一種智能手機后蓋的拆解實驗裝備設計及仿真研究

王瑞東

青島科技大學機電工程學院 山東青島 266061

1 引言

智能手機為人們的生活提供了極大的便利，據工信部統計，手機用戶數量已經超過15.3億，每年產生的淘汰手機數量超過4.5億部[1]。無論是智能手機使用過程中內部器件的維修和更換，還是廢舊手機的拆解回收分類處理，都必不可少要對手機進行拆解。目前，國內手機拆解領域基本上是人工拆解。國外蘋果公司研發的拆解機器人Liam和Daisy僅可以拆解蘋果品牌手機。面對市場上機型復雜的情況，并不能實現有效的拆解效果。

手機拆解的第一步就是進行手機后蓋拆解，手機后蓋與手機的連接方式目前主要有背膠連接和卡扣連接兩種方式。目前，手機防水防潮功能的不斷優化，離不開背膠的密封作用，背膠連接成為后蓋固定的主要方式。本文設計了一種針對于背膠型固定的手機后蓋且基于STC89C52RC單片機的智能拆解實驗設備。

2 裝置結構設計及拆解過程研究

前期階段，針對智能手機拆解情況進行調研，了解手機拆解的一般過程以及拆解工具。提出后蓋拆解的工藝流程，構想功能模塊，確定整體設計思路。將工藝流程進行拆分，細化各個拆解工序，確定詳細工藝參數。最后，優化拆解工藝，深入探討各工序可行性。

裝置的主要工作原理為：通過電動夾爪1將手機夾緊在底座。給定加熱溫度，加熱板6預熱。加熱過程中溫度實時顯示，加熱到給定溫度后，提醒加熱完成。此時，加熱板機械手7在電機帶動下運動，加熱板6與手機后蓋貼合。加熱板6定時加熱，加熱完成后回到初始位置。電機推桿5將頂部耐高溫吸盤4與手機后蓋吸附，吸附完成后電機反轉，耐高溫吸盤4帶動手機后蓋上拉，完成拆解過程。裝置原理如圖1所示，實物圖如圖2所示。

實驗設備按照“分步實現，最優整合”的思路。對加熱方式、受熱效果和粘結介質的粘性分析進行工藝選擇和優化，確定最佳加熱方式和加熱溫度。對背膠連接機殼構建“手機后蓋—粘結介質—機身結構”的力學模型，分析粘結介質的臨界能量釋放率和最大等效接觸應力，根據粘結介質性質，在ANSYS中建立內聚力模型，模擬預測粘結結構的開裂和裂紋擴展過程。

圖1 裝置原理圖

圖2 裝置實物圖

3 系統總體方案的設計

本設計中最主要的芯片是STC89C52RC，該系統大體分為電源模塊、定時模塊、溫度檢測模塊、壓力檢測模塊、開關與鍵盤模塊、電機驅動模塊、輸出模塊等。

3.1 電機驅動模塊

電動夾爪加緊與放松、推桿伸長、加熱裝置的平移都需要電機，電機是裝置運動的必要部件，而電機驅動模塊是保證電機正常工作的控制模塊。單片機接收對應的控制要求后，由步進電機驅動芯片TB6560AHQ輸出控制信息，進而達到準確的運轉效果。本裝置采用步進電機控制整個過程，充分利用步進電機具有良好的位置精度和運動重復性，可靠性高，易于控制轉速等優點。

3.2 定時模塊

為保證加熱的時間，采用單片機的計時功能。內部時鐘和外部時鐘構成了單片機的時鐘電路。時鐘振蕩頻率一般為1.2 MHz～24 MHz之間，一般選擇11.095 MHz。20 pF～100 pF范圍之間的電容對電路的穩定性影響較小，單片機選用30 pF電容[2]。ISP系統引導程序固化在單片機芯片內，程序代碼通過PC端寫入。設置加熱時間為20 s，加熱時間配合LCD1602液晶屏實時顯示。

