新型“负压反馈”回吸顶针式点胶阀的设计

2016-10-18林和德董楸煌温明生

制造业自动化 2016年9期

关键词：胶管顶针气室

林和德，董楸煌，温明生

（1.漳州职业技术学院，漳州 363000；2.福建农林大学机电工程学院，福州 350002；3.深圳市元硕自动化科技有限公司，深圳 518000）

新型“负压反馈”回吸顶针式点胶阀的设计

林和德1，董楸煌2，温明生3

（1.漳州职业技术学院，漳州 363000；2.福建农林大学机电工程学院，福州 350002；3.深圳市元硕自动化科技有限公司，深圳 518000）

针对目前市场上应用较为广泛的回吸顶针式点胶阀易产生汽泡或真空包的问题，通过对市场上多种回吸针式点胶阀工作原理进行分析研究，比较各种回吸针式点胶阀各自工作优缺点，提出了“负压反馈”回吸针式点胶阀的新设计方案，改变上进胶为下进胶方式，增设集气室和负压室。实验初步验证，新型“负压反馈”回吸顶针式点胶阀，调节容易，控制出胶精度高，断胶迅速，不产生汽泡或真空包，具有推广应用价值。

回吸式点胶阀；集气室；负压室；空汽泡；真空包

0　引言

点胶机的发展起源于美国和欧洲，国内点胶技术的兴起是在2005～2007年间。最近几年都保持销售额年增长在20%左右。市场需求前景非常广阔。

点胶阀是点胶机上最重要的工作执行部件。点胶机是一种通过点胶阀对流体进行控制，并将流体点滴、涂覆于产品表面或产品内部的自动化机器。点胶机的应用领域不断丰富和发展，对点胶阀也提出了各种形式的要求。按出胶方式点胶阀可分为非接触式和接触式［1，2］，非接触式点胶阀是近几年刚发展起来的新技术，类似喷墨打印原理，具有速度快，胶点小，精度高，喷咀不需与基板接触等优点。但是非接触式点胶技术还不算特别的成熟，成本相对昂贵，对胶水的粘度很敏感，且存在撞针行程无法在线调节，胶液分配效率低，难以控制等问题［3，4］；而传统接触式点胶阀因其结构简单可靠、性能稳定、适用范围广、使用寿命长，目前仍然得到广泛应用（如图1所示）。常见的有：顶针式点胶阀，柱塞式点胶阀，隔膜式点胶阀，AB双液点胶阀，还有旋转式点胶阀等。下面介绍一种新型接触式点胶阀。

图1　针式点胶阀

1　目前国内外技术状况及存在问题

接触式点胶阀门的质量和制造水平：由于欧美及日本起步较早，制造技术先进，高精度、高稳定性的点胶阀门基本上是进口，或是由外资企业生产；国产品牌这几年在出胶精度和稳定性方面取得了很大的进步，但在出胶控制精度方面还有差距。但不管是外资企业生产或是国产品牌，应用最广泛的顶针式点胶阀在点胶过程中，普遍会在胶水中或多或少地存在空气泡，或真空包。产生这种泡孔的原因是多方面的，有的是送胶管径过小造成送胶不及时，或使用的胶水质量不合格造成，但这两个的问题比较好解决，难以解决的问题是顶针式点胶阀门在工作过程中，由于阀门运动速度较快，产生真空负压，从而在胶水中容易析出气体而产生汽泡，或真空包。如目前市场上使用的一种专利产品：接触式点胶阀［5］，也属于针式点胶阀。其工作原理是通过活塞及电磁阀，控制点胶接嘴座快速往复横向移动，从而控制接通或切断胶液的通道。这种阀门结构简单，控制可靠。但由于接嘴座快速往复横向移动，以及胶液在重力作用下向下流动的惯性力，在接嘴座及下面管道容易出现真空和负压，进而析出气体或真空包；由于没有回吸作用，这种点胶阀断胶不够彻底，易出现拉丝等情况。这种现象会直接影响到点胶的质量，出现点胶不均匀，不连续，或干涸后凹陷，使胶水失去对电子产品的保护作用，这将影响到电子产品质量和使用寿命。

针式点胶阀这一工作原理性缺陷问题至今一直困扰着点胶阀的生产企业及设备使用厂家。

2　解决思路及方案

2.1产生气泡或真空包的原因

目前市场上比较流行的回吸顶针式点胶阀（如图2所示），点胶阀工作时，胶水从液体入口进入阀门室上腔，通过阀门自上往下流入阀门室下腔，并从液体出口出胶；点胶阀门要关闭时，动阀门在阀杆组件带动下快速向上提升，封闭出胶口停止供胶，同时在阀室内下腔会产生一个负压，及时“拉住”向下运动滴漏的胶料，从而实现瞬间断胶，较好地解决了出胶延时和拉丝滴漏现象。

