摘要浙江工業大學博士學位論文I畢業設計說明書課題名稱：LED插件機插件機構的設計學生姓名學號所在學院專業班級指導教師起訖時間：年月日～年月日畢業設計說明書LED插件機插件機構的設計摘要中國目前已是世界最大的LED產品的生產供應國，國內LED屏的生產技術基本與世界同步。LED屏生產過程中，LED發光管的插裝過程采用大量手工操作，人工插件方式存在成本高、可靠性低等諸多不足，制約了LED屏生產質量和效率的提高。目前我國沿海勞動力成本升高的情況下，需要相應的自動替代設備。本文是針對上述需要對LED自動插件機若干問題進行設計研究。本課題在對插件過程中各工序分解分析的基礎上，提出了用于該工序替代自動生產的插件機的設計方案，對其研制可行性進行了分析，并且詳細設計了該插件機的插件結構。關鍵詞：LED；插裝過程；工序；插件結構

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目錄目錄TOC\o"1-3"\h\u4672LED插件機插件機構的設計 II21688摘要 II13371Abstract III13343目錄 IV24471第1章緒論 121641.1引言 1179161.2主要機械結構分析 230520第2章結構設計 3121532.1工作臺的結構設計 3180562.2X-Y可旋轉工作臺的傳動方式 458492.3步進電機的選擇 498832.4旋轉工作臺電機選型 5290942.5旋轉精度的確定 627709第3章LED插件機插件機構的建模 8187543.1solidworks軟件介紹 8276533.2建模以及裝配 9137523.3二維圖的繪制 1225688第4章結論 144154參考文獻 155247致謝 16第一章緒論PAGEPAGE16第1章緒論1.1引言LED屏生產過程中，LED發光管的插裝過程采用大量手工操作，根據人工插件方式存在諸多不足，以及節約勞動成本，提高生產質量等因素，并且針對LED屏生產過程的特點，采用機械插件方式，研制相應的自動化設備。該課題來源于LED屏生產廠家的實際需求，在對LED二極管插件工序分解分析的基礎上，提出了用于該工序的自動生產設備的設計方案，滿足LED屏生產企業當前需要。LED屏的問世，給人們一種以直觀了解相關信息的方式，在信息顯示領域應用十分廣泛，它是信息技術的初級應用。由于其具有亮度高、工作電壓低、功耗小、大型化、壽命長、耐沖擊和性能穩定等優勢，LED屏成為信息媒介應用最廣泛的產品。目前，中國的LED行業的發展非常迅速，中國目前已是世界最大的LED產品的生產供應國，國內LED屏的生產技術基本與世界同步。但是發光二級管的插裝過程仍然采用大量手工操作，制約了顯示屏生產質量的提高。在目前我國沿海勞動力成本升高的情況下，需要相應的自動化設備。在國內，由于LED屏生產過程技術含量不高的特點，LED行業配套自動化設備生產廠家以仿制國外成熟設備為主，較少技術創新。不過，有部分單位也已經開始對插件環節的替代自動設備進行研究。國內品牌主要有新澤谷、正可、華威等。總而言之，在當今市場上主要有四大品牌生產立式LED插件機:口本的松下插件機、美國的環球插件機、國內的新澤谷插件機和華威插件機。目前來看口本的松下插件機在機械方面是最強大的，精密度超高，設計完美。松下插件機是全自動、最快速(速度可以達到22000件/小時左右)、最穩定、功能最強大，但是由于價格昂貴，在國內市場上，企業很少使用全新松下插件機。半自動的環球插件機，速度比較快，穩定性很好，價格比松下插件機便宜，因而在國內市場上占有比較大的市場，但是在性價比方面不是很突出。