本實用新型涉及高分子材料加工設備領域，特別涉及一種雙螺桿擠出機用的擠出過程可視化跟拍裝置。

背景技術：

在申請?zhí)枮?01110149868.4的專利申請中，公開了一種新型的同向非對稱自潔型螺桿擠出裝置和方法，通過雙螺桿或者多螺桿在物料輸送過程中始終保持嚙合，且始終和機筒內(nèi)壁相切；兩螺桿或者多螺桿的流道始終是非對稱的形狀，物料擠出過程中流經(jīng)流道時受到非對稱的作用力，流道體積經(jīng)歷空間變換，具有較強的混合混煉以及拉伸效果，可以廣泛應用于反應擠出、高填充聚合物、纖維增強聚合物以及聚合物合金生產(chǎn)等領域，是一種新型綠色的價格方法。然而，隨著該生產(chǎn)設備市場化推廣的拓展，在實際應用中，該設備內(nèi)大部分流動處于非充滿情況，存在自由表面效應，使得傳統(tǒng)的流體力學數(shù)值實驗方法遇到極大的挑戰(zhàn)，為進一步拓展擠出理論及優(yōu)化加工過程，對該類新型設備流動特性以及混合過程的探索迫在眉睫。

對新型設備流動以及混合過程的探索最為有效的方法為可視化，常用的可視化方法有靜態(tài)可視化實驗以及動態(tài)可視化實驗，其中靜態(tài)可視化實驗過程通?？擅枋鰹椋憾x設備工況，穩(wěn)定擠出后，采用急冷的方式，迅速將流道中的高分子熔體固化，一段時間后，通過打開機筒或?qū)⒙輻U抽出，可觀察到固化在螺桿螺槽內(nèi)物料的形態(tài)，并可取樣測試分析。該方法可探索擠出方向任意位置物料的形態(tài)以及混合狀態(tài)，但也存在一定的弊端，如在螺桿頂出以及剖分機筒打開的過程中，物料形態(tài)結構已在一定程度上被破壞；觀察到的物料形態(tài)為某一時刻的物料形態(tài)，而非連續(xù)擠出過程中物料的狀態(tài)。為進一步改善，出現(xiàn)了動態(tài)可視化實驗，現(xiàn)有方式主要有單螺桿的透明機筒，采用的方式為多開玻璃視窗或全程透明的玻璃機筒結構，而對雙螺桿擠出裝備，因全程壓力較大，且嚙合區(qū)存在尖角區(qū)域，且需要較強精度，加工難度非常大，現(xiàn)今采用的均為開視窗的結構，在實踐中，該結構只能觀察到雙螺桿局部流道結構，缺乏一種完整的結構和方法為流體流動和共混過程提供一種手段。

而傳統(tǒng)雙螺桿設備圖像采集通常采取靜態(tài)拍攝的方法，雖然圖像的穩(wěn)定性較高，但對長徑比較長的擠出裝備，只能通過移動拍攝裝置或者取局部圖像，未能達到整體研究的效果。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種雙螺桿擠出機用的擠出過程可視化跟拍裝置，該裝置實現(xiàn)了全程可視化且能跟蹤物料以及粒子的運動，為物料在雙螺桿擠出機中的流動以及混合形態(tài)變化的分析研究提供了基礎。

本實用新型的技術方案為：一種雙螺桿擠出機用的擠出過程可視化跟拍裝置，包括可視化機筒、可視化口模、拍攝機構和移動機構，可視化口模與可視化機筒的輸出端相連接，可視化機筒及可視化口模外周設置旋轉(zhuǎn)式的拍攝機構，拍攝機構底部設置移動機構，拍攝機構通過移動機構沿可視化機筒及可視化口模的軸線方向來回移動。該裝置中，在可視化機筒內(nèi)的物料輸送過程中，拍攝機構一邊在可視化機筒外周做旋轉(zhuǎn)運動，一邊沿可視化機筒的軸線方向做來回移動，從而實現(xiàn)對可視化機筒及可視化口模內(nèi)的物料流動情況和形態(tài)變化進行多角度的全程實時拍攝。設于可視化機筒內(nèi)的雙螺桿外接其主電機和減速箱，當主電機啟動雙螺桿時，移動機構帶動拍攝機構沿著擠出方向移動，下述拍攝機構中的CCD元件繞著可視化機筒旋轉(zhuǎn)，雙螺桿的起始端和末端具有行程開關。移動機構沿擠出方向的移動速度和CCD元件繞可視化機筒的旋轉(zhuǎn)速度也可單獨調(diào)節(jié)。

