LED自动传送机构的研究与设计

摘 要：目前，LED插件机为了降低成本多采用散料插件，即在插件前要将零散的LED灯通过传送装置进行有序排列、管脚校直、辨别极性等工序后传送到机械手装置完成插件，以便于机械手的抓取，并保证了LED插件机的速率和成功率。文章根据二极管的特殊结构，设计了一种二极管的自动传送装置，实现了二极管在传送过程中的管脚校直、辨别极性等功能。LED自动传送机构为LED自动插件提供了技术支撑，实现了LED传送过程的自动化，对LED行业的发展有重要推动作用。

关键词： LED；传送装置；极性辨别；校直

中图分类号：TN312+.8 文献标识码：B

Research and Design of LED Automatic Transport Mechanism

FU Wen-hua, TAO Xiao-jie

(School of Instrument Science and Opto-electronic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China)

Abstract: Currently, LED plug-in machine use bulk material plug-in to reduce costs. The piecemeal led lights before the plug-in carry out ordered arrangement, pin alignment, identify polarity and other processes through the transfer device, then LED be transferred to the robot device to complete plug-in for enabling crawl, and guaranteed rate and success rate of the LED plug-in machine. This text based on the special structure of the diode to design a automatic transmission device of diode. This automatic transmission device achieve diode pin alignment, identify polarity and other functions in the transmission process. The automatic transmission device of diode provide technical support for the LED plug-in machine, achieve the automation of the LED transfer process and has an important role in promoting The development of LED industry.

Keywords: LED; transfer device; polarity identification; alignment

引 言

LED显示屏由于发光亮度强、成本低、节能、使用寿命长等优点，可以满足各种不同行业的需求，发展前景非常广阔。LED显示屏由单元显示板拼接而成，由很多个LED发光管按一定排列顺序插入到PCB单元板的通孔。LED插件工艺有手动插件和自动插件。传统的手工插件可靠性低、效率低、劳动成本高，而国外插件机实际插件速度保证在20,000件/小时上下，这样一天的产量相当于40～50个人的产量（黑白班各25人）。设计一种全自动的LED插件装置替代手工插件，符合LED显示屏生产企业的当前需求，具有重要的现实意义。LED插件机主要由传送和插件两部分组成，本课题主要研究插件机自动传送装置。

1 LED自动传送装置的总体设计

LED自动传送装置为满足插件部分的需要，应实现发光管的散料排序、极性辨别、管脚校直等功能，并且传送装置供料传送速率应满足180pcs/min。LED自动传送装置主要由以下几部分组成：（1） 振料盘散装送料排序装置；（2） 正负极性辨别装置；（3） 管脚校直装置；（4） 管脚预剪装置。根据LED插件机的插件要求以及LED发光管的结构特点，研究LED自动传送过程中各工序的可行性方案，并对各方案进行分析比较。图1所示为LED传送装置的各工序流程图。

2 LED自动传送装置各关键部分的可行性方案设计与研究

2.1 振料盘散装送料

LED自动传送装置采用散装送料，目前国内市场上有很多公司生产二极管散装送料机，采用振料盘的方式，振料盘料斗下面有个脉冲电磁铁，使料盘内的二极管振动，有弹簧片带动二极管螺旋排列输出到出料口。振料盘如图2所示。

国内生产振料盘的企业很多，技术也相当成熟，厂家可以根据客户的需求定做特定的振料盘。整理后二极管竖直排列在轨道上，为保证二极管在轨道上顺利前行，轨道必须倾斜一定角度，利用二极管自身自重向前滑行。假设二极管截面直径为3mm，重量约为0.11g，查表得，低密度聚乙烯（二极管）与钢（轨道）的静摩擦系数为u=0.27，斜坡倾角为 θ，二极管所受最大静摩擦力fmax=mgucosθ，二极管所受重力在轨道方向的分力为f=mgusinθ。保证二极管在轨道上滑行，θmin为arctan0.27=15.1°。所以轨道必须保证与水平面呈至少15°，才能使二极管顺利滑行。但是该角度也不宜过大，因为二极管结构头重脚轻，轨道斜度过大，会导致二极管向前翻倒。经过市场调研，国内生产的LED振料盘单轨供料速率在200～350pcs/min，本设计方案要求传送装置的供料速率为180pcs/min，因此单轨道LED振料盘满足传送装置速率的要求，但是传送装置还有极性辨别、校直等工序，都是在LED传送过程中完成的，这些工序都会影响传送装置的供料速率。本设计采用多轨道传送可解决供料速率的问题，用2～3条单轨道振料盘同时供料或者多轨道振料盘，增加振料盘出料轨道，满足传送装置供料速率的要求。

