江勵，施冒栩，巫瑩柱，徐文杰，林少佳，蔡澤波

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新型納米纖維離心紡絲紡紗機的設計

江勵1，施冒栩1，巫瑩柱2，徐文杰1，林少佳1，蔡澤波1

（1.五邑大學 機電工程學院，廣東 江門 529020；2.五邑大學 紡織服裝學院，廣東 江門 529020）

針對既有納米纖維離心紡絲機采集不方便、運行效率低、不能連續(xù)生產的缺陷，通過優(yōu)化設計，改進了離心紡絲機的收集方式，增強了離心紡絲紡紗機的采集效果；增加了PLC自動控制系統(tǒng)，提高了納米纖維離心紡絲紡紗機的自動化程度，實現了離心紡絲紡紗機的連續(xù)性生產.

納米纖維膜；離心紡絲；水醇分離

納米纖維離心紡絲紡紗機是一種新型的生產納米纖維膜的設備，由其制備的納米纖維膜可以運用在車用無水乙醇中的水和醇的分離，從而提高車用無水乙醇的純度，降低人類對石油資源的依賴程度[1]. 離心紡織法是通過高速旋轉電機離心力的帶動，將制備纖維膜的高分子溶液通過小孔甩出來并形成纖維，其主要應用有高分子離心溶液紡絲、高分子熔融離心紡絲[2]和靜電離心紡絲. 由于離心紡絲制備納米纖維具有設備簡單、成本較低等生產優(yōu)勢，故該方法逐漸取代靜電紡絲法而成為納米纖維膜的主要制備方法. 但是，既有離心紡絲機存在幾大主要缺陷：1）不能連續(xù)采集制品；2）自動化程度低、生產效率低. 鑒于此，本文對既有離心紡絲機進行了優(yōu)化設計，改進了離心紡絲機的收集方式，開發(fā)了具有連續(xù)生產能力的自動離心紡絲設備.

1 既有離心紡絲機的機械結構設計

離心紡絲法最早由James P. Hooper提出，并于1924年獲得美國專利授權[3]，目前相關的離心紡絲技術的研究還處于實驗階段. 我校教師參與研制的第一代離心紡絲機[4]，其結構示意圖和實物圖如圖1所示.

a.模型圖 b.實物圖

在圖1-a中，最上邊的圓盤結構為離心紡絲機的收集裝置，紡絲溶液裝在與下端電機連接的離心杯中. 一代機離心紡絲的原理是：在高速旋轉的電機的帶動下，溶液從離心杯的微孔甩出來，落在收集的容器成纖維膜. 可以看到：第一代設備采集比較麻煩，甩出來的納米纖維膜需要人工進行采集，生產效率比較低，不能實現納米纖維膜的連續(xù)性生產；電機的轉速需通過手動電位器調節(jié)，且不能精確顯示電機的轉速. 基于這些問題，我們對一代機的設計方案進行了改進.

2 新型納米纖維離心紡絲紡紗機的設計

根據現代設計方法[5]，本文對第一、第二代離心紡絲機進行結構改造，得到如圖2所示的第三代離心機. 我們的主要設計體現在：1）在離心發(fā)生部分，采用控制器mach3軟件對直流電機的轉速進行了無極平滑的精準調控；修改了纖維采集的方式，通過電機倒置使得收集器具倒置，使纖維收集由上收集變?yōu)橄率占?，以方便收集器具的更換，使連續(xù)收集成為可能；2）采用PLC實現對納米纖維膜制備和采集的連續(xù)控制，并通過觸摸屏實現控制系統(tǒng)的人機交互.

圖2 第三代離心機模型圖

2.1 離心發(fā)生器的結構設計

離心發(fā)生器如圖3所示，其中，1是容器，作用是儲存氣泵產生的氣體，使容器內維持一定的壓力；2是氣泵，作用是將環(huán)境空氣壓縮并儲存在容器里；3是直流電機，它是離心紡絲紡紗機的主動件，作用是將制備納米纖維膜的溶液從離心杯中甩出去；4是離心杯，作用是存儲離心紡絲紡紗的原溶液，并使溶液成型成某一規(guī)格的納米纖維；5是透氣板，容器1里的氣體通過透氣板上均勻排布的小孔向下面吹氣，拉伸被甩出的纖維，并防止其在空中產生回彈；6是支撐架，作用是支撐和固定整個離心發(fā)生器.

