全自動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)電鍍機(jī)的設(shè)計(jì)

朱 俊，唐靜，岳東海

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能裝備學(xué)院，江蘇常州 213164）

隨著電子整機(jī)產(chǎn)品向小、輕、薄的方向發(fā)展，制造電子整機(jī)產(chǎn)品所需的電子元器件如電阻、接插件等也在急速發(fā)展。在這些電子元器件的制造過(guò)程中，電鍍作為賦予元件表層功能性的最后環(huán)節(jié)至關(guān)重要［1］。片式電子元器件兩端覆蓋有燒結(jié)形成的銀，為了使得電子元器件具有良好的可焊性和耐焊性，要求電鍍時(shí)在銀的表面鍍錫，但銀與錫金屬相互腐蝕，有必要在銀與錫之間建立一層“隔離層”，這層鍍層為鎳金屬，所以電子元器件需要先鍍鎳再鍍錫［2］。本文所開(kāi)發(fā)的電鍍機(jī)能實(shí)現(xiàn)在一個(gè)旋轉(zhuǎn)筒內(nèi)按照先后順序鍍上不同的金屬鍍層，且不會(huì)相互摻雜。PLC 控制，觸摸屏顯示，全自動(dòng)電鍍，一鍵完成所有電鍍過(guò)程，正常情況不需要人為干預(yù)。

1 整體設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

全自動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)電鍍機(jī)采用立式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 全自動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)電鍍機(jī)的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of automatic high-speed rotary electroplating machine

顆粒狀的被鍍電子元器件4 置于電鍍旋轉(zhuǎn)筒1的底部，為增強(qiáng)導(dǎo)電性需摻入一定比例的導(dǎo)電球，旋轉(zhuǎn)筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)8 驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)電機(jī)的急停、急轉(zhuǎn)使得被鍍的電子元器件反復(fù)崩塌攪拌，保證電鍍的均勻一致［3］。為保證電鍍流程封閉，設(shè)計(jì)有旋轉(zhuǎn)筒外罩2，氣缸控制開(kāi)合。電鍍整流電源14的負(fù)極通過(guò)電刷7連接至旋轉(zhuǎn)筒中安裝的陰極給電環(huán)5，電鍍整流電源的正極連接陽(yáng)極16。電鍍Ni 層時(shí)，通過(guò)擺動(dòng)氣缸插入Ni 陽(yáng)極臂。電鍍Sn 層時(shí)，通過(guò)擺動(dòng)氣缸插入Sn 陽(yáng)極臂。為保證在同一個(gè)旋轉(zhuǎn)筒中，按照先后順序鍍上不同的金屬鍍層，電鍍機(jī)設(shè)計(jì)有Sn 鍍液循環(huán)槽12、Ni 鍍液循環(huán)槽10，液位傳感器15 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)筒中的液位，當(dāng)液位過(guò)低時(shí)，啟動(dòng)鍍液循環(huán)泵9 或13，通過(guò)管路3 將鍍液從鍍液循環(huán)槽12、10輸送至旋轉(zhuǎn)筒，從而在陽(yáng)極臂、被鍍物和陰極給電環(huán)之間形成了電鍍回路。旋轉(zhuǎn)筒的高速旋轉(zhuǎn)將電鍍液從排液過(guò)濾環(huán)6 中甩出，最終通過(guò)排液管17收集在相應(yīng)的鍍液循環(huán)槽中，實(shí)現(xiàn)鍍液的循環(huán)利用。電鍍機(jī)還設(shè)計(jì)有排水槽11 供排水使用。排液切換電機(jī)18 負(fù)責(zé)將排液管插入Sn 鍍液循環(huán)槽12、Ni鍍液循環(huán)槽10和排水槽11三者中的一個(gè)。

1.2 電鍍工藝設(shè)計(jì)

為保證Ni 離子與Sn 離子在同一個(gè)旋轉(zhuǎn)筒中電鍍不摻雜，需要通過(guò)嚴(yán)密的電鍍工藝設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2 所示，電鍍工藝流程包括水洗、鍍Ni、鍍Sn 三種，所謂“流程”指的是一系列包含電鍍旋轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、加減速時(shí)間參數(shù)設(shè)置以及各種電磁閥、氣控液閥動(dòng)作還有電鍍整流電源電流大小、電量積算值等各種參數(shù)設(shè)定的組合［4］。

圖2 電鍍工藝流程圖Fig.2 Electroplating process flow chart

在鍍Ni（Sn）前后都設(shè)計(jì)有水洗流程，但流程工藝參數(shù)不同，可以由用戶根據(jù)電鍍零件的類(lèi)別分別設(shè)定。“補(bǔ)鍍”是指電鍍過(guò)程中，抽樣電鍍零件，使用X-射線熒光測(cè)厚儀檢測(cè)鍍層厚度，決定是否需要加鍍［5］。

由于水洗、鍍Ni 和鍍Sn 三種工藝流程部分環(huán)節(jié)是相同的，每一種子流程的流程工藝參數(shù)都可以根據(jù)被電鍍電子元器件的類(lèi)別分別設(shè)定。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

首先是控制系統(tǒng)類(lèi)型選擇，由圖2 的控制要求可知，本電鍍機(jī)為典型的時(shí)序控制系統(tǒng)，未涉及大量的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算，綜合考慮系統(tǒng)可靠性，選擇可編程邏輯控制器（PLC）作為本項(xiàng)目的控制系統(tǒng)［6］。

