本發(fā)明屬于靜電紡絲領(lǐng)域，涉及一種靜電紡絲設(shè)備及其控制系統(tǒng)和方法，特別是進行靜電紡絲時所用的噴射裝置。

背景技術(shù)：

近年來，隨著納米材料技術(shù)的飛速發(fā)展，納米纖維技術(shù)已成為纖維科學的前沿和研究熱點。目前制備納米纖維的主要方法有拉伸法、模板法、自組裝法和靜電紡絲法。靜電紡絲即聚合物噴射靜電拉伸紡絲法，是一種制備超細纖維的重要方法。靜電紡絲法是目前唯一能夠直接、連續(xù)制備聚合物納米纖維的方法，是一種簡單而又靈活的納米纖維加工方法，這一技術(shù)的核心是使帶電荷的高分子溶液或溶體在靜電場中流動與變形，然后經(jīng)溶劑蒸發(fā)或熔體冷卻而固化，于是得到纖維狀物質(zhì)。相比其他技術(shù)來說靜電紡絲技術(shù)具有設(shè)備簡單、成本較低，操作性強、高效等優(yōu)點。隨著靜電紡絲技術(shù)研究進入快速發(fā)展階段，靜電紡絲裝置的研究步入實驗型裝置研究階段。出現(xiàn)了面向?qū)嶒炇宜玫膶嶒炐挽o電紡絲裝置，現(xiàn)有的靜電紡絲裝置中的噴射裝置多數(shù)是固定的，調(diào)節(jié)不方便，噴頭的高度等需要人工調(diào)整，實驗過程中出現(xiàn)針頭堵塞等需要人工查看，影響實驗效率，缺少相應(yīng)的實時監(jiān)測環(huán)節(jié)以及自動調(diào)整系統(tǒng)，影響納米纖維的制備效率。因此，設(shè)計和開發(fā)多功能靜電紡絲裝置將是未來靜電紡絲技術(shù)發(fā)展中的重要方向。

靜電紡絲過程中，往往需要改變納米纖維的形狀，特別是對于納米纖維的直徑，往往需要通過改變電場來實現(xiàn)，這就會相應(yīng)增加電路裝置或設(shè)備，占用本來已擁擠的紡絲內(nèi)部空間，增加過多的成本。這樣的設(shè)備，如果想要改變纖維形狀，受空間和走線的限制，往往就不能實現(xiàn)多維度的靈活位置控制了。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提出如下技術(shù)方案，可以既能改變納米纖維的形狀，又能實現(xiàn)位置多維控制：

一種靜電紡絲設(shè)備，包括靜電紡絲噴射裝置、運動調(diào)節(jié)裝置，所述運動調(diào)節(jié)裝置使靜電紡絲噴射裝置的噴射針頭于空間坐標系中運動；且靜電紡絲噴射裝置的噴射針頭被舵機支撐，舵機隨運動調(diào)節(jié)裝置在豎直方向移動。

所述運動調(diào)節(jié)裝置，包括X軸絲杠導軌、Y軸絲杠導軌和Z軸絲杠導軌及各導軌對應(yīng)的步進電機，所述Z軸絲杠導軌沿Y軸絲杠導軌滑動，且Y軸絲杠導軌沿X軸絲杠導軌滑動。

所述靜電紡絲噴射裝置，包括液體推進裝置、噴射針頭、噴射針頭支架，所述推進裝置包括一絲杠導軌、位于絲杠導軌上的推進擋塊、注射器和夾緊裝置；夾緊裝置為一固定擋塊，且具有固定注射器的凹槽，注射器的推進桿固定于推進擋塊上，所述推進擋塊是該絲杠導軌上的滑塊，所述的注射器與噴射針頭由導管連通，噴射針頭安裝在噴射針頭支架上，所述噴射針頭支架連接于所述舵機上，由舵機帶動擺動。

所述注射器為多組，所述噴射針頭支架上具有多個容置噴射針頭的噴射針頭孔。

所述的靜電紡絲設(shè)備還包括收集裝置，其是主要由滾筒和電機組成的滾筒式纖維收集裝置，收集裝置由電機驅(qū)動以轉(zhuǎn)動，該收集裝置與所述噴射針頭連接同一高壓電源。

所述的靜電紡絲設(shè)備還包括工業(yè)相機和控制裝置，控制裝置主要由上位機、交換機、PLC與工業(yè)相機通信，工業(yè)相機用于采集噴射針頭狀態(tài)圖像，并將其傳輸至上位機，上位機接收圖像并對比，判斷該工業(yè)相機采集到的圖像中是否具有球狀液滴圖像以識別噴射針頭狀態(tài)；交換機用于上位機、人機界面、PLC之間的通信；PLC通過步進電機控制器對X軸、Y軸、Z軸步進電機控制，以對噴射裝置與接收裝置的位置調(diào)節(jié)；PLC控制推進裝置的步進電機以對液體推進速度控制；PLC通過接口電路控制安裝于Z軸運動平臺上的舵機的擺動。

