（机械制造及其自动化专业论文）led生产线阵列式插件机数字样机的设计研究.pdf

l e d 生产线阵列式插件机数字样机的设计研究 摘要 l e d 显示屏是一种新兴的广告媒体，在信息显示领域应用十分广泛。我 国l e d 显示屏生产技术近年来发展迅速，生产过程中的工艺方法改进成为提 高生产质量和企业效率的有效途径。l e d 显示屏生产过程插件工艺环节存在 劳动力密集和人工操作可靠性差的问题，制约了显示屏生产质量的提高，急 需研制配套自动设备。本课题以此为背景提出了研制阵列式插件机成套设备 的解决方案，利用数字样机技术，以阵列式插件机为研究对象，开展了以下 的研究工作： ( 1 ) 进行了插件机总体设计与方案规划，从满足设计指标出发，应用创 新设计原理，进行了设备基本功能组成与模块划分，对设备模块进行了布局 规划，确定了模块间接口和相互位置关系，规划了控制系统总体方案。根据 总体方案确定了各模块机构形式和零部件组成，对零部件进行了结构设计。 ( 2 ) 论述了数字样机技术在自动机械设备研发过程中的作用和必要性， 对插件机设计过程中数字样机技术应用范围和应用步骤进行了规划。在上述 整机模块及零部件结构设计的基础上构建了u g 开发环境下的数字样机零部 件模型和整机数字装配模型，为后续基于数字样机模型的工程分析过程提供 了基础。在插件机数字样机建模过程中，研究了基于产品数字交换技术的选 购配件数字模型获取问题，对插件机零部件模型进行了参数化设计，并对数 字样机模型进行了静态空间干涉分析。 ( 3 ) 在对插件机关键组件工作条件和受力情况分析的基础上，对关键结 构件进行了结构有限元强度分析，发现了初步设计中存在的结构强度问题， 根据分析结果对结构设计进行了修正，对部分性能要求较高的关键件，根据 分析结果对其局部结构和尺寸进行了优化分析，得出最优设计方案。 ( 4 ) 对插件机进行了运动过程仿真分析，在计算机辅助分析环境下，对 机构关系模型进行了定义，模拟真实工作条件下的设备工作情况，产生了运 动仿真动画和记录数据，对运动过程中的设备组件和零部件进行了动态干涉 分析，并根据仿真数据分析了运动机构驱动元件工作情况，确定了其工作行 程。 通过上述工作，本课题研究实现了l e d 显示屏生产线阵列式插件机的 结构设计、数字样机构建和基于数字样机技术的工程分析，通过数字样机技 术的应用，解决了设计方案中模块布局、零部件结构强度和机构运动学等方 面存在的问题，使设计方案得到了修正和优化，有效保证了该新型阵列式插 件机的设计质量，为该设备的实际加工制造提供了完善的设计保障。 关键词：l e d 显示屏，阵列式插件机，数字样机，u g 开发环境 i i d i g i t a lp r o t o t y p ed es i g nf o r a rra y - t y p ea u t o i n s e r t i o nm a c h i n eo f l e dp r o d u c tl i n e a b s t r a c t l e d ( 1 i g h t i n g - e m i t t i n gd i o d e ) s c r e e ni san e w - e m e r g i n ga d v e r t i s i n gm e d i a a n da p p l i e dw i d e l yi ni n f o r m a t i o n d i s p l a yf i e l d s r e c e n t l yl e ds c r e e n p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y i no u r c o u n t r yd e v e l o p sr a p i d l y a n dt e c h n o l o g y i m p r o v e m e n tb e c o m e se f f e c t i v ew a yo fi m p r o v i n gp r o d u c t i o nq u a l i t ya n d e n t e r p r i s ee f f i c i e n c y t h e r ea r es o m ep r o b l e m ss u c ha sl a b o ri n t e n s i v ea n dl o w r e l i a b i l i t yo fm a n u a li n s e r t i n go p e r a t i o ni nl e d s c r e e np r o d u c t i o np r o c e s sw h i c h e n c u m b e r e dt h ep r o g r e s so fl e ds c r e e nq u a l i t y u n d e rt h i sb a c k g r o u n dt h e s o l u t i o no fd e v e l o p i n gc o r r e s p o n d i n ga u t o m a t i ce q u i p m e n tw a sp u