醫用環氧膠生產設備自動化控制系統設計與應用技術探究

張澤月，羅俊波，楊 芳，張夢佳，戢曉珊

(1.十堰市太和醫院附屬湖北醫藥學院，湖北 十堰 442000；2.十堰市茅箭區人民醫院，湖北 十堰 442000；3.十堰市婦幼保健院，湖北 十堰 442000)

隨著各行業對雙組份環氧膠用量和質量需求的上升，電氣自動化控制技術在環氧膠產業設備中的應用逐漸廣泛。PLC可編程控制器是在計算機技術和電氣自動化控制技術基礎上開發而成的，逐漸成為自動化控制系統的核心。以雙組份環氧膠灌膠機設備為例，探究其自動化控制系統的設計和功能實現。灌膠過程，將雙組份液體環氧膠分別放入不同的料筒中，通過對閥門的控制，將一定量的2種原料輸送到混合裝置，經攪拌混合之后，在齒輪泵的壓力下，灌膠到產品中?？刂葡到y不僅要具備自動配比、自動控溫功能，還要能夠消除氣泡、自動清洗，以適應更多自動化灌膠的工藝需求。

1 環氧樹脂在醫用領域應用現狀

環氧樹脂是一種有機高分子化合物，固化以后對各種物質有著較強的粘接性能，其固化過程中產生的內應力小，一定程度上也有助于提升粘接強度；其介電性能良好，有著優良的電絕緣性能；相比于其他熱固性材料，環氧樹脂的加工工藝較為靈活多樣，可以制成涂料、復合材料、膠粘劑等，在體育、醫療、化工、航空航天等領域得到廣泛應用[1-2]。在醫療領域，環氧樹脂及其復合材料可用于診斷器械、醫用耗材、醫療設備的生產與制作方面。我國醫療器械市場較大，在5年前就已經突破3千億元，且增長率不斷上升。我國政府對醫療行業的關注和資金投入不斷提高，醫療機械市場有著廣闊的發展前景。同時，隨著對醫療器械材料的研發，合成樹脂材料的使用需求不斷增加，樹脂復合材料種類也越來越多，醫用環氧樹脂產業機械設備也得到改進。但一部分高端醫療樹脂材料仍然需要進口，國外企業的壟斷使得國內高端醫療樹脂材料供應不足，進而導致醫療制品的價格持續高昂，增加了國民的醫療支出。受以往的行業歷史習慣，樹脂產業與醫療器械企業之間的聯系較少，醫療器械對國產環氧樹脂以及復合材料的應用規模較小。另外，盡管很多樹脂產業機械設備結合了電氣自動化技術進行改進，產業機械設備的自動化程度與世界頂端還是有著不小差距[3-4]。

2 環氧膠粘劑自動灌膠機控制系統設計

以雙組分環氧膠粘劑灌膠機為例，對醫用環氧膠產業設備和自動化控制技術的結合進行探究。一般來說，基于計量缸結構的灌膠機產量無法良好滿足眾多行業對雙組份環氧樹脂膠粘劑的使用需求。因此，此灌膠機自動化控制系統采用齒輪計量泵，以提升灌膠機輸出的膠量，且保證雙組分環氧膠粘劑的比例控制。自動灌膠機控制系統的工作原理為，在PLC技術下，由A、B料桶配備的2個精密計量泵控制，將料桶中的液體膠按需求比例和流量，以相同速度、持續穩定輸送到混合裝置中。在齒輪泵的輸送壓力下，將混合后的環氧樹脂膠粘劑澆注到一些產品中。灌膠機通常會與機械手結合使用，以實現整個系統的自動涂膠、灌封功能[5-7]。

2.1 控制系統的組成

灌膠機自動化控制系統采用信捷XC3-14T-E型號PLC可編程控制器，選用2個110BYG350三相混合式步進電機，并配置2個MS-3H110M三相混合式步進電機驅動器；灌膠機自動控制系統框圖如圖1所示。

