フィラメントワインディング装置

【課題】マンドレルの自動交換を実現するのに好適な取付治具と取付治具の駆動構造を備えているフィラメントワインディング装置を提供する。
【解決手段】マンドレルＭ１の軸心方向両端に取付治具５を固定する。取付治具５は、チャック６で挟持される保持体１０と、保持体１０で軸支される軸体１２とで構成し、軸体１２をマンドレルＭ１に固定する。取付治具５を挟持するチャック６は、保持体１０を挟み固定する一対の挟持体２１・２２と、一方の挟持体２２を接離操作するアクチュエーター２３とで構成する。モーター１５が配置される側の挟持体２１に原動ギヤ１８を設け、対応する取付治具５の軸体１２に、受動ギヤ１６を固定する。チャック６を装着姿勢に切り換えた状態において、取付治具５を両挟持体２１・２２の対向面の間から軸体１２の径方向に沿って相対的に出し入れできるようにして、マンドレルＭ１の自動交換を実現する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、両端が軸支されたマンドレルの表面に、フープ巻ヘッドとヘリカル巻ヘッドで繊維束を巻き掛ける形態のフィラメントワインディング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マンドレルを両持ち支持する形態のフィラメントワインディング装置においては、マンドレルの両端に設けられる軸状の治具を一対の三爪チャックで掴んで支持している。三爪チャックは、マンドレル支持台で回転自在に軸支されており、その一方がモーターで回転駆動される。三爪チャックに換えて、継手および回転体でマンドレルの両端を軸支する形態のフィラメントワインディング装置も提案されている（特許文献１）。
【０００３】
そこでは、マンドレルの筒軸心方向の両端に口金が設けてあり、各口金にねじ込み装着した継手を対向配置した回転体で軸支している。マンドレルはブロー成形された内殻からなる。マンドレルを回転駆動するために、各回転体はベアリングで回転自在に支持されており、回転体の一方がモーターの出力軸に連結されている。継手と回転体の嵌合部分の断面形状は例えば四角形状に形成してあり、両者は同行回転できる。対向配置される回転体はそれぞれ支持ブロックで支持されており、支持ブロックの一方を他方の支持ブロックに対して、接近あるいは離反する向きに移動できる。支持ブロックの前記動作によって、マンドレルに固定した継手を左右の回転体でチャッキングし、あるいはワインディング処理が施されたマンドレルを左右の回転体から取り外すことができる。マンドレルの両端に設けられる軸状の治具を三爪チャックで掴み固定する場合にも、同様に一方の支持ブロックを往復スライド操作してマンドレルを着脱する。
【０００４】
フィラメントワインディング装置において、繊維束の巻き付け処理が終了したマンドレルと、巻き付け処理前のマンドレルとを自動交換することは特許文献２に公知である。そこでは、マンドレルの両側に設けた軸状の治具を、対向配置したスピンドルで支持し、一方のスピンドルをモーターで回転駆動しながら、繊維束をトラバース装置でマンドレルの長手方向に沿って往復操作することにより、繊維束をマンドレルに巻き付ている。他方のスピンドルはウエストドラムで回転自在に軸支されている。ウエストドラムは専用のモーターで回転駆動でき、その周面に繊維束を巻き付ることにより、繊維束の巻き付け始端を保持できる。
【０００５】
マンドレルを交換する場合には、スピンドルを支持する一対のアームを起立姿勢から横臥姿勢に傾倒し、繊維束の巻き付け処理が終了したマンドレルを台車上に載置する。この状態で両スピンドルを離れる向きに移動させて、先のマンドレルをスピンドルから分離する。これにより、台車上には巻き付け処理が終了したマンドレルと新規なマンドレルが交互に載置されることとなる。台車をアーム横臥方向へ横移動させて、新規なマンドレルをスピンドルの間に位置させ、両スピンドルを接近する向きに移動させてマンドレルを捕捉する。この後、アームを起立姿勢に戻し、ウエストドラムに巻き付られていた繊維束を巻き付け始端にして巻き付けを行う。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１８６７９９号公報（段落番号００２５、図９、１０）
