（机械制造及其自动化专业论文）脉冲喷射开关阀理论及其在bcp应用中的研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 脉冲喷射装置是工业包装喷印、生物化学分析、电子封装等行业中实现微量 流体喷射的执行装置，但现有脉冲喷射装置不能满足大流量、高速响应、性能稳 定的要求，本文把高速开关阀的特性和脉冲喷射装置中喷嘴的结构结合起来，设 计了一种新的脉冲喷射装置脉冲喷射开关阀。在系统研究开关阀的性能的基 础上，提出了开关阀的设计方法。针对大字符喷码机( b i gc h a r a c t e r p r i n t e r ，简 称b c p ) 的应用，建立了基于g m a 的脉冲喷射开关阀的模型，阐述了开关阀的 性能变化规律，对脉冲喷射开关阀的设计具有重要的参考价值。 论文主要内容包括： 第一章绪沦，论述了各种脉冲喷射方式的优缺点和可能的应用，提出了综 合利用高速开关阀和喷射装置结构实现脉冲喷射的新途径，进而阐述了高速开关 阀的发展历史和研究现状，阐明了本课题的来源和主要内容。 第二章把高速开关阀的特性和脉冲喷射装置的喷嘴结构结合起来，设计了 一种新的脉冲喷射装置脉冲喷射开关阀，在详细阐述开关阀的性能基础上， 提出了脉冲喷射开关阀的设计方法，为脉冲喷射开关阀的设计分析提供理论指 导。 第三章简要分析了b c p 的工作原理，提出了一种适用于工业环境的字符点 阵结构和控制方法。系统论述了开关阀喷印效果的影响因素。对b c p 中的开关 阀进行了设计分析，确定了超磁致伸缩式的驱动方式。 第四章建立了基于g m a 的脉冲喷射开关阀的动态模型，仿真分析了开关 阀各参数对开关蚓静、动态性能的影响，提出了开关阀的性能变化规律和提高性 能的措施，为改善开关阀的性能提供了理论依据。 第五章根据脉冲喷射开关阀的性能仿真结果和g m a 的工作特性，对脉冲 喷射开关阀中的g m a 进行了设计和优化。 第六章为验证脉冲喷射开关阀的性能，对开关阀和g m a 的性能进行了实 验研究，实验结果表明基于g m a 的脉冲喷射开关阀能满足b c p 的使用要求。 第七章结论和展望，概括本课题的主要研究结果，并展望今后需要进一步 开展的工作。 关键词：脉冲喷射开关阀致动器超磁致伸缩g m a 大字符喷码机( b c p ) 开关阀 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t p u l s ej e td e v i c ei st h ep e r f o r m i n gu n i t i ni n d u s a i a lp a c k a g e ，b i o c h e m i c a l a n a l y s i s , e l e c t r i c a lp a c k a g ea n do t h e rb u s i n e s s e s w h i c hc a l lj e tf l u i dw i t l lm i c r of l u x b u tt h ep r e s e n tj e td e v i c e sc a n n o t 肌f j l it h ed e m a n do fl a r g e f l u x , h i g h - s p e e da n d s t a b l ei ns o m ea p p l i c a t i o n s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ed e s i g n e da n o n - o f f p u l s e j e td e v i c e , c o m b i n e dt h ea d v a n t a g eo fh i g h - s p e e do n - o f fv a l v ea n dp u l s ej e td e v i c e t h ed e s i g n m e t h o do ft h i sj e td e v i c ei ss e tu p , b a s e do nt h es y s t e m i cp r o p e r t yr e s e a r c ho ft h e d e v i c e 1 ka n a l y s i s m o d e lo f p u l s e j e to n - o f f v a l v ea e m a t e d b y g m a i s b u l i t f o r t h e b i gc h a r a c t e r p r i n t e r ( b c p ) ；t h ep r o p e r t yr e g u l a t i o no f t h ed e v i c ei sd i s s e c t e db y s i m u l a t i o n t h e s ew o r k sc mo f f e ri m p o r t a n tg u i d a n c ef o rt h ed e s i g no ft h i st y p eo f