任曉慶

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京10076)

一種印刷頭機構的優(yōu)化設計

任曉慶

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京10076)

介紹了一種滿足客戶對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)有印刷頭機構的不足和缺陷，對其結構和功能進行優(yōu)化和改進，實現(xiàn)了印刷頭機構既能適應太陽能行業(yè)的印刷，也能適應對印刷精度和套印精度要求較高的厚膜電路的印刷。

印刷頭機構；印刷機；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)印刷設備、技術和工藝不斷地創(chuàng)新，印刷機也得到廣泛應用和發(fā)展，印刷機不僅要適用于太陽能生產線和光伏產業(yè)，也要適用于LTCC、HTCC、厚膜電路等領域的發(fā)展，對印刷機提出了更高的要求，不僅要求其有很高的印刷精度和套印精度，也對其功能提出了更多更高的要求。

印刷頭機構作為印刷機的關鍵部件，它的基本結構如圖1所示。

該印刷頭機構包括印刷頭上下運動單元、水平調節(jié)單元、角度調節(jié)單元、印刷刀單元、涂墨刀單元等幾部分組成。

上述印刷頭基礎結構對于太陽能電池的印刷，基本能夠滿足該行業(yè)的要求，但隨著太陽能行業(yè)的不景氣，再加上國內幾大太陽能公司的破產和倒閉，使得印刷機的銷量也不盡人意。為了拓展印刷機市場，厚膜電路的印刷廠家對印刷機提出了更加嚴格的要求，即：

圖1 原印刷頭基礎結構

印刷刀為長方形刀；

印刷角度可更大范圍調整；

印刷角度調整后可單獨鎖緊松開；

印刷頭能整體翻轉，便于更換刮刀和回收漿料。

原有的印刷機已經(jīng)不能滿足市場發(fā)展的需要，對印刷頭的優(yōu)化設計勢在必行，必須對其進行改進和優(yōu)化設計。

1 優(yōu)化設計

為此在原有印刷頭的基礎上，對其進行改進和優(yōu)化設計。

1.1 印刷刀的優(yōu)化設計

原印刷刀單元結構如圖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調節(jié)螺釘來調節(jié)其大小。

圖2 原印刷刀單元結構

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個棱邊可以換著用，延長了印刷刀的使用壽命。但在使用過程中，印刷刀的棱邊很難在裝夾過程中保持一定的直線度要求，這樣使得印刷出來的線條不連續(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，堅固耐用,結合處平整光滑。耐酸、堿、乙醚性良好，各棱邊尖角平整光滑,無氣泡、無凹凸不平等缺陷。該印刷刀由專業(yè)廠家生產，不會存在質量缺陷。

為此對原印刷刀進行優(yōu)化設計和改進如下，其改進優(yōu)化的印刷刀單元如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后印刷刀單元結構

該印刷刀單元由壓板、夾板、印刷刀和調節(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，在夾板和壓板上設計有定位槽，該定位槽有一定的形位公差和尺寸公差的要求，印刷刀在裝卡時卡在定位槽中準確定位，保證了印刷刀在印刷時的直線度要求，印刷刀的夾緊力可以通過調節(jié)螺釘來調節(jié)其大小，保證印刷刀有足夠的夾緊力。

1.2 印刷刀調節(jié)角度優(yōu)化設計

原印刷刀角度調節(jié)單元由轉軸、鎖緊塊組成。如圖6所示：當需要調節(jié)印刷刀角度時，必須用專用扳手松開鎖緊塊上的螺釘，然后轉動轉軸，調整印刷刀角度，當角度調整好后，再用專用把手鎖緊鎖緊塊上的螺釘。原機構調節(jié)時需專用扳手，再加上轉軸單面有鎖緊塊，有時發(fā)現(xiàn)在印刷過程中，鎖不緊現(xiàn)象。

圖6 原角度調節(jié)單元示意圖

為此，對印刷刀調節(jié)角度進行優(yōu)化設計，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后角度調節(jié)單元示意圖

現(xiàn)印刷頭的角度調節(jié)單元由轉動軸、左夾緊塊、左鎖緊手把、右夾緊塊和右鎖緊手把等組成，當需要調節(jié)印刷刀的角度時，只需要轉動左右兩個手把，松開轉動軸的左右兩個夾緊塊，然后根據(jù)轉動軸上的刻度用手轉動轉動軸達所需度數(shù)，轉動到位后，再次轉動左右兩手把使夾緊塊鎖死轉動軸，完成印刷刀的角度調整。調節(jié)時比原機構方便快捷，并且調節(jié)后兩面鎖緊，角度穩(wěn)定可靠。

1.3 新增印刷頭翻轉機構

原來印刷頭在換印刷刀、搽網(wǎng)、收集漿料時，操作工必須把手伸到印刷刀下在有限的空間里進行操作，一不小心就會被劃傷，常常會在換印刷刀時，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，為此對整個印刷頭進行優(yōu)化設計，增加整個印刷頭的翻轉機構。該機構分為翻轉單元和鎖緊單元兩部分。

