智能環(huán)保自動化—電鍍表面處理設(shè)備制造業(yè)的現(xiàn)狀與展望

石 峰，丁金友，匡 泓，虞敏健，匡優(yōu)新

（無錫星億智能環(huán)保裝備股份有限公司，江蘇無錫 214153）

電鍍技術(shù)在表面處理技術(shù)中有著重要的代表性，在國民經(jīng)濟建設(shè)中有著舉足輕重的地位，是制造業(yè)在生產(chǎn)過程中不可缺少的重要組成部分。隨著電鍍加工需求和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的增長，電鍍生產(chǎn)過程中產(chǎn)污環(huán)節(jié)的管控、復(fù)雜零件的電鍍過程控制、新工藝的應(yīng)用及操作人員的技能提升狀況等制約著電鍍技術(shù)的應(yīng)用，亟待通過設(shè)備功能的數(shù)字化、智能化、信息化集成變革，以達到高效量產(chǎn)、低能耗、低成本、減少人為影響因素的柔性生產(chǎn)控制的目標(biāo)。

1 電鍍表面處理設(shè)備的智能化制造

電鍍設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了手工制作、流水線制造、自動化制造、柔性自動化和集成化制造、并行規(guī)劃設(shè)計及敏捷化制造等階段［1］。

智能化表面處理生產(chǎn)線是將現(xiàn)代智能化技術(shù)用于現(xiàn)代化電鍍設(shè)備制造業(yè)，將傳統(tǒng)表面處理工藝設(shè)備制造技術(shù)應(yīng)用先進的工具方法和最新研究成果，融合、開發(fā)再利用促使電鍍生產(chǎn)設(shè)備制造實現(xiàn)敏捷生產(chǎn)。

電鍍流水生產(chǎn)線通常由行車、機架、槽體、導(dǎo)電、通風(fēng)、管路及輔助設(shè)備等構(gòu)成。生產(chǎn)線的制造就是將諸多部件有機組合的設(shè)計、制造、安裝及調(diào)試的全過程。

傳統(tǒng)電鍍生產(chǎn)線零部件的設(shè)計通常由人工完成，由于其組成復(fù)雜、零部件眾多，通常會存在大量設(shè)計驗證糾錯，或與客戶實際需求參數(shù)選型偏差，導(dǎo)致大量現(xiàn)場安裝更改；制造過程中存在派工單下達、生產(chǎn)周期安排、生產(chǎn)工藝編制、成品檢驗出廠等諸多環(huán)節(jié)，各時間節(jié)點的沖突及工藝隨設(shè)計變更的重復(fù)修改等過程都會造成產(chǎn)品交付周期的延遲和人工與材料成本的增加［2］，造成資源浪費。因此，采用智能化系統(tǒng)應(yīng)用于電鍍生產(chǎn)線設(shè)備的設(shè)計制造全過程，顯得迫在眉睫。

1.1 智能設(shè)計

電鍍生產(chǎn)線零部件參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，采用虛擬樣機技術(shù)、參數(shù)化設(shè)計模塊，解決了大規(guī)模、多種類零部件的電鍍生產(chǎn)線設(shè)計周期長、設(shè)計結(jié)果因人而異的問題，將電鍍零部件設(shè)計中的重復(fù)性工作提取出來，封裝為數(shù)個模塊。如圖1所示，設(shè)計人員只需輸入驅(qū)動尺寸，便可科學(xué)、快速地求得機架、槽體、管系等零部件的最佳結(jié)構(gòu)。適用于電鍍生產(chǎn)線的方案論證、產(chǎn)前優(yōu)化，減少與客戶溝通之間的錯漏。實現(xiàn)快速設(shè)計、指導(dǎo)設(shè)備制造生產(chǎn)，同時進行設(shè)備結(jié)構(gòu)與工藝仿真、現(xiàn)場安裝碰撞驗證等工作（圖2）。可提高設(shè)計效率90%，縮短研發(fā)周期約40%。

圖1 電鍍生產(chǎn)線機架與槽體設(shè)計及仿真軟件Fig.1 Design and simulation software of frame and tank of electroplating production line

圖2 電鍍自動生產(chǎn)線整線虛擬設(shè)計效果Fig.2 Virtual design effect of the whole electroplating automatic production line

1.2 智能化生產(chǎn)制造管理

在設(shè)備的制造過程中，通過PDM 系統(tǒng)的實施，可促進產(chǎn)品數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，改進電鍍設(shè)備制造工廠的生產(chǎn)流程，優(yōu)化控制產(chǎn)品生產(chǎn)和開發(fā)過程，降低產(chǎn)品生產(chǎn)研發(fā)成本［3］。

