基于機(jī)器視覺的廢棄線路板芯片回收設(shè)備的設(shè)計*

陳文杰，張 屹，欒文龍，侍相龍

(常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，常州 213164)

0 引言

線路板作為一種使用廣泛的電子器件，深入生活中的方方面面。由于線路板中含有大量的芯片，遺留著巨大的回收價值，因此對廢棄線路板電子芯片進(jìn)行綜合處理，不僅會保護(hù)自然環(huán)境，并且能夠?qū)δ承┵Y源進(jìn)行回收[1-2]，達(dá)成降低元器件制造成本的目的。但是不同規(guī)格的線路板往往大小不一，給工業(yè)自動化流水線回收分解造成不便。

顧幗華等[3]研制了一項廢棄線路板電子元件自動拆除技術(shù)，在對元件進(jìn)行自動拆除前，首先人工拆除那些可以二次利用以及含有有毒有害物質(zhì)的電子元器件；隨后用基于機(jī)器視覺的3D圖像識別技術(shù)獲取其位置信息，用自動機(jī)械裝置將其拆除；該技術(shù)雖然做到了大部分的自動化，但人體會直接接觸到有害物質(zhì)[4]。

國內(nèi)一般是采用半自動的拆解工藝實現(xiàn)廢棄線路板上電子元器件的整體拆卸，拆卸后再人工篩選出可進(jìn)行二次利用的元器件。西南科技大學(xué)易榮華等人提出采用螺旋拆卸的方式拆卸廢棄線路板電子元器件，廢棄線路板加熱后，通過螺旋刀具和線路板定位裝置之間相對運(yùn)動產(chǎn)生的擠壓力、剪切力，將電子元器件拆卸下來。由于螺旋刀具結(jié)構(gòu)的強(qiáng)行拆卸，拆卸時會對電子元件造成損傷，不能保證拆卸下來的電子元件能進(jìn)行二次利用。

因此，針對國內(nèi)外企業(yè)的技術(shù)缺陷，并結(jié)合我國電子回收行業(yè)現(xiàn)狀，提出了一種可實現(xiàn)高效率回收作業(yè)的自動廢棄線路板回收設(shè)備的設(shè)計方案，該方案實現(xiàn)自動化，不需要人工參與，可以適應(yīng)不同規(guī)格的線路板以及不同大小芯片的要求。

1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

廢棄線路板芯片回收設(shè)備包括傳送系統(tǒng)、測距系統(tǒng)、坐標(biāo)識別系統(tǒng)、切割系統(tǒng)。

測距系統(tǒng)旨在將線路板的寬度與同步帶間距配合起來，坐標(biāo)識別系統(tǒng)可以使切割系統(tǒng)正確移動到指定區(qū)域進(jìn)行切割操作。

為了提高對不同規(guī)格線路板的適應(yīng)性，采用單板測量，單板識別，單板定位切割的方式，首先進(jìn)行線路板寬度檢測，根據(jù)檢測得出線路板的寬度，對每一塊不同大小的線路板分別進(jìn)行同步帶間距調(diào)整，隨后進(jìn)行視覺部分的檢測，以方便切割定位。根據(jù)實際檢測工作經(jīng)驗，單板定位誤差在2 mm內(nèi)即可滿足切割的精度要求。整體框架圖如圖1所示。內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如2所示。

圖1 整體框架圖

圖2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

測距系統(tǒng)如圖3所示，其位于整體系統(tǒng)的前半部，上部為測距模塊，下方為傳松帶，測距模塊細(xì)節(jié)圖如圖4所示。

圖3 測距系統(tǒng)

1.傳送帶 2.對射傳感器接收端 3.推板 4.對射傳感器發(fā)射端 5.傳送帶伺服電機(jī) 6.壓力傳感器1 7.壓力傳感器2 8.固定底座 9.滾珠絲桿 10.光柵尺 11.螺母座 12.滑塊 13.固定底座 14.連接板 15.測距伺服電機(jī) 16.擋板 17.直線導(dǎo)軌

