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摘 要：随着LED产品的应用越来越广泛和受欢迎，产品需求量逐步增加，同时，性价比竞争也越来越激烈。作为生产企业，想要继续生存下去，唯有降低生产成本及提高生产效率来保证产品利润。本项目设计一款高速的全自动LED灯仔分拣机，提高检测和分拣效率及准确性，能为企业降低生产成本，保证产品供货需求。此分拣机采用凸轮机械手自动上料，采用PC机和DSP控制对LED灯仔进行光电参数检测和分拣，对同档参数的产品归集，同时分类归档生成数据报表，提高生产效率，提高分拣精度，减少生产成本。
关键词：高速检测；高精度分拣；凸轮机械手；分拣平台
中圖分类号：TH691.5 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）24-0030-03
本文主要阐述了LED灯仔全自动分拣机的设计原理，结构设计特点、零配件选型等，从而体现该设备设计满足生产需求、节约生产成本及提高生产力方面的符合性。与现有的LED分拣机比较，本项目分拣机主要的不同点在于结构不同，生产速度与精度不同，从而，根据需求在设备结构、控制系统等方面都进行优化设计，以便更好的为LED灯仔分拣工作服务。
1 设备工作原理
该设备做到完全自动化，适用于要求检测速度高、分拣精度高的LED灯仔批量生产分拣，该设备主要用于测试LED灯仔的亮度、波长、色温、坐标、电流、电压等性能参数，并按参数设定范围对产品分类归集。该设备主要工作原理简述如下：
振动盘自动上料→凸轮机械手吸盘取放料→伺服旋转平台→光电参数测试装置→伺服旋转分料平台→接料装置。
具体工作原理如下：
首先，将所测产品放于振动盘，振动盘上方安装离子风机，可有效清除空气中的灰尘及杂质粘在产品上，振动盘速度可根据需求进行调节，产品平稳到达水平料道；然后凸轮机械手吸盘从水平料道的固定位置吸附产品，将其送到伺服旋转平台的固定模具中，伺服旋转平台设有16个模具工位，每个工位都用真空吸盘吸附产品，确保产品不移位，每个工位之间的角度是相等的，且伺服电机旋转停止的精度和重复精度是非常高的，每一次旋转都能停在同一位置。通过伺服旋转平台的旋转，将产品送至光电参数测试装置工位，在此工位对产品进行点亮测试（光电参数的测试）。由台湾光谱测试仪测试产品的光参数，由专门订制的PCB板测试产品的电参数，再分别将测试数据传输至PC，同时通过显示器显示所测数据。PC中的程序对所测的数据进行分析判断，根据与最初设定的参数对比，分别将产品分至相应档位，分料平台收到分档命令后执行分档操作。最终分拣好的产品落在标有标识的各参数范围的接料装置，即料筒内。每个料筒内的数量达到设定数量时，机台自动报警，将产品倒出标识后，料筒归位，机台继续运作。
其中，产品分料平台为XY轴平台，共有128个档位，可根据产品特性的测试结果分别分到相应的档位。0-119档位为分拣出的合格品档位，与其设定参数对比进行分拣，如电压、亮度、色温参数在同一设定范围内的产品分到一个档位；120-127档位的产品为不良品，根据产品不良特性分别分到相应的档位，如亮度偏高的分一个档位，偏低的分一个档位，色温偏高的分一个档位，漏电的分一个档位等等。测试完成后系统自动生成报表，见表1。
2 上料机械手设计
产品上料从一个位置搬送到另一个位置，一般情况下有两个方式可以实现：传统结构X、Y、Z轴送料平台；凸轮送料机构。根据设备的设计要求，产品要达到高速分拣，运行平稳，通过以下计算，最终确定采用凸轮结构机械手。
A.本设备设计速度为：30 k/h，即应小于0.12 s（120 ms）分拣1个产品；
B.伺服电机额定转速是：3 000 r/min，即6 r/120 ms。
