LED燈仔全自動分揀機(jī)的設(shè)計與實踐

黃永雄 趙國玲 黃德歡

摘 要：隨著LED產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣泛和受歡迎，產(chǎn)品需求量逐步增加，同時，性價比競爭也越來越激烈。作為生產(chǎn)企業(yè)，想要繼續(xù)生存下去，唯有降低生產(chǎn)成本及提高生產(chǎn)效率來保證產(chǎn)品利潤。本項目設(shè)計一款高速的全自動LED燈仔分揀機(jī)，提高檢測和分揀效率及準(zhǔn)確性，能為企業(yè)降低生產(chǎn)成本，保證產(chǎn)品供貨需求。此分揀機(jī)采用凸輪機(jī)械手自動上料，采用PC機(jī)和DSP控制對LED燈仔進(jìn)行光電參數(shù)檢測和分揀，對同檔參數(shù)的產(chǎn)品歸集，同時分類歸檔生成數(shù)據(jù)報表，提高生產(chǎn)效率，提高分揀精度，減少生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：高速檢測；高精度分揀；凸輪機(jī)械手；分揀平臺

中圖分類號：TH691.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）24-0030-03

本文主要闡述了LED燈仔全自動分揀機(jī)的設(shè)計原理，結(jié)構(gòu)設(shè)計特點、零配件選型等，從而體現(xiàn)該設(shè)備設(shè)計滿足生產(chǎn)需求、節(jié)約生產(chǎn)成本及提高生產(chǎn)力方面的符合性。與現(xiàn)有的LED分揀機(jī)比較，本項目分揀機(jī)主要的不同點在于結(jié)構(gòu)不同，生產(chǎn)速度與精度不同，從而，根據(jù)需求在設(shè)備結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)等方面都進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以便更好的為LED燈仔分揀工作服務(wù)。

1 設(shè)備工作原理

該設(shè)備做到完全自動化，適用于要求檢測速度高、分揀精度高的LED燈仔批量生產(chǎn)分揀，該設(shè)備主要用于測試LED燈仔的亮度、波長、色溫、坐標(biāo)、電流、電壓等性能參數(shù)，并按參數(shù)設(shè)定范圍對產(chǎn)品分類歸集。該設(shè)備主要工作原理簡述如下：

振動盤自動上料→凸輪機(jī)械手吸盤取放料→伺服旋轉(zhuǎn)平臺→光電參數(shù)測試裝置→伺服旋轉(zhuǎn)分料平臺→接料裝置。

具體工作原理如下：

首先，將所測產(chǎn)品放于振動盤，振動盤上方安裝離子風(fēng)機(jī)，可有效清除空氣中的灰塵及雜質(zhì)粘在產(chǎn)品上，振動盤速度可根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)品平穩(wěn)到達(dá)水平料道；然后凸輪機(jī)械手吸盤從水平料道的固定位置吸附產(chǎn)品，將其送到伺服旋轉(zhuǎn)平臺的固定模具中，伺服旋轉(zhuǎn)平臺設(shè)有16個模具工位，每個工位都用真空吸盤吸附產(chǎn)品，確保產(chǎn)品不移位，每個工位之間的角度是相等的，且伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)停止的精度和重復(fù)精度是非常高的，每一次旋轉(zhuǎn)都能停在同一位置。通過伺服旋轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)，將產(chǎn)品送至光電參數(shù)測試裝置工位，在此工位對產(chǎn)品進(jìn)行點亮測試（光電參數(shù)的測試）。由臺灣光譜測試儀測試產(chǎn)品的光參數(shù)，由專門訂制的PCB板測試產(chǎn)品的電參數(shù)，再分別將測試數(shù)據(jù)傳輸至PC，同時通過顯示器顯示所測數(shù)據(jù)。PC中的程序?qū)λ鶞y的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，根據(jù)與最初設(shè)定的參數(shù)對比，分別將產(chǎn)品分至相應(yīng)檔位，分料平臺收到分檔命令后執(zhí)行分檔操作。最終分揀好的產(chǎn)品落在標(biāo)有標(biāo)識的各參數(shù)范圍的接料裝置，即料筒內(nèi)。每個料筒內(nèi)的數(shù)量達(dá)到設(shè)定數(shù)量時，機(jī)臺自動報警，將產(chǎn)品倒出標(biāo)識后，料筒歸位，機(jī)臺繼續(xù)運(yùn)作。

