完整版机械设计制造及其自动化专业毕业设计40设计41便携式LED灯具结构设计与分析.docx

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完整版机械设计制造及其自动化专业毕业设计40设计41便携式LED灯具结构设计与分析

三江学院

本科生毕业设计（论文）

题目便携式LED灯具结构设计与分析

高职院院（系）机械设计制造及其自动化专业

指导教师沈仙法职称讲师

指导老师工作单位三江学院

摘要

本课题利用AutoCAD，Pro/E等相关专业绘图工具软件对LED灯具进行结构设计。

通过对LED光源的相关背景知识，历史，特性及发展状况等相关资料的查阅学习，以及对便携式LED灯结构设计、绘图，能够锻炼我的工程设计能力，巩固机械设计、公差测量、工程材料等方面的知识，熟悉和掌握相关的专业知识和计算机应用方面的知识。

收集、了解LED光源的相关背景知识，历史，特性及发展状况等情况。

利用Pro/E，AutoCAD等相关专业绘图工具软件对LED灯具进行结构设计。

其主要的问题是如何设计出符合便携式要求及符合制造要求的相对美观的灯具结构。

首先收集相关信息资料，利用收集的资料对灯具结构进行粗设计。

为了使其更加直观及容易修改，利用Pro/E对其进行三维实体造型，其间对其尺寸、外型等进行不断的修正，使其逐步符合设计要求。

通过此次的设计更加深入了解LED灯具的内部结构和设计工艺，从而使设计的灯具更加高效，便携，节能。

关键词：

LED；灯具；便携式;；Pro/E；；

Abstract

LED（LightEmittingDiode）light-emittingdiodethatisalightcanbeconvertedtoelectricalenergyanddiodecharacteristicswithelectronicdevices.LEDenergysaving,environmentalprotection,solidstructure,longlife,smallsize,highluminousefficiency,highcolor,lowvoltage,lowpowerconsumption.Sincethereisnoultravioletandinfraredspectra,neitherheatnorradiation,typicalofthegreenlighting,theuseofhighefficiency,longlife,security,stabilityandperformancelightingproducts,canimprovepeople'swork,studyandlivingconditionsquality.LEDlightinghasbecomeadevelopmentprospectsandinfluenceofahigh-techproducts.

WedesignedLEDdrivepower,itisnecessarythatLEDcurrent,voltagecharacteristics,theLEDandLEDmanufacturerswithdifferentspecifications,currentandvoltagecharacteristicsaredifferent.Therefore,thedesignofthedrivepowergivenstrictrequirements.AccordingtoLEDcurrent,voltagecharacteristics,thecurrentsourceLEDdriverisidealdrive.Constantcurrentsourcedrivemode,LEDcurrentwillnotbetoohighvoltage,ambienttemperaturechangesandtheimpactofdiscreteLEDparameters,sothatitcanmaintainthecurrentconstant,givefullplaytotheexcellentcharacteristicsofLED.

Inthisthesis,throughthedesignofaconstantcurrentdrivepowertodrivetheLED.Throughavarietyofelectroniccomponentsandelectroniccircuitconstantcurrentpowersupply,tomeetthedesignrequirements.

Keywords:

LED;highefficiency;constantcurrentsourcedriver

第一章绪论

1.1设计课题的背景和特性

1.1.1研究的背景

由于LED越来越广泛地应用于照明产业，而且其具有发光效率高、耗电量小、使用寿命长、安全可靠性强、环保节能等优点，相比与传统的白炽灯、荧光灯等有明显的优势。

而近来LED的发光强度不断提高，已可用于实际照明中。

LED灯具代替普通照明灯具的时代也正在向我们走来。

在这样的大环境下，各大厂商也纷纷开始研制LED灯具。

本课题所设计的便携式LED灯具便是利用了LED结构小巧、节能等特点，在小巧易携带的条件下，亦能为人们提供一定的光亮，使人们在黑暗中行进、昏暗处阅读或在黑暗中作业等条件下能够方便地进行操作随着技术的发展，白光LED的发光效率也正在逐步提高，商品化的器件已达到白炽灯的水平，Nichia已推出100lm/W的白光LED，发光效率已与荧光灯的水平相当，并在稳步增长之中。