2.2 正负极性辨别装置

由于LED发光二极管的管脚有正负极的区分，在传送到机械手完成插件之前必须辨别二极管的极性，并统一排列，这样才能完成插件。因此，二极管正负极性辨别装置由两部分组成，一部分是极性辨别装置，另一部分是旋转装置。极性辨别装置是用于辨别二极管由振料盘送出后，二极管管脚的正极在前还是负极在前。旋转装置是根据极性辨别装置得出的结果，将二极管的管脚正负极统一排列，若正极在前负极在后，控制系统发出信号，旋转装置顺时针旋转90°，二极管继续传送；若正极在后负极在前，则控制系统发出信号，逆时针旋转90°，二极管正负极位置颠倒后继续传送。

2.2.1 二极管极性辨别的多种方案

（1） 接通点亮法。由两触点分别接电源正极和负极，当二极管传送到触点位置时，二极管的管脚正好与两触点接触，若二极管管脚正负极与触点一致，则二极管发光点亮，否则，二极管不亮。

（2） 光测量法。二极管管脚的正负极是有长短分别的，用两束平行光线即可测量二极管的正负极，长管脚挡住光线，接收装置接收不到光信号，短管脚光线可以通过，由接收装置可以收到信号。这样，判断两组光信号的不同就可以确定二极管管脚的正负极。

通过比较两种方法，得出接通点亮法更可靠而且电路简单易于实现，光测量法由于二极管管脚的偏斜，会影响到极性辨别的结果。因此，二极管的极性辨别采用接通点亮法。

二极管正负极性辨别装置的工作原理：二极管由振料盘送出后，在轨道上依次竖直排列，轨道有一定坡度，二极管可以利用自身重力传输滑动。先进行二极管正负极辨别，然后再送至旋转装置。如果二极管点亮，旋转装置逆时针旋转90°；如果二极管不点亮，旋转装置顺时针旋转90°，然后继续传送。图3所示为正负极辨别装置结构图。

2.2.2 二极管正负极极性辨别装置结构设计

（1） 极性辨别装置。二极管极性辨别采用接通点亮法，二极管从振料盘传送出后是依次竖直排列的。传送二极管的轨道中间有沟槽，二极管管脚插入其中，依次并排传送。在轨道末端设有挡块，而挡块前段的沟槽内装有两块触点片，分别接电源的正负极。根据实际要求，当二极管传送到轨道末端，电磁铁通电保证触点片正负极分别能与二极管管脚接触。二极管正负极与触点片一致则二极管点亮；否则，二极管不亮。由PLC接受极性辨别信号，并将旋转控制信号传送到电磁阀。

（2） 旋转装置。二极管由极性辨别装置辨别极性后，电路中传感器将信号传送回计算机，计算机发信号，电磁阀控制旋转气缸旋转。正引线在前顺时针转90°，负引线在前逆时针转90°。如图4所示：旋转台侧面设计电磁铁滑块，通电后可以前后运动。利用磁力吸引转向后的二极管运动到倾斜轨道上，继续传送。然后旋转台复位，下一支已知极性的二极管进入旋转台进行旋转。设计旋转台的圆盘直径应与与二极管灯体直径尺寸相近，每次只容许一支二极管进入旋转台，以保证二极管转向装置的准确性。

2.3 管脚校直装置

实际上，二极管在电镀过程中管脚产生弯曲是不可避免的，零散的发光二极管的管脚有一部分是歪斜的，发光二极管的管脚歪斜会导致插件机械手无法完成准确插件。插件机的不良率很大程度上是由二极管的管脚歪斜造成的。因此，发光二极管在LED自动传送装置上传送的过程中，必须对每一个二极管的管脚进行校直，然后才可以传送到插件机械手完成插件。二极管管脚的歪斜有两种：（1）在两管脚平行平面内弯曲；（2）在垂直于两管脚平行平面方向的歪斜。

二极管管脚的截面是矩形的，当截面形状与面积不变时，其抗弯能力取决于受力端面的长度。假设二极管管脚端面的边长为b、h（b

2.3.1 回弹现象

设计二极管校直装置时，必须考虑到回弹的影响，对回弹现象的形变进行研究。回弹现象：材料弯曲在发生塑性变形时伴有弹性变形，当载荷去除后，塑性变形保留下来，弹性变形则完全消失，使零件的形状和尺寸发生变化而与模具尺寸不一致的现象叫回弹，零件与模具在形状和尺寸上的差值叫回弹值。二极管的校直可以看成是材料弯曲过程的逆过程，所以校直回弹现象和弯曲回弹现象可以看成是同一过程。影响板料校直回弹的因素很多，主要由三方面组成：（1）材料的力学性能：材料的屈服点σs越大，弹性模量越小，弯曲回弹越大，即σs /E的比值越大，材料的回弹值也越大。（2）相对弯曲半径ρ/b：相对弯曲半径越小，回弹值越小。相对弯曲半径减小时，材料外侧表面在长度方向上的总变形程度增大，其中塑性变形和弹性变形成分也同时增加。但在总变形中，弹性变形所占的比例相应减小，说明随着总的变形程度的增加，弹性变形在总变形中所占的比例反而减小了。（3）弯曲件角度：在一定的相对弯曲半径情况下，弯曲角越小，则对应的参加变形的区域越大，弹性变形量的积累量也越大，因此工件的回弹值也越大。

