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一种新型胶液喷射阀的研制与开发数控刀柄

发布时间:2022-09-19 21:24:03 来源:伊犁五金网

一种新型胶液喷射阀的研制与开发

一种新型胶液喷射阀的研制与开发 2012 胶液喷射分配技术与传统的接触式胶液分配方法相比具有生产效率高、无针头回程、不受空间限制等优点,被认为是下一代胶液分配技术。喷射胶液分配也适用于各类胶体,包括底部填充胶、表而贴装胶粘剂、封装剂、表面涂覆材料等。在现有技术领域中,用于微电子封装的喷胶设备主要以ASYMTEK公司的气动一弹簧驱动胶液喷射装备为主。它是通过气控阀控制高压气流的进出来推动驱动器活塞上下移动,从而推动喷射针头往复运动,实现挤压胶液的喷射过程。研究发现,现有气动驱动喷射器提供的驱动力较小,同时由于喷针直接与底座碰撞,使得喷针材料和尺寸都受到很大限制,而且要求喷针与汽缸的同轴度很高,从而难以实现微量胶液及大粘度喷胶的喷射。电磁驱动可以克服气动驱动的缺点,它可以通过实现电磁铁与衔铁之间较小的间隙以提供很大的驱动力,而且响应时间非常短,喷射速度和喷射精度有较大的提高。同时由于喷针可不碰撞基座(如果需要,也可以碰撞),喷针尺寸可进一步减少,动压效应与剪切稀变效应更加明显。从而能够实现微量胶液和大粘度胶液的喷射。此外,喷针运动行程大小和起始位置调整可以通过行程调节及挡块系统进行调整,调整更方便,调整参数更多。因此,电磁驱动胶液喷射分配器保持了现有喷射器点胶高效、紧凑空问点胶的优点,克服了其不能微量和大粘度点胶,调整困难的缺点。1 新型胶液喷射阀的组成及功用 新型胶液喷射阀主要由机架、电源板、驱动板、电磁驱动胶液喷射器、气路系统等几部分组成,其结构如图1所示。

新型胶液喷射阀几个主要部分的主要功能如下: 电源板:产生驱动电路的电源应能广泛适应不同的电压要求,同时不能有明显的50 Hz交流噪声,则系统采用开关电源解决此问题。开关电源芡产生+5 V、±l 5 V、36 V和6 V五路直流稳压电源输出,其中+5 V给单片机芯片供电,±l 5 V给运放电路供电,36 V和6 V分别是线圈高低压控制的激励电压。 驱动板:由PWM芯片产生50 Hz的方波信号,经光电耦合驱动电路送入功率放大器中进行功率放大,并送入驱动线圈,使线圈产生磁场以提供驱动电磁力。 气路系统:为胶液管提供0.1~O.5 MPa的压力,以便胶液能够顺利的进入喷射器的胶液腔内。 电磁驱动胶液喷射器是整个系统最重要的部分。如图2所示,其主要由电磁驱动、胶液喷出和行程调节与挡块三大部分组成。通过驱动板给电磁驱动部分施加激励以产生电磁力,再经胶液喷射部分完成胶液的喷射。