tf o r w a r d ， n a m e l ya r r a y - t y p ea u t o i n s e r t i o nm a c h i n e ( 趾) ，a n di n v e s t i g a t i o nw a sm a d ei n t h ef o l l o w i n gs e c t i o n s i nt h ea i g e n e r a l s c h e m e p l a n n i n gs e c t i o n ，e q u i p m e n t f u n c t i o nw a s d e t e r m i n e da n dm o d u l ed i v i s i o nw a sm a d ea c c o r d i n gt ot h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n s u s i n gc r e a t i v ed e s i g np r i n c i p l e t h el a y o u t p l a no fe q u i p m e n t m o d u l e si ng e n e r a l w a sm a d ew i t hm o d u l ei n t e r f a c ea n dp o s i t i o nr e l a t i o nw a sd e t e r m i n e d ，c o n t r o l s y s t e mw a sp l a n n e da sw e l l m o d u l em e c h a n i s ma n dt h e i rc o m p o n e n t sw e r e d e t e r m i n e da n dp a r t ss t r u c t u r ew a sd e s i g n e da c c o r d i n gt og e n e r a ls c h e m ep l a n i nd i g i t a lp r o t o t y p ec o n s t r u c t i o ns e c t i o n ，t h en e c e s s i t yo fd i g i t a lp r o t o t y p e t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n i na u t o m a t i cm a c h i n e r yd e s i g nw a sd i s c u s s e da n d a p p l i c a t i o nr a n g ea n dp r o c e d u r ew a sp l a n n e d b a s e do np a r t ss t r u c t u r ed e s i g n ， p a r t sd i g i t a lm o d e la n dm a c h i n ea s s e m b l yd i g i t a lm o d e lw e r ec o n s t r u c t e du n d e r u g d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n tw h i c ho f f e r i n gf o u n d a t i o no fe n g i n e r d n ga n a l y s i s m e a n w h i l et h e p u r c h a s i n gp a r t s a n d f i t t i n g sd i g i t a l m o d e l e x c h a n g i n g t e c h n o l o g y a n di t si n t e r f a c es t a n d a r d sw e r e s t u d i e d ，p a r t s m o d e lw a s p a r a m e t e r i z e da n dt h es t a t i cs p a c ei n t e r f e r e n c eo fc o m p o n e n t sd i g i t a lm o d e l s w a sa n a l y z e d k e yp a r t s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw a si n v e s t i g a t e du n d e rt h ef e a i i i e n v i r o n m e n to fu gs t r u c t u r e sm o d u l ei nt h et h i r ds e c t i o n 乃es t r u c t u r a ls t r e n g t h o fk e yp a r t sa n dt h e i rk e yf e a t u r e sw e r ea