所以，完成一个产品分拣要在伺服电机6r的周期内完成，凸轮结构可以在电机1r的周期内完成任意2个点的运动，加之电机响应速度快，运行平稳，这样的结构设计也能大大提高工作效率。而XYZ轴送料平台比较难于满足我们的要求，综合考虑，采用凸轮结构结构机械手是最佳的上料方式。凸轮机械手内部结构，如图1所示。
凸轮结构机械手主要由伺服电机、偏心凸轮、2个回转副、滑块导轨、限位开关、真空吸盘等组成；根据产品形状、重量等特性综合考虑，机械手最为合适的抓料方式就是采用真空吸盘取料、放料，这样的设计不易使产品变形，也不会在产品表面产生脏污，能有效控制产品在测试过程中的品质，同时也能保证产品在取放料过程中的重复精度。
抓料真空吸盘面积设计：
设产品重量为G，需要的真空压力>F吸，设真空压力为P真空；
选用F吸>G×9.8 N/kg；
根据
F吸=P真空×S面积
则：
S面积=■。
3 旋转工位台
3.1 旋转工位台的作用
旋转工位台的作用是将LED灯仔依次送往每个工序位进行处理，按圆周的轨迹变动位置，如单个LED灯仔运动的工艺位置过程：先上料、测试参数、分拣下料。每个工位台需要精确平稳地重复原来的每个位置，确保产品测试的准确性。旋转工位台也是整个机台最关键的部件之一，它的旋转精度直接决定着产品能否顺利测试，若精度不高，重复精度达不到要求，产品就没有办法准确达到测试位置进行测试。
为了达到设备的技术指标，对该机构提出的性能指标如下：
工位台旋转30 °的时间≤60 ms；
工位台的旋转角度精度≤0.1 °，重复精度≤0.15 °；
同时，设备的分拣速度很大程度上取决于旋转工位台的旋转速度。
3.2 旋转工位台机构的设计
因旋转工位台只作平面旋转运动，因此可简化运动机构的传动结构，直接采用伺服电机配合高精密凸轮减速机带动工位台。工位台材料采用美铝7075材料，从而大大减轻圆盘工作台的质量，减小工位台的旋转惯性力。由于LED灯仔的质量也较轻，也为平板形，所以固定装夹灯仔模具采用真空吸力固定，在工位台上加工对称阵列的小孔，增加吸力面积，即提高真空作用力，也使得机构简化，减少成本，对装夹的LED灯仔各类通用性也强，不易损坏。旋转台结构原理，如图2所示。 3.3 电机的选型
在电机的选型过程中， 考虑到我们的设备是高速运转，且需要非常平稳，控制精度要高，所以在选型过程中，电机需满足以下要求：①快速启动，启停响应快；②控制精度高；③运转平稳；④输出力矩稳定；⑤能承受一定的过载。综合以上要求，我们认为伺服电机更能满足我们的要求。
步进电机从静止加速到工作转速需要上百毫秒，响应时间较长，交流伺服系统的加速性能较好，一般只需几毫秒；且步进电机低速时易出现低频振动现象，运行不够平稳。同时，步进电机为开环控制，启动频率过高或负载过大易产生丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲现象，也不具有过载能力，输出力矩会随转速升高而下降，从这几个方面来看，步进电机均不适合。
该分拣设备上的转盘旋转工位采用型号为MHMD08ZG1U的松下AC伺服马达驱动，其功率为750 W，频率200 Hz，额定转速3 000 rpm。
之所以选用该马达，是因为它有以下优点更加符合我们设计的要求：①高速响应，响应频率为2.0 kHz，动作柔顺，停止时低振动，高精度定位的时间缩短， 智能化，多机能实时自动增益调整，内置简单地自动设定的制振滤波器和限波滤波器，同时配备了机器模拟功能；②轻巧，新工艺、新开发内核技术及编码器实现了马达的轻量化及小型化；④安全；⑤使用方便，可预报使用寿命，监控编码器温度。
4 光色电检测系统
