張明強(qiáng)，李晶，趙海洋，于守洋，趙祖鳴

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

在工業(yè)技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程中，電刷鍍一直是一項(xiàng)被廣泛研究和應(yīng)用的技術(shù)［1-5］。由于空間和資金等一系列因素的限制，目前實(shí)驗(yàn)室內(nèi)小型工件的電刷鍍裝置依然存在著一系列的問題。鄧鷹飛等人［6］設(shè)計(jì)的嵌入智能控制系統(tǒng)的高效節(jié)能刷鍍機(jī)床和王宗雄等人［7］概述的當(dāng)前現(xiàn)有刷鍍?cè)O(shè)備，表明不同設(shè)備之間所刷鍍工件的尺寸差異較大，不適用于實(shí)驗(yàn)室工作環(huán)境；滾鍍［8］、吊鍍等較大規(guī)模的電鍍方式對(duì)設(shè)備的要求比較高，同樣不適用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)小型工件的電鍍。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究對(duì)金屬表面電刷鍍的精密性和靈活性要求，通常科研人員采取手工電刷鍍方法。但此方法有幾個(gè)缺點(diǎn)：①手工電刷鍍過程中產(chǎn)生有害氣體會(huì)危害操作者的健康；②長(zhǎng)時(shí)間手工操作造成刷鍍不穩(wěn)定、刷鍍效率低，影響鍍層質(zhì)量；③手工電刷鍍工藝完全依賴于體力勞動(dòng)并造成鍍液的浪費(fèi)。由于存在上述缺點(diǎn)，刷鍍效果通常難以滿足實(shí)驗(yàn)室中對(duì)電刷鍍安全性、穩(wěn)定性、高效性與節(jié)約性等方面的要求。探索和開發(fā)高效率、低成本的自動(dòng)化電刷鍍裝置對(duì)滿足實(shí)驗(yàn)需求有重要意義。本文介紹的基于80C51單片機(jī)控制的電刷鍍裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)電鍍液的自動(dòng)循環(huán)和鍍件的自動(dòng)刷鍍與清洗過程，有效降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和鍍液消耗，對(duì)上述問題有一定改良。

1 方案規(guī)劃與模型

1.1 方案規(guī)劃

電刷鍍是根據(jù)電化學(xué)原理，利用攜帶鍍液的陽(yáng)極鍍筆，使金屬離子在電場(chǎng)力的作用下在陰極工件表面發(fā)生還原沉積，并形成金屬涂層的工藝過程。操作人員通常采用有機(jī)絡(luò)合物的金屬鹽溶液作為鍍液，啟動(dòng)電源，并手持陽(yáng)極鍍筆，使其與被鍍陰極工件表面相互接觸并進(jìn)行相對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；電刷鍍結(jié)束后，為避免工件表面殘留液對(duì)加工表面產(chǎn)生影響，還需要及時(shí)使用清洗液進(jìn)行沖洗。

擬解決手工電刷鍍易造成鍍液浪費(fèi)的問題，關(guān)鍵思路之一是設(shè)計(jì)合理的鍍液循環(huán)路線；在此基礎(chǔ)上，如果把清洗過程中清洗液的流動(dòng)路線與鍍液循環(huán)路線進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，則可以簡(jiǎn)化整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而降低制造成本和縮小設(shè)備占用空間。對(duì)此，本文參考上述假設(shè)和思路，提出結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單且緊湊的設(shè)計(jì)方案，其中鍍液和清洗液的流動(dòng)路線如圖1所示，該設(shè)計(jì)方案可實(shí)現(xiàn)鍍液的循環(huán)使用，同時(shí)，通過對(duì)電磁閥開閉的控制，使電刷鍍裝置工作槽能夠充當(dāng)被鍍工件的沖洗槽，縮小電刷鍍裝置所占空間。