白光LED还具有无污染、寿命长、耐震动和抗冲击的鲜明特点，是LED产业中最被看好的新兴产品。

在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，白光LED在照明市场的前景备受全球瞩目。

高亮度白光LED的终极目标是实现新世纪照明。

根据Frost&Sullivan的统计，当前全球照明市场的年增长率约为5.5%，2000年市场规模达45亿美元。

业界一般认为，白光LED照明市场可望在2015年左右趋于成熟。

因此，各界都对白光LED寄以厚望，有“绿色照明光源”之称。

在照明市场方面，中国的电力不足问题加速了LED（发光二极管）取代传统的照明设施，2006年中国大陆的LED市场已达到160亿元人民币，而到2014年我们预计这个市场将达500亿元。

目前中国LED市场每年的增长速度是30%，欧盟、韩国、北美等照明大举投资中国LED产业，业内人士表示，国内政府节能、环保政策的相继出台，成为包括飞利浦、通用电气、首尔半导体在内的跨国企业的机遇和未来。

至此，我国半导体照明产业进入了自主创新、实现跨越式发展的重大历史机遇期。

1.1.2LED光源特性

1、发光效率高。

LED经过几十年的技术改良,其发光效率有了较大的提升。

白炽灯、卤钨灯光效为12—24lm/W,荧光灯57—70lm/W,钠灯90—140lm/W,大部分的耗电变成热量损耗。

LED光效经改良后将达到50—200lm/W,而且其光的单色性好、光谱窄,无需过滤可直接发出有色可见光。

目前,世界各国均加紧提高LED光效方面的研究,在不远的将来其发光效率将有更大的提高。

2、耗电量少。

LED的电能利用率高达80%以上，LED单管功率0.03—0.06W,采用直流驱动,单管驱动电压1.5—3.5V,电流15—18mA,反应速度快,可在高频操作。

同样照明效果的情况下,耗电是白炽灯泡的八分之一,荧光灯管的二分之一。

日本估计,如采用光效比荧光灯还要高两倍的LED替代日本一半的白炽灯和荧光灯,每年可节约相当于60亿升原油。

以桥梁护栏灯为例,同样效果的一支日光灯40多瓦,而采用LED每支的功率只有8瓦,而且可以七彩变化。

当然,节能是我们考虑使用LED光源的最主要原因,也许LED光源要比传统光源昂贵,但是用一年时间的节能收回光源的投资,从而获得4—9年中每年几倍的节能净收益期。

3、使用寿命长。

采用电子光场辐射发光,无灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。

LED灯体积小、重量轻,环氧树脂封装,可承受高强度机械冲击和震动,不易破碎。

平均寿命达10万小时。

LED灯具使用寿命可达5—10年,可以大大降低灯具的维护费用,避免经常换灯之苦。

4、安全可靠性强。

发热量低,无热辐射,冷光源,可以安全触摸。

能精确控制光型及发光角度,光色柔和,无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。

内置徽处理系统可以控制发光强度,调整发光方式,实现光与艺术结合。

5、有利于环保。

LED为全固体发光体,耐震、耐冲击不易破碎,废弃物可回收,没有污染。

光源体积小,可以随意组合,易开发成轻便薄短小型照明产品,也便于安装和维护。

1.2设计课题的概况

本课题利用AutoCAD，Pro/E等相关专业绘图工具软件对LED灯具进行结构设计。

通过对LED光源的相关背景知识，历史，特性及发展状况等相关资料的查阅学习，以及对便携式LED灯结构设计、绘图，能够锻炼我的工程设计能力，巩固机械设计、公差测量、工程材料等方面的知识，熟悉和掌握相关的专业知识和计算机应用方面的知识。

