МАШИНА ДЛЯ НАЛОЖЕНИЯ ВОЛОКОН
FIBRE APPLICATION MACHINE

Предлагаемое изобретение относится к машине для наложения волокон, имеющей в своем составе головку наложения волокон с роликом наложения и предназначенной для изготовления деталей из композитных материалов. Более конкретно, предлагаемое изобретение относится к машине, предназначенной для наложения волокон и оборудованной системой ограничения натяжения волокон, и/или специальной головкой наложения волокон, и/или специальными средствами транспортирования волокон от средств размещения расходуемого запаса этих волокон к упомянутой головке наложения, а также системой ограничения натяжения волокон и такой головкой наложения, используемой в этой машине для наложения волокон.
В настоящее время известны, в частности из патента ЕР 0626252, машины, предназначенные для наложения волокон, обычно называемые машинами для укладки волокон и используемые для наложения на соответствующую изготавливаемой детали форму ленты, образованной множеством волокон, предварительно пропитанных смолой, причем ролик наложения волокон входит в контакт с поверхностью упомянутой формы для наложения этой ленты. Такая машина имеет в своем составе опорный элемент в форме П-образной конструкции, на котором устанавливается головка наложения волокон для того, чтобы обеспечить возможность перемещения этой головки наложения вдоль нескольких различных осей. Катушки, на которых намотаны предварительно пропитанные смолой волокна, устанавливаются на держателе катушек или на шпулярнике, связанном с роботизированным механизмом, и транспортируются от этого держателя катушек к ролику наложения головки наложения волокон при помощи специальных направляющих систем и систем транспортировки. Вследствие клейкости пропитывающих смол эти направляющие системы и системы транспортировки имеют особенно сложную конструкцию и имеют тенденцию загрязнения.
Для того чтобы гарантировать надлежащее разматывание предварительно пропитанных смолой волокон, а также обеспечить по существу постоянную ширину волоконной ленты, эти волокна наматываются на катушку вместе с разделительной пленкой. Предварительно пропитанные смолой волокна имеют ограниченный срок годности при нормальной температуре окружающего воздуха и должны быть складированы и подлежат хранению при температуре порядка минус 15°С. Машина, предназначенная для укладки волокон, должна иметь в своем составе системы удаления разделительной пленки, которые должны обеспечивать полное и надежное удаление этой пленки для того, чтобы исключить загрязнение изготавливаемой композитной детали.
Известные в настоящее время машины для наложения волокон представляются особенно громоздкими и дорогостоящими. Различные элементы, располагающиеся на различных осях перемещения упомянутого опорного элемента в форме П-образной конструкции или в головке наложения волокон, такие, например, как держатель для катушек, направляющие системы и системы транспортировки, системы охлаждения, системы удаления разделительной пленки, являются громоздкими и достаточно тяжелыми и ограничивают скорость наложения волокон. Такие машины не позволяют размещать волокна на деталях относительно небольших размеров или на некоторых формах, имеющих поверхности охватывающего типа, вследствие их значительных габаритных размеров и ограниченных рабочих ходов по различным осям.
Предварительно пропитанные смолой волокна могут иметь не вполне оптимальные механические характеристики, причем элементарные волокна, образующие рабочее волокно, могут быть резаными или несплошными в том случае, когда рабочее волокно происходит из предварительно пропитанной смолой одномерной или плоской ленты, разделенной в продольном направлении и обычно называемой "slit tаре".
Предварительно пропитанные смолой волокна, накладываемые на формы, должны подвергаться промежуточному уплотнению для того, чтобы обеспечить постепенное удаление воздуха, заключенного между складками уложенных волокон. Это уплотнение осуществляется либо путем наложения оболочки, пространство под которой подвергается вакуумированию, либо путем осуществления непрерывного давления головки наложения волокон на форму, либо путем сочетания двух этих методов. В обоих случаях процесс осуществления технологического цикла удлиняется, и размерные параметры машины должны быть определены таким образом, чтобы обеспечить создание такого давления.
Для изготовления детали из композитного материала предварительно пропитанные смолой волокна подвергаются операции полимеризации в условиях вакуума или в автоклаве. Для того чтобы гарантировать достаточно малый коэффициент пористости в конечном изделии из композитного материала, необходимо осуществлять полимеризацию в автоклаве, что существенно увеличивает стоимость изготовления детали.
В случае использования волокон, намотанных на катушку, размещенные на данной машине держатели для катушек содержат механизированную систему разматывания волокон, связанную с каждой катушкой. Каждая система разматывания приводится в движение в функции скорости движения волокна для того, чтобы ограничить натяжение этого волокна на уровне роликов укладки волокон с целью обеспечения, в частности, размещения волокон плашмя на вогнутых поверхностях форм. Каждая система разматывания волокон также приводится в движение в функции перемещений роботизированного механизма для того, чтобы обеспечить, в частности, возможность выбирать образовавшуюся слабину волокон путем их обратной намотки. Такие системы разматывания характеризуются значительными габаритными размерами и достаточно высокой стоимостью и существенным образом ограничивают скорость разматывания катушек по соображениям ограничений, накладываемых системами привода, и, следовательно, ограничивают скорость наложения волокон.
Техническая задача данного изобретения состоит в том, чтобы устранить по меньшей мере один из отмеченных выше недостатков и предложить, в частности, машину для наложения волокон, которая имеет уменьшенные габаритные размеры, достаточно проста по конструкции и отличается относительно небольшой стоимостью.
Для решения этой технической задачи предлагается машина для наложения волокон, имеющая в своем составе систему перемещения головки наложения волокон, содержащей ролик наложения волокон и средства, направляющие волокна на упомянутый ролик наложения, средства размещения расходуемого запаса волокон и средства транспортировки этих волокон от упомянутых средств размещения их расходуемого запаса до головки наложения, отличающаяся тем, что дополнительно содержит по меньшей мере одну систему ограничения натяжения волокон, располагающуюся между средствами размещения расходуемого запаса волокон и головкой наложения, причем упомянутая система ограничения натяжения волокон содержит по меньшей мере два параллельных друг другу цилиндра, на которые имеет возможность частично наматываться множество волокон, и средства приведения в движение, предназначенные для приведения упомянутых цилиндров во вращательное движение с по существу одинаковой скоростью, причем упомянутые средства приведения в движение управляются при помощи блока управления машины таким образом, чтобы периферийные скорости движения цилиндров превышали скорости перемещения волокон на уровне ролика наложения для того, чтобы создавать тянущие усилия, воздействующие на волокна, поступающие из средств размещения их расходуемого запаса, обеспечивая тем самым ограничение усилий натяжения вытягивания волокон на уровне ролика наложения до по существу постоянной величины при любой скорости движения этих волокон.
Система ограничения натяжения волокон в соответствии с предлагаемым изобретением позволяет обеспечить разматывание нескольких катушек волокон или сматывание волокон с нескольких мотков при использовании одного единственного привода для волокон, движущихся с различными скоростями на уровне головки наложения. Такая система ограничения натяжения волокон позволяет уменьшить их натяжение на уровне ролика наложения при любой скорости движения этих волокон. Предлагаемая система ограничения натяжения волокон оказывается достаточно простой по конструкции, обладает относительно небольшими габаритными размерами и является менее дорогостоящей по сравнению с индивидуальными системами разматывания волокон, известными из существующего уровня техники в данной области.
Предлагаемая машина может иметь в своем составе систему ограничения натяжения, располагающуюся на выходе из средств размещения расходуемого запаса волокон, и/или вставленную в средства транспортировки волокон, например вдоль рычага роботизированного механизма, и/или располагающуюся на входе головки наложения волокон, причем в этом последнем случае упомянутая система ограничения натяжения волокон может быть размещена на конце рычага роботизированного механизма или может быть интегрирована в конструкцию головки наложения волокон.
В соответствии с одной из особенностей предлагаемого изобретения упомянутые цилиндры располагаются таким образом, чтобы каждое волокно имело возможность частично наматываться вокруг каждого из этих цилиндров так, чтобы волокна входили в контакт с цилиндрами при помощи двух своих главных поверхностей, для приведения в движение всех элементарных волокон, образующих собственно волокно. Предпочтительным образом каждое волокно проходит против этих цилиндров каждой из своих поверхностей на по существу идентичной протяженности.
В соответствии с первым способом осуществления предлагаемого изобретения упомянутые цилиндры содержат кольцевые канавки, предназначенные для размещения в них волокон, причем эти волокна входят в непосредственный контакт с цилиндрами.