n a l y z e db a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e i r w o r k i n ga n df o r c ec o n d i t i o n s t h eo r i g i n a l 曲n j c t u r ed e s i g nw a sm o d i f i e da n d r e v i s e da c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t s s o m ei m p o r t a n tl o c a ls t r u c t u r e sa n d d i m e n s i o n so fk e yp a r t sw e r eo p t i m i z e da sw e l l i nt h ef o u r t hs e c t i o nm o t i o np r o c e s ss i m u l a t i o na n a l y s i sw a sc a r r i e do u t m e c h a n i s mr e l a t i o n s h i pw a sd e f i n e df i r s ta n dt h e nm o t i o ns i m u l a t i o na n i m a t i o n w a sp r o d u c e da n ds i m u l a t i o nd a t aw a sr e c o r d e da f t e rr e a lw o r k i n gc o n d i t i o n s i m u l a t i o n d y n a m i ci n t e r f e r e n c ea n a l y s i sw a sc a r r i e do u ta n dw o r k i n gs t r o k eo f m o t i o nm e c h a n i s md r i v ee l e m e n tw a sa n a l y z e da n dd e t e r m i n e db yw o r k i n g c o n d i t i o na n ds i m u l a t i o nd a t aa n a l y s i s 1 1 1 i st h e s i sc o m p l e t e da r r a y - t y p ea im a c h i n ed e s i g n ，d i g i t a lp r o t o t y p e c o n s t r u c t i o na n de n g i n e e r i n ga n a l y s i s b yt h ea p p l i c a t i o no fd i g i t a lp r o t o t y p e t e c h n o l o g y , p r o b l e m so fm o d u l ep l a c e m e n t ，p a r t ss t r u c t u r es t r e n g t ha n a l y s i sa n d m e c h a n i s mk i n e m a t i c sa n a l y s i sw a ss o l v e d ，d e s i g ns c h e m ew a sm o d i f i e da n d o p t i m i z e db a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t s ，w h i c he f f e c t i v e l yg u a r a n t e e dt h ed e s i g n q u a l i t yo f t h en e w l ya r r a y - t y p ea ia n dp r o v i d e dd e s i g nf o u n d a t i o no fe q u i p m e n t m a n u f a c t u r e k e yw o r d s ：l e ds c r e e n ，a r r a y t y p ei n s e r t i o nm a c h i n e ，d i g i t a lp r o t o t y p e ，u g w l e d 生产线阵列式插件机数字样机的设计研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名：当! ! ：羞 日 期： 2 q q 笸生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供 信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：监导师签名：三j 舢善日期：逝 l e d 生产线阵列式插件帆数字样机的设计研究 1 绪论 1 1 课题背景 1 1 1l e d 显示屏生产工艺现状 l e d ( 1 i g h t e m i t t i n gd i o d e ) 显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息 显示媒体，它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成大面积显示屏幕( 如图 1 1 ) 以可靠性商、使用寿命长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点， 在短短的十柬年中，迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应 用。