圖1 鍍液與凈水流動(dòng)路線示意圖

圖1中受控部分包括兩個(gè)微型液泵和兩個(gè)電磁閥，該部分各元件在操作流程中不同時(shí)刻的開閉狀態(tài)如表1所示。

表1 受控部分開閉狀態(tài)表

鍍液的循環(huán)過程由鍍液儲(chǔ)槽、微型液泵、鍍筆、塑料軟管、工作槽和電磁閥等部分實(shí)現(xiàn)。鍍液經(jīng)微型液泵輸送，進(jìn)入鍍筆內(nèi)部，隨著鍍筆的移動(dòng)，源源不斷地刷涂到工件表面并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，殘余液體在工作槽內(nèi)匯集后經(jīng)過鍍液循環(huán)路線中的電磁閥，回流至鍍液儲(chǔ)槽中，至此完成一次鍍液的循環(huán)利用。

自動(dòng)沖洗過程由清洗液儲(chǔ)槽、微型液泵、塑料軟管、工作槽、電磁閥、廢液槽和萬(wàn)向管等部分實(shí)現(xiàn)。清洗液由微型液泵泵入塑料軟管后，進(jìn)入萬(wàn)向管并從其漸縮形管口噴出，將工件表面的殘余鍍液沖洗干凈，沖洗后的廢液經(jīng)過自動(dòng)清洗路線中的電磁閥回流至廢液槽內(nèi)。

采用水平直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)替代手工電刷鍍操作可以很大程度地減少操作者體力消耗。本文采用步進(jìn)電機(jī)［9］驅(qū)動(dòng)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)效果方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)平面工件的電刷鍍工藝要求。方案特點(diǎn)：滿足所需功能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造。實(shí)驗(yàn)室工件樣品的尺寸值相對(duì)機(jī)構(gòu)的行程較小，且刷鍍時(shí)僅要求鍍筆保持較低移動(dòng)速度（0～0.1 m/s），鍍筆與工件接觸相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程，鍍筆速度變化量較小［10］，這樣可以保證電刷鍍工件表面鍍層厚度的均勻性。為了最大限度地開發(fā)電刷鍍裝置使用效果，考慮設(shè)計(jì)中添加圓柱面電刷鍍功能，采用圓柱面工件繞圓柱軸線勻速回轉(zhuǎn)，而鍍筆保持固定不動(dòng)方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)圓柱面工件電刷鍍工藝要求。

1.2 三維模型構(gòu)建

電刷鍍裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在上述方案規(guī)劃基礎(chǔ)上進(jìn)行的。首先，在Autodesk Inventor軟件中確定裝置整體框架模型；然后，依據(jù)自上向下的三維模型設(shè)計(jì)理念，將整體框架模型逐步分割成多個(gè)實(shí)體；最后，進(jìn)行細(xì)節(jié)特征創(chuàng)建，優(yōu)化并完成整個(gè)裝置的三維模型構(gòu)建［11］。

圖2為平面刷鍍機(jī)構(gòu)模型，主要分為兩部分：進(jìn)液孔、電鍍棒和電鍍頭組成鍍筆部分；步進(jìn)電機(jī)、連桿、曲柄和滑軌組成運(yùn)動(dòng)部分。刷鍍時(shí)，平面工件固定不動(dòng)，而鍍筆在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊下做水平直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)平面工件刷鍍。圖3為曲面刷鍍機(jī)構(gòu)模型，由三爪卡盤、減速器、支座和無(wú)極調(diào)速電機(jī)組成。刷鍍時(shí)，鍍筆保持固定不動(dòng)，使用三爪卡盤裝卡圓柱面工件，無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)所夾持工件繞減速器輸出軸勻速回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圓柱面工件刷鍍。設(shè)計(jì)中對(duì)刷鍍臺(tái)桌面進(jìn)行合理化布置，矩陣鍵盤、顯示屏和電機(jī)的控制器等集中在無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)兩邊空白區(qū)域，便于實(shí)驗(yàn)人員操作、表面沉積情況觀察和工作區(qū)的清潔保養(yǎng)；同時(shí)，對(duì)控制區(qū)采取了防水措施，有效避免滴落液體對(duì)控制系統(tǒng)造成損害。

圖2 平面刷鍍機(jī)構(gòu)

圖3 曲面刷鍍機(jī)構(gòu)

