医用环氧胶生产设备自动化控制系统设计与应用技术探究

2023-02-11张泽月罗俊波张梦佳戢晓珊

粘接 2023年1期

张泽月，罗俊波，杨芳，张梦佳，戢晓珊

(1.十堰市太和医院附属湖北医药学院，湖北十堰 442000；2.十堰市茅箭区人民医院，湖北十堰 442000；3.十堰市妇幼保健院，湖北十堰 442000)

随着各行业对双组份环氧胶用量和质量需求的上升，电气自动化控制技术在环氧胶产业设备中的应用逐渐广泛。PLC可编程控制器是在计算机技术和电气自动化控制技术基础上开发而成的，逐渐成为自动化控制系统的核心。以双组份环氧胶灌胶机设备为例，探究其自动化控制系统的设计和功能实现。灌胶过程，将双组份液体环氧胶分别放入不同的料筒中，通过对阀门的控制，将一定量的2种原料输送到混合装置，经搅拌混合之后，在齿轮泵的压力下，灌胶到产品中。控制系统不仅要具备自动配比、自动控温功能，还要能够消除气泡、自动清洗，以适应更多自动化灌胶的工艺需求。

1 环氧树脂在医用领域应用现状

环氧树脂是一种有机高分子化合物，固化以后对各种物质有着较强的粘接性能，其固化过程中产生的内应力小，一定程度上也有助于提升粘接强度；其介电性能良好，有着优良的电绝缘性能；相比于其他热固性材料，环氧树脂的加工工艺较为灵活多样，可以制成涂料、复合材料、胶粘剂等，在体育、医疗、化工、航空航天等领域得到广泛应用[1-2]。在医疗领域，环氧树脂及其复合材料可用于诊断器械、医用耗材、医疗设备的生产与制作方面。我国医疗器械市场较大，在5年前就已经突破3千亿元，且增长率不断上升。我国政府对医疗行业的关注和资金投入不断提高，医疗机械市场有着广阔的发展前景。同时，随着对医疗器械材料的研发，合成树脂材料的使用需求不断增加，树脂复合材料种类也越来越多，医用环氧树脂产业机械设备也得到改进。但一部分高端医疗树脂材料仍然需要进口，国外企业的垄断使得国内高端医疗树脂材料供应不足，进而导致医疗制品的价格持续高昂，增加了国民的医疗支出。受以往的行业历史习惯，树脂产业与医疗器械企业之间的联系较少，医疗器械对国产环氧树脂以及复合材料的应用规模较小。另外，尽管很多树脂产业机械设备结合了电气自动化技术进行改进，产业机械设备的自动化程度与世界顶端还是有着不小差距[3-4]。

2 环氧胶粘剂自动灌胶机控制系统设计

以双组分环氧胶粘剂灌胶机为例，对医用环氧胶产业设备和自动化控制技术的结合进行探究。一般来说，基于计量缸结构的灌胶机产量无法良好满足众多行业对双组份环氧树脂胶粘剂的使用需求。因此，此灌胶机自动化控制系统采用齿轮计量泵，以提升灌胶机输出的胶量，且保证双组分环氧胶粘剂的比例控制。自动灌胶机控制系统的工作原理为，在PLC技术下，由A、B料桶配备的2个精密计量泵控制，将料桶中的液体胶按需求比例和流量，以相同速度、持续稳定输送到混合装置中。在齿轮泵的输送压力下，将混合后的环氧树脂胶粘剂浇注到一些产品中。灌胶机通常会与机械手结合使用，以实现整个系统的自动涂胶、灌封功能[5-7]。

2.1 控制系统的组成

灌胶机自动化控制系统采用信捷XC3-14T-E型号PLC可编程控制器，选用2个110BYG350三相混合式步进电机，并配置2个MS-3H110M三相混合式步进电机驱动器；灌胶机自动控制系统框图如图1所示。

图1 灌胶机自动控制系统框图Fig.1 Block diagram of automatic control system of glue filling machine

该系统工作于220 V环境下。步进电机A和步进电机B分别连接各自齿轮计量泵，容量可根据实际生产需求选择，此控制系统中所用的齿轮计量泵容量分别为15 mL和30 mL。在实际的灌胶过程中，要对A、B此2种液体胶进行多种参数设置，例如，液体胶比例、总质量、增量系数等。为对各项参数进行可视化控制，采用TH765-MT触摸屏方便工作人员设定系统运行相关数据，例如，两种液体胶的加热时间、灌胶量、待灌胶产品数量等，并可以对灌胶系统的运行情况进行实时监督[6]。通过PLC设置实现对混合装置中胶粘剂的滞留时间控制，依据粘胶剂的凝胶时间设置防固化时间，如果超过设定时间，则自动将其清除，避免在混合装置中固化。在PLC控制下，也可实现自动清洗功能，设定清洗时间参数和清洗控制阀开启次数，清洗混合装置，并用空气吹净。系统的整体设计实现了双组分环氧树脂胶粘剂的自动配比与混合[8]。