我国l e d 显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的 1 0 0 的情况下已经逐步开始向国外市场进军“ 圆；震【身庶孵l 鎏监 围l il e d 显示屏 f i g l il e dd i s p l a yp a n e l l e d 显示屏由基本显示板块拼合而成，每块基本显示板上阵列布置红绿蓝三种颜色 l e d 发光管，通过板内印刷电路和板后控制芯片控制实现发光管按程序要求显示不同颜 色，显示单元板经过拼合和框架结构处理后组合而成的整个显示屏，在系统控制下显示 静态或动态画面”( 如图i 2 ) 。 赫日譬i 哪l l 。亘 发光t 发光蕾单元恒拼台完整屏幂 田l - 2l e d 显示屏生产过程图 f i g l - 2 t h e f l o wc h a r t o f l e d d i s p l a yp a n e l 图1 2 中，工序1 需要将单个l e d 发光管元件插入到p c b 单元板管孔中然后进 入波峰焊机进行管脚焊接，上述插件过程目前均栗用人工方式( 如图i - 3 ) ： 陕两科技人学硕十学位论立 圈1 0 手工插件工艺环节 f i g l 一3 m a n u a la c t i o n o f l e d i n s e r t i o np r o c e s s 在目前的企业生产中，人1 ：插件方式存在以下不足“- ： 1 ) 成本高：熟练工人平均插件量在l k h 左右，每天插件量在1 0 k 左右，为满足后 续工序需求，每条l e d 生产线需要插件工人1 0 人以上，l e d 显示屏的订单多为断续形 式，为应付生产量的波动，厂家需要维持一定数量的工人，而当前我国劳动力成本不断 升高，该项费用成为众多中小规模l e d 显示屏厂家成本负担中的重要部分。 2 ) 可靠性低：发光管对管脚极性有要求，单元板块上若出现一个插反情况。则会出 现一个死点，人工插件方式需要用目视的方式进行管脚极性识别，在长时自 疲劳工作的 情况下，出现失误的概率逐渐增加。在目前的l e d 生产环节中均设置有后续补焊工序， 以对前期出现的问题进行补救，延长了加工时间，并且不能完全保证可靠性。 1 1 2 研制l e d 显示屏生产线阵列式高速插件机的需求 根据上述l e d 显示屏生产过程中插件工序存在的问题，本课题组深入了数家l e d 显示屏生产企业进行深入调研，根据调研过程收集资料统计，插件环节工人平均插件量 为l k h 左右，每年人均工资15 到2 万元，每线1 0 人计，年支付工资1 5 到2 0 万元，中 小规模公司按最低两条生产线计，年需支付工人工资3 0 到4 0 万元，若有相应设备，能 力在2 0 k h 以上，则可替代两条生产线，售价不超过4 0 万，则企业当年即可收回相应成 本。 我国近年来由于成本等优势，l e d 显示屏产业发展迅速，国内业务基本由国内企业 自主产品覆盖，并己开始向国际市场推进。在向国际市场进军的过程中，要增加产品技 术含量，提高产品质量水平，彳能在推进的过程中，稳固己取得的国内国际市场，因此 在l e d 显示技术方面要有更新的科技突破，同时，要增加生产转化过程的技术水平，改 善现有的生产技术，消除生产工艺中的不稳定因素，提高产品质量。对于插件环节存在 的不稳定工艺因素以及目前中国劳动力成本升高带来的负面影响要着力消除。 因此，调研中的企业对插件环节的高速稳定自动设备有强烈的需求，希望自动设备 研发机构和企业能根据这种需求研制相应的设备，改善插件环节的生产工艺现状，为企 l e d 生产线阵列式插件机数字样机的设计研究 业解决问题，带来效益。 1 2 课题的提出 在此背景下，本课题项目组根据l e d 显示屏生产企业的实际需求，获取了l e d 显 示屏生产中工艺技术资料，在分析这些资料的基础上，结合相关企业和研发机构在自动 机械和精密机械设计制造方面的已有经验，提出了开发阵列式插件机的设想。对开发可 行性进行了论证。 自动机械设备在各行各业都有广泛的应用，相关制造企业和研发单位较多，由于行 业广泛，应用场合千差万别，各种自动机械设备在设计制造过程上没有统一的模式。目 前国内自动机械设备研发企业众多，分布极其广泛，从低端产品到高端产品，都有相应 的机构、企业和相关的技术人群与之相适应，也形成了相应的研制模式。 