1.3 電刷鍍工藝流程

電刷鍍的基本工藝流程包括：一般機(jī)械預(yù)處理→化學(xué)預(yù)處理→鍍工作層→鍍后處理［12］。機(jī)械預(yù)處理是保證鍍層與工件表面結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)鍵工序，工件表面應(yīng)光滑平整，無(wú)油污、無(wú)銹斑和氧化膜，可使用砂紙打磨、丙酮清洗等。化學(xué)預(yù)處理包括電凈處理和活化處理，其中電凈處理即在通電的情況下，用鍍筆浸沾電凈液反復(fù)擦抹待鍍工件表面，從而達(dá)到除油脫脂的目的?；罨瘎t是通過電解刻蝕和化學(xué)腐蝕作用，除去表面氧化層、疲勞層，露出金屬基體表面［13］。

本刷鍍裝置主要設(shè)計(jì)應(yīng)用于鍍工作層工序，適用于平面工件與圓柱面工件。當(dāng)平面工件刷鍍時(shí)，將預(yù)處理過的待鍍工件位置固定，選擇平面電鍍頭裝于電鍍棒上，安裝完畢，啟動(dòng)電源，廢液閥打開，設(shè)定好時(shí)間參數(shù)，廢液閥關(guān)閉，鍍液閥開啟，這時(shí)鍍液泵通過進(jìn)液孔將鍍液供給鍍筆。通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)，曲柄帶動(dòng)連桿滑塊在滑軌上做水平直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。此時(shí)鍍筆接電源正極，被鍍工件接電源負(fù)極，通過電場(chǎng)作用，鎳離子在工件表面還原沉積成鍍層。而圓柱面工件刷鍍時(shí)，則將預(yù)處理過的待鍍工件固定于三爪卡盤上，并選擇與之相匹配的電鍍頭裝于電鍍棒上，工作時(shí)保持鍍筆固定不動(dòng)，而工件隨三爪卡盤勻速回轉(zhuǎn)即可。

有規(guī)律的機(jī)械運(yùn)動(dòng)代替人工手動(dòng)刷鍍，得到鍍覆厚度均勻、鍍層質(zhì)量良好的工件。待設(shè)定刷鍍時(shí)間結(jié)束后，曲柄步進(jìn)電機(jī)或三爪卡盤無(wú)極調(diào)速電機(jī)停止，鍍液泵和鍍液閥關(guān)閉，清洗泵和廢液閥開啟，對(duì)刷鍍完畢工件進(jìn)行沖洗，15秒后，清洗泵關(guān)閉，待裝置槽內(nèi)廢液排出后，關(guān)閉電源，取下電刷鍍完畢的工件，準(zhǔn)備進(jìn)行下一步的工件鍍后處理。

2 控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

電刷鍍裝置的控制系統(tǒng)主要以80C51單片機(jī)為核心硬件，附加輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。采用這種控制方案的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）80C51單片機(jī)從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，稱為位處理器，處理對(duì)象不是字或字節(jié)而是位。不但能對(duì)單片機(jī)內(nèi)部某些特殊功能寄存器的某位進(jìn)行處理，如傳送、置位、清零、測(cè)試等，還能進(jìn)行位的邏輯運(yùn)算，其功能十分完備，使用較為方便［14］。

（2）實(shí)驗(yàn)室電刷鍍工作不同于工業(yè)大型化生產(chǎn)，其對(duì)控制系統(tǒng)硬件運(yùn)算速度、存儲(chǔ)容量和抗干擾能力等性能要求相對(duì)較低，80C51單片機(jī)和PLC等控制器均可滿足性能需求，但是從成本控制角度分析，采用80C51單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的硬件核心可以大幅降低成本。

晶體振蕩器作為單片機(jī)最小系統(tǒng)的一部分，它與單片機(jī)內(nèi)部電路結(jié)合，產(chǎn)生時(shí)鐘頻率，改變單片機(jī)運(yùn)行速度，時(shí)鐘頻率越高，運(yùn)行速度越快。系統(tǒng)根據(jù)單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率執(zhí)行一切指令。設(shè)計(jì)選用頻率為12 MHz晶體振蕩器作為單片機(jī)的振蕩源；使用自定義鍵號(hào)矩陣鍵盤作為輸入設(shè)備；采用LCD1602液晶顯示屏與四路24 V光耦隔離繼電器驅(qū)動(dòng)電路作為輸出設(shè)備。在Altium Designer軟件中繪制硬件連接電路原理圖（部分），如圖4所示。

