JP6787211B2 - フィラメントワインディング装置 - Google Patents

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Description

本発明は、フィラメントワインディング装置に関する。
従来、高圧流体タンクの製造方法として、フィラメントワインディング(Filament Winding)法(以下、「FW法」とも呼ぶ)が知られている(例えば、特許文献1)。FW法とは、巻付け対象物の外周に、予め熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維を幾重にも巻付け、熱硬化性樹脂を熱硬化させる方法である。FW法を用いることにより、巻付け対象物の表層に高強度の繊維強化樹脂層を形成できる。
FW法を用いて高圧流体タンクを製造する場合、所望の強度を得るために、巻付け対象物へ繊維を適切に巻きつける必要がある。特許文献1では、繊維の巻付け位置を把握するため、巻付け対象物であるライナーのドーム部分における繊維の巻き付け位置及び折り返し径を確認する方法が提示されている。
特開2014−233852号公報
しかし、特許文献1の方法では、巻付け対象物の形状について考慮がされていないため、巻付け対象物の形状ばらつきに起因して巻き付け誤差が生じる虞があった。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
(1)本発明の一形態によれば、フィラメントワインディング装置が提供される。このフィラメントワインディング装置は、巻付け対象物の基準形状と、前記基準形状の前記巻付け対象物への巻付け位置及び巻付け角度を含む巻付け条件と、を予め記憶する記憶部と、前記巻付け対象物に対して移動可能であり、繊維を前記巻付け対象物へ送り出すガイドと、前記巻付け対象物を回転させることにより、前記ガイドから送り出された前記繊維を前記巻付け対象物に巻付ける回転装置と、前記巻付け対象物の形状を計測する計測部と、少なくとも、前記ガイドと、前記計測部とを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記計測部により巻付け対象物の形状を計測させ、前記記憶部に記憶されている前記基準形状と、計測された前記巻付け対象物の形状とに差異がある場合、前記差異を解消するよう補正した前記巻付け条件により、前記ガイドを制御することによって前記繊維を前記巻付け対象物へ巻付ける。この態様のフィラメントワインディング装置によれば、巻付け対象物の形状を用いて巻付け条件を補正することにより、巻付け対象物の形状ばらつきに起因した繊維の巻付け誤差を抑制できる。
(2)上記形態のフィラメントワインディング装置において、前記記憶部は、さらに、前記差異に対応した巻付け条件を予め複数記憶しており、前記制御部は、前記記憶部に記憶されている前記基準形状と、計測された前記巻付け対象物の形状とに差異がある場合、前記差異に対応した巻付け条件により、前記ガイドを制御することによって前記繊維を前記巻付け対象物へ巻付けてもよい。この態様のフィラメントワインディング装置によれば、差異に対応した巻付け条件を予め記憶しておくことにより、演算負荷を小さくすることができる。
(3)上記形態のフィラメントワインディング装置において、前記記憶部は、さらに、前記繊維を前記基準形状へn層(nは正の整数)巻付けた後の形状であるn層基準形状と、前記n層基準形状への巻付け位置を含むn+1層目巻付け条件と、を予め記憶しており、前記制御部は、前記計測部により前記繊維を前記巻付け対象物へn層巻付けた形状を計測させ、前記記憶部に記憶されている前記n層基準形状と、計測された前記繊維を前記巻付け対象物へn層巻付けた形状とに差異がある場合、前記差異を解消するよう補正した前記n+1層目巻付け条件により、前記ガイドを制御することによって前記繊維を前記巻付け対象物へ巻付けてもよい。この態様のフィラメントワインディング装置によれば、巻付け途中の巻付け対象物の形状を用いて巻付け条件を補正することにより、巻付け対象物の形状ばらつきに起因した繊維の巻付け誤差を効率的に抑制できる。
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、フィラメントワインディング装置の制御方法、またはその制御方法を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。
第1実施形態に用いるタンクの概略断面図。 フィラメントワインディング装置の構成を示す概略図。 フィラメントワインディング装置の制御処理を示すフローチャート。 本実施形態における巻付け条件の補正方法を説明するための図。 第2実施形態の制御処理を示すフローチャート。 第3実施形態の制御処理を示すフローチャート。
A.第1実施形態:
A1.巻付け対象物の構成