p u l s e j e td e v i c e i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ea d v a n t a g e sa n d s h o r t a g e so f d i f f e r e n t j e tm e t h o d sa n dt h e p o s s i b l ea p p l i c a t i o n sw e r ed i s c u s s e d ；t h e nan e wd e s i g nm e t h o dw a sp u tf o r w a r d ， c o m b i n e dt h ea d v a n t a g e so fh i g h s p e e do n - o f fv a l v ea n dp u l s ej e td e v i c e ；t h e d e v e l o p m e n th i s t m ya n dt h er e s e a r c hs i t u a t i o no fh i g h - s p e e do n - o f fv a l v e sw e r e a n a l y z e d ；a n dt h es e a r c eo ft h ep r o j e c ta n dt h em a i nc o n t e n t so ft h er e s e a r c hw e f p p o i n t e do u t i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h ec h a r a c t e ro fo n - o f fv a l v ea n dt h es t l n e t m eo fn o z z l e w e r ec o m b i n e d , a n dan e w p u l s e j e td e v i c e p u l s e j e to n - o f f v a l v ew a sd e s i g n e d t h e d e s i g nm e t h o do fp u l s ej e to n - o f f v a l v ew a sb u i l tl i pb a s e do nt h es y s t e m i cd i s c u s so f o n - o f f v a l v ep r o p e r t i e s t h e s e w o r k s o f f e r t h ea c a d e m i cg u i d a n c e f o r t h e o n - o f f v a l v e d e s i g na n dd e v e l o p m e n t i nt h et h i r dc h a p t e r , t h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n dw o r k i n gt h e o r yo fb c pw a s a n a l y z e db r i e f l y ；ac h a r a c t e rm a t r i xs t r u c t u r ea n dt h ec o n t r o lm e t h o df o ri n d u s t r y e n v i r o n m e n ta p p l i c a t i o nw e r ep u tf o r w a r d t h ef a c t o r sa f f e c t e dt h eo n - o f fv a l v ej e t e f f e c tw o r es y s t e m i cd i s c u s s e d ；a n dt h eo n - o f fv a l v ew o r k i n gi nt h eb c pw a s d e s i g n e d ；t h ea e t l m m rw a sm a d ec e r t a i n g m a i nt h ef o u r t hc h a p t e r , t h ed y n a m i cm o d e l o f p u l s e j e to n - o f f v a l v eb a s e do no m a w a sb u i l tu p t h ee f f e c to fd i f f e r e n tf a c t o r so nt h eo n - o f fv a l v ed y n a m i cp r o p e r t i e s w e ”s i m u l a t e d ；d e v e l o p m e n tr e g u l a t i o no ft i l ev a l v ep r o p e r t i e sa n dt h em e a s u l _ e sf o r i m p r o v ew