毕业论文 -LED插件机插件机构的设计

摘要浙江工业大学博士学位论文I毕业设计说明书课题名称：LED插件机插件机构的设计学生姓名学号所在学院专业班级指导教师起讫时间：年月日～年月日毕业设计说明书LED插件机插件机构的设计摘要中国目前已是世界最大的LED产品的生产供应国，国内LED屏的生产技术基本与世界同步。LED屏生产过程中，LED发光管的插装过程采用大量手工操作，人工插件方式存在成本高、可靠性低等诸多不足，制约了LED屏生产质量和效率的提高。目前我国沿海劳动力成本升高的情况下，需要相应的自动替代设备。本文是针对上述需要对LED自动插件机若干问题进行设计研究。本课题在对插件过程中各工序分解分析的基础上，提出了用于该工序替代自动生产的插件机的设计方案，对其研制可行性进行了分析，并且详细设计了该插件机的插件结构。关键词：LED；插装过程；工序；插件结构

AbstractChinaisnowtheworld'slargestsupplierofLEDproducts,thedomesticproductiontechnologyoftheLEDscreenandtheworld.IntheproductionprocessofLEDscreen,theprocessofLEDlightemittingtubeisusedinalargenumberofmanualoperation,andthemanualplug-inmodehasmanydisadvantagessuchashighcostandlowreliability,whichrestrictstheimprovementofthequalityandefficiencyoftheLEDscreen.Atpresent,China'scoastallaborcostsrise,theneedforautomaticreplacementequipment.ThispaperisaimedattheneedsoftheLEDautomaticplug-inmachinedesignproblems.Thispaperisbasedontheplug-inprocessduringdecompositionprocessanalysis,designschemefortheproductionofautomaticplug-inmachinereplacementprocessisputforward,thedevelopmentoffeasibilityanalysisanddetaileddesignofthestructureoftheplug-inplug-inmachine.Keywords:LED;plug-inprocess;process;plug-instructure目录目录TOC\o"1-3"\h\u4672LED插件机插件机构的设计 II21688摘要 II13371Abstract III13343目录 IV24471第1章绪论 121641.1引言 1179161.2主要机械结构分析 230520第2章结构设计 3121532.1工作台的结构设计 3180562.2X-Y可旋转工作台的传动方式 458492.3步进电机的选择 498832.4旋转工作台电机选型 5290942.5旋转精度的确定 627709第3章LED插件机插件机构的建模 8187543.1solidworks软件介绍 8276533.2建模以及装配 9137523.3二维图的绘制 1225688第4章结论 144154参考文献 155247致谢 16第一章绪论PAGEPAGE16第1章绪论1.1引言LED屏生产过程中，LED发光管的插装过程采用大量手工操作，根据人工插件方式存在诸多不足，以及节约劳动成本，提高生产质量等因素，并且针对LED屏生产过程的特点，采用机械插件方式，研制相应的自动化设备。该课题来源于LED屏生产厂家的实际需求，在对LED二极管插件工序分解分析的基础上，提出了用于该工序的自动生产设备的设计方案，满足LED屏生产企业当前需要。LED屏的问世，给人们一种以直观了解相关信息的方式，在信息显示领域应用十分广泛，它是信息技术的初级应用。由于其具有亮度高、工作电压低、功耗小、大型化、寿命长、耐冲击和性能稳定等优势，LED屏成为信息媒介应用最广泛的产品。目前，中国的LED行业的发展非常迅速，中国目前已是世界最大的LED产品的生产供应国，国内LED屏的生产技术基本与世界同步。但是发光二级管的插装过程仍然采用大量手工操作，制约了显示屏生产质量的提高。在目前我国沿海劳动力成本升高的情况下，需要相应的自动化设备。