屠子美,秦琴,竇建方,朱冬冬

(上海第二工業(yè)大學(xué)a.智能制造與控制工程學(xué)院;b.環(huán)境與材料工程學(xué)院,上海201209)

液晶屏屏蔽罩螺絲拆卸平臺的研制

屠子美a,秦琴a,竇建方a,朱冬冬b

(上海第二工業(yè)大學(xué)a.智能制造與控制工程學(xué)院;b.環(huán)境與材料工程學(xué)院,上海201209)

為解決液晶屏顯示器拆解中的屏蔽罩側(cè)邊螺絲拆卸問題,設(shè)計了液晶屏屏蔽罩螺絲拆卸平臺。該系統(tǒng)運用LabVIEW軟件開發(fā),配合機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、伺服驅(qū)動、目標(biāo)識別和人機交互技術(shù),以物理的方法拆卸液晶屏屏蔽罩側(cè)邊螺絲,為后續(xù)分離顯示器玻璃面板、內(nèi)部線路板和回收稀有金屬提供了保障。

螺絲;虛擬儀器;LabVIEW;機械設(shè)計;目標(biāo)識別

0 引言

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,各類電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期大大縮短,常在使用壽命遠未終結(jié)時即被新的產(chǎn)品代替,甚至廢棄[1-2]。而這些未經(jīng)妥善處理的廢棄液晶屏顯示器不僅浪費資源,還危害環(huán)境和人類的健康。據(jù)相關(guān)預(yù)測顯示,該廢棄物數(shù)量也將以年均23.5%的增長率遞增[3],因此,拆解回收這些數(shù)量巨大的廢棄液晶屏顯示器顯得尤為重要和迫切[4]。

目前,國內(nèi)外對液晶屏顯示器的回收主要集中在稀有金屬的回收、顯示器玻璃面板的裁邊和剝離、內(nèi)部線路板的回收等[5-6],這對合理利用資源、實現(xiàn)資源化發(fā)展無疑是一項利國利民的好事。要回收這些資源,首先需要把液晶顯示器拆解為顯示屏塑料后蓋與邊框、屏蔽罩、電路板和液晶屏等組件。目前國外一般采用機械破碎的方法,這雖然提高了資源再生利用率,但元器件的利用率較低,基本只有8%～10%。國內(nèi)拆解業(yè)主要依靠人工拆解來實現(xiàn),但面臨著效率低下、成本費用高、危害隱患大等風(fēng)險。因此,研究一條自動化的拆解流水線的意義重大。

屏蔽罩側(cè)邊螺絲的拆卸是液晶屏顯示器拆解的一個必經(jīng)流程。一般地,人們采用人工拆解的方法,但該方法耗時耗力、效率不高、影響進度。而一種物理的、機械的螺絲拆卸方法將更加受到人們的青睞,但它同時也是一項亟待解決的技術(shù)難題。當(dāng)前,在國內(nèi)外自動化設(shè)備中關(guān)于螺絲拆卸的技術(shù)罕有報道,相關(guān)論文的研究發(fā)表也較為稀缺。本文擬嘗試通過對液晶屏屏蔽罩螺絲拆卸平臺的研制,實現(xiàn)對螺絲的自動化拆卸并說明其可行性。

1 總體方案設(shè)計

本平臺以Dell 156系列顯示器為樣本,拆除顯示屏塑料后蓋和邊框后,需拆卸的屏蔽罩兩邊螺絲共計5顆,以十字螺絲為主,具體位置如圖1、2。

液晶屏屏蔽罩螺絲拆解平臺的設(shè)計目標(biāo)是:實現(xiàn)十字螺絲的自動定位(精度0.2 mm),達到自動化拆卸螺絲的目的。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示,由上位機軟件LabVIEW與下位機進行數(shù)據(jù)信息交互,并完成相應(yīng)的程序功能。光源配合工業(yè)智能相機——拍照、采集圖像、識別螺絲中心位置,由運動控制卡PCI-1240U控制四軸電機運動,其中三軸(X軸、Y軸、Z軸)電機帶動直線模組實現(xiàn)空間位置的移動,U軸電機按特定的節(jié)拍控制螺絲刀的旋轉(zhuǎn)速度和方向,拆卸屏蔽罩螺絲。

