楊 杰，張 祺，王小軍，宋道磊，鄭 彬

（中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 400714）

一種新型LED全自動(dòng)插件機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

楊 杰，張 祺，王小軍，宋道磊，鄭 彬

（中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 400714）

0 引言

LED顯示屏是一種通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的通斷來顯示文字、圖像、視頻、信號的屏幕。根據(jù)LED結(jié)構(gòu)的不同，LED顯示屏的插裝分為管腳式與貼片式兩種。目前，國內(nèi)貼片式LED顯示屏的生產(chǎn)已基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但管腳式LED顯示屏的生產(chǎn)仍以人工為主，面臨著插件效率低，誤插/漏插率高、人力成本不斷攀升等諸多問題，嚴(yán)重制約著該行業(yè)的發(fā)展。

美日等國自上世紀(jì)60年代末開始自動(dòng)化插件設(shè)備的研制，針對散料LED插件有兩大品牌：日本松下與美國環(huán)球。日本松下立式LED插件機(jī)最快理論插件速度可達(dá)0.2sec/point，插件效率高，但價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，日常維護(hù)工作量大，在國內(nèi)廠商中使用率不高，目前在市場上流通的多為二手產(chǎn)品。美國環(huán)球LED插件機(jī)的速度雖不及松下，但價(jià)格相對便宜，且插件效率較高，國內(nèi)廠家使用較多。近年來，國內(nèi)也逐步開始了自動(dòng)化插件設(shè)備的研發(fā)，目前市場上有新澤谷與華威兩大品牌。相較國外產(chǎn)品，國產(chǎn)插件機(jī)價(jià)格低廉，但插件速度較慢，穩(wěn)定性較差，仍有待改進(jìn)。面對著LED顯示屏產(chǎn)業(yè)由勞動(dòng)密集型轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y金密集型的趨勢，下游廠商對自動(dòng)化產(chǎn)品的強(qiáng)烈需求，研制一款符合我國國情，速度快、性能高、價(jià)格相對低廉的全自動(dòng)插件設(shè)備勢在必行。本文在深入研究散料LED的插件工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款面向工廠實(shí)際應(yīng)用的全自動(dòng)插件設(shè)備。通過對整機(jī)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新與優(yōu)化，在提高實(shí)際插件速度的同時(shí)，增加設(shè)備可靠性并大幅降低制造成本。

1 LED全自動(dòng)插件機(jī)的總體設(shè)計(jì)

人工插件中，工人拾取LED，在拾取過程中根據(jù)管腳長短的不同判斷LED正負(fù)極，再將LED插入基板中。單個(gè)LED的插裝可分為四步：拾取、極性判別、旋轉(zhuǎn)與插入。看似簡單的人工操作實(shí)際是多自由度多傳感高度融合的高智能活動(dòng)，人工插件中的四步，轉(zhuǎn)由自動(dòng)化設(shè)備完成時(shí)需拆分為多個(gè)連續(xù)工作環(huán)節(jié)。在開始插件設(shè)備的總體設(shè)計(jì)時(shí)，需重點(diǎn)關(guān)注以下五個(gè)核心問題：

1）散料LED的準(zhǔn)確連續(xù)上料；

2）各環(huán)節(jié)中柔性拾取LED，避免管腳變形；

3）上料或傳送過程中實(shí)現(xiàn)LED極性的準(zhǔn)確識別，避免插裝時(shí)間的延長；

4）基板的定位問題，確保插件機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，LED管腳與基板上的管腳孔準(zhǔn)確配合；

5）核心插件機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)LED準(zhǔn)確入板；

衡量LED插件工作優(yōu)劣的參數(shù)有理論插件速度、插入不良率、基板尺寸大小、可否插裝全彩屏等等，其中最為核心的性能指標(biāo)為理論插件速度。本文中設(shè)計(jì)的LED全自動(dòng)插件機(jī)，理論插件速度最高達(dá)12k/h。人工插件中，熟練工插件速度約為1k/h，按每人每天工作10小時(shí)計(jì)算，一臺LED全自動(dòng)插件機(jī)的日產(chǎn)量相當(dāng)于30～40人的工作量（黑白班各20人）。另外，在LED顯示屏的插裝中，無論全彩屏還是單色屏的返修都非常困難，人工插件極易發(fā)生二次不良，因而在自動(dòng)插件機(jī)的研發(fā)中，需嚴(yán)格保證插入不良率，此處所指的不良率，包含漏插、掉件、打壞料等等與設(shè)備有直接關(guān)系的不良率總和。

