一種智能手機(jī)后蓋的拆解實(shí)驗(yàn)裝備設(shè)計(jì)及仿真研究

王瑞東

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

1 引言

智能手機(jī)為人們的生活提供了極大的便利，據(jù)工信部統(tǒng)計(jì)，手機(jī)用戶數(shù)量已經(jīng)超過15.3億，每年產(chǎn)生的淘汰手機(jī)數(shù)量超過4.5億部[1]。無論是智能手機(jī)使用過程中內(nèi)部器件的維修和更換，還是廢舊手機(jī)的拆解回收分類處理，都必不可少要對(duì)手機(jī)進(jìn)行拆解。目前，國內(nèi)手機(jī)拆解領(lǐng)域基本上是人工拆解。國外蘋果公司研發(fā)的拆解機(jī)器人Liam和Daisy僅可以拆解蘋果品牌手機(jī)。面對(duì)市場(chǎng)上機(jī)型復(fù)雜的情況，并不能實(shí)現(xiàn)有效的拆解效果。

手機(jī)拆解的第一步就是進(jìn)行手機(jī)后蓋拆解，手機(jī)后蓋與手機(jī)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(jī)防水防潮功能的不斷優(yōu)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(shè)計(jì)了一種針對(duì)于背膠型固定的手機(jī)后蓋且基于STC89C52RC單片機(jī)的智能拆解實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及拆解過程研究

前期階段，針對(duì)智能手機(jī)拆解情況進(jìn)行調(diào)研，了解手機(jī)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(gòu)想功能模塊，確定整體設(shè)計(jì)思路。將工藝流程進(jìn)行拆分，細(xì)化各個(gè)拆解工序，確定詳細(xì)工藝參數(shù)。最后，優(yōu)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(dòng)夾爪1將手機(jī)夾緊在底座。給定加熱溫度，加熱板6預(yù)熱。加熱過程中溫度實(shí)時(shí)顯示，加熱到給定溫度后，提醒加熱完成。此時(shí)，加熱板機(jī)械手7在電機(jī)帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，加熱板6與手機(jī)后蓋貼合。加熱板6定時(shí)加熱，加熱完成后回到初始位置。電機(jī)推桿5將頂部耐高溫吸盤4與手機(jī)后蓋吸附，吸附完成后電機(jī)反轉(zhuǎn)，耐高溫吸盤4帶動(dòng)手機(jī)后蓋上拉，完成拆解過程。裝置原理如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備按照“分步實(shí)現(xiàn)，最優(yōu)整合”的思路。對(duì)加熱方式、受熱效果和粘結(jié)介質(zhì)的粘性分析進(jìn)行工藝選擇和優(yōu)化，確定最佳加熱方式和加熱溫度。對(duì)背膠連接機(jī)殼構(gòu)建“手機(jī)后蓋—粘結(jié)介質(zhì)—機(jī)身結(jié)構(gòu)”的力學(xué)模型，分析粘結(jié)介質(zhì)的臨界能量釋放率和最大等效接觸應(yīng)力，根據(jù)粘結(jié)介質(zhì)性質(zhì)，在ANSYS中建立內(nèi)聚力模型，模擬預(yù)測(cè)粘結(jié)結(jié)構(gòu)的開裂和裂紋擴(kuò)展過程。

圖1 裝置原理圖

圖2 裝置實(shí)物圖

3 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中最主要的芯片是STC89C52RC，該系統(tǒng)大體分為電源模塊、定時(shí)模塊、溫度檢測(cè)模塊、壓力檢測(cè)模塊、開關(guān)與鍵盤模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、輸出模塊等。

3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電動(dòng)夾爪加緊與放松、推桿伸長(zhǎng)、加熱裝置的平移都需要電機(jī)，電機(jī)是裝置運(yùn)動(dòng)的必要部件，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是保證電機(jī)正常工作的控制模塊。單片機(jī)接收對(duì)應(yīng)的控制要求后，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TB6560AHQ輸出控制信息，進(jìn)而達(dá)到準(zhǔn)確的運(yùn)轉(zhuǎn)效果。本裝置采用步進(jìn)電機(jī)控制整個(gè)過程，充分利用步進(jìn)電機(jī)具有良好的位置精度和運(yùn)動(dòng)重復(fù)性，可靠性高，易于控制轉(zhuǎn)速等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 定時(shí)模塊

