УСТАНОВКА ДЛЯ УКЛАДКИ ВОЛОКОН С ГИБКИМИ ТРУБАМИ НАПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧИ ВОЛОКОН
UNIT TO LAY FIBERS WITH FLEXIBLE FIBER FEED DIRECTING TUBES

Настоящее изобретение относится к установке по укладке волокон для изготовления изделий из композитных материалов и, в частности, к средствам подачи отдельных волокон такой установки, обеспечивающим направления волокон между средствами хранения волокон и укладочной головкой.
Специалистам известны установки по укладке волокон, обычно называемые механизмами расположения волокон, предназначенные для укладки на форму широкой полосы, образованной большим количеством плоских волокон типа лент, пропитанных смолой, в частности, углеродосодержащих волокон, пропитанных термоотверждаемой или термопластичной смолой. Эти установки содержат систему перемещения головки укладки волокон, причем данная головка содержит укладочный барабан, предназначенный для вхождения контакта с формой для укладки полосы, и средства направления волокон на данном укладочном барабане, средства хранения волокон и средства подачи волокон от упомянутых средств хранения к укладочной головке.
Средства подачи образованы, как правило, множеством шкивов, посаженных на различные оси системы расположения типа П-образной опоры. Средства хранения, образованные шпулярником для катушек с волокнами, также устанавливаются на системе перемещения как можно ближе к головке расположения волокон. Эти устанавливаемые различные конструктивные элементы имеют большие габаритные размеры и большой вес и ограничивают скорость укладки волокон. Эти установки не позволяют располагать волокна в деталях, имеющих небольшие размеры, или на некоторых полых формах ввиду габаритных размеров и ограниченных длин хода различных осей.
В патенте WO2006/092514 предлагалось использовать средства подачи, образованные гибкими трубками, соединяющими средства хранения с укладочной головкой; причем каждая гибкая трубка выполнена с возможностью размещения волокна в своем внутреннем канале. Гибкие трубки крепятся своими концами к укладочной головке и к средствам хранения, соответственно, средствами переднего и заднего крепления и имеют длину и гибкость, достаточные для того, чтобы не ограничивать движения системы перемещения головки.
Такие гибкие трубки образуют средства подачи, простые в своем техническом решении, по габаритным размерам и ограниченной стоимости, позволяющие добиваться высоких скоростей протягивания, смещать средства хранения от системы перемещения, устранять системы с механическим приводом восстановления провеса для катушек с волокном, изолировать волокна от внешней среды и упростить систему перемещения укладочной головки, в частности, путем использования системы перемещения, такой как многошарнирный рукав типа шестиосного многофункционального манипулятора. Эти гибкие трубки, предпочтительно, сопряжены с системой ограничения натяжения, детальное описание которой приведено в вышеупомянутом патенте, способной оказывать усилие протягивания на волокна, поступающие из средств хранения, и ограничивать, таким образом, тяговое напряжение волокон на уровне укладочного ролика.
Однако эти гибкие трубки не позволяют избежать перевертывания волокон во время относительных перемещений многофункционального манипулятора ввиду очень большой изогнутости гибких трубок и/или очень большого трения волокон в гибких трубках.
Целью настоящего изобретения является установка, позволяющая устранить вышеупомянутые недостатки, которая будет проста с конструктивной точки зрения, будет обладать небольшими габаритными размерами и обеспечивать при этом надлежащую укладку волокон.
В связи с этим технической задачей настоящего изобретения является установка для укладки волокон, содержащая:
- систему перемещения головки укладки волокон, содержащую укладочный барабан и средства направления волокон на данном укладочном барабане;
- средства хранения волокон;
- средства подачи волокон из упомянутых средств хранения в укладочную головку; причем данные средства подачи содержат гибкие трубки, соединяющие средства хранения с укладочной головкой; причем каждая гибкая трубка выполнена с возможностью размещения волокна в своем внутреннем канале; причем концы гибких трубок крепятся к укладочной головке и к средствам хранения, соответственно, средствами переднего и заднего крепления,
причем упомянутая установка отличается тем, что каждая гибкая трубка снабжена, по меньшей мере, одной гибкой продольной пластинкой, имеющей прямоугольное поперечное сечение, которая вытянута на всю длину гибкой трубки и жестко соединена с гибкой трубкой, по существу, на протяжении всей ее длины; причем данная гибкая пластинка располагается, по существу, параллельно плоскости протяжки волокна, поступающего во внутренний канал гибкой трубки.