設(shè)備啟動后，傳送帶伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)線路板觸發(fā)對射光電傳感器后停止運(yùn)作。推板上部固定安裝在直線導(dǎo)軌的滑塊上，在測距伺服電機(jī)的帶領(lǐng)下前后運(yùn)轉(zhuǎn)，下部與傳送帶保持1 mm的距離，推板上安裝有光柵尺[5-6]和壓力傳感器，將線路板推動至擋板后當(dāng)所受壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值時，測距伺服電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

切割系統(tǒng)如圖5所示，其位于整體系統(tǒng)的后半部，前部為相機(jī)安裝位[7]，后方上部為切割模塊，下方為同步帶，同步帶下方為網(wǎng)格傳送帶，負(fù)責(zé)將切割下的器件傳送至回收箱，切割模塊細(xì)節(jié)圖如6所示。刀頭模塊細(xì)節(jié)圖如圖7所示。

圖5 切割系統(tǒng)

1.相機(jī) 2.同步輪 3.同步輪帶 4.同步帶運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī) 5.同步帶間距調(diào)整電機(jī) 6.中大電機(jī) 7.網(wǎng)狀傳送帶 8.下壓氣缸 9.阻擋氣缸 10.刀頭模塊 11.X軸伺服電機(jī) 12.Z軸伺服電機(jī) 13.Y軸伺服電機(jī) 14.直線導(dǎo)軌 15.風(fēng)琴罩 16.旋轉(zhuǎn)氣缸

1.正反牙絲桿軸套 2.正反牙絲桿 3.伺服電機(jī) 4.圓盤鋸刀 5.壓緊蓋 6.花鍵軸 7.刀套連接件 8.花鍵軸軸套 9.同步帶 10.同步輪 11.兩桿連接件

同步帶間距由同步帶間距伺服電機(jī)帶動直線模組進(jìn)行調(diào)整，同步輪由同步輪帶帶動運(yùn)轉(zhuǎn)。切割系統(tǒng)上半部分為三軸直線模組構(gòu)成懸臂式直角坐標(biāo)機(jī)器人來完成，其占用空間小，運(yùn)動靈活。該結(jié)構(gòu)是借助三軸直線模組(圖8所示)來完成機(jī)械切割裝置在X、Y、Z三軸方向上的直線運(yùn)動。

1.旋轉(zhuǎn)氣缸 2.直線導(dǎo)軌 3.直線模組 4.伺服電機(jī) 5.拖鏈

三軸直線模組通過聯(lián)軸器連接伺服電機(jī)來控制三軸方向上直線進(jìn)給量。同時，為了最大限度的保證整體結(jié)構(gòu)的精度與穩(wěn)定性，為三軸直線模組安裝直線導(dǎo)軌。工作平臺為寬400 mm、長400 mm的同步帶區(qū)域，為了預(yù)留出足夠工作區(qū)間，所選用的直線模組有以下特征：

(1)X、Y、Z軸方向的行程都為500 mm；；

(2)同一方向上重復(fù)定位精度為0.1 mm：

(3)X、Y軸直線模組重量約為10 kg，Z軸直線模組加上刀頭模塊重量約為15 kg；

(4)為防止負(fù)載滑落或者產(chǎn)生誤差，所選用的伺服電機(jī)都具有剎車功能。

為了保證伺服電機(jī)的一致性以及互換性，以Z軸的伺服電機(jī)進(jìn)行選型。

首先，查閱資料可知滾珠絲桿質(zhì)量為0.47 kg，根據(jù)式(1)計算的到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量為：

JL=JC+JB+JW

(1)

式中，JL為折算到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量，kg/m2；JC為聯(lián)軸器的慣量，kg/m2；JB為滾珠絲桿的慣量，kg/m2；JW為負(fù)載的慣量，kg/m2。根據(jù)式(2)～式(4)可得滾珠絲桿的慣量和負(fù)載的慣量為：

