涂層電極自動涂覆系統(tǒng)設(shè)計及涂覆均勻性研究

董高彬，丁武學(xué)，潘準(zhǔn)峰

（1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.宜興恩創(chuàng)環(huán)保有限公司，江蘇 宜興 214200）

1 引言

鈦基涂層電極的生產(chǎn)過程中，對鈦基表面進(jìn)行化學(xué)修飾是最重要的一道工序，工業(yè)生產(chǎn)中通常使用熱氧化法進(jìn)行涂層電極的制備。熱氧化法是將貴金屬鹽溶液涂覆于鈦基板表面，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)固化成膜，該方法工藝簡單，適合進(jìn)行電極的大批量生產(chǎn)。溶液的涂覆過程是整個生產(chǎn)流程中核心的一道工序，涂覆質(zhì)量對電極的使用壽命有著決定性影響，要求涂膜均勻平整，五次涂覆、烘干后電極增重0.3mg/cm2?？紤]到生產(chǎn)成本及溶液特性等因素，行業(yè)內(nèi)多由人工進(jìn)行溶液的涂覆，自動化程度較低、涂膜質(zhì)量控制較為困難、工作繁瑣生產(chǎn)效率也不高，加之溶液中含有濃鹽酸等揮發(fā)性成分，工人工作環(huán)境惡劣，公司對裝備升級、實(shí)現(xiàn)電極的自動化生產(chǎn)愿望迫切。

本課題研究了基于PLC的鈦基涂層電極自動涂覆系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電極板夾持、翻轉(zhuǎn)、溶液涂覆等操作，這里將對該涂覆系統(tǒng)進(jìn)行說明［1-6］。

2 涂覆系統(tǒng)工作原理

生產(chǎn)中所需進(jìn)行的溶液涂覆的電極是的薄板類零件，如圖1所示。經(jīng)過激光切割、拋丸、清洗等前處理后，反復(fù)進(jìn)行溶液的涂覆、烘干與燒結(jié)，直至鈦基增加的質(zhì)量達(dá)到既定要求。

圖1 電極形狀示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Electrode Shape

該涂覆系統(tǒng)分為涂覆樣機(jī)與控制系統(tǒng)兩部分，能夠?qū)崿F(xiàn)電極板的涂覆、翻轉(zhuǎn)等功能，其工作原理為上料→A面涂覆→翻轉(zhuǎn)→B面涂覆→下料。

涂覆樣機(jī)啟動時，首先把待涂的鈦基板人工放置于上料工位的托架中，按下啟動按鈕，氣動夾爪夾緊電極，并將電極運(yùn)輸至涂覆工位；與電極等寬的羊毛刷下降至合適位置，注入溶液潤濕毛刷并完成電極A面的涂覆；然后底部托架和毛刷分別移開，氣動夾爪夾持電極翻轉(zhuǎn)；托架上升重新支持電極，羊毛刷潤濕并完成B面溶液的涂覆；最后由氣動夾爪夾持電極運(yùn)輸至下料工位，松開電極完成落料。

涂覆系統(tǒng)由PLC實(shí)現(xiàn)全自動控制與管理，該系統(tǒng)不僅可以完成既定的生產(chǎn)任務(wù)，而且允許工人根據(jù)實(shí)際情況或不同的生產(chǎn)需要，自行調(diào)節(jié)溶液注入量、溶液涂刷次數(shù)、走刷速度等參數(shù)，以期在提高生產(chǎn)效率的同時減少出錯率與殘次品。

3 涂覆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

涂覆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上主要由升降托架、毛刷空間運(yùn)動機(jī)構(gòu)、夾持翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、注液模塊、廢氣回收裝置以及機(jī)架六部分組成，具體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 涂覆樣機(jī)示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Coating Prototype

3.1 升降托架

升降托架主要由氣缸、導(dǎo)柱、托架等組成，起支撐電極的作用，避免涂覆過程電極所受剪切力過大致使電極彎折。托架上設(shè)計有上下料工位和涂覆工位兩個工位，如圖3所示。托架使用圓頭立柱通過點(diǎn)接觸的方式對電極進(jìn)行支撐以盡量減少托架對涂膜質(zhì)量的影響；為避免托架干涉電極的翻轉(zhuǎn)，托架由氣缸驅(qū)動升降。

圖3 托架平面圖Fig.3 Plan of Brackets

3.2 毛刷空間運(yùn)動機(jī)構(gòu)