Следует отметить, что некоторые волокна вследствие их хрупкости, эластичности или других свойств не могут находиться в непосредственном контакте с цилиндрами в процессе их вращения. Для того чтобы обеспечить возможность использования этих волокон, в частности волокон, предварительно пропитанных затвердевающей под действием высокой температуры смолой, и в соответствии со вторым способом осуществления предлагаемого изобретения приводные ремни устанавливаются вокруг каждого из цилиндров системы ограничения натяжения волокон таким образом, чтобы этот приводной ремень имел возможность вставляться между каждым волокном и данным цилиндром, причем каждый приводной ремень способен сцепляться с волокном и в большей или меньшей степени приводиться в движение при помощи упомянутого цилиндра в функции давления, оказываемого со стороны волокна на данный приводной ремень, причем упомянутое давление пропорционально натяжению вытягивания, воздействующему на это волокно.
В том случае, когда движение волокна остановлено, давление, воздействующее со стороны этого волокна на приводной ремень, оказывается нулевым, причем в этом случае приводной ремень оказывается в скользящем контакте с цилиндром. В том случае, когда волокно продвигается вперед, это волокно оказывает некоторое давление на приводной ремень, обеспечивающее приведение в движение приводного ремня упомянутым цилиндром с некоторым скольжением между этим приводным ремнем и цилиндром, пропорциональным давлению, которое воздействует на ремень со стороны волокна. При этом относительная скорость движения между цилиндром и приводным ремнем является пропорциональной величине создаваемого давления, а относительная скорость перемещения между приводным ремнем и волокном является нулевой или имеет весьма малую величину.
Предпочтительно, чтобы каждый приводной ремень устанавливался в виде петли на дорожку скольжения, частично сформированную цилиндром и дополнительными средствами, предназначенными для ограничения углового участка контакта между приводным ремнем и цилиндром, причем угловой участок контакта между волокном и приводным ремнем должен иметь величину, меньшую или равную и предпочтительно меньшую, чем величина углового участка контакта между приводным ремнем и цилиндром.
В соответствии с одним из способов реализации упомянутые дополнительные средства содержат диски в форме полумесяца, установленные фиксированно вокруг цилиндров таким образом, чтобы их концевые части тангенциально адаптировались к цилиндрам, причем каждый приводной ремень устанавливается вокруг круглой периферийной кромки диска и на окружном участке цилиндра, который не перекрыт упомянутым диском. Каждый цилиндр предпочтительно оборудован дисками, располагающимися друг против друга своими плоскими сторонами с размещением направляющих фланцев между двумя смежными дисками и против наружных дисков для того, чтобы направлять движение приводных ремней и волокон.
Целесообразно, чтобы каждый приводной ремень был сформирован из двух слоев, изготовленных из различных материалов.
Предпочтительно, чтобы упомянутые средства приведения в движение управлялись так, чтобы периферийная скорость движения цилиндров превышала на величину от 20 до 40% или, например, на величину около 30% наибольшую скорость движения волокон.
Использование одной или нескольких систем ограничения натяжения волокон позволяет использовать достаточно простые по конструкции и обладающие небольшими габаритными размерами средства транспортировки волокон и обеспечить, таким образом, повышенные скорости движения волокон. В соответствии с одной из отличительных характеристик предлагаемого изобретения средства транспортировки волокон содержат гибкие трубки, причем каждая такая гибкая трубка способна принимать одно волокно в свой внутренний проход, и эта гибкая трубка устанавливается фиксированно при помощи своих концов между системой ограничения натяжения волокон и средствами размещения расходуемого запаса волокон, а также между системой ограничения натяжения волокон и головкой наложения волокон, например при помощи распределительной системы, причем одна или несколько систем ограничения натяжения волокон, размещенных перед головкой наложения, позволяют ограничить или устранить усилия натяжения волокон, возникающие вследствие трения волокон в этих гибких трубках.
Упомянутые гибкие трубки имеют длину и гибкость, достаточные для того, чтобы не ограничивать движения роботизированного механизма. Благодаря использованию этих гибких трубок в соответствии с предлагаемым изобретением, имеющих постоянную длину и сгруппированных, в случае необходимости, в один или несколько жгутов, отпадает необходимость в использовании системы, предназначенной для выбора слабины волокон, в том случае когда роботизированный механизм совершает перемещения. В то же время, волокна, изолированные в упомянутых трубках, и сами эти трубки могут подвергаться охлаждению, например для того чтобы использовать предварительно пропитанные смолой волокна, клейкость которых снижается с понижением температуры.
Предпочтительно, чтобы эти гибкие трубки, предназначенные для транспортировки волокон, имели прямоугольное поперечное сечение для того, чтобы повысить их гибкость и ограничить габаритные размеры, в частности в случае использования волокон, имеющих достаточно большую ширину. Предпочтительно, чтобы эти гибкие трубки изготавливались из пластического материала, предпочтительно из полиэтилена высокой плотности, а еще более предпочтительно, чтобы они изготавливались из полиэтилена высокой плотности, обладающего антистатическими свойствами.
Простота транспортировки волокон позволяет предложить системы перемещения, сформированные на основе различных достаточно простых модульных роботизированных подсистем, экономичным образом поддающихся адаптации к реализации композитных деталей различных размеров.
Система перемещения имеет возможность перемещать головку наложения волокон вдоль по меньшей мере трех взаимно перпендикулярных направлений. Эта система перемещения имеет в своем составе, например, роботизированный механизм, содержащий многошарнирный кронштейн или рычаг, на конце которого установлена упомянутая головка наложения. Система перемещения может быть образована, например, стандартным роботизированным механизмом многошарнирного типа, располагающимся на грунте или смонтированным на линейной оси или на П-образной опорной конструкции.
Средства размещения расходуемого запаса волокон могут содержать этажерку в том случае, когда волокна упакованы в форме мотков или размещены в картонных коробках, и/или могут содержать держатель для катушек в том случае, когда эти волокна намотаны на катушки. Эти средства размещения расходуемого запаса волокон могут быть расположены на грунте, например в случае, когда роботизированный механизм является фиксированным, или могут быть смонтированы на элементе системы перемещения, таком, например, как тележка, располагающаяся на линейной оси.
Система ограничения натяжения волокон в соответствии с предлагаемым изобретением может быть интегрирована в конструкцию предлагаемой машины без применения линейного пропитывания волокон смолой или с использованием такого линейного пропитывания, причем в этом последнем случае упомянутая машина содержит средства нанесения смолы на каждое сухое волокно.
Целесообразно, чтобы упомянутые средства нанесения смолы располагались между средствами размещения расходуемого запаса сухих волокон и системой ограничения натяжения волокон, а гибкие трубки, установленные между этими средствами размещения расходуемого запаса сухих волокон и системой ограничения натяжения волокон охлаждались для того, чтобы уменьшить или устранить свойства клейкости волокон на выходе из этих средств нанесения смолы.
2
Целесообразно, чтобы упомянутая машина была оборудована головкой наложения волокон, позволяющей обеспечить линейное пропитывание смолой сухих волокон, а средства нанесения смолы при этом были интегрированы в головку наложения волокон и обеспечивали возможность нанесения смолы на волокна на выходе этих волокон из направляющих средств. Головка наложения волокон позволяет использовать сухие волокна и смолу, причем эти сухие волокна покрываются смолой непосредственно перед их укладкой на форму. При этом волокна могут быть упакованы без использования разделительной пленки, например в форме мотков или катушек, или могут быть размещены в картонных коробках. Нанесение смолы после выхода волокон из направляющих средств позволяет исключить риск загрязнения этих волокон и позволяет, кроме того, предложить достаточно простые по конструкции и обладающие относительно небольшими габаритными размерами направляющие средства. Головка наложения волокон обеспечивает возможность наносить смолу на волокна для того, чтобы получить структуры, сформированные волокнами, частично пропитанными смолой, с определенным коэффициентом пропитки этих волокон, например с пропиткой приблизительно 55% волокон по объему, из которых будут реализованы композитные детали, в соответствии со способом настаивания пленки смолы, называемым обычно способом RFI (что означает по-английски Rеsin Film Infusiоn). Этот способ, обозначаемый аббревиатурой RFI, в соответствии с которым смола постепенно настаивается через волокна для того, чтобы их полностью пропитать, позволяет получить композитную деталь с относительно небольшим коэффициентом пористости без необходимости осуществления этапа полимеризации, выполняемого в автоклаве. Головка наложения волокон в соответствии с предлагаемым изобретением также может быть использована для линейной обмазки волокон с использованием небольшого количества клея или смолы, имеющего величину в диапазоне, например, от 5 до 20 г/м, вполне достаточного для того, чтобы обеспечить удержание волокон и реализацию предварительной сухой формы, на основе которой будет реализована конечная композитная деталь в соответствии со способом впрыскивания или настаивания смолы в сухой предварительной форме, называемым в целом способом RТМ (что по-английски означает Rеsin Тrаnsfеrt Моlding). Такой способ, обозначаемый аббревиатурой RТМ, в котором смола конечной композитной детали впрыскивается или настаивается на протяжении некоторой последующей фазы изготовления, позволяет использовать смолы, применяемые только в закрытых формах, например смолы с содержанием летучих органических компонентов, и обеспечивать специфические состояния поверхностей на всех сторонах формируемой детали. Имеется также возможность комбинировать, для одной и той же композитной детали, оба упомянутых выше типа наложения волокон.
