大功率led全自動分揀機(jī)的設(shè)計(jì)大學(xué)畢設(shè)論文

大功率LED全自動分揀機(jī)的設(shè)計(jì)1．

引言LED光源由于其節(jié)能，長壽命，環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被看好為21世紀(jì)的光源，極有可能替代傳統(tǒng)光源，成為主流照明光源[1]，專家預(yù)測LED照明燈將會形成500億美元的巨大產(chǎn)業(yè)。大功率LED是LED光源進(jìn)入照明領(lǐng)域的必由之路，因此大功率LED的市場前景十分廣闊。由于大功率LED在生產(chǎn)過程中存在較大的離散性，而實(shí)際應(yīng)用對大功率LED光電參數(shù)的一致性要求很高，因此大功率LED生產(chǎn)線上一般需要配備相應(yīng)的快速檢測設(shè)備和分揀裝置。本文介紹了大功率LED全自動分揀機(jī)的原理，設(shè)計(jì)并研制了LuxeonEmitter型大功率LED全自動分揀機(jī)。2．

原理本文所述大功率LED全自動分揀機(jī)采用PC機(jī)與PLC相結(jié)合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)LED的自動分揀，主要可分為機(jī)械系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，測試系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)四部分，其工作原理如圖1所示；

圖1.大功率LED分揀機(jī)原理框圖LED經(jīng)過排序，定位機(jī)構(gòu)進(jìn)入分揀機(jī)測試工位后，PLC向PC機(jī)發(fā)送測試請求信號，PC機(jī)得到測試請求信號后，PC機(jī)軟件立即控制恒流/恒壓源以及極性切換單元，完成LED自動判向和上電，同時控制LED測試儀器對LED光電參數(shù)進(jìn)行測試，圖2所示為分揀機(jī)分揀流程圖，圖中反向參數(shù)的測量與否可根據(jù)用戶的實(shí)際需求進(jìn)行選擇，PC機(jī)計(jì)算得到LED分類號后將其傳送給PLC，PLC根據(jù)得到的分類號控制送料、分類機(jī)構(gòu)動作，將LED送入相應(yīng)的物料盒，完成LED的分類。

圖2.LED分揀流程圖3．

分揀機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)3．1機(jī)械系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)大功率LED的自動分揀必須要有能夠快速，可靠的對LED進(jìn)行定位和分揀的機(jī)械系統(tǒng)。由于大功率LED的封裝形式多種多樣，各種不同封裝之間的差異較大，很難設(shè)計(jì)通用的機(jī)械系統(tǒng)，因此在設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)之前，應(yīng)先確定系統(tǒng)的分揀對象。本文所述大功率LED全自動分揀機(jī)選擇LuxeonEmitter型大功率LED，如圖3所示，作為分選對象，這是目前市場上最常見的大功率LED封裝形式。圖3.Emitter型大功率LED機(jī)械系統(tǒng)可由排序上料機(jī)構(gòu)，定位上電機(jī)構(gòu)，送料機(jī)構(gòu)和分類機(jī)構(gòu)四部分組成，其中排序上料機(jī)構(gòu)用于LED的自動排序與單排進(jìn)料，本文采用適合Emitter型大功率LED封裝特性的振動盤與平行引導(dǎo)槽實(shí)現(xiàn)；定位上電機(jī)構(gòu)用于LED的定位與上電，主要包括帶有特定間距卡口的定位板和電極片，如圖4、圖5所示。圖4.大功率LED分揀機(jī)定位機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動軌跡

