電路板表面焊接元件無(wú)損拆卸設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐玉彪,陳 進(jìn),姜佳威,張家斌

(上海第二工業(yè)大學(xué) a.環(huán)境與材料工程學(xué)院;b.智能制造與控制工程學(xué)院,上海201209)

0 引言

隨著電子電氣產(chǎn)品更新?lián)Q代周期的縮短,電路板的報(bào)廢量逐年提高,但目前對(duì)于廢棄電路板仍以粗放處理方式為主,即把電路板破碎后再采用化學(xué)方法回收其中的有用金屬[1]。實(shí)際上廢棄電路板上大部分元器件的功能仍具有完好性,可回收利用。因此,廢棄電路板上集成電路芯片的無(wú)損拆卸和再應(yīng)用,不僅有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,而且節(jié)省能源,減少環(huán)境污染,具有較高的社會(huì)價(jià)值。

日本NEC公司研發(fā)了一套自動(dòng)化裝置實(shí)現(xiàn)廢棄電路板元器件的自動(dòng)拆卸,該裝置先通過(guò)紅外線加熱的方式使焊錫熔化,再利用水平、垂直正交方向的沖擊力使元器件脫落[2]。德國(guó)的研究者設(shè)計(jì)了一項(xiàng)基于機(jī)器視覺(jué)和紅外輻射加熱的電子元件自動(dòng)化拆除技術(shù)[3]。趙子文等[4]研制了一套廢棄印刷電路板脫焊設(shè)備,用液態(tài)焊錫作為傳熱介質(zhì),加熱熔化電路板上的焊料,配合使用機(jī)械沖擊振動(dòng)使元器件振落。國(guó)外對(duì)廢棄電路板元器件拆卸方面的研究較多,以自動(dòng)拆卸為主,系統(tǒng)集成度高,投入成本巨大,拆解效率和元件的完好程度都能得到保證,相較國(guó)內(nèi)一些對(duì)于廢棄電路板元件拆卸設(shè)備的研制,自動(dòng)化水平低,且元件振落的過(guò)程由于碰撞等因素有可能會(huì)對(duì)元件造成損壞,不能保證元件完好程度。結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)拆卸廢棄電路板電子元件技術(shù)研究的現(xiàn)狀,電子元件拆卸的主要性能參數(shù)包括元件拆卸率、元件完好率、拆卸控制的自動(dòng)化程度等。目前國(guó)內(nèi)研究的拆卸技術(shù)主要有螺旋拆卸、風(fēng)刀拆卸、機(jī)械振動(dòng)拆卸、滾刷拆卸等[10],這幾種拆卸方式屬于半自動(dòng)化拆卸,拆卸率基本都能得到保證,可以一次性將廢棄電路板上的電子元件全部拆除下來(lái),但拆卸過(guò)程的碰撞或擠壓可能會(huì)使元件遭到破壞,拆卸后元件的完好率不能得到保證。國(guó)外基于機(jī)器視覺(jué)的電子元件拆卸技術(shù),也屬于一次性拆解,自動(dòng)化程度高,元件的拆卸率和完好性都能得到保證,但投資巨大。目前,國(guó)內(nèi)低成本、可小批量拆解任意單個(gè)芯片的自動(dòng)拆卸設(shè)備,還未見(jiàn)報(bào)道。

本文針對(duì)廢棄電路板上表面貼裝元件的回收利用,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電路板表面焊接元件無(wú)損拆卸的控制系統(tǒng),基于三軸伺服定位裝置,結(jié)合下位機(jī)STC15W4K56S4單片機(jī)和上位機(jī)LabVIEW編程,通過(guò)測(cè)得芯片在拆卸平臺(tái)的坐標(biāo)位置,實(shí)現(xiàn)表面焊接芯片的無(wú)損拆除。

1 電路板表面焊接元件無(wú)損拆卸設(shè)備工作原理

電路板表面焊接元件無(wú)損拆卸設(shè)備實(shí)物如圖1所示。它由絲桿Z、X和Y軸組成的三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及真空吸嘴和熔焊臺(tái)組成。三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別由3臺(tái)交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),把真空吸嘴送到需要拆卸的芯片正上方,然后由真空吸嘴(真空泵提供空氣壓力)把電路板上焊錫已經(jīng)熔化的芯片吸取下來(lái),再由三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)將其送到芯片回收區(qū)。

