废旧电子产品自动拆解回收装置的设计＊

何俊，陈咏琦，何家裕



废旧电子产品自动拆解回收装置的设计＊

何俊，陈咏琦，何家裕

（武汉理工大学信息工程学院，湖北 武汉 430070）

废旧电子产品的自动拆解是一个比较棘手的问题，物理机械法对废旧电子产品的自动拆解是现有技术的发展趋势。搭建系统主要机械结构，在分析了解机械传动的前提下，设计一款自动拆解装置。利用视觉传感器和加热夹持装置实现图像处理、空气加热、自动拆解的动能，最后通过实验表明该装置拆解电子产品高效、可靠，且损坏率低。

废旧电子产品；元器件；自动拆解；视觉图像处理

1 引言

随着电子产品更新换代的速度加快，每年有大量的电子废弃物产生并丢弃，废旧电路板（Printed Circuit Board，简称PCB）属于典型的电子废弃物，其中含有大量的具有回收价值的元器件金属非金属，近年来也受到了研究者的广泛关注。然而，到目前为止，尽管电子产品的组装和装配过程已经实现了很高的自动化，但在拆解方面，仍然处于低技术含量的手工拆解状态。如何有效地进行废旧电子产品的资源合理化处理回收，已经成为当前极为关注和亟待解决的问题之一。对于废旧电子产品，可回收资源主要为外壳塑料、电池以及电路板上的元器件。对于电路板上的元器件，性能完好且价值高的芯片类器件可以直接重复利用，其他元器件可以经分类处理后提取有用物质加以回收利用。本文着重介绍了一种自动拆解电子产品外壳以及拆解电路板芯片的装置的组成以及工作原理。

2 设计方案

自动拆解装置主体结构如图1所示，主要分为两大部分，分别为主机拆解装置和电路板元器件拆解装置。主机拆解装置主要负责将电子产品的外壳、电池和主板自动拆解分离。位于底部的滑槽伺服传动机构是两部分装置的纽带，主要负责将拆卸下来的主板进行传送。机器视觉传感器主要负责匹配和定位高价值芯片，以及对外壳螺丝位置进行定位识别。加热机构主要负责加热焊锡使其融化，并保证在夹持机构再分离芯片与主板时焊锡是融化状态。夹持机构主要负责将高价值元器件从主板上夹取出来。

该设备的工作原理是：当废旧电子产品位于底板上固定时，机器视觉传感器获取电子产品外壳固定螺钉位置信息，利用伺服传动系统，控制拆解装置分离电子产品外壳、电池和主板，分离完成后，底部滑槽将主板传送至元器件拆解子装置，视觉传感器对主板上高价值元器件进行定位匹配，结合加热机构，使待拆解元器件区域焊锡加热融化，再利用夹持装置，对目标元器件进行夹取，完成一次拆卸。

图1 自动拆解装置主体结构

2.1 主机拆解装置

主机拆解装置主要由底板滑槽、机器视觉传感器、伺服传动机构、拆解机构组成，其结构如图2所示。

图2 主机拆解装置结构图

机器视觉传感器安装于拆解机构内，对废旧电子产品进行图像获取，并将图像传回控制系统，控制系统对图像进行二值化处理、特征识别和边缘化处理，获得外壳固定螺钉坐标位置。当收到控制系统发出的运动命令后，伺服传动机构将带动拆解机构，运行到指定坐标位置。拆解机构由一个直流电机和可更换处理末端的螺丝刀组成，当拆解机构到达指定位置时，触发其执行命令，对外壳螺丝进行拆解，分离主板、外壳以及电池。底板位于滑槽上部，可以沿底部滑槽作平移运动，并在滑轨两端分别安装有限位开关，使底板在滑动过程中不与边界发生碰撞，当电子产品被自动拆解后，底板滑槽将主板传送至元器件拆解装置，完成后又回到起始位置，迎接下一个废旧电子产品。

