一种印刷头机构的优化设计

任晓庆

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京10076)

一种印刷头机构的优化设计

任晓庆

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京10076)

介绍了一种满足客户对印刷基片的印刷精度和套印精度要求的印刷头系统，分析了现有印刷头机构的不足和缺陷，对其结构和功能进行优化和改进，实现了印刷头机构既能适应太阳能行业的印刷，也能适应对印刷精度和套印精度要求较高的厚膜电路的印刷。

印刷头机构；印刷机；印刷精度；套印精度

随着数字式印刷的发展和普及，丝网印刷设备、技术和工艺不断地创新，印刷机也得到广泛应用和发展，印刷机不仅要适用于太阳能生产线和光伏产业，也要适用于LTCC、HTCC、厚膜电路等领域的发展，对印刷机提出了更高的要求，不仅要求其有很高的印刷精度和套印精度，也对其功能提出了更多更高的要求。

印刷头机构作为印刷机的关键部件，它的基本结构如图1所示。

该印刷头机构包括印刷头上下运动单元、水平调节单元、角度调节单元、印刷刀单元、涂墨刀单元等几部分组成。

上述印刷头基础结构对于太阳能电池的印刷，基本能够满足该行业的要求，但随着太阳能行业的不景气，再加上国内几大太阳能公司的破产和倒闭，使得印刷机的销量也不尽人意。为了拓展印刷机市场，厚膜电路的印刷厂家对印刷机提出了更加严格的要求，即：

图1 原印刷头基础结构

印刷刀为长方形刀；

印刷角度可更大范围调整；

印刷角度调整后可单独锁紧松开；

印刷头能整体翻转，便于更换刮刀和回收浆料。

原有的印刷机已经不能满足市场发展的需要，对印刷头的优化设计势在必行，必须对其进行改进和优化设计。

1 优化设计

为此在原有印刷头的基础上，对其进行改进和优化设计。

1.1 印刷刀的优化设计

原印刷刀单元结构如图2所示。印刷刀单元由压板、夹板和印刷刀组成。印刷刀固定在夹板和压板中间，印刷刀的夹紧力可以通过调节螺钉来调节其大小。

图2 原印刷刀单元结构

印刷刀如图3所示，形状尺寸为9.5 mm× 9.5 mm×230 mm的四棱形，该刀的好处是4个棱边可以换着用，延长了印刷刀的使用寿命。但在使用过程中，印刷刀的棱边很难在装夹过程中保持一定的直线度要求，这样使得印刷出来的线条不连续、膜厚不均匀等缺陷出现。

图3 原印刷刀示意图

在厚膜电路对膜厚的一致性要求和套印精度的要求都很高，在该行业中用的印刷刀为如图4所示。

图4 现印刷刀示意图

该印刷刀由玻璃纤维板和耐磨的聚氨酯橡胶模铸而成，坚固耐用,结合处平整光滑。耐酸、碱、乙醚性良好，各棱边尖角平整光滑,无气泡、无凹凸不平等缺陷。该印刷刀由专业厂家生产，不会存在质量缺陷。

为此对原印刷刀进行优化设计和改进如下，其改进优化的印刷刀单元如图5所示。

图5 优化后印刷刀单元结构

该印刷刀单元由压板、夹板、印刷刀和调节螺钉等组成，如图5所示：印刷刀固定在夹板和压板中间，在夹板和压板上设计有定位槽，该定位槽有一定的形位公差和尺寸公差的要求，印刷刀在装卡时卡在定位槽中准确定位，保证了印刷刀在印刷时的直线度要求，印刷刀的夹紧力可以通过调节螺钉来调节其大小，保证印刷刀有足够的夹紧力。

1.2 印刷刀调节角度优化设计

原印刷刀角度调节单元由转轴、锁紧块组成。如图6所示：当需要调节印刷刀角度时，必须用专用扳手松开锁紧块上的螺钉，然后转动转轴，调整印刷刀角度，当角度调整好后，再用专用把手锁紧锁紧块上的螺钉。原机构调节时需专用扳手，再加上转轴单面有锁紧块，有时发现在印刷过程中，锁不紧现象。

