WO2023012411A1 - Machine d'enroulement filamentaire avec systeme de déplacement à deux robots - Google Patents

Machine d'enroulement filamentaire avec systeme de déplacement à deux robots Download PDF

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WO2023012411A1
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winding
robot
polyarticulated
fiber
rotation
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PCT/FR2022/000069
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Emmanuel FLOUVAT
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    • B29C53/8016—Storing, feeding or applying winding materials, e.g. reels, thread guides, tensioners

Definitions

  • the present invention relates to a filament winding machine for winding at least one continuous fiber on a body, in particular on a liner for the manufacture of tanks, as well as a method for manufacturing a fiber-reinforced part comprising the winding filament of at least one continuous fiber on a body by means of such a machine.
  • Composite tanks intended for the storage of gas under pressure are known, generally having a cylindrical central portion and two end portions of decreasing section, curved outwards, conventionally called domes.
  • the tanks are formed of an inner envelope, conventionally called a liner, defining a sealed storage chamber, and a reinforcing envelope, surrounding the liner, which is obtained by filament winding of continuous fibers around of the liner, the fibers preferably being pre-impregnated with a resin, generally a thermosetting resin, each fiber being formed of a multitude of continuous filaments.
  • the filament winding is carried out by means of a filament winding machine which conventionally comprises winding means comprising at least one winding head associated with fiber storage means, and a displacement system capable of driving in rotating the liner about its longitudinal axis, and effecting a relative movement of the liner relative to the winding means for winding fiber on said liner.
  • a filament winding machine which conventionally comprises winding means comprising at least one winding head associated with fiber storage means, and a displacement system capable of driving in rotating the liner about its longitudinal axis, and effecting a relative movement of the liner relative to the winding means for winding fiber on said liner.
  • the winding means comprise a winding head rotatably mounted about a horizontal axis on a fixed frame.
  • the fibers, coming from fiber reels arranged in a creel, are guided in the form of a sheet towards the winding head, passing beforehand through an impregnation system formed by a resin bath.
  • the movement system comprises a robot of the poly-articulated arm type carrying a gripping device at the end.
  • the gripper device comprises a U-shaped support mounted by its base on the wrist of the robot, the liner being mounted by its ends between the two branches of the U and driven in rotation by one of its ends by a motor.
  • This type of machine with a robot carrying the liner makes it possible to offer a compact filament winding machine, simple in design, and low cost, using standard robots, conventionally used in the automotive sector.
  • the robot makes it easy to load a liner for the filament winding operation and to easily transfer the reinforced liner obtained after winding to another processing station.
  • This type of machine is suitable for the manufacture of tanks of reduced sizes.
  • large liner sizes for example of the order of 2.5 meters, it is necessary to use robots capable of carrying heavy loads, in order to be able to carry the liner and a gripping device of dimensions adapted to the liner .
  • the price of these robots is high, and especially their installation requires specific foundations and generates a significant additional cost.
  • these robots have lower speed and acceleration characteristics, which are not very compatible with the rates targeted for tank production.
  • more conventional filament winding machines are used in which the liner is mounted on a lathe for its rotational drive, the winding head is then mounted on a Cartesian-type displacement system . These machines have a larger footprint. The possibilities of relative movement of the liner in relation to the head are more restricted, which can reduce the quality of winding.
  • this type of machine requires additional transfer devices to load and unload the liner from the lathe.
  • the object of the present invention is to provide a winding machine allowing the manufacture of parts by winding at high speeds, and in particular parts of large dimensions.
  • the present invention proposes a filament winding machine for winding at least one continuous fiber on a body having a main longitudinal axis, said machine comprising
  • - winding means comprising at least one winding head associated with fiber storage means
  • the displacement system capable of driving a body in rotation around its longitudinal axis and of effecting a relative displacement of the body with respect to the winding means for winding fiber on said body, characterized in that the displacement system comprises a first polyarticulated robot and a second polyarticulated robot able to carry said body by its ends, so that the body is rotatably mounted around its longitudinal axis of rotation by a first end to the first polyarticulated robot and by a second end to the second robot poly-articulated, at least one of the two poly-articulated robots being equipped with a drive motor for driving said body in rotation about its longitudinal axis.
  • the displacement system comprises two polyarticulated robots to carry and rotate the body.
  • a two-robot movement system makes it possible to carry bodies of large dimensions while guaranteeing high movement speeds and accelerations and therefore high production rates, as well as a reasonable cost in terms of both equipment and installation. Furthermore, such a movement system allows precise movement in the three dimensions of the body resulting in good winding quality.
  • the machine according to the invention proves to be particularly advantageous for the production of high-pressure tanks, with a body constituting the liner of the tank.
  • each polyarticulated robot is equipped with a mounting device comprising a support plate assembled at the end wrist of the polyarticulated robot and carrying a clamping chuck, preferably automatic, capable of clamping a tubular end of a body, the clamping chuck of the first and/or of the second poly-articulated robot being connected to a drive motor for driving the body in rotation around its longitudinal axis.
  • a mounting device comprising a support plate assembled at the end wrist of the polyarticulated robot and carrying a clamping chuck, preferably automatic, capable of clamping a tubular end of a body, the clamping chuck of the first and/or of the second poly-articulated robot being connected to a drive motor for driving the body in rotation around its longitudinal axis.
  • at least one of the two mandrels is mounted on its support plate with one or more degrees of freedom to avoid any problem of hyperstatism when the body is assembled with the two mounting devices.
  • each chuck is mounted on the support plate so that the longitudinal axis of the chuck is arranged perpendicular to the last axis of rotation of the wrist of the polyarticulated robot, the mounting devices thus being able to carry a body so that the longitudinal axis of the body is arranged perpendicular to the last axes of the polyarticulated robots.
  • This type of assembly allows optimized three-dimensional movement of the body for filament winding operations, and for picking up and depositing the body opposite the winding means in relation to the robot.
  • the clamping chucks of the first and of the second poly-articulated robot are each connected to a drive motor for driving the body in rotation around its longitudinal axis.
