CC BY
13
УДК 658
ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАРКАСНОГО ФИГУРНОГО АНОДА, СОСТОЯЩЕГО ИЗ СПИЦ - АНОДОВ
Работа выполнена под руководством доктора технических наук, профессора Литовки Ю.В.ТГТУ, Кафедра «Системы автоматизированной
поддержки принятия решений»
Литовка Юрий Владимирович
Профессор, доктор технических наук
Тамбовский государственный технический университет,
valeriiskvorcov1998@gmaH.com
Скворцов Валерий Игоревич, Хворов Вадим Александрович,
Магистранты, Тамбовский государственный технический университет
В данной статье представлен анализ работ, авторы которых провели исследования, связанные с модернизацией оборудования и гальванических процессов, по различным критериям равномерности. Предложен новый способ нанесения гальванического покрытия - использование фигурного анода, состоящего из спиц анодов. Рассмотрена возможность оптимального управления данным процессом по критерию равномерности, с помощью изменения геометрии анода, посредством перемещения спиц - анодов.
Ключевые слова: гальваника, гальванический процесс, оптимизация, алгоритм, исследование, математика, электролит, анод, фигурный анод, спиц - анод, исследование.
OPTIMAL CONTROL OF THE GALVANIC PROCESS USING A FRAME SHAPED ANODE CONSISTING OF SPOKES - ANODES
Litovka Yuri Vladimirovich
Professor, Doctor of Technical Sciences Tambov State Technical University, valeriiskvorcov1998@gmail.com
Skvortsov Valery Igorevich,
Khvorov Vadim Alexandrovich,
Undergraduates, Tambov State Technical University
This article presents an analysis of the works, the authors of which conducted research related to the modernization of equipment and galvanic processes, according to various uniformity criteria. A new method of electroplating is proposed - the use of a figured anode consisting of spokes of anodes. The possibility of optimal control of this process by the criterion of uniformity, by changing the geometry of the anode, by moving the spokes - anodes is considered.
Keywords: electroplating, galvanic process, optimization, algorithm, research, mathematics, electrolyte, anode, shaped anode, spoke - anode, investigation.
Потенциал современного Дальнейшее развитие гальванооборудования
гальванического оборудования давно исчерпан связано с оптимизацией, автоматизацией
с точки зрения увеличения существующих процессов или же
производительности и улучшения изобретением новейшего оборудования,
качественных показателей покрытия.
способного объединить в себе два предыдущих условия.
Ниже представлен анализ результатов работ, авторы которых провели исследования, связанные с модернизацией оборудования и гальванических процессов.
ИЛ
Управление напряжениями на неподвижных анодах многоанодной ванны (рис. 1) с целью повышения равномерности покрытия рассмотрено в работах [1, 3].
Рис 1. Многоанодная гальваническая ванна
В обоих случаях используется подключение всех анодов к одному источнику тока (т.е. одинаковые значения напряжений на всех анодах). В авторском свидетельстве [3] лазерным датчиком измеряется текущая толщина покрытия в различных точках детали. При достижении заданной толщины покрытия на каком-либо участке детали, секция анода, расположенная напротив этого участка, отключается от источника питания. Таким образом была реализована обычная схема автоматического регулирования с обратной связью. В исследовании [1] предложена система оптимального управления равномерностью наносимого покрытия путем поочередного включения плоских секций мозаичного анода. При этом, равномерность гальванического покрытия рассчитывается с использованием математической модели распределения электрического поля в объеме гальванической ванны. Очевидным недостатком такого подхода является снижение производительности ванны в п раз, где п - количество секций анода.
В работах [2, 4, 5] решается задача управления расположением независимых анодов многоанодной ванны для достижения наилучшей равномерности покрытия, при этом в [2] распределение плотности тока на поверхности детали измеряется с помощью лазера, а в [4, 5] осуществляется сканирование деталей ультразвуковыми датчиками, для определения их формы. Здесь, как в работе [3] предложена система автоматического регулирования с обратной связью.
Общим недостатком запатентованных в [2, 3, 4, 5] решений является допущение о
влиянии каждой секции анода только на участок детали, расположенный
непосредственно напротив данной секции. В то же время реальное распределение электрического поля показывает влияние каждой секции на всю поверхность детали [6, 7]. Кроме того, недостатком рассмотренных технических решений, является сложность использования лазерных и ультразвуковых датчиков.
