自動(dòng)拆卸電路板電子元件裝置的設(shè)計(jì)

何 毅，易榮華，諶 書(shū)，張慶輝

HE Yi1, YI Rong-hua2, CHEN Shu1, ZHANG Qing-hui1

（1. 西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，綿陽(yáng) 621010；2. 中鐵五新路橋設(shè)備有限公司，成都 610200）

0 引言

廢棄印刷電路板上主要電子元件SMD和THD兩類焊接工藝不同，拆卸它們所需的拆除力存在很大的差異，為減輕環(huán)境壓力，提高資源的再利用率，實(shí)現(xiàn)電子廢棄物的高效回收和再資源化，因此，MD元件和THD元件應(yīng)采取分別拆除。SMD元件的回收價(jià)值較高、數(shù)量少，可以采用熱風(fēng)加熱手工拆除方式來(lái)回收，THD元件的回收價(jià)值較低且數(shù)量多，應(yīng)采用同步拆除技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)該類元件的高效拆除，因此需要專門(mén)的拆除設(shè)備。下面設(shè)計(jì)一種新型的適合THD元件自動(dòng)拆除的裝置。

1 方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)電路板電子元件拆卸方案主要采用螺旋拆卸裝置，該方案運(yùn)用螺旋刀具，對(duì)經(jīng)加熱處理后的廢棄印刷電路板進(jìn)行元件拆卸。該拆卸裝置工作原理如圖1所示。

圖1 SMD元件水平拆除力模型

在基板定位軸和帶螺旋刀的螺旋軸對(duì)滾作用下，電路板從上向下進(jìn)入拆卸裝置；然后在螺旋刀具的剪切、擠壓的共同作用下將電路板上的電子元器件拆卸，使電子元器件與基板脫離；再通過(guò)螺旋葉片將拆卸的電子元器件輸出。

下面介紹一種較為新型的電子元件拆卸裝置：通過(guò)式連續(xù)加熱爐電子元件自動(dòng)化拆卸裝置，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。裝置主要由自動(dòng)入料機(jī)構(gòu)、傳輸機(jī)構(gòu)（帶夾具）、通過(guò)式連續(xù)加熱爐、沖擊機(jī)構(gòu)以及基板與電子元件的出料口等部分組成。

圖2 拆卸裝置結(jié)構(gòu)圖

自動(dòng)入料機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)廢棄電路板的臨時(shí)存儲(chǔ)，并為夾具輸送電路板。帶有夾具的傳輸機(jī)構(gòu)是拆卸裝置的紐帶，主要負(fù)責(zé)廢棄電路板的輸送。連續(xù)加熱爐主要負(fù)責(zé)對(duì)廢棄電路板的加熱使焊錫熔化，并保證在沖擊裝置作用時(shí)焊錫仍然是熔化狀態(tài)。

該設(shè)備的工作原理：當(dāng)位于傳送裝置上的夾具運(yùn)至自動(dòng)入料機(jī)構(gòu)處時(shí)，入料機(jī)構(gòu)將廢棄電路板送入夾具中，當(dāng)傳送鏈上的夾具從自動(dòng)入料機(jī)構(gòu)中獲得廢棄電路板后，漸漸運(yùn)至加熱爐中，然后依次通過(guò)加熱爐的預(yù)熱區(qū)和加熱區(qū)后，焊錫逐漸熔化，當(dāng)運(yùn)至加熱爐最后均熱區(qū)時(shí)，此處設(shè)計(jì)的多級(jí)沖擊振動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)廢棄電路板進(jìn)行沖擊振動(dòng)作用，在這種作用下，元件和焊錫與基板分離，元件和焊錫落入專門(mén)的收集裝置中。夾具載著不含元件的基板駛出加熱爐，到達(dá)一定位置時(shí)基板自行從夾具中滑出，掉落入專門(mén)的收集裝置中。然后空載的夾具隨傳送鏈再次駛往自動(dòng)入料機(jī)構(gòu)處，完成一次拆卸周期。

2 自動(dòng)拆卸裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)入料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)入料機(jī)構(gòu)主要由滑槽、擋板以及推送機(jī)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自動(dòng)入料機(jī)構(gòu)