本课题研发的设备需要测定的参数有：亮度、坐标、色温、波长、电压、电流等。整个LED多参数检测系统采用上、下位机模式，双核DSP控制。LED检测数据的采集、分析和处理以及操作命令的发出主要由PC机完成，旋转工位台和机械手以及其他控制部分分别由DSP单元完成，DSP与PC机之间采用串口通信模式。 运用程控恒流源点亮被测LED，程控恒流源有稳流作用，可以提高测量精度，保护LED质量。被点亮的LED瞬间电流、电压经过测试仪，即可测试各项需要的电参数。 LED在被点亮时，光在光谱仪中经过处理，可以读出需要的数据送往PC机。各项测试参数完成后，再由USB2.0接口将光谱仪及RS-232串口测试仪连接PC机，所有数据经过安装在PC机上软件处理运算进行分类得出参数报表，此软件是在CCS环境下用C++语言编程设计的处理数据程序，根据不同的测试参数要求而编写。该设备开发的上位机程序与PLC程序与定制的高速振动盘和光电测试仪匹配运作，上位机软件根据采集光电测试仪所测数据对产品进行分拣。测试系统原理图，如图3所示。
5 分拣平台
设备分拣平台共设置128个分拣档位，其中0#～119#为测试合格产品档位，120#～127#为不良品档位。不良品档位主要收集所测试的LED灯仔亮度偏高、偏低，电压电流过高或过低等现象的产品。
分拣机构是采用了XY轴平台结构，由高速响应的伺服马达驱动，通过光电测试系统数据的采集及分析判断结果对产品进行分拣。分拣平台的128个料口对应接料装置中的128个料筒，伺服电机的高速响应和高精度控制确保了产品分拣的准确性，其分拣精度达到99.5%以上，产能达到30K/h。
6 结 语
本文设计高速分拣机（30 K/h）是目前分拣机（18 K/h）的升级版。为满足批量生产的需求、提高生产效率及稳定性、避免人工操作中因人为失误而影响产品测试质量及稳定性，整机采用精密的零部件，应用台湾光谱测试仪，数字控制系统，高精度、高效率地实时驱动每个工环节，确保生产顺利进行。
因LED具有节能环保的优点，被社会生活中大多数人认可，并在各种场合都会应用到，因此，它的使用量由最初的小批量生产提升为大批量的生产，在需求量急增的情况下，必有大批企业涌入此行业，若要在LED行业具有高性价比的产品，同时也要保证企业的利润，必须要在生产工艺过程进行技术改造，来提升生产效率与品质。不能靠压缩配件质量来取得利润，所以本文研发设计的LED灯仔高速全自动分拣机，恰好可以解决以上的問题，同时，也可以为企业在该行业中争取更大的利益。
参考文献：
[1] 丁鹏飞，潘建根，沈海平，等.大功率LED全自动分拣机的设计[J].照明工 程学报，2008，（1）.
关键词：高速检测；高精度分拣；凸轮机械手；分拣平台
中圖分类号：TH691.5 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）24-0030-03
本文主要阐述了LED灯仔全自动分拣机的设计原理，结构设计特点、零配件选型等，从而体现该设备设计满足生产需求、节约生产成本及提高生产力方面的符合性。与现有的LED分拣机比较，本项目分拣机主要的不同点在于结构不同，生产速度与精度不同，从而，根据需求在设备结构、控制系统等方面都进行优化设计，以便更好的为LED灯仔分拣工作服务。
1 设备工作原理
该设备做到完全自动化，适用于要求检测速度高、分拣精度高的LED灯仔批量生产分拣，该设备主要用于测试LED灯仔的亮度、波长、色温、坐标、电流、电压等性能参数，并按参数设定范围对产品分类归集。该设备主要工作原理简述如下：
振动盘自动上料→凸轮机械手吸盘取放料→伺服旋转平台→光电参数测试装置→伺服旋转分料平台→接料装置。
具体工作原理如下：
首先，将所测产品放于振动盘，振动盘上方安装离子风机，可有效清除空气中的灰尘及杂质粘在产品上，振动盘速度可根据需求进行调节，产品平稳到达水平料道；然后凸轮机械手吸盘从水平料道的固定位置吸附产品，将其送到伺服旋转平台的固定模具中，伺服旋转平台设有16个模具工位，每个工位都用真空吸盘吸附产品，确保产品不移位，每个工位之间的角度是相等的，且伺服电机旋转停止的精度和重复精度是非常高的，每一次旋转都能停在同一位置。通过伺服旋转平台的旋转，将产品送至光电参数测试装置工位，在此工位对产品进行点亮测试（光电参数的测试）。由台湾光谱测试仪测试产品的光参数，由专门订制的PCB板测试产品的电参数，再分别将测试数据传输至PC，同时通过显示器显示所测数据。PC中的程序对所测的数据进行分析判断，根据与最初设定的参数对比，分别将产品分至相应档位，分料平台收到分档命令后执行分档操作。最终分拣好的产品落在标有标识的各参数范围的接料装置，即料筒内。每个料筒内的数量达到设定数量时，机台自动报警，将产品倒出标识后，料筒归位，机台继续运作。
