（机械电子工程专业论文）小批量多镀种全自动电镀生产线的研究.pdf

中文摘要 摘要 电镀作为一种表面处理工艺，其装饰性和功能性越来越多地被应用于各种零 部件。然而目前电镀行业存在的产品质量不稳定、效率低、污染严重等缺点，已 不能满足当前市场需求，自动化电镀生产线是解决上述问题的最有效手段。因此 研发一套自动化的电镀生产线满足日益增长的生产需求具有重要的工程实用价 值。 本文以紧固件表面电镀处理车间为研究对象，在分析车间生产纲领、加工工 艺和厂房布局后，设计了自动电镀生产线的整体布局和总体控制方案。该生产线 具有较高的自动化程度，能够在同一时间内加工多批不同工艺的产品，同时系统 还具有快速改变工艺路线，实时监控生产状态，存储工艺数据等功能。 生产线使用了“上位机+ p l c 控制器+ 执行机构”的分层控制模式，以i p c 工控 机管理和控制整个生产系统，s i e m e n ss 7 3 0 0 p l c 和s 7 2 0 0 作为中间层控制器， 底层由传感器及执行机构组成，层与层之间通过p r o f i b u s 总线网络连接，形 成三层网络结构。生产线控制系统采用了“集中管理，分散控制”的思想，使生产 线各子系统能独立、分散地完成设备控制、信息采集等功能。由于采用了这种分 散控制模式，设备间的相互干扰被降到最低，因此提高了生产线的可靠性。 在设计生产线整体结构的基础上，本文对生产线的硬件结构和软件方案进行 了相应研究。硬件方面，重点研究了行车控制、加热控制、p h 值控制、槽液自 动添加、电流控制、电机控制等辅助功能；软件方面，重点研究了行车调度系统、 行车控制程序、通讯设计、人机界面等。该系统实现了电镀生产自动化，提高了 产品质量的稳定性和生产效率，降低了污染及工人劳动强度，改善了车间工作环 境，具有较高的推广应用价值。 关键词：自动电镀生产线，分层控制，p l c ，p r o f i b u s 重庆大学硕士学位论文 i i 英文摘要 a b s t r a c t a sak i n do fs u r f a c et r e a t m e n tt e c h n o l o g y ，t h ed e c o r a t i v ea n df u n c t i o n a l i t yo f e l e c t r o p l a t i n g h a v eb e i n gu s e di nd i f f e r e n tk i n d so fp a r t sw i d e l y a tp r e s e n t ， e l e c t r o p l a t i n gi n d u s t r y e x i s ts o m es e r i o u sp r o b l e m si n c l u d i n gp r o d u c tq u a l i t y u n s t a b i t i l ya n dl o we f f i c i e n c y , a u t o m a t i ce l e c t r o p l a t i n gp r o d u c t i o nl i n ei s t h em o s t e f f e c t i v ew a yt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s s oi ti si m p o r t a n tp r a c t i c a lv a l u et o d e v e l o pa na u t o m a t i ce l e c t r o p l a t i n gp r o d u c t i o n l i n e t a k i n gt h es u r f a c ep r o c e s s i n gw o r k s h o po ff a s t e n e ra st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h i s a r t i c l e d e s i g n s t h eo v e r a l ll a y o u ta n do v e r a l l c o n t r o l s y s t e m o fa u t o m a t i c e l e c t r o p l a t i n gp r o d u c t i o nl i n ea f t e ra n a l y s i s i n gp r o d u c t i o np r o g r a ma n dp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y t h i sp r o d u c t i o nl i n ec o u l dt r e a ts e v e r a ld i f f e r e n tp r o c e s s e sa tt h es a m e t i m e ，i t sc o n t r o ls y s t e mc o u l dc h a n g ep r o c e s