基于上述電路板芯片拆卸設(shè)備工作過(guò)程要求,需要設(shè)計(jì)三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)硬件和控制軟件。

圖1 電路板表面焊接元件無(wú)損拆卸設(shè)備Fig.1 Nondestructive dismantling equipment for surface welding components of printed circuit boards

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電路板芯片拆卸設(shè)備控制系統(tǒng)由上位機(jī)(PC計(jì)算機(jī)或筆記本電腦)和下位機(jī)(控制板)組成,如圖2所示。電路板芯片拆卸設(shè)備的控制系統(tǒng)硬件主要由伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)、控制板、真空吸嘴、測(cè)溫傳感器等組成。其中,由于伺服電動(dòng)機(jī)控制精度比步進(jìn)電動(dòng)機(jī)高,且臺(tái)達(dá)伺服系統(tǒng)在學(xué)習(xí)、調(diào)試方面均容易上手,相比其他品牌伺服系統(tǒng)性價(jià)比也較高,因此選用的電動(dòng)機(jī)為臺(tái)達(dá)ECMA-C20401ES型伺服電動(dòng)機(jī),并配套選用臺(tái)達(dá)ASDA-B2系列伺服驅(qū)動(dòng)器。由于需要尋找熔化電路板焊錫的最佳溫度,選用的熔焊臺(tái)為加熱溫度可調(diào)的焊錫熔化裝置。相比機(jī)械手夾取,真空吸嘴吸取的方式拆除芯片更能保證芯片的完好性,且考慮高溫的影響,選用耐高溫金屬材質(zhì)的真空吸嘴作為芯片拆除單元。由于絲桿比皮帶傳送精度要高,選用絲桿作為傳送機(jī)構(gòu),絲桿與伺服電動(dòng)機(jī)軸之間傳動(dòng)比為1:1,螺距為2 mm。

圖2中,上位機(jī)與控制板通過(guò)RS-485串口通信電纜連接,控制板接收上位機(jī)控制指令,控制三軸伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和吸嘴動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)芯片的拆除操作。X、Y為2個(gè)水平移動(dòng)軸,用于芯片的定位,拖動(dòng)真空吸嘴到要拆除的芯片中心的正上方,Z軸用于拖動(dòng)吸嘴裝置進(jìn)行上下移動(dòng)進(jìn)行芯片吸取。光電限位信號(hào)為安裝在各軸兩端的光電開(kāi)關(guān)信號(hào),據(jù)此避免運(yùn)動(dòng)超限時(shí)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的損壞。

(1)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)人機(jī)交互軟件選用美國(guó)國(guó)家儀器公司研制的LabVIEW軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā),LabVIEW為圖形化編程軟件,編程簡(jiǎn)單、直觀,縮短了開(kāi)發(fā)周期。編寫的上位機(jī)軟件操作界面如圖3所示。通過(guò)操作界面可以添加所要拆除的芯片在工作平臺(tái)上的坐標(biāo)位置,每添加1個(gè)就把數(shù)據(jù)發(fā)送給控制板進(jìn)行保存,同時(shí)也可以設(shè)置需要輸入的坐標(biāo)個(gè)數(shù),即添加的坐標(biāo)數(shù)應(yīng)大于或等于設(shè)置的坐標(biāo)個(gè)數(shù)。坐標(biāo)設(shè)置好后,點(diǎn)擊“開(kāi)始拆除”按鈕,控制板即開(kāi)始控制拆除操作,同時(shí)配有“急停”和“歸零”操作按鈕。其中,零位為X軸負(fù)限位和Y軸負(fù)限位所在位置,且開(kāi)始拆除前應(yīng)使真空吸嘴在零位位置。

圖2 總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Overall structure block diagram

