KR102655005B1 - 와인딩 지지부 주위로 필라멘트를 와인딩하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

와인딩 지지부 주위로 필라멘트를 와인딩하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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플라스틱 옴니엄 뉴 에너지스 프랑스
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Abstract

베이스 (18) 에 고정된 유지 디바이스 (4) 에 의해 유지되는 일반적인 원통형 형상을 갖는 와인딩 지지부 (6) 주위로 필라멘트를 와인딩 위한 이러한 방법에서, 다음의 단계들이 동기화하여 발생된다:
(i) 상기 와인딩 지지부 (6) 를 향해, 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 에 의해, 필라멘트 (24) 를 공급하는 단계,
(ii) 상기 와인딩 지지부 (6) 의 피치 축 (10) 주위로 상기 베이스 (18) 에 대해 상기 와인딩 지지부 (6) 를 회전시키는 단계,
(iiiA) 상기 베이스 (18) 에 대해 상기 와인딩 지지부 (6) 의 요 축 (12) 주위로 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 를 무제한적으로 회전시키고/회전시키거나
(iiiB) 상기 베이스 (18) 에 대해 상기 와인딩 지지부 (6) 의 요 축 (12) 주위로 상기 와인딩 지지부 (6) 를 무제한으로 회전시키는 단계,
(iv) 상기 와인딩 지지부의 롤 축 (8) 주위로 상기 베이스 (18) 에 대해 상기 와인딩 지지부 (6) 를 무제한으로 회전시키는 단계.

Description

와인딩 지지부 주위로 필라멘트를 와인딩하기 위한 방법 및 시스템
본 발명은 차량용 고압 용기에 관한 것이다. 보다 정확하게, 본 발명은 와인딩 지지부 주위로 필라멘트를 와인딩하기 위한 방법 및 와인딩 지지부 주위로 필라멘트를 와인딩하기 위한 시스템에 관한 것이다.
차량용 고압 용기는 일반적으로 맨드릴 (mandrel) 형태의 블래더 (bladder) 와 같은 중공 용기 (hollow container) 를 포함하며, 돔 (dome) 형상의 종방향 단부를 구비한 일반적인 원통형 형상을 가지며, 플라스틱 재료로 제조되고, 이러한 재료는 제조하기에 가볍고 저렴하거나 다른 재료로 제조된다. 이 용기는 동력 공급원 (source of power) 과 같은 다양한 기능을 위한 압력 용기가 구비된 차량에 의해 사용되도록, 압력 하에서 가스, 예를 들어 이수소 (dihydrogen) 을 저장하기 위해 의도된다. 압력 하의 가스는 용기의 내부 표면에 강한 제약을 가하며, 이는 용기의 완전성을 손상시키고 특히 이수소와 같은 가연성 가스로 인한 위험한 누출을 야기할 수 있다.
용기의 기계적 특성을 향상시키기 위해, 보강 섬유, 예를 들어 탄소 섬유로 제조된 필라멘트를 용기 전체 주위로 와인딩하여 와인딩 지지부를 형성하는 것이 공지되어 있다. 필라멘트는 와인딩을 용이하게 하고 와인딩 지지부의 외부 표면의 각각의 피스를 확실히 커버하기 위해 수지 내에 매립된다. 이러한 와인딩 작업은 필수적이지만, 상당히 긴 시간이 소요되며, 압력 용기의 제조 시간을 과도하게 연장시키지 않도록 이러한 작업의 기간을 가능한 많이 감소시키는 것이 바람직하다. 문헌 US3333778A 는 와인딩 시스템 및 상기 와인딩 시스템에 의해 구현되는 와인딩 방법을 개시한다.
본 문헌에서는 와인딩 지지부 주위로 필라멘트를 와인딩하기 위한 다소 빠른 방법을 제안하지만 이는 아직 개선의 여지가 있다. 실제로, 이러한 시스템을 사용하여, 필라멘트 공급 속도는 와인딩 방법 동안 크게 변화하며, 와인딩 지지부의 종방향 단부 주위에 필라멘트를 배치할 때 현저히 느리게 된다. 이는 시간의 손실 및 따라서 상당히 긴 시간의 와인딩 방법을 초래한다. 결과적으로, 와인딩 시스템의 생산성은 최적이지 않으며 와인딩 방법은 시간 최적화되지 않는다.
상기 관점에서, 모든 알려진 와인딩 패턴이 고압 용기의 생산 비용 및 속도를 최적화하도록 허용하면서 와인딩 작업의 기간을 감소시킬 필요가 있다.
이를 위해, 본 발명에 따르면, 돔 형상의 종방향 단부들을 구비한 일반적인 원통형 형상을 갖고 롤 축을 갖는 와인딩 지지부 주위에 필라멘트를 와인딩하기 위한 방법이 제공되고, 상기 와인딩 지지부는 베이스에 고정된 유지 디바이스에 의해 유지되고, 상기 방법은 동기화로 발생하는, 다음으로 단계들,
(i) 상기 와인딩 지지부를 향해, 적어도 하나의 공급 디바이스에 의해, 필라멘트를 공급하는 단계,
(ii) 상기 와인딩 지지부의 피치 축 주위로 상기 베이스에 대해 상기 와인딩 지지부를 회전시키는 단계,
(iiiA) 상기 베이스에 대해 상기 와인딩 지지부의 요 축 주위로 적어도 하나의 공급 디바이스를 무제한적으로 회전시키고/회전시키거나
(iiiB) 상기 베이스에 대해 상기 와인딩 지지부의 요 축 주위로 상기 와인딩 지지부를 무제한으로 회전시키는 단계, 및
(iv) 상기 와인딩 지지부의 롤 축 주위로 상기 베이스에 대해 상기 와인딩 지지부를 무제한으로 회전시키는 단계로 이루어지는 단계들을 포함한다.
