KR20040003229A

KR20040003229A - 필라멘트 와인딩 기계의 장력 제어장치

Info

Publication number: KR20040003229A
Application number: KR1020020037875A
Authority: KR
Inventors: 오재윤; 이승호
Original assignee: 오재윤
Priority date: 2002-07-02
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2004-01-13
Also published as: KR100507595B1

Abstract

본 발명은 필라멘트 와인딩 기계의 장력 제어장치에 관한 것으로서, 복합재료 성형기계의 핵심기술이라 할 수 있는 복합재료 장력을 설계치로 일정하게 유지시켜줄 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 전원이 인가됨과 아울러 소재(미도시)의 표면에 고기능 고강도를 발휘할 수 있는 필라멘트(복합재료)(1)를 권회시켜 성형하는 기기본체(10)와, 상기 기기본체(10)의 지지 프레임(11)에 설치됨과 아울러 소정 길이의 필라멘트(1)가 권회되는 스풀(Spool)(20)과, 상기 스풀(20)의 필라멘트(1)가 특정 속도로 일측으로 이동되게 메인 프레임(12)에 설치되는 장력 변화 수단(30)과, 상기 장력 변화 수단(30)의 후측에 설치되어 필라멘트(1)의 장력 변화량(이동속도 변화량)을 감지하는 장력 변화량 감지기(40)와, 상기 장력 변화량 감지기(40)의 후측인 안내롤러(45) 후방에 설치되어 필라멘트(1)가 적정 두께로 권회되는 멘드릴(Mandrel)(50)과, 상기 장력 변화량 감지기(40)의 신호를 인가받아 가변적으로 장력 변화 수단(30)을 제어하는 제어부(60)로 이루어진 것이다.

Description

필라멘트 와인딩 기계의 장력 제어장치 {TENSION CONTROL DEVICE OF FILAMENT WINDING MACHINE}

본 발명은 필라멘트 와인딩 기계의 장력 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 알려진 바와 같이 고기능 고강도를 발휘할 수 있는 복합재료 제품의 수요가 급속도로 증가하고 있는 것으로서, 상기 복합재료 성형제품의 제조 과정에서는 복합재료의 장력 제어가 구조적인 강도를 결정짓는 중요한 인자이고, 상기 장력 제어를 적절하게 수행함으로써 성형제품이 최적화되게 하는 것이다.

상기 복합재료의 장력은 일반적으로 0.45 ∼ 1.8kg 정도인데, 만약 장력이 설계치보다 높으면 복합재료의 함유량이 증가하여 제품의 강도는 증가하나 일정이상이 되면 함침을 위한 수지의 양이 부족하게 되어 많은 잔류응력이 남게된다. 그러므로 설계된 일정 장력이 유지되지 않으면 성형제품의 치수 안정성이 떨어지거나, 기공(void) 같은 것이 발생하여 취약한 부분을 통한 응력 집중 현상으로 인해서 치명적인 결함을 일으킬 수 있는 것이다.

상기한 복합재료를 와인딩하여 성형되는 제품으로는 CNG 버스의 압력용기가 있는 것으로서, 상기 압력용기는 무게 대비 강도가 높아 점차적으로 생산이 증가하고 있는 추세이다. 상기한 복합재료 성형제품의 시장이 급격히 성장하고 있으나, 우리나라에서는 복합재료 성형제품 제작용 기계의 제조업체는 거의 전무한 상태이고, 현재 외국 기계를 복사하는 수준인 업체가 있을 뿐이다. 그리고 일부 연구원에서 복합재료 제품 성형기계용 공압식 제어장치를 개발하였으나 정확도 및 반응속도가 느려서 사용이 어려운 실정이다. 그래서 현재 거의 모든 복합재료 성형제품 제작용 기계를 수입하고 있으므로 복합재료 제품 성형기계의 핵심부품인 제어장치의 유지관리에 매우 어려움이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 시정하여, 복합재료 성형기계의 핵심기술이라 할 수 있는 복합재료 장력을 설계치로 일정하게 유지시켜줄 수 있도록 한 필라멘트 와인딩 기계의 장력 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기기본체와, 상기 기기본체의 지지 프레임에 설치되는 스풀과, 상기 스풀의 필라멘트(복합재료)가 특정 속도로 이동되게 메인 프레임에 설치되는 장력 변화 수단과, 상기 장력 변화 수단의 후측에 설치되어 필라멘트의 장력 변화량을 감지하는 장력 변화량 감지기와, 상기 장력 변화량 감지기의 후측 안내롤러 후방에 설치되어 필라멘트가 권회되는 멘드릴과, 상기 장력 변화량 감지기의 신호를 인가받아 장력 변화 수단을 제어하는 제어부로 이루어진 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예의 사시도,

도 2는 본 발명의 실시예의 정면도,

도 3은 본 발명의 실시예의 평면도,

도 4는 본 발명의 실시예의 블럭도이다.

