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(jìn)行靜電紡絲時(shí)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(xué)的前沿和研究熱點(diǎn)。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(xì)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(dòng)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(qiáng)、高效等優(yōu)點(diǎn)。隨著靜電紡絲技術(shù)研究進(jìn)入快速發(fā)展階段，靜電紡絲裝置的研究步入實(shí)驗(yàn)型裝置研究階段。出現(xiàn)了面向?qū)嶒?yàn)室所用的實(shí)驗(yàn)型靜電紡絲裝置，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(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)針頭堵塞等需要人工查看，影響實(shí)驗(yàn)效率，缺少相應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)節(jié)以及自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)，影響納米纖維的制備效率。因此，設(shè)計(jì)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(duì)于納米纖維的直徑，往往需要通過改變電場來實(shí)現(xiàn)，這就會(huì)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(shí)現(xiàn)多維度的靈活位置控制了。

技術(shù)實(shí)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(shí)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(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，所述運(yùn)動(dòng)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(biāo)系中運(yùn)動(dòng)；且靜電紡絲噴射裝置的噴射針頭被舵機(jī)支撐，舵機(jī)隨運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)裝置在豎直方向移動(dòng)。

所述運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，包括X軸絲杠導(dǎo)軌、Y軸絲杠導(dǎo)軌和Z軸絲杠導(dǎo)軌及各導(dǎo)軌對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)，所述Z軸絲杠導(dǎo)軌沿Y軸絲杠導(dǎo)軌滑動(dòng)，且Y軸絲杠導(dǎo)軌沿X軸絲杠導(dǎo)軌滑動(dòng)。

所述靜電紡絲噴射裝置，包括液體推進(jìn)裝置、噴射針頭、噴射針頭支架，所述推進(jìn)裝置包括一絲杠導(dǎo)軌、位于絲杠導(dǎo)軌上的推進(jìn)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(jìn)桿固定于推進(jìn)擋塊上，所述推進(jìn)擋塊是該絲杠導(dǎo)軌上的滑塊，所述的注射器與噴射針頭由導(dǎo)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(jī)上，由舵機(jī)帶動(dòng)擺動(dòng)。

所述注射器為多組，所述噴射針頭支架上具有多個(gè)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(jī)組成的滾筒式纖維收集裝置，收集裝置由電機(jī)驅(qū)動(dòng)以轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jī)和控制裝置，控制裝置主要由上位機(jī)、交換機(jī)、PLC與工業(yè)相機(jī)通信，工業(yè)相機(jī)用于采集噴射針頭狀態(tài)圖像，并將其傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)接收?qǐng)D像并對(duì)比，判斷該工業(yè)相機(jī)采集到的圖像中是否具有球狀液滴圖像以識(shí)別噴射針頭狀態(tài)；交換機(jī)用于上位機(jī)、人機(jī)界面、PLC之間的通信；PLC通過步進(jìn)電機(jī)控制器對(duì)X軸、Y軸、Z軸步進(jìn)電機(jī)控制，以對(duì)噴射裝置與接收裝置的位置調(diào)節(jié)；PLC控制推進(jìn)裝置的步進(jìn)電機(jī)以對(duì)液體推進(jìn)速度控制；PLC通過接口電路控制安裝于Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的舵機(jī)的擺動(dòng)。

一種靜電紡絲方法，使用上述的靜電紡絲設(shè)備以進(jìn)行靜電紡絲。

一種靜電紡絲方法，在控制裝置的人機(jī)界面中進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置，以由PLC對(duì)各電機(jī)、舵機(jī)進(jìn)行相應(yīng)控制，PLC通過步進(jìn)電機(jī)控制器對(duì)X軸、Y軸、Z軸步進(jìn)電機(jī)控制，對(duì)噴射裝置與接收裝置的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，PLC控制推進(jìn)裝置的步進(jìn)電機(jī)以對(duì)液體推進(jìn)速度控制，PLC通過接口電路控制安裝于Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的舵機(jī)的擺動(dòng)從而使得噴射針頭隨舵機(jī)擺動(dòng)，高壓電源的正電場連接到針頭上，舵機(jī)的擺動(dòng)，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(jī)以固定周期進(jìn)行擺動(dòng)，噴射針頭與極板之間形成一個(gè)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(jī)采集噴射針頭狀態(tài)圖像，并將其傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)接收?qǐng)D像并對(duì)比，判斷該工業(yè)相機(jī)采集到的圖像中是否具有球狀液滴圖像以識(shí)別噴射針頭狀態(tài)，當(dāng)紡絲針頭堵塞時(shí)，控制液體推進(jìn)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(gè)新的平衡的工作狀態(tài)；PLC外擴(kuò)模擬量模塊連接溫、濕度傳感器以對(duì)紡絲環(huán)境信息采集，并由繼電器對(duì)相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作控制以對(duì)環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)測與調(diào)控。