  • the motorization of each clamping chuck makes it possible, in the case of liner, to avoid twisting of the liner during winding operations
  • the movement system according to the invention is able to carry several bodies, for example two or three bodies, each polyarticulated robot comprising a plate with a second plate on which are mounted one above the other. several chucks, each body being assembled at one end to a chuck of the first polyarticulated robot and to a chuck of the second polyarticulated robot.
  • the machine has a number of superimposed winding heads corresponding to the number of bodies carried by the polyarticulated robots.
  • the movement system comprises a first polyarticulated robot and a second polyarticulated robot each formed of a 6-axis type robot.
  • Such 6-axis robots ensure optimum movement of the body for winding and for picking up and depositing the body opposite the winding means with respect to the robot.
  • the first polyarticulated robot and the second polyarticulated robot are slidably mounted by their base on a rail, so as to be able to adapt the center distance between the two robots, in particular between their two first vertical axes of rotation, to body length.
  • the winding head comprises a guide member, such as an eyelet or one or more rollers or pulleys, preferably mounted to pivot around an axis of rotation, preferably horizontal, a motor being able to cause said guide member to pivot around its axis of rotation.
  • a guide member such as an eyelet or one or more rollers or pulleys, preferably mounted to pivot around an axis of rotation, preferably horizontal, a motor being able to cause said guide member to pivot around its axis of rotation.
  • the winding means are arranged on a first side of the vertical plane passing through the first vertical axes of the polyarticulated robots, the machine further comprising a loading and unloading bench arranged on the second side of said plane ( P3) which is opposite the winding means, from which the poly-articulated robots are capable of grasping a body and on which said poly-articulated robots are capable of depositing a body, said bench preferably being capable of receiving at least two bodies.
  • the present invention also relates to a method for manufacturing a fiber-reinforced part comprising the filament winding of at least one continuous fiber on a body, characterized in that the filament winding is carried out by means of a machine filament winding as described above.
  • the body constitutes a liner, the fiber-reinforced part being formed of the liner and of the fiber winding, the liner comprises preferably a substantially cylindrical central portion and first and second end portions domed in the form of domes, said liner being equipped at the end with a pin for its mounting at the ends of the two polyarticulated robots.
  • the body constitutes a mandrel, the fiber-reinforced part being formed from the winding of fiber.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a filament winding machine according to the invention, during the fiber winding operation on a body carried by the two robots;
  • FIG. 2 is a perspective view similar to that of Figure 1, during a body unloading operation
  • FIG. 3 is a top view of the machine of Figure 1;
  • FIG. 4 is a side view of the machine of Figure 1;
  • FIG. 5 is a schematic top view of an installation comprising several filament winding machines.
  • the filament winding machine 1 is used here for winding several fibers in the form of a sheet on a body formed by a liner 9 for the production of tanks.
  • the liner has a main longitudinal axis A and comprises a cylindrical central portion and two end domes fitted with mounting pins 91.
  • the winding machine comprises winding means 2, a moving system 3 carrying the liner 9, and a loading and unloading bench or station 4.
  • the winding means 2 comprise a first winding system 20a and a second winding system 20b mounted on a rotating support or carousel 23.
  • the carousel 23 is rotatably mounted around a vertical axis of rotation B on a frame 24 fixed to the ground, and is capable of being driven in rotation by a motor 25 driven by a control unit of the machine.
  • the two winding systems 20a, 20b are arranged on either side of a first vertical plane PI (Fig. 3) passing through the axis B.
  • Each winding system comprises a winding head associated with means of fiber storage.
  • the first winding system 20a arranged on a first side of the plane PI of the carousel, comprises a first winding head 21a associated with first storage means 22a.
  • the first head winding comprises a guide member formed here of a laying roller rotatably mounted around a horizontal axis C on a first support 26a fixed on the carousel, said first support 26a extending from the plane PI to move the head winding of said PI plane.
  • the first storage means 22a comprise mandrels for receiving coils of continuous fibers.
  • the machine is provided here to allow the winding of a sheet formed of 8 fibers, the first storage means thus comprise eight mandrels.
  • the mandrels are mounted on a support frame 27 fixed to the carousel, substantially along the plane PL
  • the first winding system further comprises first guide means (not shown), known per se, making it possible to guide the fibers unwound from the coils to the guide member in the form of a web in which the fibers are substantially arranged edge to edge.
  • the first winding system comprises a tension regulation system 28a for regulating the tension of each fiber of the web, comprising first tension regulation motors associated with said first mandrels, these first motors being positioned on the second side of the carousel.
  • the first winding head 21a is further away from the plane PI than the mandrels 22a to free up a space between the first head and the plane PI allowing the fibers to be guided in the form of a sheet as far as the guide member.
  • the machine can be used with resin pre-impregnated fiber spools.
  • the storage means may include rewind mandrels for rewinding the carrier film onto a roll as the fiber reel is unwound.
  • the machine can also be used with spools of dry fiber, the first winding system then being equipped with a resin application system to apply resin in line to the fibers during the winding operation.
  • the impregnation system comprises, for example, a resin impregnation bath placed in the space between the plane PI and the first winding head, for a so-called wet winding process.
  • the second winding system 20b is identical to the first winding system 20a, and comprises a second head winding 21b pivotally mounted around a horizontal axis C on a second support 26b, second storage means 22b comprising second mandrels associated with second tension regulating motors 28b, guide means (not shown), and optionally a resin application system.
  • the second chucks are mounted on the same support frame 27, the second tension regulating motors 28b being positioned on the first side of the carousel.
  • the first winding head and the second winding head are arranged on either side of a plane P2 passing through the axis B, and perpendicular to the plane PI, the heads being arranged between the plane P2 and their respective storage means.
  • the displacement system 3 comprises two arms or poly-articulated robots 30a, 30b to carry the liner, the poly-articulated robots being equipped at the end with a mounting device 33 for mounting the liner by its end pins 91 to the two poly-articulated robots.
  • Each poly-articulated robot is of the six-axis robot type, known per se, mounted fixed to the ground, a mounting device 33 being assembled at the end wrist 32 of the poly-articulated robot.