圖5.大功率LED上電機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖圖4(a)所示定位板在電機(jī)的帶動下按圖4(b)所示運(yùn)動軌跡循環(huán)運(yùn)行，圖中測試工位完成LED光電參數(shù)的測試。第一次循環(huán)，卡口A將平行引導(dǎo)槽內(nèi)的一個LED送入測試工位，第二次循環(huán)，卡口B將測試工位的LED送入同步帶同時卡口A將下一個LED送入測試工位，如此往復(fù)。由于定位板卡口之間的位置固定，所以LED每次的運(yùn)動距離也是固定的，這就保證了LED上電的成功率，同時也減少了測試參數(shù)的不確定度。圖5所示為大功率LED上電機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1為大功率LED，2為電極片，3為撥桿，4為固定架，5為導(dǎo)軌，6為測試槽，7為彈簧，8為滑塊，9為引出導(dǎo)線，10為電極孔，11為電極支撐架，12為固定孔。電機(jī)帶動固定架與滑塊在導(dǎo)軌上做水平運(yùn)動，當(dāng)滑塊向后運(yùn)動時，撥桿撥動電極片繞固定孔做順時針運(yùn)動，電極片與LED脫離，LED失電，當(dāng)滑塊向前運(yùn)動時，撥桿與電極片脫離，電極片在彈簧做用下作逆時針運(yùn)動，LED上電。系統(tǒng)送料機(jī)構(gòu)用于把LED從定位上電機(jī)構(gòu)傳送到分類機(jī)構(gòu)，主要包括8位分割器與同步帶。當(dāng)分割器入力軸從0°旋轉(zhuǎn)到180°時，出力軸停止，當(dāng)分割器入力軸從180°旋轉(zhuǎn)到360°時，出力軸旋轉(zhuǎn)45°，這樣連續(xù)旋轉(zhuǎn)的電機(jī)就帶動同步帶反復(fù)的進(jìn)行的“旋轉(zhuǎn)-停止”動作，利用旋轉(zhuǎn)對LED進(jìn)行夾持與定位，利用停止對LED上電并進(jìn)行參數(shù)測量。系統(tǒng)分類機(jī)構(gòu)用于把LED從同步帶傳送到物料盒，本文采用氣動吹氣的方式實(shí)現(xiàn)，其主要包括電磁閥，PLC和物料盒。完成測試的LED在同步帶的帶動下在各物料盒之間運(yùn)動，當(dāng)LED運(yùn)行至與其分類號對應(yīng)的物料盒時，PLC控制相應(yīng)的電磁閥打開，此時電磁閥出氣端產(chǎn)生一個脈沖氣流將LED吹入物料盒，LED完成分類。3．2控制系統(tǒng)本文所述大功率LED分揀機(jī)的控制系統(tǒng)主要由PLC，人機(jī)界面與PC機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)對分揀機(jī)機(jī)械系統(tǒng)、測試儀器的控制和運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測。圖6所示為控制系統(tǒng)流程圖。

圖6.控制系統(tǒng)流程圖如圖6所示，分揀機(jī)開啟后PLC啟動平行引導(dǎo)槽和振動盤，實(shí)現(xiàn)LED單排進(jìn)料，當(dāng)系統(tǒng)檢測到有LED進(jìn)入測試裝置時，PLC啟動電機(jī)，電機(jī)帶動定位板和電極片完成LED的定位與上電同時向PC機(jī)發(fā)送測試請求信號，PC機(jī)完成測試后發(fā)送分類號給PLC，PLC將接收到的分類號存入特定的寄存器,后根據(jù)主軸的轉(zhuǎn)動依次轉(zhuǎn)存到與分揀機(jī)64個物料盒相對應(yīng)的64個寄存器中，當(dāng)寄存器中的分類號與物料盒號一致時，PLC控制相應(yīng)的電磁閥打開，將LED送入物料盒。表1列出了PLC部分I/O口的功能。表1.PLC部分I/O口功能列表I/O口功能I/O口功能X001發(fā)送測試結(jié)束信號Y000~Y077控制電磁閥X002~X007接收分類號Y100發(fā)送測試開始信號X010，X011控制上料數(shù)量Y101制動X012監(jiān)測氣管內(nèi)氣壓Y102控制電機(jī)Y103控制振動盤Y104控制平行引導(dǎo)槽3．3測試系統(tǒng)3．3．1光參數(shù)測試系統(tǒng)國際照明委員會（CIE）制定的CIE127-2007[2]技術(shù)文件引入了LED部分光通量(PLF)的概念：給定立體角W內(nèi)光通量的總和，立體角W所對應(yīng)的平面角為θ(0°<θ<180°)。本文結(jié)合測試系統(tǒng)的實(shí)際情況，采用部分光通量來表征被測LED的光度量，系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)測量原理如圖7所示。圖中，LED校準(zhǔn)源用于快速光譜儀和光度探頭的校準(zhǔn)，本文采用遠(yuǎn)方公司的LED101標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)源。系統(tǒng)采用了大口徑光學(xué)系統(tǒng)與微型積分球直接耦合的方式，并將輸入光學(xué)系統(tǒng)的光軸與LED校準(zhǔn)源、V（λ）光度探頭和快速光譜儀安排在相互垂直的平面上，這樣避免了一次入射光直接照射到接收器上，滿足烏布里希積分球的技術(shù)要求，這樣的大口徑光學(xué)系統(tǒng)和微型積分球直接光學(xué)耦合，避免了以往積分球設(shè)計(jì)不可避免的擋光板的問題，在原理上克服了積分球測量誤差問題，此外，這樣的耦合效果極好，系統(tǒng)信噪比大為改善。同時大口徑取樣技術(shù)還避免了以往的對準(zhǔn)問題，減少了測量誤差。