Согласно изобретению, каждая гибкая трубка снабжена гибкой пластинкой, ограничивающей или не допускающей поперечного изгибания трубки в плоскости пластинки, что позволяет устранить или, по меньшей мере, ограничить риски перевертывания волокна, расположенного во внутреннем канале гибкой трубки параллельно пластинке. Гибкая трубка может производить движения по изгибанию в направлении, перпендикулярном плоскости пластинки, и движения по кручению для обеспечения перемещения головки расположения волокон во всех направлениях.
Согласно способу осуществления, упомянутая гибкая пластинка выполнена из металла и жестко соединена с гибкой трубкой, изготовленной из пластического материала, предпочтительно, из полиэтилена высокой плотности, а еще лучше из антистатического полиэтилена высокой плотности. Гибкая пластинка может располагаться на внешней поверхности гибкой трубки при помощи средств соединения, например, посредством адгезивной ленты. В качестве варианта гибкая пластинка может быть утоплена в стенке трубки, например, в процессе экструзии трубки.
Предпочтительно, гибкие трубки имеют прямоугольное сечение, причем гибкая пластинка располагается вдоль одной из двух имеющей большой размер сторон гибкой трубки.
Предпочтительно, средства подачи дополнительно содержат средства флюидизации, способные осуществлять псевдоожижение волокна во время его протягивания во внутреннем канале гибкой трубки. Согласно способу изобретения, средства флюидизации содержат средства подачи воздуха, позволяющие производить подачу воздуха или любого другого типа газа во внутренний канал каждой гибкой трубки на уровне своей задней оконечной части для создания воздушного потока в направлении протягивания волокон. Воздушный поток, предпочтительно, поддерживается в определенном температурном режиме, а именно регулируется по температуре и/или гидрометрии, и очищен для того, чтобы не допустить какого-либо загрязнения волокон. Средства флюидизации могут также содержать средства вибрации, позволяющие осуществлять вибрирование упомянутых гибких трубок. Предпочтительно, данные средства флюидизации устанавливаются на средствах переднего крепления.
Гибкие трубки, предпочтительно, крепятся, по меньшей мере, в одну линию своими концевыми частями к укладочной головке и к средствам хранения, соответственно, общими средствами переднего и заднего крепления для обеспечения размещения и выдачи волокон в виде полотна.
Каждое из упомянутых общих средств переднего и заднего крепления содержит, например, две монтируемые одна к другой пластины, между которыми трубки, снабженные собственными пластинками, зажаты в одну линию по существу край в край; причем две пластины присоединяются к установке путем гибкого соединения типа сайлентблока.
Согласно способу осуществления, установка содержит, по меньшей мере, одну систему ограничения натяжения между укладочной головкой и средствами хранения для производства усилий растяжения волокон и ограничения тем самым тяговых напряжений волокон на уровне укладочной головки; причем гибкие трубки содержат первые участки, концы которых крепятся к средствам хранения и к системе ограничения, соответственно, первыми общими средствами переднего и заднего крепления, и вторые участки, концы которых крепятся к системе ограничения и к головке укладки волокон, соответственно, вторыми общими системами переднего и заднего крепления.
Система перемещения позволяет перемещать укладочную головку, по меньшей мере, в трех направлениях, которые перпендикулярны друг другу. Упомянутая система перемещения содержит, предпочтительно, многофункциональный манипулятор, содержащий рукавчик или многошарнирный рукав, на конце которого устанавливается данная укладочная головка. Система перемещения может быть образована многошарнирным рукавом типа стандартного шестиосного многофункционального манипулятора и располагаться на земле или быть установленной на прямолинейной оси или на П-образной опоре.
