论文完整整理-电纺丝薄膜成形机的控制系统设计及实现

石家庄铁道大学毕业论文电纺丝薄膜成形机的控制系统设计及实现Designing and Realizing of the Electrospinning Film Forming Machine Control System2012 届 专 业 学 号 学生姓名 指导教师 完成日期 2012 年 6 月 1 日毕业论文成绩单学生姓名毕业论文题目 电纺丝薄膜成形机的控制系统设计及实现指导教师姓名 齐海波指导教师职称 教授评 定 成 绩指导教师 得分评阅人 得分答辩小组组长 得分成绩：院长签字：年 月 日毕业论文任务书题目 电纺丝薄膜成形机的控制系统设计及实现学生姓名承担指导任务单位 金属材料系 导师姓名 齐海波 导师职称 教授一、设计内容1电纺丝薄膜成形机控制软件的设计；2电纺丝薄膜成形机可控运动的实现。二、基本要求1了解电纺丝基本原理；2具备良好的机电知识；3动手能力强、沟通能力强。三、主要技术指标1电纺丝薄膜成形机的运动机构的运动状态，包括速度、时间、位移等；2电纺丝薄膜成形机的效率以及制得的薄膜的性能。四、应收集的资料及参考文献1有关电纺丝技术的发展历史，基本知识与理论；2目前电纺丝技术发展现状，电纺丝薄膜成形机的研究概况。3有关计算机辅助制造，PMAC 运动控制卡的相关资料4. 收集的参考文献不少于 10 篇，其中外文不少于 2 篇。五、进度计划第 4 周 第 6 周：资料收集、外文翻译、方案制定、开题报告；第 7 周 第 9 周：电纺丝薄膜成形机控制软件的设计；第 10 周 第 15 周：电纺丝薄膜成形机可控运动的实现；第 16 周 第 17 周：撰写论文、准备答辩。系主任签字 时间 年 月 日毕业论文开题报告题目 电纺丝薄膜成形机的控制系统设计及实现学生姓名一、研究背景电纺丝(electrospinning)又称静电纺丝(electrostatic spinning)，是一种利用聚合物溶液或熔体在强电场作用下形成喷射流进行纺丝加工的工艺。近年来，电纺丝作为一种可制备超精细纤维的新型加工方法，引起了人们的广泛关注。理论上，任何可溶解或熔融的高分子材料均可进行电纺丝加工。目前世界上已成功进行电纺丝加工的聚合物超过 30 种，包括 DNA、胶原、丝蛋白等天然高分子，以及聚氧乙烯、聚丙烯腈、聚乳酸、聚酰亚胺、尼龙、聚乙烯醇、聚己内酯、聚氨酯等合成高分子。在电纺丝过程中，喷射装置中装满了充电的聚合物溶液或熔融液。在外加电场作用下，受表面张力作用而保持在喷嘴处的高分子液滴，在电场诱导下表面聚集电荷，受到一个与表面张力方向相反的电场力。当电场逐渐增强时，喷嘴处的液滴由球状被拉长为锥状，形成所谓的泰勒锥(Taylorcone)。而当电场强度增加至一个临界值时，电场力就会克服液体的表面张力，从泰勒锥中喷出。喷射流在高电场的作用下发生震荡而不稳，产生频率极高的不规则性螺旋运动。在高速震荡中，喷射流被迅速拉细，溶剂也迅速挥发，最终形成直径在 nm 级的纤维，并以随机的方式散落在收集装置上，形成无纺布。目前电纺丝制备薄膜存在的主要问题，由于电纺丝技术的工艺特点，最终所得电纺丝薄膜的均匀性造成严重的影响，进而影响到薄膜的光电性能和实际应用，同时电纺丝技术的产量极低，大面积成膜设备较少。二、国内外研究现状2003 年 9 月，捷克利贝雷茨大学与 Elmarco 公司合作，研制出了世界上首台纳米纤维纺丝机纳米蜘蛛。纳米蜘蛛取消了传统电纺中的喷丝头，取而代之的是一个圆筒，圆筒被部分浸入到聚合物溶液中，不断转动并在电场作用下形成无数 Taylor 锥，Taylor 锥喷射射流群形成纳米纤维，将生产效率由传统的单喷丝头纺丝机的 111g/h 提高到15g/min，并能生产宽幅超过 1m 的大面积无纺布，为未来电纺丝纳米纤维的大规模工业化生产打下了良好的基础。目前全球参与电纺丝产品研制开发的大型公司和企业约有几十家，如 Elmarco 公司、Freudenberg 公司、 Donalson 公司、日本的株式会社、美国的 STARInc.公司和 eSpin 公司等。我国目前电纺丝科研技术处于世界先进水平，但一直没有形成规模的工业生产。其中，永清华源生物材料科技公司生产的 HY1 型静电纺丝设备，在国内和日本加多公司的 neu 型形成鲜明的对比。HY1 型电纺丝设备把传统的机械操作分布式功能，利用数控机械装置集成化实现。在纺丝过程中，通过推注，往复平移等控制系统对液体流速进行精确控制。实现了真正操作简单、可重复性、小规模生产批量化的特点。目前，该公司已研制出了国内首台纳米纤维大型纺丝机Sining，能生产宽幅为 1m 的大面积无纺布，产率约为 100m/min。这意味着国内电纺丝纳米纤维的大规模工业化生产已经开始。