液晶屏屏蔽罩螺丝拆卸平台的研制

屠子美,秦琴,窦建方,朱冬冬

(上海第二工业大学a.智能制造与控制工程学院;b.环境与材料工程学院,上海201209)

液晶屏屏蔽罩螺丝拆卸平台的研制

屠子美a,秦琴a,窦建方a,朱冬冬b

(上海第二工业大学a.智能制造与控制工程学院;b.环境与材料工程学院,上海201209)

为解决液晶屏显示器拆解中的屏蔽罩侧边螺丝拆卸问题,设计了液晶屏屏蔽罩螺丝拆卸平台。该系统运用LabVIEW软件开发,配合机械结构设计、伺服驱动、目标识别和人机交互技术,以物理的方法拆卸液晶屏屏蔽罩侧边螺丝,为后续分离显示器玻璃面板、内部线路板和回收稀有金属提供了保障。

螺丝;虚拟仪器;LabVIEW;机械设计;目标识别

0 引言

随着电子信息产业的飞速发展,各类电子产品更新换代的周期大大缩短,常在使用寿命远未终结时即被新的产品代替,甚至废弃[1-2]。而这些未经妥善处理的废弃液晶屏显示器不仅浪费资源,还危害环境和人类的健康。据相关预测显示,该废弃物数量也将以年均23.5%的增长率递增[3],因此,拆解回收这些数量巨大的废弃液晶屏显示器显得尤为重要和迫切[4]。

目前,国内外对液晶屏显示器的回收主要集中在稀有金属的回收、显示器玻璃面板的裁边和剥离、内部线路板的回收等[5-6],这对合理利用资源、实现资源化发展无疑是一项利国利民的好事。要回收这些资源,首先需要把液晶显示器拆解为显示屏塑料后盖与边框、屏蔽罩、电路板和液晶屏等组件。目前国外一般采用机械破碎的方法,这虽然提高了资源再生利用率,但元器件的利用率较低,基本只有8%～10%。国内拆解业主要依靠人工拆解来实现,但面临着效率低下、成本费用高、危害隐患大等风险。因此,研究一条自动化的拆解流水线的意义重大。

屏蔽罩侧边螺丝的拆卸是液晶屏显示器拆解的一个必经流程。一般地,人们采用人工拆解的方法,但该方法耗时耗力、效率不高、影响进度。而一种物理的、机械的螺丝拆卸方法将更加受到人们的青睐,但它同时也是一项亟待解决的技术难题。当前,在国内外自动化设备中关于螺丝拆卸的技术罕有报道,相关论文的研究发表也较为稀缺。本文拟尝试通过对液晶屏屏蔽罩螺丝拆卸平台的研制,实现对螺丝的自动化拆卸并说明其可行性。

1 总体方案设计

本平台以Dell 156系列显示器为样本,拆除显示屏塑料后盖和边框后,需拆卸的屏蔽罩两边螺丝共计5颗,以十字螺丝为主,具体位置如图1、2。

液晶屏屏蔽罩螺丝拆解平台的设计目标是:实现十字螺丝的自动定位(精度0.2 mm),达到自动化拆卸螺丝的目的。

系统架构如图3所示,由上位机软件LabVIEW与下位机进行数据信息交互,并完成相应的程序功能。光源配合工业智能相机——拍照、采集图像、识别螺丝中心位置,由运动控制卡PCI-1240U控制四轴电机运动,其中三轴(X轴、Y轴、Z轴)电机带动直线模组实现空间位置的移动,U轴电机按特定的节拍控制螺丝刀的旋转速度和方向,拆卸屏蔽罩螺丝。

图1 屏蔽罩螺丝位置1Fig.1 Position 1 of the screw on shield

图2 屏蔽罩螺丝位置2Fig.2 Position 2 of the screw on shield

液晶屏屏蔽罩螺丝拆解平台是基于虚拟仪器技术[7],结合机械结构设计、伺服驱动、目标识别与定位、扭矩控制、人机交互等多项技术实现液晶屏屏蔽罩螺丝自动化拆卸[8-9]的平台,具有识别率高、定位准确、效率高、易于拆卸等特点。

2 硬件设计

本系统硬件装配图如图4所示,螺丝位于屏蔽罩两侧,用定位挡块定位屏蔽罩,并用夹紧气缸夹紧固定。螺丝刀、轴心固定件、联轴器、伺服电机作为螺丝拆卸组件安装于Z轴直线模组上,通过XYZ轴直线模组的空间运动改变螺丝拆卸组件的位置,并在螺丝刀组件尾部,电机下方安装一弹簧,用以缓和整个装置水平方向上的力。环形光源、工业智能相机、镜头作为视觉组件安装于螺丝刀拆卸组件的左侧,该安装方式节省了整个装置的运行时间,提高了整个流程的运行效率。

