本发明是关于制造纤维材料网的改进方法。具体说,本发明是关于利用往复运动的供线装置和一个程序运动控制器制造连续线网的方法,程序运动控制器是用来控制往复运动的速度和线从供线装置排放到一运动输送机上的速度从而使网的密度和厚度均匀。更具体说,本发明是关于采用程控往复运动供线装置生产具有改善了的均匀性和机械性质的连续玻璃线网的方法。 在现有技术中玻璃纤维和玻璃纤维线被用来生产用于加强材料的各种玻璃纤维网。制网的基本原理在现有技术中是已知的并在名为《连续玻璃纤维的制造技术》(由K.L.Lousenstein著,Elsevier出版公司出版,1973年版第234到251页)一书中作了充分描述。制造连续玻璃纤维线网的典型过程由美国专利No.3,883,333(Ackley)和No、4,158,557(Drummond)进行了描述。
一般来说,由这些工艺制造的网都被针织以改善它们的机械整体性。美国专利No.3,713,962(Ackley)和No.4,277,531(Pricone)更充分地描述了典型的针织操作。通过把树脂撒在网表面上并使其融化从而使单根线粘在一起也可使网具有机械整体性。
玻璃纤维网的一个特别应用是加强树脂或聚合材料地强度。有了整体模制的玻璃纤维网就可提高未加强材料的强度。网和融化的树脂通常被加工在一起以形成热固或热塑层压材料。热塑层压材料特别适用于飞机,潜艇和汽车工业,这是因为它们可被预热成半融化状态然后被冲压成各种形状的板,如门,防护板,保险杠和类似零件。重要的是制造层压材料的玻璃纤维网的纤维密度分布应尽可能均匀。如果使用密度不均匀的网来加强材料。生产出的被加强产品就在强度上有明显变化,这是由于在某些缺少玻璃纤维的区域强度就会不足,而其它区域则强度过高。更为重要的是在冲压操作期间必须保证玻璃纤维网可在热塑层压材料内自由流动或移动,以使成品另件具有强度均匀的性质。
在用前述专利的工艺生产连续线网的过程中,在一个运动的皮带或输送机(如连续驱动的柔性不锈钢链或缆)上有一组供线装置。供线装置沿垂直于运动输送机运动方向的方向并相互平行地在输送机上方往复运动或往返移动。由多股玻璃纤维细丝组成的线从一适当的供线源的一组预制的成形卷装被供给到供线装置上。各供线装置均提供了将线从供线源抽出所需的拉力并最终将线辅在运动输送机的表面上。在典型的生产过程中,同时使用了多达12到16个这种供线装置来生产玻璃纤维网。
在现有技术中也已知供线装置可被用作拉细机以便把直接来自玻璃纤维成形喷丝装置的玻璃纤维拉细,并最终将成形的线直接辅在输送机上,正如上述Lowensein的著作第248到251页所描述的和美国专利3,883,333(Ackley)和4,158,557(Drummond)进一步说明的。
在上述往复运动系统的工作中,所用设备的结构在机械耐久性方面有固有的限制。首先,供线装置相当重,通常重达30到50磅或更重。当这种沉重的设备在输送机的横向上往复运动时,由于运动的供线装置的动量及反向时必须想法克服或吸收的冲击力,往复移动速度受到限制。往复移动速度的限制也限制了制网的生产率。第二,供线装置不停的往复运动引起振动,并导致供线装置及其导轨严重的磨损,从而最终导致机械失效。
在美国专利3,915,681(Ackley)中,减小供线装置反向时的振动是通过采用这样一种往复运动系统而实现的,在该系统中供线装置是由电机驱动的连续链条进给的。链条上固定有一个细长件,或销钉,它与供线装置机架上铣出的一个槽啮合。该槽这样定位,即其长度平行于链条的运动方向。槽的长度显著大于销钉的直径。这样,当供线装置沿一个方向运行时,销钉通过挤靠在槽的圆边上而施加进给供线装置所需的力。当供线装置反向时,销钉首先沿槽的长度滑动直到它直接触到槽的另一相对的圆边,在该点供线装置开始反向运动。在往复运动行程的终点,供线装置接触一个冲击吸收器。冲击吸收器使供线装置减速并吸收因动量的变化产生的冲击。以后,作为该设计的改进,冲击吸收器由气体活塞代替并使用了一个能够储存所吸收的能量的蓄能器以帮助沿相反的方向使供线装置加速(见美国专利No.4,340,406(Nenbauer,et al)。
