（机械电子工程专业论文）led分谱检测与分选设备研究.pdf

摘要 i 随着l e d 应用范围的扩大，用户对l e d 产品质量有了更高的要求， 尤其要求l e d 发光亮度和波长具有一致性。如果l e d 亮度和波长不一 致，做成大屏幕l e d 彩色显示屏后，会使观众产生斑点或刺眼的感觉， 严重影响l e d 显示屏的质量，因此必须对l e d 单管进行分选。该项目 主要是按用户要求，根据l e d 单管的发光亮度和波长对l e d 进行分选， 从而提高昨d 单管亮度和波长的一致性，进而提高l e d 产品的质量和 档次。y 针对国内目前尚无l e d 在线分谱检测和自动分选系统，我们借鉴国 外的先进仪器设计出l e d 在线分谱检测和自动分选系统，该系统由二极 管基本输送装置( 圆盘振动输送机、直线振动输送机) 、等间隔喂入装置、 检测系统和自动分选装置几部分组成。可完成l e d 波长和亮度的在线检 测、自动处理和自动分选，实现了l e d 在线分谱检测与自动分选的流水 线作业。自动分选的机械结构设计、动作实现设计和顺序动作控制是本 论文的重点。自动分选的实现是通过p c 与p l c 的结合完成对p l c 的顺 序控制。 发光二极管分谱自动检测与分选设备经不断研制和完善后，可以逐 - - - - _ _ _ _ _ 一 步推向市场，从而可极大地提高我国l e d 质量，其市场前景可观。该设 备研制成功、定型并批量生产后，设备成本约1 2 万元，市场售价可达2 5 3 0 万元，每年可销售大约2 0 台套，其设备销售额达5 0 0 万元。该设备 的广泛应用可极大地提高我国l e d 质量和档次。 、，l 关键词：l e d ，在线检测，自动分选 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f a p p l i c a t i o no fl e d ，p e o p l er e q u i r et o p q u a l i t y l e d ，e s p e c i a i l yi nw a v e l e n 舀ha n d1 i g h ti n t e n s i 够i tw i l la 腩c tq u a l i t ya n d j n d u c ed a z z l i n gs i 曲ti n l a 昭ec o l o r _ d i s p l a yi fl e d sw a v e l e n 垂ha n dl i 曲t i n t e n s i t ya r en o tm e a s u r e d s ow em u s ta c h i e v ea u o t m a t i cs e p a r a t i o no fl e d t h er e s e a r c ht a s ka c h i e v eo n - i i n em e a s l l r e m e n to fl e d sw a v e l e n 昏ha 1 1 d l i 曲ti n t e n s i t ya n da l s oi n c l u d i n ga u t o m a t i cs e p a r a t i o no fl e da c c o r d i n gt o u s e r sr e q u e s ti no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fl e d 0 w i n g t o1 a c ko f a u o t l l la t i cs 印a r a 廿0 no f l e dj no u r c o u n t 吼w e b o r r o w i d e a sf r o mo t h e rc o u n t r i e sa i l d d e s i g n as u i to fe q u i p m e n to fa u t o m a t i c d e c t i o na n ds e p a r a t i o no fl e d t h ee q u i p m e n tc o n s i s t so fs e v e r a lp a n s ：l e d 仃a 1 1 s p o n a t i o ns e t u p ( d i s c l i b r a t i o n s e n i p ，l i n e i i b r a t i o n s e t u p ) ，e q u i d i s t a n t r e c e v i n gs e t u p ，d e t e c t i n gs y s t e m a 1 1 da u t o m a t i c s e p a r a t i o n o fl e d t h e e q u i p m e n t a c h i e v ea u t o m a t i cs 印a r a t i o no fu 三da n d p i p e l i n i n g t h er e s e a r c h l a ys t r e s s o nm a c h a i l i c a ls t m c t u r a ld e s i g na 1 1 do r d e ra c t i o nc o n t r 0 1w h i