自動拆卸電路板電子元件裝置的設計

何 毅，易榮華，諶 書，張慶輝

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

（1. 西南科技大學 信息工程學院，綿陽 621010；2. 中鐵五新路橋設備有限公司，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，為減輕環境壓力，提高資源的再利用率，實現電子廢棄物的高效回收和再資源化，因此，MD元件和THD元件應采取分別拆除。SMD元件的回收價值較高、數量少，可以采用熱風加熱手工拆除方式來回收，THD元件的回收價值較低且數量多，應采用同步拆除技術，以實現該類元件的高效拆除，因此需要專門的拆除設備。下面設計一種新型的適合THD元件自動拆除的裝置。

1 方案設計

傳統電路板電子元件拆卸方案主要采用螺旋拆卸裝置，該方案運用螺旋刀具，對經加熱處理后的廢棄印刷電路板進行元件拆卸。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滾作用下，電路板從上向下進入拆卸裝置；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：通過式連續加熱爐電子元件自動化拆卸裝置，其設計結構如圖2所示。裝置主要由自動入料機構、傳輸機構（帶夾具）、通過式連續加熱爐、沖擊機構以及基板與電子元件的出料口等部分組成。

圖2 拆卸裝置結構圖

自動入料機構主要負責廢棄電路板的臨時存儲，并為夾具輸送電路板。帶有夾具的傳輸機構是拆卸裝置的紐帶，主要負責廢棄電路板的輸送。連續加熱爐主要負責對廢棄電路板的加熱使焊錫熔化，并保證在沖擊裝置作用時焊錫仍然是熔化狀態。

該設備的工作原理：當位于傳送裝置上的夾具運至自動入料機構處時，入料機構將廢棄電路板送入夾具中，當傳送鏈上的夾具從自動入料機構中獲得廢棄電路板后，漸漸運至加熱爐中，然后依次通過加熱爐的預熱區和加熱區后，焊錫逐漸熔化，當運至加熱爐最后均熱區時，此處設計的多級沖擊振動機構，對廢棄電路板進行沖擊振動作用，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的收集裝置中。夾具載著不含元件的基板駛出加熱爐，到達一定位置時基板自行從夾具中滑出，掉落入專門的收集裝置中。然后空載的夾具隨傳送鏈再次駛往自動入料機構處，完成一次拆卸周期。

2 自動拆卸裝置結構設計

2.1 自動入料機構設計

自動入料機構主要由滑槽、擋板以及推送機構組成，其結構如圖3所示。

圖3 自動入料機構

擋板位于滑槽的下端，能沿位于與滑槽交線的軸作90度轉動，并在轉動軸與擋板間安裝有專門扭簧，使擋板在不受外力作用時自動恢復到起始位置。推送機構位于滑槽的背面，主要完成推送功能，執行機構末端面與滑槽槽面同面，其原動件位于擋板的正下方，當擋板在夾具作用下轉動到該位置時，便會觸碰該件使其轉動一定角度，隨即完成推送動作，該機構的作用就是當擋板轉動，廢棄電路板下滑時給廢棄電路板中上部一個水平推力，使其能更好地滑入豎直（此時狀態）的鏈上夾具。

自動入料機構的工作過程：廢棄電路板經傳送帶傳送到末端時，自動掉入入料結構的滑槽，滑至擋板處停下，待夾具隨傳送鏈運動到擋板處時，推動擋板轉動，當轉動到一定角度時，擋板觸發推送機構，推送機構將沿與滑槽垂直的方向將廢棄電路板伸起，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。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 傳動機構及夾具設計

傳動機構及夾具是自動拆卸裝置設計的關鍵，直接影響到能否完成拆卸裝置的設計。考慮到要完成自動拆卸，必須有一個循環運送廢棄電路板的裝置，再加上廢棄電路板的進出料考慮，故采用并式雙鏈傳動設計，并在傳動鏈上設計加裝專門的夾具。并式雙鏈結構同時同速運行，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施。鏈輪設計有兩個大小相同，主軸中心線位于豎直方向同一平面上，這一設計可以增加豎直方向傳動鏈的運行距離，有利于入料動作的完成。