其中，產(chǎn)品分料平臺為XY軸平臺，共有128個檔位，可根據(jù)產(chǎn)品特性的測試結(jié)果分別分到相應(yīng)的檔位。0-119檔位為分揀出的合格品檔位，與其設(shè)定參數(shù)對比進(jìn)行分揀，如電壓、亮度、色溫參數(shù)在同一設(shè)定范圍內(nèi)的產(chǎn)品分到一個檔位；120-127檔位的產(chǎn)品為不良品，根據(jù)產(chǎn)品不良特性分別分到相應(yīng)的檔位，如亮度偏高的分一個檔位，偏低的分一個檔位，色溫偏高的分一個檔位，漏電的分一個檔位等等。測試完成后系統(tǒng)自動生成報表，見表1。

2 上料機(jī)械手設(shè)計

產(chǎn)品上料從一個位置搬送到另一個位置，一般情況下有兩個方式可以實現(xiàn)：傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)X、Y、Z軸送料平臺；凸輪送料機(jī)構(gòu)。根據(jù)設(shè)備的設(shè)計要求，產(chǎn)品要達(dá)到高速分揀，運(yùn)行平穩(wěn)，通過以下計算，最終確定采用凸輪結(jié)構(gòu)機(jī)械手。

A.本設(shè)備設(shè)計速度為：30 k/h，即應(yīng)小于0.12 s（120 ms）分揀1個產(chǎn)品；

B.伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速是：3 000 r/min，即6 r/120 ms。

所以，完成一個產(chǎn)品分揀要在伺服電機(jī)6r的周期內(nèi)完成，凸輪結(jié)構(gòu)可以在電機(jī)1r的周期內(nèi)完成任意2個點的運(yùn)動，加之電機(jī)響應(yīng)速度快，運(yùn)行平穩(wěn)，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計也能大大提高工作效率。而XYZ軸送料平臺比較難于滿足我們的要求，綜合考慮，采用凸輪結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)機(jī)械手是最佳的上料方式。凸輪機(jī)械手內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

凸輪結(jié)構(gòu)機(jī)械手主要由伺服電機(jī)、偏心凸輪、2個回轉(zhuǎn)副、滑塊導(dǎo)軌、限位開關(guān)、真空吸盤等組成；根據(jù)產(chǎn)品形狀、重量等特性綜合考慮，機(jī)械手最為合適的抓料方式就是采用真空吸盤取料、放料，這樣的設(shè)計不易使產(chǎn)品變形，也不會在產(chǎn)品表面產(chǎn)生臟污，能有效控制產(chǎn)品在測試過程中的品質(zhì)，同時也能保證產(chǎn)品在取放料過程中的重復(fù)精度。

抓料真空吸盤面積設(shè)計：

設(shè)產(chǎn)品重量為G，需要的真空壓力>F吸，設(shè)真空壓力為P真空；

選用F吸>G×9.8 N/kg；

根據(jù)

F吸=P真空×S面積

則：

S面積=■。

3 旋轉(zhuǎn)工位臺

3.1 旋轉(zhuǎn)工位臺的作用

旋轉(zhuǎn)工位臺的作用是將LED燈仔依次送往每個工序位進(jìn)行處理，按圓周的軌跡變動位置，如單個LED燈仔運(yùn)動的工藝位置過程：先上料、測試參數(shù)、分揀下料。每個工位臺需要精確平穩(wěn)地重復(fù)原來的每個位置，確保產(chǎn)品測試的準(zhǔn)確性。旋轉(zhuǎn)工位臺也是整個機(jī)臺最關(guān)鍵的部件之一，它的旋轉(zhuǎn)精度直接決定著產(chǎn)品能否順利測試，若精度不高，重復(fù)精度達(dá)不到要求，產(chǎn)品就沒有辦法準(zhǔn)確達(dá)到測試位置進(jìn)行測試。