圖3 上位機(jī)軟件操作界面Fig.3 Host computer software operation interface

為了保證上位機(jī)與下位機(jī)通信過(guò)程中指令的正確解析,且使系統(tǒng)具有良好的可維護(hù)性,同時(shí)保證指令接收的可靠性,本控制系統(tǒng)自定義了通信協(xié)議,單條協(xié)議指令為由標(biāo)志頭、內(nèi)容、尾校驗(yàn)碼和結(jié)束符4個(gè)部分組成的16進(jìn)制字符串,如圖4所示。其中,標(biāo)志頭約定為A5XX,作為指令功能的識(shí)別碼,由于上位機(jī)發(fā)給下位機(jī)的指令分為添加坐標(biāo)、提交坐標(biāo)個(gè)數(shù)、開(kāi)始拆除等多個(gè)類型,因此需要根據(jù)標(biāo)志頭的第2個(gè)字節(jié)XX的值來(lái)確定類型;指令內(nèi)容的字符串長(zhǎng)度變長(zhǎng),根據(jù)類型的不同,包含坐標(biāo)位置、坐標(biāo)個(gè)數(shù)等信息;尾校驗(yàn)碼為1個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度,是標(biāo)志頭和內(nèi)容累加和的末兩位;指令結(jié)束符為0x0D,用于判斷指令的接收結(jié)束。

圖4 協(xié)議指令格式Fig.4 Protocol instruction format

(2)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。本控制系統(tǒng)下位機(jī)控制板硬件原理框圖如圖5所示,由STC15W4K56S4單片機(jī)和外圍電路芯片及繼電器組成。其中,STC15W4K56S4單片機(jī)具有抗干擾能力強(qiáng),不需要外部晶振和外部復(fù)位,高速、高可靠,超低功耗等優(yōu)點(diǎn);TLP291-4為光耦隔離芯片,用于隔離光電開(kāi)關(guān)信號(hào),提高限位信號(hào)采集的穩(wěn)定性;繼電器1和2分別用于控制真空泵氣路和熔焊臺(tái)電源的通斷;MAX13487為TTL串口轉(zhuǎn)RS-485通信芯片,用于實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的RS-485通信功能;單片機(jī)I/O口P2.0～P2.5為各軸脈沖和方向控制信號(hào)。

下位機(jī)軟件是上位機(jī)控制指令的執(zhí)行軟件,用于調(diào)度控制過(guò)程、發(fā)出控制信號(hào)、驅(qū)動(dòng)各軸運(yùn)動(dòng)。其主要任務(wù)是接收、解析控制指令,執(zhí)行控制算法,獲取轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息并周期性以約定的指令協(xié)議格式發(fā)送給上位機(jī)解析并顯示。本系統(tǒng)運(yùn)用單片機(jī)16位外設(shè)定時(shí)器來(lái)發(fā)送脈沖并控制發(fā)脈沖的頻率,當(dāng)某個(gè)軸需要運(yùn)動(dòng)到某位置時(shí),結(jié)合當(dāng)前位置,根據(jù)運(yùn)動(dòng)距離和速率,分別算出需發(fā)送的脈沖個(gè)數(shù)及定時(shí)初值,再啟動(dòng)定時(shí)器,定時(shí)時(shí)間每到1次進(jìn)入相應(yīng)定時(shí)器中斷,單片機(jī)脈沖輸出引腳電平反向1次,發(fā)送的脈沖個(gè)數(shù)減1,并更新1次定時(shí)初值,直至脈沖個(gè)數(shù)減為0,運(yùn)動(dòng)到位,關(guān)閉定時(shí)器。設(shè)傳送機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比為r(絲桿每傳送1個(gè)螺距,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)r圈),絲桿螺距為d(mm),伺服電動(dòng)機(jī)每旋轉(zhuǎn)1圈所需脈沖數(shù)為n(該值通過(guò)設(shè)置驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置),運(yùn)動(dòng)速度為v(mm/s),單片機(jī)運(yùn)行頻率為f(MHz),則絲桿每傳送1 mm所需脈沖數(shù)N0、傳送s mm所需總脈沖數(shù)N及決定速度的定時(shí)初值T可由以下公式計(jì)算得出:

由于脈沖高電平有效,式(1)中N0實(shí)際上是定時(shí)器的定時(shí)中斷次數(shù),為每運(yùn)動(dòng)1 mm實(shí)際所需脈沖數(shù)的2倍。拆除過(guò)程的單片機(jī)控制軟件流程如圖6所示。

