工业机器人在LCD显示器废弃物自动化拆解流水线中的应用
王素娟 秦琴 屠子美
关键词： 工业机器人; 电子废弃物; 自动化流水线; 拆解; 激光切割; LCD显示器
中图分类号： TN830.1?34; TP249 ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 1004?373X（2019）04?0175?04
Application of industrial robots in automatic disassembly line of LCD displayer waste
WANG Sujuan， QIN Qin， TU Zimei
（School of Intelligent Manufacturing & Control Engineering， Department of Engineering， Shanghai Polytechnic University， Shanghai 201209， China）
Abstract： The current disassembly industry of electronic waste component in China is mainly realized by manual disassembly， and the prominent problems existing in manual disassembly are low efficiency and increase of labor cost year by year. The electronic waste contains various heavy metals and organic pollutants， which can be released to the environment during the disassembly process， and cause great harm to the operating personnel. Therefore， an automatic disassembly line of LCD displayer waste is researched and developed in this paper. The working process of two industrial robots， and solutions to key problems of mode selection， interfaces to PLC and working process are described in detail. In the automatic disassembly line of LCD displayer waste， LCD displayers are disassembled into the parts of plastic shells， metal shields， circuit boards and LCD panels by means of the cutting and drilling modes. Two industrial robots are used to cut metal shields and remove circuit boards. The experimental results show that the usage of robots can greatly simplify the mechanical design of the whole assembly line， and the high speed of robots can guarantee the working pace of the assembly line.
Keywords： industrial robot; electronic waste; automatic assembly line; disassembly; laser cutting; LCD displayer0 ?引 ?言
自从20世纪60年代初人类创造了第一台工业机器人以来，机器人就显示出它旺盛的生命力。在短短40多年的时间中，机器人技术得到迅速的发展。工业机器人具有工作效率高、稳定可靠、重复精度好、能在高危环境下作业等优势，在传统制造业，特别是劳动密集型产业的转型升级中发挥着重要作用。而工业机器人与自动化成套装备是生产过程的关键设备，可用于制造、安装、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械等众多行业，应用领域非常广泛[1?4]。
目前在我国，电子废弃物元器件的拆解业仍主要靠人工拆解来实现，人工拆解存在的突出问题是效率低下，人工成本費用逐年上升，而且电子垃圾含有多种重金属和有机污染物。这些污染物随着拆解过程释放到环境中，会对操作人员造成极大的危害。多项研究显示电子垃圾拆解工人血清中PBDEs，DPs 含量显著高于对照组[5?9]。因此，研制自动化的电子废弃物处理技术势在必行。本文将拆解废弃LCD显示器作为拆解电子废弃物的第一步，进行LCD显示器废弃物自动化拆解流水线的研制。其中，工业机器人因其灵活的运动、快捷的速度、极高的精度在废弃LCD显示器的拆解中起了关键作用。1 ?LCD显示器废弃物自动化拆解流水线系统