【特許文献２】特開平５−３３８０４３号公報（段落番号００３７、図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、特許文献１の装置においては、マンドレルの両端に設けた軸状の治具を、回転体あるいはチャックで掴んで回転駆動するため、マンドレルの交換や、繊維束の巻き付け始端をマンドレルに固定するのに多くの人手を要する。その点、特許文献２のフィラメントワインディング装置では、マンドレルの交換から繊維束の巻き付け始端の固定に至る一連の作業を自動的に行うことができる。しかし、特許文献２におけるマンドレルの自動交換装置を、本発明が適用対象とするフィラメントワインディング装置に応用することは難しい。
【０００８】
本発明装置においては、マンドレルをフープ巻ヘッドおよびヘリカル巻ヘッドの中央開口と直交する状態で配置する点が、特許文献２のワインディング装置と大きく異なる。このように、各ヘッドとマンドレルが直交配置してあると、取付治具を含むマンドレルの全体を、各ヘッドの中央開口に対して軸芯方向へ出し入れしながら、マンドレルを交換する必要がある。つまり、マンドレルを交換する時の移動軌跡が極めて複雑になる。加えて、チャック（または回転体）は回転駆動できる構造とする必要がある。そのため、マンドレルを自動交換しようとすると、そのための装置が大掛かりになるのを避けられず、マンドレルの自動交換を実現するうえで大きな障壁になっている。
【０００９】
本発明の目的は、マンドレルの自動交換を実現するのに好適な取付治具と、取付治具の駆動構造を備えているフィラメントワインディング装置を提供することにある。本発明は、マンドレルがフープ巻ヘッドおよびヘリカル巻ヘッドの開口と交差する形態のフィラメントワインディング装置に好適に適用できる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のフィラメントワインディング装置は、マンドレルＭ１の軸心方向両端のそれぞれに固定した取付治具５が、一対のチャック６で支持されており、一方の取付治具５を支持するチャック６に、マンドレルＭ１を回転駆動するモーター１５が配置してある。取付治具５は、チャック６で挟持固定される保持体１０と、保持体１０で回転自在に軸支される軸体１２とで構成されて、軸体１２がマンドレルＭ１に固定されている。チャック６は、保持体１０を挟み固定する一対の挟持体２１・２２と、両挟持体２１・２２の少なくとも一方を他方の挟持体に対して接離操作するアクチュエーター２３とで構成する。チャック６をアクチュエーター２３で装着姿勢に切り換えた状態においては、取付治具５を両挟持体２１・２２の対向面の間から軸体１２の径方向に沿って相対的に出し入れできる。モーター１５が配置される側のチャック６の挟持体２１に、モーター動力を出力する原動ギヤ１８を設け、チャック６で捕捉される側の取付治具５の軸体１２に、原動ギヤ１８と噛み合う受動ギヤ１６を固定する。
【００１１】