现有技术系统的第二个问题就是生产具有均匀线密度的网的能力。在供线装置的加速和减速过程中,在各往复运动行程的终点往往有较多的玻璃线积累在输送机上。这就导致生产出的网在其边缘附近往往比其中心部分厚。过多的玻璃线在网边附近的积累是在供线装置反向运动时产生的,这是因为供线装置在网的这些部分(供线装置加速和减速之处)即边缘停留的时间较长。只要供线装置在整个工作过程中以不变的速率排放线,在网的边缘堆积的玻璃线厚度就较其它中部区域的厚度厚。这样,为了生产密度均匀的网,在网离开输送机后就必须对网进行切边处理。由于切下的材料作为废料扔掉所以就大大降低了加工效率。
这样尽管现有技术有许多优点,但仍有必要(1)在整个工作过程中使供线装置迅速反向,(2)把供线装置快速往返过程中的振动降至最小,和(3)控制网的边缘的均匀性和密度。从说明书的以下部分中可明显看出本发明提供了一种能满足上述需要的改进的制网方法。
根据本发明,公开了一种使用程控供线装置制造连续玻璃纤维线网的改进方法。特别是本发明使用了传统的往复运动供线装置,通过采用程序运动控制器精确地控制往复运动速度和线从供线装置排放到运动输送机上的速度,从而生产具有线密度和厚度更均匀的网。线可以从预制的玻璃纤维成形卷装,粗纱卷装,直抽式粗纱卷装,或者从球融化或直拉式玻璃纤维喷丝装置供给到供线装置。
本发明的一个目的就是将与供线装置快速往返运动相关的机械振动降至最小。本发明的另一目的是更好地控制整个网表面的密度和厚度的均匀性。本发明还有一个目的是采用这里公开的程控供线装置以消除或减小网边的不均匀性。
上述目的是通过采用一个程序运动控制器以精确地驱动,监视和控制无刷伺服电机的工作以使供线装置往复运动和迅速反向而达到的。此外,程序运动控制器也被用来控制第二无刷伺服电机以选择一个最佳的速度,线作为供线装置相对于输送机宽度的位置的即定程序函数而以该速度从各供线装置排放到运动输送机的表面上。
下面参照附图描述本发明的最佳实施例。
图1为传统玻璃纤维成形工艺的侧视图,示出了一个喷丝装置,一个给浆辊,和一个成形筒。
图2是一个喷丝装置的透视图,示出了冷却片,喷孔和出自喷孔的纤维。
图3是一个透视图,示出了一个典型的用于生产针织连续线网的制网生产线。
图4是沿图3中的4-4线所见的生产线前端的透视图,也详细示出了与控制往复运动的供线装置有关的各种元件。
图5是一个侧视图,示出了往复运动的供线装置,固定偏向板,和被辅在运动输送机上的线。
图6以方框图的形式示出了一个电路,用于控制各供线装置的往复运动和线排放到输送机上的速率。
图7是沿图3中的7-7线所见的生产线前视图,进一步说明了与各往复运动供线装置有关的元件的定位。
图8是用来生产一种网的生产线的侧视图,这种网包括一无规则定向的线的顶层,和一个与其针织在一起的均匀地平行排列的线的底层。
参照附图,图1和图2示出了一个用于生产玻璃纤维的传统工艺,其中熔融玻璃被输入一个喷丝装置(1)的顶部,并从一组喷嘴或喷孔(2)排出形成单股玻璃喷丝,然后将其冷却和拉细。玻璃可由前面的直接熔化炉供给,或直接在喷丝装置内熔化玻璃球。这两种方法在现有技术中是已知的,并在Lowenstein,supra的97-106页作了充分描述。用于将喷丝拉细成单股玻璃细丝的拉力可由一功率适当的旋转卷绕机(3),或一台往复运动皮带拉细机产生,所述往复运动皮带拉细机夹住玻璃纤维并将其伸到一连续输送机的表面上,如美国专利No.3,883,333(Ackley)和No.4,158,557(Drummond)中所公开的。
单股玻璃纤维或细丝(下面简称为“纤维”)在被充分冷却从而基本固化后就与一个给浆辊(5)接触,给浆辊(5)将液状化学浆料混合剂敷在纤维上。浆料混合剂有助于提高单股纤维的润滑性并一般也包含粘合剂以提供粘接介质。浆料混合剂和粘合剂的化学特点是这样,即它们与玻璃纤维的预期应用一致。例如,当用玻璃纤维来加强一种树脂例如热塑树脂时,粘合剂和/或浆料也通常包括相容的热塑树脂。另一方面,当要被加强的材料是热固树脂时,粘合剂和/或浆料将通常包括相容的热固树脂。