毛刷空間運(yùn)動機(jī)構(gòu)主要由毛刷、毛刷架、滑臺、驅(qū)動板、氣缸以及導(dǎo)柱等構(gòu)件組成，如圖4 所示。毛刷寬度略大于電極板寬度，毛刷柄中埋有硬塑料材質(zhì)的通液管，為平衡流量通液管出口打有中間大兩頭小的小孔。毛刷只需具有兩個自由度，分別為X方向和Z方向的直線運(yùn)動。掛有羊毛刷的毛刷架在直線運(yùn)動單元的驅(qū)動下在滑臺上往復(fù)運(yùn)動完成溶液的涂覆；上下料過程以及電極完成單面涂刷需要翻轉(zhuǎn)時，氣缸帶動固定有水平滑臺的驅(qū)動板沿導(dǎo)柱上下運(yùn)動，以免對電極的運(yùn)動產(chǎn)生干涉。

圖4 毛刷空間運(yùn)動機(jī)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Brush Space Motion Mechanism

3.3 夾持翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

夾持翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由標(biāo)準(zhǔn)復(fù)動型氣缸、導(dǎo)柱、氣動夾爪、平動架、旋轉(zhuǎn)氣缸等構(gòu)件組成。裝在平動架上的平行夾爪設(shè)計有卡槽，上料后長夾爪不動，與電極短邊等長的短夾爪在氣缸的作用下推出并夾緊，電極板嵌入卡槽，由氣缸帶動平動架沿導(dǎo)柱方向?qū)㈦姌O運(yùn)輸至涂覆工位；與電極寬度等長的長夾爪通過回轉(zhuǎn)盤與旋轉(zhuǎn)氣缸連接，電極完成A面的溶液涂覆后，旋轉(zhuǎn)氣缸帶動電極翻轉(zhuǎn)，進(jìn)行B面溶液的涂覆；最后，平動架推出至下料工位，短夾爪松開完成落料。

3.4 注液模塊

本系統(tǒng)中選擇德國西派克公司生產(chǎn)的螺桿泵為毛刷注液，其流量和精度都可滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的使用要求，根據(jù)液體粘度以及腐蝕性情況，計量泵中接觸液體的部分應(yīng)采用合適的耐腐蝕材料。螺桿泵通過軟管與毛刷通液管相連接，每涂刷一面，螺桿泵都會為毛刷定量地注入溶液潤濕。

3.5 廢氣回收裝置

電極生產(chǎn)過程中涂覆所使用的溶液的主要溶劑為濃鹽酸，極易揮發(fā)出氯化氫氣體，強(qiáng)烈刺激人體的眼睛與呼吸道粘膜，對車間工人的健康造成危害。系統(tǒng)搭建完成后，使用PVC板設(shè)計合適尺寸的外罩對其進(jìn)行封閉。外罩前端留有推拉門用于工人上下料；后側(cè)開孔，使用抽風(fēng)機(jī)進(jìn)行換氣，并將廢氣排至處理裝置，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)后排放。氯化氫在水中的溶解度相當(dāng)大，本系統(tǒng)擬采用噴淋塔通過水吸收法處理酸性廢氣。

4 控制系統(tǒng)

涂覆系統(tǒng)可以采用多種方式進(jìn)行控制，如單片機(jī)或PLC控制。相較于硬件設(shè)計比較復(fù)雜的單片機(jī)控制各，PLC控制器具有程序編寫簡單，選型和使用比較方便，系統(tǒng)可靠性與工業(yè)應(yīng)用穩(wěn)定性較高等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用西門子PLC控制，采集各開關(guān)和觸摸屏等信號的輸入，輸出信號去控制氣缸、電機(jī)等硬件。核心控制單元采用S7-200系列的CPU224，外圍配備所需的中間繼電器、行程開關(guān)、電源等器件，使用觸摸屏進(jìn)行生產(chǎn)過程中相關(guān)工藝參數(shù)的設(shè)置，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)［7-8］，如圖5所示。綜合考慮系統(tǒng)的工作特性對I/O地址進(jìn)行分配，程序中需要10個輸入點(diǎn)、6個輸出點(diǎn)，其中8 個輸入點(diǎn)分別用于底部托架、毛刷、毛刷架、平動架的限位，兩個輸入點(diǎn)用于設(shè)備的啟?？刂?；6個輸出點(diǎn)則用于控制工作面升降、平動架移動、注液、夾持、翻轉(zhuǎn)、毛刷運(yùn)動等動作，為保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，I/O分配時充分地留有了余量。使用組態(tài)軟件編寫上位機(jī)程序操作簡單并且有利于程序的二次開發(fā)；使用觸摸屏進(jìn)行運(yùn)動參數(shù)設(shè)定、顯示運(yùn)行實(shí)時狀況，可將改變的參數(shù)如走刷速度、溶液注入量等參數(shù)輸入控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，極大地提高了涂覆系統(tǒng)的適應(yīng)性。