LCD显示器废弃物自动化拆解流水线目的是将一个完整的废弃液晶显示屏拆解成液晶屏、电路板、塑料外壳、金属罩等独立部分。它采用多工位流水协同工作，包括从上游到下游依次的工位为：上料工位、切割工位、开孔工位、激光工位、分离工位和回收工位;上述各工位之间采用传送带连接，实现流水线工作。其结构图如图1所示。
各工位完成的主要工作为：上料工位为系统流水线最前端，完成上料功能，由一名操作人员将废弃LCD显示器放置在流水线上（LCD显示器屏幕朝下，接口端面向操作人员）;切割工位主要完成LCD显示器外罩的切割，LCD显示器外罩的切割是显示器拆解的第一步;开孔工位主要完成LCD显示器外罩背面4个固定螺丝的拆卸和显示器塑料外罩的回收;激光工位主要完成废旧LCD显示器金属屏蔽罩与其内部电路板的分离;分离工位主要完成LCD显示器金属屏蔽罩的移除和液晶屏驱动电路板上面2个螺丝开孔;回收工位位于本流水线最下游，主要完成液晶显示驱动板电路器件与液晶屏的分离和回收。
本系统采用多个工位协同工作，实现全自动化的废旧液晶显示器拆解和分类。系统只需要一位操作工位操控，采用安全防护隔离罩保证安全环保的操作环境，最大程度避免了拆解过程中噪声、粉尘及有害金属对操作人员身体的伤害[10?11]。2 ?工业机器人的功能
在LCD显示器废弃物自动化拆解流水线中有两个工位用到工业机器人：一个是在激光工位，使用六轴机器人带动光纤激光器沿指定路径切割废弃LCD显示器的金属屏蔽罩;另一个是在回收工位，六轴机器人第6轴上装有滚动刀片、吹风机和铲刀，完成控制电路板和液晶驱动板与液晶显示屏的分离。2.1 ?激光工位机器人功能
激光工位要完成金属屏蔽罩与显示屏电路板的分离，考虑到金属罩是用卡扣卡在显示屏上的，并且还用螺钉和电路板焊在一起，采用切割的方式，使其与电路板分离。而金属屏蔽罩的切割选用光纤激光器来实现，将其固定在机器人的第6轴上，另外在机器人切割的过程中，要推动LCD显示屏以調整位置并吸走无用的金属片，因此机器人第6轴上还固定有磁铁和金属片。
金属屏蔽罩与显示屏电路板之间是由6个螺钉连接，机器人的第1个动作就是在这6个螺钉处开孔;螺钉开孔后，侧面电源和串口插座的凸出阻碍了金属屏蔽的分离，因此下一步要使用激光切割掉金属屏蔽罩的侧面;金属屏蔽罩的侧边还有一个金属片，它将液晶屏和电路板之间的连接导线罩住，下一步就是去除这块金属片并切断液晶屏和电路板之间的连接导线，如图2所示。这些开孔和切割动作完成后，在下个工位（分离工位）就能用电磁铁将金属屏蔽罩吸走，放入回收筐。
2.2 ?回收工位机器人功能
回收工位动作目标是完成液晶显示驱动板和液晶屏的分离，将它们分别投入各自的回收筐。液晶显示驱动板和液晶屏之间的连接包括导线、连接线和胶带。因此在此工位，机器人需完成导线和连接线的切割、胶带的铲除，以及将电路板投入回收筐等动作，如图3所示。为完成上述动作，在回收工位的机器人上安装有刀片（切割导线）、吹风机（使胶带软化）和铲刀（铲除胶带并将电路板铲到回收筐）。
3 ?工业机器人使用中的关键问题及解决方案
3.1 ?机器人选型
根据对系统的总体要求和机器人的功能描述可以看出激光和分离工位所需的机器人应具有如下特征：动作迅速，每个工位30 s内完成;灵活度高，每个工位至少3个动作，且都不在同一平面;负重不大，待处理的废弃LCD显示器、激光器都在5 kg以下;工作范围有限，处理对象为废弃LCD显示器，尺寸有限。根据这些特征，机器人本体选择安川MH5F，机器人控制器选用FS100。
3.2 ?机器人控制方法
3.2.1 ?机器人与PLC接口电路
在激光工位，六轴机器人的动作是和机器视觉系统、转动气缸配合进行的。这种配合由PLC进行控制，而机器人6轴上安装的激光器和磁铁的动作，则由机器人发指令控制，因此机器人的接口电路如图4所示。回收工位机器人的3个动作由PLC控制，其与PLC的接线图与图4类似。
图中FS100?CN1为机器人控制器的普通I/O接线端子，机器人动作1～5的启动信号由PLC发送给机器人控制器，机器人完成每个动作后就会返回给PLC一个动作完成信号。而激光器和磁铁的动作由机器人控制，因此激光器和磁铁的信号直接接至机器人控制器的普通I/O端口。FS100?CN2为机器人控制器的专用I/O端口，用于接收外部特殊控制指令并输出机器人的状态。
3.2.2 ?PLC控制机器人信号时序
PLC控制机器人运行时，首先需要将机器人示教器的模式选择开关旋转到“REMOTE”即远程模式。PLC发出“外部伺服”信号后，再发出“消除报警”“调主程序”和“外部启动”P信号，机器人才进入主程序，执行动作。这些信号的时序图如图5所示。
3.3 ?机器人程序流程
激光工位机器人要和外部的视觉机器人合作在激光工位上完成显示器金属屏蔽罩的切割，其中激光工位机器人要完成5个动作;而回收工位机器人则要和外部压紧装置和机械臂上的电吹风配合完成电路板与液晶屏的分离。根据前面对激光工位和回收工位的功能描述，将其各个动作编写出相应的子程序，然后设计出其主程序流程如图6所示。
4 ?结 ?语
六轴工业机器人具有精度高、工作稳定、柔顺性好、动作迅速等优点[12]。只要配上合适的末端执行器，就将能胜任多项工作。利用六轴机器人的这个特点，在激光工位机器人上安装光纤激光器、磁铁;在回收工位机器人上安装滚动刀片、吹风机、铲刀，再规划好合理的路径，就可实现多个动作来切割掉废弃LCD显示器的金属屏蔽罩，完成电路板和液晶屏的分离。机器人的使用大大简化了整个流水线的机械设计，而且机器人的高速度也使得流水线的工作节拍得以保证。
参考文献
[1] 蒋庆斌，陈小艳.工业机器人现场编程[M].北京：机械工业出版社，2014.
