張澤月，羅俊波，楊 芳，張夢佳，戢曉珊

(1.十堰市太和醫(yī)院附屬湖北醫(yī)藥學院，湖北 十堰 442000；2.十堰市茅箭區(qū)人民醫(yī)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(yè)對雙組份環(huán)氧膠用量和質量需求的上升，電氣自動化控制技術在環(huán)氧膠產業(yè)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(fā)而成的，逐漸成為自動化控制系統(tǒng)的核心。以雙組份環(huán)氧膠灌膠機設備為例，探究其自動化控制系統(tǒng)的設計和功能實現(xiàn)。灌膠過程，將雙組份液體環(huán)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。控制系統(tǒng)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(huán)氧樹脂在醫(yī)用領域應用現(xiàn)狀

環(huán)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(yōu)良的電絕緣性能；相比于其他熱固性材料，環(huán)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(yī)療、化工、航空航天等領域得到廣泛應用[1-2]。在醫(yī)療領域，環(huán)氧樹脂及其復合材料可用于診斷器械、醫(yī)用耗材、醫(yī)療設備的生產與制作方面。我國醫(yī)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(yī)療行業(yè)的關注和資金投入不斷提高，醫(yī)療機械市場有著廣闊的發(fā)展前景。同時，隨著對醫(yī)療器械材料的研發(fā)，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(yī)用環(huán)氧樹脂產業(yè)機械設備也得到改進。但一部分高端醫(yī)療樹脂材料仍然需要進口，國外企業(yè)的壟斷使得國內高端醫(yī)療樹脂材料供應不足，進而導致醫(yī)療制品的價格持續(xù)高昂，增加了國民的醫(yī)療支出。受以往的行業(yè)歷史習慣，樹脂產業(yè)與醫(yī)療器械企業(yè)之間的聯(lián)系較少，醫(yī)療器械對國產環(huán)氧樹脂以及復合材料的應用規(guī)模較小。另外，盡管很多樹脂產業(yè)機械設備結合了電氣自動化技術進行改進，產業(yè)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(huán)氧膠粘劑自動灌膠機控制系統(tǒng)設計

以雙組分環(huán)氧膠粘劑灌膠機為例，對醫(yī)用環(huán)氧膠產業(yè)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(yè)對雙組份環(huán)氧樹脂膠粘劑的使用需求。因此，此灌膠機自動化控制系統(tǒng)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(huán)氧膠粘劑的比例控制。自動灌膠機控制系統(tǒng)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(xù)穩(wěn)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(huán)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(xiàn)整個系統(tǒng)的自動涂膠、灌封功能[5-7]。

2.1 控制系統(tǒng)的組成

灌膠機自動化控制系統(tǒng)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(tǒng)框圖如圖1所示。

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

該系統(tǒng)工作于220 V環(huán)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(jù)實際生產需求選擇，此控制系統(tǒng)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(shù)設置，例如，液體膠比例、總質量、增量系數(shù)等。為對各項參數(shù)進行可視化控制，采用TH765-MT觸摸屏方便工作人員設定系統(tǒng)運行相關數(shù)據(jù)，例如，兩種液體膠的加熱時間、灌膠量、待灌膠產品數(shù)量等，并可以對灌膠系統(tǒng)的運行情況進行實時監(jiān)督[6]。通過PLC設置實現(xiàn)對混合裝置中膠粘劑的滯留時間控制，依據(jù)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(xiàn)自動清洗功能，設定清洗時間參數(shù)和清洗控制閥開啟次數(shù)，清洗混合裝置，并用空氣吹凈。系統(tǒng)的整體設計實現(xiàn)了雙組分環(huán)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(yè)研發(fā)了一種基于PLC的YB280-2型號雙組分環(huán)氧系列自動灌膠機，借鑒其各項性能指標，對該系統(tǒng)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(huán)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(huán)氧樹脂膠粘劑配備

該系統(tǒng)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(huán)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(huán)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(jù)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(huán)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(huán)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(shù)值，根據(jù)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(shù)，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(huán)氧樹脂膠灌輸完畢后，系統(tǒng)自動停止。重復此步驟，實現(xiàn)灌膠機的持續(xù)穩(wěn)定生產[13]。

2.3 控制系統(tǒng)的定量給膠控制

依據(jù)上文對控制系統(tǒng)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(huán)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(huán)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(tǒng)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(tǒng)其他控制功能

2.4.1溫度控制

由于溫度會顯著影響環(huán)氧樹脂灌封膠的粘接強度，需要對控制系統(tǒng)溫度進行有效控制。在溫度5～10 ℃條件下，普通環(huán)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(huán)氧灌膠機都帶有自動溫控功能，以減小環(huán)境溫度對灌膠機的運行和環(huán)氧膠的粘接性能影響。有些時候，也可通過加熱裝置使環(huán)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(huán)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(huán)氧樹脂膠的力學性能、電絕緣性能、耐熱性等，環(huán)氧灌膠機自動控制系統(tǒng)可完善消除氣泡的功能，在環(huán)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(yè)在不影響體積比的情況下，向雙組分環(huán)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(xiàn)明顯偏差，進而影響雙組分環(huán)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(tǒng)需要具備防膠料沉降、計量泵耐磨損等功能。

3 控制系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)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(shù)運算方法，依據(jù)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(shù)、步進脈沖數(shù)。結合表1 PLC的輸入、輸出端口設置，系統(tǒng)向設備發(fā)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(shù)，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(tǒng)輸入各項生產參數(shù)，包括一次灌膠總質量、2組分的比例、密度等[18]。雙組分環(huán)氧樹脂灌膠機控制系統(tǒng)程序流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制流程圖Fig.2 System control flow chart

另外，灌膠機控制系統(tǒng)的HIM監(jiān)控設計中，可在參數(shù)設置窗口，對各項監(jiān)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(shù)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(xiàn)對整個灌膠生產過程的智能監(jiān)控，確保醫(yī)用環(huán)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(yī)療器械的品質要求也在不斷提高。借鑒YB280-2型號雙組分環(huán)氧系列灌膠機性能指標，設計了一種雙組分環(huán)氧膠粘劑灌膠機自動控制系統(tǒng)，并對其各項功能進行完善。醫(yī)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(yè)設備的智能化、自動化程度。