図1は、第1実施形態に用いるタンク50の概略断面図である。図1は、中心軸CXを通る切断面でタンク50を切断したときの概略断面図である。本実施形態において、巻付け対象物としてライナー10を用い、タンク50は、燃料電池用のガスタンクである。
タンク50は、口金部13を備えるライナー10と、繊維層21とを備えている。ライナー10は、燃料電池に供給するガスを収容する密閉容器である。ライナー10は、中央部分に形成された略円筒状の胴体部11と、胴体部11の両端から連続して形成された略半球状のドーム部12とを備える。ライナー10の材料としては、高強度のアルミニウム材やステンレス材や、樹脂材を用いることができる。
口金部13は、ドーム部12の先端に設けられており、金属で形成されている。口金部13は、ライナー10へガスを収容する際の配管としての役割を担っている。繊維層21は、タンクの強度を上げるために設けられている。本実施形態において、繊維層21を構成する繊維は、カーボン繊維であり、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂を予め含浸した繊維である。繊維の素材としては、例えば、レーヨン系カーボン繊維や、ポリアクリロニトリル(PAN)系カーボン繊維や、ピッチ系カーボン繊維を用いることができる。
A2.フィラメントワインディング装置100の構成
図2は、第1実施形態としてのフィラメントワインディング装置100の構成を示す概略図である。フィラメントワインディング装置100は、フィラメントワインディング法により、ライナー10の外周に、繊維22を巻きつけるための装置である。フィラメントワインディング装置100は、ガイド110と、回転装置120と、計測部130と、制御部600と、記憶部610とを備える。
ガイド110は、ライナー10に対して移動可能であり、図示しないボビンから繰り出された繊維22を、巻付け対象であるライナー10へ送り出す部材である。本実施形態では、ライナー10の中心軸方向(図2におけるx軸方向)及びライナー10とガイド110とが近づく方向(図2におけるy軸方向)とに移動可能である。また、本実施形態において、ガイド110は、繊維22と接する面が長方形状の部材であり、繊維22と接する面における短手方向と平行な軸(図2におけるv軸)を中心として搖動することにより、繰り出す繊維22の位置を、x軸及びy軸に垂直な方向に移動可能である。ガイド110を制御することにより、ライナー10への繊維22の巻付け位置及び巻付け角度を制御することができる。
回転装置120は、ライナー10を回転させることにより、ガイド110から送り出された繊維22をライナー10に巻付ける装置である。回転装置120は、回転棒122と、支持棒124と、モータ126とを備える。回転棒122の一端はモータ126と接続されており、他端はライナー10に備えられた一方の口金部13に固定されている。支持棒124の一端はライナー10に備えられた他方の口金部13に固定されている。回転棒122と支持棒124とは、いずれも口金部13に挿入された状態で固定されている。回転装置120は、モータ126が回転することにより、回転棒122と共にライナー10が中心軸周りに回転するため、繊維22に張力をかけつつ、ライナー10に繊維22を巻付けることができる。
計測部130は、ライナー10の形状を計測する機器である。計測部130は、ライナー10の長手方向に移動可能であり、繊維22が巻かれる前のライナー10の形状及び繊維22が巻かれている状態におけるライナー10の形状を計測できる。本実施形態では、計測部130としてレーザ変位計を用いる。
制御部600は、フィラメントワインディング装置100の各装置を制御するための制御ユニットである。制御部600は、少なくとも、ガイド110と、計測部130とを制御する。制御部600は、各装置の制御に使用される図示しないCPU、RAM,ROMを備える。制御部600は、フィラメントワインディング装置100の各装置を制御することにより、所望の位置及び角度に、所望の張力で繊維22をライナー10に巻き付けることができる。
記憶部610は、制御部600と電気的に接続されており、基準形状と、巻付け条件とを予め記憶している。基準形状とは、巻付け対象物の基準となる形状である。巻付け条件とは、繊維22を巻付け対象物へ巻きつけるための条件である。本実施形態では、巻付け条件として、巻付け位置と、巻付け角度を含む。ここで、巻付け位置とは、繊維22が巻付け対象物に接する位置を言う。巻付け角度とは、繊維22が繰り出される位置と巻付け位置とを通る直線と、ライナー10の中心軸とが成す角度を言う。なお、巻付け条件として、さらに、巻付け速度を備えてもよい。巻付け速度とは、単位時間において、繊維が巻付け対象物に巻かれる長さを言う。
A3.フィラメントワインディング装置100の制御処理
図3は、フィラメントワインディング装置100の制御処理を示すフローチャートである。本実施形態では、利用者によってフィラメントワインディング装置100の開始ボタン(図示せず)がオンに設定された場合に、フィラメントワインディング装置100の制御処理が実行される。