新澤谷的插件機和華威插件機都是國產品牌，在插件速度、穩定性、和精度方面無法與國外品牌相提并論，但是，價格便宜，操作簡單，性價比相對較高。LED自動插件機（圖1-1）是中國電子工業產業升級的核心自動化設備，一臺機器相當于25個工人的工作量，所以在目前技術工人奇缺的背景，各地政府大力扶持中小制造企業產業升級，刻不容緩。本課題根據目前國內LED行業實際情況，針對發光二級管手工插件產生的諸多問題，設計替代插件各工序的自動化設備方案。滿足LED屏廠商的實際需要并對國內LED行業的技術發展起到推進作用。圖1-1大型自動插件機1.2主要機械結構分析本課題針對LED顯示屏企業生產過程插件工藝環節人工操作成本高，可靠性差，耗時費力等問題，研制自動化替代設備。LED自動插件裝置要將零散的二極管進行排序、極性調整、校直、管腳預剪等工序傳送到插件裝置，被插件PCB板安裝在X-Y工作臺上，并且要求工作臺可繞Z軸旋轉。當控制系統控制工作臺運動到待插件孔時，插件裝置抓取二極管，完成插件動作，然后控制系統控制工作臺運動到下一個待插件孔進行插件。當PCB板插件完成后工作臺旋轉，下一塊PCB板運動到插件位置。整個插件裝置實現不停機手動換板的連續插件。本課題主要研究的機械結構系統為LED插件機插件機構的設計,也就是完成X-Y工作臺的設計、插頭的設計。第二章設計模板體系第2章結構設計插件系統是許多機電一體化設備的基本部件，通常由導軌座、移動滑塊、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電機等部件構成。其中伺服電機做執行元件用來驅動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作臺在導軌上運動，完成工作臺直線運動。導軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電機等均以標準化，由專門廠家生產，設計時只需根據工作載荷選取即可。2.1工作臺的結構設計LED插件機工作臺要求設計定位精度:士0.02mm，滾珠絲杠及導軌使用壽命:T=15000h，工作臺的有效行程為Lx=500mm,Ly=500mm，快速進給速度vxmaX=2000mm/min; VymaX=2000mm/min。并且，工作臺圓盤可以沿z軸旋轉角度。工作臺結構可以分四部分，X方向運動部件、Y方向運動部件、Z方向運動部件以及旋轉部件。Y方向運動部件位于底座上方，由步進電機驅動絲杠，從而傳動滾動導軌滑塊。X方向運動部件位于Y方向滾動導軌滑塊上。X方向亦是由步進電機驅動絲杠，傳動滾動導軌滑塊。圓形工作平臺建立在X軸滑塊之上，旋轉部件由電機驅動齒輪，從而實現工作臺的轉動。工作臺結構示意圖2-1所示圖2-1插件機示意圖2.2X-Y可旋轉工作臺的傳動方式由于滾珠絲杠摩擦阻力小，壽命高，傳動效率高可達92，傳動平穩，可通過預緊滾珠消除螺母副軸向間隙提高精度和剛度，所以選擇滾珠絲杠。由于工作臺被加工件PCB板的重量輕，所以工作臺對導軌工作負載要求不高，選擇直線滾動導軌，其特點剛性強，運動平滑穩定，精度高。工作臺的軸向進給系統預想設計為直連，即由電機主軸出來，然后通過聯軸器，連接到絲杠，不用通過減速裝置，將步進電機的驅動輸送至絲杠。工作臺要求設計的定位精度為士0.02mm，即脈沖當量為0.02mm/step。由于選用的步進電機步距角為1.5度/步，滾珠絲杠的螺距為5毫米，由此可得步進電機發出一個脈沖，與絲杠螺母副連接的滑塊進給量為0.02mm，可以與工作臺預設的脈沖當量0.02mm/step相匹配。本工作臺要求聯軸器具有較高的傳動精度，宜選用非金屬彈性元件的撓性聯軸器。這種聯軸器裝有彈性元件，可以補償兩軸的位移和偏斜。