李 蔚, 丁 汀

(1.河南機電職業(yè)學(xué)院 人文與設(shè)計學(xué)院，河南 新鄭 451191； 2.河南機電職業(yè)學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 新鄭 451191)

?

三價鉻鍍鉻工藝參數(shù)自動化檢測系統(tǒng)設(shè)計

李 蔚1, 丁 汀2

(1.河南機電職業(yè)學(xué)院 人文與設(shè)計學(xué)院，河南 新鄭 451191； 2.河南機電職業(yè)學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 新鄭 451191)

鍍鉻工藝參數(shù)的準(zhǔn)確檢測對鍍層性能非常關(guān)鍵，當(dāng)前的檢測系統(tǒng)對相關(guān)參數(shù)選擇不準(zhǔn)確，對工藝影響較大。提出一種新的鍍鉻工藝參數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計方法，通過實驗分析了硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝材料和工藝參數(shù)特點，分析了pH、電鍍時間和鉻質(zhì)量濃度對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層的影響，確定這三種參數(shù)對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層耐腐蝕性起到的作用。以此為基礎(chǔ)設(shè)計一種智能化參數(shù)檢測系統(tǒng)對硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數(shù)進(jìn)行檢測，主要包括主板模塊、無線個域網(wǎng)(Zigbee)模塊和傳感器模塊，詳細(xì)介紹了各模塊的硬件設(shè)計過程。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅能耗低，實際效果較好。

硫酸鹽三價鉻鍍鉻； 工藝參數(shù)； 自動化檢測

引言

近年來，硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝因環(huán)保和耐腐蝕性高被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，得到快速發(fā)展[1-3]。為了保證硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝的性能，需對影響工藝的參數(shù)進(jìn)行實時檢測，從而有針對性的采取不同的措施提高鍍層性能[4-6]。

文獻(xiàn)[7]提出一種基于CAN和RS485的硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數(shù)自動化檢測方法，該方法檢測點較多，檢測結(jié)果準(zhǔn)確。但在檢測點位置發(fā)生改變的情況下，會造成硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝內(nèi)部電纜發(fā)生錯亂，大大增加了安裝難度，導(dǎo)致成本增加；文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]分別提出峰均功率比、激光掃描方式和MPPT算法對不同的工藝參數(shù)進(jìn)行檢測，方法實現(xiàn)過程簡單。但是這些傳統(tǒng)方法容易受到系統(tǒng)資源與網(wǎng)絡(luò)帶寬限制，無法檢測出其他參數(shù)，檢測結(jié)果不可靠、且系統(tǒng)間互不兼容，導(dǎo)致成本增加，并且實現(xiàn)過程較為復(fù)雜，不適于實際應(yīng)用。

針對上述方法的弊端，提出一種新的鍍鉻工藝參數(shù)自動化檢測系統(tǒng)，選取合適的參數(shù)，設(shè)計一種參數(shù)自動化檢測系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅能耗低，而且具有很高的檢測精度。

2 硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數(shù)的選取

2.1 硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝材料的選取

鈦涂層陽極，尺寸為69.0mm×76.0mm×2.6mm；銅試片陰極，尺寸為115.0mm×61.5mm×0.4mm；試劑為CRSPIRIT 870三價鉻電鍍添加劑，硫酸銅，氧氧化鈉，硫酸，乙醇等。

2.2 實驗環(huán)境設(shè)置

硫酸鹽三價鉻鍍鉻鍍液組成及工藝條件如下。

CRSPIRIT 870A 導(dǎo)電鹽

291g/L

CRSPIRIT 870B 鉻溶液

162mL/L

CRSPIRIT 870C 開缸劑

22mL/L

CRSPIRIT 870W 潤濕劑

2mL/L

總鉻

11g/L

θ

50℃

陰極電流

8A

電壓

12V

pH

4

攪拌

輕微空氣攪拌

2.3 不同參數(shù)對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層的影響

2.3.1 pH對鍍層的影響

將銅試片作底材，依次在pH為3、4、5、6和7的情況下進(jìn)行赫爾槽試驗與方形槽實驗。赫爾槽試驗θ為50℃，t為4min，電流4A。依據(jù)腐蝕電位與腐蝕電流對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層的耐腐蝕情況進(jìn)行判斷，腐蝕電位利用CMB1510腐蝕測量儀進(jìn)行測量。pH對鍍層外觀的影響見圖1。

