杨 杰，张 祺，王小军，宋道磊，郑 彬

（中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆 400714）

一种新型LED全自动插件机的设计与分析

杨 杰，张 祺，王小军，宋道磊，郑 彬

（中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆 400714）

0 引言

LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的通断来显示文字、图像、视频、信号的屏幕。根据LED结构的不同，LED显示屏的插装分为管脚式与贴片式两种。目前，国内贴片式LED显示屏的生产已基本实现自动化，但管脚式LED显示屏的生产仍以人工为主，面临着插件效率低，误插/漏插率高、人力成本不断攀升等诸多问题，严重制约着该行业的发展。

美日等国自上世纪60年代末开始自动化插件设备的研制，针对散料LED插件有两大品牌：日本松下与美国环球。日本松下立式LED插件机最快理论插件速度可达0.2sec/point，插件效率高，但价格昂贵，操作复杂，日常维护工作量大，在国内厂商中使用率不高，目前在市场上流通的多为二手产品。美国环球LED插件机的速度虽不及松下，但价格相对便宜，且插件效率较高，国内厂家使用较多。近年来，国内也逐步开始了自动化插件设备的研发，目前市场上有新泽谷与华威两大品牌。相较国外产品，国产插件机价格低廉，但插件速度较慢，稳定性较差，仍有待改进。面对着LED显示屏产业由劳动密集型转变为资金密集型的趋势，下游厂商对自动化产品的强烈需求，研制一款符合我国国情，速度快、性能高、价格相对低廉的全自动插件设备势在必行。本文在深入研究散料LED的插件工艺的基础上，设计了一款面向工厂实际应用的全自动插件设备。通过对整机结构的创新与优化，在提高实际插件速度的同时，增加设备可靠性并大幅降低制造成本。

1 LED全自动插件机的总体设计

人工插件中，工人拾取LED，在拾取过程中根据管脚长短的不同判断LED正负极，再将LED插入基板中。单个LED的插装可分为四步：拾取、极性判别、旋转与插入。看似简单的人工操作实际是多自由度多传感高度融合的高智能活动，人工插件中的四步，转由自动化设备完成时需拆分为多个连续工作环节。在开始插件设备的总体设计时，需重点关注以下五个核心问题：

1）散料LED的准确连续上料；

2）各环节中柔性拾取LED，避免管脚变形；

3）上料或传送过程中实现LED极性的准确识别，避免插装时间的延长；

4）基板的定位问题，确保插件机构动作时，LED管脚与基板上的管脚孔准确配合；

5）核心插件机构实现LED准确入板；

衡量LED插件工作优劣的参数有理论插件速度、插入不良率、基板尺寸大小、可否插装全彩屏等等，其中最为核心的性能指标为理论插件速度。本文中设计的LED全自动插件机，理论插件速度最高达12k/h。人工插件中，熟练工插件速度约为1k/h，按每人每天工作10小时计算，一台LED全自动插件机的日产量相当于30～40人的工作量（黑白班各20人）。另外，在LED显示屏的插装中，无论全彩屏还是单色屏的返修都非常困难，人工插件极易发生二次不良，因而在自动插件机的研发中，需严格保证插入不良率，此处所指的不良率，包含漏插、掉件、打坏料等等与设备有直接关系的不良率总和。

为了达到上述相关性能指标，在LED全自动插件机的设计中，采用模块化设计思想，各模块既相对独立又紧密相关，分别设计各模块再整合分析调整，以期达到最佳的工作性能。如图1所示，散料LED进入插件设备后，在运动控制系统的控制下，借助视觉定位系统，经过上料、检测、传送、插件、剪脚等一系列动作，最终进入基板，完成插件动作。

图1 整机工作流程图

2 核心机构的设计与研究

根据对散料LED插件工艺的研究，全自动插件机可分解为八大模块，相互配合完成连续的插件动作。如图2所示，分别为：1）上料检测模块；2）支撑龙门架；3）传送矫正模块；4）工装定位模块；5）X-Y移动平台；6）插件模块；7）剪脚模块；8）外机架。其中，上料检测模块、传送矫正模块与插件模块为全自动插件的核心机构。