根据该插件机研制提出的技术指标和可行性分析，要达到3 0 k h 以上的工作能力， 且保证并保持持续的工作精度，该设备需采用阵列式结构，采用并行工作模式，和大多 数相关的自动设备单件产品逐个处理方式不同，这种工作方式需要在常规机械结构基础 上进行阵列结构设计和相应的同步化问题研究，对工作机构及相关零部件的结构布置、 工作寿命和运动时序配合上都有更高的要求，同时，根据初步方案，该设备由几大模块 组成，设备结构相对复杂，零部件数量较多，要保证设计的成功率及后续改进的方便性， 都需要在常规设计模式上，应用现代设计的相关方法和辅助工具。 在上述分析基础上，与生产企业联合提出了高速阵列式l e d 显示屏插件机研制的课 题，拟在设备总体方案规划和结构设计基础上，应用数字样机技术，构建设备零部件和 装配样机数字化模型，对设备数字化模型进行仿真分析，在空间布局分析、结构强度验 证、运动时序分析等方面应用数字样机单元技术方法，提高设备的一次开发成功率，达 到快速、高效的开发目的，保证设计结果合理性和最优化，并为后续改进预留最大的空 间。 1 3 本课题研究现状、目的和意义 1 3 1 本课题研究现状 由于本课题研究内容有一定的行业背景限制，又属于前瞻性的研究，具有一定的风 险性，同时由于国内l e d 生产相关自动化设备配套企业经营规模的限制，对插件环节的 自动设备研发尚处于初始阶段，该课题因为有显示屏生产企业及其配套自动设备生产子 公司的双重支持，在技术积累和知识产权归属上不存在过多限制，加上公司对技术创新 的支持以及风险性研发的投入，所以该课题能在同行业中较先提出h ，。 根据调研情况显示，由于l e d 显示屏生产过程技术含量不高的特点，l e d 行业配 陕两科技大学硕士学位论文 套自动化设备生产厂家主要以仿制国外成熟设各为主，较少进行技术创新。有部分单位 也已经丌始对插件环节的替代自动设备开始进行研究，但由于缺乏本课题依托单位特定 的技术支持，进展缓慢。 国外对插件机的研究目前主要集中在s m t 贴片机设备的性能提高上，致力于通用 类贴片设各或插件机器人的工作速率和准确性提升。如环球自动插件及贴片设备( 图 1 - 4 ) ，松下贴片机器人等“”。 图】4 环球插件机料带和插件动作机械手 f i g l 4 m a t e r i a lb e l ta n d i n s e r t i o n m a n i p u l a t o r o f u n i v e n a l a i 此类自动插件设备的基本工作原理同本课题提出的阵列式插件机不同，由于其通用 电子元器件性能差异不大，可以以料带式送料输入，同时其在p c b 板上处于不规则排列 状态，插件工作需要进行位置识别，并根据识别位置驱动机械手进行单个式插入( 如图 1 4 ) 。本课题设计的l e d 生产线插件机由于l e d 发光管在制造过程中无法保证一致的 发光度，管件以散料方式输入，经过前端处理后成规则阵列，由于发光管元件在p c b 板 上呈点阵式捧列，所以可以实现单排阵列式插件。一次可排式插件3 2 个，从而较高幅度 的提高生产效率。 阵列式l e d 发光管插件机主要只对l e d 显示屏插件环节进行自动化配套，涉及行 业面较窄，未见有该类自动设备及机器人。 在设备研发技术方面，应用数字样机技术进行自动设备的辅助设计和分析在近年来 有很大的发展，大部分设备研发企业和单位在进行新机械产品开发过程中，都采用了辅 助设计软件工具进行开发。但这些应用大部分集中在产品建模方面，在辅助结构强度分 析和运动学动力学仿真等方面的应用主要集中在大型结构产品和航空航天动力产品上。 1 3 2 课题目的与意义 本课题从l e d 显示屏生产企业实际需求出发，立足于企业生产实际，针对显示屏单 元板制造过程中的插件环节的具体问题研究人力消耗型生产工序的手工操作自动设各 替代问题。课题的研究着眼于行业发展和全球劳动力格局变化的整体形式，切合行业今 后的发展趋势，课题研究目标的实现可以解决企业生产中的实际问题改变企业现有的 生产模式，提高企业生产效率和产品竞争力。 l e d 生产线阵列式插件机数字样机的设计研究 同时，本课题研究内容和研究方法同目前国内大部分自动设备研制企业的仿制策略 不同，不采取技术抄袭、简化结构和用料、压低成本的方式，而是以自主创新为主，力 图提高设备可靠性和人机协调性，在此基础上采用数字样机辅助分析和优化的方式缩短 研发周期，降低研发成本，其研究方法本身即具有一定的探索性质，由此衍生出的项目 研究策略和方法如经过实际考验并能在市场竞争中取得良好效果，将为同类行业的生产 经营提供一定的借鉴。 课题研究内容中具有较多的创新点，课题研究过程也具有很多可以探索的问题，因 此课题的研究不仅对相关企业和行业具有实际意义，对研究人员的研究素质培养也具有 较大的价值。 1 4 本文的研究内容、技术难点及技术路线 1 4 1 研究内容 本课题针对l e d 显示屏企业生产过程插件工艺环节人工操作可靠性低，耗时费力， 成本较高的问题，研究可替代人工的阵列式自动插件机设备的研制。项目总体研究内容 涉及插件工艺环节的自动化操作过程分析、自动插件机系统模块组成和各模块结构设计、 配套控制系统设计、整机协调性和人机工程学设计、可靠性设计及对设计结果的仿真和 试运行。 