詹永振，王歡，陳斌

(奧神新材料股份有限公司，江蘇 連云港 222069)

0 引言

高性能纖維特別是高強高模的有機化學纖維，不同于無機纖維，既有較高的強度又有一定的柔韌性，不容易被剪切切斷。市場上常見的纖維切斷裝置[1]，多為鍘刀(剪刀)式、滾刀式或擠壓式切斷纖維。對于鍘刀式，非常容易夾在刀口處不能切斷；對于擠壓式，當纖維長度比較短時，刀具無法按所需切斷長度有效排列，要實現(xiàn)需要的短纖長度并成功切斷纖維，是比較困難的。針對實際存在的困難，奧神新材料股份有限公司組織技術人員攻關，考慮到聚酰亞胺纖維[2]不燃和離開高溫火焰后自熄的特性，借助于電火花切割[3]的原理，研發(fā)出一套聚酰亞胺纖維短切裝置，并采用單片機輔助控制各機構的相互聯(lián)動，成功實現(xiàn)聚酰亞胺纖維的短切，最短長度可以在1.0 mm左右。

1 聚酰亞胺纖維短切裝置的組成

(1)鏈板輸送帶。平鋪的纖維喂入切斷裝置中，由鏈板輸送帶上下夾持并向切斷方向輸送，鏈板輸送帶是由0.5～1.0 mm寬的鏈板(壓條)組成，這種壓條一般為高強不銹鋼絲，表面進行防靜電涂層處理，鏈板(壓條)之間的間隙在0.5 mm左右，其主要功能就是完成平鋪的纖維有效輸送。

(2)切斷口壓板。鏈板輸送帶是由0.5 mm左右的高強不銹鋼絲組成，只能夠起到夾持平鋪的纖維并輸送的目的，需要在纖維切斷口處安裝上下壓板，在纖維切斷前完成鏈板定位。壓板靠近刀口處采用陶瓷嵌條，防止電火花損傷。

(3)電火花刀口。電火花刀口實際上是上下兩只高頻脈沖電極，由金屬鉑、鉬等耐高溫材料組成，端部呈針尖狀，相互間的間距可調，保證在工作時兩電極之間產生穩(wěn)定的電弧。兩針尖在平鋪的纖維上下劃過，產生的電弧燒蝕纖維并完成切斷纖維的功能。

(4)執(zhí)行機構。纖維短切裝置包括鏈板驅動步進電動機、壓板動作氣動裝置、電火花往復運動裝置等。

(5)單片機輔助控制系統(tǒng)。單片機輔助控制系統(tǒng)，可采用STM32系列單片機[4]，其具有多種控制輸出端口。其中占空比端口可以調節(jié)步進電動機的轉速，DIO端口可以驅動電磁閥控制氣缸的動作和驅動繼電器控制電火花通斷電源，通過內部時鐘設定可控制整個系統(tǒng)各機構的聯(lián)動等。

整套裝置系統(tǒng)原理如圖1所示，切斷刀口細節(jié)部分如圖2所示。

圖1 纖維短切裝置系統(tǒng)原理圖

圖2 纖維短切裝置切斷刀口細節(jié)詳圖

圖3是產品開發(fā)過程中用于實驗的電火花切割試驗組件單元，證實能夠實現(xiàn)聚酰亞胺纖維的切斷。

圖3 電火花熔斷纖維試驗

電火花熔斷纖維的寬度與電火花的兩個電極尖端的直徑相關。兩個電極尖端的直徑越小，產生電弧的直徑就越細，電弧劃過纖維時對纖維的熔斷寬度就越小。

2 單片機控制實現(xiàn)聚酰亞胺纖維短切裝置各機構的聯(lián)動

聚酰亞胺纖維短切裝置的聯(lián)動動作共包括三個方面，分別如下：

(1)步進電動機調速：分為前后調速電動機，每個電動機驅動上下兩只鏈板導輥；鏈板行進的速度由每分鐘切斷的次數及短切纖維的長度決定，短切纖維的長度決定每次前進的鏈板數，一般可設定切斷次數為5～12次/min。鏈板每次前進的時間t1。

(2)上下壓板動作：在鏈板前進的時間t1內，壓板處于張開狀態(tài)，鏈板停止前進后，上下壓板閉合，壓板從張開到閉合所用的時間為t2。

(3)電火花切割刀口動作：上下壓板閉合后，電火花切割刀口接通高頻高壓電源，從平鋪的纖維一側劃過纖維的上下表面，電火花熔斷纖維，電火花斷電。電火花切斷刀口從接通電源到劃過纖維表面并斷電所用的時間為t3。當(1)、(2)動作再次進行后，電火花切斷刀口再次劃過纖維上下表面，返回到初始位置，即鏈板、壓板完成2個動作，切斷刀口往復一次。

單片機控制的流程圖如圖4所示，時間t2遠小于t1和t3，可以忽略不計。實際的單片機程序中，時間t3包括了壓板的閉合和張開時間。

圖4 單片機控制動作流程圖

單片機控制系統(tǒng)采用STM32F103系列，用Keil μVision5軟件C語言編程，實現(xiàn)步進電動機調速、上下壓板動作、電火花切割刀口點火及劃過纖維上下表面的控制單元的聯(lián)動，達到有效切斷聚酰亞胺纖維、獲得規(guī)定長度的短切纖維的目的。

綜上所述，隨著單片機技術的發(fā)展以及在機械裝備方面的輔助控制應用，單片機在工業(yè)上的應用越來越多，與PLC系統(tǒng)相比較，質優(yōu)價廉。具體在聚酰亞胺纖維短切裝置上的應用，能夠精準調節(jié)電動機的轉動速度、執(zhí)行機構的動作和開關量的通斷，切斷規(guī)定長度的短纖。

3 結語

本文主要是根據聚酰亞胺纖維的特性，以及市場上對聚酰亞胺短切纖維的需求，結合市場上常用的纖維切斷裝置，利用電火花放電產生電弧的原理，設計一套由單片機輔助控制的新型纖維切斷裝置，以電弧為切斷刀口，熔斷聚酰亞胺纖維，實現(xiàn)切斷功能。該套纖維短切裝置，在電弧處增加惰性氣體保護，也可以切斷其他高強高模的纖維。這既不會有折斷的刀片混入短纖中，也不會由于纖維的高強高模特性導致切不斷的現(xiàn)象出現(xiàn)，為實現(xiàn)高性能纖維切斷成超短纖維提供了一種可行裝置及切斷的方法。