Средства хранения волокон могут содержать шпулярник в том случае, если волокна упакованы в бобины, и (или) стеллажи в том случае, если волокна упакованы в мотки или в картонные коробки. Эти средства хранения могут быть расположены на земле, например, в случае стандартного неподвижно установленного многофункционального манипулятора, или установлены на конструктивном элементе системы перемещения, например, на сопровождающих салазках, передвигающихся по прямолинейной оси многофункционального манипулятора.
Изобретение станет более понятно, а другие цели, детали, отличительные признаки и преимущества будут более отчетливо видны из приводимого детального пояснительного описания предпочтительного в настоящий момент особенного способа практической реализации предлагаемого изобретения со ссылкой на прилагаемые схематические фигуры чертежа, на которых:
- фиг.1 представляет собой схематический вид сбоку установки расположения волокон согласно изобретению;
- фиг.2 и 3 представляют собой, соответственно, частичный вид в перспективе и вид поперечного сечения гибкой трубки подачи согласно изобретению;
- фиг.4 представляет собой схематический вид передней системы крепления гибких трубок;
фиг.5 представляет собой вид в разрезе, выполненном в плоскости V-V, передней системы крепления, показанной на фиг.4.
Как это показано на фиг.1, установка расположения волокон содержит систему перемещения 1, образованную многошарнирным рукавом 11 типа известного специалистам шестиосного многофункционального манипулятора, подвижно установленным на прямолинейной оси 12; укладочную головку 2, установленную на оконечном рукавчике 111 многошарнирного рукава; средства хранения 3 волокон; средства подачи, образованные первыми и вторыми трубками, собираемыми в первый и второй пучки 4А, 4В соответственно, и обеспечивающие перемещение волокон из данных средств хранения в укладочную головку, и, по меньшей мере, одну систему ограничения натяжения 9.
Опорная поверхность 112 многошарнирного рукава 11 закреплена на салазках 13, установленных перемещающимися по прямолинейной оси 12; причем упомянутая прямолинейная ось состоит из двух параллельных направляющих 121, которые крепятся к земле. Салазки снабжены средствами приведения в движение, например, типа ходового колеса с механическим приводом, автоматически регулируемыми при помощи устройства управления, которые обеспечивают перемещение головки расположения волокон вдоль этих направляющих.
Головка укладки волокон 2, называемая также головкой расположения волокон, содержит, как это известно, укладочный барабан 21, способный входить в контакт с формой для укладки полосы, которая образована множеством предварительно пропитанных в смоле волокон.
Установка предназначена для укладки волокон, например, типа волокон из углерода F, которые упакованы в бобины. Средства хранения представлены шпулярником, схематически обозначенным позицией 3, которые предназначены для размещения бобин с волокном. Каждая бобина устанавливается на патроне шпулярника, предпочтительно, оснащенном тормозной системой в виде замкнутого контура, автоматически регулируемой в зависимости от натяжения волокна, как это описано в патенте ЕР 697990. Шпулярник также устанавливается на сопровождающих салазках 31, расположенных на направляющих 121 и механически сопряженных с салазками 13, перемещающими многофункциональный манипулятор.
Между шпулярником и укладочной головкой для уменьшения натяжения волокон на уровне барабана могут быть предусмотрены одна или несколько систем ограничения натяжения, детальное описание которых приведено в вышеупомянутом патенте WO 2006/002514, содержащих комплект параллельных цилиндров с приводными механизмами, сверху которых, не совершив оборота, проходят волокна. Согласно данному способу практической реализации, система ограничения натяжения 9 устанавливается на многошарнирном рукаве многофункционального манипулятора.
Установка содержит устройство управления (не показано), предназначенное для управления процессом перемещения многофункционального манипулятора согласно заранее установленной последовательности, головку укладки волокон, в частности, силовые цилиндры систем индивидуального разрезания и систем изменения подачи, а также систему ограничения натяжения. Электрические, пневматические и (или) гидравлические цепи для управления головкой расположения волокон размещаются в трубке (не показана), которая вытянута от головки расположения волокон до устройства управления вдоль рукава многофункционального манипулятора.
Средства подачи содержат гибкие трубки, описание которых приведено в вышеупомянутом патенте, однако каждая гибкая трубка снабжена, согласно предлагаемому изобретению, гибкой пластинкой затвердевания.
