FR2553708A1

FR2553708A1 - APPARATUS FOR WINDING FILAMENTS, IN PARTICULAR PLASTIC MATERIAL REINFORCEMENT

Info

Publication number: FR2553708A1
Application number: FR8416078A
Authority: FR
Inventors: Dennis Herbert Bowen
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1983-10-21
Filing date: 1984-10-19
Publication date: 1985-04-26
Also published as: GB8328211D0; GB8425801D0; GB2147561A; GB2147561B

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN APPAREIL D'ENROULEMENT DE FILAMENTS. ELLE SE RAPPORTE A UN APPAREIL 40 QUI COMPORTE UN SUPPORT 10 D'UN MANDRIN 42 ET UN SUPPORT 10A D'UN DISPOSITIF 44 DE MISE EN PLACE DE FILAMENTS. LE MANDRIN 42 A AU MOINS DEUX AXES DE DEPLACEMENT EN ROTATION ET UN AXE DE DEPLACEMENT EN TRANSLATION, ET LE DISPOSITIF 44 DE MISE EN PLACE DE FILAMENTS A AU MOINS DEUX AXES DE DEPLACEMENT EN TRANSLATION. LES SUPPORTS 10, 10A PEUVENT ETRE DES BRAS DE ROBOT COMMANDES PAR UN ORDINATEUR 54. APPLICATION A LA FABRICATION DE PIECES DE MATIERE PLASTIQUE DE FORME COMPLEXE.THE INVENTION RELATES TO A FILAMENT WINDING APPARATUS. IT RELATES TO AN APPARATUS 40 WHICH INCLUDES A SUPPORT 10 FOR A CHUCK 42 AND A SUPPORT 10A FOR A DEVICE 44 FOR PLACING FILAMENTS. CHUCK 42 HAS AT LEAST TWO ROTATIONAL DISPLACEMENT AXES AND ONE TRANSLATION DISPLACEMENT AXIS, AND FILAMENT INSERTING DEVICE 44 HAS AT LEAST TWO TRANSLATION DISPLACEMENT AXES. THE SUPPORTS 10, 10A MAY BE ROBOT ARMS CONTROLLED BY A COMPUTER 54. APPLICATION TO THE MANUFACTURING OF COMPLEX SHAPED PLASTIC PARTS.

