任曉慶

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京10076)

一種印刷頭機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

任曉慶

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京10076)

介紹了一種滿足客戶對(duì)印刷基片的印刷精度和套印精度要求的印刷頭系統(tǒng)，分析了現(xiàn)有印刷頭機(jī)構(gòu)的不足和缺陷，對(duì)其結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了印刷頭機(jī)構(gòu)既能適應(yīng)太陽(yáng)能行業(yè)的印刷，也能適應(yīng)對(duì)印刷精度和套印精度要求較高的厚膜電路的印刷。

印刷頭機(jī)構(gòu)；印刷機(jī)；印刷精度；套印精度

隨著數(shù)字式印刷的發(fā)展和普及，絲網(wǎng)印刷設(shè)備、技術(shù)和工藝不斷地創(chuàng)新，印刷機(jī)也得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展，印刷機(jī)不僅要適用于太陽(yáng)能生產(chǎn)線和光伏產(chǎn)業(yè)，也要適用于LTCC、HTCC、厚膜電路等領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)印刷機(jī)提出了更高的要求，不僅要求其有很高的印刷精度和套印精度，也對(duì)其功能提出了更多更高的要求。

印刷頭機(jī)構(gòu)作為印刷機(jī)的關(guān)鍵部件，它的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該印刷頭機(jī)構(gòu)包括印刷頭上下運(yùn)動(dòng)單元、水平調(diào)節(jié)單元、角度調(diào)節(jié)單元、印刷刀單元、涂墨刀單元等幾部分組成。

上述印刷頭基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)于太陽(yáng)能電池的印刷，基本能夠滿足該行業(yè)的要求，但隨著太陽(yáng)能行業(yè)的不景氣，再加上國(guó)內(nèi)幾大太陽(yáng)能公司的破產(chǎn)和倒閉，使得印刷機(jī)的銷量也不盡人意。為了拓展印刷機(jī)市場(chǎng)，厚膜電路的印刷廠家對(duì)印刷機(jī)提出了更加嚴(yán)格的要求，即：

圖1 原印刷頭基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

印刷刀為長(zhǎng)方形刀；

印刷角度可更大范圍調(diào)整；

印刷角度調(diào)整后可單獨(dú)鎖緊松開(kāi)；

印刷頭能整體翻轉(zhuǎn)，便于更換刮刀和回收漿料。

原有的印刷機(jī)已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)發(fā)展的需要，對(duì)印刷頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)勢(shì)在必行，必須對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

為此在原有印刷頭的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 印刷刀的優(yōu)化設(shè)計(jì)

原印刷刀單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。印刷刀單元由壓板、夾板和印刷刀組成。印刷刀固定在夾板和壓板中間，印刷刀的夾緊力可以通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘來(lái)調(diào)節(jié)其大小。

圖2 原印刷刀單元結(jié)構(gòu)

印刷刀如圖3所示，形狀尺寸為9.5 mm× 9.5 mm×230 mm的四棱形，該刀的好處是4個(gè)棱邊可以換著用，延長(zhǎng)了印刷刀的使用壽命。但在使用過(guò)程中，印刷刀的棱邊很難在裝夾過(guò)程中保持一定的直線度要求，這樣使得印刷出來(lái)的線條不連續(xù)、膜厚不均勻等缺陷出現(xiàn)。

圖3 原印刷刀示意圖

在厚膜電路對(duì)膜厚的一致性要求和套印精度的要求都很高，在該行業(yè)中用的印刷刀為如圖4所示。

圖4 現(xiàn)印刷刀示意圖

該印刷刀由玻璃纖維板和耐磨的聚氨酯橡膠模鑄而成，堅(jiān)固耐用,結(jié)合處平整光滑。耐酸、堿、乙醚性良好，各棱邊尖角平整光滑,無(wú)氣泡、無(wú)凹凸不平等缺陷。該印刷刀由專業(yè)廠家生產(chǎn)，不會(huì)存在質(zhì)量缺陷。