적어도 하나의 공급 디바이스 및 와인딩 지지부의 이동들에 대해 더 많은 자유도를 허용함으로써, 와인딩 방법을 가속화할 수 있다. 실제로, 이들 요소의 서로에 대한 이동을 동기화하여 구성함으로써, 적어도 하나의 공급 디바이스에 의해 와인딩 지지부에 공급되는 필라멘트의 경로 (pathing) 및 페이스를 최적화하는 것이 가능하다. 이와 같이, 필라멘트 공급 속도는 앞서 인용한 종래 기술의 문헌에서보다 일정하다. 종래 기술에서 공급 속도가 감소되어야 하는 와인딩 지지부의 구역들 상에 필라멘트가 놓이면, 여기서 와인딩 경로에 영향을 주지 않고 공급 속도의 덜 중요한 감속을 요구하는 방식으로, 와인딩 지지부 및 단계 (iiiB) 의 경우에 적어도 하나의 공급 디바이스를 이동시킬 수 있고, 따라서 와인딩 작업의 기간을 감소시킨다. 즉, 방법은 적어도 하나의 공급 디바이스로부터 필라멘트의 더 일정한 공급 속도를 갖도록 허용하여, 와인딩 동작의 기간을 감소시킨다.
"필라멘트"라는 표현은 복합 재료를 형성하기 위해 액체 매트릭스로 함침되는 것이 바람직한, 연속 섬유 토우 (continuous fiber tow), 바람직하게는 탄소 섬유, 유리 섬유 또는 아라미드 섬유를 의미한다. 복합 재료는 사용되는 매트릭스의 타입에 따라 크게 2개의 메인 패밀리가 있다. 매트릭스로서 열경화성 수지 또는 열가소성 폴리머로 형성된 열경화성 복합재 및 열가소성 복합재가 제공된다.
열경화성 수지는 열경화성 수지를 형성하기 위해 경화 조건 (예를 들어, 열, UV 또는 다른 방사선, 또는 단순히 이들을 서로 접촉시키는 것 등) 에 노출 시 반응하는 반응성 열경화성 전구체를 형성하는 2개 이상의 반응성 성분을 혼합함으로써 형성된다. 열경화성 매트릭스는 고성능 복합재를 산출하기 위해 완전히 경화되어야 한다. 일단 경화되면, 열경화성 수지는 고체이며, 수지가 더 이상 유동할 수 없기 때문에 더 이상 프로세싱되거나 재성형될 수 없다. 열경화성 수지의 예는 불포화 폴리에스테르, 에폭시, 비닐 에스테르, 폴리우레아, 이소시아누레이트, 및 폴리우레탄 수지를 포함한다. 점착성이지만 여전히 연질이도록 부분적으로만 경화된 반응성 수지로 함침된 섬유로 제조된 열경화성 프리프레그 (prepreg) 를 제조하는 것이 가능하다. 프리프레그는 저장되고 나중에 프리프레그를 완전히 경화시키고 고형화시시키도록 수지를 가열하거나 UV 에 노출시킴으로써 압력 하에서 추가로 프로세싱될 수 있다.
열가소성 폴리머는 각각 온도를 증가 및 하강시킴으로써 고체 상태 (또는 비-유동성 상태) 로부터 액체 상태 (또는 유동성 상태) 로 그리고 그 반대로 통과할 수 있다. 반결정성 폴리머의 경우, 열가소성 물질의 온도를 낮추는 것은 열가소성 물질의 고화 및 결정의 형성이 촉진된다. 역으로, 반결정질 폴리머를 용융 온도 초과로 가열하는 것은 결정을 용융시키고 열가소성 물질을 유동시킬 수 있다. 반결정질 열가소성 물질의 예는 폴리에테르 케톤, 예컨대 PEEK, PEKK, PEKKEK, 폴리아미드, 예컨대 PA6, PA66, PA10, PA12, 폴리올레핀, 예컨대 PE, PP 등을 포함한다. 무정형 열가소성 물질은 결정을 형성하지 않고, 용융 온도를 갖지 않는다. 비정질 열가소성 물질은 재료 온도가 그 유리 전이 온도 미만인지 또는 초과인지에 따라 고화되거나 유동성으로 된다. 무정형 열가소성 물질의 예는 PEI, PSU, PES, PC, PS, TPU 등을 포함한다. 따라서, 반결정질 및 비정질 열가소성 물질 둘 모두는 그 용융 또는 유리 전이 온도 초과로 그것들을 가열함으로써 재성형될 수 있고, 따라서 온도를 낮춤으로써 그 새로운 형상으로 동결될 수 있다. 물리적 관점에서 엄격하게 정확하지는 않지만, 단순화를 위해, 액체 상태의 반결정질 및 비정질 열가소성 물질 둘 모두는 본 명세서에서 "열가소성 용융물"로 지칭된다.
유리하게, 방법은 다른 단계들과 동기화하여, 상기 베이스에 대해 상기 와인딩 지지부의 상기 피치 축을 따라 상기 적어도 하나의 공급 디바이스 및/또는 상기 와인딩 지지부를 병진시키는 단계로 이루어지는 단계를 추가로 포함한다.
유리하게, 방법은 다른 단계들과 동기화하여, 상기 베이스에 대해 상기 와인딩 지지부의 요 축을 따라 적어도 하나의 공급 디바이스 및/또는 상기 와인딩 지지부를 병진시키는 단계로 이루어지는 단계를 추가로 포함한다.
유리하게, 방법은 다른 단계들과 동기화하여, 반대 방향들로 상기 와인딩 지지부의 상기 롤 축을 따라 상기 와인딩 지지부 및/또는 적어도 하나의 공급 디바이스를 병진시키는 단계로 이루어진 단계를 추가로 포함한다.
