CN112570839B - 一种电路板元器件错时定点加热解焊装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种电路板元器件错时定点加热解焊装置和方法，所述装置包括控制系统、工位台面、元器件夹爪、携带CCD相机的夹持控制块、四轴机器人、加热解焊模块、元器件输送机构和机器人立柱，携带CCD相机的夹持控制块对加热解焊模块上的电路板进行拍照，获取电路板图像；控制系统识别电路板上元器件类型并得到最优拆卸路径；加热解焊模块对电路板上元器件进行错时定点加热解焊；四轴机器人控制元器件夹爪抓取拆卸出的电路板元器件，并根据元器件类型，将元器件放置到相应的元器件输送机构。本发明根据拆卸目标和再生方案，规划拆卸路径，错时定点控制元器件加热温度和时间，实现电路板上元器件的无损拆卸，提高了元器件复用率。

Description

一种电路板元器件错时定点加热解焊装置和方法
技术领域
本发明属于电子电器废弃物回收再利用技术领域，涉及一种电路板元器件错时定点加热解焊装置和方法。
背景技术
全球每年产生电子废弃物高达5000万吨，占有害危险废弃物的70％，我国是电子设备生产和消费大国，每年产生电子废弃物占全球20％以上，且年增长率超过5％。电子废弃物成分复杂，含有铅、铬、汞等重金属，处理不当将导致严重的环境污染；同时，电子废弃物含有大量可重用的元器件及铜、银、塑料等可循环利用元素，处理得当则可变成宝贵的资源。
目前，电路板的再资源化处理主要集中于电路板及其元件的材料回收研究，对拆卸下来的元件进行功能重用考虑较少。例如通过将废弃印刷电路板浸泡在一种含有氧化剂的酸性溶液中，使废旧印刷电路板上的铅锡焊料溶解从而使焊接元器件脱落，此方法虽然可拆卸元器件，但溶液对元器件有一定的损害。而利用热风加热解焊电路板，然后采用振动冲击并辅以扫刮的方法拆解元器件。虽能有效拆解元器件，对环境污染小，但拆解效率低下，振动机构中运动机构惯性太大因而耗能高、噪声大。
当电子产品报废时，其电路板上仍有大量的电子元器件没有到达生命使用周期，可以继续使用。因此，废弃电路板上电子元器件的无损拆卸和再应用，不仅有较高的经济价值，而且节省能源，减少环境污染，具有较高的社会价值。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本申请提供一种电路板元器件错时定点加热解焊装置和方法，根据拆卸目标，考虑再生方案，规划拆卸路径，错时定点控制元器件加热温度和时间，动态调整元器件夹爪的加持力和夹持角度，实现电路板上元器件的无损拆卸。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种电路板元器件错时定点加热解焊装置，包括控制系统、工位台面、元器件夹爪、携带CCD相机的夹持控制块、四轴机器人、加热解焊模块、元器件输送机构和机器人立柱；
所述加热解焊模块、元器件输送机构和机器人立柱固定于工位台面上；
所述元器件夹爪、携带CCD相机的夹持控制块固定在四轴机器人上，所述四轴机器人设于机器人立柱上；
所述控制系统调度元器件夹爪、携带CCD相机的夹持控制块、四轴机器人、加热解焊模块和元器件输送机构，完成元器件无损拆卸；
所述携带CCD相机的夹持控制块，用于对加热解焊模块上的电路板进行拍照，获取电路板图像；
所述控制系统，用于根据电路板图像，识别电路板上元器件类型并得到最优拆卸路径和基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序；
所述加热解焊模块，用于根据最优拆卸路径和基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序，对电路板上元器件进行错时定点加热解焊；
所述四轴机器人，用于控制元器件夹爪抓取拆卸出的电路板元器件，并根据元器件类型，将元器件放置到相应的元器件输送机构。
本发明进一步包括以下优选方案：
优选地，所述控制系统设有电路板模板库，并可动态更新，通过综合考虑质量状态、再生方案和电路板结构，确定所有需要拆卸的元器件，形成最小拆卸元器件的集合；
通过遍历电路板拓扑图生成满足拆卸优先关系约束的可行元器件拆卸序列，生成最优拆卸路径和基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序。