<도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명>

1: 필라멘트10: 기기본체

20: 스풀30: 장력 변화 수단

33: 구동롤러34: 지지롤

35: 지지롤 조정체40: 장력 변화량 감지기

50: 멘드릴60: 제어부

70: 스프링100: 브레이크

본 발명은 도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 전원이 인가됨과 아울러 소재(미도시)의 표면에 고기능 고강도를 발휘할 수 있는 필라멘트(복합재료)(1)를 권회시켜 성형하는 기기본체(10)와, 상기 기기본체(10)의 지지 프레임(11)에 설치됨과 아울러 소정 길이의 필라멘트(1)가 권회되는 스풀(Spool)(20)과, 상기 스풀(20)의 필라멘트(1)가 특정 속도로 일측으로 이동되게 메인 프레임(12)에 설치되는 장력 변화 수단(30)과, 상기 장력 변화 수단(30)의 후측에 설치되어 필라멘트(1)의 장력 변화량(이동속도 변화량)을 감지하는 장력 변화량 감지기(40)와, 상기 장력 변화량 감지기(40)의 후측인 안내롤러(45) 후방에 설치되어 필라멘트(1)가 적정 두께로 권회되는 멘드릴(Mandrel)(50)과, 상기 장력 변화량 감지기(40)의 신호를 인가받아 가변적으로 장력 변화 수단(30)을 제어하는 제어부(60)로 이루어지는 것이다.

상기 장력 변화 수단(30)은 메인 프레임(12)의 배면측에 설치된 제 1 액추에이터(31)와 벨트(32)에 의해 가변적으로 작동되는 구동롤러(33)와, 상기 구동롤러(33)의 상면 및 필라멘트(1)에 면접촉되게 설치되는 한쌍의 지지롤(34))과, 상기 한쌍의 지지롤(34) 중심 상측으로 연결됨과 아울러 메인 프레임(12)에 결합되어 지지롤(34)의 상하방향 위치를 세팅하는 지지롤 조정체(35)로 이루어진 것이다.

상기 장력 변화량 감지기(40)는 스풀(20)에서 멘드릴(50)로 향하는 필라멘트(1)의 장력이 변할때 그 변화량을 감지하여 제어부(60)로 인가하는 것이다. 그리고 상기 멘드릴(50)은 제어부(60)의 가변 신호에 따라 작동되는 제 2 액추에이터(51) 및 벨트(52)에 의해 회전되는 것으로서, 상기 멘드릴(50)은 일정 형상의 소재 대용으로 형성되는 것이고, 상기 멘드릴(50)의 표면에 권회되는 필라멘트(1)의 두께와 멘드릴(50)의 형상에 따라 필라멘트(1)의 이동 속도(장력이 변화됨)가 가변되는 것이고, 상기 필라멘트(1)의 이동 속도가 가변됨과 동시에 장력 변화량 감지기(40)가 제어부(60)로 그 신호를 인가하는 것이다.

상기 스풀(20)과 장력 변화 수단(30) 사이의 베이스(13)에 필라멘트(1) 지지용 스프링(70)이 설치되고, 상기 스프링(70)의 상측에 필라멘트(1)가 지지되게 함으로써 구동롤러(33)로의 필라멘트(1)의 이동이 일정한 지지력을 유지한 상태로 발휘되게 하는 것이며, 상기 스풀(20)의 축선상에 설치되는 브레이크(MagneticParticle Brake)(100)로 하여금 상기 스프링(70)이 작동될 수 있게 상기 스풀(20)에 일정한 마찰력을 가하는 것이다.

또한 상기 스풀(20)의 후측 메인 프레임(12)에 필라멘트(1) 안내용 가이더(80)가 설치되는 것으로서, 상기 스풀(20)로부터 이동되어진 필라멘트(1)가 구동롤러(33)로 정확하게 안내되도록 하는 것이다.

그리고 상기 메인 프레임(12)에 필라멘트(1) 지지겸 유도용 유도롤러(90,91,92)가 설치되는 것으로서, 상기 유도롤러(90)중 전방측 유도롤러(90)는 가이더(80)와 구동롤러(33) 사이에 설치되고, 상기 유도롤러(90,91,92)중 중간측 유도롤러(91)는 구동롤러(33)와 장력 변화량 감지기(40) 사이에 설치되며, 상기 유도롤러(90,91,92)중 후방측 유도롤러(92)는 장력 변화량 감지기(40) 후측과 안내롤러(45) 사이에 설치되어 필라멘트(1)의 지지와 안내가 원활하게 이루어지도록 하는 것이다.

