面向点胶技术位移放大机构的设计与分析

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(哈尔滨工业大学深圳研究生院，广东 深圳 518055)

0 引言

随着现代化工业技术的快速发展，无论是在个人PC、汽车电子等领域，还是在军事、航空航天等高科技领域，都要求产品具有较低的成本、微小的体积和多样化的性能。在此背景下，将胶水分配到指定位置，从而实现电子元器件的固定、封装和连接等功能的点胶技术[1]得到了迅猛发展。压电陶瓷作为点胶设备的驱动元件具有响应快、刚度大、输出力高等优点，不足的是压电陶瓷的输出位移一般难以满足点胶对行程的要求。因此，在实际应用中常常需要对压电陶瓷的输出位移进行放大处理。

直圆型铰链作为新型机械传动装置,具有无摩擦、无间隙和定位精度高等特点，在微位移放大机构中备受青睐。而铰链位移放大机构根据放大方式的不同，大致可以分为杠杆类放大机构[2-3]、桥式放大机构[4-6]和曲面放大机构[7-8]等。桥式放大机构相较其他放大机构在理论上放大比可以达到40倍，且具有较高的共振频率和动态性能，因此选择直圆型铰链桥式位移放大机构。

1 放大机构的结构设计

目前,国内外科研实验中使用最多的还是直梁型铰链放大机构，其输出位移方向朝内侧。虽然在实验中同样可以满足对于位移的需求，但是在点胶技术的应用中需要输出力与作用在喷嘴上进行密封，这样内侧输出的方式显然是不能满足工程上的需求。因此将其结构进行了改造，改变其输出方向，并且采用直圆型铰链放大机构，其结构如图1所示。

图1 外侧输出型桥式放大机构

确定了放大机构的输出形式之后，需要一个放大比公式为机构的参数设计提供理论依据。根据文献[9]可知道，对于直圆型柔性铰链放大机构，基于整体变形和能量守恒的角度提出的放大比模型更接近真实值。为了便于计算，需要将放大机构进行简化处理，其中，桥式放大机构和直圆型铰链的简化模型分别如图2和图3所示。

图2 桥式放大机构四分之一模型

图3 直圆型铰链示意

文献[9]中弹性梁理论放大比模型为：

式(1)中，有：

(2)

(3)

确定了放大比公式之后，根据公式确定放大机构的外形尺寸(图4)以及铰链的参数。各数据具体数值为：圆弧半径R=4 mm；最小厚度t=1 mm；倾斜角度α=2.94°；连杆长度L1=11.5 mm。

图4 桥式放大机构的外形尺寸

根据选定好的放大机构的参数设计出结构，并进行结构化网格划分，将铰链的上端进行固定，内侧左右两端分别加载10 μm的位移载荷，3种不同材料的有限元分析结果如表1所示。

表1 不同材料的有限元结果

2 放大机构的安装与性能测试

在完成了对放大机构的机械结构设计之后，将压电陶瓷与铰链位移放大机构进行耦合装配。陶瓷与铰链的结构装配示意如图5所示。

图5 铰链放大机构装配示意

整个机构最重要的部分就是对压电陶瓷的预紧。压电陶瓷驱动器的预紧是通过预紧螺钉与柔性铰链的配合实现的，利用预紧螺钉提供预紧力，柔性铰链机构与压电陶瓷相互作用达到平衡，实现对压电陶瓷的预紧。施加预紧力可以确保压电陶瓷免受拉力、非轴向力的破坏作用。一般情况下，预紧力为压电陶瓷最大输出力的10%～20%，这样既能够为压电陶瓷提供足够的保护，也可以使其位移损失最小。装配完成陶瓷与铰链位移放大机构，测量放大机构的迟滞特性，其迟滞特性曲线如图6所示。

图6 铰链位移放大机构迟滞曲线

由测量结果可知，桥式放大机构的最大输出位移为257.13 μm，而压电陶瓷驱动器的理论最大输出位移为32 μm，因此计算得知铰链放大机构的倍数A=8.03。在之前仿真分析铰链的放大倍数A=8.393，仿真结果与实际结果误差为4.5%，在可接受范围之内，因此该放大比公式对铰链设计具有一定的参考意义。