Волокна перемещаются по отдельности в гибких трубках от шпулярника 3 к головке укладки волокон 2. Волокна проходят через первые участки гибкой трубки, так называемые первые трубки, концы которых крепятся к шпулярнику 3 и к системе ограничения 9, соответственно, общими первыми системами переднего 5а и заднего 5b крепления, затем через вторые участки гибкой трубки, так называемые вторые трубки, концы которых крепятся к системе ограничения 9 и головке расположения волокон, соответственно, общими вторыми системами переднего 5'а и заднего 5'b крепления. Первые и вторые трубки собираются, соответственно, в первый и второй пучки, схематически обозначенные на фиг.1 позициями 4А и 4В. Первые и вторые трубки объединены в пучки посредством одного или множества колец 7, причем упомянутые кольца препятствуют трубкам удаляться друг от друга, однако позволяют осуществлять продольные перемещения трубок относительно друг друга.
Как это показано на фиг.2 и 3, каждая гибкая трубка 41 содержит стенку 411, которая имеет поперечное прямоугольное сечение, с двумя малыми сторонами 411а и двумя большими сторонами 411b. Каждая гибкая трубка с внешней стороны имеет гибкую металлическую пластинку 42, которая также называется фольгой. Металлическая пластинка присоединяется к внешней поверхности большой стороны 411b по существу по всей длине гибкой трубки; причем ширина пластинки меньше или равна (предпочтительно, меньше) ширине большой стороны. Это соединение осуществляется при помощи адгезивной ленты 43, винтообразно наматываемой вокруг гибкой трубки и пластинки с целью плакирования последней на гибкой трубке. Защитная оболочка 44, выполненная, например, из ткани, покрывает конструкцию, образованную трубкой, пластинкой и адгезивной лентой. Гибкая трубка, снабженная, таким образом, собственной пластинкой и покрытая оболочкой, обозначена позицией 4.
Каждая трубка предназначена для размещения плоского волокна F в своем внутреннем канале 412, имеющем прямоугольное сечение, по существу параллельно своим большим сторонам и параллельно, таким образом, металлической пластинке. Металлическая пластинка препятствует любому поперечному изгибанию гибкой трубки в плоскости пластинки, но позволяет осуществлять продольное изгибание гибкой трубки в направлении, перпендикулярном плоскости пластинки, а также перекручивание гибкой трубки. Во время перемещений многофункционального манипулятора при совершении операций по расположению волокон гибкие трубки будут деформироваться в результате изгибания, перпендикулярного плоскости пластинки, и (или) перекручивания таким образом, что волокно F останется достаточно ровным и параллельным металлической пластинке.
Например, для подачи волокон шириной 6,35 мм трубки имеют внутреннее прямоугольное сечение размером 8х2 мм и толщину стенок 1 мм или внешнее сечение размером 10х4 мм. Гибкие трубки выполняются из эластичного полимерного материала для обеспечения перемещения волокон, который не приводит к разрыву волокон, не заряжает волокна статическим электричеством, производит незначительное трение, является износостойким и обладает хорошими усталостными свойствами и устойчивостью к повторяющимся изгибаниям. Гибкие трубки изготавливаются, например, из натурального полиэтилена высокой плотности (PEHD), содержащего антистатическую присадку. В случае отсутствия металлической пластинки эти эластичные трубки могут изгибаться поперек. Ширина металлической пластинки составляет приблизительно 6 мм, а толщина - около 0,5 мм.
Может рассматриваться вариант, когда металлическая пластинка утоплена в толщине большой стороны стенки трубки. Согласно другому способу практической реализации, гибкая пластинка согласно изобретению представляет собой одну из больших сторон гибкой трубки, причем упомянутая гибкая трубка может образовываться, например, путем взаимной экструзии двух различных материалов, один из которых формирует данную гибкую пластинку.
