林和德，董楸煌，溫明生

（1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，漳州 363000；2.福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福州 350002；3.深圳市元碩自動(dòng)化科技有限公司，深圳 518000）

新型“負(fù)壓反饋”回吸頂針式點(diǎn)膠閥的設(shè)計(jì)

林和德1，董楸煌2，溫明生3

（1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，漳州 363000；2.福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福州 350002；3.深圳市元碩自動(dòng)化科技有限公司，深圳 518000）

針對目前市場上應(yīng)用較為廣泛的回吸頂針式點(diǎn)膠閥易產(chǎn)生汽泡或真空包的問題，通過對市場上多種回吸針式點(diǎn)膠閥工作原理進(jìn)行分析研究，比較各種回吸針式點(diǎn)膠閥各自工作優(yōu)缺點(diǎn)，提出了“負(fù)壓反饋”回吸針式點(diǎn)膠閥的新設(shè)計(jì)方案，改變上進(jìn)膠為下進(jìn)膠方式，增設(shè)集氣室和負(fù)壓室。實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證，新型“負(fù)壓反饋”回吸頂針式點(diǎn)膠閥，調(diào)節(jié)容易，控制出膠精度高，斷膠迅速，不產(chǎn)生汽泡或真空包，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

回吸式點(diǎn)膠閥；集氣室；負(fù)壓室；空汽泡；真空包

0　引言

點(diǎn)膠機(jī)的發(fā)展起源于美國和歐洲，國內(nèi)點(diǎn)膠技術(shù)的興起是在2005～2007年間。最近幾年都保持銷售額年增長在20%左右。市場需求前景非常廣闊。

點(diǎn)膠閥是點(diǎn)膠機(jī)上最重要的工作執(zhí)行部件。點(diǎn)膠機(jī)是一種通過點(diǎn)膠閥對流體進(jìn)行控制，并將流體點(diǎn)滴、涂覆于產(chǎn)品表面或產(chǎn)品內(nèi)部的自動(dòng)化機(jī)器。點(diǎn)膠機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷豐富和發(fā)展，對點(diǎn)膠閥也提出了各種形式的要求。按出膠方式點(diǎn)膠閥可分為非接觸式和接觸式［1，2］，非接觸式點(diǎn)膠閥是近幾年剛發(fā)展起來的新技術(shù)，類似噴墨打印原理，具有速度快，膠點(diǎn)小，精度高，噴咀不需與基板接觸等優(yōu)點(diǎn)。但是非接觸式點(diǎn)膠技術(shù)還不算特別的成熟，成本相對昂貴，對膠水的粘度很敏感，且存在撞針行程無法在線調(diào)節(jié)，膠液分配效率低，難以控制等問題［3，4］；而傳統(tǒng)接觸式點(diǎn)膠閥因其結(jié)構(gòu)簡單可靠、性能穩(wěn)定、適用范圍廣、使用壽命長，目前仍然得到廣泛應(yīng)用（如圖1所示）。 常見的有：頂針式點(diǎn)膠閥，柱塞式點(diǎn)膠閥，隔膜式點(diǎn)膠閥，AB雙液點(diǎn)膠閥，還有旋轉(zhuǎn)式點(diǎn)膠閥等。下面介紹一種新型接觸式點(diǎn)膠閥。