图3 系统架构图Fig.3 Structure diagram of system

图4 系统硬件装配图Fig.4 Assembly drawing ofsystem hardware

2.1 螺丝刀组件

拆卸螺丝的关键部件——螺丝刀组件主要由螺丝刀、轴心固定件、联轴器和伺服电机组成。

过粗的螺丝刀批头尖度会导致螺丝刀无法准确进入螺丝十字凹槽内;而过尖的批头尖度则会导致螺丝拆卸时横向着力不足,无法满足拆卸螺丝所需要的扭矩力。螺丝刀的长度则是由系统硬件装配结构决定,并考虑机械因素,因此,选择802 Ø6 mm×80 mm×PH2的带磁性的十字螺丝刀,其中带磁的螺丝刀可以在拆卸结束时将螺丝脱离工件,并在指定位置回收而不影响后续工作。

图5所示为螺丝刀组件实物图,轴心固定件固定轴心,使螺丝刀轴心和电机轴心始终保持在一条直线上;在轴心固定件和伺服电机之间安装一个带弹簧的联轴器,用于微调和缓冲螺丝刀横向的力;伺服电机控制螺丝刀以特定的节拍正反转。通过不同工件在不同方向上的微调,螺丝刀头在旋转过程中同时对准并自动嵌入至螺丝十字凹槽内,将螺丝拆卸下来。该设计使螺丝刀的应用更具灵活性。

图5 螺丝刀组件Fig.5 Components of screwdriver

伺服电机具有精确速度、位置控制,抗过载能力强、稳定和低噪声等特点。通过伺服电机转矩与螺丝螺纹的关系,可以达到精确控制,避免无法拆卸或滑牙的现象。

2.2 工业智能相机

工业智能相机是一种高度集成化的微小型机器视觉系统。它将图像的采集、处理与通信功能集成于单一相机内,从而为工业生产提供了模块化、多功能、高可靠性、高精度、易于实现的机器视觉解决方案,大大满足了市场的应用需求。

本系统采用DATALOGIC A30系列智能相机,它是一款通用型、高性价比的独立产品。具有防护等级高达IP67的外壳,可完美适用于苛刻的工业环境。A30系列智能相机包括一个VGA(640×480)CCD成像器、内置的离散I/O以及以太网接口和串行接口。此外,DATALOGIC提供的Impact软件有助于实现灵活编程,从而满足所有机器视觉的应用需求。

本系统通过以太网的接口通信模式,建立相机与上位机的通信,同时通过CBX500接线盒为相机提供24V电源。

2.3 镜头

镜头是机器视觉系统中的重要组件,对成像质量有着关键性的作用。主要功能是聚集光线,并将拍摄目标的光学影像呈现在相机CCD/CMOS传感器表面,从而采集到清晰锐利的图像,其品质的好坏直接影响到最终图像信息的准确度。

本系统应用于工业现场,需要光学畸变更小、分辨率足够高、光谱响应更加丰富的工业镜头。因此选择Computar公司的M3514-MP型号定焦镜头,其焦距35 mm,光圈范围F1.4～F16C,工作距离0.3 m～∞,靶面尺寸1.69 cm,最大成像尺寸可达8.8×6.6(Ø11),手动控制光圈、聚焦,接口C型,工作温度-10～50°C。

2.4 环形光源

光源是影响机器视觉图像质量的重要因素,对输入数据的影响至少占30%。角度照射的环形光源具有光束集中、亮度好、均匀性好、照射面积相对较小的特点,能够突出显示被测物体边缘,突显图像效果,从而简化算法、提高检测精度、保证检测系统的稳定性。

选择IS-74-60-G型号的LED环形光源,其电压24 V,外径74 mm,光出射角度60°,光颜色为绿光,均匀性好,适合应用于银色背景的屏蔽罩。

2.5 运动控制卡

本系统直线模组电机均由PCI-1240U伺服电机运动控制卡控制。

PCI-1240U是一款4轴通用PCI(支持3.3 V和5 V信号插槽)步进/脉冲型伺服电机控制卡,专门用于一般的精确运动,简化了步进和脉冲伺服运动控制,可以显著提高电机的工作性能。该卡使用了智能NOVA®MCX314运动ASIC芯片,能够提供各种运动控制功能,如2/3轴线性插补、2轴圆弧插补、T/S曲线加速等。运行温度0～60°C,湿度(5%～95%)RH。

