劉亞欣,趙亞濤,路士州,姚玉峰

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,150001,哈爾濱;2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

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壓電驅(qū)動撞針式高黏性膠體微噴系統(tǒng)的研制

劉亞欣1,2,趙亞濤1,路士州1,姚玉峰1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,150001,哈爾濱;2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

針對高黏性膠體材料要求快速、精確、靈活分配的需求,以及氣壓驅(qū)動撞針式噴射技術(shù)分配效率低、液滴操控能力有限的問題,設(shè)計(jì)了一種壓電驅(qū)動撞針式高黏性微噴系統(tǒng)。該系統(tǒng)將壓電致動器與傳統(tǒng)撞針式噴射閥相結(jié)合,并利用菱形放大機(jī)構(gòu)對壓電致動器位移進(jìn)行放大后帶動撞針振動,以此對微量高黏性膠體的高速、精確分配進(jìn)行操作。采用有限元法對菱形放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜、動態(tài)特性分析,通過構(gòu)建位移輸出單元的動力學(xué)模型分析撞針位移輸出情況,確定了機(jī)械本體的結(jié)構(gòu)參數(shù),搭建了包含閥體、氣路、驅(qū)動和監(jiān)測單元的微噴系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺,開發(fā)了基于模糊PID控制的膠體預(yù)分配方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:撞針振幅能夠達(dá)到有利于噴射的0.5 mm范圍,膠滴體積隨噴射頻率和膠體黏度的增大而減小,分配重復(fù)精度和準(zhǔn)確度分別可控制在4%和±6%以內(nèi),進(jìn)一步揭示了高黏性膠體材料的非接觸式分配機(jī)理,驗(yàn)證了壓電驅(qū)動撞針式噴射方案的可行性。

高黏性;撞針式;壓電致動器;菱形放大機(jī)構(gòu);模糊PID

膠體分配是微電子封裝領(lǐng)域中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。尤其近幾年來,隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展,各類芯片尺寸越來越小,引腳密度越來越大,封裝所用膠體黏度越來越高,這就要求膠體分配技術(shù)能夠更快、更準(zhǔn)、更微量地分配黏度范圍更寬的各種膠體材料[1,3]。

目前膠體分配技術(shù)主要包括接觸式和非接觸式兩種類型[4-5]。接觸式分配技術(shù)操作簡單、控制靈活、驅(qū)動力大,但需要點(diǎn)膠頭與基板接觸,工作效率低,點(diǎn)膠一致性差,且容易引起膠體交叉污染[6],而非接觸式分配技術(shù)不需要噴嘴與基板接觸,具有分配速度快、精度高、對物理空間要求低的特點(diǎn)[4]。目前利用撞針撞擊膠體形成噴射的非接觸式分配方法[7]得到了廣泛的應(yīng)用,該方法多利用脈沖式高壓空氣驅(qū)動撞針往復(fù)運(yùn)動,驅(qū)動力大,分配膠體黏度高,但存在撞針行程無法在線調(diào)節(jié)、氣壓波動大、分配效率低的問題[8]。

針對高黏性膠體材料要求快速、精確、靈活分配的需求,以及氣壓驅(qū)動撞針式噴射技術(shù)分配效率低、液滴操控能力有限的問題,本文提出了一種壓電驅(qū)動撞針式噴射方案。該方案充分利用壓電致動器輸出位移調(diào)節(jié)方便、振動頻率高的特點(diǎn)來提高系統(tǒng)分配效率、精度和靈活性[8-10]。

本文開發(fā)了壓電驅(qū)動撞針式噴射閥,對其構(gòu)成及工作原理進(jìn)行研究。利用有限元分析方法對放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜、動態(tài)特性分析,建立位移輸出單元的動力學(xué)模型,并在Matlab軟件中對撞針位移輸出情況進(jìn)行分析。最后,搭建系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺,通過實(shí)驗(yàn)對該微噴閥的噴射性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 噴射閥的結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示,壓電驅(qū)動撞針式噴射閥主要由壓電致動器、菱形放大機(jī)構(gòu)、撞針、閥體、噴嘴和儲液筒等構(gòu)成。壓電致動器嵌于菱形放大機(jī)構(gòu)內(nèi)部,其輸出位移經(jīng)菱形放大機(jī)構(gòu)放大后轉(zhuǎn)化為撞針豎向振幅;儲液筒內(nèi)的膠體經(jīng)上部高壓空氣驅(qū)動,不斷擠入閥體通道內(nèi)。

