废旧家电拆解技术及装备研究进展

黄凯 李英顺 褚永怡

（1.上海新金桥环保有限公司 上海 201201；2.国家环境保护废弃电器电子产品回收信息化与处置工程技术中心 上海 201201）

拆解是废旧家电零部件、材料再资源化利用的前提，是把废旧家电分解到若干组成部件的一种系统方法，可分为分类拆解和零部件拆解两类。分类拆解也称为整机解体，就是将整台废旧家电解体为易于后续处理的元器件，并将物料按照不同材质进行分类，拆解产物有塑料机壳、玻璃、金属机壳、印制电路板、电缆、电线、显像管、其他零部件等。零部件拆解亦称精拆线，主要针对废旧家电整机解体后的产物。

自2001 年我国启动废旧家电回收处理管理工作开始，我国废旧家电处理及综合利用行业发展迅速［1］，但不同于国外国情，我国在废旧家电处理及综合利用行业制定工艺方案必须充分考虑利用廉价劳动力，提供更多就业机会，以手工拆解与机械处理相结合的方式为主，属于劳动密集型行业［2］。伴随着处置成本、人力成本增加，手工拆解方式不仅噪声大、流程长、效率低，对工人的身体也会造成一定的损伤，因此，如何提高废弃电器电子产品回收利用行业的拆解效率成为了行业亟待解决的热点研究问题。2020 年5 月，国家发改委等部委联合印发《关于完善废旧家电回收处理体系推动家电更新消费的实施方案》，鼓励企业加大技术改造，提升废旧资源循环利用能力。同时，我国大型家电生产企业已投身于生产者责任延伸（EPR）制度、研发，引入产品绿色、易拆解设计，在环保可拆卸性设计方面给予高度重视，但拆解循环、再利用仍是我国家电产业链“大循环”上的短板。

国外废旧家电自动-智能拆解技术研发起步较早，国内通过财政补贴等政策引导，大力扶持技术工艺先进、环境管理规范、资源能源利用效率高、回收体系完善的企业实现良性发展。同时，淘汰设备落后、环保要求不达标、管理混乱的企业。从财政部等部委联合公布废旧家电拆解处理获取补贴的企业名单看，2016年至今未出现新增企业（见图1），意味着我国废旧家电拆解生产线普遍都建成于2010—2015年间［3-7］。根据生态环境部发布的《2020 年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报》显示，29 个省份的94 家处理企业实际开展了废旧家电拆解处理活动，各处理企业在规模、拆解效率等方面分化日益明显，面向未来科技发展，自动智能改造需求旺盛。废弃电器电子产品处理企业拆解工艺流程和处理技术正在向高效化发展，且已经开始技术和装备的升级改造。本研究通过收集、查阅国内外废旧家电拆解成套技术及装备信息，参考学习美国、欧洲和日本等国同行业智能化发展经验，为我国废旧家电自动-智能化拆解技术迭代提供参考。自动-智能化拆解是未来发展方向，将提升废旧家电回收处理水平，既可达到节能减排和资源循环的目标，同时还可产生明显的经济和社会效益。废旧电子电器产品拆解技术设备的改造提效，将有助于国内环保技术水平发展，推动废旧电器电子产品拆解处理行业绿色、智能和高效发展，而且也能优化产业链，为我国实现碳达峰、碳中和“3060目标”贡献力量［8］。

图1 我国废弃电器电子产品处理新增企业公示数量

1 废旧家电拆解技术及装备应用现状

1.1 废旧电视机

我国废旧电视机拆解生产线基本上都由多条皮带输送机、拆解工作台组成，由于废旧电视机来料品牌多、尺寸不一，废旧电视机物料经皮带输送送至工作台后进行人工拆解，人工分类成外壳、铝架、印刷线路板和阴极射线管（CRT）等部分拆解产物，电视和电脑显示器拆解处置的关键技术是CRT 组件的回收处理技术，其中涉及CRT 屏锥分离、荧光粉清扫收集工序。常见CRT 屏锥分离方法有热变形法、物理切割法、化学溶解等湿法技术。我国普遍使用电热丝分割法开展屏锥玻璃分离工序，并采用干法清洗锥玻璃。激光、金刚石切割法和湿法技术因处理成本、效率问题运用较少。