在国内，由于LED屏生产过程技术含量不高的特点，LED行业配套自动化设备生产厂家以仿制国外成熟设备为主，较少技术创新。不过，有部分单位也已经开始对插件环节的替代自动设备进行研究。国内品牌主要有新泽谷、正可、华威等。总而言之，在当今市场上主要有四大品牌生产立式LED插件机:口本的松下插件机、美国的环球插件机、国内的新泽谷插件机和华威插件机。目前来看口本的松下插件机在机械方面是最强大的，精密度超高，设计完美。松下插件机是全自动、最快速(速度可以达到22000件/小时左右)、最稳定、功能最强大，但是由于价格昂贵，在国内市场上，企业很少使用全新松下插件机。半自动的环球插件机，速度比较快，稳定性很好，价格比松下插件机便宜，因而在国内市场上占有比较大的市场，但是在性价比方面不是很突出。新泽谷的插件机和华威插件机都是国产品牌，在插件速度、稳定性、和精度方面无法与国外品牌相提并论，但是，价格便宜，操作简单，性价比相对较高。LED自动插件机（图1-1）是中国电子工业产业升级的核心自动化设备，一台机器相当于25个工人的工作量，所以在目前技术工人奇缺的背景，各地政府大力扶持中小制造企业产业升级，刻不容缓。本课题根据目前国内LED行业实际情况，针对发光二级管手工插件产生的诸多问题，设计替代插件各工序的自动化设备方案。满足LED屏厂商的实际需要并对国内LED行业的技术发展起到推进作用。图1-1大型自动插件机1.2主要机械结构分析本课题针对LED显示屏企业生产过程插件工艺环节人工操作成本高，可靠性差，耗时费力等问题，研制自动化替代设备。LED自动插件装置要将零散的二极管进行排序、极性调整、校直、管脚预剪等工序传送到插件装置，被插件PCB板安装在X-Y工作台上，并且要求工作台可绕Z轴旋转。当控制系统控制工作台运动到待插件孔时，插件装置抓取二极管，完成插件动作，然后控制系统控制工作台运动到下一个待插件孔进行插件。当PCB板插件完成后工作台旋转，下一块PCB板运动到插件位置。整个插件装置实现不停机手动换板的连续插件。本课题主要研究的机械结构系统为LED插件机插件机构的设计,也就是完成X-Y工作台的设计、插头的设计。第二章设计模板体系第2章结构设计插件系统是许多机电一体化设备的基本部件，通常由导轨座、移动滑块、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电机等部件构成。其中伺服电机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作台在导轨上运动，完成工作台直线运动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。2.1工作台的结构设计LED插件机工作台要求设计定位精度:士0.02mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命:T=15000h，工作台的有效行程为Lx=500mm,Ly=500mm，快速进给速度vxmaX=2000mm/min; VymaX=2000mm/min。并且，工作台圆盘可以沿z轴旋转角度。工作台结构可以分四部分，X方向运动部件、Y方向运动部件、Z方向运动部件以及旋转部件。Y方向运动部件位于底座上方，由步进电机驱动丝杠，从而传动滚动导轨滑块。X方向运动部件位于Y方向滚动导轨滑块上。X方向亦是由步进电机驱动丝杠，传动滚动导轨滑块。圆形工作平台建立在X轴滑块之上，旋转部件由电机驱动齿轮，从而实现工作台的转动。工作台结构示意图2-1所示图2-1插件机示意图2.2X-Y可旋转工作台的传动方式由于滚珠丝杠摩擦阻力小，寿命高，传动效率高可达92，传动平稳，可通过预紧滚珠消除螺母副轴向间隙提高精度和刚度，所以选择滚珠丝杠。由于工作台被加工件PCB板的重量轻，所以工作台对导轨工作负载要求不高，选择直线滚动导轨，其特点刚性强，运动平滑稳定，精度高。工作台的轴向进给系统预想设计为直连，即由电机主轴出来，然后通过联轴器，连接到丝杠，不用通过减速装置，将步进电机的驱动输送至丝杠。工作台要求设计的定位精度为士0.02mm，即脉冲当量为0.02mm/step。由于选用的步进电机步距角为1.5度/步，滚珠丝杠的螺距为5毫米，由此可得步进电机发出一个脉冲，与丝杠螺母副连接的滑块进给量为0.02mm，可以与工作台预设的脉冲当量0.02mm/step相匹配。本工作台要求联轴器具有较高的传动精度，宜选用非金属弹性元件的挠性联轴器。这种联轴器装有弹性元件，可以补偿两轴的位移和偏斜。工作台由四个沟槽轮固定支撑，由于工作台下方安装有二极管管脚剪切装置和点焊装置，所以旋转电机不能安装在工作台轴线下方，应安装在工作台一侧。