壓電驅(qū)動撞針式噴射閥的工作過程如下:初始時(shí)刻,膠體充滿閥體通道,撞針上部受壓緊靠在噴嘴底部并封住噴嘴出口;壓電致動器被施以高電平,壓電致動器橫向伸長,撞針向上抬起,此時(shí)噴嘴打開,外部氣壓驅(qū)動膠液填充撞針上移所形成的閥體空隙,并使一定量的膠液流出噴嘴;壓電致動器被施以低電平,壓電致動器和菱形放大機(jī)構(gòu)收縮,同時(shí)在彈簧回復(fù)力的作用下,撞針向下高速撞擊噴嘴內(nèi)膠體并封住噴口,被擠在噴嘴內(nèi)的膠體在慣性力作用下噴射出去,形成膠滴;在驅(qū)動信號高低電平交替作用下,撞針不斷上下往復(fù)振動,從而實(shí)現(xiàn)高速噴射點(diǎn)膠。通過改變驅(qū)動電壓幅值、頻率、占空比等可對撞針振幅、頻率進(jìn)行調(diào)節(jié),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對膠滴噴射性能的控制[11-12]。

圖1 壓電噴射閥的構(gòu)成

2 微噴閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

Nguyen等的研究結(jié)果表明,撞針振幅在0.3～0.5 mm時(shí),可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的液滴噴射過程[13-14]。由圖1可知,本噴射閥利用菱形放大機(jī)構(gòu)對壓電致動器位移進(jìn)行放大后再帶動撞針運(yùn)動。因此,本文在分析菱形放大機(jī)構(gòu)輸出能力的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究噴射閥中撞針的位移輸出情況。

2.1 放大機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真分析

工作中,放大機(jī)構(gòu)的位移放大倍數(shù)、固有頻率、應(yīng)力分布等對噴射閥的性能影響很大。本節(jié)利用有限元分析方法對上述因素進(jìn)行分析,進(jìn)而指導(dǎo)菱形放大機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

本文所用菱形放大機(jī)構(gòu)模型及相應(yīng)的位移放大原理如圖2所示。圖2a中T為側(cè)面厚度,θ為傾斜角,t為壁厚,A為內(nèi)部上下面間距,B為寬度,L為內(nèi)部左右面間距;圖2b中a、b分別為放大前菱形水平方向和豎直方向?qū)蔷€長的一半,c為菱形邊長,ta、tb分別為放大前后菱形水平方向和豎直方向長度的變化量。

(a)菱形放大機(jī)構(gòu)模型

(b)位移放大原理圖2 菱形放大機(jī)構(gòu)的模型及位移放大原理

由圖2b可見

a2+b2=(a+ta)2+(b-tb)2

(1)

對上式進(jìn)行整理可得該放大機(jī)構(gòu)的理論放大倍數(shù)為

β=2tb/2ta≈a/b=1/tanθ

(2)

考慮到壓電致動器輸出位移一般僅為微米級別,本文在保證放大機(jī)構(gòu)固有頻率、應(yīng)力分布等特征滿足要求的情況下,盡量選用較大的位移放大倍數(shù)。該放大機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)取值為T=8.25 mm,t=0.6 mm,B=10 mm,θ=6°。這樣,由式(2)可知理論放大倍數(shù)為9.5倍。

本文所用菱形放大機(jī)構(gòu)采用60Si2Mn彈簧鋼,相應(yīng)的彈性模量為206 GPa,密度為7 850 kg/m3,泊松比為0.3,屈服應(yīng)力為1 200 MPa。對放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,保持上端面固定,下端面為位移輸出面,其內(nèi)部水平方向施加等值反向位移為25 μm。

仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3a可見,放大機(jī)構(gòu)下端面的輸出位移為460 μm,放大比為9.2倍,與理論值9.5接近。由圖3b可見,放大機(jī)構(gòu)所受到的最大應(yīng)力為94.3 MPa,遠(yuǎn)小于其屈服應(yīng)力1 200 MPa,滿足強(qiáng)度要求。由圖3c可見,放大機(jī)構(gòu)的第一階振動模態(tài)為底端沿豎直方向的上下運(yùn)動,這是膠體噴射過程中的理想狀態(tài)。同時(shí),該放大機(jī)構(gòu)的一階固有頻率為821.168 Hz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)中所用的激勵(lì)電壓頻率,可有效避免共振。