為了達(dá)到上述相關(guān)性能指標(biāo)，在LED全自動(dòng)插件機(jī)的設(shè)計(jì)中，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，各模塊既相對獨(dú)立又緊密相關(guān)，分別設(shè)計(jì)各模塊再整合分析調(diào)整，以期達(dá)到最佳的工作性能。如圖1所示，散料LED進(jìn)入插件設(shè)備后，在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制下，借助視覺定位系統(tǒng)，經(jīng)過上料、檢測、傳送、插件、剪腳等一系列動(dòng)作，最終進(jìn)入基板，完成插件動(dòng)作。

圖1 整機(jī)工作流程圖

2 核心機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究

根據(jù)對散料LED插件工藝的研究，全自動(dòng)插件機(jī)可分解為八大模塊，相互配合完成連續(xù)的插件動(dòng)作。如圖2所示，分別為：1）上料檢測模塊；2）支撐龍門架；3）傳送矯正模塊；4）工裝定位模塊；5）X-Y移動(dòng)平臺；6）插件模塊；7）剪腳模塊；8）外機(jī)架。其中，上料檢測模塊、傳送矯正模塊與插件模塊為全自動(dòng)插件的核心機(jī)構(gòu)。

圖2 整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.1 上料檢測模塊

上料檢測模塊重點(diǎn)解決兩個(gè)問題：如何將雜亂無章放置的LED順序排列并以標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)送至傳送模塊，以及在上料過程中完成對LED極性檢測與旋轉(zhuǎn)（針對極性相反的LED）。根據(jù)來料的特點(diǎn)及在該模塊需完成的動(dòng)作，工作流程規(guī)劃如圖3所示。

圖3 上料檢測模塊工作流程

工業(yè)生產(chǎn)中，散料自動(dòng)排序有成熟的解決方案，通常利用振動(dòng)盤配合直線送料器實(shí)現(xiàn)。基本工作原理為：振動(dòng)盤料斗下的脈沖電磁鐵使料斗作垂直方向振動(dòng)，彈簧片帶動(dòng)料斗繞其垂直軸做扭擺振動(dòng)，將散亂無序的LED自動(dòng)有序定向并排列整齊。直線送料器無縫銜接振動(dòng)盤，使工件按直線排列并自動(dòng)運(yùn)輸至下一工序。在珠三角地區(qū)，有大量制造相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家，可直接訂購，選型時(shí)需注意振動(dòng)方式、料斗尺寸、振料速度等參數(shù)。其中，振料速度是關(guān)鍵指標(biāo)之一，針對546標(biāo)準(zhǔn)型LED燈，為保證最終插件效率，出料速度需大于200個(gè)/分鐘。為更好控制來料，需選擇帶料滿停機(jī)功能的控制器。本款插件機(jī)選擇光電型的控制器，利用接近開關(guān)檢測，在較好實(shí)現(xiàn)檢測功能的同時(shí)保證了低廉的成本?？紤]到插件機(jī)不僅可完成單/雙色顯示屏的插件，更要能插裝全彩顯示屏，而單組送料系統(tǒng)難以完成顏色辨別的問題，需配備三組送料系統(tǒng)。同時(shí)，為了縮短單個(gè)LED在上料檢測模塊的時(shí)間，設(shè)計(jì)極性檢測工位時(shí)，需合理安排檢測位的位置。來料經(jīng)過振動(dòng)盤及直線送料器后，已經(jīng)自動(dòng)排列為燈頭在上、管腳在下的姿態(tài)，設(shè)計(jì)柔性機(jī)械手指夾合LED，運(yùn)送至送料模塊，并在運(yùn)送過程中加電檢測極性并對極性相反的LED作旋轉(zhuǎn)糾正，既保證了檢測的有效性，更大大節(jié)省了檢測時(shí)間。單組送料檢測模塊如圖4所示。

圖4 單組送料檢測模塊示意圖

LED經(jīng)直線送料器到達(dá)傳送模塊這一階段的動(dòng)作，國內(nèi)的插件機(jī)產(chǎn)品往往使用五指上下配合的機(jī)械手指來實(shí)現(xiàn)，采用傳遞形式，分別夾住LED的頭部與管腳依次轉(zhuǎn)移。由于機(jī)械手指多為剛性，上下抓取機(jī)構(gòu)在裝配時(shí)難以準(zhǔn)確對心，且在轉(zhuǎn)運(yùn)LED的過程中對單個(gè)LED多次夾取，易造成管腳變形，最終使LED無法順利進(jìn)入基板。本設(shè)計(jì)加入柔性夾取機(jī)構(gòu)，如圖5所示，利用彈簧柔性系統(tǒng)在拾取過程中增大對LED緩沖，減小夾持力的沖擊，避免變形。使用雙手指形式，降低LED被夾取的次數(shù)，同時(shí)提高拾取檢測效率。雙手指上下配合動(dòng)作，當(dāng)1號手指夾取LED進(jìn)入檢測旋轉(zhuǎn)工位時(shí)，2號手指已夾取LED等待檢測；1號手指夾取的LED送入傳送矯正模塊，2號手指夾取的LED同時(shí)進(jìn)入檢測旋轉(zhuǎn)工位。