e r ea l s os t u d i e d ，w h i c hp r o v i d eav a l u a b l er e f e r e n c ef o rt h eo n - o f fv a l v e p r o p e r t yi m p r o v e m e n t i nt h ef i f t hc h a p t e r t h es t r t l c r l r eo fg m ai nt h eo n - o f fv a l v ew a sd e s i g n e da n d o p t i m i z e db a s e do nt h ed y n a m i cp r o p e r t ys i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ev a l v ea n dt h e 浙江大学博士学位论文 w o r k i n gp r o p e r t yo f t h ec o m a i nt h es i x t hc h a p t e r , s o m ee x p e r i m e n t so fv a l v ea n dg m a d o n ef o r v 耐f y i n g t h e p r o p e r t yo f t h ev a l v e t h e p u l s e j e to n - o f f v a l v eb a s e d o i l t h e g m a c a n f l l l f i l lt h eu s a g ed e m a n do ft h eb c p , w h i c h md e m o n s t r a t e db yt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s i nt h es e v e n t hc h a l a e r , m a i nw o r ka n dk e yi n n o v a t i v ep o i n t si nt h ed i s s e r t a t i o n a r es u l l l h a g i z c d 。a n df i l l r t h e rr e s e a r c hw o r ki sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：p u l s ej e to n - o f fv a l v e ， c h a r a c t e rp 打m 日( s c p ) ， a c t u a t o r , g i a n tm a g n e t o s t r i c t i o n , o m a , b i g o n - ) f f v a l v e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盘垒盘兰或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：壶爰竿签字日期：卫州年 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解一逝婆盘掌一有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权一龌i ! 二太 茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可咀采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：立! 爰冬 瓢躲鸺 签字日期：加年；月，。日签字日期w 二年，月，目 卜 i ri 第一章绪论 第一章绪论 本章从脉冲喷射装置的应用出发，综合论述了现有脉冲喷射方式的原理，优 缺点和应用通过分析b c p 的现状和存在的问题，提出综合利用高速开关阀和脉 冲喷射装置结构的新途径。进而阐述了高速开关阀的发展历史和研究现状，最后 陈述了本课题的来源和主要内容 1 1 引言 自肿和c a n n o n 打印机问世以来i l 】，打印技术不断推陈出新，快速、精确控制 的打印机得到不断发展和广泛应用。实现打印的脉冲喷射技术还在电子行业、微 制造等领域得到了应用。 在产品包装行业，利用打印喷射技术，实现了在易拉罐、纸盒、电线等产品 上，对产品的生产日期、厂标等信息的喷印【2 j 鼬】，有利于产品的信息化管理和 包装的规范化。 生物医药学领域的高速基因测序、基因工程、蛋白质学、细胞分析、新药研 究、诊断等多求助于微流体芯片6 1 【”棚，微流体芯片中采用脉冲喷射装置实现样 品、试剂的微量、精确控制，而且还可大量节省试剂的用量，提高生产率、改善 分析的有效性。应用于生物医学领域的喷射装置也可应用于化学产品分析设备中 1 1 0 1 。 在电子封装行业和光电产品制造方面，微流体脉冲喷射是替代平版印刷处理 工艺的有效方法f l n 。