基于国内外的线路板拆除技术设计论文.doc

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1、序言2第一章 概述31.1 课题研究的背景及意义31.2电路板特性41.3废弃电路板处理现状61.3.1国外废弃电路板处理现状61.3.2国内废弃电路板处理现状81.4论文的主要工作及结构安排91.5课题任务分析91.6方案论证10第二章 废弃电路板电子元件拆除分析112.1电路板电子元件类型及特征112.2加热焊锡的方式和方法122.2.1加热焊锡的方式132.2.2加热焊锡的手段132.3废弃电路板电子元件拆除技术162.3.1电子元件单独拆除技术172.3.2电子元件同步拆除技术172.4废弃电路板电子元件拆除模型18第三章 电路板电子元件拆除力计算193.1 单个电气元件拆除模型193

2、.2电子元件拆除力计算203.3电气元件同步拆除模型213.4拆除过程中其它因素的影响22第 四 章 废弃电路板电子元件拆除设备的设计234.1拆除方案简介2342 装夹装置的设计244.3线路板修磨装置的设计274.4热风机热装置274.4.1功率设计284.5振动拆解装置的设计284.5.1筛网的设计294.5.2振动架的计算304.5.3凸轮形状外形图30由振幅为8mm 可得到凸轮偏心距为8mm。见图4-7所示。30314.6动力元件的选取314.7拆除设备装配图31第 五 章 废弃电路板电子元件拆除经济性分析33回收成本分析33序言当前，世界已有1.5亿台旧计算机等待处理，而家用电器、

3、手机、寻呼机等设备的报废问题也十分突出。专家预测，从2003年起，我国已进入第一个废旧电器高峰年，每年进入更新换代期的冰箱、洗衣机、电视机都在500万台左右；个人电脑的经济寿命只有2年左右, 每年需要报废700万台；同时未来3年内，上千万部手机也会进入淘汰期。加上在PCB的生产过程中产生的边角料与废品，废旧PCB的产量比较可观，而且与日俱增。废旧电路板是典型的电子废弃物，填埋时占用大量空间，其中的金属及高分子有机物在自然条件下很难降解，有害成分通过水、大气、土壤进入环境，给人类健康和生态环境造成潜在的、长期的和不可恢复的危害。固体废弃物减量化、无害化和资源化是我国的国策，物理方法具有投资少、环

4、境污染小等特点，是化学、火冶、热解方法的前期处理技术，是电子废弃物处理的发展趋势。但目前我国缺少系统的技术和设备，回收利用比例低，迫切需要加强相关理论，工艺与设备方面的研究。本设计目的就是基于国内外的线路板拆除技术，在总结国外的拆除经验同时，从自己国情出发制造出符合我国的拆除技术。本论文共分为六章。第一章总结国内国际回收电路板技术概况，第二章对电路板的拆除分析，第三章建立电器元件的拆除模型，第四章拆除设备的设计，第五章是回收效益分析，第六章是总结与展望。其中设计重点是拆除设备的设计，最终绘制装配图。第一章 概述1.1 课题研究的背景及意义电路板(PrintedCircuitBoard，简称PC

5、B)是电子电器产品不可或缺的组成部分，伴随着各种电子电器产品淘汰速度的加快，废弃电路板的数量也以惊人的速度增长。据中国统计局数据测算，我国城镇居民中，电冰箱的社会保有量达1.5亿台，洗衣机1.9亿台，电视机更是高达3.7亿台，随着这些大型家用电器使用年限的临近，今后几年将进入更新期的电冰箱每年约400万台，洗衣机500万台，电视机500万台。此外，近年来我国电脑、手机、MP3等新型电子消费品消费需求激增，而更新换代的速度越来越快，促成了电子废弃物和废弃电路板的急速增长。另外，从国外走私进口的电子废弃物也将产生大量的废弃电路板。据不完全统计，每年拆解和处理从全国各地购进和部分走私进来的废旧电子电

6、器产品达55万吨以上，其中大型电话交换机、电机、电脑、家用电器40多万吨，电路板15万多吨，并且这组数字每年都在趋于增长，其它沿海地带及电路板生产集中地域都存在类似现象。废弃电路板中含有很多有毒材料，如铅、嗅、苯、镉等，如果直接扔弃或处理不当，都会对大气、土壤和地下水造成严重污染，对人类健康造成巨大的危害。同时，废弃电路板中又含有金、银、铜等贵金属材料，其中铜的含量最高，单层板含铜5%一6%，双层板含铜10%12%，多层板含铜20%30%。根据丹麦研究人员的报告见表1-1所示，1吨随意收集的电子板卡中，可以分离出286磅铜、1磅黄金、44磅锡等。表1-1废弃电路板的组成成份(%)与天然资源相比