PDM 系統(tǒng)文檔管理可實現(xiàn)文檔管理、項目管理和BOM 管理功能。在PDM 系統(tǒng)中，各部門可根據(jù)項目分類，將設(shè)備制造中周期中的相關(guān)文檔上傳，技術(shù)人員則將材料BOM 清單和圖紙一起上傳至項目管理文件，系統(tǒng)統(tǒng)一進行存儲、訪問、標(biāo)記和發(fā)放。

PDM 系統(tǒng)零部件管理可以實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理、零部件管理、數(shù)據(jù)接口與集成和報表數(shù)據(jù)管理。PDM 系統(tǒng)可通過樹狀結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品各零部件的結(jié)構(gòu)與屬性進行管理，把產(chǎn)品的設(shè)計、采購、加工制作等工程數(shù)據(jù)與對應(yīng)的零部件之間建立起直接聯(lián)系，定制企業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，避免信息孤島，同時可將數(shù)據(jù)按照預(yù)定格式輸出到EXCEL 中，快速形成用戶需要的數(shù)據(jù)信息。

采用ERP 管理系統(tǒng)可協(xié)助生產(chǎn)制造型企業(yè)建立一個以計劃為核心的制造物流管理和計劃管理體系，建立一個采購管理、委外管理、庫存管理到財務(wù)管理模塊等實現(xiàn)全面的系統(tǒng)集成，實現(xiàn)有效地成本控制機制。

自動化立體倉庫是由高層立體貨架、有軌巷道堆垛機、倉庫控制系統(tǒng)（WCS）、倉庫管理系統(tǒng)（WMS）、PDA 手持設(shè)備控制系統(tǒng)以及其他輔助設(shè)備（托盤、入庫臺、出庫臺等）組成的智能化存儲系統(tǒng)。實現(xiàn)設(shè)備零部件的入庫、出庫、盤點、查詢、等業(yè)務(wù)的全程信息化，提高設(shè)備生產(chǎn)管理水平和工作效率，減少倉儲管理成本；同時通過整合倉儲管理各個環(huán)節(jié)，消除“信息孤島”，減少溝通成本，實現(xiàn)資源的有效配置。

圖3 電鍍設(shè)備零部件自動化立體倉庫Fig.3 Automatic three-dimensional warehouse for electroplating equipment parts

AGV 管理系統(tǒng)可實現(xiàn)自動化立體倉庫和產(chǎn)線質(zhì)檢的貨盤自動輸送和可追溯性管理，配合生產(chǎn)線自動化設(shè)備，最大程度減少庫房內(nèi)部人員需求或?qū)崿F(xiàn)無人化操作。

2 電鍍表面處理設(shè)備的智能環(huán)保自動化設(shè)計與應(yīng)用

我國電鍍企業(yè)分布廣泛，30%在機械制造業(yè)，20%在輕工業(yè)，20%在電子電氣工業(yè)，其余分布在航空、航天及儀器儀表等行業(yè)。除了少部分國有大型企業(yè)、三資企業(yè)及新建的正規(guī)專業(yè)電鍍廠擁有國際先進水平的工藝設(shè)施，大多數(shù)中小型企業(yè)仍然使用簡陋而陳舊的設(shè)備，操作方式以手工操作為主［4］。我國電鍍行業(yè)在污染問題上存在的主要問題包括：

1）電鍍污染治理水平低，有效治理率低。

2）經(jīng)營粗放，原材料利用率低。

近年來，電鍍企業(yè)從實際出發(fā)，積極開發(fā)和推廣低濃度、低污染的電鍍工藝、多級逆流漂洗工藝，電鍍槽（廢）液的線邊凈化與回收技術(shù)，消除和減少污染的產(chǎn)生，應(yīng)用智能環(huán)保自動化設(shè)計技術(shù)開展電鍍表面處理設(shè)備的設(shè)計制造研究。

2.1 鍍液凈化技術(shù)

電鍍過程中，槽液內(nèi)會不斷產(chǎn)生沉淀物或雜質(zhì)，如不能及時去除，將嚴(yán)重影響電鍍質(zhì)量。

傳統(tǒng)的鍍液凈化包括定期倒槽或連續(xù)過濾。對于脫脂、酸洗等清潔度要求不高的溶液，常常采用倒槽過濾方式。但是倒槽過濾的溶液總是呈現(xiàn)較大的周期性波動。而連續(xù)過濾則可以將溶液與過濾機用管路連在一起，構(gòu)成一個閉路循環(huán)，可將鍍液中的固體雜質(zhì)不停的濾去，使鍍液質(zhì)量始終保持在比較理想的水平。

