大功率led全自动分拣机的设计学士学位论文.doc

大功率LED全自动分拣机的设计
1．  引言
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　　LED光源由于其节能，长寿命，环保等优点，被看好为21世纪的光源，极有可能替代传统光源，成为主流照明光源[1]，专家预测LED照明灯将会形成500亿美元的巨大产业。大功率LED是LED光源进入照明领域的必由之路，因此大功率LED的市场前景十分广阔。
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　　由于大功率LED在生产过程中存在较大的离散性，而实际应用对大功率LED光电参数的一致性要求很高，因此大功率LED生产线上一般需要配备相应的快速检测设备和分拣装置。本文介绍了大功率LED全自动分拣机的原理，设计并研制了Luxeon Emitter型大功率LED全自动分拣机。
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2．  原理
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　　本文所述大功率LED全自动分拣机采用PC机与PLC相结合的技术实现LED的自动分拣，主要可分为机械系统，控制系统，测试系统和软件系统四部分，其工作原理如图1所示；
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图1. 大功率LED分拣机原理框图
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　　LED经过排序，定位机构进入分拣机测试工位后，PLC向PC机发送测试请求信号，PC机得到测试请求信号后，PC机软件立即控制恒流/恒压源以及极性切换单元，完成LED自动判向和上电，同时控制LED测试仪器对LED光电参数进行测试，图2所示为分拣机分拣流程图，图中反向参数的测量与否可根据用户的实际需求进行选择，PC机计算得到LED分类号后将其传送给PLC，PLC根据得到的分类号控制送料、分类机构动作，将LED送入相应的物料盒，完成LED的分类。
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图2.LED分拣流程图
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3．  分拣机的具体实现
3．1 机械系统
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　　为了实现大功率LED的自动分拣必须要有能够快速，可靠的对LED进行定位和分拣的机械系统。由于大功率LED的封装形式多种多样，各种不同封装之间的差异较大，很难设计通用的机械系统，因此在设计机械系统之前，应先确定系统的分拣对象。本文所述大功率LED全自动分拣机选择Luxeon Emitter型大功率LED，如图3所示，作为分选对象，这是目前市场上最常见的大功率LED封装形式。
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图3. Emitter型大功率LED
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　　机械系统可由排序上料机构，定位上电机构，送料机构和分类机构四部分组成，其中排序上料机构用于LED的自动排序与单排进料，本文采用适合Emitter型大功率LED封装特性的振动盘与平行引导槽实现；定位上电机构用于LED的定位与上电，主要包括带有特定间距卡口的定位板和电极片，如图4、图5所示。
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图4. 大功率LED分拣机定位机构及其运动轨迹    

         图5. 大功率LED上电机构结构示意图
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　　图4(a)所示定位板在电机的带动下按图4(b)所示运动轨迹循环运行，图中测试工位完成LED光电参数的测试。第一次循环，卡口A将平行引导槽内的一个LED送入测试工位，第二次循环，卡口B将测试工位的LED送入同步带同时卡口A将下一个LED送入测试工位，如此往复。由于定位板卡口之间的位置固定，所以LED每次的运动距离也是固定的，这就保证了LED上电的成功率，同时也减少了测试参数的不确定度。
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　　图5所示为大功率LED上电机构结构示意图，图中1为大功率LED，2为电极片，3为拨杆，4为固定架，5为导轨，6为测试槽，7为弹簧，8为滑块，9为引出导线，10为电极孔，11为电极支撑架，12为固定孔。电机带动固定架与滑块在导轨上做水平运动，当滑块向后运动时，拨杆拨动电极片绕固定孔做顺时针运动，电极片与LED脱离，LED失电，当滑块向前运动时，拨杆与电极片脱离，电极片在弹簧做用下作逆时针运动，LED上电。
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　　系统送料机构用于把LED从定位上电机构传送到分类机构，主要包括8位分割器与同步带。当分割器入力轴从0°旋转到180°时，出力轴停止，当分割器入力轴从180°旋转到360°时，出力轴旋转45°，这样连续旋转的电机就带动同步带反复的进行的“旋转-停止”动作，利用旋转对LED进行夹持与定位，利用停止对LED上电并进行参数测量。
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　　系统分类机构用于把LED从同步带传送到物料盒，本文采用气动吹气的方式实现，其主要包括电磁阀，PLC和物料盒。完成测试的LED在同步带的带动下在各物料盒之间运动，当LED运行至与其分类号对应的物料盒时，PLC控制相应的电磁阀打开，此时电磁阀出气端产生一个脉冲气流将LED吹入物料盒，LED完成分类。
3．2 控制系统
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　　本文所述大功率LED分拣机的控制系统主要由PLC，人机界面与PC机组成，实现对分拣机机械系统、测试仪器的控制和运行状态的监测。图6所示为控制系统流程图。
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图6. 控制系统流程图
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　　如图6所示，分拣机开启后PLC启动平行引导槽和振动盘，实现LED单排进料，当系统检测到有LED进入测试装置时，PLC启动电机，电机带动定位板和电极片完成LED的定位与上电同时向PC机发送测试请求信号，PC机完成测试后发送分类号给PLC，PLC将接收到的分类号存入特定的寄存器,后根据主轴的转动依次转存到与分拣机64个物料盒相对应的64个寄存器中，当寄存器中的分类号与物料盒号一致时，PLC控制相应的电磁阀打开，将LED送入物料盒。
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表1列出了PLC部分I/O口的功能。
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表1. PLC部分I/O口功能列表
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I/O口中国照明网技术论文·LED照明
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功能中国照明网技术论文·LED照明
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发送测试结束信号中国照明网技术论文·LED照明
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Y000~Y077中国照明网技术论文·LED照明
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控制电磁阀中国照明网技术论文·LED照明
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接收分类号中国照明网技术论文·LED照明
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发送测试开始信号中国照明网技术论文·LED照明
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X010 ，X011中国照明网技术论文·LED照明
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控制上料数量中国照明网技术论文·LED照明
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Y101中国照明网技术论文·LED照明