优选地，所述加热解焊模块包括电磁阀、密排喷嘴和温度传感器；
所述密排喷嘴呈矩阵形态，均匀分布于电路板下面；
所述电磁阀控制密排喷嘴中高温空气的通断，对元器件管脚进行加热；
所述温度传感器检测解焊温度，实现温度闭环控制。
优选地，所述加热解焊模块，根据最优拆卸路径和基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序，通过电磁阀控制其密排喷嘴中高温空气的通断时间，错时控制相应元器件的加热温度和时间，使元器件管脚上焊锡达到熔焊点温度，完成对电路板上元器件的错时定点加热解焊。
优选地，所述元器件输送机构根据元器件中有害物质和金属含量，分为多个通道，实现不同元器件分类回收。
本发明还公开了一种电路板元器件错时定点加热解焊方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：当电路板放置到加热解焊模块时，控制系统调动携带CCD相机的夹持控制块对电路板进行拍照，获取电路板图像；
步骤2：控制系统根据电路板图像信息，在电路板模板库中找到对应电路板模型，综合考虑质量状态、再生方案、电路板结构，规划最优拆卸路径，得到基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序；
同时控制系统启动加热解焊模块对电路板进行预热；
步骤3：根据最优拆卸路径和基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序，加热解焊模块通过电磁阀控制密排喷嘴中高温空气的通断时间，错时精准控制相应元器件的加热温度和时间，使元器件管脚上焊锡达到熔焊点温度；
步骤4：四轴机器人控制元器件夹爪抓取元器件，根据元器件类型，将元器件放置到相应的元器件输送机构，完成元器件的无损拆卸。
优选地，步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：初始个体生成：
随机生成初始的再生方案个体和元器件的随机拆卸权重个体，随机分配一个再生方案给每个元器件，对每个元器件分配一个(0,1)之间的实数作为该元器件的随机拆卸权重；
一个元器件的再生方案分为：再制造或再利用、不可再制造或再利用两种；
步骤2.2：再生方案的约束处理：
遍历各元器件的再生方案，令有毒元器件的再生方案为再制造或再利用，以满足必拆的需求；检查电路板上元器件再生率，若不满足最小再生率阈值Rp，则增加再制造或再利用元器件的比例，直到满足该阈值Rp；
步骤2.3：基于目标逆向递推法生成必拆元器件集合Sf：
令初始必拆元器件集合Sf为空，先将再生方案为再制造或再利用的元器件标号i加入到Sf中，然后依次遍历Sf中的每个元器件，若该元器件的前驱元器件不在Sf中，则将该元器件的前驱元器件加入Sf，最终找到所有必须拆卸的元器件集合Sf；
步骤2.4：生成可行元器件拆卸序列：
针对必拆元器件集合Sf中的所有元器件，分析得到这些元器件的拆卸优先约束关系矩阵MP，遍历Sf，求得其中各元器件j的前驱元器件之和Fdj，并将Fdj与元器件j的随机拆卸权重相加得其综合权重，进而，根据综合权重，对Sf中元器件进行升序排序，则得到可行元器件拆卸序列及其对应的元器件最优拆卸路径，进而根据解焊温度、元器件焊接方式、元器件管脚数量和元器件管脚直径确定基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序；
其中，
优选地，步骤4中，所述夹持控制块根据拆卸元器件管脚倾斜和数量，动态调整元器件夹爪的加持力和夹持角度，实现电路板上元器件快速、无损、环保拆卸。
本申请所达到的有益效果：
本发明根据拆卸目标，考虑再生方案，规划拆卸路径，通过错时精准控制元器件的加热温度和时间，动态调整元器件夹爪的加持力和夹持角度，解决了解焊中温度不均、热能耗散大、元器件易烧毁的难题，提高了加热精细度和加热效率，实现了电路板上元器件的无损拆卸，提高了元器件复用率。
附图说明
图1是本发明一种电路板元器件错时定点加热解焊装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中拆卸路径规划示意图；
图3是本发明实施例中基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序；