三、预期达到的目的(1) 通过此次毕业论文工作掌握电纺丝薄膜成形机的控制系统设计及实现；(2) 使用搭建好的运动平台完成电纺丝薄膜的制备和加工；(3) 分析薄膜的性能。四、研究方案本设计是在了解国内外有关电纺丝薄膜成形机发展现状的基础上，自己配置电纺丝薄膜成形机的各种设备器件，查阅有关参数设置资料，用 VC 设计电纺丝薄膜成形机控制系统，实现电纺丝薄膜制备的自动控制以及大面积制备薄膜，并对成形的薄膜进行热处理，分析热处理后的薄膜性能，最终找到使薄膜的性能达到最佳的方案。五、进度计划第 4 周 第 6 周：资料收集、外文翻译、方案制定、开题报告；第 7 周 第 9 周：电纺丝薄膜成形机控制软件的设计；第 10 周 第 15 周：电纺丝薄膜成形机可控运动的实现；第 16 周 第 17 周：撰写论文、准备答辩。指导教师签字 时 间 年 月 日摘 要电纺丝技术已广泛应用到各个领域，如质谱、涂料、喷墨打印等，该技术为制备各种超细纤维例如高分子材料、复合材料、陶瓷材料等提供了一种简单而通用的方法。在电纺丝技术中，电纺丝设备占有举足轻重的地位。本设计针对电纺丝薄膜成形机控制系统需求，用 VC+高级语言编写电纺丝薄膜成形机控制界面以及控制程序，以此控制二维可控运动平台的运动以及退火机构的均匀加热。并用 PMAC 语言编写运动控制程序，设计不同的平台运动形式和退火机构的运动形式，实现电纺丝薄膜成形的计算机控制以及大面积制备薄膜，完成制备大面积厚度均匀的薄膜，并完成薄膜的热处理，改善薄膜的性能，为大面积制备均匀薄膜提供了平台。关键词： 电纺丝薄膜 PMAC VC+ 控制 工艺参数AbstractThe electrostatic spinning technology has been widely applied to various fields, such as mass spectrometry, paint, ink jet printing.The technology for the preparation of ultrafine fibers such as polymer materials, composite materials, ceramic materials, provides a simple and general method. In the electrostatic spinning technology, electrospinning equipment occupies a decisive role.This design is for the electrospinning film forming machine control system needs, using VC+ to write the the electrospinning film forming machine control interface and control program, in order to control the movement of the two-dimensional controlled motion platform and uniform heating annealing device. And write the movement control programm with the PMAC language, design a variety of platform motion form and annealing mechanism motion form.Eventually, realize electrospinning film forming under computer control, complete the preparation of a large area of uniform thickness of the film,and complete the heat treatment of the film,improve the performance of the film.It provides a platform for large-area uniform thin film preparation. Key words: electrostatic spinning film PMAC VC+ control rocess parameters目 录摘 要 .5Abstract.1目 录 .2第 1 章 绪论 .11.1 电纺丝薄膜成形技术介绍以及国内外研究概况 .11.1.1 电纺丝薄膜成形原理 .11.1.2 电纺丝技术制备薄膜的国内外研究概况 .31.2 电纺丝技术制备薄膜存在的问题 .51.3 电纺丝薄膜成形机的提出 .51.4 论文主要研究内容 .6第 2 章 