图2 整机结构图

2.1 上料检测模块

上料检测模块重点解决两个问题：如何将杂乱无章放置的LED顺序排列并以标准姿态送至传送模块，以及在上料过程中完成对LED极性检测与旋转（针对极性相反的LED）。根据来料的特点及在该模块需完成的动作，工作流程规划如图3所示。

图3 上料检测模块工作流程

工业生产中，散料自动排序有成熟的解决方案，通常利用振动盘配合直线送料器实现。基本工作原理为：振动盘料斗下的脉冲电磁铁使料斗作垂直方向振动，弹簧片带动料斗绕其垂直轴做扭摆振动，将散乱无序的LED自动有序定向并排列整齐。直线送料器无缝衔接振动盘，使工件按直线排列并自动运输至下一工序。在珠三角地区，有大量制造相关产品的生产厂家，可直接订购，选型时需注意振动方式、料斗尺寸、振料速度等参数。其中，振料速度是关键指标之一，针对546标准型LED灯，为保证最终插件效率，出料速度需大于200个/分钟。为更好控制来料，需选择带料满停机功能的控制器。本款插件机选择光电型的控制器，利用接近开关检测，在较好实现检测功能的同时保证了低廉的成本。考虑到插件机不仅可完成单/双色显示屏的插件，更要能插装全彩显示屏，而单组送料系统难以完成颜色辨别的问题，需配备三组送料系统。同时，为了缩短单个LED在上料检测模块的时间，设计极性检测工位时，需合理安排检测位的位置。来料经过振动盘及直线送料器后，已经自动排列为灯头在上、管脚在下的姿态，设计柔性机械手指夹合LED，运送至送料模块，并在运送过程中加电检测极性并对极性相反的LED作旋转纠正，既保证了检测的有效性，更大大节省了检测时间。单组送料检测模块如图4所示。

图4 单组送料检测模块示意图

LED经直线送料器到达传送模块这一阶段的动作，国内的插件机产品往往使用五指上下配合的机械手指来实现，采用传递形式，分别夹住LED的头部与管脚依次转移。由于机械手指多为刚性，上下抓取机构在装配时难以准确对心，且在转运LED的过程中对单个LED多次夹取，易造成管脚变形，最终使LED无法顺利进入基板。本设计加入柔性夹取机构，如图5所示，利用弹簧柔性系统在拾取过程中增大对LED缓冲，减小夹持力的冲击，避免变形。使用双手指形式，降低LED被夹取的次数，同时提高拾取检测效率。双手指上下配合动作，当1号手指夹取LED进入检测旋转工位时，2号手指已夹取LED等待检测；1号手指夹取的LED送入传送矫正模块，2号手指夹取的LED同时进入检测旋转工位。

图5 柔性双指转运及检测旋转机构末端示意图

2.2 传送矫正及插件模块

考虑到时效问题，整机工作时，经上料检测模块后若直接进入插件单元，难以同时插装多个上料检测工位处理的LED，大大降低了插件速度。并且受移动平台物理尺寸等的限制，几乎无法完成大尺寸基板的插装。通常在上料模块后增加中间缓冲环节，即传送模块，保证在周期工作时间不受影响的情况下，上料与插件动作同时快速进行。

插件时，LED需准确进入基板上直径小于1mm的管脚孔，这对插件机的整机精度提出了很高要求。若同时提高每个模块的精度，不仅机构复杂难操作且成本投入巨大，因此需要综合考虑机构中精度分配的问题。参考环球立式散料插件机，LED管脚入板环节，即插件模块为系统中精度最高的机构。相较插件模块，传送模块精度较低，其精度的不足由插件模块予以补偿，从而保证整机的精度。这种设计方法，解决了整机的精度问题，但将精度问题集中至插件模块，导致该模块结构非常复杂，仅伺服电机就超过3台，控制难度大、维护困难且成本增加。

本文转换了思考角度，从一定程度上降低插件模块的精度，依靠提升传送环节精度来补偿插件模块精度的损失，从而设计出一套全新的机构，在不降低整机精度的前提下，缩减复杂机构，提高维修便利性并降低整机成本。传送矫正及插件模块的基本工作流程如图6所示。