s e se x p e d i e n t l y ，r e a lt i m em o n i t o rt h e p r o d u c t i o ns t a t u sa n ds t o r a g et e c h n o l o g yp a r a m e t e r , h a sh i g h e ra u t o m a t i o nd e g r e e t h ec o n t r o ls y s t e mu s e sh i e r a r c h i c a lc o n t r o lp a t t e mo f ”p c + p l c + a c t u a t o r s ”， w h i c hi sat h r e e 1 a y e rn e t w o r ks t r u c t u r ec o n n e c t i n gb yp r o f i b u s ：u s i n gi p ct o c o n t r o lt h ew h o l ep r o d u c t i o ns y s t e mo nt h ef i r s tl a y e r , s i e m e n ss 7 - 3 0 0p l ca n d s 7 2 0 0a st h ec o n t r o l l e r so fi n t e r m e d i a t el a y e r , s e n s o r sa n da c t u a t o r sb e i n gl o c a t e do n t h eb o t t o m t h ec o n t r o ls y s t e ma d o p t st h et h o u g h to f ”c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n ta n d d i s t r i b u t e dc o n t r o l ”，w h i c he n s u r e se a c hs u b s y s t e mi sa b l e t o c o m p l e t ef u n c t i o n i n d e p e n d e n t l ya n dd i s p e r s e d l y w i t ht h i sk i n do fc o n t r o lm o d e ，t h em u t u a li n t e r f e r e n c e b e t w e e nd e v i c e si sd e c r e a s e d ，t h u st h er e l i a b i l i t yo f t h ep r o d u c t i o nl i n ei si n c r e a s e d b a s e do nd e s i g n i n gt h ew h o l es t r u c t u r eo ft h ep r o d u c t i o nl i n e ，t h i sp a p e rs t u d i e d t h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n ds o f t w a r es o l u t i o n s i nt e r m so ft h eh a r d w a r e ，i tf o c u s e so n h o i s tc o n t r o l ，h e a t i n gc o n t r o l ，p hc o n t r o l ，t a n kl i q u o rc o n t r o l ，c u r r e n tc o n t r o l ，m o t o r c o n t r o la n ds oo n a sf o rs o f t w a r e ，t h ek e yd e s i g ni ss c h e d u l i n gs y s t e mo fh o i s t ， c o n t r o ip r o c e d u r eo fh o i s t ，c o m m u n i c a t i o n ，m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，e t c t h i sl i n e f u l f i l l sa u t o m a t i o no fp l a t i n g ，i m p r o v e st h es t a b i l i t yo ft h ep r o d u c tq u a l i t ya n d p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , w h i c hh a sh i g ha p p l i c a t i o nv a l u eo fp o p u l a r i z a t i o n k e y w o r d s ：a u t o m a t i ce l e c t r o p l a t i n gp r o d u c t i o nl i n e ，h i e r a r c h i c a lc o n t r o l ，p l c ， p r o f i b u s i i i 重庆大学硕士学位论文 i v 1 绪论 1 绪论 1 1 电镀生产线概述 1 1 1 电镀的基本概念 电镀是在电流作用下，液相中的金属离子在阴极还原并沉积为金属的过程， 沉积的金属离子在制件表面形成均匀、致密、结合良好的金属或合金沉积层。