開始ボタンがオンにされると、まず、制御部600は、計測部130により巻付け対象物であるライナー10の形状を計測させる(工程S110)。本実施形態では、計測部130がライナー10の長手方向に移動することにより、計測部130は、ライナー10に備えられた一方の口金部13から他方の口金部13までのライナー10全体の形状を計測する。
次に、制御部600は、記憶部610に記憶されているライナー10の基準形状と、計測部130により計測されたライナー10の実際の形状との差異の有無を判定する(工程S120)。本実施形態では、制御部600は、この差異が予め設定した値よりも大きい場合は差異があると判定し、この差異があらかじめ設定した値以下の場合は差異がないと判定する。本実施形態では、ライナー10の基準形状において、繊維22がライナー10に接する予定の位置と、ライナー10の実際の形状において、繊維22がライナー10に接する予定の位置との距離を用いて判定される。本実施形態では、制御部600は、この距離が5mmよりも大きい場合は差異があると判定し、この距離が5mm以下の場合は差異がないと判定する。
制御部600により基準形状と実際の形状との差異があると判定された場合(工程S120:Yes)、制御部600は、基準形状と実際の形状との差異を解消するように巻付け条件を補正する(工程S130)。その後、制御部600は、補正した巻付け条件によりガイド110を制御することによって、繊維22をライナーへ巻付ける(工程S140)。
制御部600により基準形状と実際の形状との差異がないと判定された場合(工程S120:No(図3参照))、制御部600は、予め記憶部610に記憶されている巻付け条件によりガイド110を制御することによって、繊維22をライナーへ巻付ける(工程S140)。以上により、フィラメントワインディング装置100の制御処理が終了する。
図4は、本実施形態における巻付け条件の補正方法を説明するための図である。図4において、ライナー10の基準形状を破線で示し、ライナー10の実際の形状を実線で示す。図4において、横軸をライナー10の中心軸方向であるx軸とし、縦軸をライナー10の径方向であるy軸とする。
図4において、ライナー10の実際の形状は、ライナー10の基準形状と比較して、口金部13の先端が図面右側にずれている場合を示す。ここで、ライナー10の基準形状(破線で図示)において繊維22がライナー10に接する予定の位置を、口金部13の先端から中心軸方向(x軸方向)にx1、径方向(y軸方向)にy1だけ離れた位置A1とする。この場合、ライナー10の実際の形状(実線で図示)において繊維22がライナー10に接する予定の位置は、口金部13の先端から中心軸方向(x軸方向)にx2、径方向(y軸方向)にy2だけ離れた位置A2となる。つまり、この場合において、制御部600が指令した位置に繊維22が配されたとしても、ライナー10の基準形状における巻付け位置A1と、ライナー10の実際の形状における巻付け位置A2とは異なることとなる。このため、制御部600は、位置A1と位置A2との距離を解消するように、演算処理によって巻付け位置及び巻付け角度を算出する。具体的には、制御部600は、ライナー10の実際の形状において、口金部13の先端から中心軸方向(x軸方向)にx1、径方向(y軸方向)にy1だけ離れた位置A3へと巻付け位置を補正する。また、制御部600は、ガイド110から繊維22が繰り出される位置と位置A1とを通る直線と、ライナー10の中心軸とが成す角θ1から、ガイド110から繊維22が繰り出される位置と位置A3とを通る直線と、ライナー10の中心軸とが成す角θ2へと巻付け角度を補正する。
本実施形態のフィラメントワインディング装置100によれば、ライナー10ごとの形状ばらつきに起因した繊維22の巻付け誤差を抑制できる。この結果として、繊維22の巻付け誤差に起因するタンク50の強度不足が起こることを抑制できる。
B.第2実施形態:
図5は、第2実施形態の制御処理を示すフローチャートである。第2実施形態のフィラメントワインディング装置は、第1実施形態のフィラメントワインディング装置と比較して、記憶部610において、さらに、基準形状と実際の形状との差異に対応した巻付け条件が複数記憶されていることが異なるが、それ以外は同じである。また、第2実施形態の制御処理は、第1実施形態の制御処理と比較して、工程S130の代わりに、工程S130Aを備える点が異なるが、それ以外は同じである。
ここで、基準形状と実際の形状との差異に対応した巻付け条件としては、例えば、図4に示したように、ライナー10の基準形状における巻付け位置A1、巻付け角度θ1であるときに、ライナー10の実際の形状における巻付け位置が位置A2となるとき、巻付け位置が位置A3、巻付け角度がθ2となる巻付け条件が挙げられる。本実施形態では、上述の例のように、ライナー10の基準形状における巻付け位置及び巻付け角度と、ライナー10の実際の形状における巻付け位置とが決定すると、対応した巻付け条件が一意となる情報が、異なる条件ごとに記憶部610に複数記憶されている。