  • each poly-articulated robot comprises different sections 31a-31g mounted pivoting to each other around axes of rotation D1-D6, the first section or base 31a being fixed to the ground, the second section 31b being movably mounted on the base 31a around a vertical axis DI, the end section 31g forms an assembly plate for assembling the mounting device along the last axis of rotation D6, also called assembly axis .
  • the last three sections 31e, 3 If, and 31g constitute the end wrist 32 of the robot mounted rotatably around the axis D4.
  • the mounting device 33 comprises an L-shaped support plate comprising a first plate 34a by which the device is mounted on the wrist 32 and a second plate 34b, perpendicular to the first plate, carrying a clamping chuck 35, for example a lathe chuck , known per se, with three jaws, with automatic clamping, for example of the pneumatic type, allowing the pin of a liner to be clamped and released automatically.
  • the chuck mounted on the second plate has a chuck axis perpendicular to the last axis D6 of the robot.
  • the clamping chuck 35 is connected to a drive motor 36a, 36b, arranged under the first plate 34a of the plate and controlled by the control unit of the machine, for driving the liner in rotation around its axis.
  • the first robot 30a comprises a first master drive motor, driven by the control unit
  • the second robot 30b comprises a second slave drive motor, synchronized with the master drive motor.
  • the two poly-articulated robots are fixed to the ground, one next to the other.
  • the carousel 23 carrying the two winding systems is arranged on a first side of the plane referenced P3 passing through the first axes DI of the robots.
  • the axis B is arranged in the median vertical plane P4 which is 'arranged equidistant from the axes D1, perpendicular to the plane P3.
  • the loading and unloading bench 4 is arranged opposite the carousel with respect to the two poly-articulated robots, on the second side of the plane P3.
  • the bench comprises a structure placed or fixed to the ground and makes it possible to receive two liners, with the axes B of the liners arranged parallel to the plane P3, the structure comprising for each liner two reception systems 41a, 41b on which a liner can be placed by its end pins.
  • the carousel can be moved between two positions by a rotation of +180° or -180° around its axis B.
  • the first winding system 20a In a first position of the carousel illustrated in FIGS. 1, 3 and 4, the first winding system 20a is in a position active, its head can be used for filament winding operations on a liner carried by the two poly-articulated robots.
  • the second winding system 20b is in an inactive position corresponding to a maintenance position.
  • the plane PI is parallel to the plane P3, the planes P2 and P4 being coincident.
  • the winding operation is carried out by the machine control unit which controls the two poly-articulated robots according to programmed trajectories to move the liner relative to the winding head 20a, as well as the drive motors 36a, 36b for the rotation of the liner around its axis A, and the motor for the rotation of the head 20a around its axis C of rotation.
  • an operator can safely perform maintenance operations on the second winding system in the maintenance position.
  • the operator can in particular replace the coils of the second winding system, and pass the fibers of the new coils through the guide means as far as the guide member.
  • the operator can also carry out cleaning and/or replacement operations on the rollers and/or rollers of the second head and/or the guide means, and/or operations on the resin application system.
  • the carousel When it is necessary to change the reels of the first winding system, the carousel is brought into its second position, by rotation of 180° around its axis C, by controlling the motor 25 via the control unit of the machine. .
  • the second winding system 20b In this second position, the second winding system 20b is in the active position to allow winding operations to be carried out via its winding head 21b, while the first winding system is in the maintenance position for the operations. maintenance, in particular changing coils.
  • the liner is moved by the two poly-articulated robots on the side of the plane P3 opposite to the winding system, to deposit the liner on the reception systems of the bench as illustrated in FIG. 2.
  • the automatic clamping chucks 35 of the mounting devices are then driven to loosen the spindles, and the poly-articulated robots are driven to move the clamping chucks according to a translational movement towards the bench. outside, parallel to the axis A of the liner, and thus release the spindles from the clamping chucks 35.
  • the poly-articulated robots can then be controlled to grab a new liner placed on the bench and tilt it in front of the winding system for a new winding operation.
  • the machine advantageously comprises a safety enclosure 5, comprising a barrier 51 surrounding the poly-articulated robots 30a, 30b and the winding means 2, with a first door 52 to access the first zone 53 in there which are positioned the robots and the winding system in the active position, and a second door 54 to access a second zone 55 in which the winding system is positioned in the maintenance position.
  • the barrier surrounds the winding means, as close as possible to the support frame, while allowing rotation of the carousel, so that an operator accessing the winding system through the second door in the maintenance position in the first zone cannot access the winding system in the active position in the first zone.
  • the barrier portion 51a between the robots and the bench 4 has a reduced height to allow the loading of the liner from the bench and the unloading of the liner on the bench with the robots.
  • the carousel and the poly-articulated robots are arranged on the ground by offsetting the axis B with respect to the plane P4, so that the head of the winding system in the active position is arranged along the plane P4 , its axis C of rotation arranged along the plane P4.
  • the two winding systems are arranged symmetrically on the carousel on either side of the plane PI, the axes C of rotation of the two winding systems being coincident.
  • the two poly-articulated robots are slidably mounted by their base on a rail, so as to be able to adapt the center distance between the axes DI of the robots according to the length of the liners, the center distance preferably being frozen during winding operations, by locking the bases of the robots in position on the rail.
  • the first winding system and the second winding system each comprise an automatic attachment device, making it possible to automatically attach the fiber or the sheet of fibers to the body at the start of filament winding without manual intervention, and an automatic cutting device, making it possible to automatically cut the fiber or the web of fibers at the end of winding.
  • FIG. 5 illustrates a winding installation comprising two winding machines 1a, 1b as described above, each comprising a movement system 3a, 3b with two robots, winding means 2a, 2b comprising a carousel carrying two winding systems, a loading and unloading bench 4a, 4b.
  • the two machines 1a, 1b are arranged side by side, the planes P3 of the machines being coincident.
  • the installation further comprises a transfer system 6, comprising a poly-articulated robot, called transfer robot 61, of the 6-axis robot type, mounted on a linear rail 62 arranged parallel to the plane P3, on the side of the benches 4a, 4b which is opposed to the poly-articulated robots of winding machines.