와인딩 지지부의 이동에 제공되는 이러한 모든 자유도는 적어도 하나의 공급 디바이스에 의해 와인딩 지지부로 공급되는 필라멘트의 경로 및 페이스를 추가로 최적화하도록 허용하고, 따라서 와인딩 방법 기간을 추가로 감소시킨다.
유리하게, 방법은 다른 단계들과 동기화하여, 적어도 하나의 공급 디바이스에 대해 상기 와인딩 지지부를 이동시키거나 또는 상기 와인딩 지지부에 대해 적어도 하나의 공급 디바이스를 이동시키는 단계로 이루어진 단계를 추가로 포함한다.
공간에서의 이동은, 와인딩 지지부의 중심 원통형 부분 주위로 랩핑할 때 와인딩 지지부에 가깝게 이동할 경우 및 와인딩 지지부의 더 짧은 돔-형상의 종방향 단부 주위로 랩핑할 때, 와인딩 지지부 및 적어도 하나의 공급 디바이스를 상대적으로 이동시킴으로써, 필라멘트 상에 유도되는 순간적인 응력 및 스트레인이 최소화되는 방식으로 필라멘트의 디포지션 경로와 조화되어, 전형적으로 더 많은 필라멘트를 테이크업 (take up) 한다.
이는 또한 본 발명의 여러 가지 다른 개선을 허용한다: 예를 들어 그 적용 동안 와인딩 지지부로 필라멘트를 당김으로써 필라멘트 적용 속도의 편차의 더 나은 보상; 공급 디바이스를 와인딩 지지부에 가능한 한 가깝게 배치할 수 있는 가능성을 갖는 레이-오프 정확도 (lay-off accuracy) 의 증가; 및 공간에서의 필라멘트의 더 안정적인 위치설정이 구성될 수 있다. 필라멘트 와인딩의 더 높은 정밀도는 적어도 하나의 공급 디바이스가 와인딩 지지부에 대해 더 가깝게 위치될수록 가능해진다. 증가된 정확성, 정밀도 및 안정성은 방법의 재현성을 향상시킨다.
유리하게는, 상기 적어도 하나의 공급 디바이스에, 필라멘트 재료 언와인더 (unwinder) 및/또는 필라멘트 수지 함침 시스템에 의해 필라멘트가 공급되고, 단계 (iiiA) 는, 필라멘트 재료 언와인더 및/또는 필라멘트 수지 함침 시스템을 상기 와인딩 지지부의 요 축 주위로 회전시키는 단계를 추가로 포함한다.
이는 와인딩 지지부에 대한 적어도 하나의 공급 디바이스의 비틀림 없는 필라멘트 공급을 얻을 수 있게 한다.
유리하게, 단계 (iiiA) 는 상기 베이스에 대해 상기 와인딩 지지부의 상기 요 축 주위로 상기 적어도 하나의 공급 디바이스를 회전시키고 상기 베이스에 대해 상기 와인딩 지지부의 상기 롤 축 주위로 상기 와인딩 지지부를 회전시키는 단계로 이루어지고, 이들 2개의 회전들은 반대 방향들로 발생한다.
반대 방향들로 발생하는 이들 2개의 회전은 적어도 하나의 공급 디바이스에 대한 와인딩 지지부의 회전 속도를 증가시키는 적어도 하나의 공급 디바이스에 대한 와인딩 지지부의 반대 모션을 생성한다. 이러한 반대 모션은 필라멘트가 중간 또는 높은 나선형 와인딩 패턴을 따르거나 또는 와인딩 지지부 주위로 원형 후프들 (hoops) 의 형태로 와인딩될 때 달성될 수 있다.
유리하게 필라멘트는 다수의 공급 디바이스들, 바람직하게는 2개의 공급 디바이스들에 의해 와인딩 지지부에 공급된다.
추가적인 공급 디바이스 또는 디바이스들은 와인딩 속도를 배가시키는 것을 허용한다. 2개의 공급 디바이스의 경우 와인딩 속도는 최대 2 배까지 배가되고 와인딩 방법이 그만큼 복잡해지지 않아 구현이 용이하다.
또한, 본 발명에 따르면, 압력 용기를 제조하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은 상기 제시된 바와 같은 와인딩 지지부 주위로 필라멘트를 와인딩하는 방법을 포함한다.
또한, 본 발명에 따르면 돔-형상의 종방향 단부를 구비한 일반적인 원통형 형상을 갖고 롤 축을 갖는 와인딩 지지부 상에 필라멘트를 와인딩하기 위한 시스템이 제공되며, 이 시스템은 다음을 포함한다:
- 베이스,
- 와인딩 지지부가 와인딩 지지부의 피치 축과 관련하여 베이스에 대해 회전할 수 있도록, 와인딩 지지부를 유지하도록 구성된 프레임을 포함하는, 베이스에 연결된 유지 디바이스, 및
- 프레임을 향해 필라멘트를 공급하도록 배열된 적어도 하나의 공급 디바이스를 포함하고,
시스템은 적어도 하나의 공급 디바이스가 와인딩 지지부의 요 축 주위로 베이스에 대해 회전하도록 구성된다.
이 시스템은 단계 (iiiA) 가 발생하는 전술한 바와 같은 와인딩 방법의 구현을 허용한다.
또한, 본 발명에 따르면 돔-형상의 종방향 단부를 구비한 일반적인 원통형 형상을 갖고 롤 축을 갖는 와인딩 지지부 상에 필라멘트를 와인딩하기 위한 시스템이 제공되며, 이 시스템은 다음을 포함한다:
- 베이스,
- 와인딩 지지부가 와인딩 지지부의 피치 축과 관련하여 베이스에 대해 회전할 수 있도록, 와인딩 지지부를 유지하도록 구성된 프레임을 포함하는, 베이스에 연결된 유지 디바이스, 및
- 프레임을 향해 필라멘트를 공급하도록 배열된 적어도 하나의 공급 디바이스를 포함하고,
시스템은 프레임이 와인딩 지지부의 요 축 주위로 베이스에 대해 무제한으로 회전하도록 구성된다.