為保證加熱的時(shí)間，采用單片機(jī)的計(jì)時(shí)功能。內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘電路。時(shí)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(duì)電路的穩(wěn)定性影響較小，單片機(jī)選用30 pF電容[2]。ISP系統(tǒng)引導(dǎo)程序固化在單片機(jī)芯片內(nèi)，程序代碼通過PC端寫入。設(shè)置加熱時(shí)間為20 s，加熱時(shí)間配合LCD1602液晶屏實(shí)時(shí)顯示。

3.3 溫度檢測(cè)模塊

手機(jī)背膠的開始熔化溫度一般為80℃，溫度過高會(huì)產(chǎn)生電池爆炸的危險(xiǎn)，要嚴(yán)格控制加熱板的溫度。DS18B20廣泛應(yīng)用于-55℃～125℃范圍內(nèi)溫度的采集，測(cè)量誤差1℃，完全可以滿足系統(tǒng)要求，DS18B20的3個(gè)引腳接線簡(jiǎn)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(tǒng)。通過與按鍵設(shè)置的值來計(jì)算溫度差值，輸出控制信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換輸送給溫度控制器，調(diào)節(jié)溫度。

3.4 壓力檢測(cè)模塊

拆解過程中需要將手機(jī)固定夾緊，在電動(dòng)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(wěn)定性好、頻率響應(yīng)特性好、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)不受外在壓力時(shí)，電橋?yàn)槠胶鉅顟B(tài)，不輸出電壓；當(dāng)有壓力時(shí)，橋臂電阻值發(fā)生近似于線性的變化，電橋逐步失去平衡。若兩片應(yīng)變片的受力性質(zhì)相同，電橋?qū)吔尤霊?yīng)變片，經(jīng)測(cè)試，其輸出靈敏度比半橋大約增加了一倍[4]。

HX711芯片內(nèi)部集成有放大部分和24位A/D轉(zhuǎn)換部分。信號(hào)放大部分是電阻應(yīng)變壓力傳感器必不可少的部分，而模數(shù)轉(zhuǎn)換是單片機(jī)接收模擬信號(hào)的必要過程。此芯片共有16個(gè)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(guān)與鍵盤模塊

本系統(tǒng)采用的鍵盤為4×4矩陣掃描鍵盤，開關(guān)與鍵盤為系統(tǒng)提供輸入信息，實(shí)現(xiàn)人機(jī)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(dòng)現(xiàn)象，在編程時(shí)，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(shí)電平相同，若相同，則判斷按鍵被按下[6]。開關(guān)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)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(bào)警裝置構(gòu)成了輸出模塊，顯示裝置采用專門顯示符號(hào)、數(shù)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(tǒng)采用同一電源供電。LCD1602最多能夠顯示32個(gè)字符（顯示字符和數(shù)字）[7]，可以將電動(dòng)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(shí)現(xiàn)人機(jī)信息交互的重要裝置，具有體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)。蜂鳴器報(bào)警裝置會(huì)在拆解完成和電機(jī)未正常工作時(shí)及時(shí)報(bào)警，提醒用戶。

3.7 電源模塊

MCS-51為STC89C52RC的內(nèi)核，其穩(wěn)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(jié)11.1 V鋰電池串聯(lián)的供電系統(tǒng)，但單片機(jī)和其他傳感器的工作電壓為+5 V。LM2596型號(hào)的芯片對(duì)電路進(jìn)行降壓，控制電壓轉(zhuǎn)為+5 V。另外在輸出電路中加入一個(gè)二極管，方便察看電路工作狀態(tài)[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(tǒng)及仿真分析

手機(jī)電池不能承受高溫，而手機(jī)后蓋與機(jī)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(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，必須要保證加熱溫度，要求提高溫度控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。

4.1 PID控制系統(tǒng)

PID算法具有控制原理簡(jiǎn)單且效果較好的優(yōu)點(diǎn)，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(shù)；TI—積分時(shí)間；TD—微分時(shí)間。