电纺丝薄膜成形机控制软件开发 .82.1 引论 .82.2 电纺丝薄膜成形机控制系统功能需求分析 .82.2.1 控制对象分析 .82.2.2 控制软件结构设计 .92.3 控制系统功能介绍 .112.4 PC 与 PMAC 界面 .122.4.1 控制软件界面设计分析 .122.4.2 主界面设计 .132.4.3 设备初始化模块 .142.4.4 参数设置模块 .152.4.5 工艺过程自动控制模块 .162.4.6 工艺过程手动控制 .172.4.7 临时动态窗口 .182.5 参数管理 .182.6 本章小结 .18第 3 章 电纺丝薄膜成形机控制方式的研究与实现 .203.1 对电纺丝薄膜成形机制系统的要求 .203.2 电纺丝薄膜成形机控制系统设计 .203.4 电纺丝薄膜成形机控制系统工作流程 .263.5 本章小结 .31第 4 章 结论 .32致 谢 .33参考文献 .34附 录 翻译 .36石家庄铁道大学毕业论文1第 1 章 绪论1.1 电 纺 丝 薄 膜 成 形 技 术 介 绍 以 及 国 内 外 研 究 概 况1.1.1 电纺丝薄膜成形原理电纺丝(electrospinning)又称静电纺丝 (electrostatic spinning)，是 20 世纪 30 年代的一项专利发明，是一种利用聚合物溶液或熔体在强电场作用下形成喷射流进行纺丝加工的工艺。但是从科学基础来看，此发明可视为静电雾化(Electrostaticatomization)的一种特例，其概念是 Zeleny 在 1917 年提出的。当施加的电场力克服了液体的表面张力时，将发生静电雾化。电纺丝是一种不同于常规方法的纺丝技术，它是基于高压静电场下使得电流体产生高速喷射的原理 1发展而来。近年来，电纺丝作为一种可制备超精细纤维的新型加工方法，引起了人们的广泛关注。理论上，任何可溶解或熔融的高分子材料均可进行电纺丝加工。目前世界上已成功进行电纺丝加工的聚合物超过 30 种，包括 DNA、胶原、丝蛋白等天然高分子，以及聚氧乙烯、聚丙烯腈、聚乳酸、聚酰亚胺、尼龙、聚乙烯醇、聚己内酯、聚氨酯等合成高分子。电纺丝最主要的特点是所得纤维丝的直径较细，新形成的无纺布是一种有纳米级微孔的多孔材料，因此有很大的比表面积，有多种潜在用途。电纺丝设备构成(如图 1.1)所示：主要由高压发生器、溶液存储装置、供液装置、喷嘴以及接收装置五部分组成。1 40kV接收距离 接收装置玻璃板接地铝板溶液存储装置 溶液喷嘴供液装置 高压发生器 图 1.1 电纺丝装置示意图石家庄铁道大学毕业论文2电纺丝薄膜成形原理如下：高压静电场，一般在几千到几万伏，由高压电源产生，( 如图 1.2)在毛细喷丝头和接地极间瞬时产生一个电位差，使溶液存储装置内的溶液克服自身表面张力和粘弹性力的作用，在喷丝头末断呈现半球状的液滴。随着电场强度增加，液滴被拉成圆锥状即形成 Taylor 锥 2。当电场强度超过一临界值后，液滴将克服自身表面张力形成射流，射流在电场中进一步加速，直径减小，拉伸成一直线至一定距离后弯曲，进而循环或者沿螺旋形路径行走，伴随溶剂的挥发，形成直径在几十纳米到几微米之间的纤维，所成纤维落在收集装置上经过不断叠加形成无纺布状的纳米纤维网，最后经过退火后处理，使得纤维网中的残余溶剂及有机物挥发掉，最终成膜材料在收集装置上均匀铺散形成具有一定厚度的薄膜。图 1.2 制备电纺丝薄膜使用的高压电源相对于制备薄膜的其它方法(磁控溅射法 3)来说，用电纺丝法制备薄膜具有的优点：(1) 电纺丝法无需真空条件；(2) 电纺丝设备相对来说简单廉价，快速高效，操作简单易行且制备过程无污染；(3) 电纺丝法制备导电薄膜对材料的利用率较高；(4) 电纺丝法所制得的导电薄膜厚度均匀、空隙率高、孔径小、长径比大、导电及透光性能优良、力学性质较好；(5) 电纺丝法还可以在曲面衬底上大面积高效成膜，可以满足各种形状以及各种尺寸 OLED 的需求；(6) 电纺丝法还可以通过调节各种工艺参数包括不同溶剂、溶液浓度、催化剂的浓度、粘合剂与半导体剂量比、液滴表面张力、两极间的距离、电压大小和电场石家庄铁道大学毕业论文3分布、溶液的流速、喷料口的直径、形状和数量、空气的流动、环境温度、湿度等来控制成膜的厚度，均匀性以及成膜速度等。1.1.2 电纺丝技术制备薄膜的国内外研究概况至今，静电纺丝技术的历史已有将近 100 多年，但一直没有相关人员对其进行深层次的研究。近 10 年来，随着国内外对纳米科技研究的不断发展，静电纺丝作为一种可以制备纳米级纤维的技术才引起人们的关注，有越来越多的人对电纺丝技术进行了相关研究。国外对静电纺丝技术的研究起步较早，研究方面较广，而且相关研究也较深入和系统。