用玻璃纤维加强的树脂有聚脂,聚氨脂,环氧树脂,聚酰胺,聚乙烯,聚丙烯,聚醋酸乙烯脂,和类似树脂。用连续的玻璃线网加强的常用树脂是聚丙烯,聚脂和尼龙。美国专利No.3,849,148(Temple)公开了一种用于玻璃纤维(用来加强聚丙烯的玻璃纤维)的最佳的粘合剂/浆料混合剂。当采用连续玻璃线网加强尼龙树脂时,最佳的粘合剂/浆料混合剂就是美国专利No.3,814,592(Mcwieliams,et al.)中所公开的粘合剂/浆料混合剂。
通过使一组单股玻璃纤维(4)在一个聚集滑瓦(7)通过,从喷丝装置(1)抽出的纤维(4)被聚集成单根或多根线(6)。典型的聚集滑瓦(7)是一个石墨圆柱体或圆盘,沿其圆周切割有一组槽。槽的数量等于由单独一个喷丝装置形成的单根线的数量。线(6)然后被绕过一转动螺旋体(8)并绕在一纸板成形筒(9)上,成形筒(9)在一功率适当的卷绕机(3)的作用下转动。卷绕机(3)可使成形筒9,螺旋体(8),或两者沿它们的转动轴线前后往复运动,使得通过螺旋体(8)的线(6)沿成形筒(9)的长度均匀地缠绕。
在相邻两排喷孔(2)之间插有冷却片(10),每个冷却片的一端与一根支管(11)连接,冷却流体例如水即在支管内通过。冷却片(10)的所处位置应能使它吸收来自单根玻璃喷丝的辐射热并将其传导到支管(11),在支管(11)中热量由冷却液体带走。冷却片也带走一些由多孔板(12)辐射的热量。
图3示出了一台输送机(13),其形式为一个由电机(未示出)连续驱动的,由驱动辊(14)隔开的循环多孔输送带,最好是一个不锈钢链。在实际使用中,输送机速度为12ft/min或更高。借助于一组往复运动供线装置(15)将线(6)向下伸到输送机表面上。(附图中仅示出了五个这种供线装置,这仅仅用于说明目的,实际使用数量可多可少。事实上在实际使用中,可同时使用多达12个供线装置来将线辅在输送机(13)上)。
如图3所示,在输送线时每个供线装置(15)在输送机(13)的预定宽度上往返移动。单根线(6)可从一供线源(例如一组预先制造的成形卷装)抽出,或按美国专利No.3,883,333(Ackley)和No.4,158,557(Drummond)中所述的方式从直接拉制玻璃纤维喷丝装置或球熔化玻璃纤维喷丝装置中抽出。
在现有技术中,线(6)从各个供线装置(15)直接被辅在运动的输送机上。这种技术可以生产尚可接受的网,但后来发现这样辅设的线往往呈现有规律的定向。为克服这一点,使用了刚性固接在每个供线装置上的偏向板,线碰在偏向板上并无规则地偏移到输送机上。这样就生产出强度更均匀的网(见美国专利No.4,345,927(Picone))。以后又发展了另一种类型的刚性固接偏向器(例如美国专利No.4,6,5,,717(Neubauer,et al.)),随着线被供线装置排出,它将线划分成一组纤维矩阵,该纤维矩阵被偏移和辅设到细长椭圆环形式的输送机上。近年来,美国专利申请No.07/418,005(Schaefer,etal.)描述了采用安装在制网设备机架上的可调整的固定偏向板(19),结果改进了现有技术,同时也减小了往复运动的供线装置(15)的动量。
为了从线上除去多余的水分,使网连续地通过烘箱(17)。烘箱(17)与一根管道(20)连接并带有一个加热器(未示出)以加热通过其中的气体。温度加热到70°F到140°F之间的加热气体(最好是空气)通过烘箱(17)的防护罩(21)。烘箱(17)完全覆盖了输送机(13)的宽度并沿其长度延伸一足够的距离,以提供一足够的滞留时间从而将网的水分含量减少到可接受的水平,通常在百分之一到零点五之间。
在移出烘箱(17)后,松散的网(16)通常从输送机(13)的表面上进给到一个针刺织机(18)。借助于一个驱动辊(22)将网拉过织机,驱动辊可以以略微大于输送机的速度运动。织机(18)有一个针板(23),其上固定有一组排与排相互平行的钩针(24)。织机(18)包括一个带一组通孔的档网板(25),以便使针(24)能穿过它们而往复运动。还带有一个托板(26),当网通过织机(18)时网(16)即置于其上,托板(16)也带有一组尺寸适当的孔,从而往复运动的针可以穿过它们。一个盘(27)用于收留任何折断的玻璃细丝。针板(23)如图3的箭头所示上下往复运动,以便推动针部分地穿过松散的网(16),档网板(25),和托板(26),从而使松散的玻璃线形成相互缠结的网。
