廢舊電子產(chǎn)品自動拆解回收裝置的設(shè)計＊

何俊，陳詠琦，何家裕

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廢舊電子產(chǎn)品自動拆解回收裝置的設(shè)計＊

何俊，陳詠琦，何家裕

（武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

廢舊電子產(chǎn)品的自動拆解是一個比較棘手的問題，物理機(jī)械法對廢舊電子產(chǎn)品的自動拆解是現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展趨勢。搭建系統(tǒng)主要機(jī)械結(jié)構(gòu)，在分析了解機(jī)械傳動的前提下，設(shè)計一款自動拆解裝置。利用視覺傳感器和加熱夾持裝置實(shí)現(xiàn)圖像處理、空氣加熱、自動拆解的動能，最后通過實(shí)驗(yàn)表明該裝置拆解電子產(chǎn)品高效、可靠，且損壞率低。

廢舊電子產(chǎn)品；元器件；自動拆解；視覺圖像處理

1 引言

隨著電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度加快，每年有大量的電子廢棄物產(chǎn)生并丟棄，廢舊電路板（Printed Circuit Board，簡稱PCB）屬于典型的電子廢棄物，其中含有大量的具有回收價值的元器件金屬非金屬，近年來也受到了研究者的廣泛關(guān)注。然而，到目前為止，盡管電子產(chǎn)品的組裝和裝配過程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了很高的自動化，但在拆解方面，仍然處于低技術(shù)含量的手工拆解狀態(tài)。如何有效地進(jìn)行廢舊電子產(chǎn)品的資源合理化處理回收，已經(jīng)成為當(dāng)前極為關(guān)注和亟待解決的問題之一。對于廢舊電子產(chǎn)品，可回收資源主要為外殼塑料、電池以及電路板上的元器件。對于電路板上的元器件，性能完好且價值高的芯片類器件可以直接重復(fù)利用，其他元器件可以經(jīng)分類處理后提取有用物質(zhì)加以回收利用。本文著重介紹了一種自動拆解電子產(chǎn)品外殼以及拆解電路板芯片的裝置的組成以及工作原理。

2 設(shè)計方案

自動拆解裝置主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分為兩大部分，分別為主機(jī)拆解裝置和電路板元器件拆解裝置。主機(jī)拆解裝置主要負(fù)責(zé)將電子產(chǎn)品的外殼、電池和主板自動拆解分離。位于底部的滑槽伺服傳動機(jī)構(gòu)是兩部分裝置的紐帶，主要負(fù)責(zé)將拆卸下來的主板進(jìn)行傳送。機(jī)器視覺傳感器主要負(fù)責(zé)匹配和定位高價值芯片，以及對外殼螺絲位置進(jìn)行定位識別。加熱機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)加熱焊錫使其融化，并保證在夾持機(jī)構(gòu)再分離芯片與主板時焊錫是融化狀態(tài)。夾持機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)將高價值元器件從主板上夾取出來。

該設(shè)備的工作原理是：當(dāng)廢舊電子產(chǎn)品位于底板上固定時，機(jī)器視覺傳感器獲取電子產(chǎn)品外殼固定螺釘位置信息，利用伺服傳動系統(tǒng)，控制拆解裝置分離電子產(chǎn)品外殼、電池和主板，分離完成后，底部滑槽將主板傳送至元器件拆解子裝置，視覺傳感器對主板上高價值元器件進(jìn)行定位匹配，結(jié)合加熱機(jī)構(gòu)，使待拆解元器件區(qū)域焊錫加熱融化，再利用夾持裝置，對目標(biāo)元器件進(jìn)行夾取，完成一次拆卸。

圖1 自動拆解裝置主體結(jié)構(gòu)

2.1 主機(jī)拆解裝置

主機(jī)拆解裝置主要由底板滑槽、機(jī)器視覺傳感器、伺服傳動機(jī)構(gòu)、拆解機(jī)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主機(jī)拆解裝置結(jié)構(gòu)圖