图6 原角度调节单元示意图

为此，对印刷刀调节角度进行优化设计，如图7所示。

图7 优化后角度调节单元示意图

现印刷头的角度调节单元由转动轴、左夹紧块、左锁紧手把、右夹紧块和右锁紧手把等组成，当需要调节印刷刀的角度时，只需要转动左右两个手把，松开转动轴的左右两个夹紧块，然后根据转动轴上的刻度用手转动转动轴达所需度数，转动到位后，再次转动左右两手把使夹紧块锁死转动轴，完成印刷刀的角度调整。调节时比原机构方便快捷，并且调节后两面锁紧，角度稳定可靠。

1.3 新增印刷头翻转机构

原来印刷头在换印刷刀、搽网、收集浆料时，操作工必须把手伸到印刷刀下在有限的空间里进行操作，一不小心就会被划伤，常常会在换印刷刀时，在有限的空间里拿不稳印刷刀而印刷刀掉下把丝网砸破的事故发生，为此对整个印刷头进行优化设计，增加整个印刷头的翻转机构。该机构分为翻转单元和锁紧单元两部分。

1.3.1 翻转单元

翻转单元由翻转轴、左座、右座和手把等组成，如图8所示：整个印刷头机

图8 翻转单元示意图

构安装在左座和右座上，在左座和右座之间有一翻转轴，翻转轴安装在印刷头的驱动机构上，在印刷头的驱动机构上设计有翻转挡轴和锁套，当需要收墨或擦网时，只需要抓住手把上翻，直到翻转挡轴与锁套接触，便可松手，印刷头可以绕翻转轴翻转90°左右，便于擦网和收浆料。当需要下翻时，只需要把锁套从挡轴抽出，握住手把即可使整个印刷头下翻到印刷待机状态。

1.3.2 锁紧单元

锁紧单元由锁紧手柄、上部、挂钩和下部等组成，分左右两套，如图9所示：

图9 锁紧单元示意图

当整个印刷头下翻以后，为了保证印刷精度以及印刷的稳定，设计了两套锁紧单元，锁紧单元的下部分别固定在左、右座上，上部固定在安装手把的大板上，当整个印刷头下翻后，把上部的锁紧手柄下翻，挂钩即可下移一定的距离，当挂钩进入下部的沟槽中时，锁紧手柄上翻，挂钩即可上移一定的距离，把上下部固定在一起，即可使整个印刷头与印刷驱动机构固定在一起，保证印刷时印刷头位置不变。当需要再次上翻印刷头时，只需要再次下翻锁紧手柄，挂钩即可与下部脱开，整个印刷头与印刷驱动机构分开，印刷头便可随时上翻。

1.4 优化了印刷头的气路

印刷机的工作原理是刮墨板在运动中挤压油墨和丝网印版，使丝网印版与承印物形成一条压印线，由于丝网具有张力N1和N2，对刮墨板产生力F2，回弹力使丝网印版除压印线外都不与承印物相接触，油墨在刮墨板的挤压力F1作用下，通过网孔，从运动着的压印线漏印到承印物上，如下图10印网受力图所示。在印刷过程中，丝网印版与刮墨板进行相对运动，挤压力F1和回弹力F2也随之同步移动，丝网在回弹力作用下，及时回位与承印物脱离接触，以免把印迹蹭脏。刮墨板在完成单向印刷后与丝网印版一起脱离承印物，同时进行返程回墨，即完成一个印刷循环。

根据印刷机的工作原理，印刷机的印刷头的结构设计采用的是自适应印刷头结构，该结构设计确保印刷过程两端压力的均匀平稳，最主要的是采用气缸驱动作为印刷头的驱动单元，其气缸压力的控制是实现压力均匀平稳的关键技术。

图10 印刷机的工作原理示意图

供给印刷、涂墨气缸的气体工作压力设定为0.5 MPa，缸径为32 mm，行程为25 mm的气缸在0.5 MPa压力下理论输出压力为40.2 kg,本系统由两个气缸同时工作，气缸工作时缸杆向下运动施加压力，每个气缸有一套导柱导向，所以最大输出压力在0.5 MPa时最大总压力达80.2 kg，可满足印刷压力的要求；同时行程25 mm可以满足印刷板及涂墨板的上下行程在0到20 mm可调要求。