圖1 灌膠機自動控制系統框圖Fig.1 Block diagram of automatic control system of glue filling machine

該系統工作于220 V環境下。步進電機A和步進電機B分別連接各自齒輪計量泵，容量可根據實際生產需求選擇，此控制系統中所用的齒輪計量泵容量分別為15 mL和30 mL。在實際的灌膠過程中，要對A、B此2種液體膠進行多種參數設置，例如，液體膠比例、總質量、增量系數等。為對各項參數進行可視化控制，采用TH765-MT觸摸屏方便工作人員設定系統運行相關數據，例如，兩種液體膠的加熱時間、灌膠量、待灌膠產品數量等，并可以對灌膠系統的運行情況進行實時監督[6]。通過PLC設置實現對混合裝置中膠粘劑的滯留時間控制，依據粘膠劑的凝膠時間設置防固化時間，如果超過設定時間，則自動將其清除，避免在混合裝置中固化。在PLC控制下，也可實現自動清洗功能，設定清洗時間參數和清洗控制閥開啟次數，清洗混合裝置，并用空氣吹凈。系統的整體設計實現了雙組分環氧樹脂膠粘劑的自動配比與混合[8]。

2.2 自動灌膠機的控制要求

有企業研發了一種基于PLC的YB280-2型號雙組分環氧系列自動灌膠機，借鑒其各項性能指標，對該系統的各項控制功能進行完善。其灌膠機的性能指標如表1所示。

表1 YB280-2雙組分環氧自動灌膠機性能指標Tab.1 Performance indexes of YB280-2 two-component epoxy automatic glue filling machine

2.2.1雙組分環氧樹脂膠粘劑配備

該系統中設計有3個液位傳感器，對料桶和混合裝置中的液體膠的液位進行檢測，這3個傳感器的安裝位置不固定，可調整，以滿足不同工藝下液體A、B的混合比例需求；設置3個電磁閥分別位于A、B料桶和混合液體的出膠口；設置溫度傳感器，以檢測混合裝置中雙組分環氧樹脂液體膠的溫度，以此對混合膠的流動性能進行評估[9-11]。

雙組分環氧樹脂膠粘劑的灌膠工藝要求為：按下運行按鈕后，只要經液位傳感器檢測，儲液罐中的A、B混合膠液位達到灌膠標準，則打開混合轉置閥門開始向產品中灌膠；如果儲液罐中的液位低于灌膠標準，則將儲液罐中的液體膠釋放，然后打開A料桶的閥門，將一定量的A膠液輸入混合裝置，之后再打開B料桶閥門，將一定量的B膠液輸入混合裝置；當液位傳感器檢測到液面上升到指定位置時，關閉相應閥門，然后開始攪拌，攪拌時間可依據實際情況在觸摸屏上設定，計時完成后關閉攪拌電機，完成雙組分環氧樹脂膠粘劑的配備，之后可用于產品灌膠[12]。

2.2.2雙組分環氧樹脂膠粘劑灌膠

在灌膠之前要設定好每一次灌膠量的具體數值，根據產品需求設定的A、B膠混合比例，計算出兩種組分各需求多少毫升，兩個步進電機自動獲取各自所需轉動圈數，完成一定量雙組份液體膠的輸入和混合。在電機轉速條件下，自動計算出單位灌膠時間。當將固定質量環氧樹脂膠灌輸完畢后，系統自動停止。重復此步驟，實現灌膠機的持續穩定生產[13]。

2.3 控制系統的定量給膠控制

依據上文對控制系統的齒輪泵容量介紹，其一為15 mL；另一為30 mL，2個齒輪泵每周出膠量比值為2∶1，如果需要混合的雙組分環氧樹脂膠的組分比值正好為2∶1，則以同樣的速度驅動2齒輪泵即可，齒輪泵速度越快，出膠效率越高[14]。如果需要的雙組分環氧樹脂膠的組分比值不是2∶1，那么要結合實際混合比值和齒輪泵容量比值，設定2個齒輪泵各自運行速度。但此時，會因齒輪泵速度不同，造成輸出壓力差變大，不得不考慮壓力差，加以改進，為此設計了控制系統PLC的輸入/輸出端口分配表，具體如表2所示。