(a)位移變化圖 (b)應(yīng)力云圖 (c)一階模態(tài)圖圖3 菱形放大機(jī)構(gòu)有限元仿真結(jié)果

2.2 噴射閥動力學(xué)仿真分析

如圖4所示,壓電驅(qū)動撞針式噴射閥的位移輸出單元包括壓電致動器、菱形放大機(jī)構(gòu)、撞針和彈簧4部分。

圖4 位移輸出單元構(gòu)成示意圖

位移輸出單元的動力學(xué)模型為

(3)

(4)

放大機(jī)構(gòu)對位移和力的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(5)

在式(3)～(5)中:mep為壓電陶瓷等效質(zhì)量,本文采用PZ公司的PST150/5/60型號壓電致動器,則mep=6×10-3kg;xp為壓電陶瓷的輸出位移,單位為m;壓電陶瓷的阻尼系數(shù)bp為1.5 N·s·m-1;壓電陶瓷的剛度系數(shù)kp為8×106N·m-1;單位電壓下壓電陶瓷的自由位移xp0為4×10-5m·V-1;V為壓電陶瓷的激勵(lì)電壓,單位為V;Fp為壓電陶瓷的輸出力,單位為N;撞針的質(zhì)量mn為2.6×10-3kg;撞針的阻尼系數(shù)bn為6 N·s·m-1;xn為撞針的輸出位移,單位為m;彈簧的剛度系數(shù)Ks為1.25×104N·m-1;Fn為放大機(jī)構(gòu)對撞針的作用力,單位為N;Fs0為彈簧的預(yù)壓力,單位為N。

聯(lián)立式(3)～(5)建立位移輸出單元的Matlab仿真模型,輸入峰值為150 V、頻率為100 Hz的方波電壓信號V,仿真得到壓電陶瓷和撞針的位移如圖5所示。

(a)撞針輸出位移

(b)壓電陶瓷輸出位移圖5 壓電陶瓷和撞針位移與時(shí)間的關(guān)系

由圖5可見,壓電陶瓷和撞針的輸出位移之間約有10倍的放大關(guān)系,且放大后撞針振幅能夠達(dá)到0.5 mm,滿足噴射條件中對撞針位移的要求。

3 微噴系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)研究

3.1 微噴系統(tǒng)構(gòu)成

如圖6所示,搭建的微噴系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺主要由閥體、氣路、驅(qū)動、監(jiān)測單元構(gòu)成。在上位機(jī)控制下,信號板發(fā)出驅(qū)動壓電致動器的電壓信號和調(diào)節(jié)電氣比例閥輸出壓力的控制信號;撞針輸出位移經(jīng)測微儀實(shí)時(shí)監(jiān)測并傳送給上位機(jī)進(jìn)行處理;噴射的膠滴經(jīng)電子天平稱量后依據(jù)密度轉(zhuǎn)換為體積。

圖6 壓電微噴系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺

3.2 微噴實(shí)驗(yàn)研究

噴射膠滴體積及準(zhǔn)確度是衡量微噴系統(tǒng)噴射性能的重要指標(biāo),撞針輸出位移及膠體黏度對噴射過程有很大的影響。為了驗(yàn)證壓電驅(qū)動撞針式微噴系統(tǒng)的膠體分配能力,本文基于圖6所示平臺,從撞針輸出位移、噴射頻率及膠體黏度對膠滴大小和膠滴分配精度的影響等方面開展實(shí)驗(yàn)研究。

3.2.1 撞針輸出位移 在峰值為150 V、周期為0.1 s的方波電壓信號以及0.25 MPa的氣壓驅(qū)動下分配黏度為5 Pa·s的膠體,測得撞針輸出位移如圖7所示。

圖7 撞針輸出位移實(shí)時(shí)監(jiān)測

由圖7可見,撞針振幅可達(dá)0.5 mm,滿足噴射過程對撞針振幅的要求。此外,在信號加載初期,位移波動較大,信號衰減后,撞針仍保持略大于0的位移量,這主要由壓電致動器和放大機(jī)構(gòu)的遲滯性造成。