圖1　針式點(diǎn)膠閥

1　目前國內(nèi)外技術(shù)狀況及存在問題

接觸式點(diǎn)膠閥門的質(zhì)量和制造水平：由于歐美及日本起步較早，制造技術(shù)先進(jìn)，高精度、高穩(wěn)定性的點(diǎn)膠閥門基本上是進(jìn)口，或是由外資企業(yè)生產(chǎn)；國產(chǎn)品牌這幾年在出膠精度和穩(wěn)定性方面取得了很大的進(jìn)步，但在出膠控制精度方面還有差距。但不管是外資企業(yè)生產(chǎn)或是國產(chǎn)品牌，應(yīng)用最廣泛的頂針式點(diǎn)膠閥在點(diǎn)膠過程中，普遍會在膠水中或多或少地存在空氣泡，或真空包。產(chǎn)生這種泡孔的原因是多方面的，有的是送膠管徑過小造成送膠不及時(shí)，或使用的膠水質(zhì)量不合格造成，但這兩個(gè)的問題比較好解決，難以解決的問題是頂針式點(diǎn)膠閥門在工作過程中，由于閥門運(yùn)動(dòng)速度較快，產(chǎn)生真空負(fù)壓，從而在膠水中容易析出氣體而產(chǎn)生汽泡，或真空包。如目前市場上使用的一種專利產(chǎn)品：接觸式點(diǎn)膠閥［5］，也屬于針式點(diǎn)膠閥。其工作原理是通過活塞及電磁閥，控制點(diǎn)膠接嘴座快速往復(fù)橫向移動(dòng)，從而控制接通或切斷膠液的通道。這種閥門結(jié)構(gòu)簡單，控制可靠。但由于接嘴座快速往復(fù)橫向移動(dòng)，以及膠液在重力作用下向下流動(dòng)的慣性力，在接嘴座及下面管道容易出現(xiàn)真空和負(fù)壓，進(jìn)而析出氣體或真空包；由于沒有回吸作用，這種點(diǎn)膠閥斷膠不夠徹底，易出現(xiàn)拉絲等情況。這種現(xiàn)象會直接影響到點(diǎn)膠的質(zhì)量，出現(xiàn)點(diǎn)膠不均勻，不連續(xù)，或干涸后凹陷，使膠水失去對電子產(chǎn)品的保護(hù)作用，這將影響到電子產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命。

針式點(diǎn)膠閥這一工作原理性缺陷問題至今一直困擾著點(diǎn)膠閥的生產(chǎn)企業(yè)及設(shè)備使用廠家。

2　解決思路及方案

2.1產(chǎn)生氣泡或真空包的原因

目前市場上比較流行的回吸頂針式點(diǎn)膠閥（如圖2所示），點(diǎn)膠閥工作時(shí)，膠水從液體入口進(jìn)入閥門室上腔，通過閥門自上往下流入閥門室下腔，并從液體出口出膠；點(diǎn)膠閥門要關(guān)閉時(shí)，動(dòng)閥門在閥桿組件帶動(dòng)下快速向上提升，封閉出膠口停止供膠，同時(shí)在閥室內(nèi)下腔會產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓，及時(shí)“拉住”向下運(yùn)動(dòng)滴漏的膠料，從而實(shí)現(xiàn)瞬間斷膠，較好地解決了出膠延時(shí)和拉絲滴漏現(xiàn)象。

圖2　頂針式點(diǎn)膠閥

根據(jù)該閥門的工作原理，不銹鋼彈簧切變模量［6］：

代入得彈簧剛度：

根據(jù)彈簧能量方程：

以閥門上升前為狀態(tài)1，閥門上升過程為狀態(tài)2。

由式（3）可得閥門上升關(guān)閉時(shí)的最大速度：

在正常出膠時(shí)，膠水向下流動(dòng)速度：

閥門出膠口壓力為一個(gè)大氣壓。

對于重力場中不可壓縮均質(zhì)流體，有伯努利方程：

由式（4）可得閥門運(yùn)動(dòng)速度與閥室壓力降的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3　閥門運(yùn)動(dòng)速度與閥室壓力降的關(guān)系曲線

由曲線圖可以清楚看出，閥門運(yùn)動(dòng)速度越快，閥室內(nèi)壓力降越大，越容易出現(xiàn)汽化或真空現(xiàn)象。

把相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（4）可得閥門上升關(guān)閉時(shí)閥門口液流壓力為：

由于膠水具有粘滯性，流動(dòng)性比較差，實(shí)際工作時(shí)閥門口液流壓力比此計(jì)算值還小。

由此可見，在閥門快速上升關(guān)閉時(shí)，閥門口是在負(fù)壓狀態(tài)下工作，膠水容易析出氣體形成汽泡，以及由于膠水粘滯性較大，來不及回流填充而產(chǎn)生真空包。