本课题论文研究内容集中在自动插件机系统模块中的核心部件插件机械手的结构设 计、机械手前端送料机构和后端后处理机构的结构设计、关键件结构的运动仿真和结构 强度分析，以及系统结构优化问题。 1 4 2 技术难点及拟解决的办法 本课题研究工作中面临的主要技术难点包括： 1 ) 核心部件插件机械手的结构设计问题：设备整体结构规划和发光二极管的结构 特殊性决定了插件机械手在结构空间上有诸多限制，在结构设计中必须考虑狭小空间的 功能实现和结构可靠性。 2 ) 结构强度问题：按设计目标要求，插件机应实现高速插件功能，各动作部件工作 过程中运动速度较高，受冲击较多，关键零部件的结构强度需要满足设计工况要求。同 时，为提高设备工作可靠性和使用寿命，对零部件的结构强度也有更高的要求，在设计 过程中，不仅要从结构上保证功能的实现，还要保证足够的结构强度和使用寿命。 3 ) 运动分析问题：由于整个插件机设备需要完成从前端来料处理到后端p c b 输送 一共四个环节的模块功能，每个功能模块的运动部件和运动机构都较多，因此，整机的 运动机构在设计过程中将存在运动干涉检查、行程确定等一系列问题。 拟解决的办法： 5 陕西科技大学硕士学位论文 1 ) 对插件机械手的微小结构设计问题，在详细分析l e d 结构和插件工艺的基础上， 确定多套设计方案，使用u g 辅助设计软件对设计方案进行建模，对比各方案的可行性 和优劣程度，确定最优结构方案。 2 ) 零部件结构强度问题，在辅助设计软件环境下，首先构建零部件数字样机模型， 然后对模型零部件进行结构有限元分析，根据分析结果对模型结构和尺寸进行修改，保 证结构强度。关键零部件结构可进行结构及尺寸优化，以提高零部件强度和使用寿命。 3 ) 运动分析问题，在数字样机模型基础上，对设备进行运动仿真，确定设计机构对 设计运动目标的满足程度，找出存在的运动条件不满足情况和局部干涉部位，利用运动 仿真生成的数据对运动部件进行行程分析，确定驱动位移行程及相关参数。通过运动分 析结果，对机构和零部件进行装配或结构修改，使其满足设计要求并达到较好的运动效 果。 1 4 3 技术路线 本课题采用消化吸收类似结构成熟产品现有结构设计思想，融入专业设计理论，并 借助辅助设计软件的高级设计功能进行设计过程控制和设计方案优化的研究策略，走核 心部件自主设计制造，辅助配件和控制系统选用成熟国内外产品，设计性能指标进行整 体调控和优化的研发路线，按重点模块先保证、辅助模块随同设计、控制系统始终协同 的方式，重点研究系统中核心部件的结构设计和高速高精度动作保证问题，以核心部件 为中心，对前端后端衔接模块进行配套设计，通过控制系统的选型和控制策略的优化， 保障机械系统的工作性能发挥和实现整机动作协调同步的要求。 本课题具体研究路线为：在对显示屏生产工艺和插件工艺技术进行研究分析的基础 上拟定插件机总体设计方案，根据总体方案确定各功能部件的配置。在部件功能配置的 要求下进行插件机的零部件结构的初步设计。在零部件结构设计基础上，采用数字样机 技术，构建插件机数字样机模型，进行结构有限元分析和运动仿真分析，根据分析结果 对前期设计进行反馈修改和优化，直至设计结果满足设计要求并达到最优效果，为实际 样机试制提供完善的设计数据。 1 5 本章小结 我国l e d 显示屏生产技术近年来发展迅速，生产过程中的工艺方法改进成为提高生 产质量和企业效率的有效途径。l e d 生产过程插件工艺环节存在劳动力密集和人工操作 可靠性差的问题，急需研制配套自动设备。本章论述了l e d 显示屏生产阵列式插件机的 研制背景，研究现状和研究目标，提出了本课题的研究内容、技术难点及相应的解决方 法和技术路线。 6 l e d 生产线阵列式插件机数字样机的设计研究 2 总体方案规划与零部件结构设计 2 1 技术指标 根据对l e d 显示屏生产工艺要求和相关资料数据的详细分析，并与生产企业讨论 后，确定了所研发的l e d 显示屏阵列式插件机的总体技术指标参数，如下： 1 ) 适应p 5 - p 2 0 ( 3 2 3 2 点阵) 规格显示单元板的插件工作，( 后期设计中根据实 际情况修改为p 8 - p 2 0 间距) ； 2 ) 插件能力3 0 k h ； 3 ) 两人看管( 一人负责前端间歇加料，一人负责后端完成板的转放) ； 4 ) 对不同规格显示单元板每次设备手工调整量不超过十分钟。 2 2 机械系统方案 2 2 1 系统基本功能组成 根据l e d 显示屏生产过程与工艺，l e d 发光管为经过发光性能检测划分产品级别 后的散料，人工插件前进行p n 极性检测，在管脚处做标记。人工插件时工人目视识别 管脚极性标识，区分正负极后以手指夹持方式将管脚插入p c b 板管孔中，一次插件一只， 重复进行。 自动插件机应首先实现通孔直插式( t i - i ：t h r o u g hh o l e ) 插件动作，该动作包括夹 持、下插、松开夹持、回位四个环节动作，要完成该动作，需要开发针对l e d 发光管的 夹持机械手及其插件运动驱动机构，即插件机核心模块插件机械手组件。 l e d 发光管为散料形式，插件机械手组件仅完成插装动作，因此还需要前端处理模 块，完成从l e d 散料到机械手之间的原料输送动作，即前端处理组件。 l e d 发光管下插到p c b 管孔后，在完成整板插件工序前，会产生从管孔中脱落的 可能，需要在插入管孔后对其管脚进行处理，防止其脱落，需要进行后端处理的管脚处 理组件。 