擋板位于滑槽的下端，能沿位于與滑槽交線的軸作90度轉(zhuǎn)動(dòng)，并在轉(zhuǎn)動(dòng)軸與擋板間安裝有專門(mén)扭簧，使擋板在不受外力作用時(shí)自動(dòng)恢復(fù)到起始位置。推送機(jī)構(gòu)位于滑槽的背面，主要完成推送功能，執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端面與滑槽槽面同面，其原動(dòng)件位于擋板的正下方，當(dāng)擋板在夾具作用下轉(zhuǎn)動(dòng)到該位置時(shí)，便會(huì)觸碰該件使其轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，隨即完成推送動(dòng)作，該機(jī)構(gòu)的作用就是當(dāng)擋板轉(zhuǎn)動(dòng)，廢棄電路板下滑時(shí)給廢棄電路板中上部一個(gè)水平推力，使其能更好地滑入豎直（此時(shí)狀態(tài)）的鏈上夾具。

自動(dòng)入料機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程：廢棄電路板經(jīng)傳送帶傳送到末端時(shí)，自動(dòng)掉入入料結(jié)構(gòu)的滑槽，滑至擋板處停下，待夾具隨傳送鏈運(yùn)動(dòng)到擋板處時(shí)，推動(dòng)擋板轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度時(shí)，擋板觸發(fā)推送機(jī)構(gòu)，推送機(jī)構(gòu)將沿與滑槽垂直的方向?qū)U棄電路板伸起，廢棄電路板在推力和重力的作用下，漸漸滑入鏈上的夾具內(nèi)。一旦夾具完全脫離擋板，擋板在扭簧的作用下，又回到起始位置（即與滑槽垂直方向的位置），迎接下一塊滑入的廢棄電路板。

2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及夾具設(shè)計(jì)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及夾具是自動(dòng)拆卸裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直接影響到能否完成拆卸裝置的設(shè)計(jì)。考慮到要完成自動(dòng)拆卸，必須有一個(gè)循環(huán)運(yùn)送廢棄電路板的裝置，再加上廢棄電路板的進(jìn)出料考慮，故采用并式雙鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)，并在傳動(dòng)鏈上設(shè)計(jì)加裝專門(mén)的夾具。并式雙鏈結(jié)構(gòu)同時(shí)同速運(yùn)行，由于兩鏈之間是空的，所以有利于廢棄電路板的沖擊脫落作用的實(shí)施。鏈輪設(shè)計(jì)有兩個(gè)大小相同，主軸中心線位于豎直方向同一平面上，這一設(shè)計(jì)可以增加豎直方向傳動(dòng)鏈的運(yùn)行距離，有利于入料動(dòng)作的完成。

夾具采用模塊化設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)有四段，分別連接在鏈條的四個(gè)鏈節(jié)上，四個(gè)模塊連接組成一端開(kāi)口，一端封閉的“袋式”夾具，如圖4所示。

圖4 并式傳送裝置結(jié)構(gòu)

整個(gè)運(yùn)行鏈在左邊主動(dòng)輪的帶動(dòng)下，沿逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行，當(dāng)夾具隨鏈條運(yùn)行到左邊的兩主動(dòng)輪之間時(shí)，此時(shí)，夾具“開(kāi)口”朝上，入料動(dòng)作在這一過(guò)程中完成。當(dāng)夾具隨鏈條運(yùn)行到右邊鏈輪時(shí)，此時(shí)夾具封閉端在前，開(kāi)口端在后，當(dāng)運(yùn)行一定時(shí)間后夾具前后端形成一定的傾角（封閉端在上，開(kāi)口端朝下）。此時(shí)廢棄電路板再次利用自身的重力，漸漸滑離夾具，落入基板收集裝置中。

電路板拆卸是在高溫下（218oC-230oC）完成，因此傳送鏈和夾具需選用經(jīng)過(guò)特殊處理能耐熱的，為配合入料過(guò)程和沖擊振動(dòng)作用，傳送鏈的速度設(shè)計(jì)成可調(diào)。

2.3 通過(guò)式連續(xù)加熱爐設(shè)計(jì)

通過(guò)式連續(xù)加熱爐的作用主要是提供熱量給廢棄電路板,當(dāng)廢棄電路板達(dá)到焊錫熔化溫度（218oC-230oC）時(shí)，此時(shí)元件與基板的連接強(qiáng)度降低，為下一步的沖擊拆卸打下基礎(chǔ)。該爐有三個(gè)區(qū)（段）組成，從進(jìn)料口到出料口依次是預(yù)熱區(qū)、加熱區(qū)、均熱區(qū)。預(yù)熱區(qū)爐溫較低是進(jìn)料端口，主要利用爐氣熱量，提高加熱爐的熱效率以及防止個(gè)別元器件由于溫度突然升高而受損。加熱區(qū)為主要供熱段，溫度較高以實(shí)現(xiàn)快速加熱，焊錫在該區(qū)逐漸熔化。均熱區(qū)位于出料端，爐氣溫度與廢棄電路板溫度差別很小，保證出爐廢棄電路板的斷面溫度均勻，另一方面，沖擊裝置安裝在這一加熱段，以保證在沖擊時(shí)焊錫仍為熔化狀態(tài)。