1.3.1 翻轉單元

翻轉單元由翻轉軸、左座、右座和手把等組成，如圖8所示：整個印刷頭機

圖8 翻轉單元示意圖

構安裝在左座和右座上，在左座和右座之間有一翻轉軸，翻轉軸安裝在印刷頭的驅動機構上，在印刷頭的驅動機構上設計有翻轉擋軸和鎖套，當需要收墨或擦網(wǎng)時，只需要抓住手把上翻，直到翻轉擋軸與鎖套接觸，便可松手，印刷頭可以繞翻轉軸翻轉90°左右，便于擦網(wǎng)和收漿料。當需要下翻時，只需要把鎖套從擋軸抽出，握住手把即可使整個印刷頭下翻到印刷待機狀態(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

當整個印刷頭下翻以后，為了保證印刷精度以及印刷的穩(wěn)定，設計了兩套鎖緊單元，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，當整個印刷頭下翻后，把上部的鎖緊手柄下翻，掛鉤即可下移一定的距離，當掛鉤進入下部的溝槽中時，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，即可使整個印刷頭與印刷驅動機構固定在一起，保證印刷時印刷頭位置不變。當需要再次上翻印刷頭時，只需要再次下翻鎖緊手柄，掛鉤即可與下部脫開，整個印刷頭與印刷驅動機構分開，印刷頭便可隨時上翻。

1.4 優(yōu)化了印刷頭的氣路

印刷機的工作原理是刮墨板在運動中擠壓油墨和絲網(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，對刮墨板產生力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，通過網(wǎng)孔，從運動著的壓印線漏印到承印物上，如下圖10印網(wǎng)受力圖所示。在印刷過程中，絲網(wǎng)印版與刮墨板進行相對運動，擠壓力F1和回彈力F2也隨之同步移動，絲網(wǎng)在回彈力作用下，及時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，同時進行返程回墨，即完成一個印刷循環(huán)。

根據(jù)印刷機的工作原理，印刷機的印刷頭的結構設計采用的是自適應印刷頭結構，該結構設計確保印刷過程兩端壓力的均勻平穩(wěn)，最主要的是采用氣缸驅動作為印刷頭的驅動單元，其氣缸壓力的控制是實現(xiàn)壓力均勻平穩(wěn)的關鍵技術。

圖10 印刷機的工作原理示意圖

供給印刷、涂墨氣缸的氣體工作壓力設定為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)由兩個氣缸同時工作，氣缸工作時缸桿向下運動施加壓力，每個氣缸有一套導柱導向，所以最大輸出壓力在0.5 MPa時最大總壓力達80.2 kg，可滿足印刷壓力的要求；同時行程25 mm可以滿足印刷板及涂墨板的上下行程在0到20 mm可調要求。

根據(jù)印刷機印刷頭的結構，對其印刷過程進行分析研究，對各種氣動控制器件進行技術分析研究，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的氣體經(jīng)電磁閥控制接入氣缸的兩端實現(xiàn)對氣缸的控制，帶動相應氣缸往復運動實現(xiàn)印刷及涂墨部件上下運動和壓力調整功能。

整個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現(xiàn)壓力、速度的無極調節(jié)，避免了傳統(tǒng)的氣閥換向時的沖擊現(xiàn)象；在原印刷頭氣路的控制上，增加了背壓技術，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

當需要印刷時，氣控電磁閥6換向，在氣缸缸桿底一側，由精密減壓閥出來的氣源經(jīng)過電磁閥6進入氣缸的缸桿一側，氣缸的缸桿將縮回；由于刮板部件有自身重量，通過調節(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任意位置都達到平衡狀態(tài)，相當于氣缸在垂直方向零負載；這時電氣比例閥3打開，在氣缸缸底一側氣路經(jīng)過電氣比例閥3進入，通過氣控電磁閥7換向，氣源進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)化后的印刷頭機構，其總體結構如圖12所示。

該優(yōu)化后印刷頭機構包括驅動單元、升降單元、水平調節(jié)單元、角度調節(jié)單元、印刷刀單元、涂墨刀單元、翻轉單元和鎖緊單元等部分組成。

經(jīng)過改進和優(yōu)化后，整個印刷頭的結構設計和氣路設計體積小、重量輕、結構簡單、成本較低，不僅印刷頭的功能性增強了，而且其操作更方便更人性化；使其印刷頭機構能適應各種生產需求，不僅滿足各種太陽能行業(yè)的印刷，而且也能滿足厚膜電路印刷對印刷頭的功能要求，優(yōu)化后的印刷頭機構已在多家厚膜電路廠家和太陽能印刷生長線得到應用和認可，具有普遍適應性和很好的應用空間。也拓寬了印刷機的應用領域，提高了印刷機的市場占有率。

圖12 優(yōu)化后印刷頭機構示意圖

[1] SMC(中國)有限公司編.現(xiàn)代實用氣動技術（2版）[M].北京：機械工業(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，高級工程師，華中科技大學工程碩士，畢業(yè)至今一直從事電子專用設備尤其是印刷設備的研發(fā)工作。

2015-03-27