通 过电镀所获得的沉积层称为镀层，镀层与基体一起作为制品、构件或零件来使用。 它可以保护基体材料不受环境腐蚀，提高耐腐蚀性，改善基体材料的外观、增加 美感或易于清洁，还可以赋予基体材料表面一些特殊的机械和物理化学性能。因 此，结构致密平整、厚度分布均匀、与基体结合牢固是合格镀层的三个基本要素。 通常按其用途分类，可将镀层分为防护性镀层、防护装饰镀层和功能性镀 层。 防护性镀层。防护性镀层主要对基体起防腐的作用，这类镀层用途最广，主 要有锌及其合金、镉及其合金等。 防护装饰性镀层。防护装饰镀层既具有防腐作用，又具有经久不变的光泽和 美观的外表。一般单一镀层往往很难满足防护性与装饰的双重要求，所以这类镀 层体系常常采用多层的组合形式，紧靠基体的称为底层或底镀层，最外的称为表 层或面层。常见的有铜镍铬镀层、多层镍铬镀层组合等。 功能性镀层。功能性镀层具有特定的机械和物理化学性能，通常是在特定的 使用条件下具有某一种或多种所需求的特殊功能。主要的功能镀层有：耐磨镀层、 减摩镀层、导电性镀层、钎焊镀层、磁性镀层、光学镀层、热处理镀层、修复性 镀层等【1 1 。 1 1 2 电镀生产线的种类 早期电镀生产线以纯手工操作为主，随着机械、电子电气、p l c 、工业计算 机技术的大量应用，电镀生产线开始向半自动或自动化方向发展。目前，除某些 批量非常小且贵重的零件仍在使用手动生产外，大部分电镀工艺都已实现自动或 半自动生产。 按一定的电镀工艺要求，通过将有关镀槽、转运小车、电气控制元件、电镀 电源、槽液过滤器、镀槽参数检测传感器、冷却与加热装置、镀液搅拌装置等设 备有机地组合在一起，进行电镀自动化生产总体，叫电镀自动生产线。与手工操 作的生产线相比，电镀自动生产线完成各类电镀工序中，几乎没有手工操作，而 是通过机械和电气装置自动地完成全部电镀工序过程。因而可以大幅提高生产 重庆大学硕士学位论文 率、稳定产品质量、降低工人劳动强度。当然，电镀自动生产线的设计比较复杂， 所需设备的制造和购置成本较高，其生产、维修、养护的工作也较为复杂 2 1 。 电镀自动生产线按布局方式可分为两类：直线式自动电镀生产线和环形电镀 自动线。 直线式电镀自动生产线是电镀自动生产线的重要类型之一，尽管其结构形式 多种多样，但它们都是由排列成一条直线的镀槽和滚筒、行车等组成的。行车的 水平运动和吊钩升降运动通常是由电机拖动。直线式自动生产线中行车可为一台 或多台，多台行车主要用于工序较多的长距离生产线，每台行车结构和控制方法 基本相同。当采用多台行车时，应解决多台行车的交接和协调问题，并在控制线 路上设计防止多台行车相撞的安全装置1 3 j 。 直线式电镀生产线工作在自动方式时，按照预先编制好的程序来驱动行车水 平运动和吊钩的升降运动。当电机完成某个指定动作后，电信号开关返回一个反 馈信号，行车转入下一个动作，这样装有零件的滚筒按照电镀工艺顺序及规定的 电镀时间通过各工艺槽位，完成电镀过程【4 】。其机械结构可简可繁，建造方便、 投产快。它适用于大、中、小型工件的电镀加工，也适用于各种生产批量的工件， 而且在工序和电镀时间等方面的调整也较灵活、方便。但由于对辅助设备的利用 率低，行车的单元动作比环形自动线多，生产效率相对环形自动线要低【2 j 。直线 式电镀生产线如图1 1 所示。 图1 1 直线式电镀生产线 f i 9 1 1l i n e a re l e c t r o p l a t i n gp r o d u c tl i n e 1 绪论 通常直线式自动电镀生产线的系统比较复杂，各部件相关性强，即使一个环 节出现故障，也会导致整个系统无法运行。因此，直线式自动电镀生产线应满足 一下要求： 各台行车的水平运动和吊钩的升降运动必须能够严格按照工艺流程顺序 进行，运动平稳、。到位准确。 直线式电镀生产线的设计结构合理，编程简单，调整工艺流程方便。 工作可靠，高效率 调试简单，并具有紧急事故处理能力。 环形自动线是自动电镀生产线的另一重要类型。因为槽子排列成环形而得 名。直线式自动线是把手工线槽子按工艺顺序沿直线方式排列，每个工艺槽或水 槽在线宽方向是一样长的。环形线与直线不同，是把手工线槽子按工艺顺序沿环 形方式排列起来，每个工艺槽在槽宽方向是一样宽的，在槽长方向差别很大。环 形线的优点是节拍快，效率高，水槽体积小更容易节水。其缺点是工艺上灵活性 不如直线式自动线。因而更使适于批量大、工艺变化小的场合【5 1 。图1 2 展示了 环形电镀生产线外观。 图1 2 环形电镀生产线 f i 9 1 2a n n u l a re l e c t r o p l a t i n gp r o d u c tl i n e 与直线式自动线相比，环形自动线的电气自动控制比较简单，但机械结构复 杂，机械制造和安装时间长，费用较高。