李 廣, 鄧圭玲, 張宇馳, 周 燦, 鄧珺珺

(1.中南大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410083;3.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院,湖南 長沙 410205)

0 引 言

噴射點膠作為光電封裝的主流技術(shù)，要求點膠設(shè)備趨向小型化、模塊化和高速化發(fā)展[1～2]。其中壓電堆以其體積小、頻率高、精度高、分辨率高等優(yōu)點[3,4]，在噴射點膠技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。

在噴射點膠領(lǐng)域已經(jīng)有許多專家進行了深入研究[5～7]。文獻[8]設(shè)計了一種帶有杠桿式機械放大機構(gòu)的噴射點膠閥，通過雙壓電驅(qū)動器驅(qū)動，實現(xiàn)了500 Hz的點膠，但是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制，外形過于龐大。文獻[9]設(shè)計了帶有菱形放大機構(gòu)的噴射點膠閥，用一種單自由度的動力學(xué)模型實現(xiàn)了菱形放大機構(gòu)的運動分析。王凌云等人設(shè)計了一種雙壓電驅(qū)動的帶有三角形機械放大機構(gòu)的噴射點膠閥[10]，最高可以實現(xiàn)400 Hz的穩(wěn)定點膠。文獻[11]設(shè)計了一種噴針與杠桿用銷連接的噴射點膠閥，減小了噴針與導(dǎo)向件運動時的干涉，提高了噴針的速度和行程，實現(xiàn)了更高粘度的點膠。

以往的壓電噴射閥動力學(xué)仿真都沒有使用剛?cè)狁詈夏Ｐ?，本文以平面彈簧預(yù)緊壓電噴射閥為研究對象，通過ADAMS軟件建立壓電噴射閥的剛?cè)狁詈咸摂M樣機模型。通過動力學(xué)仿真得到噴針的速度和位移的變化規(guī)律，并研究了不同控制參數(shù)對壓電噴射閥動態(tài)性能的影響，經(jīng)過實驗與仿真結(jié)果對比，驗證了仿真的準確性。最后通過實驗分析了壓電噴射閥的膠滴體積一致性。

1 平面彈簧預(yù)緊壓電噴射閥的結(jié)構(gòu)與工作原理

平面彈簧預(yù)緊壓電噴射閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用兩個平面彈簧對稱布置，通過上端頂塊和下端頂塊夾緊壓電堆的方式為其提供預(yù)緊力。放大機構(gòu)是一種帶有柔性鉸鏈的杠桿式放大，加熱棒用于控制膠液溫度。首先由控制器控制加熱棒將膠水加熱到設(shè)定的溫度。壓電堆由信號發(fā)生器和功率放大器提供驅(qū)動電壓，當信號發(fā)生器提供高電平時，壓電堆充電并伸展。壓電堆產(chǎn)生的力與位移迫使放大機構(gòu)圍繞柔性鉸鏈中心旋轉(zhuǎn)，撞針隨放大機構(gòu)向下運動。撞針將噴針往下壓，當噴針往下運動時，噴針與膠水之間的擠壓使儲膠腔內(nèi)的膠水變薄并向下流動。噴嘴出口處的壓力逐漸增大，當噴針碰到噴嘴時，膠水被切斷，噴嘴出口處的膠水形成膠滴被噴出。然后信號發(fā)生器提供低電平，壓電堆恢復(fù)到初始狀態(tài)。放大機構(gòu)在柔性鉸鏈剛度的作用下回復(fù)到平衡位置。噴針在噴針彈簧的作用下向上運動，與此同時，儲膠腔重新補充膠水，一個循環(huán)結(jié)束。

圖1 平面彈簧預(yù)緊壓電噴射閥

2 ADAMS仿真模型

ADAMS/View是ADAMS的一個核心模塊，作為以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境，提供了豐富的約束庫和力庫。它可以對機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析，并作出位移、速度、加速度和力的曲線。

ADAMS與SolidWorks兼容，利用SolidWorks建立噴射點膠閥零件的三維模型并裝配，再將模型導(dǎo)入ADAMS中。使用Ansys對放大機構(gòu)的柔性鉸鏈和平面彈簧進行柔性化，生成模態(tài)中性文件(.mnf)再導(dǎo)入ADAMS中替換原有的剛體零件，替換后的ADAMS模型如圖2所示。

圖2 ADAMS仿真模型

對各個零件進行材料設(shè)置，放大機構(gòu)和平面彈簧為65Mn，噴針和噴嘴為鎢鋼，其余零件為不銹鋼?？蚣芄潭ㄔ诖蟮厣希溆嘞鄬蚣軟]有運動的零件設(shè)置為對框架的固定約束。柔性鉸鏈通過固定約束與放大機構(gòu)另兩部分連接，平面彈簧兩端的孔分別與上端頂塊和下端頂塊的凸臺設(shè)置固定約束，噴針與套筒設(shè)置為平移副約束。使用虛擬彈簧替代噴針彈簧，添加阻尼力模擬膠液對噴針的作用；在上端頂塊和下端頂塊之間添加一個力和一個虛擬彈簧模擬壓電堆工作；在下端頂塊和放大機構(gòu)之間、撞針與噴針之間和噴針與噴嘴之間添加接觸力模擬零件之間的碰撞。