例如b g a 、p c b 、f 1 i p c l l i p 等电子封装中的焊锡凸块喷印 1 2 , 1 3 , 1 4 , 阍、液晶显示器的微透镜阵列制造1 6 1 7 , 1 8 19 1 ，采用脉冲喷射方式具有流量 控制精确、数据驱动灵活、低能耗、高速、低环境污染的优点口0 】。 随着c p u 尺寸的增大，集成电路和c p u 的热量发散急剧增加。传统的风扇、 散热管散热方式已不能满足芯片冷却的要求，采用喷射液滴汽化的方式耗散的热 量比传统散热方式高四个数量级，而且可以实现i c 的定点冷却脚2 2 1 ，目前正成为 芯片冷却的重要方向。 作为快速成型技术中的一种金属自由成形技术，不需要机加工，可直接 将计算机中的图形快速地转化成实际物理实体睇3 矧，其中流体喷镀是主要的自由 成形方法 2 5 , 2 6 , 2 7 , 2 8 。熔融的金属从喷腔喷出，按加工成形顺序累积成所需的结构， 是构造复杂结构、减少加工周期的有效途径f 2 9 , 3 0 。 在当前汽车柴油机低排放、低油耗、高性能发展趋势下，发动机综合性能对 燃油喷射系统喷射与雾化质量等性能均提出了越来越严格的要求【3 l , 3 2 3 。采用微流 浙江大学博士学位论文 量控制的脉冲喷射装置，可减小喷射油滴的尺寸，提高雾化质量，充分混合。提 高燃油的燃烧效率，降低能耗，减少空气污染，是改善汽车发动机性能要求的有 效方法【，3 3 州。 在这些应用中，实现喷射的关键是脉冲喷射装置，它能将喷印的介质按一定 频率、一定剂量均匀地喷出。它们的共同特点是喷射流量小，属于毫升或微升； 工作频率高，一般大于1 0 0 赫兹；可阵列化使用。目前，这类装置的研究大多针 对具体应用进行具体设计，没有广泛适用性，缺乏系统的理论研究，一定程度上 限制了脉冲喷射装置的进一步应用开发。建立脉冲喷射装置的设计方法，研究其盘 性能变化规律已经成为迫切需要解决的问题。 1 2 脉冲喷射方式分析 脉冲喷射装置的原理是利用喷嘴两端的压力差，推动流体从喷嘴喷出，形成 液滴，工作方式有热气泡式、压电式、热变形式、静电式、气动式等。 1 2 1 热气泡式 1 9 7 9 年，c a n o n 公司发明了一种利用加热装置产生气泡进行打印的技术【3 5 1 ， 称之为“b u b b l ej e t ”。同期，美国的h p 公司也独立开发了类似的技术，称为 “t h i n k j e t ”p q 。这种技术利用液体舱内的加热器升温，将加热器表面的墨水汽 化，气泡推动墨水从喷嘴喷出p 7 , 3 8 , 3 9 。当墨滴喷出后，加热器关掉，气泡破灭， 准备下一脉冲的喷射，图1 1 为热气泡式喷射的工作原理。自8 0 年代以来，人 们对热气泡式打印方式不断从打印速度、打印质量等方面进行改进 4 0 4 1 , 4 2 , 4 3 , 4 4 ， 逐渐在家用和办公用打印机市场替代了针式打印机。由于气泡式打印机具有价 廉、体积小、安静的优点。目前热气泡式打印方式是低端彩喷打印机的主要工作 形式m j ，对其工作方式的研究主要集中于如何提高喷印质量，减小卫星液滴等方 面。由于其高温汽化会引起液体性质的改变m ，限制了流体的适用范围，因此 气泡式喷射装置主要应用于打印机。 i 坤舢嘲s i d es h o o t 图1 1 热气泡式喷射头工作原理 2 一叫，iiiiillllllllllililiiiij ：， 一 黼_姗姗皿 一 第一奄锗论 1 2 2 压电致动式 自从8 0 年代，随着按需滴落式打印和压电材料的应用发展，出现了很多压 电驱动的打印方式，例如1 9 7 4 年，z o m m 等人设计的西门子f - 8 0 系列的打印机 1 4 7 1 ；1 9 8 3 年，b u g d a y e i 等人设计了圆柱挤压型压电喷射打印机一j ；b e r g g r e n 等人 设计的挤压式打印头，可形成直径2 7 1 m a 的液滴，也可连续喷射【艚】；k u n g 等人 用l p m 的孔形成3 4 l l m 的液滴1 5 0 】。h e i j 等a 1 5 1 和y u a n 等 f 2 采用弯曲型压电喷 头，形成5 岬直径的喷嘴阵列；g o k h a np c r c ，i n 等人采用弯曲式压电喷射装置 脚”j ，可实现连续喷射和按需喷射，喷嘴矗径5 0 2 0 0 p m ；p e a i n 等人采用压电 圆盘振动的方式进行喷印，圆盘直径仅有l o o i i “”】；j m m e a e h a m 等人利用压 电材料振荡形成超声波，实现流体的连续喷射和按需喷射1 5 6 1 ，喷嘴孔口直径5 1 0 1 a m 。当压电元件上施加电压信号后，压电元件产生变形，在充满流体的喷腔 内形成声波，声波克服喷嘴内流体的表面张力，形成单个的液滴喷出”硼j q 侧。 依压电元件的工作方式不同，共有四种形式( 图1 2 ) ，( 1 ) 挤压型( s q u e e z e m o d c x 见 图a ) ，( 2 ) 弯曲型( b e n d m o d e ) 1 6 ”( 见图b ) ( 3 ) 推挤型( p l l s h m o d e ) 睇k 见图c ) ，( 4 ) 剪力型( s h e a r m o d e x 见图d ) ”。这四种喷射方式都是利用压电材料的变形，直 接推动流体运动，流体在内外压力差的作用下加速喷出喷嘴，形成液滴。