环形自动生产线的另一个缺点是变更工 重庆大学硕士学位论文 序，工艺时间等很困难，所以它主要适用于工序固定且批量较大的生产1 2 j 。 1 1 3 电镀设备概述 电镀加工与普通机械加工不同，由于流程较长，所需要的设备多，其设备大 体上可以分为五大类。包括前处理设备、电镀设备、后处理设备、辅助设备、其 他设备。电镀过程必须要按照一定的工艺流程和工艺要求进行，这就需要一些辅 助设备和管理设备，如过滤机、加热或降温设备、实验设备、检测设备等。随着 现代工业技术的发展，电镀设备也有了长足的进步。 电源设备及控制系统。现在用于电镀的电源已经细化为有针对性的专业 电源，以适应各种产品或工艺的需要。除了已经提到的用于贵金属电镀的脉冲电 源，还有用于超声波清洗的电源、镀铬电源、铝氧化电源、电铸电源等。采用专 业电源，将比采用普通电源的效率和性能更有保障。除了电源技术的进步，电源 控制也可实现远程和多功能控制，同时监控电量和电功率消耗以配合镀液通电时 间记录。目前，电镀整流电源可以集中到环境受控的配电间，槽控制系统与整流 电源分离，从而提高电源寿命，减少占用电镀现场的空间 6 1 。 自动生产线。随着中国制造业的国际化，成型产品的大批量加工使电镀 生产经常加班或大两班运作，促使大型电镀自动生产线的需求增长。设计通用电 镀生产线的厂商很多，所能提供的产品有直线式、环形、龙门式等，既有标准配 制，也可以根据厂家需要定做。专用电镀自动生产线多是为特定产品设计定做。 相对通用电镀生产线，专用电镀生产线自动化程度更高。这是因为专用电镀生产 线的产品基本上是固定的，产品参数波动小，流程和动作规范性强，适合组织全 自动生产。 配套和辅助设备。现在各类电镀单机及其配套设备已经很完善。单槽滚 镀机、振动镀机、微型电铸电镀机等都有成熟的产品供应，以满足各种特殊电镀 工艺的需要。与之相应的小型过滤机、阴极移动装置、温度控制系统、时间控制 系统等，都有相应产品【7 j 瞵j 。 1 2 国内外电镀生产线现状 现在全国各地有大小近百家专业电镀设备制造厂家，都能制造直线式、环形 的、吊镀、滚镀的各种类型的电镀自动线。这些制造厂家除制造电镀设备外，还 可以制造油漆涂装设备，以及处理废水、废气的环保设备。 这些制造厂家可以制造整台电镀自动线，也可以从事其中的部分设备的制 造，还可以实行所谓的“交钥匙工程”服务，即只要向他们提出生产的电镀品种、 生产纲领及主要技术经济指标，制造企业就可全部包干建成。 4 1 绪论 在1 9 6 8 1 9 7 8 年建设第二汽车制造厂的各专业制造分厂的电镀车间的2 0 多 条各类型的电镀自动线时，国内几乎没有专业的电镀自动线生产厂，电镀自动线 的生产图纸是由北京某通用机械设计院在电镀机修人员及工艺人员协助下完成 设计的，而电镀自动线的加工制造、安装调试都是第二汽车制造厂的设备维修制 造分厂完成的。这些电镀自动线，也在二汽中后期，才被新型电镀自动线取代。 现在各电镀自动线制造厂家的技术力量都比较雄厚。通常这些企业多半仅制 造电镀自动线的主机和一些非标准设备。其余辅助设备，例如直流电流、镀液过 滤机、抽风机、冷冻机，以及一些配套的电气设备等，则到专业生产这类设备的 厂家购买来配套设用【2 j 。 但与发达国家相比，国内电镀生产线仍存在诸多问题。从生产线结构形式看， 国内一般采用平面结构，管道、配套设备、镀槽等都布置在同一平面，现场混乱。 镀槽采用开放设计，蒸汽和腐蚀性气体易挥发，对现场设备损坏严重，且工人工 作环境恶劣。目前，国内电镀生产车间通风系统主要采用大风量抽走车间气体， 能耗大，同时增加废气处理的费用。 自动控制方面，目前主要采用p l c 或p c 机控制，并未充分利用计算机技术、 网络技术、工业p l c 技术及显示技术等，生产过程监控，参数采集、存储、查 询难以实现【9 】【l o 】。一 国内电镀生产线，行车工位信号的检测普遍采用二工位检测元件：行程开 关。具有安装调试方便等优点，但由于腐蚀气体作用，锈蚀严重，导致检测误差 频繁，引起行车定位不准。干簧管。虽防腐性好，但受外界磁场影响大，吸合、 释放抖动时间长，从而打乱程序规则。即使信号经过处理，若磁性元件安装不当， 也会影响信号检测。 行车电机的制动在直线式生产线上普遍采用三种方式：机械制动。特点是 在外加抱闸作用下可任意定位。但抱闸要经过调整才能保证精度，维护复杂。 直流能耗制动。特点是简便易行，但易使电机过热减少寿命。锥形转子电机。 特点是定位准确，维护方便，但也需定期调整装置。 由于采用的控制方式，工位检测元件及电机制动方式的缺陷，造成了电镀生 产线可靠性差。机械装置的复杂造成了维修性差。设备的防腐性差造成其保费速 度加快。浪费大，排污多造成废水处理不彻底，严重污染环境，加工成本高。功 能低，效率低l l 。 目前国外电镀车间的生产已基本实现全自动控制。行车的调度，镀槽参数控 制，工件检测，污水处理系统都已实现无人参与进行，比国内同行业先进很多。 国外在镀槽材料上广泛采用了酚醛、聚脂和呋喃树脂。这些材料具有良好的防腐 重庆大学硕士学位论文 性、电气绝缘性并具有一定强度。在电源设备上，国外已由大量使用可控硅整流 器向新型脉冲电源、换向电源过渡。