作為一種優(yōu)選方案，所述拍攝機構包括多組CCD元件、輔助支架、CCD轉(zhuǎn)動齒輪、驅(qū)動齒輪和齒輪驅(qū)動電機，多組CCD元件通過輔助支架均勻分布于CCD轉(zhuǎn)動齒輪的圓周邊沿，CCD轉(zhuǎn)動齒輪與驅(qū)動齒輪嚙合連接，齒輪驅(qū)動電機的輸出端與驅(qū)動齒輪的齒輪軸連接。該結構使用時，通過齒輪驅(qū)動電機帶動驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，通過驅(qū)動齒輪與CCD轉(zhuǎn)動齒輪之間的嚙合，使CCD轉(zhuǎn)動齒輪帶動其外周邊沿的各組CCD元件轉(zhuǎn)動。其中，各CCD元件與可視化機筒之間的距離可手動調(diào)節(jié)。

所述CCD元件有四組，每組CCD元件通過一個輔助支架與CCD轉(zhuǎn)動齒輪固定連接。

所述拍攝機構有兩個，其中一個拍攝機構中的CCD轉(zhuǎn)動齒輪與可視化機筒內(nèi)的左螺桿同軸設置，另一個拍攝機構中的CCD轉(zhuǎn)動齒輪與可視化機筒內(nèi)的右螺桿同軸設置。也就是說，可視化機筒內(nèi)的雙螺桿中，每個螺桿對應設置一個拍攝機構，且每個拍攝機構中包括四組CCD元件、四個輔助支架、一個CCD轉(zhuǎn)動齒輪、一個驅(qū)動齒輪和一個齒輪驅(qū)動電機，其中，齒輪驅(qū)動電機可安裝于下述的移動支架上，一個安裝于移動支架的左側(cè)，另一個安裝于移動支架的右側(cè)。每個拍攝機構對應采集一個螺桿上的數(shù)據(jù)。

作為一種優(yōu)選方案，所述兩個拍攝機構中，兩個CCD轉(zhuǎn)動齒輪偏心設置，兩個CCD轉(zhuǎn)動齒輪之間的中心距與雙螺桿中左、右螺桿之間的中心距相等。沿可視化機筒的軸線方向，兩個CCD轉(zhuǎn)動齒輪呈左右錯開的平行狀態(tài)。

所述CCD轉(zhuǎn)動齒輪為套于可視化機筒外周的圓環(huán)狀結構。

所述移動機構包括移動支架、絲桿、絲桿驅(qū)動電機和導軌，拍攝機構設于移動支架上部，移動支架底部設有絲桿和導軌，絲桿一端設置絲桿驅(qū)動電機，絲桿兩側(cè)分別設置導軌，絲桿與可視化機筒平行設置。該結構中，通過絲桿驅(qū)動電機驅(qū)動絲桿轉(zhuǎn)動，絲桿的轉(zhuǎn)動帶動移動支架沿導軌移動，從而使拍攝機構沿可視化機筒的軸線方向進行移動。

所述可視化機筒為采用高強度和高耐磨性的透明材料制作的機筒，可視化機筒的壁厚為1-5mm。可視化機筒可選用PC、PMMA等材料制作，具備高透明性、可加工性、高強度、耐磨等特性。可視化機筒內(nèi)部橫截面滿足“∞”結構，滿足擠出過程中承壓需求，且使得螺桿與機筒之間各處間隙一致。

所述可視化機筒分為多個機筒單元，任意相鄰的兩個機筒單元之間設有墊片并通過螺栓固定連接，位于端部的機筒單元與可視化口模之間也設有墊片并通過螺栓連接固定。墊片起密封、緩沖與定位作用，墊片的材料需具備一定的耐磨性、韌性和可加工性，墊片材料可采用PA、PTFE等。