為了達(dá)到設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)，對該機(jī)構(gòu)提出的性能指標(biāo)如下：

工位臺旋轉(zhuǎn)30 °的時間≤60 ms；

工位臺的旋轉(zhuǎn)角度精度≤0.1 °，重復(fù)精度≤0.15 °；

同時，設(shè)備的分揀速度很大程度上取決于旋轉(zhuǎn)工位臺的旋轉(zhuǎn)速度。

3.2 旋轉(zhuǎn)工位臺機(jī)構(gòu)的設(shè)計

因旋轉(zhuǎn)工位臺只作平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此可簡化運(yùn)動機(jī)構(gòu)的傳動結(jié)構(gòu)，直接采用伺服電機(jī)配合高精密凸輪減速機(jī)帶動工位臺。工位臺材料采用美鋁7075材料，從而大大減輕圓盤工作臺的質(zhì)量，減小工位臺的旋轉(zhuǎn)慣性力。由于LED燈仔的質(zhì)量也較輕，也為平板形，所以固定裝夾燈仔模具采用真空吸力固定，在工位臺上加工對稱陣列的小孔，增加吸力面積，即提高真空作用力，也使得機(jī)構(gòu)簡化，減少成本，對裝夾的LED燈仔各類通用性也強(qiáng)，不易損壞。旋轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)原理，如圖2所示。

3.3 電機(jī)的選型

在電機(jī)的選型過程中， 考慮到我們的設(shè)備是高速運(yùn)轉(zhuǎn)，且需要非常平穩(wěn)，控制精度要高，所以在選型過程中，電機(jī)需滿足以下要求：①快速啟動，啟停響應(yīng)快；②控制精度高；③運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；④輸出力矩穩(wěn)定；⑤能承受一定的過載。綜合以上要求，我們認(rèn)為伺服電機(jī)更能滿足我們的要求。

步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要上百毫秒，響應(yīng)時間較長，交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，一般只需幾毫秒；且步進(jìn)電機(jī)低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，運(yùn)行不夠平穩(wěn)。同時，步進(jìn)電機(jī)為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易產(chǎn)生丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，也不具有過載能力，輸出力矩會隨轉(zhuǎn)速升高而下降，從這幾個方面來看，步進(jìn)電機(jī)均不適合。

該分揀設(shè)備上的轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)工位采用型號為MHMD08ZG1U的松下AC伺服馬達(dá)驅(qū)動，其功率為750 W，頻率200 Hz，額定轉(zhuǎn)速3 000 rpm。

之所以選用該馬達(dá)，是因為它有以下優(yōu)點更加符合我們設(shè)計的要求：①高速響應(yīng)，響應(yīng)頻率為2.0 kHz，動作柔順，停止時低振動，高精度定位的時間縮短， 智能化，多機(jī)能實時自動增益調(diào)整，內(nèi)置簡單地自動設(shè)定的制振濾波器和限波濾波器，同時配備了機(jī)器模擬功能；②輕巧，新工藝、新開發(fā)內(nèi)核技術(shù)及編碼器實現(xiàn)了馬達(dá)的輕量化及小型化；④安全；⑤使用方便，可預(yù)報使用壽命，監(jiān)控編碼器溫度。

4 光色電檢測系統(tǒng)

