廢舊電子產(chǎn)品回收裝置設(shè)計(jì)研究

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摘要：廢舊電子產(chǎn)品的自動(dòng)拆解是一個(gè)比較棘手的問題，物理機(jī)械法對(duì)廢舊電子產(chǎn)品的自動(dòng)拆解是現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。搭建系統(tǒng)主要機(jī)械結(jié)構(gòu)，在分析了解機(jī)械傳動(dòng)的前提下，設(shè)計(jì)一款自動(dòng)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(dòng)拆解的動(dòng)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。

關(guān)鍵詞：廢舊電子產(chǎn)品；元器件；自動(dòng)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（PrintedCircuitBoard，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(jià)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(dòng)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(duì)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(duì)于電路板上的元器件，性能完好且價(jià)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(dòng)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(jì)方案

自動(dòng)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(dòng)拆解分離。位于底部的滑槽伺服傳動(dòng)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(jià)值芯片，以及對(duì)外殼螺絲位置進(jìn)行定位識(shí)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(shí)焊錫是融化狀態(tài)。夾持機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)將高價(jià)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(shí)，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(dòng)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(duì)主板上高價(jià)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(duì)目標(biāo)元器件進(jìn)行夾取，完成一次拆卸。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(dòng)機(jī)構(gòu)、拆解機(jī)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)器視覺傳感器安裝于拆解機(jī)構(gòu)內(nèi)，對(duì)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(duì)圖像進(jìn)行二值化處理、特征識(shí)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(dòng)命令后，伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將帶動(dòng)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(gè)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(shí)，觸發(fā)其執(zhí)行命令，對(duì)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(dòng)，并在滑軌兩端分別安裝有限位開關(guān)，使底板在滑動(dòng)過程中不與邊界發(fā)生碰撞，當(dāng)電子產(chǎn)品被自動(dòng)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(gè)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(dòng)機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。機(jī)器視覺傳感器固定在頂部橫梁上，對(duì)電路板固定臺(tái)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(duì)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(dòng)機(jī)構(gòu)是整個(gè)裝置的鏈接紐帶，負(fù)責(zé)全部的運(yùn)動(dòng)連接，當(dāng)接收到運(yùn)動(dòng)控制命令時(shí)，帶動(dòng)加熱機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到指定目標(biāo)位置。加熱機(jī)構(gòu)對(duì)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(shí)夾持機(jī)構(gòu)對(duì)待取芯片進(jìn)行夾取，分離元器件與主板。當(dāng)夾具隨傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行到右端收集處時(shí)，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(dòng)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(jì)的關(guān)鍵，直接決定著能否完成自動(dòng)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(shí)無需拆除力。如圖4所示，加熱機(jī)構(gòu)由1個(gè)環(huán)形夾持架和4個(gè)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(gè)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(gè)豎直連桿和1個(gè)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(duì)元器件引腳進(jìn)行加熱時(shí)，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。

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(dòng)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(dòng)拆解螺絲。用不同型號(hào)的電子產(chǎn)品（平板電腦為例）進(jìn)行測(cè)試，記錄每次實(shí)驗(yàn)的拆除率，對(duì)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。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(gè)左右時(shí)，拆解效率最好。另外，相同型號(hào)中，拆解效率和螺絲松緊程度以及機(jī)器運(yùn)作時(shí)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(duì)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(dòng)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(shí)夾持機(jī)構(gòu)對(duì)待取芯片進(jìn)行夾取。在同一型號(hào)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)。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(hào)主板的可用芯片拆除效率不同；相同型號(hào)、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(shí)，拆除率可以達(dá)到85%左右，經(jīng)檢測(cè)，芯片基本無損傷，此時(shí)拆除效果最好。因此加熱機(jī)構(gòu)以加熱溫度230℃為設(shè)計(jì)依據(jù)，此時(shí)元器件拆除效果比較理想。

4結(jié)束語

本研究針對(duì)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(dòng)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(dòng)化。本裝置適合于拆解具有高回收價(jià)值的芯片類電子元器件，但并不適合于大批量處理。對(duì)于如何處理廢舊電子產(chǎn)品和廢棄電路板提供了一個(gè)重要參考。

作者:何 俊 陳詠琦 何家裕 單位:武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院