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1、华中科技大学 硕士学位论文 LED芯片高速分选机摆臂机电联合仿真及实验验证 姓名：王承凯 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：李斌;毛新勇 2011-05-25 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 本文以 LED 芯片高速分选机摆臂旋转运动系统为研究对象，以提高芯片分选效 率为研究目标，重点进行摆臂旋转运动系统和实现方案分析、伺服驱动系统分析与 建模、多刚体和刚柔耦合机电联合建模、指令输入设计、机电联合仿真分析、实验 平台搭建、实验验证的研究。具体内容如下： 首先通过介绍 LED 分选机的整体结构、功能介绍以及芯片分选过程，强调摆臂 旋转系统的作用，指出摆
2、臂机构的需求分析，提出摆臂运动系统影响分选效率的因 素及解决方法；分析分选机摆臂旋转机构实现方案，讨论三种新的实现方案；分析 摆臂旋转运动机构直驱方案的伺服驱动系统，为伺服驱动系统的建模做准备。 接着，根据直驱方案摆臂旋转运动系统使用的伺服驱动器和电机型号以及伺服 参数，在 MATLAB/SIMULINK 中建立伺服驱动系统模型，进行仿真分析，选定伺 服参数；根据摆臂旋转电机末端负载情况，建立虚拟负载模型，借助负载模型仿真 选定摆臂运动规律输入。 然后，对实验平台的摆臂进行结构分析，利用 Pro/E、ANSYS 和 ADAMS 软件 建立摆臂旋转运动系统的多刚体和刚柔耦合动力学模型，联立伺服驱
3、动和动力学模 型，建立机电联合仿真模型，并基于多刚体联合仿真模型初步调试伺服参数。依据 EMAC卡脉冲发送速度曲线和LED单颗芯片分选周期方案进行联合仿真的指令输入 设计。采用 MATLAB 的 SIMIN 模块调用输入指令，进行多刚体和刚柔耦合机电联 合仿真分析。 最后设计和采购实验平台机械部件，集成机电系统，调试控制参数，搭建摆臂 旋转运动实验平台。编写摆臂回零和旋转运动程序，进行摆臂运动规律和定位实验， 优化控制参数，验证平衡式摆臂结构及机电联合仿真的有效性，实验结果表明直驱 式实验平台提高了第一代分选机的分选效率，但没有完全达到摆臂机构需求，分析 原因并提出展望。 关键词：关键词：LE
4、D 芯片 分选机 伺服驱动建模 机电联合仿真 控制参数优化 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract In order to improve the efficiency of chip sorting, the paper studies on swing arm rotation system of high-speed LED sorting machine and focus on the optimization design and structure simulation of the swing arm, the analysis and mode
5、ling of servo drive system, electromechanical co-modeling of multi-rigid-body and rigid-flexible coupled body, the design of command inputs, co-simulation, the realization of swing arm rotation experiment platform, experimental verification. The main contents are: First, through the introduction of
6、the whole structure，function and chip sorting process, the role of rotating system and the influence factors of chip sorting efficiency were pointed out. The implementation of swing arm rotating system and three new plans were analyzed. The servo drive system of direct driving scheme was introduced
7、for servo drive modeling. And, based on the model and servo parameters of swing arm rotation system, the paper established its servo drive model on MATLAB/SIMULINK and adjusted servo parameters by simulation. According to actual load, a virtual load model is created for verifying the accuracy of ser
8、vo drive model by load calibration. Then, the dynamic models of multi-rigid-body and rigid-flexible coupled body were built by ADAMS, ANSYS and Pro/E. The dynamic model and servo drive model are connected to realize co-simulation model which is used for debugging servo parameters. The design of co-s
9、imulation command inputs based on the pulse speed curve of EMAC and chip sorting cycle was introduced to co-simulation using MATLAB/SIMIN. At last, the swing arm experiment platform was built by designing, purchasing and assembling mechanical components, integrating electromechanical system and debu
10、gging control parameters. By preparing arm back to zero and rotation procedures and doing swing arm experiments of movement and location, control parameters were optimized and the new swing arm structure and co-simulation were verified. The results of experiment stated that experiment platform for d
11、irect drive improved the efficiency of the first generation sorting machine, but did not completely meet the demands of swing arm, the reasons for that were pointed out. Key words: LED Chip； Sorting Machine； Servo Drive Modeling； Control Parameters Optimization； Electromechanical co-simulation 独创性声明
12、独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印
13、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题概述课题概述 1.1.1 课题来源课题来源 本课题来源于广东志诚华科光电设备有限公司 LED 芯片高速分选机二代产品开 发委托项目。 1.1.2 研究目的和意义研究目的和意义 LED（Light-emitting Diode，发光二极管）是一种能将电能转化为可见光的半导 体固体光源组件，通电后能发出红光或可见光1。 LE
14、D 被称为半导体冷光源，同普通白炽灯相比有许多优点，如单色性好，色彩 鲜艳丰富；使用寿命长，抗振性好；低耗节能，安全环保；体积小，重量轻；直流 供电无闪屏、无紫外线辐射等2。正由于这些优点，LED 的应用领域越来越广泛， 成功应用于手持影像产品3、多媒体显像4、仪表、交通信号灯5、路灯6、汽车前 照灯78、打印机9、医疗设备1011、探测器、光纤通讯、卫星通讯等领域。 随着 LED 制造工艺及相关产业设备技术的进步， 其生产已实现商业化和产业化。 LED 产业主要分为三个主流产业：上游芯片生长产业、中游芯片制作产业以及下游 芯片封装产业。其中，芯片制作产业需要配置有高性能的芯片检测和分选设备，
15、这 也是我国 LED 相关设备中与国外先进水平有较大差距的环节12。 课题组前期主要针对高亮度 LED 芯片分选机进行了方案设计、 结构优化与设计、 装配设计、电气路设计、芯片分选工艺和相应设备性能优化方法研究等，研究出了 具有自主知识产权的芯片分选工艺关键方法，通过对 LED 芯片进行逐颗检测，获取 数据并进行分级，实现了芯片的分选；研究芯片分选过程的主要环节，通过性能优 化提高了分选机的性能指标， 开发出了拥有自主知识产权的 LED 芯片高速分选设备， 实现了自动分选功能。课题组最终完成了分选设备样机试制与各模块机床，对样机 进行了权威质量检测和长期的现场实际功能检测，最终检测结果满足用户
16、要求，芯 片分类数达到 32 类以上，芯片分选时间约为 450ms/颗131415。 分选效率是分选机的一个重要性能指标，现有设备的分选效率还没有达到国际 水平的性能指标。本文在课题组前期研究基础上，以提高芯片分选机分选效率为目 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 标，研究摆臂结构，进行优化设计与验证；摆臂旋转运动系统动力学建模方法，建 立多刚体和刚柔耦合动力学模型；结合控制理论建立摆臂旋转运动的伺服驱动系统 模型，利用控制输出来驱动机械动力学模型形成闭合回路，构建 LED 分选机摆臂旋 转系统机电联合仿真平台，借助指令输入设计进行联合仿真分析；构建摆臂旋转运 动系统实验平台，进行摆臂运动时间实验，验证优化后的摆臂结构和单颗芯片分选 周期方案，提出影响摆臂运动的控制参数，进而优化参数，最终能够提高分选效率。 L