Description

1 25537081 2553708

La présente invention concerne un appareil d'enroulement de filaments destiné à être utilisé dans la fabrication d'articles de matière plastique armée de fibres et plus précisément mais non exclusivement 5 la fabrication d'articles de configuration relativement complexe. Dans un appareil connu d'enroulement de filaments, un dispositif de mise en place de filaments se déplace par rapport à un mandrin sur lequel les filaments 10 sont enroulés par ce dispositif Le mandrin est supporté dans l'appareil afin qu'il puisse tourner autour de son propre axe longitudinal Dans certains appareils connus d'enroulement de filaments dits à "tonnelage", le support du mandrin peut en outre tourner autour d'un axe perpendi15 culaire à l'axe longitudinal du mandrin Le dispositif de mise en place de filaments a en général un axe de déplacement en translation, car il est mobile parallèlement à l'axe longitudinal du mandrin, et il peut aussi tourner autour du mandrin De telles machines d'enroulement de 20 filaments peuvent être facilement utilisées pour la fabrication d'articles de configuration sensiblement sphérique ou cylindrique, mais non pour la réalisation d'articles de forme plus complexe, par exemple d'un raccord en T de tuyauterie Selon l'invention, le support de mandrin d'un appareil d'enroulement de filaments qui comporte un support du mandrin et un dispositif de mise en place de filaments, est mobile au moins autour de deux axes de rotation et le long d'au moins un axe de translation Le dispositif 30 de mise en place de filaments est avantageusement mobile suivant au moins deux axes de déplacement en translation, et les deux axes de déplacement en rotation du support du mandrin sont perpendiculaires l'un à l'autre, de même que les deux axes du déplacement en translation du dispo35 sitif de mise en place de filaments sont perpendiculaires l'un à l'autre Le support de mandrin est de préférence un bras de robot qui donne au support du mandrin deux axes de rotation et deux axes de translation, et le dispositif de mise en place de filaments est supporté par un autre bras de robot, les bras de robot étant commandés par un dispositif commun, par exemple un ordinateur. 5 Un appareil d'enroulement de filaments selon l'invention peut être commandé afin qu'il enroule des fibres sur un mandrin de configuration complexe, par exemple un raccord de tuyauterie en T. Les bras de robot sont disponibles dans le 10 commerce sous des formes très diverses et avec diverses The present invention relates to a filament winding apparatus for use in the manufacture of fiber reinforced plastic articles and more specifically but not exclusively to the manufacture of relatively complex configuration articles. In a known filament winding apparatus, a filament delivery device moves relative to a mandrel on which the filaments are wound by this device. The mandrel is supported in the apparatus so that it can rotate around it. In certain known apparatus for winding so-called "tumbling" filaments, the support of the mandrel can also rotate about an axis perpendicular to the longitudinal axis of the mandrel. The device for placing filaments In general, it has a translational movement axis, since it is movable parallel to the longitudinal axis of the mandrel, and it can also rotate around the mandrel. Such filament winding machines can easily be used for the manufacture of articles. of substantially spherical or cylindrical configuration, but not for the production of articles of more complex shape, for example of a pipe T connection According to the invention, the the mandrel support of a filament winding apparatus which comprises a mandrel support and a filament delivery device is moveable at least about two axes of rotation and along at least one translation axis; The device 30 for placing filaments is advantageously mobile along at least two translation displacement axes, and the two axes of rotational displacement of the mandrel support are perpendicular to each other, as are the two axes. the translational displacement of the filament delivery device is perpendicular to each other. The mandrel support is preferably a robot arm which gives the mandrel support two axes of rotation and two axes of translation, and the filament delivery device is supported by another robot arm, the robot arms being controlled by a common device, for example a computer. A filament winding apparatus according to the invention can be controlled so that it winds fibers over a complex configuration mandrel, for example a T-pipe connection. The robot arms are commercially available under very diverse forms and with various

combinaisons d'axes de rotation et de déplacement en translation, et la sélection d'un bras de robot est effectuée en fonction de la tâche particulière à remplir. combinations of axes of rotation and displacement in translation, and the selection of a robot arm is performed according to the particular task to be completed.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven15 tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, Other features and advantages of the invention will become more apparent from the description which follows,

faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une perspective schématique d'un bras de robot; et les figures 2 a et 2 b représentent, en plan, 20 une machine d'enroulement de filaments comprenant deux with reference to the accompanying drawing in which: Figure 1 is a schematic perspective of a robot arm; and Figures 2a and 2b show, in plan, a filament winding machine comprising two

bras de robot du type représenté sur la figure 1. robot arm of the type shown in Figure 1.

Le bras 10 de robot représenté sur la figure 1 comporte une base 12 qui porte un organe formant un bras télescopique orienté verticalement 14 dont l'extrémité 25 inférieure est mobile dans le plan horizontal le long d'une fente 16 de guidage formée dans la base 12 L'extrémité supérieure de l'organe ou bras 14 porte un avant-bras 20 orienté horizontalement et qui peut tourner autour de l'axe longitudinal 22 du bras 14 et qui peut aussi 30 tourner autour de son propre axe longitudinal 24 Un The robot arm 10 shown in FIG. 1 comprises a base 12 which carries a vertically oriented telescopic arm member 14 whose lower end is movable in the horizontal plane along a guide slot 16 formed in the base. The upper end of the member or arm 14 carries a horizontally oriented forearm 20 which is rotatable about the longitudinal axis 22 of the arm 14 and which can also rotate about its own longitudinal axis 24.

organe 28 constituant un poignet est articulé à l'extrémité de l'avantbras 20 distante du bras 14 et peut pivoter par rapport à l'axe 24 de l'avant-bras 20 Le poignet 28 porte un raccord 30 d'extrémité auquel peuvent être fixés 35 des outils ou des mâchoires (non représentés). The wrist member 28 is hinged to the end of the forearm 20 away from the arm 14 and is pivotable relative to the axis 24 of the forearm 20. The wrist 28 carries an end fitting 30 which can be attached tools or jaws (not shown).