對于鍍液中的可溶性雜質(zhì)，可根據(jù)鍍液特性，設(shè)計離子交換處理裝置，裝置內(nèi)的離子交換樹脂可對鍍液中的雜質(zhì)進行選擇性吸附。

2.2 在線節(jié)水技術(shù)

鍍件清洗是電鍍工藝中的重要環(huán)節(jié)之一，清洗質(zhì)量的好壞對于電鍍工藝的穩(wěn)定性和電鍍產(chǎn)品的外觀、耐腐蝕性等有著重大的影響。盲目減少清洗用水量，可能會造成電鍍過程的質(zhì)量缺陷。因此，有效的清洗應(yīng)該是使用最少的水量得到高質(zhì)量的鍍層。但不少電鍍生產(chǎn)線為了達到清洗質(zhì)量，往往使用大量的流動水清洗，即使沒有鍍件，清洗槽內(nèi)的水也照常流，造成水資源的大量浪費，同時使產(chǎn)生的廢水量大增，人為增加廢水處理經(jīng)濟成本。

應(yīng)用PLC 智能自動控制噴淋起止時間的多級逆流噴淋漂洗，可大量減少清洗水量。此外，還可通過中繼槽與電鍍清洗水在線蒸發(fā)回收系統(tǒng)相連接，可使第一級空槽或清洗槽內(nèi)的水實現(xiàn)藥劑與水的分離，分別回收，實現(xiàn)循環(huán)利用。

2.3 酸洗廢氣回收技術(shù)

酸洗是電鍍前處理的一道重要工序，工作中揮發(fā)的酸液進入空氣中凝結(jié)形成細小的霧滴；酸洗中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成大量氣泡，上浮至液面后也會帶出酸性液滴，就產(chǎn)生了大量的酸洗廢氣。

國內(nèi)外對酸洗廢氣大多采用堿液噴淋吸收法處理，在噴淋塔中向酸性廢氣進行堿液噴淋吸收，從而達到使廢氣凈化最終可達標(biāo)排放的目的。這種方法可以較徹底地處理酸洗廢氣中的酸性成分，但也存在以下缺點：（1）噴淋水及藥劑堿的消耗量非常大；（2）易產(chǎn)生二次污染。通常為了保證廢氣的凈化效果，會采取過量堿液噴淋，因此噴淋吸收后的液體一般會偏堿性，仍需進一步對產(chǎn)生的廢水進行處理；（3）失去回收再利用價值。采用堿液噴淋吸收，采用堿液中和反應(yīng)后，酸液失去回收再利用的價值；（4）需設(shè)立廢氣排氣筒。

應(yīng)用“鹽酸酸洗廢氣循環(huán)回收利用技術(shù)”［5］，逆流提濃酸洗廢氣中的酸霧，形成稀酸，回用于酸洗槽，凈化后的廢氣回用于生產(chǎn)線送風(fēng)，并與排風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成閉路循環(huán)，氣液組分均實現(xiàn)零排放。整個過程不添加額外的化學(xué)試劑，不改變回收酸液的化學(xué)性質(zhì)，得到較高濃度的符合酸洗生產(chǎn)線要求的酸，直接補充到原酸洗槽。沒有廢水產(chǎn)生，有效減輕污水處理設(shè)施的負擔(dān)。凈化處理后的氣相，回用于生產(chǎn)線送風(fēng)，并與排風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成閉路循環(huán)，無排放，無需設(shè)置排氣筒。

3 電鍍表面處理設(shè)備的自動化設(shè)計與應(yīng)用

電鍍生產(chǎn)線是指按一定的電鍍生產(chǎn)工藝要求，將有關(guān)的各種工作槽、電鍍行車運動裝置、電源設(shè)備、循環(huán)過濾裝置、檢測儀器、加熱裝置、空氣攪拌裝置、供水排水、廢氣收集及廢水廢氣處理裝置等組合，是一個由控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的完整系統(tǒng)。采用先進的DCS（分布式控制系統(tǒng)）、變頻技術(shù)、電鍍機器人等，將生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)融入電鍍生產(chǎn)線設(shè)計制造過程中。

3.1 機器人技術(shù)