7、，电路板中的金属元素含量达到了47%，且贵金属Au, Ag,Cu, Pb, Sn等有色金属含量特别丰富。而自然界中的富矿金属含量也不过3-5%，因此废弃电路板被喻为垃圾上的矿山，回收利用具有很高的经济价值。即使是经济价值相对较低的玻璃纤维强化酚醛树脂和环氧树脂，也可以通过焚烧回收其中的热值，或是作为粉末用于涂料、铺路材料或是塑料制备的填料等，也可作为增强材料和绝缘胶材料重新利用。因此科学合理地回收再利用废弃电路板不仅可以减小对环境的危害，还可以重新利用大量的宝贵资源，这对保护人类生态环境、解决资源短缺和可持续发展都具有重要意义。所以，社会各界越来越关注废弃电路板的处理，虽然还没有专门针对电路板

8、回收的法律法规颁布，但对电子废弃物的处理，各国及地区纷纷颁布一系列的法令法规、制定一系列的政策来规范电子废弃物的回收。法律法规的制定和实施反映了世界各国对于妥善处理电子废弃物的重视。因此，如何实现电子废弃物无害化回收，实现其再资源化，对于减轻环境压力，防止环境污染，提高资源的再利用率，确保电子工业的可持续性发展有着十分重要的现实意义和理论意义。1.2电路板特性电路板是目前最为活跃的电子部件，几乎出现在所有的电子电器设备中，同时，由于其复杂的结构和众多的材料组成，一直是废旧电子电器产品回收中的难点。1.2.1 电路板的结构及组成线路板是印制线路板的简称，印制电路指的是在绝缘基材上，按预定设计形成

9、的印制元件或印制线路以及两者结合的导电图形，线路板和电路板(PCB)的区别是线路板不包括电子元件。在线路板上焊接上电子元件即成为电路板，电路板的结构见图1-1所示，主要由线路板、电子元件和焊锡三部分构成。图1-1线路板图线路板是由基板(也叫覆铜板)光蚀刻或化学铜沉淀加工而成，基板由高分子聚合物(树脂)、玻璃纤维或牛皮纸及高纯度铜箔粘结而成，将玻璃纤维等强化材料通过上胶机和环氧树脂等粘结材料交联形成粘结片，然后再在层压机中将粘结片和铜箔按照设计要求层叠起来，粘结片受热受压先软化、熔融，高分子物变为粘流态，随着温度逐步升高和时间增加，固化剂和环氧树脂起固化反应，固化反应完成后，粘结片与铜箔层牢固粘

10、结而成基板，见图1-2所示。图1-2线路板组成图1.铜箔层 2.树脂层 3.强化层基板加工成线路板的方法主要有减除法和加成法两种。前者是以铜箔基板为基材，经印刷或压膜曝光、显像的方式在基材上形成了一个线路图案的铜箔保护层，然后将基板面上线路部分以外的铜箔溶蚀除去，再剥除覆盖在线路上的感光性干膜阻剂或油膜以形成电子线路;后者则采用未压覆铜箔的基板，以化学铜沉积的方法，在基板上进行铜沉积，以形成导体线路。1.3废弃电路板处理现状国内外关于废弃电路板回收处理的技术主要包括三类:一是热处理法，包括焚烧、裂解、直接冶炼等;二是化学处理法，包括酸洗、溶蚀等;三是物理机械处理法，包括粉碎和分选等。目前，国际

11、上推行的方法是物理方法，它具有投资少、环境污染小、综合利用率高、附加值大等优点，是未来废弃电路板处理的发展趋势。1.3.1国外废弃电路板处理现状在废弃电路板的物理法回收领域，就技术而言，国外处于领先地位，特别是欧洲、美国、日本等地区和国家产生了许多专利，有些已经实现了工业化，在一些发达国家，围绕着废弃电路板的合理处置与资源回收等方面的研究和探索工作非常活跃，提出了许多新的处理技术与方法。德国、瑞典和日本等国相继研究并提出了一些新的处理技术和方法。通常，一项完整的电路板回收处理技术包括三个步骤:拆除(包括手工和自动拆除)，分离与富集，机械或化学精炼(提纯)。国外废弃电路板常用的处理过程见图1-3

12、所示。图1-3 国外常用的废弃电路板处理过程简图 拆除德国的研究者提出了一项废弃电路板(PCB)电子元件自动化拆除技术(见图1-4所示)。在自动拆除步骤之前，首先手工拆除可重新使用以及包含有毒成份的电子元件。然后，用3一D图像识别技术获取相关信息，确定特定元件，用自动机械设备将所选择的元件拆除。接着用红外辐射加热PCB，当焊剂熔化后将所有元件脱除。最后，依据识别系统对分离下来的元件进行识别，并自动分类，将不同元件分别处理。图1-4 废弃电路板元件自动化拆除技术由于电路板的组成元件种类繁多，而且结构复杂板组成的详尽信息，因此，自动拆除并未广泛使用，无法准确得到废弃电路要解决这个问题，必须在大量研