  • the transfer robot is equipped on its wrist with a gripping device 63 capable of automatically gripping liners by their end pins.
  • the installation further comprises a first input bench 64 at a first end of the rail, intended to receive liners, and a second output bench 65, intended to receive the reinforced liners, obtained after the filament winding operation .
  • the entry and exit benches are for example identical to the benches 4a, 4b of the winding machines, and can receive two liners.
  • the transfer robot is used to pick up liners from the entry bed and drop them onto the winding machine beds, and pick up reinforced liners from the winding machine beds to drop them onto the exit bed. This installation makes it possible to efficiently manage the flows of liners and reinforced liners and to obtain high production rates.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Moulding By Coating Moulds (AREA)

Abstract

La présente invention concerne notamment une machine (1) d'enroulement filamentaire comprenant des moyens d'enroulement (2) comprenant au moins une tête d'enroulement associée à des moyens de stockage de fibre, et un système de déplacement (3) comprenant un premier robot polyarticulé (30a) et un deuxième robot polyarticulé (30b) aptes à porter ledit corps par ses extrémités, de sorte que le corps est monté rotatif autour de son axe de rotation (A) longitudinal par une première extrémité au premier robot polyarticulé (30a) et par une deuxième extrémité au deuxième robot polyarticulé, au moins l'un des deux robots poly-aiticulés étant équipé d'un moteur d'entraînement (36a, 36b) pour l'entrainement en rotation dudit corps autour de son axe longitudinal.

Description

MACHINE D’ENROULEMENT FILAMENTAIRE AVEC SYSTEME DE DÉPLACEMENT À DEUX ROBOTS
La présente invention concerne une machine d’enroulement filamentaire pour enrouler au moins une fibre continue sur un corps, en particulier sur un liner pour la fabrication de réservoirs, ainsi qu’un procédé de fabrication d’une pièce renforcée de fibres comprenant l’enroulement filamentaire d’au moins une fibre continue sur un corps au moyen d’une telle machine.
Il est connu des réservoirs composites destinés au stockage de gaz sous pression présentant généralement une portion centrale cylindrique et deux portions d’extrémités de section décroissante, bombées vers l’extérieur, classiquement appelées dômes. Dans le cas de réservoirs de type IV, les réservoirs sont formés d’une enveloppe intérieure, classiquement appelé liner, définissant une chambre de stockage étanche, et une enveloppe de renforcement, entourant le liner, qui est obtenue par enroulement filamentaire de fibres continues autour du liner, les fibres étant de préférence pré-imprégnées d’une résine, généralement de résine thermodurcissable, chaque fibre étant formée d’une multitude de filaments continus.
L’enroulement filamentaire est effectué au moyen d’une machine d’enroulement filamentaire qui comprend classiquement des moyens d’enroulement comprenant au moins une tête d’enroulement associée à des moyens de stockage de fibre, et un système de déplacement apte à entrainer en rotation le liner autour de son axe longitudinal, et à effectuer un déplacement relatif du liner par rapport aux moyens d’enroulement pour l’enroulement de fibre sur ledit liner.
Il est connu notamment par le document brevet DE 10 2010 047 361 une telle machine dans laquelle les moyens d’enroulement comprennent une tête d’enroulement montée rotative autour d’un axe horizontal sur un bâti fixe. Les fibres, provenant de bobines de fibres disposées dans cantre, sont guidées sont la forme d’une nappe vers la tête d’enroulement, en passant au préalable dans un système d’imprégnation formé d’un bain de résine. Le système de déplacement comprend un robot de type bras poly-articulé portant en extrémité un dispositif préhenseur. Le dispositif préhenseur comprend un support en U monté par sa base au poignet du robot, le liner étant monté par ses extrémités entre les deux branches du U et entraîné en rotation par une de ses extrémités par un moteur.
Ce type de machine avec un robot portant le liner permet de proposer une machine d’enroulement filamentaire compacte, simple de conception, et à faible coûts, en utilisant des robots standards, classiquement utilisés dans le secteur automobile. Le robot permet de charger aisément un liner pour l’opération d’enroulement filamentaire et de transférer aisément le liner renforcé obtenu après enroulement vers un autre poste de traitement.
Le changement des bobines de fibre nécessite un arrêt de la machine, ce qui réduit considérablement les cadences de production de la machine.
Ce type de machine est adaptée pour la fabrication de réservoirs de tailles réduites. Pour des tailles de liner, importantes, par exemple de l’ordre de 2,5 mètres, il est nécessaire d’utiliser des robots aptes à porter des charges importantes, pour pouvoir porter le liner et un dispositif de préhension de dimensions adaptées au liner. Le prix de ces robots est élevé, et surtout leur installation nécessite des fondations spécifiques et engendre un surcoût important. Par ailleurs, ces robots présentent des caractéristiques de vitesse et d’accélération plus faibles, peu compatibles avec les cadences visées pour la production de réservoir. Aussi, pour des liners de tailles importantes, des machines d’enroulement filamentaire plus classiques sont utilisées dans lesquelles le liner est monté sur un tour pour son entrainement en rotation, la tête d’enroulement est alors montée sur un système de déplacement de type cartésien. Ces machines présentent un encombrement au sol plus important. Les possibilités de déplacement relatif du liner par rapport à la tête sont plus restreintes, ce qui peut réduire la qualité d’enroulement. Par ailleurs ce type de machine nécessite des dispositifs de transfert additionnels pour charger et décharger le liner du tour.
Le but de la présente invention est de proposer une machine d’enroulement permettant la fabrication de pièces par enroulement à des cadences importantes, et notamment des pièces de dimensions importantes. A cet effet, la présente invention propose une machine d’enroulement filamentaire pour enrouler au moins une fibre continue sur un corps présentant un axe longitudinal principal, ladite machine comprenant
- des moyens d’enroulement comprenant au moins une tête d’enroulement associée à des moyens de stockage de fibre, et
- un système de déplacement apte à entraîner en rotation un corps autour de son axe longitudinal et à effectuer un déplacement relatif du corps par rapport aux moyens d’enroulement pour l’enroulement de fibre sur ledit corps, caractérisée en ce que le système de déplacement comprend un premier robot polyarticulé et un deuxième robot polyarticulé aptes à porter ledit corps par ses extrémités, de sorte que le corps est monté rotatif autour de son axe de rotation longitudinal par une première extrémité au premier robot polyarticulé et par une deuxième extrémité au deuxième robot polyarticulé, au moins l’un des deux robots poly- articulés étant équipé d’un moteur d’entraînement pour l’entrainement en rotation dudit corps autour de son axe longitudinal.