插件机械手的上下插件动作由相应的驱动机构驱动完成，p c b 板完成单排插件后需 要移位，可通过移动机械手，或移动p c b 板完成，为增加组件刚度，提高机械稳定性， 减少复合运动形式，该处考虑p c b 板夹持放置部分进行移位补迸运动，由相应的驱动机 构完成驱动，此处为p c b 板夹持及进给机构。 2 2 2 设计指标实现 a 插件能力 上述基本功能模块组合可完成整个插件工序的自动过程。根据设计最大指标( 3 0 k h ) 陕西科技大学硕士学位论文 确定机械手极限插件工作能力c s 为： c s = 3 0 x1 0 0 0 6 0 6 0 = 8 3 3 ( 只秒) 因此可得，机械手工作循环周期t s 为 t s = l c s = 0 1 2 秒 可见，单个机械手形式不可能满足设计能力。 从l e d 显示单元p c b 板发光管布置形式来看，l e d 发光管均以3 2 x 3 2 或3 2 1 6 等阵列形式布置，发光管横向间距相等，纵向间隔也相等，因此，可以采用阵列形式布 置插件机械手，一次插件动作完成多个发光管下插动作，从而提高插件效率。 按阵列式布置插件机械手，基本形式为按照最密集3 2x3 2 阵列布置，此时机械手插 件能力c a 为 c a = 3 2 c 。= 3 2 8 3 3 = 2 6 6 7 ( 只秒) 因此可得，机械手工作循环周期t a 为 t a = 3 2 x t s = 0 1 2 x 3 2 = 3 8 4 秒 从插件机械手动作组成来看，由夹持、下插、松开夹持、回位四个动作环节组成， 下插动作位移距离应在1 0 0 m m 以内，采用常规机械驱动方式可以实现该动作。 因此，机械手部件采取阵列形式，以满足设计能力，同时相应的前端送料处理模块 和后端的管脚处理模块也采取阵列形式。 b 可适应p 8 , - , p 2 0 不同间距，模块调整时间不超过1 0 分钟 l e d 显示单元p c b 板设计规格按发光管管脚孔间距从p s ( 8 m m 间距) 到p 2 0 ( 2 0 m m 间距) 之间分布，主要有p 8 、p 1 0 、p 1 6 、p 2 0 ，插件机不能只完成一种规格的p c b 板插 件工作。 参考常用自动设备机械结构，对单一机械手动作设备，要适应多种规格产品，只需 在控制系统上进行程序更改即可；对阵列式结构，需要阵列结构动态可变或者采取模块 更换方式，即对应不同规格的一系列p c b 板，设计与之对应的一系列可换组件，使用过 程中根据实际p c b 板间距规格，使用相应的模组。 模组更换方式不需设计调整机构，可靠性高，但频繁更换模组需要花费较多时间， 动态调整方式需要设计单独的调整机构，但使用过程中无需人工更换模组，节省时间， 两者成本相近。从机械精度和工作可靠性需求来看，机械手模块工作精度要求高，机械 手本身结构复杂，不宜再增加动态调整机构，宜采用静态模组更换方式。这种方式类似 于成组更换刀架，当某一规格机械手模组在工作的时候，可对其余规格模组进行维护， 这样可以从整体上减少停机时间，提高设备工作可靠性和工作效率。 由于插件机械手采用模组更换方式适应不同p c b 规格，前端送料处理和后端管脚处 理模块也要考虑如何适应不同规格p c b 的问题。 8 l e d 生产线阵列式插件机数字样机的设计研究 从精度要求上，前端模块和后端模块都没有插件机械手模块要求高，由于机械手拟 采用模组更换的方式，若前端模块和后端模块也采用这样的方式，则更换时间将成倍增 加，同时，前端模块和后端模块没有复杂的夹持插件等机械动作，其可靠性较插件机械 手高，维护花费时间短，因此可采用调整机构动态驱动的方式来实现对不同规格间距p c b 的前端处理和后端处理工作。 由此，前端处理模块需实现散料处理( 即由散置l e d 发光管处理，输出规则发光管 元件阵列，以便后续处理) 、送料、间距调整几个功能。在l e d 显示屏生产过程中，散 料处理功能多由振料设备实现。在与相关配件厂商沟通了解到，振料设备除实现单类 l e d 发光管( l e d 发光管一般分为红、绿、蓝三种形式，每种形式又有不同级别) 的振 料处理外，还可实现多轨道多类别元件的振料处理，并可根据用户需要设计相应的极性 检测和送料机构。因此，前端处理模块的散料处理、送料功能由振料设备厂商根据本设 备需要设计实现，本插件机前端处理主要设计送料到位后根据p c b 规格进行l e d 发光 管间距调整和与插件机械手模块对接送料的机械部分。 2 2 3 模块划分与整体布局 根据上述分析，本插件机设备机械部分共分四个模块，分别是前端来料间距调整模 块( 其前端送料整理等功能向振料设备厂商定制) 、插件机械手模块、后端管脚处理模块、 p c b 板夹持输送模块。每个模块实现功能及其机械方案如表2 1 所示。 表2 1 插件机模块功能与结构形式 t a b 2 1m o d u l ef u n c t i o na n ds t r u c t u r ef o r mo f a i 从表2 1 插件机模块功能划分及相互衔接关系出发，可以得出插件机各模块空间位 置，如图2 1 所示。 9 陕硅科技大学硕 学位论文 、) 回位7 l 。