研究的热点主要集中在以下 4 个方面：(1) 对不同类型的聚合物溶液或熔体进行电纺丝实验，并对影响电纺丝过程的因素进行分析研究；(2) 研究电纺丝过程的工艺参数 (如电压、接收距离、纺丝溶液浓度、粘度等 )对电纺丝过程的影响；(3) 对电纺丝法所制备的纤维进行检测，并对其结构、性能等进行分析研究；(4) 对静电纺丝技术的工业化及产品应用领域及前景的研究。目前国外电纺丝技术主要取得的研究成果有：日本九州大学的 Ohkawa 等用具有不同挥发性的溶剂来制备纯壳聚糖溶液并进行电纺丝试验 4，通过对制备出的纤维进行形态上的分析研究，结果发现采用挥发性强的溶剂制备出的纯壳聚糖溶液比采用挥发性弱的溶剂制备出的纯壳聚糖溶液经过电纺丝制备出的纤维具有更好的均匀性。Liu 用丙酮/二甲基乙酰胺作为溶剂配制出醋酸纤维素(CA) 溶液 5，并对其进行电纺丝试验，研究了可以进行电纺丝试验的纺丝溶液粘度范围。Doshi 和 Reneked经过电纺丝试验发现 6：当纺丝溶液的黏度低于 0.8Pas 时将无法形成稳定的纺丝过程，而当纺丝溶液的黏度高于 4Pas 时则容易造成毛细管口的堵塞而影响正常的电纺丝过程。Qiu 等人对聚对乙烯基苯(PPV)进行静电纺丝试验，制备出纤维直径可达 4nm的 PPV 纳米纤维。Zong 等人对聚乙交酯(PGA)、聚丙交酯 (PLA)和乙交酯丙交酯的共聚物(PGAcoPLA)进行电纺丝试验，制备出可以作为植入器官和组织载体的具有高吸附性的无纺布。Ziegler 等用掺有铜酞菁和 TiO2 纳米半导体粒子的聚丙烯晴进行电纺丝后制备出一种柔韧的光电薄膜 7。Buchko 等通过对蛋白质溶液进行电纺丝试验，发现所得纤维直径随着电压的增加而变小 8。20 世纪末，国内才开始对静电纺丝技术进行了相关研究，可以说仍然处于起步阶段，对电纺丝技术深层次的研究更缺少系统的深入研究和理论指导。石家庄铁道大学毕业论文4近几年来，国内研究人员对电纺丝技术的研究取得了显著的成果，主要的研究成果有：中国科学院广州化学所的赵胜利等成功将乙基氰乙基纤维素电纺成纤维 9；江南大学生态纺织教育部重点实验室的高大伟等采用静电纺丝法制备了聚丙烯腈(PAN)/聚醋酸乙烯酯(PVAc)复合纳米纤维膜 10；苏州 大学的刘芸等利用电纺丝法成功纺制出了 PVA 与再生丝素的共混纤维 11；中国纺织科学研究院的张锡玮等利用电纺丝法成功纺制出了纳米级聚丙烯晴纤维毡，并对电纺丝过程的工艺参数对所得纤维直径产生的影响进行了分析 12；天津大学材料科学与工程学院的张春雪等对聚乙烯醇进行了电纺丝试验，并对纺丝工艺条件作了初步的研究 13；清华大学化工系高分子研究所材料科学与工程研究院的方壮熙等利用电纺丝工艺制备出了超细聚 羟基丁酸酯戊酸酯(PHBV)纤维，并对其在共混血管支架方面的应用进行了探索性研究；天津大学材料科学与工程学院的董存海等将可生物降解的聚合物壳聚糖/聚氧化乙烯和丙交酯进行电纺丝试验，并制备出了直径在 200900 nm 的纤维 14。青岛大学物理科学院的龙云泽等利用具有网状结构的导电模板和绝缘模板作为电纺丝收集装置，制备出了图案化的纳米纤维薄膜，并研究了薄膜的微观形貌和结构等，对薄膜形成的机理进行了理论分析。天津大学机械工程学院力学系的徐家福等采用静电纺丝法制备出了聚氨酯的纳米级纤维薄膜，并对不同比例电纺丝溶液纺织出的纳米纤维薄膜进行了表面形貌观察(如图 1.3)。天津国家生物防护装备工程技术研究中心的夏苏等通过静电纺丝工艺制备出了聚氨酯无纺布，然后将其在 WRSC35 拒水处理剂中进行处理，测试其透湿量、耐静水压、吸水率和力学性能 15。华南理工大学材料科学与工程学院的胡建聪采用自己搭建的电纺丝设备对聚酰胺酸(PPA)溶液进行了电纺丝试验并制备出了 PPA 纤维无纺布状薄膜 16。东南大学生物电子学国家重点实验室的韩国志等利用静电纺丝技术制备出了具有高取向性的纤维薄膜 17。江南大学生态纺织教育部重点实验室的肖学良等在甲酸中溶解具有不同质量比的聚乙烯醇(PVA)和壳聚糖(CS)并配制成混合溶液，然后进行静电纺丝试验，得到了 PVA/CS 共混纤维毡 18。北京 服装学院材料科学与工程学院的王伟媛等利用静电纺丝技术制备出了高收缩聚酯(HSPET)的纤维膜 19。日本广岛大学的 Muhammad Miftahul Munir 等利用静电纺丝技术制备出了电纺丝纳米纤维和电纺丝薄膜，并对电纺丝纳米纤维的直径、微观形貌、结晶性、光电性能以及电纺丝薄膜的光电性能进行了研究 20。目前，国内外关于电纺丝法制备薄膜的研究很少。但有相当一部分研究是在利用电纺丝技术来制备无纺布状的纤维毡或纤维网，从某种意义上讲，无纺布状的纤维毡或纤维网就是一种具有高孔隙率的特殊形态下的薄膜。一些国内外对纳米材料进行相关研究的科学家认为，无纺织布的生产将会成为未来材料发展中的热潮。