材とする金属容器からなり、左右横長の円筒部６の両端に半球殻状のドーム部７と口部８とが一体に設けてある。ヘルカリ巻ヘッド４から送給される繊維束Ｙを円筒部６およびドーム部７に巻き付けてヘリカル巻層が形成され、フープ巻き用のヘッドユニット３から供給される繊維束ＹをマンドレルＭの円筒部６に巻き付けてフープ巻層が形成される。多くの場合は、ヘリカル巻層とフープ巻層とを交互に積層する。繊維束Ｙは、ガラス繊維やカーボン繊維の帯状の束からなり、繊維束Ｙには予め熱硬化性樹脂が含浸させてある。

図２に示すように、マンドレルＭの支持台２は、基台１の上面に設けた前後一対のレール１０で案内されるベース１１と、ベース１１の両側端に立設される支持腕１２と、両支持腕１２の上端の対向面に設けられるチャック１３などで構成する。マンドレルＭの左右の口部８には、それぞれ取付治具１４が固定してあり、これらの取付治具１４をチャック１３で掴み固定することにより、マンドレルＭが左右の支持腕１２の間に支持される。片方のチャック１３は図示していない駆動構造で回転駆動でき、これによりマンドレルＭを回転駆動できる。マンドレルＭの交換を容易化するために、両支持腕１２はベース１１に対して起立姿勢と横臥姿勢とに姿勢変更できる。

ヘリカル巻ヘッド４は、基台１を跨ぐ状態で立設される固定フレーム１７と、固定フレーム１７の前後縁に配置される張力調整構造１８（図３参照）と、繊維束ＹをマンドレルＭへ向かって変向案内する一群のガイドローラー（図示していない）などで構成してある。固定フレーム１７の板面の中央には円形の通口１９が形成してあり、マンドレルＭは通口１９の空間を往復移動しながら緩やかに回転駆動されて、その間にヘリカル巻層が形成される。

フープ巻用のヘッドユニット３は、図２に示すように、４個の単位ヘッド２０をマンドレルＭの中心軸に沿って一定間隔おきに配置して構成する。図４に示すように、単位ヘッド２０は、多角形枠状のフレーム２１と、フレーム２１で回転自在に支持される巻掛テーブル２２と、巻掛テーブル２２に配置される６個のボビン２３、およびガイドローラー２４と、テーブル駆動構造および張力調整構造（いずれも図示していない）などで構成する。フレーム２１の下部には前後一対のスライドブロック２５が固定してあり、両スライドブロック２５を基台１に設けたレール（ガイド構造）２６で往復移動可能に案内している。各単位ヘッド２０は移動用の駆動モーターを備えいて、独立して移動操作することができる。

図４および図５において、巻掛テーブル２２は、マンドレルＭの中心軸と直交する円盤状のテーブル基体３０と、テーブル基体３０の周縁に固定される断面円形の筒壁３１と、筒壁３１の外周面に固定されるリング壁３２などで構成する。巻掛テーブル２２の周囲を囲むフレーム２１の内面には、旋回ローラー３３とスラストローラー３４とが、それぞれ３個ずつ等間隔おきに交互に配置してある。旋回ローラー３３は筒壁３１の外周面を支持し、スラストローラー３４はリング壁３２を左右に挟み保持する。このように、旋回ローラー３３およびスラストローラー３４で支持した巻掛テーブル２２は、フレーム２１に対して回転自在に支持されて、図示していないテーブル駆動構造でマンドレルＭと同心状に回転駆動される。テーブル駆動構造はフレーム２１の下部に設けられて、その出力ギヤで筒壁３１を回転駆動する。

テーブル基体３０の中央には、マンドレルＭの往復移動を許す円形の通口３６が形成してある。筒壁３１で覆われる側の通口３６の周囲壁に、ボビン２３とガイドローラー２４とが等間隔おきに配置してある。単位ヘッド２０をよりコンパクトにするために、ボビン２３は、それぞれのボビン中心軸がマンドレルＭの中心軸と平行になるようにテーブル基体３０で支持してある。ガイドローラー２４は、隣接するボビン２３の間に配置されて、ボビン２３から供給される繊維束ＹをマンドレルＭの周面へ向かって変向案内する。ボビン２３とガイドローラー２４との間に、繊維束Ｙ用の図示していない張力調整構造を配置する。

