CN105483843A - 静电纺丝的轨迹控制系统及方法、静电纺丝设备 - Google Patents

静电纺丝的轨迹控制系统及方法、静电纺丝设备 Download PDF

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Abstract

静电纺丝的轨迹控制系统及方法、静电纺丝设备，属于静电纺丝轨迹控制领域，用于解决对纺丝轨迹精确控制的问题，技术要点是：包括横向运动导轨、纵向运动导轨、运动控制器、伺服电机，所述横向运动导轨具有沿横向运动的横向滑动块，所述纵向运动导轨具有沿纵向移动的纵向滑动块，喷头连接于横向滑动块，也连接于纵向滑动块，横向滑动块和纵向滑动块由伺服电机调速控制以滑动，且伺服电机由运动控制器控制。效果是：提高了纺丝轨迹形成的精度。

Description

静电纺丝的轨迹控制系统及方法、静电纺丝设备
技术领域
本发明属于静电纺丝轨迹控制领域，涉及一种静电纺丝的轨迹控制系统及方法，并使用所述系统改进静电纺丝设备。
背景技术
静电纺丝技术是利用高压静电纺丝技术制备纳米结构敏感材料的一种简单而有效的液态制备方法。利用静电纺丝技术已实现了多种有机高分子、无机及复合材料的制备。静电纺丝技术是从电喷技术发展演化而来的，即在高压静电场作用下，聚合物熔体或溶液的导电液滴可以发生高速喷射，形成聚合物纤维的过程。静电纺丝过程中，通过使带有电荷的高分子熔体或溶液在高压静电场中喷射、拉伸、劈裂、挥发固化，最终形成纤维状特质的过程，是目前制备一维纳米结构敏感材料的重要方法之一。静电纺丝技术的装置主要由高压电源、带有喷头的容器和接收装置三部分组成。其中，高压电源可以提供几千到十几万伏的直流电压，用以产生高压静电场；带有喷头的容器一般使用带针头的塑料或玻璃针管，针头的粗细可根据溶液的黏度不同任意调节，一般为0.1～1mm；接收装置是用来接收经挥发或熔体固化后所形成的聚合物纤维，常采用导电性好的金属板、导电玻璃等。
由于静电纺丝设备在高压静电环境，工作环境要求严格，如果要人为手动收集到特殊排列、特殊结构、特殊形貌的聚合物纳米纤维是非常困难的，也不利于大规模工业化生产。为了进一步对静电纺丝纳米纤维喷射纤维的运动轨迹进行精确控制，本设计拟采用PC和TC-55E系列运动控制器相结合，实现上位机、下位机的分层控制策略，实现纺丝喷头的水平、竖直以及三维空间的多角度运动模式的安全运动控制，更好的对纳米纤维的运动轨迹进行精准控制，方便对纤维形貌、性质的研究和分析，具有重要的意义。
此外，现有实现静电纺丝轨迹的控制，一般是对于制品平台进行运动控制，从而实现纺丝轨迹控制，然而，控制整个制品平台运动，往往由于控制的制品平台面积较大，使得控制系统复杂，也易导致成形的纺丝轨迹控制精度不高，并且，面控制缺少点控制的移动灵活性。
发明内容
为了解决对纺丝轨迹精确控制的问题，本发明提出了一种静电纺丝的轨迹控制系统及方法、静电纺丝设备，实现了静电纺丝喷头平面运动轨迹的控制，并可根据纤维收集过程的排列需要对位置进行调整。
为了实现上述目的，本发明使用的技术方案是：一种静电纺丝的轨迹控制系统，包括横向运动导轨、纵向运动导轨、运动控制器、伺服电机，所述横向运动导轨具有沿横向运动的横向滑动块，所述纵向运动导轨具有沿纵向移动的纵向滑动块，喷头连接于一滑动块，而两个滑动块相连，横向滑动块横向滑动时，纵向运动导轨随横向滑动块的滑动速度与方向一并滑动，纵向滑动块纵向滑动时，横向运动导轨随纵向滑动块的滑动速度与方向一并滑动，且横向滑动块、纵向滑动块、横向运动导轨、纵向运动导轨由伺服电机调速控制以滑动，且伺服电机由运动控制器控制。
进一步的，喷头连接的推进器的速度由运动控制器控制伺服电机的调速而控制。