電鍍機器人包括上下掛機器人和工序間轉(zhuǎn)運機器人，適應(yīng)于鍍件大批量、高精度及作業(yè)環(huán)境惡劣等工況，是目標(biāo)產(chǎn)品柔性生產(chǎn)自動化水平的高效體現(xiàn)。

上下掛機器人解決了柔性制造與生產(chǎn)效率間的矛盾。工序間轉(zhuǎn)運機器人一機多能，高效安全。

3.2 固定程序與柔性程序

根據(jù)不同客戶生產(chǎn)線產(chǎn)品特點，可設(shè)計對應(yīng)的固定程序或柔性程序。前者可根據(jù)客戶提供的工藝參數(shù)，設(shè)計一套或者幾套固定行車行走路線的程序，行車周而復(fù)始的按照指定路線行走。其特點是：各個工位的工藝時間穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，而且在生產(chǎn)工藝允許的條件下，可以由產(chǎn)品工藝參數(shù)控制行車在不同程序間自動切換，不需要人工干預(yù)。而柔性程序則可以由客戶可自定義編輯電鍍工藝流程，任意指定產(chǎn)品需要的加工工位和在各個工位的工藝時間、工作電流、物料添加等工藝要求，產(chǎn)品進入生產(chǎn)線就會按照設(shè)定的工位和工藝參數(shù)加工，行車沒有固定的行走路線，完全根據(jù)產(chǎn)品加工需求自由調(diào)度，特別適合多種工藝產(chǎn)品混合共線生產(chǎn)的情況［6］。

3.3 生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

電鍍生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)包括：行車監(jiān)控系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、整流器控制系統(tǒng)、液位、噴淋、自動調(diào)整加料及輔助設(shè)備等的監(jiān)控系統(tǒng)。可實現(xiàn)動態(tài)顯示生產(chǎn)線實際運行狀態(tài)、DCS 集散參數(shù)控制與管理、整流器的本地或集中控制與自檢維護等功能。

3.4 信息管理系統(tǒng)

利用電子標(biāo)簽系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品可追溯。電鍍產(chǎn)品進入生產(chǎn)線，系統(tǒng)會自動給當(dāng)前產(chǎn)品分配一個唯一生產(chǎn)序號，通過該序號可以實現(xiàn)產(chǎn)品追蹤，通過產(chǎn)品代碼即可自動獲取整個加工過程所需要的工藝參數(shù)，可實現(xiàn)每個產(chǎn)品的生產(chǎn)記錄追蹤。生產(chǎn)線上生產(chǎn)的所有產(chǎn)品都有完整的電子履歷，可以查詢到產(chǎn)品經(jīng)過的各個工位的處理時間，工藝參數(shù)（溫度、PH、電流、電壓）等參數(shù)，數(shù)據(jù)保存在生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，以備永久查詢。

定制各類生產(chǎn)報表。產(chǎn)能分析與設(shè)備OEM：根據(jù)設(shè)備設(shè)計產(chǎn)能及實際產(chǎn)能利用率等數(shù)據(jù)，生成設(shè)備產(chǎn)能利用率報表。各類產(chǎn)品產(chǎn)量報表：匯總?cè)我鈺r間段范圍的各產(chǎn)品產(chǎn)量，生成飛巴數(shù)等信息。報警分析報表：設(shè)備報警記錄匯總分析，各類報警發(fā)生頻次等，為設(shè)備制定維護保養(yǎng)計劃提供數(shù)據(jù)支撐。物料消耗報表：根據(jù)安培小時等參數(shù)折算電鍍線金屬消耗等原材料消耗、水電氣消耗報表，方便進行成本核算。維護保養(yǎng)報表：制定設(shè)備維護保養(yǎng)計劃，如換水計劃，加藥計劃等，設(shè)定保養(yǎng)項目到了該維護保養(yǎng)時報警提醒。

4 總結(jié)與展望

近年來，我國電鍍工業(yè)發(fā)展變化很大，但是，與發(fā)達國家相比還是存在很大的差距，傳統(tǒng)的表面處理設(shè)備制造行業(yè)建立起完善的智能環(huán)保自動化系統(tǒng)，成為企業(yè)轉(zhuǎn)型的重點。隨著對電鍍表面處理設(shè)備的要求不斷提高［7］，研發(fā)和開展智能化、環(huán)?；妥詣踊碾婂兩a(chǎn)線，實現(xiàn)傳統(tǒng)電鍍設(shè)備的轉(zhuǎn)型升級勢在必行。