이 시스템은 단계 (iiiB) 가 발생하는 전술한 바와 같은 와인딩 방법의 구현을 허용한다.
"무제한적으로 회전"한다라는는 표현은 다수의 완전 회전이 가능하다는 것을 의미한다. 언급된 바와 같은 시스템의 맥락에서, 이는 프레임이 와인딩 지지부의 요 축 주위로 베이스에 대해 다수의 완전 회전을 행할 수 있다는 것을 의미한다. 즉, 프레임의 회전 스팬 (span) 이 360°보다 크다는 것을 의미한다.
유리하게, 상기 프레임 및 상기 적어도 하나의 공급 디바이스는 서로 상대 모션으로 이동할 수 있도록 구성된다.
이는 비구형 원통형 와인딩 지지부를 와인딩할 때 즉각적인 필라멘트 테이크업을 감소시킬 수 있게 한다.
유리하게, 와인딩 지지부 및/또는 적어도 하나의 공급 디바이스는 베이스에 대해 와인딩 지지부의 피치 축을 따라 병진하도록 구성된다.
유리하게, 와인딩 지지부 및/또는적어도 하나의 공급 디바이스는 베이스에 대해 와인딩 지지부의 요 축을 따라 병진하도록 구성된다.
유리하게, 와인딩 지지부 및/또는 적어도 하나의 공급 디바이스는 베이스에 대해 와인딩 지지부의 롤 축을 따라 병진하도록 구성된다.
와인딩 지지부의 이동에 제공되는 이러한 모든 자유도는 적어도 하나의 공급 디바이스에 의해 와인딩 지지부로 공급되는 필라멘트의 경로 및 페이스를 추가로 최적화하도록 허용하고, 따라서 와인딩 방법 기간을 추가로 감소시킨다.
유리하게는, 프레임은 와인딩 지지부의 롤 축 주위로 제한 없이 회전하도록 추가로 구성된다.
따라서, 쓸모없고 따라서 필라멘트 손실 및 와인딩 지지부를 와인딩하는데 소비되지 않은 시간 손실을 나타내는, 프레임 상에 필라멘트가 디포짓팅 (depositing) 되는 것을 방지하기 위해 프레임을 이동시키는 것이 가능하다.
유리하게, 시스템은 유지 디바이스의 이동들, 적어도 하나의 공급 디바이스의 이동 및 적어도 하나의 공급 디바이스에 의해 적용되는 필라멘트의 테이크업 (take up) 속도를 동기화하여 명령하도록 구성된, 유지 디바이스와 적어도 하나의 공급 디바이스 모두에 공통적인, 명령 디바이스를 포함한다.
따라서, 시스템의 모든 요소들의 명령은 유일한 명령 디바이스에 의해 집중화되며, 이는 와인딩 방법의 단계들의 더 용이한 동기화를 허용한다.
유리하게, 유지 디바이스는 관절형 아암, 바람직하게는 6축 로봇, 직교 좌표 로봇 또는 선택적 컴플라이언스 관절형 로봇 아암 로봇을 포함한다.
이러한 타입의 로봇 관절형 아암은 명령하기 쉬우면서 와인딩 지지부에 필요한 자유도를 제공하는데 편리하다.
유리하게는, 시스템은 다수의 공급 디바이스, 바람직하게는 2개의 공급 디바이스를 포함한다.
추가적인 공급 디바이스 또는 디바이스들은 와인딩 속도를 배가시키는 것을 허용한다. 2개의 공급 디바이스의 경우 와인딩 속도는 최대 2 배까지 배가되고 와인딩 방법이 그만큼 복잡해지지 않아 거의 구현이 용이하다.
또한, 본 발명에 따르면, 프로세서에 의해 실행될 때, 프로세서로 하여금 상기 제공된 바와 같은 방법을 수행하게 하는 명령어들을 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체가 제공된다.
다른 특징들 및 이점들은, 예시적이고 비제한적인 예로서 주어지고 첨부된 도면들과 함께 다음의 설명을 정독함으로써 나타날 것이다.
- 도 1 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 와인딩 지지부 상에 필라멘트를 와인딩하기 위한 시스템의 3차원 도면이고,
- 도 2 내지 도 5 는 도 1 의 시스템에 의해 수행되는 본 발명에 따른 와인딩 방법에 의해 허용되는 상이한 와인딩 패턴을 도시하고,
- 도 6 은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 와인딩 지지부 상에 필라멘트를 와인딩하는 시스템의 3차원 도면이다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 와인딩 지지부 상에 필라멘트를 와인딩하기 위한 시스템 (2) 을 나타낸다. 이하의 설명에서, 이 시스템 (2) 은 "와인딩 시스템"으로 참조될 것이다.
와인딩 시스템 (2) 은 본 발명에 따른 와인딩 방법을 수행함으로써 와인딩될 와인딩 지지부 (6) 를 유지하도록 구성된 유지 디바이스 (4) 를 포함한다. 와인딩 지지부 (6) 는 차량용 고압 용기의 일부를 형성하기 위해 의도된다. "고압 용기"라는 표현은 350 bar 에 이르는 내부 압력을 견딜 수 있는 압력 하에서 가스를 저장하도록 의도된 압력 용기를 의미한다. 이와 같이, 와인딩 지지부 (6) 는 맨드릴 (mandrel) 형태의 블래더 (bladder) 일 수 있다. 와인딩 지지부 (6) 는 와인딩 지지부 (6) 의 종방향 축을 규정하는 일반적인 원통 형상을 갖는다.
