安瑞

AN Rui

青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266061

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

1 引言

據(jù)估算，中國每年產(chǎn)生近7億部廢舊手機(jī)，到2025年將增長至9.37億部[1]。廢舊手機(jī)內(nèi)含有的鉛、汞、鎘等有害物質(zhì)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(jī)成為了棘手的難題[2]。近年來，通過拆解分離廢舊手機(jī)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(jī)內(nèi)部元器件安裝的常見形式，螺釘?shù)牟鸾庑?、?zhǔn)確性在很大程度上直接影響了整機(jī)拆解的效率。傳統(tǒng)的手機(jī)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(jī)螺釘自動化拆解設(shè)備，通過各部分機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及機(jī)器視覺方案來替代傳統(tǒng)的拆解工藝，從而實現(xiàn)手機(jī)螺釘高效、準(zhǔn)確的自動化拆解。

2 螺釘自動化拆解設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 螺釘拆解模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)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(jī)械臂具有很高的重復(fù)定位精度，以此來滿足拆解工具對準(zhǔn)相應(yīng)螺紋孔里的每一顆螺絲，同時為保證拆解裝備在較短間內(nèi)完成對螺釘?shù)牟鸾鈩幼?，在結(jié)構(gòu)剛性滿足要求、避免振動的前提下，機(jī)械執(zhí)行速度要盡量快，而且為了便于裝配、調(diào)試，以及保證設(shè)備運行的可靠性，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該更加簡單[3]。

綜合考慮設(shè)備需求并對常見機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)各項參數(shù)指標(biāo)綜合對比，直角坐標(biāo)機(jī)器人在精度、剛度、運動學(xué)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(biāo)機(jī)器人作為拆解設(shè)備的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)。直角坐標(biāo)機(jī)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(jù)本裝備的實際需求，該部件需帶有轉(zhuǎn)速、扭矩調(diào)節(jié)及扭矩反饋等功能。綜合經(jīng)濟(jì)性及實用性的考慮，選用深圳中至冠科技有限公司生產(chǎn)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(nèi)部停止裝置采用磁性感應(yīng)系統(tǒng)，具有較高的靈敏度，能夠瞬間制動，同時扭力調(diào)整為無極調(diào)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(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的橋梁，在整個設(shè)備中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。由螺釘拆解的動作可知，隨著電批快速旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生了震動與沖擊。螺釘自動化拆解設(shè)備執(zhí)行高頻往復(fù)的拆解動作，如若不緩沖拆解過程產(chǎn)生的震動與沖擊，必然會對拆解設(shè)備的壽命造成損耗，因此治具的設(shè)計除了滿足固定電批與連接三軸直角坐標(biāo)機(jī)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(jìn)行了設(shè)計，其結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的形變將拆解過程中的沖擊進(jìn)行緩釋；電批下固定端內(nèi)嵌有軸承，能夠確保批頭加速旋轉(zhuǎn)時的對中性，達(dá)到穩(wěn)定拆解。

圖2 治具結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 手機(jī)裝夾模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計

保證手機(jī)在拆解過程中牢靠的固定也是拆解過程中至關(guān)重要的一環(huán)。如若在拆解過程中手機(jī)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(zhǔn)確性。此外，手機(jī)固定松動會使拆解過程中產(chǎn)生更多的震動與沖擊，會降低拆解設(shè)備各零部件的使用壽命，更甚至?xí)斐纱鸾馐謾C(jī)的損壞。手機(jī)裝夾機(jī)構(gòu)在滿足自身結(jié)構(gòu)剛性的前提下，應(yīng)具有較大的加持力以及迅速響應(yīng)的特點，結(jié)構(gòu)設(shè)計盡量簡單，便于日常維護(hù)。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(jī)的裝夾固定，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 裝夾機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

選擇四川東起科技有限公司生產(chǎn)的DH2-A42-32-AH5型號的立式滑塊型電動夾爪作為手機(jī)裝夾模塊的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該電動夾爪內(nèi)置控制器，加持力可調(diào)范圍為10～100%，速度可調(diào)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(shè)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(zhì)量，進(jìn)而影響拆解的準(zhǔn)確性。通常使用工業(yè)相機(jī)、工控機(jī)以及照明光源一同構(gòu)成視覺成像的基本硬件環(huán)境[4]。

