【正文】 II Highspeed LED Test Equipment Design Abstract As more and more wide application of LED, the user of products for the LED light color performance is ever increasing, LED chip detection and sorting LED chip manufacturing has bee an indispensable part of line, in addition, our LED chip industry in recent years prompted the LED chip sorting device testing demand is also growing. LED chip testing equipment in the machine is an important part, and our LED chip testing and sorting of the main dependent on foreign equipment, which restricts the development of LED chip industry. LED is the LED chip testing equipment for testing optical parameters, to provide data for the sorting. Through the study of similar equipment at home and abroad, to analyze the process principle and the overall demand, proposed design, based on the DHLP320 LED detector mechanical structure design, including the XY motion platform, rotary table, Z to the table, the upper structure, probe station design, the main part of the key platform for highspeed highprecision XY motion design, analysis and parison of selected screw rail agencies to achieve the XY twodimensional movement, according to the requirement of the screw nut, rail, motor, etc. are calculated and selection. Drawing with Auto CAD drawings of the ponents, the use of Pro / E threedimensional modeling of the whole assembly, the resulting threedimensional solid model of intuitive, realistic show the detailed structure of the main ponents and shape, easy to intervene so as to effectively save product design time and improve the efficiency of design, has some practical value. Development of highspeed LED testing equipment, for breaking the monopoly product, reduce the cost of the application of domestic equipment, and enhance the petitiveness of enterprises to break through capacity bottlenecks, have very important significance. Key words： LED； Chip Testing； Highspeed Microplatform華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒論 LED 的發(fā)展現(xiàn)狀和市場(chǎng)前景 20 世紀(jì) 50 年代末， Monsanto 及 Hewlett Packard 公司研制出首只 GaAsP 紅色發(fā)光二極管，稱之為 LED(Light Emitting Diodes)。一般有下列兩種混合方式：（ 1）三波長(zhǎng)光 , 即藍(lán)色光、綠色光與紅色光混合；（ 2）二波長(zhǎng)光 , 即黃色光與藍(lán)色 光混合。而對(duì)于研發(fā)和生產(chǎn)成本相對(duì)較高的藍(lán)色 LED 芯片，特別是高亮藍(lán)色 LED，更是有很大必要對(duì)其實(shí)施檢測(cè)和分揀，LED 芯片檢測(cè)和分揀是 LED 芯片生產(chǎn)流程中不可缺少的部分。 國(guó)內(nèi)外研究概況 日本是 LED 產(chǎn)業(yè)的大國(guó)和起源國(guó)，其 LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早且擁有較多的相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。 