圖5 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.5 System Hardware Structure Drawing

根據(jù)涂覆系統(tǒng)的控制要求，在編程時將程序分為，主程序、初始化子程序、伺服電機(jī)運(yùn)動子程序。按下啟動按鈕后調(diào)用初始化子程序，完成開機(jī)動作；電極運(yùn)輸至涂覆工位后調(diào)用伺服電機(jī)運(yùn)動子程序完成溶液的涂覆，通過改變走刷速度、走刷次數(shù)等參數(shù)以使溶液包覆均勻，涂覆樣機(jī)的控制系統(tǒng)流程圖，如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)流程圖Fig.6 Flow Chart of Control System

5 涂覆均勻性研究

5.1 試運(yùn)行結(jié)果

該自動涂覆系統(tǒng)在車間中進(jìn)行了調(diào)試，進(jìn)行數(shù)加工、裝配好各機(jī)構(gòu)，為方便調(diào)試，直觀地監(jiān)測涂覆系統(tǒng)的工作狀況，廢氣處理裝置暫未安裝，投入生產(chǎn)后會將該系統(tǒng)封閉，涂覆樣機(jī)，如圖7所示。次涂覆動作后，在溶液足量的條件下，仍無法完全潤濕毛刷，毛刷出現(xiàn)分叉問題，涂覆效果，如圖8所示。涂覆質(zhì)量不佳。

圖7 涂覆樣機(jī)現(xiàn)場圖Fig.7 Field Drawing of Coating Prototype

圖8 樣機(jī)試運(yùn)行涂覆效果圖Fig.8 Painting Effect of Prototype Test Run

5.2 毛刷潤濕情況影響因素的分析

使用SolidWorks軟件建立毛刷內(nèi)部流場模型，導(dǎo)入ICEM劃分網(wǎng)格后，利用FLUENT軟件對毛刷內(nèi)部流場進(jìn)行模擬仿真。網(wǎng)格劃分情況，如圖9所示。設(shè)置通液管始端為速度進(jìn)口，毛刷尾部為溶液的漫流出口。設(shè)定調(diào)試過程中注液量為5ml每次，單程走刷需要6.9s時間，結(jié)合通液管直徑6mm，簡單計算可得出進(jìn)口速度0.025m/s。

圖9 毛刷網(wǎng)格劃分情況Fig.9 Brush Meshing

可近似地將毛刷的羊毛部分定義為多孔介質(zhì)模型，視其由相互貫通的孔洞構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過設(shè)置粘性阻力和內(nèi)部阻力系數(shù)來表征這些孔洞可滲透性的好壞。溶液經(jīng)由通液管流入羊毛部分，將毛刷潤濕后由毛刷尾端流出，由于羊毛刷具有毛細(xì)管效應(yīng)加上重力的影響，顯然毛刷縱向溶液滲透率較高，設(shè)置合適的粘性阻力和內(nèi)部阻力系數(shù)進(jìn)行仿真［9-10］。

仿真得到毛刷內(nèi)部流場速度矢量，如圖10所示。與涂覆樣機(jī)試運(yùn)行結(jié)果一致，僅有少量溶液能夠流動至通液管的兩端，導(dǎo)致毛刷潤濕不均勻，兩端開叉，影響涂覆質(zhì)量。

圖10 試運(yùn)行時毛刷內(nèi)部流場速度矢量圖Fig.10 Velocity Vector Diagram of Brush Internal Flow Field During Trial Operation

為改善毛刷的潤濕情況，以提高電極生產(chǎn)過程中的涂覆均勻性，對具有不同形狀尺寸通液管的毛刷在不同注液速率情況下的流場情況進(jìn)行模擬仿真，研究毛刷結(jié)構(gòu)以及注液速率等工藝參數(shù)對毛刷潤濕情況的影響，為實(shí)際生產(chǎn)過程中涂膜厚度、涂層質(zhì)量分析等相關(guān)工作提供參考。