와인딩 지지부 (6) 의 무게 중심에 의해 형성된 원점 (origin) 을 고려함으로써, 예를 들어 Clancy L.J., Pitman Publishing Limited (1975), ISBN 0-273-01120-0, Section 16.6 에 의한 "Aerodynamics" 의 매뉴얼에서 규정된 항공기의 주축들의 명칭을 참조하여 3개의 축들, 즉 롤 축 (8), 피치 축 (10) 및 요 축 (12) 을 포함하는 3차원 좌표계를 규정할 수 있다. 롤 축 (8) 은 바람직하게는 종방향 축과 동일 선상에 있고 와인딩 지지부 (6) 의 무게 중심을 통과한다. 요 축 (12) 은 수직이고 와인딩 지지부 (6) 의 무게 중심을 통과한다. 피치 축 (10) 은 롤 축 (8) 에 수직이고 와인딩 지지부 (6) 의 무게 중심을 통과한다. 와인딩 지지부 (6) 의 무게 중심, 롤 축 (8), 피치 축 (10) 및 요 축 (12) 은 도 1 에 도시되어 있다.
와인딩 지지부 (6) 는 원통형 형상을 갖는 중심 부분 및 롤 축 (8) 에 대해 중심 부분의 대향 측면들에 위치된 2개의 돔 형상의 종방향 단부 (14) 를 갖는다. 와인딩 지지부 (6) 는 돔 형상의 종방향 단부 (14) 중 하나에 위치하는 적어도 하나의 보스를 포함한다. 바람직하게는, 와인딩 지지부 (6) 는 돔 형상의 종방향 단부 (14) 의 양쪽에 위치된 2개의 보스를 포함한다.
유지 디바이스 (4) 는 와인딩 시스템 (2) 의 베이스 (18) 에 연결된 관절형 아암 (16) 을 포함한다. 관절형 아암 (16) 은 베이스 (18) 와 관련하여 와인딩 지지부 (6) 의 이동에 대해 높은 수의 자유도를 허용하도록 구성된다. 여기서, 관절형 아암 (16) 은 6축 로봇, 직교 좌표 로봇 (Cartesian coordinate robot) 또는 종종 SCARA 로봇으로 참조되는 선택적 컴플라이언스 관절형 로봇 아암 (Cartesian coordinate robot or a Selective Compliance Articulated Robot Arm) 로봇에 의해 형성되지만, 임의의 다른 적절한 수단에 의해 이들 타입의 로봇을 대체하는 것이 가능하다.
유지 디바이스 (4) 는 관절형 아암 (16) 의 말단에 장착된 프레임 (20) 을 포함한다. 프레임 (20) 은 프레임 (20) 의 형상 내에 와인딩 지지부 (6) 를 수용하도록 치수설정된 "U"의 일반적인 형상을 갖는다. 와인딩 지지부 (6) 는 와인딩 지지부 (6) 의 보스 또는 보스들을 클램핑함으로써 프레임 (20) 에 의해 유지된다.
프레임 (20) 은 와인딩 지지부 (6) 가 와인딩 지지부 (6) 의 피치 축 (10) 과 관련하여 베이스 (18) 에 대해 회전할 수 있도록, 와인딩 지지부 (6) 를 유지하도록 구성된다. 프레임 (20) 은 와인딩 지지부 (6) 의 롤 축 (8), 피치 축 (10) 및 요 축 (12) 과 각각 동일 선상에 있는 롤 축, 피치 축 및 요 축을 갖는다.
프레임 (20) 은 또한 요 축 (12) 과 관련하여 관절형 아암 (14) 에 대해 회전하고 관절형 아암 (14) 에 대해 롤 축 (8) 을 따라 병진하도록 구성된다.
와인딩 시스템 (2) 은 프레임 (20) 및 와인딩 지지부 (6) 를 향해 필라멘트 (24) 를 공급하도록 배열된 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 를 포함한다. 필라멘트 (24) 는 와인딩 지지부 (6) 전체 주위로 와인딩될 수 있도록 밴드와 같은 형상의 수지에 매립된 보강 섬유로 제조된다. 여기서, 와인딩 시스템 (2) 은 하나의 공급 디바이스로 구성되지만, 본 발명의 변형예에 따르면 더 많은 공급 디바이스들, 바람직하게는 와인딩 속도를 배가하기 위해 와인딩 지지부의 요 축 (12) 에 대해 서로 반대 포지션에 위치되는 2개의 공급 디바이스들이 제공될 수 있다.
공급 디바이스 (22) 는 필라멘트 (24) 가 와인딩 지지부 (6) 의 방향으로 통과하는 와인딩 아이 (winding eye) 를 포함한다. 필라멘트 (24) 는 인-라인 함침이 제공되어야 하는 경우에 필라멘트 재료 언와인더 (unwinder) (도시되지 않음) 및/또는 필라멘트 수지 함침 시스템 (도시되지 않음) 이 구비된 베이스 (16) 에 연결된, 공급 스테이션 (26) 에 의해 연속적으로 제공된다.
공급 디바이스 (22) 는 와인딩 동안 와인딩 지지부 (6) 에 공급되는 필라멘트 (24) 의 양을 가속시키거나 느기레 하도록 구성된 액추에이터 및 브레이크를 구비한다. 공급 스테이션 (26) 은 또한 이러한 액추에이터 및 브레이크를 구비할 수 있다.
와인딩 시스템 (2) 은 유지 디바이스 (4) 의 이동들, 공급 디바이스 (22) 의 이동 및 공급 디바이스 (22) 에 의해 적용되는 필라멘트 (24) 의 테이크업 (take up) 속도를 동기화하여 명령하도록 구성된, 유지 디바이스 (4) 와 공급 디바이스 (22) 모두에 공통적인, 명령 디바이스 (28) 를 포함한다.