壓電堆本質(zhì)上可以看作為一個剛度極大的彈簧，因此將壓電堆用彈簧代替，本文中壓電噴射閥使用的壓電堆是PI公司生產(chǎn)的P—887.91型壓電陶瓷驅(qū)動器，剛度為50 kN/mm。壓電堆在不同工作電壓下，輸出力和輸出位移的關(guān)系如圖3所示。

圖3 壓電堆特性

根據(jù)壓電堆特性創(chuàng)建壓電堆仿真模型，將壓電堆等效為一個剛度為50 kN/mm的彈簧和一個加載在上端頂塊和下端頂塊之間的力，施加的力采用函數(shù)的形式，隨時間發(fā)生大小的改變，力的函數(shù)式為

F=STEP(sin(2×π×f×t),y1,0,y2,FN)

(1)

式中f為壓電噴射閥的工作頻率；FN為壓電驅(qū)動器在相應(yīng)的電壓下輸出力的最大值；y1和y2為一個點膠過程中壓電驅(qū)動器輸出力發(fā)生變化的時間點。如圖4為500 Hz頻率，占空比50 %，80 V工作電壓下壓電驅(qū)動器的驅(qū)動力。

圖4 壓電堆驅(qū)動力

3 噴射閥動態(tài)性能仿真與實驗分析

3.1 實驗平臺的搭建

實驗平臺如圖5所示。

圖5 實驗平臺

利用信號發(fā)生器輸出脈沖波提供給壓電驅(qū)動器專用的功率放大器，功率放大器將脈沖電壓放大10倍后輸入到壓電堆中，利用激光位移傳感器對噴射閥的撞針進行測量，獲得撞針的位移曲線。忽略噴針與撞針之間的細微震蕩，視噴針與撞針的運動位移情況一致。

3.2 仿真與實驗對比

實驗中壓電噴射閥的工作頻率為200 Hz，高電平為100 V，高電平和低電平時間都為2.2 ms，上升和下降時間都為0.3 ms，噴針和噴嘴之間的距離為0.09 mm。通過激光位移傳感器獲得實驗中噴針的位移。使用相同條件進行仿真，任意選取其中2個連續(xù)的周期與實驗結(jié)果對比，如圖6所示。仿真結(jié)果中噴針的位移為0.097 mm，噴針與噴嘴碰撞時的速度為335 mm/s，實驗結(jié)果中噴針的位移為0.09 mm，噴針與噴嘴碰撞時的速度為320 mm/s。仿真結(jié)果與實驗結(jié)果較為一致，證明了壓電噴射閥剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ偷目煽啃浴?/p>

圖6 仿真實驗對比

3.3 不同控制因素的影響

1)電壓的影響

當電壓變化范圍為60～100 V時，仿真與實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 電壓對動態(tài)性能的影響

隨著電壓從60 V變?yōu)?00 V，噴針的位移略微增加，位移大小從0.061 mm變?yōu)?.067 mm，增加了6 μm。隨著電壓的逐漸增加，噴針的速度也隨之增加，這是因為電壓增大，壓電堆的輸出力增加，噴針獲得的加速度增大，噴針可以達到的速度也就越大。

2)占空比的影響

當占空比變化范圍為30 %～70 %時，仿真與實驗結(jié)果如圖8所示。隨著占空比的增加，噴針的位移大小基本沒有變化，去除上下振蕩，位移基本保持在0.07 mm左右。并且噴針向下運動的曲線的斜率變化不大，因此,噴針速度變化不大，基本在0.29 m/s左右，仿真與實驗基本一致。

圖8 占空比對動態(tài)性能的影響

3)上升時間的影響

當上升時間變化范圍為0.32～0.99 ms時，仿真與實驗結(jié)果如圖9所示。隨著上升時間的增加，噴針的位移大小基本沒有變化，去除上下振蕩，位移基本保持在0.07 mm左右，但是噴針向下運動的曲線斜率逐漸減小，因此,噴針速度逐漸減小。

圖9 上升時間對動態(tài)性能的影響

4)頻率的影響

當頻率變化范圍為50～500 Hz時，仿真與實驗結(jié)果如圖10所示。隨著頻率的增加，噴針的位移大小基本沒有變化，去除上下振蕩，位移基本保持在0.085 mm左右，噴針速度變化不大，基本在0.32 m/s左右，仿真與實驗基本一致。

圖10 頻率對動態(tài)性能的影響

3.4 噴射閥膠滴一致性

高一致性的膠滴體積意味著噴射閥的穩(wěn)定性高，有利于在工業(yè)上應(yīng)用。對噴射閥進行48組，每組1 000滴的點膠實驗。實驗所用膠水密度為0.842 g/mL，使用電子天平對每組膠滴質(zhì)量進行測量，測得每組實驗的膠滴體積如圖11所示。實驗的膠滴體積的均在為39.19～40.02 nL之間，平均膠滴體積為39.59 nL，體積誤差在±1.5 %以內(nèi)。

圖11 噴射閥膠滴體積一致性

4 結(jié) 論

1)本文利用ADAMS創(chuàng)建了平面彈簧預(yù)緊壓電噴射閥的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真模型。通過對噴射閥的實驗與仿真對比分析，驗證了仿真模型的可靠性，為含有柔性零件壓電噴射點膠閥的設(shè)計與研究提供了一種方法。2)壓電噴射閥的動態(tài)性能主要與控制因素的電壓和上升時間有關(guān)，實驗表明噴針速度隨著電壓的增大而增大，隨著上升時間的增大而減小。3)實驗探究了壓電噴射閥的膠滴一致性，膠滴體積的一致性不超過±1.5 %。