Машина в соответствии с предлагаемым изобретением обеспечивает возможность использования большого количества волокон различных типов, синтетических или натуральных, гибридных или не являющихся гибридными, в частности возможность использования волокон, обычно применяемых в области создания композитных материалов, таких, например, как стеклянные волокна, углеродные волокна, кварцевые волокна, арамидные волокна, а также большое количество различных термоотверждаемых или термопластических смол, однокомпонентных или многокомпонентных, содержащих тот или иной вспомогательный наполнитель, например наполнитель типа нанокомпозитных материалов или пластификаторов, улучшающих свойства этих смол, в частности смол с высокой вязкостью, обеспечивая возможность сцепления волокон с формами без опасности возникновения подтеков или скольжения, или не содержащих никакого наполнителя, и, более конкретно, смол, не содержащих растворителей, в частности термоплавких смол с высокой вязкостью в холодном состоянии, которые будут пропитывать надлежащим образом волокна на протяжении последующей фазы настаивания в условиях вакуума. Эта смола может быть доведена до пригодной для использования кондиции, например, в жидкой форме, в пастообразной форме или в твердой форме, в частности в виде хлопьев или гранул.
Предпочтительно, чтобы средства нанесения смолы содержали множество распределительных каналов, располагающихся против ролика наложения волокон, для того чтобы обеспечить нанесение смолы на переднюю поверхность волокон, противоположную ролику наложения, и чтобы упомянутые средства нанесения смолы имели возможность покрыть упомянутые поверхности волокон смолой в форме пленки, имеющей постоянную толщину или пористую структуру, и/или наносить смолу на упомянутые поверхности в форме валика. Эти средства нанесения смолы предпочтительно должны содержать один распределительный канал на каждое волокно, гарантирующий присутствие смолы только на одной стороне волокна, без вытекания смолы на кромки этого волокна, для того чтобы исключить загрязнение ролика наложения волокон, а также направляющих средств, при любой пространственной ориентации головки наложения волокон.
Упомянутые средства нанесения смолы могут содержать по меньшей мере одно сопло с кромкой, оснащенной слоем фольги, определяющей множество каналов распределения, и/или множество трубчатых сопел, каждое из которых определяет канал распределения, предназначенный для одного волокна, и, в случае необходимости, может представлять собой изделие одноразового использования, причем эти сопла устанавливаются, например, на одном и том же распределительном устройстве.
Предпочтительно также, чтобы предлагаемая машина имела в своем составе средства дозирования, имеющие возможность подавать смолу в упомянутые средства нанесения этой смолы в головке укладки волокон, причем расход этой смолы был отрегулирован в функции скорости перемещения волокон, а средства дозирования управлялись при помощи блока управления данной машины. Эти средства дозирования могут располагаться непосредственно в головке наложения волокон или могут располагаться на элементах системы перемещения, например вдоль рычага роботизированного механизма. Упомянутые средства дозирования могут иметь в своем составе по меньшей мере один объемный насос, содержащий камеру дозирования с отверстием нагнетания, поршень, имеющий возможность перемещаться в этой камере дозирования, и средства приведения в движение этого поршня, такие, например, как гидравлический силовой цилиндр или электрический подъемник, управляемые при помощи упомянутого блока управления.
Предпочтительно также, чтобы предлагаемая машина дополнительно имела в своем составе средства размещения расходуемого запаса смолы и ее подачи, имеющие возможность сохранять некоторый запас смолы и питать этой смолой упомянутые средства дозирования. Средства размещения расходуемого запаса смолы и подачи смолы будут соответствующим образом адаптированы к различным способам ее упаковки и к объемам используемой смолы. Эти средства размещения расходуемого запаса смолы и ее подачи могут содержать котлы, предназначенные для разогрева смолы, устройства разгрузки резервуаров или камеры под давлением, удаленные от головки наложения волокон благодаря доставке смолы через по меньшей мере одну трубку транспортировки, удерживаемую вдоль системы перемещения без ограничения движений различных осей этой системы перемещения. В случае использования многокомпонентной смолы каждый ее компонент доставляется через свой собственный трубопровод и смешивание этих компонентов осуществляется на уровне головки наложения волокон. Эти средства размещения расходуемого запаса смолы могут быть расположены на грунте или могут располагаться на элементах конструкции системы перемещения, например на линейной оси перемещения посредством каретки.
Предпочтительно, чтобы головка наложения волокон имела в своем составе средства разрезания, имеющие возможность разрезать волокна, индивидуально в случае необходимости, и средства повторной транспортировки волокон, имеющие возможность доставлять, индивидуально в случае необходимости, каждое волокно, которое только что было разрезано, причем упомянутые средства разрезания и средства повторной транспортировки должны располагаться перед средствами нанесения смолы. Целесообразно, чтобы упомянутые направляющие средства содержали, для каждого волокна, каналы, предпочтительно имеющие круглое поперечное сечение, между которыми располагались упомянутые средства разрезания и средства повторной транспортировки. Отсутствие смолы на волокнах при этом позволяет использовать достаточно простые каналы, имеющие круглое поперечное сечение, причем эти каналы могут содержать изогнутые части.
Целесообразно, чтобы упомянутые средства повторной транспортировки волокон имели в своем составе роликовые системы приведения в движение, содержащие основные и противостоящие ролики, и средства впрыскивания воздуха, предназначенные для подачи сжатого воздуха или любого другого газа в один из упомянутых направляющих каналов для того, чтобы сформировать воздушный поток, движущийся в направлении ролика наложения против направления движения волокна, а упомянутые средства располагались, например, позади средств разрезания для того, чтобы всасывать только что разрезанные волокна. Этот поток воздуха предпочтительно подвергается кондиционированию, а именно регулированию его температуры и/или гидрометрических параметров, а также очистке для того, чтобы исключить загрязнение волокон.
Предпочтительно, чтобы головка укладки волокон дополнительно имела в своем составе средства охлаждения, предназначенные для охлаждения смолы, которая только что была нанесена на волокна, для того чтобы не допустить прилипания волокон к ролику наложения. Эти средства охлаждения способны обеспечить охлаждение, например при помощи потока холодного воздуха, ролика наложения волокон для того, чтобы понизить температуру волокон, проходящих против этого ролика наложения, позади средств нанесения смолы, и/или охлаждать непосредственно волокна позади или перед средствами нанесения смолы.
Объектом предлагаемого изобретения является также система ограничения натяжения волокон описанного выше типа, предназначенная для оснащения машины для наложения волокон, в которой используются, или не используются, средства нанесения смолы, машины для намотки волокон и/или ткацкой машины, в частности машины многоосевого типа. В случае использования предварительно пропитанных смолой или предварительно обмазанных смолой волокон, в зависимости от характера используемой смолы и типа используемой системы ограничения натяжения волокон, а именно системы, содержащей или не содержащей вставленные приводные ремни, волокна, в случае необходимости, могут быть снабжены разделительной пленкой, располагающейся на по меньшей мере одной основной поверхности этих волокон.
Объектом предлагаемого изобретения является также машина для наложения волокон, имеющая в своем составе систему перемещения головки наложения волокон, содержащую ролик наложения волокон и направляющие средства, обеспечивающие ориентацию этих волокон в направлении упомянутого ролика наложения, средства размещения расходуемого запаса волокон и средства транспортировки этих волокон от упомянутых средств размещения запаса волокон до головки наложения этих волокон, отличающаяся тем, что упомянутые средства транспортировки волокон содержат гибкие трубки описанного выше типа, причем каждая такая трубка способна принимать одно волокно в свой внутренний проход, и эта машина оборудована, в случае необходимости, одной или несколькими системами ограничения натяжения волокон описанного выше типа. Как об этом уже было сказано выше, такие средства транспортировки волокон позволяют, в частности, отказаться от использования механизированных систем выборки слабины волокон для катушек с волокнами, изолировать волокна от внешней окружающей среды и упростить конструкцию системы перемещения головки наложения волокон. Предпочтительно, чтобы эти гибкие трубки имели прямоугольное поперечное сечение и/или были изготовлены из полиэтилена высокой плотности, предпочтительно обладающего антистатическими свойствами.
Объектом предлагаемого изобретения также является головка наложения волокон, предназначенная для установки на конце системы перемещения и оборудованная средствами нанесения смолы, о которых уже было подробно сказано выше, причем упомянутая головка содержит ролик наложения волокон, направляющие средства, предназначенные для ориентирования волокон на этот ролик наложения, и средства нанесения смолы, обеспечивающие нанесение смолы на волокна на выходе из направляющих средств, а также машина для наложения волокон, оборудованная такой головкой наложения, содержащей или не содержащей систему ограничения натяжения волокон.