為此對(duì)原印刷刀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)如下，其改進(jìn)優(yōu)化的印刷刀單元如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后印刷刀單元結(jié)構(gòu)

該印刷刀單元由壓板、夾板、印刷刀和調(diào)節(jié)螺釘?shù)冉M成，如圖5所示：印刷刀固定在夾板和壓板中間，在夾板和壓板上設(shè)計(jì)有定位槽，該定位槽有一定的形位公差和尺寸公差的要求，印刷刀在裝卡時(shí)卡在定位槽中準(zhǔn)確定位，保證了印刷刀在印刷時(shí)的直線度要求，印刷刀的夾緊力可以通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘來(lái)調(diào)節(jié)其大小，保證印刷刀有足夠的夾緊力。

1.2 印刷刀調(diào)節(jié)角度優(yōu)化設(shè)計(jì)

原印刷刀角度調(diào)節(jié)單元由轉(zhuǎn)軸、鎖緊塊組成。如圖6所示：當(dāng)需要調(diào)節(jié)印刷刀角度時(shí)，必須用專用扳手松開(kāi)鎖緊塊上的螺釘，然后轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，調(diào)整印刷刀角度，當(dāng)角度調(diào)整好后，再用專用把手鎖緊鎖緊塊上的螺釘。原機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)時(shí)需專用扳手，再加上轉(zhuǎn)軸單面有鎖緊塊，有時(shí)發(fā)現(xiàn)在印刷過(guò)程中，鎖不緊現(xiàn)象。

圖6 原角度調(diào)節(jié)單元示意圖

為此，對(duì)印刷刀調(diào)節(jié)角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后角度調(diào)節(jié)單元示意圖

現(xiàn)印刷頭的角度調(diào)節(jié)單元由轉(zhuǎn)動(dòng)軸、左夾緊塊、左鎖緊手把、右?jiàn)A緊塊和右鎖緊手把等組成，當(dāng)需要調(diào)節(jié)印刷刀的角度時(shí)，只需要轉(zhuǎn)動(dòng)左右兩個(gè)手把，松開(kāi)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的左右兩個(gè)夾緊塊，然后根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的刻度用手轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸達(dá)所需度數(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)到位后，再次轉(zhuǎn)動(dòng)左右兩手把使夾緊塊鎖死轉(zhuǎn)動(dòng)軸，完成印刷刀的角度調(diào)整。調(diào)節(jié)時(shí)比原機(jī)構(gòu)方便快捷，并且調(diào)節(jié)后兩面鎖緊，角度穩(wěn)定可靠。

1.3 新增印刷頭翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

原來(lái)印刷頭在換印刷刀、搽網(wǎng)、收集漿料時(shí)，操作工必須把手伸到印刷刀下在有限的空間里進(jìn)行操作，一不小心就會(huì)被劃傷，常常會(huì)在換印刷刀時(shí)，在有限的空間里拿不穩(wěn)印刷刀而印刷刀掉下把絲網(wǎng)砸破的事故發(fā)生，為此對(duì)整個(gè)印刷頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加整個(gè)印刷頭的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)分為翻轉(zhuǎn)單元和鎖緊單元兩部分。

1.3.1 翻轉(zhuǎn)單元

翻轉(zhuǎn)單元由翻轉(zhuǎn)軸、左座、右座和手把等組成，如圖8所示：整個(gè)印刷頭機(jī)

圖8 翻轉(zhuǎn)單元示意圖

構(gòu)安裝在左座和右座上，在左座和右座之間有一翻轉(zhuǎn)軸，翻轉(zhuǎn)軸安裝在印刷頭的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，在印刷頭的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上設(shè)計(jì)有翻轉(zhuǎn)擋軸和鎖套，當(dāng)需要收墨或擦網(wǎng)時(shí)，只需要抓住手把上翻，直到翻轉(zhuǎn)擋軸與鎖套接觸，便可松手，印刷頭可以繞翻轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)90°左右，便于擦網(wǎng)和收漿料。當(dāng)需要下翻時(shí)，只需要把鎖套從擋軸抽出，握住手把即可使整個(gè)印刷頭下翻到印刷待機(jī)狀態(tài)。