夾具采用模塊化設計，共設計有四段，分別連接在鏈條的四個鏈節上，四個模塊連接組成一端開口，一端封閉的“袋式”夾具，如圖4所示。

圖4 并式傳送裝置結構

整個運行鏈在左邊主動輪的帶動下，沿逆時針方向運行，當夾具隨鏈條運行到左邊的兩主動輪之間時，此時，夾具“開口”朝上，入料動作在這一過程中完成。當夾具隨鏈條運行到右邊鏈輪時，此時夾具封閉端在前，開口端在后，當運行一定時間后夾具前后端形成一定的傾角（封閉端在上，開口端朝下）。此時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過特殊處理能耐熱的，為配合入料過程和沖擊振動作用，傳送鏈的速度設計成可調。

2.3 通過式連續加熱爐設計

通過式連續加熱爐的作用主要是提供熱量給廢棄電路板,當廢棄電路板達到焊錫熔化溫度（218oC-230oC）時，此時元件與基板的連接強度降低，為下一步的沖擊拆卸打下基礎。該爐有三個區（段）組成，從進料口到出料口依次是預熱區、加熱區、均熱區。預熱區爐溫較低是進料端口，主要利用爐氣熱量，提高加熱爐的熱效率以及防止個別元器件由于溫度突然升高而受損。加熱區為主要供熱段，溫度較高以實現快速加熱，焊錫在該區逐漸熔化。均熱區位于出料端，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，以保證在沖擊時焊錫仍為熔化狀態。

2.4 沖擊機構設計

沖擊機構安裝在通過式連續加熱爐的末端（如圖5所示），它的作用是給焊錫熔化后的廢棄電路板一個縱向的沖擊振動作用，使元件與基板分離。該沖擊機構采用凸輪機構設計，即采用一個凸輪和一個直動從動件的設計。由于廢棄電路板運動方向是水平（橫向），而沖擊作用方向是豎直（縱向）的，所以為防止當廢棄電路板給沖擊直動件一個水平力而損壞沖擊件，所以在沖擊件上端設計了一個可以緩沖其沖擊作用的裝置，該裝置能繞軸在順時針90°范圍內旋轉，當廢棄電路板左端面碰到沖擊件時，它就會向順時針方向轉動避讓沖擊，不致于二者發生硬性碰撞而損壞沖擊機構。

圖5 拆除沖擊結構

3 拆卸實驗

將SMD元件拆除后，對剩余THD元件進行同步拆除實驗。在廢棄電路板經過加熱爐的預熱區和加熱區，元件上的焊錫得到充分熔化，此時電路板進入均熱區，置于振動裝置上，用不同的振幅和頻率作用記錄每次實驗的元件拆除率，對同一條件下的多次實驗取平均值，可得到如圖6所示的實驗結果。

從圖6可知，在同一振動頻率時，隨著沖擊裝置振幅增大，所產生的振動力也增大，元件的拆除率隨之提高，當振幅達到5mm時，元件拆除率較好，且元件基本無損傷，效果最好。另外，在同一振幅時，元件拆除率與振動頻率也存在很大關系，隨著沖擊裝置振動頻率的增大，元件的拆除率也會增大，從圖6中可以看出，當頻率大于15Hz后，拆除率趨于穩定，達到90%以上。因此，沖擊機構設備制造可以振幅5mm、頻率15Hz為設計依據，此時元件的拆除效果比較理想。

圖6 THD電子元件同步拆除率

4 結束語

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程進行機械剝脫分離，并未考慮到拆卸過程中，焊錫在加熱熔化后，如果不能保持溫度，焊錫又會重新凝固，所以在螺旋拆卸裝置工作時，電子元件與基板的連接強度并未降低，那么此時對電子元件進行螺旋刀具的剪切、擠壓等作用并不能達到理想的拆卸效果，而且還可能對元件產生重大損壞，電路板上的貼裝元件更是不適合這種拆卸方式。

本文設計的帶有通過式連續加熱爐的自動拆卸設備設計是一種全新的創新設計，其特點是將拆卸裝置和加熱裝置巧妙的結合，利用帶有夾具傳送裝置和自動入料裝置實現自動入料、自動拆卸、自動出料的功能。該設計為廢棄電子器件的回收提供了一種高效、環保的電子元件拆卸裝置，具有一定的社會效益和經濟效益。

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