2.3.2 回弹量的计算

由于回弹角受到诸多因素的影响，所以要在理论上计算回弹角值是很困难的，通常按经验数据来选用。当弯曲半径较大时，不仅回弹角达到了较大数值，而且圆角半径也有变化，这时的回弹主要取决于材料的力学性能。二极管管脚在垂直于长度为h的端面方向上容易变形，所以这里计算的是在该方向上校直的回弹量。由于二极管在轨道上是竖直传输的，管脚插在轨道中间的沟槽中，二极管除管脚以外的部分位于轨道平面上，因此，轨道沟槽的宽度必须小于灯体的宽度。如图2所示，二极管灯体直径为3.7mm，所以我们假设沟槽的宽度L=3mm，预剪后二极管管脚的长度S=6mm。二极管在轨道槽中容许的最大弯曲角α=90°-arccos(L/2S)=6°。由于管脚各截面转矩相同，管脚上点点中性层曲率半径均相同，所以该段弯曲管脚可以看成圆弧，圆心角θ=α=6°，管脚端面宽度b=1.2mm。

弯曲圆角半径为：

ρ=180s/(θ3.14)-b/2=7mm

式中s为弯曲段的弧长，经测量s为0.8mm。

回弹后管脚的弯曲半径和回弹角可按下式计算：

回弹后圆角半径

ρ'＝ρ/1+（3σS/E）（ρ/b）（1）

简化系数A=3σs/E

ρ'＝ρ/1+A（ρ/b）（2）

回弹角数值

Δα=（180-α）（ρ/ρ'-1）（3）

式中，ρ'――回弹后圆角半径；

ρ――校直前圆角半径为19mm；

α――校直前弯曲角为6°；

σs――屈服强度；

E――弹性模量；

b――材料厚度；

A――计算圆角半径的简化系数（查表得二极管管脚材料合金铜的简化系数A为0.0021）。

将已知条件代入（3）式得二极管管脚最大回弹角Δα=2.1°。

由此可知，校直装置对二极管管脚进行校直后，最大回弹角约为2°，二极管管脚末端由于回弹现象偏2.3.3 二极管校直装置的设计

二极管管脚校直装置是对二极管两端管脚（引线）校直的专用设备，可以自动完成对二极管管脚的机械校直工序。采用该设备不仅可以提高校直质量及工作效率，而且可以减少大量的人力资源，真正实现了以机器替代人工的作业方式，从而解决了几十年来阻碍该行业技术进步的一大难题。

二极管管脚校直装置的设计方案有两种：

（1） 由于发光二极管传送轨道的结构，二极管在轨道上是竖直排列的，管脚在轨道中间的沟槽内。轨道槽平面和二极管管脚平行平面方向一致，二极管管脚以上的部分是在轨道面上的。因此，可以利用压缩沟槽端面校直垂直于二极管管脚平行端面方向上的歪斜。该校直装置的结构简图如图5所示，校直装置由两矩形金属块并排放置，中间留有间隙，间隙宽度与传送机构的沟槽宽度相同，形成一条轨道槽，使二极管管脚正好可以进入间隙内，并且保证二极管管脚以外的部分在两金属块端面上。两金属块形成的轨道槽与传送装置轨道衔接，因此该装置也是传送机构轨道的一部分，不同的是，该段的沟槽间隔是可以控制的。两金属块一个是固定的，另一个的端面由气缸推动，使两金属块间隙变小，对二极管管脚进行挤压使其产生塑性变形达到校直的目的。

该校直装置的校直过程为：① 校直装置两端挡块控制二极管进入校直装置；② 控制电磁阀驱动气缸进行校直，校直完成后金属块复位；③ 挡块收缩，未校直的二极管进入校直装置，并推动已校直的二极管继续传送，然后管脚校直装置重复上述步骤，完成后续传送的二极管校直。该方法采用了纵向上料的方法，可以实现均衡快速上料（每秒钟>12支），美国、日本、中国台湾及大陆广东肇庆产的设备是横向上料方法（每秒钟3～5支）。在传送过程中对二极管进行校直，不会影响二极管的传送效率。该方法无法校直二极管管脚平行端面内的歪斜，且不能对二极管管脚进行彻底校直。但是，由于二极管管脚的结构，管脚在平行端面方向上不易产生变形。因此，该设计方案非常适用于二极管管脚校直。