機(jī)器視覺傳感器安裝于拆解機(jī)構(gòu)內(nèi)，對廢舊電子產(chǎn)品進(jìn)行圖像獲取，并將圖像傳回控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對圖像進(jìn)行二值化處理、特征識別和邊緣化處理，獲得外殼固定螺釘坐標(biāo)位置。當(dāng)收到控制系統(tǒng)發(fā)出的運(yùn)動命令后，伺服傳動機(jī)構(gòu)將帶動拆解機(jī)構(gòu)，運(yùn)行到指定坐標(biāo)位置。拆解機(jī)構(gòu)由一個直流電機(jī)和可更換處理末端的螺絲刀組成，當(dāng)拆解機(jī)構(gòu)到達(dá)指定位置時，觸發(fā)其執(zhí)行命令，對外殼螺絲進(jìn)行拆解，分離主板、外殼以及電池。底板位于滑槽上部，可以沿底部滑槽作平移運(yùn)動，并在滑軌兩端分別安裝有限位開關(guān)，使底板在滑動過程中不與邊界發(fā)生碰撞，當(dāng)電子產(chǎn)品被自動拆解后，底板滑槽將主板傳送至元器件拆解裝置，完成后又回到起始位置，迎接下一個廢舊電子產(chǎn)品。

2.2 電路板元器件拆解裝置

電路板元器件拆解裝置主要由加熱機(jī)構(gòu)、機(jī)器視覺傳感器、伺服傳動機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—滑軌；2—電路板固定臺；3—加熱裝置；4—拆除裝置； 5—機(jī)器視覺傳感器；6—水平移動導(dǎo)軌；7—水平移動導(dǎo)軌。

機(jī)器視覺傳感器固定在頂部橫梁上，對電路板固定臺上的主板進(jìn)行信息采集，通過模板匹配，獲取可利用芯片大致位置，對圖像采取二值化處理，提取邊緣，確定待取芯片邊緣及其大小，獲取精確位置。伺服傳動機(jī)構(gòu)是整個裝置的鏈接紐帶，負(fù)責(zé)全部的運(yùn)動連接，當(dāng)接收到運(yùn)動控制命令時，帶動加熱機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動到指定目標(biāo)位置。加熱機(jī)構(gòu)對電路板進(jìn)行預(yù)熱、加熱，直至焊錫融化并使其保持融化狀態(tài)，此時夾持機(jī)構(gòu)對待取芯片進(jìn)行夾取，分離元器件與主板。當(dāng)夾具隨傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)行到右端收集處時，夾具慢慢松開，利用芯片自身重力，落入收集裝置中。電路板元器件的自動拆解是在高溫下（210～240 ℃）完成，因此夾具的材料選取是經(jīng)過特殊處理的。

加熱機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)是電路板元器件拆解裝置設(shè)計的關(guān)鍵，直接決定著能否完成自動拆卸，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

考慮到貼片式芯片一般以雙排或矩形引腳為主，通過焊錫固定于電路板上，拆解時無需拆除力。如圖4所示，加熱機(jī)構(gòu)由1個環(huán)形夾持架和4個小型熱風(fēng)槍構(gòu)成，熱風(fēng)槍固定于環(huán)形夾持架上，每個熱風(fēng)槍可以由控制系統(tǒng)控制張開角度以及高度，以適應(yīng)不同尺寸的目標(biāo)芯片。夾持機(jī)構(gòu)由1個豎直連桿和1個真空吸盤組成。豎直連桿安裝于加熱機(jī)構(gòu)環(huán)形夾持架中間，可保證加熱和拆除同步進(jìn)行。真空吸盤固定于豎直連桿底端，當(dāng)加熱機(jī)構(gòu)對元器件引腳進(jìn)行加熱時，豎直連桿下移，通過擠壓力排除吸盤內(nèi)部空氣，大氣壓力將元器件固定于吸盤上。當(dāng)元器件引腳焊錫融化后，豎直連桿上移，分離元器件和電路板。

1—貼片式芯片；2—真空吸盤；3—加熱裝置；4—拆卸桿；5—加熱夾持架。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 主機(jī)拆解實(shí)驗(yàn)