Другие технические задачи, подробности реализации, характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из описания предпочтительных вариантов его осуществления, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, в числе которых:
фиг.1 представляет собой схематический вид в изометрии машины для укладки волокон в соответствии с первым способом реализации;
фиг.2 представляет собой увеличенный схематический вид сбоку головки укладки волокон, установленной в машине, представленной на фиг.1;
фиг.3 и 4 представляют собой два увеличенных схематических вида в изометрии конструктивных элементов головки для укладки волокон, показанной на фиг.2;
фиг.5 представляет собой схематический увеличенный вид в разрезе направляющих средств, показанных на фиг.2;
фиг.6 представляет собой схематический вид в разрезе по плоскости VI-VI, показанной на фиг.5;
фиг.7 представляет собой схематический вид в изометрии конструктивных элементов системы ограничения натяжения волокон в соответствии с первым способом реализации;
фиг.8 представляет собой схематический вид в разрезе по плоскости VIII-VIII, показанной на фиг.7;
фиг.9 представляет собой схематический вид в изометрии конструктивных элементов системы ограничения натяжения волокон в соответствии со вторым способом реализации;
фиг.10 представляет собой схематический вид в продольном разрезе системы ограничения натяжения волокон, показанной на фиг.9, выполненном перпендикулярно по отношению к цилиндрам;
фиг.11 представляет собой схематический вид в поперечном разрезе системы ограничения натяжения волокон, показанной на фиг.9, выполненном вдоль оси одного из цилиндров;
фиг.12, 13 и 14 представляют собой соответственно увеличенные схематические виды деталей С1, С2 и С3, показанных на фиг.9, 10 и 11;
фиг.15 представляет собой схематический вид в изометрии машины для укладки волокон в соответствии со вторым способом реализации;
фиг.16 представляет собой схематический вид в изометрии машины для укладки волокон в соответствии с третьим способом реализации;
фиг.17 представляет собой частичный увеличенный схематический вид в изометрии части вида, показанного на фиг.16.
Как это показано на фиг.1, машина 1 для укладки волокон имеет в своем составе устройство перемещения, образованное роботизированным механизмом 2, имеющим шесть степеней свободы и известным из существующего уровня техники, головку 3 укладки волокон, установленную на конце многошарнирного рычага 21 роботизированного механизма, средства размещения расходуемого запаса волокон, средства транспортировки этих волокон от упомянутых средств размещения расходуемого запаса волокон к головке их укладки, средства 8 размещения расходуемого запаса смолы и систему 9 ограничения натяжения волокон.
Роботизированный механизм содержит неподвижное основание 22, располагающееся в непосредственной близости от опорных средств, образованных приемным столом Т1, удерживающим форму М1, на которой должна быть реализована композитная деталь. Рычаг роботизированного механизма устанавливается с возможностью выполнения вращательного движения на этом основании и содержит различные участки, установленные с возможностью вращения друг относительно друга. Концевая часть этого рычага, представленная на фиг.2, содержит три последних участка 23, 24, 25 рычага, соединенных вокруг осей вращения А1, А2 с соединительной пластиной 25 на конце. Эта концевая часть рычага установлена с возможностью вращения на остальной части роботизированного механизма относительно оси А3. Головка 3 укладки волокон устанавливается фиксированным образом на соединительной пластине вдоль оси А1, называемой также осью сборки.
В рассматриваемом здесь способе реализации волокна F представляют собой стеклянные волокна, упакованные в форме мотков, разматывающихся через центр. Здесь средства размещения расходуемого запаса волокон образованы простыми этажерками 71, располагающимися на грунте, в непосредственной близости от основания роботизированного механизма, причем мотки волокон укладываются рядом друг с другом своими боковыми сторонами на полки 72 этих этажерок. В качестве варианта реализации текстильные волокна могут быть упакованы в картонные коробки, размещенные рядами на полках этажерок. Для того чтобы волокна не заряжались статическим электричеством и чтобы они становились более эластичными, могут быть предусмотрены средства гидрометрического регулирования, располагающиеся на уровне упомянутых средств размещения расходуемого запаса волокон, например для получения гидрометрии, отрегулированной на уровень выдерживания примерно 70% относительной влажности.
Волокна транспортируются индивидуально от упомянутых этажерок до головки укладки волокон через гибкие транспортировочные трубки 73, представленные схематически на фиг.2-5. Эти транспортировочные трубки присоединяются на своих концах к распределительным устройствам со средствами быстрого соединения. Распределительное устройство 74 установлено на кожухе 30 головки укладки волокон, причем транспортировочные трубки 73 собраны на распределительном устройстве в два располагающихся один над другим ряда для того, чтобы сформировать два слоя нитей, а именно первый F1 слой волокон и второй F2 слой волокон. Распределительное устройство предусмотрено также для фиксации трубок транспортировки на уровне каждой полки этажерки. Эти транспортировочные трубки имеют длину и гибкость, достаточные для того, чтобы не ограничивать перемещения роботизированного механизма и головки укладки волокон. Для предохранения транспортировочных трубок от повреждения и для их удержания вдоль протяженности рычага роботизированного механизма эти трубки проходят в каналах 75, удерживаемых на упомянутом рычаге при помощи средств крепления 76, обычно используемых в области робототехники, например в двух таких каналах, причем в каждом канале собирается пучок транспортировочных трубок, соответствующих одному слою волокон F1 или F2. Эти транспортировочные трубки изготовлены из материала, который не разрушается проходящими в них волокнами, не заряжает волокна статическим электричеством, обеспечивает относительно небольшой уровень трения, не создает резких изгибов, обладает высокой износоустойчивостью, а также хорошей усталостной прочностью и устойчивостью к повторяющимся изгибам. В рассматриваемом варианте осуществления транспортировочные трубки имеют круглое поперечное сечение, причем их диаметр адаптирован к текстильному номеру используемых волокон. Для волокон, имеющих текстильные номера в диапазоне примерно от 600 текс до 2400 текс, транспортировочные трубки имеют, например, внутренний диаметр 8 мм и наружный диаметр 10 мм. Эти транспортировочные трубки изготавливаются из полимерного материала, такого, например, как натуральный полиэтилен высокой плотности (РЕНD), содержащий антистатические добавки. В соответствии с вариантом реализации, описанным ниже со ссылками на фиг.9-13, транспортировочные трубки представляют прямоугольное поперечное сечение.
Как это можно видеть на фиг.2-5, головка 3 укладки волокон содержит кожух 30, в котором установлены гибкий ролик 31 наложения волокон и две системы 32а, 32b направляющих каналов, смещенных друг относительно друга в угловом направлении и предназначенных для того, чтобы направлять два слоя волокон в сторону ролика наложения, причем два эти слоя волокон подводятся тангенциально к ролику наложения таким образом, чтобы волокна одного слоя вставлялись между волокнами другого слоя с тем, чтобы сформировать ленту из волокон. Ролик наложения волокон устанавливается с возможностью вращения между двумя фланцами кожуха. Этот кожух изготавливается из эластомерного материала, покрытого противоадгезивным материалом, например тефлоном.
Каждый слой волокон направляется распределительным устройством 74 к своей направляющей системе при помощи комплекта направляющих роликов 33, установленных с возможностью свободного вращения на оси 34, встроенной в кожух параллельно оси вращения ролика наложения волокон. Первая направляющая система 32а, предназначенная для ориентирования первого слоя F1 волокон, располагается параллельно оси А1 присоединения головки укладки волокон к пластине, а именно вертикально, как это показано на фиг.2 и 5, причем вторая направляющая система 32b располагается над роликом наложения волокон, под углом примерно 15° по отношению к первой направляющей системе. Для каждой направляющей системы каждое волокно проходит через различные каналы 35-38, располагающиеся на одной линии и отстоящие друг от друга в продольном направлении для размещения индивидуальной системы разрезания и системы индивидуальной повторной транспортировки. Каждая система разрезания содержит плоское лезвие 39, установленное на конце штока 40а пневматического силового цилиндра 40 против подпорного инструмента 41. Этот пневматический силовой цилиндр имеет возможность перемещать упомянутое лезвие между двумя каналами 36 и 37 в диапазоне от положения покоя, в котором это лезвие отведено от волокна, до активного положения, в котором лезвие упирается в подпорный инструмент для того, чтобы обеспечить разрезание волокна.
Каждая система повторной транспортировки волокна содержит приводной ролик 42 и подпорный ролик 43, изготовленный из эластомерного материала и установленный на конце штока 44а пневматического силового цилиндра 44. Этот пневматический силовой цилиндр имеет возможность перемещать подпорный ролик между двумя каналами 36 и 37 в диапазоне от положения покоя, в котором этот подпорный ролик отведен от волокна, до активного положения, в котором подпорный ролик прижимает волокно к приводному ролику для того, чтобы обеспечить поступательное перемещение этого волокна.