1.3设计本课题的思路与解析

采用应用计算机辅助设计——CAD（ComputerAidedDesign）技术进行产品设计的一般流程如图1.1所示。

现作说明如下：

1、CAD产品设计的过程一般是从概念设计、零部件三维建模到二维工程图。

有的产品特别是民用产品，对外观要求比较高（汽车、家用电器等），在概念设计以后，往往还需要进行工业外观造型设计。

2、在进行零部件三维建模时或三维建模完成以后，根据产品的特点和要求，要进行大量的分析和其他工作，以满足产品结构强度、运动、生产制造与装配等方面的需求。

这些分析工作包括应力分析、结构强度分析、疲劳分析、塑料流动分析、热分析、公差分析与优化、NC仿真及优化、动态仿真等。

3、产品的设计方法一般可分为两种：

自底向上（Down-Top）和自顶向下（Top-Down），这两种方法也可以同时进行。

自底向上：

这是一种从零件开始，然后到子装配、总装配、整体外观的设计过程。

自顶向下：

与自底向上相反，它是从整体外观（或总装配）开始，然后到子装配、零件的设计方法。

4、随着信息技术的发展，同时面对日益激烈的竞争，企业采用并行、协同设计势在必行，只有这样，企业才能适应迅速变化的市场需求，提高产品竞争力，解决所谓的TQCS难题，即以最快的上市速度（T——TimetoMarket）、最好的质量（Q——Quality）、最低的成本（C——Cost）以及最优的服务（S——Service）来满足市场的需求。

图1.1CAD产品设计一般流程

第二章低压电器材料的选择

2.1工程塑料的简介及性能特点

工程塑料是指可用作结构材料的塑料，该类塑料具有较宽的使用温度范围、较长的使用寿命、使用期间可保持优良特性、能够承受机械应力作用。

第一种工程塑料尼龙（PA）于二次世界大战期间在尼龙纤维的基础上问世的。

此后，各种新型工程塑料层出不穷，并投入工业化生产，成为发展高新技术必不可少的化工新材料。

目前已经工业化生产并应用的工程塑料约有二、三十个大类品种。

其中广泛应用的聚酞胺（PA）、聚碳酸酷（PC）、聚甲醛（POM）、聚苯醚（PPO）和聚对苯二甲酸丁二醇酷（PBT）被称为五大工程塑料；耐热性更高的氟塑料、聚苯硫醚（PPS）、聚讽（PsF）等叫做高性能工程塑料或特种工程塑料；有些通用塑料经现代技术改性所得产品如活性聚丙烯（PP），其性能提高到接近上述典型的工程塑料水平，也常被称为工程塑料。

进入21世纪后，全球工程塑料的消费量每年在1000万吨左右，并以每年4.5%的速度递增，预计2012年用量可达到2350万吨。

工程塑料的性能主要取决于高分子化合物的化学组成、相对分子质量、分子结构和物理状态。

工程塑料具有下列优良的特性：

1、突出的优点之一是密度低，工程塑料的密度通常在1.02—2.40g/cm3，只有钢铁材料的1/8—1/4。

2、较高的比强度（强度对重量的比），现在聚芳酯的比强度已经超过钢铁。

3、良好的电绝缘性，许多电子电器产品都离不开它。

4、化学稳定性好，有良好的抗化学腐蚀性，如有“塑料王”之称的聚四氟乙烯，任何介质都难以腐蚀。

5、优良的耐磨、减摩和自润滑性，如聚酰胺、聚碳酸酯及聚四氟乙烯等工程塑料制的耐摩擦零件，可以在各种液体、边界和干的摩擦条件下工作。

6、良好的异物埋没性和就范性，在有摩粒或杂质存在的恶劣条件下工作的零件，如齿轮，偶遇坚硬杂质时，会因塑料的异物埋没性和就范性而将杂质埋没在齿轮内或发生适当形变而继续运转，不会像钢齿轮那样发生咬死或刮伤现象。