명령 디바이스 (28) 는 다음의 단계들로 이루어지는, 명령 디바이스 (28) 에 의해 동기화하여 발생하는, 단계들을 포함하는 와인딩 방법을 구현하기에 적합하다:
(i) 와인딩 지지부 (6) 를 향해, 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 에 의해, 필라멘트 (24) 를 공급하는 단계,
(ii) 와인딩 지지부 (6) 의 피치 축 (10) 주위로 베이스 (18) 에 대해 상기 와인딩 지지부 (6) 를 회전시키는 단계,
(iiiA) 베이스 (18) 에 대해 와인딩 지지부 (6) 의 요 축 (12) 주위로 공급 디바이스 (22) 를 무제한적으로 회전시키고/회전시키거나
(iiiB) 베이스 (18) 에 대해 와인딩 지지부 (6) 의 요 축 (12) 주위로 와인딩 지지부 (6) 를 무제한으로 회전시키는 단계, 및
(iv) 와인딩 지지부 (6) 의 롤 축 (8) 주위로 베이스 (18) 에 대해 와인딩 지지부 (6) 를 무제한으로 회전시키는 단계.
방법은 엄격하지 않은 극성 와인딩 패턴들을 허용하면서 일반적인 극성 와인딩 타입의 기술을 따른다. 와인딩 방법은 상이한 타입의 와인딩 패턴을 허용한다.
도 2 는 필라멘트 (24) 가 낮은 각도 나선형 와인딩에 따라 와인딩 지지부 (6) 주위로 와인딩되는 와인딩 방법의 제 1 구현예를 도시한다. 필라멘트 (24) 는 20° 보다 낮은 와인딩 지지부 (6) 의 롤 축 (8) 에 대한 각도로 놓인다. 와인딩 지지부 (6) 의 롤 축 (8), 피치 축 (10) 및 요 축 (12) 은 고정되고, 와인딩 지지부 (6) 의 무게 중심은 와인딩 방법 동안 그 포지션에서 안정적으로 유지된다. 공급 디바이스 (22) 는 와인딩 지지부 (6) 가 그 피치 축 (10) 주위로 틸팅되면서, 요 축 (12) 주위로 와인딩 지지부 (6) 에 대해 회전된다. 와인딩 지지부 (6) 의 높이 포지션은 공급 디바이스 (22) 에 대한 와인딩 지지부 (6) 의 상대 속도를 증가시키도록 와인딩 지지부 (6) 및 공급 디바이스 (22) 모두에 의해 반대 방향들로 요 축 (12) 을 따라 병진함으로써 와인딩 방법 동안 보상된다. 와인딩 지지부 (6) 는 또한 공급 디바이스 (22) 에 대한 타원 경로를 제공하도록, 그것들을 서로 더 가깝게 또는 더 서로 더 멀게 하기 위해 공급 디바이스 (22) 에 대해 그 피치 축 (10) 을 따라 병진된다. 프레임 (20) 은 프레임 (20) 상에서 필라멘트 (24) 의 임의의 디포지션을 방지하도록 공급 디바이스 (22) 의 반대 포지션에 유지된다. 회전 및 병진은 또한 필라멘트 (24) 가 와인딩 지지부 (6) 의 보스 또는 보스들에 놓이는 것을 방지하도록 조정된다.
도 3 은 중간 각도 나선형 와인딩에 따라 필라멘트 (24) 가 와인딩 지지부 (6) 주위로 와인딩되는 와인딩 방법의 제 2 구현예를 도시한다. 필라멘트 (24) 는 20° 와 55° 사이의 와인딩 지지부 (6) 의 롤 축 (8) 에 대한 각도로 놓인다. 공급 디바이스 (22) 는 요 축 (12) 주위로 와인딩 지지부 (6) 에 대해 회전되는 한편, 와인딩 지지부 (6) 는 각도 패턴을 분배하기 위해 각각 그 피치 축 (10) 주위로 상하로 틸팅된다. 와인딩 지지부 (6) 는 또한 공급 디바이스 (22) 에 대해 그 피치 축 (10) 을 따라 병진된다. 프레임 (20) 은 프레임 (20) 상에서 필라멘트 (24) 의 임의의 디포지션을 방지하도록 공급 디바이스 (22) 의 반대 포지션에 유지된다. 회전 및 병진은 또한 필라멘트 (24) 가 와인딩 지지부 (6) 의 보스 또는 보스들에 놓이는 것을 방지하도록 조정된다.
도 4 는 필라멘트 (24) 가 높은 각도 나선형 와인딩에 따라 와인딩 지지부 (6) 주위로 와인딩되는 와인딩 방법의 제3 구현예를 도시한다. 필라멘트 (24) 는 55° 와 85° 사이의 와인딩 지지부 (6) 의 롤 축 (8) 에 대한 각도로 놓인다. 공급 디바이스 (22) 는 요 축 (12) 주위로 와인딩 지지부 (6) 에 대해 회전하는 한편, 와인딩 지지부 (6) 는 각도 패턴을 분배하도록 요 축 (12) 을 따라 상하로 이동한다. 와인딩 지지부 (6) 는 또한 공급 디바이스 (22) 에 대한 타원 경로를 제공하도록, 그것들을 서로 더 가깝게 또는 더 서로 더 멀게 하기 위해 공급 디바이스 (22) 에 대해 그 피치 축 (10) 을 따라 병진된다. 프레임 (20) 은 프레임 (20) 상에서 필라멘트 (24) 의 임의의 디포지션을 방지하도록 공급 디바이스 (22) 의 반대 포지션에 유지된다. 회전 및 병진은 또한 필라멘트 (24) 가 와인딩 지지부 (6) 의 보스 또는 보스들에 놓이는 것을 방지하도록 조정된다.
