一種基于麥克斯韋理論的LED晶片支架移送裝置研究

梅陽寒 劉志偉 范四立 楊福祥

（東莞職業技術學院，東莞 523808）

1 背景介紹

LED在家用照明、汽車照明和工業照明等各種光照設備中應用已經非常廣泛。我國LED產業一直緊跟國際LED產業布局發展步伐，特別是近幾年來，國家及各級政府大力扶持，迄今為止，初具規模，并形成了強大的產業鏈，助力國家實現強國夢[1-2]。

LED晶片支架是LED燈光產品封裝之前的底基座，是LED芯片的正負極焊接位置，支架焊接主要在焊線機上完成，但由于手動和半自焊線機離不開人工操作，導致封裝的效率和產品的合格率比較低，現行自動焊線機的自動化程度不高，制約了生產效率，增加了人力成本。本項目將根據LED支架焊接工藝要求和技術規范，對從自動上料、焊接品質智能檢測到下料和封裝等整個晶片支架移送過程的關鍵機械結構部分進行設計和分析，應用CAM軟件進行詳細的機構零部件建模和虛擬裝配；利用CAE軟件對關鍵向工作臺固定座進行線性靜力結構分析；將關鍵部分做成物理樣機進行反復測試和優化，并綜合應用視覺檢測技術、自動控制技術和軟件技術等，對移送過程的姿態、移送速度、移送位置等要素進行智能檢測分析，完成LED支架移送包裝，從根本上提高LED支架焊接效率，結合市場需求進行樣機開發，應用于企業生產線。

2 支架移送裝置總體設計

送料系統包含三部分：上料機構、移送裝置和下料裝置及控制和檢測系統。主要工作流程為：首先為全自動焊線機上電，初始化軟件系統、控制系統和執行機構，通過上料系統把晶片支架移送到焊接工作臺，工作臺固定支架和晶片，通過圖像處理檢測系統，檢測到焊接點位，形成焊接列表，每次焊接完成后，判斷列表是否結束，否則重新開始，完成焊接后通過設計的移送夾緊裝置，轉移到下一個焊接位置，直到整個支架和晶片單元焊接完成，如圖1所示。

LED支架移送裝置（如圖2所示）是自動焊接系統的機構之一，主要是通過馬達在接收到來料信號后轉動，由聯軸器帶動送料螺桿轉動，再帶動螺桿套移動到滑軌左端，滑塊與螺桿套是固連的，滑塊帶動可動前爪也移動到滑軌左端（此時，可動前爪受電磁鐵的電磁吸作用繞轉軸轉動張開），在滑軌左端光電傳感器被擋片擋住，馬達接收到信號后開始反轉，同時電磁鐵失電，可動爪復位閉合，和固定后爪一起抓緊支架前移，移動到滑軌右端，固定前爪松開，完成支架的移動過程。

圖1 移送流程圖

圖2 支架移送裝置

3 移送裝置夾緊機構關鍵設計

3.1 麥克斯韋電磁夾緊力數學模型建立

電磁鐵是一種將電能轉化為機械能的元件，主要通過通電線圈產生磁力，操控機械裝置按設計的動作運動，其主要優點是：磁力的大小可以通過控制通電電流的大小、線圈匝數，或者改變線圈電阻來調節。在電磁力的計算過程中，為了減少計算的復雜性和環境因素的影響，不考慮線圈通電過程溫升對磁場勢能及材料的磁阻影響，忽略磁滯效應。根據總體設計要求，采用推桿式直流電磁鐵，由于采用了封閉式的管狀體外殼，電磁線圈產生的磁場基本上沒有泄露，所以其產生的推拉力得以極大提升，內置高精度自潤滑軸承，確保徑向無竄動，耐磨性也得到顯著提高，所以壽命比同類產品能延長30%以上，封閉式的外管同時能對電磁線圈起到很好的保護作用。它運用了螺旋管的漏磁通原理，利用電磁鐵動鐵芯和靜鐵心長距離吸合，即行程（40～60mm）以上。實現牽引桿的直線往復運動。推拉電磁鐵是根據電磁的原理，由電量來控制整體的動作以及功率的大小。其中電磁鐵的作用就是通過電流來產生磁性，利用不同的磁圈，加上電源來控制磁性的大小，形成一個可以推、拉的動作，使其在一個整體中運行，就像是活塞一樣運動，它的結構有時通過彈簧來實行快速的變換。