針對針式點(diǎn)膠閥在工作時(shí)，膠液在閥室內(nèi)容易產(chǎn)生汽泡或真空包的難題［7］，在對目前市場上各種針式點(diǎn)膠閥［8，9］的工作原理進(jìn)行研究，分析了各種針式點(diǎn)膠閥各自工作原理優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了“負(fù)壓反饋”回吸的設(shè)計(jì)方案，即可解決出膠延時(shí)和拉絲滴漏現(xiàn)象，又可以避免產(chǎn)生空汽泡或真空包的難題。

2.2解決思路及方案

根據(jù)生產(chǎn)需要，點(diǎn)膠閥必須滿足三點(diǎn)要求：出膠連貫均勻、斷膠迅速不滴漏和拉絲、不產(chǎn)生汽泡或真空包。在分析、總結(jié)了現(xiàn)有各種點(diǎn)膠閥工作原理和特點(diǎn)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，采取如下解決方案：

1）改變逆向進(jìn)膠為同向進(jìn)膠

現(xiàn)有市場上有部份點(diǎn)膠閥門進(jìn)膠方向與閥門打開方向相反，由于膠水粘滯性較大，不能迅速充滿因閥門打開所產(chǎn)生的空腔，因此在閥門室容易出現(xiàn)真空包和低負(fù)壓。新方案采用同向進(jìn)膠，即進(jìn)膠流動(dòng)方向與閥門打開運(yùn)動(dòng)方向一致，膠水在壓力作用下可順著閥門打開方向快速充滿，有效減少在閥門打開瞬間出現(xiàn)的真空和低負(fù)壓。

2）在閥門室內(nèi)增設(shè)集氣室

集氣室可收集開始工作時(shí)由于管道排氣不干凈，或膠水中的殘余的汽泡，收集工作中由于瞬間低壓汽化而產(chǎn)生的氣泡［10］，同時(shí)集氣室可起到穩(wěn)壓緩沖的作用，出膠更連貫。集氣室內(nèi)氣體可通過打開放氣閥放氣。

3）增設(shè)負(fù)壓室，控制縮小閥門桿直徑

負(fù)壓室一邊由彈性隔膜與集氣室相接，另一邊與活塞上腔用管道連通，形成負(fù)壓室。

根據(jù)恒溫狀態(tài)下密閉空間內(nèi)的氣體：

即壓力與體積成反比關(guān)系。在針閥下行關(guān)閉時(shí)，針閥下行使閥室內(nèi)腔體積變小，膠水受到擠壓，閥門室及集氣室壓力p1上升；同時(shí)活塞上室內(nèi)腔由于活塞下行而體積變大，則活塞室內(nèi)的空氣的壓強(qiáng)p2急劇下降，通過負(fù)壓管道將負(fù)壓引到負(fù)壓室p2，吸引彈性隔膜變形，使集氣室及閥門室容積擴(kuò)大；當(dāng)活塞直徑大于閥門桿直徑時(shí)，閥門室容積擴(kuò)大量將大于針閥下行造成的閥室容積的縮小量，可確保針閥關(guān)閉時(shí)閥室內(nèi)腔的壓力瞬間減小，對出膠管產(chǎn)生回吸作用，從而實(shí)現(xiàn)瞬間斷膠。通過實(shí)驗(yàn)證明，由于有集氣室起到收集氣體和穩(wěn)壓緩沖的作用，不易產(chǎn)生太大瞬間負(fù)壓，因此可避免產(chǎn)生空汽泡或真空包的現(xiàn)象。

4）適當(dāng)擴(kuò)大閥門進(jìn)膠孔徑

閥門孔徑大小對高速液流的節(jié)流作用而產(chǎn)生壓力差，有很大影響。如盧安樂等［11］對截止閥動(dòng)力特性的研究，不同小孔直徑下閥芯上下表面壓力差如圖4所示，閥芯上下表面壓力差隨著小孔直徑的增大不斷減少。因此適當(dāng)擴(kuò)大閥門孔徑可以減輕節(jié)流降壓的效果。