Selon l’invention, le système de déplacement comprend deux robots polyarticulés pour porter et entraîner en rotation le corps. Un tel système de déplacement à deux robots permet de porter des corps de dimensions importantes tout en garantissant des vitesses et accélérations de déplacement importantes et donc des cadences de production élevées, ainsi qu’un cout raisonnable tant en matériel qu’en installation. Par ailleurs, un tel système de déplacement permet un déplacement précis dans les trois dimensions du corps résultant en une bonne qualité d’enroulement. La machine selon l’invention s’avère particulièrement avantageuse pour la réalisation de réservoirs haute pression, avec un corps constituant le liner du réservoir.
Selon un mode de réalisation, chaque robot polyarticulé est équipé d’un dispositif de montage comprenant une platine support assemblée au poignet d’extrémité du robot polyarticulé et portant un mandrin de serrage, de préférence automatique, apte à serrer une extrémité tubulaire d’un corps, le mandrin de serrage du premier et/ou du deuxième robot poly-articulé étant raccordé à un moteur d’entrainement pour l’entrainement en rotation du corps autour de son axe longitudinal. Selon un mode de réalisation, au moins l’un des deux mandrins est monté sur sa platine support avec un ou plusieurs degrés de liberté pour éviter tout problème d’hyperstatisme lorsque le corps est assemblé aux deux dispositifs de montage.
Selon un mode de réalisation, chaque mandrin de serrage est monté sur la platine support de sorte que l’axe longitudinal du mandrin de serrage soit disposé perpendiculairement au dernier axe de rotation du poignet du robot polyarticulé, les dispositifs de montage étant ainsi aptes à porter un corps de sorte que l’axe longitudinal du corps soit disposé perpendiculairement aux derniers axes des robots polyarticulés. Ce type de montage permet un déplacement tridimensionnel optimisé du corps pour les opérations d’enroulement filamentaire, et pour la prise et la dépose du corps à l’opposé des moyens d’enroulement par rapport au robot.
Selon un mode de réalisation, les mandrins de serrage du premier et du deuxième robot poly-articulés sont chacun raccordés à un moteur d’entrainement pour l’entrainement en rotation du corps autour de son axe longitudinal. La motorisation de chaque mandrin de serrage permet, dans le cas de liner, d’éviter une torsion du liner lors des opérations d’enroulement
Selon un autre mode de réalisation, le système de déplacement selon l’invention est apte à porter plusieurs corps, par exemple deux ou trois corps, chaque robot polyarticulé comprenant une platine avec une deuxième plaque sur laquelle sont montés les uns au-dessus des autres plusieurs mandrins de serrage, chaque corps étant assemblé par une extrémité à un mandrin de serrage du premier robot polyarticulé et à un mandrin de serrage du deuxième robot polyarticulé. Dans un tel cas, la machine présente un nombre de têtes d’enroulement superposées correspondant au nombre de corps portés par les robots polyarticulés.
Selon un mode de réalisation, le système de déplacement comprend un premier robot polyarticulé et un deuxième robot polyarticulé chacun formé d’un robot de type 6 axes.
De tels robots 6 axes assurent un déplacement optimal du corps pour l’enroulement et pour la prise et la dépose du corps à l’opposé des moyens d’enroulement par rapport au robot. Selon un mode de réalisation, le premier robot polyarticulé et le deuxième robot polyarticulé sont montés coulissant par leur embase sur un rail, de manière à pouvoir adapter l’entraxe entre les deux robots, en particulier entre leur deux premiers axes de rotation verticaux, à la longueur du corps.
Selon un mode de réalisation, la tête d’enroulement comprend un organe de guidage, tel qu’un œillet ou un ou plusieurs rouleaux ou poulies, de préférence monté pivotant autour d’un axe de rotation, de préférence horizontal, un moteur étant apte à faire pivoter ledit organe de guidage autour de son axe de rotation. Le système de déplacement à deux robots selon l’invention, combiné à un organe de guidage pivotant permet d’obtenir une précision d’enroulement optimale.
Selon un mode de réalisation, les moyens d’ enroulement sont disposés d’un premier côté du plan vertical passant par les premiers axes verticaux des robots polyarticulés, la machine comprenant en outre un banc de chargement et de déchargement disposés du deuxième côté dudit plan (P3) qui est opposé aux moyens d’enroulement, depuis lequel les robots poly-articulés sont aptes à saisir un corps et sur lequel lesdits robots polyarticulés sont aptes à déposer un corps, ledit banc étant de préférence apte à recevoir au moins deux corps.
La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d’une pièce renforcée de fibres comprenant l’enroulement filamentaire d’au moins une fibre continue sur un corps, caractérisé en ce que l’enroulement filamentaire est réalisé au moyen d’une machine d’enroulement filamentaire telle que décrite précédemment.
Selon un mode de réalisation, pour la réalisation d’une pièce renforcée de fibre telle qu’un réservoir haute pression, le corps constitue un liner, la pièce renforcée de fibres étant formée du liner et de l’enroulement de fibre, le liner comprend de préférence une portion centrale sensiblement cylindrique et des première et deuxième portion d’extrémité bombées en forme de dômes, ledit liner étant équipé en extrémité de broche pour son montage aux extrémités des deux robots polyarticulés.