国外废旧电视机拆解同样由于来料问题，基本都由人工进行拆解，但在后续工艺中加入了自动化技术，例如，德国早在2002 年在威斯巴登市废旧家电处理中心将CRT 破碎成2cm 左右的碎块，然后利用红外线识别含铅玻璃。我国在废旧电视机自动拆解方面也有实践，开发设计出立体式作业一双平面物流拆解线、多工位一体旋转CRT 自动切割台等，大幅提升了切割效率。

1.2 废旧冰箱

废旧冰箱拆解线首先抽出制冷剂和润滑油，在预处理过程中拆除压缩机、电机、门封条和箱内玻璃部件。后续工艺中发达国家先进经验大多采用自动化、机械化程度较高的工序和设备，以破碎、分选技术为主的处理工艺。2003年，日本多家公司和日本家用电器协会建成的废旧家电回收处理厂已运行多年［9］。废旧冰箱在经过预拆卸步骤后，后面基本都采用全自动生产线，包括通过自动化设备整体破碎，再经过风选、磁分等工艺后等分离得到不同成分材料。

目前，我国所投产的冰箱拆解线大多于2010—2015年建成，基本吸收了国外先进拆解处理技术及装备设计经验，自动化水平也较高。多数企业采用了先进的处理分离技术，配备了自动投料装置；后拆解阶段采用破碎工艺对冰箱进行一个高效拆解过程；后道采用风选、涡电流等风选技术进行破碎后产物分选。生产线配有脉冲除尘装置，进行除尘净化。其中，我国在破碎工艺及破碎装备设计方面，还主要依赖于国外进口，冰箱破碎环节国内大多采用两段式，先由两轴撕碎机进行撕碎处理，再由四轴撕碎机进行二次撕碎处理。

压缩机是废旧冰箱中具有高价值回收再利用的拆解产物，国外基本使用低温破碎技术，然后再进行材料回收，这样的回收技术成本高、能源消耗高、噪声大，国内在此领域开发了自动智能开盖技术，设备自动化程度高，开盖效率高，采用视觉相机确定焊缝位置，即为自动控制刀具的切入点；采用激光测距传感器保证切割的切深恒定，确保不影响内部零件，从而实现智能化、自动化、批量化拆解过程，符合废旧压缩机绿色回收理念［10］。

1.3 废旧洗衣机

我国废旧洗衣机基本都是半自动拆解分类生产线，采用皮带输送送至工作台后进行人工拆解方式，多数企业拆解方式较类似，首先拆卸电源线、进出水管等部件，再打开前后左右板门等部件后，取出各种含金属部件，如线路板、电动机等，通过切割方式拆解得到电动机外壳中的铜线；废旧线路板通过湿法、火法工艺回收线路板上的元器件，经过压块减容金属部件，再同塑料一起破碎，经过磁选、涡电流分选后回收各类塑料和金属［11］。

围绕废旧洗衣机拆解工艺及装备方面，我国研究院所、处理企业研发成果丰富，专利授权数量近几年呈上升趋势。在洗衣机拆解流水线［12］、挤压装置［13］、内桶［14］、波轮［15］、切割设备［16］等方面均有专利报道，有助于我国废旧家电处理及综合利用行业内相互借鉴，提升废旧洗衣机自动化拆解技术水平。

1.4 废旧空调

我国废旧空调拆解线基本采用半自动化回收方式，结合手工拆卸工序和机械化拆解设备。前面预处理环节由人工拆卸回收压缩机、电动机、制冷剂、机油和换热器等零部件。黄娇红等人［17］提出了废旧空调拆卸流程，包括优化的回收工艺路线，当遇到螺纹锈死等特殊情况的处理，可充分发挥出我国劳动力成本的优势，保证了回收材料的循环再利用。后续经过粉碎、磁选和涡电流分选等工序回收到废旧空调中高价值部件。