并由旋转电机驱动摩擦轮，带动工作台旋转。2.3步进电机的选择步进电机是将脉冲信号转化为角位移或线位移的电机，步进电机在一个脉冲作用下，转过一个相应的步距角。只要控制一定的脉冲数，即可精确控制步进电机的转过相应角度，步进电机原理如下图2-2所示。图2-2步进电机原理图按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就能改变步距角。(1）步进电机启动力矩根据能量守恒原理可知，电机做的功与载荷力做的功相等。设步进电机的等效负载力矩为T，载荷为P:式中为电机转角机转角，为机械传动的效率。S为载荷移动位移。若取电机转角所以:式中:Ps为载荷负载(N)，G为载荷质量(N)，Ps为与重力方向一致的作用在载荷上的负载力(N)，为导轨摩擦系数，为步距角(rad),T为电机轴负载力矩(N.cm)o取=0.03(淬火钢滚珠导轨的摩擦系数)，=0.8,Ps=1300N。考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此G=1800N所以有:T=135N.cm考虑到启动时运动部件惯性的影响，取系数为0.4，则则启动转矩:步进电机的最高工作频率：为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率fmax，同时电机最大静转矩要足够大，查(微特电机应用手册)选择两个90BF001型三相反应式步进电机。电机有关参数如下图2-3所示:图2-390BF001型电机参数2.4旋转工作台电机选型已知转台最大转速nmax=1转/秒;转台半径RO=200mm;转台质量Mass=l0kg;转台定位精度Error为0.2°，工件个数n:4个，工件质量M=0.5kg；工件处半径为R=0mm;转台外阻力力矩Tr=10Nm。转动惯量角加速度最大力矩转角精度由于转台最大转速60nmax=60rpm，转台最大转速小于500rpm(步进电机一般在1000rpm以下，一般转速高于600rpm，转矩显著下降。)，转速要求不高所以选择步进电机，设步进电机的最高转速nm为500rpm，则减速比为i=8.33，取i为80。由于精密齿轮减速器的最小空回角为一弧分(定位精度)，当转角精度小于1弧分，选择闭环控制系统;当转角精度大于一弧分，选择齿轮减速器，当转角精度大于10弧分时，选择同步带减速方案。所以本转台转角精度为12弧分，选择同步带减速方案。减速比i为8，所以采用一级同步带减速即可，取电机力矩系数为3，包括了安全系数、传动效率、步进电机高速力矩下降等因素。选取步进电机，电机力矩；式中取3；T为18.372Nm；i为8计算得到电机力矩为6.8895Nm，查下表可知:深圳雷塞步进电机型号86HS85;驱动器型号:M880,MD882电源型号:PS806。2.5旋转精度的确定本课题设计要求工作台转台的转动定位精度为0.20度。为保证工作台的定位精度要求，需要对工作台各部分的误差进行分析。旋转电机选择深圳雷塞的两相步进电机86HS85，步距角为1.80，转台要求每次旋转的角度为90°，转台每次转动要求的角度需要50个脉冲。由此可知，转动过程没有原理转动误差，可以控制脉冲数实现转台的转动角度要求。减速装置采用同步带一级减速。由于同步带近似于齿轮啮合，不造成失步的话，不会产生传动误差。被加工工件PCB板安装在工作台转盘上，采用两个定位销对PCB板进行定位，定位孔与定位销的配合间隙以及两个定位销中心距的误差都会影响定位精度。目前，采用一个圆柱定位销和一个销边定位销的两孔定位方案应用最广，防止PCB板定位孔无法装入定位销的情况，补偿中心距偏差定位销属于标准件，根据国标圆柱销:GB/T119.1-2000，圆柱销的标记为:销h5x30，定位销尺寸及定位误差为:圆形销公称直径d=6mm，公差为h5，长席l=30mm。销边定位销宽度b=2mm,B=d-2=4mm;LED插件机设定的PCB规格最大尺寸为170mm。定位孔与定位销采用的间隙配合，配合为H6/h5，最大间隙为△max=Dmax-dmin=15m，两定位孔中心距为160mm，偏差为士0.005m最大角偏差°满足工作台允许的转动误差0.20度，所以该工作台的设计方案符合要求。第3章LED插件机插件机构的建模与功能分析3.1solidworks软件介绍SolidWorks为达索系统（DassaultSystemesS.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。