进一步的，所述伺服电机调速控制包括对横向滑动块和纵向滑动块的运动速度控制和移动距离控制。
进一步的，喷头对应于其下方的纺丝收集板，喷头与推进器由连接管线相连接，所述连接管线为柔性材质制成，且连接管线的长度，足以在各滑动块滑动至运动导轨的极限位置时，仍具有可伸缩性。
进一步的，所述每个运动导轨的两端的极限位置之间为安全运动区间，滑动块滑动超出该区间时，系统发出报警。
本发明还涉及一种静电纺丝的轨迹控制方法，使用上述的静电纺丝的轨迹控制系统，建立静止条件下，静电纺丝轨迹模型，使用上位机对运动控制器的X和Y轴的运动轨迹进行设置，并进行位置螺旋线的逆圆补偿，实现点轨迹的收集。
本发明还涉及一种静电纺丝设备，安装有上述的静电纺丝的轨迹控制系统。
有益效果：本发明所述的静电纺丝的轨迹控制系统，使用分别沿着横、纵向运动导轨滑动的滑动块带动喷头进行点轨迹形成，并使用运动控制器对滑动块轨迹控制而控制静电纺丝的轨迹，提高了纺丝轨迹形成的精度，现有技术中，使用运动控制器实现滑块沿导轨的轨迹控制，虽然为常规技术手段，然而本发明基于对现有技术中给出的对制品平台的平面控制的启示，将其改进为对喷头的点控制，从而提供控制精度。而为了适应改进的控制手段，连接管线选用柔性材质制成，且连接管线的长度，足以在各滑动块滑动至运动导轨的极限位置时，仍具有可伸缩性。这样，使得点(喷头轨迹)控制过程，由于其两个滑动的线运动而形成喷头的面轨迹，对于连接管线的改进可以适应喷头移动范围。
附图说明
图1为本发明所述系统的结构框图；
图2为本发明所述静电纺丝设备的结构示意图；
图3为传统静电纺丝的螺旋线轨迹和改进后可形成的一种轨迹的对比图，左为传统静电纺丝的螺旋线轨迹，右为改进后可形成的一种轨迹。
其中：1.横向运动导轨，2.纵向运动导轨，3.横向滑动块，4.纵向滑动块，5.喷头，6.推进器，7.纺丝收集板，8.连接管线。
具体实施方式
实施例1:一种静电纺丝的轨迹控制系统，包括横向运动导轨1、纵向运动导轨2、运动控制器、伺服电机，所述横向运动导轨1具有沿横向运动的横向滑动块3，所述纵向运动导轨2具有沿纵向移动的纵向滑动块4，喷头5连接于一滑动块，而两个滑动块相连，横向滑动块3横向滑动时，纵向运动导轨2随横向滑动块3的滑动速度与方向一并滑动，纵向滑动块4纵向滑动时，横向运动导轨1随纵向滑动块4的滑动速度与方向一并滑动，且横向滑动块3、纵向滑动块4、横向运动导轨1、纵向运动导轨2由伺服电机调速控制以滑动，且伺服电机由运动控制器控制。所述运动控制器使用TC55E系列运动控制器。
套接在两个导轨上的滑动块是可滑动的，任意滑动滑动块，均可以带动喷头5移动，即喷头5的那条管线是分别连接在两个滑动块上的，使得横向导轨的滑动块横向滑动时，喷头5横向滑动，纵向导轨的滑动块纵向滑动时，喷头5纵向滑动；控制器控制伺服电机驱动器驱动伺服电机，伺服电机调速控制滑动块运动，纺丝轨迹控制是控制的两个滑动块形成的轨迹，又由于滑动块分别都与喷头5连接，因而喷头5的轨迹可由运动控制器控制。
实施例2:具有与实施例1相同的技术方案，更为具体的是：喷头5连接的推进器6的速度由运动控制器控制伺服电机的调速而控制。所述伺服电机调速控制包括对横向滑动块3和纵向滑动块4的运动速度控制和移动距离控制。
实施例3:具有与实施例1或2相同的技术方案，更为具体的是：喷头5对应于其下方的纺丝收集板7(该板为可升降板)，喷头5与推进器6由连接管线8相连接，所述连接管线8为柔性材质制成，且连接管线8的长度，足以在各滑动块滑动至运动导轨的极限位置时，仍具有可伸缩性。极限位置，是为了配合收集板的面积而设定的，当滑块超出极限位置时，喷头5喷出的纺丝不能落在收集板上或被认为落在了收集板超范围的区域，当滑块达到该位置时，该连接管线8仍具有可伸缩性，即不会因为管线短了而导致管线绷紧，无法移动管线，从而无法移动喷头5。