Selon un autre mode de réalisation, le corps constitue un mandrin, la pièce renforcée de fibres étant formée de l’enroulement de fibre. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre d’un mode de réalisation particulier actuellement préféré de l'invention, en référence aux dessins schématiques annexés, sur lesquels :
- la Figure 1 est une vue schématique en perspective d’une machine d’enroulement filamentaire selon l’invention, lors de l’opération d’enroulement de fibres sur un corps porté par les deux robots ;
- la Figure 2 est une vue en perspective analogue à celle de la figure 1, lors d’une opération de déchargement du corps ;
- la Figure 3 est une vue de dessus de la machine de la figure 1 ;
- la Figure 4 est une vue de côté de la machine de la figure 1 ; et,
- la Figure 5 est une vue schématique de dessus d’une installation comprenant plusieurs machines d’enroulement filamentaire.
En référence aux figures 1 à 4, la machine d’enroulement filamentaire 1 selon l’invention est utilisée ici pour l’enroulement de plusieurs fibres sous la forme d’une nappe sur corps formé d’un liner 9 pour la production de réservoirs. Le liner présente un axe A longitudinal principal et comprend une portion centrale cylindrique et deux dômes en extrémité équipés de broches 91 de montage.
La machine d’enroulement comprend des moyens d’enroulement 2, un système de déplacement 3 portant le liner 9, et un banc ou station de chargement et de déchargement 4.
Les moyens d’enroulement 2 comprennent un premier système d’enroulement 20a et un second système d’enroulement 20b montés sur un support tournant ou carrousel 23. Le carrousel 23 est monté rotatif autour d’un axe de rotation B vertical sur un bâti 24 fixé au sol, et est apte à être entraîné en rotation par un moteur 25 piloté par une unité de commande de la machine. Les deux systèmes d’enroulement 20a, 20b sont disposés de part et d’autre d’un premier plan PI (Fig. 3) vertical passant par l’axe B. Chaque système d’enroulement comprend une tête d’enroulement associée à des moyens de stockage de fibres.
Le premier système d’enroulement 20a, disposé d’un premier côté du plan PI du carrousel, comprend une première tête d’enroulement 21a associée à des premiers moyens de stockage 22a. La première tête d’enroulement comprend un organe de guidage formé ici d’un rouleau de dépose monté rotatif autour d’un axe horizontal C sur un premier support 26a fixé sur le carrousel, ledit premier support 26a s’étendant depuis le plan PI pour écarter la tête d’enroulement dudit plan PI. Les premiers moyens de stockage 22a comprennent des mandrins pour recevoir des bobines de fibres continues. La machine est prévue ici pour permettre l’enroulement d’une nappe formée de 8 fibres, les premiers moyens de stockage comprennent ainsi huit mandrins. Les mandrins sont montés sur un cadre support 27 fixé sur le carrousel, sensiblement selon le plan PL Le premier système d’enroulement comprend en outre des premiers moyens de guidage (non représentés), connus en soi, permettant de guider les fibres déroulées depuis les bobines vers l’organe de guidage sous la forme d’une nappe dans laquelle les fibres sont sensiblement disposées bord à bord. Le premier système d’enroulement comprend un système de régulation de tension 28a pour réguler la tension de chaque fibre de la nappe, comprenant des premiers moteurs de régulation de tension associés auxdits premiers mandrins, ces premiers moteurs étant positionnés du deuxième côté du carrousel. La première tête d’enroulement 21a est plus écartée du plan PI que les mandrins 22a pour libérer un espace entre la première tête et le plan PI permettant le guidage des fibres sous la forme d’une nappe jusqu’à l’organe de guidage.
La machine peut être utilisée avec des bobines de fibres préimprégnées de résine. Lorsque les bobines de fibres sont munies d’un film support, les moyens de stockage peuvent comprendre des mandrins de rembobinage pour le rembobinage du film support sur un rouleau au fur et à mesure du déroulement de la bobine de fibre. La machine peut également être utilisée avec des bobines de fibre sèche, le premier système d’enroulement étant alors équipé d’un système d’application de résine pour appliquer en ligne de la résine sur les fibres en cours d’opération d’enroulement. Le système d’imprégnation comprend par exemple un bain d’imprégnation de résine disposé dans l’espace entre le plan PI et la première tête d’enroulement, pour un procédé d’enroulement dit par voie humide.
Le deuxième système d’enroulement 20b est identique au premier système d’enroulement 20a, et comprend une deuxième tête d’enroulement 21b montée pivotante autour d’un axe C horizontal sur un deuxième support 26b, des deuxièmes moyens de stockage 22b comprenant des deuxièmes mandrins associés à des deuxièmes moteur de régulation de tension 28b, des moyens de guidage (non représentés), et éventuellement un système d’application de résine. Les deuxièmes mandrins sont montés sur le même cadre support 27, les deuxièmes moteurs de régulation de tension 28b étant positionné du premier côté du carrousel.
Dans le présent mode de réalisation, la première tête d’enroulement et la deuxième tête d’enroulement sont disposées de part et d’autre d’un plan P2 passant par l’axe B, et perpendiculaire au plan PI, les têtes étant disposées entre le plan P2 et leurs moyens de stockage respectifs.
Le système de déplacement 3 comprend deux bras ou robots poly- articulés 30a, 30b pour porter le liner, les robots poly-articulés étant équipés en extrémité d’un dispositif de montage 33 pour le montage du liner par ses broches d’extrémité 91 aux deux robot poly-articulés.
Chaque robot poly-articulé est du type robot six axes, connu en soi, monté fixe au sol, un dispositif de montage 33 étant assemblé au poignet d'extrémité 32 du robot poly-articulé. En référence à la figure 1, chaque robot poly-articulé, comprend différents tronçons 31a-31g montés pivotant les uns aux autres autour d’axes de rotation D1-D6, le premier tronçon ou embase 31a étant fixé au sol, le deuxième tronçon 31b étant monté mobile sur l’embase 31a autour d’un axe DI vertical, le tronçon d’extrémité 31g forme une platine d’assemblage pour l’assemblage du dispositif de montage selon le dernier axe de rotation D6, appelé également axe d’assemblage. Les trois derniers tronçons 31e, 3 If, et 31g constituent le poignet 32 d’extrémité du robot monté rotatif autour de l’axe D4.