c h a c h i e v ea u t o m a t i o ns e p a r a t i o n b yu s i n gp c a 1 1 dp l c t h et r i e de q u i p m e n tw i l lb em a n u f k t u r e da i l db eo ns a l es om a tt h e q u a l i t yo fl e d 、v i l la d v a i l c e t oah i 曲p o s i t i o n a tar o u g he s t i m a t et h e e q u i p m e n t sc o s tp r i c ei sa b o u t1 2 0 0 0 0y u a i la n dw i l lf e t c ha t1 e a s t2 5 0 0 0 0 y u a l l i tc a l ld i s p o s eo fa b o u t2 0s e t sb yu s i n gk u a l l g t 0 n g ，l t d sm a r k e t i n g a b i l i t vi naa 1 1m a r k e t a b l et o m o r r o w 、i 1 1b eb e a u t i f l l l k e y w o r d s ： l e do n 一1 i n em e a s u r e m e n ta u t o m a t i cs e p 锄t i o n i i 武汉理工大学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 第一章绪论 1 ，1 l 印市场发展的美好前景 按照美国光电子学长远战略规划负责人r o b e r ts t e e l e 的说法，1 9 9 5 年到1 9 9 9 年之间，高亮度发光二极管( l e d ) 的市场销售量平均每年增长 5 3 7 ，从1 9 9 5 年的1 2 亿美元增加到1 9 9 9 年的6 8 亿美元。而且到2 0 0 4 年可望达到1 7 4 亿美元。今年二月份，在由该长远战略规划部门组织的有 2 0 0 多位光电企业界人士参加的l e d 商业机遇讨论会上，人们讨论了这些常 规的和预计的增长因素，同时还讨论了潜在的技术发展战略，这些将使l e d 市场的增长指数超过现有的这些预见。 s t e e l e 说，和高亮度l e d 相对照，所有l 叻总的市场销售量在1 9 9 9 年 是2 3 亿美元，在过去的七年内，年平均增长率只有1 1 4 。在这2 3 亿美元 的销售量中，其中有1 5 亿美元的产品是单芯片器件，应用在各种尺寸、形 状、颜色、强度和安装方式的发光灯中。其余的8 亿美元的产品为多芯片 器件，应用在七段式或点矩阵式以及各种颜色组合的显示领域。 2 0 世纪6 0 年代后期，由于g a a s p 材料的发展，开始l e d 技术，当时其 流明效率只有1 l m w 或更低。到8 0 年代的中期，由于红色发光的a 1 g a a s 材料的进展，出现了高亮度的l e d ，其流明效率提高了一个数量极。到9 0 年代初，使用i n g a a l p 材料，使发光颜色由红外扩展到黄色，流明效率可 达1 0 1 m w 。到9 0 年代中期，使用i n g a n 材料可制成蓝、绿和白色发光的器 件，目前其效率可达每瓦几十个流明。 普通亮度l e d 市场萌生的最重要的标志就是巨幅的室外显示屏，它出 现在各种场合里，从日本的摇滚音乐会到纽约时代广场上建筑物的外观装 饰。从1 9 9 5 年开始，全色信号的l e d 市场几乎以每年7 8 的速度增长，到 1 9 9 9 年，其销售额已达到l _ 5 亿美元。在时代广场上的n a s d a q 大厦上，有 一块创世界纪录的l e d 显示屏，其面积约为3 5 所4 5 所，用来开展文娱活动 和广告宣传，由此可见l e d 市场的迅猛增长。 在l e d 的市场中，占最大份额的是各种信号符号的显示( 2 3 ) ，这主 武汉理工大学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 要包括全色的露天显示，高速公路信号显示和各种交通信号显示。各种通 信设备上的显示应用紧随其后( 占2 2 ) ，而微计算机和办公设备上的应用 占2 1 。其余的市场份额可分成消费市场应用( 1 5 ) ，汽车显示和照明应用 ( 1 1 ) 和工业设备的应用( 8 ) 。而且如人们所期望的，高亮度l e d 的市 场仍旧潜伏着一种显著的低比例的潜在增长趋势，大约可由2 0 0 0 年9 亿美 元的年销售量增加到2 0 0 4 年的1 7 亿美元的年销售量，因还有一些未知的 市场尚待开发和拓展。 l e d 在汽车工业中的应用已成为常规市场增长的主要焦点。用于汽车内 部装饰照明用的l e d 市场，从1 9 9 5 年始，每年增长9 5 ，到1 9 9 9 年已明显 地超过1 5 亿美元的产值，其中高亮度l e d 超过1 2 5 亿美元。 汽车上的外部照明应用主要是汽车尾部中间高位刹车指标灯，这种l e d 灯首次于1 9 8 8 年出现在日本的尼桑车上，现在美国的采用了这种高位l 即 刹车显示灯，欧洲有6 0 的汽车，日本有2 5 的汽车都采用l e d 刹车显示灯。 