13、究和数据收集的基础上，建立完善的废弃电路板产品结构信息数据库，并且发展新的识别技术，将人工智能方法如自学习、模糊逻辑推理和神经网络以推动自动拆除技术的发展，提高拆除效率。1.3.2国内废弃电路板处理现状在我国，对电子废弃物处理技术的研究起步较晚，尤其是对废弃电路板的处理，技术和理论都相对比较落后，很多处理技术都是以回收原料为目的，回收效益和环境污染方面都存在很大问题。在操作方面，基本以手工操作为主，回收效率难以保证，操作人员的健康也受到很大威胁。国内对于废弃电路板电子元件拆除的研究较少，相关的报道文献也不多，仅有几个专利的报道，而真正的实用技术和国外还有很大的差别。中国发明专利CN183266

14、3A川提出电路板液态导热介质中脱焊分离器件的方法及装置。将焊接有电子元件的待处理线路板浸没在液态导热介质中，保持液态介质温度在焊锡熔点以上，待焊锡熔化后分别收集焊锡、线路板和元器件。中国发明专利CN1590032A提出了一种将电路板上电子元件拆除下来的电子元件载具，主要是一个夹持器固定在固定框上，将电路板夹持在该夹持器上，当回流焊炉内温度高于预定温度时，用一个冲击器震落该电路板上电子元件，承载器用于承载从该电路板上震落的电子元件。中国发明专利CN1600458A提出了一种从焊有电子元件的电路板上分拆和回收电子元件和焊料的方法。由装置上方的吹风口对电路板上表面吹热空气，保持电路板上的焊料合金处于

15、熔融状态。紧贴着处理电路板下表面的机械滚刷沿电路板运动反方向滚动，通过滚刷上刷毛的机械力把电路板电子元件扫下，滚刷旁边的强力吸头吸入松动和散落的电子元件和焊料合金。中国发明专利cN101014229A23提出了一种将电子元件从废旧电路板上整体拆除的方法与设备。将电路板固定或是采用限位箱盛装电路板，对电路板进行加热，通过活动冲击杆给电路板固定装置实施冲击，采用激振装置的弹性钢带来分离、收集电子元件和焊锡，冷却后再对电路板基板和电子元件进行分类分拣。电子元件拆除的流程见图1-5所示，图1.5 废弃电路板整体拆除电子元件流程图1.4论文的主要工作及结构安排综观目前废弃电路板回收处理的国内外研究现状可

16、知，国内对废弃电路板电子元件拆除研究很少，急待新的技术和方法来弥补这一空白，国外的拆除技术虽然已比较成熟，但不适合我国国情，直接引进行不通。所以要制造出一种比较完善的机械装备实现对电路板的拆解。 1.5课题任务分析综观目前废弃电路板回收处理的国内外研究现状可知，国内对废弃电路板电子元件拆除研究很少，急待新的技术和方法来弥补这一空白，国外的拆除技术虽然已比较成熟，但不适合我国国情，直接引进行不通。所以要制造出一种比较完善的机械装备实现对电路板的拆解。本论文在总结现有废弃电路板电子元件拆除技术的基础上，提出了更适合电子元件拆除方法，通过优化电子元件的拆除条件，最后依据拆除条件设计了废弃电路板电子元

17、件拆除设备。本研究针对我国废弃电路板直接回收原材料的处理现状，以实现节约资源为目标，对废弃电路板电子元件拆除技术、拆除设备研制开展研究，为废弃电路板再利用探索了一种新的工艺过程和方法。研究成果的实施可以有效降低目前废弃电路板处理资源浪费严重的现状，实现资源的高利用率。同时，还可以加快新技术在废弃电子电器产品回收处理中的应用，对提高回收企业的经济效益、降低消费者的消费成本、促进回收产业发展、节能节材，实现我国制造业和国民经济的可持续发展具有深远意义。1.6方案论证 本论文在综合国内国际拆除技术的方法上提出两种方案。一为采用低温冷冻技术方案。二为采用机械装置方案。两种方案目的均为拆除线路板上电气元

18、件，但都具有各自的优缺点，在比较两种方案的优缺点中寻找更合适我国的处理方案。方案一：低温冷冻方案根据焊锡在低温环境下会变成粉末状形式，此时非常容易拆除电气元件。依据此特性设计低温环境下拆除电气元件。具体方法为将电路板经传送带送入低温环境，然后经翻转机构经振动机构完成电路板的拆解任务。在这里面需要考虑的是整个系统的封闭性能而且整个翻转振动机构都要在低温环境下进行。所以制造难度较大，而且低温环境要依靠液态氮来实现，液态氮的用量也比较大，直接造成拆除成本过高。方案二：机械装置方案机械拆除是在传统机械加工的基础上考虑拆除方法。机械加工具有成本低，效率高，工作可靠，操作方便等优点。所以考虑机械加工拆除方

