工業(yè)機(jī)器人在LCD顯示器廢棄物自動(dòng)化拆解流水線中的應(yīng)用

王素娟 秦琴 屠子美

關(guān)鍵詞： 工業(yè)機(jī)器人; 電子廢棄物; 自動(dòng)化流水線; 拆解; 激光切割; LCD顯示器

中圖分類號(hào)： TN830.1?34; TP249 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）04?0175?04

Application of industrial robots in automatic disassembly line of LCD displayer waste

WANG Sujuan， QIN Qin， TU Zimei

（School of Intelligent Manufacturing & Control Engineering， Department of Engineering， Shanghai Polytechnic University， Shanghai 201209， China）

Abstract： The current disassembly industry of electronic waste component in China is mainly realized by manual disassembly， and the prominent problems existing in manual disassembly are low efficiency and increase of labor cost year by year. The electronic waste contains various heavy metals and organic pollutants， which can be released to the environment during the disassembly process， and cause great harm to the operating personnel. Therefore， an automatic disassembly line of LCD displayer waste is researched and developed in this paper. The working process of two industrial robots， and solutions to key problems of mode selection， interfaces to PLC and working process are described in detail. In the automatic disassembly line of LCD displayer waste， LCD displayers are disassembled into the parts of plastic shells， metal shields， circuit boards and LCD panels by means of the cutting and drilling modes. Two industrial robots are used to cut metal shields and remove circuit boards. The experimental results show that the usage of robots can greatly simplify the mechanical design of the whole assembly line， and the high speed of robots can guarantee the working pace of the assembly line.

Keywords： industrial robot; electronic waste; automatic assembly line; disassembly; laser cutting; LCD displayer

0 ?引 ?言

自從20世紀(jì)60年代初人類創(chuàng)造了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來(lái)，機(jī)器人就顯示出它旺盛的生命力。在短短40多年的時(shí)間中，機(jī)器人技術(shù)得到迅速的發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人具有工作效率高、穩(wěn)定可靠、重復(fù)精度好、能在高危環(huán)境下作業(yè)等優(yōu)勢(shì)，在傳統(tǒng)制造業(yè)，特別是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)中發(fā)揮著重要作用。而工業(yè)機(jī)器人與自動(dòng)化成套裝備是生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵設(shè)備，可用于制造、安裝、檢測(cè)、物流等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并廣泛應(yīng)用于汽車整車及汽車零部件、工程機(jī)械等眾多行業(yè)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛[1?4]。

目前在我國(guó)，電子廢棄物元器件的拆解業(yè)仍主要靠人工拆解來(lái)實(shí)現(xiàn)，人工拆解存在的突出問(wèn)題是效率低下，人工成本費(fèi)用逐年上升，而且電子垃圾含有多種重金屬和有機(jī)污染物。這些污染物隨著拆解過(guò)程釋放到環(huán)境中，會(huì)對(duì)操作人員造成極大的危害。多項(xiàng)研究顯示電子垃圾拆解工人血清中PBDEs，DPs 含量顯著高于對(duì)照組[5?9]。因此，研制自動(dòng)化的電子廢棄物處理技術(shù)勢(shì)在必行。本文將拆解廢棄LCD顯示器作為拆解電子廢棄物的第一步，進(jìn)行LCD顯示器廢棄物自動(dòng)化拆解流水線的研制。其中，工業(yè)機(jī)器人因其靈活的運(yùn)動(dòng)、快捷的速度、極高的精度在廢棄LCD顯示器的拆解中起了關(guān)鍵作用。

1 ?LCD顯示器廢棄物自動(dòng)化拆解流水線系統(tǒng)

LCD顯示器廢棄物自動(dòng)化拆解流水線目的是將一個(gè)完整的廢棄液晶顯示屏拆解成液晶屏、電路板、塑料外殼、金屬罩等獨(dú)立部分。它采用多工位流水協(xié)同工作，包括從上游到下游依次的工位為：上料工位、切割工位、開(kāi)孔工位、激光工位、分離工位和回收工位;上述各工位之間采用傳送帶連接，實(shí)現(xiàn)流水線工作。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