其市场的年增长率是因为有两个内在的因素：在过去的l o 年里l e d 的价格 每年都以8 到9 个百分点的幅度下降，此外l e d 的性能也得到不断的改善， 这样每一( 显示) 单元内所需要的芯片数是很少的。 另外，l e d 在交通信号显示方面的市场也很大，自1 9 9 4 年以来，其平 均年增长率超过了8 7 ，仅在1 9 9 9 年内，就采用了1 8 0 0 0 0 快l e d 交通信号 显示牌。在这方面仍存在着巨大的潜在增长趋势。目前，这一市场主要集 中在较为廉价的红色l e d 上，但绿色l e d 的价格已有了明显的降低，足以 促进增加市场需求，而且供需关系的协调可望会进一步降低其价格。 l e d 在普通照明光源方面的市场机遇，可以很容易地使其他照明光源产 品遭受萎缩的境况。所有类型的照明灯( 包括白炽灯、荧光灯、卤素灯等 等) 的市场销售量，仅在美国每年就超过3 0 亿美元，且年增长率为2 一3 ， 全世界的年市场销售量可达1 2 0 亿美元。l e d 若在普通照明市场范围内处于 主导地位，还需在三个主要方面进行改善： 1 要成数量级地提高效率( 从目前白光l e d 的2 0 l m w 提高到1 0 0 1 m w 以上) 。 2 显著地降低价格( 从目前l e d 的每流明0 3 5 美元降至每流明0 0 1 2 武汉理工大学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 美元，这和现有紧凑型荧光灯的价格相当) 。 3 l e d 的光源产品要和现有光源的插座装配方式完全相配、兼容。尽管 l e d 在普通照明光源领域成为一种有竞争里的产品之前，还需作出相当大的 工程努力和产品开发方面的投入( 估计需5 年一1 0 年) ，但是由于技术上的 不断改进，l e d 在其他相邻领域内还有许多应用的可能存在。这包括装饰照 明、建筑物照明、舞台照明、液晶显示背照明以及其他一些特殊的照明应 用，如光源难于更换的因素要优先考虑的场合以及l e d 的性价比可接受场 合的照明应用。另一个正在迅速发展的l e d 领域是有机发光二极管( o l e d s ) ， 最初目的是用于显示技术，很可能最终也会用于照明。目前，世界上已有 8 0 多个企业( 仅日本就有5 0 多个) 都在从事着o l e d 显示器的市场销售额 将从1 9 9 9 年的零开始，到2 0 0 5 年会增长到7 亿美元的水平，最终会在平 板显示的市场上获取1 7 0 亿美元的份额。 美国的一个研究机构已经获得了一项l o 年的半导体照明工程的国家研 究项目，其资助强度达5 亿美元，据估计，一般的投入可使l e d 光源的光 效在2 0 1 0 年达到5 0 l m 脚，到2 0 2 5 年可在照明光源市场占有10 9 6 的分额， 即可节省4 0 0 多亿美元的能源消耗( 相当于2 5 个“4 0 个核电站的发电量) 。 这项为期1 0 年，总额达五亿美元的国家投入，将促使企业界、国家实验室 和一些学术机构共同努力，使l e d 光源的光效在2 0 1 2 年达到2 0 0 m 1 w 的水 平，使其在2 0 2 5 年所占的市场分额达到5 5 ，即可节省l o o o 亿美元的能源 消耗( 约为1 0 0 个核电站的发电量) 。 1 2 课题的研究目的及意义 近十年来，超亮度发光二极管进入市场，基于g a n 基材料的应用，成功 地开发出兰色、绿色发光二极管，使得l e d 的发光波长从红色到兰色全面 覆盖，实现了发光二极管的三基色全彩色显示，从而出现了许多新的应用 领域，如户外彩色l e d 显示屏以及高质量的交通信号灯。同时，由于l e d 具有极高的发光效率，使用l e d 作光源照明，其能耗低、寿命长，已引起 世人的注目。目前，全球l e d 产业发展十分迅速，从】9 9 3 年起，每年平均 武汉理工大学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 增长率超过l o ，预计2 0 0 1 年将达到1 3 2 。 随着l e d 应用范围的扩大，用户对l e d 产品质量有了更高的要求，尤其 l e d 发光亮度和波长具有一致性。因为l e d 亮度和波长不一致，如果做成大 屏幕l e d 彩色显示屏，会使观众产生斑点或刺眼的感觉，严重影响l e d 显 示屏的质量。因此必须按l e d 的发光亮度和波长进行分选，该项目主要是 按用户要求，根据l e d 的发光亮度和波长对l e d 进行分选，从而提高l e d 亮度和波长的一致性，提高l e d 的质量和档次。 目前国外经过分选的l e d 每只利润增加1 分人民币，国内年生产l e d 管2 0 0 亿只，如果有一半的l e d 经过分选，增加利润近一亿元。此外，宜 昌匡通电子有限公司年生产l e d 管3 亿只，经过分选后每年可增加利润近 3 0 0 万元。由于l e d 的生产方式目前既是高科技产品又是劳动密集型产品， 随着我国加入w t 0 ，我国l e d 的生产量将会大幅度增长，对产品质量的要求 也将越高。 此外，发光二极管分谱自动检测与分选设备经不断研制和完善后，可 以逐步推向市场，从而可极大地提高我国l e d 质量，其市场前景可观。该 设备研制成功、定型并批量生产后，设备成本约1 2 万元，市场售价可达2 5 3 0 万元，利用宜昌匡通电子有限公司现有的销售网络，每年可销售大约2 0 台 套，其设备销售额达5 0 0 万元。