3.3 溫度檢測模塊

手機背膠的開始熔化溫度一般為80℃，溫度過高會產生電池爆炸的危險，要嚴格控制加熱板的溫度。DS18B20廣泛應用于-55℃～125℃范圍內溫度的采集，測量誤差1℃，完全可以滿足系統要求，DS18B20的3個引腳接線簡單[3]，電路圖如圖3所示。

圖3 DS18B20電路圖

DS18B20采集到加熱板的溫度信息，送到STC89C52RC控制系統。通過與按鍵設置的值來計算溫度差值，輸出控制信號通過D/A轉換輸送給溫度控制器，調節溫度。

3.4 壓力檢測模塊

拆解過程中需要將手機固定夾緊，在電動夾爪上安裝使用HL-8型電阻全橋式傳感器，可以將夾緊和吸附的情況反映出來。采用此類傳感器的原因是其具有精度高、穩定性好、頻率響應特性好、價格便宜等優點。當不受外在壓力時，電橋為平衡狀態，不輸出電壓；當有壓力時，橋臂電阻值發生近似于線性的變化，電橋逐步失去平衡。若兩片應變片的受力性質相同，電橋對邊接入應變片，經測試，其輸出靈敏度比半橋大約增加了一倍[4]。

HX711芯片內部集成有放大部分和24位A/D轉換部分。信號放大部分是電阻應變壓力傳感器必不可少的部分，而模數轉換是單片機接收模擬信號的必要過程。此芯片共有16個引腳，2.6 V～5.5 V為芯片工作電壓，電流一般小于1.6 mA[5]，功耗低。

3.5 開關與鍵盤模塊

本系統采用的鍵盤為4×4矩陣掃描鍵盤，開關與鍵盤為系統提供輸入信息，實現人機交互。矩陣鍵很好地解決了按鍵較多占用I/O口資源問題。另外，為了解決按鍵抖動現象，在編程時，采用10 ms延遲的方法。電路開始工作后，判斷電平是否與閉合時電平相同，若相同，則判斷按鍵被按下[6]。開關控制電機正反轉，進而帶動推桿頂端耐高溫吸盤完成上下平移。

3.6 輸出模塊

顯示裝置和報警裝置構成了輸出模塊，顯示裝置采用專門顯示符號、數字、字母等的LCD1602液晶顯示器件，4.5 V～5.5 V為顯示裝置的正常工作電壓，與控制系統采用同一電源供電。LCD1602最多能夠顯示32個字符（顯示字符和數字）[7]，可以將電動夾爪的夾緊情況、加熱情況以及加熱溫度等信息反映到液晶屏上，是實現人機信息交互的重要裝置，具有體積小、質量輕的優點。蜂鳴器報警裝置會在拆解完成和電機未正常工作時及時報警，提醒用戶。

3.7 電源模塊

MCS-51為STC89C52RC的內核，其穩定工作電壓范圍為3.8 V～5.5 V，為使用者提供了極大的方便。

采用兩節11.1 V鋰電池串聯的供電系統，但單片機和其他傳感器的工作電壓為+5 V。LM2596型號的芯片對電路進行降壓，控制電壓轉為+5 V。另外在輸出電路中加入一個二極管，方便察看電路工作狀態[8]，電路原理圖如圖4所示。

圖4 電源電路圖

4 溫度控制系統及仿真分析

手機電池不能承受高溫，而手機后蓋與機體的連接為背膠連接，直接拆解并不能起到很好的拆解效果。為保證拆解過程的安全，以及背膠轉變為熔融狀態，必須要保證加熱溫度，要求提高溫度控制系統的準確度。