其中，附图标记的含义如下：1-工位台面、2-元器件夹爪、3-携带CCD相机的夹持控制块、4-四轴机器人、5-线路防护套、6-机器人立柱、7-加热解焊模块、8-元器件输送机构。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明的一种电路板元器件错时定点加热解焊装置，包括控制系统、工位台面1、元器件夹爪2、携带CCD相机的夹持控制块3、四轴机器人4、加热解焊模块7、元器件输送机构8、机器人立柱6和线路防护套5以及相关气路、电路；
所述加热解焊模块7、元器件输送机构8和机器人立柱6固定于工位台面1上；
所述元器件夹爪2、携带CCD相机的夹持控制块3固定在四轴机器人4上，所述四轴机器人4设于机器人立柱6上；
所述控制系统调度元器件夹爪2、携带CCD相机的夹持控制块3、四轴机器人4、加热解焊模块7和元器件输送机构8，完成元器件无损拆卸；
所述携带CCD相机的夹持控制块3，用于对加热解焊模块7上的电路板进行拍照，获取电路板图像；
所述控制系统，用于根据电路板图像，识别电路板上元器件类型并得到最优拆卸路径和基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序；
具体实施例中，所述控制系统设有电路板模板库，并可动态更新，通过综合考虑质量状态、再生方案、电路板结构等因素，采用多目标逆向递推策略确定所有需要拆卸的元器件，形成最小拆卸元器件的集合；
通过遍历电路板局部拓扑图生成满足拆卸优先关系约束的可行序列，采用智能进化算法，生成最优拆卸路径和基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序。
所述加热解焊模块7，用于根据最优拆卸路径和基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序，对电路板上元器件进行错时定点加热解焊；
所述加热解焊模块7包括电磁阀、密排喷嘴和温度传感器；
所述密排喷嘴呈矩阵形态，均匀分布于电路板下面；
所述电磁阀控制密排喷嘴中高温空气的通断，对元器件管脚进行精准加热；
所述温度传感器检测解焊温度，实现温度闭环控制。
所述加热解焊模块7，根据最优拆卸路径和基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序，通过电磁阀控制其密排喷嘴中高温空气的通断时间，错时精准控制相应元器件的加热温度和时间，使元器件管脚上焊锡达到熔焊点温度，完成对电路板上元器件的错时定点加热解焊。
所述四轴机器人4，用于控制元器件夹爪2抓取拆卸出的电路板元器件，并根据元器件类型，将元器件放置到相应的元器件输送机构8。
所述元器件输送机构8根据元器件中有害物质、金属等不同含量，分为多个通道，实现不同元器件分类回收。
本发明的一种电路板元器件错时定点加热解焊方法，包括以下步骤：
步骤1：拆卸路径规划示意图如图2所示，下方拆卸路径的标号1-32对应电路板上相应标号的元器件，比如拆卸路径中的9对应电路板上9液晶屏。当电路板放置到加热解焊模块7时，控制系统调动携带CCD相机的夹持控制块3对电路板进行拍照，获取电路板图像；
步骤2：控制系统根据电路板图像信息，在电路板模板库中找到对应电路板模型，综合考虑质量状态、再生方案、电路板结构等因素，规划最优拆卸路径，得到基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序；
包括以下步骤：
电路板上的元器件有物理结构关系，拆解时，有时必须先把元器件1拆掉，才能拆解元器件2，则元器件1为元器件2的前驱元器件。将待拆卸元器件的前驱元器件个数与随机拆卸权重求和形成综合权重，进而以综合权重为依据对元器件的拆卸顺序进行排序，生成综合权重序列。待拆元器件的前驱元器件个数为[0,n]的整数，随机拆卸权重取值范围为(0,1)。
步骤2.1：初始个体生成：
随机生成初始的再生方案个体和元器件的随机拆卸权重个体，随机分配一个再生方案给每个元器件，对每个元器件分配一个(0,1)之间的实数作为该元器件的随机拆卸权重；
一个元器件的再生方案分为：再制造或再利用、不可再制造或再利用两种；
步骤2.2：再生方案的约束处理：
遍历各元器件的再生方案，令有毒元器件的再生方案为再制造或再利用，以满足必拆的需求；检查电路板上元器件再生率，若不满足最小再生率阈值Rp，则增加再制造或再利用元器件的比例，直到满足该阈值Rp；