2.2 电路板元器件拆解装置

电路板元器件拆解装置主要由加热机构、机器视觉传感器、伺服传动机构、夹持机构组成，其结构如图3所示。

1—滑轨；2—电路板固定台；3—加热装置；4—拆除装置； 5—机器视觉传感器；6—水平移动导轨；7—水平移动导轨。

机器视觉传感器固定在顶部横梁上，对电路板固定台上的主板进行信息采集，通过模板匹配，获取可利用芯片大致位置，对图像采取二值化处理，提取边缘，确定待取芯片边缘及其大小，获取精确位置。伺服传动机构是整个装置的链接纽带，负责全部的运动连接，当接收到运动控制命令时，带动加热机构和夹持机构运动到指定目标位置。加热机构对电路板进行预热、加热，直至焊锡融化并使其保持融化状态，此时夹持机构对待取芯片进行夹取，分离元器件与主板。当夹具随传动机构运行到右端收集处时，夹具慢慢松开，利用芯片自身重力，落入收集装置中。电路板元器件的自动拆解是在高温下（210～240 ℃）完成，因此夹具的材料选取是经过特殊处理的。

加热机构和夹持机构是电路板元器件拆解装置设计的关键，直接决定着能否完成自动拆卸，其结构如图4所示。

考虑到贴片式芯片一般以双排或矩形引脚为主，通过焊锡固定于电路板上，拆解时无需拆除力。如图4所示，加热机构由1个环形夹持架和4个小型热风枪构成，热风枪固定于环形夹持架上，每个热风枪可以由控制系统控制张开角度以及高度，以适应不同尺寸的目标芯片。夹持机构由1个竖直连杆和1个真空吸盘组成。竖直连杆安装于加热机构环形夹持架中间，可保证加热和拆除同步进行。真空吸盘固定于竖直连杆底端，当加热机构对元器件引脚进行加热时，竖直连杆下移，通过挤压力排除吸盘内部空气，大气压力将元器件固定于吸盘上。当元器件引脚焊锡融化后，竖直连杆上移，分离元器件和电路板。

1—贴片式芯片；2—真空吸盘；3—加热装置；4—拆卸杆；5—加热夹持架。

3 实验

3.1 主机拆解实验

在视觉传感器获取到外壳螺钉位置信息后，传动机构按照既定路线将拆解机构运送至指定位置，控制螺丝刀之上的直流电机自动拆解螺丝。用不同型号的电子产品（平板电脑为例）进行测试，记录每次实验的拆除率，对同一条件下的多次实验取平均值，可得到如表1所示的实验结果。

表1 主机拆解实验数据

型号尺寸/cm螺钉数/个拆除率/（%） Ramos20.3598.7 Ampe20.3597.9 Lenovo20.31593.3 Ccit17.8595.4 魅族MX417.8８87.5

从表1可以看出来，在同一实验环境下，随着拆解螺钉数量增加，拆解率有所下降，拆解数量在5个左右时，拆解效率最好。另外，相同型号中，拆解效率和螺丝松紧程度以及机器运作时长也有很大关系。但总体来看，机器的拆解效率维持在90%以上，拆除效果比较理想。

3.2 电路板元器件拆解实验

对主板元器件进行拆解实验，在视觉传感器匹配好待取元器件信息后，传动机构将加热机构和夹取机构运送至既定位置，进行预热和加热，元器件引脚上的焊锡充分熔化，此时夹持机构对待取芯片进行夹取。在同一型号和同一实验环境下多次实验取平均值，以及在不同加热温度条件下多次实验取平均值，得到如表2、表3所示实验数据。

表2 230 ℃下元器件拆解实验数据

型号拆解温度/℃拆除率/（%） Ramos23085.5 Ampe23083.2 Lenovo23089.6 Ccit23082.6 魅族MX423088.8

从表2、表3可知，在同一加热温度、同一实验环境下，不同型号主板的可用芯片拆除效率不同；相同型号、同一实验环境下，随温度升高（温度范围为210～230 ℃），芯片的拆除率随之提高，当温度上升至230 ℃时，拆除率可以达到85%左右，经检测，芯片基本无损伤，此时拆除效果最好。因此加热机构以加热温度230 ℃为设计依据，此时元器件拆除效果比较理想。

表3 元器件拆解实验数据

型号拆解温度/℃拆除率/（%） Ramos21081.4 Ampe21080.5 Lenovo21083.7 Ccit21082.2 魅族MX421085.6

4 结束语

本研究针对现有的废旧电子产品的特点，研制了一种结合视觉处理的废旧电子产品自动拆解回收装置，它的拆解速度和拆解效率远高于人工拆解，并且可以实现拆解自动化。本装置适合于拆解具有高回收价值的芯片类电子元器件，但并不适合于大批量处理。对于如何处理废旧电子产品和废弃电路板提供了一个重要参考。

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国家大学生创新训练计划（编号：201810497112）

2095－6835（2019）03－0126－02

TP2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.126

〔编辑：严丽琴〕