新型“負壓反饋”回吸頂針式點膠閥的設計

林和德，董楸煌，溫明生

（1.漳州職業技術學院，漳州 363000；2.福建農林大學 機電工程學院，福州 350002；3.深圳市元碩自動化科技有限公司，深圳 518000）

新型“負壓反饋”回吸頂針式點膠閥的設計

林和德1，董楸煌2，溫明生3

（1.漳州職業技術學院，漳州 363000；2.福建農林大學 機電工程學院，福州 350002；3.深圳市元碩自動化科技有限公司，深圳 518000）

針對目前市場上應用較為廣泛的回吸頂針式點膠閥易產生汽泡或真空包的問題，通過對市場上多種回吸針式點膠閥工作原理進行分析研究，比較各種回吸針式點膠閥各自工作優缺點，提出了“負壓反饋”回吸針式點膠閥的新設計方案，改變上進膠為下進膠方式，增設集氣室和負壓室。實驗初步驗證，新型“負壓反饋”回吸頂針式點膠閥，調節容易，控制出膠精度高，斷膠迅速，不產生汽泡或真空包，具有推廣應用價值。

回吸式點膠閥；集氣室；負壓室；空汽泡；真空包

0　引言

點膠機的發展起源于美國和歐洲，國內點膠技術的興起是在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。

點膠閥是點膠機上最重要的工作執行部件。點膠機是一種通過點膠閥對流體進行控制，并將流體點滴、涂覆于產品表面或產品內部的自動化機器。點膠機的應用領域不斷豐富和發展，對點膠閥也提出了各種形式的要求。按出膠方式點膠閥可分為非接觸式和接觸式［1，2］，非接觸式點膠閥是近幾年剛發展起來的新技術，類似噴墨打印原理，具有速度快，膠點小，精度高，噴咀不需與基板接觸等優點。但是非接觸式點膠技術還不算特別的成熟，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節，膠液分配效率低，難以控制等問題［3，4］；而傳統接觸式點膠閥因其結構簡單可靠、性能穩定、適用范圍廣、使用壽命長，目前仍然得到廣泛應用（如圖1所示）。 常見的有：頂針式點膠閥，柱塞式點膠閥，隔膜式點膠閥，AB雙液點膠閥，還有旋轉式點膠閥等。下面介紹一種新型接觸式點膠閥。

圖1　針式點膠閥

1　目前國內外技術狀況及存在問題

接觸式點膠閥門的質量和制造水平：由于歐美及日本起步較早，制造技術先進，高精度、高穩定性的點膠閥門基本上是進口，或是由外資企業生產；國產品牌這幾年在出膠精度和穩定性方面取得了很大的進步，但在出膠控制精度方面還有差距。但不管是外資企業生產或是國產品牌，應用最廣泛的頂針式點膠閥在點膠過程中，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，或使用的膠水質量不合格造成，但這兩個的問題比較好解決，難以解決的問題是頂針式點膠閥門在工作過程中，由于閥門運動速度較快，產生真空負壓，從而在膠水中容易析出氣體而產生汽泡，或真空包。如目前市場上使用的一種專利產品：接觸式點膠閥［5］，也屬于針式點膠閥。其工作原理是通過活塞及電磁閥，控制點膠接嘴座快速往復橫向移動，從而控制接通或切斷膠液的通道。這種閥門結構簡單，控制可靠。但由于接嘴座快速往復橫向移動，以及膠液在重力作用下向下流動的慣性力，在接嘴座及下面管道容易出現真空和負壓，進而析出氣體或真空包；由于沒有回吸作用，這種點膠閥斷膠不夠徹底，易出現拉絲等情況。這種現象會直接影響到點膠的質量，出現點膠不均勻，不連續，或干涸后凹陷，使膠水失去對電子產品的保護作用，這將影響到電子產品質量和使用壽命。

針式點膠閥這一工作原理性缺陷問題至今一直困擾著點膠閥的生產企業及設備使用廠家。

2　解決思路及方案

2.1產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膠閥（如圖2所示），點膠閥工作時，膠水從液體入口進入閥門室上腔，通過閥門自上往下流入閥門室下腔，并從液體出口出膠；點膠閥門要關閉時，動閥門在閥桿組件帶動下快速向上提升，封閉出膠口停止供膠，同時在閥室內下腔會產生一個負壓，及時“拉住”向下運動滴漏的膠料，從而實現瞬間斷膠，較好地解決了出膠延時和拉絲滴漏現象。