由式（1）可得控制規(guī)律的傳遞函數(shù)：

將信號(hào)采集之后，根據(jù)偏差值來進(jìn)行計(jì)算，對(duì)控制算法式（1）離散化[10]，可得：

可以看出本系統(tǒng)中的數(shù)字量經(jīng)過算法系統(tǒng)的離散化，轉(zhuǎn)變成數(shù)字PID控制[11]，加熱板溫度控制系統(tǒng)以PID控制算法為基礎(chǔ)，采用控制更準(zhǔn)確的變參數(shù)PID控制。

4.2 變參數(shù)PID控制

傳統(tǒng)PID控制會(huì)受到控制系統(tǒng)的干擾，并有一定的滯后性，導(dǎo)致溫度控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性受到影響。變量PID采用時(shí)變函數(shù)來解決這一問題。

變量PID控制器的參數(shù)與系統(tǒng)偏差過程變量進(jìn)行調(diào)整。e為偏差，在|e|較大的情況下，比例放大系數(shù)Kp取較大值，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；積分常量Ki取較小值，以避免系統(tǒng)積分飽和；微分常量Kd取較小值，以便系統(tǒng)能夠快速對(duì)干擾做出反應(yīng)。為了消除捕捉系統(tǒng)的擾動(dòng)，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(shù)。

若先用微積分計(jì)算誤差e，再用微積分計(jì)算上一步的結(jié)果，那么就變成變參數(shù)控制器，公式為：

我們對(duì)誤差與權(quán)重的積采用微積分的方法，圖5為變參數(shù)PID控制器結(jié)構(gòu)圖。

圖5 變參數(shù)PID控制器結(jié)構(gòu)圖

可以看出，偏差的絕對(duì)值函數(shù)構(gòu)成了控制器的增益。該控制器的調(diào)節(jié)效果要取決于控制器參數(shù)的變化規(guī)律，相比于其他的定值跟蹤效果，輸入階躍信號(hào)的變參數(shù)PID系統(tǒng)效果更好，采取如下方法：

由公式可以推得，先設(shè)定好參數(shù)的可調(diào)變化范圍，用相對(duì)偏差值代替決定偏差，可以提高溫度控制系統(tǒng)的控制效果。變參數(shù)PID控制的加熱板溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 變參數(shù)PID控制的加熱板溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.3 加熱效果仿真分析

考慮到手機(jī)加熱的性能要求，以及實(shí)驗(yàn)裝置的可靠性和穩(wěn)定性，選擇電加熱絲為加熱原件的電加熱板。加熱板整體結(jié)構(gòu)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(jìn)行有限元分析[13]，首先利用SolidWorks進(jìn)行建模工作，將模型導(dǎo)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(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析整個(gè)熱板上表面溫度場(chǎng)分布，進(jìn)行有限元分析處理。在ANSYS Workbench中選擇Steady-State Thermal（穩(wěn)態(tài)熱分析模塊），添加元件的材料特性。進(jìn)行網(wǎng)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(shè)置Element size為5 mm，如圖7所示。

圖7 劃分網(wǎng)格后的加熱板模型

設(shè)置加熱板Steady-State Thermal的溫度條件和參數(shù)，通過Solve求解得到加熱板溫度分布圖和手機(jī)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(jī)后蓋加熱后溫度為89℃到90℃之間，可以滿足手機(jī)后蓋加熱工作需求。

圖8 加熱板溫度分布圖和手機(jī)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化結(jié)束后電動(dòng)夾爪開始工作，壓力檢測(cè)模塊將接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳遞給單片機(jī)后，夾緊狀態(tài)在LCD1602液晶屏上顯示；加熱板開始預(yù)熱，當(dāng)溫度檢測(cè)模塊檢測(cè)到加熱板溫度達(dá)到按鍵設(shè)定值時(shí)，停止加熱，進(jìn)入保溫階段；加熱板向手機(jī)后蓋位置靠近，直至覆蓋到手機(jī)后蓋上；加熱到設(shè)定時(shí)間后，加熱板關(guān)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(jī)后蓋，直至吸盤吸附到手機(jī)后蓋上；推桿電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)耐高溫吸盤上拉，手機(jī)后蓋與機(jī)體分離，報(bào)警蜂鳴器開始工作，提醒拆解完成，“拆解完成”出現(xiàn)在屏幕上。在加熱期間，本設(shè)備還用到定時(shí)器中斷功能，保持每隔一段時(shí)間對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，即溫度檢測(cè)模塊。