典型的 压电喷射头的喷嘴直径约为5 阻m ，一次喷出的液滴总量约为1 0 0 p l ( 1 p l = 1 0 1 2 l ) ， 速度约为1 0 m s e e 。 图1 2 压电式喷头工作原理 浙江大学博士学位论文 压电型喷射装置的反应速度快，可提高响应频率范围：而且压电结构的控制 精度高，可提高喷印的质量。但压电驱动方式的流量小，若有提高喷嘴流量需要 采用放大机构或增大喷射装置的体积。压电材料工作需要提供高压；而且对喷腔 内流体的要求较高，喷腔内必须完全充满液体，即使一个小气泡也有可能使喷射 装置不能工作：由于压电晶体比较脆，容易老化，对于温度高的流体需对压电材 料进行隔离保护。 由于压电控制方式具有控制精度高、响应速度快的优点，压电式喷射装置也 在小字符喷码【6 5 】、喷射给药装置阁、d n a 芯片实验明【6 8 】、焊锡喷射 6 9 1 1 7 0 1 、燃油 雾化喷射川等多个领域得到应用。 1 2 3 热变形喷射 1 9 9 6 年，h i r a t a 等人采用热变形梁的方式设计了脉冲喷射装置 7 2 1 ，它的工作 原理图见图1 3 。由绝缘层和加热层组成的膜片与基板相连，当膜片被加热后， 压缩应力使膜片瞬时向喷嘴方向弯曲，导致墨水舱内压力升高，使墨滴喷出。这 种喷射方式的工作频率可达到1 8 k h z ，喷射速度8 m s 。a n t o n i oc a b a l 等人采用 3 d 优化的方法对热变形悬臂梁方式的喷射结构进行了改进，加热装置的长度占 喷射致动器总长度的6 7 【7 3 】。美国i cs e n s o r s 研制的热变形喷射微型阀可控制 两个大气压的气流，最大流量约为8 5 m l m i n 7 4 ；德国f r a u n h o f b r 研究所设计制作 的桥形结构的常闭阀可使热驱动的响应时间缩短至1 5 m s ，该阀外形尺寸为5 5 x o 5 r a m 3 ，桥臂宽为6 0 0 t t m ，阀出口尺寸为3 6 0 x 3 6 0 t t m 2 ，可控入口压力l b a r ， 流量超过7 0 0 m l m i n 。 图1 3 热变形喷射原理图 热变形喷射驱动方式工作点状态与温度相关，因此这种驱动方式的能量消耗 受环境影响较大。相同温度条件下，它的能量消耗和体积都比热气泡方式大。当 热变形驱动装置结构较大时，为提高响应速度，需增加冷却装置。 4 第一章绪论 1 2 4 静电式喷射 静电式喷射方式最早由e p s o n 公司发明用于商用打印机1 7 ”，其工作原理图如 图i 4 所示。初始状态，电极板和压力板之间施加直流电，使压力板弯曲，填充 油墨。当电压降为零后，压力板反弹，推动油墨喷出喷嘴。这种喷射装置的工作 电压很低，只有2 6 5 v ，驱动频率可达1 8 k h z ，喷印效果可达3 6 0 d p i 。d a v i d b i e g e l s e n 等人研制的阵列式静电气体喷射装置应用于自动进纸装置，纸张可移动 距离为l o 1 0 0 c m ，喷射阀片打开、关闭的时间约l m s t “ 图1 4 静电式喷头工作原理图 静电喷印方式具有喷印质量好、速度高、能耗小、使用寿命长( 寿命超过 4 0 亿次喷射) 、噪声小的优点，而且静电驱动的冲放电时间短，响应速度快，不 受环境温度的影响。但这种喷射装置的加工非常复杂，有三种不同的微加工工艺 制造连接件，它的压力板的蚀刻工艺要求非常精确，保证厚度均匀。而且静电喷 射装置需要较高的驱动电压，致动力小。由于其固体变形量的限制和复杂的加工 工艺，使静电喷射方式很难有更广泛的应用。 1 2 5 气动式 气动式喷印方式包括两种类型。一种是利用气体振荡的方式，在喷嘴外侧形 成低压，迫使喷腔内的流体喷出形成液滴：另一种方式，采用高压气体推动流体 从喷嘴中喷出。2 0 0 2 年，c h a n d r as 和j i v r a jr 设计的应用于金属自由成型的气动 喷射器【_ 7 。礓7 8 】，在装有流体的舱内施加脉冲压力气体，推动流体从仓底的喷嘴中 喷出，流体仓上面的电磁阀高速的开、关形成脉冲，其结构如图1 5 所示。其工 作压力为1 3 8 k p a ，脉宽时间约为4 6 m s 。h o h u c h i 等人研制的由压电致动器控 5 浙江大学博士学位论文 制的气动控制阀，由压电致动器控制气动阀的开、关，从而控制气动阀的喷射。 喷嘴直径1 5 m m ，截止频率9 1 5 h z ，喷射力上升时间1 5 m s l 7 9 。m a s u m iy a m a d a 和 m i n o r us e k i 采用气动喷射方式形成的微喷阵列可实现变流量喷射并可进行混合。 喷射装置的工作压力为1 3 1 k p a 【“。这种喷射装置可用于化学分析和血样检验等 应用。c h u n - p i n gj e n 和y u - c h c n gl i n 研制的气动芯片平板喷射装置利用气泵压力 推动流体运动，可实现流体的双向喷射聊j 。 图i 5 气动喷射装置“ 气动式喷射方式中没有运动件接触流体，利用气压调整流体的流动速度和流 量，可适用范围广，对流体的性能影响小，脉冲时间和流量调节范围宽。