一種靜電紡絲方法，使用上述的靜電紡絲設(shè)備以進行靜電紡絲。

一種靜電紡絲方法，在控制裝置的人機界面中進行相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置，以由PLC對各電機、舵機進行相應(yīng)控制，PLC通過步進電機控制器對X軸、Y軸、Z軸步進電機控制，對噴射裝置與接收裝置的位置進行調(diào)節(jié)，PLC控制推進裝置的步進電機以對液體推進速度控制，PLC通過接口電路控制安裝于Z軸運動平臺上的舵機的擺動從而使得噴射針頭隨舵機擺動，高壓電源的正電場連接到針頭上，舵機的擺動，使噴射針頭位置發(fā)生變化，靜電場發(fā)生偏移，紡絲纖維的形態(tài)發(fā)生變化，舵機以固定周期進行擺動，噴射針頭與極板之間形成一個有規(guī)律變化的電場，在變化的電場與靜電拉力的作用下，紡絲纖維的直徑發(fā)生變化，以改變納米纖維的形貌。

紡絲過程中，工業(yè)相機采集噴射針頭狀態(tài)圖像，并將其傳輸至上位機，上位機接收圖像并對比，判斷該工業(yè)相機采集到的圖像中是否具有球狀液滴圖像以識別噴射針頭狀態(tài)，當紡絲針頭堵塞時，控制液體推進壓力排除針頭堵塞，且控制器重新調(diào)整工作電壓以及環(huán)境溫濕度形成一個新的平衡的工作狀態(tài)；PLC外擴模擬量模塊連接溫、濕度傳感器以對紡絲環(huán)境信息采集，并由繼電器對相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的動作控制以對環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)測與調(diào)控。

一種舵機在靜電紡絲中改變纖維形貌的應(yīng)用。

有益效果：由上述方案，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，對于電場的改變，找到了另一個方向，即使用機械擺動，使噴射針頭位置發(fā)生變化，靜電場發(fā)生偏移，從而使紡絲纖維的形態(tài)發(fā)生變化，可以在不增加改變電場的電路裝置，極大節(jié)省了紡絲內(nèi)部空間和成本，且克服了空間的限制，將空間位置移動裝置與改變納米纖維的形狀的裝置集成，避免過多線路加入該空間內(nèi)，使得位置多維改變與納米纖維形狀改變可以在同一設(shè)備實現(xiàn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述靜電紡絲設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

其中：1.噴射針頭，2.舵機，3.噴射針頭支架，4.絲杠導軌，5.推進擋塊，6.注射器，7.夾緊裝置，8.導管，9.步進電機，10.滾筒，11.電機，12.高壓電源，13.工業(yè)相機。

具體實施方式

實施例1：一種靜電紡絲設(shè)備，解決現(xiàn)有靜電紡絲設(shè)備中噴頭位置需要人工調(diào)整的弊端，也進一步解決了紡絲噴頭需要人工監(jiān)測是否堵塞的弊端，作為更進一步的效果：實現(xiàn)了靜電紡絲過程的自動化和智能化。設(shè)備主要應(yīng)用步進電機、絲杠導軌以及舵機實現(xiàn)了噴射裝置與接收裝置的位置可調(diào)，以及噴頭支架的左右擺動，實現(xiàn)了紡絲噴頭的多方位、多角度的調(diào)整。并借助工業(yè)相機實現(xiàn)了噴射狀態(tài)的監(jiān)測，能夠有效提高紡絲纖維的質(zhì)量以及滿足纖維的多種形態(tài)要求。

發(fā)明人在經(jīng)過大量改進性實驗時發(fā)現(xiàn)，針頭舵機在控制器的控制下以一定周期(經(jīng)驗值一般6秒鐘左右，頻率跟具體溶液有關(guān))進行擺動。針頭與極板之間形成一個有規(guī)律變化的電場。在變化的電場與靜電拉力的作用下，紡絲纖維的直徑發(fā)生變化。同時收集板上纖維分布更加均勻，方便后續(xù)煅燒。高壓電源的正電場連接到針頭上，舵機一擺動的話，針頭位置就發(fā)生變化，靜電場就發(fā)生偏移了,紡絲纖維的形態(tài)就發(fā)生變化了。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過改變電場可以改變纖維的形狀，但是如果在電路方向上探索，使用改變電場的電學裝置，會占用過多的空間，且勢必接入很多線路，使得本發(fā)明想要進行多維位置控制的想法不能實現(xiàn)，為了克服這一缺陷，決定將位置控制和纖維形狀控制在設(shè)備結(jié)構(gòu)上進行結(jié)合。