С целью уменьшения габаритных размеров системы повторной транспортировки волокон размещаются в шахматном порядке в двух располагающихся один над другим параллельных рядах. Кроме того, системы разрезания волокон размещаются в шахматном порядке в двух располагающихся один над другим рядах позади систем повторной транспортировки волокон. Приводные силовые цилиндры 40, 44 систем повторной транспортировки волокон и систем разрезания устанавливаются перпендикулярно на одной и той же опорной пластине 45, располагающейся параллельно связанной с ней направляющей системой и со стороны упомянутых каналов, противоположной той их стороне, на которой располагается другая направляющая система. Ролики приведения в движение систем повторной транспортировки волокон из одного и того же ряда сформированы одним единственным приводным роликом 42. Для двух слоев волокон головка содержит четыре ролика, сгруппированных между направляющими системами и приводимых во вращательное движение при помощи приводного ремня 47, который сам приводится в движение при помощи одного единственного двигателя 46, установленного в головке укладки волокон.
В варианте выполнения, проиллюстрированном на приведенных в приложении чертежах, каждое волокно проходит через первый так называемый входной канал 35, затем проходит через первый промежуточный канал 36 и через второй промежуточный канал 37 и, наконец, проходит через изогнутый выходной канал 38. Как это можно видеть на фиг.6, упомянутые входные каналы образованы металлическими трубками, имеющими круглое поперечное сечение и установленными параллельно друг другу на одном и том же первом опорном кронштейне 48, жестко связанном с кожухом. Вторые промежуточные каналы сформированы при помощи пластины 50, в форме параллелепипеда, снабженной отверстиями 51, имеющими круглое поперечное сечение и открывающимися на обеих параллельных между собой продольных кромках 52, 53 этой пластины. Упомянутая пластина содержит на одной из своих кромок, или на так называемой верхней кромке 52, совокупность зубцов 54, располагающихся таким образом, чтобы упомянутые отверстия открывались на двух различных уровнях, причем продольное смещение входных частей 51а двух смежных отверстий соответствует продольному смещению двух смежных систем разрезания волокон. Первые промежуточные каналы 36 образованы металлическими трубками, имеющими круглое поперечное сечение и установленными параллельно друг другу на втором опорном кронштейне 49, присоединенном к верхней кромке 52 пластины 50. Первые промежуточные каналы, имеющие одинаковую длину, отстоят, с одной стороны, от упомянутых первых каналов для того, чтобы определить две совокупности пространств 55а и 55b, располагающихся в шахматном порядке и предназначенных для прохождения подпорных роликов двух рядов систем повторной транспортировки волокон, а с другой стороны, от упомянутых входных частей отверстий для того, чтобы определить две совокупности пространств 56а и 56b, располагающихся в шахматном порядке и предназначенных для прохождения лезвий двух рядов систем разрезания волокон. Каждое отверстие имеет на уровне своей входной части 51а фрезерованную зону, которая определяет направляющую коническую стенку 57, предназначенную для облегчения повторной транспортировки волокна сразу после его разрезания. Все противостоящие инструменты 41 систем разрезания волокон одного и того же слоя образованы одной и той же противостоящей пластинкой, закрепленной на той стороне упомянутой пластины, которая противоположна силовым цилиндрам управления. Выходные каналы 38 образованы металлическими трубками, имеющими круглое поперечное сечение и вставленными в отверстия 51 через нижнюю кромку 53 упомянутой пластины вплоть до расширенных участков. Эти выходные трубки имеют изогнутые концевые части 38а. Эти изогнутые концевые части первой направляющей системы вставляются между изогнутыми концевыми частями второй выходной направляющей системы таким образом, чтобы выходные отверстия выходных каналов располагались по существу на одной линии. Эти выходные каналы содержат стенки относительно небольшой толщины для того, чтобы волокна, выходящие из двух направляющих систем, формировали ленту волокон, в которой волокна располагаются по существу бок о бок друг с другом. Такая лента волокон содержит 28 волокон, причем каждая направляющая система транспортирует 14 волокон. В процессе их транспортировки волокна могут быть слегка изогнуты против внутренней трубчатой стенки направляющих каналов. Две направляющие системы могут быть расположены таким образом, чтобы только одна из них обладала изогнутыми концевыми частями, а другая содержала только прямолинейные каналы.
Как это можно видеть на фиг.5, опорная пластина 50 содержит каналы 58 подачи сжатого воздуха, открывающиеся на отверстия в этой пластине и на ее главную наружную поверхность 50а. Эти каналы запитываются кондиционированным сжатым воздухом индивидуально при помощи трубопроводов 59, частично представленных на фиг.2-5, и ориентированы таким образом, чтобы сформировать поток воздуха, направленный в сторону выходных каналов для того, чтобы всасывать только что разрезанные волокна. В качестве варианта реализации эти каналы подачи сжатого воздуха располагаются перед средствами разрезания, например на уровне первых промежуточных трубок 36, причем в этом случае поток воздуха позволяет ориентировать волокна в направлении входных частей упомянутых отверстий.
Сопло 60 установлено в кожухе, например, при помощи своих концов, параллельно ролику наложения волокон для того, чтобы нанести смолу на каждое волокно при его выходе из упомянутых выходных каналов. Это сопло, обычно называемое соплом с кромкой, известным образом содержит два стержня 60а, 60b, между которыми зажата фольга. Эта фольга снабжена поперечными щелями, равномерно отстоящими друг от друга и проходящими вплоть до ее наружной продольной кромки для того, чтобы сформировать каналы распределения, на которые открывается продольная канавка, сформированная на внутренней контактной поверхности одного из двух стержней, а именно стержня 60а.
Продольная канавка разделена, например, посредством прокладки, изготовленной из эластомерного материала, на семь участков, каждый из которых открывается на четыре распределительных канала. При этом верхний стержень содержит семь поперечных каналов, открывающихся в продольную канавку и связанных при помощи трубопроводов 67 питания с насосами 61 дозирования, называемыми также объемными насосами, для того чтобы обеспечить индивидуальное питание смолой каждого участка канавки.
Каждый насос 61 дозирования содержит цилиндр 62, ограничивающий камеру дозирования и снабженный на первом своем конце отверстием нагнетания, предназначенным для распределения смолы, поршень, установленный с возможностью скольжения в камере дозирования при помощи второго открытого отверстия цилиндра, и приводной механизм, имеющий возможность поступательно перемещать упомянутый поршень. Этот приводной механизм представляет собой гидравлический силовой цилиндр или электрический подъемник 63. Корпус 63а силового цилиндра присоединен к цилиндру насоса при помощи средств быстрого соединения типа хомута 64, а шток силового цилиндра проходит в камеру дозирования и на его конце закреплен поршень насоса. Отверстия нагнетания насосов подключены через выходные патрубки 65 к системе двухпозиционных клапанов 66, обычно называемой распределительным устройством. Это распределительное устройство позволяет, с одной стороны, когда оно находится в некотором первом своем положении, индивидуально связать насосы дозирования с питающими трубопроводами 67, присоединенными к упомянутому соплу, для того чтобы обеспечить питание смолой различных участков этого сопла, а с другой стороны, когда это устройство находится в некотором втором своем положении, связать упомянутые выходные патрубки 65 с общим входом 66а распределительного устройства, присоединенным к средствам размещения расходуемого запаса смолы и питания смолой, для повторной загрузки смолой насосов дозирования. Перемещение распределительного устройства между двумя этими его положениями осуществляется при помощи установленного в машине двигателя 68 через приводной ремень 69.
Средства размещения расходуемого запаса смолы и питания смолой предусмотрены для использования двухкомпонентной смолы. Каждый компонент смолы хранится в специальном резервуаре 81, 82, размещенном в разгружателе 83, 84 известной конструкции, имеющем в своем составе насосы 83а, 84а, и транспортируется через свою собственную трубку питания 85а, 85b (см. фиг.4) в головку укладки волокон. Эти трубки питания присоединяются к входным элементам двухкомпонентного клапана 86, располагающегося перед статическим смесителем 87, который обеспечивает однородное смешивание двух компонентов, причем этот статический смеситель присоединен своим выходом к входной части 66а распределительного устройства. Для защиты питающих трубок от повреждений и удержания их вдоль рычага роботизированного механизма эти трубки подачи смолы пропущены через рукава 88 (см. фиг.1), удерживаемые при помощи держателей 89, аналогичных держателям 76, используемым для трубок транспортировки волокон.