现在参照图4,单根的线(6)通过一组陶瓷小孔(未示出)被导向并到达各供线装置(15),在供线装置处它们被向下延伸并辅设在运动的链输送机(13)的表面上。每个单独的供线装置(15)可以用于多根线。(准确的数量取决于输送机(13)的速度,工作的供线装置的数量,和成品网的所需密度或厚度)。在本发明的最佳实施例中,上面讨论的可调整固定偏向板(19)以这样一种方式位于输送机之上,即从各供线装置伸出的线碰在它们的表面上,然后落向运动的输送机,在其上它们呈现无规则的定向。
借助于一根柔性驱动链或钢缆(28)使供线装置(15)在输送机(13)的宽度方向上往复运动或往返移动。一根第二柔性驱动皮带或链(29)连接无刷伺服电机(30)的输出轴和第一驱动链轮或鼓轮(38)(在其圆周上绕有柔性驱动链或最好是标准钢丝绳(28))。钢丝绳的长度大致为输送机宽度的两倍。钢丝绳的一端牢固地安装在供线装置机架的一侧(39a)上,如图5所示。然后钢丝绳一次或两次绕过驱动鼓轮的圆周,横跨输送机的宽度,绕过一个第二自由转动的空转鼓轮(40),然后钢丝绳的相对一端被固接在供线装置机架的另一侧(39b)上。这样,随着驱动鼓轮(38)在无刷伺服电机(30)的作用下顺时针转动(如图4所示),供线装置就向左移动。当伺服电机反向并驱动鼓轮(38)逆时针转动时,供线装置就向右运动。这个供线装置(15)在横跨运动的输送机(13)往复运动时均沿一个导轨(31)运动。在供线装置横跨输送机往复运动时,供线装置的典型速度是在75到200fpm之间。供线装置的往返移动方向一般垂直于输送机表面(13)的运动方向。线(6)从各供线装置(15)排放的典型速度是在约1000到5000fpm的范围内。
图5详细示出了供线装置(15)。来自预制成形卷装或玻璃纤维喷丝装置(1)的线(6)被一组陶瓷小孔(32)导向,以便沿柔性皮带(33)的外侧表面通过。皮带(33)和线(6)绕过一个安装在球轴承(未示出)上的空转圆柱轮毂(34)。还安装有上惰轮(41)和下惰轮(42)。线(6)绕过皮带(33)的外侧表面。利用皮带内侧表面和圆柱栅轮(36)之间的摩擦力使皮带运动,栅轮(36)是由一个可变速伺服电机(35)驱动的。栅轮(36)有一组平行于其长度方向延伸的从其表面凸起的肋(37)。线(6)与这些肋接触并被挤在它们和皮带(33)的外侧表面之间。这就产生了将线(6)从成形卷装(9)或喷丝装置(1)抽出所需的牵引力。
在本发明中,公开了一种利用一个程序运动控制器(43)将线均匀地分布在运动输送机表面上的改进方法。程序运动控制器是用来根据即定程序的速度和位置分布图使各供线装置(15)在输送机(13)的宽度上往复运动。线从供线装置排放的速度也可由同一程序运动控制器同时地并独立地控制。
运动控制器可归纳为或是集成片级装置或是印刷电路板级装置。在集成片级装置中,使用了一个微处理机或集成电路作为运动控制的主要部分。过去几年中发展的集成电路具有几个最适于运动控制的特征。这些集成电路包括专用定时器,计数器,振荡器,和放大器,以产生可用来驱动电机的脉冲宽度调制(PWM)波形。专门的集成电路也可实现用于控制电机速度的闭环反馈。
印刷板级运动控制器(例如图6所示的)包括几个带有一个或几个上述集成电路的印刷电路板。如图6所示,印刷电路板通常安装在一个可延伸的导轨机架操纵盒内。一块板(44)一般包括一个计算机或中心处理单元(cpu)和相应的记忆电路,而另一块板(45)包括接口硬件,用来连接海量存贮装置例如一硬盘驱动器或其它外部设备例如一阴级射线管终端(52)。可以使用几个单独的轴控制板(49)来产生和放大PWM波形以控制各电机。可给计算机编程以根据预定的位置,速度,和加速度来启动,停止和定位几个电机。通过采用一个标准数字通讯总线(50)可相互连接各电路板和CPu。(一个总线就是一个电路,它使用单独一个数字格式以允许几个电路板和cpu之间的通讯)。
数种商品化的印刷板级装置可专门用来进行运动控制。在本发明的最佳实施例中,采用了可从MODICON Motion-ICC,Pittsburgh,Pennsylvania获得的由Gould Electronics制造的3220型柔性自动控制器。这种专门的控制器可根据预编程序的定位指令同时独立地控制多至8个电机的运动。它也可监视内部和外部故障,例如一台失速电机,供线装置的行程过大或各电路板失灵。