该设备的广泛应用可极大地提高我国l e d 质量。 1 3 和本课题有关的国内外研究现状分析 目前l e d 的材料制备、检测以及关键技术主要在日本和美国厂商的控 制之下，其他国家和地区都没有量产或优良的品质，台湾地区声称，预计 2 0 0 3 年上游产品产值达到7 0 0 亿台币。我国大陆地区有许多l e d 生产厂家， 但只有3 4 个产商从事上游产品的开发研究，尚未达到量产的水平。 全球每月生产l e d 芯片总量4 4 0 0 k k ，台湾地区有六个厂商生产l e d 芯 片，生产芯片，生产芯片数量占世界总量的五成以上，我国大陆地区在近 几年有较大的发展，但是生产总量不足世界总量的5 ，主要以中下质量产 武汉理工大学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 品为主。所有这些都是因为目前国内l e d 生产厂家多采用人工目测分选， 还没有一套l e d 分谱自动检测与分选设备，分选结果受到人为因素影响很 大，使得l e d 的产品质量得不到有力的保证。 1 4 研究目标、研究内容和所解决的关键问题 1 研究目标 本课题主要是根据l e d 的漏电流、起始电压、发光强度和波长等参数 进行在线检测和自动分选，以提高l e d 的亮度和波长的一致性。 2 研究内容 1 ) 检测l e d 漏电流和起始电压大小，并根据有关标准挑出废品，对l e d 发光强度和波长进行检测，并能根据用户要求将l e d 分成高、中、低7 个 等级。 2 ) 实现了零乱l e d 单管自动排队、自动送料、在线检测、和自动分选 的设计。 3 所解决的关键问题 1 ) 零乱l e d 单管进入自动送料机构之前自动排队方法的试验研究。 2 ) 如何提高分级的灵敏度、分辨率和可靠性。 3 ) 如何保证l e d 单管能够可靠准确进行传送以及整个系统的同步性问 题。 4 ) 自动夹紧l e d 和自动卸下l e d 的研制。 武汉理工大学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 第二章l e d 分谱自动检测与分选系统总体描述 2 1 相关知识简介 发光是一种能量转换现象。当系统受到外界激发后，从稳定的低能量 态跃到不稳定的高能态，在系统由稳定的高能态重新回到稳定的低能态时， 如果其多余的能量以光的形式辐射出来，就产生发光现象。半导体发光二 极管利用注入p n 结的少数载流子与多数载流子复合发光，是一种直接把 电能转换成光能的固体发光器件。 半导体发光二极管主要应用于信息的显示，如各种仪器仪表的指示器， 文字、数字及其它符号的显示，也用作光通信、精密测距及其它一些物理 检测的光源。发光二极管和光探测器结合组成的光耦合器件在自动控制中 的应用日益广泛。 广义地说，半导体发光二极管还包括注入式激光二极管，但现在我们 所指的发光二极管，不包括激光二极管，而是指发近红外光和可见光的器 件，尤其是指发可见光的器件。因为作为人与机器间信息联系桥梁的显示 器，只能是可见光，当然两者的工作原理和基本工艺大体上是一致的。 七十年代，世界性的光纤通信研究热潮，促进了作为光源使用的近红 外发光二极管的发展。双异质结的i n g a a s p i n p ，a l g a a s 发光二极管相继 问世，和半导体激光器相比，发光二极管虽然是一种非相干光源，有谱带 较宽、发光散角较大的缺点，但发光二极管的结构简单，易调制，可靠性 好，并且对温度不甚敏感，因而在短距离的窄带光纤通信中得到了广泛的 应用。 发光二极管得到迅速发展和广泛应用是由于它具有许多优点： 1 ) 工作电压低( 1 5 2 v 左右) ，耗电量小，每一发光单元不到1 0 i i i a 的 电流下，在室内就能获得足够亮度： 2 ) 性能稳定，寿命长( 一般在1 0 5 。1 0 7 h ) ： 3 ) 易于和集成电路配合使用； 4 ) 和普通光源相比，单色性好，光源半宽度一般为几十纳米； 6 武汉理工大学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 5 ) 能通过电流( 或电压) 进行亮度调制。响应速度快，一般为1 0 6 1 0 s ； 6 ) 抗冲击、耐振动性强； 7 ) 重量轻、体积小、成本低。 发光二极管是一种结构比较简单的半导体器件，其外壳除具有普通半导 体器件外壳的功能外，还要具有高效率出光的光学系统的功能。发光二极 管的发光光谱是指发光的相对强度( 能量) 随波长( 或频率) 变化的分布 曲线，它直接决定发光二极管的发光颜色并影响它的效率。许多发光材料 的发射光谱是连续谱带，也有些材料的发光光谱比较窄，甚至还有一些 材料在室温下的发光光谱是谱线。发光光谱的形状由材料的性质及发光中 心的结构决定，而与器件的几何形状、封装和尺寸无关。 2 2 系统方案的总体设想 目前国内l e d 生产厂家多采用人工目测分选，分选结果受到人为因素 影响很大，产品质量难以提高。要实现l e d 的在线分选，在硬件上必须满 足如下要求： 1 ) 在检测区内对l e d 单管夹紧通电，测出l e d 漏电流和起始电压的大 小，并根据相关参数挑出废品。 2 ) 在对l e d 单管进行输送时能实现零乱l e d 单管的自动排队。 3 ) 利用检测装置检测l e d 单管的光强和波长，并根据用户要求按光强 和波长的高、中、低分成7 级。 