但由于 气体具有压缩性，这种喷射方式相对于其他控制方式，控制精度低、响应时间长、 容易出现泄漏。利用气动式喷射对流体性能影响小、流量调节范围宽的优点，在 生物化学检验 7 8 7 9 1 、金属自由成形【s 2 1 、焊锡喷射等方面有广阔的应用前景。 1 2 6 喷射方式比较 脉冲喷射装置可实现流体精确控制，是喷印设备、电子封装等设备中的重要 元件，根据工作原理的不同，各种喷射方式各有优缺点。根据前面对热气泡式、 压电式、热变形式、静电式、气动式的分析说明，可以发现： ( 1 ) 热气泡式的变形量大，流量大，设计制造简单，对流体舱的尺寸限 制少；但其工作方式对温度敏感，而且有可能会引起液体性能的改变，因此主要 应用于喷墨打印机。 ( 2 ) 压电式喷射频响范围宽，响应速度快，液滴尺寸可控；但其变形量 小，只能适于小流量控制，在打印机和芯片级喷射等精确控制领域有广泛应用。 ( 3 ) 热变形式和静电式的尺寸要求类似于压电式，其流量和响应频率都 6 第一章绪论 受结构尺寸的限制，目前应用范围较小。 ( 4 ) 气动式喷射结构简单，适用范围广，调节流量、脉宽方便，对流体 性能要求少，因此在生物、化学、金属造型等领域涌现了各种应用设计。 家用打印机、d n a 检测、芯片封装中的焊锡喷射、生物芯片制备等应用中， 要求流体的喷射量仅有n l p l 的范围内；喷点直径小，小于l o o t t m ；流体的工 作压力低，约几百k p a ；3 - 作环境洁净，无振动等因素影响。这些应用中一般以 提高流体的控制精度、减小喷点直径为优化设计目标，大多选用压电式，热气泡 式或静电式喷射方式。 金属自由成型、燃油喷射装置、腐蚀性化学试剂分析等应用中，流体的流量 相对较大，一般在u l m l 范围内；流体的工作压力范围宽，o i m p a 3 0 m p a 之 间；流体对工作设备有特定要求。这些应用中多以增加流量，满足多种流体的适 用性为设计目标，气动驱动方式是较好的选择。 实际应用中，应根据工作环境、流体特性、成本等多个方面合理选择喷射方 式，也可结合不同方式的优点，开发新型的喷射方式，扬长避短，充分发挥脉冲 喷射装置的优点。 1 3 大字符喷码机( b c p ) 的现状和存在的问题 为了更好地进行产品质量监督，实现产品从毛坯到成品的全程跟踪，产品表 面标识已成为各行业生产中不可缺少的重要组成部分，钢铁产品也不例外。a p i 、 5 c t 等国际标准中都有对钢铁产品标识的详细规范，国内企业若要打入国际市 场，必然要按照国际标准组织生产，因此，在线标识设备己成为现代钢铁企业不 可或缺的重要辅助设备之一。 企业对其产品进行标识的原因主要有： 第一，产品识别。通过在产品上标识特殊的标记、品牌名称和独立的商标 图案使产品与其他同类产品区分，提高品牌的知名度。 第二，对产品跟踪记录。企业将产品的批号、班次或生产日期直接印在成 品或半成品上，作为从毛坯、半成品、成品的生产阶段直至发送给批发商和零售 商的一系列过程，使得每一件产品均具有良好的可追溯性，大大方便了企业的质 量管理及产品的区域管理。 第三，预防或抑制假冒。特殊的防伪标识是鉴别正品与赝品的有效手段。 第四，增加产品的附加值。产品标识是企业的一种承诺，质量跟踪比较完 善、对产品质量负责企业的产品，增加了消费者的信任度，相应地增加了产品自 7 浙江大学博士学位论文 身的价值。 产品表面标识方法主要分为喷码和打码两种8 3 8 4 1 。喷码方式是非接触式标 识，一般是在产品表面喷涂油墨或涂料的方式。打码方式则采用墨轮、色带、打 标针等与产品直接接触，在产品表面上形成标识信息。由于喷码方式比打码方式 信息量多，速度快，对产品本身无损害，应用更为广泛隅5 l 。 根据喷码机工作原理的不同，可分为两大类： 1 ) 按需滴落式喷码机( d r o po nd e m a n d ) 简称d o d 式。 喷头由多个高精密阀门组成，喷字时，字型相对应的阀门迅速启闭，墨水依 靠阀内压力喷出，在运动的表面形成字符或图形。 2 ) 连续喷射式喷码机( c o n t i n u ei n kj e tp r i n t e r ) 简称c i j 式。 墨水通过压力从单一喷嘴不断喷出，经晶体振荡后发生断裂形成墨点；墨点 经充电、高压偏转后在运动的物体表面扫描成字，未被充电的墨滴不产生偏转并 被装在喷头底部的回收槽回收，最后经过一个油墨贮液器再循环至喷嘴。 由于连续喷印方式( c l n 的墨水需要循环使用，对气源和周围环境振动噪声的 要求较苛刻，故障维修费用高；相反，按需滴落式( d o d ) 的墨水不需重复使用， 工作成本低，对环境的适应性强，故障率低，工业环境的产品标识设备大多采用 d o d 式喷印方式。 目前在电线电缆、电器电子、塑料制品以及食品、饮料、化妆品、医药及一 般包装行业，小字符喷码机的应用已经非常广泛这些喷码机多采用压电式或热 气泡式脉冲喷射装置。它们的共同特点是喷印的字符小，一般在l - 2 0 m m 2 _ 间； 喷印速度较低，一般小于6 0 m m i n ；喷印介质要求吸水性较高，选用油墨为喷印 耗材；设备的环境要求较高，大部分要求低噪声、无污染，周围环境温度范围较 窄，适合洁净工作环境使用。