19、案。具体方法：由于电气元件焊脚大小不一，而且焊脚弯曲，在同时拆除时不会同时掉落，所以要考虑修磨处理。 修磨电路板是该方案的重要部分，是提高拆除率的关键。必不可少。 加热装置包括三部分:温度控制部分和加热炉，主要功能是将送入的电路板上焊锡加热至熔化，并通过热风枪吹落焊锡，电路板上焊锡被完全吹掉后将电路板翻转进入振动装置。 控温部分的设计废弃电路板电子元件拆除设备的温度控制要求速度快，动作迅速，应采用能精确温度控制的装置，控制精度大约为士l，还要保证其温度恒定，达到以恒温加热电路板的目的。加热炉的设计加热炉在在整个设备中起着重要的作用，炉的温控性好坏与电加热管的布置和功率有关，设计中应充分考虑这些

20、因素。(1)功率设计(2)加热管选择，为了保证升温时间较短， 加热管需要较大的功率，考虑到升温过程和保温过程功率相差很大，应该选用不同功率的加热管。升温时，应该同时接通升温管和保温管，让焊锡温度迅速升至最佳拆除温度;保温时，就只让保温管工作，以便节约电能。 振动拆解装置的设计振动拆解装置对掉落焊锡的电路板实施振动，提供足够的拆除力对电子元件实施拆除，并收集拆除下的电子元件。振动拆解装置是电子元件拆除设备的关键部分，对电子元件的拆除效率起重要的决定性作用。这里面就是考虑振动功率的计算。可以根据电子元件接触力的计算，计算出足够的振动功率。翻转装置的设计翻转装置是该机械装置最后部分，是将振落电气元件

21、的线路板翻转出来。通过观察比较我发现：第二种方案可靠性高，成本较低可行性强。为此我采用第二种方案。第二章 废弃电路板电子元件拆除分析2.1电路板电子元件类型及特征电路板上电子元件的安装技术有两种，表面安装技术和通孔插装技术。传统的通孔插装技术，也称THT技术，是在印制电路板上“通孔”安装元件，然后焊接。表面安装技术，也称SMT技术，是伴随无引脚或引脚极短的片状元件的出现而发展并已得到广泛应用的安装焊接技术。由于两者的焊接工艺存在着很大的差别，故根据安装技术的不同将电子元件分为表面安装元件(SMD元件)和通孔插装元件(THD元件)。THD元件和SMD元件的焊点形状有很大的差异，见图2-1所示，T

22、HD元件的焊点为锥形，而SMD元件的焊点为立方体形。图2-1 焊点的结构形状SMD元件拆除时所需拆除力较小，主要是液态焊锡的粘滞力或表面张力，而THD元件为了增加安装强度，安装过程中将其引脚折弯，并且使用过程也可能造成引脚弯曲，因此拆除时需克服元件引脚的弯曲力，大大增加了拆除难度。见图2-2所示。图2-2弯曲的THD元件引脚2.2加热焊锡的方式和方法电子元件不仅含有大量有毒有害成份，而且电子产品在组装时，使用焊锡将电子元件引脚和线路板的铜箔焊成一体，以此来提高产品的可靠性。因此电子元件的回收必须沿着组装工艺的逆过程来实现，即先将焊锡加热使其熔化，然后使用各种手段将电子元件与焊锡分离。通常，熔化

23、焊锡时，根据电路板加热方式的不同分为直接加热和间接加热。2.2.1加热焊锡的方式(1)直接加热方式将带有电子元件的电路板直接放到热源上加热，用热源直接熔化焊锡。直接加热方式熔化焊锡的优点是加热速度快，电子元件分离快，设备投入少，运行稳定且成本低;缺点是加热温度无法控制，热源的温度一般比较高，加热时容易损坏电子元件，另外，过高的受热温度会造成有毒有害物质的挥发，对环境产生危害。(2)间接法加热方式利用热源去加热某一种介质，通过控制介质的温度来加热电路板，使电路板上焊锡熔化。间接加热方式熔化焊锡的优点是加热温度、升温速率都可灵活控制，受热均匀，可实现大面积同步加热，有利于保护电子元件;缺点是需要配

