黃永雄 趙國玲 黃德歡
摘 要:隨著LED產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣泛和受歡迎,產(chǎn)品需求量逐步增加,同時,性價比競爭也越來越激烈。作為生產(chǎn)企業(yè),想要繼續(xù)生存下去,唯有降低生產(chǎn)成本及提高生產(chǎn)效率來保證產(chǎn)品利潤。本項目設(shè)計一款高速的全自動LED燈仔分揀機(jī),提高檢測和分揀效率及準(zhǔn)確性,能為企業(yè)降低生產(chǎn)成本,保證產(chǎn)品供貨需求。此分揀機(jī)采用凸輪機(jī)械手自動上料,采用PC機(jī)和DSP控制對LED燈仔進(jìn)行光電參數(shù)檢測和分揀,對同檔參數(shù)的產(chǎn)品歸集,同時分類歸檔生成數(shù)據(jù)報表,提高生產(chǎn)效率,提高分揀精度,減少生產(chǎn)成本。
關(guān)鍵詞:高速檢測;高精度分揀;凸輪機(jī)械手;分揀平臺
中圖分類號:TH691.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1006-8937(2016)24-0030-03
本文主要闡述了LED燈仔全自動分揀機(jī)的設(shè)計原理,結(jié)構(gòu)設(shè)計特點、零配件選型等,從而體現(xiàn)該設(shè)備設(shè)計滿足生產(chǎn)需求、節(jié)約生產(chǎn)成本及提高生產(chǎn)力方面的符合性。與現(xiàn)有的LED分揀機(jī)比較,本項目分揀機(jī)主要的不同點在于結(jié)構(gòu)不同,生產(chǎn)速度與精度不同,從而,根據(jù)需求在設(shè)備結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)等方面都進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,以便更好的為LED燈仔分揀工作服務(wù)。
1 設(shè)備工作原理
該設(shè)備做到完全自動化,適用于要求檢測速度高、分揀精度高的LED燈仔批量生產(chǎn)分揀,該設(shè)備主要用于測試LED燈仔的亮度、波長、色溫、坐標(biāo)、電流、電壓等性能參數(shù),并按參數(shù)設(shè)定范圍對產(chǎn)品分類歸集。該設(shè)備主要工作原理簡述如下:
振動盤自動上料→凸輪機(jī)械手吸盤取放料→伺服旋轉(zhuǎn)平臺→光電參數(shù)測試裝置→伺服旋轉(zhuǎn)分料平臺→接料裝置。
具體工作原理如下:
首先,將所測產(chǎn)品放于振動盤,振動盤上方安裝離子風(fēng)機(jī),可有效清除空氣中的灰塵及雜質(zhì)粘在產(chǎn)品上,振動盤速度可根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)節(jié),產(chǎn)品平穩(wěn)到達(dá)水平料道;然后凸輪機(jī)械手吸盤從水平料道的固定位置吸附產(chǎn)品,將其送到伺服旋轉(zhuǎn)平臺的固定模具中,伺服旋轉(zhuǎn)平臺設(shè)有16個模具工位,每個工位都用真空吸盤吸附產(chǎn)品,確保產(chǎn)品不移位,每個工位之間的角度是相等的,且伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)停止的精度和重復(fù)精度是非常高的,每一次旋轉(zhuǎn)都能停在同一位置。通過伺服旋轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn),將產(chǎn)品送至光電參數(shù)測試裝置工位,在此工位對產(chǎn)品進(jìn)行點亮測試(光電參數(shù)的測試)。由臺灣光譜測試儀測試產(chǎn)品的光參數(shù),由專門訂制的PCB板測試產(chǎn)品的電參數(shù),再分別將測試數(shù)據(jù)傳輸至PC,同時通過顯示器顯示所測數(shù)據(jù)。