Le raccord 30 d'extrémité a ainsi deux axes de déplacement en translation, c'est-à-dire une translation horizontale X due au déplacement du bras 14 le long de la fente 16 de guidage, et la translation verticale Z due au déplacement télescopique du bras 14 Le raccord 30 d'extrémité a aussi trois axes de déplacement en rotation, 5 c'est-à-dire une rotation P de l'avant-bras 20 autour de l'axe vertical 22, une rotation Q de l'avantbras 20 autour de son propre axe longitudinal 24, et le pivotement The end connection thus has two translation displacement axes, that is to say a horizontal translation X due to the displacement of the arm 14 along the guide slot 16, and the vertical translation Z due to the telescopic displacement. The end fitting 30 also has three axes of rotational movement, i.e., a rotation P of the forearm 20 about the vertical axis 22, a rotation Q of the arm front 20 around its own longitudinal axis 24, and pivoting

R du poignet 28 par rapport à l'avant-bras 20. R wrist 28 relative to the forearm 20.

On se réfère maintenant à la figure 2 a qui 10 représente une machine 40 d'enroulement de filaments qui comporte deux bras identiques de robot 10 et 10 a dont les axes de translation horizontale X sont perpendiculaires, les différents éléments du bras 10 a étant différenciés de ceux du bras 10 par le suffixe a Un mandrin 42 15 est monté sur le raccord 30 d'extrémité du bras 10 et un dispositif 44 de mise en place de filaments est monté sur le raccord 30 a d'extrémité du bras 10 a, avec un oeillet 52 par lequel une fibre 50 est transmise Le mandrin 42 a une forme en T, comprenant une traverse 46 du T 20 et une barre 48 du T, de section semi- circulaire, et il est constitué d'une mousse de polystyrène moulée autour d'une armature d'acier en T en deux parties (non représentée) analogue par exemple à celle qui est décrite dans la demande de brevet britannique n 2 125 001 A. 25 Le mandrin 42 est monté sur le raccord 30 d'extrémité à une première extrémité de la barre transversale 46 du T, Referring now to FIG. 2a, which represents a filament winding machine 40 which comprises two identical robot arms 10 and 10a whose horizontal translation axes X are perpendicular, the various elements of the arm 10a being differentiated. those of the arm 10 by the suffix a mandrel 42 is mounted on the end fitting 30 of the arm 10 and a filament delivery device 44 is mounted on the end fitting 30a of the arm 10a, with an eyelet 52 through which a fiber 50 is transmitted The mandrel 42 has a T shape, comprising a crosspiece 46 of the T 20 and a bar 48 of the T, of semicircular section, and it consists of a polystyrene foam molded around a two-part T-steel armature (not shown) analogous, for example, to that described in British Patent Application No. 2 125 001 A. The mandrel 42 is mounted on the coupling 30 of end at a first end of the a crossbar 46 of the T,

celle-ci étant coaxiale au poignet 28. this being coaxial with the wrist 28.