圖4　不同小孔直徑下閥芯上下表面壓力差

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1點(diǎn)膠閥結(jié)構(gòu)及工作原理

“負(fù)壓反饋”回吸頂針式點(diǎn)膠閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖5所示，主要由上閥體、下閥體、千分規(guī)、活塞、集氣室、負(fù)壓室、進(jìn)膠管咀和出膠管咀等組成。

圖5　負(fù)壓反饋回吸頂針式點(diǎn)膠閥

工作原理：電信號驅(qū)動(dòng)二位三通電磁閥動(dòng)作，壓縮空氣進(jìn)入活塞下腔，驅(qū)動(dòng)活塞帶針閥上行打開閥門，閥門開啟大小由千分規(guī)調(diào)節(jié)控制。膠水在送膠壓力作用下，主動(dòng)由進(jìn)膠管進(jìn)入閥體并上行，通過閥門口進(jìn)入閥門室內(nèi)，并從出膠管出膠；當(dāng)電信號再次驅(qū)動(dòng)二位三通電磁閥往回動(dòng)作進(jìn)行放氣時(shí)，活塞在壓縮彈簧作用下，下行并帶動(dòng)針閥迅速關(guān)閉閥門，停止供膠。同時(shí)由于活塞快速下行，活塞上腔壓力下降，負(fù)壓反饋到負(fù)壓室，吸引彈性隔膜變形，集氣室壓力同步迅速下降，及時(shí)“拉住”向下滴漏的膠料，從而實(shí)現(xiàn)瞬間斷膠。

二位三通電磁閥的控制電信號由可編程控制器（PLC）控制［12］，可以大大提高控制機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

3.2改進(jìn)后新型“負(fù)壓反饋”回吸頂針式點(diǎn)膠閥工作特點(diǎn)

通過改變逆向進(jìn)膠為同向進(jìn)膠方式，增加集氣室和負(fù)壓反饋室，新型點(diǎn)膠閥的出膠連慣性和瞬間斷膠及消除汽泡性能有了徹底的提高。具體表現(xiàn)在以下六個(gè)方面：

1）由千分規(guī)控制閥門開啟大小，可精確微調(diào)出膠量，在膠水質(zhì)量和工作壓力穩(wěn)定的情況下，可確保出膠流量的準(zhǔn)確性和連慣性。

2）膠水是在送膠壓力作用下主動(dòng)進(jìn)入閥門，流動(dòng)方向與閥門打開方向一至，都是向上運(yùn)動(dòng)，膠水可迅速充滿閥室，不易產(chǎn)生真空負(fù)壓。

3）集氣室可收集開始工作時(shí)由于管道排氣不干凈，或膠水中的殘余的氣泡，以及工作中產(chǎn)生的氣體。同時(shí)起到穩(wěn)定工作壓力的作用，使出膠更平穩(wěn)、連貫。

4）負(fù)壓室的存在，可以保證在針閥下行關(guān)閉時(shí)，閥室內(nèi)腔壓力不會上升，反而會下降，對出膠管產(chǎn)生吸膠作用，從而實(shí)現(xiàn)瞬間斷膠，不滴漏和拉絲。

5）閥門為常閉式，防止意外停機(jī)而滴漏。

6）頂針頭部采用球面結(jié)構(gòu)，有自動(dòng)對中作用，關(guān)閉和開啟速度比傳統(tǒng)錐形結(jié)構(gòu)所需時(shí)間更短，控膠更準(zhǔn)確。

3.3“負(fù)壓反饋”回吸頂針式點(diǎn)膠閥主要技術(shù)參數(shù)