図５において、旋回ローラー３３は、リング壁３２の左右両側で筒壁３１に外接する一対のローラー３９と、両ローラー３９をローラー軸４０を介して遊転自在に軸支するブラケット４１とで構成する。同様に、スラストローラー３４は、リング壁３２の左右両側に外接する一対のローラー４２と、各ローラー４２を遊転自在に軸支するローラー軸４３とで構成する。３組のスラストローラー３４でリング壁３２を挟み保持することにより、テーブル駆動構造で回転駆動される巻掛テーブル２２が、マンドレルＭの中心軸に沿って遊動するのを規制して、繊維束ＹをマンドレルＭに対して常に適正に巻き付けることができる。

４個の単位ヘッド２０は、テーブル駆動構造でマンドレルＭの一端から他端へ向かって同時に移動操作しながら、各巻掛テーブル２２を回転駆動して、マンドレルＭの周囲にフープ巻層を形成する。このとき、各巻掛テーブル２２の回転駆動方向が同じであると、各フープ巻層における繊維束Ｙの巻付角度と巻付方向が同じになって、充分な強度が得られなくなる。そこで、繊維束ＹをマンドレルＭに対して正方向に巻き付ける単位ヘッド２０と、繊維束ＹをマンドレルＭに対して逆方向に巻き付ける単位ヘッド２０とを、２個ずつ交互に配置している。

図４において、繊維束Ｙを正方向に巻き付ける単位ヘッド２０が、矢印Ｎで示すように時計回転方向へ駆動されるとき、繊維束Ｙを逆方向に巻き付ける単位ヘッド２０は反時計回転方向へ駆動される。そのため、前者の単位ヘッド２０と後者の単位ヘッド２０とでは、ボビン２３に対するガイドローラー２４の位置が異なる。前者の単位ヘッド２０では、各ボビン２３の位置を基準にして、実線で示すように回転下手側のガイドローラー２４を経由して繊維束Ｙが送給され、後者の単位ヘッド２０では、破線で示すように、先の繊維束Ｙとは逆位置に配置したガイドローラー２４で逆向きに送給案内される。つまり、前者と後者の単位ヘッド２０は同じ構造であるが、巻掛テーブル２２における繊維束Ｙの通糸パターンと、巻掛テーブル２２を回転駆動する方向とが異なる。

以上のように、各単位ヘッド２０における繊維束Ｙの巻付方向を交互にしかも正逆に設定して、マンドレルＭの円筒部６の一端から他端へわたって巻き付けることにより、繊維束Ｙの巻付方向が正逆に異なる４層のフープ巻層を同時に形成できる。したがって、単一の繊維束を巻き付ける場合に比べて、厚みが４倍のフープ巻層を約４分の１の時間で形成できる。また、図１に示すように、個々のフープ巻層における繊維束Ｙの巻付方向が、正方向と逆方向とに交互に異なるので、得られたフープ層の強度を向上して、ワインディング成形品の品質を向上できる。フープ巻き処理が完了したヘッドユニット３は、図３に想像線で示すように、基台１の一側へと移動操作されてヘリカル巻き処理が終わるまで待機する。

４個の単位ヘッド２０で巻き付けられる繊維束Ｙは同じ素材であってもよいが、必要があれば異なる素材の繊維束Ｙを使用することができる。例えば、１層目と２層目のフープ層をカーボン繊維からなる繊維束Ｙで形成し、３層目と４層目のフープ層をガラス繊維からなる繊維束Ｙで形成することができる。あるいは、カーボン繊維からなる繊維束Ｙとガラス繊維からなる繊維束Ｙを交互に巻き付けてもよく、その組み合わせや、使用する繊維の種類は自由に選定できる。また、４個の単位ヘッド２０を常に同時に稼動する必要はなく、１個または２個の単位ヘッド２０を休止した状態で、フープ巻層を形成することができる。さらに、フープ巻層における繊維束Ｙの巻付方向は、正逆、交互である必要はなく、例えば、繊維束Ｙの巻付方向が正方向のフープ層を２層形成し、その外面に逆方向のフープ層を２層形成するなど、自由に変更することができる。