도 5 는 원형 후프 와인딩에 따라 필라멘트 (24) 가 와인딩 지지부 (6) 주위로 와인딩되는 와인딩 방법의 제 4 구현예를 도시한다. 필라멘트 (24) 는 85°보다 높은 와인딩 지지부 (6) 의 롤 축 (8) 에 대한 각도로 놓인다. 공급 디바이스 (22) 는 요 축 (12) 주위로 와인딩 지지부 (6) 에 대해 회전하는 한편, 와인딩 지지부 (6) 는 각도 패턴을 분배하도록 요 축 (12) 을 따라 상하로 이동한다. 와인딩 지지부 (6) 는 반대 회전을 생성하기 위해 공급 디바이스 (22) 의 회전 동안 그 롤 축 (8) 주위로 회전되어, 와인딩 방법을 가속화할 수 있다. 프레임 (20) 은 프레임 (20) 상에서 필라멘트 (24) 의 임의의 디포지션을 방지하도록 공급 디바이스 (22) 의 반대 포지션에 유지된다.
선택된 패턴에 따라, 이전에 나열된 방법 단계가 모두 수행되어야 하는 것은 아니다. 즉, 패턴의 결정은 와인딩 지지부 (6), 프레임 (20) 및 공급 디바이스 (22) 의 상이한 이동을 선택하고 파라미터화함으로써 이루어진다.
도 6 은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 와인딩 지지부 상에 필라멘트를 와인딩하기 위한 와인딩 시스템 (2') 을 나타낸다. 이는 공급 디바이스 (22) 가 더 이상 그 요 축 주위로 회전하도록 구성되지 않는다는 점에서, 제 1 실시예의 와인딩 시스템과 상이하다. 대신에, 와인딩 지지부 (6) 는 베이스 (18) 에 대해, 유지 디바이스 (4) 로 인해, 그 요 축 (12) 주위로 회전하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 와인딩 지지부 (6) 와 공급 디바이스 (22) 사이의 상대 이동은 동일하게 유지된다. 따라서, 와인딩 시스템 (2') 은 전술된, 제 1 실시예의 와인딩 시스템과 동일한 와인딩 방법의 구현을 가능하게 한다. 제 1 실시예의 공급 시스템의 모든 다른 특징들은 와인딩 시스템 (2') 으로 전치가능하다.
상기 실시예들은 예시적이며 제한적인 실시예들이 아니다. 명백하게, 본 발명의 개념으로부터 벗어나지 않고 상기 교시에 비추어 본 발명의 많은 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명은 구체적으로 설명된 것과 달리 실시될 수 있음을 이해하여야 한다.
2; 2': 와인딩 시스템
4 : 유지 디바이스
6: 와인딩 지지부
8: 와인딩 지지부의 롤 축
10: 와인딩 지지부의 피치 축
12: 와인딩 지지부의 요 축
14: 와인딩 지지부의 돔 형상의 단부들
16: 관절형 아암
18: 베이스
20: 프레임
22: 공급 디바이스
24: 필라멘트
26: 공급 스테이션
28: 공급 디바이스

Claims (20)

  1. 돔 형상의 종방향 단부들 (14) 을 구비한 일반적인 원통형 형상을 갖고 롤 축 (8) 을 갖는 와인딩 지지부 (6) 주위로 필라멘트를 와인딩하기 위한 방법으로서,
    상기 와인딩 지지부 (6) 는 베이스 (18) 에 고정된 유지 디바이스 (4) 에 의해 유지되고, 상기 방법은 동기화하여 발생하는,
    (i) 상기 와인딩 지지부 (6) 를 향해, 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 에 의해, 필라멘트 (24) 를 공급하는 단계,
    (ii) 상기 와인딩 지지부 (6) 의 피치 축 (10) 주위로 상기 베이스 (18) 에 대해 상기 와인딩 지지부 (6) 를 회전시키는 단계,
    (iiiA) 상기 베이스 (18) 에 대해 상기 와인딩 지지부 (6) 의 요 축 (12) 주위로 상기 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 를 무제한적으로 회전시키고/회전시키거나
    (iiiB) 상기 베이스 (18) 에 대해 상기 와인딩 지지부 (6) 의 요 축 (12) 주위로 상기 와인딩 지지부 (6) 를 무제한으로 회전시키는 단계, 및
    (iv) 상기 와인딩 지지부의 상기 롤 축 (8) 주위로 상기 베이스 (18) 에 대해 상기 와인딩 지지부 (6) 를 무제한으로 회전시키는 단계로 이루어지는 단계들을 포함하는, 와인딩 지지부 주위로 필라멘트를 와인딩하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    다른 단계들과 동기화하여, 상기 베이스 (18) 에 대해 상기 와인딩 지지부 (6) 의 상기 피치 축 (10) 을 따라 상기 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 및/또는 상기 와인딩 지지부 (6) 를 병진시키는 단계로 이루어지는 단계를 추가로 포함하는, 와인딩 지지부 주위로 필라멘트를 와인딩하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    다른 단계들과 동기화하여, 상기 베이스 (18) 에 대해 상기 와인딩 지지부 (6) 의 상기 요 축 (12) 을 따라 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 및/또는 상기 와인딩 지지부 (6) 를 병진시키는 단계로 이루어지는 단계를 추가로 포함하는, 와인딩 지지부 주위로 필라멘트를 와인딩하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    다른 단계들과 동기화하여, 반대 방향들로 상기 와인딩 지지부 (6) 의 상기 롤 축 (8) 을 따라 상기 와인딩 지지부 (6) 및/또는 상기 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 를 병진시키는 단계로 이루어진 단계를 추가로 포함하는, 와인딩 지지부 주위로 필라멘트를 와인딩하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    다른 단계들과 동기화하여, 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 에 대해 상기 와인딩 지지부 (6) 를 이동시키거나 또는 상기 와인딩 지지부 (6) 에 대해 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 를 이동시키는 단계로 이루어진 단계를 추가로 포함하는, 와인딩 지지부 주위로 필라멘트를 와인딩하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    단계 (iiiA) 동안, 상기 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 에, 필라멘트 재료 언와인더 (unwinder) 및/또는 필라멘트 수지 함침 시스템에 의해 필라멘트 (24) 가 공급되고,
    상기 방법은 다른 단계들과 동기화하여, 상기 필라멘트 재료 언와인더 및/또는 상기 필라멘트 수지 함침 시스템을 상기 와인딩 지지부 (6) 의 요 축 (12) 주위로 회전시키는 단계로 이루어지는 단계를 추가로 포함하는, 와인딩 지지부 주위로 필라멘트를 와인딩하기 위한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    단계 (iiiA) 는 상기 베이스 (18) 에 대해 상기 와인딩 지지부 (6) 의 상기 요 축 (12) 주위로 상기 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 를 회전시키고 상기 베이스 (18) 에 대해 상기 와인딩 지지부의 상기 롤 축 주위로 상기 와인딩 지지부 (6) 를 회전시키는 단계로 이루어지고, 이들 2개의 회전들은 반대 방향들로 발생하는, 와인딩 지지부 주위로 필라멘트를 와인딩하기 위한 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 필라멘트 (24) 는 다수의 공급 디바이스들, 또는 2개의 공급 디바이스들에 의해 상기 와인딩 지지부 (6) 에 공급되는, 와인딩 지지부 주위로 필라멘트를 와인딩하기 위한 방법.