이상과 같은 본 발명은 복합재료 성형기계의 핵심기술이라 할 수 있는 복합재료 장력을 설계치로 일정하게 유지시켜줄 수 있도록 하는 것으로서, 베이스(13)에 지지 프레임(11)을 통해 설치된 스풀(20)과 멘드릴(일정 형상을 구현한 소재 대용)(50) 사이에 메인 프레임(12)을 설치함과 아울러 상기 메인 프레임(12)에 장력 변화 수단(30)과 장력 변화량 감지기(40)를 설치하는 것이다. 상기 스풀(20)로부터 멘드릴(50)로 이동되어 권회되어지는 필라멘트(1)의 장력을 적절하게 조절하기 위한 장력 변화 수단(30)과 장력 변화량 감지기(40)는 컴퓨터의 제어부(60)에 의해서 적절하게 제어되는 것이다.

상기 상태에서 제 1, 2 액추에이터(31,51)를 작동시키면, 멘드릴(50)과 구동롤러(33)가 회전됨과 동시에 스풀(20)이 회전되는 것이고, 상기 멘드릴(50)의 회전이 이루어질 때 멘드릴(50)에 권회되는 필라멘트(1)의 장력이 변하는 것이며, 상기 필라멘트(1)의 장력이 변함과 동시에 장력 변화량 감지기(40)가 필라멘트(1)의 장력 변화량을 감지하는 것이다. 상기 장력 변화량을 감지한 장력 변화량 감지기(40)는 그 신호를 제어부(60)로 인가시키는 것이고, 상기 제어부(60)는 필라멘트(1)의 장력 변화량을 연산하여 제 1 액추에이터(31)의 회전수를 조절하는 것이며, 상기 제 1 액추에이터(31)의 회전수가 증감됨에 따라 구동롤러(33)의 회전수도 변하는 것이다.

상기 구동롤러(33)의 회전수가 변하여 구동롤러(33)와 지지롤(34) 사이에 위치된 필라멘트(1)의 이동속도가 변하는 것으로서, 상기 필라멘트(1)의 장력이 상승되는 경우에는 구동롤러(33)의 회전수를 상승시키는 것이고, 상기 필라멘트(1)의 장력이 저하되는 경우에는 구동롤러(33)의 회전수를 저하시키는 것이다. 상기 필라멘트(1)의 장력 변화량은 실시간적으로 감지되는 장력 변화량 감지기(40)와 제어부(60)의 콘트롤에 의해서 유지되는 것이고, 상기 제어부(60)의 콘트롤에 따라 구동롤러(33)의 회전 속도가 가변되는 것이며, 상기 구동롤러(33)의 회전에 따라 면접촉되어 회전되는 지지롤(34)의 마찰력 조정은 지지롤 조정체(35)의 회전 조정에 의해서 가변되는 것이다.

그리고 상기 스풀(20)의 후방측에 설치된 스프링(70)은 구동롤러(33)의 회전에 의해서 이동되는 필라멘트(1)가 적정한 장력으로 스풀(20)에서 구동롤러(33)로이동되게 하는 것이며, 상기 스프링(70)에서 구동롤러(33)쪽으로 필라멘트(1)가 이동될 때 가이더(80) 및 유도롤러(90,91,92)에 의해서 원활한 필라멘트(1) 이동이 이루어지는 것이다.

상기한 필라멘트(복합재료)(1)는 제 1 액추에이터(31)에 연결된 구동롤러(33)를 통과하는 과정에서 지지롤 조정체(35)에 의해 조절되는 두 개의 지지롤(34)에 의해 구동롤러(33) 표면에 일정한 마찰력을 가지고 접촉하게 되며, 상기 마찰력을 이용하여 구동롤러(33)가 필라멘트(1)를 당기거나 혹은 풀어주는 방향으로 구동하여 장력을 제어하며, 이 때 구동롤러(33)는 제어부(컴퓨터)(60)의 제어 신호에 따라 구동되어진다. 상기 구동롤러(33)와 지질롤(34)의 표면은 재료의 변형을 막고 마찰력을 증가시키기 위하여 금속이 아닌 고무 소재를 사용하였으며, 보다 넓은 마찰 면을 통해 동력을 전달하기 위하여 두 개의 지지롤(34)을 사용하여 필라멘트(1)를 구동롤러(33)의 원주를 따라 부착시켰다. 상기 필라멘트(1)의 장력 측정값은 장력 변화량 감지기(40)에 의해 측정되어 컴퓨터에 의해 모니터링 되며 장력 제어 알고리즘의 피드백 신호로 사용되어진다.

