多功能數(shù)控微細(xì)電鑄機(jī)床控制系統(tǒng)開發(fā)

李文杰， 李英杰， 呂珍斌

（1.河南信息工程學(xué)校，河南 鄭州450011；2.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454003）

多功能數(shù)控微細(xì)電鑄機(jī)床控制系統(tǒng)開發(fā)

李文杰1， 李英杰2， 呂珍斌2

（1.河南信息工程學(xué)校，河南 鄭州450011；2.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454003）

以PLC為控制核心，開發(fā)出一種可實(shí)現(xiàn)微細(xì)電鑄工藝實(shí)施過程自動化、工藝參數(shù)和工藝效果能實(shí)時(shí)在線監(jiān)控的智能化控制系統(tǒng)。從電鑄工藝參數(shù)控制、陰陽極間距及相對位置控制和電解液循環(huán)過濾控制三方面闡述了系統(tǒng)構(gòu)成，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評價(jià)。結(jié)果表明：基于該控制系統(tǒng)，電鑄工藝參數(shù)檢測、監(jiān)控準(zhǔn)確，誤差小于2%；陰陽極直線進(jìn)給精度低于3μm，翻轉(zhuǎn)角度最高可達(dá)90°；雙路循環(huán)過濾切換及時(shí)，延時(shí)不超過5s。

控制系統(tǒng)；微細(xì)電鑄機(jī)床；數(shù)控

0 前言

微細(xì)電鑄機(jī)床是實(shí)施微細(xì)電鑄工藝的必需載體，其中工藝參數(shù)的監(jiān)控能力、陰陽極配置與布局方式以及機(jī)床整體的自動化程度對微細(xì)電鑄工藝實(shí)施過程的便捷性和工藝效果等有顯著影響。但現(xiàn)有的微細(xì)電鑄機(jī)床大多存在功能單一、自動化程度低、操作繁瑣等不足，在很大程度上制約了其潛能的發(fā)揮。為了拓寬微細(xì)電鑄機(jī)床的應(yīng)用空間，開發(fā)出一種多功能數(shù)控微細(xì)電鑄機(jī)床，其具有電極布置方式靈活多變、能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控、操控過程自動化、有／無模電鑄合一等優(yōu)點(diǎn)。本文主要闡述了多功能數(shù)控微細(xì)電鑄機(jī)床的控制系統(tǒng)，其流程圖，如圖1所示。

1 電鑄工藝參數(shù)控制

電鑄工藝參數(shù)控制主要指實(shí)時(shí)在線監(jiān)控電解液溫度、電解液pH值、電鑄時(shí)間、電流和電壓等，其控制面板，如圖2所示。下面重點(diǎn)介紹電解液溫度、電解液pH值與電鑄時(shí)間的在線監(jiān)控。

圖1 控制系統(tǒng)流程圖

（1）電解液溫度控制

電解液溫度對電鑄過程有顯著影響，若控制不當(dāng)，會造成不良后果［1］。電解液溫度過低，會導(dǎo)致離子活性差、遷移速率緩慢，易形成粗晶結(jié)構(gòu)電鑄層；過高，則影響電解液的穩(wěn)定性，尤其對微細(xì)電鑄而言，易破壞膠模微結(jié)構(gòu)。此外，不同類型的電解液其許可使用溫度不同，故電鑄過程中，實(shí)現(xiàn)電解液溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控尤為必要。

圖2 電鑄工藝參數(shù)控制面板

開發(fā)的溫控系統(tǒng)由模擬量輸入模塊、溫度傳感器和加熱器組成。通過溫度傳感器檢測溫度，信號經(jīng)模擬量輸入模塊輸入至PLC，由PLC內(nèi)部開關(guān)量I／O端口發(fā)出指令控制加熱器開啟或關(guān)閉，可分別使電鑄槽和儲液槽內(nèi)的電解液保持在特定溫度。

（2）電解液pH值控制

pH值對電解液特性及電鑄層的形貌與性能有顯著影響，因而對于不同類型的電解液，電鑄過程中需控制其pH值維持在特定范圍內(nèi)［2］。電解液pH值控制原理與溫度控制原理基本類似，不同的是，PLC內(nèi)部開關(guān)量I／O端口發(fā)出指令控制分別與酸性液槽和堿性液槽相連的電磁流量閥的開啟或關(guān)閉，向電鑄槽內(nèi)注入適量酸性或堿性調(diào)節(jié)溶液，實(shí)現(xiàn)電解液pH值的精確控制。

（3）電鑄時(shí)間控制

盡管時(shí)間并不是主要的電鑄工藝參數(shù)，但在測定電沉積速率或?qū)﹄婅T層厚度有較嚴(yán)格要求時(shí)，精確控制電鑄時(shí)間至關(guān)重要。與電解液溫度和電解液pH值的控制原理不同，電鑄時(shí)間控制是由PLC內(nèi)部定時(shí)器控制電鑄電源的定時(shí)關(guān)閉實(shí)現(xiàn)。

