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摘要：如何提高LED灯丝生产效率和质量将成为一个重点，目前大多数厂家对于LED灯丝生产处于非自动化生产水平，人工冲切、分光和包装，各个工序处于独立状态，没有连续性，因此在生产过程中除了人工成本增加外，还存在很多不必要的时间损失，产能也随之降低，统计表明，目前LED灯丝的综合产能约在2K/h左右的水平，处于较低水平，同时由于各种人为因素，对于质量方面也无法保证，因此提高生产装备的自动化水平是一个非常重要的环节，本文将重点对LED灯丝生产中冲切、测试和包装工序如何实现自动化工艺和其机械结构设计的研究。
关键词：机械结构；自动化；工艺
近年来，LED照明的发展十分迅速，各种LED照明灯具层出不穷，特别是LED灯丝灯，这两年在国内LED照明市场渐趋火热，各大照明企业纷纷推广这一产品。相较于白炽灯及普通LED灯，LED灯丝灯兼备两者的优势又避免了它们的短处：1、360度全角度发光立体光源；2、高显色性、高光效；3。符合人们对与光源外观的习惯；4、较之于普通LED灯，成本较低。各种优势表明，LED灯丝灯在未来LED照明领域将占领一个重要地位，在这种形式下，如何提高LED灯丝生产效率和质量将成为一个重点，目前大多数厂家对于LED灯丝生产处于非自动化生产水平，人工冲切、分光和包装，各个工序处于独立状态，没有连续性，因此在生产过程中除了人工成本增加外，还存在很多不必要的时间损失，产能也随之降低，统计表明，目前LED灯丝的综合产能约在2K/h左右的水平，处于较低水平，同时由于各种人为因素，对于质量方面也无法保证，因此提高生产装备的自动化水平是一个非常重要的环节，本文将重点对LED灯丝生产中冲切、测试和包装工序如何实现自动化工艺和其结构设计的研究。
1.自动化工艺研究
1.1产品结构特征和分析
LED灯丝的结构特征，一片支架一般由48根灯丝组成一片支架，正极和负极分别用金属支架连体，单根主体主要是由陶瓷或玻璃构成主体，一般直径1.8mm，长38mm，所以生产中容易造成人为取放料时发生断裂；LED芯片处于灯丝单面，周围有荧光粉包裹成圆柱状且对称，测试时led芯片那面正对检测光钎，由于外包围的荧光粉成一圆柱形，因为人工很难判断出哪边是芯片的正面，人工生产测试中往往容易出错，需要复测造成时间浪费。传统LED的自动化设备虽然也是把冲压、测试和包装独立工作，但是其均为高速型设备，如振动盘高速上料、高速分光和高速包装等，独立操作也可以达到较大的产能；但鉴于LED灯丝的结构特征，这类设备均无法适用于灯丝设备中，因此要提高生产效率和质量的方法就只有把各个工艺整合一体来，从上料、冲切、测试和包装做成一体化机型，中间取消人为干预，才能较合理地解决上述的问题。
1.2自动化工艺设计
把LED灯丝冲切、测试和包装工序整合，关键就是要解决各个工序之间如何接洽的问题，只要把各个工序之间的接洽问题解决，就可以实现一体化，这一点可以通过引入机械手的方式实现，机械手特点动作快，精度高，动作平稳，此特点可以有效地解决人工操作中缺乏稳定性和一致性的问题，节省人工成本。根据生产工艺，可以设计出如下工艺图：.png)
工作原理和步骤：首先需要人工把装满LED灯丝的料盒放在上料机构上，上料机构可以通过电机驱动移动至料盒每一层，然后一推料机构把料盒中的一片LED灯丝放入传送机构，传送机构，其通过一治具固定好灯丝的位置，然后把灯丝搬运到各个工位上，第一步先搬运到冲切机构，冲切模具把灯丝切成单根，每一根的位置不变，保证灯丝发光面一致，第二部把单根灯丝平稳搬运到测试机构，测试机构进行光、色、电参数的测试，测试系统会对每根不同参数的灯丝进行分档，包装机构为一两轴龙门式机械手，通过真空吸头吸起灯丝后，根据分档的信号按规律整齐地包装到每个对应档位的包装盒，当一个包装盒满料后，设备会提示，由人把料盒取出，并把空包装盒装上。整个过程只需要一个人来操作，即把料盒放上上料机构，然后包装完之后把盒子取出，整个自动化过程中除了上下料需要人工放料盒和取料盒外，中间均不需要人为干预，并且一个人可以同时操作4台设备，统计数据，自动化和人工操作如下数据：
从上述数据可以分析出，相同时间里面，自动化产能约为人工生产的达到2倍，节省人数换算为12倍，复测率和不良率大大减少。可以看出，实现自动化优点，生产效率有成倍增加，人工成本大大降低，完全避免三个工序中间经过的人为操作而造成的断裂、复测等现象，相应的产品质量也会显著提高。