包括不同速度分布信息或定位指令的图表可被输入一个CRT终端(52)和控制器(43)的计算机存贮部分。操纵者然后可以选择适当的图表以生产特定类型的网制品,并且cpu将所选择的分布图输入记忆系统。分布图以一系列多至500或更多单独的数据点(data Points)的形式输入。在本发明中,每个数据点用来限定一个沿输送机(13)宽度(每个供线装置(15)在一固定时间间隔内沿该宽度往返移动)的位置或定位指令的顺序。控制器内的分布图软件通过一种称为三次仿样内插法(Cubic Spline interpolation)的方法使一平滑曲线加入数据点。与线性内插法相反,采用三次仿样内插法允许连续的一次和二次导数的计算代表与预先输入的定位指令相应的速度和加速度分布图。当喷丝装置被直接用作供线源时这种功能也允许供线装置可以以这样一种速度分布图往返移动,这种速度分布图可以导致拉细的纤维具有基本不变的直径。这样,利用程序运动控制器的功能也可电子模拟美国专利№.4,158,557(Drummend)公开的机械拉细机。
在实际制网过程中所用特定元件和参数的基础上用试凑法靠经验来决定生产一种特定网制品时使用的实际速度分布图。必须考虑到所有诸如电机类型,输送机的链速,线的种类和供线装置的质量及惯性等因素。没有任何规律能够事前预测元件的任何特定组合的总效果是什么。
正如前面所述的,主要在网的边缘附近会产生网厚不均匀的现象。这种线密度的增加是由于在供线装置往返移动期间它们在网的边缘附近滞留的时间较在其它地方滞留的时间长。只要线以恒定速率从供线装置排放,线就只能在网的边缘比网的内部积累的多。在一个试图克服这一问题的方案中,使用了一个可变速交流感应电动机,它与一个变频器连接以控制线从供线装置排放的速度,如美国专利申请No.07/418,058(Bailey,et al)中所公开的。其中通过使用接近传感器来检测供线装置接近网边时的位置,降低供线装置电机(35)的速度。由于下面将要讨论的原因,在本发明中。供线装置电机(35)在网边附近的速度实际上必须增加而不是降低以便使辅送的线密度均匀。这是由于被用来使供线装置(15)横跨输送机往返移动的伺服电机(30)的加速和减速特征所致。
不象传统的电机,伺服电机被设计来具有极低的转子惯性。这就使伺服电极具有相对较高的扭矩与惯性之比及快速反应特点。在本发明的最佳实施例中,用来往复运动供线装置(15)的伺服电机(30)是由Getty公司制造的,最大力矩是106in-1b.,转子惯性为0.032in-1bs-sec2,重量约为47lbs.。供线装置本身重约100lbs.,并在约0.3秒钟内从约160fpm的最大横移速度降至零。由于采用这些特殊的伺服电机有可能迅速反向,从供线装置排放的线的惯性造成网的边缘比过去所见的要薄。这样,在往返移动行程的各终端线的供线速率必须被增加。参照图5所示的供线装置可最清楚地解释该原因。
随着供线装置(15)运动到右端并沿相反的方向反向运动,线(6)的惯性往往使它以摆动的形式继续向右运动。线在瞬间离开驱动皮带(33)并较多地绕过驱动栅轮(36)。这就使得线朝输送机表面的右手侧边缘摆动直到它失去其直线动量并试图重新与皮带接触。此时,供线装置(15)已经朝输送机的左手侧加速运动,因此线只能在驱动栅轮(36)和下惰轮(42)之间的某处局部地接触皮带。当供线装置到达其最左端的运行位置并被反向时,运动中的线的惯性将其瞬间推向皮带(33)的整个表面。当供线装置开始朝右侧移动时线较多地绕在下惰轮(42)上并朝输送机的左边缘摆动。然而,此时线实际上是被推着与皮带的整个表面接触,直到供线装置再次反向并脱离接触。由于线的这种摆动效应,和皮带上脱离接触和重新接触的点,线朝输送机右手侧摆动的距离实际上大于朝左手侧摆动的距离。如果在整个换向循环的过程中线从供线装置排放的速度是不变的,制成的网的边缘就会比网的其它部分薄。为了在整张网上获得均匀的线密度,线的供线速率必须被增加以允许在网的边缘排放更多的线,因而补偿摆动效应。实际上,在一个应用实例中,线以1290fpm的标称供线速率排放,在往复移动行程的最右侧(在这里线瞬间与皮带(33)脱离接触),供线速率必须增加约百分之七,而在往复移动行程的最左端,供线速率只需增加百分之三。
