一種新型LED全自動插件機的設計與分析

楊 杰，張 祺，王小軍，宋道磊，鄭 彬

（中國科學院重慶綠色智能技術研究院，重慶 400714）

一種新型LED全自動插件機的設計與分析

楊 杰，張 祺，王小軍，宋道磊，鄭 彬

（中國科學院重慶綠色智能技術研究院，重慶 400714）

0 引言

LED顯示屏是一種通過控制半導體發光二極管的通斷來顯示文字、圖像、視頻、信號的屏幕。根據LED結構的不同，LED顯示屏的插裝分為管腳式與貼片式兩種。目前，國內貼片式LED顯示屏的生產已基本實現自動化，但管腳式LED顯示屏的生產仍以人工為主，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，嚴重制約著該行業的發展。

美日等國自上世紀60年代末開始自動化插件設備的研制，針對散料LED插件有兩大品牌：日本松下與美國環球。日本松下立式LED插件機最快理論插件速度可達0.2sec/point，插件效率高，但價格昂貴，操作復雜，日常維護工作量大，在國內廠商中使用率不高，目前在市場上流通的多為二手產品。美國環球LED插件機的速度雖不及松下，但價格相對便宜，且插件效率較高，國內廠家使用較多。近年來，國內也逐步開始了自動化插件設備的研發，目前市場上有新澤谷與華威兩大品牌。相較國外產品，國產插件機價格低廉，但插件速度較慢，穩定性較差，仍有待改進。面對著LED顯示屏產業由勞動密集型轉變為資金密集型的趨勢，下游廠商對自動化產品的強烈需求，研制一款符合我國國情，速度快、性能高、價格相對低廉的全自動插件設備勢在必行。本文在深入研究散料LED的插件工藝的基礎上，設計了一款面向工廠實際應用的全自動插件設備。通過對整機結構的創新與優化，在提高實際插件速度的同時，增加設備可靠性并大幅降低制造成本。

1 LED全自動插件機的總體設計

人工插件中，工人拾取LED，在拾取過程中根據管腳長短的不同判斷LED正負極，再將LED插入基板中。單個LED的插裝可分為四步：拾取、極性判別、旋轉與插入。看似簡單的人工操作實際是多自由度多傳感高度融合的高智能活動，人工插件中的四步，轉由自動化設備完成時需拆分為多個連續工作環節。在開始插件設備的總體設計時，需重點關注以下五個核心問題：

1）散料LED的準確連續上料；

2）各環節中柔性拾取LED，避免管腳變形；

3）上料或傳送過程中實現LED極性的準確識別，避免插裝時間的延長；

4）基板的定位問題，確保插件機構動作時，LED管腳與基板上的管腳孔準確配合；

5）核心插件機構實現LED準確入板；

衡量LED插件工作優劣的參數有理論插件速度、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為理論插件速度。本文中設計的LED全自動插件機，理論插件速度最高達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小時計算，一臺LED全自動插件機的日產量相當于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，人工插件極易發生二次不良，因而在自動插件機的研發中，需嚴格保證插入不良率，此處所指的不良率，包含漏插、掉件、打壞料等等與設備有直接關系的不良率總和。

為了達到上述相關性能指標，在LED全自動插件機的設計中，采用模塊化設計思想，各模塊既相對獨立又緊密相關，分別設計各模塊再整合分析調整，以期達到最佳的工作性能。如圖1所示，散料LED進入插件設備后，在運動控制系統的控制下，借助視覺定位系統，經過上料、檢測、傳送、插件、剪腳等一系列動作，最終進入基板，完成插件動作。

圖1 整機工作流程圖

2 核心機構的設計與研究

根據對散料LED插件工藝的研究，全自動插件機可分解為八大模塊，相互配合完成連續的插件動作。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移動平臺；6）插件模塊；7）剪腳模塊；8）外機架。其中，上料檢測模塊、傳送矯正模塊與插件模塊為全自動插件的核心機構。

