LED玻璃燈管生產(chǎn)工藝與自動化方案探討

成年斌（佛山市國星光電股份有限公司，廣東佛山528000）

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LED玻璃燈管生產(chǎn)工藝與自動化方案探討

成年斌
（佛山市國星光電股份有限公司，廣東佛山528000）

摘要：LED玻璃燈管結(jié)構(gòu)簡單，但其設(shè)計方案源于鋁塑或全塑的結(jié)構(gòu)，設(shè)計裝配方案比較繁瑣，會在生產(chǎn)中耗費較大的人工成本。針對此問題，提出了簡化配件結(jié)構(gòu)與優(yōu)化生產(chǎn)工藝的方案，該方案將大大地縮減生產(chǎn)勞動力，提高生產(chǎn)作業(yè)效率，降低成本。

關(guān)鍵詞：LED玻璃燈管；堵頭；驅(qū)動電源；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；工藝優(yōu)化

對于工廠廠房、辦公室裝修、商場照明等，燈管的使用是從未停止過的。然而，LED燈具居高不下的價格，使LED燈具成為了高檔的奢侈品。隨著LED燈具的發(fā)展，LED燈具的單價慢慢地降低到普通人都可以接受的程度，LED燈管的應(yīng)用也隨之走進千家萬戶。

LED照明市場預(yù)測報告（LED Lighting Marketand Forecast Report）預(yù)測，燈管產(chǎn)品在2013年的國際市場占有率達6%，至2016年占有率將會上升至22.3%［1］。

市場在不斷地擴大，對于燈管產(chǎn)商而言如何更有利地占據(jù)更多的市場份額，確保質(zhì)量的前提下如何降低生產(chǎn)的成本，這時候，LED玻璃燈管也就隨之誕生。雖然LED玻璃燈管真正步入市場，還不到3年的時間，但它卻以價格低廉、質(zhì)量優(yōu)異、性能良好等諸多優(yōu)勢，擠進了未來燈管最終定型的其中一種形態(tài)的行列。

LED玻璃燈管的推出，對現(xiàn)有的LED鋁塑燈管、全塑燈管都會形成巨大的沖擊，價格的優(yōu)勢是鋁塑燈管與全塑燈管根本無法比擬的。整個LED燈管市場，將逐漸出現(xiàn)由玻璃燈管代替LED鋁塑燈管、全塑燈管的市場趨勢。

在單價上，LED玻璃燈管可以以普通玻璃熒光燈管的價格優(yōu)勢壓倒LED鋁塑管和全塑管；在產(chǎn)品性能上，卻又是以絕對的優(yōu)勢壓倒著普通玻璃熒光燈管，普通熒光燈管功率一般為30～45 W，LED玻璃燈管功率較之普通熒光燈管減半還有多，且光效還提升10%～30%。

LED玻璃燈管節(jié)能環(huán)保、價格低廉、性能質(zhì)量良好，從LED照明市場預(yù)測報告預(yù)測中可以推測，2016年22.3%的LED燈管產(chǎn)品國際占有率，其中至少50%以上的份額是屬于LED玻璃燈管。

LED玻璃燈管的試產(chǎn)前景是十分廣闊的，同樣地為了可以搭上順風車而希望分一杯羹的決策者們當然不會放過這么好的機會。LED玻璃燈燈管的結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)工藝也不復(fù)雜，這是驅(qū)使眾多決策者將目光投向LED玻璃燈管上的主要原因。

LED玻璃燈管的結(jié)構(gòu)包括：LED堵頭2個、驅(qū)動電源1個，LED燈條（PCB含貼片）1根、玻璃管1根［2］。

LED玻璃燈管憑著簡單的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，目前材料成本可以控制到低于7元；而憑著簡單的生產(chǎn)工藝，人工成本可以控制到1.0元以下。因此整個玻璃燈管成品的完成，總銷售單價可以控制到低于10元。值得一提的是這個10元單價的前提是LED玻璃燈管產(chǎn)品由誕生至今還不足3年，各種工藝還不完善的原因。基于現(xiàn)在LED玻璃燈管發(fā)展的進度評估，經(jīng)過苦干年的發(fā)展，可以預(yù)期其成品單價將降低到普通熒光燈管目前5～6元的售價。