Головка укладки волокон содержит средства охлаждения, предназначенные для того, чтобы охлаждать ролик наложения, обеспечивая тем самым охлаждение волокон, прижимающихся к этому ролику на выходе из сопла, и исключить таким образом прилипание смолы к ролику наложения. Как это схематически представлено на фиг.5, упомянутые средства охлаждения содержат воздушный пистолет 311, предназначенный для подачи холодного воздуха под давлением и располагающийся над роликом 31 наложения волокон. Этот воздушный пистолет типа vоrtех для подачи холодного воздуха запитывается сжатым воздухом через входной патрубок 312. Сжатый воздух, находящийся, например, под давлением 6 бар, преобразуется в поток горячего воздуха, выбрасываемый наружу через выходной патрубок 313, и поток холодного воздуха при температуре, составляющей примерно -40°С, схематически представленный стрелками D, направляется в сторону ролика наложения волокон при помощи сопла или дефлектора 314. Этот дефлектор, изготовленный из металлического листа или из пластического материала, проходит по существу по всей длине ролика наложения волокон для того, чтобы обеспечить возможность охлаждения всей ленты волокон. Этот дефлектор может быть удален от ролика наложения волокон для того, чтобы сформировать, совместно с этим роликом, проход, позволяющий ориентировать поток холодного воздуха D в направлении волокон позади от выходных каналов 38. Дефлектор предпочтительно располагается по существу на уровне поверхности ролика наложения волокон, причем возможное непосредственное охлаждение волокон реализуется посредством потока сжатого воздуха, поступающего из упомянутых выше каналов 58.
В зависимости от типа смолы, используемой в данном случае для нанесения на волокна, головка укладки волокон предпочтительно содержит средства нагревания, предназначенные для того, чтобы нагревать до температуры использования смолу, циркулирующую в головке укладки, перед ее нанесением на волокна. Эти средства нагревания, не представленные на приведенных в приложении чертежах, могут быть выполнены, например, в форме нагревательных электрических сопротивлений, встроенных в электроизоляционные оболочки и располагающихся вокруг насосов 61 дозирования, распределительного устройства 66, статического смесителя 87, питающих каналов 67 и сопла 60.
Предлагаемая машина содержит блок управления, располагающийся, например, в шкафу 77 управления и имеющий возможность обеспечить управление перемещениями роботизированного механизма в соответствии с запрограммированными последовательностями действий, а также управлять перемещениями силовых цилиндров систем разрезания, систем повторного транспортирования волокон и насосов дозирования, а также управлять приводным двигателем роликов приведения в движение, приводным двигателем устройства распределения и двигателями и насосами разгрузки резервуаров. Электрические, пневматические и/или гидравлические схемы, предназначенные для управления системами, располагающимися в головке укладки волокон, размещаются в рукаве 78, проходящем от головки укладки к шкафу управления вдоль рычага роботизированного механизма.
В функции свойств используемой в данном случае смолы, в частности ее вязкости, а также количества и скорости движения волокон и количества подлежащей нанесению смолы, эта смола будет нанесена в форме пленки, которая может иметь пористую или не являющуюся пористой структуру, при помощи контакта между волокнами и соплом, или в форме валика и без контакта между волокном и соплом. Это сопло может быть установлено с возможностью перемещения между убранным положением и активным положением, причем перемещение сопла между этими его положениями управляется, например, при помощи системы с использованием силового цилиндра. Волокна могут быть пропущены через плющильный стержень для лучшего уплощения бок о бок волокон одного слоя перед их прохождением на ролик наложения и предпочтительно перед нанесением смолы.
Скорости поступательного перемещения штоков силовых цилиндров насосов дозирования контролируются при помощи блока управления роботизированной машины для того, чтобы регулировать расход смолы в функции скорости движения волокон и обеспечить, таким образом, по существу равномерное нанесение смолы по всей длине волокон, в частности нанесение валика смолы постоянного поперечного сечения, при любых скоростях и при любых направлениях перемещения роботизированного механизма.
Каждый насос дозирования используется для нанесения смолы на четыре смежных волокна. Таким образом, приводные силовые цилиндры систем разрезания и повторной транспортировки волокон регулируются группами по четыре. В процессе операции разрезания четырех волокон приводные силовые цилиндры четырех соответствующих смежных систем разрезания управляются таким образом, чтобы перевести лезвия в их активное положение. По соображениям смещения в продольном направлении двух смежных систем разрезания управляющие команды для этих систем будут немного смещены во времени. После задержки по времени, которая представляет собой функцию скоростей перемещения четырех только что разрезанных волокон, поступательное перемещение вперед приводного силового цилиндра насоса дозирования, связанного с этими волокнами, останавливается. Для того чтобы устранить проблему образования капель смолы на выходе из сопла на волокнах, приводной силовой цилиндр насоса дозирования управляется таким образом, чтобы сместить поршень насоса в обратном направлении. Затем приводятся в действие силовые цилиндры противостоящих роликов четырех систем повторного транспортирования волокон для того, чтобы прижать волокна к соответствующим роликам 42 приведения в движение и обеспечить их повторное транспортирование в направлении ролика наложения, например точно перед соплом. В процессе этого повторного транспортирования волокон сжатый воздух подается в соответствующие каналы 58. Подача сжатого воздуха также может осуществляться непрерывно, начиная с момента запуска данной машины.
В качестве варианта выполнения нанесение смолы осуществляется независимым образом на каждое волокно при помощи индивидуального насоса дозирования, причем приводной силовой цилиндр каждого насоса в этом случае управляется в функции скорости движения данного волокна. При этом системы разрезания и повторного транспортирования волокон могут управляться полностью независимым образом.
Повторное запитывание совокупности насосов дозирования может быть осуществлено между двумя фазами нанесения смолы, как только степень заполнения одного из насосов дозирования опустится ниже некоторого предварительно определенного порогового значения. Заполнение камер дозирования обеспечивается путем запуска в работу насосов, встроенных в разгрузочные устройства, и выдачи управляющей команды на двигатель 68 для того, чтобы переместить распределительное устройство в его второе положение, причем приводные силовые цилиндры насосов дозирования одновременно приводятся в действие для того, чтобы втянуть поршни в процессе заполнения. В качестве варианта насосы дозирования могут быть повторно запитаны при помощи трехходовых клапанов, управляемых индивидуально при помощи блока управления.
Различные средства дозирования и различные средства нанесения смолы могут быть использованы в функции свойств подлежащих дозированию смол, в частности их реакционной способности, реологических характеристик и вязкости. В том случае, когда количество наносимой смолы является относительно небольшим и/или когда смола имеет высокую реакционную способность, может быть предусмотрено питание смолой посредством содержащих эту смолу патронов одноразового использования, которые могут быть загружены в упомянутые камеры дозирования насосов дозирования. Эти патроны одноразового использования могут быть заменены после их опустошения. В этом случае насосы дозирования могут быть непосредственно связаны с соплом с кромкой, без использования распределительного устройства для повторного запитывания насосов дозирования. Сопло с кромкой может быть заменено на трубчатые сопла одноразового использования, располагающиеся на одной линии рядом друг с другом на опорном кронштейне, причем в этом случае каждое волокно имеет свое собственное сопло, запитываемое независимо через канал питания при помощи насоса дозирования описанного выше типа. При этом насосы дозирования предпочтительно будут вынесены за пределы головки укладки волокон на рычаг роботизированного механизма и будут связаны через двадцать восемь каналов 67 питания, имеющих большую длину и проходящих вдоль рычага роботизированного механизма, с упомянутыми трубчатыми соплами.
Система ограничения натяжения волокон, называемая также устройством предварительного освобождения волокон, предусмотрена для того, чтобы создавать тянущее усилие, воздействующее на волокна, поступающие из мотков, и ограничивать таким образом натяжение вытягивания волокон на уровне ролика 31 наложения. Предлагаемая машина содержит два устройства предварительного освобождения волокон, вставленных на транспортировочных трубках вдоль шарнирного рычага роботизированного механизма, причем каждое устройство предварительного освобождения волокон предусмотрено для обработки слоя, состоящего из четырнадцати волокон. Как это можно видеть на фиг.7 и 8, каждое устройство 9 предварительного освобождения волокон содержит систему механизированных цилиндров 91, установленных в кожухе с возможностью вращения параллельно друг другу, на которых волокна проходят, не совершая на них полного оборота. Оба устройства предварительного освобождения волокон могут быть встроены в один и тот же кожух 90, как это схематически показано на фиг.1. Волокна, обычно используемые в композитных материалах, представляются как правило в форме ленты, с оборотом или без оборота. Каждое волокно входит в контакт с цилиндрами при помощи двух своих главных поверхностей и на линейных протяженностях, по существу идентичных для каждой из этих главных поверхностей. Контакт цилиндров с верхней поверхностью и с нижней поверхностью волокна позволяет гомогенизировать усилие трения между цилиндрами и волокнами и гарантировать, таким образом, что все элементарные волокна, образующие данное волокно, будут приведены в движение.