工作臺由四個溝槽輪固定支撐，由于工作臺下方安裝有二極管管腳剪切裝置和點焊裝置，所以旋轉電機不能安裝在工作臺軸線下方，應安裝在工作臺一側。并由旋轉電機驅動摩擦輪，帶動工作臺旋轉。2.3步進電機的選擇步進電機是將脈沖信號轉化為角位移或線位移的電機，步進電機在一個脈沖作用下，轉過一個相應的步距角。只要控制一定的脈沖數，即可精確控制步進電機的轉過相應角度，步進電機原理如下圖2-2所示。圖2-2步進電機原理圖按定子上繞組來分，共有二相、三相和五相等系列。同一步進電機可配不同細分的驅動器以改變精度和效果。使用細分驅動器，則相數將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數，就能改變步距角。(1）步進電機啟動力矩根據能量守恒原理可知，電機做的功與載荷力做的功相等。設步進電機的等效負載力矩為T，載荷為P:式中為電機轉角機轉角，為機械傳動的效率。S為載荷移動位移。若取電機轉角所以:式中:Ps為載荷負載(N)，G為載荷質量(N)，Ps為與重力方向一致的作用在載荷上的負載力(N)，為導軌摩擦系數，為步距角(rad),T為電機軸負載力矩(N.cm)o取=0.03(淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數)，=0.8,Ps=1300N。考慮到重力影響，Y向電機負載較大，因此G=1800N所以有:T=135N.cm考慮到啟動時運動部件慣性的影響，取系數為0.4，則則啟動轉矩:步進電機的最高工作頻率：為使電機不產生失步空載啟動頻率要大于最高運行頻率fmax，同時電機最大靜轉矩要足夠大，查(微特電機應用手冊)選擇兩個90BF001型三相反應式步進電機。電機有關參數如下圖2-3所示:圖2-390BF001型電機參數2.4旋轉工作臺電機選型已知轉臺最大轉速nmax=1轉/秒;轉臺半徑RO=200mm;轉臺質量Mass=l0kg;轉臺定位精度Error為0.2°，工件個數n:4個，工件質量M=0.5kg；工件處半徑為R=0mm;轉臺外阻力力矩Tr=10Nm。轉動慣量角加速度最大力矩轉角精度由于轉臺最大轉速60nmax=60rpm，轉臺最大轉速小于500rpm(步進電機一般在1000rpm以下，一般轉速高于600rpm，轉矩顯著下降。)，轉速要求不高所以選擇步進電機，設步進電機的最高轉速nm為500rpm，則減速比為i=8.33，取i為80。由于精密齒輪減速器的最小空回角為一弧分(定位精度)，當轉角精度小于1弧分，選擇閉環控制系統;當轉角精度大于一弧分，選擇齒輪減速器，當轉角精度大于10弧分時，選擇同步帶減速方案。所以本轉臺轉角精度為12弧分，選擇同步帶減速方案。減速比i為8，所以采用一級同步帶減速即可，取電機力矩系數為3，包括了安全系數、傳動效率、步進電機高速力矩下降等因素。選取步進電機，電機力矩；式中取3；T為18.372Nm；i為8計算得到電機力矩為6.8895Nm，查下表可知:深圳雷塞步進電機型號86HS85;驅動器型號:M880,MD882電源型號:PS806。2.5旋轉精度的確定本課題設計要求工作臺轉臺的轉動定位精度為0.20度。為保證工作臺的定位精度要求，需要對工作臺各部分的誤差進行分析。旋轉電機選擇深圳雷塞的兩相步進電機86HS85，步距角為1.80，轉臺要求每次旋轉的角度為90°，轉臺每次轉動要求的角度需要50個脈沖。由此可知，轉動過程沒有原理轉動誤差，可以控制脈沖數實現轉臺的轉動角度要求。減速裝置采用同步帶一級減速。由于同步帶近似于齒輪嚙合，不造成失步的話，不會產生傳動誤差。