圖5 柔性雙指轉(zhuǎn)運(yùn)及檢測旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)末端示意圖

2.2 傳送矯正及插件模塊

考慮到時(shí)效問題，整機(jī)工作時(shí)，經(jīng)上料檢測模塊后若直接進(jìn)入插件單元，難以同時(shí)插裝多個(gè)上料檢測工位處理的LED，大大降低了插件速度。并且受移動(dòng)平臺物理尺寸等的限制，幾乎無法完成大尺寸基板的插裝。通常在上料模塊后增加中間緩沖環(huán)節(jié)，即傳送模塊，保證在周期工作時(shí)間不受影響的情況下，上料與插件動(dòng)作同時(shí)快速進(jìn)行。

插件時(shí)，LED需準(zhǔn)確進(jìn)入基板上直徑小于1mm的管腳孔，這對插件機(jī)的整機(jī)精度提出了很高要求。若同時(shí)提高每個(gè)模塊的精度，不僅機(jī)構(gòu)復(fù)雜難操作且成本投入巨大，因此需要綜合考慮機(jī)構(gòu)中精度分配的問題。參考環(huán)球立式散料插件機(jī)，LED管腳入板環(huán)節(jié)，即插件模塊為系統(tǒng)中精度最高的機(jī)構(gòu)。相較插件模塊，傳送模塊精度較低，其精度的不足由插件模塊予以補(bǔ)償，從而保證整機(jī)的精度。這種設(shè)計(jì)方法，解決了整機(jī)的精度問題，但將精度問題集中至插件模塊，導(dǎo)致該模塊結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，僅伺服電機(jī)就超過3臺，控制難度大、維護(hù)困難且成本增加。

本文轉(zhuǎn)換了思考角度，從一定程度上降低插件模塊的精度，依靠提升傳送環(huán)節(jié)精度來補(bǔ)償插件模塊精度的損失，從而設(shè)計(jì)出一套全新的機(jī)構(gòu)，在不降低整機(jī)精度的前提下，縮減復(fù)雜機(jī)構(gòu)，提高維修便利性并降低整機(jī)成本。傳送矯正及插件模塊的基本工作流程如圖6所示。

圖6 傳送矯正及插件模塊基本工作流程

環(huán)球立式散料LED插件機(jī)采用鏈傳動(dòng)的形式，鏈條上配合彈簧料夾，用以簡單固定LED，避免震動(dòng)、彈簧失效等問題造成LED大幅扭擺或掉落，LED運(yùn)動(dòng)至插件模塊時(shí)，推送機(jī)構(gòu)打開鏈夾，同時(shí)將LED送入插件模塊。鏈傳動(dòng)中對LED的姿態(tài)要求不高，傳送精度較低?？紤]到傳動(dòng)負(fù)載?。↙ED質(zhì)量輕），傳送速率高等特點(diǎn)，綜合對比各類傳動(dòng)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)選用同步帶傳動(dòng)，提高傳送精度并降低成本。

在傳動(dòng)矯正模塊中，本文拋棄了彈簧料夾夾緊工件的方式，獨(dú)創(chuàng)性地采用磁性工裝吸附并固定LED，機(jī)構(gòu)簡單且動(dòng)作可靠。LED經(jīng)上料檢測模塊后，由上料手指夾持送至工裝，夾持手指松開后，LED管腳直接吸附在工裝的磁性面并跟隨同步帶運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，為了提高LED在同步帶上姿態(tài)的準(zhǔn)確性，以設(shè)備要求的標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)進(jìn)入到插件模塊，在傳送過程中增設(shè)了兩處矯正機(jī)構(gòu)，分別對LED的橫向與縱向姿態(tài)進(jìn)行矯正，圖7為橫向矯正機(jī)構(gòu)末端動(dòng)作示意簡圖。