圖2 整機結構圖

2.1 上料檢測模塊

上料檢測模塊重點解決兩個問題：如何將雜亂無章放置的LED順序排列并以標準姿態送至傳送模塊，以及在上料過程中完成對LED極性檢測與旋轉（針對極性相反的LED）。根據來料的特點及在該模塊需完成的動作，工作流程規劃如圖3所示。

圖3 上料檢測模塊工作流程

工業生產中，散料自動排序有成熟的解決方案，通常利用振動盤配合直線送料器實現。基本工作原理為：振動盤料斗下的脈沖電磁鐵使料斗作垂直方向振動，彈簧片帶動料斗繞其垂直軸做扭擺振動，將散亂無序的LED自動有序定向并排列整齊。直線送料器無縫銜接振動盤，使工件按直線排列并自動運輸至下一工序。在珠三角地區，有大量制造相關產品的生產廠家，可直接訂購，選型時需注意振動方式、料斗尺寸、振料速度等參數。其中，振料速度是關鍵指標之一，針對546標準型LED燈，為保證最終插件效率，出料速度需大于200個/分鐘。為更好控制來料，需選擇帶料滿停機功能的控制器。本款插件機選擇光電型的控制器，利用接近開關檢測，在較好實現檢測功能的同時保證了低廉的成本。考慮到插件機不僅可完成單/雙色顯示屏的插件，更要能插裝全彩顯示屏，而單組送料系統難以完成顏色辨別的問題，需配備三組送料系統。同時，為了縮短單個LED在上料檢測模塊的時間，設計極性檢測工位時，需合理安排檢測位的位置。來料經過振動盤及直線送料器后，已經自動排列為燈頭在上、管腳在下的姿態，設計柔性機械手指夾合LED，運送至送料模塊，并在運送過程中加電檢測極性并對極性相反的LED作旋轉糾正，既保證了檢測的有效性，更大大節省了檢測時間。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經直線送料器到達傳送模塊這一階段的動作，國內的插件機產品往往使用五指上下配合的機械手指來實現，采用傳遞形式，分別夾住LED的頭部與管腳依次轉移。由于機械手指多為剛性，上下抓取機構在裝配時難以準確對心，且在轉運LED的過程中對單個LED多次夾取，易造成管腳變形，最終使LED無法順利進入基板。本設計加入柔性夾取機構，如圖5所示，利用彈簧柔性系統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，同時提高拾取檢測效率。雙手指上下配合動作，當1號手指夾取LED進入檢測旋轉工位時，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同時進入檢測旋轉工位。

圖5 柔性雙指轉運及檢測旋轉機構末端示意圖

2.2 傳送矯正及插件模塊

考慮到時效問題，整機工作時，經上料檢測模塊后若直接進入插件單元，難以同時插裝多個上料檢測工位處理的LED，大大降低了插件速度。并且受移動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節，即傳送模塊，保證在周期工作時間不受影響的情況下，上料與插件動作同時快速進行。

插件時，LED需準確進入基板上直徑小于1mm的管腳孔，這對插件機的整機精度提出了很高要求。若同時提高每個模塊的精度，不僅機構復雜難操作且成本投入巨大，因此需要綜合考慮機構中精度分配的問題。參考環球立式散料插件機，LED管腳入板環節，即插件模塊為系統中精度最高的機構。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償，從而保證整機的精度。這種設計方法，解決了整機的精度問題，但將精度問題集中至插件模塊，導致該模塊結構非常復雜，僅伺服電機就超過3臺，控制難度大、維護困難且成本增加。

本文轉換了思考角度，從一定程度上降低插件模塊的精度，依靠提升傳送環節精度來補償插件模塊精度的損失，從而設計出一套全新的機構，在不降低整機精度的前提下，縮減復雜機構，提高維修便利性并降低整機成本。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

環球立式散料LED插件機采用鏈傳動的形式，鏈條上配合彈簧料夾，用以簡單固定LED，避免震動、彈簧失效等問題造成LED大幅扭擺或掉落，LED運動至插件模塊時，推送機構打開鏈夾，同時將LED送入插件模塊。鏈傳動中對LED的姿態要求不高，傳送精度較低。考慮到傳動負載小（LED質量輕），傳送速率高等特點，綜合對比各類傳動系統，本設計選用同步帶傳動，提高傳送精度并降低成本。

