关于气动式和直线电机控制式印刷头的研究

王慧,黄帅

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100037)

关于气动式和直线电机控制式印刷头的研究

王慧,黄帅

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100037)

印刷头装置是丝网印刷设备的核心执行部件，印刷头压力输出的控制精度直接影响着印刷图形线条的膜厚均匀性、线条饱满程度、填孔质量等，对两种印刷头机械结构、压力输出控制方式进行研究，对比两种印刷头装置的性能，分析各自的优势及缺点。

压力控制；气动式；直线电机驱动；比例调节

近年来随着三大元器件（电感、电阻、电容）的片式化、雷达组件、蓝牙天线、智能传感器等追求小型化和多功能化，LTCC微组装工艺得到广泛推广应用，主流LTCC工艺技术水平对实现其工艺的专用设备也提出了越来越高的要求。针对LTCC微组装关键工艺-丝网印刷及填孔流程，目前主流工艺已经由100 μm线宽、150 μm线间距向75 μm线宽、100 μm线间距方向发展，印刷层数由30层向50层发展，同时填孔工艺也提出更高的印刷压力需求，印刷线条更细，印刷质量更高，这对工艺设备印刷压力输出的稳定性及精密度提出更高的需求，并且主流工艺中有填孔工序，填孔对印刷压力范围的要求较高，要求印刷压力输出达到300 N左右，因此满足上述需求的印刷头装置成为此类专用设备的关键结构部件。目前各大设备制造商常采用的就是直线电机驱动式和气动压力输出式。

1 直线电机驱动式印刷头压力输出控制装置

直线电机具有高加速高减速特性，在压力控制方面响应速度快，图1是采用直线电机控制的印刷头驱动机构，采用两套直线电机分别控制涂墨压力和印刷压力，直线导轨导向，光栅尺位置反馈，并配有掉电模式下的气缸平衡自重装置。

图1 直线电机驱动式印刷头装置

控制系统采用支持CanOpen总线协议的运动控制卡，通过驱动器下传控制参数，在压力输出过程中可采取两种输出模式，位置输出模式和电流输出模式。

位置输出模式下的压力控制是通过实验数据统计而来，电机下降一定的位移对丝网产生一定的形变量，由于直线电机采用光栅反馈，其位移最小增量为0.001 mm，经试验统计数据得，该形变量对应的印刷压力跳动平均值为0.4 N。

电流输出模式是根据电机的额定输出电流值和最小电流输出增量值进行压力控制，通过驱动器内部的电流环设置需要输出的印刷压力所对应的电流值，通常在装置运动反作用力较小的情况下，电机输出的电流值与输出压力近似成正比（在额定输出电流范围内）。

2 气动式印刷头压力输出控制装置

气动式印刷头机构包括涂墨刮板和印刷刮板，印刷动作分为印刷上下运动，涂墨上下运动和印刷、涂墨同步上下运动；印刷和涂墨分别采用双行程气缸驱动，直线导轨导向；印刷涂墨压力分别由电气比例阀控制，实现印刷和涂墨压力的精确控制。如图2所示。

图2 气动式印刷头压力控制装置

该机构电气控制方式采用模拟电压输出控制汽缸比例调节阀的方式实现压力的精密输出控制。控制模块采用两路贝加莱模拟量输出模块输出控制电压，比例阀根据电压值控制气压值，从而实现压力的输出控制。我们采用±10 V模拟电压控制电气比例调节阀，控制器采用16位，因此最小输出电压为2～16 V，比例阀最小响应值为0.2 mV，按比例阀灵敏度计算，印刷头最大输出压力在300 N，所以，可计算出理论压力最小输出值为0.06 N，但是系统压力输出还受机械阻力、环境等因素影响，实际压力灵敏度经试验测试平均压力调节当量为0.1 N。气路原理如图3所示。

图3 气动式印刷头气路控制图

气动式印刷头采用精密电气比例调节阀来实现压力的精密控制，在输出电压的控制过程中，由于所选用的模拟量控制器最小输出电压在0.15 mV左右，电压值较小，很容易受到外界环境的电磁干扰，为此，如何做好整个输出回路的屏蔽是最为困难的，通过电气合理布局、输出滤波、加装金属外壳屏蔽罩等相关手段达到最大程度屏蔽效果，保证输出不被干扰。

3 两种实现方式的压力输出对比

通过实验数据整理出直线电机压力输出与气动压力输出的特性对比图，见图4。

图4 两种压力输出线形度对比

直线电机压力输出与气动压力输出精度对比见图5。

两种压力输出方式的优缺点：

（1）就推力范围而言，直线电机驱动式受限于直线电机定子和动子的结构，推力越大体积越大，气动式印刷头采用的气缸缸径越大推力越大，相同压力输出时，气动式印刷头的体积要比直线电机驱动式小的多，因此在设计空间受限，输出压力要求较高的情况下，常采用气动式印刷头装置。

图5 两种压力输出精度对比

（2）就压力控制精度而言，通过实验数据分析，直线电机驱动式的压力输出精度误差较大，气动式印刷头压力输出误差较小。

（3）就响应特性而言，直线电机具有高加速高减速特性，在进行压力输出时，响应速度快，而气动式印刷头是通过气压控制的，响应速度较慢。

4 主流印刷及填孔设备印刷头的发展趋势

目前LTCC微组装工艺设备中用于做电路图形印刷的压力输出范围上都是0～200 N，而LTCC基板制造工艺中填孔的压力需求一般在300 N以上，有些填充高黏度浆料的填孔压力要达到500 N以上，因此，直线电机驱动式和气动式印刷头装置各自应用领域有所不同。

早期意大利baccini设计的丝网印刷机都采用直线电机进行压力输出，主要适用于图形印刷场合，由于直线电机输出较大压力时必然体积较大，影响印刷头的结构设计，而满足结构要求就要牺牲压力范围，当印刷压力较小，压力调节精度要求不高时，常采用直线电机驱动式印刷头作印刷压力输出。见图6所示。

图6 Baccini直线电机驱动式印刷头装置

图7 气动式印刷头装置

近年来随着LTCC微组装工艺的不断发展，设备需求方对设备功能提出更高要求，兼容印刷及填孔的设备成为用户的首选。目前，代表国际先进水平的丝网印刷机品牌micro-tec,newlong等均采用气动式印刷头，结构为双气缸架构，部分用于填孔的高压力输出设备（韩国HIT）则采用大缸径单气缸控制结构。下图7为常规气动式印刷头结构。

5 结束语

通过实际印刷及填孔，验证了直线电机驱动式印刷头在压力输出速度响应上具有一定的优势，但是其体积过大，压力线性度较差；而气动式印刷头虽在快速响应上略有延迟，但是其控制结构简单，体积小，压力输出线性度好，控制精度高，是目前主流设备的通用设计方式。

[1] 叶云岳，卢琴芬.直线电机技术手册[M].北京：机械工业出版社，2003.

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

[3] 杨应慧，李田叶，于鑫楠，等.LTCC材料技术运用与发展前景[J].山东陶瓷，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