圖1 pH對鍍層外觀的影響

分析圖1可以看出，當(dāng)溶液中pH逐漸增加時，低電流區(qū)的覆蓋能力也隨之提高。在pH為3的情況下，硫酸鹽三價鉻鍍鉻層色澤相對較暗，低電流區(qū)有陰影；在pH達(dá)到4的情況下，鍍層白亮度在一定程度上有所提高；在pH在4～7范圍內(nèi)時，鍍層色澤沒有出現(xiàn)顯著改變。

表1為pH對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層耐腐蝕性影響結(jié)果。

表1 pH對鍍層耐腐蝕性影響

pHφcorr/VIcorr/mA3-0．4411．314-0．4512．145-0．5530．916-0．5853．287-0．6255．45

分析表1可以看出，隨著pH的逐漸增加，硫酸鹽三價鉻鍍鉻層腐蝕電位負(fù)移，腐蝕電流隨著升高，說明鍍層耐腐蝕性降低。因此pH可作為檢測參數(shù)。

2.3.2 電鍍時間對鍍層的影響

將銅試片作底材，依次在5、10、20、30和50min時刻進(jìn)行方形槽實驗，pH為4，θ為50℃，電流6A。依據(jù)腐蝕電位與腐蝕電流對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層的耐腐蝕情況進(jìn)行判斷。圖2為電鍍時間對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層外觀的影響結(jié)果。

圖2 電鍍時間對鍍層外觀影響

分析圖2可以看出，電鍍t在5～20min范圍內(nèi)時，硫酸鹽三價鉻鍍鉻層的光澤度很好；電鍍t高于30min的情況下，硫酸鹽三價鉻鍍鉻層光澤度在一定程度上有所降低；在電鍍t達(dá)到50min時，硫酸鹽三價鉻鍍鉻層基本沒有光澤度。

表2為電鍍時間對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層耐腐蝕性的影響。

表2 電鍍時間對鍍層耐腐蝕性的影響

t/minφcorr/VIcorr/mA5-0．4511．1410-0．48511．9120-0．5620．2930-0．62439．8850-0．65742．57

分析表2可以看出，在電鍍時間過長的情況下，硫酸鹽三價鉻鍍鉻層耐腐蝕性降低。因此電鍍時間可作為參數(shù)被選取。

2.3.3 三價鉻質(zhì)量濃度對鍍層的影響

銅試片作底材，分別在鉻質(zhì)量濃度為5、10、20和30g/L的情況下進(jìn)行赫爾槽試驗與方形槽實驗。赫爾槽試驗θ為50℃，電流4A，電鍍t為4min；依據(jù)腐蝕電位與腐蝕電流對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層的耐腐蝕情況進(jìn)行判斷。圖3為鉻質(zhì)量濃度對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層外觀的影響。

圖3 三價鉻質(zhì)量濃度對鍍層外觀影響

分析圖3可以看出，在三價鉻質(zhì)量濃度逐漸增高的情況下，低電流區(qū)的覆蓋能力明顯降低。在鉻質(zhì)量濃度為5g/L的情況下，鍍層色澤白亮，覆蓋能力較佳；在鉻質(zhì)量濃度達(dá)到30g/L的情況下，鍍層色澤在一定程度上變得暗淡，覆蓋能力較好。

表3為鉻質(zhì)量濃度對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層耐腐蝕性的影響。

表3 鉻質(zhì)量濃度對鍍層耐腐蝕性的影響

ρ(鉻)/(g·L-1)φcorr/VIcorr/mA5-0．59913．9910-0．45112．1420-0．47617．5630-0．52822．85

分析表3可以看出，當(dāng)鉻質(zhì)量濃度大于20g/L時，腐蝕電位負(fù)移，腐蝕電流增加，說明當(dāng)前鍍層耐腐蝕性降低。

分析上述過程可知，pH、電鍍時間和鉻質(zhì)量濃度對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層耐腐蝕性起到關(guān)鍵的作用。因此，對上述硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數(shù)進(jìn)行自動化檢測具有重要意義，下面進(jìn)行詳細(xì)的分析。