筒状に形成した保持体１０の内部に、軸体１２と、軸体１２を軸支する回転軸受体１１と、受動ギヤ１６を配置し、受動ギヤ１６と対向する保持体１０の筒壁に、原動ギヤ１８の出入りを許すギヤ開口１７を形成する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明においては、マンドレルＭ１の両端に固定される取付治具５を、チャック６で挟持固定される保持体１０と、保持体１０で回転自在に軸支される軸体１２とで構成して、一対の取付治具５でマンドレルＭ１を回転自在に軸支した。さらに、一方の取付治具５の軸体１２をモーター１５の動力で駆動することにより、マンドレルＭ１を回転駆動できるようにした。このように、取付治具５の側でマンドレルＭ１を回転自在に支持すると、チャック６の側に軸受構造を設ける必要がなく、チャック６およびその周辺部構造を簡素化できる。また、チャック６をアクチュエーター２３で装着姿勢に切り換えた状態では、取付治具５を両挟持体２１・２２の対向面の間から軸体１２の径方向に沿って相対的に出し入れするだけで、取付治具５をチャック６で挟持し、あるいは取付治具５をチャック６から分離できる。したがって、本発明装置によれば、マンドレルＭ１をフープ巻ヘッド３１およびヘリカル巻ヘッド３２と交差配置した状態でワインディングを行うにもかかわらず、マンドレルＭ１の自動交換を実現して、圧力容器などのワインディング製品を能率よく製造できる。
【００１３】
筒状に形成した保持体１０の内部に、軸体１２、回転軸受体１１、および受動ギヤ１６を配置すると、受動ギヤ１６を保持体１０で保護することができる。したがって、新規なマンドレルＭ１や、繊維束Ｒが巻き付けられたマンドレルＭ２を取り扱う際に、受動ギヤ１６が他物と接当して破損するのを確実に防止できる。また、繊維束Ｒの切断屑が受動ギヤ１６の歯面に付着するのをよく防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（実施例）図１ないし図１３は本発明に係るフィラメントワインディング装置の実施例を示す。フィラメントワインディング装置は、一群のクリールを支持する供給部と、供給部から送給される繊維束ＲをマンドレルＭ１に巻き付ける巻付装置を備えている。巻付装置には、巻き付け処理が終了したマンドレルＭ２を巻付装置から取り外し、あるいは新たなマンドレルＭ１を巻付装置に装填するための着脱装置が設けてある。
【００１５】
最終製品が圧力容器である場合のマンドレルＭ１は、高強度アルミニウム材、ステンレス材などの金属材、あるいは樹脂成形品などで容器状に構成する。この実施例では図１および図２に示すように、マンドレルＭ１が、中央の円筒部１と、円筒部１の両端に連続するドーム部２と、ドーム部２の頂部に突設される口部３とを一体に備えている場合について説明する。繊維束Ｒは、例えばガラス繊維や炭素繊維の束からなる。先のクリールに巻き込まれた繊維束Ｒには、予め熱硬化性のプラスチック材が含浸させてある。なお、クリールから繰り出した繊維束Ｒに溶融したプラスチック材を含浸させた後、巻付装置に送給してもよい。
【００１６】
図２に示すように、マンドレルＭ１は、口部３に取付治具５を装着した状態で巻付装置に装填される。図１に示すように取付治具５は、巻付装置のチャック６で挟持固定される丸筒状の保持体１０と、保持体１０の内部に固定される一対のベアリング（回転軸受体）１１と、両ベアリング１１で回転自在に軸支される軸体１２などで構成する。軸体１２の一端は、先の口部３に取り外し可能に固定され、軸体１２の他端の小径の軸部分１２ａが両ベアリング１１で軸支してある。口部３の直径寸法は、保持体１０の直径寸法より大きく設定してある。
【００１７】
両取付治具５のうち、一方の取付治具５の軸体１２はチャック６に設けたモーター１５で回転駆動される。そのために、図１に向かって左側の取付治具５の軸部分１２ａに受動ギヤ１６を固定し、受動ギヤ１６と対向する保持体１０の筒壁にギヤ開口１７を形成している。先のモーター１５の回転動力は、チャック６の側に設けた原動ギヤ１８を介して受動ギヤ１６に伝動される。
【００１８】