PC中的程序?qū)λ鶞y的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷,根據(jù)與最初設(shè)定的參數(shù)對比,分別將產(chǎn)品分至相應(yīng)檔位,分料平臺收到分檔命令后執(zhí)行分檔操作。最終分揀好的產(chǎn)品落在標(biāo)有標(biāo)識的各參數(shù)范圍的接料裝置,即料筒內(nèi)。每個料筒內(nèi)的數(shù)量達(dá)到設(shè)定數(shù)量時,機(jī)臺自動報警,將產(chǎn)品倒出標(biāo)識后,料筒歸位,機(jī)臺繼續(xù)運(yùn)作。
其中,產(chǎn)品分料平臺為XY軸平臺,共有128個檔位,可根據(jù)產(chǎn)品特性的測試結(jié)果分別分到相應(yīng)的檔位。0-119檔位為分揀出的合格品檔位,與其設(shè)定參數(shù)對比進(jìn)行分揀,如電壓、亮度、色溫參數(shù)在同一設(shè)定范圍內(nèi)的產(chǎn)品分到一個檔位;120-127檔位的產(chǎn)品為不良品,根據(jù)產(chǎn)品不良特性分別分到相應(yīng)的檔位,如亮度偏高的分一個檔位,偏低的分一個檔位,色溫偏高的分一個檔位,漏電的分一個檔位等等。測試完成后系統(tǒng)自動生成報表,見表1。
2 上料機(jī)械手設(shè)計
產(chǎn)品上料從一個位置搬送到另一個位置,一般情況下有兩個方式可以實現(xiàn):傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)X、Y、Z軸送料平臺;凸輪送料機(jī)構(gòu)。根據(jù)設(shè)備的設(shè)計要求,產(chǎn)品要達(dá)到高速分揀,運(yùn)行平穩(wěn),通過以下計算,最終確定采用凸輪結(jié)構(gòu)機(jī)械手。
A.本設(shè)備設(shè)計速度為:30 k/h,即應(yīng)小于0.12 s(120 ms)分揀1個產(chǎn)品;
B.伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速是:3 000 r/min,即6 r/120 ms。
所以,完成一個產(chǎn)品分揀要在伺服電機(jī)6r的周期內(nèi)完成,凸輪結(jié)構(gòu)可以在電機(jī)1r的周期內(nèi)完成任意2個點的運(yùn)動,加之電機(jī)響應(yīng)速度快,運(yùn)行平穩(wěn),這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計也能大大提高工作效率。而XYZ軸送料平臺比較難于滿足我們的要求,綜合考慮,采用凸輪結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)機(jī)械手是最佳的上料方式。凸輪機(jī)械手內(nèi)部結(jié)構(gòu),如圖1所示。
凸輪結(jié)構(gòu)機(jī)械手主要由伺服電機(jī)、偏心凸輪、2個回轉(zhuǎn)副、滑塊導(dǎo)軌、限位開關(guān)、真空吸盤等組成;根據(jù)產(chǎn)品形狀、重量等特性綜合考慮,機(jī)械手最為合適的抓料方式就是采用真空吸盤取料、放料,這樣的設(shè)計不易使產(chǎn)品變形,也不會在產(chǎn)品表面產(chǎn)生臟污,能有效控制產(chǎn)品在測試過程中的品質(zhì),同時也能保證產(chǎn)品在取放料過程中的重復(fù)精度。
抓料真空吸盤面積設(shè)計:
設(shè)產(chǎn)品重量為G,需要的真空壓力>F吸,設(shè)真空壓力為P真空;
選用F吸>G×9.8 N/kg;
根據(jù)
F吸=P真空×S面積
則:
S面積=■。
3 旋轉(zhuǎn)工位臺
3.1 旋轉(zhuǎn)工位臺的作用
