關于氣動式和直線電機控制式印刷頭的研究

王慧,黃帥

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100037)

關于氣動式和直線電機控制式印刷頭的研究

王慧,黃帥

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100037)

印刷頭裝置是絲網印刷設備的核心執行部件，印刷頭壓力輸出的控制精度直接影響著印刷圖形線條的膜厚均勻性、線條飽滿程度、填孔質量等，對兩種印刷頭機械結構、壓力輸出控制方式進行研究，對比兩種印刷頭裝置的性能，分析各自的優勢及缺點。

壓力控制；氣動式；直線電機驅動；比例調節

近年來隨著三大元器件（電感、電阻、電容）的片式化、雷達組件、藍牙天線、智能傳感器等追求小型化和多功能化，LTCC微組裝工藝得到廣泛推廣應用，主流LTCC工藝技術水平對實現其工藝的專用設備也提出了越來越高的要求。針對LTCC微組裝關鍵工藝-絲網印刷及填孔流程，目前主流工藝已經由100 μm線寬、150 μm線間距向75 μm線寬、100 μm線間距方向發展，印刷層數由30層向50層發展，同時填孔工藝也提出更高的印刷壓力需求，印刷線條更細，印刷質量更高，這對工藝設備印刷壓力輸出的穩定性及精密度提出更高的需求，并且主流工藝中有填孔工序，填孔對印刷壓力范圍的要求較高，要求印刷壓力輸出達到300 N左右，因此滿足上述需求的印刷頭裝置成為此類專用設備的關鍵結構部件。目前各大設備制造商常采用的就是直線電機驅動式和氣動壓力輸出式。

1 直線電機驅動式印刷頭壓力輸出控制裝置

直線電機具有高加速高減速特性，在壓力控制方面響應速度快，圖1是采用直線電機控制的印刷頭驅動機構，采用兩套直線電機分別控制涂墨壓力和印刷壓力，直線導軌導向，光柵尺位置反饋，并配有掉電模式下的氣缸平衡自重裝置。

圖1 直線電機驅動式印刷頭裝置

控制系統采用支持CanOpen總線協議的運動控制卡，通過驅動器下傳控制參數，在壓力輸出過程中可采取兩種輸出模式，位置輸出模式和電流輸出模式。

位置輸出模式下的壓力控制是通過實驗數據統計而來，電機下降一定的位移對絲網產生一定的形變量，由于直線電機采用光柵反饋，其位移最小增量為0.001 mm，經試驗統計數據得，該形變量對應的印刷壓力跳動平均值為0.4 N。

電流輸出模式是根據電機的額定輸出電流值和最小電流輸出增量值進行壓力控制，通過驅動器內部的電流環設置需要輸出的印刷壓力所對應的電流值，通常在裝置運動反作用力較小的情況下，電機輸出的電流值與輸出壓力近似成正比（在額定輸出電流范圍內）。

2 氣動式印刷頭壓力輸出控制裝置

氣動式印刷頭機構包括涂墨刮板和印刷刮板，印刷動作分為印刷上下運動，涂墨上下運動和印刷、涂墨同步上下運動；印刷和涂墨分別采用雙行程氣缸驅動，直線導軌導向；印刷涂墨壓力分別由電氣比例閥控制，實現印刷和涂墨壓力的精確控制。如圖2所示。

圖2 氣動式印刷頭壓力控制裝置

該機構電氣控制方式采用模擬電壓輸出控制汽缸比例調節閥的方式實現壓力的精密輸出控制?？刂颇K采用兩路貝加萊模擬量輸出模塊輸出控制電壓，比例閥根據電壓值控制氣壓值，從而實現壓力的輸出控制。我們采用±10 V模擬電壓控制電氣比例調節閥，控制器采用16位，因此最小輸出電壓為2～16 V，比例閥最小響應值為0.2 mV，按比例閥靈敏度計算，印刷頭最大輸出壓力在300 N，所以，可計算出理論壓力最小輸出值為0.06 N，但是系統壓力輸出還受機械阻力、環境等因素影響，實際壓力靈敏度經試驗測試平均壓力調節當量為0.1 N。氣路原理如圖3所示。