1　目前LED玻璃燈管裝配工藝難點

1.1流水作業(yè)實現(xiàn)的難度

難以形成流水生產(chǎn)作業(yè)有以下幾個方面的原因。

（1）膠水（一般采用的是硅膠）固化時間太長，無法形成有效的工藝銜接。工藝無法有效銜接，就會產(chǎn)生斷續(xù)，從而增加周轉(zhuǎn)次數(shù)與時間，效率也就無法提升。

（2）PCB穿入玻璃管內(nèi)之前需要打膠，使得PCB會固定在玻璃管內(nèi)壁。目前玻璃燈管穿PCB與打膠工序，都采用點膠設(shè)備，經(jīng)過近幾年的發(fā)展，點膠設(shè)備已經(jīng)比較成熟穩(wěn)定。

（3）將兩個塑料堵頭與玻璃管裝配在一起時，也需要打膠，使得兩堵頭可以固定在玻璃管兩端;目前這個工序也有不少的堵頭點膠設(shè)備，也是比較成熟的了。

（4）硅膠固化的特性是吸濕緩慢固化，它的固化對空間的溫度、濕度都有著較高的要求，而且時間比較緩慢，這也就是制約不能形成流水線的主要原因。由于硅膠固化對天氣敏感，這也是為什么在沒有溫濕度控制前提下，不同季節(jié)玻璃管燈管的產(chǎn)能不穩(wěn)定的主要原因。

（5）電源與堵頭裝配方式復(fù)雜，是不能形成流水作業(yè)的原因之一。電源與堵頭裝配較為普遍的兩種方案是：1）電源輸入端采用單支銅/鐵硬線，穿過堵頭銅針的小孔，然后進行沖鉚固定的方式。佛山照明采用的主要就是這種方式，如圖1a所示。2）利用波峰焊，將單支銅/鐵硬線穿進堵頭后，直接通過點錫或波峰焊進行焊接固定的方式。佛山市國星光電股份有限公司就有采用這樣的固定方案，如圖1b所示。這兩種固定方式都需要額外對堵頭進行加工，特別是采用波峰焊的方案，更加難以實現(xiàn)形成流水作業(yè)。

圖1　電源固定方式

1.2玻璃管的質(zhì)量難以控制

來料方面的異常主要體現(xiàn)在玻璃管的異常：1）受玻璃管的生產(chǎn)工藝限制，玻璃管直徑的公差在0.5～1.5 mm之間，而且玻璃管廠商不能保證每批次玻璃管的直徑完全一致。因為玻璃管的公差異常，給實際生產(chǎn)過程帶來成品A尺寸偏長偏短、堵頭歪斜嚴重、玻璃管小了相對電源偏大等問題。2）同樣因為受玻璃管生產(chǎn)工藝的限制，在內(nèi)噴粉一類的玻璃管中經(jīng)常存在亮斑、流紋、白點等外觀異常現(xiàn)象。

玻璃管的來料異常，成為了整個玻璃管生產(chǎn)工藝異常的聚集點，林林總總的不良工程歸根到底，矛頭大都指向玻璃管的來料問題。

2　玻璃管燈管自動化工藝設(shè)計方案

除了玻璃燈管生產(chǎn)工藝中的兩大難點問題，自動化工藝的實現(xiàn)也是必須要解決或者避開的重點。自動化方案的引進主要是以提升效率、降低成本為主要目的，根據(jù)產(chǎn)品定型與標準一致化為方式而提出來的一種方案。推行自動化要求：1）產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)需要定型；2）組裝工藝應(yīng)簡化；3）產(chǎn)量必須要上得了去。然而，產(chǎn)量要上去，工藝就不能過于復(fù)雜；工藝要簡單，結(jié)構(gòu)就必須要合理。因此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的定型是自動化引進的重中之重。

2.1自動化堵頭設(shè)計方案

本文介紹的適應(yīng)自動化的堵頭方案與普通的堵頭有很大差異，如圖2所示。相比普通的燈管堵頭而言，該方案的堵頭沒有銅針，可以直接開模成型。從堵頭成本上看，相比普通堵頭的生產(chǎn)工藝而言，少了沖鉚銅針的工序，堵頭的整體成本可以下降約10%?？紤]該方案的堵頭沒有公模，假若工藝成熟或者普及開來，相比普通含銅針的堵頭而言，成本可下降約20%～30%。