24、套的温度控制装置，加热设备相对复杂，需要较长的加热时间。以上分析可知，虽然直接加热方式有速度快、成本低等优点，但间接加热方式有利于保持电子元件的完好，并且对环境影响相对较小，容易实现同步加热等明显优势，因此废弃电路板电子元件拆除时首选的加热方式应该是间接加热。2.2.2加热焊锡的手段当前，国内外用于电子元件拆除的加热方法主要有红外线、激光、液体介质、空气介质焊锡加热等。红外线加热方法原理及特征红外线加热的工作原理是:电流在通过特殊材料制成的加热丝时，加热丝会辐射出一定波长的红外线，当红外线被物体吸收时，物体即被加热。在国外已有不少小型或者中等规模的企业(如日本NEC公司开发的自动拆除废弃电路板

25、电子元件的装置)采用这一技术，见图2-3所示。图2.3 红外加热法拆除电子元件采用红外线来加热焊锡，可以保证拆除后电子元件的质量，红外加热技术对电子元件性能影响很小，而且适用范围很广。然而，不同材质的物料对不同波长的红外线的吸收程度不同，对电路板加热时会产生色敏效应(电子元件及其引脚等不同颜色对红外辐射的吸收率和反射率是不同的)。以致不同元件的温差很大，难以保证同一电路上所有元件同步升温。这是红外线加热的一个缺点。激光加热法原理及特征激光加热原理与激光焊接类似，其工作原理是:将高强度的激光束辐射至焊锡表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使焊锡熔化。激光加热过程属于热传导型，即

26、激光辐射加热焊锡表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使焊点熔化，形成特定的熔化区间。激光技术作为高科技用于焊锡的熔化具有很多优势:高能量激光束的能量和速度均可调，可以有效地控制拆焊温度;激光加热效率高，加热时间短;激光束可以对焊脚加热而不影响电子元件。但是，使用激光来熔化焊锡也存在着一定的局限性，如价格昂贵;激光加热是点对点的加热方式，只能选择性地拆除相对重要的元件，难以实现元件高效拆除的目标;不适用特殊元件(弯曲的焊脚)的拆除。这也是本设计不考虑激光加热的原因。液体加热法原理及特征液体加热法的原理是:用加热管或其它加热设备将液体加热，将

27、电路板浸没在液态导热介质中熔化焊锡。见图2-4所示。图2.4液体加热拆除电子元件装置液体加热具有自己的独特性，溶液导热系数大，导热能力高，能量损耗小，能源利用率高;通过控制受热液体的温度可以有效控制被加热电路板的温度，温度控制精度高，有利于保护电子元件不受损坏;所有元件浸于同一温度液体中，电子元件受热均匀，容易实现同步熔化，有利于同步拆除。不足之处是:焊锡的熔化温度较高，故液体介质也要求较高的稳定性，该类液体粘上后，一般清洗比较困难，需要专门清洗设备和清洗液来清除，造成处理成本增加。所以本设计也不采用液体加热技术。空气加热法原理及特征空气加热法的基本原理是:用加热设备(一般为电阻丝)将加热的空

28、气通过送风装置对电路板上的焊锡进行加热。空气加热方法应用普遍，技术相对成熟，电路板组装时的回流焊接和电路板维修时都使用到空气加热法。见图2-5所示。图2.5空气加热焊锡设备a)热风加热的回流焊接机 b)维修用的热风枪空气加热技术应用时间长，发展成熟，热风温度控制精度高，升温速率也可控制，有利于保护电子元件;空气加热法在电子组装上应用广泛，而组装的逆过程即拆除，两者的过渡比较方便;空气加热对电子元件影响小，无需后续的专门处理工艺。不足之处是空气导热系数低，热风损失热量多，能源利用率低;大面积均匀加热时需要炉膛来保持空气温度，需要专门的封闭设备。焊锡加热法原理及特征焊锡加热法的基本原理是:用液态焊

29、锡来加热电路板上焊锡。焊锡加热在电子组装过程中应用较广，如THD元件焊接时，常采用浸焊的方式，焊锡在锡炉中加热熔化后，将插装好THD元件的电路板浸入到液态焊锡中实施焊接，配套的温度控制系统可以灵活控制焊锡的温度。见图2-6所示。图2-6 浸焊工艺中使用的锡炉用焊锡加热来熔化焊点的主要优点是:加热均匀，焊点熔化快，成本低。不足之处是需要焊锡作为介质，拆除过程会造成焊锡损失和资源浪费。在我国东南沿海地区的许多家庭作坊，也使用焊锡加热的方式来拆除电子元件，用炭炉将焊锡熔化，再将电路板置于熔化的焊锡上加热。家庭作坊式的焊锡加热设备简陋，温度无法控制，电子元件容易过热受损，由于碳炉温度高，会使电路板中有