上述雙螺桿擠出機用的擠出過程可視化跟拍裝置中，為實現(xiàn)跟隨拍攝，假設雙螺桿轉(zhuǎn)動的速度為N r/min，則在導程為S(單位mm)的元件位置，移動支架沿著z方向的運動速度為S*N(mm/min)，CCD元件繞著機筒旋轉(zhuǎn)的速度為N(r/min)。擠出機的喂料口或者機筒開孔位置采用壓力注射的方式，穩(wěn)定擠出時注入示蹤劑，可觀察到物料的流動與混合狀態(tài)，也可用CCD元件跟蹤取樣，考察到不同位置不同深度的螺槽釋放示蹤劑或示蹤粒子的運動特性和混合特性。拍攝機構中，CCD元件存儲的數(shù)據(jù)實時穿輸入外置的工控機中，可進行后續(xù)的提取、分析與計算。數(shù)據(jù)傳輸過程之中，可通過千兆網(wǎng)線實時傳輸入工控機中，也可采用大數(shù)據(jù)無線組網(wǎng)系統(tǒng)，利用wifi收發(fā)模塊、網(wǎng)卡主控芯片、USB主控芯片相結合，將采集到的數(shù)據(jù)通過wifi收發(fā)模塊傳輸?shù)経SB主控芯片，將USB主控芯片與網(wǎng)卡主控芯片相連，實現(xiàn)無線大數(shù)據(jù)傳輸。將CCD元件所采集的數(shù)據(jù)通過LABVIEW提取視頻，可實時提取到每一時刻物料的運動狀態(tài)，分析可得每一時刻示蹤粒子運動位置。除在線跟蹤拍攝外，還可借助光學顯微在線檢測技術觀測流體流動以及物料混合狀態(tài)；例如可采用添加熒光示蹤劑，通過熒光CCD技術實時跟蹤示蹤劑傳輸速度與位置；同時，還可采用粒子成像測速技術(PIV)，采用激光脈沖瞬間獲取大批量示蹤粒子的速度矢量以及位置點。

本實用新型相對于現(xiàn)有技術，具有以下有益效果：

本螺桿擠出機用的擠出過程可視化跟拍裝置結構簡單，可同時實現(xiàn)物料的軸向和徑向拍攝，實現(xiàn)了全程可視化且能跟蹤物料以及粒子的運動，為物料在雙螺桿擠出機中的流動以及混合形態(tài)變化的分析研究提供了基礎。其簡便的拆裝方法便于更換不同的螺桿組合，以便觀察到不同導程的螺紋元件或不同錯列角以及厚度、不同構型及轉(zhuǎn)速比的雙螺桿混合過程。

本螺桿擠出機用的擠出過程可視化跟拍裝置中，采用全程可視化機筒、可視化加料口以及可視化口模，可直接觀察到物料在機筒中的運動情況以及混合狀態(tài)。同時采用跟蹤拍攝系統(tǒng)能實時跟進物料的運動狀態(tài)，也可通過手動調(diào)節(jié)觀察局部的細節(jié)。

使用本螺桿擠出機用的擠出過程可視化跟拍裝置時，可通過在機筒各處開小直徑圓孔，采用強力注入的方式在口模不同位置、不同螺槽深度注入示蹤劑，便于直接觀察以及取樣考察各螺桿位置和各螺槽深度物料的流動以及混合狀態(tài)。

附圖說明

圖1為本螺桿擠出機用的擠出過程可視化跟拍裝置的結構示意圖。

圖2為圖1的A方向視圖。

圖3為圖1的B方向視圖。

圖4為圖1中拍攝機構和移動機構的立體結構示意圖。

圖5為單個機筒單元的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例，對本實用新型作進一步的詳細說明，但本實用新型的實施方式不限于此。