在我國(guó)，在 2020 年 6 月 17 日，國(guó)家科技部聯(lián)合信息產(chǎn)業(yè)部、教育部等部 門以及北京、上海等地區(qū)聯(lián)合成立了國(guó)家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組，正式啟動(dòng) “ 國(guó)家半導(dǎo)體照明工程 ” 。 美國(guó) 2020年 國(guó)家半導(dǎo)體照明計(jì)劃 到 2020年 55%的白熾燈和熒光燈被白光LED取代 每年節(jié) 約 350億美元電費(fèi)，每年減少 CO2，形成500億美元的大產(chǎn)業(yè)。國(guó)家科技部也將 “ 國(guó)家半導(dǎo)體照明工程 ” 列入 “ 十一五 ” 科技發(fā)展計(jì)劃。目前國(guó)外經(jīng)過分揀的 LED 每只利潤(rùn)增加 1 分人民幣，國(guó)內(nèi)年生產(chǎn) LED 管 200 億只，如果有一半 LED 經(jīng)過分揀，增加利潤(rùn)近一億元。檢測(cè)機(jī)上主要完成是設(shè)計(jì)高速高精確二維移動(dòng)平臺(tái)，高精確旋轉(zhuǎn)臺(tái)，高精確升降平臺(tái)，探針裝置，機(jī)體結(jié)構(gòu)等工作。芯片盤上全部芯片檢測(cè)完后輸出完整的檢測(cè)圖像和分級(jí)數(shù)據(jù)，為芯片的分揀做準(zhǔn)備。 LED 芯片的檢測(cè)需要探針和電極精確的定位，在視覺圖像檢測(cè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì) LED芯片的精確定位，從而保證探針和 LED 芯片電極的緊密接觸，完成檢測(cè)要求。 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 3 DHLP320 型 LED 檢測(cè)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) DHLP320 型 LED 檢測(cè)機(jī)是本次設(shè)計(jì) LED 檢測(cè)設(shè)備具體的型號(hào)。 上部結(jié)構(gòu)：包括掃描鏡頭的固定結(jié) 構(gòu)、調(diào)探針鏡頭的固定結(jié)構(gòu)、光纖探頭和亮度探頭的固定。 Z 方向的運(yùn)動(dòng)是給芯片盤提供向上的運(yùn)動(dòng)，以使芯片電極和固定的探針接觸導(dǎo)通電路。這個(gè)工作臺(tái)只是在機(jī)器調(diào)整的時(shí)候會(huì)有微小的調(diào)整，一旦設(shè)備調(diào)整到最佳狀態(tài)，這個(gè)工作臺(tái)就不會(huì)再有動(dòng)作，因此，它不是頻繁移動(dòng)的部件，所以在考慮經(jīng)濟(jì)性后采用第三種方案絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)。 為了滿足 0mm 無(wú)效行程的要求 ,必須選擇軸向間隙在 0 以下的滾珠絲杠。 外徑為1 14 的絲杠軸過細(xì)， 32 以上的絲杠軸過粗，所以絲杠軸外徑暫定為 20。 圖 34 容許軸向負(fù)荷線圖 由絲杠軸的危險(xiǎn)速度所決定的容許轉(zhuǎn)速：與安裝方法相關(guān)的系數(shù) ?? （參照表），為考慮危險(xiǎn)速度，螺母軸承間的安裝方法按固定 支撐，安裝間距 mmb 270l ? （推算），絲杠軸直徑 20mm,導(dǎo)程 5mm，絲杠軸溝 槽谷徑 ? 。對(duì)于滾珠絲杠 ,基本靜額定負(fù)荷是以軸向負(fù)荷來(lái)定義的。 型號(hào)確定：根據(jù)上述計(jì)算和論證，根據(jù) THK 絲杠公稱型號(hào)的構(gòu)成，如圖 35，選定絲杠型號(hào)為： DIK20206RRG0+370LC3Y。）對(duì)于 LM 滾動(dòng)導(dǎo)軌來(lái)說，隨著予壓量的增加 ,剛性也隨之增加。 表 314 接觸系數(shù) fc 表 315 負(fù)荷系數(shù) fw 計(jì)算額定壽命： LM 滾動(dòng)導(dǎo)軌即使在相同條件下制造且處于相同的運(yùn)行條件下 ，其使用壽命也多少有些差異。 圖 311 THK 導(dǎo)軌型號(hào)構(gòu)成例 電機(jī)計(jì)算與選型 在高精度機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，伺服驅(qū)動(dòng)裝置是核心，因此伺服電機(jī)的選擇就變得尤為重要， LED 芯片檢測(cè)機(jī)也不例外。另外，針對(duì) LED 芯片檢測(cè)機(jī)的特殊性，其運(yùn)動(dòng)軸所配的伺服電機(jī)還需要能最大限度抑制機(jī)械振動(dòng)，并調(diào)試簡(jiǎn)單。 其中 MJ 、 MAXT 可以通過選型手冊(cè)查詢到， UT 、 FT 可以由下列式（ 316）和公式（ 317）求得。此處采用電機(jī)、聯(lián)軸器、絲杠螺母機(jī)構(gòu)和直線導(dǎo)軌承載工作臺(tái)的方式。一、傳感器，低層平臺(tái)上在高層平臺(tái)的行程的前后極限位置安裝光學(xué)傳感器，高層平臺(tái)上裝有擋光片，當(dāng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)擋光片擋住傳感器光路，傳感器感應(yīng)到后控制設(shè)備停車報(bào)警或進(jìn)行其他處理，從而保證不超出行程；二、硬限位，為了進(jìn)一步保證安全，在行程極限位置之外加裝了硬限位裝置，即防撞塊，在安裝板上裝有 擋塊并有橡膠緩沖墊，防止零件損傷。導(dǎo)軌靠面以底面（ C 面）和端面（ B 面）為基準(zhǔn)加工，要求Ⅰ處導(dǎo)軌靠面給以垂直度的要求。