Le dispositif de montage 33 comprend une platine support en L comprenant une première plaque 34a par laquelle le dispositif est monté au poignet 32 et une deuxième plaque 34b, perpendiculaire à la première plaque, portant un mandrin de serrage 35, par exemple un mandrin de tour, connu en soi, à trois mors, à serrage automatique, par exemple de type pneumatique, permettant de serrer et desserrer automatiquement la broche d’un liner. Le mandrin de serrage monté sur la deuxième plaque présente un axe de mandrin perpendiculaire au dernier axe D6 du robot. Le mandrin de serrage 35 est raccordé à un moteur d’entrainement 36a, 36b, disposé sous la première plaque 34a de la platine et piloté par l’unité de commande de la machine, pour l’entrainement en rotation du liner autour de son axe A. De préférence, le premier robot 30a comprend un premier moteur d’entraînement maître, piloté par l’unité de commande, et le deuxième robot 30b comprend un deuxième moteur d’entraînement esclave, synchronisé avec le moteur d’entraînement maître. Les deux robots poly-articulés sont fixés au sol, l’un à côté de l’autre. En référence à la figure 3, le carrousel 23 portant les deux systèmes d’enroulement est disposé d’un premier côté du plan référencé P3 passant par les premiers axes DI des robots. Dans ce mode de réalisation, l’axe B est disposé dans le plan vertical médian P4 qui est ' disposé à équidistance des axes D.l , perpendiculairement au plan P3.
Le banc de chargement et de déchargement 4 est disposé à l’opposé du carrousel par rapport aux deux robots poly-articulés, du deuxième côté du plan P3. Le banc comprend une structure posée ou fixée au sol et permet de recevoir deux liners, avec les axes B des liners disposés parallèlement au plan P3, la structure comprenant pour chaque liner deux systèmes de réception 41a, 41b sur lesquelles un liner peut être posé par ses broches d’extrémité.
Le carrousel est déplaçable entre deux positions par une rotation de +180° ou -180° autour de son axe B. Dans une première position du carrousel illustrée aux figures 1 , 3 et 4, le premier système d’enroulement 20a est dans une position active, sa tête peut être utilisée pour des opérations d’enroulement filamentaire sur un liner porté par les deux robots poly-articulés. Le deuxième système d’enroulement 20b est dans une position inactive correspondant à une position de maintenance. Dans cette position du carrousel, le plan PI est parallèle au plan P3, les plans P2 et P4 étant confondus.
L’opération d’enroulement est réalisée par l’unité de commande de la machine qui pilote les deux robots poly-articulés selon des trajectoires programmées pour déplacer le liner par rapport à la tête d’enroulement 20a, ainsi que les moteurs d’entraînement 36a, 36b pour la rotation du liner autour de son axe A, et le moteur pour la rotation de la tête 20a autour de son axe C de rotation.
Pendant les opérations d’enroulement avec le premier système d’enroulement, un opérateur peut effectuer des opérations de maintenance en toute sécurité sur le deuxième système d’enroulement en position de maintenance. L’opérateur peut notamment remplacer les bobines du deuxième système d’enroulement, et passer les fibres des nouvelles bobines dans les moyens de guidage jusqu’à l’organe de guidage. L’opérateur peut également effectuer des opérations de nettoyage et/ou de remplacement de galets et/ou rouleaux de la deuxième tête et/ou des moyens de guidage, et/ou des opérations sur le système d’application de résine.
Lorsqu’il est nécessaire de changer les bobines du premier système d’enroulement, le carrousel est amené dans sa deuxième position, par rotation de 180° autour de son axe C, en pilotant le moteur 25 via l’unité de commande de la machine. Dans cette deuxième position, le deuxième système d’enroulement 20b est en position active pour permettre d’effectuer des opérations d’enroulement via sa tête d’enroulement 21b, tandis que le premier système d’enroulement est en position de maintenance pour les opérations de maintenance, notamment le changement de bobines.
A l’issue de l’opération d’enroulement filamentaire d’un liner, le liner est déplacé par les deux robots poly-articulés du côté du plan P3 opposé au système de d’enroulement, pour déposer le liner sur les systèmes de réception du banc tel qu’illustré à la figure 2. Les mandrins de serrage 35 automatiques des dispositifs de montage sont alors pilotés pour desserrer les broches, et les robots poly-articulés sont pilotés pour déplacer les mandrins de serrage selon un mouvement de translation vers l’extérieur, parallèlement à l’axe A du liner, et ainsi libérer les broches des mandrins de serrage 35. Les robots poly-articulés peuvent alors être pilotés pour saisir un nouveau liner posé sur le banc et le basculer devant le système d’enroulement pour une nouvelle opération d’enroulement.
Comme représenté sur la figure 3, la machine comprend avantageusement une enceinte de sécurité 5, comprenant une barrière 51 entourant les robots poly-articulés 30a, 30b et les moyens d'enroulement 2, avec une première porte 52 pour accéder à première zone 53 dans i l laquelle sont positionnés les robots et le système d’enroulement en position active, et une deuxième porte 54 pour accéder à une deuxième zone 55 dans laquelle est positionné le système d’enroulement en position de maintenance. La barrière entoure les moyens d’enroulement, au plus proche du cadre support, tout en permettant la rotation du carrousel, de sorte qu’un opérateur accédant par la deuxième porte au système d’enroulement en position de maintenance dans la première zone ne puisse accéder au système d’enroulement en position active dans la première zone. La portion 51a de barrière entre les robots et le banc 4 présente une hauteur réduite pour permettre le chargement du liner depuis le banc et le déchargement du liner sur le banc avec les robots.
Selon un autre mode de réalisation, le carrousel et les robots poly- articulés sont disposés au sol en décalant l’axe B par rapport au plan P4, de sorte que la tête du système d’enroulement en position active soit disposée selon le plan P4, son axe C de rotation disposée selon le plan P4.
Selon un autre mode de réalisation, les deux systèmes d’enroulement sont disposés symétriquement sur le carrousel de part et d’autre du plan PI, les axes C de rotation des deux systèmes d’enroulement étant confondus.