3 硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數(shù)自動化檢測系統(tǒng)設(shè)計

所設(shè)計的硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數(shù)自動化檢測系統(tǒng)主要由主板模塊、Zigbee模塊和傳感器模塊構(gòu)成。

3.1 主板模塊設(shè)計

主板模塊為設(shè)計的硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數(shù)自動化檢測系統(tǒng)的核心，本節(jié)主板模塊選用的主頻為80MH的32位單芯片微控制器(8051單片機)，其型號為PIC32MX795F512L，其電路圖如圖4所示。

圖4 主板模塊電路圖

立板模塊選用的PIC32MX795F512L單芯片微控制器內(nèi)置512 Kbyte Flash、以太網(wǎng)控制器等硬件。以上述硬件資源為基礎(chǔ)，主板上擴(kuò)展了各種接口，使PIC32MX795F512L處理器能夠提供強大的信號處理能力。除此之外，PIC32MX795F512L處理器還內(nèi)置時鐘模塊，能夠?qū)α蛩猁}三價鉻鍍鉻時間進(jìn)行檢測。

3.2 Zigbee模塊設(shè)計

Zigbee模塊主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)不同采集節(jié)點和節(jié)點間的無線連接。由于硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數(shù)檢測過程中所需采集節(jié)點數(shù)量較多，工作時間較長，在分簇子網(wǎng)內(nèi)使用Zigbee模塊可有效降低采集節(jié)點功耗和成本，提高系統(tǒng)性價比。Zigbee模塊電路如圖5所示。

圖5 Zigbee模塊電路圖

Zigbee模塊核心芯片選用MRF24J40MA，其支持Zigbee協(xié)議，傳輸速率很高，完全滿足系統(tǒng)要求。

3.3 傳感器電路設(shè)計

傳感器選型主要考慮硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數(shù)檢測要求、傳感器功耗、測量精度等因素。在所設(shè)計的系統(tǒng)中，硫酸鹽三價鉻鍍鉻鍍液pH選用傳感器SHT75進(jìn)行檢測，硫酸鹽三價鉻鍍鉻鍍液中鉻質(zhì)量濃度選用傳感器T6004進(jìn)行檢測?？倐鞲衅麟娐啡鐖D6所示。

圖6 傳感器電路圖

4 實驗結(jié)果分析

為了驗證本文提出的硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數(shù)自動化檢測方法的有效性，需要進(jìn)行相關(guān)的實驗分析。實驗將聚簇規(guī)則集方法和小波變換方法作為對比進(jìn)行測試。

4.1 能耗測試

采用本文的系統(tǒng)對硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數(shù)進(jìn)行自動化檢測，不同類節(jié)點能耗情況如表4所示。其中第1類節(jié)點用于參數(shù)傳輸，第2類節(jié)點用于參數(shù)處理，第3類節(jié)點用于參數(shù)采樣，第4類節(jié)點用于參數(shù)存儲。

表4 不同節(jié)點能耗

t/d不同節(jié)點電池電量/%第1類節(jié)點第2類節(jié)點第3類節(jié)點第4類節(jié)點0100100100100309583728160897558649083693345

分析表4可以看出，隨著時間的推移，第1類節(jié)點消耗了總電能的17%，第2類節(jié)點消耗了總電能的31%，第3類節(jié)點消耗了總電能的67%，第4類節(jié)點消耗了總電能的55%，電池均未消耗完畢，說明本文系統(tǒng)能夠連續(xù)工作3個月以上，能耗較低。

4.2 參數(shù)檢測精度測試

本節(jié)將檢測誤差作為衡量參數(shù)檢測精度的指標(biāo)，檢測誤差就是錯誤檢測值與真實值之差。圖7描述的是本文方法、聚簇規(guī)則集方法和小波變換方法對硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝中鍍液pH的檢測誤差比較結(jié)果。