（2） 该设计方案采用弹性皮带夹持二极管，既可对二极管进行保护，又使二极管管脚得到了校直。该管脚校直装置主要采用如下原理：

① 利用金属的塑性变形原理，在对工件多次的反复挤压变形作用下，保留其塑性变形而使工件校直；

② 采用纵向送料径向校直的工作原理，可以实现上料速度快，校直质量高；

③ 采用弹性皮带夹持二极管，既可对二极管进行保护，又使二极管管脚得到了校直；

④ 采用多级弹性增速胶辊使二极管增速，从而将二极管预先拉直与分离。

该设计方案的特点：

①本机采用了纵向上料的方法；

②本机采用多级增速胶辊实现了对多排弯曲的二极管预先拉直与分离。二极管靠惯性冲入到多级增速胶辊中时，由于多级（5组）增速胶辊的线速度不同（V1=2m/s-V5=12m/s），二极管在胶辊的挤压与摩擦作用下将弯曲的工件适当拉直与分离。理想状态下如每秒通过12支，瞬间每米长度上只有一支二极管，每支二极管的长度为62mm，只占长度的6.7％。因此实际工况条件下两支二极管相互搭接的情况几乎为零，通过厂家使用也证明了这一点；

③本机采用了两对呈90°方向的皮带，经过由大到小波浪滚的作用将二极管校直。首先二极管在通过垂直方向的皮带后，二极管在垂直方向的不平度便被校平；随后二极管在惯性力的作用下，保持原状态（不翻转）进入到水平方向的皮带，二极管在水平方向的不平度也被校直。经过垂直与水平方向校平后的二极管整体也就被校直了。

胶辊式校直装置结构图如图6所示，供料装置包括自动上料机1，其为采用电磁振动的上料机。二极管由上料机的出口顺序排列在斜坡匀料板2上，该匀料板设有匀料通道。由自动上料机送出的二极管在匀料板上纵向顺序排列，沿匀料通道斜面自由下滑进入输送料机的水平送料辊3上。夹持辊6留有二极管输送通道，并且多个依次排列固装在机架上的夹持辊6组成了多级增速机构，保证二极管传送的速率。在夹持辊输送通道中的二极管能够有序、顺利地依次进入引线校直装置中。水平送料辊3与夹持辊6之间设有二极管受料口4和引料辊5，受料口4可以将少量管脚曲度较大的二极管挡下，其余的将通过受料口4并在引料辊5的夹持下，进入到二极管传送通道中，收料器7出口对准管脚校直通道，经过水平校直辊组8和竖直校直辊组9分别校直二极管管脚的曲度。最后落入集料斗10和接料盘11内。

2.4 管脚预剪装置

二极管在LED自动传送装置传送过程中，完成极性辨别、管脚校直的处理后，就可以对管脚进行预剪处理。管脚预剪的目的是将二极管管脚的长度剪切到易于插件的长度，而且二极管管脚经过刀具的预剪，可以再次对管脚进行校直。管脚预剪装置亦由两金属块组成，两金属块端面留有空隙，衔接于传送轨道的沟槽。两金属块是固定的，在其中一个金属块的间隙端面上安装有刀具，当二极管传送到位后，两端的挡块将进入预剪装置的二极管隔开，端面一侧的刀具对二极管管脚进行预剪。然后挡块收缩，处理后的二极管被未预剪的二极管推出管脚预剪装置。

3 结 论

本文提出一种全新的散装二极管传送模式――LED自动传送装置，并且对该装置的各关键技术进行了设计与研究。LED自动传送装置是在散装送料振动盘的基础上增加了正负极极性辨别、管脚校直、管脚预剪等装置，使二极管在不间断的传送过程中完成上述处理。LED自动传送装置并不是简单的将二极管传送到指定位置，而是提出了一种全新的传送模式。由该自动传送装置传送的二极管不需要再进行任何处理，可以直接传送到LED插件机械手装置完成插件。而且，对二极管正负极极性辨别、管脚校直、管脚预剪的处理都是在二极管传送过程中流水线式地连续完成的，并不影响LED自动传送装置的传送速率，大大简化了LED插件机的结构，提高了插件速率，并且降低了插件机的不良率。由于LED自动传送装置的技术指标达到了国际先进水平，性价比高，完全能够满足用户需求，在国内外市场具有一定的优势，完全可以在国际、国内的市场竞争中占有一席之地，不仅为国家创造外汇，而且将产生明显的经济效益和显著的社会效益。

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