一种单片机辅助控制电火花实现聚酰亚胺纤维短切的方法

詹永振，王欢，陈斌

(奥神新材料股份有限公司，江苏 连云港 222069)

0 引言

高性能纤维特别是高强高模的有机化学纤维，不同于无机纤维，既有较高的强度又有一定的柔韧性，不容易被剪切切断。市场上常见的纤维切断装置[1]，多为铡刀(剪刀)式、滚刀式或挤压式切断纤维。对于铡刀式，非常容易夹在刀口处不能切断；对于挤压式，当纤维长度比较短时，刀具无法按所需切断长度有效排列，要实现需要的短纤长度并成功切断纤维，是比较困难的。针对实际存在的困难，奥神新材料股份有限公司组织技术人员攻关，考虑到聚酰亚胺纤维[2]不燃和离开高温火焰后自熄的特性，借助于电火花切割[3]的原理，研发出一套聚酰亚胺纤维短切装置，并采用单片机辅助控制各机构的相互联动，成功实现聚酰亚胺纤维的短切，最短长度可以在1.0 mm左右。

1 聚酰亚胺纤维短切装置的组成

(1)链板输送带。平铺的纤维喂入切断装置中，由链板输送带上下夹持并向切断方向输送，链板输送带是由0.5～1.0 mm宽的链板(压条)组成，这种压条一般为高强不锈钢丝，表面进行防静电涂层处理，链板(压条)之间的间隙在0.5 mm左右，其主要功能就是完成平铺的纤维有效输送。

(2)切断口压板。链板输送带是由0.5 mm左右的高强不锈钢丝组成，只能够起到夹持平铺的纤维并输送的目的，需要在纤维切断口处安装上下压板，在纤维切断前完成链板定位。压板靠近刀口处采用陶瓷嵌条，防止电火花损伤。

(3)电火花刀口。电火花刀口实际上是上下两只高频脉冲电极，由金属铂、钼等耐高温材料组成，端部呈针尖状，相互间的间距可调，保证在工作时两电极之间产生稳定的电弧。两针尖在平铺的纤维上下划过，产生的电弧烧蚀纤维并完成切断纤维的功能。

(4)执行机构。纤维短切装置包括链板驱动步进电动机、压板动作气动装置、电火花往复运动装置等。

(5)单片机辅助控制系统。单片机辅助控制系统，可采用STM32系列单片机[4]，其具有多种控制输出端口。其中占空比端口可以调节步进电动机的转速，DIO端口可以驱动电磁阀控制气缸的动作和驱动继电器控制电火花通断电源，通过内部时钟设定可控制整个系统各机构的联动等。

整套装置系统原理如图1所示，切断刀口细节部分如图2所示。

图1 纤维短切装置系统原理图

图2 纤维短切装置切断刀口细节详图

图3是产品开发过程中用于实验的电火花切割试验组件单元，证实能够实现聚酰亚胺纤维的切断。

图3 电火花熔断纤维试验

电火花熔断纤维的宽度与电火花的两个电极尖端的直径相关。两个电极尖端的直径越小，产生电弧的直径就越细，电弧划过纤维时对纤维的熔断宽度就越小。

2 单片机控制实现聚酰亚胺纤维短切装置各机构的联动

聚酰亚胺纤维短切装置的联动动作共包括三个方面，分别如下：

(1)步进电动机调速：分为前后调速电动机，每个电动机驱动上下两只链板导辊；链板行进的速度由每分钟切断的次数及短切纤维的长度决定，短切纤维的长度决定每次前进的链板数，一般可设定切断次数为5～12次/min。链板每次前进的时间t1。

(2)上下压板动作：在链板前进的时间t1内，压板处于张开状态，链板停止前进后，上下压板闭合，压板从张开到闭合所用的时间为t2。

(3)电火花切割刀口动作：上下压板闭合后，电火花切割刀口接通高频高压电源，从平铺的纤维一侧划过纤维的上下表面，电火花熔断纤维，电火花断电。电火花切断刀口从接通电源到划过纤维表面并断电所用的时间为t3。当(1)、(2)动作再次进行后，电火花切断刀口再次划过纤维上下表面，返回到初始位置，即链板、压板完成2个动作，切断刀口往复一次。

单片机控制的流程图如图4所示，时间t2远小于t1和t3，可以忽略不计。实际的单片机程序中，时间t3包括了压板的闭合和张开时间。

图4 单片机控制动作流程图

单片机控制系统采用STM32F103系列，用Keil μVision5软件C语言编程，实现步进电动机调速、上下压板动作、电火花切割刀口点火及划过纤维上下表面的控制单元的联动，达到有效切断聚酰亚胺纤维、获得规定长度的短切纤维的目的。

综上所述，随着单片机技术的发展以及在机械装备方面的辅助控制应用，单片机在工业上的应用越来越多，与PLC系统相比较，质优价廉。具体在聚酰亚胺纤维短切装置上的应用，能够精准调节电动机的转动速度、执行机构的动作和开关量的通断，切断规定长度的短纤。

3 结语

本文主要是根据聚酰亚胺纤维的特性，以及市场上对聚酰亚胺短切纤维的需求，结合市场上常用的纤维切断装置，利用电火花放电产生电弧的原理，设计一套由单片机辅助控制的新型纤维切断装置，以电弧为切断刀口，熔断聚酰亚胺纤维，实现切断功能。该套纤维短切装置，在电弧处增加惰性气体保护，也可以切断其他高强高模的纤维。这既不会有折断的刀片混入短纤中，也不会由于纤维的高强高模特性导致切不断的现象出现，为实现高性能纤维切断成超短纤维提供了一种可行装置及切断的方法。