3.2.2 噴射頻率對膠滴體積的影響 在峰值為150 V的方波電壓和0.25 MPa的驅(qū)動氣壓及不同頻率下分配黏度為5 Pa·s的膠體。圖8所示為膠滴體積隨噴射頻率的變化曲線。

圖8 膠滴體積隨頻率的變化

由圖8可見,膠滴體積隨噴射頻率的升高呈減小趨勢,這在頻率較低時(shí)表現(xiàn)更為明顯。當(dāng)頻率為120 Hz時(shí)所得膠滴體積為0.46 μL,這使得在實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)頻率可以實(shí)現(xiàn)對分配體積的控制。

3.2.3 膠體黏度對膠滴體積的影響 在幅值為120 V、頻率為40 Hz的方波電壓信號以及0.3 MPa的驅(qū)動氣壓下針對不同黏度的膠體進(jìn)行噴射實(shí)驗(yàn)。噴射膠滴體積與膠體黏度之間的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 膠滴體積與黏度之間的關(guān)系

在相同控制參數(shù)下,膠滴體積隨黏度的增大而減小。當(dāng)黏度低于2.2 Pa·s時(shí),噴出膠體易被打散為大量衛(wèi)星液滴。當(dāng)膠體黏度大于7 Pa·s時(shí),從噴嘴內(nèi)流出的膠體難以被切斷而黏附在噴嘴端部,此時(shí)需要通過提高系統(tǒng)驅(qū)動力來完成噴射?？梢?當(dāng)操控條件不變時(shí),膠體黏度需要保持在一定范圍內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)噴射。

3.2.4 分配精度測試 為了快速、靈活地分配具有不同黏度和期望體積的膠體材料,本文開發(fā)了模糊自適應(yīng)PID控制方案,該方案通過比較實(shí)際分配體積與期望體積的差值來實(shí)時(shí)調(diào)控各輪分配中撞針打開噴嘴的時(shí)間,以此實(shí)現(xiàn)對分配體積的精度控制。圖10顯示了基于開環(huán)手動調(diào)節(jié)和模糊自適應(yīng)PID控制來分配5 Pa·s黏度的膠體,并期望獲取1.5 μL膠滴時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。表1給出了基于模糊自適應(yīng)PID控制方案來分配不同黏度膠體時(shí)前30輪分配實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

表1 不同黏度膠體對應(yīng)不同體積的分配結(jié)果

圖10 開環(huán)和模糊自適應(yīng)PID控制效果對比

由圖10可見,模糊自適應(yīng)PID控制方案能夠在3次預(yù)分配操作中尋找到適合期望體積的系統(tǒng)控制參數(shù),在多輪分配中,體積波動很小,分配精度顯著提高。實(shí)驗(yàn)中開環(huán)控制膠滴平均體積為1.568 μL,重復(fù)精度為14.265%;模糊自適應(yīng)PID控制所得膠滴平均體積為1.521 μL,重復(fù)精度為3.794%。由表1可見,基于模糊自適應(yīng)PID控制方案,微噴系統(tǒng)在分配不同黏度和期望體積的膠體材料時(shí),分配重復(fù)精度和準(zhǔn)確度可分別控制在4%和±6%以內(nèi)。

4 結(jié) 論

本文提出了一種壓電驅(qū)動撞針式微量高黏性液體噴射方案。該方案將壓電致動器與撞針式微噴方式相結(jié)合,利用菱形放大機(jī)構(gòu)放大位移進(jìn)而帶動撞針往復(fù)振動,開發(fā)了噴射閥,搭建了包含閥體、氣路、驅(qū)動和監(jiān)測單元的微噴實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過對放大機(jī)構(gòu)和位移輸出單元進(jìn)行動力學(xué)仿真分析,確定了閥體結(jié)構(gòu)參數(shù),驗(yàn)證了膠滴噴射可行性。利用搭建的微噴系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)表明:撞針振幅能夠達(dá)到有利于噴射的0.3～0.5 mm范圍內(nèi),膠滴體積隨噴射頻率和膠體黏度的增大而減小,基于模糊自適應(yīng)PID控制方案,系統(tǒng)分配重復(fù)精度和準(zhǔn)確度可分別控制在4%和±6%以內(nèi)。

[1]路士州, 劉亞欣, 姚玉峰, 等.壓電驅(qū)動撞針式微噴系統(tǒng)的鍵合圖建模 [J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 48(1): 133-138.