这方面的设备国内外都已经研制并投入实际生产使 用。例如美国伟迪捷的小字符喷码机，喷印高度o 8 4 8 r n m s 6 1 ；德国的威登巴 赫喷码机喷印范围为l 一1 2 m m 8 7 j ；英国w i l l e t t 喷码机喷印高度为1 1 2 m m t 懿】； 美国马氏大字符喷码机，喷字高度l o m m - 5 0 m m ，喷码速度6 1 6 1 m r a i n 8 9 1 ；上 海唯德喷码机，可喷字符范围在1 2 r a m - 1 5 m m 咖噜。这些喷码机目前大部应用在 食品、医药、化妆品的纸箱或塑料包装上的喷印，对于噪声大、振动大的重工业， 如钢铁行业并不适用。 普通包装喷印设备不能应用于钢铁工业现场的原因主要在于三方面：首先， 喷印字符过小，不能满足行业产品包装喷印的要求；其次，钢管产品表面有油污、 锈蚀、氧化铁皮等杂质，现有的喷印设备压力小，不能将喷印字符有效地附着在 钢管表面，影响喷印质量；最后，现有设备不能适应重工业现场的噪声、振动和 污染的影响，设备稳定性差，故障率升高。因此研发适应于钢铁工业环境工作的 8 第一章绪论 大字符喷码机( b i gc h a r a c t e r p r i n t e r , 简称b c p ) 已成为迫切需要解决的任务。 由于钢铁产品的喷码设备要求喷印大字符，则要求脉冲喷射装置的流量大于 现有的压电或热气泡式喷印装置。气动式喷射的调节流量范围宽，改变脉宽时间 和气体压力大小可提高脉冲喷射的流量，可满足b c p 喷射流量的要求。但气动式 喷射方式的响应频率较低，而且在振动环境中容易产生误动作，有滴落、泄漏情 况发生，影响喷印质量。因此对于类似于b c p 等需要i i l l 级流量、高速响应、性 能稳定的脉冲喷射装置需开发新的喷射方式。 高速开关阀是近年来发展起来的一种数字电液控制元件，具有结构简单、控 制精度高、响应速度快、数控能力强等优点1 9 ”眦】，数字信号只有“开”、“关” 两种形式，简单可靠，受负载及其他干扰的影响小；且开关阀的流量大于普通脉 冲喷射装置的流量。结合高速开关阀的优点和脉冲喷射方式的结构特点，设计可 实现喷射的开关阀是解决大流量、高速响应的喷射要求的比较理想的方案。因此 有必要了解高速开关阀的发展历史和现状。 1 4 高速开关阀的发展历史与现状 高速开关阀自2 0 世纪7 0 年代末问世以来，国内外一直有研究人员致力于这 方面的研究1 9 3 , 9 4 , 9 5 , 蚝9 7 】。高速开关阀是一种由微控制器或计算机直接控制的数字 电液控制元件，可省去d a 转换器件和线性放大器，降低了系统成本，同时系统 精度不会由于漂移、元件老化而受到影响p 8 】。它的主要驱动形式包括电磁铁式、 压电晶体式和超磁致伸缩式。 1 4 1 电磁铁式 开关阀的机械转换装置最初采用电磁铁式，但由于电感和剩磁的原因，其响 应频率很低，一般工作在工频状态( 5 0 6 0 h z ) ，因此电磁铁式开关阀性能的提 高只能从结构、电路控制等方面进行改进，目前国内外有不少这方面的研究成果。 例如，二十世纪七十年代末，英国l u c a s 公司的a h s e i l i y 研制的两种高速电磁开 关阀，h e l e n o i d l 9 9 l 和c o l e n o i d t l 0 0 】，这两种高速电磁开关阀的共同特点是采用了特 殊结构形式的电磁铁，克服了传统电磁阀作用力越大衔铁加速度反而越小的矛 盾。当阀芯行程小于l m m 时，阀的响应时间不大于l m s 。但这两种阀的结构相 当复杂，加工与制造难度大且成本商，因此限制了它们的推广应用。 八十年代，国外研制出了旋转式电磁阀，其响应频率最高可达到 5 0 0 h z t l 0 1 1 【1 哪! 蜘1 9 8 2 年，美l 国f o r dm o o o r 公司应用多级电磁阀的原理，开发了 一种环状多级高速电磁开关阀，如图1 6 所示，其响应时间为2 m s ，最小尺寸巾 3 5 4 0 m 。日本z e x e l 公司设计了一种名为d i s o l e 的电磁阀【l o , q t l o s l t l 0 6 1 ，见图1 7 。 9 浙江大学博士学位论文 该电磁阀设计中充分考虑了电磁线圈的散热特性、磁场的高密集度、微小的衔铁 质量和优化的磁力线方向。当阀中衔铁达最大行程0 4 r a m 时的响应时间为 0 7 4 m s ，不过此阀的结构相对偏大。日本n r t 设计的电磁致动微型阀可在0 1 1 0 0 h z 的外部电磁场作用下工作，可控气体流量为0 2 4 1 9 2 m l m i n 。 幽1 6 多级式电磁罔一豳1 7d i s o l b 电豫同 国内对高速电磁阀和电磁微阀的研究起步相对较晚，目前对高速电磁阀的研 究主要分为两方面：一方面跟踪国外的研究，探索电磁开关阀实现快速响应的电 控方面和建模的理论研究 1 0 7 , 1 0 8 1 0 9 1 1 0 1 i l , i 哪! 3 1 ；另一方面自主或合作开发高速电 磁开关阀样机及与之配套的驱动控制装置【l h “副坻“”1 8 1 。