第2実施形態の制御処理では、工程S130A(図5参照)において、制御部600は、基準形状と実際の形状との差異に対応した巻付け条件を選択する。そして、工程S140において、制御部600は、差異に対応した巻付け条件によってガイド110を制御することにより、繊維22をライナーへ巻付ける。本実施形態では、制御部600は、ライナー10の基準形状における巻付け位置及び巻付け角度と、ライナー10の実際の形状における巻付け位置から、この条件に対応する巻付け条件を選択する。
第2実施形態のフィラメントワインディング装置によれば、差異に対応した巻付け条件を予め記憶部610へ記憶していることにより、巻付け条件を補正するための演算が不要となる。このため、第2実施形態のフィラメントワインディング装置は、第1実施形態のフィラメントワインディング装置と比較して、演算負荷を小さくすることができる。
C.第3実施形態:
図6は、第3実施形態の制御処理を示すフローチャートである。第3実施形態のフィラメントワインディング装置は、第1実施形態のフィラメントワインディング装置と比較して、記憶部610において、さらに、(i)繊維22を基準形状へn層(nは正の整数)巻付けた後の形状であるn層基準形状と、(ii)n層基準形状への巻付け位置を含むn+1層目巻付け条件と、を予め記憶されていることが異なるが、それ以外は同じである。また、第3実施形態の制御処理は、第1実施形態の制御処理と比較して、工程S140の変わりに、工程S140Aを備え、さらに、工程S150から工程S190を備える点が異なるが、それ以外は同じである。
第2実施形態の制御処理では、工程S140Aにおいて、ガイド110を制御することによって、1層目の繊維22をライナーへ巻付ける。ここで、1層目の繊維22とは、ライナー10への繊維22の巻付けが開始されてから、ライナー10が中心軸周りに1回転する間に巻かれる繊維22をいう。同様に、n層目の繊維22とは、ライナー10への繊維22の巻付けが開始されてから、ライナー10が中心軸周りにn−1回転した後、ライナー10が中心軸周りに1回転する間に巻かれる繊維22をいう。
工程S140Aの後、制御部600は、1層目の繊維22を巻きつけた場合と同様に、2層目以降の繊維22についての巻付けを行う。つまり、2層目以降の繊維22についても、ライナー10へ巻付ける前にライナー10の形状を計測後、繊維22をライナー10へ巻付けていく。以下、理解を容易とする観点から、n(nは正の整数)を用いて説明する。具体的には、工程S140Aの後、制御部600は、計測部130により繊維22をライナー10へn層巻付けた形状を計測させる(工程S150)。
次に、制御部600は、記憶部610に記憶されているn層基準形状と、計測部130により計測された繊維22をn層巻付けたライナー10の実際の形状との差異の有無を判定する(工程S160)。本実施形態では、制御部600は、この差異が予め設定した値よりも大きい場合は差異があると判定し、この差異があらかじめ設定した値以下の場合は差異がないと判定する。本実施形態では、ライナー10のn層基準形状において、n+1層目の繊維22がライナー10に接する予定の位置と、繊維22をn層巻付けたライナー10の実際の形状において、n+1層目の繊維22がライナー10に接する予定の位置との距離を用いて判定される。本実施形態では、制御部600は、この距離が5mmよりも大きい場合は差異があると判定し、この距離が5mm以下の場合は差異がないと判定する。
制御部600によりn層基準形状と実際の形状との差異があると判定された場合(工程S160:Yes)、制御部600は、基準形状と実際の形状との差異を用いてn+1層目巻付け条件を補正する(工程S170)。その後、制御部600は、補正したn+1層目巻付け条件によりガイド110を制御することによって、n+1層目の繊維22をライナーへ巻付ける(工程S180)。
一方、制御部600によりn層基準形状と実際の形状との差異がないと判定された場合(工程S160:No)、制御部600は、予め記憶部610に記憶されているn+1層目巻付け条件によりガイド110と回転装置120とを制御することによって、n+1層目の繊維22をライナーへ巻付ける(工程S180)。
工程S180の後、工程S190において、制御部600は、繊維22の巻付けが終了かどうかを判定する。巻付けが終了ではないと制御部600が判定した場合(工程S190:No)、フローは工程S150に戻り、巻付けが終了と制御部600が判定した場合(工程S190:Yes)、フローは終了する。
第3実施形態のフィラメントワインディング装置によれば、繊維22を1層巻くごとに巻付け後のライナー10の形状を計測することにより、繊維22の巻付け誤差を抑制できる。この結果として、繊維22の巻付け誤差に起因するタンク50の強度不足が起こることを抑制できる。なお、第3実施形態のフィラメントワインディング装置は、第2実施形態のフィラメントワインディング装置と同様に、記憶部610において、さらに、n層基準形状と実際の形状との差異に対応したn+1層目巻付け条件が複数記憶されていてもよい。このようにすることにより、n+1層目巻付け条件を補正するための演算が不要となるため、演算負荷を小さくすることができる。