3 点胶的性能测试

点胶实验性能测试平台采用深圳市轴心自控技术有限公司的IS-300系列机器人，由进口精密滚珠丝杆及伺服系统组成，设备运行稳定，精度高。采用进口的工业级电脑，并搭载了轴心最新研发的视觉影像系统和点胶控制软件，能够完成复杂产品的识别定位，实现精密的点胶工艺。运动平台的整体结构如图7所示。

将胶水、流道、撞针和喷嘴等配合铰链位移放大机构，安装在三维运动平台上进行点胶测试。胶水采用一种工业树脂，在常温下粘度为1 200 cps。在PC机控制软件中设定好运动平台的轨迹与速度，同时设定好驱动电压信号及频率。整个点胶实验平台如图8所示。

设置完成实验参数之后，进行点胶喷射试验，将胶点喷射在载玻片上便于观察。

图9为分别设置点胶个数为50和100个点的效果图，从图上来看均可以很好地将胶水打出来。图10为单点的效果图，同样能达到多点连续点胶一样的效果。

图7 三维运动平台

图8 点胶性能测试实物

图9 多点点胶性能测试图

图10 单点点胶性能测试图

4 点胶的一致性测试

验证了点胶的可行性之后，需要对点胶效果进行判断。常见的对点胶效果的一个评判标准是点胶的精度。点胶的精度就是每次喷射出来胶点的体积，体积越小，点胶精度越高。通常点胶精度受电压幅值、驱动气压和喷嘴的大小等因素影响。在此主要讨论铰链位移机构本身的精度的大小，在实验室环境下将驱动电压设置为120 V，喷嘴直径为0.1 mm，气压设置为0.11 MPa。因为单个胶点质量在0.01～0.03 mg左右，难以精准测量，因此在实验条件下每次选取100个点的胶量为一组进行测量，并进行多次实验，比较100个点的胶量的一致性。实验采用FA2004B高精度电子称，量程为200 g，测量精度为0.1 mg。

在实验条件下，100个胶点质量分布如图11所示。测试了20组胶点的质量，最大胶点质量为2.4 mg，最小为2.1 mg，其中，20组胶点的平均值为2.255 mg。20组胶点质量与均值相比相对误差在±10%以内。从测试结果来看，说明该放大机构在点胶喷射应用上也具有良好的一致性。

图11 胶点质量

5 结束语

通过对柔性铰链位移放大机构的设计与研究，成功将压电陶瓷的输出位移放大了8倍左右，验证了放大比公式作为机构设计依据的合理性。同时，通过实验验证该放大机构可以成功进行点胶喷射，而且其胶点的质量也具有良好的一致性。

[1] 崔德琦,覃程锦,吴欣远.点胶技术在SMT中的应用[J].工业设计,2011(6):114.

[2] Jouaneh M，Yang R.Modeling of flexure-hinge type lever mechanisms[J].Precision Engineering,2003, 27(4): 407-418.

[3] Chu C L,Fan S H.A novel long-travel piezoelectric-driven linear nanopositioning stage[J].Precision Engineering, 2006, 30(1): 85-95.

[4] Ma H W, Yao S M, Wang L Q, et al. Analysis of the displacement amplification ratio of bridge-type flexure hinge[J].Sensors and Actuators A:Physical, 2006, 132(2): 730-736.

[5] Qi K Q, Xiang Y, Fang C, et al.Analysis of the displacement amplification ratio of bridge-type mechanism[J].Mechanism and Machine Theory, 2015, 87: 45-56.

[6] Xu Q S, Li Y M. Analytical modeling, optimization and testing of a compound bridge-type compliant displacement amplifier[J].Mechanism and Machine Theory,2011,46(2):183-200.

[7] Silva E C N, Nishiwaki S, Kikuchi N. Topology optimization design of flextensional actuators[J].IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2000, 47(3): 657-671.

[8] Dogan A, Uchino K, Newnham R E.Composite piezoelectric transducer with truncated conical endcaps “cymbal”[J].IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control,1997,44(3):597-605.

[9] Chen J, Yuan X,Hu H.Design of bridge-type displacement amplifier with right-circle flexural hinges[C]//2017 IEEE International Conference on Information and Automation (ICIA),2017: 226-230.