図３ないし図５に示すようにチャック６は、基本的に上下に対向する一対の挟持体２１・２２と、下方の挟持体２２を上方の挟持体２１に対して接離操作するエアーシリンダー（アクチュエーター）２３と、これらの部材を支持するチャック台２４などで構成する。各挟持体２２の対向面には、先の保持体１０を受け入れる凹部２５がそれぞれ形成してある。一対のチャック６のうち、片方のチャック６の挟持体２１に先の原動ギヤ１８が組み込んである。
【００１９】
図２において、巻付装置は、主として円筒部１に対して繊維束Ｒをフープ巻きするための２組のフープ巻ヘッド３１と、円筒部１およびドーム部２に対して繊維束Ｒをヘリカル巻きするためのヘリカル巻ヘッド３２とを備えている。図７に示すようにフープ巻ヘッド３１は、中央に円形の開口３３を有するフレーム３４と、先の開口３３に沿って旋回駆動される複数個のボビン３５と、ボビン３５を移行案内するガイド溝３６と、図示していないボビン３５の駆動機構などで構成してある。マンドレルＭ１はフレーム３４と直交する状態で開口３３の中央部分に支持される。したがって、ボビン３５を旋回駆動することにより、ボビン３５から繰り出される繊維束ＲをマンドレルＭ１に巻き付けることができる。また、フレーム３４をベース３０の長手方向に沿って往復駆動することにより、繊維束ＲのマンドレルＭ１に対する巻き付け位置を変更できる。
【００２０】
図６においてヘリカル巻ヘッド３２は、中央に円形の開口４０を有する門形のフレーム４１と、開口４０の周縁に配置されるガイドリング４２と、ガイドリング４２の両側に配置される張力調整部４３などで構成してある。図示していないが、ガイドリング４２の周囲には一群の補助ガイドが配置され、ガイドリング４２の内面にはガイドリング４２に貫通される一群のガイド穴に対応して開繊ガイドが設けてある。マンドレルＭ１はフレーム４１と直交する状態で開口４０の中央部分に支持される。
【００２１】
供給部から送給される繊維束Ｒは、フレーム４１の外側方に配置したガイドローラーで変向案内され、張力調整部４３で所定の張力を付与されたのち、ガイドリング４２のガイド穴へと案内される。フレーム４１はベース３０の長手方向の中央部分に固定してある。したがって、マンドレルＭ１を往復操作しながら所定角度だけ回転操作することにより、ガイドリング４２で案内された繊維束ＲをマンドレルＭ１の周面の長手方向に沿って巻き付けることができる。
【００２２】
着脱装置は、先に説明した一対のチャックと、マンドレルＭ１を持ち換えるためのチャックを一組にして構成してある。図８から図１３に示すフィラメントワインディング装置においては、２群のマンドレルＭ１を交互に巻付装置に装填し、あるいは巻き付け処理が終了したマンドレルＭ２を巻付装置から交互に取り外すので、２組の着脱装置を巻き付け装置に設けている。
【００２３】
２組の着脱装置のうち、図８に向かって右側のマンドレルＭ１を支持するチャックを、図８から図１３において符号６Ｒ・６Ｒ・４６Ｒで示す。同様に、図８に向かって左側のマンドレルＭ１を支持するチャックを、図８から図１３において符号６Ｌ・６Ｌ・４６Ｌで示している。なお、持ち換え用のチャック４６Ｒ・４６Ｌの構造は、モーター１５を備えていない側のチャック６Ｒ・６Ｌと同じ構造に構成してある。上記の各チャックは、ベース３０の長手方向はもちろん、ベース３０に対して接近あるいは離反する向きに移動できるように構成してある。ベース３０には、ヘリカル巻ヘッド３２を間に挟んで２組のフープ巻ヘッド３１が設けてある。２組のフープ巻ヘッド３１は、右側のマンドレル群と、左側のマンドレル群に対応して１個ずつ設けてある。
【００２４】
図８は、巻き付けが終了した状態のマンドレルＭ２を示している。この状態では、各フープ巻ヘッド３１から繰り出された繊維束Ｒの終端部分と、ヘリカル巻ヘッド３２から繰り出された繊維束Ｒの終端部分とが、それぞれ受渡しリング５１に巻き付けてある。両受渡しリング５０・５１の間の繊維束Ｒをカッター５２で切断することにより、巻き付け始端となる側の受渡しリング５１がマンドレルＭ２から切り離される。マンドレルＭ２は、取付治具５の両端の保持体１０がチャック６Ｒ・６Ｒで掴み保持してある。