圖3 離心發(fā)生器爆炸圖

2.2 控制系統(tǒng)的設計

2.2.1 PLC控制設計

由于本設備需要控制的端口較少，我們選擇三菱FX1S-30MT型號PLC，其I/O分配如表1所示，接線布局如圖4所示.

表1 PLC的I/O分配列表

圖4 PLC接線圖

PLC控制可分為手動模式和自動模式，其中手動模式有兩部分，主要用于調試或者維修. 自動模式的操作方法為：按下自動啟動，步進電機運行，當收集盤被傳送帶傳送到靠近接近開關1（）時，氣缸1前進（），收集盤繼續(xù)在傳送帶的帶動下前進；被氣缸1擋住后，直流電機開始運行，溶液在留心力的作用下被甩出來并在氣泵氣流的作用下被進一步拉伸. 一段時間過后（這個時間間隔由實際的調試決定），直流電機停止運行，氣缸1后退（），收集盤在傳送帶的作用下前進，并到達接近接近開關2（），最后被氣缸2擋住以采集纖維膜；當我們拿走收集盤，接近開關3會檢測到收集盤被拿走，此時檢查指示燈會亮.

2.2.2 觸摸屏設計

觸摸屏的人機交互界面可方便工作人員直觀操作設備、實時了解生產. 綜合考慮成本及操作，本設計采用三菱GT1050觸摸屏. 本文設計的人機界面如圖5所示，界面分為3部分：1）左邊，模式選擇和停開關選擇，其中X0000代表手動模式，X0001代表自動模式，X0002代表開關為開，X0003代表開關為關；2）右上角，手動模式的狀態(tài)區(qū)域，包括步進電機手動開/關、直流電機的手動開/關、氣缸1前進/后退和氣缸2前進/后退4部分；3）右下角，顯示狀態(tài)區(qū)域，可顯示步進電機、直流電機、氣缸1和氣缸2是否運行，若運行則相應的燈亮，否則就一直顯示黑色.

圖5 人機界面布置圖

3 電機的調速與控制試驗

本文設備能否正常工作主要取決于高速直流電機的調速能否實現，我們對該功能進行了驗證，并對電機調速的軟件界面進行設置，具體如圖6所示. 試驗結果表明，該直流電機能夠較好完成離心紡絲的調速任務.

圖6 電機調速的軟件參數設置

4 結論

相對于傳統(tǒng)的納米纖維制備方法，離心紡絲法成本低、產量高、原料適用性廣、工藝參數可調可控，這些優(yōu)勢不僅為納米纖維的制備提供了一種新的途徑，也使得離心紡絲技術本身具有廣闊的應用前景. 本文設計改造了既有離心紡絲設備的機械結構和控制系統(tǒng)，實現了離心紡絲的連續(xù)生產和收集，并通過由PLC和觸摸屏組成的控制系統(tǒng)進行了自動化的生產控制，為該技術的工業(yè)應用進行了有益的探索.

[1] 丁彬，俞建勇. 靜電紡絲與納米纖維[M]. 北京：中國紡織出版社，2011.

[2] 劉勇，李秀紅，何紅，等. 一種新型的離心熔體靜電紡絲裝置：201410326257.6 [P]. 2014-07-10.

[3] 朱蘇康. 機織學[M]. 北京：中國紡織出版社，2006.

[4] 巫瑩柱，陳水挾，王禹，等. 一種微納米纖維離心紡絲裝置：203782285U [P]. 2014-08-20.

[5] 王安麟，姜濤，劉廣軍. 現代設計方法[M]. 武漢：華中科技大學出版社，2009.

[責任編輯：熊玉濤]

Mechanical Design of a New Centrifugal Type Spinning Machine

JIANGLi1, SHIMao-xu1, WUYing-zhu2, XUWen-jie1, LINShao-jia1, CAIZe-bo1

(School of Mechanical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

The traditional nano-fibers centrifugal spinning machine has a number of shortcomings like poor nano-fibers collection and low running efficiency. By optimizing the design, the collection of the centrifugal spinning machine is improved and the acquisition effect is enhanced. Also a PLC automatic control system is added to improve the automation degree of the nano fiber centrifugal spinning machine and realize the continuous production of the centrifugal spinning machine.

nanometer fibers; centrifugal type spinning; water/alcohol separation

1006-7302（2016）02-0066-04

TP242

A

2015-12-28

五邑大學青年基金資助項目（30922010）

江勵（1984—），男，湖北黃石人，講師，博士，主要從事機械設計制造、機器人等研究.