LU Shizhou, LIU Yaxin, YAO Yufeng, et al.Bond-graph modeling of needle typed jet dispensing system driven by piezoelectric actuator [J].Journal of Xi’an Jiaotong University, 2014, 48(1): 133-138.

[2]姚玉峰, 路士州, 劉亞欣, 等.微量液體自動分配技術(shù)研究綜述 [J].機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2013, 49(14): 140-153.

YAO Yufeng, LU Shizhou, LIU Yaxin, et al.Research on automated micro-liquid dispensing technology [J].Journal of Mechanical Engineering, 2013, 49(14): 140-153.

[3]BERGKVIST J, LILLIEHORN T, NILSSON J, et al.Miniaturized flowthrough microdispenser with piezoceramic tripod actuation [J].Journal of Microelectro-Mechanical Systems, 2005, 14(1): 134-140.

[4]NGUYEN Q H, CHOI M K, CHOI S B.A new type of piezostack-driven jetting dispenser for semiconductor electronic packaging: modeling and control [J].Smart Materials and Structures, 2008, 17(1): 015033.

[5]YAO Yufeng, LU Shizhou, LIU Yaxin.Simulation and experiment research of non-contact micro-liquid reagent dispensing [J].Advance Journal of Food Science and Technology, 2013, 5(5): 514-521.

[6]LI Jianping, DENG Guiling.Technology development and basic theory study of fluid dispensing: a review [C]∥Proceedings of the 6th IEEE CPMT Conference on High Density Microsystem Design and Packaging and Component Failure Analysis.Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2004: 198-205.

[7]LU Shizhou, LIU Yaxin, YAO Yufeng, et al.Bond-graph model of a piezostack driven jetting dispenser [J].Simulation Modelling Practice and Theory, 2014, 49: 193-202.

[8]劉亞欣, 黃博, 路士州, 等.一種基于壓電驅(qū)動的噴射式點(diǎn)膠裝置: 中國, 201310114298.4 [P].2013-06-19.

[9]谷峰春.壓電驅(qū)動噴射式點(diǎn)膠機(jī)的研究 [D].吉林: 吉林大學(xué), 2012.

[10]LU Shizhou, LIU Yaxin, YAO Yufeng, et al.Design and analysis of a piezostack driven jetting dispenser for high viscosity adhesives [C]∥Proceedings of the IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics.Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2014: 227-232.

[11]孫慧.高粘性微量液滴非接觸式分配技術(shù)研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2011.

[12]焦曉陽, 劉建芳, 谷峰春, 等.壓電噴射點(diǎn)膠閥的噴射性能分析及實(shí)驗(yàn)研究 [J].四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版, 2013, 45(2): 193-198.

JIAO Xiaoyang, LIU Jianfang, GU Fengchun, et al.Analysis and research on jetting ability of the jet dispensing valve driven by a piezostack [J].Journal of Sichuan University: Engineering Science Edition, 2013, 45(2): 193-198.

[13]WANG Lingyun, DU Jiang, LUO Zhiwei, et al.Design and experiment of a jetting dispenser driven by piezostack actuator [J].IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2013, 3(1): 147-156.

[14]NGUYEN Q H, HAN Y M, CHOI S B, et al.Design of a new mechanism for jetting dispenser featuring piezoactuator [J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers: Part C Journal of Mechanical Engineering Science, 2008, 222(4): 711-722.

[本刊相關(guān)文獻(xiàn)鏈接]

郭濤,李國君.內(nèi)嵌晃蕩液體減振的流固耦合分析.2014,48(9):117-122.[doi:10.7652/xjtuxb201409020]

施東曉,畢勤成,周榮啟.磁性液體兩相界面演變特性的數(shù)值研究.2014,48(9):123-129.[doi:10.7652/xjtuxb201409021]

鄧知森,馬玉婷,馮志華.脈動離心隔膜壓電泵的原理與試驗(yàn).2014,48(8):98-103.[doi:10.7652/xjtuxb201408017]

俞玨,莊健,于德弘.采用李雅普諾夫函數(shù)的電液伺服系統(tǒng)反饋線性化控制.2014,48(7):71-76.[doi:10.7652/xjtuxb 201407013]