由于本項(xiàng)目涉及到較多的氣缸電磁閥、氣控液閥，還有氣缸到位接近開(kāi)關(guān)，Sn 鍍液循環(huán)槽和Ni 鍍液循環(huán)槽的液位開(kāi)關(guān)，I/O 點(diǎn)較多，因此采用中大型的模塊化PLC，本項(xiàng)目使用的是三菱Q 系列PLC，CPU 模塊選用的是Q02UCPU。電氣控制板如圖3所示，控制系統(tǒng)選型結(jié)果如表1 所示。CC-link 總線連接框圖如圖4所示。

圖3 電氣控制板Fig.3 Electrical control panel

圖4 CC-link總線連接框圖Fig.4 CC link bus connection block diagram

表1 控制系統(tǒng)選型結(jié)果Tab.1 Selection results of control system

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 CC-link總線參數(shù)設(shè)置

利用GX Works2 編程軟件進(jìn)行PLC 程序編寫(xiě)前，首先進(jìn)行CC-link總線參數(shù)的設(shè)置。參數(shù)設(shè)置內(nèi)容與CC-link 總線主站與從站間傳輸?shù)淖止?jié)多少以及從站類(lèi)型相關(guān)，主站給從站發(fā)送的數(shù)據(jù)包括工藝參數(shù)設(shè)定以及對(duì)于從站的控制指令［8］。最終設(shè)定的CC-link總線參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

圖5 CC-link總線參數(shù)設(shè)置Fig.5 CC-link bus parameter setting

2.2.2 旋轉(zhuǎn)筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器參數(shù)設(shè)置

旋轉(zhuǎn)筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)承載被鍍電子元器件高速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)RH、RM、RL 信號(hào)完成1～7 七段速的選擇，RT 信號(hào)完成1～2 加減速時(shí)間的選擇，這些信號(hào)由主站CPU 通過(guò)CC-link 總線下達(dá)。具體參數(shù)設(shè)定如表2所示。

表2 旋轉(zhuǎn)筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器參數(shù)Tab.2 Frequency converter parameters of rotating drum drive motor

2.2.3 PLC程序的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目涉及的電鍍機(jī)控制功能復(fù)雜，濕潤(rùn)、小水洗、脫泡、脫水、電鍍子流程組合成水洗、鍍Ni、鍍Sn工藝流程，5 個(gè)子流程需要被反復(fù)調(diào)用，但工藝參數(shù)不同，適合采用結(jié)構(gòu)化編程的方法［9］，程序總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 電鍍機(jī)PLC程序總體結(jié)構(gòu)Fig.6 Overall structure of PLC program of electroplating machine

2.2.4 PLC與觸摸屏的接口

本電鍍機(jī)配置了12.1 英寸的大屏觸摸屏，方便用戶配置各工藝流程、各工藝子流程的參數(shù)，以適應(yīng)不同類(lèi)別不同規(guī)格的電子元器件的電鍍，觸摸屏濕潤(rùn)子流程工藝參數(shù)輸入畫(huà)面如圖7所示。

圖7 濕潤(rùn)子流程工藝參數(shù)輸入畫(huà)面Fig.7 Process parameter input screen of wet sub process

大量的工藝參數(shù)存放在觸摸屏變量中，每個(gè)工藝子流程都可以配置10 組參數(shù)，使用1-10 進(jìn)行編號(hào)，即圖7中的“No”列的數(shù)字，用戶配置某種電子元器件的電鍍參數(shù)時(shí)，直接選擇參數(shù)號(hào)即可，這樣電鍍相同電子元器件時(shí)，參數(shù)設(shè)置可以重復(fù)使用。PLC程序運(yùn)行時(shí)，需要根據(jù)用戶選擇的參數(shù)號(hào)，將觸摸屏變量中存放的參數(shù)值傳輸至PLC 變量，PLC 變量作為FB 塊的輸入，最終通過(guò)CC-link 總線下發(fā)指令至變頻器、電鍍電源等完成工藝參數(shù)的執(zhí)行。

以下以水洗FB 塊中濕潤(rùn)FB 塊的調(diào)用為例，詳解濕潤(rùn)工藝參數(shù)的傳輸流程，如圖8 所示。各軟元件的分配如表3所示。

圖8 濕潤(rùn)工藝參數(shù)傳輸流程圖Fig.8 Transmission process chart of wet process parameters

PLC 程序和觸摸屏腳本之間通過(guò)D3301.0 請(qǐng)求標(biāo)志位、D3303.0 應(yīng)答標(biāo)志位完成了握手對(duì)接，觸摸屏腳本將圖7 中用戶配置參數(shù)號(hào)所對(duì)應(yīng)的t1_濕潤(rùn)、t2_濕潤(rùn)、t3_濕潤(rùn)等工藝參數(shù)賦值給表3中所對(duì)應(yīng)的軟元件，完成了工藝參數(shù)的傳輸。如圖9 所示為工藝參數(shù)傳輸PLC程序。

圖9 工藝參數(shù)傳輸PLC程序Fig.9 Transmission PLC program for process parameter

表3 軟元件分配Tab.3 Soft component allocation

觸摸屏腳本部分內(nèi)容如下：

觸摸屏收到濕潤(rùn)工藝參數(shù)請(qǐng)求

每組濕潤(rùn)工藝參數(shù)首地址計(jì)算

將觸摸屏變量傳輸至PLC變量

清除請(qǐng)求

3 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目研發(fā)的電鍍機(jī)經(jīng)工程實(shí)際應(yīng)用，與傳統(tǒng)滾鍍方式相比性能指標(biāo)優(yōu)勢(shì)明顯［10］。

實(shí)踐證明，全自動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)電鍍機(jī)效率高、電鍍均勻一致性好、對(duì)環(huán)境更為友好，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。未來(lái)可通過(guò)搬運(yùn)小車(chē)連接自動(dòng)干燥裝置組成被鍍電子元器件的自動(dòng)上下料系統(tǒng)，將進(jìn)一步提高本電鍍機(jī)的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，必將產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。