基于柔顺机构的微喷射点胶系统设计、建模与实验

发布时间：2020-06-13 14:48

【摘要】：随着生命科学、电子封装、快速制造等尖端领域的快速发展,对液体材料进行分配等转移操作的要求也越来越高,点胶是其中最常见的分配操作,在不同的领域中对点胶的速度、精度以及体积一致性等有着不同的要求。传统的点胶系统受工作原理和驱动方式的限制,虽然发展得较早,但由于其点胶速度慢、胶滴体积大等缺点,难以实现如今精准快速喷射的要求。基于柔顺机构的微喷射点胶系统利用压电材料的逆压电效应实现驱动,具有点胶频率快、点胶精度高、频响高等优点,越来越广泛应用于电子与制造领域,尤其是在电子封装领域。针对传统点胶方式点胶频率慢,可喷射胶液粘度范围窄等缺点,文中利用不同的放大原理设计了两种形式的微喷射点胶系统,并对其进行了性能分析及实验测试;为改善胶滴体积一致性差的问题,建立胶滴体积的估计模型并进行误差补偿。主要内容如下:针对传统点胶系统撞针行程短、可喷射胶液粘度范围窄等问题,基于柔顺机构设计了一种新型压电式微喷射点胶系统,该系统由供胶装置、驱动装置和撞针阀组成。点胶系统的运动特征是利用柔顺机构的弹性变形驱动撞针往复直线运动实现撞针阀的开启闭合,完成微喷射点胶功能。采用伪刚体方法得到点胶系统的驱动力、输出位移和频率特性,结果表明,系统的最大驱动力、输出位移和频率分别为56.4 N、808μm、245 Hz,说明所设计的点胶系统能满足所需的驱动力、行程和点胶速度。制作点胶系统样机,通过实验分析驱动电压信号的占空比、幅值、频率和胶液粘度对胶滴直径的影响,得到了形成正常胶滴各因素需满足的条件,实验结果表明系统的最高点胶频率为210 Hz,最小胶滴直径为630μm,胶滴一致性误差为5.62%。为了反映微喷射点胶系统所喷射胶滴体积与供胶压力、喷嘴直径、驱动信号和胶液粘度之间的关系,使微喷射点胶系统能按需进行精准点胶,通过对胶液成型过程进行分析,依据点胶周期内撞针的运动规律,将胶滴的成型过程分为四个阶段分别建立流量模型,求解得到微喷射点胶系统的体积估计模型。搭建了实验测试系统对体积估计模型的准确性和精度进行测试,测试结果表明,体积估计模型能较好反映出胶滴体积供胶压力、喷嘴直径、驱动信号和胶液粘度之间的关系,并且在消除影响因素中最主要的温度效应后,胶滴一致性误差为8.6%左右。胶滴体积的估计模型虽然可以实现对胶滴体积的预测,但在实际点胶过程中,随着点胶时间的增长和点胶频率的加快,喷射腔温度升高使得胶滴实际体积与目标体积的误差越来越大,影响了估计模型的准确性以及胶滴的体积一致。为了解决这一问题,基于胶滴体积的估计模型提出了一种体积误差补偿模型。该模型通过神经网络学习体积误差的趋势,建立误差模型,并采用补偿算法进行体积误差补偿,以达到更好的胶滴喷射效果。搭建实验测试平台对体积误差补偿模型进行验证,结果表明该补偿模型能显著改善体积误差,胶滴一致性误差显著降低,补偿前的误差范围为[-0.5~5]μl,补偿后的误差范围为[-0.04~0.08]μl。单向驱动的微喷射点胶系统由于只能实现单向驱动撞针,撞针回程需依靠柔顺机构变形后的回弹力来闭合喷嘴,因此高频下喷嘴的闭合效率低并且闭合效果差,容易出现卫星滴。为解决该问题,设计了一种采用三角放大机构的新型双向驱动式微喷射点胶系统。该微喷射点胶系统由2个压电陶瓷依次进行驱动,保证了撞针的回程速度和闭合力。通过建立驱动装置的伪刚体模型,依据虚功原理得到驱动装置的放大倍数和驱动力并进行实验测试。依据设计的双向驱动式微喷射点胶系统制作其样机,搭建了实验平台进行性能测试,结果表明双向驱动式微喷射点胶系统的工作电压范围为[60-120]V,最大驱动力力为95.4 N,最大输出位移为568μm。电压越高,频率越低,得到的胶滴直径就越大;在驱动电压100 V点胶频率50 Hz的情况下稳定喷射粘度为120 mPa.s的甘油,胶滴一致性误差为4.73%。所设计制作的压电式双向驱动微喷射点胶系统高频性能较好,对微喷射点胶技术的发展具有促进作用。
【图文】：

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第一章绪论时间压力型接触式点胶工艺是最先出现的点胶工艺，由于其工艺简单、成本低廉，泛受自动化厂商的欢迎，这些厂商大都有自己自主研发的接触式点胶设备。比如国的光宝科技公司，该公司设计研发出一系列的接触式点胶系统用以使用在各个领域，中最具代表性的产品如图 1.2 所示。图 1.2 所示的三维点胶系统主要应用于电子封领域，由于其良好的精度和点胶效率，被众多电子设备厂家广泛采用，系统的移动台的最大移动速度为 500mm / s，，定位精度可达0.001 mm，点胶的重复精度达到了0.01 mm ，可记录最高 256 组胶滴数据，每组胶滴数量为 4000 滴。

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第一章绪论时间压力型接触式点胶工艺是最先出现的点胶工艺，由于其工艺简单、成本低廉，泛受自动化厂商的欢迎，这些厂商大都有自己自主研发的接触式点胶设备。比如国的光宝科技公司，该公司设计研发出一系列的接触式点胶系统用以使用在各个领域，中最具代表性的产品如图 1.2 所示。图 1.2 所示的三维点胶系统主要应用于电子封领域，由于其良好的精度和点胶效率，被众多电子设备厂家广泛采用，系统的移动台的最大移动速度为 500mm / s，定位精度可达0.001 mm，点胶的重复精度达到了0.01 mm ，可记录最高 256 组胶滴数据，每组胶滴数量为 4000 滴。
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH112;TN05

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