圖2　自動化設(shè)計的堵頭方案

為了適應(yīng)自動化，堵頭內(nèi)部增加了導(dǎo)向槽，槽口寬度與電源PCB寬度公差控制在0.1 mm左右，使得電源PCB可以順利插進去定位的同時又不致于存在松動的問題。另外導(dǎo)軌槽設(shè)置需要偏向一側(cè)，以便電源插入，同時也有一種防呆的效果。

在堵頭設(shè)計中，銅針套是關(guān)鍵。原本在堵頭上的銅針取消，在電源驅(qū)動上增加銅針，銅針穿孔固定在電源PCB上，電源PCB又固定在堵頭的導(dǎo)向槽中。然而正常使用燈管成品過程，需要扭動與燈管座接觸，為了保證強度，在堵頭上增加一個銅針套，保證在扭動時銅針的受力得到保護，以避免銅針在電源PCB上的相對位移，以達到保護作用。

2.2自動化電源板設(shè)計方案

本方案設(shè)計的PCB外形結(jié)構(gòu)狀似“十”字，如圖3所示。

圖3　自動化設(shè)計的電源板方案及裝配（組圖）

LED燈管要實現(xiàn)自動化，普通的焊接等工藝對自動化的導(dǎo)入是一個很難解決的關(guān)鍵問題，該方案采用接插的形式電器銜接：1）線路板兩側(cè)的小翅膀主要是為了卡進堵頭的導(dǎo)向槽中，用于固定。2）電源輸入端，原本在堵頭的銅針通過過孔插件的方式直接集成在線路板上，當電源插入堵頭的時候，銅針直接從堵頭預(yù)留的銅針套孔中穿出。3）電源輸出端，采用帶座的L型插針，過孔插件集成在線路板上。為了保證插針與后續(xù)的線路板電器連接有效性提高，插針尺寸選擇直徑約為1.0～1.5 mm的方形或六邊形插件的效果是最好的。

2.3自動化PCB板設(shè)計方案與點膠方案

結(jié)合電源結(jié)構(gòu)，可以匹配電源輸出端的L型插針的母端，采用SMT貼片的方式將母端直接貼在PCB燈板上，如圖4所示。PCB燈板需要過回流焊，一般采用低溫錫膏，回流焊最高溫度約280°C，持續(xù)時間約30～40 s。因此，母端的材料需要耐得了回流焊的溫度。

圖4　自動化設(shè)計的PCB燈板方案及裝配（組圖）

PCB燈板方面，為了便于貼片與分板，PCB拼版件因采用交錯時的布局方式，具體如圖5所示。

圖5　PCB燈板交錯布局

玻璃燈管的PCB燈板分板完成后，需要進行點膠并且將PCB燈板固定在玻璃管內(nèi)側(cè)。該工序有不少的設(shè)備產(chǎn)商在研究，并且已經(jīng)有不錯的效果，PCB燈板的自動點膠與穿管的設(shè)備相對比較成熟。其原理如圖6所示。

圖6　玻璃管PCB燈板點膠示意

PCB燈板倒扣（含LED的一側(cè)朝下）放進點膠設(shè)備的傳輸軌道中，傳輸軌道朝著玻璃管方向移動的同時控制點膠機對著PCB燈板的背部開始點膠，當PCB燈板完全進入玻璃管內(nèi)部后，點膠完成。此時設(shè)備控制對著傳輸軌道兩端給出向上的頂起力，使得PCB背部與玻璃管內(nèi)側(cè)接觸，一段時間后，頂起力消失，傳輸軌道退出，PCB燈板就黏在玻璃管內(nèi)側(cè)了。

目前點膠工藝的傳輸軌道是一條桿，僅有一端是有固定端的。在SMT過程中，PCB燈板上已經(jīng)貼上了L型插針的母端，由于母端型號與尺寸不一致，在傳輸軌道上很難做出合適的避空孔。因此，為了滿足自動化與現(xiàn)有的點膠設(shè)備的配合要求，就在現(xiàn)有點膠設(shè)備的傳輸軌道上作如下改動便可以了，如圖7所示。