圖7 三種方法pH檢測誤差比較

分析圖7可知，聚簇規(guī)則集方法和小波變換方法的檢測誤差曲線波動較大，且一直高于本文方法，而本文方法的檢測誤差低于0.3，說明對鍍液pH有很高的檢測精度。

圖8為本文方法、聚簇規(guī)則集方法和小波變換方法對硫酸鹽三價鉻鍍鉻鍍液鉻質(zhì)量濃度檢測誤差比較結(jié)果。

圖8 三種方法鉻質(zhì)量濃度檢測誤差比較結(jié)果

分析圖8可以看出，采用本文設(shè)計系統(tǒng)的方法對硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝中鍍液鉻質(zhì)量濃度進(jìn)行檢測，得到的檢測誤差低于0.4g/L，而聚簇規(guī)則集方法和小波變換方法的檢測誤差明顯高于本文方法，說明本文方法有很高的檢測精度。

5 結(jié) 論

提出了一種新的硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數(shù)自動化檢測方法，介紹了硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝材料和工藝參數(shù)，分析了pH、電鍍時間和鉻質(zhì)量濃度對硫酸鹽三價鉻鍍鉻鍍層的影響，發(fā)現(xiàn)三種參數(shù)對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層耐腐蝕性起到重要的作用。設(shè)計一種參數(shù)自動化檢測系統(tǒng)對硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數(shù)進(jìn)行檢測，主要包括主板模塊、Zigbee模塊和傳感器模塊，詳細(xì)介紹了各模塊的硬件設(shè)計過程。實驗結(jié)果表明，該方法不僅能耗低，而且具有很高的檢測精度。

[1] 王超,周長虹.全硫酸鹽常溫三價鉻鍍鉻工藝[J].電鍍與涂飾,2015,(7):396-400.

[2] 呂志,周長虹.常溫下硫酸鹽體系三價鉻鍍鉻工藝[C]//全國轉(zhuǎn)化膜及表面精飾學(xué)術(shù)年會論文集.南寧：中國表面工程協(xié)會轉(zhuǎn)化膜專業(yè)委員會，2014：111-114.

[3] 羅小平.復(fù)合配體對硫酸鹽三價鉻電沉積的研究[D].重慶:重慶大學(xué),2014.

[4] 舒莉,劉小華,魏喆良.甲酸鹽三價鉻電鍍工藝的研究[J].表面技術(shù),2014,43(2):83-88.

[5] 桂志剛,陸利新,明志發(fā),等.全自動晶圓電鍍系統(tǒng)軟件開發(fā)[J].機械制造,2015,53(4):22-25.

[6] 胡興彬,李益華.基于形狀參數(shù)的車型快速分類方法研究[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2015,34(4):79-83.

[7] 湯一平,黃磊磊,嚴(yán)杭晨,等.輕量級的全息道路交通狀態(tài)視覺檢測的研究[J].計算機科學(xué),2014,41(5):308-314.

[8] 焦亞萌,崔琳.基于峰均功率比的多目標(biāo)檢測方法性能分析[J].西安工程大學(xué)學(xué)報,2014，28(5):608-613.

[9] 張東,余朝剛.基于激光掃描的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測方法研究[J].計算機測量與控制,2016,24(1):57-60.

[10] 任濤,錢銀,沈孝龍,等.太陽能發(fā)電檢測系統(tǒng)中MPPT算法的優(yōu)化與單片機的實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程,2014,22(7):102-105.

Design of Process Parameters Automatic Detecting System for Trivalent Chromium plating

LI Wei1, DING Ting2

(1.School of Humanities and Design,Henan Mechanical and Electrical Vocational College,Xinzheng 451191,China; 2.School of Information Engineer,Henan Mechanical and Electrical Vocational College,Xinzheng 451191,China)

Accurate detection of chromium plating process parameters is critical to the coating performance,the current detection system is not accurate to the related parameters selection,which influences the process greatly.In this paper,a new design method of chromium plating process parameters detecting system was put forward.Through experiments，the plating material and process parameters of sulfate trivalent chromium plating were analyzed,the influences of pH,plating time and chromium mass concentration on the coating were studied,and the effects of these three parameters on corrosion resistance of the coating were confirmed.Based on the above，a new intelligent parameter detecting system was designed for sulfate trivalent chromium plating process parameters detection,including motherboard module,Zigbee module and sensor module,and each module hardware design process was introduced in detail.Experimental results showed that the system not only had low energy consumption,but also had better actual effects.

sulfate trivalent chromium plating; process parameters; automatic detection

2016-06-27

2016-07-28

國家自然科學(xué)基金(60883239)

10.3969/j.issn.1001-3849.2016.12.008

TP274.5

A