JP4706974B2 - フィラメントワインディング装置 - Google Patents

Description

本発明は、フィラメントワインディング装置に関する。

ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製のパイプや容器を効率よく形成する方法としてフィラメントワインディング法がある。フィラメントワインディング法では一般に、樹脂含浸バス（樹脂含浸槽）で繊維束に樹脂を含浸し、樹脂含浸繊維束を回転するマンドレルの周囲に所定の角度で巻き付ける（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−９２８６７号公報

このようなフィラメントワインディングを行うフィラメントワインディング装置では、マンドレル（回転部材）に繊維を巻付ける際に滑りが発生する場合がある。滑りとは、繊維がマンドレルの表面（被巻付け面）に適切に巻き付けられず、所定位置から滑り落ちることを言い、特にヘリカル巻において多く見られる。

滑りが発生する原因としては、繊維と樹脂とのまとまりが悪い場合、繊維束の中で他の繊維とのなじみが悪い繊維が部分的にほどける、あるいは、既に巻き付けられている繊維から滲み出した樹脂の上に新たに巻き付けられた繊維が滑る、ということが考えられている。

この滑りは、特に多数の繊維を束ねて同時に巻く際に発生しやすく、滑りが発生した場合には、人手により巻き直し作業を行う必要があるため、迅速に滑りの発生を検知する必要がある。

特許文献１は、フィラメントワインディング装置（巻回装置）直前の繊維（フィラメント）の位置をレーザビームにより検出し、指令値と検出値の差を示すエラー信号を生成する装置を開示したものであるが、このような技術では通常のフィラメントワインディング装置に加えて検出用のレーザビーム装置を備える必要があり、装置の大型化を招くという課題があった。

上記事情に鑑み、本発明は、回転部材の被巻付け面における繊維の滑りを装置の大型化を招くことなく速やかに検出することができるフィラメントワインディング装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のフィラメントワインディング装置は、複数の繊維を束ねて繊維束として回転部材に巻付けるフィラメントワインディング装置において、前記回転部材に前記複数の繊維を供給する繊維供給手段と、前記回転部材に供給される前記繊維の速度を検出する速度検出手段と、前記速度検出手段により検出された前記繊維の速度に基づいて、異常を判定する異常判定部と、を備えた。

前記異常判定部は、前記回転部材の被巻付け面における前記繊維の滑りを前記異常として判定するものでもよい。

複数の繊維のいずれかに、例えば回転部材の被巻付け面における繊維の滑り等の異常が発生すると、他の繊維と比較して回転部材に供給される速度が低下する。したがって、本構成のように、回転部材に供給される繊維の速度を検出することにより、大型の装置を追加することなく、異常の判定が可能となる。

また、繊維の供給速度が低速である場合には、繊維に作用している張力の瞬間的な変動が小さいため、張力検出に基づく異常判定では誤判定の虞があるのに対し、本構成のように、繊維供給速度に基づく異常判定によれば、そのような誤判定の虞が低減し、より高精度の異常判定が可能となる。

前記異常判定部は、前記複数の繊維のうち少なくとも２本の繊維の速度差あるいは速度差の変化量が所定値以上である場合に、異常と判断するものでもよい。この場合において、前記２本の繊維は、前記複数の繊維が束ねられてなる繊維束の幅方向両端にそれぞれ位置する繊維であってもよい。

すなわち、回転部材の被巻付け面において最初に滑りが発生するのは、繊維束を構成する繊維のうち、最外のいずれか一方側に位置する繊維であるから、少なくとも繊維束の幅方向両端にそれぞれ位置する繊維の速度を測定しておけば、これら幅方向の一端と他端における各繊維の速度差が所定値以上となった場合に、滑りが発生したと判定することが可能である。

なお、前記異常判定部は、繊維束の幅方向両端における繊維だけでなく、前記複数の繊維の全ての速度差あるいは速度差の変化量に基づいて、前記異常を判定するものでもよい。

前記繊維供給手段から引き出された前記繊維を前記回転部材に送り出すフィードロールを備えたフィラメントワインディング装置において、前記速度検出手段は、前記フィードロールの回転数に基づいて、前記繊維の速度を検出するようにしてもよい。

また、前記繊維供給手段が前記繊維を巻回したボビンを備えたフィラメントワインディング装置において、前記速度検出手段は、前記ボビンの回転数に基づいて、前記繊維の速度を検出するようにしてもよい。

なお、本発明における「繊維」とは、繊維１本を意味するだけでなく、複数の繊維を撚ってなる繊維束や、さらに複数の繊維束を撚ってなる繊維束をも含む。

本発明のフィラメントワインディング装置によれば、回転部材の被巻付け面における繊維の滑りを装置の大型化を招くことなく速やかに検出することができる。

図１及び図２に示すように、フィラメントワインディング装置（以下、「ＦＷ装置」という。）１１は、繊維束供給部（繊維供給手段）１２、樹脂含浸装置１３、繊維束ガイド１４及び給糸ユニット１５を備えている。給糸ユニット１５は、チャック９に支持されたワーク（回転部材）１６の長手方向（図１における左右方向）に沿って往復移動可能に構成されている。