Количество цилиндров и их диаметр определяются требуемым натяжением вытягивания на уровне ролика наложения волокон и в функции ограничений по габаритным размерам устройства. Площадь поверхности контакта и, главным образом, длина волокна в контакте с цилиндрами представляет собой функцию искомого усилия трения. В рассматриваемом здесь способе реализации устройство предварительного освобождения волокон имеет в своем составе четыре цилиндра, располагающихся в шахматном порядке, а именно: входной цилиндр 91а, первый промежуточный цилиндр 91b, второй промежуточный цилиндр 91с и выходной цилиндр 91d, причем первый промежуточный цилиндр и выходной цилиндр определяют плоскость, располагающуюся параллельно и выше плоскости, определяемой входным цилиндром и вторым промежуточным цилиндром. Эти цилиндры приводятся во вращательное движение при помощи одного единственного двигателя 92, управляемого упомянутым блоком управления, посредством приводного ремня 96, установленного на зубчатом колесе 92а двигателя и на концевых участках каждого цилиндра посредством направляющего ролика 93. Как это можно видеть на фиг.8, входной цилиндр 91а и второй промежуточный цилиндр 91с приводятся во вращательное движение по часовой стрелке, тогда как первый промежуточный цилиндр 91b и выходной цилиндр 91d приводятся во вращательное движение против часовой стрелки. Участки 73а транспортировочных трубок 73 для волокон, выходящих с этажерок, присоединены к входному распределительному устройству 174а, оборудованному отверстиями 79 и установленному параллельно цилиндрам для того, чтобы подвести волокна к входному цилиндру 91а в форме слоя или полотна. Волокна F входят в контакт своей первой поверхностью с входным цилиндром 91а на протяженности, немного превышающей четверть полного оборота, затем входят в контакт своей второй поверхностью с первым промежуточным цилиндром 91b на протяженности, составляющей более половины полного оборота, после чего входят в контакт снова своей первой поверхностью со вторым промежуточным цилиндром 91с на протяженности, составляющей более половины полного оборота, и наконец входят в контакт с выходным цилиндром 91d своей второй поверхностью на протяженности, превышающей четверть полного оборота. Затем волокна проходят через участки 73b транспортировочных трубок для того, чтобы быть подведенными к головке укладки волокон, причем упомянутые участки 73b этих трубок устанавливаются на выходном распределительном устройстве 174b, аналогичном входному распределительному устройству, и собираются в защитный рукав для последующего присоединения своими концами к распределительному устройству 74 головки укладки волокон.
Двигатель 92 управляется блоком управления таким образом, чтобы периферийная скорость движения цилиндров превышала, например на 30%, скорость движения наиболее быстро движущегося волокна. Эти цилиндры будут приводиться в движение со скоростью, постоянно регулируемой таким образом, чтобы в любой момент времени скорость их движения превышала, по существу на 30%, скорость движения наиболее быстро движущегося волокна. В качестве варианта выполнения цилиндры приводятся в движение с момента включения данной машины с некоторой постоянной скоростью, которая будет определяться в функции запрограммированных последовательностей укладки волокон.
Эти цилиндры имеют гладкие поверхности для того, чтобы не повреждать волокна, но не полированные, для того чтобы обеспечить достаточное сцепление с волокнами в том случае, когда натяжение вытягивания воздействует на волокна на выходе из устройства предварительного освобождения. В качестве примера, обработка поверхности типа твердого анодирования толщиной 45 микрон на поверхности цилиндра, изготовленного из алюминия, механически обработанной с шероховатостью на уровне Rа порядка 0,5 мкм, обеспечивает подходящую в данном случае поверхность с высокой устойчивостью к износу. Для разматывания мотков стеклянных волокон после прохождения 6 метров транспортировочной трубки или катушек углеродных волокон весом 6 кг после прохождения 6 метров транспортировочной трубки четыре цилиндра диаметром 50 мм позволяют получить усилие натяжения вытягивания волокон, составляющее менее 50 грамм. Предпочтительно упомянутые цилиндры содержат кольцевые канавки 97, причем каждое волокно располагается индивидуально в своей канавке так, чтобы гарантировать точное позиционирование волокон без контакта между ними.
На входе в систему цилиндров волокна могут быть проведены через стержень расплющивания, располагающийся между входным распределительным устройством 94 и входным цилиндром 91а, для того чтобы затормозить волокна в том случае, когда эти волокна имеют слишком малое или непостоянное натяжение, и/или устранить запоминание волокнами их предшествующей формы, в частности в случае использования стеклянных волокон, которые имеют тенденцию сохранять кривизну мотка.
В функции длины транспортировочных трубок и типа используемых волокон одна или несколько систем ограничения натяжения для каждого волокна могут оказаться необходимыми на протяжении пути их транспортировки вплоть до ролика наложения волокон. Дополнительное устройство предварительного освобождения волокон может быть предусмотрено, например, на выходе из этажерок размещения расходуемого запаса мотков волокон и/или непосредственно в головке наложения волокон. Может быть предусмотрено также устройство предварительного освобождения волокон, содержащее цилиндры, достаточно длинные для того, чтобы принимать на себя всю совокупность подлежащих укладке волокон, а именно 28 волокон двух слоев F1 и F2 в рассматриваемом здесь примере реализации. Устройство предварительного освобождения волокон, встроенное здесь в машину укладки волокон с линейной пропиткой смолой сухих волокон, может быть использовано для пропускания предварительно пропитанных волокон через машину укладки волокон, не оборудованную средствами нанесения смолы.
На фиг.9-14 схематически проиллюстрировано устройство 109 предварительного освобождения волокон в соответствии со вторым вариантом осуществления, позволяющее обрабатывать два слоя волокон F по четырнадцать волокон в каждом слое. Это устройство 109 предварительного освобождения волокон отличается от описанного выше устройства 9 главным образом тем, что здесь волокна F не входят непосредственно в контакт с цилиндрами 191, причем приводной ремень 194 вставляется между каждым цилиндром и каждым волокном. Этот вариант осуществления является особенно предпочтительным для пропускания предварительно пропитанных смолой волокон.
Как показано на фиг.9-11, устройство 109 предварительного освобождения волокон имеет в своем составе две системы механизированных цилиндров 191, установленных параллельно друг другу с возможностью вращения и закрепленных консольным образом на опоре 190, причем каждая система цилиндров предназначена для прохождения одного слоя волокон. Цилиндры первой системы располагаются один вслед за другим по существу вдоль одной и той же плоскости Р1, а цилиндры второй системы располагаются аналогичным образом вдоль плоскости Р2, параллельной плоскости Р1 первой системы. Каждая система цилиндров имеет в своем составе входной цилиндр 191а, промежуточные цилиндры 191с, например в количестве восьми штук, и выходной цилиндр 191d. Цилиндры двух систем приводятся во вращательное движение при помощи одного единственного двигателя 192, управляемого при помощи упомянутого блока управления, как об этом уже было сказано в предшествующем изложении, посредством приводного ремня 196, установленного на зубчатом колесе 192а двигателя и на концевых участках 1191 (см. фиг.11) каждого цилиндра посредством направляющего ролика 193.
Как показано на фиг.11-14, каждый цилиндр оборудован приводными ремнями 194, вставляющимися между волокнами и цилиндром. Каждый приводной ремень устанавливается вокруг цилиндра и некоторой детали или дополнительной направляющей колодки 195, установленной фиксированным образом на упомянутой опоре. Для ограничения габаритных размеров системы каждая направляющая колодка образована диском 1195, имеющим в целом форму полумесяца, с радиусом, превышающим радиус цилиндра, и снабженным круглым вырезом 1195а, радиус кривизны которого адаптирован к радиусу кривизны цилиндра для того, чтобы установить этот диск вокруг цилиндра и без контакта между этим диском и вращающимся цилиндром, причем концевые участки 1195с и 1195d диска тангенциальным образом адаптируются к поверхности этого цилиндра. Приводной ремень 194 устанавливается на круглую периферийную кромку 1195b диска и на окружной участок цилиндра, не перекрытый этим диском и определяемый между двумя концевыми участками 1195с и 1195d диска. Диски располагаются друг против друга своими плоскими сторонами с вставлением фланцев 198 между двумя смежными дисками и с размещением фланцев против внешних дисков для того, чтобы направлять приводные ремни и волокна. Соединение дисков осуществляется при помощи стержней (на приведенных в приложении чертежах не показаны), проходящих с их одной стороны до другой сквозь диски и фланцы через сквозные отверстия 198а, 1195е (см. фиг.12 и 13), выполненные в этих элементах, причем эти стержни проходят параллельно друг другу и закрепляются своими концами в упомянутой опоре. Поскольку волокна проходят сначала сверху, а затем снизу по двум последовательно расположенным цилиндрам, или наоборот, две системы направляющих деталей, связанные с двумя последовательно расположенными цилиндрами, располагаются по одну и по другую стороны от плоскости Р1 цилиндров.