采用脉冲电源除了可获得均匀镀层外，还可 获得致密金属，以提高耐腐蚀性和耐磨性。废水废气处理方面国外普遍采用化学 法、电解法、离子交换法、电渗析法、活性碳吸附法等，其设备均有成套供应。 1 3 课题的背景及意义 1 3 1 课题背景介绍 随着我国制造业的快速发展，电镀产业也有了长足进步，特别是电镀设备制 造业。改革开放前全国几乎没有一家专业的电镀自动线制造厂，用电镀自动线进 行生产的企业也不多，而现在全国则有几十家电镀自动线制造企业。但由于受到 技术、设备、人为管理等因素的影响，国内电镀业仍存在以下问题： 工艺落后，设备简单。由于国内人工成本较低，且大多电镀企业都始建 于八九十年代，受当时技术水平限制，电镀企业普遍投入低，设备落后，工艺不 合理。因此，有相当一部分企业基本上还是沿袭传统的人工操作，工件需要在不 同镀槽间转移，这造成辅料损耗高，污染物产量大，污染物难以处理等问题。同 时生产工艺、设备落后、设备更新速度慢、科技含量低、环保投入不足等因素进 一步加剧了电镀行业高能耗、污染重、工作环境恶劣的困境。一 车间布局不合理，管理系统混乱。电镀生产线是一个复杂的混合型系统， 其附属设备包括行车、电机、过滤设备、加热泵、传感器、抽风系统、转运小车、 整流电源等。目前，很多电镀企业在建造生产线时由于缺乏前期规划，生产线主 要设备及附属设备的布局多以过去经验为依据。因此，车间建成后布局不合理， 生产线柔性差，工件的运送及加工步骤缓慢，即降低了生产效率，同时有加大了 工人劳动强度。 自动化程度低，大量人工干预，产品质量无法保证。当前国内大多数电 镀生产线运的运行模式为：人工上料，人工转运，人工监控温度、p h 值，人工 计时，工艺参数无法准确记录，人工检测镀槽浓度。人工干预无法准确控制各种 参数，必然导致产品质量不稳定。同时，工人也因在生产过程中参与过多的活动 而大大增加了劳动强度，生产效率低下。国内一些先进的电镀企业已开始逐步提 高生产线的自动化程度。例如，由p l c 控制行车转运物料，温度由温控系统自 动控制，p h 值由p h 计实时检测，电镀时间也由控制器控制，工艺参数由工业 计算机通过传感器采集。这些控制方式一定程度上缓解了人工干扰的风险，同时 也降低了工人的劳动强度。 污染严重。一直以来电镀行业与印染业、造纸业并称三大重污染行业。 6 1 绪论 电镀厂所在地周边的河流、地下水系、土壤等都已被严重污染，有的甚至已不适 合居住。近年来，环境保护已越来越受到国人的重视，部分企业在污水处理上投 入了大量人力物力，但仍然无法跟上企业发展速度。污染现象虽有所改善但仍然 严重，污染物不达标排放或泄漏时有发生 1 2 1 3 1 。 从上诉问题可以看出，由于历史及当前科技水平等因素的限制，我国电镀企 业还存在着各种问题。越来越不适应当前电镀种类多样化、工件批量小的变化趋 势。传统的生产模式再也难以适应市场要求，必须研制一种新型的电镀生产线以 适应市场变化。该生产线必须具有较高的自动化程度高，能够适应当前电镀工艺 多、批量小的生产要求，改善车间环境，提高生产效率，降低工人劳动强度等。 本文基于此背景提出开发一套多镀种小批量全自动电镀生产线【6 j 。 1 3 2 课题的来源及问题的提出 贵州某公司是一家专门致力于航天设备紧固件生产的厂家。其产品主要用于 航天、航空设备，因此产品批量小、类型多、加工工序复杂、质量要求高。电镀 作为其产品的最后一道工序，电镀生产线也面临着其产品特殊性的挑战：加工工 艺繁杂，加工工序中存在大量交叉路线，物料从上料到加工完成需要经历的设备 多，不同产品生产周期差异大，主槽占用时间长。 针对其产品的特点及现有生产线的情况，公司高层决定研发一条全新的智能 化全自动电镀生产线。该生产线必须实现良好的车间布局，灵活快捷的工艺管理， 镀槽参数自动控制，顺畅合理的调度系统，工艺数据的实时记录和存储，以达到 对企业资源最佳利用。本课题在研究该公司提出的要求后，决定在现有车间建造 一套多车联合调度、结构优化的直线式自动电镀生产线。通过p l c 技术、工业 计算机技术、现场总线技术、数据库技术等集成一套高效、环保、自动化程度高 的智能化电镀生产线。 1 3 3 课题研究的意义 本课题研发的智能化全自动电镀生产线完全变革传统电镀生产的方式，极大 的减少了人工干预，消除人为因素造成的产品质量问题、提高了劳动生产率、降 低了工人的劳动强度。与传统手工生产相比，该自动线采用控制器控制行车自动 转运物料，产品单工位的时间也由控制器内的计时器完成。电镀生产线的行车自 动控制生产方式的成功之处在于改变传统的手工作业方式，强调从物流层面组织 生产，优化物料转运路径和减少生产过程中影响产品质量的人为因素，从而提高 产品质量、降低生产成本1 1 4 j l l 5 j 。 贵州某公司是一家专为航空航天提供紧固件的制造企业，小批量、多镀种是 其产品的主要特点。大部分工艺在主槽加工时都有重合且主槽加工时间长，造成 重庆大学硕士学位论文 生产瓶颈，严重影响生产效率。各工艺步骤复杂，工序繁多，部分工艺要经历所 有主槽才能完成加工。 本课题以表面处理车间改造项目为研究背景，重点研究在小批量多镀种条件 下对车间布局及生产线控制系统的优化，同时对新生产线的物流体系及行车调度 问题进行设计。