在废旧空调换热器的拆解利用上目前国内主要使用简单工装进行手工拆解。围绕换热器回收方面，我国研究院所提出各自的分离装置［18-19］，但都有部分局限性，由于空调中换热器的结构特征的复杂性、多样性，不具备普遍适用性，无法实现批量化回收，拆解效率低。对于空调压缩机的回收，与冰箱压缩机类似，开盖技术是关键，我国主要使用人工、机械化结合的半自动化回收拆卸方式。

1.5 废旧电脑

我国废旧电脑基本都采用人工拆解方式，首先分离出可再利用的部件，然后取下印刷电路板和电线，拆下含危废部件，付费给有处置资质的公司处理。打碎显示屏后，取出屏玻璃可循环使用，含铅锥玻璃需要进行卫生填埋处置。剩余部件再经过破碎、分选工序后回收得到其中的高价值元素。

1.6 废旧液晶显示器

液晶显示器（LCD）电视机的回收处理基本都采取人工与设备相结合的拆解方式。自动化程度较低，但能确保的拆解废料最大限度的回收利用，保证拆解组件的完整性。拆解废旧LCD 首先要从其外边框开始，利用一般的工具对其撬开分离，回收背光灯、玻璃基本等，反射板、导光板和扩散片等拆解产物经破碎分选后再资源化利用。上海新金桥环保有限公司设计了一种废旧液晶显示器自动综合拆解处理系统［20］，每个工序拆解下来的物件分类回收，是一种当前典型的拆解废弃LCD的技术手段。

分析LCD 外框架的机械结构，拆卸过程并不是一个很复杂的作业，大部分LCD 外框架是通过卡扣结构的连接方式进行连接，少数部分是通过螺丝连接的。上海第二工业大学研发了LCD 自动-智能拆解流水线，依次包含上料工位、切割工位、开孔工位、激光切割工位、分离工位和回收工位，以上各个工位之间采用传送带连接，以全自动方式完成工作［21］。

1.7 废旧小家电

除“四机一脑”外，我国一些废旧家电处理企业已经具备小家电的拆解能力［22］。手工拆卸方式是废旧小家电当前高效适用的回收方式，借助流水线对废旧小家电进行人工拆解该方法可保证分离回收到高价值部件，再经过后续的分离富集处置后，进一步提高分离效率。在2021 年6 月生态环境部发布了《吸油烟机等九类废弃电器电子产品处理环境管理与污染防治指南》，其中包括移动通信手持机、电话等小九类废弃电器电子产品，明确了小家电拆解处理环节环保、安全等要求。

为实现废旧小家电高效环保拆解处理，产学研开发出小家电自动拆解技术与装备，青岛科技大学尹凤福等人研发出手机螺钉高效、准确的自动化拆解装备，自动化拆卸废旧手机上螺钉装备，通过机器视觉、机械工装等自动化设备替代传统的手工旋拧螺钉工序［23］。

2 国内外废旧家电自动-智能拆解研究现状

2.1 日本

日本松下废旧家电拆解企业根据视频信号区分螺钉形状，自动进行识别并准确定位，引导机器人使用自动拧紧枪等工具拆卸螺钉。日本NEC 公司研发出了自动化拆卸废电路板元器件装备，通过红外线加热等方式脱落表面元件，保证冲击力作用不损部件，再通过加热处理、表面剥蚀等技术实现电路板上96%以上的焊料脱离。

2.2 美国

美国布里奇波特大学ElSayed 等人［24］研发用于选择性拆卸废旧电脑（PC）系统，由一个关节式工业机器人和摄像系统组成，利用视觉系统和遗传算法在线规划拆卸序列来应对废旧电脑构件组成中的不确定性。视觉系统由二维摄像机和激光测距传感器组成。相机图像用于识别和定位零部件，将输入图像的区域与物料清单（BOM）中提供的零部件预定义信息进行匹配。物料清单中电气/电子产品可能在使用过程中因使用者修改而发生更改。废旧电脑随机存取存储器（RAM）和连接器（如螺钉）的位置和连接方式可能会根据升级、维修或个人喜好而改变，这就造成了废旧电脑在拆卸时的不确定性。