圖7.光參數(shù)測量系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)采用了分光法積分法相結(jié)合的光度測量技術(shù)，使分光技術(shù)與積分技術(shù)有機(jī)結(jié)合，并引入精密V(λ)校準(zhǔn)技術(shù)，使測量具有極好的動態(tài)響應(yīng)，并消除了由于V(λ)匹配所造成的測量誤差，具體原理可參考文獻(xiàn)[3]。3．3．2電參數(shù)測試系統(tǒng)測量LED正向電壓，亮度及峰值波長時，需要恒流源驅(qū)動，測量漏電流時需要反向電壓，而如果處于測試工位的LED是反向放置的，測試電路應(yīng)能夠自動轉(zhuǎn)換輸出極性[4]，同時由于不同功率LED所需的驅(qū)動電流和電壓不一樣，不同客戶測試要求也不一樣，因此LED電參數(shù)測試系統(tǒng)應(yīng)具備多種恒流源和恒壓源，同時應(yīng)具有快速加載和卸載的平穩(wěn)能力。本文所述電參數(shù)測試系統(tǒng)主要包括供電模塊，恒流恒壓輸出模塊，極性切換模塊，電參數(shù)輸入模塊，如圖8所示。

圖8.電參數(shù)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖系統(tǒng)恒流/恒壓電源分別由12位D/A通過PC機(jī)軟件控制，電源輸出電路通過極性切換與PID參數(shù)調(diào)節(jié)達(dá)到最佳工作狀態(tài)以滿足快速脈沖測試的要求。測得電信號經(jīng)快速取樣電路、采樣保持器和多路選擇開關(guān)，由PC機(jī)控制一個16位A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后輸出顯示。系統(tǒng)極性切換模塊完成電路的極性切換和取樣電阻的選擇（為了使測試信號便于轉(zhuǎn)換處理，正向測試時使用小電阻，反向測試時使用大電阻）。3．4軟件系統(tǒng)本文所述大功率LED分揀機(jī)的測試軟件用VC編寫，主要包括以下功能模塊：1）．通訊模塊：完成PC機(jī)與PLC，測試儀器，LED校準(zhǔn)源的通訊；2）．參數(shù)設(shè)置模塊：完成測試參數(shù)與分類參數(shù)的設(shè)置；3）．測試模塊：完成參數(shù)測試與計(jì)算；4）．校準(zhǔn)模塊：完成暗電流采集，參數(shù)的校準(zhǔn)與波長定標(biāo)；5）．輸出模塊：完成LED光電參數(shù)與相對光譜功率分布曲線的實(shí)時顯示和被測LED所有數(shù)據(jù)的保存，查詢，打??；6）．統(tǒng)計(jì)模塊：完成各等級LED數(shù)、不良品率的統(tǒng)計(jì)。4．分揀機(jī)的技術(shù)指標(biāo)與實(shí)測試驗(yàn)研制的大功率LED分揀機(jī)達(dá)到了下列技術(shù)指標(biāo)：1）．恒流輸出范圍：0.0mA～50.0mA～1000mA，最大允許輸出電壓10V；2）．恒壓源輸出范圍：0.0V～10.0V，最大允許輸出電流100μA；3）．快速脈沖測定：50ms～1000ms可調(diào)；4）．波長范圍：380nm～780nm；5）．波長準(zhǔn)確度：±1nm；電壓測量準(zhǔn)確度：±1%；電流測量準(zhǔn)確度：±1%；色品坐標(biāo)測量準(zhǔn)確度：±0.01；測試重復(fù)性：±5%；6）．測試速度：>2k/h；氣壓：0.5Mpa；分檔數(shù)：64檔；最大可測功率：10w。樣機(jī)研制成功后，在遠(yuǎn)方公司進(jìn)行了實(shí)測，對100個1w白光LED的部分光通量進(jìn)行了10次重復(fù)性測試，表2抽取了其中10個LED的數(shù)據(jù)。由表2可知測試結(jié)果滿足測試重復(fù)性±5%的技術(shù)要求。表2分揀機(jī)測試重復(fù)性數(shù)據(jù)列表（q=16°）序號試數(shù)LED．序．號PLF(mlm)123456789101439.5646.2839.2423.8466.7488.3647.7517.9484.9727.62446.1661.6846.9419.1476.7491.9651.5526.4488.7706.43444.4654.8842.4422.3476.9493.2642.6522.1486.2722.94450.2665.8832.6420.6474.2496.4649525.8480.2698.25449.3641.9848.4423.2475.9488.5638.5519.6476.5702.36448.4651.9832.1423.6475.5483.4644.3530.7490729.17451.0646.2827.2421.3480503.1641.7516.5475.3704.48442.3643.6836.6417.8476.7494.3644.9531.4483.4722.79448.0648850.1422.5479.9491.7640527.3468.9715.610457647.3844.5426.8475496.4642.3523.247