그리고 스풀(20)에서는 브레이크(100)를 이용하여 일정한 마찰력으로 필라멘트(1)를 제공하게 되는데, 이 때 필라멘트(1)가 풀리는 속도가 구동롤러(33)에서 당기는 속도와 같지 않기 때문에 정지한 혹은 낮은 속도로 회전하는 스풀(20)을 빠른 속도로 잡아당길 때, 즉 필라멘트(1)가 느슨해졌다가 다시 팽팽하게 잡아 당겨지는 순간에는 큰 힘이 구동롤러(33)에 작용되어 예기치 않은 외란을 발생시킨다.

상기 필라멘트(1)의 속도 변화가 적은 경우는 시스템에 미치는 영향이 미소하나 그렇지 않은 경우는 장력 제어에 악 영향을 미치게되므로, 상기한 구동롤러(33)와 스풀(20) 사이에 설치된 스프링(70)을 이용하여 구동롤러(33)에 아주 짧은 순간에도 발생되는 큰 힘을 좀더 넓은 시간 간격을 두고 증가시킴으로써 이를 방지하였다.

또한 제 3 액추에이터(70)는 멘드릴(Mandrel)에서 필라멘트(1)를 감는 과정에서 미끄러짐이 발생할 경우 필라멘트(1)의 이동이 역 방향이 되고 이때 구동롤러(33)로부터 풀어진 필라멘트(1)를 다시 감아주는 리와인딩(Rewinding) 기능도 수행한다.

이와 같이 필라멘트(1)에 발생하는 실제 장력 변화를 측정하여 실시간으로 제어하기 때문에 장력 오차가 발생하는 즉시 이를 직접 보상함으로써 공정 중에 발생하는 어떠한 외란에서도 항상 일정한 설계치의 장력을 유지시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 기기본체의 베이스에 장력 변화량 감지기와 장력 변화 수단을 설치함으로써 복합재료 성형기계의 핵심기술이라 할 수 있는 복합재료 장력을 설계치로 일정하게 유지시켜줄 수 있는 것이다.

그리고 상기 장력 변화 수단인 구동롤러를 제 1 액추에이터로 작동시킴과 아울러 지지롤 조정체를 통해 이동되는 필라멘트의 장력이 적절하게 조정됨에 따라 멘드릴로의 정상적인 필라멘트 공급이 이루어지는 것이다.

또한 스풀과 장력 변화 수단 사이의 베이스에 필라멘트 지지용 스프링이 설치됨으로써 구동롤러의 장력 제어가 정상적으로 이루어지는 것으로서, 상기 스프링에 의해 구동롤러에서 순간적으로 발생되는 큰 힘이 좀더 넓은 시간 간격으로 증가시켜지는 것이다.

Claims

기기본체(10)와, 상기 기기본체(10)의 지지 프레임(11)에 설치되는 스풀(20)과, 상기 스풀(20)의 필라멘트(복합재료)(1)가 특정 속도로 이동되게 메인 프레임(12)에 설치되는 장력 변화 수단(30)과, 상기 장력 변화 수단(30)의 후측에 설치되어 필라멘트(1)의 장력 변화량을 감지하는 장력 변화량 감지기(40)와, 상기 장력 변화량 감지기(40)의 후측 안내롤러(45) 후방에 설치되어 필라멘트(1)가 권회되는 멘드릴(50)과, 상기 장력 변화량 감지기(40)의 신호를 인가받아 장력 변화 수단(30)을 제어하는 제어부(60)로 이루어진 것을 특징으로 하는 필라멘트 와인딩 기계의 장력 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 장력 변화 수단(30)은 메인 프레임(12)의 배면측에 설치된 제 1 액추에이터(31)에 의해 작동되는 구동롤러(33)와, 상기 구동롤러(33)의 상면 및 필라멘트(1)에 면접촉되게 설치되는 지지롤(34)과, 상기 지지롤(34)의 상측으로 연결되어 지지롤(34)의 상하방향 위치를 세팅하는 지지롤 조정체(35)로 이루어진 것을 특징으로 하는 필라멘트 와인딩 기계의 장력 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 멘드릴(50)은 제어부(60)의 신호에 따라 작동되는 제 2 액추에이터(51)및 벨트(52)에 의해 회전되는 것을 특징으로 하는 필라멘트 와인딩 기계의 장력 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 스풀(20)가 장력 변화 수단(30) 사이의 베이스(13)에 필라멘트(1) 지지용 스프링(70)이 설치되는 것을 특징으로 하는 필라멘트 와인딩 기계의 장력 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 스풀(20)의 후측 메인 프레임(12)에 필라멘트(1) 안내용 가이더(80)가 설치되는 것을 특징으로 하는 필라멘트 와인딩 기계의 장력 제어장치.
제1항 또는 제5항에 있어서,

상기 메인 프레임(12)에 필라멘트(1) 지지겸 유도용 유도롤러(90,91,92)가 설치되는 것을 특징으로 하는 필라멘트 와인딩 기계의 장력 제어장치.