Lors de l'utilisation de la machine 40 d'enroulement au cours de la fabrication d'un raccord en T de 30 tuyauterie de matière plastique armée de fibres, les deux bras 10 et 10 a de robot sont commandés par un ordinateur commun 54 Le bras 10 a porte d'abord l'oeillet 52 du dispositif 44 de mise en place de filaments afin qu'il soit fixe près du mandrin 42, et une fibre 50 provenant 35 du dispositif 44 de mise en place est fixée d'un côté de la traverse 46 par un opérateur de la machine 40; l'avant-bras 20 du bras 10 est alors aligné sur le poignet 28 et ainsi sur l'axe longitudinal de la traverse 46 du mandrin 42 en étant maintenu parallèle à la fente 16 de guidage L'avant-bras 20 subit alors la rotation Q autour de son axe longiudinal 24 (voir figure 1) si bien 5 que la fibre O 50 est enroulée autour de la barre transversale 46 et simultanément le bras 14 se déplace en translation (X) dans la fente 16 en formant ainsi une couche de fibres 50 enroulée en double hélice autour d'un côté de la traverse 46 La rotation Q de l'avant-bras 10 20 est alors arrêtée et le bras 10 déplace le mandrin 42 en translation horizontalement (X) jusqu'à ce que l'oeillet 52 soit adjacent à l'autre côté de la barre transversale 46 La rotation Q recommence alors et le mandrin 42 se déplace à nouveau en translation (X) si bien qu'une couche 15 de fibres 50 est enroulée en double hélice autour de l'autre côté de la barre transversale 46 La rotation When using the winding machine 40 during manufacture of a fiber reinforced plastic tubing tee, the two robot arms 10 and 10a are controlled by a common computer 54. The arm 10 first carries the eyelet 52 of the filament delivery device 44 to be stationary near the mandrel 42, and a fiber 50 from the delivery device 44 is attached on one side. cross member 46 by an operator of the machine 40; the forearm 20 of the arm 10 is then aligned on the wrist 28 and thus on the longitudinal axis of the crosspiece 46 of the mandrel 42 being held parallel to the guide slot 16 The forearm 20 then undergoes rotation Q about its longitudinal axis 24 (see Figure 1) so that the fiber O 50 is wrapped around the crossbar 46 and simultaneously the arm 14 moves in translation (X) in the slot 16 thus forming a layer of The rotation Q of the forearm 10 is then stopped and the arm 10 displaces the mandrel 42 in translation horizontally (X) until the spine 50 is wound in a double helix around one side of the crosspiece 46. The rotation Q then starts again and the mandrel 42 moves again in translation (X) so that a layer 15 of fibers 50 is wound in a double helix around the lug. the other side of the crossbar 46 The rotation

Q s'arrête alors.Q stops then.

On se réfère maintenant à la figure 2 b qui ne représente pas l'ordinateur 54 par raison de clarté, 20 et l'avant-bras 20 tourne alors suivant, la rotation P de 90 autour de l'axe 22 du bras 14 et tourne pendant la rotation Q de l'angle nécessaire pour que la barre centrale 48 du mandrin 42 soit placée dans un plan horizontal et soit dirigée vers le bras 1 Oa; le bras 10 du robot déplace alors horizontalement en translation X le mandrin 42 vers le bras 10 a afin que le mandrin 42 se trouve à la portée de l'oeillet 52 du dispositif 44 de mise en place de filaments L'avant-bras 20 a du bras 10 a subit alors la rotation P autour de l'axe 22 a du. 30 bras 14 a si bien que l'avant-bras 20 a est aligné en direction perpendiculaire à la fente 16 a de guidage, et le bras 14 a subit le déplacement en translation X afin que l'oeillet 52 vienne près de la barre centrale 48 du mandrin Referring now to FIG. 2b, which does not represent the computer 54 for the sake of clarity, and the forearm 20 then rotates, the rotation P of 90 about the axis 22 of the arm 14 and turns during the rotation Q of the angle necessary for the central bar 48 of the mandrel 42 to be placed in a horizontal plane and be directed towards the arm 1 Oa; the arm 10 of the robot then moves the mandrel 42 horizontally in translation X to the arm 10a so that the mandrel 42 is within reach of the eyelet 52 of the device 44 for placing filaments The forearm 20a arm 10a then undergoes rotation P around the axis 22a of the. The arm 14a is such that the forearm 20a is aligned in a direction perpendicular to the guide slot 16a, and the arm 14 is displaced in translation X so that the eyelet 52 comes near the central bar. 48 of the chuck

42, comme représenté.42, as shown.

Le bras 10 a de robot déplace alors l'oeillet 52 suivant un trajet circulaire autour de la barre centrale 48 du mandrin 42, avec des translations coordonnées simultanées dans les directions X et Z, lorsque le bras de robot 10 déplace le mandrin 42 en l'écartant du bras 10 a et en le rapprochant de celui-ci si bien qu'une couche de fibres 50 s'enroule en double hélice autour de la barre centrale 48 du mandrin 42, l'avant-bras 20 a faisant une rotation Q 5 pour chaque trajet circulaire suivi par l'oeillet 52 si bien que ce dernier est toujours en face de la barre The robot arm 10a then moves the eyelet 52 in a circular path around the central bar 48 of the mandrel 42, with simultaneous co-ordinate translations in the X and Z directions, as the robot arm 10 moves the mandrel 42 in the direction of rotation. away from the arm 10a and closer to it so that a layer of fibers 50 is wound in a double helix around the central bar 48 of the mandrel 42, the forearm 20a rotating Q 5 for each circular path followed by the eyelet 52 so that the latter is still in front of the bar

centrale 48.Central 48.