石家庄铁道大学毕业论文5图 1.3 不同比例电纺丝溶液纺制出的纳米纤维薄膜的扫描电镜照片1.2 电 纺 丝 技 术 制 备 薄 膜 存 在 的 问 题目前利用电纺丝法制备薄膜技术的研究和应用还仍然停留在实验室研究阶段，主要是由于存在以下问题：(1) 在利用电纺丝技术制备电纺丝薄膜的过程中，纳米悬浮液要经过纺丝射流的形成、拉伸、溶剂的挥发、分散剂的分解以及形成纤维的流动等过程，最终形成薄膜。由于电纺丝技术的工艺特点，纺丝射流在形成和拉伸的过程中存在着不稳定性，再加上在退火过程中残余溶剂和分散剂 PVP 的分解和挥发分，都会给最终所得电纺丝薄膜的均匀性造成严重的影响，进而影响到薄膜的光电性能和实际应用；(2) 电纺丝技术的产量极低，大面积成膜设备较少，因此，对其生产效率的研究是利用电纺丝技术制备电纺丝薄膜走向产业化的关键；(3) 由于电纺丝机设计的构型，此法得到的只能是无纺布，而不能得到纳米纤维彼此可分离的长丝或短纤维；(4) 由于多数条件下电纺丝中的拉伸速率较低，纺丝路程很短，因此在这一过程中高分子取向发展不完善，结果使得电纺纳米纤维的强度较低。1.3 电 纺 丝 薄 膜 成 形 机 的 提 出制备电纺丝导电薄膜的方法很多，根据生产原理的不同，电纺丝薄膜的生产技术主要有磁控溅射法、化学气相沉淀法、喷雾热分解法、真空蒸发法，以及近年来发展起来的溶胶凝胶( SolGel)技术等可大面积成膜的工艺 21。静电纺丝并以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点，已成为制备纳米纤维薄膜材料的主要途径之一，商业化生产出的电纺丝薄石家庄铁道大学毕业论文6膜成形装置(如图 1.4、图 1.5)。图 1.4 电纺丝法制备 ITO 薄膜装置 图 1.5 电纺丝法制备 ITO 薄膜装置然而，利用静电纺丝技术制备纳米纤维还面临一些需要解决的问题：(1) 静电纺丝机 10 对所得产品结构和性能的研究不够完善，生产出的薄膜的比面积小，最终产品的应用大都只处于实验阶段，尤其是这些产品的产业化生产还存在较大的问题；(2) 电纺丝机如何制备出适合需要的、高性能的电纺丝薄膜是研究的关键；(3) 国内外对于高压静电纺丝工作电场的有限元分析 11 和优化研究几乎还没有。因此，本课题中设计的电纺丝薄膜成形机，希望实现操作简便、占用空间小、成形空间大、便于维修等特点，并在此基础上实现电纺丝薄膜的连续化生产。基于此，通过配置电纺丝薄膜成形机的各种设备器件，对电纺丝薄膜成形机进行结构设计，用设计二维可控运动平台的运动形式，VC+ 高级语言编写电纺丝薄膜成形机控制界面，通过计算机终端操控，使其对成膜的厚度、面积、均匀性等具有很好的可控性，保证在薄膜成形面积较大的前提下使薄膜厚度均匀、导电性能良好，实现电纺丝薄膜制备的自动控制以及大面积制备薄膜，并对成形的薄膜进行热处理，分析热处理后的薄膜性能，找到使薄膜性能达到最佳的工艺参数。1.4 论 文 主 要 研 究 内 容本设计是在电纺丝薄膜成形机结构设计及实现完成的基础上，进行电纺丝薄膜成形机的控制系统设计及实现，研究的主要内容主要包括以下方面：(1) 对电纺丝薄膜成形机功能需求的分析，分析控制对象的特点，设计合理的控制软件结构；石家庄铁道大学毕业论文7(2) 用 VC+设计控制软件界面，设计各界面的布局，力求合理，编写控制程序代码，实现电纺丝薄膜成形加工过成的自动控制、手动控制、数据文件的生成、系统手动调试、参数管理等功能；(3) 开展初步的实验研究，用电纺丝薄膜成形机控制系统完成薄膜的喷涂、热处理工艺，为今后进一步的工艺研究打下基础。石家庄铁道大学毕业论文8第 2 章 电纺丝薄膜成形机控制软件开发2.1 引 论电纺丝薄膜成形机成形系统由高压发生器、二维运动平台、控制系统组成。其中控制系统包括两部分：根据电纺丝薄膜工艺要求设计开发的控制柜，以及电脑终端控制系统。电纺丝薄膜成形机控制柜主要部分由电源、PMAC 运动控制卡、JMACH 转接板、驱动器组成。电脑终端控制系统由是由 VC+编写的控制界面，通过在电脑终端的操控，最终能够实现对电纺丝薄膜成形机的一系列控制，从而实现大面积成膜。本章所研究的系统控制软件是指与电纺丝薄膜成形机硬件相结合，实现电纺丝薄膜成形机的控制软件，此处需要说明的是，由于本系统的特殊性，系统控制软件并不对整个系统进行控制，而是对工艺过程自动进行过程中所涉及到的部分进行控制，其他部分( 如高压部分)，这些被控对象在工艺工程中不需变化，因此可以不用工艺控制软件来控制，而采用事先手动设定的办法。控制软件的开发环境如下：硬件环境：PC 机，P4 2.4C 处理器，2G 内存，120G 硬盘操作系统：Windows XP 操作系统开发环境：Visual C 6.0PMAC 卡通讯工具：PTalkDT 22 ActiveX Control232.2 电 纺 丝 薄 膜 成 形 机 控 制 系 统 功 能 需 求 分 析2.2.1 控制对象分析系统控制软件最重要的功能就是通过控制系统硬件使设备自动实现整个工艺流程，最终制得电纺丝薄膜。