旋轉(zhuǎn)工位臺的作用是將LED燈仔依次送往每個工序位進(jìn)行處理,按圓周的軌跡變動位置,如單個LED燈仔運(yùn)動的工藝位置過程:先上料、測試參數(shù)、分揀下料。每個工位臺需要精確平穩(wěn)地重復(fù)原來的每個位置,確保產(chǎn)品測試的準(zhǔn)確性。旋轉(zhuǎn)工位臺也是整個機(jī)臺最關(guān)鍵的部件之一,它的旋轉(zhuǎn)精度直接決定著產(chǎn)品能否順利測試,若精度不高,重復(fù)精度達(dá)不到要求,產(chǎn)品就沒有辦法準(zhǔn)確達(dá)到測試位置進(jìn)行測試。
為了達(dá)到設(shè)備的技術(shù)指標(biāo),對該機(jī)構(gòu)提出的性能指標(biāo)如下:
工位臺旋轉(zhuǎn)30 °的時間≤60 ms;
工位臺的旋轉(zhuǎn)角度精度≤0.1 °,重復(fù)精度≤0.15 °;
同時,設(shè)備的分揀速度很大程度上取決于旋轉(zhuǎn)工位臺的旋轉(zhuǎn)速度。
3.2 旋轉(zhuǎn)工位臺機(jī)構(gòu)的設(shè)計
因旋轉(zhuǎn)工位臺只作平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,因此可簡化運(yùn)動機(jī)構(gòu)的傳動結(jié)構(gòu),直接采用伺服電機(jī)配合高精密凸輪減速機(jī)帶動工位臺。工位臺材料采用美鋁7075材料,從而大大減輕圓盤工作臺的質(zhì)量,減小工位臺的旋轉(zhuǎn)慣性力。由于LED燈仔的質(zhì)量也較輕,也為平板形,所以固定裝夾燈仔模具采用真空吸力固定,在工位臺上加工對稱陣列的小孔,增加吸力面積,即提高真空作用力,也使得機(jī)構(gòu)簡化,減少成本,對裝夾的LED燈仔各類通用性也強(qiáng),不易損壞。旋轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)原理,如圖2所示。
3.3 電機(jī)的選型
在電機(jī)的選型過程中, 考慮到我們的設(shè)備是高速運(yùn)轉(zhuǎn),且需要非常平穩(wěn),控制精度要高,所以在選型過程中,電機(jī)需滿足以下要求:①快速啟動,啟停響應(yīng)快;②控制精度高;③運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn);④輸出力矩穩(wěn)定;⑤能承受一定的過載。綜合以上要求,我們認(rèn)為伺服電機(jī)更能滿足我們的要求。
步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要上百毫秒,響應(yīng)時間較長,交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好,一般只需幾毫秒;且步進(jìn)電機(jī)低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象,運(yùn)行不夠平穩(wěn)。同時,步進(jìn)電機(jī)為開環(huán)控制,啟動頻率過高或負(fù)載過大易產(chǎn)生丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象,也不具有過載能力,輸出力矩會隨轉(zhuǎn)速升高而下降,從這幾個方面來看,步進(jìn)電機(jī)均不適合。
該分揀設(shè)備上的轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)工位采用型號為MHMD08ZG1U的松下AC伺服馬達(dá)驅(qū)動,其功率為750 W,頻率200 Hz,額定轉(zhuǎn)速3 000 rpm。
之所以選用該馬達(dá),是因為它有以下優(yōu)點更加符合我們設(shè)計的要求:①高速響應(yīng),響應(yīng)頻率為2.0 kHz,動作柔順,停止時低振動,高精度定位的時間縮短, 智能化,多機(jī)能實時自動增益調(diào)整,內(nèi)置簡單地自動設(shè)定的制振濾波器和限波濾波器,同時配備了機(jī)器模擬功能;②輕巧,新工藝、新開發(fā)內(nèi)核技術(shù)及編碼器實現(xiàn)了馬達(dá)的輕量化及小型化;④安全;⑤使用方便,可預(yù)報使用壽命,監(jiān)控編碼器溫度。
4 光色電檢測系統(tǒng)