(2)

(3)

(4)

由此可以得出：

式中，mc為聯(lián)軸器質(zhì)量，kg；dc為聯(lián)軸器外徑，m；BW為滾珠絲桿質(zhì)量，kg；Bd為滾珠絲桿直徑，m；WA為負(fù)載部分質(zhì)量，kg；B為滾珠絲桿螺距，m。

由該式可以計算出負(fù)載慣量JL為2.24×10-4kg/m2。進(jìn)而初步選擇電機(jī)為400 W松下A6帶剎車的伺服電機(jī)MSMF042L1V2M，查閱手冊可知其轉(zhuǎn)子慣量JM為0.30×10-4kg/m2。由此可以計算出慣量比為:

由于慣量比遠(yuǎn)小于30，所以電機(jī)選擇是合適的。再通過該電機(jī)手冊及計算，電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩均能達(dá)到設(shè)計要求。

三軸直線模組下半部分為刀頭模塊。刀頭模塊內(nèi)刀盤間距伺服電機(jī)借助同步帶和同步輪與正反牙絲桿形成帶傳動控制來調(diào)節(jié)刀盤間距。

當(dāng)?shù)额^完成了電子元器件的左右兩側(cè)的切割后，借助旋轉(zhuǎn)氣缸將機(jī)械切割裝置進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)，完成電子元器件前后兩側(cè)的切割。

刀頭模塊的切割工作是靠圓盤鋸片完成的，但隨著切割速度增大，雖然使單位時間內(nèi)切割下的電子元器件數(shù)量上升，可以提高切割效率，但圓盤鋸片的磨損也隨之加快，導(dǎo)致圓盤鋸片壽命下降，更換圓盤鋸片次數(shù)上升，這樣反而降低了工作效率。

圓盤鋸片是由若干齒刀組成的整體，圓盤鋸片的切割過程近似于每個刀齒周期性地切入和切出工件的過程。

圓盤鋸片切削力計算公式為：

(5)

式中，k0.5為切削力常數(shù)(取14 N/mm1.5);b為切削寬度，即鋸片齒寬(選擇為1 mm);h為切割厚度。h可理解為每齒切割電路板的平均厚度，取決于機(jī)械的進(jìn)給速度，進(jìn)給速度越快，切割速度越快，相應(yīng)地切削面也越粗糙。

再根據(jù)仿真分析實驗得出一定范圍內(nèi)相應(yīng)圓盤鋸片轉(zhuǎn)速與切削力之間的關(guān)系后見表1。綜合考慮圓盤鋸片切割效率以及磨損程度，圓盤鋸片轉(zhuǎn)速選擇3000 r/min。

表1 圓盤鋸片不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的切削力

切割下刀是由Z軸來控制的，當(dāng)X軸與Y軸移到芯片中心位置后，刀盤間距打開，Z軸經(jīng)過不同的向下移動下刀速度測試后，如表2所示，采用2 mm/s下刀，可以到達(dá)最優(yōu)切割效果。

表2 不同下刀速度對應(yīng)的切割效果

本設(shè)備選用的是直徑為110 mm的鎢鋼圓盤鋸片72齒，齒距為4.7 mm，而多數(shù)線路板厚度在5 mm之內(nèi)，因此，在圓盤鋸刀在切割線路板的過程中，可以看作是多把齒刀工作，即圓盤鋸刀的切削力等于單個齒刀的切削力和同時參與切削的齒數(shù)的乘積，則圓盤鋸片的功率計算公式(6)為:

(6)