2 电磁驱动胶液喷射器的工作原理及其特点

2.1电磁驱动胶液喷射器的工作原理 由图2可知,胶液通过进胶口,在空气压力作用下充满喷针与针筒之间的间隙。在关闭位置,衔铁与挡块接触,使喷针与基座之间形成微小间隙,避免喷针与基座直接碰撞,提高使用寿命:在开启位置,接通电磁铁线圈电源,通电后产生的磁场使铁心与衔铁相吸,在电磁吸力的作用下,衔铁带动喷针向上运动压缩弹簧,至喷针与行程调节旋钮接触时,维持一段时间以便从进胶口补充胶液,然后,线圈断电,磁场消失,喷针在弹簧力的作用下迅速向下运动,喷针的迅速向下运动挤压胶腔中的胶液,胶液在高速喷针的推动下迅速从喷嘴的针头内喷出一微小点滴,从而完成一次喷胶过程;接下米线圈继续通电,喷射器重复上次动作。2.2 电磁驱动胶液喷射器的设计 电磁驱动胶液喷射器主要由电磁驱动、胶液喷出和行程调节与挡块三大部分组成。下面分别叙述各个部件设计的特点及关键问题。2.2.1 电磁驱动部分 电磁驱动主要由铁心,线圈,衔铁和预压弹簧等几个部分组成。整个喷射器的动态特性主要取决于电磁驱动系统的上作性能。关键参数有:运动质量、电磁驱动力、弹簧反力。衔铁和铁心的结构尺寸决定了有效吸合而积的大小,铁心的有效吸合而积与电磁力大小成正比,可是提高吸合面积会增加运动质量,本系统中采用环状多极式电磁铁,有效的解决了这个问题,其铁心采用纯铁DT4C材料,经机加上后进行退火处理,采用压配方式将绕制好的线圈安装到铁心中。这种电磁铁具有结构简单、刚度好、加上制造容易、生产成本低等优点,适合上业大批量生产。衔铁的尺寸对磁路有很大的影响。衔铁厚度越小,衔铁部分的磁阻越大,衔铁部分磁势越大,从而导致空气间隙部分的磁势减小,电磁力减小,能面厚度增大,体积变大则其质量就会增加,所以,选取衔铁尺寸时要兼顾电磁力和运动质量,保证电磁铁的快速响应;弹簧刚度越大则预紧力越大,弹簧预紧力是电磁铁开启时的反力,关闭时的动力。则设计弹簧的预紧力时,要权衡考虑电磁铁的开启和关闭响应速度。2.2.2行程挡块和调节部分 行程挡块和调节部分主要由行程挡块、行程调节旋钮和上下调整垫片组成。通过修配上调整垫片,改变弹簧的预压量,预紧力调节。可以实现不同速度和力度的喷胶。通过行程调节旋钮调节喷针的行程,改变胶滴的大小。在传统的弹簧一气动驱动的喷射器中,由于喷针和基座直接碰撞,极大的减少了喷针的使用寿命。在此系统中通过设置挡块使得在喷针距基座大概5~20μm处衔铁与挡块接触,避免了喷针和基座直接碰撞,从而可以降低材料的强度要求,扩大了喷针材料的选择范围,可以选用胶液与喷针相匹配的材料,同时,有效提高喷射器关键零件喷针的使用寿命;另外,喷针的尺寸可以进一步减少,从而更有利于胶液的剪切稀化与微量胶液喷射。2.2.3胶液通道部分 胶液通道部分主要由轴承挡板、喷针、喷嘴和胶液腔体组成。其主要的关键参数有:喷针的形状、喷针与壁面的间隙、储液区的直径、喷针的直径以及针筒的锲角等。文献中详绌分析了相关参数对胶液喷射的影响。故在设计过程中应综合考虑各种因素,选择最合理的尺寸。2.3 电磁驱动胶液喷射器的装配 在装配过程中主要有两个问题:l)轴向尺寸的保证问题;2)密封空间空气的排放问题。本文分别叙述两个问题的解决方法。 喷射器装配的轴向尺寸直接影响喷射器的上作特性。其主要轴向装配尺寸有衔铁与铁心的间隙、弹簧预压后的长度、喷针端部与行程调节旋钮的间隙和喷针底部与胶液腔体基座的间隙。故在装配时应按以下要求进行安装: 1)应先装配好胶液腔体、密封圈、密封档圈、轴承挡板、连接腔体组件后,适当修配行程挡块,以保证喷针底部与胶液腔体基座之间的间隙,以确保喷针距基座大概5-20μm处衔铁与挡块接触; 2)壳体,电磁铁组件与连接腔体等构成的组件连接前,应适当修配下调整垫片,以保证铁心与衔铁之间的间隙0.5±0.Ol mm; 3)在装配端盖前,应适当修配上调整垫片,以保证弹簧预压后的长度36+0.05 mm; 4)在装配行程控制杆前,适当修配垫片2,以保证行程控制杆底端与喷针上端的间隙0.4±0.01 mm。 喷射器运动过程中会压缩闭合空间的空气,产生空气阻力,对胶液的喷射及其动态特性有很大影响。本文设计的喷射器主要存在两个闭合空间:①喷针、连接体和导向套筒形成的闭合空间:②喷针底部与胶液腔体形成的闭合空间。 第一个闭合空间通过在两个套筒开槽,将空气引到挡块与衔铁的空间,再在挡块上45。开方形槽,将空气引到壳体空间,然后通过观察孔向外排出。 第_个闭合空间通过在胶液腔体内设置阶梯孔,在进胶口处,胶液挤压空气向下压缩,随着胶液喷出而流向喷嘴外面。3 驱动电路的设计 如图3所示,整个驱动电路主要由PWM波形发生电路、光电隔离驱动电路、EMl滤波电路及功放电路等几个部分组成。由PWM脉冲调制电路产生50Hz的方波,经光电隔离驱动输入到半桥功放电路以控制电磁线圈,另在电源端施加激励电源。整个驱动电路关键因素有:功放电路的功耗、非线性问题和十扰控制问题。