  9. 압력 용기를 제조하기 위한 방법으로서,
    상기 방법은 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 와인딩 지지부 (6) 주위로 필라멘트 (24) 를 와인딩하기 위한 방법을 포함하는, 압력 용기를 제조하기 위한 방법.
  10. 돔 형상의 종방향 단부들을 구비한 일반적인 원통형 형상을 갖고 롤 축 (8) 을 갖는 와인딩 지지부 (6) 상에서 필라멘트 (24) 를 와인딩하기 위한 시스템 (2) 으로서, 상기 시스템 (2) 은,
    - 베이스 (18),
    - 상기 와인딩 지지부 (6) 가 상기 와인딩 지지부 (6) 의 피치 축 (10) 과 관련하여 상기 베이스 (18) 에 대해 회전할 수 있도록, 상기 와인딩 지지부 (6) 를 유지하도록 구성된 프레임 (20) 을 포함하는, 상기 베이스 (18) 에 연결된 유지 디바이스 (4), 및
    - 상기 프레임 (20) 을 향해 필라멘트 (24) 를 공급하도록 배열된 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 를 포함하고,
    상기 시스템 (2) 은 상기 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 가 상기 와인딩 지지부 (6) 의 요 축 (12) 주위로 상기 베이스 (18) 에 대해 회전하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 시스템 (2).
  11. 돔 형상의 종방향 단부들 (14) 을 구비한 일반적인 원통형 형상을 갖고 롤 축 (8) 을 갖는 와인딩 지지부 (6) 상에서 필라멘트 (24) 를 와인딩하기 위한 시스템 (2') 으로서, 상기 시스템 (2') 은,
    - 베이스 (18),
    - 상기 와인딩 지지부 (6) 가 상기 와인딩 지지부 (6) 의 피치 축 (10) 과 관련하여 상기 베이스 (18) 에 대해 회전할 수 있도록, 상기 와인딩 지지부 (6) 를 유지하도록 구성된 프레임 (20) 을 포함하는, 상기 베이스 (18) 에 연결된 유지 디바이스 (4), 및
    - 상기 프레임 (20) 을 향해 필라멘트 (24) 를 공급하도록 배열된 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 를 포함하고,
    상기 시스템 (2') 은 상기 프레임 (20) 이 상기 와인딩 지지부 (6) 의 요 축 (12) 주위로 상기 베이스 (18) 에 대해 무제한으로 회전하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 시스템 (2').
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 프레임 (20) 및 상기 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 는 서로 상대 모션으로 이동할 수 있도록 구성되는, 시스템 (2; 2').
  13. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 와인딩 지지부 (6) 및/또는 상기 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 는 상기 베이스 (18) 에 대해 상기 와인딩 지지부 (6) 의 상기 피치 축 (10) 을 따라 병진하도록 구성되는, 시스템 (2; 2').
  14. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 와인딩 지지부 (6) 및/또는 상기 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 는 상기 베이스 (18) 에 대해 상기 와인딩 지지부 (6) 의 상기 요 축 (12) 을 따라 병진하도록 구성되는, 시스템 (2; 2').
  15. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 와인딩 지지부 (6) 및/또는 상기 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 는 상기 베이스 (18) 에 대해 상기 와인딩 지지부 (6) 의 상기 롤 축 (8) 을 따라 병진하도록 구성되는, 시스템 (2; 2').
  16. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 프레임 (20) 은 상기 와인딩 지지부 (6) 의 상기 롤 축 (8) 주위로 무제한적으로 회전하도록 추가로 구성되는, 시스템 (2; 2').
  17. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 유지 디바이스 (4) 의 이동들, 상기 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 의 이동 및 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 에 의해 적용되는 필라멘트 (24) 의 테이크업 (take up) 속도를 동기화하여 명령하도록 구성된, 상기 유지 디바이스 (4) 와 상기 적어도 하나의 공급 디바이스 (22) 모두에 공통적인, 명령 디바이스 (28) 를 포함하는, 시스템 (2; 2').
  18. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 유지 디바이스 (4) 는 관절형 아암 (16), 또는 6축 로봇, 직교 좌표 로봇 또는 선택적 컴플라이언스 관절형 로봇 아암 로봇을 포함하는, 시스템 (2; 2').
  19. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    다수의 공급 디바이스, 또는 2개의 공급 디바이스들을 포함하는, 시스템 (2; 2').
  20. 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 프로세서로 하여금 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하게 하는 명령어들을 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체.
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