本課題研發(fā)的設(shè)備需要測定的參數(shù)有:亮度、坐標(biāo)、色溫、波長、電壓、電流等。整個LED多參數(shù)檢測系統(tǒng)采用上、下位機(jī)模式,雙核DSP控制。LED檢測數(shù)據(jù)的采集、分析和處理以及操作命令的發(fā)出主要由PC機(jī)完成,旋轉(zhuǎn)工位臺和機(jī)械手以及其他控制部分分別由DSP單元完成,DSP與PC機(jī)之間采用串口通信模式。 運(yùn)用程控恒流源點亮被測LED,程控恒流源有穩(wěn)流作用,可以提高測量精度,保護(hù)LED質(zhì)量。被點亮的LED瞬間電流、電壓經(jīng)過測試儀,即可測試各項需要的電參數(shù)。 LED在被點亮?xí)r,光在光譜儀中經(jīng)過處理,可以讀出需要的數(shù)據(jù)送往PC機(jī)。各項測試參數(shù)完成后,再由USB2.0接口將光譜儀及RS-232串口測試儀連接PC機(jī),所有數(shù)據(jù)經(jīng)過安裝在PC機(jī)上軟件處理運(yùn)算進(jìn)行分類得出參數(shù)報表,此軟件是在CCS環(huán)境下用C++語言編程設(shè)計的處理數(shù)據(jù)程序,根據(jù)不同的測試參數(shù)要求而編寫。該設(shè)備開發(fā)的上位機(jī)程序與PLC程序與定制的高速振動盤和光電測試儀匹配運(yùn)作,上位機(jī)軟件根據(jù)采集光電測試儀所測數(shù)據(jù)對產(chǎn)品進(jìn)行分揀。測試系統(tǒng)原理圖,如圖3所示。
5 分揀平臺
設(shè)備分揀平臺共設(shè)置128個分揀檔位,其中0#~119#為測試合格產(chǎn)品檔位,120#~127#為不良品檔位。不良品檔位主要收集所測試的LED燈仔亮度偏高、偏低,電壓電流過高或過低等現(xiàn)象的產(chǎn)品。
分揀機(jī)構(gòu)是采用了XY軸平臺結(jié)構(gòu),由高速響應(yīng)的伺服馬達(dá)驅(qū)動,通過光電測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集及分析判斷結(jié)果對產(chǎn)品進(jìn)行分揀。分揀平臺的128個料口對應(yīng)接料裝置中的128個料筒,伺服電機(jī)的高速響應(yīng)和高精度控制確保了產(chǎn)品分揀的準(zhǔn)確性,其分揀精度達(dá)到99.5%以上,產(chǎn)能達(dá)到30K/h。
6 結(jié) 語
本文設(shè)計高速分揀機(jī)(30 K/h)是目前分揀機(jī)(18 K/h)的升級版。為滿足批量生產(chǎn)的需求、提高生產(chǎn)效率及穩(wěn)定性、避免人工操作中因人為失誤而影響產(chǎn)品測試質(zhì)量及穩(wěn)定性,整機(jī)采用精密的零部件,應(yīng)用臺灣光譜測試儀,數(shù)字控制系統(tǒng),高精度、高效率地實時驅(qū)動每個工環(huán)節(jié),確保生產(chǎn)順利進(jìn)行。
因LED具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點,被社會生活中大多數(shù)人認(rèn)可,并在各種場合都會應(yīng)用到,因此,它的使用量由最初的小批量生產(chǎn)提升為大批量的生產(chǎn),在需求量急增的情況下,必有大批企業(yè)涌入此行業(yè),若要在LED行業(yè)具有高性價比的產(chǎn)品,同時也要保證企業(yè)的利潤,必須要在生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行技術(shù)改造,來提升生產(chǎn)效率與品質(zhì)。不能靠壓縮配件質(zhì)量來取得利潤,所以本文研發(fā)設(shè)計的LED燈仔高速全自動分揀機(jī),恰好可以解決以上的問題,同時,也可以為企業(yè)在該行業(yè)中爭取更大的利益。
參考文獻(xiàn):
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