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(shù)人員攻關(guān)，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(gòu)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(diào)，保證在工作時兩電極之間產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧。兩針尖在平鋪的纖維上下劃過，產(chǎn)生的電弧燒蝕纖維并完成切斷纖維的功能。

(4)執(zhí)行機構(gòu)。纖維短切裝置包括鏈板驅(qū)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(diào)節(jié)步進電動機的轉(zhuǎn)速，DIO端口可以驅(qū)動電磁閥控制氣缸的動作和驅(qū)動繼電器控制電火花通斷電源，通過內(nèi)部時鐘設(shè)定可控制整個系統(tǒng)各機構(gòu)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(chǎn)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?qū)崿F(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(guān)。兩個電極尖端的直徑越小，產(chǎn)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(gòu)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(diào)速：分為前后調(diào)速電動機，每個電動機驅(qū)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(shù)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(shù)，一般可設(shè)定切斷次數(shù)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(nèi)，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(cè)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(diào)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(shù)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(zhì)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(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)動速度、執(zhí)行機構(gòu)的動作和開關(guān)量的通斷，切斷規(guī)定長度的短纖。

3 結(jié)語

本文主要是根據(jù)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(jié)合市場上常用的纖維切斷裝置，利用電火花放電產(chǎn)生電弧的原理，設(shè)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。