圖9 主程序流程圖

5.1 基于內(nèi)聚力模型的仿真分析

首先定義手機(jī)后蓋和膠層連接處機(jī)身材料的屬性，然后選擇Cohesive Zone里面的Fracture-Energies based Debonding，設(shè)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(shè)置完成，導(dǎo)入手機(jī)模型，模型為手機(jī)后蓋和機(jī)身的裝配體。根據(jù)吸盤位置在手機(jī)后蓋上做出受力區(qū)域，對(duì)比兩個(gè)不同吸附位置的拉拽效果將模型的材料進(jìn)行設(shè)置。吸盤位置圖如圖10所示。

圖10 吸盤位置圖

ANSYS Workbench可以自動(dòng)檢測(cè)接觸，設(shè)置手機(jī)后蓋與機(jī)身的接觸，基于接觸對(duì)的內(nèi)聚力模型，采用綁定接觸模式結(jié)合增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)膠層失效模擬。劃分網(wǎng)格后完成有限元模型建立工作。設(shè)置靜力學(xué)分析的分析設(shè)置和各種約束，通過Solve求解得到兩個(gè)位置的總體變形云圖，如圖11所示。

圖11 兩個(gè)位置的總體變形云圖

通過對(duì)比位置1與位置2，因?yàn)槲P放置位置不同，所以造成受力形變等位置區(qū)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(chǎn)生的總形變量大，能夠產(chǎn)生更好的拉拽效果。

5.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用高鐵檢測(cè)設(shè)備AI-7000系列伺服控制電腦系統(tǒng)拉力試驗(yàn)機(jī)，對(duì)拉拽實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)機(jī)型為榮耀6手機(jī)。設(shè)置測(cè)試方法，包括拉力加載、拉伸速度和回程時(shí)間等參數(shù)，對(duì)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(shí)際拆解的情況下，在位置2區(qū)域放置吸盤，能更好的實(shí)現(xiàn)后蓋拆解工作。兩個(gè)位置的拉力-位移曲線如圖12所示。

5.3 拆解結(jié)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(duì)象進(jìn)行拆解，其中前三款手機(jī)為背膠連接手機(jī)，小米4是卡扣連接型手機(jī)，可省去加熱環(huán)節(jié)單獨(dú)拆解。拆解實(shí)驗(yàn)中將加熱板溫度設(shè)置為80℃，加熱時(shí)長(zhǎng)為20 s進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，該裝置能夠達(dá)到80%以上的拆解成功率。小米4雖然為卡扣連接機(jī)型，但由于該機(jī)型卡扣連接力比較小，采用該裝置也能夠?qū)崿F(xiàn)很好的拆解效果。對(duì)拆解結(jié)果進(jìn)行分析，拆解率最低的機(jī)型華為Ascend P7，其背膠的粘性在拆解所有機(jī)型中最強(qiáng)，在設(shè)置的加熱條件下并不能產(chǎn)生很好的背膠融化效果。因此，改變加熱條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖13所示。

圖12 兩個(gè)位置的拉力-位移曲線

圖13 不同條件下實(shí)驗(yàn)手機(jī)型號(hào)拆解成功率

將加熱溫度85℃，加熱時(shí)間25 s作為溫度條件1；加熱板溫度90℃，時(shí)長(zhǎng)30 s作為溫度條件2；其他參數(shù)不變，進(jìn)行拆解實(shí)驗(yàn)。從圖13可得，對(duì)于背膠粘性較大的手機(jī)，可以適當(dāng)調(diào)整加熱板溫度和加熱時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低背膠粘性的效果。另外，吸盤性質(zhì)對(duì)后蓋拆解效果也有一定的影響，適當(dāng)增大吸盤直徑或者采用不同材質(zhì)吸盤可增大吸盤的吸附力。

6 結(jié)語

本設(shè)計(jì)是基于STC89C52RC單片機(jī)的智能拆解設(shè)備，運(yùn)用多傳感器和芯片對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行完善。變參數(shù)PID算法的使用提高了溫度控制的抗干擾性和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度高效、穩(wěn)定的控制。整體裝置有很強(qiáng)的實(shí)用性，能夠快速完整拆解手機(jī)后蓋，在手機(jī)維修和回收利用行業(yè)有廣闊的應(yīng)用前景。