电纺丝薄膜成形机控制系统的整个工艺过程：首先对电纺丝薄膜成形系统进行初始化，之后由电脑终端向 PMAC 控制卡发出指令，指令经转接板、驱动器，转变为电信号传送给二维运动平台上的步进电机，步进电机接收信号，开始运动，其运动状态实时反馈给电脑终端，并显示在显示器上，以便随时调整二维运动平台的运动状态。电纺丝薄膜制备完成后，经过同样的控制过程，由电脑终端对预热退火装置进行控制，对电纺丝薄膜进行热处理，其工作流程(如图石家庄铁道大学毕业论文92.1)。图 2.1 电纺丝薄膜成形机运动控制系统流程图从运动控制系统流程图可以看出，系统控制软件在工艺过程中需要对以下几个部分进行控制或操作：(1) 电纺丝二维运动平台。包括平台的 X 轴方向步进电机、 Y 轴方向步进电机、光电开关、限位开关。该部分由电脑终端控制系统发出指令，指令传给 PMAC 控制卡，通过 JMACH 转接板和驱动器给步进电机信号，来控制电纺丝薄膜成形机二维运动平台的运动。输入的信号指令不同，二维运动平台的运动方式也不同，速度、加速度、运动方向都可以实现实时控制；(2) 预热退火热装置。该部分主要包括控制卤钨灯的步进电机。该部分由电脑终端控制系统发出指令，指令传给 PMAC 运动控制卡，通过 JMACH 转接板和驱动器给步进电机信号，通过步进电机来控制卤钨灯的运动方向和运动速度。2.2.2 控制软件结构设计一般来讲，控制软件应当与功能模块具有相似的结构，但功能模块的划分一方面并未考虑数据流的问题，直接按照其得到的软件结构可能数据流并不合理，因此有必要再进行数据流的分析；另一方面功能模块未考虑功能数量适中的问题，即某个模块功能过多，会导致程序冗长，不利于开发、调试和改进。因此为了使控制软件结构清晰布局合理，同时便于调试和改进，结构设计中主要采用了以下程序设计石家庄铁道大学毕业论文10思路和技术：(1) 基于软件功能的模块化结构，同时兼顾数据流的结构和模块体积的大小，将软件的结构设计为包含多个模块的结构，模块之间通过定义的标准数据接口通讯，各个模块由主程序按需调用；(2) 不同的模块尽量采用动态链接库(DLL) 的形式，与主程序在形式上分离，这样程序局部改动的时候仅需改动相应 DLL 模块即可，同时保证按照原定的数据接口进行通讯，这样不会对整体产生影响；(3) 充分利用 VC面向对象编程的特点，将不同功能定义成不同的类并进行封装，有利于数据保护和程序结构的清晰化；(4) 利用多线程技术 24将对用户界面的控制和对其他诸如数据处理、工艺过程等的控制相分离，用不同的线程实现，这样一方面使程序运行更加高效，另一方面保证了重要环节如对工艺过程的自动控制的可靠进行。基于以上考虑可以将程序分成六个模块：数据文件管理、参数管理、自动工艺控制、手动工艺控制、设备初始化、PCPMAC 通讯等。(1) “成形工艺控制”功能在这里由“自动工艺控制”和“手动工艺控制”两个模块共同实现；(2) 增加 PMAC 通讯模块，专门作为各个模块与 PMAC 通讯的接口工具。在以上功能模块分析和数据流分析的基础上，利用“面向对象”的程序设计思想，可以将软件中各个程序模块用如表 2.1 所示的方法创建为类。需要指出的是，表 2.1 中不含代表整个工艺过程的数控代码生成的类，这是因为控制软件中并不包含工艺控制代码自动生成类，扫描控制代码的生成和扫描过程的实现均由 PMAC 中存储的运动程序和 PLC 程序实现，预热退火装置的运动也由一个被系统控制程序调用的 PMAC 运动程序实现。因此在整个工艺控制过程中，并无完整的数控代码文件产生或输出。表 2.1 控制软件主要类说明类名称 说明CESFParameters 参数设置类CESFRPProcess 自动工艺控制类CESFManualRP 手动工艺控制类CESFPanel 调试及初始化面板类CESFDlg 主界面类CESFPTalkDT PCPMAC 通讯类石家庄铁道大学毕业论文11CESFProcessNC 文件处理类不过从另一方面考虑，一般成熟的数控代码具有通用性，面对的是各种应用场合，因此必须通过代码对数据进行“包装”，而由控制系统进行解释、执行。就本系统而言，由于是针对专门的应用开发的控制系统及其软件，特别是电纺丝薄膜成形机控制系统，扫描过程中 PMAC 仅需对单一格式的数据进行单一形式的处理，因此可以将“包装”的过程完全省略掉，由控制软件中的自动成形控制模块将数据管理模块从数据文件中提取的数据经过数据处理后连同工艺参数一起直接发送至PMAC 中指定的存储器中，由 PMAC 中专门的扫描控制程序对数据进行处理并实现运动的控制。因此从这个角度讲，把从数据文件中提取的数据做数据处理后组成特定的格式进行发送也是数控代码自动生成的一种形式。