被加工工件PCB板安裝在工作臺轉盤上，采用兩個定位銷對PCB板進行定位，定位孔與定位銷的配合間隙以及兩個定位銷中心距的誤差都會影響定位精度。目前，采用一個圓柱定位銷和一個銷邊定位銷的兩孔定位方案應用最廣，防止PCB板定位孔無法裝入定位銷的情況，補償中心距偏差定位銷屬于標準件，根據國標圓柱銷:GB/T119.1-2000，圓柱銷的標記為:銷h5x30，定位銷尺寸及定位誤差為:圓形銷公稱直徑d=6mm，公差為h5，長席l=30mm。銷邊定位銷寬度b=2mm,B=d-2=4mm;LED插件機設定的PCB規格最大尺寸為170mm。定位孔與定位銷采用的間隙配合，配合為H6/h5，最大間隙為△max=Dmax-dmin=15m，兩定位孔中心距為160mm，偏差為士0.005m最大角偏差°滿足工作臺允許的轉動誤差0.20度，所以該工作臺的設計方案符合要求。第3章LED插件機插件機構的建模與功能分析3.1solidworks軟件介紹SolidWorks為達索系統（DassaultSystemesS.A）下的子公司，專門負責研發與銷售機械設計軟件的視窗產品。達索公司是負責系統性的軟件供應，并為制造廠商提供具有Internet整合能力的支援服務。該集團提供涵蓋整個產品生命周期的系統，包括設計、工程、制造和產品數據管理等各個領域中的最佳軟件系統，著名的CATIAV5就出自該公司之手，目前達索的CAD產品市場占有率居世界前列。SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發的三維CAD系統，由于技術創新符合CAD技術的發展潮流和趨勢，SolidWorks公司于兩年間成為CAD/CAM產業中獲利最高的公司。良好的財務狀況和用戶支持使得SolidWorks每年都有數十乃至數百項的技術創新，公司也獲得了很多榮譽。該系統在1995-1999年獲得全球微機平臺CAD系統評比第一名；從1995年至今，已經累計獲得十七項國際大獎，其中僅從1999年起，美國權威的CAD專業雜志CADENCE連續4年授予SolidWorks最佳編輯獎。Solidworks軟件功能強大，組件繁多。Solidworks有功能強大、易學易用和技術創新三大特點，這使得SolidWorks成為領先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產品質量。SolidWorks不僅提供如此強大的功能，而且對每個工程師和設計者來說，操作簡單方便、易學易用。對于熟悉微軟的Windows系統的用戶，基本上就可以用SolidWorks來搞設計了。SolidWorks獨有的拖拽功能使用戶在比較短的時間內完成大型裝配設計。SolidWorks資源管理器是同Windows資源管理器一樣的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks，用戶能在比較短的時間內完成更多的工作，能夠更快地將高質量的產品投放市場。在目前市場上所見到的三維CAD解決方案中，SolidWorks是設計過程比較簡便而方便的軟件之一。美國著名咨詢公司Daratech所評論：“在基于Windows平臺的三維CAD軟件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市場快速增長的領導者。”在強大的設計功能和易學易用的操作（包括Windows風格的拖/放、點/擊、剪切/粘貼）協同下，使用SolidWorks，整個產品設計是可百分之百可編輯的，零件設計、裝配設計和工程圖之間的是全相關的。3.2建模以及裝配通過3.1節已知其建模過程較為簡單，通過拉伸、旋轉、掃描、陣列等命令，按照第三章的設計要求進行零件建模。