2.各个工序机械结构研究
2.1传送机构
传送机构分为上料机构和搬运机构。上料机构作用是把料盒里面的LED灯丝推送到搬运机构，LED灯丝料盒是一个水平放置、层叠式的零件，因此我们可以采取常用的单轴机械手的方式实现，机械手可由直线滑轨+滚珠丝杠的传统线性运动的结构来搭建，通过一57系列步进马达控制料盒升降移动，把每一层的LED灯丝逐片移动到到搬运机构的治具同一平面的位置上，再由用气缸作为动力构成的推送机构把材料一片片推到治具上，治具上有固定卡位，可以保证LED灯丝的位置一致。由于上料时精度要求不高，所以丝杠可以选择C7以上级别就可以满足，直线导轨也可以选用一般精度级别滑轨，另外推送气缸上需要加一个卡料报警装置，以避免卡料时把产品撞坏，可以利用弹簧+光电感应器来组成。
搬运机构做水平搬运动作，由单轴机械手和治具构成，相对来说，其性能要求较高，移动范围从冲切、测试到包装三个工序，约1500mm，要保证灯丝移动到每个工位的能保持一致，主发光面朝上，那么位置控制要准确，重复精度和定位精度必须要求0.02以内，移动平滑性要好，另外速度要达到4k/h，对于硬件选型就必须选择精度较高的，因此设计时选用滚珠丝杠+直线导轨+伺服电机的组合较为合适，丝杠需要至少选择C5级别，伺服电机采用闭环系统控制，位置控制，运动平滑性都有保证，另外就是要考虑搬运线性与各个工序的中轴线保证平行，由于行程较大，若不平行的话会造成位置的偏差。治具的设计也要考虑合理性，灯丝放在治具上面，要保证其在运动时各个方向相对不变，治具卡槽要设计成双斜面卡主灯丝，亦可增加真空孔吸附。传送机构是整个自动化系统很重要的一个部件，各个工序过渡接洽就靠它，因此，做好这步十分关键。
2.2冲切机构
冲切机构就是把灯丝从整片冲切成单根，区别于普通的冲压模具，普通的材料一冲就把材料冲到料盒里面，收集一大堆在拿出来，而灯丝就不同，要考虑到后面测试工序，所以冲完之后灯丝必须在治具上位置保持一致，然后取出治具，这样一来对模具冲刀的精度比一般的要高些，例如灯丝支架的厚度为0.15mm，那么上下刀的间隙就要控制在厚度的10%以内，这样冲口才不会有毛刺，倘若出现毛刺，灯丝就有可能粘在下刀上，或者开模的时候会把灯丝带起来，这样就造成灯丝散乱，后面无法测试。当然，结构上可以考虑增加一条柔性压筋，开模的时候压住灯丝不然它动。
2.3测试机构
测试机构包含测试动作机构和测试系统，测试动作机构可以考虑使用升降机构来实现，把灯丝从治具顶进光纤检测系统进行测试，然后通过探针和电源把灯丝点亮让光谱仪采集光、色等信息，测试完成把灯丝放回治具，如果对测试参数要求较高的话可以考虑单根测试，如果对速度要求较高的话，可以选择多根测试。测试系统由光谱仪、光纤和工业电脑和测试软件组成，负责采集光、电、色信息，然后根据客户的分选条件发出相应的档位。
2.4 包装机构
包装机构就是把灯丝从治具取出，然后根据测试系统的分档信息，移动放到对应的料盒。包装系统是限制着整个自动化速度，也就是说是一个瓶颈，因为当你分档数量多的时候相对移动的范围就大，速度就提不上去。目前可以考虑一个较为合理的方式是，三轴机械手的结构，由四个吸头分别旋转组成一个旋转机构，每90度吸取一次灯丝，然后底部料盒通过双轴机械手移动，把对应的料盒移动到同一的位置，每次灯丝只固定放一个位置，利用运动的时间差来达到较高速度，这样一来速度有所提升，也可以把料盒里面的灯丝梳理一下，整齐排放。
3、控制系统
自动化一体式控制采用PLC控制系统，结合触摸屏人机界面，工业电脑配合控制。
4结语
现代机械制造及其自动化系统将传统的人机合作模式向自动化智能化模式转变，无论从产品的设计、制造上，还是产品的包装与产出上都将机电一体化与计算机信息系统有机地整合，不仅降低了企业生产成本，而且给产品创造了优良的品质。
参考文献：
[1] 李允文．工业机械手设计[M]．北京：机械工业出版社，1996
[2] 杨黎明．机械零件设计手册．第一版：中央广播电视大学出版社，1998，2
[3] 易德君．机械制造与设计及其自动化发展趋势[J]．大科技，2012，10（12）．
论文作者:陈伟明,单忠频
论文发表刊物:《基层建设》2016年15期
论文发表时间:2016/11/15
标签：灯丝论文; 测试论文; 机构论文; 工序论文; 机械手论文; 治具论文; 水平论文; 《基层建设》2016年15期论文;