在傳動矯正模塊中，本文拋棄了彈簧料夾夾緊工件的方式，獨創性地采用磁性工裝吸附并固定LED，機構簡單且動作可靠。LED經上料檢測模塊后，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動。同時，為了提高LED在同步帶上姿態的準確性，以設備要求的標準姿態進入到插件模塊，在傳送過程中增設了兩處矯正機構，分別對LED的橫向與縱向姿態進行矯正，圖7為橫向矯正機構末端動作示意簡圖。

圖7 橫向矯正機構末端動作示意簡圖

LED經傳送模塊的運輸后，進入最后的核心工作環節-插件模塊。在環球立式LED插件機中，插件系統非常復雜，如圖8所示，動力系統動作帶動執行系統將LED插入基板中，LED固定于末端執行系統中W形狀的凹槽中，頭部推桿推動LED向下完成插件動作。末端執行系統無法自行取得LED，需推送機構配合打開料夾，將LED橫向推送至W形狀凹槽中方可完成插裝。整個插件模塊需完成橫向推送、上下、旋轉、后退等多個方向的動作，導致動力傳動系統結構異常繁雜。本設計中，減少了頭部運動自由度，使頭部只完成上下、后退兩個方向的動作，且兩個動作采用聯動設計，簡化了機構并提高執行可靠性。如圖9所示，LED到達插件模塊后，無需增加動力機構推送，自動進入預導向機構，插件頂針隨即動作帶動LED進入輔助導向，經過兩次導向后進板，與此同時導向機構后退，平臺順利移動至下一插件孔。在整個聯動機構中，只需一個動力單元，即單個伺服電機即可完成所有動作，對比環球插件機，大幅降低成本，簡化了控制流程，減少單次插件時間從而提高整機插件速度。

圖8 環球6380A立式插件機插件模塊簡圖

圖9 自主設計插件模塊 末端示意簡圖

3 結論

圖10 LED全自動插件機的樣機外觀

對比國內外現有散料LED插件機，本文設計了一種新型的LED全自動插件設備，通過優化設計，縮減了繁雜的插件系統，利用柔性機構自動上料檢測，并獨創性地提出了一種磁性傳送的方式。現已制造樣機并驗證了系統功能，圖10為樣機外觀。該款新型LED全自動插件機的研發從企業的實際需求入手，嚴格分析生產工藝流程，并借助科學的設計分析手段，提高了插件速度并有效降低成本，對于LED下游生產企業有極高的推廣應用價值。

[1]付文華.LED插件若干技術的研發[D].合肥工業大學,2012.

[2]孫四通.自動插件機控制系統的研究[D].青島科技大學,2011.

[3]文懷興，馬小琴.LED顯示屏生產專用陣列式高速插件機設計[J].機械設計與制造.2009(1):40-42.

[4]關積珍.對LED顯示屏發展的回顧與展望[J].現代顯示.2005(6):8-14.

[5]付文華,陶曉杰.LED自動傳送裝置的研究與設計[J].現代顯示.2011(135):13-18.

[6]秦大同,謝里陽.現代機械設計手冊[M].化學工業出版社,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顯示屏插件設備的發展概況，針對現有市場國外插件設備性能優越而價格高昂，國內產品價格低廉而性能相對較差的尷尬現狀，設計了一款新型的散料LED全自動插件機。對比國內外同類產品的優劣，運用模塊化設計思想，通過機構的優化與重構，有效解決了柔性上料、高精度傳送、高速聯動插件等技術難題，在保證高速高精度插件的同時，降低設備成本，提升設備的市場競爭力。

LED插件機；整機設計；模塊化；結構優化

楊杰（1984 -），女，碩士，主要從事機器人領域相關技術研究工作。

TH122

A

1009-0134(2014)05(下)-0113-04

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

2013-12-31

重慶市科技攻關計劃項目：高速LED插件機器人研究及應用示范（cst2012ggC70001）；國家自然科學

利用機械開關提高壓電馬達效率的研究（51205435）