一種舵機(jī)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(duì)于電場的改變，找到了另一個(gè)方向，即使用機(jī)械擺動(dòng)，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(dòng)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(shí)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(jī)，3.噴射針頭支架，4.絲杠導(dǎo)軌，5.推進(jìn)擋塊，6.注射器，7.夾緊裝置，8.導(dǎo)管，9.步進(jìn)電機(jī)，10.滾筒，11.電機(jī)，12.高壓電源，13.工業(yè)相機(jī)。

具體實(shí)施方式

實(shí)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(jìn)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(jìn)一步的效果：實(shí)現(xiàn)了靜電紡絲過程的自動(dòng)化和智能化。設(shè)備主要應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)、絲杠導(dǎo)軌以及舵機(jī)實(shí)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(dòng)，實(shí)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(jī)實(shí)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(jìn)性實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，針頭舵機(jī)在控制器的控制下以一定周期(經(jīng)驗(yàn)值一般6秒鐘左右，頻率跟具體溶液有關(guān))進(jìn)行擺動(dòng)。針頭與極板之間形成一個(gè)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(shí)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(jī)一擺動(dòng)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(xué)裝置，會(huì)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(jìn)行多維位置控制的想法不能實(shí)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(jìn)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(jìn)裝置、收集裝置、高壓電源、工業(yè)相機(jī)以及控制裝置組成。靜電紡絲噴射裝置由步進(jìn)電機(jī)和絲杠導(dǎo)軌構(gòu)成的X、Y、Z三軸運(yùn)動(dòng)裝置以及由固定于Z軸滑動(dòng)導(dǎo)軌上的舵機(jī)構(gòu)成的噴頭支架旋轉(zhuǎn)裝置；靜電紡絲噴射裝置主要實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同工藝要求實(shí)現(xiàn)噴射針頭位置的自動(dòng)調(diào)整，以及在進(jìn)行噴絲過程中根據(jù)不同的參數(shù)要求實(shí)現(xiàn)噴射針頭的左右擺動(dòng)，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(jìn)裝置由步進(jìn)電機(jī)、高精度絲杠導(dǎo)軌和注射器組成，實(shí)現(xiàn)將紡絲溶液按照設(shè)定速度平穩(wěn)推進(jìn)，液體推進(jìn)裝置可以同時(shí)安裝多個(gè)裝有溶液的注射器，便于進(jìn)行多路噴射；纖維收集裝置由電機(jī)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(shí)現(xiàn)將聚合物溶液在電場力的作用下發(fā)生射流并進(jìn)一步細(xì)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(jìn)行設(shè)定，與PLC通信采用RS485通信方式；工業(yè)相機(jī)主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)視功能，當(dāng)紡絲針頭堵塞時(shí)，通過控制液體推進(jìn)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(gè)平衡的工作狀態(tài)。

所述運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，包括X軸絲杠導(dǎo)軌、Y軸絲杠導(dǎo)軌和Z軸絲杠導(dǎo)軌及各導(dǎo)軌對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)，所述Z軸絲杠導(dǎo)軌沿Y軸絲杠導(dǎo)軌滑動(dòng)，且Y軸絲杠導(dǎo)軌沿X軸絲杠導(dǎo)軌滑動(dòng)。所述Z軸絲杠導(dǎo)軌安裝于Y軸絲杠導(dǎo)軌的滑塊上，使Z軸絲杠導(dǎo)軌隨Y軸絲杠導(dǎo)軌的滑塊滑動(dòng)而在空間坐標(biāo)系的Y軸移動(dòng)；所述Y軸絲杠導(dǎo)軌安裝在X軸絲杠導(dǎo)軌的滑塊上，使Y軸絲杠導(dǎo)軌隨X軸絲杠導(dǎo)軌的滑塊滑動(dòng)而在空間坐標(biāo)系的X軸移動(dòng)，所述X軸絲杠導(dǎo)軌至少為兩組，以保證Y軸絲杠導(dǎo)軌滑動(dòng)的穩(wěn)定性和精度。運(yùn)動(dòng)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(biāo)系中運(yùn)動(dòng)，即噴射針頭進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)。