根据印刷机印刷头的结构，对其印刷过程进行分析研究，对各种气动控制器件进行技术分析研究，最后采用电气比例阀、精密减压阀和气控电磁阀控制压力。印刷头气路控制如图11所示：包含印刷部分、涂墨部分。刮板压力控制气路由气源1、过滤减压阀2、电气比例阀3、精密减压阀4、气控电磁阀6和7、刮板气缸10等组成；涂墨压力控制气路由气源1、过滤减压阀2、电气比例阀5、精密减压阀3、气控电磁阀8和9、涂墨气缸11等组成。

两部分都由气源出来的气体经电磁阀控制接入气缸的两端实现对气缸的控制，带动相应气缸往复运动实现印刷及涂墨部件上下运动和压力调整功能。

整个印刷头的气路控制采用电气比例阀和气控电磁阀不仅可实现压力、速度的无极调节，避免了传统的气阀换向时的冲击现象；在原印刷头气路的控制上，增加了背压技术，保证了印刷压力或凃墨压力的平稳和均匀；

图11 印刷头气路控制图

当需要印刷时，气控电磁阀6换向，在气缸缸杆底一侧，由精密减压阀出来的气源经过电磁阀6进入气缸的缸杆一侧，气缸的缸杆将缩回；由于刮板部件有自身重量，通过调节精密减压阀压力大小，使气缸缩回的拉力与刮板部件的自身重量平衡，在这种状态下缸杆在行程范围内任意位置都达到平衡状态，相当于气缸在垂直方向零负载；这时电气比例阀3打开，在气缸缸底一侧气路经过电气比例阀3进入，通过气控电磁阀7换向，气源进入气缸的底部将气缸杆推出；推出压力大小由电气比例阀控制，通过气缸施加在刮刀上的输出压力即为印刷压力，印刷压力或凃墨压力的精度由电气比例阀的输出压力精度决定。实现印刷压力或凃墨压力控制，保证印刷压力或凃墨压力稳定，提高了印刷控制精度。

2 综述

优化后的印刷头机构，其总体结构如图12所示。

该优化后印刷头机构包括驱动单元、升降单元、水平调节单元、角度调节单元、印刷刀单元、涂墨刀单元、翻转单元和锁紧单元等部分组成。

经过改进和优化后，整个印刷头的结构设计和气路设计体积小、重量轻、结构简单、成本较低，不仅印刷头的功能性增强了，而且其操作更方便更人性化；使其印刷头机构能适应各种生产需求，不仅满足各种太阳能行业的印刷，而且也能满足厚膜电路印刷对印刷头的功能要求，优化后的印刷头机构已在多家厚膜电路厂家和太阳能印刷生长线得到应用和认可，具有普遍适应性和很好的应用空间。也拓宽了印刷机的应用领域，提高了印刷机的市场占有率。

图12 优化后印刷头机构示意图

[1] SMC(中国)有限公司编.现代实用气动技术（2版）[M].北京：机械工业出版社，2006.316-317.

Optimization Designing for Print Head Mechanism

REN Xiaoqing

(The 45th Research Institute of CETC,Beijing,100176)

Printing head mechanism is a key part of the printing machine.this paper introduces a meet customers on the printed substrate printing precision and accuracy requirements of the printing head system,analyzes the shortcomings and deficiencies of the existing print head mechanism and optimizes and improves it's structure and function,achieves the print head mechanism which can adapt to the solar industry of printing,also suitable for printing thick film circuits which have higher requirements of printing precision and overprinter precision.

Print head mechanism；Printing machine；Printing precision；Overprinter precision.

TN605

：B

：1004-4507(2015)07-0049-05

任晓庆(1971-)，女，甘肃平凉人，1996年毕业于西安建筑科技大学，高级工程师，华中科技大学工程硕士，毕业至今一直从事电子专用设备尤其是印刷设备的研发工作。

2015-03-27