一種廢舊手機螺釘自動化拆解設備的設計

安瑞

AN Rui

青島科技大學機電工程學院 山東青島 266061

College of Electromechanical Engineering, Qingdao University of Science & Technology Qingdao 266061

1 引言

據估算，中國每年產生近7億部廢舊手機，到2025年將增長至9.37億部[1]。廢舊手機內含有的鉛、汞、鎘等有害物質會對環(huán)境以及人類身體健康造成巨大的危害，如何處理數(shù)量如此龐大的廢舊手機成為了棘手的難題[2]。近年來，通過拆解分離廢舊手機中的各類元器件來提取貴金屬的方法逐漸發(fā)展流行。螺釘連接為手機內部元器件安裝的常見形式，螺釘?shù)牟鸾庑?、準確性在很大程度上直接影響了整機拆解的效率。傳統(tǒng)的手機螺釘拆解工藝主要有純手工拆解與借助拆解工具拆解兩種方法。其中，主要存在的問題有：拆解效率不高，拆解工具較為原始，整個拆解過程仍然無法完全擺脫人工等。由此可見，傳統(tǒng)的螺釘拆解工藝在拆解效率以及自動化程度上有著極大的提升空間。因此，本文提出一種廢舊手機螺釘自動化拆解設備，通過各部分機械執(zhí)行機構以及機器視覺方案來替代傳統(tǒng)的拆解工藝，從而實現(xiàn)手機螺釘高效、準確的自動化拆解。

2 螺釘自動化拆解設備的結構設計

2.1 螺釘拆解模塊的結構設計

由于螺釘拆解裝備的工作特性和工藝要求，需要工作的機械臂具有很高的重復定位精度，以此來滿足拆解工具對準相應螺紋孔里的每一顆螺絲，同時為保證拆解裝備在較短間內完成對螺釘?shù)牟鸾鈩幼?，在結構剛性滿足要求、避免振動的前提下，機械執(zhí)行速度要盡量快，而且為了便于裝配、調試，以及保證設備運行的可靠性，結構設計應該更加簡單[3]。

綜合考慮設備需求并對常見機械執(zhí)行機構各項參數(shù)指標綜合對比，直角坐標機器人在精度、剛度、運動學求解等方面都具有較高的優(yōu)勢，且成本較低，因此選擇三軸直角坐標機器人作為拆解設備的機械執(zhí)行機構。直角坐標機器人單軸傳動系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 單軸傳動系統(tǒng)原理圖

螺釘拆解的執(zhí)行部件為電動螺絲刀（電批），是用于擰緊和旋松螺釘?shù)囊环N電動工具，根據本裝備的實際需求，該部件需帶有轉速、扭矩調節(jié)及扭矩反饋等功能。綜合經濟性及實用性的考慮，選用深圳中至冠科技有限公司生產的GH-15KL/KPL型號的電動螺絲刀，具體參數(shù)如表1所示。該螺絲刀內部停止裝置采用磁性感應系統(tǒng)，具有較高的靈敏度，能夠瞬間制動，同時扭力調整為無極調整，滿足拆解裝備的需求。

表1 電動螺絲刀主要參數(shù)

治具是連接拆解工具與機械執(zhí)行機構間的橋梁，在整個設備中發(fā)揮著至關重要的作用。由螺釘拆解的動作可知，隨著電批快速旋轉逐漸帶動螺釘旋出，其中Z方向的位移發(fā)生了變化，由此在拆解過程中產生了震動與沖擊。螺釘自動化拆解設備執(zhí)行高頻往復的拆解動作，如若不緩沖拆解過程產生的震動與沖擊，必然會對拆解設備的壽命造成損耗，因此治具的設計除了滿足固定電批與連接三軸直角坐標機器人外，還需要起到緩沖吸能的作用。綜合考慮以上各方面的需求，對治具進行了設計，其結構如圖2所示。其中共有兩對緩沖彈簧，上緩沖彈簧與電批卡具相連接，下緩沖彈簧與電批下固定端連接，通過緩沖彈簧產生的形變將拆解過程中的沖擊進行緩釋；電批下固定端內嵌有軸承，能夠確保批頭加速旋轉時的對中性，達到穩(wěn)定拆解。