控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、人機(jī)界面(觸摸屏)、交換機(jī)、PLC、被控對(duì)象、傳感器等組成，上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)和工業(yè)相機(jī)通信，通過工業(yè)相機(jī)采集噴射針頭狀態(tài)，當(dāng)針頭出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象時(shí)，針頭會(huì)出現(xiàn)球狀液滴，工業(yè)相機(jī)采集到圖像后，傳輸至上位機(jī)，結(jié)合圖像處理知識(shí)，通過機(jī)器視覺算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，準(zhǔn)確判斷噴頭狀態(tài)，當(dāng)堵塞時(shí)，由于針頭在進(jìn)行噴射時(shí)堵塞，會(huì)產(chǎn)生球狀液滴，影響纖維的產(chǎn)出，本設(shè)計(jì)通過上位機(jī)向控制器傳送命令，控制器通過控制液體推進(jìn)裝置的推力實(shí)現(xiàn)排除堵塞，同時(shí)控制器會(huì)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(gè)平衡的工作狀態(tài)。人機(jī)界面(觸摸屏)主要實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制時(shí)參數(shù)設(shè)置、調(diào)整以及運(yùn)動(dòng)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(jī)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)、人機(jī)界面、PLC之間的通信；PLC通過步進(jìn)電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)X軸、Y軸、Z軸步進(jìn)電機(jī)控制，完成噴射裝置與接收裝置的位置的自動(dòng)調(diào)節(jié)，通過控制推進(jìn)裝置步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)液體推進(jìn)速度的精準(zhǔn)控制；通過接口電路(24V/5V)完成安裝于Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的舵機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)噴頭支架的左右擺動(dòng)；接近開關(guān)實(shí)現(xiàn)限位信號(hào)的采集；PLC外擴(kuò)模擬量模塊連接溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)紡絲環(huán)境信息的采集，并通過繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)測與調(diào)控。

當(dāng)進(jìn)行靜電紡絲時(shí)，首先在控制系統(tǒng)的人機(jī)界面中進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置，主要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置、推進(jìn)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(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置主要包含X、Y、Z三軸的運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置以及舵機(jī)旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置；推進(jìn)裝置參數(shù)設(shè)置主要設(shè)定推進(jìn)速度；高壓電源參數(shù)設(shè)置實(shí)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(shí)現(xiàn)接收時(shí)滾筒旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定。當(dāng)系統(tǒng)完成所有參數(shù)設(shè)定后，首先將高壓電源的正負(fù)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(jìn)裝置的注射器中裝好聚合物溶液，對(duì)進(jìn)行噴射時(shí)的注意事項(xiàng)進(jìn)行詳細(xì)檢查，然后啟動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)按照事先設(shè)定的參數(shù)完成各項(xiàng)噴射前的自動(dòng)調(diào)整工作，當(dāng)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(huì)在液體推進(jìn)裝置的推動(dòng)作用下運(yùn)動(dòng)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(tái)可以根據(jù)不同的工藝要求，自動(dòng)進(jìn)行噴射針頭與接收裝置的位置和距離的調(diào)整，同時(shí)噴射針頭也可以在舵機(jī)的控制下左右擺動(dòng)，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(jī)進(jìn)行噴射針頭液滴監(jiān)測，當(dāng)噴射針頭出現(xiàn)堵塞時(shí)，液滴會(huì)聚集成球狀液滴，工業(yè)相機(jī)將相應(yīng)的圖像信息發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)借助機(jī)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(jìn)裝置的壓力能夠及時(shí)的清除針頭堵塞，有效的保證了制備納米纖維的效率。

在進(jìn)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(shí)驗(yàn)人員手工進(jìn)行調(diào)整，在實(shí)驗(yàn)過程中，過程監(jiān)測需要實(shí)驗(yàn)人員實(shí)時(shí)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(dòng)進(jìn)行噴射針頭和接收裝置之間的位置和距離的調(diào)整，同時(shí)，噴射針頭支架能夠按照要求進(jìn)行左右擺動(dòng)，能夠有效的改變納米纖維的形貌，同時(shí)，本裝置的噴射針頭支架可以進(jìn)行多噴射針頭的安裝，便于進(jìn)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(shí)針頭的擺動(dòng)便于制備不同形形貌的納米纖維，提高紡絲的效果，對(duì)于納米纖維的制造具有十分重要的意義。同時(shí)借助工業(yè)相機(jī)構(gòu)成的針頭堵塞監(jiān)測系統(tǒng)，可以長時(shí)間的對(duì)紡絲噴頭狀態(tài)進(jìn)行全方位的監(jiān)測，解決以往人工監(jiān)測長時(shí)間的疲勞問題，避免遺漏。同時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)的進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的調(diào)整，使靜電紡絲的實(shí)驗(yàn)過程基本上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和智能化。同時(shí)，該裝置操作簡單，便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，有利于進(jìn)行廣泛推廣。

以上所述，僅為本發(fā)明創(chuàng)造較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)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(hù)范圍之內(nèi)。