式中，P為切削功率，W；F為單齒切削力，N；v為圓盤鋸片線速度，m/s；z為嚙合齒數(shù)；W為機(jī)械效率。設(shè)定圓盤鋸片轉(zhuǎn)速3000 r/min，則線速度v=17.27 m/s，以線路板厚度5 mm計，直徑為110 mm的72齒鋸片最大嚙合齒數(shù)為1.06，W取0.8。則切削功率P=F·v·z/W=1.97×17.27×1.06/0.8=45 W。所選用的100 W松下A6伺服電機(jī)可以滿足需求。

2 自動切割控制系統(tǒng)設(shè)計

廢棄線路板芯片回收設(shè)備的控制器采用兩個FX3U-64MT PLC[8-10]，采用并聯(lián)鏈接方式構(gòu)成主站與從站控制系統(tǒng)，控制板實物如圖9和圖10所示。

圖9 主站實物圖 圖10 從站實物圖

廢棄線路板芯片回收控制系統(tǒng)硬件部分主要由電源、PLC、繼電器、觸摸屏、伺服電機(jī)、相機(jī)、傳感器、傳送機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)、吸塵器等組成。圖11為控制系統(tǒng)總體架構(gòu)。

圖11 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

自動回收工作控制流程如圖12所示。

圖12 自動回收工作控制流程圖

傳送帶伺服電機(jī)接收PLC發(fā)送的脈沖，通過傳送機(jī)構(gòu)將線路板進(jìn)行傳送。測距伺服電機(jī)接收PLC發(fā)送的脈沖，帶動光柵尺及壓力傳感器實現(xiàn)測量線路板的寬度并傳值給PLC從而完成對同步帶間距調(diào)整的任務(wù)。同步帶運(yùn)轉(zhuǎn)伺服電機(jī)接收PLC 發(fā)送的脈沖，先將線路板傳送至相機(jī)處，進(jìn)行芯片的坐標(biāo)定位，確保在多芯片的情況下可以有序的切割。X、Y、Z三軸伺服電機(jī)在接收到PLC傳來的坐標(biāo)數(shù)脈沖后，進(jìn)行定位，之后刀具部分伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，完成切割。

3 坐標(biāo)識別

圖像處理程序是本設(shè)計關(guān)鍵部分之一，其圖像處理流程如圖13所示。

圖13 圖像處理流程

在線路板檢測單元中，需要使用工業(yè)相機(jī)對線路板進(jìn)行圖像的采集，同時得到線路板上芯片的坐標(biāo)位置、長與寬。

式(7)所示，為工業(yè)相機(jī)分辨率計算公式：

(7)

式中，F(xiàn)是工業(yè)相機(jī)在水平方向最小分辨率；FOV為水平視場范圍，單位為mm；P為水平方向要求的檢測精度，單位為mm。

待檢測的線路板都放置在寬400 mm，長500 mm的前半部傳送帶上，檢測精度需要達(dá)到0.2 mm，由式(7)求得工業(yè)相機(jī)最小分辨率為200萬像素的相機(jī)，由于對于芯片需要準(zhǔn)確定位以及識別，本設(shè)計選用的是600萬MV-CA060-10GC ?？低暪I(yè)相機(jī)。該相機(jī)的千兆以太網(wǎng)接口提供1 Gbps帶寬，并具有128 MB板上緩存，可緩存多張圖片，用于突發(fā)傳輸或者重傳還支持自動曝光控制確保了本設(shè)計之后的升級。

工業(yè)相機(jī)的配套設(shè)備，工業(yè)鏡頭也尤為重要，選型要依據(jù)工業(yè)相機(jī)的極限空間分辨率要小于或等于工業(yè)鏡頭的分辨率。為了確保與MV-CA060-10GC ?？低暪I(yè)相機(jī)同步，在此工業(yè)鏡頭選用MVL-HF0828M-6MP ?？低?00萬像素8 mm工業(yè)鏡頭，工業(yè)相機(jī)與鏡頭通過?？低曇曈X控制器MV-VC3201-128G60與上位機(jī)相連，該視覺控制器可為多相機(jī)定位、檢測和識別等任務(wù)提供支持,之后通過程序設(shè)計完成識別。