圖4 電鍍系統(tǒng)總電路原理圖

操作者通過矩陣鍵盤完成電刷鍍時(shí)間參數(shù)的編輯和輸入，為了方便操作者進(jìn)行操作，對(duì)矩陣鍵盤的按鍵進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)如圖3所示。顯示屏用作實(shí)時(shí)顯示輸入的參數(shù)和刷鍍時(shí)間，便于操作人員隨時(shí)查看刷鍍進(jìn)度。本設(shè)計(jì)采用了體積小、重量輕、接口簡(jiǎn)單可靠而且操作方便的LCD1602顯示屏作為顯示設(shè)備。

單片機(jī)本身不具備驅(qū)動(dòng)繼電器負(fù)載的能力，這里通過外置驅(qū)動(dòng)電路的方法實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對(duì)負(fù)載的間接控制。單片機(jī)上電之后運(yùn)行程序，倒計(jì)時(shí)完畢后，光耦隔離繼電器驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)單片機(jī)輸出端口的電位狀態(tài)對(duì)主電路進(jìn)行即時(shí)通斷控制。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)電源電壓一般為AC 220 V，通過變壓器轉(zhuǎn)換為DC 24 V，實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路供電。80C51單片機(jī)的供電電壓為DC 5 V，對(duì)此，需要在控制電路與變壓器之間添加一個(gè)DC 24 V轉(zhuǎn)換為DC 5 V的降壓模塊，即可實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路共用同一電源。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

程序流程圖是進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的最基本依據(jù)，它的質(zhì)量直接關(guān)系到程序設(shè)計(jì)的質(zhì)量。程序設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是從功能需求出發(fā)，依據(jù)上述規(guī)劃的電刷鍍方案制定程序框圖，為程序編寫提供依據(jù)。本程序設(shè)計(jì)的主流程圖如圖5所示，體現(xiàn)整個(gè)控制流程。

圖5 主程序流程圖

程序流程如下：

（1）根據(jù)開啟狀態(tài)表內(nèi)容，分別初始化兩個(gè)微型液泵的工作狀態(tài)和兩個(gè)電磁閥的開閉狀態(tài)，裝置進(jìn)入刷鍍工作準(zhǔn)備狀態(tài)。

（2）程序?qū)r(shí)間設(shè)定分為三檔：時(shí)鐘、分鐘、秒鐘，電刷鍍操作者按下set鍵后通過矩陣鍵盤分檔進(jìn)行刷鍍時(shí)間的設(shè)定，設(shè)定工作結(jié)束后按下enter鍵將數(shù)據(jù)送入單片機(jī)程序。

（3）按下start鍵后廢液閥關(guān)閉，鍍液閥開啟，鍍液泵工作，裝置進(jìn)入鍍液循環(huán)過程，隨著鍍筆的往復(fù)刷鍍，鍍液按照指定路線循環(huán)輸送。

（4）單片機(jī)進(jìn)行刷鍍倒計(jì)時(shí)，LCD1602顯示屏實(shí)時(shí)顯示時(shí)間進(jìn)度。

（5）計(jì)時(shí)結(jié)束后，鍍液泵停止循環(huán)輸送，鍍液閥關(guān)閉，廢液閥開啟，清洗泵工作開始自動(dòng)清洗過程。

（6）自動(dòng)清洗過程持續(xù)15秒后，工件沖洗完成，清洗泵關(guān)閉，清洗過程自動(dòng)停止。

（7）受控部分恢復(fù)到初始狀態(tài)，廢液閥保持開啟，使得槽內(nèi)刷鍍廢液繼續(xù)排除，流入廢液槽直至全部流走。

（8）關(guān)閉電源。

依據(jù)程序流程圖使用KeiluVision4軟件，編寫、調(diào)試、優(yōu)化單片機(jī)控制程序，原程序創(chuàng)生HEX文件編譯無(wú)誤后，將其載入到Proteus7Profes?sional軟件［15］繪制的仿真電路圖中，四組繼電器分別控制鍍液循環(huán)路線中的鍍液泵、鍍液閥，自動(dòng)清洗路線中的清洗泵、廢液閥。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