圖1 屏蔽罩螺絲位置1Fig.1 Position 1 of the screw on shield

圖2 屏蔽罩螺絲位置2Fig.2 Position 2 of the screw on shield

液晶屏屏蔽罩螺絲拆解平臺是基于虛擬儀器技術(shù)[7],結(jié)合機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、伺服驅(qū)動、目標(biāo)識別與定位、扭矩控制、人機交互等多項技術(shù)實現(xiàn)液晶屏屏蔽罩螺絲自動化拆卸[8-9]的平臺,具有識別率高、定位準(zhǔn)確、效率高、易于拆卸等特點。

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件裝配圖如圖4所示,螺絲位于屏蔽罩兩側(cè),用定位擋塊定位屏蔽罩,并用夾緊氣缸夾緊固定。螺絲刀、軸心固定件、聯(lián)軸器、伺服電機作為螺絲拆卸組件安裝于Z軸直線模組上,通過XYZ軸直線模組的空間運動改變螺絲拆卸組件的位置,并在螺絲刀組件尾部,電機下方安裝一彈簧,用以緩和整個裝置水平方向上的力。環(huán)形光源、工業(yè)智能相機、鏡頭作為視覺組件安裝于螺絲刀拆卸組件的左側(cè),該安裝方式節(jié)省了整個裝置的運行時間,提高了整個流程的運行效率。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of system

圖4 系統(tǒng)硬件裝配圖Fig.4 Assembly drawing ofsystem hardware

2.1 螺絲刀組件

拆卸螺絲的關(guān)鍵部件——螺絲刀組件主要由螺絲刀、軸心固定件、聯(lián)軸器和伺服電機組成。

過粗的螺絲刀批頭尖度會導(dǎo)致螺絲刀無法準(zhǔn)確進入螺絲十字凹槽內(nèi);而過尖的批頭尖度則會導(dǎo)致螺絲拆卸時橫向著力不足,無法滿足拆卸螺絲所需要的扭矩力。螺絲刀的長度則是由系統(tǒng)硬件裝配結(jié)構(gòu)決定,并考慮機械因素,因此,選擇802 ?6 mm×80 mm×PH2的帶磁性的十字螺絲刀,其中帶磁的螺絲刀可以在拆卸結(jié)束時將螺絲脫離工件,并在指定位置回收而不影響后續(xù)工作。

圖5所示為螺絲刀組件實物圖,軸心固定件固定軸心,使螺絲刀軸心和電機軸心始終保持在一條直線上;在軸心固定件和伺服電機之間安裝一個帶彈簧的聯(lián)軸器,用于微調(diào)和緩沖螺絲刀橫向的力;伺服電機控制螺絲刀以特定的節(jié)拍正反轉(zhuǎn)。通過不同工件在不同方向上的微調(diào),螺絲刀頭在旋轉(zhuǎn)過程中同時對準(zhǔn)并自動嵌入至螺絲十字凹槽內(nèi),將螺絲拆卸下來。該設(shè)計使螺絲刀的應(yīng)用更具靈活性。

圖5 螺絲刀組件Fig.5 Components of screwdriver

伺服電機具有精確速度、位置控制,抗過載能力強、穩(wěn)定和低噪聲等特點。通過伺服電機轉(zhuǎn)矩與螺絲螺紋的關(guān)系,可以達到精確控制,避免無法拆卸或滑牙的現(xiàn)象。

2.2 工業(yè)智能相機

工業(yè)智能相機是一種高度集成化的微小型機器視覺系統(tǒng)。它將圖像的采集、處理與通信功能集成于單一相機內(nèi),從而為工業(yè)生產(chǎn)提供了模塊化、多功能、高可靠性、高精度、易于實現(xiàn)的機器視覺解決方案,大大滿足了市場的應(yīng)用需求。