表2 PLC的I/O分配表Tab.2 PLC I/O allocation table

2.4 系統其他控制功能

2.4.1溫度控制

由于溫度會顯著影響環氧樹脂灌封膠的粘接強度，需要對控制系統溫度進行有效控制。在溫度5～10 ℃條件下，普通環氧膠的黏度會明顯增加，導致液體膠幾乎不流動。因此，如今使用的環氧灌膠機都帶有自動溫控功能，以減小環境溫度對灌膠機的運行和環氧膠的粘接性能影響。有些時候，也可通過加熱裝置使環氧樹脂膠溫度上升、黏度降低，以充分滲透灌封。

2.4.2消除氣泡

雙組分環氧樹脂液體膠混合后，常會看到大量氣泡，氣泡的存在不僅會影響產品外觀，還會對材料的介電性能、力學性能造成一定影響，當材料受到外力時，容易產生應力集中，從而導致產品損壞。為了保證雙組分環氧樹脂膠的力學性能、電絕緣性能、耐熱性等，環氧灌膠機自動控制系統可完善消除氣泡的功能，在環氧樹脂膠混合前就消除氣泡，進行輸送。在雙組分膠混合攪拌過程中，也要避免產生氣泡，以達到灌膠之后產品基本無泡的效果[15-17]。

2.4.3黏度、密度與配比

由于市場過于追求利潤，廠家或企業在不影響體積比的情況下，向雙組分環氧樹脂膠中添加了很多填料。而填料沉降導致膠體的密度不均勻，質量比出現明顯偏差，進而影響雙組分環氧樹脂膠的固化性能。同時，填料會對計量泵的產生磨損，降低計量泵的使用壽命，還會影響機械設備的自動配比精度。因此，此自動控制系統需要具備防膠料沉降、計量泵耐磨損等功能。

3 控制系統的軟件設計

系統采用信捷XC系列XCPPro3．3軟件，該軟件具有2種編程方式，分別為命令語和梯形圖，利用此PLC可編程控制器帶有的浮點數運算方法，依據實際對A、B這2種膠水的質量需求，計算出2種膠水的體積，最終計算出2個步進電機分別所對應的周數、步進脈沖數。結合表1 PLC的輸入、輸出端口設置，系統向設備發出多段脈沖控制指令[DPLSR]，使得Y0、Y1端口分別輸出一路步進脈沖，驅動各自的步進電機轉動準確周數，完成一定量雙組份膠水的輸出。人機界面中，操作人員可通過觸摸屏向系統輸入各項生產參數，包括一次灌膠總質量、2組分的比例、密度等[18]。雙組分環氧樹脂灌膠機控制系統程序流程如圖2所示。

圖2 系統控制流程圖Fig.2 System control flow chart

另外，灌膠機控制系統的HIM監控設計中，可在參數設置窗口，對各項監控指標進行在線設置，例如，2組分的加熱時間、每次的灌膠量、待灌膠的產品數量，以及灌膠完成后機械手需要將產品輸送的位置等，以實現對整個灌膠生產過程的智能監控，確保醫用環氧灌膠機的灌膠質量[19-20]。

4 結語

綜上所述，隨著人民生活水平的提升和對健康的重視加深，醫療器械的品質要求也在不斷提高。借鑒YB280-2型號雙組分環氧系列灌膠機性能指標，設計了一種雙組分環氧膠粘劑灌膠機自動控制系統，并對其各項功能進行完善。醫療器械領域電氣自動化控制技術的有效應用，顯著提升了產業設備的智能化、自動化程度。