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LED灯具智能制造中的关键技术

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-12-27  作者:吕家东

LED灯具智能制造中的关键技术

The Key Technology of LED Luminaries Smart Manufacture

吕家东

(东南大学电光源研究中心,南京 210096)

摘要: 介绍了国内LED灯具制造现状,阐述了发展LED灯具智能制造的意义,分析了LED灯具智能制造中的若干关键技术及其实现的途径。

关键词:LED  灯具 智能制造

1  LED灯具智能化制造的必要性

1.1  LED灯具制造现状

LED灯具制造按功能可划分成灯具装配、产品老化、光电检测、产品包装四大模块。

灯具组装国内生产现状是以单机半自动化加手工流水线装配为主,其中LED球泡灯、T8/T5LED灯管由于量大且结构相对稳定,已针对其装配工序开发出光源板装配、装灯头、装泡壳、灯带打胶与粘贴等单机半自动化设备。灯具老化技术应用成熟,普遍采用半自动化老化技术与设备。光电检测普遍采用抽检的方式,自动在线检测技术含量高,已有检测企业研发了快速在线检测技术及装备,为自动化作业提供了条件。产品包装技术及设备成熟,球泡灯及灯管的包装直至码垛设备已得到使用。极少数龙头企业开始重视智能制造,开发了具有灯具装配、产品老化、光电检测、产品包装四大功能模块的自动化流水生产线,极大的减少了操作工人,但绝大多数企业仍普遍处于密集劳动力型人工流水作业模式。

1 LED灯具制造现状主要矛盾

2 LED灯具装配、老化、检测、包装生产技术现状

1.2  LED灯具智能制造意义

“十二五”期间,我国 LED 照明节能产业年均保持两位数增长。据半导体照明联盟统计,2015 年,我国半导体照明行业年产值到达4300 亿元,LED 照明应用产品市场渗透率达到33%。有些龙头企业LED球泡灯、LED直管灯管月产能达数百万只,客观上为LED灯具智能化自动化制造提供了前提条件。

我国LED灯具制造还处于工业1.0、2.0、3.0混合期,绝大多数企业以单机半自动化加手工流水线作业为主,只有极少数企业开始对智能制造进行研发和投入,开发了灯具装配、产品老化、光电检测、产品包装四大功能的智能化自动化流水生产线。智能制造集成了传感、柔性、数据采集及远程交互、在线监控等方面先进技术,整条生产线产能达1200只/小时,整线操作人员不过数人,极大减少用工数量,减少人为因素带来的产品质量波动,不仅如此,智能制造价值还体现在可柔性适应不同规格产品生产,在线生产监控和全程品质把控,生产数据和产品信息集成和共享,促进我国从照明产品制造大国向强国的转变。“LED照明产品智能化制造” 是我国照明行业十三五规划中重要内容,也契合《中国制造2025》十年行动纲领 。

2  LED灯具智能制造中的若干关键技术

2.1  多机协同控制技术

LED灯具制造自动流水线一般具有LED灯具装配、产品老化、光电检测、产品包装四大功能模块。其中LED灯具装配包括灯条仓储与上料机构、打胶机、玻管自动上料机构、贴灯条机、除湿烘干机、电源pcb版焊接机、堵头打胶与装配机、导线整形与穿线机、压灯针机、堵头烘胶机等多台设备(以LED灯管为例)。基于优化控制配置,分成了自动贴片、硅胶除湿、灯管自动装配、堵头烘干、穿线压灯针、老化与光电检测、包装七个控制单元,整线采用基于CAN总线分布式现场控制模式(图3)。

根据自动流水线多台设备串行的特点采用串行数据通信协议的多主总线。各控制单元的基本功能具备采样、解析、操作(动作)、显示和通信等,各功能模块均带有自己的可编程序控制器,均能相对独立地运行和发挥自己的功能。它们通过以双绞线或双芯电缆为通信介质的CAN 总线互联,实现各控制单元之间的数据交换和多PLC协同工作, 从而使整个控制系统成为多逻辑单元组成的多PLC网络体系。并且该控制体系与外设的接口也采用 CAN 总线协议,以满足构造全分布式控制系统的要求。 