各工位完成的主要工作為：上料工位為系統(tǒng)流水線最前端，完成上料功能，由一名操作人員將廢棄LCD顯示器放置在流水線上（LCD顯示器屏幕朝下，接口端面向操作人員）;切割工位主要完成LCD顯示器外罩的切割，LCD顯示器外罩的切割是顯示器拆解的第一步;開(kāi)孔工位主要完成LCD顯示器外罩背面4個(gè)固定螺絲的拆卸和顯示器塑料外罩的回收;激光工位主要完成廢舊LCD顯示器金屬屏蔽罩與其內(nèi)部電路板的分離;分離工位主要完成LCD顯示器金屬屏蔽罩的移除和液晶屏驅(qū)動(dòng)電路板上面2個(gè)螺絲開(kāi)孔;回收工位位于本流水線最下游，主要完成液晶顯示驅(qū)動(dòng)板電路器件與液晶屏的分離和回收。

本系統(tǒng)采用多個(gè)工位協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的廢舊液晶顯示器拆解和分類。系統(tǒng)只需要一位操作工位操控，采用安全防護(hù)隔離罩保證安全環(huán)保的操作環(huán)境，最大程度避免了拆解過(guò)程中噪聲、粉塵及有害金屬對(duì)操作人員身體的傷害[10?11]。

2 ?工業(yè)機(jī)器人的功能

在LCD顯示器廢棄物自動(dòng)化拆解流水線中有兩個(gè)工位用到工業(yè)機(jī)器人：一個(gè)是在激光工位，使用六軸機(jī)器人帶動(dòng)光纖激光器沿指定路徑切割廢棄LCD顯示器的金屬屏蔽罩;另一個(gè)是在回收工位，六軸機(jī)器人第6軸上裝有滾動(dòng)刀片、吹風(fēng)機(jī)和鏟刀，完成控制電路板和液晶驅(qū)動(dòng)板與液晶顯示屏的分離。

2.1 ?激光工位機(jī)器人功能

激光工位要完成金屬屏蔽罩與顯示屏電路板的分離，考慮到金屬罩是用卡扣卡在顯示屏上的，并且還用螺釘和電路板焊在一起，采用切割的方式，使其與電路板分離。而金屬屏蔽罩的切割選用光纖激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)，將其固定在機(jī)器人的第6軸上，另外在機(jī)器人切割的過(guò)程中，要推動(dòng)LCD顯示屏以調(diào)整位置并吸走無(wú)用的金屬片，因此機(jī)器人第6軸上還固定有磁鐵和金屬片。

金屬屏蔽罩與顯示屏電路板之間是由6個(gè)螺釘連接，機(jī)器人的第1個(gè)動(dòng)作就是在這6個(gè)螺釘處開(kāi)孔;螺釘開(kāi)孔后，側(cè)面電源和串口插座的凸出阻礙了金屬屏蔽的分離，因此下一步要使用激光切割掉金屬屏蔽罩的側(cè)面;金屬屏蔽罩的側(cè)邊還有一個(gè)金屬片，它將液晶屏和電路板之間的連接導(dǎo)線罩住，下一步就是去除這塊金屬片并切斷液晶屏和電路板之間的連接導(dǎo)線，如圖2所示。這些開(kāi)孔和切割動(dòng)作完成后，在下個(gè)工位（分離工位）就能用電磁鐵將金屬屏蔽罩吸走，放入回收筐。

2.2 ?回收工位機(jī)器人功能

回收工位動(dòng)作目標(biāo)是完成液晶顯示驅(qū)動(dòng)板和液晶屏的分離，將它們分別投入各自的回收筐。液晶顯示驅(qū)動(dòng)板和液晶屏之間的連接包括導(dǎo)線、連接線和膠帶。因此在此工位，機(jī)器人需完成導(dǎo)線和連接線的切割、膠帶的鏟除，以及將電路板投入回收筐等動(dòng)作，如圖3所示。為完成上述動(dòng)作，在回收工位的機(jī)器人上安裝有刀片（切割導(dǎo)線）、吹風(fēng)機(jī)（使膠帶軟化）和鏟刀（鏟除膠帶并將電路板鏟到回收筐）。