图6 传送矫正及插件模块基本工作流程

环球立式散料LED插件机采用链传动的形式，链条上配合弹簧料夹，用以简单固定LED，避免震动、弹簧失效等问题造成LED大幅扭摆或掉落，LED运动至插件模块时，推送机构打开链夹，同时将LED送入插件模块。链传动中对LED的姿态要求不高，传送精度较低。考虑到传动负载小（LED质量轻），传送速率高等特点，综合对比各类传动系统，本设计选用同步带传动，提高传送精度并降低成本。

在传动矫正模块中，本文抛弃了弹簧料夹夹紧工件的方式，独创性地采用磁性工装吸附并固定LED，机构简单且动作可靠。LED经上料检测模块后，由上料手指夹持送至工装，夹持手指松开后，LED管脚直接吸附在工装的磁性面并跟随同步带运动。同时，为了提高LED在同步带上姿态的准确性，以设备要求的标准姿态进入到插件模块，在传送过程中增设了两处矫正机构，分别对LED的横向与纵向姿态进行矫正，图7为横向矫正机构末端动作示意简图。

图7 横向矫正机构末端动作示意简图

LED经传送模块的运输后，进入最后的核心工作环节-插件模块。在环球立式LED插件机中，插件系统非常复杂，如图8所示，动力系统动作带动执行系统将LED插入基板中，LED固定于末端执行系统中W形状的凹槽中，头部推杆推动LED向下完成插件动作。末端执行系统无法自行取得LED，需推送机构配合打开料夹，将LED横向推送至W形状凹槽中方可完成插装。整个插件模块需完成横向推送、上下、旋转、后退等多个方向的动作，导致动力传动系统结构异常繁杂。本设计中，减少了头部运动自由度，使头部只完成上下、后退两个方向的动作，且两个动作采用联动设计，简化了机构并提高执行可靠性。如图9所示，LED到达插件模块后，无需增加动力机构推送，自动进入预导向机构，插件顶针随即动作带动LED进入辅助导向，经过两次导向后进板，与此同时导向机构后退，平台顺利移动至下一插件孔。在整个联动机构中，只需一个动力单元，即单个伺服电机即可完成所有动作，对比环球插件机，大幅降低成本，简化了控制流程，减少单次插件时间从而提高整机插件速度。

图8 环球6380A立式插件机插件模块简图

图9 自主设计插件模块 末端示意简图

3 结论

图10 LED全自动插件机的样机外观

对比国内外现有散料LED插件机，本文设计了一种新型的LED全自动插件设备，通过优化设计，缩减了繁杂的插件系统，利用柔性机构自动上料检测，并独创性地提出了一种磁性传送的方式。现已制造样机并验证了系统功能，图10为样机外观。该款新型LED全自动插件机的研发从企业的实际需求入手，严格分析生产工艺流程，并借助科学的设计分析手段，提高了插件速度并有效降低成本，对于LED下游生产企业有极高的推广应用价值。

[1]付文华.LED插件若干技术的研发[D].合肥工业大学,2012.

[2]孙四通.自动插件机控制系统的研究[D].青岛科技大学,2011.

[3]文怀兴，马小琴.LED显示屏生产专用阵列式高速插件机设计[J].机械设计与制造.2009(1):40-42.

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[6]秦大同,谢里阳.现代机械设计手册[M].化学工业出版社,2011.

Design and analysis of a new LED automatic plug-in machine

YANG Jie，ZHANG Qi，WANG Xiao-jun，SONG Dao-lei，ZHENG Bin

分析了LED显示屏插件设备的发展概况，针对现有市场国外插件设备性能优越而价格高昂，国内产品价格低廉而性能相对较差的尴尬现状，设计了一款新型的散料LED全自动插件机。对比国内外同类产品的优劣，运用模块化设计思想，通过机构的优化与重构，有效解决了柔性上料、高精度传送、高速联动插件等技术难题，在保证高速高精度插件的同时，降低设备成本，提升设备的市场竞争力。

LED插件机；整机设计；模块化；结构优化

杨杰（1984 -），女，硕士，主要从事机器人领域相关技术研究工作。

TH122

A

1009-0134(2014)05(下)-0113-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).32

2013-12-31

重庆市科技攻关计划项目：高速LED插件机器人研究及应用示范（cst2012ggC70001）；国家自然科学

利用机械开关提高压电马达效率的研究（51205435）