為此，提出如下一種靜電紡絲設(shè)備，主要由靜電紡絲噴射裝置、液體推進裝置、收集裝置、高壓電源、工業(yè)相機以及控制裝置組成。靜電紡絲噴射裝置由步進電機和絲杠導軌構(gòu)成的X、Y、Z三軸運動裝置以及由固定于Z軸滑動導軌上的舵機構(gòu)成的噴頭支架旋轉(zhuǎn)裝置；靜電紡絲噴射裝置主要實現(xiàn)根據(jù)不同工藝要求實現(xiàn)噴射針頭位置的自動調(diào)整，以及在進行噴絲過程中根據(jù)不同的參數(shù)要求實現(xiàn)噴射針頭的左右擺動，改變納米纖維的形貌，能夠有效控制獲得纖維質(zhì)量與形狀；液體推進裝置由步進電機、高精度絲杠導軌和注射器組成，實現(xiàn)將紡絲溶液按照設(shè)定速度平穩(wěn)推進，液體推進裝置可以同時安裝多個裝有溶液的注射器，便于進行多路噴射；纖維收集裝置由電機和滾筒組成的滾筒式纖維收集裝置，通過調(diào)整滾筒的旋轉(zhuǎn)速度能夠滿足不同的纖維制備要求；高壓電源為靜電紡絲提供高壓直流電場，主要連接紡絲噴頭和纖維收集裝置，實現(xiàn)將聚合物溶液在電場力的作用下發(fā)生射流并進一步細化形成納米纖維，高壓電源輸出電壓可根據(jù)需求在觸摸屏進行設(shè)定，與PLC通信采用RS485通信方式；工業(yè)相機主要實現(xiàn)監(jiān)視功能，當紡絲針頭堵塞時，通過控制液體推進壓力排除針頭堵塞問題，控制器重新調(diào)整工作電壓以及環(huán)境溫濕度，從而形成一個平衡的工作狀態(tài)。

所述運動調(diào)節(jié)裝置，包括X軸絲杠導軌、Y軸絲杠導軌和Z軸絲杠導軌及各導軌對應(yīng)的步進電機，所述Z軸絲杠導軌沿Y軸絲杠導軌滑動，且Y軸絲杠導軌沿X軸絲杠導軌滑動。所述Z軸絲杠導軌安裝于Y軸絲杠導軌的滑塊上，使Z軸絲杠導軌隨Y軸絲杠導軌的滑塊滑動而在空間坐標系的Y軸移動；所述Y軸絲杠導軌安裝在X軸絲杠導軌的滑塊上，使Y軸絲杠導軌隨X軸絲杠導軌的滑塊滑動而在空間坐標系的X軸移動，所述X軸絲杠導軌至少為兩組，以保證Y軸絲杠導軌滑動的穩(wěn)定性和精度。運動調(diào)節(jié)裝置使靜電紡絲噴射裝置的噴射針頭于空間坐標系中運動，即噴射針頭進行三維運動。

控制系統(tǒng)主要由上位機、人機界面(觸摸屏)、交換機、PLC、被控對象、傳感器等組成，上位機主要實現(xiàn)和工業(yè)相機通信，通過工業(yè)相機采集噴射針頭狀態(tài)，當針頭出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象時，針頭會出現(xiàn)球狀液滴，工業(yè)相機采集到圖像后，傳輸至上位機，結(jié)合圖像處理知識，通過機器視覺算法對圖像進行處理，準確判斷噴頭狀態(tài)，當堵塞時，由于針頭在進行噴射時堵塞，會產(chǎn)生球狀液滴，影響纖維的產(chǎn)出，本設(shè)計通過上位機向控制器傳送命令，控制器通過控制液體推進裝置的推力實現(xiàn)排除堵塞，同時控制器會重新調(diào)整高壓電源電壓、環(huán)境溫濕度等參數(shù)，保證靜電紡絲系統(tǒng)處于一個平衡的工作狀態(tài)。人機界面(觸摸屏)主要實現(xiàn)步進電機控制時參數(shù)設(shè)置、調(diào)整以及運動控制、高壓電源參數(shù)設(shè)置，環(huán)境溫濕度顯示以及控制等功能。交換機實現(xiàn)上位機、人機界面、PLC之間的通信；PLC通過步進電機控制器實現(xiàn)對X軸、Y軸、Z軸步進電機控制，完成噴射裝置與接收裝置的位置的自動調(diào)節(jié)，通過控制推進裝置步進電機實現(xiàn)液體推進速度的精準控制；通過接口電路(24V/5V)完成安裝于Z軸運動平臺上的舵機控制，實現(xiàn)噴頭支架的左右擺動；接近開關(guān)實現(xiàn)限位信號的采集；PLC外擴模擬量模塊連接溫濕度傳感器實現(xiàn)對紡絲環(huán)境信息的采集，并通過繼電器實現(xiàn)對相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的動作控制，實現(xiàn)對環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)測與調(diào)控。