保持通液管結(jié)構(gòu)尺寸不變，將進(jìn)口速度增加至0.05m/s 和0.08m/s時，毛刷內(nèi)部的流場情況，如圖11所示。對比10圖可知，增加溶液注入量、增加進(jìn)口速度可明顯改善毛刷兩端潤濕情況。然而因毛刷較寬，在羊毛的毛細(xì)管作用與重力作用影響下，大部分溶液于毛刷中部流出，長通液管中溶液速度梯度較大，毛刷潤濕不均。并且，溶液注入量增加后，大量溶液無法完全在鈦基表面附著，過多溶液易使涂層流掛、發(fā)花，且涂料利用率降低，增加了工廠生產(chǎn)成本。生產(chǎn)中需根據(jù)電極的實(shí)際生產(chǎn)要求，結(jié)合電極表面涂層厚度等參數(shù)，方可酌情增加溶液注入量。

圖11 改變進(jìn)口流量時流場速度矢量圖Fig.11 Vector Diagram of Flow Field Velocity When Changing Inlet Flow Rate

保持溶液進(jìn)口速度不變，將通液管與羊毛部分連接處細(xì)管直徑由1.2mm縮小至0.8mm，此時速度矢量圖，如圖12所示。溶液由于粘性流動不暢，加之羊毛刷作為多孔介質(zhì)產(chǎn)生的速度阻力，溶液滲入羊毛刷速度變緩，更多溶液得以流向兩側(cè)，將毛刷兩端潤濕。

圖12 縮小連接處細(xì)管直徑時速度矢量圖Fig.12 Vector Diagram of Velocity as Diameter of Thin Tube at Junction is Reduced

保持其他條件不變，增加新的通液管進(jìn)行分流后，流體域內(nèi)速度情況，如圖13所示。長通液管中溶液分布較為均勻，速度梯度較小。

圖13 增加通液管進(jìn)行分流時速度矢量圖Fig.13 Add the Velocity Vector Diagram of The Pipette for Diversion

綜上，為解決因毛刷潤濕不均、分叉而導(dǎo)致的涂層質(zhì)量不佳的問題，可通過增加新的通液管分流，并將通液管與毛刷連接處短管直徑縮短至0.8mm，生產(chǎn)時將單側(cè)溶液注入量增加至7ml，為更好表征涂層均勻性，在溶液中混入適量墨汁并攪拌均勻，涂覆效果，如圖14所示。

圖14 優(yōu)化后涂覆效果Fig.14 Optimized Coating Effect

實(shí)驗(yàn)中以單次涂覆電極增加質(zhì)量來表征涂層厚度，使用電子天平分別稱量涂覆前和涂覆烘干過后電極質(zhì)量可知，單次涂覆電極增加60.7mg，反復(fù)涂刷數(shù)次后驗(yàn)證得誤差不超過5%，完全滿足涂層厚度要求。

在溶液內(nèi)混入墨汁，烘干后以電極表面涂層的色差值表征電極涂覆的均勻程度，在電極表面任取五點(diǎn)，將其中一點(diǎn)設(shè)置為標(biāo)樣，使用精密色差儀測量其他四個樣本點(diǎn)與標(biāo)樣點(diǎn)之間的色差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。表中色差值ΔE的計算方法為：

表1 涂層表面色差值Tab.1 Coating Surface Chromatosis Difference

式中：ΔE—色差值，NBS；Δl—明亮度差值；Δa—紅綠色差；Δb—黃藍(lán)色差。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，涂層表面色差值最大值僅為0.51NBS，肉眼感官看完全均勻平整，僅能分辨出極輕微差別，涂層均勻情況良好。

6 結(jié)語

該鈦基電極自動涂覆系統(tǒng)能夠完成預(yù)期的涂覆任務(wù)，與傳統(tǒng)的由工人人工涂刷相比，設(shè)備完成單塊電極的正反兩面涂覆僅需一分四十秒左右，有效地提高了電極的涂覆效率；工人僅需完成上下料操作，減少了與腐蝕性涂料的直接接觸，改善了工人的工作環(huán)境，利于后續(xù)實(shí)現(xiàn)電極的自動化生產(chǎn)；且涂膜較為均勻，涂料用量精確，涂層質(zhì)量更高，顯著提高了產(chǎn)品價值。