圖3 氣動式印刷頭氣路控制圖

氣動式印刷頭采用精密電氣比例調節閥來實現壓力的精密控制，在輸出電壓的控制過程中，由于所選用的模擬量控制器最小輸出電壓在0.15 mV左右，電壓值較小，很容易受到外界環境的電磁干擾，為此，如何做好整個輸出回路的屏蔽是最為困難的，通過電氣合理布局、輸出濾波、加裝金屬外殼屏蔽罩等相關手段達到最大程度屏蔽效果，保證輸出不被干擾。

3 兩種實現方式的壓力輸出對比

通過實驗數據整理出直線電機壓力輸出與氣動壓力輸出的特性對比圖，見圖4。

圖4 兩種壓力輸出線形度對比

直線電機壓力輸出與氣動壓力輸出精度對比見圖5。

兩種壓力輸出方式的優缺點：

（1）就推力范圍而言，直線電機驅動式受限于直線電機定子和動子的結構，推力越大體積越大，氣動式印刷頭采用的氣缸缸徑越大推力越大，相同壓力輸出時，氣動式印刷頭的體積要比直線電機驅動式小的多，因此在設計空間受限，輸出壓力要求較高的情況下，常采用氣動式印刷頭裝置。

圖5 兩種壓力輸出精度對比

（2）就壓力控制精度而言，通過實驗數據分析，直線電機驅動式的壓力輸出精度誤差較大，氣動式印刷頭壓力輸出誤差較小。

（3）就響應特性而言，直線電機具有高加速高減速特性，在進行壓力輸出時，響應速度快，而氣動式印刷頭是通過氣壓控制的，響應速度較慢。

4 主流印刷及填孔設備印刷頭的發展趨勢

目前LTCC微組裝工藝設備中用于做電路圖形印刷的壓力輸出范圍上都是0～200 N，而LTCC基板制造工藝中填孔的壓力需求一般在300 N以上，有些填充高黏度漿料的填孔壓力要達到500 N以上，因此，直線電機驅動式和氣動式印刷頭裝置各自應用領域有所不同。

早期意大利baccini設計的絲網印刷機都采用直線電機進行壓力輸出，主要適用于圖形印刷場合，由于直線電機輸出較大壓力時必然體積較大，影響印刷頭的結構設計，而滿足結構要求就要犧牲壓力范圍，當印刷壓力較小，壓力調節精度要求不高時，常采用直線電機驅動式印刷頭作印刷壓力輸出。見圖6所示。

圖6 Baccini直線電機驅動式印刷頭裝置

圖7 氣動式印刷頭裝置

近年來隨著LTCC微組裝工藝的不斷發展，設備需求方對設備功能提出更高要求，兼容印刷及填孔的設備成為用戶的首選。目前，代表國際先進水平的絲網印刷機品牌micro-tec,newlong等均采用氣動式印刷頭，結構為雙氣缸架構，部分用于填孔的高壓力輸出設備（韓國HIT）則采用大缸徑單氣缸控制結構。下圖7為常規氣動式印刷頭結構。

5 結束語

通過實際印刷及填孔，驗證了直線電機驅動式印刷頭在壓力輸出速度響應上具有一定的優勢，但是其體積過大，壓力線性度較差；而氣動式印刷頭雖在快速響應上略有延遲，但是其控制結構簡單，體積小，壓力輸出線性度好，控制精度高，是目前主流設備的通用設計方式。

[1] 葉云岳，盧琴芬.直線電機技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2003.

[2] ADVANCED Motion Controls，2001.3[Z].

[3] 楊應慧，李田葉，于鑫楠，等.LTCC材料技術運用與發展前景[J].山東陶瓷，2015，(4)：15-18.

Study on Print Heads of linear Motor and Pneumatic Control System

WANG Hui，HUANG Shuai

(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)

Print head unit is the core component of screen printer.Precision of print pressure directly affects the line plumpness，film thickness，and the quality of filling.The paper will study on the two types of print heads，compare the mechanical structure，control system，and process performance，analyze their respective advantages and disadvantages.

Pressure control；Pneumatic control；Linear motor control；Proportional control

TN605

B

1004-4507(2017)04-0068-04

2017-05-22