4.1 PID控制系統

PID算法具有控制原理簡單且效果較好的優點，控制過程中偏差e通過PID控制器處理，輸出控制量u：

式中，Kp—比例放大系數；TI—積分時間；TD—微分時間。

由式（1）可得控制規律的傳遞函數：

將信號采集之后，根據偏差值來進行計算，對控制算法式（1）離散化[10]，可得：

可以看出本系統中的數字量經過算法系統的離散化，轉變成數字PID控制[11]，加熱板溫度控制系統以PID控制算法為基礎，采用控制更準確的變參數PID控制。

4.2 變參數PID控制

傳統PID控制會受到控制系統的干擾，并有一定的滯后性，導致溫度控制系統的準確性受到影響。變量PID采用時變函數來解決這一問題。

變量PID控制器的參數與系統偏差過程變量進行調整。e為偏差，在|e|較大的情況下，比例放大系數Kp取較大值，以保證系統的穩定性；積分常量Ki取較小值，以避免系統積分飽和；微分常量Kd取較小值，以便系統能夠快速對干擾做出反應。為了消除捕捉系統的擾動，降低其帶來的誤差[12]，則有：

其中，Kp0、Ki0、Kd0為初始P、I、D的值，Kp'、Ki'、Kd'為修正系數。

若先用微積分計算誤差e，再用微積分計算上一步的結果，那么就變成變參數控制器，公式為：

我們對誤差與權重的積采用微積分的方法，圖5為變參數PID控制器結構圖。

圖5 變參數PID控制器結構圖

可以看出，偏差的絕對值函數構成了控制器的增益。該控制器的調節效果要取決于控制器參數的變化規律，相比于其他的定值跟蹤效果，輸入階躍信號的變參數PID系統效果更好，采取如下方法：

由公式可以推得，先設定好參數的可調變化范圍，用相對偏差值代替決定偏差，可以提高溫度控制系統的控制效果。變參數PID控制的加熱板溫度控制系統結構圖如圖6所示。

圖6 變參數PID控制的加熱板溫度控制系統結構圖

4.3 加熱效果仿真分析

考慮到手機加熱的性能要求，以及實驗裝置的可靠性和穩定性，選擇電加熱絲為加熱原件的電加熱板。加熱板整體結構由三部分組成，加熱元件電阻絲、電阻絲包裹的鋁合金材料、不銹鋼工作面。

利用ANSYS進行有限元分析[13]，首先利用SolidWorks進行建模工作，將模型導入ANSYS Workbench，定義加熱材料的屬性，定義邊界條件和初始條件4，然后進行穩態熱分析整個熱板上表面溫度場分布，進行有限元分析處理。在ANSYS Workbench中選擇Steady-State Thermal（穩態熱分析模塊），添加元件的材料特性。進行網格劃分是有限元分析中必不可少的步驟，由于加熱板尺寸及加熱絲形狀，設置Element size為5 mm，如圖7所示。

圖7 劃分網格后的加熱板模型

設置加熱板Steady-State Thermal的溫度條件和參數，通過Solve求解得到加熱板溫度分布圖和手機后蓋溫度分布圖。

如圖8可得加熱板最大溫度為90.098℃，最小溫度為88.587℃，溫差最大約為1.51℃，手機后蓋加熱后溫度為89℃到90℃之間，可以滿足手機后蓋加熱工作需求。

圖8 加熱板溫度分布圖和手機后蓋溫度分布圖

5 拆解過程研究

如圖9為主程序流程圖。首先，對系統進行初始化，初始化結束后電動夾爪開始工作，壓力檢測模塊將接收的數據經過模數轉換傳遞給單片機后，夾緊狀態在LCD1602液晶屏上顯示；加熱板開始預熱，當溫度檢測模塊檢測到加熱板溫度達到按鍵設定值時，停止加熱，進入保溫階段；加熱板向手機后蓋位置靠近，直至覆蓋到手機后蓋上；加熱到設定時間后，加熱板關閉加熱并回到原位，在液晶屏顯示“加熱完成”。推桿開始工作，耐高溫吸盤不斷靠近手機后蓋，直至吸盤吸附到手機后蓋上；推桿電機反轉，帶動耐高溫吸盤上拉，手機后蓋與機體分離，報警蜂鳴器開始工作，提醒拆解完成，“拆解完成”出現在屏幕上。在加熱期間，本設備還用到定時器中斷功能，保持每隔一段時間對溫度進行檢測，即溫度檢測模塊。