【００２５】
上記の状態で、図９に示すように左側のマンドレル群から新たなマンドレルＭ１をチャック６Ｌ・４６Ｌで挟み保持して、巻付装置の巻き付け中心に装填する。図９に向かって左側のチャック６Ｌは、取付治具５の保持体１０を挟持し、右側のチャック４６Ｌは軸体１２の口部３寄りを挟持する。この状態で、マンドレルＭ１を巻き付け中心に位置させて、保持体１０の側端どうしを接当させ、両マンドレルＭ１・Ｍ２を同時に図９に向かって右方へ僅かに移動させる。次に図１０に示すように、矢印ａで示すように、巻き付けが終了した状態のマンドレルＭ２の一方の取付治具５を持ち換え用のチャック４６Ｒでつかみ、それまで取付治具５を保持していたチャック６Ｒを矢印ｂで示すように分離する。
【００２６】
さらに、両マンドレルＭ１・Ｍ２を矢印ｃ方向へ移動操作して、巻き付けが終了した状態のマンドレルＭ２を取り外し位置へ移動させる。同時に、新規なマンドレルＭ１の一方の取付治具５がフープ巻ヘッド３１とヘリカル巻ヘッド３２の開口３３・４０をくぐり抜ける。このとき、図示していない保持具で受渡しリング５１を移動不能に位置保持しておくことにより、受渡しリング５１を新規なマンドレルＭ１の側の取付治具５に移し変えることができる。つまり、各ヘッド３１・３２から繰り出される繊維束Ｒの巻き付け始端を、新規なマンドレルＭ１側に渡すことができる。
【００２７】
上記の状態で、巻き付けが終了した状態のマンドレルＭ２が巻付装置の外へ取り出されて、次の加熱工程へと送給され、繊維束Ｒに含浸させたプラスチック材が硬化処理される。並行して図１１に示すように、各ヘッド３１・３２の開口３３・４０をくぐり抜けた取付治具５の側端に新たな受渡しリング５０が外嵌される。さらに取付治具５の側端を矢印ｄのようにチャック６Ｌで掴んだのち、持ち換え用のチャック４６Ｌを矢印ｅのように取付治具５から分離し、再びマンドレルＭ２を矢印ｆ方向へ移動させて、受渡しリング５０・５１を口部３に隣接させる。
【００２８】
以上により、新規なマンドレルＭ１の巻き付け準備が完了するので、以後は、図１２に示すようにマンドレルＭ１に対して左側のフープ巻ヘッド３１とヘリカル巻ヘッド３２とで繊維束Ｒを巻き付けて、マンドレルＭ１の周囲に補強層を形成する。補強層が完成したら、繊維束Ｒを受渡しリング５０に巻き付けて、巻き付け作業を終了する。こののち、図１３に示すように、両受渡しリング５０・５１の間の繊維束Ｒをカッター５３で切断することにより、次の新規なマンドレルＭ１の巻き付け始端となる側の受渡しリング５０がマンドレルＭ２から切り離される。以後、右側のマンドレル群から新規なマンドレルＭ１を巻付装置に供給して、上記の手順を繰り返し行うことにより、圧力容器のブランク体を連続して製造することができる。
【００２９】
本発明のフィラメントワインディング装置においては、先に説明したように保持体１０と、保持体１０で回転自在に支持される軸体１２とで取付治具５を構成し、一対の取付治具５でマンドレルＭ１を回転自在に軸支した。さらに、一方の取付治具５の軸体１２をモーター１５の動力で駆動することにより、マンドレルＭ１を回転駆動できるようにした。このように、取付治具５の側でマンドレルＭ１を回転自在に支持すると、チャック６の側に軸受構造を設ける必要がなく、チャック６およびその周辺部構造を簡素化できる。
【００３０】
チャック６でマンドレルＭ１を保持する場合は、図３に示すように、エアーシリンダー２３でチャック６を装着姿勢に切り換え、一対の挟持体２１・２２の間に取付治具５位置させた状態でチャック６を挟持姿勢に切り換えることで簡便に行える。つまり、取付治具５を両挟持体２１・２２の対向面の間から軸体１２の径方向に沿って相対的に出し入れすることにより、図５に示すように取付治具５をチャック６で挟持し、あるいはチャック６から簡単に分離できる。また、図４に示すように、軸体１２に固定した受動ギヤ１６を、チャック６側の原動ギヤ１８と噛み合せることができる。これにより、マンドレルＭ１の自動交換を実現して、圧力容器などのワインディング製品を効率よく製造できることとなる。