給糸ユニット１５を往復移動させる第１のアクチュエータ１７には、ボールネジを使用するとともに、ナットと一体移動可能な移動体１７ａを１軸方向に移動させる構成の公知のものが使用されている。移動体１７ａ上には、給糸ユニット１５を昇降させる第２のアクチュエータ１８が固定され、給糸ユニット１５は第２のアクチュエータ１８に取り付けられている。

繊維束供給部１２は、繊維束（繊維）ｆが巻かれた複数（この実施形態では４つ）のボビンＢ１〜Ｂ４が、クリールスタンド１２ｂに連結された支軸１２ａに支持される構成になっている。クリールスタンド１２ｂには例えばパウダーブレーキや、渦電流により支軸１２ａに負荷を加える構成の所謂パーマトルクが使用されている。繊維束ｆは、例えば、炭素繊維の無撚りのマルチフィラメントからなり、マルチフィラメントはフィラメント数が３０００〜９６０００本程度である。なお、図１においてはクリールスタンド１２ｂの図示を省略した。

樹脂含浸装置１３は、樹脂槽１９及び含浸ローラ２０を備え、この樹脂槽１９の上方にはボビンＢ１〜Ｂ４から引き出された繊維束ｆを送り出して樹脂槽１９の所定位置に案内するフィードロール２１ａと、樹脂槽１９で樹脂が含浸された後の繊維束ｆを案内するローラ２１ｂとが設けられている。なお、図１では、フィードロール２１ａ，２１ｂの図示を省略している。また、繊維束供給部１２とフィードロール２１ａとの間には、図示しないテンションローラが各繊維束ｆに対応して設けられている。

繊維束ガイド１４は、複数のボビンＢ１〜Ｂ４から引き出された繊維束ｆを給糸ユニット１５に案内する装置である。給紙ユニット１５は複数の繊維束ｆを一列に束ね、繊維束Ｆとしてワーク１６に供給する装置である。

チャック９は、ワーク１６をその軸心を中心に回転可能に支持し、可変速モータにより回転駆動される。そして、制御部（異常判定部）３０により可変速モータが制御されて、チャック９が給糸ユニット１５の移動速度と同期した状態で回転駆動されることにより、繊維束Ｆのワーク１６に対する巻付け角度を任意の角度に設定して巻き付けることができるようになっている。ワーク１６は、例えばマンドレルあるいはタンクを製造する場合のライナ等である。

平面視で両端に位置するボビンＢ１，Ｂ４には、各ボビンＢ１，Ｂ４の回転数を検出する回転数検出器（速度検出手段）５０が設けられている。回転数検出器５０は各々ボビンＢ１，Ｂ４の支軸１２ａに設けられ、ボビンＢ１，Ｂ４の回転数を逐次検出する装置である。回転数検出器５０の検出出力は制御部３０に与えられる。

なお、本実施形態では複数設けられたボビンＢ１〜Ｂ４のうち、繊維束Ｆの幅方向両端にそれぞれ位置する繊維束ｆを供給するボビンＢ１，Ｂ４に回転数検出器５０を設けているが、すべてのボビンＢ１〜Ｂ４に回転数検出器５０を設けてもよい。

次に、前記のように構成されたＦＷ装置１１の作用を説明する。給糸ユニット１５は取付け部２２において第２のアクチュエータ１８に固定されて、ＦＷ装置１１に取り付けられる。そして、例えば、高圧タンクを製造する場合は、先ずワーク１６としてのライナをＦＷ装置１１のチャックに支持させる。次に、第１のアクチュエータ１７及び第２のアクチュエータ１８を作動させて、給糸ユニット１５を原位置（巻付け開始位置）に配置する

次に、繊維束供給部１２から繰り出された繊維束ｆを、樹脂含浸装置１３及び繊維束ガイド１４を経て給糸ユニット１５に導き、繊維束ｆが一列に束ねられてなる繊維束Ｆの端部をワーク１６の所定位置に固定する。繊維束Ｆの端部の固定作業は作業者が手作業で行い、例えば粘着テープを使用して行われる。また、ワーク１６の長さ、径、ワーク１６の回転速度、繊維束Ｆのワーク１６への巻付け時の幅等の巻付け条件を制御部３０に入力する。

次に、ＦＷ装置１１による繊維束Ｆの巻付け運転が開始される。ＦＷ装置１１の運転が開始されると、ワーク１６が一定方向に回転されるとともに、第１のアクチュエータ１７の駆動により、給糸ユニット１５が移動体１７ａと共に巻付け開始位置からワーク１６の軸方向と平行に移動される。そして、繊維束供給部１２から複数の繊維束ｆが順次引き出されて一列に束ねられてなる繊維束Ｆが、ワーク１６の被巻付け面に巻き付けられる。

移動体１７ａの移動速度及びワーク１６の回転速度の調整により、ヘリカル巻層、フープ巻層及びレーベル巻層の巻付けが行われ、ヘリカル巻層、フープ巻層及びレーベル巻層が所定層数巻き付けられた時点で繊維束Ｆの巻付けが完了する。そして、ワーク１６に巻き付けられた繊維束Ｆの端部がワーク１６に固定され、この固定部から出口ガイド２５に連なる繊維束Ｆが切断される。