本系统主要通过PCI-1240U运动控制卡控制XY Z三轴电机带动直线模组实现结构的空间运动和U轴电机带动螺丝刀的旋转运动,其中XY Z轴电机采用点到点的控制模式,U轴电机则采用连续控制模式。

3 软件设计

3.1 软件平台

系统软件基于LabVIEW 2010版本的软件平台开发,运行环境为Windows XP或者其他更高版本的操作系统。LabVIEW是高效图形化应用开发环境,结合了简单易用的图形化开发方式和灵活强大的编程语言的优势[10]。

3.2 软件流程

系统软件主要分为系统调试、系统复位和检测拆卸3部分。

系统调试部分可以通过人工手动连续/点到点地调整电机位置、移动速度、旋转速度、旋转方向等,拍照识别,返回螺丝刀中心坐标、识别数及识别判定,并观测验证其准确性。

图6所示为软件流程图。程序启动后,系统复位,将所有硬件返回至初始位置(x=0;y=0;z=0),等待检测拆卸。当液晶屏屏蔽罩随着流水线到达螺丝拆卸平台后,挡板处触点开关检测到信号,此刻夹紧气缸夹紧,将屏蔽罩位置固定,检测拆卸开始。通过XY轴电机携带工业智能相机移动至目标螺丝位置附近(x=x1;y=y1;z=0),拍照、采集图像、识别螺丝中心位置,返回二维坐标值(x10,y10)、识别数和识别判定。当判定为True,系统将视觉坐标转换为空间坐标(x11,y11),XY轴电机控制螺丝刀组件运动对准至螺丝中心位置(x=x11;y=y11;z=0)。螺丝刀逆时针旋转,Z轴电机按节拍前进至特定位置(x=x11;y=y11;z=z11)后保持不动,螺丝刀继续逆时针旋转,延时,待螺丝拧下之后,螺丝刀继续以一定速度逆时针旋转,同时Z轴电机同步配合后退至(x=x11;y=y11;z=z12),最终脱离屏蔽罩,卸下螺丝,螺丝刀停止转动,Z轴退回到初始位置。继续下一颗螺丝的检测拆卸,直到全部拆卸完成为止。

图6 软件流程图Fig.6 Flow chart of software

3.3 软件操作

打开应用程序,进入图7所示的软件操作界面,按下电机复位按钮,将各电机、相机复位至初始位置。自动按照软件流程开始检测,并实时返回螺丝中心点位置坐标、目前所检测到的螺丝颗数以及识别成功判定,并以指示灯指示,随后将屏蔽罩上识别到的螺丝拆卸下来。

图7 软件操作界面Fig.7 Software interface

系统在每个直线模组上都安装了2个限位开关,使电机到位可以及时停止。达到限位的同时软件界面对应的控件变灰而无法操作,起到了限位保护的作用。该系统具有良好的人机对话界面,采用简单的循环结构配合条件结构,完成整个复杂的程序流程,人机界面操作性强、响应快。

4 结论

本液晶屏屏蔽罩螺丝拆卸平台运用LabVIEW软件开发,配合机械结构设计、伺服驱动、目标识别、人机交互等技术实现液晶屏屏蔽罩侧边螺丝的自动化拆解,识别精度0.2 mm,具有识别率高、定位准确、效率高、易于拆卸的特点。另外,系统采用了模块化的结构,开放度高、扩展性强,方便后续的维护和升级,在实际使用中运行良好。本系统具有良好的行业应用前景,可应用于其他螺丝拆卸工业场合。

[1]庄绪宁,贺文智,李光明,等.废液晶显示屏的环境风险与资源化策略[J].环境污染与防治,2010(5):97-99.

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Development of LCD Shield Cover Screw Removal Platform

TU Zimeia,QIN Qina,DOU Jianfanga,ZHU Dongdongb
(a.School of Intelligent Manufacturing&Control Engineering;b.School of Environmental&Materials Engineering,Shanghai Polytechnic University,Shanghai 201209,P.R.China)

In order to solve the removal issue of the screw on two sides of LCD shield cover,LCD shield cover screw removal platform is designed.The system is based on LabVIEW software development.With mechanical design,servo drives,target recognition and human-computer interaction technology,the system can disassemble LCD shield cover side screws in physical approach which is the subsequent guarantee of glass panel,internal circuit boards separation and recycling of rare metals.

screw;virtual instrument;LabVIEW;mechanical design;target recognition

TP391

A

1001-4543(2016)04-0303-05

2016-04-20

屠子美(1989–),女,浙江绍兴人,助理工程师,硕士,主要研究方向为图像处理。电子邮箱zmtu@sspu.edu.cn。基金项目:上海知识服务平台项目(No.ZF1224),上海第二工业大学校基金项目(No.EGD15XQD10)资助