30、毒有害元素挥发或氧化，散发出有毒有害物质，造成环境污染和操作人员中毒。加热方法的选择通过以上分析可知，电子元件拆除时的加热方法众多，而各种方法都有自己的优势和不足，为了方便分析各种加热方法，以元件拆除过程中涉及的10项指标，即元件损坏性、元件适用性、元件温升同步性、温度控制性、温升快慢、环境影响、能源利用率、自动化实施性、有无后续处理过程和成本，作为各加热方法的评价指标，并将其列于同一表中，见表2-1所示。表2-1各种加热方法的比较方式特性红外线加热激光加热液体加热空气加热焊锡加热温升同步性一般差好好好加热速度快快一般快快成本中高低中低能源利用率低高高中低后续处理无需无需需要无需无需自动化程度

31、易易不易易一般温度控制不好温控精确温控性好温控性好温控性好从表上可以看出，五种加热方法都存在一定的缺陷。红外加热时热量吸收与电子元件材质、颜色有很大关系，部分元件容易过热，而废弃电路板又有很大的随机性，连续生产过程中红外加热方法将受到限制。激光加热法成本高，一般需要机械手来配套实现自动化，不适合我国现阶段国情。液态加热法需要后续处理，并且不易实现自动化。空气加热和焊锡加热虽然也有不足之处，但没有根本性缺陷，可以通过完善加热体系来优化，因此，空气加热法可作为废弃电路板上焊锡的加热方法。2.3废弃电路板电子元件拆除技术废弃电路板电子元件的拆除通常采用两种技术，单独拆除技术和同步拆除技术。2.3.1

32、电子元件单独拆除技术单独拆除技术只对电路板上某个特定的电子元件实施拆除的技术。单独拆除技术常用于电子元件的更换，在电子电器维修领域应用最多，维修工人将损坏或是已失效的电子元件拆除，再焊接上新的电子元件，通常维修工人使用电烙铁来更换THD元件，而SMD元件的更换则使用热风枪，因为SMD元件引脚多且元件较贵，热风加热可以灵活控制热风温度，加热均匀，几乎不会对电子元件产生影响，更适合SMD元件的拆除。见图2-7所示。图2-7维修中更换SMD元件单独拆除技术在电路板电子元件回收中也经常用到，如第一章所论述的奥地利维也纳工业大学的Zebedin等人提出的柔性半自动拆除单元，就是通过一个视觉系统来识别特定

33、的电子元件，由四个计算机和若干PLC控制机械人系统分别予以拆除。单独拆除技术应用更多的还是手工操作，手动拆除灵活多样，更能满足任意位置、任意电子元件的拆除，然而手工操作的拆除效率很低，不适合工业大规模生产，如一个普通的SMD元件使用热风枪拆除大约需要10一60秒。2.3.2电子元件同步拆除技术同步拆除技术对电路板上所有电子元件同时实施拆除的技术。实施同步拆除技术，可以将电路板上所有电子元件一并拆除，拆除效率高，唯一的不足是拆除过程中要施加足够大的拆除力以保证每个电子元件都被拆除，拆除力过大可能会损坏电子元件。当然，实际的拆除过程中一般无法拆除所有的电子元件，因为使用过的电路板上，有些电子元件的

34、引脚已经完全弯曲，只有破坏性拆除才能将其分离。通常拆除率达到85%以上就可以认为达到了同步拆除目的。在国外，同步拆除技术已经应用于电子元件的拆除，如第一章所论述的日本NEC公司开发的自动拆除系统采用同步拆除技术，在拆除处理前，按照元件的装配形式和形状规格，计算出所需的拆除力大小，首先采用挤压推进将线路板上的大部分THD元件和SMD元件拆除，然后再采用剪切和表面剥蚀技术使所有元件及焊剂除去。随着科学技术的不断发展，电子电器产品的废弃数量将不断增加，造成废弃电路板的数量急剧增加，同步拆除技术具有拆除效率高的优势将会得到更充分体现，未来废弃电路板电子元件拆除的发展趋势将会以同步拆除为主。2.4废弃电

35、路板电子元件拆除模型加热方法选择由本章可知，空气加热和焊锡加热相对其它的加热方法更容易满足电子元件拆除的要求。空气加热可实现大面积同步升温，正好满足SMD元件引脚多、表面积大的特点。THD元件数量众多，拆除时应首先保证其拆除效率，需要快速升温以减少拆除时间，最好易于实现自动拆除。 综合以土分析，可以建立电路板电子元件拆除模型，如图所示，通过该模型，我可以对电子元件实施相应的加热方法、拆除技术，以达到不同的拆除目标，实现高效率拆除，见图2-8所示。图2-8废弃电路板电子元件拆除图第三章 电路板电子元件拆除力计算为了深入认识电路板电子元件拆除过程及拆除力作用情况，论文建立了电子元件拆除模型。由第二