由于有多个必须加以考虑的变量,补偿的准确程度如前所述。必须靠经验来决定。使用程序运动控制器可方便地允许对加速度,减速度和供线速率的几种组合的判断被试验并最佳化。一旦获得最好的组合,这些最佳的位置和速度分布即被贮存在控制器的记忆系统中。
由于伺服电极的转子惯性小,扭矩高及超快响应时间,它们也被用于供线装置(15)中。以把线从供线源送到输送机上。在本发明的最佳实施例中,每个供线装置都有一个由Pacific Science公司制造的伺服电机。这些电机的最大力矩约是33in-lbs,转子惯性约为0.0019in-lbs-sec2,重量约为16lbs。由于这些电机的速度也可以由程序运动控制器根据即定程序的位置分布图精确地控制,从而就淘汰了现有技术中所用的接近传感器和变频器。由于供线速率作为横跨输送机宽度的位置的连续函数而变化,也改善了对供线速率的控制。为了做到这一点,如美国专利申请No.07/418,058(Bailey,etal.)公开的现有技术需要几乎无穷多个接近传感器矩阵。这里使用的运动控制器允许方便地限定(供线速率改变的)位置的变化,并通过计算机输入,而在现有技术中,改变位置(在该位置需要改变供线速率)就必须重新定位安装在导轨(31)上的接近传感器。
在本发明中,采用程序控制的伺服电机的另一优点是与过去所使用的电机相比它们能够被更精确地控制和定位。在现有技术系统中使用步进电机来往复运动供线装置,通过发出适当数量的电脉冲来控制供线装置在导轨(31)上的直线运动。在这种系统中通常不需要位置反馈。采用这种方案的缺点之一是在许多情况下,滑移,变形和其它因素会阻止步进电机精确地移动到所需位置。为了克服这一问题,本发明采用了本领域技术人员熟知的闭环反馈控制,通过使用位置传感装置提供准确的定位控制信息。采用闭环反馈,往往可以及时地在任何一点处把供线装置的理想位置与其实际位置之间的差或误差降至最小。在本发明的最佳实施例中,分析器(51)与各个用于往返运动的伺服电极(30)的输出轴连接,并与各个用于供线装置上供线的伺服电机(35)连接。分析器产生一个与各伺服电机的转动程度成比例的电信号。该信号然后被反馈到程序运动控制器(43),并由计算机发出指令适时修正供线装置的位置以及线从供线装置排放到输送机上的速率。
当同时使用多个供线装置时,为了保证供线装置的适当启动和顺序,在导轨(31)的一侧为每个供线装置安装了一个限位开关(47),如图4,6和7所示。该限位开关(47)的目的是通过将一个信号送到程序运动控制器(43)来指示供线装置(15)的原始位置。一旦控制器检测到供线装置(15)处于各限位开关(47)的状态所指示的原始位置,控制器(43)就使各供线装置微动到适当的启动位置。随着各供线装置进入位置(即自动开始在输送机上往返移动的位置),它将接触一个第二限位开关(48),马上一个信号被送到控制器指示供线装置处于启动位置。一旦从各供线装置收到启动信号,控制器(43)在适当时候发出一个指令使各供线装置开始沿输送机的宽度往返移动。
在输送机上方的各供线装置导轨(31)上和输送机表面宽度的中间,安装有一个电磁接近开关或传感器(46)。供线装置(15)每次通过接近传感器均使它关闭,一个信号被送至运动控制器(43),这意味着供线装置已完成了往返移动循环的一半。在同时使用多个供线装置相互协调工作的实际应用中,给控制器(43)编程以便识别来自与各供线装置相关的中线传感器的信号的预定顺序。如果运动控制器(43)检测到的信号顺序与预编程的顺序不符,控制器将认为这是其中一个供线装置(15)的动作有误,并采取修正动作。例如,如果给控制器编程预期横贯信号的一定顺序为来自供线装置1,3和2(以该顺序),但它只确认收到了来自供线装置1和2的信号。然后运动控制器(43)就判明收到来自供线装置2的信号,而不是按预期的收到来自供线装置3的信号,就意味着存在着潜在的问题,例如电机停车或供线装置卡住而引起顺序与预期的不符。然后运动控制器发出信号启动位于下游位置的附加电机,以补偿因第三供线装置失效而造成线未被辅在输送机上。在实际应用中,同时使用了多至12个供线装置,其中有多达4个附加补偿电机。