步骤2.3：基于目标逆向递推法生成必拆元器件集合Sf：
令初始必拆元器件集合Sf为空，先将再生方案为再制造或再利用的元器件标号i加入到Sf中，然后依次遍历Sf中的每个元器件，若该元器件的前驱元器件不在Sf中，则将该元器件的前驱元器件加入Sf，最终找到所有必须拆卸的元器件集合Sf；
步骤2.4：生成可行元器件拆卸序列：
针对必拆元器件集合Sf中的所有元器件，分析得到这些元器件的拆卸优先约束关系矩阵MP，遍历Sf，求得其中各元器件j的前驱元器件之和Fdj，并将Fdj与元器件j的随机拆卸权重相加得其综合权重，进而，根据综合权重，对Sf中元器件进行升序排序，则得到可行元器件拆卸序列及其对应的元器件最优拆卸路径，进而根据解焊温度、元器件焊接方式(贴片式、直插式)、元器件管脚数量、元器件管脚直径等因素得到基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序。在同一解焊温度下，直插式、管脚数量越多、管脚直径越大，加热时长越长。
例如，得到可行元器件拆卸序列[1、2、3…]，对应元器件最优拆卸路径为[变压器、电解电容1、电池…]。
同时控制系统启动加热解焊模块7对电路板进行预热，温度由常温升高至150摄氏度；
步骤3：根据最优拆卸路径和基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序，加热解焊模块7通过电磁阀控制密排喷嘴中高温空气的通断时间，错时精准控制相应元器件的加热温度和时间，使元器件管脚上焊锡达到熔焊点温度；
实施例中，基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序如图3所示。解焊元器件1需要加热7个时段，解焊元器件2需要加热4个时段。
根据最优拆卸路径及基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序，加热解焊模块7通过电磁阀控制密排喷嘴中高温空气的通断时间，开始加热元器件1的管脚，在加热2个时段后，错时定点加热元器件2的管脚，通过错时精准控制相应元器件的加热温度和时间，使元器件管脚的焊锡达到熔焊点温度。四轴机器人4控制元器件夹爪2抓取元器件，根据元器件类型，将元器件放置到相应的元器件输送机构8，完成元器件的无损分离。
步骤4：四轴机器人4控制元器件夹爪2抓取元器件，根据元器件类型，将元器件放置到相应的元器件输送机构8，完成元器件的无损拆卸，具体实施时，所述夹持控制块根据拆卸元器件管脚倾斜、数量等情况，动态调整元器件夹爪2的加持力和夹持角度，实现电路板上元器件快速、无损、环保拆卸。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电路板元器件错时定点加热解焊装置，包括控制系统、工位台面（1）、元器件夹爪（2）、携带CCD相机的夹持控制块（3）、四轴机器人（4）、加热解焊模块（7）、元器件输送机构（8）和机器人立柱（6），其特征在于：
所述加热解焊模块（7）、元器件输送机构（8）和机器人立柱（6）固定于工位台面（1）上；
所述元器件夹爪（2）、携带CCD相机的夹持控制块（3）固定在四轴机器人（4）上，所述四轴机器人（4）设于机器人立柱（6）上；
所述控制系统调度元器件夹爪（2）、携带CCD相机的夹持控制块（3）、四轴机器人（4）、加热解焊模块（7）和元器件输送机构（8），完成元器件无损拆卸；
所述携带CCD相机的夹持控制块（3），用于对加热解焊模块（7）上的电路板进行拍照，获取电路板图像；
所述控制系统设有电路板模板库，并可动态更新，控制系统根据电路板图像信息，在电路板模板库中找到对应电路板模型，通过综合考虑质量状态、再生方案和电路板结构，确定所有需要拆卸的元器件，形成最小拆卸元器件的集合；通过遍历电路板拓扑图生成满足拆卸优先关系约束的可行元器件拆卸序列，生成最优拆卸路径和基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序；
所述加热解焊模块（7），用于根据最优拆卸路径和基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序，对电路板上元器件进行错时定点加热解焊；