36、章分析可知，电路板上两类电子元件的焊接工艺和拆除力存在很大的差异，应将两者分别建立拆除模型，但是本论文要修磨线路板焊脚对弯曲的焊脚,较大的焊脚进行修磨，使焊脚大小相一致降低拆除力，所以只需对普通焊脚进行拆除力计算。在振动拆解时由于线路板焊脚处焊锡在经过热风枪加热时，在融化状态下以被热风吹落故在振动分离时拆除力不是很大。所以只需建立简单的拆除模型。在建立模型时考虑最大值来保证所有电气元件顺利掉落。3.1 单个电气元件拆除模型电气元件拆除模型，见图3-1 。图3-1电气元件拆除模型拆除力Fi与引脚的两个接触力N、F1静力平衡，N的水平分量与其产生力矩M使引脚反向弯曲，可以得到以下关系式:，式中:D

37、、d、必分别为电路板通孔直径、引脚直径、引脚弯曲角，对于材料的极限弯矩有以下关系:，式中:为引脚材料的屈服极限，则拆除力的使该引脚发生弯曲的最小力为：故电气元件的最小拆除为:式中:n、分别为元件的引脚数、各引脚的弯曲角，由上式可得，电气元件单独拆除时，所需拆除力与引脚弯曲角正切的平方成正比，而且被折弯的脚数越多，所需的拆除力越大。3.2电子元件拆除力计算单个电子元件的拆除力计算电子元件引脚一般采用Cu引线上镀纯锡，取引脚的屈服强度为60MPa。由上可以得出，电气元件引脚的最小拆除力与弯曲角正切的平方成正比，弯曲角是影响拆除力的最主要因素，而不同元件的引脚直径与孔径大小相差不大，为了计算方便，假

38、定不同元件的引脚直径和孔径相同(D=lmm、d=0.6mm)，假定元件的弯角取较大值60度，则由上面推导公式可得到单个电子元件的拆除力：F=9.41 N这样得到了单个电子元件的拆除力。由于每一个元件的弯角不尽相同，所以要取不同的弯角角度来计算电子元件的拆除力。由于设计振动机构是按照需求力最大而设计制造的 故只需要计算最大值就可以。每一种线路板的引脚数量都不一样。同一元件中被弯曲的引脚角度也相同，根据线路板引脚状况取元件引脚数的5%为被弯曲引脚的数量，这样可计算出各类元件被弯曲成不同角度时所需的最小拆除力。计算结果见表3-1所示。表3-1 电气元件拆除力计算结果目数目力除拆角曲弯10152025

39、30354045505560651000.21.12.13.45.27.611.115.822.23246.871.81680.41.93.55.88.913.118.827.13854.580.1122由上表知，如果线路板的引脚总数为168个时，弯角的元件个数为8个,此时的拆除力为122N。3.3电气元件同步拆除模型同一电路板上，由于每个电气元件的引脚数和引脚弯曲状况都不同，因此每一个元件所需的最小拆除力也不同，为了实现同步拆除，振动所引起的拆除力必须大于电路板上所有元件的最小拆除力。设施加的振动为X=ASinwt，则振动F为:式中:m、A、w分别为元件质量、振幅、频率。当振动力F大于元件最

40、小拆除力时电气元件被拆除掉，若想拆除电路板上所有元件，则需要。即:式中:m，、n、分别为电气元件的质量、直径、引脚直径、引脚材料的屈服极限、引脚数、各引脚的弯曲角。电路板上元件同时拆除时，应保证拆除振动力大于同步拆除时两者所需振动力的较大者。由上面的推导结果，分别取m=4克，=1mm,=0.6mm,=60Mp,n=168,=45度，频率取15Hz。得到计算结果：A8mm得到线路板的震动拆解参数，振幅8mm，频率15Hz。3.4拆除过程中其它因素的影响电气元件拆除实验中，除了热风速度、温度、元件类型对实验结果造成影响外，其它因素也可能会影响拆除效果，如拆除作用力、外部环境温度，拆除时，由于人与人

41、之间的作用力习惯不一，作用方式、拆除角度等都存在差异性，将会产生不同的拆除力，可能会对拆除时间造成一定的影响。由拆除力分析可知，元件是在焊锡熔化瞬间被拆除，拆除时间主要为焊锡受热熔化的时间，故拆除力对实验结果(拆除时间)的影响作用较小。热风加热方式为对流传热，只要加热区域没有大的外部气流干扰，外部环境对其的影响作用也较小。另外由拆除力分析可知，拆除力与引脚的弯曲情况有很大的关系，由于废弃电路板的引脚状况具有很大的随机性，无法保证每一电子元件的拆除力相同。第 四 章 废弃电路板电子元件拆除设备的设计 废弃电路板上的电气元件元件应应同步拆除，对于不规则元件，由于回收难度较大故要采用修磨方法将其统一