絲桿螺母和導(dǎo)軌滑塊是直接的運(yùn)動(dòng)傳遞部件，其精度（包括制造和安裝）直接決定整個(gè)平臺(tái)的精度，因此材料的選擇和加工工藝的設(shè)計(jì)要求很高，但決定平臺(tái)運(yùn)行精度的另一個(gè)關(guān)鍵因素是構(gòu)件的裝配精度。銷定位一般用于平面接觸零件，其優(yōu)點(diǎn)是能夠長(zhǎng)時(shí)間保持定位精度，但缺點(diǎn)是要破壞零件，而且銷與銷孔有配合要求，銷孔加工精度要求較高，所以銷定位不適合于經(jīng)常拆卸的零件聯(lián)結(jié)。對(duì)于改進(jìn)安裝座的結(jié)構(gòu)，目前采用較多的方法是將導(dǎo)軌的安裝面設(shè)計(jì)為直角形，圖 321 所示，或者沉槽形式，設(shè)計(jì)時(shí)提高導(dǎo)軌靠面和安裝面的平面度和二者之間的垂直度要求，并提高兩根導(dǎo)軌安裝靠面的平行度要求。即使導(dǎo)軌使用后需要重調(diào)精度，也可以很易易解決。對(duì)于導(dǎo)軌沿導(dǎo)軌靠面出現(xiàn)的安裝誤差或者導(dǎo)軌靠面的加工誤差，雖然也能通過刮研和添加墊片解決，但由于螺釘施加的是 Z 向的壓力，這個(gè)方向主要是摩擦力，相對(duì)較小，因螺釘和螺孔之間有較大間隙（相對(duì)于精度要求），當(dāng)滑塊帶動(dòng)平臺(tái)在導(dǎo)軌上反復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，易造成導(dǎo)軌側(cè)向移動(dòng)，使原來(lái)調(diào)整的精度丟失，因此必須找到一個(gè)能夠保持精度的方法。 通常專業(yè)導(dǎo)軌生產(chǎn)廠家已經(jīng)在導(dǎo)軌上加工了螺釘孔，所以導(dǎo)軌和底座平臺(tái)一般采用內(nèi)六角螺釘聯(lián)結(jié)。 對(duì)于高精零部件，特別是位置精度要求較高的構(gòu)件，怎樣達(dá)到和保持精度是難點(diǎn)，也是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。 馬達(dá)托架的設(shè)計(jì) 馬達(dá)托架，如圖 320 是把電機(jī)固定在絲杠導(dǎo)軌安裝板上的結(jié)構(gòu)，主要的功能要求是要保證電機(jī)軸和絲杠導(dǎo)軌軸的同軸度。 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 XY 移動(dòng)平臺(tái)絲杠導(dǎo)軌安裝板的設(shè)計(jì) 圖 315 絲杠導(dǎo)軌安裝板主視圖（豎放） 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 圖 316 絲杠導(dǎo)軌俯視圖 圖 317 絲杠導(dǎo)軌安裝板左視圖 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 如圖 315， 316， 317 絲杠導(dǎo)軌安裝板，由于要保證絲杠螺母和導(dǎo)軌滑塊的安裝平面在同一平面，所以總體機(jī)構(gòu)為 U 型結(jié)構(gòu)，重要平面包括導(dǎo)軌安裝平面（ 4），馬達(dá)托架安裝平面（ 1），和絲杠支撐座安裝平面（ 3）三個(gè)平面。 圖 313 絲杠螺母的安裝示意圖 而導(dǎo)軌在絲桿軸的兩側(cè)各一根，通過平臺(tái)使導(dǎo)軌滑塊，絲杠螺母固定，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)絲桿螺母直線運(yùn)動(dòng)，絲杠保證了平臺(tái)的行走精度，而導(dǎo)軌可以起到支撐和導(dǎo)向的作用，從而保證上面平臺(tái)的水平移動(dòng)的平行度和控制徑向跳動(dòng)。 由于螺母和絲桿之間是精密滾珠傳動(dòng)，表面質(zhì)量和潤(rùn)滑非常好，所以其摩擦可以忽略不計(jì)，因此電機(jī)平穩(wěn)工作時(shí)， 輸出扭矩主要克服負(fù)載在導(dǎo)軌的摩擦阻力。 表 317 X 軸的主要負(fù)載機(jī)規(guī)格 負(fù)載物質(zhì)量 /kg 25 絲桿導(dǎo)程 /mm 5 減速比 1： 1 絲桿長(zhǎng)度 /mm 370 絲桿直徑 /mm 20 絲桿材料密度 /（ kg/cm3） 直線移動(dòng)負(fù)載慣量 TJ 的計(jì)算如式（ 313）所示： 2()20T SJW ???? （ 313） 式中： W —— 直線移動(dòng)負(fù)載質(zhì)量 /kg； S? —— 絲桿導(dǎo)程 /mm； 將表 313 中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（ 313）得： 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 2 2 252 5 ( ) 0 . 1 62 0 3 . 1 4TJ k g c m k g c m? ? ? ? ?? 旋轉(zhuǎn)負(fù)載（此處為絲桿）慣量的 RJ 的計(jì)算方法如式（ 314）所示： 432R LJD?????? （ 314） 式中： L —— 絲桿長(zhǎng)度 /cm D—— 絲桿直徑 /cm ?—— 絲桿材料密度 /（ 3kgcm ），此處絲桿密度取 10 kg cm?? 。采用滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)，另外，在運(yùn)動(dòng)軸中它的負(fù)載最大，因此介紹其所配伺服電機(jī)的選擇華中科技大學(xué)文