上記の実施例では、繊維束Ｙを正方向に巻き付ける単位ヘッド２０と、逆方向に巻き付ける単位ヘッド２０とを、２個ずつ交互に配置してヘッドユニット３を構成したが、その必要はない。例えば、繊維束ＹをマンドレルＭに対して正逆双方向へ巻き付け可能な複数個の単位ヘッド２０でフープ巻き用のヘッドユニット３を構成することができる。その場合には、図６に示すように、巻掛テーブル２２に設けられるガイドローラー２４を、２個の変向ローラー４５と、両変向ローラー４５を支持するローラーアーム４６とで構成する。そのうえで、巻掛テーブル２２を正方向へ回転駆動するときと、逆方向へ回転駆動するときとで、ローラーアーム４６を図示していない操作シリンダーやモーターなどの駆動体で変位操作して、変向ローラー４５の位置を一斉に変更する。この場合のテーブル駆動構造は、巻掛テーブル２２を正転方向と逆転方向のいずれにも回転駆動できるように構成する。

上記の実施例では、旋回ローラー３３の少なくともひとつを利用して巻掛テーブル２２を回転駆動することができる。巻掛テーブル２２は単純筒状に形成する必要はなく、テーブル基体３０の一側にボビン２３を配置し、他側に旋回ローラー３３で支持される筒壁３１を設けることができる。その場合には、筒壁３１の直径をより小さく設定することができる。

１ 基台
２ 支持台
３ フープ巻き用のヘッドユニット
２０ 単位ヘッド
２１ フレーム
２２ 巻掛テーブル
２３ ボビン

Claims (6)

1. マンドレルを支持する支持台と、前記支持台を支持する基台と、前記マンドレルへ向かって繊維束を供給するフープ巻き用のヘッドユニットを備えており、
   前記支持台と前記ヘッドユニットとは、前記マンドレルの中心軸に沿って相対移動可能に構成されており、
   前記ヘッドユニットは、複数個の単位ヘッドを前記マンドレルの中心軸に沿って配置して構成されており、
   前記単位ヘッドは、前記マンドレルの往復移動を許す通口を備えた巻掛テーブルと、前記巻掛テーブルを回転自在に支持するフレームと、前記巻掛テーブルに配置される複数個のボビンと、前記巻掛テーブルを回転駆動するテーブル駆動構造とを含み、
   個々の前記単位ヘッドから供給される前記繊維束を、前記マンドレルの一端から他端へわたって連続して巻き付けて、一回のフープ巻処理で該マンドレルに複数層のフープ巻層を同時に形成するようにし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. 前記フープ巻き用のヘッドユニットが、前記繊維束を前記マンドレルに対して正方向に巻き付ける前記単位ヘッドと、前記繊維束を前記マンドレルに対して逆方向に巻き付ける前記単位ヘッドとで構成されており、
   前記単位ヘッドの前記巻掛テーブルを回転駆動して、正方向のフープ巻層と逆方向のフープ巻層とを形成する請求項１に記載のフィラメントワインディング装置。
3. 前記フープ巻き用のヘッドユニットが、繊維束をマンドレルに対して正逆双方向へ巻き付け可能な複数個の前記単位ヘッドで構成されており、
   隣接する前記単位ヘッドの前記巻掛テーブルを、正方向および逆方向に回転駆動して、正方向のフープ巻層と逆方向のフープ巻層とを形成する請求項１に記載のフィラメントワインディング装置。
4. 前記ヘッドユニットが、前記基台に設けたガイド構造で往復移動可能に支持されており、
   前記ヘッドユニットをヘッド駆動構造で一方向へ移動操作して、前記複数のフープ巻層を形成する請求項２または３に記載のフィラメントワインディング装置。
5. 複数個の前記ボビンが、それぞれのボビン中心軸が前記マンドレルの中心軸と平行になる状態で前記巻掛テーブルで支持してある請求項２〜４のいずれかに記載のフィラメントワインディング装置。
6. 前記フレームが、前記巻掛テーブルの周囲を囲む状態で構成されて、その内面側に複数個の旋回ローラーと、複数個のスラストローラーとがそれぞれ配置されており、
   前記巻掛テーブルが、前記通口を備えたテーブル基体と、前記旋回ローラーで回転自在に支持される断面円形の筒壁と、前記スラストローラーで位置保持支持されるリング壁とで構成されており、
   前記テーブル基体に複数個の前記ボビンが配置してある請求項２〜５のいずれかに記載のフィラメントワインディング装置。

Images