“負(fù)壓反饋”回吸頂針式點(diǎn)膠閥正常工作主要技術(shù)參數(shù)：

點(diǎn)膠閥驅(qū)動(dòng)空氣壓力：0.3～0.5MPa；

供膠壓力：0.2～0.4MPa；

膠閥活塞直徑：?18mm；

彈簧預(yù)壓力：1.0kg；

進(jìn)膠管直徑：?6mm；

出膠管咀直徑：?0.2mm～?0.8mm；

膠閥適用膠水粘度值：≦3000。

4　試驗(yàn)情況

根據(jù)設(shè)計(jì)原理圖，制作了新型“負(fù)壓反饋”回吸頂針式點(diǎn)膠閥，如工作裝置圖6（左）所示，并與市面上普通回吸式點(diǎn)膠閥如圖6（右）所示，裝在同一臺點(diǎn)膠機(jī)架上，在相同條件下進(jìn)行點(diǎn)膠作業(yè)。

圖6　工作裝置

試驗(yàn)工作條件：

點(diǎn)膠閥驅(qū)動(dòng)空氣壓力：0.5MPa；

供膠壓力：0.3MPa；

出膠管咀直徑：?0.6mm；

測試用藍(lán)色膠水為：tuffy膠；

測試透明膠水為：uv膠。

4.1出膠管口回吸情況比較

因出膠管咀為白色，采用有色膠水進(jìn)行試驗(yàn)。圖7為新型“負(fù)壓反饋”回吸頂針式點(diǎn)膠閥，出膠管咀口的情景，比較干凈，回吸性能好；圖8為普通回吸式點(diǎn)膠閥進(jìn)行有色膠水點(diǎn)膠后，出膠管咀口的情景，不太干凈。

圖7　新型點(diǎn)膠閥出膠管口

圖8　普通點(diǎn)膠閥出膠管口

4.2出膠均勻性、斷膠和氣泡情況比較

為便于觀察氣泡，采用無色膠水進(jìn)行試驗(yàn)。圖9為新型“負(fù)壓反饋”回吸頂針式點(diǎn)膠閥的工作情景，無發(fā)現(xiàn)氣泡，出膠均勻，斷膠迅速；圖10為普通回吸頂針式點(diǎn)膠閥的工作情景，點(diǎn)膠后有少量氣泡。

圖9　新型點(diǎn)膠閥工作狀態(tài)

圖10　普通點(diǎn)膠閥工作狀態(tài)

4.3試驗(yàn)結(jié)果

從點(diǎn)膠效果表1和比較圖11可以看出，新型“負(fù)壓反饋”回吸頂針式點(diǎn)膠閥出膠質(zhì)量（圖11上）在氣泡、出膠均勻度及斷膠方面，明顯好于普通回吸頂針式點(diǎn)膠閥的出膠質(zhì)量（圖11下）。達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表1　點(diǎn)膠效果

圖11　比較圖

5　結(jié)束語

“負(fù)壓反饋”回吸頂針式點(diǎn)膠閥，在結(jié)構(gòu)原理上充分吸取目前市場上回吸頂針式點(diǎn)膠閥構(gòu)造簡單、斷膠干凈的優(yōu)點(diǎn)，通過改變進(jìn)膠方式，創(chuàng)造性地增設(shè)集氣室、負(fù)壓反饋室，利用負(fù)壓反饋回吸原理，較徹底地解決了頂針式點(diǎn)膠閥工作中會產(chǎn)生空氣泡或真空包的這一行業(yè)難題。通過實(shí)驗(yàn)初步表明，新型“負(fù)壓反饋”回吸頂針式點(diǎn)膠閥達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具有出膠量精確度高，斷膠迅速，不拉絲，出膠連續(xù)性好，不產(chǎn)生氣泡和真空包，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，具有很好實(shí)用性和推廣價(jià)值。

此項(xiàng)成果已經(jīng)向國家專利局申請發(fā)明專利：

發(fā)明專利號：ZL201510671801.5。

實(shí)用新型專利號：ZL201520801563.0。

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Design of a new sucking-back thimble dispensing valve for “negative pressure feedback”

LIN He-de1，DONG Qiu-huang2，WEN Ming-sheng3

TH137

B

1009-0134（2016）09-0126-05

2016-07-07

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016J05110）；漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研計(jì)劃資助項(xiàng)目（ZZY1510）

林和德（1962 -），男，福建漳州人，副教授，學(xué)士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造。