研究自动电镀生产线的控制系统，可提高我国电镀行业的自动化 水平，充分利用电镀车间各种资源，实现电镀车间生产合理化、自动化、集成化， 提高企业竞争力。同时，该生产线的完成将是我国电镀生产智能化发展的试验性 建设，探讨未来电镀生产线的发展方向。 1 4 课题主要研究的内容 本课题的研究工作以航天航空紧固件制造企业为背景，为该公司设计开发一 条智能化全自动电镀生产线。文章主要内容包括以下部分： 第一章介绍自动电镀生产线相关知识，研究国内外电镀自动线的研究现状 及课题提出的背景和研究的意义。 第二章在对工艺要求和生产纲领进行分析后，设计生产线布局，设计一套 小批量多镀种电镀生产线的分层控制系统，建立该生产线系统总体设计构架，完 成现场布局设计及控制系统框架设计。 一 第三章建立基于现场总线技术的分层控制结构，实现生产线上多台行车联 合实时调度。研究生产线附属设备的控制方式，如加热、p h 值、槽液浓度、电 机控制、电源控制、液位控制等。同时研究控制器之间的数据通讯方式。 第四章研究系统的软件控制系统，行车调度的实现，控制器编程，现场网 络通信的实现，同时介绍了该系统的人机界面。 第五章研究生产线的故障类型，归纳试运行期间的故障类型，分析其原因， 并找到解决方案，同时编制操作规程保证最低的故障率。根据可靠性理论编写相 关提高生产线运行可靠性的管理方案及实施计划。 第六章总结全文相关研究内容，提出其中的优缺点，为自动电镀生产线的 发展提出定的建议。 2 小批量多镀种自动电镀生产线的整体设计 2 小批量多镀种自动电镀生产线的整体设计 2 1 电镀产品生产过程分析 2 1 1 生产线需求分析及生产纲领 根据公司目前的产品供应需求，该生产线的设计能力应满足：镀锌加工能力 约为1 0 0 吨年；镀镉加工能力约为1 0 0 吨年；镀银加工能力约为2 4 吨年；阳 极化加工能力约为l o o 吨年；其他( 镍、铜、锌镍合金) 约4 3 吨年，详细生 产纲领如表2 1 所示。每周工作五天，两班工作制，全年工作2 5 4 天，详细的工 作方式及运行时间如表2 2 所示。 表2 1 年生产纲领 t a b l e 2 1y e a rp r o d u c t i o np r o g r a m 序号镀种镀层厚度( 岬)日产量吨年产量屯材料 注：自动线生产产品规格为2 2 0 ，m 2 m 2 0 ，且数量较多。 表2 2 工作方式及年运行时间 ! 生! 宝圣：婴型2 12 堡垡i 2 翌磐垒呈坚翌堕2 12 鬯壁2 翌! 坠呈 序号 名称工作性质或环境类别 每鬻作时鬻i 挈基数班 根据产品的生产需求，厂方对生产线提出以下要求： 为适应当前的生产需要，该套控制系统必须能够简易设置各镀槽的控制参 数，如温度、通电时间、滚筒转速等。产品批号、工序编号、产品名称、产品规 9 重庆大学硕士学位论文 格、产品数量、工艺路线、产品材料、操作者姓名等数据能够简单设置，并能够 被保存、查询。计算机界面要能够实时显示镀槽的温度、电流、电压、p h 值、 加工剩余时间、工件当前所在槽及行车当前位置，操作界面还需要有各附属设备 的手动控制按钮。 自动运行需求方面，操作人员上料后，选择预先由工艺人员录入的工艺。计 算机通过对产品的数据处理后，按照设置好的工艺流程及工艺参数将数据传递至 下层控制器，完成各工位参数的实时控制与调节。产品人工上料后，行车自动将 工件吊入电镀槽。以时间为依据，行车将工件吊入指定的工艺槽，完成加工后由 转运小车将其运至下料工位。同时，为不影响生产进度，自动生产出现故障时生 产线要能够切换到手动方式运行。 2 1 2 电镀工艺流程分析 通常整个电镀过程被划分为三个阶段：电镀前处理、电镀加工、电镀后处理， 这三个阶段对产品最终的品质都至关重要。 前处理是整个电镀过程的先导环节，它的任务就是将工件表面处理干净、平 整，为电镀做好准备。电镀是在基体材料与槽液接触的界面间发生的电化学反应， 如果他们接触不良，电极反应很难进行。在金属制件过程中表面可能沾上油污或 形成锈斑、氧化物，这将严重影响电镀过程中电极间的反应。生产实践证明，电 镀生产过程中发生的质量问题，大多数情况都是由基体材料的镀前处理不当造 成。因此，前处理显得尤为重要，其处理方法包括：平整、除油、侵蚀、弱侵蚀 竺d 6 弋丁 。 前处理完成后工件可以进入镀槽加工。电镀的目的是在基材上镀上金属镀 层，改变基材表面性质或尺寸。电镀能增强金属的抗腐蚀性、增加硬度、防止磨 耗、提高导电性、润滑性、耐热性和表面美观。工件放入镀槽通电后，基体通过 镀液与极板产生电化学反应，在基体表面形成一层金属镀层。为了保证镀层质量， 镀液配方、温度、p h 值、电流大小、滚桶转速等参数都必须严格控制。 同样地，电镀后处理是在电镀完成后对工件的一系列处理。刚电镀完的镀层 活性很高，长时间暴露在空气中非常容易与空气反应，从而破坏镀层质量。以此， 镀件在出缸后必须快速进行电镀后处理，以稳固其质量，电镀后处理工艺是根据 电镀层的性能、使用要求、环境影响等因素来选定的，常用的方法有：清洗、干 燥、除氢、抛光、钝化、着色、染色、封闭、防护、涂装、镀液回收和不合格镀 层退除等。后处理虽然重要，但往往易被人忽视，在实际生产中常出故障，甚至 镀层前功尽弃，故应引起有关人员重视【l 6 】【l 。 