7、良好的吸振性、抗冲击性、抗疲劳强度以及消声性，对于运动中的机械零件，可使其达到平稳无声运转。

但工程塑料的力学强度、硬度和耐热性不如金属，力学强度低，拉伸强度约为钢的1/10；一般只能在100℃左右工作，少数可达200℃，热导率只有钢铁的耐久性差，长期受重力左右易产生疲劳，在室外长期受紫外线作用，易降低性能。

工程塑料大都具有可塑性和熔融流动特性，可以采用热压、挤出、注射、吹塑、压延等成型方法成批生产，比金属加工的工艺简单、工时少、耗能低、成本低。

2.2低压电器对塑料材料的一般要求

塑料应用于电器产品上，主要是基于它的绝缘性。

从电性能方面考虑，塑料可大致分为三类：

第一类是非极性的或稍带极性的塑料，如通用塑料中的大部份烯烃类塑料，像PE、PP、PS等。

这类材料的介电常数和介电损耗低，电阻率高，而且不受外界频率和温度、湿度的影响。

第二类是极性大的材料，如有增塑剂的PVC、酚醛模塑料以及尼龙等。

它们的介电强度和介电损耗比第一类大得多，且电阻率也较低。

第三类材料介于一二类之间，介电常数在3～5之间，tanδ在10-3～10-2之间，电阻在1014～1016Ω之间，这类材料有有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）、聚碳酸酯、PBT、聚酰亚胺等。