3 ?工業(yè)機(jī)器人使用中的關(guān)鍵問(wèn)題及解決方案

3.1 ?機(jī)器人選型

根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的總體要求和機(jī)器人的功能描述可以看出激光和分離工位所需的機(jī)器人應(yīng)具有如下特征：動(dòng)作迅速，每個(gè)工位30 s內(nèi)完成;靈活度高，每個(gè)工位至少3個(gè)動(dòng)作，且都不在同一平面;負(fù)重不大，待處理的廢棄LCD顯示器、激光器都在5 kg以下;工作范圍有限，處理對(duì)象為廢棄LCD顯示器，尺寸有限。根據(jù)這些特征，機(jī)器人本體選擇安川MH5F，機(jī)器人控制器選用FS100。

3.2 ?機(jī)器人控制方法

3.2.1 ?機(jī)器人與PLC接口電路

在激光工位，六軸機(jī)器人的動(dòng)作是和機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動(dòng)氣缸配合進(jìn)行的。這種配合由PLC進(jìn)行控制，而機(jī)器人6軸上安裝的激光器和磁鐵的動(dòng)作，則由機(jī)器人發(fā)指令控制，因此機(jī)器人的接口電路如圖4所示。回收工位機(jī)器人的3個(gè)動(dòng)作由PLC控制，其與PLC的接線圖與圖4類似。

圖中FS100?CN1為機(jī)器人控制器的普通I/O接線端子，機(jī)器人動(dòng)作1～5的啟動(dòng)信號(hào)由PLC發(fā)送給機(jī)器人控制器，機(jī)器人完成每個(gè)動(dòng)作后就會(huì)返回給PLC一個(gè)動(dòng)作完成信號(hào)。而激光器和磁鐵的動(dòng)作由機(jī)器人控制，因此激光器和磁鐵的信號(hào)直接接至機(jī)器人控制器的普通I/O端口。FS100?CN2為機(jī)器人控制器的專用I/O端口，用于接收外部特殊控制指令并輸出機(jī)器人的狀態(tài)。

3.2.2 ?PLC控制機(jī)器人信號(hào)時(shí)序

PLC控制機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，首先需要將機(jī)器人示教器的模式選擇開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)到“REMOTE”即遠(yuǎn)程模式。PLC發(fā)出“外部伺服”信號(hào)后，再發(fā)出“消除報(bào)警”“調(diào)主程序”和“外部啟動(dòng)”P信號(hào)，機(jī)器人才進(jìn)入主程序，執(zhí)行動(dòng)作。這些信號(hào)的時(shí)序圖如圖5所示。

3.3 ?機(jī)器人程序流程

激光工位機(jī)器人要和外部的視覺(jué)機(jī)器人合作在激光工位上完成顯示器金屬屏蔽罩的切割，其中激光工位機(jī)器人要完成5個(gè)動(dòng)作;而回收工位機(jī)器人則要和外部壓緊裝置和機(jī)械臂上的電吹風(fēng)配合完成電路板與液晶屏的分離。根據(jù)前面對(duì)激光工位和回收工位的功能描述，將其各個(gè)動(dòng)作編寫出相應(yīng)的子程序，然后設(shè)計(jì)出其主程序流程如圖6所示。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