На фиг.4 и 5 изображены виды в перспективе и в разрезе второй системы переднего крепления 5'а, предназначенной для крепления вторых трубок к системе ограничения. Эта система переднего крепления 5'а содержит две металлические пластины, называемые верхней пластиной 51 и нижней пластиной 52, соединенные друг с другом, по существу встык в линию, для зажатия между собой концевых частей 40а гибких трубок 4, снабженных собственными пластинками. Пластины образуют между собой проход 53 для размещения концевых частей 40а гибких трубок, причем этот проход вытянут от передних краев 51а, 52а до задних краев 51b, 52b пластин. Каждая пластина содержит поперечное усиление, в котором располагается выполненный из эластомера блок 54. При соединении пластин блоки будут располагаться друг против друга и несколько выдаваться в проход 53 таким образом, что гибкие трубки будут зажиматься между двумя блоками. Края концов 41а гибких трубок 41 выровнены в линию и обеспечивают равнение по отвесу задних краев 51b, 52b пластинок, причем проушины 55, выполненные из тефлона, располагаются на пластинах против краев концов трубок для облегчения ввода волокон в трубки.
Согласно изображенному способу практической реализации, система крепления позволяет произвести крепление ряда, состоящего из 16 гибких трубок, для размещения в них волокон полотна, состоящего из 16 волокон, поступающих из системы ограничения натяжения. Система крепления устанавливается посредством своей нижней пластины на системе ограничения натяжения таким образом, чтобы края концов трубок располагались против выходных шкивов 91 системы ограничения натяжения.
Для улучшения перемещения путем скольжения волокон в гибких трубках и обеспечения, таким образом, хорошей подачи система крепления 5'а снабжена средствами флюидизации, предназначенными для псевдоожижения волокон во время их перемещения в трубках. Верхняя пластина 51 содержит комплект каналов 511, которые выходят в проход 53 перед блоками 54. Концевые части 40а гибких трубок располагаются между двумя пластинами, при этом их пластинки 42 размещаются против нижней пластины; причем упомянутые концевые части не имеют пластинок и оболочек 44 перед блоками. Каждая трубка имеет отверстие 413, расположенное против одного канала 511 таким образом, чтобы каждый внутренний канал 412 трубки выходил в один канал; причем трубка не имеет адгезивных лент на уровне упомянутого отверстия. В эти каналы 511 в индивидуальном порядке по трубопроводам 61 (частично показаны на фиг.4 и 5), которые соединены с источником сжатого воздуха (не показан), подается сжатый, находящийся в определенном температурном режиме воздух; причем эти каналы ориентированы таким образом, чтобы они формировали во внутреннем канале трубок поток воздуха, перемещаемый спереди назад. В случае перемещения предварительно пропитанных волокон, клеящие свойства которых уменьшаются одновременно с температурой, в гибкие трубки, предпочтительно, будет подаваться холодный и сухой воздух.
В качестве дополнения к этому воздушному потоку на нижней пластине устанавливается известная специалистам система вибрации 62 для производства вибрирования совокупности вторых трубок во время перемещения волокон. В этом случае система крепления соединяется с системой ограничения при помощи эластичных соединительных элементов 56 типа сайлентблоков для того, чтобы не допустить переноса вибрации на систему ограничения.
Первая система переднего крепления 5а, сопряженная со шпулярником, идентична второй передней системе 5'а, описание которой приведено со ссылкой на фиг.4 и 5, и, таким образом, также содержит систему вибрации и средства подачи воздуха. Задние системы крепления 5b и 5'b отличаются от передних систем крепления тем, что они не содержат ни каналов подачи воздуха, ни системы вибрации. Вместе с тем они соединяются с головкой расположения волокон и системой ограничения посредством эластичных соединительных элементов.
При рассмотрении головки расположения волокон и (или) системы ограничения натяжения, предназначенных для приема двух полотен волокон, концы гибких трубок будут, безусловно, соединяться в два ряда, например, посредством двух наложенных друг на друга систем крепления.
В зависимости от длины трубок подачи и типа волокна на выходе шпулярника и (или) на входе головки расположения может быть, например, встроена дополнительная система ограничения, причем плоскостные секции гибких трубок крепятся, таким образом, к этим дополнительным системам ограничения.
Хотя изобретение было описано в контексте различных особенных способов практической реализации, вполне очевидно, что оно этим ни в коей мере не ограничивается и содержит все технические эквиваленты средств, описание которых было приведено, а также их сочетание, при условии, если они находятся в рамках предлагаемого изобретения.