龙门滚刀式全自动织物制样机设计及应用

文/冯烨 聂鑫 谢利国

1 引言

在纺织品有害化学物质含量检测中，需要将待测样品裁剪为（5×5）mm的小块，以利于后续萃取操作[1]。目前，大部分实验室在该环节采用剪刀等简单工具由手工完成制备过程，该方式无法保证样品制备结果的稳定性和一致性[2]；部分实验室采用的刀模式织物制样机提高了该环节的效率，但其使用的刀模存在磨损快、易粘连的问题[3]。针对上述现状本文介绍了一种采用龙门滚刀裁切方式的织物全自动制样机，实现了安全高效、稳定可靠的样品制备。

2 制样机结构及工作原理

龙门滚刀式全自动织物制样机整体设计方案如图1所示，主要由切刀架机构、偏移机构、收集罩、气源处理器、机身、触摸屏、吹尘装置、切割平板、旋转平台、双直线导轨线性模组构成。

图1 制样机整体设计方案

制样机采用PLC（可编程逻辑控制器）自动控制，一键启动傻瓜式操作。检测人员将待裁切样品置于切割平板上，在触摸屏中点击启动按钮，双直线导轨线性模组带动切刀架机构向切割平板运动，同时刀架上的气缸向下推动刀片串联机构到裁切位置，刀片滚过待裁切样品后将样品裁切为宽度为5mm的长条，切刀架机构运行到双直线导轨线性模组末端位置时，旋转平台内的气缸带动切割平板旋转90°，双直线导轨线性模组再次带动切刀架机构返回到初始位置后，刀架上的气缸向上带动刀片串联机构到初始位置，样品被裁切为大小5mm×5mm的小块。

3 制样机关键部件设计

3.1 切刀架机构设计

采用进口34片圆刀片串联形式组合为裁切刀组安装于刀架机构上，同时选用可调式气缸，配合两侧线规导向保证下刀和抬刀的平稳性和同步性，经过反复切布试验，不断调整设置参数，最终达到了将待裁切样品裁切成5mm×5mm的小块，外观尺寸大小一致，同时保证了切割后小块不粘连。图2为制样机切刀架机构设计。

图2 制样机切刀架机构设计

3.2 旋转平台设计

研制初期旋转平台驱动和定位方式采用旋转气缸加锁定气缸组合的形式，试验过程中发现不能满足设计需要，随即改为带齿轮齿条的摆动气缸，试验结果表明该方式可以保证旋转90°后平台不会出现微小松动，同时增设平面轴承提高旋转平台抗压性和平稳性。平台上的切割平板采用进口PEEK（聚醚醚酮塑料）防静电板，在减少刀片损伤的同时，已能延长自身使用寿命。图3为制样机旋转平台设计。

图3 制样机旋转平台设计

3.3 偏移机构设计

偏移机构设计的目的是为了使滚刀片和切割平板的使用寿命达到最优化。制样机每运行一次，刀片机构就会按触摸屏上设定好的偏移值进行循环偏移。采用一体式T型丝杆步进电机，配合两副高精度直线导轨驱动刀片组运动，保证了水平偏移的可靠性和平稳性，大大提高了滚刀片和切割平板的使用寿命。图4为制样机偏移机构设计。

图4 制样机偏移机构设计

进过一系列的优化改进，最终形成机械结构设计图纸、电气接线图纸、PLC及HMI程序等设计输出资料，样机经过反复调试，结合试验数据优化设置参数，初步确定样机技术参数满足设计输入要求。图5为制样机物理样机。

图5 制样机物理样机

4 制样机功能验证试验

样机生产完成后，本文开展了功能验证试验。试验结果表明：龙门滚刀式制样机直接采用圆形刀片裁切待测样品，避免了刀模中弹性材料老化带来的切割不透、静电粘连现象，采用圆形滚刀15秒完成样品裁切，比刀模裁切样品26秒效率提高40%，比手工制样60秒效率提高3倍。图6为刀模和滚刀裁切结果对比。

图6 刀模和滚刀裁切结果对比

5 结语

本文介绍的龙门滚刀式全自动织物制样机采用扁平化设计有效降低了整机高度；配置的负离子吹风收集装置在去除刀片静电的同时，收集制样后残渣，避免二次制样污染。

全自动织物制样机解决了长期困扰样品制备环节劳动强度大，制备结果一致性差的问题，提高了该环节的仪器化水平，确保了检测数据的可靠性。