其中，产品分料平台为XY轴平台，共有128个档位，可根据产品特性的测试结果分别分到相应的档位。0-119档位为分拣出的合格品档位，与其设定参数对比进行分拣，如电压、亮度、色温参数在同一设定范围内的产品分到一个档位；120-127档位的产品为不良品，根据产品不良特性分别分到相应的档位，如亮度偏高的分一个档位，偏低的分一个档位，色温偏高的分一个档位，漏电的分一个档位等等。测试完成后系统自动生成报表，见表1。
2 上料机械手设计
产品上料从一个位置搬送到另一个位置，一般情况下有两个方式可以实现：传统结构X、Y、Z轴送料平台；凸轮送料机构。根据设备的设计要求，产品要达到高速分拣，运行平稳，通过以下计算，最终确定采用凸轮结构机械手。
A.本设备设计速度为：30 k/h，即应小于0.12 s（120 ms）分拣1个产品；
B.伺服电机额定转速是：3 000 r/min，即6 r/120 ms。
所以，完成一个产品分拣要在伺服电机6r的周期内完成，凸轮结构可以在电机1r的周期内完成任意2个点的运动，加之电机响应速度快，运行平稳，这样的结构设计也能大大提高工作效率。而XYZ轴送料平台比较难于满足我们的要求，综合考虑，采用凸轮结构结构机械手是最佳的上料方式。凸轮机械手内部结构，如图1所示。
凸轮结构机械手主要由伺服电机、偏心凸轮、2个回转副、滑块导轨、限位开关、真空吸盘等组成；根据产品形状、重量等特性综合考虑，机械手最为合适的抓料方式就是采用真空吸盘取料、放料，这样的设计不易使产品变形，也不会在产品表面产生脏污，能有效控制产品在测试过程中的品质，同时也能保证产品在取放料过程中的重复精度。
抓料真空吸盘面积设计：
设产品重量为G，需要的真空压力>F吸，设真空压力为P真空；
选用F吸>G×9.8 N/kg；
根据
F吸=P真空×S面积
则：
S面积=■。
3 旋转工位台
3.1 旋转工位台的作用
旋转工位台的作用是将LED灯仔依次送往每个工序位进行处理，按圆周的轨迹变动位置，如单个LED灯仔运动的工艺位置过程：先上料、测试参数、分拣下料。每个工位台需要精确平稳地重复原来的每个位置，确保产品测试的准确性。旋转工位台也是整个机台最关键的部件之一，它的旋转精度直接决定着产品能否顺利测试，若精度不高，重复精度达不到要求，产品就没有办法准确达到测试位置进行测试。
为了达到设备的技术指标，对该机构提出的性能指标如下：
工位台旋转30 °的时间≤60 ms；
工位台的旋转角度精度≤0.1 °，重复精度≤0.15 °；
同时，设备的分拣速度很大程度上取决于旋转工位台的旋转速度。
3.2 旋转工位台机构的设计
因旋转工位台只作平面旋转运动，因此可简化运动机构的传动结构，直接采用伺服电机配合高精密凸轮减速机带动工位台。工位台材料采用美铝7075材料，从而大大减轻圆盘工作台的质量，减小工位台的旋转惯性力。由于LED灯仔的质量也较轻，也为平板形，所以固定装夹灯仔模具采用真空吸力固定，在工位台上加工对称阵列的小孔，增加吸力面积，即提高真空作用力，也使得机构简化，减少成本，对装夹的LED灯仔各类通用性也强，不易损坏。旋转台结构原理，如图2所示。 3.3 电机的选型
在电机的选型过程中， 考虑到我们的设备是高速运转，且需要非常平稳，控制精度要高，所以在选型过程中，电机需满足以下要求：①快速启动，启停响应快；②控制精度高；③运转平稳；④输出力矩稳定；⑤能承受一定的过载。综合以上要求，我们认为伺服电机更能满足我们的要求。