本系統(tǒng)采用DATALOGIC A30系列智能相機,它是一款通用型、高性價比的獨立產(chǎn)品。具有防護等級高達IP67的外殼,可完美適用于苛刻的工業(yè)環(huán)境。A30系列智能相機包括一個VGA(640×480)CCD成像器、內(nèi)置的離散I/O以及以太網(wǎng)接口和串行接口。此外,DATALOGIC提供的Impact軟件有助于實現(xiàn)靈活編程,從而滿足所有機器視覺的應(yīng)用需求。

本系統(tǒng)通過以太網(wǎng)的接口通信模式,建立相機與上位機的通信,同時通過CBX500接線盒為相機提供24V電源。

2.3 鏡頭

鏡頭是機器視覺系統(tǒng)中的重要組件,對成像質(zhì)量有著關(guān)鍵性的作用。主要功能是聚集光線,并將拍攝目標(biāo)的光學(xué)影像呈現(xiàn)在相機CCD/CMOS傳感器表面,從而采集到清晰銳利的圖像,其品質(zhì)的好壞直接影響到最終圖像信息的準(zhǔn)確度。

本系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場,需要光學(xué)畸變更小、分辨率足夠高、光譜響應(yīng)更加豐富的工業(yè)鏡頭。因此選擇Computar公司的M3514-MP型號定焦鏡頭,其焦距35 mm,光圈范圍F1.4～F16C,工作距離0.3 m～∞,靶面尺寸1.69 cm,最大成像尺寸可達8.8×6.6(?11),手動控制光圈、聚焦,接口C型,工作溫度-10～50°C。

2.4 環(huán)形光源

光源是影響機器視覺圖像質(zhì)量的重要因素,對輸入數(shù)據(jù)的影響至少占30%。角度照射的環(huán)形光源具有光束集中、亮度好、均勻性好、照射面積相對較小的特點,能夠突出顯示被測物體邊緣,突顯圖像效果,從而簡化算法、提高檢測精度、保證檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

選擇IS-74-60-G型號的LED環(huán)形光源,其電壓24 V,外徑74 mm,光出射角度60°,光顏色為綠光,均勻性好,適合應(yīng)用于銀色背景的屏蔽罩。

2.5 運動控制卡

本系統(tǒng)直線模組電機均由PCI-1240U伺服電機運動控制卡控制。

PCI-1240U是一款4軸通用PCI(支持3.3 V和5 V信號插槽)步進/脈沖型伺服電機控制卡,專門用于一般的精確運動,簡化了步進和脈沖伺服運動控制,可以顯著提高電機的工作性能。該卡使用了智能NOVA?MCX314運動ASIC芯片,能夠提供各種運動控制功能,如2/3軸線性插補、2軸圓弧插補、T/S曲線加速等。運行溫度0～60°C,濕度(5%～95%)RH。

本系統(tǒng)主要通過PCI-1240U運動控制卡控制XY Z三軸電機帶動直線模組實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的空間運動和U軸電機帶動螺絲刀的旋轉(zhuǎn)運動,其中XY Z軸電機采用點到點的控制模式,U軸電機則采用連續(xù)控制模式。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件平臺

系統(tǒng)軟件基于LabVIEW 2010版本的軟件平臺開發(fā),運行環(huán)境為Windows XP或者其他更高版本的操作系統(tǒng)。LabVIEW是高效圖形化應(yīng)用開發(fā)環(huán)境,結(jié)合了簡單易用的圖形化開發(fā)方式和靈活強大的編程語言的優(yōu)勢[10]。

3.2 軟件流程

系統(tǒng)軟件主要分為系統(tǒng)調(diào)試、系統(tǒng)復(fù)位和檢測拆卸3部分。

系統(tǒng)調(diào)試部分可以通過人工手動連續(xù)/點到點地調(diào)整電機位置、移動速度、旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)方向等,拍照識別,返回螺絲刀中心坐標(biāo)、識別數(shù)及識別判定,并觀測驗證其準(zhǔn)確性。