针对以上目标，本文提出了l e d 分谱在线检测和自动分选系统，该系 统实际是l e d 单管检测与分选的自动生产流水线。它由二极管基本输送装 置( 圆盘振动输送机、直线振动输送机) 、等间隔喂入装置、送料装置、通 电夹紧装置、检测系统和自动分选装置几部分组成。如图2 1 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 0 2 年4 月 图2 1l e d 自动分选系统的工艺流程图 其中，图中“叶”表示l e d 单管的传送路线 图中“一卜表示各个装置的运动轨迹。 2 3 系统组成及功能 l e d 分谱在线检测和自动分选系统包括二极管基本输送装置( 圆盘振动 输送机、直线振动输送机) 、等间隔喂入装置、送料装置、通电夹紧装置、 检测系统和自动分选装置等几部分。其基本工作流程为： 首先通过圆盘振动输送机把定向后的二极管送入直线振动输送机，以 防止零件在传输过程中会被阻塞卡住并实现l e d 单管的自动排队。在直线 振动输送机上，安装上位检测和下位检测两个反射式光电探头，若圆盘振 动输送机送料过多，上位检测光电探头灯亮，由l e d 自动分选控制系统控 制的圆盘振动输送机停止转动。若下位检测光电探头灯不亮，则说明此时 无料，由l e d 自动分选控制系统控制的圆盘振动输送机开始转动继续送料。 等间隔喂入装置把经直线振动输送机送出的料送至检测区时，自动送料装 置也开始动作，运动至一定位置时自动送料装置得料。 为了实现对l e d 的发光强度和波长的在线检测，我们在检测线上设有 武汉理工大学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 两个检测工位，一个是测量l e d 发光的起始电压和漏电流，以此判断l e d 是否合格，另一个是检测l e d 的波长和光强。当送料至位置i ，通电夹紧 装置上前夹紧发光二极管并开始通电，通电持续一段时间，检测系统对l e d 单管的起始电压和漏电流等参数进行检测，检测完毕，自动送料装置向右 移动将检测后的二极管送入位置i i ，检测系统再对l e d 单管的亮度和光强 进行检测。最后检测系统将检测后的参数( 漏电流、起始电压、光强和波 长) 进行运算处理，得出结论即判断该l e d 单管属于何级。 最后由自动送料装置把l e d 单管送入自动分选机构，自动分选机构则 依据检测后的结果，通过l e d 自动分选控制系统启动相应的下料汽缸对l e d 进行自动分选。 一、圆盘振动输送机( 如图2 2 所示) 它采用现有设备，它由螺旋状料斗、板簧、电磁铁、调压器等几个部分 组成。振动料斗是料斗式供料器中使用最广泛的一种，其优点甚多，列举 如下： 1 ) 通用性好，是送料器中应用最广泛的装置，适用于各种零件( 易于 进行定向加工) ； 2 ) 运转较平稳，与其它种型式达到料斗式供料器相比，零件划伤可能 性最小： 3 ) 容易调整供料速度； 振动料斗的工作是将调整过的脉动电压加到电磁铁上，电磁铁使料斗 振动，由于弹簧的作用，使料斗一方面产生垂直方向的振动，同时还使料 斗绕其垂直轴做扭摆振动。投入料斗中的零件，由于受到这种振动，而沿 螺旋轨道上升，一直送到出料口。 由于这种振动，使零件受力比较小。所以，零件所受的冲撞划伤也比 较轻，然而，当零件互相粘牢贴靠后也不容易剥离，所以，应该将投入料 斗的零件事先加以认真清洗。 1 ) 若料斗直径为d ，零件长为l 时，可取d ( 1 0 1 5 ) 上； 2 ) 根据使用情况，可在轨道面上黏附橡胶，塑料等，供料速度随轨道 武汉理= 大学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 的摩擦系数增加而增加，由于橡胶的缓冲作用，还可减少料斗与零件冲击 所产生的噪声；在其他条件不变的情况下，供料速度与料斗的振动频率成 反比。 图2 2 圆盘振动输送机示意图 提高供料速度的方法： 1 ) 调节电压，改变料斗的振幅； 2 ) 将料斗的轨道做成两条或多条 3 ) 多层料斗； 4 ) 增加振动料斗数； 5 ) 及早处理定向好的零件。 二、直线振动输送机( 如图2 3 所示) 从料斗来的零件送往加工机械，装配机械时，通常，大多采用重力输 送式滑道，但是，有时有的零件在重力输送过程中会被阻塞卡住，在这种 情况下，可以采用直进式供料器，其工作原理和振动料斗相同，它在上面 的直线轨道与零件的供料姿态相吻合。由于l e d 单管两脚间距较小容易在 武汉理工大学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 传输中被卡住，所以必须使用直线振动输送机，同时利用直线振动输送机 也实现了对l e d 单管的自动排队。直线振动输送机( 直进式供料器) 也采 用现有设备，它由振动传动杆、平行滑道、板簧和电磁铁等组成。 图2 3 直线振动输送机示意图 三、喂入机构( 如图2 4 所示) 喂入机构由沟槽和本体两大主要部件组成，它利用本体在沟槽中滑动， 完成l e d 单管的得料和喂料两个动作。在自动送料机构中，它是必不可少 的一个环节，对于不同形状的零件，喂入机构的设计也有所不同。我们设 计的这个喂入机构是专门为l e d 单管实现的，由于l e d 单管具有圆形发光 头和两个引脚。圆形发光头的最大直径4 m m ，而引脚的最大直径为o 3 o 5 唧，所以我们设计的喂入装置的喂入槽的距离为2 m m ( 大于引脚的最大 直径，小于圆形发光头的最大直径) 。 