42、磨平，进行统一化处理以降低拆除力，实现元件的高效拆除。在此过程中要设计怎样来实现对电路板的装夹，方便可靠，简单易行。拆除方法采用同步拆除技术，建立专门的拆除设备。4.1拆除方案简介由于焊脚焊锡在融化以后，由于粘滞力存在并不能完全与焊脚分离故需要施加外力使其分离。所以本设备采用热风加热方法，既能实现对焊锡的融化又能依靠风力使其与焊脚分离。因此采用热风加热同步拆除技术来进行拆解是最佳的拆除方式，因此拆除设备可分为四个部分:线路板装夹装置、线路板修磨装置、热风机热装置、振动装置。线路板装夹装置主要负责将废弃电路板传送至砂轮上进行修磨，在经过热风枪进行加热。电路板装夹时保持电子元件面朝上，焊锡朝下。线

43、路板修磨装置主要是让焊脚大和弯曲的焊脚受磨削让线路板焊脚一致，它是提高拆除率的关键设备。热风机热装置主要包括温度控制部分、加热炉，主要功能是将送入的电路板上焊锡加热至熔化，并利用风力克服焊锡粘滞力和附着力来吹掉焊锡，电路板上焊锡被完全去除后将电路板翻转进入振动装置。振动拆解装置对无焊锡的电路板实施振动，提供足够的振动力对电子元件实施拆除，收集拆除下的电子元件。设备工作过程为:1开启设备电源，观察加热炉的温度控制器，待热风枪口温度至拆除温度(260度)并恒定后，装夹线路板。2待装夹完毕后传送至修磨装置上进行修磨。3修磨完毕后，传送至热风枪上方进行加热。4加热完全后落在下一工位处松开线路板送入振动

44、器中。5振动结束后，翻转装置顺时针旋转，出料架将电路板带出振动拆解装置，电子元件被收集在振动拆解装置的底部，电路板电子元件拆除结束。42 装夹装置的设计装夹装置采用气压缸动力夹紧，它具有响应速度快，动作可靠，即使线路板在歪斜状态下也可正常夹紧。由于线路板非金属特性，有一定的塑性，故夹紧块采用齿牙形状，故可以装夹牢靠，防止出现横向滑动。见图4-1所示。图4-1 线路板压板图中出现的一段一段的牙型主要是考虑制造方便。装夹的尺寸计算过程。由于线路板的长宽尺寸都不一样，所以要考虑能统一装夹的装置。设定线路板长、宽度范围为150mm到500mm之间。则压块长度取500mm，高度根据具体安装尺寸而定，因为

45、线路板的厚度仅为2mm左右。装夹图见图4-2所示。图4-2 线路板松开状态图4-3 线路板夹紧状态4.3线路板修磨装置的设计线路板修磨装置采用电机与砂轮直接相连，以提供较高的转速。这个设计过程主要是对砂轮的选择与设计，本设计选择碗型砂轮，这样可以便于对整个线路板平面进行磨削。直径选取200mm。修磨装置图见图4-4所示。 图4-4 修磨装置图4.4热风机热装置热风机热装置包括两部分一是控温部分的设计，废弃电路板电子元件拆除设备的温度控制要求响应快，动作迅速，应采用智能温度控制，控制精度至少为士l，同时控制装置应有反馈系统，以便对介质温度进行实时监控，保证其温度恒定，达到以恒温加热电路板的目的。

46、二是热风枪的设计根据粘滞力的大小设计风枪口的大小和充入加热炉风力的强弱。三是加热炉的设计加热炉在在整个设备中起着重要的作用，炉的温控性好坏与电加热管的布置和功率有关，设计中应充分考虑这些因素。4.4.1功率设计加热功率的计算通过对焊锡融化的时间和热风枪口与线路板底面的距离及风力的大小的分析可以得出炉腔的深度，从而可确定炉腔的体积，假设为v，介质的比热容为C，密度为，则可以计算出加热管将焊锡加热到最佳拆除温度(260)时所需要的能量:Pt=CmT=CT从而，可以计算出所需的加热时间与加热管功率的关系。保温功率的计算介质被加热到最佳温度后，需要保持温度260恒定。4.4.2加热管选择由上节加热管的功率计算可知，为了保证升温时间较短，不影响工厂生产，加热管需要较大的功率，考虑到升温过程和保温过程功率相差很大，宜选用不同功率的加热管，加热炉由智能控制装置来控制温度，升温时，同时接通升温管和保温管，让焊锡温度迅速升至最佳拆除温度260;保温时，仅让保温管工作，以便节约电能。4.5振动拆解装置的设计振动拆解装置是电子元件拆除设备的关键部分，对电子元件的拆除效率起决定性作用。振动拆解装置见图4-5所示。图4-5振动拆解图4.5.1筛网的设计筛网主要功能是使线路板和电器元件分离，由于一批废弃线路板大小规格都不一样所以设计要能使得所