值得注意的是，第二类和第三类塑料受外界频率、温度和湿度的影响很大。

但对于低压电器用塑料而言，电绝缘性往往并不很重要，这是因为由于绝缘引起的问题很少，一般塑料都能胜任低压电器对材料绝缘性的要求。

相比之下，其他性能就显得更重要些，这些性能包括：

力学性能、热性能、阻燃性能、加工性能、是否环保、性价比和使用寿命等。

2.3本课题选用的材料

聚碳酸酯、尼龙和PBT虽然属于第二三类材料，但由于其优异的力学性能、热性能和加工性能，被低压电器制造商选为首选材料。

而在这三种材料中，PBT力学性能优良，力学强度高，在长时间高载荷作用下变形小。

耐热性优良，长期使用温度130℃，短时使用温度200℃，远高于聚甲醛和聚碳酸酯。

PBT在较高温度下仍具有良好的尺寸稳定性。

尽管制品在与流动方向垂直时的尺寸变化率相对比与流动方向相同时为打，但与其他一些工程塑料相比，其在100℃以上高温下的尺寸稳定性仍然是十分优良的。

PBT具有优良的电绝缘性，其体积电阻率1016Ω·cm。

它与聚酰胺等工程塑料不同，即使在温度、湿度变化范围很广的情况下，其体积电阻率等电性能仍能基本保持不变。

因此，即使在十分苛刻的工作条件下，也不会发生漏电情况。

PBT对于有机溶剂具有很强的抵抗力，但由于其属于聚酯类高分子化合物，因此不耐强酸、强碱及苯酚等化学药品。

另外，在50℃一下的温水中，其性能基本不受影响，但在热水中，力学强度将明显下降。

PBT还具有良好的成型流动性，可以制得厚度较薄的制品。

另外，PBT是整个工程塑料中吸水率最低的品种之一，PBT因吸水而导致制品尺寸的变化也极小，因此PBT在成型时，基本可以忽略不计。

对于本课题所设计的LED灯具来说，发热是不可避免的，因此，PBT的热稳定性就显得至关重要，尤其是它的电阻率能保持不变。

另外，PBT的其他诸如优良的力学性能、良好的加工性能等都能满足本次设计的需要，因此，经过综合考虑，本次设计的灯具的外壳、旋钮开关等零部件选用PBT材料。

第三章LED灯具的结构设计

3.1LED灯具设计的技术指标

对于本次设计的便携式LED灯具主要有两个方面的技术要求，即光强的要求与具体尺寸的要求。

因为要符合便携式的要求，因此对于具体轮廓尺寸做出了如下规定，需达到80*80*50（长*宽*高）单位mm，或更小。

光强的要求，需达到普通照明光源亮度的要求，即达到80mcd或以上。

基于此情况，两节7号AAA电池即3伏电压即可驱动LED灯泡，另外，其光强不是特别高，发热量不高，因此也可省略对散热做过多的设计。

3.2LED灯具设计方案与分析

3.2.1灯盖的结构设计

灯盖分为上灯盖与下灯盖两部分，但它们的内部空间基本相同，因此，首先设计它们的内部空间。

在灯盖的内部空间中需装下以下几个部分：

电池、开关、电路板、灯泡、反光杯、玻璃片等部分。

在此次设计中，灯盖被主要分为两个部分，一个部分为主体部分，主要放置电池、开关等零部件；另一个部分为灯头部分，主要放置灯泡、反光杯等部分。

而电路板位于两部分之间。

见图3.7和图3.8。

下面对于两图作如下说明：

对于塑料件来说，它可以使用搭扣或粘合来实现装配，因此，在本次的设计中也充分利用塑料件的特点，未使用金属件件中常见的螺纹、螺栓等链接形式。

在上下灯盖的装配设计中，我使用了一对较长的搭扣来时间它们的装配，即易于装配也易于拆卸。

而对于它们的外形（以上灯盖为主），需与开关、旋转盘等小配合设计，使保持整体的和谐统一，而又不失实用性。

对于下灯盖来说，有一个上灯盖没有的部分，那就是电池的开口处。

需要留有一个足够的空间来放置电池与更换电池，而在这个空间上还必须设置一个电池盖，使其更加科学与美观。

图3.7上灯盖结构草图

图3.8下灯盖结构草图

3.2.2开关的结构设计

此次的开关的设计采用旋钮式。

由于本次设计的灯具整体比较小巧，但是开关却不能跟这个风，因为，如果旋钮开关设计的太小，则会使的人们在使用是打开和关闭灯具显得麻烦或不自然，不符合人体工程学原理。

因此，在此次的设计中，对于旋钮开关的设计可谓是下了很大的功夫，必须把旋钮开关做得足够大，而且还要与整体风格和谐统一。

所以，为了配合旋钮开关，在上灯盖的外形设计中也必须做出改变，以配合旋钮开关。

开关最重要的便是接通和断开电源。

对于本次设计，采用的是旋钮式的开关，以旋转180度为打开/关闭电源。

在旋转180度处设置一个与开关下部相配合的部件，使其配合，从而接通电源；再回转180度时，它们分离，从而断开电源。

如图3.9所示。

图3.9旋盖开关结构草图

3.2.3旋转盘的结构设计

旋转盘位于灯具主体的最下部，与下灯盖相配合。

旋转盘的主要作用：

（1）使得灯具能水平360°旋转，便于人们使用。

（2）在旋转盘下方接配套器件，如：

夹子（使人们能把灯具夹在帽檐等方便的地方以便解放人们的双手，更加符合便携性的特点）、头箍（可以将灯具安置在头箍之上，以方便需要在昏暗条件下工作的工人或方便牙科医生等医务人员更方便地观察病人的情况）、底座（可以把灯具放置在桌子等地方作为一般台灯使用，以供人们读书、写字等用）等。

因此，在旋转盘的设计中，主要是使其能360°旋转与下能联接配套件为主。

本次设计中，在旋转盘下方设计了一个M6的孔，以方便地用螺栓联接它们，也方便固定与调整上下角度的位置。

3.3LED灯具具体设计过程

本次设计，主要采用了自底向上的方法，既从零件开始、然后到子装配、总装配、总体外观的设计过程。

另外与自顶向下的方法相结合，整体把握。

主要通过三个过程完成最终的设计工作：

概念设计阶段、零部件三维建模阶段、二维工程图绘制阶段。

1、概念设计阶段

在了解了此次设计的灯具的要求、技术指标及应用条件，掌握足够相关的背景知识后，便开始进行灯具的概念设计。

在概念设计中，主要是对各个零件的造型、尺寸等有个初步的分析与记录，在草图中先进行手工草绘，不断修改，如对于电池的摆放位置、方向；旋钮开关的放置等问题的深入研究，最终选定或选定几个较合理的方案。