相機(jī)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(jī)螺釘拆解工況，能夠穩(wěn)定成像，具有較強(qiáng)的抗干擾能力以及能夠在相對充裕的成像視野內(nèi)顯示更加清晰的圖像成為了選擇相機(jī)的重中之重。

綜合考慮以上因素以及拆解設(shè)備中的視覺需求，選擇深圳邁德威視科技公司生產(chǎn)的MV-GED130C-T型號CCD工業(yè)相機(jī)，該相機(jī)光學(xué)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(jī)參數(shù)

鏡頭是機(jī)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(jìn)而影響圖像采集的質(zhì)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(jìn)而確定鏡頭的規(guī)格。

由于相機(jī)的選擇型號已經(jīng)給出，接下來只需確定相機(jī)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(jù)如下公式進(jìn)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(jù)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(zhì)量，選擇恰到好處的光源能夠簡化圖像處理算法進(jìn)而提高系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性，如若光源選用不當(dāng)，極有可能在調(diào)試初期導(dǎo)致機(jī)械手等執(zhí)行機(jī)構(gòu)運行錯誤，造成碰撞甚至損壞，在設(shè)備運行中也會導(dǎo)致數(shù)據(jù)獲取不正確等問題，嚴(yán)重影響整個視覺部分的穩(wěn)定性，進(jìn)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(guān)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(shè)備總體安裝方案

將螺釘拆解模塊、手機(jī)裝夾模塊以及視覺系統(tǒng)硬件進(jìn)行安裝總成，設(shè)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(biāo)機(jī)器人的Y軸移動平臺上；此外，考慮視覺系統(tǒng)在拆解設(shè)備中的特殊性，因此選擇相機(jī)固定安裝的方式，即eye-to-hand的手眼標(biāo)定方式。

圖6 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)圖

3 螺釘自動化拆解設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計

拆解設(shè)備控制系統(tǒng)方案是通過“P C 機(jī)+固高G E N系列EtherCAT總線網(wǎng)絡(luò)運動控制器+固高gLink擴(kuò)展IO模塊+CCD相機(jī)”開放式運動控制方法，PC機(jī)作為控制系統(tǒng)的中心上位機(jī)，通過EtherCAT總線網(wǎng)絡(luò)運動控制器以及擴(kuò)展IO模塊負(fù)責(zé)整個運動控制系統(tǒng)的完成，CCD相機(jī)用于運動坐標(biāo)的提取與反饋?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

PC機(jī)作為中心上位機(jī)負(fù)責(zé)利用基于Visual Studio平臺開發(fā)的人機(jī)交互界面（HMI）、運動控制程序以及CCD相機(jī)采集處理的圖片信息來進(jìn)行拆解信號的實時發(fā)送；固高GEN系列多軸網(wǎng)絡(luò)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(dá)64軸的同步運動控制，同時支持gLink-I IO模塊和EtherCAT IO模塊擴(kuò)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(chǎn)的各類控制器為主機(jī)，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(gòu)如圖8所示，擴(kuò)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(gòu)圖

圖9 擴(kuò)展模塊部分電路原理圖

拆解過程為PC機(jī)發(fā)送螺釘拆解信號，gLink擴(kuò)展IO模塊傳遞拆解信號至手機(jī)裝夾機(jī)構(gòu)執(zhí)行加緊動作，CCD相機(jī)進(jìn)行圖像采集，將采集到的圖像傳輸至PC機(jī)，執(zhí)行圖像處理算法獲取螺釘孔的坐標(biāo)，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，通過EtherCAT總線網(wǎng)絡(luò)運動控制器發(fā)送坐標(biāo)至三軸直角坐標(biāo)機(jī)器人進(jìn)行移動，移動至坐標(biāo)正上方位置后，再由gLink擴(kuò)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(jié)論

目前市場上的螺釘自動化拆解設(shè)備并不成熟，特別是針對小、密、精的手機(jī)螺釘而言更是尚不多見。本文針對手機(jī)螺釘?shù)牟鸾夤に?，設(shè)計了一種手機(jī)螺釘自動化拆解設(shè)備，根據(jù)拆解過程中所需實現(xiàn)的功能需求選型設(shè)計了各個部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了安裝總成，針對視覺需求設(shè)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(jìn)行了搭建，形成了一套完整的拆解設(shè)備。整套拆解設(shè)備具有較高的自動化水平，實用性強(qiáng)，在手機(jī)維修與回收利用行業(yè)具有廣闊的前景。