武汉理工火学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 图2 4 喂入机构示意图 四、送料器( 如图2 5 所示) 当l e d 单管由喂入机构送至检测区时，送料机构完成把检测后的l e d 单 管送入分选机构的动作，即实现零件的自动上料。在加工和装配自动化过 程中，麻烦的工作就是零件的自动供料，而零件的自动上料又是其中最困 难的一项。在设计制造零件的上料装置时，选择合适于零件的上料方法是 关系自动化机构成败的重要关键。制造自动化机构时，“全凭经验”这种提 法就是由此而得的。我们所设计的这种送料器是依据l e d 单管特有的形状 规则，并参考其它送料装置设计而成的。它利用半圆形凹槽结构，完成对 l e d 单管的自动送料工作。这样通电装置就能完成对l e d 单管的通电工作， 检测系统开始工作。 武汉理工大学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 图2 5 送料器示意图 五、检测区( 如图2 6 所示) 检测区顾名思义是检测系统的工作区，它由两块相距2 m m 的板利用两个 固定件连接在一起，板上还装有双向恒流源( l e d 单管在测试区无法完全确 定其正负极性，采用双向恒流源以防止极性相反的l e d 漏测) 。 图2 6 检测区示意图 六、分选机构( 如图2 8 所示) 武汉理工大学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 检测系统检测完毕后，送料台把二极管送入分选机构中，分选机构是 由双面同步带上装有如图2 7 所示的分选槽，l e d 单管送入这个槽中后，汽 缸再依据分选信号，把相应的l e d 单管推入相应的料箱内。 图2 7 分选槽示意图 图2 8 分选机构示意图 以上所述，为整个l e d 分谱检测与分选系统的基本机构组成，对于各 机构何以保证能完成给定要求和动作，我们将在第三章详细介绍。 武汉理工大学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 第三章l e d 分谱自动检测与分选系统的设计研究 3 1 特征造型设计平台 c a d c a m 技术从诞生至今已有三十多年的历史，历经二维绘图、线框模 型、自由曲面模型、实体造型、特征造型等重要发展阶段，其间还伴随着参 数化、变量化、尺寸驱动等技术的融入。通过三十多年的努力，c a d c a m 技 术在基础理论方面日趋成熟，同时推出了许多商品化系统，诸如 p r o e n g i n e e r 、u g i i 、i d e a s 、e u c l i d i s 、c a t i a 、s o l i d w o r k s 等。我竹 选用的这款软件s o l i d w o r k s 拥有优异的性能和易学易用的界面，更突破了 其它3 d 软件在机械制图上的许多盲点。 s o l i d w o r k s 2 0 0 0 软件，是一套包含参数式( p a r a m e t r i c ) 及变量式功 能的机械设计自动化软件( m e c h a n i c a ld e s i g na n t o m a t i o ns o f t w a r e ) 。 s o l i d w o r k s 具有以下几种特性： 1 ) 参数式尺寸几何限制条件在s o l i d w o r k s 软件里，断面草图的尺寸 值将被视为是一个设计参数。当更改了草图图形标注的尺寸时，草图轮廓 图形将更改为新的尺寸大小。换句话说，这是一种由尺寸标注图组的尺寸 数值，控制几何图形尺寸大小的驱动方式。当想要修改几何图形的大小或 位置的时候，无需重新绘制草图图形，只需要调整尺寸标注图组的尺寸值 即可。工作图文件里与被修改草图图形有“关联”( r e l a t i o n ) 的几何图形， 将由s o l i d w o r k s 软件自动执行重新计算的操作，而自动更新。 2 ) 变量式尺寸限制条件在建立草图图形时，也可以不立即指定草图的 尺寸值，不指令全部必要的尺寸以及几何限制条件( c o n s t r a i n t 或 r e l a t i o n ) 。这种情况下，s o l i d w o r k s 软件将自动以当前草图图形的尺寸值， 作为瞬时性质的“几何变量”，而允许以“不完全定时”( u n d e r d e f i n e d s k e t c h ) 的草图图形，生成3 d 模型。当无法确定草图图形实际需要的尺寸 时，可以应用这种模式构图，而不必象操作“纯参数式”软件一样，会受 到必须指定充分的限制条件，才能将草图图形生成为3 d 模型的限制。 3 ) 适合机械设计领域的s 0 1 i d w o r k s 软件的特征对象，是采用p a r a s 0 1 i d i ， 武汉理工大学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 核心技术，执行所有3 d 几何模型的尺寸运算操作。应用s o l i d w o r k s 软件 从事设计、绘图工作时，必须逐项建立所需的3 d 几何模型，因此适合需要 完整详细尺寸的机械设计领域。