图2　顶针式点胶阀

根据该阀门的工作原理，不锈钢弹簧切变模量［6］：

代入得弹簧刚度：

根据弹簧能量方程：

以阀门上升前为状态1，阀门上升过程为状态2。

由式（3）可得阀门上升关闭时的最大速度：

在正常出胶时，胶水向下流动速度：

阀门出胶口压力为一个大气压。

对于重力场中不可压缩均质流体，有伯努利方程：

由式（4）可得阀门运动速度与阀室压力降的关系曲线，如图3所示。

图3　阀门运动速度与阀室压力降的关系曲线

由曲线图可以清楚看出，阀门运动速度越快，阀室内压力降越大，越容易出现汽化或真空现象。

把相关数据代入式（4）可得阀门上升关闭时阀门口液流压力为：

由于胶水具有粘滞性，流动性比较差，实际工作时阀门口液流压力比此计算值还小。

由此可见，在阀门快速上升关闭时，阀门口是在负压状态下工作，胶水容易析出气体形成汽泡，以及由于胶水粘滞性较大，来不及回流填充而产生真空包。

针对针式点胶阀在工作时，胶液在阀室内容易产生汽泡或真空包的难题［7］，在对目前市场上各种针式点胶阀［8，9］的工作原理进行研究，分析了各种针式点胶阀各自工作原理优缺点的基础上，提出了“负压反馈”回吸的设计方案，即可解决出胶延时和拉丝滴漏现象，又可以避免产生空汽泡或真空包的难题。

2.2解决思路及方案

根据生产需要，点胶阀必须满足三点要求：出胶连贯均匀、断胶迅速不滴漏和拉丝、不产生汽泡或真空包。在分析、总结了现有各种点胶阀工作原理和特点，并通过实验验证后，采取如下解决方案：

1）改变逆向进胶为同向进胶

现有市场上有部份点胶阀门进胶方向与阀门打开方向相反，由于胶水粘滞性较大，不能迅速充满因阀门打开所产生的空腔，因此在阀门室容易出现真空包和低负压。新方案采用同向进胶，即进胶流动方向与阀门打开运动方向一致，胶水在压力作用下可顺着阀门打开方向快速充满，有效减少在阀门打开瞬间出现的真空和低负压。

2）在阀门室内增设集气室

集气室可收集开始工作时由于管道排气不干净，或胶水中的残余的汽泡，收集工作中由于瞬间低压汽化而产生的气泡［10］，同时集气室可起到稳压缓冲的作用，出胶更连贯。集气室内气体可通过打开放气阀放气。

3）增设负压室，控制缩小阀门杆直径

负压室一边由弹性隔膜与集气室相接，另一边与活塞上腔用管道连通，形成负压室。

根据恒温状态下密闭空间内的气体：

即压力与体积成反比关系。在针阀下行关闭时，针阀下行使阀室内腔体积变小，胶水受到挤压，阀门室及集气室压力p1上升；同时活塞上室内腔由于活塞下行而体积变大，则活塞室内的空气的压强p2急剧下降，通过负压管道将负压引到负压室p2，吸引弹性隔膜变形，使集气室及阀门室容积扩大；当活塞直径大于阀门杆直径时，阀门室容积扩大量将大于针阀下行造成的阀室容积的缩小量，可确保针阀关闭时阀室内腔的压力瞬间减小，对出胶管产生回吸作用，从而实现瞬间断胶。通过实验证明，由于有集气室起到收集气体和稳压缓冲的作用，不易产生太大瞬间负压，因此可避免产生空汽泡或真空包的现象。

4）适当扩大阀门进胶孔径

阀门孔径大小对高速液流的节流作用而产生压力差，有很大影响。如卢安乐等［11］对截止阀动力特性的研究，不同小孔直径下阀芯上下表面压力差如图4所示，阀芯上下表面压力差随着小孔直径的增大不断减少。因此适当扩大阀门孔径可以减轻节流降压的效果。

图4　不同小孔直径下阀芯上下表面压力差

3　结构设计

3.1点胶阀结构及工作原理

“负压反馈”回吸顶针式点胶阀结构设计图如图5所示，主要由上阀体、下阀体、千分规、活塞、集气室、负压室、进胶管咀和出胶管咀等组成。

图5　负压反馈回吸顶针式点胶阀

工作原理：电信号驱动二位三通电磁阀动作，压缩空气进入活塞下腔，驱动活塞带针阀上行打开阀门，阀门开启大小由千分规调节控制。胶水在送胶压力作用下，主动由进胶管进入阀体并上行，通过阀门口进入阀门室内，并从出胶管出胶；当电信号再次驱动二位三通电磁阀往回动作进行放气时，活塞在压缩弹簧作用下，下行并带动针阀迅速关闭阀门，停止供胶。同时由于活塞快速下行，活塞上腔压力下降，负压反馈到负压室，吸引弹性隔膜变形，集气室压力同步迅速下降，及时“拉住”向下滴漏的胶料，从而实现瞬间断胶。