现在详细描述利用本发明生产的两种类型的两种类型的玻璃纤维网。
例1
在用本发明生产一张实验性的针织玻璃纤维连续线网(具有均匀的机械特性)的应用中,如图7所示有两个程序控制的供线装置(15)横跨运动的输送机表面往复运动。线的成形卷装(9)由筒子架(54)支承。多根线(6)穿过筒子架上的陶瓷导向孔(55)然后经过一根导向杆(56)。然后线(6)经过两个供线装置(15)。还使用了前述的固定偏向板(19),随着线从各供线装置排放偏向板使线偏向。输送机表面以约4.8fpm的速度连续运动。还采用了一个加热到约120°F的烘箱(17),使线上的多余水分蒸发。位于烘箱内的网以约4.9fpm的速度被拉过一个针刺织机(18)。单根的线被织在一起以便使它们缠结,从而使制成的网有足够的机械整体性以便继续进行后续的加工和处理。针刺织机(18)的线性钩针密度为每英吋约40根。钩针往复运动使穿刺密度达到每平方英吋约140次。穿刺深度约为0.6英吋。
两个供线装置以约82fpm的平均速度在约48英吋的横向距离上每2.93秒钟往返运动一次。程序运动控制器在约0.3秒内使供线装置从105fpm减速至零,然后在约0.15秒内重新加速到105fpm。由各供线装置(15)承载的伺服电机(35)以1280到1300fpm之间的某一速度最好以约1290fpm的速度排放来自成形卷装的线。为了补偿前面所述的线的摆动效应,在往复运动行程的左侧部分供线速率增加3%达到约1329fpm。在右侧部分,供线速率增加7%达到约1380fpm。
在生产的针织线网中,无规则辅设的“T”纤维线(由T-11.5成形卷装供给)在每根线中约有400根单股玻璃纤维,一磅包括1150码的线。(使用这种字母命名在这里和现有技术中是已知的,“T”纤维牌号意指每根单股纤维的直径大约为90到95微米,见Lowenstein,supra第25页)。为了使生产出的网的密度为约2.95 oz/sq-ft.,每个供线装置有6根T-11.5线,所以约135 lb/hr的玻璃被辅在输送机表面上。为了使生产出的网的密度为约2 oz/sq-ft.,每个供线装置有4根线,所以仅有约90lb/hr的玻璃从各个供线装置中被辅在输送机。
例2
业已发现对某些应用来说需要生产具有各向异性或单方向材料性质的网。一张具有方向性机械性质(如抗拉张力)的网可以被用来显著加强这些层压材料,这些层压材料可以被用于生产希望在一个方向上提高抗拉强度的胎环,汽车保险杠和任何结构。
如图8所示,线(6)由位于输送机前端的筒子架(57)支承的粗纱卷装供给。线(6)穿过筒子架(57)上的一组陶瓷小孔(58)然后经过一个也位于输送机(13)前端的导向杆(59)。线被拉过导向杆和摺状的精度可调的梳(60)的齿,梳(60)也位于输送机的前端。梳(60)被用来在网宽方向上使每英吋上线的数量均匀,也可根据所要生产的特定的网,调整梳(60)以提供不同的线性密度。
如图8所示,附加线(6)从单独的成形卷装被供给到两个程序控制的往复运动供线装置(15)上。随着这些线由供给装置(15)朝输送机(13)的表面排放,它们在第一层线(正沿输送机的方向运动)上面堆积的重量往往使它们保持大致平行地定向。在线被辅放在输送机上之前由往复运动供线装置(15)排放的线也碰在一个偏向板(19)的表面上。这就导致一张松散的网有一无规则定向的连续线组成的上层,和一大致平行的线组成的底层。这些松散的层然后通过一个类似于例1中的烘箱(17)以除去多余的水分。位于烘箱内的网然后被拉过一个针刺织机(18),在织机(18)中上、下层被织在一起以使线缠结并使制成的网具有足够的机械整体性,以便继续进行后续的加工和处理。