圖5 控制板硬件原理框圖Fig.5 Block diagram of control board hardware

圖6 控制軟件流程圖Fig.6 The f l ow chart of software

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

對(duì)廢棄電路板上表面焊接元件進(jìn)行拆卸的實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1)將廢棄電路板放在工作臺(tái)上,用直尺測(cè)出所有要被拆除的表面焊接元件在工作臺(tái)上相對(duì)零位在X、Y軸方向的坐標(biāo)位置,并一一記錄;

(2)連接好通信線,接通電源,打開(kāi)圖3所示的上位機(jī)操作界面,將第(1)步測(cè)得的坐標(biāo)位置添加到下位機(jī)中,并提交所添加的坐標(biāo)個(gè)數(shù)(即要拆除的元件的個(gè)數(shù));

(3)觀察零位狀態(tài)指示燈是否亮,若不在零位,按下“歸零”按鈕將裝置歸零,裝置在零位后,點(diǎn)擊“開(kāi)始拆除”按鈕,系統(tǒng)即按圖6所示流程對(duì)元件進(jìn)行拆除。

實(shí)驗(yàn)室某一廢棄電路板上共有集成IC芯片13個(gè),將其放在圖1所示工作平臺(tái)的熔焊臺(tái)上,測(cè)量出13個(gè)芯片在平臺(tái)上相對(duì)零位位置處的坐標(biāo),接通此裝置電源,連接好與上位機(jī)之間的RS-485通信線,打開(kāi)圖3的操作界面,在界面上分別添加13個(gè)芯片的坐標(biāo)位置,坐標(biāo)數(shù)設(shè)置為13,點(diǎn)擊“開(kāi)始拆除”,裝置即開(kāi)始進(jìn)行拆除操作。拆除結(jié)果如圖7所示,13個(gè)芯片全部成功被拆除,拆除率為100%,加上熔化焊錫的時(shí)間為60 s,共耗時(shí)130 s,經(jīng)集成電路測(cè)試儀器檢測(cè),所有芯片完好,可以再次使用。

圖7 電路板上芯片的拆除Fig.7 Dismantling the chips on the printed circuit board

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的廢棄電路板表面貼裝芯片無(wú)損拆卸裝置控制系統(tǒng),采用交流伺服電動(dòng)機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器和單片機(jī)控制板、上下位機(jī)軟件組成控制系統(tǒng),人機(jī)界面好、使用方便、控制精度高,可實(shí)現(xiàn)對(duì)真空吸嘴的精準(zhǔn)控制;借助熔焊臺(tái)實(shí)現(xiàn)最佳加熱溫度的控制;拆卸運(yùn)動(dòng)速度可調(diào),保證在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成一定數(shù)量芯片的拆卸,保障拆卸芯片的完好性以及芯片拆除效率。因此,本系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。與國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的對(duì)廢棄電路板整體加熱再將元器件整體振落的拆除設(shè)備相比,本系統(tǒng)創(chuàng)新性在于能實(shí)現(xiàn)對(duì)表面焊接元件的單獨(dú)拆除,并且可以保證芯片的完好性,但與國(guó)外基于機(jī)器視覺(jué)的自動(dòng)拆除裝置相比,本系統(tǒng)自動(dòng)化水平還不高。受本裝置機(jī)械尺寸及加熱時(shí)間太長(zhǎng)易對(duì)元件造成損壞的限制,一次性拆卸芯片的數(shù)量有限。因此,本裝置適合用于一次拆除含少量芯片的廢棄電路板。

廢舊電路板芯片的自動(dòng)化無(wú)損拆卸,拆解效率較高、完好性高、能耗低,把原本要當(dāng)垃圾扔掉、處理掉的芯片重新利用,從多個(gè)方面提高了廢棄電路板資源利用效率,是電子廢棄物處理過(guò)程中實(shí)現(xiàn)資源化再利用的有效手段?？梢赃M(jìn)一步通過(guò)對(duì)焊錫加熱熔解過(guò)程的控制研究,并改進(jìn)機(jī)械部分尺寸,使控制系統(tǒng)可以完成較大電路板上芯片的批量拆卸,具有較好的拓展空間和應(yīng)用前景。

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