根據麥克斯韋電磁場理論計算穩態工作時的電磁吸力為[3]：

式中，ω為磁力密度，單位N/m2；H為磁場強度，單位A/m；B為工作氣隙磁感應強度，單位T；μ0為真空磁導率，其值為4π×10-7Wb/A·m；S為磁路有效磁通面積，單位m2。

在實際計算過程中，忽略漏磁及其他連接部位存在的氣隙，主氣隙即為鐵芯推桿行程，計算鐵芯推桿行程的磁感應強度B為：

式中，N為線圈匝數；I為電流強度，單位A；U為電源電壓，單位V；R為繞線電阻，單位Ω；δ為氣隙長度（推桿行程），單位mm。將式（2）代入式（1）可得：

考慮到電磁氣隙磁壓降，引入磁壓降系數C，其值的大小與磁路中漏磁大小有關，一般為0.15～0.35[4]。

最后推導出：

在實際計算中，根據磁降中漏磁大小，（1-C）2取1.2～5.0，該值的選取對設計者經驗要求比較高，主要是依靠設計者的設計經驗，通過對結構功能類似的電磁鐵進行近似估算而來。

推拉式電磁鐵工作流程圖如圖3所示。

3.2 LED支架夾緊受力分析

LED晶片支架在焊接移送過程中受到摩擦力、重力和電磁夾緊力的作用，要使支架移送過程平穩且支架不變形，在不考慮轉軸摩擦力矩的情況下，電磁力矩與支架反作用力矩平衡。?

圖3 推拉式電磁鐵工作流程圖

式中，n為夾緊時夾緊部位接觸支架個數；Fn為單個支架受到的作用力，單位N。

夾緊局部機械結構圖如圖4所示，移送夾緊受力簡圖如圖5所示。

圖4 夾緊局部機械結構圖

圖5 移送夾緊受力簡圖

由于支架不是整個平面，受力部分主要在U型支架各連接梁處，單個支架截面積為2mm×0.5mm，在保證支架受力不變形的情況下，支架可以承受的最大載荷為Fσ，受壓部分有效截面積為S。

式中，σmax為最大應力，單位N/mm2；S為受壓處有效截面積，單位mm2。要順利移送支架，只要保證電磁夾緊力不要超過支架最大的應變，即F2＜Fσ。

3.3 支架受力驗證

通過改變電磁力F2的大小，保證支架不發生滑移和震動的情況下，直到晶片支架發生變形為止，其中，在移送過程中，最小磁力作用產生的摩擦力Fμ要克服重力防止滑移，最大磁力作用為達到支架變形極限，最后通過試驗驗證，改變磁力的大小，只要保證其值在設計的極限范圍內，運行平穩性達到99.5%，在計算時支架總重量為G，G=573.3194mm3×2.7×10-6kg/mm3=1.55×10-3kg。

支架受夾緊力情況如圖6所示。

圖6 支架受夾緊力情況

4 結語

通過對移送夾緊裝置的受力分析、支架的受力變形分析，計算出符合穩定移送要求的最佳夾緊力，以此為依據，完成電磁鐵的結構設計和選型，本研究所完成的移送夾緊裝置及控制系統是全自動焊線機的關鍵部件，已經在一些企業的LED焊接產線上得到應用，達到了預期的效果，支架在移送過程中平穩可靠，整個移送過程中不會出現滑落、相對滑行或者受力變形的情況，所設計的移送夾緊裝置具有一定的應用價值。

[1]李龍劍.全自動晶片焊線機系統的研究與設計[D].合肥：合肥工業大學，2015.

[2]湯坤，卓寧澤，施豐華，等.LED封裝的研究現狀及發展趨勢[J].照明工程學報，2014，25（1）：26-30.

[3]李泉鳳.電磁場數值計算與電磁鐵設計[M].北京：清華大學出版社，2002.

[4]梅亮，劉景林，付朝陽.電磁鐵吸力計算及仿真分析研究[J].微電機，2012，（6）：6-9.