偿科 l ：一。 夹持? 插件 ：一 t 管规，n 谨管脚处理 图2 - l 插件机基本功能组成 f i 9 2 1b a s i c f u n c t i o nu n i t s o f a l 为提高工作效率，p c b 板采取成组夹持，一次夹持三块以上，插件时逐个向前进给 插件完成，一次退回原位，人工卸板，更换新板，这样单次操作可完成三块以上p c b 单 元扳插件工作，减少人工操作加入的时间损耗，提高工作效率。 p c b 板夹持采取成组方式，夹持和进给驱动机构纵向长度将增加，相对其横向宽度 纵向k 度为主要设备尺寸方向，因此，整机为纵向布局，插件机械手模块横向如跹，来 料间距调整模块与插件机械手模块并列布置，在其后方横向位置预留振料设备输入接口 空间。插件机械手模块下方为p c b 板央持和输送模块，其高度为p c b 板上表面与插件 机械手下插位置结合即可。p c b 板下方为管脚处理模块。 插件机整体布局示意如图2 - 2 所示。 一电 图2 - 2 插件机整体布局示惠囤 f i 9 2 2 t h e w h o l e l a y o u ts c h e m a t i c d i a g r a mo f a l 整机布局横向位置以边缘一端机械手为基准，各模块横向对齐，保证对不同规格间距 l e d 生产线阵列式插件机数字样机的设计研究 p c b 板时，各动态调整机构向同向驱动，其他模块不需动作。 2 2 4 控制系统方案规划 本插件机运动驱动和控制装置如表2 - 2 所示。 表2 - 2 插件机运动驱动和控制装置 t a b 2 - 2m o t i o nd r i v i n ga n dc o n t r o ld e v i c eo f a i 设备主体部分共交流伺服电机3 台，直动气缸4 个，为来料整理及输送( 振料设备 供应商开发) 需要预留控制轴数3 个以上。由于p l c 控制轴数限制( 三菱相关类型p l c 控制轴数小于4 个，扩展需要购买扩展接口，其他低档p l c 控制精度可能不够) ，拟采 用上位工控机方式进行系统整体驱动元件控制，涉及不同规格p c b 管脚间距的驱动行程 调整通过上位机编程实现。 2 3 功能模块结构设计 总体布局和模块划分确定之后，根据各模块实现功能目标和模块间衔接接口规格约 束，首先进行各模块的机构和零部件结构设计，确定实现模块功能目标选用的机构形式， 根据机构形式和模块位置尺寸关系，确定零部件形状和尺寸。l e d 显示屏阵列式高速插 件机按原料处理顺序由来料间距调整模块、插件机械手模块、管脚处理模块、p c b 板输 送模块四个模块，插件机械手模块功能最为复杂，本节主要论述其结构设计过程，并附 述其他功能模块中关键零部件结构设计过程和结果。 2 3 1 插件机械手模块机构方案规划 按照整体方案，插件机械手模块完成3 2 列( 最多，其次为1 6 列) l e d 发光管阵列 夹持、下插、松开夹持、上移回位动作，实现插件功能，其主要机械运动包括机械手夹 持、松开夹持和机械手上下移动，另外需要考虑的是阵列式结构的实现。 夹持机械手由于需要实现阵列式夹持功能，可以按整体式设计，或者按单个设计， 组合成阵列。整体式阵列夹持机械手组件如图2 3 所示。 由于需要对发光管两管脚同时进行夹持，按最小阵列间距p 8 ，去掉动作间隙，每个 手爪厚度在2 m m 以下，如图2 3 所示，同时需要整体式加工，此时有两个不利因素， 是对于如图2 3 所示的零件结构，一般只能采用线切割加工，且只能以慢走丝方式才能 满足精度要求，但要保证3 2 处( 每处4 个夹持卡槽) 夹持部位精度一致性，比较困难； 陕两科技大学硕士学位论文 第二个不利因素是整体式阵列结构在结构强度上难以保证，且当局部机械手出现破损情 况时，整个机械手整体零件将报废。 图2 - 3 整体式夹持机械手方式 f 1 9 2 - 3 t h e m o d e o f i n t e g r a lc l a m p i n g m a n i p u l a t o r 如采用单个式设计，整体阵列组装方式，则在加工方式、精度获取上较容易，且当 单个机械手组件破损时，只需更换掉损坏组件即可，维修维护简便，成本也较低。但要 考虑实现夹持动作的驱动源，若采用革个机械手组件逐一驱动的方式，在驱动源选择和 安装上将出现问题，也不利于降低成本，因此应采取整体驱动形式，以单个驱动源驱动 整体机械手阵列实现夹持和松开动作。 机械手上下移位动作应在阵列机械手组件整体基础上，采用相应机构驱动实现。常 用机构形式包括凸轮副驱动和伺服电机滚珠丝杠副驱动。前者为刚性驱动，输出位移形 式固定，但结构简单，但考虑到机械手上下移位距离在1 0 0 m m 左右，需要的凸轮基圆 半径将在1 0 0 m m 以卜，在凸轮机构尺寸较大，产生的转动惯量也较大，空口j 布局和驱 动形式上将产生困难。若采用伺服电机驱动的滚珠丝杠副形式，则在移位距离上不会产 生问题，但在空间布局上需要考虑丝杠副的支撑安装形式，另外，从成本上考虑，两种 方案都需要伺服驱动电机，凸轮组件结构相对简单，但需要专门加工轮廓曲线，丝杠副 价格略高，但可以直接选购。从满足动作功能上考虑，丝杠副驱动从移位距离和转动惯 量两方面更能