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制动中国照明网技术论文·LED照明
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X012中国照明网技术论文·LED照明
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监测气管内气压中国照明网技术论文·LED照明
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控制电机中国照明网技术论文·LED照明
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Y103中国照明网技术论文·LED照明
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控制振动盘中国照明网技术论文·LED照明
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Y104中国照明网技术论文·LED照明
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控制平行引导槽
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3． 3测试系统
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3．3．1光参数测试系统
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　　国际照明委员会（CIE）制定的CIE127-2007[2]技术文件引入了LED部分光通量(PLF)的概念：给定立体角W内光通量的总和，立体角W所对应的平面角为θ(0°<θ<180°)。本文结合测试系统的实际情况，采用部分光通量来表征被测LED的光度量，系统光学参数测量原理如图7所示。图中，LED校准源用于快速光谱仪和光度探头的校准，本文采用远方公司的LED101标准校准源。
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系统采用了大口径光学系统与微型积分球直接耦合的方式，并将输入光学系统的光轴与LED校准源、V（λ）光度探头和快速光谱仪安排在相互垂直的平面上，这样避免了一次入射光直接照射到接收器上，满足乌布里希积分球的技术要求，这样的大口径光学系统和微型积分球直接光学耦合，避免了以往积分球设计不可避免的挡光板的问题，在原理上克服了积分球测量误差问题，此外，这样的耦合效果极好，系统信噪比大为改善。同时大口径取样技术还避免了以往的对准问题，减少了测量误差。
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图7. 光参数测量系统原理图
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　　系统采用了分光法积分法相结合的光度测量技术，使分光技术与积分技术有机结合，并引入精密V(λ)校准技术，使测量具有极好的动态响应，并消除了由于V(λ)匹配所造成的测量误差，具体原理可参考文献[3]。
3．3．2电参数测试系统
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　　测量LED正向电压，亮度及峰值波长时，需要恒流源驱动，测量漏电流时需要反向电压，而如果处于测试工位的LED是反向放置的，测试电路应能够自动转换输出极性[4]，同时由于不同功率LED所需的驱动电流和电压不一样，不同客户测试要求也不一样，因此LED电参数测试系统应具备多种恒流源和恒压源，同时应具有快速加载和卸载的平稳能力。
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　　本文所述电参数测试系统主要包括供电模块，恒流恒压输出模块，极性切换模块，电参数输入模块，如图8所示。
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图8. 电参数测试系统结构示意图
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　　系统恒流/恒压电源分别由12位D/A通过PC机软件控制，电源输出电路通过极性切换与PID参数调节达到最佳工作状态以满足快速脉冲测试的要求。测得电信号经快速取样电路、采样保持器和多路选择开关，由PC机控制一个16位A/D转换成数字信号后输出显示。
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　　系统极性切换模块完成电路的极性切换和取样电阻的选择（为了使测试信号便于转换处理，正向测试时使用小电阻，反向测试时使用大电阻）。
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3．4 软件系统
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　　本文所述大功率LED分拣机的测试软件用VC编写，主要包括以下功能模块：
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　　1）．通讯模块：完成PC机与PLC，测试仪器，LED校准源的通讯；
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　　2）．参数设置模块：完成测试参数与分类参数的设置；
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　　3）．测试模块：完成参数测试与计算；
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　　4）．校准模块：完成暗电流采集，参数的校准与波长定标；
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　　5）．输出模块：完成LED光电参数与相对光谱功率分布曲线的实时显示和被测LED所有数据的保存，查询，打印；
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　　6）．统计模块：完成各等级LED数、不良品率的统计。
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4．分拣机的技术指标与实测试验
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　　研制的大功率LED分拣机达到了下列技术指标：
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　　1）．恒流输出范围：0.0mA～50.0mA～1000mA，最大允许输出电压10V；
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　　2）．恒压源输出范围：0.0V～10.0V，最大允许输出电流100μA；
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　　3）．快速脉冲测定：50ms～1000ms可调；
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　　4）．波长范围：380nm～780nm；
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　　5）．波长准确度：±1nm；电压测量准确度：±1%；电流测量准确度：±1%；色品坐标测量准确度：±0.01；测试重复性：±5%；
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　　6）．测试速度：>2k/h；气压：0.5Mpa；分档数：64档；最大可测功率：10w。
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样机研制成功后，在远方公司进行了实测，对100个1w白光 LED的部分光通量进行了10次重复性测试，表2抽取了其中10个LED的数据。由表2可知测试结果满足测试重复性±5%的技术要求。
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表2 分拣机测试重复性数据列表（q=16°）
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5．结束语
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　　本文所述大功率LED全自动分拣机，将PLC技术，大口径微积分球光学取样技术，分光积分法相结合的光度技术和PC机软件结合在一起,实现了大功率LED的在线测试与自动分类，测试结果复现性高，分类效果良好。
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　　大功率LED照明产业前景越来越明朗，全球和中国的LED照明产业将会有更大发展，大功率LED全自动分拣机已有十分明朗的市场。