按重量计网可以含有约30%到60%的平行排列的线,并含有约70%到40%的无规则排列的连续线。在所生产的最佳玻璃纤维线网中,网的约55%的平行排列的线,其余45%是由这里所述的程控供线装置(15)无规则排放的线。平行的线由直抽式T-2.50粗纱卷装供给,其中每根线有约1600根“T”纤维。精度可调的梳(60)被定在在输送机表面54英吋的宽度上每英吋提供约7.2到7.4根线。无规则排列的线也是由T-11.5成形卷装供给的“T”纤维,每根线有约400根纤维,每磅含有1150码的线。输送机表面以约5.8fPm的均匀速度运动。两个供线装置以约139到141fpm的平均速度在约44英吋的横向距离上每3.15秒往复运动一次。由各供线装置承载的伺服电机(35)以1280到1300fpm之间的某一速度最好以约1290fpm的速度排放来自成形卷装的连续线。在往复运动行程的最左端供线速率增加到1329fpm,而在行程的最右端供线速率增加到1380fpm。这些供线速率靠经验决定以克服前述的线摆动的问题。烘箱(17)被加热到约120°F并封闭了20英尺长的输送机以便从松散成形的网上蒸发多余的水分。然后以约6ft/min的速度将网拉过针刺织机(18)。针刺织机(18)的线性针密度为每英吋约40根。钩针往复运动使穿刺密度为每平方英吋约140次,穿刺深度约为0.45英吋。
为了使生产出的网的密度为约3.4oz/sq-ft.,每个供线装置上有6根T-11.5线,所以约有135 lbs/hr的玻璃被从各供线装置排放到输送机表面上。
在使用程控供线装置大规模生产针织玻璃纤维连续线网时,也可以对本发明作略微改动而不背离其精神和范围。例如,在离开筒子架(54)和进入供线装置(15)之间的一段时间,可以用水或某些其它液状抗静电介质使线湿润,以减少静电的积累。按重量计线应当有5%到15%的水分含量。这有助于减少线折断和线绕在皮带驱动供线装置上的任何趋向。一般来说推荐使用抗静介质,例如TritonX-100,它是一种非离子辛基苯氧聚乙氧乙醇表面活化剂(nonionic octylphenexy polyethoxy ethanol surfactant),尤其是当线是来自已经贮存几个月之久的极其干燥的成形卷装。
此外,也如美国专利申请No.07/418,058(Bailey et al)中所述的,可以同时使用多至12个往复运动的供线装置以大规模生产连续玻璃纤维线网。本发明可被用来控制各供线装置的往复运动和供线速率。
尽管所有上面的例子都要通过针刺使松散的网具有机械完整性,本领域中还熟知的普通方法是把粉状树脂颗粒辅在网上然后加热从而使线和树脂粘在一起,而不是通过针刺形成机械连接。为了注入一张连续玻璃纤维网,通常只要借助于一个长槽把树脂直接撒在网的表面上就足够了,然后利用现有技术已知的装置如振动网使颗粒分布到松散的纤维网内。然后使网进入一个烘箱并将其加热到足以使树脂熔化的温度。然后借助于一个现有技术已知的冷却辊使网和树脂固化。使用由ICI-USA,Inc制造的树脂ATLAC-300特别适合本申请。可以考虑将上述用来控制供线装置的方法用来生产树脂粘接的网(其密度和厚度变化量同样较小)
尽管以上公开部分和实施例所描述的网是由玻璃纤维线制成,但不应认为本说明书所公开的方法的应用受此限制。例如,这里描述的同一方法也可被用来生产由除玻璃纤维外的任何天然或人造纤维制成的网。也可以采用尼龙线,聚酯线,和类似的线,或者它们的混合线及与玻璃纤维卷装混合的线。
此外,尽管实施例指明所生产的网是由包括“T”纤维的玻璃线制成,应当理解本发明也适合于生产由包括任何纤维直径(例如“D”型纤维或更大)的线制成的网。
此外,尽管这里描述的是使用某些具体的电元件,但由于可以方便地用所有大规模使用的装置或其它类似装置代替以获得相同的结果,所以本发明不应受此限制。例如,本发明采用了精确定位运动供线装置位置的分析器,也可以考虑采用诸如编码器,自动同步器,发光二极管,磁传感器,光电传感器,电光传感器,和机械限位开关等装置。此外,也可以考虑作用等于这里所述的印刷线路板程序运动控制器的装置。例如,近年来程序逻辑控制器(PLC′S)已变得日趋复杂并不再限制于使用relay-ladder型语言以模拟简单的延迟开关电路。许多公司现已生产的PLC′S能够容纳多达16,000输入/输出(I/O)点并具有处理模拟I/O信号的能力。先进的PLC′S也可以执行实现比例,积分和微分控制的算法,并且特殊的插件可用来完成伺服控制作用。其它插件,称为I/O扫描器,可被用来连接PLC′S和个人电脑,从而可以使用高级计算机语言如FORTRAN或BASIC给系统编程。
这样,参照具体实施例和元件对本发明进行了描述,并描述了应用本发明生产某些产品的应用,但本发明不受此限制,除非在附加权利要求的范围内。