馬馳騁,張希農(nóng),羅亞軍,等.變質(zhì)量矩形貯箱流固耦合系統(tǒng)動力學(xué)特性分析.2014,48(7):109-116.[doi:10.7652/xjtuxb201407019]

趙志翔,厲彥忠,王磊,等.微弱漏氣對液氫管道插拔式法蘭漏熱的影響.2014,48(5):37-42.[doi:10.7652/xjtuxb2014 05007]

張春林,張希農(nóng),陳杰,等.菱形微位移壓電作動器的輸入輸出線性建模.2014,48(5):102-106.[doi:10.7652/xjtuxb 201405018]

蘇波,韓向科.用于三維非均質(zhì)流場計(jì)算的改進(jìn)流線迎風(fēng)Petrov-Galerkin(SUPG)方法.2014,48(3):128-134.[doi:10.7652/xjtuxb201403023]

周生喜,曹軍義,Alper ERTURK,等.壓電磁耦合振動能量俘獲系統(tǒng)的非線性模型研究.2014,48(1):106-111.[doi:10.7652/xjtuxb201401018]

路士州,劉亞欣,姚玉峰,等.壓電驅(qū)動撞針式微噴系統(tǒng)的鍵合圖建模.2014,48(1):133-138.[doi:10.7652/xjtuxb2014 01023]

曾平,孫淑杰,李立安,等.雙向旋轉(zhuǎn)非對稱慣性壓電驅(qū)動器理論與試驗(yàn)研究.2013,47(12):90-94.[doi:10.7652/xjtuxb 201312016]

孫中國,李帝辰,陳嘯,等.采用移動粒子半隱式法的進(jìn)口流動速度邊界模型.2013,47(11):87-91.[doi:10.7652/xjtuxb 201311016]

王宏金,孟慶豐.壓電振動能量收集器的等效電路建模分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.2013,47(10):75-80.[doi:10.7652/xjtuxb2013 10013]

吳越,楊志剛,劉勇,等.壓電振子對壓電泵極限輸出壓力的影響.2013,47(4):64-72.[doi:10.7652/xjtuxb201304013]

(編輯 武紅江)

Research on Needle-Type Micro Jet Dispensing Systems Driven by Piezoelectric Actuator for High Viscous Liquids

LIU Yaxin1,2, ZHAO Yatao1, LU Shizhou1, YAO Yufeng1

(1.State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 2.State Key Laboratory for Manufacturing System Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A kind of needle-type micro jet dispensing systems driven by piezoelectric actuator for high viscous liquids is proposed to dispense high viscous materials speedily, accurately and flexibly, and to solve the problem that needle-type jet dispensing technology driven by pressure has low efficiency and limited ability to control droplets.The system combines the piezoelectric actuator and the traditional needle-type jet valve, and utilizes a diamond displacement amplification mechanism to magnify the displacement of the piezoelectric actuator and to vibrate the needle so that the droplets are driven to squirt from the nozzle.The finite element analysis method is used to analyze the structure and the dynamic performance of the amplification mechanism.The output displacement of the needle is analyzed by building a dynamic mathematical model of the displacement output module.The structural parameters of the mechanical structure are obtained through these analyses.An experimental platform consisting of jet valve, pneumatic module, driving module and monitoring module is built, and a pre-distribution scheme based on fuzzy PID is developed.Experimental results show that the needle amplitude reaches 0.5 mm which is very suitable for dispensing.Smaller droplets are obtained as jet frequency and fluid viscosity increase, and the dispensing repeat-precision and accuracy of the droplets can be controlled below 4% and within ±6%, respectively.These results reveal the non-contact dispensing mechanism of high viscous materials, and verify the feasibility of the needle-type jet dispensing system driven by piezoelectric actuator.

high viscous; needle-type; piezoelectric actuator; diamond amplification mechanism; fuzzy PID

2014-12-15。 作者簡介:劉亞欣(1981—),女,副教授。 基金項(xiàng)目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012AA040504);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61203359);西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(2011004);機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(SKLRS-2012-ZD-05)。

時(shí)間:2015-03-23

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150323.1713.003.html

10.7652/xjtuxb201506015

TP24;TP6

A

0253-987X(2015)06-0090-06