Selon un mode de réalisation, les deux robots poly-articulés sont montés coulissant par leur embase sur un rail, de manière à pouvoir adapter l’entraxe entre les axes DI des robots en fonction de la longueur des liners, l’entraxe étant de préférence figé lors des opérations d’enroulement, en bloquant en position les embases des robots sur le rail.
Avantageusement, le premier système d’enroulement et le deuxième système d’enroulement comprennent chacun un dispositif d’attache automatique, permettant d’attacher automatiquement sans intervention manuelle la fibre ou la nappe de fibres sur le corps en début d’enroulement filamentaire, et un dispositif de coupe automatique, permettant de coupe automatiquement la fibre ou la nappe de fibres en fin d’enroulement.
La figure 5 illustre une installation d’enroulement comprenant deux machines d’enroulement la, 1b telles que décrites précédemment, comprenant chacune un système de déplacement 3 a, 3b à deux robots, des moyens d’enroulement 2a, 2b comprenant un carrousel portant deux systèmes d’enroulement, un banc de chargement et déchargement 4a, 4b. les deux machines la, 1b sont disposées côte à côte, les plans P3 des machines étant confondus. L’installation comprend en outre un système de transfert 6, comprenant un robot poly-articulé, appelé robot de transfert 61, de type robot 6 axes, monté sur un rail 62 linéaire disposé parallèlement au plan P3, du côté des bancs 4a, 4b qui est opposé aux robots poly-articulés des machines d’enroulement. Le robot de transfert est équipé à son poignet d’un dispositif préhenseur 63 apte à saisir automatiquement des liners par leur broches d’extrémité. L’installation comprend en outre un premier banc d’entrée 64 à une première extrémité du rail, destiné à recevoir des liners, et un deuxième banc de sortie 65, destiné à recevoir les liners renforcés, obtenus après l’opération d’enroulement filamentaire. Les bancs d’entrée et de sortie sont par exemple identiques aux bancs 4a, 4b des machines d’enroulement, et peuvent recevoir deux liners. Le robot de transfert est utilisé pour saisir des liners depuis le banc d’entrée et les déposer sur les bancs des machines d’enroulement, et saisir des liners renforcés des bancs des machines d’enroulement pour les déposer sur le banc de sortie. Cette installation permet de gérer efficacement les flux de liners, et de liners renforcés et d’obtenir des cadences de production élevées.
Bien que l’invention ait été décrite en liaison avec différents modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu’elle n’y est nullement limitée et qu’elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l’invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Machine (1) d’enroulement filamentaire pour enrouler au moins une fibre continue sur un corps (9) présentant un axe longitudinal (A) principal, ladite machine comprenant
- des moyens d’enroulement (2) comprenant au moins une tête d’enroulement associée à des moyens de stockage de fibre, et
- un système de déplacement (3) apte à entraîner en rotation un corps (9) autour de son axe longitudinal (A) et à effectuer un déplacement relatif du corps par rapport aux moyens d’enroulement (2) pour l’enroulement de fibre sur ledit corps, caractérisée en ce que le système de déplacement (3) comprend un premier robot polyarticulé (30a) et un deuxième robot polyarticulé (30b) aptes à porter ledit corps par ses extrémités, de sorte que le corps est monté rotatif autour de son axe de rotation (A) longitudinal par une première extrémité au premier robot polyarticulé (30a) et par une deuxième extrémité au deuxième robot polyarticulé, au moins l’un des deux robots poly-articulés étant équipé d’un moteur d’entraînement (36a, 36b) pour l’entrainement en rotation dudit corps autour de son axe longitudinal.
2. Machine selon la revendication 1 , caractérisée en ce que chaque robot polyarticulé (30a, 30b) est équipé d’un dispositif de montage (33) comprenant une platine support (34a, 34b) assemblée au poignet d’extrémité (32) du robot polyarticulé et portant un mandrin de serrage (35) apte à serrer une extrémité tubulaire d’un corps (9), le mandrin de serrage du premier et/ou du deuxième robot poly-articulé étant raccordé à un moteur d’entrainement (36a, 36b) pour l’entraînement en rotation du corps autour de son axe longitudinal.
3. Machine selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque mandrin de serrage (35) est monté sur la platine support (34a, 34b) de sorte que l’axe longitudinal du mandrin de serrage soit disposé perpendiculairement au dernier axe de rotation (D6) du poignet (32) du robot polyarticulé.
4. Machine selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que les mandrins de serrage (35) du premier et du deuxième robot poly- articulés sont chacun raccordés à un moteur d’entrainement (36a, 36b).
5. Machine selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le système de déplacement (2) comprend un premier robot polyarticulé (30a) et un deuxième robot polyarticulé chacun formé d’un robot de type 6 axes.
6. Machine selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le premier robot polyarticulé (30a) et le deuxième robot polyarticulé (30b) sont montés coulissant par leur embase (31a) sur un rail.
7. Machine selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la tête d’enroulement comprend un organe de guidage monté pivotant autour d’un axe de rotation (C) horizontal, un moteur étant apte à faire pivoter ledit organe de guidage autour de son axe de rotation.
8. Machine selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les moyens d’enroulement (2) sont disposés d’un premier côté du plan (P3) vertical passant par les premiers axes (Dl) verticaux des robots polyarticulés, la machine comprenant en outre un banc de chargement et de déchargement (4) disposés du deuxième côté dudit plan (P3) qui est opposé aux moyens d’enroulement, depuis lequel les robots polyarticulés sont aptes à saisir un corps et sur lequel lesdits robots polyarticulés sont aptes à déposer un corps.
9. Procédé de fabrication d’une pièce renforcée de fibres comprenant l’enroulement filamentaire d’au moins une fibre continue sur un corps, caractérisé en ce que l’enroulement filamentaire est réalisé au moyen d’une machine d’enroulement filamentaire selon l’une des revendication 1 à 8.
10. Procédé selon la revendication 9, pour la réalisation d’une pièce renforcée de fibre telle qu’un réservoir haute pression, caractérisé en ce que le corps constitue un liner, la pièce renforcée de fibres étant formée du liner et de l’enroulement de fibre.
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