1.3.2 鎖緊單元

鎖緊單元由鎖緊手柄、上部、掛鉤和下部等組成，分左右兩套，如圖9所示：

圖9 鎖緊單元示意圖

當(dāng)整個(gè)印刷頭下翻以后，為了保證印刷精度以及印刷的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了兩套鎖緊單元，鎖緊單元的下部分別固定在左、右座上，上部固定在安裝手把的大板上，當(dāng)整個(gè)印刷頭下翻后，把上部的鎖緊手柄下翻，掛鉤即可下移一定的距離，當(dāng)掛鉤進(jìn)入下部的溝槽中時(shí)，鎖緊手柄上翻，掛鉤即可上移一定的距離，把上下部固定在一起，即可使整個(gè)印刷頭與印刷驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在一起，保證印刷時(shí)印刷頭位置不變。當(dāng)需要再次上翻印刷頭時(shí)，只需要再次下翻鎖緊手柄，掛鉤即可與下部脫開(kāi)，整個(gè)印刷頭與印刷驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分開(kāi)，印刷頭便可隨時(shí)上翻。

1.4 優(yōu)化了印刷頭的氣路

印刷機(jī)的工作原理是刮墨板在運(yùn)動(dòng)中擠壓油墨和絲網(wǎng)印版，使絲網(wǎng)印版與承印物形成一條壓印線，由于絲網(wǎng)具有張力N1和N2，對(duì)刮墨板產(chǎn)生力F2，回彈力使絲網(wǎng)印版除壓印線外都不與承印物相接觸，油墨在刮墨板的擠壓力F1作用下，通過(guò)網(wǎng)孔，從運(yùn)動(dòng)著的壓印線漏印到承印物上，如下圖10印網(wǎng)受力圖所示。在印刷過(guò)程中，絲網(wǎng)印版與刮墨板進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，擠壓力F1和回彈力F2也隨之同步移動(dòng)，絲網(wǎng)在回彈力作用下，及時(shí)回位與承印物脫離接觸，以免把印跡蹭臟。刮墨板在完成單向印刷后與絲網(wǎng)印版一起脫離承印物，同時(shí)進(jìn)行返程回墨，即完成一個(gè)印刷循環(huán)。

根據(jù)印刷機(jī)的工作原理，印刷機(jī)的印刷頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的是自適應(yīng)印刷頭結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確保印刷過(guò)程兩端壓力的均勻平穩(wěn)，最主要的是采用氣缸驅(qū)動(dòng)作為印刷頭的驅(qū)動(dòng)單元，其氣缸壓力的控制是實(shí)現(xiàn)壓力均勻平穩(wěn)的關(guān)鍵技術(shù)。

圖10 印刷機(jī)的工作原理示意圖

供給印刷、涂墨氣缸的氣體工作壓力設(shè)定為0.5 MPa，缸徑為32 mm，行程為25 mm的氣缸在0.5 MPa壓力下理論輸出壓力為40.2 kg,本系統(tǒng)由兩個(gè)氣缸同時(shí)工作，氣缸工作時(shí)缸桿向下運(yùn)動(dòng)施加壓力，每個(gè)氣缸有一套導(dǎo)柱導(dǎo)向，所以最大輸出壓力在0.5 MPa時(shí)最大總壓力達(dá)80.2 kg，可滿足印刷壓力的要求；同時(shí)行程25 mm可以滿足印刷板及涂墨板的上下行程在0到20 mm可調(diào)要求。

根據(jù)印刷機(jī)印刷頭的結(jié)構(gòu)，對(duì)其印刷過(guò)程進(jìn)行分析研究，對(duì)各種氣動(dòng)控制器件進(jìn)行技術(shù)分析研究，最后采用電氣比例閥、精密減壓閥和氣控電磁閥控制壓力。印刷頭氣路控制如圖11所示：包含印刷部分、涂墨部分。刮板壓力控制氣路由氣源1、過(guò)濾減壓閥2、電氣比例閥3、精密減壓閥4、氣控電磁閥6和7、刮板氣缸10等組成；涂墨壓力控制氣路由氣源1、過(guò)濾減壓閥2、電氣比例閥5、精密減壓閥3、氣控電磁閥8和9、涂墨氣缸11等組成。