圖像處理程序由C++語言編寫，通過深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練和調(diào)用Opencv圖像處理庫來完成。

檢測結(jié)束后，對檢測處的目標(biāo)標(biāo)定結(jié)果如圖14所示。

圖14 圖像處理結(jié)果

在上位機(jī)傳值給PLC后，PLC控制X軸與Y軸的構(gòu)成以起始位為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，每軸有效行程為300 mm。相機(jī)傳來的參數(shù)與實際尺寸換算為每個像素點(diǎn)是0.2 mm。滾珠絲桿螺距是2 cm,伺服電機(jī)采用默認(rèn)轉(zhuǎn)一圈10 000個脈沖，及每脈沖2 μm，通過編寫的PLC內(nèi)部計算程序即可得出每軸所要移動的脈沖數(shù)。

如上圖所示的第一塊芯片數(shù)據(jù)，寬78個像素，高81個像素，中心坐標(biāo)為(85，136)，坐標(biāo)系以線路板左上角為原點(diǎn)。

S=0.2×K

(8)

式中，S為實際尺寸；K為像素尺寸，由式(8)通過換算可知，實際參數(shù)為寬15.6 mm，高16.2 mm，坐標(biāo)為(17，27.2)。

行程與脈沖數(shù)的換算公式(9)為：

(9)

式中，U為脈沖數(shù)；L為螺距，單位μm(這里為20 000)；Q為每圈脈沖數(shù)(這里是10 000)即可得到，X軸發(fā)出脈沖8500個，Y軸發(fā)出脈沖13 600個。

刀盤間距由于采用的是螺距為2 mm的正反牙絲桿，伺服電機(jī)工作時會2倍擴(kuò)大，所以伺服電機(jī)一圈為4 mm。直接以4 mm進(jìn)行計算，通過式(8)與式(9)可得到刀盤間距移動寬的值需要39 000個脈沖，移動高的值需要40 500個脈沖。

4 控制界面設(shè)計

本系統(tǒng)的人機(jī)界面，采用昆侖通態(tài)的TPC1570GI，其擁有分辨率為1024×768,15寸TFT液晶屏,ARM4核CPU,主頻1 GHz,足以滿足本系統(tǒng)的需求。

在系統(tǒng)啟動之后，觸摸屏將自動打開，同時進(jìn)入工作界面，如圖15所示。

圖15 MCGS界面圖

5 試驗結(jié)果與分析

測試次數(shù)為4次，因此準(zhǔn)備了兩種不同尺寸的線路板各2塊，相同尺寸的線路板為同一型號。想要得到的結(jié)果是，系統(tǒng)為流水線運(yùn)行時，在同一尺寸的線路板上，能夠針對相同部位進(jìn)行切割；在修改參數(shù)的情況下，能對線路板不同部位進(jìn)行切割。通過多次測試實驗，驗證樣機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖16為樣機(jī)總體結(jié)構(gòu)。

圖16 樣機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

在切割完畢后，可以發(fā)現(xiàn)，相同尺寸的線路板流水線切割可以正確完成，不同尺寸的線路板在調(diào)整尺寸后切割位置與切割尺寸都與輸入的參數(shù)相符，物料也都能成功的轉(zhuǎn)移。

6 結(jié)論

本系統(tǒng)解決了國內(nèi)外廢棄線路板芯片拆解設(shè)備在國內(nèi)不能實現(xiàn)全自動拆卸以及無法適應(yīng)多種規(guī)格的線路板尺寸和芯片尺寸的問題。實驗結(jié)果表明，該方案的運(yùn)動控制精度滿足了實際工作需求，切割控制流程實現(xiàn)了全自動化作業(yè)。因此，該自動拆卸設(shè)備設(shè)計方案滿足國內(nèi)廢棄線路板芯片拆解的要求。