JIANG Qingbin， CHEN Xiaoyan. Industrial robots field programming [M]. Beijing： China Machine Press， 2014.
[2] 计时鸣，黄希欢.工业机器人技术的发展与应用綜述[J].机电工程，2015，32（1）：1?13.
JI Shiming， HUANG Xihuan. Review of development and application of industrial robot technology [J]. Journal of mechanical & electrical engineering， 2015， 32（1）： 1?13.
[3] 梁一新，刘凯.促进我国工业机器人产业化的战略思考[J].现代产业经济，2013（6）：28?32.
LIANG Yixin， LIU Kai. Strategic thinking to promote the industrialization of industrial robots in China [J]. Modern industrial economy， 2013（6）： 28?32.
[4] 本刊编辑部.我国工业机器人现状与发展[J].机器人技术与应用，2013（2）：1?3.
Editorial department of robot technique and application. Status and development of industrial robots in China [J]. Robot technique and application， 2013（2）： 1?3.
[5] 严骁，李淑圆，王美欢，等.电子垃圾拆解工人的肝功能和肾功能健康状况及影响因素分析：以清远市龙塘镇为例[J].环境科学，2018，39（2）：953?960.
YAN Xiao， LI Shuyuan， WANG Meihuan， et al. Factor analysis of liver function and renal function of health status and effect of electronic waste dismantling workers in Longtang town of Qingyuan city [J]. Environmental science， 2018， 39（2）： 953?960.
[6] 梁思.典型电子废物拆解区溴代阻燃剂和重金属人体负荷研究[D].上海：华东理工大学，2016.
LIANG Si. Study of brominated flame retardants and heavy metals in typical electronic waste dismantling area [D]. Shanghai： East China University of Science & Technology， 2016.
[7] BI X， THOMAS G O， JONES K C， et al. Exposure of electronics dismantling workers to polybrominated diphenyl ethers， polychlorinated biphenyls， and organochlorine pesticides in South China [J]. Environmental science & technology， 2007， 41（16）： 5647?5653.
[8] REN G， YU Z， MA S， et al. Determination of dechlorane plus in serum from electronics dismantling workers in South China [J]. Environmental science & technology， 2009， 43（24）： 9453?9457.
[9] ZHENG J， LUO X J， YUAN J G， et al. Heavy metals in hair of residents in an e?waste recycling area， South China： contents and assessment of bodily state [J]. Archives of environmental contamination & toxicology， 2011， 61（4）： 696?703.
[10] 秦琴，屠子美，刘唯，等.一种基于视觉定位和扭矩控制的自动拆卸螺钉方法及其装置：CN104924064A[P].2015?09?23.
QIN Qin， TU Zimei， LIU Wei， et al. A method and device for automatic disassembly screw based on visual positioning and torque control： CN104924064A [P]. 2015?09?23.
[11] 秦琴，黄江巍，刘正国.一种焊机移动控制系统以及控制方法：CN104384762A[P].2015?03?04.
QIN Qin， HUANG Jiangwei， LIU Zhengguo. The moving control system and control method of a welding machine： CN104384762A [P]. 2015?03?04.