2.3 德国

德国AU+T 公司是欧洲较早从事废旧家电回收处置的企业［25］，已经建成了技术成熟、适用性强的回收工艺和装备，囊括了废旧空调、冰箱等废旧家电资源化回收处理流程。德国的柏林科技大学Kernbaum 等人［26］搭建了一套废旧电视机显示器混合拆卸系统，由输送线、自动拆卸平台和人工干预平台组成（见图2），四轴选择性柔性关节/装配机械臂（Scara）用于执行拧松螺钉和搬运操作，一个吸力夹持器用于拾取显示器并将其定位在气动夹紧装置上。拆下外部螺钉、显示器后壳和内部部件。金属盖、印刷线路板和电缆连接器分别用双指夹取器取下并断开。如果其中某个环节进程失败，显示器将被转移到手动工作区［27］。德国FAPS 是较早研究废旧线路板自动智能拆卸流程与装备的科研企业，以逆向装配方式构建废旧电路板自动拆卸工序，先将首先通过加热液体实现废旧线路板的焊料融化脱离，然后依部件形状特征采用SCAPA机械装置自动分拣可回用构件。

图2 废旧电视机混合拆卸系统

2.4 西班牙

西班牙奥利坎特大学Torres等人开发了一套废旧电脑拆卸系统，如图3所示，该拆卸系统由两个工业机器人、视觉识别、力矩传感器和互换拆卸工装组成，用于拆卸废旧电脑中光盘驱动器［26］。

图3 多传感器协作机器人演示拆卸废旧电脑中光盘驱动器

3 废旧家电自动-智能拆卸关键技术

拆卸是通过路径规划与装备完成拆卸过程，解除废旧家电中各部件间约束状态，以实现子装配体分离并回收再利用零部件。在制订拆卸规划路径前需要了解清楚待拆零件位置、与其他部件间的连接关系、拆卸优先级、适用的拆卸装备、拆卸成本及拆卸方向上的自由程度等信息。按照拆卸程度、工艺、自动化程度及目的等拆卸依据，可将拆卸方案分类为不同标准［28］，详见表1。

表1 拆卸方法分类

拆卸技术主要有活性拆卸、自动拆卸及其他拆卸技术与工具。活性拆卸受限于安全性问题，未来运用前景不明。自动拆卸与机器人技术结合在正向装配生产线中应用广泛，但因涉及在逆向拆卸中存在诸多不确定性，因此自动智能化拆卸水平依旧较低，当前自动化拆卸技术有基于传感技术、拆卸族开发自动化和半自动拆卸技术［29-30］，其余拆卸技术与装备包括基于图像识别系统、超声波传感器识别切割位置、嵌入式的柔性螺钉自动拆卸装备、大螺栓拆卸器等［31］，前两种已经研发出有适用于废旧空调和洗衣机自动化拆卸的智能装备，其中所需的关键核心技术有识别技术、传感技术、工业机器人技术和智能控制技术。

3.1 识别技术

图像采集与处理系统是自动化智能化拆卸装备的核心部分，影响到被采集对象的图像质量，决定了智能拆解动作的精准度。现今识别技术基本采用工业相机、工控机及照明光源等设备构成视觉成像的基本硬件环境［32］。相机是视觉识别系统中不可或缺的，其选型主要由信号分类、分辨率、帧数、数据传输等因素综合判定［33］。作为废旧家电的连接零部件，螺钉的定位与识别技术是自动化拆卸的重要一环，李响和陈天星等人［34］使用粗定位与精定位相结合的定位模式，提高了螺钉定位的稳定性，同时研发出基于几何形状特征，对待识别的和标准模板的螺钉特征进行采集和提取，通过图像匹配完成了螺钉的智能识别及分类。

国外自动智能拆解技术与识别基本都以光学识别、数据库等技术为主，首先采用识别设备采集废旧家电元器件位置数据，计算定位后反馈至决策系统，再使用加热、机械化切割分离等装备后续无损或破坏性拆解，最后在组装一体化设备时也需要综合考虑技术精度性、普遍适用性和成本等因素。