圖7 橫向矯正機(jī)構(gòu)末端動(dòng)作示意簡圖

LED經(jīng)傳送模塊的運(yùn)輸后，進(jìn)入最后的核心工作環(huán)節(jié)-插件模塊。在環(huán)球立式LED插件機(jī)中，插件系統(tǒng)非常復(fù)雜，如圖8所示，動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)作帶動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)將LED插入基板中，LED固定于末端執(zhí)行系統(tǒng)中W形狀的凹槽中，頭部推桿推動(dòng)LED向下完成插件動(dòng)作。末端執(zhí)行系統(tǒng)無法自行取得LED，需推送機(jī)構(gòu)配合打開料夾，將LED橫向推送至W形狀凹槽中方可完成插裝。整個(gè)插件模塊需完成橫向推送、上下、旋轉(zhuǎn)、后退等多個(gè)方向的動(dòng)作，導(dǎo)致動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)異常繁雜。本設(shè)計(jì)中，減少了頭部運(yùn)動(dòng)自由度，使頭部只完成上下、后退兩個(gè)方向的動(dòng)作，且兩個(gè)動(dòng)作采用聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，簡化了機(jī)構(gòu)并提高執(zhí)行可靠性。如圖9所示，LED到達(dá)插件模塊后，無需增加動(dòng)力機(jī)構(gòu)推送，自動(dòng)進(jìn)入預(yù)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，插件頂針隨即動(dòng)作帶動(dòng)LED進(jìn)入輔助導(dǎo)向，經(jīng)過兩次導(dǎo)向后進(jìn)板，與此同時(shí)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)后退，平臺順利移動(dòng)至下一插件孔。在整個(gè)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，只需一個(gè)動(dòng)力單元，即單個(gè)伺服電機(jī)即可完成所有動(dòng)作，對比環(huán)球插件機(jī)，大幅降低成本，簡化了控制流程，減少單次插件時(shí)間從而提高整機(jī)插件速度。

圖8 環(huán)球6380A立式插件機(jī)插件模塊簡圖

圖9 自主設(shè)計(jì)插件模塊 末端示意簡圖

3 結(jié)論

圖10 LED全自動(dòng)插件機(jī)的樣機(jī)外觀

對比國內(nèi)外現(xiàn)有散料LED插件機(jī)，本文設(shè)計(jì)了一種新型的LED全自動(dòng)插件設(shè)備，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮減了繁雜的插件系統(tǒng)，利用柔性機(jī)構(gòu)自動(dòng)上料檢測，并獨(dú)創(chuàng)性地提出了一種磁性傳送的方式?，F(xiàn)已制造樣機(jī)并驗(yàn)證了系統(tǒng)功能，圖10為樣機(jī)外觀。該款新型LED全自動(dòng)插件機(jī)的研發(fā)從企業(yè)的實(shí)際需求入手，嚴(yán)格分析生產(chǎn)工藝流程，并借助科學(xué)的設(shè)計(jì)分析手段，提高了插件速度并有效降低成本，對于LED下游生產(chǎn)企業(yè)有極高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]付文華.LED插件若干技術(shù)的研發(fā)[D].合肥工業(yè)大學(xué),2012.

[2]孫四通.自動(dòng)插件機(jī)控制系統(tǒng)的研究[D].青島科技大學(xué),2011.

[3]文懷興，馬小琴.LED顯示屏生產(chǎn)專用陣列式高速插件機(jī)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2009(1):40-42.

[4]關(guān)積珍.對LED顯示屏發(fā)展的回顧與展望[J].現(xiàn)代顯示.2005(6):8-14.

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[6]秦大同,謝里陽.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

Design and analysis of a new LED automatic plug-in machine

YANG Jie，ZHANG Qi，WANG Xiao-jun，SONG Dao-lei，ZHENG Bin

分析了LED顯示屏插件設(shè)備的發(fā)展概況，針對現(xiàn)有市場國外插件設(shè)備性能優(yōu)越而價(jià)格高昂，國內(nèi)產(chǎn)品價(jià)格低廉而性能相對較差的尷尬現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一款新型的散料LED全自動(dòng)插件機(jī)。對比國內(nèi)外同類產(chǎn)品的優(yōu)劣，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)思想，通過機(jī)構(gòu)的優(yōu)化與重構(gòu)，有效解決了柔性上料、高精度傳送、高速聯(lián)動(dòng)插件等技術(shù)難題，在保證高速高精度插件的同時(shí)，降低設(shè)備成本，提升設(shè)備的市場競爭力。

LED插件機(jī)；整機(jī)設(shè)計(jì)；模塊化；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

楊杰（1984 -），女，碩士，主要從事機(jī)器人領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)研究工作。

TH122

A

1009-0134(2014)05(下)-0113-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).32

2013-12-31

重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目：高速LED插件機(jī)器人研究及應(yīng)用示范（cst2012ggC70001）；國家自然科學(xué)

利用機(jī)械開關(guān)提高壓電馬達(dá)效率的研究（51205435）