當進行靜電紡絲時，首先在控制系統(tǒng)的人機界面中進行相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置，主要進行運動參數(shù)設(shè)置、推進裝置參數(shù)設(shè)置、高壓電源參數(shù)設(shè)置，環(huán)境信息參數(shù)設(shè)置，接收裝置參數(shù)設(shè)置等。運動參數(shù)設(shè)置主要包含X、Y、Z三軸的運動速度設(shè)置以及舵機旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置；推進裝置參數(shù)設(shè)置主要設(shè)定推進速度；高壓電源參數(shù)設(shè)置實現(xiàn)不同的材質(zhì)設(shè)定不同的高壓電源參數(shù)；環(huán)境信息參數(shù)設(shè)置主要設(shè)定工作環(huán)境的溫濕度值，接收裝置參數(shù)設(shè)置實現(xiàn)接收時滾筒旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定。當系統(tǒng)完成所有參數(shù)設(shè)定后，首先將高壓電源的正負極分別連接到噴射裝置的紡絲針頭與紡絲纖維收集裝置的滾筒上，然后在噴射推進裝置的注射器中裝好聚合物溶液，對進行噴射時的注意事項進行詳細檢查，然后啟動系統(tǒng)，系統(tǒng)按照事先設(shè)定的參數(shù)完成各項噴射前的自動調(diào)整工作，當滿足條件后系統(tǒng)開始紡絲纖維的噴射工作，噴射過程中，聚合物溶液會在液體推進裝置的推動作用下運動到紡絲針頭，在噴射針頭處形成“泰勒錐”形狀的液滴，液滴在高壓電源的電場力作用下發(fā)生射流并形成納米纖維，貼敷在接收裝置上。為了滿足不同的制備要求，噴射裝置的噴射針頭平臺可以根據(jù)不同的工藝要求，自動進行噴射針頭與接收裝置的位置和距離的調(diào)整，同時噴射針頭也可以在舵機的控制下左右擺動，改變納米纖維的形貌，保證了納米纖維的質(zhì)量和形態(tài)。工業(yè)相機進行噴射針頭液滴監(jiān)測，當噴射針頭出現(xiàn)堵塞時，液滴會聚集成球狀液滴，工業(yè)相機將相應(yīng)的圖像信息發(fā)送給上位機，上位機借助機器視覺相關(guān)算法發(fā)現(xiàn)堵塞后，發(fā)出相應(yīng)的控制信息，控制器通過改變液體推進裝置的壓力能夠及時的清除針頭堵塞，有效的保證了制備納米纖維的效率。

在進行靜電紡絲過程中，現(xiàn)有靜電紡絲設(shè)備的噴射針頭與接收裝置之間的距離和位置基本上需要實驗人員手工進行調(diào)整，在實驗過程中，過程監(jiān)測需要實驗人員實時監(jiān)測，而本發(fā)明的靜電紡絲噴射裝置及其控制系統(tǒng)，能夠按照用戶的需求自動進行噴射針頭和接收裝置之間的位置和距離的調(diào)整，同時，噴射針頭支架能夠按照要求進行左右擺動，能夠有效的改變納米纖維的形貌，同時，本裝置的噴射針頭支架可以進行多噴射針頭的安裝，便于進行多路噴射。由于噴射針頭與接收裝置的距離影響納米纖維的制備質(zhì)量，同時針頭的擺動便于制備不同形形貌的納米纖維，提高紡絲的效果，對于納米纖維的制造具有十分重要的意義。同時借助工業(yè)相機構(gòu)成的針頭堵塞監(jiān)測系統(tǒng)，可以長時間的對紡絲噴頭狀態(tài)進行全方位的監(jiān)測，解決以往人工監(jiān)測長時間的疲勞問題，避免遺漏。同時，系統(tǒng)能夠自動的進行相應(yīng)參數(shù)的調(diào)整，使靜電紡絲的實驗過程基本上實現(xiàn)了自動化和智能化。同時，該裝置操作簡單，便于維護等優(yōu)點，有利于進行廣泛推廣。

以上所述，僅為本發(fā)明創(chuàng)造較佳的具體實施方式，但本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明創(chuàng)造披露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明創(chuàng)造的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之內(nèi)。