圖2 治具結構示意圖

2.2 手機裝夾模塊的結構設計

保證手機在拆解過程中牢靠的固定也是拆解過程中至關重要的一環(huán)。如若在拆解過程中手機的固定位置發(fā)生變化，視覺系統(tǒng)的識別精度就會降低從而直接影響拆解的準確性。此外，手機固定松動會使拆解過程中產生更多的震動與沖擊，會降低拆解設備各零部件的使用壽命，更甚至會造成待拆解手機的損壞。手機裝夾機構在滿足自身結構剛性的前提下，應具有較大的加持力以及迅速響應的特點，結構設計盡量簡單，便于日常維護。綜合考慮以上幾點要求，確定了電動夾爪配合安裝特定夾具的方案來實現(xiàn)手機的裝夾固定，其結構示意圖如圖3所示。

圖3 裝夾機構結構示意圖

選擇四川東起科技有限公司生產的DH2-A42-32-AH5型號的立式滑塊型電動夾爪作為手機裝夾模塊的執(zhí)行機構，該電動夾爪內置控制器，加持力可調范圍為10～100%，速度可調范圍為10～100%，并具有多種通訊方式，具體參數(shù)如表2所示。

表2 電動夾爪性能參數(shù)

2.3 視覺成像方案的硬件設計

圖像采集與處理系統(tǒng)是拆解裝備的重要組成部分，它直接影響著采集到的圖像質量，進而影響拆解的準確性。通常使用工業(yè)相機、工控機以及照明光源一同構成視覺成像的基本硬件環(huán)境[4]。

相機作為視覺系統(tǒng)硬件中不可或缺的存在，其選型規(guī)則主要由信號分類、分辨率、幀數(shù)、傳輸方式等因素影響[5]。面對手機螺釘拆解工況，能夠穩(wěn)定成像，具有較強的抗干擾能力以及能夠在相對充裕的成像視野內顯示更加清晰的圖像成為了選擇相機的重中之重。

綜合考慮以上因素以及拆解設備中的視覺需求，選擇深圳邁德威視科技公司生產的MV-GED130C-T型號CCD工業(yè)相機，該相機光學尺寸為1/3"，分辨率：1280×960，幀率為43 FPS，具體參數(shù)如表3所示。

表3 相機參數(shù)

鏡頭是機器視覺系統(tǒng)硬件中又一重要的元件，它的好壞直接影響成像效果，進而影響圖像采集的質量，最終影響視覺識別的精度。通過對鏡頭的焦距、靶面尺寸、光圈、景深等參數(shù)的選擇，進而確定鏡頭的規(guī)格。

由于相機的選擇型號已經給出，接下來只需確定相機的安裝距離，就可以計算出鏡頭所需的焦距。鏡頭焦距計算原理如圖4所示。

圖4 鏡頭焦距計算原理圖

現(xiàn)根據如下公式進行鏡頭焦距計算：

式中，f為鏡頭的焦距，W為成像視野的寬度尺寸，H為成像視野的高度尺寸。

根據實際尺寸，W=150 mm，H=110 mm，WD=600 mm，選擇鏡頭型號為：MV-LD-25-3M-A的工業(yè)鏡頭，具體參數(shù)如表4所示。

表4 MV-LD-25-3M-A鏡頭參數(shù)