實施例1

本實施例一種雙螺桿擠出機用的擠出過程可視化跟拍裝置，如圖1-4所示，包括可視化機筒1、可視化口模2、拍攝機構和移動機構，可視化口模與可視化機筒的輸出端相連接，可視化機筒及可視化口模外周設置旋轉(zhuǎn)式的拍攝機構，拍攝機構底部設置移動機構，拍攝機構通過移動機構沿可視化機筒及可視化口模的軸線方向來回移動。該裝置中，在可視化機筒內(nèi)的物料輸送過程中，拍攝機構一邊在可視化機筒外周做旋轉(zhuǎn)運動，一邊沿可視化機筒的軸線方向做來回移動，從而實現(xiàn)對可視化機筒及可視化口模內(nèi)的物料流動情況和形態(tài)變化進行多角度的全程實時拍攝。設于可視化機筒內(nèi)的雙螺桿外接其主電機12和減速箱13，當主電機啟動雙螺桿時，移動機構帶動拍攝機構沿著擠出方向移動，下述拍攝機構中的CCD元件繞著可視化機筒旋轉(zhuǎn)，雙螺桿的起始端和末端具有行程開關。移動機構沿擠出方向的移動速度和CCD元件繞可視化機筒的旋轉(zhuǎn)速度也可單獨調(diào)節(jié)。

其中，拍攝機構包括多組CCD元件3、輔助支架4、CCD轉(zhuǎn)動齒輪5、驅(qū)動齒輪6和齒輪驅(qū)動電機7，多組CCD元件通過輔助支架均勻分布于CCD轉(zhuǎn)動齒輪的圓周邊沿，CCD轉(zhuǎn)動齒輪與驅(qū)動齒輪嚙合連接，齒輪驅(qū)動電機的輸出端與驅(qū)動齒輪的齒輪軸連接。該結構使用時，通過齒輪驅(qū)動電機帶動驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，通過驅(qū)動齒輪與CCD轉(zhuǎn)動齒輪之間的嚙合，使CCD轉(zhuǎn)動齒輪帶動其外周邊沿的各組CCD元件轉(zhuǎn)動。其中，各CCD元件與可視化機筒之間的距離可手動調(diào)節(jié)。CCD元件有四組，每組CCD元件通過一個輔助支架與CCD轉(zhuǎn)動齒輪固定連接。CCD轉(zhuǎn)動齒輪為套于可視化機筒外周的圓環(huán)狀結構。

本實施例中，拍攝機構有兩個，其中一個拍攝機構中的CCD轉(zhuǎn)動齒輪與可視化機筒內(nèi)的左螺桿同軸設置，另一個拍攝機構中的CCD轉(zhuǎn)動齒輪與可視化機筒內(nèi)的右螺桿同軸設置。也就是說，可視化機筒內(nèi)的雙螺桿中，每個螺桿對應設置一個拍攝機構，且每個拍攝機構中包括四組CCD元件、四個輔助支架、一個CCD轉(zhuǎn)動齒輪、一個驅(qū)動齒輪和一個齒輪驅(qū)動電機，其中，齒輪驅(qū)動電機可安裝于下述的移動支架上，一個安裝于移動支架的左側(cè)，另一個安裝于移動支架的右側(cè)。每個拍攝機構對應采集一個螺桿上的數(shù)據(jù)。兩個拍攝機構中，兩個CCD轉(zhuǎn)動齒輪偏心設置，兩個CCD轉(zhuǎn)動齒輪之間的中心距與雙螺桿中左、右螺桿之間的中心距相等。沿可視化機筒的軸線方向，兩個CCD轉(zhuǎn)動齒輪呈左右錯開的平行狀態(tài)。

移動機構包括移動支架8、絲桿9、絲桿驅(qū)動電機10和導軌11，拍攝機構設于移動支架上部，移動支架底部設有絲桿和導軌，絲桿一端設置絲桿驅(qū)動電機，絲桿兩側(cè)分別設置導軌，絲桿與可視化機筒平行設置。該結構中，通過絲桿驅(qū)動電機驅(qū)動絲桿轉(zhuǎn)動，絲桿的轉(zhuǎn)動帶動移動支架沿導軌移動，從而使拍攝機構沿可視化機筒的軸線方向進行移動。