[12] 兰虎.工业机器人技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2014.
LAN Hu. The technology and application
关键词： 工业机器人; 电子废弃物; 自动化流水线; 拆解; 激光切割; LCD显示器
中图分类号： TN830.1?34; TP249 ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 1004?373X（2019）04?0175?04
Application of industrial robots in automatic disassembly line of LCD displayer waste
WANG Sujuan， QIN Qin， TU Zimei
（School of Intelligent Manufacturing & Control Engineering， Department of Engineering， Shanghai Polytechnic University， Shanghai 201209， China）
Abstract： The current disassembly industry of electronic waste component in China is mainly realized by manual disassembly， and the prominent problems existing in manual disassembly are low efficiency and increase of labor cost year by year. The electronic waste contains various heavy metals and organic pollutants， which can be released to the environment during the disassembly process， and cause great harm to the operating personnel. Therefore， an automatic disassembly line of LCD displayer waste is researched and developed in this paper. The working process of two industrial robots， and solutions to key problems of mode selection， interfaces to PLC and working process are described in detail. In the automatic disassembly line of LCD displayer waste， LCD displayers are disassembled into the parts of plastic shells， metal shields， circuit boards and LCD panels by means of the cutting and drilling modes. Two industrial robots are used to cut metal shields and remove circuit boards. The experimental results show that the usage of robots can greatly simplify the mechanical design of the whole assembly line， and the high speed of robots can guarantee the working pace of the assembly line.
Keywords： industrial robot; electronic waste; automatic assembly line; disassembly; laser cutting; LCD displayer0 ?引 ?言
自从20世纪60年代初人类创造了第一台工业机器人以来，机器人就显示出它旺盛的生命力。在短短40多年的时间中，机器人技术得到迅速的发展。工业机器人具有工作效率高、稳定可靠、重复精度好、能在高危环境下作业等优势，在传统制造业，特别是劳动密集型产业的转型升级中发挥着重要作用。而工业机器人与自动化成套装备是生产过程的关键设备，可用于制造、安装、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械等众多行业，应用领域非常广泛[1?4]。
目前在我国，电子废弃物元器件的拆解业仍主要靠人工拆解来实现，人工拆解存在的突出问题是效率低下，人工成本費用逐年上升，而且电子垃圾含有多种重金属和有机污染物。这些污染物随着拆解过程释放到环境中，会对操作人员造成极大的危害。多项研究显示电子垃圾拆解工人血清中PBDEs，DPs 含量显著高于对照组[5?9]。因此，研制自动化的电子废弃物处理技术势在必行。本文将拆解废弃LCD显示器作为拆解电子废弃物的第一步，进行LCD显示器废弃物自动化拆解流水线的研制。其中，工业机器人因其灵活的运动、快捷的速度、极高的精度在废弃LCD显示器的拆解中起了关键作用。1 ?LCD显示器废弃物自动化拆解流水线系统