2.4 沖擊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

沖擊機(jī)構(gòu)安裝在通過(guò)式連續(xù)加熱爐的末端（如圖5所示），它的作用是給焊錫熔化后的廢棄電路板一個(gè)縱向的沖擊振動(dòng)作用，使元件與基板分離。該沖擊機(jī)構(gòu)采用凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，即采用一個(gè)凸輪和一個(gè)直動(dòng)從動(dòng)件的設(shè)計(jì)。由于廢棄電路板運(yùn)動(dòng)方向是水平（橫向），而沖擊作用方向是豎直（縱向）的，所以為防止當(dāng)廢棄電路板給沖擊直動(dòng)件一個(gè)水平力而損壞沖擊件，所以在沖擊件上端設(shè)計(jì)了一個(gè)可以緩沖其沖擊作用的裝置，該裝置能繞軸在順時(shí)針90°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)廢棄電路板左端面碰到?jīng)_擊件時(shí)，它就會(huì)向順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)避讓沖擊，不致于二者發(fā)生硬性碰撞而損壞沖擊機(jī)構(gòu)。

圖5 拆除沖擊結(jié)構(gòu)

3 拆卸實(shí)驗(yàn)

將SMD元件拆除后，對(duì)剩余THD元件進(jìn)行同步拆除實(shí)驗(yàn)。在廢棄電路板經(jīng)過(guò)加熱爐的預(yù)熱區(qū)和加熱區(qū)，元件上的焊錫得到充分熔化，此時(shí)電路板進(jìn)入均熱區(qū)，置于振動(dòng)裝置上，用不同的振幅和頻率作用記錄每次實(shí)驗(yàn)的元件拆除率，對(duì)同一條件下的多次實(shí)驗(yàn)取平均值，可得到如圖6所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

從圖6可知，在同一振動(dòng)頻率時(shí)，隨著沖擊裝置振幅增大，所產(chǎn)生的振動(dòng)力也增大，元件的拆除率隨之提高，當(dāng)振幅達(dá)到5mm時(shí)，元件拆除率較好，且元件基本無(wú)損傷，效果最好。另外，在同一振幅時(shí)，元件拆除率與振動(dòng)頻率也存在很大關(guān)系，隨著沖擊裝置振動(dòng)頻率的增大，元件的拆除率也會(huì)增大，從圖6中可以看出，當(dāng)頻率大于15Hz后，拆除率趨于穩(wěn)定，達(dá)到90%以上。因此，沖擊機(jī)構(gòu)設(shè)備制造可以振幅5mm、頻率15Hz為設(shè)計(jì)依據(jù)，此時(shí)元件的拆除效果比較理想。

圖6 THD電子元件同步拆除率

4 結(jié)束語(yǔ)

采用螺旋拆卸裝置拆卸廢棄電路板電子元件是將廢棄印刷電路板的加熱與拆除過(guò)程進(jìn)行機(jī)械剝脫分離，并未考慮到拆卸過(guò)程中，焊錫在加熱熔化后，如果不能保持溫度，焊錫又會(huì)重新凝固，所以在螺旋拆卸裝置工作時(shí)，電子元件與基板的連接強(qiáng)度并未降低，那么此時(shí)對(duì)電子元件進(jìn)行螺旋刀具的剪切、擠壓等作用并不能達(dá)到理想的拆卸效果，而且還可能對(duì)元件產(chǎn)生重大損壞，電路板上的貼裝元件更是不適合這種拆卸方式。

本文設(shè)計(jì)的帶有通過(guò)式連續(xù)加熱爐的自動(dòng)拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)是一種全新的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是將拆卸裝置和加熱裝置巧妙的結(jié)合，利用帶有夾具傳送裝置和自動(dòng)入料裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)入料、自動(dòng)拆卸、自動(dòng)出料的功能。該設(shè)計(jì)為廢棄電子器件的回收提供了一種高效、環(huán)保的電子元件拆卸裝置，具有一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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