D.変形例:
上述の実施形態では、巻付け対象物としてライナー10を用いているが、本発明はこれに限らない。巻付け対象物として、例えば、パイプを用いてもよい。
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態や変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
10…ライナー
11…胴体部
12…ドーム部
13…口金部
21…繊維層
22…繊維
50…タンク
100…フィラメントワインディング装置
110…ガイド
120…回転装置
122…回転棒
124…支持棒
126…モータ
130…計測部
600…制御部
610…記憶部
CX…中心軸

Claims (3)

  1. フィラメントワインディング装置であって、
    巻付け対象物の基準形状と、前記基準形状の前記巻付け対象物への巻付け位置及び巻付け角度を含む巻付け条件と、を予め記憶する記憶部と、
    前記巻付け対象物に対して移動可能であり、繊維を前記巻付け対象物へ送り出すガイドと、
    前記巻付け対象物を回転させることにより、前記ガイドから送り出された前記繊維を前記巻付け対象物に巻付ける回転装置と、
    前記巻付け対象物の形状を計測する計測部と、
    少なくとも、前記ガイドと、前記計測部とを制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記計測部により巻付け対象物の形状を計測させ、
    前記記憶部に記憶されている前記基準形状と、計測された前記巻付け対象物の形状とに差異がある場合、前記差異を解消するよう補正した前記巻付け条件により、前記ガイドを制御することによって前記繊維を前記巻付け対象物へ巻付け
    前記記憶部は、さらに、前記差異に対応した巻付け条件を予め複数記憶しており、
    前記制御部は、前記記憶部に記憶されている前記基準形状と、計測された前記巻付け対象物の形状とに差異がある場合、前記差異に対応した巻付け条件により、前記ガイドを制御することによって前記繊維を前記巻付け対象物へ巻付ける、フィラメントワインディング装置。
  2. 請求項1に記載のフィラメントワインディング装置であって、
    前記記憶部は、さらに、前記繊維を前記基準形状へn層(nは正の整数)巻付けた後の形状であるn層基準形状と、前記n層基準形状への巻付け位置を含むn+1層目巻付け条件と、を予め記憶しており、
    前記制御部は、
    前記計測部により前記繊維を前記巻付け対象物へn層巻付けた形状を計測させ、
    前記記憶部に記憶されている前記n層基準形状と、計測された前記繊維を前記巻付け対象物へn層巻付けた形状とに差異がある場合、前記差異を解消するよう補正した前記n+1層目巻付け条件により、前記ガイドを制御することによって前記繊維を前記巻付け対象物へ巻付ける、フィラメントワインディング装置。
  3. フィラメントワインディング装置であって、
    巻付け対象物の基準形状と、前記基準形状の前記巻付け対象物への巻付け位置及び巻付け角度を含む巻付け条件と、を予め記憶する記憶部と、
    前記巻付け対象物に対して移動可能であり、繊維を前記巻付け対象物へ送り出すガイドと、
    前記巻付け対象物を回転させることにより、前記ガイドから送り出された前記繊維を前記巻付け対象物に巻付ける回転装置と、
    前記巻付け対象物の形状を計測する計測部と、
    少なくとも、前記ガイドと、前記計測部とを制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記計測部により巻付け対象物の形状を計測させ、
    前記記憶部に記憶されている前記基準形状と、計測された前記巻付け対象物の形状とに差異がある場合、前記差異を解消するよう補正した前記巻付け条件により、前記ガイドを制御することによって前記繊維を前記巻付け対象物へ巻付け、
    前記記憶部は、さらに、前記繊維を前記基準形状へn層(nは正の整数)巻付けた後の形状であるn層基準形状と、前記n層基準形状への巻付け位置を含むn+1層目巻付け条件と、を予め記憶しており、
    前記制御部は、
    前記計測部により前記繊維を前記巻付け対象物へn層巻付けた形状を計測させ、
    前記記憶部に記憶されている前記n層基準形状と、計測された前記繊維を前記巻付け対象物へn層巻付けた形状とに差異がある場合、前記差異を解消するよう補正した前記n+1層目巻付け条件により、前記ガイドを制御することによって前記繊維を前記巻付け対象物へ巻付ける、フィラメントワインディング装置。
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