2.2 自动灌胶机的控制要求

有企业研发了一种基于PLC的YB280-2型号双组分环氧系列自动灌胶机，借鉴其各项性能指标，对该系统的各项控制功能进行完善。其灌胶机的性能指标如表1所示。

表1 YB280-2双组分环氧自动灌胶机性能指标Tab.1 Performance indexes of YB280-2 two-component epoxy automatic glue filling machine

2.2.1双组分环氧树脂胶粘剂配备

该系统中设计有3个液位传感器，对料桶和混合装置中的液体胶的液位进行检测，这3个传感器的安装位置不固定，可调整，以满足不同工艺下液体A、B的混合比例需求；设置3个电磁阀分别位于A、B料桶和混合液体的出胶口；设置温度传感器，以检测混合装置中双组分环氧树脂液体胶的温度，以此对混合胶的流动性能进行评估[9-11]。

双组分环氧树脂胶粘剂的灌胶工艺要求为：按下运行按钮后，只要经液位传感器检测，储液罐中的A、B混合胶液位达到灌胶标准，则打开混合转置阀门开始向产品中灌胶；如果储液罐中的液位低于灌胶标准，则将储液罐中的液体胶释放，然后打开A料桶的阀门，将一定量的A胶液输入混合装置，之后再打开B料桶阀门，将一定量的B胶液输入混合装置；当液位传感器检测到液面上升到指定位置时，关闭相应阀门，然后开始搅拌，搅拌时间可依据实际情况在触摸屏上设定，计时完成后关闭搅拌电机，完成双组分环氧树脂胶粘剂的配备，之后可用于产品灌胶[12]。

2.2.2双组分环氧树脂胶粘剂灌胶

在灌胶之前要设定好每一次灌胶量的具体数值，根据产品需求设定的A、B胶混合比例，计算出两种组分各需求多少毫升，两个步进电机自动获取各自所需转动圈数，完成一定量双组份液体胶的输入和混合。在电机转速条件下，自动计算出单位灌胶时间。当将固定质量环氧树脂胶灌输完毕后，系统自动停止。重复此步骤，实现灌胶机的持续稳定生产[13]。

2.3 控制系统的定量给胶控制

依据上文对控制系统的齿轮泵容量介绍，其一为15 mL；另一为30 mL，2个齿轮泵每周出胶量比值为2∶1，如果需要混合的双组分环氧树脂胶的组分比值正好为2∶1，则以同样的速度驱动2齿轮泵即可，齿轮泵速度越快，出胶效率越高[14]。如果需要的双组分环氧树脂胶的组分比值不是2∶1，那么要结合实际混合比值和齿轮泵容量比值，设定2个齿轮泵各自运行速度。但此时，会因齿轮泵速度不同，造成输出压力差变大，不得不考虑压力差，加以改进，为此设计了控制系统PLC的输入/输出端口分配表，具体如表2所示。

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

2.4 系统其他控制功能

2.4.1温度控制

由于温度会显著影响环氧树脂灌封胶的粘接强度，需要对控制系统温度进行有效控制。在温度5～10 ℃条件下，普通环氧胶的黏度会明显增加，导致液体胶几乎不流动。因此，如今使用的环氧灌胶机都带有自动温控功能，以减小环境温度对灌胶机的运行和环氧胶的粘接性能影响。有些时候，也可通过加热装置使环氧树脂胶温度上升、黏度降低，以充分渗透灌封。

2.4.2消除气泡

双组分环氧树脂液体胶混合后，常会看到大量气泡，气泡的存在不仅会影响产品外观，还会对材料的介电性能、力学性能造成一定影响，当材料受到外力时，容易产生应力集中，从而导致产品损坏。为了保证双组分环氧树脂胶的力学性能、电绝缘性能、耐热性等，环氧灌胶机自动控制系统可完善消除气泡的功能，在环氧树脂胶混合前就消除气泡，进行输送。在双组分胶混合搅拌过程中，也要避免产生气泡，以达到灌胶之后产品基本无泡的效果[15-17]。

2.4.3黏度、密度与配比

由于市场过于追求利润，厂家或企业在不影响体积比的情况下，向双组分环氧树脂胶中添加了很多填料。而填料沉降导致胶体的密度不均匀，质量比出现明显偏差，进而影响双组分环氧树脂胶的固化性能。同时，填料会对计量泵的产生磨损，降低计量泵的使用寿命，还会影响机械设备的自动配比精度。因此，此自动控制系统需要具备防胶料沉降、计量泵耐磨损等功能。

3 控制系统的软件设计

系统采用信捷XC系列XCPPro3．3软件，该软件具有2种编程方式，分别为命令语和梯形图，利用此PLC可编程控制器带有的浮点数运算方法，依据实际对A、B这2种胶水的质量需求，计算出2种胶水的体积，最终计算出2个步进电机分别所对应的周数、步进脉冲数。结合表1 PLC的输入、输出端口设置，系统向设备发出多段脉冲控制指令[DPLSR]，使得Y0、Y1端口分别输出一路步进脉冲，驱动各自的步进电机转动准确周数，完成一定量双组份胶水的输出。人机界面中，操作人员可通过触摸屏向系统输入各项生产参数，包括一次灌胶总质量、2组分的比例、密度等[18]。双组分环氧树脂灌胶机控制系统程序流程如图2所示。