3.2 传感技术

传感技术是废旧家电拆卸系统的关键技术之一。针对不同的对象，选择合适的传感器，才能达到安全可靠、运行稳定等效果。为此，必须对测量目的、测量对象、使用条件等诸多方面有较全面的了解。以拆卸路径最短、高价值零部件拆卸损坏最小为目标，设计自动拆卸系统，加入传感器可实时反馈待拆产品所处状态，比对产品设计信息，根据结果，确定各工序拆卸工作及拆除零件，由此制定规划出最佳拆卸路径，其中传感器是必不可少的环节［29］。

3.3 工业机器人技术

工业现代化发展至今，由机器代替人类劳动是一个发展趋势。拆解废旧家电是一个工业生产的逆向工程，国内外已对机器人辅助拆解工艺提出新的想法并有实际的应用，但仍需继续优化拆解工艺，设计出高效、可靠、成本低廉的自动化拆解设备。从机器配合人工到实现全机械自动化的方向前进。

由于废旧家电回收处理行业所收品牌、型号不同，工业机器人应用没有统一、标准化执行规划路径，替代人工精细化、复杂程度高的拆卸过程比较困难。当前，工业机器人技术比较适用于自动上下料环节，取代人工操作，如日本松下废旧家电拆解企业在拆解电视机的上料环节使用搬运机器人，一边发出警报一边将载废旧电视车自动搬运过来上线，这可以很好地控制生产节拍，避免人为因素对生产节拍产生的影响，并且在减少人工成本、提高生产效率和产品质量、保障作业安全等方面起到了显著作用。

3.4 智能控制技术

智能控制技术在汽车行业、仓储物流行业、建筑行业和化工行业等领域中能提高系统稳定性、改善鲁棒性，使其成为自动智能控制研究中的一个重要部分。先进的智能控制技术具有感受环境、自适应或自学习能力，进而作出决策控制的能力。工业生产过程中，控制大脑都采用PLC（可编辑逻辑控制器），PLC 工作时通过查询输入端并根据其状态打开或关闭输出，用户通常用软件或编程器输入程序从而获得期望的结果。

废旧家电拆卸过程作为家电生产装配的逆向操作，来料型号、大小不一，无法按照统一标准化预设的路径规划来完成拆卸任务，但统一型号的废旧小家电拆卸控制控制时可行性较高。方国平和季仲致［35］开发了基于PLC、机器人技术相融合的动力锂电池自动拆解装备。该套装备以西门子S7-1200系列PLC为主要控制模块，使用了PROFIBUS 总线、MODBUS 总线、PROFINET 总线等信号控制方法实现了设备与控制器之间的数据输入输出。PLC 通过PROFIBUS 总线实现了机械手的当前状态读取、并下达运动指定的命令信号；通过MOSBUS总线交互了料仓、环切和切断3个模块中电机的数据；以PROFINET总线协议为基础实现HMI触摸屏和工业控制计算机数据交换，实现了设备运行状态读取和控制的目的。另外，由于存在不确定性、非线性性、复杂性的特点及受参数变化、外部负载扰动等因素影响，模糊控制、神经网络控制和遗传算法控制多被应用于智能控制技术，以达到高控制精度的要求。

4 结语

随着科技进步与发展，家电行业产品在不断加速迭代的过程中，报废数量势必大规模增长，过往传统的人工拆解与半机械化拆解方式已无法满足大规模工业化发展的要求。因此，结合国内外先进成熟的图像识别、破碎、光电分选等技术，研发出适用于国内废旧家电拆解新工艺及装备已成为末端处置行业的必然要求。本研究在系统梳理国内外相关研究后发现欧美等发现已经将机器人技术运用到废旧家电自动智能化拆卸过程中，并有实际运用案例，“自动化、智能化、绿色化”升级改造方向将是未来发展趋势。而如何通过改造升级和设备更新，在现有拆解产线基础上提高废旧家电处理的机械化、自动化和智能化水平，成为我国废旧家电处理企业面临的首要问题。同时，刚开始投入自动智能化拆解设备的成本必然大，容易造成回收企业的亏损，自动智能设备投入需要经济效益评价，并需要从国家相关部委层面制定鼓励性政策，以推动企业形成符合我国国情的先进、适用、经济、高效的环保型废弃家电拆解处理技术与装备。