3.1 電路原理仿真

仿真第一階段：開始運(yùn)行仿真，軟件在電路中模擬單片機(jī)上電情況，如圖6所示。繼電器瞬時(shí)響應(yīng)，第一、二、三組繼電器不吸合，第四組繼電器吸合，如圖6（a）所示，仿真結(jié)果符合預(yù)期要求。

仿真第二階段：點(diǎn)擊屏幕中模擬矩陣鍵盤，進(jìn)行時(shí)間設(shè)定，數(shù)字顯示屏可即時(shí)反饋輸入信息，便于核對(duì)校正。完成時(shí)間設(shè)定后，點(diǎn)擊start按鈕，屏幕進(jìn)入倒計(jì)時(shí)，第一、二組繼電器吸合，第三、四組繼電器不吸合，如圖6（b）所示，仿真結(jié)果符合預(yù)期要求。

仿真第三階段：電刷鍍倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，自動(dòng)沖洗開始，第一、二組繼電器不吸合，第三、四組繼電器吸合，如圖6（c）所示，仿真結(jié)果符合預(yù)期要求。

圖6 電路仿真

仿真第四階段：裝置對(duì)工件表面殘余鍍液沖洗工作結(jié)束后，四組繼電器恢復(fù)初始狀態(tài)，即第一、二、三組繼電器不吸合，第四組繼電器吸合，如圖6（d）所示，仿真結(jié)果符合預(yù)期要求。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述設(shè)計(jì)內(nèi)容，對(duì)加工制造出電刷鍍樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。設(shè)置以電刷鍍方式為單一變量的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證電刷鍍裝置設(shè)計(jì)具備實(shí)用性。設(shè)定電刷鍍樣機(jī)裝置，電刷鍍時(shí)間t=10 min，刷鍍電壓為12 V；手工電刷鍍的刷鍍時(shí)間和電壓與樣機(jī)自動(dòng)刷鍍參數(shù)相同。

電刷鍍實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)試樣件表面靜態(tài)接觸角狀態(tài)，如圖7所示，其中圖7（a）為手工電刷鍍樣件，圖7（b）為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)電刷鍍樣件，兩種電刷鍍樣件表面涂層均勻致密性相近、靜態(tài)接觸角狀態(tài)相似。通過接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)兩種方式電刷鍍實(shí)驗(yàn)樣件表面進(jìn)行實(shí)際靜態(tài)接觸角特征測(cè)試，結(jié)果為手工電刷鍍實(shí)驗(yàn)樣件表面靜態(tài)接觸角平均為143°［16］，而電刷鍍樣機(jī)刷鍍樣件表面靜態(tài)接觸角平均為142°，表明兩種方式獲得涂層表面疏水性能效果相近。

圖7 電刷鍍樣件表面接觸角狀態(tài).

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文設(shè)計(jì)的基于80C51單片機(jī)的電刷鍍裝置進(jìn)行電刷鍍操作可達(dá)到與手工電刷鍍表面相近的鍍層質(zhì)量和潤(rùn)濕性能，進(jìn)而預(yù)期可以替代手工勞動(dòng)及克服手工受人為因素影響大的缺點(diǎn)。

4 結(jié)論

（1）采用80C51單片機(jī)為控制機(jī)的電刷鍍裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)，易于加工制造，成本低廉，適用于普通實(shí)驗(yàn)室電刷鍍工作場(chǎng)合。

（2）本裝置可以完成普通平面電刷鍍和圓柱面電刷鍍，根據(jù)工件形狀更改適配電鍍頭，靈活性好，操作方便，滿足更多的電刷鍍需求。

（3）仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，這種裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)可以達(dá)到手工電刷鍍相近的質(zhì)量要求，進(jìn)而替代手工勞動(dòng)，且在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，電刷鍍質(zhì)量比手工更加穩(wěn)定，減少人為因素對(duì)鍍層質(zhì)量影響，因此具有一定使用價(jià)值。