2 陰陽極間距及相對位置控制

電鑄過程中通常保持陰陽極間距恒定，但這種處理方式僅適用于有模電鑄，在無陰極芯模情況下，難以奏效［3］。為實(shí)現(xiàn)有／無模電鑄合一，借助PLC控制陰陽極恒定間距或自由間距，即：可單獨(dú)或同時(shí)沿直線移動。具體控制原理為：PLC內(nèi)部脈沖發(fā)生器和高速計(jì)數(shù)器精確控制輸出脈沖數(shù)，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)帶動精密滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，實(shí)現(xiàn)陰／陽極單獨(dú)或同時(shí)沿導(dǎo)軌微量進(jìn)給或偏離。

有模電鑄時(shí)，在不影響電鑄工藝效果的前提下，陰極可在特定距離區(qū)間內(nèi)以恒定速率做往復(fù)運(yùn)動，這種方式能帶來兩方面有益效果：（1）往復(fù)振蕩加速陰極表面氣泡的逸散，降低針孔、積瘤等缺陷形成的可能性；（2）在一定程度上增強(qiáng)電極過程液相傳質(zhì)效果，減弱濃差極化，提高陰極極限電流密度和電沉積速率。

另外，為便于實(shí)時(shí)觀測電鑄工藝效果，避免過電鑄情況出現(xiàn)，安裝于立柱上的步進(jìn)電機(jī)還能帶動陰極繞轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)，其控制原理與陰極往復(fù)移動的相同。需指出的是，陰極翻轉(zhuǎn)時(shí)陽極沿導(dǎo)軌朝遠(yuǎn)離陰極方向移動，以使二者不發(fā)生干涉。

圖3為陰陽極間距及相對位置操控面板。恒定間距控制模式下，輸入間距值，即可使陽極靠近至指定位置。同樣，輸入旋轉(zhuǎn)角度值，陰極沿逆時(shí)針翻轉(zhuǎn)至指定值，與此同時(shí)陽極后退至原點(diǎn)位置。自由間距控制模式下，粗調(diào)面板控制電極持續(xù)運(yùn)動，如陽極持續(xù)靠近或遠(yuǎn)離陰極，陰極持續(xù)上翻或下翻。微調(diào)面板控制電極點(diǎn)動，以每步0.1mm，1mm或5mm往復(fù)移動，以精度1°或5°上下翻轉(zhuǎn)。

圖3 陰陽極間距及相對位置操控面板

3 電解液循環(huán)過濾控制

循環(huán)過濾可濾除電解液中混雜的固體雜質(zhì)（如陽極泥、灰塵等），減少電鑄層麻點(diǎn)缺陷，提高表面質(zhì)量；此外，還能加快反應(yīng)物質(zhì)輸運(yùn)進(jìn)程，降低濃差極化，減薄擴(kuò)散層，增大陰極極限電流密度［4］。為此，制備光亮電鑄層或進(jìn)行連續(xù)電鑄時(shí)，必須實(shí)施循環(huán)過濾。

與常用的泵－電鑄槽－過濾器三連一體的循環(huán)過濾方式有所不同，多功能數(shù)控微細(xì)電鑄機(jī)床設(shè)置單一電鑄槽循環(huán)過濾、電鑄槽－儲液槽連通循環(huán)過濾兩種模式。通過分別控制三通球閥和球閥的通斷實(shí)現(xiàn)二者間的自由切換?；谌我庖环N循環(huán)過濾模式，在清潔電解液的同時(shí)可平行沖刷陰極面，提高液相傳質(zhì)效率。

4 實(shí)驗(yàn)評價(jià)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于該控制系統(tǒng)，電鑄工藝參數(shù)檢測、監(jiān)控準(zhǔn)確，誤差小于2%。陰陽極直線進(jìn)給精度低于3μm，翻轉(zhuǎn)角度最高可達(dá)90°。雙路循環(huán)過濾切換及時(shí)，延時(shí)不超過5s。

［1］ 楊森，殷錦捷，劉憶.溫度對低溫鍍鐵工藝的影響［J］.電鍍與環(huán)保，2008，28（2）：24-25.

［2］ 袁詩璞.第六講——電鍍的工藝條件［J］.電鍍與涂飾，2009，28（1）：43-46.

［3］ 劉仁志.實(shí)用電鑄技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［4］ 袁詩璞，鄒旭先.鍍液過濾的若干問題［J］.材料保護(hù)，1994，27（7）：34-37.

Development of Control System for Multifunctional Numerical Control Micro-electroforming Machine Tool

LI Wen-jie1， LI Ying－jie2， LV Zhen-bin2
（1.Henan Information Engineering School，Zhengzhou 450011，China；2.Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China）

An intelligent control system，which can automate micro-electroforming process and online monitor technological parameters as well as technological effectiveness，was developed based on PLC.The constitute of the system was expounded from three aspects of electroforming process parameters，anode-cathode distance ＆relative position and electrolyte circulation filter controls.And the system was also evaluated by tests.The results show that based on the control system，the process parameter detection and monitoring is accurate with an error less than 2%；the accuracy of cathode and anode straight-line feeding is lower than 3μm and the rolling-over angle up to 90°；the double-line electrolyte recirculation and filtration system is switched timely with a delay time not more than 5seconds.

control system；micro-electroforming machine tool；numerical control

TG 65

A

1000-4742（2012）04-0038-03

2011-06-09

·化學(xué)轉(zhuǎn)化膜·