【００３１】
上記の実施例では、ヘリカル巻ヘッド３２と２組のフープ巻ヘッド３１とを用いて、２群のマンドレルＭ１を交互に巻付装置に装填して繊維束Ｒを巻き付けるようにしたが、その必要はない。例えば１群のマンドレルＲを巻付装置に順に装填して繊維束Ｒを巻き付けることができる。また、保持体１０は円筒状に構成する必要はなく、断面外形が多角形状に形成してあってもよい。受動ギヤ１６は軸部分１２ａの軸端や、軸部分１２ａの大径の軸部分との隣接部分に配置することができる。受動ギヤ１６は、平歯車以外の傘歯車や、はすば歯車であってもよい。アクチュエーター２３は、油圧シリンダーやモーターシリンダー、あるいはソレノイドなどを適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】マンドレルの正面図と、要部の拡大図である。
【図２】マンドレルと巻付装置の概略関係を示す正面図である。
【図３】チャックの側面図である。
【図４】図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図５】図２におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】ヘリカル巻ヘッドを示す側面図である。
【図７】フープ巻ヘッドを示す側面図である。
【図８】ワインディング製品の製造過程の第１過程を示す説明図である。
【図９】ワインディング製品の製造過程の第２過程を示す説明図である。
【図１０】ワインディング製品の製造過程の第３過程を示す説明図である。
【図１１】ワインディング製品の製造過程の第４過程を示す説明図である。
【図１２】ワインディング製品の製造過程の第５過程を示す説明図である。
【図１３】ワインディング製品の製造過程の終段過程を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
５取付治具
６チャック
１０保持体
１２軸体
１６受動ギヤ
１８原動ギヤ
２１（上方の）挟持体
２２（下方の）挟持体
３１フープ巻ヘッド
３２ヘリカル巻ヘッド
Ｍ１マンドレル
Ｒ繊維束

【特許請求の範囲】
【請求項１】
マンドレルの軸心方向両端のそれぞれに固定した取付治具が、一対のチャックで支持されており、前記一方の取付治具を支持するチャックに、マンドレルを回転駆動するモーターが配置してあるフィラメントワインディング装置であって、
前記取付治具は、前記チャックで挟持固定される保持体と、前記保持体で回転自在に軸支される軸体とで構成されて、前記軸体が前記マンドレルに固定されており、
前記チャックは、前記保持体を挟み固定する一対の挟持体と、両挟持体の少なくとも一方を他方の挟持体に対して接離操作するアクチュエーターとで構成されており、
前記チャックをアクチュエーターで装着姿勢に切り換えた状態において、前記取付治具を両挟持体の対向面の間から軸体の径方向に沿って相対的に出し入れでき、
前記モーターが配置される側の前記チャックの前記挟持体に、モーター動力を出力する原動ギヤが設けられ、前記チャックで捕捉される側の前記取付治具の前記軸体に、前記原動ギヤと噛み合う受動ギヤが固定してあるフィラメントワインディング装置。
【請求項２】
筒状に形成した前記保持体の内部に、前記軸体と、前記軸体を軸支する回転軸受体と、前記受動ギヤが配置されており、
前記受動ギヤと対向する前記保持体の筒壁に、前記原動ギヤの出入りを許すギヤ開口が形成してある請求項１記載のフィラメントワインディング装置。

【図１】