该生产线完成后主要负责镀铜、镀镍、镀锌、镀锌镍四种主要工艺。 1 0 2 小批量多镀种自动电镀生产线的整体设计 镀铜工艺流程：对于某些与铜离子结合力较差的基体材料，可以现在表 面进行预镀镍或预镀铜来增强表面结合力，其具体流程如图2 1 所示。 镀镍工艺流程：为降低实际的镍镀层厚度，从而降低成本，可在镀镍之 前进行预镀铜。与镀铜工艺一样，预镀铜之前也许进行预镀镍。镀镍工艺包括： 镀暗镍、镀半光亮镍、镀光亮镍。其工艺流程如图2 2 所示。 图2 1 镀铜工艺流程 f i 9 2 1c o p p e rp r o c e s s 纯水洗 _ _ _ _ _ _ j e 一 镀紫铜 图2 2 镀镍工艺流程 f i 9 2 2n i c k e lp r o c e s s 镀锌工艺流程：镀锌分为酸性镀锌和碱性镀锌。由于镀锌完成后其表面 镀层活性大，因此必须马上进行钝化处理以稳固镀层，同时必须将表面的水甩干、 烘干、防止产生锈斑。其流程如图2 3 所示。 图2 3 镀锌工艺流程 f i 9 2 3g a l v a n i z e dp r o c e s s 图2 4 镀锌镍合金工艺 f i 9 2 4g a l v a n i z e dn i c k e l 镀锌镍合金工艺，镀锌镍工艺如图2 4 所示。 从上面4 种主要工艺可以看出，除主槽外，4 种工艺中其他工位所用到的镀 槽基本相同如超声波除油、电解除油、纯水洗、热水洗、甩干、烘干等。同时， 从工厂了解到这些相同镀槽的作用是为了对工件进行镀前处理和镀后清洗，其处 理时间较短，且对于不同镀种，镀槽工艺参数以基本一致。如果每一镀种都建一 条独立生产线，对这些相同设备必然造成资源浪费。然而，主槽的电镀时间通常 很长，有时甚至达8 0 - - 1 2 0 m i n ，且槽液及工艺参数差异很大，这很大程度上制 约了生产线的生产能力。综合以上情况，考虑将所有工艺可能用到的所有镀槽整 墨壅蓄 一，l，l 皇面 墨西耋一 重庆大学硕士学位论文 合到一条生产线上。为解决主槽对生产能力的限制，可增加若干平行单元。由于 现有车间的限制，本文所设计的生产线在整合后被分割为三条直线式生产线，工 件可通过行车和转运小车在线与线之间转运加工。 2 1 3 工艺参数分析 电镀过程是一系列复杂的电化学反应过程，其反应过程中需要所有工艺参数 符合要求才能使镀件达到满意。电镀的工艺参数包括：镀液浓度、电流密度、温 度、p h 值、滚筒转速。这些工艺参数在生产过程中必须能够实时监控和调整， 以满足生产要求【l 引。 为了更好地控制工艺过程，提高产品质量，我们需要弄清各个工艺参数对品 质及槽液性能的影响，现结合质量及生产经验将其总结如下。 槽液浓度：镀液浓度即槽内各离子的浓度，直接影响电化学反应的快慢、 镀层的厚度及质量。因此，槽液浓度需经常检测以保证其在工艺范围内。 电流密度：工件单位表面积上通过的电流称为电流密度。镀槽中的电流 依靠电镀专用的电源提供，它可在镀槽的阴阳两级提供一定的电压、电流和符合 工艺要求的输出波形，具有大电流、低电压的特点。当电流过大时，槽液可能析 出大量氢气，降低电流的利用率。 p h 值：电镀液中的p h 值高低可影响盐溶液的导电性，提高活性，还能 够一定程度提高阴极极化作用，从而获得晶粒较细的镀层。 温度：对于热水槽或清洗槽，保证一定的高温可以使基体表面的杂质被 清洗干净。主槽中保证一定温度可以增强离子的活性、提高盐溶液的溶解度。 处理时间：当电镀工艺中其他参数己基本确定时，可以调节电镀时间来 保证镀层的质量。处理时间是电镀中最主要的参数之一，必须严格控制。 滚筒转速：滚镀中由于待加工工件都较小，堆积在滚筒内会造成镀层不 均匀或烧伤。滚筒转速太慢影响导电率，转速过快可能会使工件之间碰伤。因此， 滚筒转速必须保证在适中的范围内【8 】【1 9 】【2 0 1 。 自动生产线对各参数的控制实际上就是控制器对设备的控制，但不同的工艺 可能对镀槽的参数稍有不同，前面提到该生产线将所有工艺整合到了一条线上， 这就要求控制器必须能够实时和快速地改变镀槽的工艺参数。根据厂方提供的资 料，该生产线主要镀槽的工艺参数如表2 3 所示。 1 2 2 小批量多镀种自动电镀生产线的整体设计 表2 3 镀槽t 艺参数 序号t 艺名称时间( m i n )温度( o c )p h 值转速( r m i n )电流密度槽液成分 l 超声波化学除油 1 0 3 04 0 5 09 9 76 2 4l c x 5 2 2 阳极电解除油 4 1 06 0 8 0 碱性 6 2 43 1 0 氢氯化钠磷酸三钠碳酸钠硅酸钠 3 热水沈 0 5 25 0 6 06 8 自来水 4 三级逆流水洗 0 5 21 0 3 06 8 自来水 5 酸洗 2 51 0 3 0 酸性 6 8 盐酸六次甲基四胺 6 纯水沈 0 5 21 0 3 06 8a 级纯水 7 预镀镍 5 71 0 3 0 酸性 6 2 43 8 氯化镍盐酸 8 预镀铜 5 6 03 0 5 09 5 l l6 2 40 5 2 开缸剂调节剂添加剂 9 镀紫铜 1 0 1 2 03 8 6 09 5 l o6 2 40 2 o 9 焦磷酸铜焦磷酸钾 1 0 碱性镀锌 2 0 1 2 02 0 3 5 碱性 