2.2  灯具柔性制造技术

一种LED灯具具有多规格零件的特征,其结构和几何尺寸不尽相同。例如,球泡灯外径尺寸从¢35-65mm,长度从80-120mm,灯头规格有E14、E26、E27,常用的泡壳规格也有A60、C35,驱动电源、光源板规格和大小也千差万别。同样LED灯管也有T8和T5之分,长度从600-1200mm,灯带有软基带和硬基带等。有实力且产品达到一定数量的企业可以采用一条生产线专门生产一种规格的灯具,后续的调整维护相对简单,但大多数企业希望自动流水线具有一定柔性适应性,稍作调整就可以生产不同规格尺寸的灯具。

及柔性调度,满足多规格零件制造要求。LED灯具制造自动线构形的基本特征是各设备串行排列,但由于某个零件结构差异太大,使这道工序的加工设备无法兼容使用,那么在自动线总体设计时,就要考虑在该工序并行布置2台甚至多台加工设备,使自动流水线具有制造不同规格零件的能力。例如LED灯管装配中,软灯带和硬灯带的存储和供料完全不同,还有电源板有卧式和立式之分,其pcb板焊接形式差异很大,无法用一台设备兼而顾之,所以在这两道工序设计了并行排列2台加工设备以备调度使用(如图4所示)。

 

为了提高LED灯具制造自动流水线的柔性能力,还要为生产线研发和定制柔顺末端执行器,使生产线上机械手和工装夹具具备一定柔性自适应能力,在零件几何尺寸有变化时,减少对操作对象的损伤,消除传统刚性机构的间隙,提高抓取精度(图5)。

2.3  光机电一体化集成技术

LED灯具制造自动流水线除了具备动力装置、传动机构、夹持机构、执行机构等机械设备的特征之外,控制系统采用了可编程序控制器、PC、人机界面控制、伺服驱动与控制等技术,检测系统运用了图像处理技术、传感技术、光电参数检测,提高零件位置精度和加工精度,实现产品的在线检测。全线采用基于现场总线的PLC分散控制和基于TCP/IP以太网的相关技术,完成生产数据及产品数据的通讯,实现信息共享。LED灯具智能化生产是机械、电子、光学、自动控制、信息处理等多学科的交叉融合的具体体现。

2.4  数据通信与传输

LED灯具智能制造流水线应具备工业3.0和4.0的制造系统架构。系统层级自下而上共五层,分别为设备层、现场控制层、车间控制层、企业层和协同层,层与层之间要通过有线、无线等通信技术实现数据信息的互联互通(图6)。

流水线上各台设备采用基于现场总线的PLC作为主控器,车间层级控制作为各PLC的上位机采用PC控制,企业层与车间控制层之间通讯可以采用局域网或internet网的相关通信技术,企业与企业之间协同层的通信采用internet网。同层之间、上下层之间的涉及到的通信媒质、通信接口、通信协议类型多、复杂程度高,关乎到通信传输效率、能量损耗和可靠性。其通信方式包括:

1)PLC与PLC:基于RS485通信适配器的N网络,最多可连接8台PLC。

2)触摸屏与PLC、变频器:通讯接口RS232/RS485。

3)机器视觉检测与PLC:DSP如不带串行口,需增加并串互换芯片,PLC加通讯扩展。

4)PLC与上位机PC:基于RS485通信的1:N链接,最多可连接16台PLC。

5)PC与决策层中央控制:基于局域网或internet的TCP/IP协议。

结束语

近几年我国 LED 照明产业年均保持增长势头,其中LED灯具主流产品如LED球泡灯、LED直管灯管产量大,如采用目前单机半自动化加手工流水线作业为主的生产模式,企业发展将遇到生产、质量、管理等方面的瓶颈,LED灯具智能化自动化制造从客观上来看时机已经成熟。但是LED智能制造在技术层面上还有许多困难,如多机协同控制、柔性加工制造、光机电多域集成融合、数据交互和信息共享等,有待照明行业工程技术人员的共同努力攻关。
 
 
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