LCD显示器废弃物自动化拆解流水线目的是将一个完整的废弃液晶显示屏拆解成液晶屏、电路板、塑料外壳、金属罩等独立部分。它采用多工位流水协同工作，包括从上游到下游依次的工位为：上料工位、切割工位、开孔工位、激光工位、分离工位和回收工位;上述各工位之间采用传送带连接，实现流水线工作。其结构图如图1所示。
各工位完成的主要工作为：上料工位为系统流水线最前端，完成上料功能，由一名操作人员将废弃LCD显示器放置在流水线上（LCD显示器屏幕朝下，接口端面向操作人员）;切割工位主要完成LCD显示器外罩的切割，LCD显示器外罩的切割是显示器拆解的第一步;开孔工位主要完成LCD显示器外罩背面4个固定螺丝的拆卸和显示器塑料外罩的回收;激光工位主要完成废旧LCD显示器金属屏蔽罩与其内部电路板的分离;分离工位主要完成LCD显示器金属屏蔽罩的移除和液晶屏驱动电路板上面2个螺丝开孔;回收工位位于本流水线最下游，主要完成液晶显示驱动板电路器件与液晶屏的分离和回收。本系统采用多个工位协同工作，实现全自动化的废旧液晶显示器拆解和分类。系统只需要一位操作工位操控，采用安全防护隔离罩保证安全环保的操作环境，最大程度避免了拆解过程中噪声、粉尘及有害金属对操作人员身体的伤害[10?11]。2 ?工业机器人的功能
在LCD显示器废弃物自动化拆解流水线中有两个工位用到工业机器人：一个是在激光工位，使用六轴机器人带动光纤激光器沿指定路径切割废弃LCD显示器的金属屏蔽罩;另一个是在回收工位，六轴机器人第6轴上装有滚动刀片、吹风机和铲刀，完成控制电路板和液晶驱动板与液晶显示屏的分离。
2.1 ?激光工位机器人功能激光工位要完成金属屏蔽罩与显示屏电路板的分离，考虑到金属罩是用卡扣卡在显示屏上的，并且还用螺钉和电路板焊在一起，采用切割的方式，使其与电路板分离。而金属屏蔽罩的切割选用光纤激光器来实现，将其固定在机器人的第6轴上，另外在机器人切割的过程中，要推动LCD显示屏以調整位置并吸走无用的金属片，因此机器人第6轴上还固定有磁铁和金属片。
金属屏蔽罩与显示屏电路板之间是由6个螺钉连接，机器人的第1个动作就是在这6个螺钉处开孔;螺钉开孔后，侧面电源和串口插座的凸出阻碍了金属屏蔽的分离，因此下一步要使用激光切割掉金属屏蔽罩的侧面;金属屏蔽罩的侧边还有一个金属片，它将液晶屏和电路板之间的连接导线罩住，下一步就是去除这块金属片并切断液晶屏和电路板之间的连接导线，如图2所示。这些开孔和切割动作完成后，在下个工位（分离工位）就能用电磁铁将金属屏蔽罩吸走，放入回收筐。
2.2 ?回收工位机器人功能
回收工位动作目标是完成液晶显示驱动板和液晶屏的分离，将它们分别投入各自的回收筐。液晶显示驱动板和液晶屏之间的连接包括导线、连接线和胶带。因此在此工位，机器人需完成导线和连接线的切割、胶带的铲除，以及将电路板投入回收筐等动作，如图3所示。为完成上述动作，在回收工位的机器人上安装有刀片（切割导线）、吹风机（使胶带软化）和铲刀（铲除胶带并将电路板铲到回收筐）。
3 ?工业机器人使用中的关键问题及解决方案
3.1 ?机器人选型
根据对系统的总体要求和机器人的功能描述可以看出激光和分离工位所需的机器人应具有如下特征：动作迅速，每个工位30 s内完成;灵活度高，每个工位至少3个动作，且都不在同一平面;负重不大，待处理的废弃LCD显示器、激光器都在5 kg以下;工作范围有限，处理对象为废弃LCD显示器，尺寸有限。根据这些特征，机器人本体选择安川MH5F，机器人控制器选用FS100。
3.2 ?机器人控制方法
3.2.1 ?机器人与PLC接口电路
在激光工位，六轴机器人的动作是和机器视觉系统、转动气缸配合进行的。这种配合由PLC进行控制，而机器人6轴上安装的激光器和磁铁的动作，则由机器人发指令控制，因此机器人的接口电路如图4所示。回收工位机器人的3个动作由PLC控制，其与PLC的接线图与图4类似。
图中FS100?CN1为机器人控制器的普通I/O接线端子，机器人动作1～5的启动信号由PLC发送给机器人控制器，机器人完成每个动作后就会返回给PLC一个动作完成信号。而激光器和磁铁的动作由机器人控制，因此激光器和磁铁的信号直接接至机器人控制器的普通I/O端口。FS100?CN2为机器人控制器的专用I/O端口，用于接收外部特殊控制指令并输出机器人的状态。
3.2.2 ?PLC控制机器人信号时序
PLC控制机器人运行时，首先需要将机器人示教器的模式选择开关旋转到“REMOTE”即远程模式。PLC发出“外部伺服”信号后，再发出“消除报警”“调主程序”和“外部启动”P信号，机器人才进入主程序，执行动作。这些信号的时序图如图5所示。
3.3 ?机器人程序流程激光工位机器人要和外部的视觉机器人合作在激光工位上完成显示器金属屏蔽罩的切割，其中激光工位机器人要完成5个动作;而回收工位机器人则要和外部压紧装置和机械臂上的电吹风配合完成电路板与液晶屏的分离。根据前面对激光工位和回收工位的功能描述，将其各个动作编写出相应的子程序，然后设计出其主程序流程如图6所示。
4 ?结 ?语
六轴工业机器人具有精度高、工作稳定、柔顺性好、动作迅速等优点[12]。只要配上合适的末端执行器，就将能胜任多项工作。利用六轴机器人的这个特点，在激光工位机器人上安装光纤激光器、磁铁;在回收工位机器人上安装滚动刀片、吹风机、铲刀，再规划好合理的路径，就可实现多个动作来切割掉废弃LCD显示器的金属屏蔽罩，完成电路板和液晶屏的分离。机器人的使用大大简化了整个流水线的机械设计，而且机器人的高速度也使得流水线的工作节拍得以保证。
参考文献
[1] 蒋庆斌，陈小艳.工业机器人现场编程[M].北京：机械工业出版社，2014.