圖2　頂針式點膠閥

根據該閥門的工作原理，不銹鋼彈簧切變模量［6］：

代入得彈簧剛度：

根據彈簧能量方程：

以閥門上升前為狀態1，閥門上升過程為狀態2。

由式（3）可得閥門上升關閉時的最大速度：

在正常出膠時，膠水向下流動速度：

閥門出膠口壓力為一個大氣壓。

對于重力場中不可壓縮均質流體，有伯努利方程：

由式（4）可得閥門運動速度與閥室壓力降的關系曲線，如圖3所示。

圖3　閥門運動速度與閥室壓力降的關系曲線

由曲線圖可以清楚看出，閥門運動速度越快，閥室內壓力降越大，越容易出現汽化或真空現象。

把相關數據代入式（4）可得閥門上升關閉時閥門口液流壓力為：

由于膠水具有粘滯性，流動性比較差，實際工作時閥門口液流壓力比此計算值還小。

由此可見，在閥門快速上升關閉時，閥門口是在負壓狀態下工作，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生真空包。

針對針式點膠閥在工作時，膠液在閥室內容易產生汽泡或真空包的難題［7］，在對目前市場上各種針式點膠閥［8，9］的工作原理進行研究，分析了各種針式點膠閥各自工作原理優缺點的基礎上，提出了“負壓反饋”回吸的設計方案，即可解決出膠延時和拉絲滴漏現象，又可以避免產生空汽泡或真空包的難題。

2.2解決思路及方案

根據生產需要，點膠閥必須滿足三點要求：出膠連貫均勻、斷膠迅速不滴漏和拉絲、不產生汽泡或真空包。在分析、總結了現有各種點膠閥工作原理和特點，并通過實驗驗證后，采取如下解決方案：

1）改變逆向進膠為同向進膠

現有市場上有部份點膠閥門進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生的空腔，因此在閥門室容易出現真空包和低負壓。新方案采用同向進膠，即進膠流動方向與閥門打開運動方向一致，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的真空和低負壓。

2）在閥門室內增設集氣室

集氣室可收集開始工作時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生的氣泡［10］，同時集氣室可起到穩壓緩沖的作用，出膠更連貫。集氣室內氣體可通過打開放氣閥放氣。

3）增設負壓室，控制縮小閥門桿直徑

負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，形成負壓室。

根據恒溫狀態下密閉空間內的氣體：

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

4）適當擴大閥門進膠孔徑

閥門孔徑大小對高速液流的節流作用而產生壓力差，有很大影響。如盧安樂等［11］對截止閥動力特性的研究，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。因此適當擴大閥門孔徑可以減輕節流降壓的效果。

圖4　不同小孔直徑下閥芯上下表面壓力差

3　結構設計

3.1點膠閥結構及工作原理

“負壓反饋”回吸頂針式點膠閥結構設計圖如圖5所示，主要由上閥體、下閥體、千分規、活塞、集氣室、負壓室、進膠管咀和出膠管咀等組成。

圖5　負壓反饋回吸頂針式點膠閥

工作原理：電信號驅動二位三通電磁閥動作，壓縮空氣進入活塞下腔，驅動活塞帶針閥上行打開閥門，閥門開啟大小由千分規調節控制。膠水在送膠壓力作用下，主動由進膠管進入閥體并上行，通過閥門口進入閥門室內，并從出膠管出膠；當電信號再次驅動二位三通電磁閥往回動作進行放氣時，活塞在壓縮彈簧作用下，下行并帶動針閥迅速關閉閥門，停止供膠。同時由于活塞快速下行，活塞上腔壓力下降，負壓反饋到負壓室，吸引彈性隔膜變形，集氣室壓力同步迅速下降，及時“拉住”向下滴漏的膠料，從而實現瞬間斷膠。

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構的穩定性和準確性。

3.2改進后新型“負壓反饋”回吸頂針式點膠閥工作特點

通過改變逆向進膠為同向進膠方式，增加集氣室和負壓反饋室，新型點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。具體表現在以下六個方面：