圖7　交錯式的傳輸軌道示意

目前點膠設(shè)備的傳輸桿都是直直的一根，改動的方案為：將一根傳輸桿如圖7所示分成兩部分，藍色（傳輸桿頭部）部分固定在設(shè)備上，主要承受力與傳輸?shù)膭恿Χ?，紅色（傳輸桿尾部）部分，主要是承放PCB的，中間錯開一個凹槽，用于避空端子。傳輸桿尾端較長，受力后容易彎曲，因此其選材應(yīng)該考慮剛性較強、重量較輕的材料，碳纖維就是個不錯的選擇。

在PCB燈板點完膠水之后，需要等待膠水干透，在不變更膠水的前提下，需要一個較大的緩沖區(qū)域。目前對于玻璃燈管的生產(chǎn)，不少的自動化設(shè)備產(chǎn)商均在考慮如何優(yōu)化點膠這個步驟，對于緩沖區(qū)域，目前提得較多的一種方案是在點膠完成之后，建立一個較大的物料車，由機械手自動將點好膠的燈管轉(zhuǎn)移至物料車上，人工將物料車推至空曠處或者烤箱內(nèi)等待膠水干透。

為了實現(xiàn)自動化的流水作業(yè)，如果可以尋找到一種可以很快就干透的膠水，并且這種膠水對產(chǎn)品不會產(chǎn)生危害性的影響的話，那就很容易解決這個不能流水線作業(yè)的問題了。在目前暫時沒辦法解決的前提下，假如將緩沖區(qū)域的物料車直接改成可進行溫濕度控制的隧道爐的話，那么效果就好了。

假設(shè)常溫狀態(tài)下膠水自然干固至不影響后工序生產(chǎn)作業(yè)，所消耗的時間約為1 h，通過溫濕度可控的隧道爐將時間縮減至小于30 min。隧道爐設(shè)置總長度為10 m，按照普遍的點膠機1000 pcs/h的產(chǎn)量計算，在隧道爐中，每根燈管占用50 mm的寬度尺寸，存在隧道爐中的玻璃管數(shù)量至少要求有500 pcs。滿足條件的隧道爐內(nèi)部鏈條行程軌跡如圖8所示。

圖8　隧道爐鏈條行程軌跡示意

根據(jù)圖8的行程軌跡可知，隧道爐中分為上、中、下3層（淺藍色軌跡指示鏈板回流），30 min內(nèi)存留在隧道爐中的玻璃管的數(shù)量為：10×1 000×3÷50=600 pcs。

綜上所述，通過改良之后，新方案的玻璃燈管裝配工序僅僅需要3個勞動工位，人工作業(yè)時效率明顯提高，具體為：1）電源輸入端對準堵頭導(dǎo)向槽，將電源塞進堵頭內(nèi)部，耗費人工1人。2）利用自動點膠設(shè)備，將堵頭點膠高度區(qū)域點上膠水，點膠設(shè)備輔助完成。3）人工完成電源輸出端與PCB板插座的接插動作，并將堵頭與玻璃管裝配完成，耗費人工1人。4）效仿步驟3），完成玻璃管另一頭堵頭的裝配，耗費人工1人。

由此可以看出，方案經(jīng)改良后，將原來玻璃管工藝所用到的約15～20人縮減至僅有3人，產(chǎn)能效率不降反升。對產(chǎn)品的制造成本有效降低5倍有余。方案應(yīng)用在自動化設(shè)備上，簡化工序，全部以接插的電器連接方案代替原來的焊接方式，減少自動化工作站的數(shù)量，簡化動作、提升效率的同時，不致于將自動化成本抬得抬高?？s減繁瑣的工序步驟后，僅自動化設(shè)備的投入將會縮小20%～30%。

2.4集成A尺寸控制與防止燈頭歪斜功能的老化方案

下面將介紹一種關(guān)于玻璃燈管老化生產(chǎn)線的規(guī)劃方案，方案的優(yōu)點在于縮小廠房占有面積，增加空間利用率；實現(xiàn)多功能單雙端老化，減少燈頭歪斜異常情況，從而保證質(zhì)量。

2.4.1產(chǎn)能方案

一般的老化要求，老化線本身至少應(yīng)該有電壓可調(diào)可變的老化功能與沖擊開關(guān)實驗功能這兩大板塊。對于一般燈具類產(chǎn)品，老化時長一般要求大于2 h，同一條老化線，在滿足產(chǎn)能1 000 pcs/h的前提下，老化2 h的話，老化線長度需要長達50 m，而50 m的老化線長度太過浪費空間。本設(shè)計方案采用迂回立式老化的方式，在滿足老化產(chǎn)能與時長的前提下，將老化線總長度縮減至15 m以內(nèi)。具體方案如圖9所示。