最终将软件分成四个部分：一个可执行文件 ESF.EXE，两个动态链接库NC.DLL 以及 LPFMaker.DLL，以及一个 PMAC 程序包；ESF.EXE 其中包含了表 2.1所示的前六个部分，集中了程序的大部分功能；NC.DLL 中则包含了CESFProcessNC 模块，用于实现数据文件管理和数据提取、处理等工作，单独将数据文件的处理工作作为一个 DLL 的原因是软件的这一部分随着研究的开展可能需要进行改进，这种形式的结构在做局部改动的时候对整体影响最小。PMAC 运动程序包则用来实现二维运动平台运动指令的自动生成和发送、以及预热退火装置特定的工作循环控制等功能。2.3 控 制 系 统 功 能 介 绍对于一台试验设备而言，控制软件的主要作用是首先保证整个工艺过程的长期稳定运行，同时要使可调参数尽量多，便于在试验过程中有尽可能大的实验研究余地，就是说设备要有较好的开放性；而用户界面中与重要参数关系不大的部分由于会占用一定的开发时间，且对于试验设备来说意义不大，所以尽量简单。对一个软件来说，需要具有良好的可维护性和可扩展性，而模块化设计的软件可以达到这样的效果；另一方面随着设备和工艺研究的进一步深入，硬件系统的改动和改进也是可以预见的，因此必须使软件保持较好的开放性和条理性，便于今后软件的局部改动；此外软件必须提供友好的人机界面，能通过界面对设备的状况、参数等清晰的表达出来，同时要便于使用者的操作。在这样的指导原则下，本控制软件主要应当包括以下功能：(1) 数据文件的处理。如扫描路径数据、扫描次数数据的提取、成形时间的预估等；石家庄铁道大学毕业论文12(2) 整个工艺过程控制指令序列的生成。有两部分：电纺丝薄膜成形机运动控制代码的生成和相关参数，进行数据形式的转换、插值计算直到控制信号的输出，以及二维平台运动循环控制代码的生成；(3) 工艺参数管理。包括参数文件输入、手动输入、保存等功能；参数包括电纺丝薄膜成形机运动控制操作系统的所有运动参数等；(4) 工艺过程的自动控制。应当还包括工艺过程的异常中断、单步执行等功能；(5) 对电纺丝薄膜成形机各个部件的单独调试；(6) 单独运行其他数控程序。考虑到系统的核心控制器 PMAC 可以运行 PMC和 PLC 等类型的程序，因此除通过控制界面对各个部分进行调试以外，还可以编写这类程序对系统进行更为多样的调试；另一方面，这类程序还可以作为系统控制程序的补充，实现控制程序本身无法实现的功能。将上述功能进行合理的模块化后得到的控制软件功能组成(如图 2.2)。图中对各个模块的功能进行了细化。其中手动调试模块包括了对系统各个部分调试以及单个数控程序运行的功能，其他模块的功能与上述各项基本对应。图 2.2 控制软件界面构成结构图2.4 PC与 PMAC界 面2.4.1 控制软件界面设计分析软件采用用户图形界面(GUI)，界面的设计从以下几点出发：(1) 用户图形界面有两种主要形式，一种以图形、文字交互为长处的窗口式界石家庄铁道大学毕业论文13面，另一种是以简短指令、少量数据交互为强项的对话框类界面；本控制软件的功能主要是对试验设备进行控制、调试，并实现工艺对特定工艺过程的控制；人机交互的过程中没有图形、大量文字等数据信息的交互，仅需要简短控制指令的发送和文件数据的传输，对于大量的数据处理如控制指令的生成等均在后台进行，没有界面交互，从这几点来看对话框类界面更适合本控制软件的需要；(2) 尽量使界面简单，便于操作者的熟悉和使用。因此在界面设计中尽量使当前无用的信息和界面内容不显示，如尽量不采用静态窗口，采用模态对话框等；(3) 采用适当数量的临时窗口，改善人机交互的友好性，避免误操作。基于以上考虑，系统的主界面以及所有功能界面均采用通用的对话框界面形式，用对话框中的控件如按钮、文本框等作为人机交互的手段，同时采用大量的动态窗口(在某特定模块中为便于交互信息而临时生成的窗口)加强人机交互的效果。对话框界面 24是人机交互最为直接的一种界面，其特点是实用性强，界面友好，对话框拥有种类众多，功能全面的控件，可以实现各种交互需要。界面的结构(如图 2.3)，图中所有方框均对控制软件中具有特定功能的对话框，着重表示的是软件的主对话框和功能模块的主对话框；从上至下的连线代表调用关系。图 2.3 控制软件界面构成结构图2.4.2 主界面设计控制软件的交互功能均分配在各个功能模块的主对话框内，因此控制软件没有统一与用户交互的主界面，而采用软件主对话框的形式，其主要功能是用户登陆，功能模块选择等。登陆后按照需要点击不同的功能模块按钮，主窗口自动隐藏，相应功能模块弹出。主界面采用简单界面、用户登陆等措施的原因是为了尽量避免由石家庄铁道大学毕业论文14于界面复杂而导致的误操作。软件运行的最初，在弹出主对话框之前，首先弹出“PMAC”选择对话框，对连接到上位机上的 PMAC 进行锁定，这是因为 PMAC 通讯类需要在创建其对象之前必须与 PMAC 建立联系，因此放在主窗口出现之前。