圖9 主程序流程圖

5.1 基于內聚力模型的仿真分析

首先定義手機后蓋和膠層連接處機身材料的屬性，然后選擇Cohesive Zone里面的Fracture-Energies based Debonding，設置膠層材料屬性，采用基于開裂的能量釋放率模型。材料及膠層屬性設置完成，導入手機模型，模型為手機后蓋和機身的裝配體。根據吸盤位置在手機后蓋上做出受力區域，對比兩個不同吸附位置的拉拽效果將模型的材料進行設置。吸盤位置圖如圖10所示。

圖10 吸盤位置圖

ANSYS Workbench可以自動檢測接觸，設置手機后蓋與機身的接觸，基于接觸對的內聚力模型，采用綁定接觸模式結合增強拉格朗日算法，這樣可以滿足在界面失效條件，綁定接觸模式也同步失效，實現膠層失效模擬。劃分網格后完成有限元模型建立工作。設置靜力學分析的分析設置和各種約束，通過Solve求解得到兩個位置的總體變形云圖，如圖11所示。

圖11 兩個位置的總體變形云圖

通過對比位置1與位置2，因為吸盤放置位置不同，所以造成受力形變等位置區域也不同，在施加同樣大小的拉力情況下，位置1得到的最大總形變量為5.58e-5mm，位置2得到的最大總形變量為1.10e-4mm。在同樣拉力和同樣吸盤的情況下，在位置2產生的總形變量大，能夠產生更好的拉拽效果。

5.2 實驗驗證

采用高鐵檢測設備AI-7000系列伺服控制電腦系統拉力試驗機，對拉拽實驗進行驗證，實驗機型為榮耀6手機。設置測試方法，包括拉力加載、拉伸速度和回程時間等參數，對比位置1與位置2拉力位移曲線，可以得到吸盤在位置1吸附拉拽所需的拉力明顯大于位置2的拉力。因此，在實際拆解的情況下，在位置2區域放置吸盤，能更好的實現后蓋拆解工作。兩個位置的拉力-位移曲線如圖12所示。

5.3 拆解結果與分析

選用華為榮耀6、榮耀6 Plus、華為P7和小米4作為拆解對象進行拆解，其中前三款手機為背膠連接手機，小米4是卡扣連接型手機，可省去加熱環節單獨拆解。拆解實驗中將加熱板溫度設置為80℃，加熱時長為20 s進行實驗。

經實驗，該裝置能夠達到80%以上的拆解成功率。小米4雖然為卡扣連接機型，但由于該機型卡扣連接力比較小，采用該裝置也能夠實現很好的拆解效果。對拆解結果進行分析，拆解率最低的機型華為Ascend P7，其背膠的粘性在拆解所有機型中最強，在設置的加熱條件下并不能產生很好的背膠融化效果。因此，改變加熱條件進行實驗，實驗數據如圖13所示。

圖12 兩個位置的拉力-位移曲線

圖13 不同條件下實驗手機型號拆解成功率

將加熱溫度85℃，加熱時間25 s作為溫度條件1；加熱板溫度90℃，時長30 s作為溫度條件2；其他參數不變，進行拆解實驗。從圖13可得，對于背膠粘性較大的手機，可以適當調整加熱板溫度和加熱時長，進而實現降低背膠粘性的效果。另外，吸盤性質對后蓋拆解效果也有一定的影響，適當增大吸盤直徑或者采用不同材質吸盤可增大吸盤的吸附力。

6 結語

本設計是基于STC89C52RC單片機的智能拆解設備，運用多傳感器和芯片對控制系統進行完善。變參數PID算法的使用提高了溫度控制的抗干擾性和準確性，實現對溫度高效、穩定的控制。整體裝置有很強的實用性，能夠快速完整拆解手機后蓋，在手機維修和回收利用行業有廣闊的應用前景。