在一套完整的視覺系統(tǒng)中光源直接影響到圖像的成像質量，選擇恰到好處的光源能夠簡化圖像處理算法進而提高系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性，如若光源選用不當，極有可能在調試初期導致機械手等執(zhí)行機構運行錯誤，造成碰撞甚至損壞，在設備運行中也會導致數(shù)據獲取不正確等問題，嚴重影響整個視覺部分的穩(wěn)定性，進而影響螺釘拆解的穩(wěn)定高效[6]。因此對于光源的選擇至關重要，針對螺釘拆解的場景，選擇環(huán)形光源能夠解決多方向照明陰影的問題，且價格較低，工作穩(wěn)定，因此選用環(huán)形光源作為本視覺系統(tǒng)光源。如圖5所示為光源安裝示意圖。

圖5 光源安裝示意圖

2.4 設備總體安裝方案

將螺釘拆解模塊、手機裝夾模塊以及視覺系統(tǒng)硬件進行安裝總成，設備總體方案布置如圖6所示。其中，電動螺絲刀通過治具安裝在直接坐標機器人的Y軸移動平臺上；此外，考慮視覺系統(tǒng)在拆解設備中的特殊性，因此選擇相機固定安裝的方式，即eye-to-hand的手眼標定方式。

圖6 設備整體結構圖

3 螺釘自動化拆解設備的控制系統(tǒng)設計

拆解設備控制系統(tǒng)方案是通過“P C 機+固高G E N系列EtherCAT總線網絡運動控制器+固高gLink擴展IO模塊+CCD相機”開放式運動控制方法，PC機作為控制系統(tǒng)的中心上位機，通過EtherCAT總線網絡運動控制器以及擴展IO模塊負責整個運動控制系統(tǒng)的完成，CCD相機用于運動坐標的提取與反饋?？刂葡到y(tǒng)結構如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)結構圖

PC機作為中心上位機負責利用基于Visual Studio平臺開發(fā)的人機交互界面（HMI）、運動控制程序以及CCD相機采集處理的圖片信息來進行拆解信號的實時發(fā)送；固高GEN系列多軸網絡運動控制器作為一款基于EtherCAT總線的插卡式運動控制器，它集成了EtherCAT主站解決方案，可實現(xiàn)多達64軸的同步運動控制，同時支持gLink-I IO模塊和EtherCAT IO模塊擴展，可以提供多軸數(shù)、多IO點數(shù)的總線控制解決方案，固高gLink-I IO模塊以固高公司生產的各類控制器為主機，支持多種輸入輸出通道可選，可直接連接控制器使用，具有高可靠性和高集成性[7-8]。運動控制卡系統(tǒng)架構如圖8所示，擴展模塊接線圖及輸入輸出電路原理圖如圖9所示。

圖8 運動控制卡系統(tǒng)架構圖

圖9 擴展模塊部分電路原理圖

拆解過程為PC機發(fā)送螺釘拆解信號，gLink擴展IO模塊傳遞拆解信號至手機裝夾機構執(zhí)行加緊動作，CCD相機進行圖像采集，將采集到的圖像傳輸至PC機，執(zhí)行圖像處理算法獲取螺釘孔的坐標，將坐標轉化，通過EtherCAT總線網絡運動控制器發(fā)送坐標至三軸直角坐標機器人進行移動，移動至坐標正上方位置后，再由gLink擴展IO模塊發(fā)送信號至工業(yè)電批執(zhí)行螺釘拆解動作。

4 結論

目前市場上的螺釘自動化拆解設備并不成熟，特別是針對小、密、精的手機螺釘而言更是尚不多見。本文針對手機螺釘?shù)牟鸾夤に嚕O計了一種手機螺釘自動化拆解設備，根據拆解過程中所需實現(xiàn)的功能需求選型設計了各個部分的機械結構并進行了安裝總成，針對視覺需求設計選型了一套完整的視覺成像硬件，并對整個控制系統(tǒng)方案進行了搭建，形成了一套完整的拆解設備。整套拆解設備具有較高的自動化水平，實用性強，在手機維修與回收利用行業(yè)具有廣闊的前景。