二位三通电磁阀的控制电信号由可编程控制器（PLC）控制［12］，可以大大提高控制机构的稳定性和准确性。

3.2改进后新型“负压反馈”回吸顶针式点胶阀工作特点

通过改变逆向进胶为同向进胶方式，增加集气室和负压反馈室，新型点胶阀的出胶连惯性和瞬间断胶及消除汽泡性能有了彻底的提高。具体表现在以下六个方面：

1）由千分规控制阀门开启大小，可精确微调出胶量，在胶水质量和工作压力稳定的情况下，可确保出胶流量的准确性和连惯性。

2）胶水是在送胶压力作用下主动进入阀门，流动方向与阀门打开方向一至，都是向上运动，胶水可迅速充满阀室，不易产生真空负压。

3）集气室可收集开始工作时由于管道排气不干净，或胶水中的残余的气泡，以及工作中产生的气体。同时起到稳定工作压力的作用，使出胶更平稳、连贯。

4）负压室的存在，可以保证在针阀下行关闭时，阀室内腔压力不会上升，反而会下降，对出胶管产生吸胶作用，从而实现瞬间断胶，不滴漏和拉丝。

5）阀门为常闭式，防止意外停机而滴漏。

6）顶针头部采用球面结构，有自动对中作用，关闭和开启速度比传统锥形结构所需时间更短，控胶更准确。

3.3“负压反馈”回吸顶针式点胶阀主要技术参数

“负压反馈”回吸顶针式点胶阀正常工作主要技术参数：

点胶阀驱动空气压力：0.3～0.5MPa；

供胶压力：0.2～0.4MPa；

胶阀活塞直径：Ø18mm；

弹簧预压力：1.0kg；

进胶管直径：Ø6mm；

出胶管咀直径：Ø0.2mm～Ø0.8mm；

胶阀适用胶水粘度值：≦3000。

4　试验情况

根据设计原理图，制作了新型“负压反馈”回吸顶针式点胶阀，如工作装置图6（左）所示，并与市面上普通回吸式点胶阀如图6（右）所示，装在同一台点胶机架上，在相同条件下进行点胶作业。

图6　工作装置

试验工作条件：

点胶阀驱动空气压力：0.5MPa；

供胶压力：0.3MPa；

出胶管咀直径：Ø0.6mm；

测试用蓝色胶水为：tuffy胶；

测试透明胶水为：uv胶。

4.1出胶管口回吸情况比较

因出胶管咀为白色，采用有色胶水进行试验。图7为新型“负压反馈”回吸顶针式点胶阀，出胶管咀口的情景，比较干净，回吸性能好；图8为普通回吸式点胶阀进行有色胶水点胶后，出胶管咀口的情景，不太干净。

图7　新型点胶阀出胶管口

图8　普通点胶阀出胶管口

4.2出胶均匀性、断胶和气泡情况比较

为便于观察气泡，采用无色胶水进行试验。图9为新型“负压反馈”回吸顶针式点胶阀的工作情景，无发现气泡，出胶均匀，断胶迅速；图10为普通回吸顶针式点胶阀的工作情景，点胶后有少量气泡。

图9　新型点胶阀工作状态

图10　普通点胶阀工作状态

4.3试验结果

从点胶效果表1和比较图11可以看出，新型“负压反馈”回吸顶针式点胶阀出胶质量（图11上）在气泡、出胶均匀度及断胶方面，明显好于普通回吸顶针式点胶阀的出胶质量（图11下）。达到设计要求。

表1　点胶效果

图11　比较图

5　结束语

“负压反馈”回吸顶针式点胶阀，在结构原理上充分吸取目前市场上回吸顶针式点胶阀构造简单、断胶干净的优点，通过改变进胶方式，创造性地增设集气室、负压反馈室，利用负压反馈回吸原理，较彻底地解决了顶针式点胶阀工作中会产生空气泡或真空包的这一行业难题。通过实验初步表明，新型“负压反馈”回吸顶针式点胶阀达到设计要求，具有出胶量精确度高，断胶迅速，不拉丝，出胶连续性好，不产生气泡和真空包，结构简单，维护方便，具有很好实用性和推广价值。

此项成果已经向国家专利局申请发明专利：

发明专利号：ZL201510671801.5。

实用新型专利号：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］刘亚欣，黄博，路士州，等.一种基于压电驱动的喷射式点胶装置:中国，201310114298.4［P］.2013-06-19.

［4］彭先安，单修洋.流道结构对撞针式喷射阀点胶性能的影响概述［J］.科技创新与应用，2014，（18）:42-42.

［5］刘飞.一种接触式点胶阀:中国，103537406A［P］.2014-01-29.

［6］吴宗泽，主编.机械零件设计手册［M］.北京:机械工业出版社，2003，11:549.

［7］黄思，管俊.基于空化模型的多级离心泵汽蚀性能分析［J］.流体机械，2011，39（1）:35-38.

［8］方建荣.顶针式点胶阀:中国，201913055U［P］.2011-08-03.

［9］王弋.AB胶点胶装置:中国，202238508U［P］.2012-05-30.

［10］张娜.张晶.离心泵汽蚀现象分析及防汽蚀措施［J］.流体机械，2013，（7）:53-55.

［11］卢安乐，钱锦远，张含，等.基于CFD的垂直管路中先导式截止阀动力特性研究［J］.轻工机械，2013，（5）:15-18.

［12］汪欢欢，胡国清，周青辉.基于PLC的气动机械手控制系统设计与研究［J］.液压与气动，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