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

2）膠水是在送膠壓力作用下主動進入閥門，流動方向與閥門打開方向一至，都是向上運動，膠水可迅速充滿閥室，不易產生真空負壓。

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

4）負壓室的存在，可以保證在針閥下行關閉時，閥室內腔壓力不會上升，反而會下降，對出膠管產生吸膠作用，從而實現瞬間斷膠，不滴漏和拉絲。

5）閥門為常閉式，防止意外停機而滴漏。

6）頂針頭部采用球面結構，有自動對中作用，關閉和開啟速度比傳統錐形結構所需時間更短，控膠更準確。

3.3“負壓反饋”回吸頂針式點膠閥主要技術參數

“負壓反饋”回吸頂針式點膠閥正常工作主要技術參數：

點膠閥驅動空氣壓力：0.3～0.5MPa；

供膠壓力：0.2～0.4MPa；

膠閥活塞直徑：?18mm；

彈簧預壓力：1.0kg；

進膠管直徑：?6mm；

出膠管咀直徑：?0.2mm～?0.8mm；

膠閥適用膠水粘度值：≦3000。

4　試驗情況

根據設計原理圖，制作了新型“負壓反饋”回吸頂針式點膠閥，如工作裝置圖6（左）所示，并與市面上普通回吸式點膠閥如圖6（右）所示，裝在同一臺點膠機架上，在相同條件下進行點膠作業。

圖6　工作裝置

試驗工作條件：

點膠閥驅動空氣壓力：0.5MPa；

供膠壓力：0.3MPa；

出膠管咀直徑：?0.6mm；

測試用藍色膠水為：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，采用有色膠水進行試驗。圖7為新型“負壓反饋”回吸頂針式點膠閥，出膠管咀口的情景，比較干凈，回吸性能好；圖8為普通回吸式點膠閥進行有色膠水點膠后，出膠管咀口的情景，不太干凈。

圖7　新型點膠閥出膠管口

圖8　普通點膠閥出膠管口

4.2出膠均勻性、斷膠和氣泡情況比較

為便于觀察氣泡，采用無色膠水進行試驗。圖9為新型“負壓反饋”回吸頂針式點膠閥的工作情景，無發現氣泡，出膠均勻，斷膠迅速；圖10為普通回吸頂針式點膠閥的工作情景，點膠后有少量氣泡。

圖9　新型點膠閥工作狀態

圖10　普通點膠閥工作狀態

4.3試驗結果

從點膠效果表1和比較圖11可以看出，新型“負壓反饋”回吸頂針式點膠閥出膠質量（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膠閥的出膠質量（圖11下）。達到設計要求。

表1　點膠效果

圖11　比較圖

5　結束語

“負壓反饋”回吸頂針式點膠閥，在結構原理上充分吸取目前市場上回吸頂針式點膠閥構造簡單、斷膠干凈的優點，通過改變進膠方式，創造性地增設集氣室、負壓反饋室，利用負壓反饋回吸原理，較徹底地解決了頂針式點膠閥工作中會產生空氣泡或真空包的這一行業難題。通過實驗初步表明，新型“負壓反饋”回吸頂針式點膠閥達到設計要求，具有出膠量精確度高，斷膠迅速，不拉絲，出膠連續性好，不產生氣泡和真空包，結構簡單，維護方便，具有很好實用性和推廣價值。

此項成果已經向國家專利局申請發明專利：

發明專利號：ZL201510671801.5。

實用新型專利號：ZL201520801563.0。

［1］ 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 Struetures.2008，17（1）:015-033.

［2］ 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.

［3］ 劉亞欣，黃博，路士州，等.一種基于壓電驅動的噴射式點膠裝置:中國，201310114298.4［P］.2013-06-19.

［4］ 彭先安，單修洋.流道結構對撞針式噴射閥點膠性能的影響概述［J］.科技創新與應用，2014，（18）:42-42.

［5］ 劉飛.一種接觸式點膠閥:中國，103537406A［P］.2014-01-29.

［6］ 吳宗澤，主編.機械零件設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2003，11:549.

［7］ 黃思，管俊.基于空化模型的多級離心泵汽蝕性能分析［J］.流體機械，2011，39（1）:35-38.

［8］ 方建榮.頂針式點膠閥:中國，201913055U［P］.2011-08-03.

［9］ 王弋.AB膠點膠裝置:中國，202238508U［P］.2012-05-30.

［10］ 張娜.張晶.離心泵汽蝕現象分析及防汽蝕措施［J］.流體機械，2013，（7）:53-55.

［11］ 盧安樂，錢錦遠，張含，等.基于CFD的垂直管路中先導式截止閥動力特性研究［J］.輕工機械，2013，（5）:15-18.

［12］ 汪歡歡，胡國清，周青輝.基于PLC的氣動機械手控制系統設計與研究［J］.液壓與氣動，2012，（9）:38-40.

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

福建省自然科學基金項目（2016J05110）；漳州職業技術學院科研計劃資助項目（ZZY1510）

林和德（1962 -），男，福建漳州人，副教授，學士，研究方向為機械設計與制造。