圖9　迂回立式老化示意

以上產(chǎn)能方案主要考慮的是如何在老化的同時減少空間的占有率，將燈管樹立起了，在老化線內(nèi)迂回的行程軌跡，既滿足產(chǎn)能的要求，又能滿足老化時間的要求。

2.4.2單雙端玻璃管兼容與分段電壓控制方案

圖9中老化線行程軌跡，燈座連接銅梢掃獨立接觸電極導(dǎo)槽的方案進行電器連接；電器導(dǎo)槽根據(jù)實際的需要接通不同的電壓，每段獨立的電壓可以任意轉(zhuǎn)換AC/DC并在0～300 V直接調(diào)節(jié)。通過按鈕開關(guān)與線路轉(zhuǎn)換，可實現(xiàn)單雙端的玻璃管老化兼容，如圖10所示。

圖10　兼容單雙端燈管老化設(shè)計方案

通過多組變壓器、安規(guī)綜合測試儀和電橋系統(tǒng)的配合實現(xiàn)AC/DC在0～300 V內(nèi)的任意調(diào)節(jié)，在樹立迂回老化線的行程中，電壓分區(qū)與安規(guī)、電參數(shù)測試的測試點分布如圖11所示。

圖11　分段電壓控制方案

（1）電壓A～E區(qū)?？蓪崿F(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換，電壓范圍為0～300 V任意可調(diào)節(jié)

（2）電參數(shù)與安規(guī)測試區(qū)。老化完成后進行電參數(shù)與安規(guī)測試；安規(guī)測試由安規(guī)綜合測試儀完成，安規(guī)項目包含耐壓、絕緣、接地、漏電等。

老化線內(nèi)設(shè)溫濕度控制系統(tǒng)，保證老化線爐子中溫濕度恒定，有助于膠水的固化。

2.4.3 A尺寸控制

利用設(shè)定好的高度與寬度來控制燈管的A尺寸。

綜上可知，在堵頭點完膠之后，直接便可以上老化線，老化線爐內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)給予堵頭膠水固化充足的調(diào)節(jié)；迂回的結(jié)構(gòu)，增加老化時間的同時，也預(yù)留了堵頭膠水固化的時間；樹立的結(jié)構(gòu)與燈頭固定的方案，是避免燈頭出現(xiàn)歪斜的主要控制方法。

3　小結(jié)

通過對玻璃燈管堵頭的設(shè)計、驅(qū)動電源的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計、PCB燈板的設(shè)計、PCB點膠機承載桿的設(shè)計以及老化方案的工藝方法等的改良，優(yōu)化了LED玻璃燈管的結(jié)構(gòu)及其生產(chǎn)工藝，更便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。本文簡述與提出的設(shè)計結(jié)構(gòu)與自動化方案，可作為推進LED玻璃燈管自動化進程的參考。

參考文獻：

［1］By Dink in NPD. LEDLighting Marketand Forecast Report［R］.［S.l.］: NPDDisplay Search, 2013.

［2］盧泰斗.玻璃管LED日光燈的實用新型分析［BD/OL］.［2013- 07- 15］. www.doc88.com.

【責任編輯：任小平renxp90@163.com】

Production technology and automation solutions of LED glass tube

CHENGNian- bin
（Foshan Nationstar Optoelectronics Co.Ltd., Foshan 528000, China）

Abstract:Although the LED Glass Tubes have a simple structure, it is more tedious in assembly & design, which comes from the LED Aluminum with PC Tubes and LED Full PC Tubes, and will take much more labor costs in production. This technical solution is proposed: to simplify the structure, accessories and optimizing production crafts will greatlyreduce the labor costs, improve the production efficiencyand lower the cost.

Keywords:LEDglass tube; T8 lamp holder; drive power; structural optimization; process optimization

作者簡介：成年斌（1987-），男，廣東清遠人，佛山市國星光電股份有限公司助理工程師。

收稿日期：2015-04-22

文章編號：1008- 0171（2016）02- 0065- 07

中圖分類號：TS956

文獻標志碼：A