图 2.4 PMAC 选择对话框图 2.5 用户登陆对话框 图 2.6 关于电纺丝薄膜成形机各功能模块包括初始化、手动成形、自动成形、参数管理等窗口仍然采用对话框的形式，用户通过对控件的操作实现交互。各功能主窗口包括软件主窗口在内的五个窗口，在任何时间均最多只有一个窗口显示在屏幕上，这样做的目的是为了使操作者在任何时间均通过界面即可清楚的知道当前正在进行的工作，而不会因为动、静态窗口、菜单栏、工具栏等对象太多而导致误操作。2.4.3 设备初始化模块设备初始化的功能对于整套系统的正常运作和常规检查均非常重要，本控制软石家庄铁道大学毕业论文15件中设备初始化模块(如图 2.7)，能够实现以下功能：图 2.7 初始化模块主对话框(1) PMAC 在线指令的发送。用于对 PMAC 系统参数的调整、个别变量的设定以及 PMAC 状态、变量的查询等；(2) 运动程序的下载和执行。包括 PMAC 运动程可以进行下载和执行，同时可以控制执行过程的暂停、中止等；(3) 电纺丝薄膜成形机运动机构位置调整，运动检查。具体功能包括二维运动平台的 X 方向运动速度、运动方向、运动模式，Y 方向运动速度、运动方向、运动模式，Z 方向运动速度、运动方向、运动模式，机构的连续运动和点动等；(4) 控制系统的初始化。初始化主要使 PMAC 系统参数复位、电纺丝薄膜成形机运动机构复位，为手动和自动工艺控制做准备。2.4.4 参数设置模块通过参数设置模块，设置运动参数，可以自动生成 PMAC 可执行文件，为手动成形和自动成形工艺过程做准备。石家庄铁道大学毕业论文16图 2.8 参数设置对话框2.4.5 工艺过程自动控制模块由于工艺研究和设备调试的双重需要，软件中同时具备工艺过程的自动控制和手动控制两种方式。工艺过程的自动控制是本软件需要实现的最重要功能，按照具体的工艺流程，控制设备的各个部分自动实现薄膜的成形。该部分主要功能包括工艺控制和用户交互，具体包括：(1) 需要将文件处理模块提取出来的数据逐批进行必要的数据处理并送至PMAC 中特定的寄存器中；(2) 在 PMAC 程序控制电纺丝薄膜成形机制膜的过程，通过对二维运动平台运动状态的改变来间接干涉制膜的过程；(3) 设定钨灯的运动参数，并调用 PMAC 中的相应程序，实现 Z 轴的运动；(4) 成形过程中重要信息的实时显示以及记录，实时显示的内容包括当前扫描位置、扫描速度、开始时间，剩余时间等等；(5) 用户对工艺过程的干涉，包括暂停、继续、中止等。自动控制模块的主对话框(如图 2.9)，为了使用方便，文件处理模块也被嵌入到该对话框之内。监控界面主要有两个作用：(1) 用于工艺自动控制过程中重要信息的显示，包括正在成形的文件地址及文件名、成形的参数、成形耗时、剩余时间以及对当前任务的提示信息等等；(2) 用户对成形过程的控制，如数据文件的读入、处理，成形过程的开始、暂停、终止，成形信息的记录等。石家庄铁道大学毕业论文17图 2.9 自动成形模块主对话框2.4.6 工艺过程手动控制成形工艺的自动控制是设备以及控制软件要实现的最重要功能，但在设备试制、调试以及工艺摸索的过程中，采用分步进行的工艺更有利于做深入的分析，尤其是对工艺研究，分步进行且对每一个步骤可以进行灵活的调整将非常有利于发现和分析问题。因此本工艺控制软件中还带有工艺过程手动控制模块，其界面(如图 2.10)。图 2.10 手动成形模块主对话框通过该控制界面可以将一次加工循环分为两个步骤：(1) 电纺丝成形步骤通过计算机终端设置，手动改变工艺参数，可以对二维运动平台的 X 轴、Y 轴石家庄铁道大学毕业论文18的运动速度、运动模式(加速、减速或匀速)、运动方向(正方向、负方向)等随时进行调整、中断，实现在不同速度下喷涂，并对比不同运动状态下的喷涂效果。(2) 预热退火处理步骤通过计算机终端进行设置，改变预热退火装置的运动状态，调整卤钨灯的运动速度和方向，实现不同的热处理效果，并对比不同运动状态下的热处理效果。在需要对大面积粉末进行均匀加热的时候，这种方式非常有效。2.4.7 临时动态窗口包括以上所述的所有其他窗口。软件中采用大量的临时对话框如文件输入输出、警告、提醒、出错消息框、确定对话框、数据输入对话框、进程显示对话框、结果对话框等等，其目的是使界面更友好，同时避免可能出现的误操作。2.5 参 数 管 理参数是成形的重要条件，同时更是工艺研究的主要内容之一，成形工艺实验过程中参数的管理和记录工作非常重要。控制软件中参数管理模块的界面(如图 2.12)。参数的录入可以通过手动分别输入，也可以通过参数文件的方式读入，参数文件的格式必须符合要求。同时经过修改的参数还可以进行备份。参数文件的格式(如图2.11)。图 2.11 参数文件内容示例参数文件