另外对于整体也有个大体的了解与把握，如整体尺寸的把握等。

2、零部件三维建模阶段

在灯具概念设计基本完成之后就可以进行零部件的三维建模阶段。

三维建模阶段也是整个设计过程中为重要的阶段，是从概念到实体的阶段。

在进行三维建模的过程中，能很直观地看到所设计的灯具零部件，从而可以容易地发现他们的不足或不合理之处，以方便地进行适当地修改。

此外，在三维建模中还可以进行装配，了解零部件之间的装配后的样子，也可以方便地进行灯具的总体的控制。

本次设计使用的建模工具是Pro/E软件，对于该软件的介绍以及具体零部件的三维建模方法会在下一章中详细讲解。

3、二维工程图绘制阶段

在完成三维建模，零部件装配完成之后，灯具的结构就在不断的修改中最终定型。

此时，便可以进行二维工程图的绘制了。

本次设计中，使用了绘制二维工程图最常用的绘图工具软件AutoCAD进行绘制。

第四章灯具的Pro/E三维建模

CAD产品设计过程中，零部件的三维建模是一个很重要的阶段，它起到承上启下的作用。

它能直观地反映出所设计的零部件的真实情况，又能方便地进行修改，直至设计出符合要求的产品为止。

本次设计使用的三维建模绘图工具软件是Pro/ENGINEER。

4.1Pro/ENGINEER软件简介

美国PTC公司（ParametricTechnologyCorporation，参数设计公司）于1985年在美国波士顿成立。

自1989年公司上市伊始，即引起机械CAD/CAE/CAM界的极大震动，其销售额及净利润连续50个季度递增，每年以翻番的速度增长。

PTC公司已占全球CAID/CAD/CAE/CAM市场份额的43%以上，成为CAID/CAD/CAE/CAM/PDM领域最具代表性的软件公司之一，其中的Pro/ENGINEER软件产品的总体设计思想体现了机械CAD软件的发展趋势，在国际机械CAD软件市场上已处于领先地位。

如图4.1为Pro/E软件。

PTC提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关及工程数据再利用等概念改变了机械CAD的传统观念，这种全新的概念已成为当今世界机械CAD领域的新标准。

利用此概念写成的第三代机械CAD产品——Pro/ENGINEER（也简称为Pro/E）软件能将产品从设计至生产的过程集成在一起，让所有的用户同时进行统一产品的设计制造工作，即所谓的并行工程。

Pro/ENGINEER目前共有80多个专用模块，涉及工业设计、机械设计、功能仿真、加工制造等方面，为用户提供全套解决方案。

1998年，PTC公司推出了新一代基于Web的信息管理系统WINCHILL，提出了产品协同商务的全新概念，产品上市仅一年时间，即取得了非常惊人的业绩。

PTC以有用户3万多家，装机量250000套，并赢得了许多全球知名大公司的大宗订单，如FORD、BMW、TOYOTA、VOLKSWAGEN、HYUNDAI、CATERPILLAR、JOHNDEER、J.I.CASE等。

PTC的市场策略是领先的技术、具有竞争力的性能价格比、硬件独立性、全球销售网络以及为客户提供全面的服务和支持。

Pro/E软件是基于特征的全参数化软件，该软件中创建的三维模型是一种全参数化的三维模型。

“全参数化”有三个层面的含义，即特征截面几何的全参数化、零件模型的全参数化以及装配体模型的全参数化。

零件模型、装配模型