兩部分都由氣源出來(lái)的氣體經(jīng)電磁閥控制接入氣缸的兩端實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸的控制，帶動(dòng)相應(yīng)氣缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)印刷及涂墨部件上下運(yùn)動(dòng)和壓力調(diào)整功能。

整個(gè)印刷頭的氣路控制采用電氣比例閥和氣控電磁閥不僅可實(shí)現(xiàn)壓力、速度的無(wú)極調(diào)節(jié)，避免了傳統(tǒng)的氣閥換向時(shí)的沖擊現(xiàn)象；在原印刷頭氣路的控制上，增加了背壓技術(shù)，保證了印刷壓力或凃墨壓力的平穩(wěn)和均勻；

圖11 印刷頭氣路控制圖

當(dāng)需要印刷時(shí)，氣控電磁閥6換向，在氣缸缸桿底一側(cè)，由精密減壓閥出來(lái)的氣源經(jīng)過(guò)電磁閥6進(jìn)入氣缸的缸桿一側(cè)，氣缸的缸桿將縮回；由于刮板部件有自身重量，通過(guò)調(diào)節(jié)精密減壓閥壓力大小，使氣缸縮回的拉力與刮板部件的自身重量平衡，在這種狀態(tài)下缸桿在行程范圍內(nèi)任意位置都達(dá)到平衡狀態(tài)，相當(dāng)于氣缸在垂直方向零負(fù)載；這時(shí)電氣比例閥3打開(kāi)，在氣缸缸底一側(cè)氣路經(jīng)過(guò)電氣比例閥3進(jìn)入，通過(guò)氣控電磁閥7換向，氣源進(jìn)入氣缸的底部將氣缸桿推出；推出壓力大小由電氣比例閥控制，通過(guò)氣缸施加在刮刀上的輸出壓力即為印刷壓力，印刷壓力或凃墨壓力的精度由電氣比例閥的輸出壓力精度決定。實(shí)現(xiàn)印刷壓力或凃墨壓力控制，保證印刷壓力或凃墨壓力穩(wěn)定，提高了印刷控制精度。

2 綜述

優(yōu)化后的印刷頭機(jī)構(gòu)，其總體結(jié)構(gòu)如圖12所示。

該優(yōu)化后印刷頭機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)單元、升降單元、水平調(diào)節(jié)單元、角度調(diào)節(jié)單元、印刷刀單元、涂墨刀單元、翻轉(zhuǎn)單元和鎖緊單元等部分組成。

經(jīng)過(guò)改進(jìn)和優(yōu)化后，整個(gè)印刷頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和氣路設(shè)計(jì)體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，不僅印刷頭的功能性增強(qiáng)了，而且其操作更方便更人性化；使其印刷頭機(jī)構(gòu)能適應(yīng)各種生產(chǎn)需求，不僅滿足各種太陽(yáng)能行業(yè)的印刷，而且也能滿足厚膜電路印刷對(duì)印刷頭的功能要求，優(yōu)化后的印刷頭機(jī)構(gòu)已在多家厚膜電路廠家和太陽(yáng)能印刷生長(zhǎng)線得到應(yīng)用和認(rèn)可，具有普遍適應(yīng)性和很好的應(yīng)用空間。也拓寬了印刷機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，提高了印刷機(jī)的市場(chǎng)占有率。

圖12 優(yōu)化后印刷頭機(jī)構(gòu)示意圖

[1] SMC(中國(guó))有限公司編.現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù)（2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)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

任曉慶(1971-)，女，甘肅平?jīng)鋈耍?996年畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)，高級(jí)工程師，華中科技大學(xué)工程碩士，畢業(yè)至今一直從事電子專用設(shè)備尤其是印刷設(shè)備的研發(fā)工作。

2015-03-27