次に、ワーク１６がチャック９から取り外されて加熱炉に入れられ、所定温度で樹脂が硬化されて、外郭が繊維強化樹脂により回転体形状に形成された構造体としての回転対称形状の高圧タンクが形成される。

図３は、繊維束Ｆの巻付け時に被巻付け面上で滑りが発生した場合の繊維束Ｆの状態を示す図である。この図に示すように、複数の繊維束ｆからなる繊維束Ｆをワーク１６に巻付けると、繊維束Ｆの幅方向一端に位置する繊維束ｆ（図３では、繊維束ｆ１）が不安定な部位に位置することとなり、同図の矢印で示すように、所定の巻付け位置からずれる「滑り」を発生する場合がある。

この滑りが生じると、滑りが生じた幅方向一端側の繊維束ｆ１の送り出し速度は、他側の繊維束ｆ２の送り出し速度よりも大幅に遅くなる。これらの速度は回転数検出器５０により検出され、制御部３０により比較が行われる。制御部３０は、これら繊維束ｆ１，ｆ２間の速度差あるいは該速度差の変化量が、予め閾値として設定しておいた所定値以上となった場合に、滑り（異常）が発生していると判定する。

制御部３０は、かかる滑りの発生を判定した場合に、警報等のユーザへの通知を行う、ＦＷ装置１１を自動的に停止する等の措置を講じる。

以上説明したように、本実施形態に係るＦＷ装置１１によれば、繊維束Ｆの滑りをその幅方向両端における繊維束ｆ１，ｆ２の速度差あるいは該速度差の変化量に基づいて判定するので、ＦＷ装置１１の大型化を招くことなく、繊維束Ｆの滑りを速やかに検出することができる。また、繊維束ｆ，Ｆに作用する張力から滑りを検出するものではないため、通常運転時に起こり得る瞬間的な張力変動による影響を受けることなく、高精度の滑り検出が可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、繊維束供給部１２から引き出された繊維束ｆを送り出してワーク１６に供給するフィードロール２１ａに、回転数検出器５０を設けるようにしてもよい。この構成では、回転数検出器５０が樹脂槽１９よりも上流側のフィードロール２１ａに設けられることになるので、樹脂が含浸された繊維束ｆと回転数検出器５０との間の相対的な滑りに起因する繊維送り出し速度の誤検知を抑制することが可能である。

フィラメントワインディング装置の模式平面図である。 同フィラメントワインディング装置の模式側面図である。 ワーク上で繊維束が滑る状態を説明する模式平面図である。

符号の説明

１１…フィラメントワインディング装置、１２…繊維束供給部（繊維供給手段）、１６…ワーク（回転部材）、２１ａ…フィードロール、３０…制御部（異常判定部）、５０…回転数検出器（速度検出手段）、Ｂ１〜Ｂ４…ボビン、ｆ…繊維束（繊維）、Ｆ…繊維束

Claims (6)

1. 複数の繊維を束ねて繊維束として回転部材に巻付けるフィラメントワインディング装置において、
   前記回転部材に前記複数の繊維を供給する繊維供給手段と、
   前記回転部材に供給される前記繊維の速度を検出する速度検出手段と、
   前記速度検出手段により検出された前記繊維の速度に基づいて、異常を判定する異常判定部と、を備え、
   前記異常判定部は、前記複数の繊維のうち少なくとも２本の繊維の速度差あるいは速度差の変化量が所定値以上である場合に、異常と判断するフィラメントワインディング装置。
2. 前記２本の繊維は、前記複数の繊維が束ねられてなる繊維束の幅方向両端にそれぞれ位置する繊維である請求項１に記載のフィラメントワインディング装置。
3. 複数の繊維を束ねて繊維束として回転部材に巻付けるフィラメントワインディング装置において、
   前記回転部材に前記複数の繊維を供給する繊維供給手段と、
   前記回転部材に供給される前記繊維の速度を検出する速度検出手段と、
   前記速度検出手段により検出された前記繊維の速度に基づいて、異常を判定する異常判定部と、を備え、
   前記異常判定部は、前記複数の繊維の全ての速度差あるいは速度差の変化量に基づいて、前記異常を判定するフィラメントワインディング装置。
4. 前記異常が前記回転部材の被巻付け面における前記繊維の滑りである請求項１から３のいずれかに記載のフィラメントワインディング装置。
5. 前記繊維供給手段から引き出された前記繊維を前記回転部材に送り出すフィードロールを備え、
   前記速度検出手段は、前記フィードロールの回転数に基づいて、前記繊維の速度を検出する請求項１から４のいずれかに記載のフィラメントワインディング装置。
6. 前記繊維供給手段は、前記繊維を巻回したボビンを備え、
   前記速度検出手段は、前記ボビンの回転数に基づいて、前記繊維の速度を検出する請求項１から４のいずれかに記載のフィラメントワインディング装置。

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