然后將建好的模型進行裝配，裝配的主要命令有重合、平行、垂直、相切等，將零件按照實際裝配的先后順序進行裝配。如有標準件，可通過網站進行下載，如圖3-1所示為夾頭的裝配模型，前端的小物體為LED燈，通過夾緊力將LED夾緊，主要通過拉伸命令完成零件模型，然后使用solidworks裝配模塊進行裝配。圖3-1夾頭的裝配模型如圖3-2所示為X方向的導軌，其模型主要通過標準件庫按照參數得到的，然后按照絲桿設計其框架，形成如圖所示的導軌。其作用是完成X方向的運動。圖3-2X方向的導軌裝配模型如圖3-3為Z方向的導軌，其設計的過程同圖3-2，它的作用就是能使夾頭能夠在Z軸上下移動，能夠LED能夠移動到指定的位置圖3-3Z方向的導軌裝配模型如圖3-4為其LED插件機插件機構旋轉裝置，1為步進電機，2為同步齒輪，之間通過同步帶輪進行相連，同步帶輪能夠保證其旋轉的角度偏差較小，且步進電機能夠按照單片機的指令進行旋轉，何止停止，何時啟動，都能按照實際的情況確定。圖3-4LED插件機插件機構旋轉裝置如圖3-5為Y方向的導軌，它的作用就是能使夾頭能夠在Y軸上下移動，能夠及時的移動LED至指定的位置，通過該結構，能夠完成X、Y、Z方向的移動。圖3-5Y方向的導軌通過以上5個結構，我們可以看出，該機器能夠完成空間指定位置的到達，夾持LED燈，以及按照電路板的樣式，以及LED燈正反級的旋轉。所以該插件機的插件機構能夠滿足實際的要求。如圖3-6所示，為LED插件機插件機構的裝配模型，其裝配過程主要通過同心、平行、距離等命令完成。圖3-6LED插件機插件機構的裝配模型3.3二維圖的繪制本文中已經對模型進行三維建模，只需對其三維導出二維，標注尺寸，公差要求，技術要求等，裝配圖還需對標注明細表。然后將其導出至CAD格式。如圖3-7所示為其裝配圖。其余零件圖，詳見附圖。圖3-7LED插件機插件機構的裝配第七章總結與展望第4章結論本課題的主要內容是通過對LED插件機插件機構進行設計。通過本課題的設計了解一般的設計過程，查找資料的方式和渠道，對二維制圖軟件的熟練運用，本課題主要完成的任務有以下幾點：通過查找資料完成LED插件機的發展現狀、趨勢；完成LED插件機的整體設計方案的確定；LED插件X-Y工作臺的設計。設計出較合理的工作臺的結構布局，包括滾動導軌、滾珠絲杠、步進電機等的選擇，傳動方式，計算機控制系統，伺服系統的選擇等。同時對各部分進行剛度校核和壽命驗算以及對工作臺的精度進行分析和計算，包括工作臺軸向傳動原理誤差，主要零部件受力變形誤差，定位裝置誤差。得出工作臺總的軸向誤差和轉動誤差驗證其滿足設計預定的精度要求。完成LED插件機插件機構的設計、計算與選型；其中主要的特點有以下幾處：通過查閱資料，加深對LED插件機的了解，對其各種參數：如速度、效率、電機、工作方式有著深入的了解，可以通過查閱資料的方式使得自己能夠方便了解更多的東西；為了完成本課題的需求，即設計一種價格便宜，性價比高的LED插件機，需對LED插件機插件系統進行研究優化。即對當前的優點進行保留，復雜的設計進行刪減。科學技術的發展口新月異，新的控制方法和理論不斷在實際生產得到應用就本論文所進行的工作，后續需要進行的研究有:(1)對工作臺的零部件進行優化仿真設計，使其滿足精度和強度要求；(2)插件機械手的設計；(3)運動控制系統的設計和完善。主要是軟件控制系統的設計和與硬件設備的數據傳輸等方面的研究。通過對本課題的研究，我能夠感受到機械設計在我們生活之中的重要性，我們可以通過設計對我們日常的生活進行改進，提高效率的同時，也能節約人力。同時通過三維軟件和二維軟件的繪制，能夠清晰的看到每個機構的組成和裝配，也對我以后的工作和