国内这方面最早的报导 是1 9 9 3 年，红林机械厂和美国b k m 公司合作开发的h s v 系列高速电磁开关阀 1 1 9 1 , 该电磁阀的性能参数为：最高工作频率2 0 0 h z ，流量为2 9 l m i n ，开启时同 为3 m s ，关闭时间为2 m s 。 北京理工大学的郁秀峰等人在1 9 9 5 年研制出用于大功率柴油机的以高速数 字开关阀( h s v ) 为核心的可变几何废气涡轮增压器的电液式开度执行器，其中 高速开关阀的开启时问为3 m s , 关闭时间为2 m s ，体积巾3 0 x 7 5 r a m “o j 。哈尔滨工 业大学的s m c 气动中心开发的一种新的气动高速开关阀，无复位弹簧，能降低对 电磁力的要求工作频率可达3 1 2 1 t z ”。2 0 0 3 年，清华大学的范瑞丽等人研制 的应用于航空航天微流体控制的微小型高压力流体电磁控制阀l l “，工作压力范 围为0 s a t m ，驱动响应时间小于5 m s ，流量控制分辨率达到9ul p u l s e ( n 2 ) 。 阀的本体和电磁致动器的结构如图1 8 所示。 i l ，曩葫舟 心k ：nw n 妹 哞钐扬嚼磁 蓬艟伸 住 鏖 图1 8 微小型高压力流体电磁控制阀左图为阀的本体鲒构，右图为电磁致动器结构 1 0 第一章绪论 1 4 2 压电晶体式或电致伸缩式 压电执行器在电场作用下伸长或缩短，从而推动阀芯实现“开”，。关”动作， 以压电材料执行器为核心的高速阀具有小型、强力、高速响应的特点。 2 0 0 0 年，b u d d i 程公司设计了一种用于喷墨打印机的压电电磁阀，称为 “s o f i ds 协t es o l e n o i dv a l v e ”，这种电磁阀的频率响应为1 0 0 0 h z ，是传统电磁阀 的3 5 倍。当压电晶体施加电压时，压电弓形扳向上翘曲，减小了小球的压力， 从而允许墨滴从喷嘴喷出”1 。它的结构简图见图1 9 。 图1 95 0 l i ds t a l es o l e n o i dv a l v e 结掏厕幽 德国于2 0 0 2 年设计了一种可通气体或液体的压电致动常闭徼阀，这种阀的整 体尺寸为1 3 m i n x l 3 r a m 3 m m ，绝对容积为0 3 3 p l ，当驱动电压达到3 0 0 v 时响 应时间为2 i n s l l 卅。它的运动设计简图见图1 1 0 。德国的s i e m e n s 和b o s c h 公司也都 在研究以压电陶瓷片叠合成的压电堆作致动器的高速阀，其中s i e m e n s 研制的高 速阀响应时间仅为0 2 m s 蹦l i c o n e h 圈1 1 0 压电式锻阀运动设计简图，左图为关闭状态，右腰为开启状杏。 日本的一些大学和厂家也正在研制采用压电元件驱动的超高速开关阀。据悉 1 1 浙江大学博士学位论文 频率已可达2 k h z “羽，但尚未见批量产品上市。图1 1 l 是日本名古屋大学利用双 晶片型压电材料研制的一种高速开关阀，其响应频率达2 0 0 h z ，在2 0 m p a 系统压 力时输出流量达9 2 4 l m i n “。 图1 1 l 利用压电双晶片驱动的高速开关月一一 国内高校也有压电高速阀的研究。中国矿业大学的赵四海早在1 9 9 7 年就研 究了多层压电晶片粘叠驱动的电液开关阀，由于压电晶片的位移量很小，该阀利 用杠杆机构进行放大。该阀的开启时间为4 r n s ，关闭时间为6 m s ，经杠杆放大8 倍后阀芯冲程为0 5 m m ，输出力可达到1 3 7 3 7 5 n 。虽然效果不是很理想，但仍 然优于当时的普通电磁阀i 旺”。它的机构图见图1 1 2 。江苏大学采用压电片堆叠 的结构设计的高速开关阀，由于加工间隙的影响。响应时间略大于i r e s t l 2 9 l 。结 构图见图1 1 3 。2 0 0 5 年南京理工大学的房汝建等人实验的压电陶瓷式数字微阵 列点样喷头【i 明，可喷出的最大液滴体积8 2 p l ，最小液滴体积o 5 n ，工作频率l l o h z 。 1 开关阀，2 压电晶体固定架，卜_ 杠杆机构，4 _ 压电晶体转换器 图1 1 2 杠杆位移放大的压电晶体开关罔。 第一章绪论 1 4 3 超磁致伸缩式 圈1 1 3 压电开关阀。其中4 为压电式致动器 以稀土元素铽、铺与金属元素铁的化合物t e r f e n 0 1 d 为代表的超磁致伸缩材 料( g i a n tm a g n e t o s t r i e t i v em a t e r i a l 。简称g m m ) 可沿磁场方向发生微量的伸长、 缩短。t e r f c n 0 1 d 的快速大应变的特性有利于高速开关阀性能的发挥，目前国内 外已经有利用g m m 的大应变特点应用于比例阀和伺服阀的应用报道，但还没有 应用于开关阀的正式完整的报道。 图1 1 4 所示为瑞典一家公司用超磁致伸缩材料开发的燃料注入阀【l 划，m g o o d f r i c n d 等人用g m m 转换器作为驱动器，改造了一台比例滑阀，在3 0 0 h z 时 该阀阀芯位移达到0 0 1 2 2 英寸，最高驱动信号频率达5 k h z 【l 圳。t a k a h i r ou r a i 等 人用g m m 转换器研制了直动型伺服阀，其结构见图l 1