对于在工程图里使用“略图”或“部分图 形”来示意的设计领域，如土木、建筑等场合，若使用s 0 1 i d w o r k s 软件逐 项绘出每个目标的详细尺寸，就可能比较辛苦，而显得不很适用。 4 ) 设计自动化应用s 0 1 i d w o r k s 软件进行设计时，在创建好3 d 模型图 形之后，可以半自动产生三视图、任意断面的剖面图以及辅助视图等工程 图组，也可以迅速由软件协助产生所需材料表( b o m ) ，达到接近设计自动 化的效果。 1 传统c a d 软件的设计流程 应用传统c a d 软件进行设计时，通常必须按照固定的制图比例，逐项 绘出所需的各个图元对象，然后标注各个几何图形的尺寸数值。换句话说， 就是“以设计图里几何图形为主，而以尺寸标注为辅”的作图模式。传统 c a d 执行设计、绘图操作时，作图流程大约可分为两个步骤( 如图3 1 所示) 。 图3 1 传统c a d 的作图流程 在工程图面定稿后，日后如果只修改了设计图里的几何图形，尺寸标注 并不会自动更新；同样如果只修改了设计图里的尺寸标注值，几何图形里 的尺寸也不会同样更新。因此，在修改设计图里的图文数据时，必须同时 更改几何图形的尺寸以及尺寸标注图组的尺寸值。如果稍有疏忽，可能会 发生几何图形与尺寸标注不成比例的情况，从而造成将来施工时会有尺寸 不搭配的危险。 2 参数式c a d 软件的设计流程 应用类似s o l i d w o r k s 软件设计这种参数式c a d 软件，执行设计、绘图 操作时，作图流程( 如图3 2 所示) 变为： 图3 2s o l i d w o r k s 的作图流程 1 6 ， 武汉理工大学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 比较起来，操作参数式c a d 软件执行设计绘图与使用传统c a d 软件， 由于构图观念以及软件计算核心的不同，在操作流程及作图结果等方面， 会产生以下几点差异： 1 ) 在尺寸标注与几何图形之间，会由参数式c a d 软件自动加入关联属 性( r e l a t i o n ) 。日后用户只需直接修改尺寸标注的数值，则与该尺寸标注 关联的几何图形，就会随之更新为新的尺寸大小。 2 ) 参数式c a d 软件将3 d 模型的每个组件，都视为一个特征对象 ( f e a t u r e ) 。对于具有“先后继承”关联的特征对象之间，软件将自动加 入“父子关系”( p a r e n t c h i l dr e l a t i o n s h i p ) 关联性；必要时，还可以 更改特征对象在设计图里的先后次序。当调换特征对象在设计图里的先后 次序时，因为填料或除料等加工顺序的不同，可能产生截然不同的3 d 模型。 3 ) 参数式c a d 软件，本身会自动记录流程的各项步骤。如果需要，可 以个别删除整个设计图里的某几项构图步骤的作图结果，即可产生另一个 “部分的”3 d 模型，而不需要全部重绘。 3 s 0 1 i d w o r k s 软件的设计流程 应用s o l i d w o r k s 软件设计、绘图操作时，对某个“零件”来说，作图 流程可分为以下几个步骤： 1 ) 指定要绘制草图的草图平面。s o l i d w o r k s 软件默认的三个作图基准 面，自行建立的基准面以及几何模型的某个“平面”，都可以用来作为绘制 草图图形的“草图平面”。 ， 2 ) 绘制草图图形轮廓图形。 3 ) 标注草图图形的尺寸，加入“数值”模式的限制条件；或加入与其 他几何图形以及参考几何( 原点、基准面、基准轴、暂存轴) 关联的“几 何”限制条件。可以加入全部所需的限制条件，让草图进入“完全定义” 状态，这就是“参数式”的操作模式；也可以暂时先不指定充分的限制条 件，让草图图形保留在“不足定义”状态，这就是“变量式”的操作模式。 4 ) 将草图轮廓图形生成为3 d 模型，也就是建立特征对象。 5 ) 建立工程图面，配置所需的三视图，剖面图以及辅助视图。 6 ) 依照的设计需求，对工程图面加入所需的尺寸标注及批注标注，就 武汉理工大学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 大功告成了。 完成所需的“零件”图文件之后，我们可以在s o l i d w o r k s 软件里打开 一张新的组合件空白图文件，然后逐一插入零件图文件，并将各零件的几 何模型放置在正确的相对位置上。这也就是“由下而上( d o w nt ot o d ) 的设计流程。 另外一种设计流程的进行方式，是先绘出某个组合结构里的基础、最大 件或最主要的“零件”图文件，然后打开一张新的组合件空白图文件，插 入这个零件图文件。接着就可以在这个组合件文件中，在适当的模型平面 以及相对位置上，直接绘制其他所需的零件图形。这也就是“由上而下”( t o p t od o w n ) 的设计流程。 3 2 等间隔喂入装置设计 3 2 1 等间隔喂入装置结构设计 喂入装置的作用是选择前导工件或从主流程中放出的一组工件，并将它 传送到预定工位或送料位置。机构必须能把工件准确和可靠地喂入到工件 送料器上任何位置，喂入动作应该与送料器的工件送料装置的操作或运行 同步。 我们所设计的喂入装置( 如图3 3 所示) 是由推杆、滑槽、凸轮本体 三个部分组成。其中本体部分的开口槽与l e d 单管的供料姿态相吻合。 