Для двух последовательно расположенных цилиндров каждое волокно укладывается плашмя своей первой поверхностью на приводной ремень первого цилиндра между двумя фланцами 198 на уровне углового участка контакта между приводным ремнем и цилиндром, а затем укладывается плашмя своей второй поверхностью на приводной ремень второго цилиндра. Приводные ремни имеют ширину, превышающую ширину волокон и по существу равную расстоянию между двумя смежными фланцами таким образом, чтобы гарантировать, что волокна никогда не будут находиться в контакте с цилиндрами в процессе их вращения.
Для каждого цилиндра, в отсутствие натяжения вытягивания, воздействующего на волокно, приводной ремень находится в скользящем контакте с цилиндром. В том случае, когда волокно подвергается воздействию натяжения вытягивания на уровне ролика наложения, это волокно оказывает давление на приводной ремень, который в этих условия приводится цилиндром во вращательное движение, приводя таким образом в движение волокно, которое сцепляется с приводным ремнем. Поверхность приводного ремня, которая обращена к волокну, представляет коэффициент сцепления, позволяющий ремню оставаться в контакте с волокном, причем относительная скорость движения между приводным ремнем и волокном является нулевой или очень малой. Поверхность приводного ремня, обращенная к цилиндру, имеет коэффициент трения, позволяющий этому ремню быть приведенным в движение этим цилиндром в том случае, когда волокно оказывает на него давление. Эта поверхность ремня имеет высокую устойчивость к износу, а также обладает антистатическими свойствами. Как это схематически проиллюстрировано на фиг.14, приводной ремень состоит из двух слоев 194а, 194b, изготовленных из различных материалов. В качестве варианта осуществления слой приводного ремня, обращенный в сторону волокна, изготовлен из мягкого эластомерного материала, тогда как его слой, обращенный в сторону цилиндра, изготовлен из твердого эластомерного материала.
Каждый приводной ремень находится в контакте с цилиндром на некотором угловом участке, позволяющем, с одной стороны, приводить в движение волокно в том случае, когда это волокно оказывает давление на приводной ремень, а с другой стороны, не приводиться в движение цилиндром в том случае, когда волокно находится в состоянии покоя. Этот угловой участок контакта имеет величину, например, порядка 90°.
Угловой участок контакта между приводным ремнем и волокном имеет величину, меньшую, чем величина углового участка контакта между приводным ремнем и цилиндром, причем расстояние между двумя цилиндрами определяется таким образом, чтобы волокна не входили в контакт с ремнями на уровне концевых частей колодок. Угловой участок контакта между волокном и приводным ремнем будет определяться таким образом, чтобы ограничить поверхность сцепления между волокном и этим ремнем, в частности при использовании клейких предварительно пропитанных смолой волокон, и ограничить таким образом усилие, необходимое для отрыва волокна (усилие сведения). Чем меньшим будет этот угловой участок, тем более значительным будет количество промежуточных цилиндров.
Как и в предшествующем случае, участки гибких транспортировочных трубок 173, идущих от этажерок, позволяют подвести волокна в форме полотна к входным цилиндрам 191а. На выходе волокна проходят затем через участки (на приведенных в приложении чертежах не показаны) транспортировочных трубок для их подведения к головке укладки волокон. В этом варианте осуществления гибкие транспортировочные трубки имеют прямоугольное поперечное сечение, как это лучше всего можно видеть на фиг.12. Для одного и того же слоя волокон транспортировочные трубки располагаются бок о бок друг с другом. Использование трубок прямоугольного поперечного сечения позволяет обеспечить транспортировку волокон большой ширины, например волокон, имеющих ширину от 6,35 до 25 мм, без риска того, что волокна могут свернуться сами на себя или сложиться на бок. Действительно, каким бы ни было движение роботизированного механизма, транспортировочные трубки прямоугольного поперечного сечения будут изгибаться таким образом, чтобы волокно наверняка оставалось в плоском состоянии, без риска, что оно может опуститься на бок. В качестве примера реализации, для транспортировки волокон, имеющих ширину 6,35 мм, транспортировочные трубки имеют прямоугольное внутреннее поперечное сечение с размерами 8×2 мм с толщиной стенок, составляющей 1 мм, или наружное поперечное сечение с размерами 10×4 мм. Эти транспортировочные трубки могут быть собраны на конце край к краю с уменьшением габаритных размеров, в частности в головке наложения волокон, и с весьма малыми расстояниями между входом или выходом этих трубок и направляющими роликами на входе и на выходе.
На фиг.15 схематически проиллюстрирован второй вариант выполнения машины в соответствии с предлагаемым изобретением, предназначенной для наложения волокон на каркас М2, установленный с возможностью вращения в манипуляторе Т2 с горизонтальной осью. Машина 101 для укладки волокон отличается от машины, описанной выше со ссылками на фиг.1-7, тем, что роботизированный механизм 102 соединен с кареткой 126, установленной с возможностью скольжения на линейной оси, образованной двумя рельсами 127, параллельными оси манипулятора. Эта каретка оборудована средствами приведения в движение, например механизированными роликами, управление которыми осуществляется при помощи блока управления данной машины для того, чтобы перемещать роботизированный механизм вдоль этой линейной оси. Кроме того, разгрузочные устройства 183, 184 резервуаров, предназначенных для размещения расходуемого запаса смолы и питания смолой, и этажерки 171, предназначенные для размещения расходуемого запаса волокон, также располагаются на каретках 170, 180, установленных с возможностью скольжения на упомянутых рельсах по одну и по другую стороны от роботизированного механизма 102. При этом каретки 170, 180 связаны с кареткой 126 роботизированного механизма при помощи соединительных рычагов 170а, 180а и/или оборудованы индивидуальными средствами приведения в движение.
На фиг.16 и 17 схематически проиллюстрирован третий вариант выполнения машины 201 для укладки волокон в соответствии с предлагаемым изобретением. Система 202 перемещения этой машины имеет в своем составе первую тележку 222, установленную с возможностью перемещения вдоль первого горизонтального направления Х между двумя параллельными опорными штангами 221а П-образной опорной конструкции 221, вторую тележку 226, установленную с возможностью перемещения на первой тележке вдоль второго горизонтального направления Y, перпендикулярного первому горизонтальному направлению, и третью тележку 227, установленную с возможностью перемещения на второй тележке 226 вдоль третьего вертикального направления Z. Перемещения первой, второй и третьей тележек обеспечиваются при помощи средств приведения в движение, установленных на каждой из этих тележек и управляемых при помощи блока управления данной машины, установленного в шкафу управления 277.
Концевая часть рычага роботизированного механизма, содержащая три участка 23, 24 и 25 и несущая на себе головку 3 укладки волокон типа той, которая была описана выше со ссылками на фиг.2, установлена с возможностью поворота вокруг оси А3 на нижнем конце третьей тележки 227 таким образом, чтобы головка укладки волокон имела возможность перемещаться над формой М3, установленной между стойками 221b П-образной опорной конструкции.
Устройства 283, 284 разгрузки резервуаров, предназначенные для размещения расходуемого запаса смолы и питания смолой, располагаются на второй тележке 226. Данная машина предназначена для наложения волокон, таких, например, как углеродные волокна F, упакованных в форме катушек В. Эти катушки устанавливаются на держатель катушек или шпулярник 271, также размещенный на второй тележке. Каждая катушка устанавливается на шпиндель держателя катушек, не приводимый принудительно во вращательное движение и оборудованный, в случае необходимости, средствами торможения вращательного движения. Волокна проходят на направляющие ролики и/или в шкивы держателя катушек, а затем попадают непосредственно на выходе из этого держателя катушек в устройство 9а предварительного освобождения волокон типа, описанного выше и относящегося к первому или второму варианту выполнения. Затем волокна проходят в транспортировочные трубки, после чего попадают во второе устройство 9b предварительного освобождения волокон, установленное на нижнем конце третьей тележки, перед завершающей частью рычага роботизированного механизма. После этого волокна перемещаются через транспортировочные трубки вплоть до головки укладки волокон. Контроль уменьшений скорости движения роботизированного механизма и/или механическое регулирование упомянутых выше средств торможения позволяют контролировать инерцию вращательного движения катушек при их разматывании, в частности в том случае, когда волокно внезапно разрывается, для того чтобы мгновенно или с очень резким замедлением остановить вращение катушки. Машина в соответствии с предлагаемым изобретением имеет в своем составе держатель катушек, оборудованный автоматической системой торможения, управляемой в замкнутом контуре в функции натяжения волокна, как об этом более подробно сказано в патентном документе ЕР 697990. Преимущество такой системы состоит в возможности быть саморегулируемой в механическом смысле, без наличия датчика или приводного устройства, электрического или пневматического, недостатком которых является обязательное наличие запаздывания в приведении в действие, что ограничивает фазы ускорения или замедления.
Хотя выше были описаны различные варианты осуществления изобретения, последнее не ограничивается ими и может включать любые технические эквиваленты описанных средств, а также их сочетания, если они не выходят за рамки данного изобретения.