达索公司是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有Internet整合能力的支援服务。该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统，著名的CATIAV5就出自该公司之手，目前达索的CAD产品市场占有率居世界前列。SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖。Solidworks软件功能强大，组件繁多。Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks来搞设计了。SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。3.2建模以及装配通过3.1节已知其建模过程较为简单，通过拉伸、旋转、扫描、阵列等命令，按照第三章的设计要求进行零件建模。然后将建好的模型进行装配，装配的主要命令有重合、平行、垂直、相切等，将零件按照实际装配的先后顺序进行装配。如有标准件，可通过网站进行下载，如图3-1所示为夹头的装配模型，前端的小物体为LED灯，通过夹紧力将LED夹紧，主要通过拉伸命令完成零件模型，然后使用solidworks装配模块进行装配。图3-1夹头的装配模型如图3-2所示为X方向的导轨，其模型主要通过标准件库按照参数得到的，然后按照丝杆设计其框架，形成如图所示的导轨。其作用是完成X方向的运动。图3-2X方向的导轨装配模型如图3-3为Z方向的导轨，其设计的过程同图3-2，它的作用就是能使夹头能够在Z轴上下移动，能够LED能够移动到指定的位置图3-3Z方向的导轨装配模型如图3-4为其LED插件机插件机构旋转装置，1为步进电机，2为同步齿轮，之间通过同步带轮进行相连，同步带轮能够保证其旋转的角度偏差较小，且步进电机能够按照单片机的指令进行旋转，何止停止，何时启动，都能按照实际的情况确定。图3-4LED插件机插件机构旋转装置如图3-5为Y方向的导轨，它的作用就是能使夹头能够在Y轴上下移动，能够及时的移动LED至指定的位置，通过该结构，能够完成X、Y、Z方向的移动。图3-5Y方向的导轨通过以上5个结构，我们可以看出，该机器能够完成空间指定位置的到达，夹持LED灯，以及按照电路板的样式，以及LED灯正反级的旋转。所以该插件机的插件机构能够满足实际的要求。如图3-6所示，为LED插件机插件机构的装配模型，其装配过程主要通过同心、平行、距离等命令完成。图3-6LED插件机插件机构的装配模型3.3二维图的绘制本文中已经对模型进行三维建模，只需对其三维导出二维，标注尺寸，公差要求，技术要求等，装配图还需对标注明细表。然后将其导出至CAD格式。如图3-7所示为其装配图。其余零件图，详见附图。图3-7LED插件机插件机构的装配第七章总结与展望第4章结论本课题的主要内容是通过对LED插件机插件机构进行设计。通过本课题的设计了解一般的设计过程，查找资料的方式和渠道，对二维制图软件的熟练运用，本课题主要完成的任务有以下几点：通过查找资料完成LED插件机的发展现状、趋势；完成LED插件机的整体设计方案的确定；LED插件X-Y工作台的设计。设计出较合理的工作台的结构布局，包括滚动导轨、滚珠丝杠、步进电机等的选择，传动方式，计算机控制系统，伺服系统的选择等。同时对各部分进行刚度校核和寿命验算以及对工作台的精度进行分析和计算，包括工作台轴向传动原理误差，主要零部件受力变形误差，定位装置误差。得出工作台总的轴向误差和转动误差验证其满足设计预定的精度要求。完成LED插件机插件机构的设计、计算与选型；其中主要的特点有以下几处：通过查阅资料，加深对LED插件机的了解，对其各种参数：如速度、效率、电机、工作方式有着深入的了解，可以通过查阅资料的方式使得自己能够方便了解更多的东西；为了完成本课题的需求，即设计一种价格便宜，性价比高的LED插件机，需对LED插件机插件系统进行研究优化。即对当前的优点进行保留，复杂的设计进行删减。科学技术的发展口新月异，新的控制方法和理论不断在实际生产得到应用就本论文所进行的工作，后续需要进行的研究有:(1)对工作台的零部件进行优化仿真设计，使其满足精度和强度要求；(2)插件机械手的设计；(3)运动控制系统的设计和完善。主要是软件控制系统的设计和与硬件设备的数据传输等方面的研究。通过对本课题的研究，我能够感受到机械设计在我们生活之中的重要性，我们可以通过设计对我们日常的生活进行改进，提高效率的同时，也能节约人力。同时通过三维软件和二维软件的绘制，能够清晰的看到每个机构的组成和装配，也对我以后的工作和