工件由圆盘振动输送机送入直线振动输送机，然后喂入机构的本体部 分在凸轮的作用下在滑槽中做直线往复运动，当凸轮带动本体部分向前运 动时，把直线振动输送机上的挡料装置推开，得料后，停留一会儿，再向 后运动，运动至一段距离后，停留一会儿，这时，送料器也已运动到该位 置，送料器把l e d 单管送入检测区中。然后，喂入机构在凸轮的作用下， 循环运动，整个喂入机构为停留一上升一停留回降一停留的运动。为使 喂入机构能够实现这运动，我们选择平面槽凸轮驱动，平面槽凸轮表面 开有槽沟，从动件滚子直接安置于沟槽中，依靠凹槽两侧的轮廓曲线，保 武汉理工大学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 证从动件滚子与凸轮始终保持接触，且使从动件产生一定的运动。这种凸 轮只适宜用于低速。 图3 3 喂入装置结构图 3 2 2 喂入装置的运动实现 为保证喂入装置按预定轨迹运动，我们选择凸轮机构来实现既定轨迹。 在工业生产中，经常要求机器的某些部件按照规定的准确路线运动，仅应 用连杆机构已难以满足这个要求，所以需要利用工作表面具有一定形状的 凸轮。凸轮在所有基本运动链中，具有易于设计和能准确地预测所产生的 运动的优点。如果设计其它机构来产生给定的运动、速度和加速度，其设 计工作是很复杂的，但设计凸轮机构则比较容易，而且运动准确、有效。 在自动化机床中，凸轮机构常被用作往复( 直线) 运动机构，也可用作换 向机构( 或称为转向机构、指度机构) 。凸轮机构的凸轮和从动件( 挺杆或 滚子) 之间是点接触或线接触，容易磨损。因此，凸轮机构多用于传递动 力不大的控制机构或调节机构。 凸轮机构由凸轮、从动件和机架三部分组成。凸轮是借直接接触将运动 传递到从动件的机械零件。主动件即为凸轮。被动件称为从动件。凸轮可 以是停留、直线移动、摆动或回转件，而从动件可以是直线移动或摆动件。 武汉理工大学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 一般可以用弹簧力、重力或槽沟等方法，使工作中的凸轮和从动件之间始 终保持接触。 v 。、a 。、j 。分别表示无量纲运动参数中的最大速度、最大加速度和最大 跃度，称为运动规律的特性值。一般应避免由于速度突变引起的刚性冲击 和加速度突变引起的柔性冲击。目前常用的有多项式运动规律和组合运动 规律。要求v 。、“、j 。和( a v ) ，都是最小值的运动规律是没有的，应根据不 同的工作情况进行合理选择。我们需要的凸轮机构是属于低速轻载的，而 此类凸轮机构对运动规律要求不严。在选择从动件的运动规律时，由于喂 入机构的运动为双停歇运动，而对双停歇运动，在行程两端的速度和加速 度都应为零。 此凸轮为利用s 0 1 i d w o r k s 软件，根据要求选择参数，直接绘图。 1 ) 由于须实现运动为直线往返运动，所以首先选择推杆类型为平移， 另根据机械结构设计要求，选择开始半径为5 0 m m 。 图3 4 凸轮机构参数式作图一 2 ) 由于该运动为双停歇运动，而又属于低速轻载，对运动规律要求不 高，所以我们选择前进和后退的运动形式为谐波运动。 2 0 - _ 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 0 2 年4 月 图3 5凸轮机构参数式作图二 3 ) 最后选择剩余参数。 图3 6 凸轮机构参数式作图三 武汉理工大学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 3 2 3 喂入装置实现的运动轨迹 万八 6 。1 2 。1 8 9 i 、i 3 ：! 岁6 。9 目矗 3 3 送料装置设计 图3 7 喂入装置的运动轨迹 3 3 1 送料装置的结构设计 在自动化机构中，须实现工件的自动送料，其作用是把待选l e d 单管， 送至检测区，压紧l e d 单管的两条管脚，并通电，这样检测系统就可以对 l e d 单管的发光亮度和波长进行检测。送料器的送料动作应该与喂入装置的 操作或运行同步。并实现近似矩形的运动。 对于送料装置的结构设计有两种方案。其一( 如图3 8 所示) 。 k 2 图3 8 近似矩形送料机构 双联凸轮l 和1 绕o 轴转动，送料台2 沿近似矩形轨迹运动。其动作 过程如下： 送料台上升( 下降) 时，滚子h 处于凸轮1 的圆弧部分，杆h i j 不动， 而滚子a 在凸轮l 的上升( 下降) 曲线的作用下，向右( 左) 摆，通过平 武汉理工大学硕士学位论文2 0 0 2 年4 月 行四边形机构b c e f 及其延伸杆c d 和f g 将2 举起( 放下) ，这时，杆k j 绕 j 点上摆( 下摆) ，因此送料台2 运动轨迹的上升( 下降) 部分是一圆弧。 送料台2 水平向右( 左) 移动时，滚子a 处于凸轮l 的圆弧部分，a b c d e f g 静止不动，而被滚子h 处于凸轮1 的上升( 下降) 曲线部分，杆h i j 绕i 点作顺( 逆) 时针j k 推( 拉) 2 向右( 左) 移动。 这种送料机构结构复杂，体积大，牵涉到双联凸轮机构和平面连杆机 构，很难保证该机构能实现预定轨迹，特别是机构的尺寸设计更加难以确 定。设计和制造工作均十分复杂，而且制造成本高，不符合成本核算要求。 我们所设计的送料装置( 如图3 9 所示) 是由本体、弹簧、推杆1 、推 杆2 、滚子、平面槽凸轮和圆柱凸轮等组成。 图3 9自动送料装置结构图 本体部分的半圆形开口把l e d 单管卡在其中，完成自动送料的过