Une région comprise entre les parties d'enroulement de la barre transversale 46 et de la barre centrale 10 48 du mandrin 42 n'est alors pas couverte par une couche de fibres 50, mais il faut noter qu'une couche de fibres 50 peut enrouler la partie non couverte du mandrin 42 au cours d'une séquence analogue d'opérations coordonnées exécutée par les bras de robot 10 et 10 a, bien que cette 15 séquence soit plus complète, par mise en oeuvre du mouvement A region between the winding portions of the cross bar 46 and the central bar 48 of the mandrel 42 is then not covered by a layer of fibers 50, but it should be noted that a layer of fibers 50 can roll up the uncovered part of the mandrel 42 during a similar sequence of coordinated operations performed by the robot arms 10 and 10a, although this sequence is more complete, by implementing the motion

de pivotement R du poignet 28 le cas échéant. pivoting wrist 28 R as appropriate.

Les couches de fibres sont alors imprégnées de résine (à moins que les fibres n'aient été imprégnées de résine avant l'opération d'enroulement) et la résine 20 est durcie finalement, afin que le raccord en T soit terminé Le mandrin 42 peut alors être retiré du raccord en T par broyage du polystyrène, l'armature d'acier en T étant démontée et retirée, afin qu'il reste le raccord The fiber layers are then impregnated with resin (unless the fibers have been impregnated with resin prior to the winding operation) and the resin is finally cured so that the T-connection is completed. then be removed from the T-piece by grinding the polystyrene, the steel T-frame being removed and removed, so that it remains the fitting

creux en T de matière plastique armée de fibres. hollow T-shaped plastic fiber reinforced.

Il faut noter que la machine 40 d'enroulement de filaments peut être utilisée pour la fabrication d'articles de matière plastique armée de fibres de formes très différentes, par utilisation de mandrins de configuration convenable Il faut aussi noter que, au cours de 30 la séquence précitée d'opérations, les poignets 28 et 28 a restent colinéaires aux avant-bras respectifs 20 et 20 a et que, en conséquence, dans le cas de configurations moins complexes, un autre bras de robot peut être utilisé, ce bras différant de celui de la figure 1 en ce que le 35 raccord 30 d'extrémité est directement monté à l'extrémité It should be noted that the filament winding machine 40 can be used for the manufacture of plastic articles having a very different shape of fibers by using suitably shaped mandrels. It should also be noted that in the course of said sequence of operations, the wrists 28 and 28a remain collinear with the respective forearms 20 and 20a and that, consequently, in the case of less complex configurations, another robot arm can be used, this arm differing from that of FIG. 1 in that the end fitting 30 is directly mounted at the end

de l'avant-bras 20.of the forearm 20.

Claims

Filament winding apparatus, of the type which comprises a mandrel support and a filament delivery device, characterized in that the mandrel support (30) has at least two axes (P, Q, R) of rotational movement and at least one axis (X, Z)

displacement in translation.

2 Apparatus according to claim 1, characterized

in that the filament delivery device (44) has at least two translation displacement axes (X, Z).

Apparatus according to claim 2, characterized in that the two axes (P, Q) of rotational movement of the mandrel support (30) are perpendicular to each other, and the two axes (X, Z) translational movement of the filament delivery device

(44) are perpendicular to each other.

Apparatus according to any one of the preceding claims, characterized in that the mandrel holder is a first robot arm (10) which provides the

mandrel support (30) two axes (P, Q) of rotation and two axes (X, Z) of translation, the filament delivery device (44) is supported by a second robot arm (10a), and the apparatus comprises a device (54) for controlling the displacements of the first and second

robot arm.