在視覺傳感器獲取到外殼螺釘位置信息后，傳動機(jī)構(gòu)按照既定路線將拆解機(jī)構(gòu)運(yùn)送至指定位置，控制螺絲刀之上的直流電機(jī)自動拆解螺絲。用不同型號的電子產(chǎn)品（平板電腦為例）進(jìn)行測試，記錄每次實(shí)驗(yàn)的拆除率，對同一條件下的多次實(shí)驗(yàn)取平均值，可得到如表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 主機(jī)拆解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

型號尺寸/cm螺釘數(shù)/個拆除率/（%） Ramos20.3598.7 Ampe20.3597.9 Lenovo20.31593.3 Ccit17.8595.4 魅族MX417.8８87.5

從表1可以看出來，在同一實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，隨著拆解螺釘數(shù)量增加，拆解率有所下降，拆解數(shù)量在5個左右時，拆解效率最好。另外，相同型號中，拆解效率和螺絲松緊程度以及機(jī)器運(yùn)作時長也有很大關(guān)系。但總體來看，機(jī)器的拆解效率維持在90%以上，拆除效果比較理想。

3.2 電路板元器件拆解實(shí)驗(yàn)

對主板元器件進(jìn)行拆解實(shí)驗(yàn)，在視覺傳感器匹配好待取元器件信息后，傳動機(jī)構(gòu)將加熱機(jī)構(gòu)和夾取機(jī)構(gòu)運(yùn)送至既定位置，進(jìn)行預(yù)熱和加熱，元器件引腳上的焊錫充分熔化，此時夾持機(jī)構(gòu)對待取芯片進(jìn)行夾取。在同一型號和同一實(shí)驗(yàn)環(huán)境下多次實(shí)驗(yàn)取平均值，以及在不同加熱溫度條件下多次實(shí)驗(yàn)取平均值，得到如表2、表3所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 230 ℃下元器件拆解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

型號拆解溫度/℃拆除率/（%） Ramos23085.5 Ampe23083.2 Lenovo23089.6 Ccit23082.6 魅族MX423088.8

從表2、表3可知，在同一加熱溫度、同一實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，不同型號主板的可用芯片拆除效率不同；相同型號、同一實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，隨溫度升高（溫度范圍為210～230 ℃），芯片的拆除率隨之提高，當(dāng)溫度上升至230 ℃時，拆除率可以達(dá)到85%左右，經(jīng)檢測，芯片基本無損傷，此時拆除效果最好。因此加熱機(jī)構(gòu)以加熱溫度230 ℃為設(shè)計依據(jù)，此時元器件拆除效果比較理想。

表3 元器件拆解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

型號拆解溫度/℃拆除率/（%） Ramos21081.4 Ampe21080.5 Lenovo21083.7 Ccit21082.2 魅族MX421085.6

4 結(jié)束語

本研究針對現(xiàn)有的廢舊電子產(chǎn)品的特點(diǎn)，研制了一種結(jié)合視覺處理的廢舊電子產(chǎn)品自動拆解回收裝置，它的拆解速度和拆解效率遠(yuǎn)高于人工拆解，并且可以實(shí)現(xiàn)拆解自動化。本裝置適合于拆解具有高回收價值的芯片類電子元器件，但并不適合于大批量處理。對于如何處理廢舊電子產(chǎn)品和廢棄電路板提供了一個重要參考。

［1］周全法，尚通明.廢電腦及配件與材料的回收利用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［2］易榮華，陳曉勇.自動拆卸廢棄電路板上電器元件裝置研究［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2007（9）.

［3］王淑旺，劉志峰，劉光復(fù)，等.機(jī)電產(chǎn)品回收關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2002，38（Suppl 1）：76-81.

［4］楊繼平，向東，程楊，等.面向元器件重用的印制電路板拆解試驗(yàn)［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2010，46（1）.

［5］孫春旭，郭杰，王建波，等.廢舊印刷電路板中電子元器件回收處理技術(shù)進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報，2016（9）.

［6］Ogunseitan O A，Schoenung J M，Saphores J D M，et al.The electronics revolution: From E-Wonder-Land to E-Wasteland［J］.Science，2009（10）.

［7］Robinson B H. E-waste：An assessment of global production and environmental impacts［J］.Science of the Total Environ，2009（408）：183.

國家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃（編號：201810497112）

2095－6835（2019）03－0126－02

TP2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.126

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