本課題研發(fā)的設(shè)備需要測定的參數(shù)有：亮度、坐標(biāo)、色溫、波長、電壓、電流等。整個LED多參數(shù)檢測系統(tǒng)采用上、下位機(jī)模式，雙核DSP控制。LED檢測數(shù)據(jù)的采集、分析和處理以及操作命令的發(fā)出主要由PC機(jī)完成，旋轉(zhuǎn)工位臺和機(jī)械手以及其他控制部分分別由DSP單元完成，DSP與PC機(jī)之間采用串口通信模式。 運(yùn)用程控恒流源點亮被測LED，程控恒流源有穩(wěn)流作用，可以提高測量精度，保護(hù)LED質(zhì)量。被點亮的LED瞬間電流、電壓經(jīng)過測試儀，即可測試各項需要的電參數(shù)。 LED在被點亮?xí)r，光在光譜儀中經(jīng)過處理，可以讀出需要的數(shù)據(jù)送往PC機(jī)。各項測試參數(shù)完成后，再由USB2.0接口將光譜儀及RS-232串口測試儀連接PC機(jī)，所有數(shù)據(jù)經(jīng)過安裝在PC機(jī)上軟件處理運(yùn)算進(jìn)行分類得出參數(shù)報表，此軟件是在CCS環(huán)境下用C++語言編程設(shè)計的處理數(shù)據(jù)程序，根據(jù)不同的測試參數(shù)要求而編寫。該設(shè)備開發(fā)的上位機(jī)程序與PLC程序與定制的高速振動盤和光電測試儀匹配運(yùn)作，上位機(jī)軟件根據(jù)采集光電測試儀所測數(shù)據(jù)對產(chǎn)品進(jìn)行分揀。測試系統(tǒng)原理圖，如圖3所示。

5 分揀平臺

設(shè)備分揀平臺共設(shè)置128個分揀檔位，其中0#～119#為測試合格產(chǎn)品檔位，120#～127#為不良品檔位。不良品檔位主要收集所測試的LED燈仔亮度偏高、偏低，電壓電流過高或過低等現(xiàn)象的產(chǎn)品。

分揀機(jī)構(gòu)是采用了XY軸平臺結(jié)構(gòu)，由高速響應(yīng)的伺服馬達(dá)驅(qū)動，通過光電測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集及分析判斷結(jié)果對產(chǎn)品進(jìn)行分揀。分揀平臺的128個料口對應(yīng)接料裝置中的128個料筒，伺服電機(jī)的高速響應(yīng)和高精度控制確保了產(chǎn)品分揀的準(zhǔn)確性，其分揀精度達(dá)到99.5%以上，產(chǎn)能達(dá)到30K/h。

6 結(jié) 語

本文設(shè)計高速分揀機(jī)（30 K/h）是目前分揀機(jī)（18 K/h）的升級版。為滿足批量生產(chǎn)的需求、提高生產(chǎn)效率及穩(wěn)定性、避免人工操作中因人為失誤而影響產(chǎn)品測試質(zhì)量及穩(wěn)定性，整機(jī)采用精密的零部件，應(yīng)用臺灣光譜測試儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，高精度、高效率地實時驅(qū)動每個工環(huán)節(jié)，確保生產(chǎn)順利進(jìn)行。

因LED具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點，被社會生活中大多數(shù)人認(rèn)可，并在各種場合都會應(yīng)用到，因此，它的使用量由最初的小批量生產(chǎn)提升為大批量的生產(chǎn)，在需求量急增的情況下，必有大批企業(yè)涌入此行業(yè)，若要在LED行業(yè)具有高性價比的產(chǎn)品，同時也要保證企業(yè)的利潤，必須要在生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行技術(shù)改造，來提升生產(chǎn)效率與品質(zhì)。不能靠壓縮配件質(zhì)量來取得利潤，所以本文研發(fā)設(shè)計的LED燈仔高速全自動分揀機(jī)，恰好可以解決以上的問題，同時，也可以為企業(yè)在該行業(yè)中爭取更大的利益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 丁鵬飛，潘建根，沈海平，等.大功率LED全自動分揀機(jī)的設(shè)計[J].照明工 程學(xué)報，2008，（1）.