步进电机从静止加速到工作转速需要上百毫秒，响应时间较长，交流伺服系统的加速性能较好，一般只需几毫秒；且步进电机低速时易出现低频振动现象，运行不够平稳。同时，步进电机为开环控制，启动频率过高或负载过大易产生丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲现象，也不具有过载能力，输出力矩会随转速升高而下降，从这几个方面来看，步进电机均不适合。
该分拣设备上的转盘旋转工位采用型号为MHMD08ZG1U的松下AC伺服马达驱动，其功率为750 W，频率200 Hz，额定转速3 000 rpm。
之所以选用该马达，是因为它有以下优点更加符合我们设计的要求：①高速响应，响应频率为2.0 kHz，动作柔顺，停止时低振动，高精度定位的时间缩短， 智能化，多机能实时自动增益调整，内置简单地自动设定的制振滤波器和限波滤波器，同时配备了机器模拟功能；②轻巧，新工艺、新开发内核技术及编码器实现了马达的轻量化及小型化；④安全；⑤使用方便，可预报使用寿命，监控编码器温度。
4 光色电检测系统
本课题研发的设备需要测定的参数有：亮度、坐标、色温、波长、电压、电流等。整个LED多参数检测系统采用上、下位机模式，双核DSP控制。LED检测数据的采集、分析和处理以及操作命令的发出主要由PC机完成，旋转工位台和机械手以及其他控制部分分别由DSP单元完成，DSP与PC机之间采用串口通信模式。 运用程控恒流源点亮被测LED，程控恒流源有稳流作用，可以提高测量精度，保护LED质量。被点亮的LED瞬间电流、电压经过测试仪，即可测试各项需要的电参数。 LED在被点亮时，光在光谱仪中经过处理，可以读出需要的数据送往PC机。各项测试参数完成后，再由USB2.0接口将光谱仪及RS-232串口测试仪连接PC机，所有数据经过安装在PC机上软件处理运算进行分类得出参数报表，此软件是在CCS环境下用C++语言编程设计的处理数据程序，根据不同的测试参数要求而编写。该设备开发的上位机程序与PLC程序与定制的高速振动盘和光电测试仪匹配运作，上位机软件根据采集光电测试仪所测数据对产品进行分拣。测试系统原理图，如图3所示。
5 分拣平台
设备分拣平台共设置128个分拣档位，其中0#～119#为测试合格产品档位，120#～127#为不良品档位。不良品档位主要收集所测试的LED灯仔亮度偏高、偏低，电压电流过高或过低等现象的产品。
分拣机构是采用了XY轴平台结构，由高速响应的伺服马达驱动，通过光电测试系统数据的采集及分析判断结果对产品进行分拣。分拣平台的128个料口对应接料装置中的128个料筒，伺服电机的高速响应和高精度控制确保了产品分拣的准确性，其分拣精度达到99.5%以上，产能达到30K/h。
6 结 语
本文设计高速分拣机（30 K/h）是目前分拣机（18 K/h）的升级版。为满足批量生产的需求、提高生产效率及稳定性、避免人工操作中因人为失误而影响产品测试质量及稳定性，整机采用精密的零部件，应用台湾光谱测试仪，数字控制系统，高精度、高效率地实时驱动每个工环节，确保生产顺利进行。
因LED具有节能环保的优点，被社会生活中大多数人认可，并在各种场合都会应用到，因此，它的使用量由最初的小批量生产提升为大批量的生产，在需求量急增的情况下，必有大批企业涌入此行业，若要在LED行业具有高性价比的产品，同时也要保证企业的利润，必须要在生产工艺过程进行技术改造，来提升生产效率与品质。不能靠压缩配件质量来取得利润，所以本文研发设计的LED灯仔高速全自动分拣机，恰好可以解决以上的問题，同时，也可以为企业在该行业中争取更大的利益。
参考文献：
[1] 丁鹏飞，潘建根，沈海平，等.大功率LED全自动分拣机的设计[J].照明工 程学报，2008，（1）.