圖6所示為軟件流程圖。程序啟動后,系統(tǒng)復(fù)位,將所有硬件返回至初始位置(x=0;y=0;z=0),等待檢測拆卸。當(dāng)液晶屏屏蔽罩隨著流水線到達螺絲拆卸平臺后,擋板處觸點開關(guān)檢測到信號,此刻夾緊氣缸夾緊,將屏蔽罩位置固定,檢測拆卸開始。通過XY軸電機攜帶工業(yè)智能相機移動至目標(biāo)螺絲位置附近(x=x1;y=y1;z=0),拍照、采集圖像、識別螺絲中心位置,返回二維坐標(biāo)值(x10,y10)、識別數(shù)和識別判定。當(dāng)判定為True,系統(tǒng)將視覺坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為空間坐標(biāo)(x11,y11),XY軸電機控制螺絲刀組件運動對準(zhǔn)至螺絲中心位置(x=x11;y=y11;z=0)。螺絲刀逆時針旋轉(zhuǎn),Z軸電機按節(jié)拍前進至特定位置(x=x11;y=y11;z=z11)后保持不動,螺絲刀繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn),延時,待螺絲擰下之后,螺絲刀繼續(xù)以一定速度逆時針旋轉(zhuǎn),同時Z軸電機同步配合后退至(x=x11;y=y11;z=z12),最終脫離屏蔽罩,卸下螺絲,螺絲刀停止轉(zhuǎn)動,Z軸退回到初始位置。繼續(xù)下一顆螺絲的檢測拆卸,直到全部拆卸完成為止。

圖6 軟件流程圖Fig.6 Flow chart of software

3.3 軟件操作

打開應(yīng)用程序,進入圖7所示的軟件操作界面,按下電機復(fù)位按鈕,將各電機、相機復(fù)位至初始位置。自動按照軟件流程開始檢測,并實時返回螺絲中心點位置坐標(biāo)、目前所檢測到的螺絲顆數(shù)以及識別成功判定,并以指示燈指示,隨后將屏蔽罩上識別到的螺絲拆卸下來。

圖7 軟件操作界面Fig.7 Software interface

系統(tǒng)在每個直線模組上都安裝了2個限位開關(guān),使電機到位可以及時停止。達到限位的同時軟件界面對應(yīng)的控件變灰而無法操作,起到了限位保護的作用。該系統(tǒng)具有良好的人機對話界面,采用簡單的循環(huán)結(jié)構(gòu)配合條件結(jié)構(gòu),完成整個復(fù)雜的程序流程,人機界面操作性強、響應(yīng)快。

4 結(jié)論

本液晶屏屏蔽罩螺絲拆卸平臺運用LabVIEW軟件開發(fā),配合機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、伺服驅(qū)動、目標(biāo)識別、人機交互等技術(shù)實現(xiàn)液晶屏屏蔽罩側(cè)邊螺絲的自動化拆解,識別精度0.2 mm,具有識別率高、定位準(zhǔn)確、效率高、易于拆卸的特點。另外,系統(tǒng)采用了模塊化的結(jié)構(gòu),開放度高、擴展性強,方便后續(xù)的維護和升級,在實際使用中運行良好。本系統(tǒng)具有良好的行業(yè)應(yīng)用前景,可應(yīng)用于其他螺絲拆卸工業(yè)場合。

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Development of LCD Shield Cover Screw Removal Platform

TU Zimeia,QIN Qina,DOU Jianfanga,ZHU Dongdongb
(a.School of Intelligent Manufacturing&Control Engineering;b.School of Environmental&Materials Engineering,Shanghai Polytechnic University,Shanghai 201209,P.R.China)

In order to solve the removal issue of the screw on two sides of LCD shield cover,LCD shield cover screw removal platform is designed.The system is based on LabVIEW software development.With mechanical design,servo drives,target recognition and human-computer interaction technology,the system can disassemble LCD shield cover side screws in physical approach which is the subsequent guarantee of glass panel,internal circuit boards separation and recycling of rare metals.

screw;virtual instrument;LabVIEW;mechanical design;target recognition

TP391

A

1001-4543(2016)04-0303-05

2016-04-20

屠子美(1989–),女,浙江紹興人,助理工程師,碩士,主要研究方向為圖像處理。電子郵箱zmtu@sspu.edu.cn?；痦椖?上海知識服務(wù)平臺項目(No.ZF1224),上海第二工業(yè)大學(xué)校基金項目(No.EGD15XQD10)資助