3.1 功放电路的功耗问题分析 功放电路的功耗主要取决于驱动电路的驱动方式。常用的驱动电路有单电压型、单电压恒流斩波型和高电压电源切换型等几种方式。单电压型驱动只有一种电压,线路简单,功率元件少,成本低,这种方式最大的缺陷是在限流电阻上消耗的能量人多。单电压恒流斩波驱动电路在一个控制脉冲周期内的斩波过程中斩波功率管反复导通和截止,功放管温度升高,斩波控制管的功耗很大,限制了电路的驱动能力。高低压驱动电路是由高压和低压两种电源相互切换进行驱动,高压激励,低压保持,这样能够降低功放管的功耗,降低成本且易模块化,是提高电磁驱动胶液喷射器响应速度的有效方式。3.2非线性问题分析 电磁驱动胶液喷射器是一个典型的非线性系统。其中功放环节较为严重,一方面是因为电磁铁本身是一个非线性元件,另一方面因为开关功率器件上作在开关状态,具有典型的非线性特性。电路结构及参数变化也可导致非线性。因此在开关功放电路设计时应尽量使电路对称。则应选用桥式电路,又因为整个过程电流方向不变故选用半桥式电路,高低压驱动电路设计的关键是高压端源极电位的浮动问题,采用自举法,保证高压端MOS管的可靠导通,传统半桥是电路中通过自举电容米实现,但是某些应用场合很难实现自举,故需再增加一个自举回路。3.3 干扰控制问题分析 开关功放电路是一个很大的噪声源,主要指电磁十扰波(包括辐射噪声和传导噪声),它米自功率级的开关噪声和整流器的开关噪声。其危害主要有两个方面:一是干扰功放本身的功放,二是影响其他电路和设备的正常上作。考虑应用和经济因素,在现有的驱动电路上采用以下方法进行噪声控制: 1)在功率电源进入端加EMl滤波电路,其主要作用是滤除电网中的高频杂波和干扰信号,同时还要避免电源中产生的电磁辐射泄漏到外面,以减少电源开关本身对外界的干扰。如果电源没有EMl滤波电路,那么电源所产生的电磁辐射就会影响到整个控制系统的正常使用。同时,这些电磁波还会对人体造成一定程度的伤害,影响到用户的健康。 2)在控制电路和功率电路之间加光电隔离电路。光电隔离既能有效的防止前后级电路的信号之间相互干扰,实现较长距离传输和电平转换。同时还使供电电路隔离,对保障电路安伞非常重要。 3)电路和上艺的合理设计。合理的设计一方而是指提高电路的抗干扰性,另一方面是指减少电路本身对外的干扰。已有一些成熟的方法和规则可以利用,如电路输入输出阻抗的匹配、采用特殊电路结构或器件、对器件和连线的分布和排列变化等。

4 实验样品 图4为电磁驱动喷射阀的样品图,现已根据理论研究制造加上了相关样品,并同时进行了实验,验证了整个理论的可靠性,基本达到了设计的初始指标并在进行进一步优化设计研究实验。5 结论 本文提出了一种新型胶液喷射系统的设计思路,并详绌介绍了驱动电路和电磁驱动胶液喷射器的上作原理,指出了在设计过程中的关键问题且给出了解决方法。 1)喷射器的电磁驱动系统的设计对整个系统的特性至关重要,磁路系统的设计既要兼顾动态特性和系统发热问题。驱动部分发热主要有驱动电路发热、铁损发热和铜损发热。选取合适的材料和尺寸能够减少整系统的发热量。且合适的结构尺寸能够实现较好的动态特性。 2)喷射器中行程调节及挡块系统的设计,使整个胶液喷射器相对传统弹簧.气动驱动喷射器而占具备很多优点。不仅能够提高喷针的使用寿命,且能够进一步减少喷针尺寸,更有利于胶液的剪切稀化,从而实现微量胶液的喷射。 3)驱动电路的设计兼顾功耗问题、非线性问题和功放发热问题,在驱动方式是采用高低压驱动,换能电路采用改进型的半桥电路,对整个系统的性能有很大的提高。另外可以电流传感器实现电流反馈,以提高其动态响应特性。

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