JIANG Qingbin， CHEN Xiaoyan. Industrial robots field programming [M]. Beijing： China Machine Press， 2014.
[2] 计时鸣，黄希欢.工业机器人技术的发展与应用綜述[J].机电工程，2015，32（1）：1?13.
JI Shiming， HUANG Xihuan. Review of development and application of industrial robot technology [J]. Journal of mechanical & electrical engineering， 2015， 32（1）： 1?13.
[3] 梁一新，刘凯.促进我国工业机器人产业化的战略思考[J].现代产业经济，2013（6）：28?32.
LIANG Yixin， LIU Kai. Strategic thinking to promote the industrialization of industrial robots in China [J]. Modern industrial economy， 2013（6）： 28?32.
[4] 本刊编辑部.我国工业机器人现状与发展[J].机器人技术与应用，2013（2）：1?3.
Editorial department of robot technique and application. Status and development of industrial robots in China [J]. Robot technique and application， 2013（2）： 1?3.
[5] 严骁，李淑圆，王美欢，等.电子垃圾拆解工人的肝功能和肾功能健康状况及影响因素分析：以清远市龙塘镇为例[J].环境科学，2018，39（2）：953?960.
YAN Xiao， LI Shuyuan， WANG Meihuan， et al. Factor analysis of liver function and renal function of health status and effect of electronic waste dismantling workers in Longtang town of Qingyuan city [J]. Environmental science， 2018， 39（2）： 953?960.
[6] 梁思.典型电子废物拆解区溴代阻燃剂和重金属人体负荷研究[D].上海：华东理工大学，2016.
LIANG Si. Study of brominated flame retardants and heavy metals in typical electronic waste dismantling area [D]. Shanghai： East China University of Science & Technology， 2016.
[7] BI X， THOMAS G O， JONES K C， et al. Exposure of electronics dismantling workers to polybrominated diphenyl ethers， polychlorinated biphenyls， and organochlorine pesticides in South China [J]. Environmental science & technology， 2007， 41（16）： 5647?5653.
[8] REN G， YU Z， MA S， et al. Determination of dechlorane plus in serum from electronics dismantling workers in South China [J]. Environmental science & technology， 2009， 43（24）： 9453?9457.
[9] ZHENG J， LUO X J， YUAN J G， et al. Heavy metals in hair of residents in an e?waste recycling area， South China： contents and assessment of bodily state [J]. Archives of environmental contamination & toxicology， 2011， 61（4）： 696?703.
[10] 秦琴，屠子美，刘唯，等.一种基于视觉定位和扭矩控制的自动拆卸螺钉方法及其装置：CN104924064A[P].2015?09?23.
QIN Qin， TU Zimei， LIU Wei， et al. A method and device for automatic disassembly screw based on visual positioning and torque control： CN104924064A [P]. 2015?09?23.
[11] 秦琴，黄江巍，刘正国.一种焊机移动控制系统以及控制方法：CN104384762A[P].2015?03?04.
QIN Qin， HUANG Jiangwei， LIU Zhengguo. The moving control system and control method of a welding machine： CN104384762A [P]. 2015?03?04.
[12] 兰虎.工业机器人技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2014.
LAN Hu. The technology and application