可視化機筒為采用高強度和高耐磨性的透明材料制作的機筒，可視化機筒的壁厚為1-5mm?？梢暬瘷C筒可選用PC、PMMA等材料制作，具備高透明性、可加工性、高強度、耐磨等特性?？梢暬瘷C筒內(nèi)部橫截面滿足“∞”結構，滿足擠出過程中承壓需求，且使得螺桿與機筒之間各處間隙一致。

可視化機筒分為多個機筒單元(單個機筒單元的結構如圖5所示)，任意相鄰的兩個機筒單元之間設有墊片并通過螺栓固定連接，位于端部的機筒單元與可視化口模之間也設有墊片并通過螺栓連接固定。墊片起密封、緩沖與定位作用，墊片的材料需具備一定的耐磨性、韌性和可加工性，墊片材料可采用PA、PTFE等。

上述雙螺桿擠出機用的擠出過程可視化跟拍裝置中，為實現(xiàn)跟隨拍攝，假設雙螺桿轉(zhuǎn)動的速度為N r/min，則在導程為S(單位mm)的元件位置，移動支架沿著z方向的運動速度為S*N(mm/min)，CCD元件繞著機筒旋轉(zhuǎn)的速度為N(r/min)。跟拍裝置的行程可通過設于擠出機上的觸控系統(tǒng)15進行控制，另外，跟拍裝置也可在設置跟隨拍攝模式后，手動輸入支架沿擠出方向移動的速度和方向，以及齒輪盤帶動CCD元件的旋轉(zhuǎn)方向和速度，便于實時觀察流體或跟蹤粒子傳輸細節(jié)。擠出機的喂料口14或者機筒開孔位置采用壓力注射的方式，穩(wěn)定擠出時注入示蹤劑，可觀察到物料的流動與混合狀態(tài)，也可用CCD元件跟蹤取樣，考察到不同位置不同深度的螺槽釋放示蹤劑或示蹤粒子的運動特性和混合特性。拍攝機構中，CCD元件存儲的數(shù)據(jù)實時穿輸入外置的工控機中，可進行后續(xù)的提取、分析與計算。數(shù)據(jù)傳輸過程之中，可通過千兆網(wǎng)線實時傳輸入工控機中，也可采用大數(shù)據(jù)無線組網(wǎng)系統(tǒng)，利用wifi收發(fā)模塊、網(wǎng)卡主控芯片、USB主控芯片相結合，將采集到的數(shù)據(jù)通過wifi收發(fā)模塊傳輸?shù)経SB主控芯片，將USB主控芯片與網(wǎng)卡主控芯片相連，實現(xiàn)無線大數(shù)據(jù)傳輸。將CCD元件所采集的數(shù)據(jù)通過LABVIEW提取視頻，可實時提取到每一時刻物料的運動狀態(tài)，分析可得每一時刻示蹤粒子運動位置。除在線跟蹤拍攝外，還可借助光學顯微在線檢測技術觀測流體流動以及物料混合狀態(tài)；例如可采用添加熒光示蹤劑，通過熒光CCD技術實時跟蹤示蹤劑傳輸速度與位置；同時，還可采用粒子成像測速技術(PIV)，采用激光脈沖瞬間獲取大批量示蹤粒子的速度矢量以及位置點。

實施例2

本實施例一種雙螺桿擠出機用的擠出過程可視化跟拍裝置，與實施例1相比較，其不同之處在于：拍攝機構為一個，在其CCD轉(zhuǎn)動齒輪內(nèi)設置偏心固定環(huán)，使各CCD元件相對于可視化機筒的旋轉(zhuǎn)環(huán)繞中心可相互切換，通過設定其偏心距的距離，旋轉(zhuǎn)環(huán)繞中心在左右螺桿之間實現(xiàn)相互切換。

如上所述，便可較好地實現(xiàn)本實用新型，上述實施例僅為本實用新型的較佳實施例，并非用來限定本實用新型的實施范圍；即凡依本實用新型內(nèi)容所作的均等變化與修飾，都為本實用新型權利要求所要求保護的范圍所涵蓋。