六軸工業(yè)機(jī)器人具有精度高、工作穩(wěn)定、柔順性好、動(dòng)作迅速等優(yōu)點(diǎn)[12]。只要配上合適的末端執(zhí)行器，就將能勝任多項(xiàng)工作。利用六軸機(jī)器人的這個(gè)特點(diǎn)，在激光工位機(jī)器人上安裝光纖激光器、磁鐵;在回收工位機(jī)器人上安裝滾動(dòng)刀片、吹風(fēng)機(jī)、鏟刀，再規(guī)劃好合理的路徑，就可實(shí)現(xiàn)多個(gè)動(dòng)作來(lái)切割掉廢棄LCD顯示器的金屬屏蔽罩，完成電路板和液晶屏的分離。機(jī)器人的使用大大簡(jiǎn)化了整個(gè)流水線的機(jī)械設(shè)計(jì)，而且機(jī)器人的高速度也使得流水線的工作節(jié)拍得以保證。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣慶斌，陳小艷.工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)編程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

JIANG Qingbin， CHEN Xiaoyan. Industrial robots field programming [M]. Beijing： China Machine Press， 2014.

[2] 計(jì)時(shí)鳴，黃希歡.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用綜述[J].機(jī)電工程，2015，32（1）：1?13.

JI Shiming， HUANG Xihuan. Review of development and application of industrial robot technology [J]. Journal of mechanical & electrical engineering， 2015， 32（1）： 1?13.

[3] 梁一新，劉凱.促進(jìn)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的戰(zhàn)略思考[J].現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)，2013（6）：28?32.

LIANG Yixin， LIU Kai. Strategic thinking to promote the industrialization of industrial robots in China [J]. Modern industrial economy， 2013（6）： 28?32.

[4] 本刊編輯部.我國(guó)工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2013（2）：1?3.

Editorial department of robot technique and application. Status and development of industrial robots in China [J]. Robot technique and application， 2013（2）： 1?3.

[5] 嚴(yán)驍，李淑圓，王美歡，等.電子垃圾拆解工人的肝功能和腎功能健康狀況及影響因素分析：以清遠(yuǎn)市龍?zhí)伶?zhèn)為例[J].環(huán)境科學(xué)，2018，39（2）：953?960.

YAN Xiao， LI Shuyuan， WANG Meihuan， et al. Factor analysis of liver function and renal function of health status and effect of electronic waste dismantling workers in Longtang town of Qingyuan city [J]. Environmental science， 2018， 39（2）： 953?960.

[6] 梁思.典型電子廢物拆解區(qū)溴代阻燃劑和重金屬人體負(fù)荷研究[D].上海：華東理工大學(xué)，2016.

LIANG Si. Study of brominated flame retardants and heavy metals in typical electronic waste dismantling area [D]. Shanghai： East China University of Science & Technology， 2016.

[7] BI X， THOMAS G O， JONES K C， et al. Exposure of electronics dismantling workers to polybrominated diphenyl ethers， polychlorinated biphenyls， and organochlorine pesticides in South China [J]. Environmental science & technology， 2007， 41（16）： 5647?5653.

[8] REN G， YU Z， MA S， et al. Determination of dechlorane plus in serum from electronics dismantling workers in South China [J]. Environmental science & technology， 2009， 43（24）： 9453?9457.

[9] ZHENG J， LUO X J， YUAN J G， et al. Heavy metals in hair of residents in an e?waste recycling area， South China： contents and assessment of bodily state [J]. Archives of environmental contamination & toxicology， 2011， 61（4）： 696?703.

[10] 秦琴，屠子美，劉唯，等.一種基于視覺(jué)定位和扭矩控制的自動(dòng)拆卸螺釘方法及其裝置：CN104924064A[P].2015?09?23.

QIN Qin， TU Zimei， LIU Wei， et al. A method and device for automatic disassembly screw based on visual positioning and torque control： CN104924064A [P]. 2015?09?23.

[11] 秦琴，黃江巍，劉正國(guó).一種焊機(jī)移動(dòng)控制系統(tǒng)以及控制方法：CN104384762A[P].2015?03?04.

QIN Qin， HUANG Jiangwei， LIU Zhengguo. The moving control system and control method of a welding machine： CN104384762A [P]. 2015?03?04.

[12] 蘭虎.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

LAN Hu. The technology and application