作为技术方案的进一步优选，所述每个运动导轨的两端的极限位置之间为安全运动区间，滑动块滑动超出该区间时，系统发出报警。
实施例4:一种静电纺丝设备，安装有实施例1-3任一项所述的静电纺丝的轨迹控制系统。
实施例5:一种静电纺丝的轨迹控制方法，使用1-3任一项所述的静电纺丝的轨迹控制系统，建立静止条件下，静电纺丝轨迹模型，使用上位机对运动控制器的X和Y轴的运动轨迹进行设置，并进行位置螺旋线的逆圆补偿，实现点轨迹的收集。即理想状态下，静电纺丝单根纤维喷射轨迹应该一组螺旋线，要想使其运动轨迹有序，给喷头施加一个反方向的逆圆运动趋势，使轨迹与原始方向逆向运动趋势，使运动轨迹喷射面积缩小到收集板的局部某个区域，或直接喷射到某个元件上的局部区域上。
实施例6:本实施例记载了另一种静电纺丝设备，该装置可以通过控制面板自动控制纺丝喷头的运动轨迹，进而有效的控制纺丝纤维的运动轨迹。其包括运动控制器，横向运动轨道，纵向运动轨道，以及推进器轨道；横向运动轨道，通过横轴方向的伺服电机调速实现喷头的横向运动速度、距离的调节，并设置安全运动区间和报警。纵向运动轨道：通过纵轴方向的伺服电机调速实现喷头的纵向运动速度、距离的调节，并设置安全运动区间和报警。空间中任意位置的运动轨迹控制，通过调整X，Y轴电机的转速来实现喷头在平面内任意一定的运动轨迹控制。本实施例的运动方式，实现双喷头的单自由度控制；其可实现双向各自运动，可编程运动控制，实现轨迹任意编织。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种静电纺丝的轨迹控制系统，其特征在于：包括横向运动导轨(1)、纵向运动导轨(2)、运动控制器、伺服电机，所述横向运动导轨(1)具有沿横向运动的横向滑动块(3)，所述纵向运动导轨(2)具有沿纵向移动的纵向滑动块(4)，喷头(5)连接于一滑动块，而两个滑动块相连，横向滑动块(3)横向滑动时，纵向运动导轨(2)随横向滑动块(3)的滑动速度与方向一并滑动，纵向滑动块(4)纵向滑动时，横向运动导轨(1)随纵向滑动块(4)的滑动速度与方向一并滑动，且横向滑动块(3)、纵向滑动块(4)、横向运动导轨(1)、纵向运动导轨(2)由伺服电机调速控制以滑动，且伺服电机由运动控制器控制。
2.如权利要求1所述的静电纺丝的轨迹控制系统，其特征在于：喷头(5)连接的推进器(6)的速度由运动控制器控制伺服电机的调速而控制。
3.如权利要求1所述的静电纺丝的轨迹控制系统，其特征在于：所述伺服电机调速控制包括对横向滑动块(3)和纵向滑动块(4)的运动速度控制和移动距离控制。
4.如权利要求1所述的静电纺丝的轨迹控制系统，其特征在于：喷头(5)对应于其下方的纺丝收集板(7)，喷头(5)与推进器(6)由连接管线(8)相连接，所述连接管线为柔性材质制成，且连接管线的长度，足以在各滑动块滑动至运动导轨的极限位置时，仍具有可伸缩性。
5.如权利要求1所述的静电纺丝的轨迹控制系统，其特征在于：所述每个运动导轨的两端的极限位置之间为安全运动区间，滑动块滑动超出该区间时，系统发出报警。
6.一种静电纺丝设备，其特征在于，安装有权利要求1-5任一项所述的静电纺丝的轨迹控制系统。
7.一种静电纺丝的轨迹控制方法，其特征在于，使用权利要求1-5任一项所述的静电纺丝的轨迹控制系统，建立静止条件下，静电纺丝轨迹模型，使用上位机对运动控制器的X和Y轴的运动轨迹进行设置，并进行位置螺旋线的逆圆补偿，实现点轨迹的收集。
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