4 80 5 1 5 金属锌氢氧化钠净化剂辅助剂 1 1 碱性镀锌镍合金 3 0 6 02 0 3 0碱性4 80 5 4 氧化锌氢氧化钠l d 5 0 2 5 a l d 5 0 2 5 b 1 2 酸性镀锌2 0 6 05 5 04 8 5 66 1 20 4 l氯化钾氯化锌硼酸c z 0 3 a c z 0 3 b 1 3镀暗镍3 0 8 02 0 4 03 8 4 66 2 41 1 5硫酸镍硫酸镁氯化钠硼酸糖精 1 4 镀半光亮镍3 0 3 55 0 6 03 8 4 66 2 42 5硫酸镍氯化镍硼酸s n 9 2 s n - 9 2 a 1 5 镀光亮镍l o 1 55 0 6 04 o 4 86 2 42 8硫酸镍氯化镍硼酸光亮剂柔软剂 1 6 镀锌低铬彩钝 5 2 0 ( s ) 1 5 3 0l i 5铬酸酐硝酸硫酸 1 7 镀镉低铬彩钝 5 2 0 ( s ) 1 5 3 0 l 1 5 铬酸酉l ：石肖酸硫酸 1 3 重庆大学硕士学位论文 续表2 3 i 序号工艺名称时间( m i n )温度( o c )p h 值转速( r m i n )电流密度槽液成分 1 8锌一镍合金彩钝 5 4 0 ( s ) 4 5 6 01 8 2 2l d 5 8 3 5 a l d 一5 8 3 5 b 1 4 2 小批量多镀种自动电镀生产线的整体设计 2 2 生产线整体布局设计 由于电镀自动生产线的生产能力大，占地面积多，再加上一些辅助设备，即 使只建造一条自动生产线，也是在一个独立的厂房内，即建立一个独立的电镀车 间。电镀车间通常可分为生产部分、辅助部分及生活部分。生产部分根据生产的 产品需要有电镀、前处理、钝化、工件的机械磨光及抛光部分。辅助部分包括零 件库、成品库、污水处理系统、电气控制室，车间化验室等。 车间的平面不止是电镀工艺设计中的一个重要环节，如果布置不当，不但会 浪费投资，还会影响生产效率，造成生产秩序的混乱，产品质量波动和质量下降， 造成质量事故和安全事故，甚至降低生产线的使用寿命2 1 1 2 2 1 。 在进行车间平面布置时，应尽量节省地面面积，做到整齐美观，电镀自动生 产线最好平行与车间外墙排列，这样有利采光和通风。对电镀自动线，除一系列 镀槽、主机和行车之外，还有一系列辅助设备为其配套。这些设施如整流电源、 过滤机、搅拌设备、通风管道等都必须紧挨着自动线放置；又如通风管、上下水 管、过滤、搅拌的管道也要紧贴镀槽安装。这样就造成围绕自动线周围，各类设 备众多，各种管线错综复杂。为能把这众多的设备、管线合理地安置好。目前主 要有四种类型的解决方法：地面加地下室式：地面加侧面二层楼式：三层 楼式；所有装置布置在同一平面上。 目前自动化生产线多采用第二种布置方式，它建设成本低，操作方便。但由 于本课题所涉及的自动生产线是在现有的车间基础上改建，因此车间的结构已经 限制了生产线的布局，所以经多方面考虑只能采用第四种方式【2 】【8 】。 根据厂方提供的现有厂房及其对生产线的需求，该电镀生产线将被整合为3 条自动生产线，包括综合前处理( 滚、挂) 生产线线、综合电镀( 滚、挂) 生产 线、综合钝化吊篮机械手生产线。其中工艺槽为4 5 个，槽位6 0 个，工位6 5 个， 过滤机9 台，硅整流电源设备1 3 台，龙门式行车3 台，运转小车4 台，综合废 气处理设备和含铬废气处理装置l 套，各类规格的滚筒2 0 个，金属吊篮5 个， 甩干机2 台，自动遂道烘箱1 条，公用纯水处理系统，高压无油风机等。物料通 过行车和转运小车在三条生产线之间转运。 对该生产线的整体布局设计如图2 5 所示【2 3 】。 呻汛汁慊淘廿慊高黔h 囫n 5 l刍磐母簿旰飞龄抖画卦勘囫 喇i2n5暑。暑警o ooc臼0plat昌弓8duc缸011一_iloayout dlagra暑 赙皿抖母簿旰潞忖窨磐冷冷泮。爵净瞄潞，申l薄龄，饕妄潞。藩章商辞孓 2 小批量多镀种自动电镀生产线的整体设计 滚镀上料轨道经由上料上车运至前处理线上加工( 加工顺序从左至右：“超声波 除油_ 三级逆流水洗”) ，完成后由行车及转运小车运至电镀线加工，完成所有工 序后从下料轨道下料。有的零件还需进行钝化处理：由吊兰上料小车运至钝化线， 钝化后由烘干隧道的履带出料。生产线镀槽布置及物料走向如图2 6 所示 2 4 1 。 图2 6 自动电镀生产线镀槽布局及物料走向示意图 f i g2 6p l a t i n gs l o tl a y o u ta n dm a t e r i a lf l o w 重庆大学硕士学位论文 图2 7 电镀车间现场图 f i g2 7e l e c t r o p l a t i n gw o r k s h o ps i t el a y o u t 2 3 生产线控制系统设计 传统的自动电镀生产线通常只能固定生产一种工艺且同一时间只能加工一 个滚筒，近年来已部分自动线已可实现加工不同工艺零件或同时加工几个滚筒。 但仍不能同一时间内加工多批次不同工艺的自动线，而这种自动线的控制程序称 为智能程序。智能程序的优点是，不同的工艺能连续运行。但每个工步的时间却 不固定甚至相差甚远。本文所研究的自动电镀生产线正是具备上诉功能的自动生 产线，同时该生产线建成后还必须满足生产