所述加热解焊模块（7）包括电磁阀、密排喷嘴和温度传感器；所述密排喷嘴呈矩阵形态，均匀分布于电路板下面；所述电磁阀控制密排喷嘴中高温空气的通断，对元器件管脚进行加热；所述温度传感器检测解焊温度，实现温度闭环控制；
所述四轴机器人（4），用于控制元器件夹爪（2）抓取拆卸出的电路板元器件，并根据元器件类型，将元器件放置到相应的元器件输送机构（8）。
2.根据权利要求1所述的一种电路板元器件错时定点加热解焊装置，其特征在于：
所述加热解焊模块（7），根据最优拆卸路径和基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序，通过电磁阀控制其密排喷嘴中高温空气的通断时间，错时控制相应元器件的加热温度和时间，使元器件管脚上焊锡达到熔焊点温度，完成对电路板上元器件的错时定点加热解焊。
3.根据权利要求1所述的一种电路板元器件错时定点加热解焊装置，其特征在于：
所述元器件输送机构（8）根据元器件中有害物质和金属含量，分为多个通道，实现不同元器件分类回收。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种电路板元器件错时定点加热解焊装置的电路板元器件错时定点加热解焊方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
步骤1：当电路板放置到加热解焊模块（7）时，控制系统调动携带CCD相机的夹持控制块（3）对电路板进行拍照，获取电路板图像；
步骤2：控制系统根据电路板图像信息，在电路板模板库中找到对应电路板模型，综合考虑质量状态、再生方案、电路板结构，规划最优拆卸路径，得到基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序；
同时控制系统启动加热解焊模块（7）对电路板进行预热；
步骤3：根据最优拆卸路径和基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序，加热解焊模块（7）通过电磁阀控制密排喷嘴中高温空气的通断时间，错时精准控制相应元器件的加热温度和时间，使元器件管脚上焊锡达到熔焊点温度；
步骤4：四轴机器人（4）控制元器件夹爪（2）抓取元器件，根据元器件类型，将元器件放置到相应的元器件输送机构（8），完成元器件的无损拆卸。
5.根据权利要求4所述的一种电路板元器件错时定点加热解焊方法，其特征在于：
步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：初始个体生成：
随机生成初始的再生方案个体和元器件的随机拆卸权重个体，随机分配一个再生方案给每个元器件，对每个元器件分配一个（0,1）之间的实数作为该元器件的随机拆卸权重；
一个元器件的再生方案分为：再制造或再利用、不可再制造或再利用两种；
步骤2.2：再生方案的约束处理：
遍历各元器件的再生方案，令有毒元器件的再生方案为再制造或再利用，以满足必拆的需求；检查电路板上元器件再生率，若不满足最小再生率阈值Rp，则增加再制造或再利用元器件的比例，直到满足该阈值Rp；
步骤2.3：基于目标逆向递推法生成必拆元器件集合S f ：
令初始必拆元器件集合S f 为空，先将再生方案为再制造或再利用的元器件标号i加入到S f 中，然后依次遍历S f 中的每个元器件，若该元器件的前驱元器件不在S f 中，则将该元器件的前驱元器件加入S f ，最终找到所有必须拆卸的元器件集合S f ；
步骤2.4：生成可行元器件拆卸序列：
针对必拆元器件集合S f 中的所有元器件，分析得到这些元器件的拆卸优先约束关系矩阵MP，遍历S f ，求得其中各元器件j的前驱元器件之和Fd j ，并将Fdj与元器件j的随机拆卸权重相加得其综合权重，进而，根据综合权重，对S f 中元器件进行升序排序，则得到可行元器件拆卸序列及其对应的元器件最优拆卸路径，进而根据解焊温度、元器件焊接方式、元器件管脚数量和元器件管脚直径确定基于拆卸路径规划的元器件错时定点加热控制时序；
其中，。
6.根据权利要求4所述的一种电路板元器件错时定点加热解焊方法，其特征在于：
步骤4中，所述夹持控制块根据拆卸元器件管脚倾斜和数量，动态调整元器件夹爪（2）的加持力和夹持角度，实现电路板上元器件快速、无损、环保拆卸。
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