Проанализировав вышеперечисленные работы, можно выделить следующие недостатки:
- Слабо изучен вопрос управления гальваническими процессами в многоанодных гальванических ваннах
- Из-за различных допущений, невозможно точно предсказать результаты реальных гальванических процессов
- Использование множества сложных датчиков, требующих дополнительной настройки и затрат на обслуживание
- Использование технически сложных анодов
Таким образом, научную и практическую проработку вопроса оптимального управления оборудованием для проведения гальванических процессов нельзя считать удовлетворительной.
В данной работе предложен совершенно новый подход к нанесению гальванических покрытий - ванна с каркасным фигурным анодом, состоящим из спиц - анодов (рис. 2).
Рис 2. Ванна с каркасным фигурным анодом, состоящим из спиц - анодов
1. Гальваническая ванна
2. Катод. Деталь
3. Каркасный фигурный анод, состоящий из спиц - анодов
4. Спица - анод
Каркасный анод (рис. 2) состоит из металлических спиц круглого сечения, закрепленных на токонепроводящих пластинах (полипропилен, фторопласт и т. п.). В каждую пластину встроен сервопривод, позволяющий регулировать расстояние между пластиной и спицей, тем самым, меняя геометрию катода.
Преимуществами данного подхода
являются:
Простота Возможность
изменения
геометрии катода
- Надежность оборудования
- Высокая точность нанесения гальванических покрытий
- Дешевизна (в сравнении с ранее рассмотренными подходами)
Цель работы - снижение неравномерности покрытия путём
использования каркасного фигурного анода, состоящего из спиц - анодов.
Как говорилось ранее, анод способен менять свою геометрию за счет изменения положения спиц - анодов. Следовательно, нужно разработать математическую модель для связи положения спиц - анода по оси Y с критерием равномерности.
Для постановки задачи оптимизации, даны следующие значения: задана геометрия катода в виде координат точек перегиба по осям x, z, положение по оси y, согласно специфике процесса не должно меняться, поэтому y = const. xk,i и zk,i i = 1,2,3... , M -количество точек перегиба, к которым так же относятся крайние точки детали.
Так же задано количество спиц -анодов - N, xa,i и za,i координаты центров, ya,i = 0, т.к. анод размещается исключительно в плоскости ZX; потенциал Ua, подводимый ко
с- зад
всем анодам и - заданная минимальная
толщина покрытия.
Требуется найти оптимальное значение ya,i для каждой спицы - анода, при
котором критерий неравномерности ЭТ будет принимать минимальное значение.
ЭТ
= 8 j (x,y,z) -8"
8"
->min ,
Где ЭТ - критерий неравномерности, 8(x, y, z) - толщина покрытия в точке (x, y, z), 8min - минимальная толщина покрытия.
Стационарная модель гальванического процесса, протекающего при постоянном токе в ванне с каркасным фигурным анодом, состоящим из спиц - анодов, рассматривается как объект с распределенными координатами.
В этом случае будет иметь место следующее:
G(t) = Ci = const , i=1,2,...,m, где Ci -концентрация i-го компонента в электролите, Ci(t) - концентрация i-го компонента в электролите, за промежуток времени.
Для определения катодной плотности тока ik(x,y,z) на поверхности катода Sk используется закон Ома в дифференциальной форме
i>-x grad Ф, (1)
где % - электропроводность электролита, Ф - потенциал электрического поля на элементарной площадке AS.
Для нахождения распределения потенциала Ф в объеме электролита используется дифференциальное уравнение Лапласа:
+ + (2)
dx2 3y2 3z2
со следующими краевыми условиями:
• Для границы электролит -
воздух:
Зф|Ч =0 аП|Ь" Где
(3)
8И- поверхность изолятора; п -нормаль к поверхности изолятора;
• Граница электролит ^й анод.
Т.к. все спицы анода подключены к одному источнику питания - выпрямительному агрегату, напряжение на них одинаково и равно и. В нашем случае, каждый спиц - анод может перемещаться только по оси У. В этом случае, краевое условие будет выглядеть следующим образом:
ф +F1 (la) I Saj = U,
(4)
Saj - поверхность j - го анода; U -напряжение на аноде; Fr функция анодной плотности тока ia, учитывающая поляризацию анода.
• Граница электролит - катод:
Ф - F2(ik) I = 0. (5)
Уравнения математической модели:
Где F2 - функция катодной плотности тока, учитывающая поляризацию катода.
При записи краевых условий (1) - (5) использовалось традиционное допущение о нулевом потенциале катода и о положительном, относительно катода, потенциале.
ЭТ =
' > j
Sk Sk
1 rSj(x,y,z) -Sm
-dS,
Э
5j(x,y,z) = - П jikj(x,y,z) ' P
S™m -min(Sj(x,y,z))>SЗад
AcSk
j rçj(t, ikj(x, y, z), Cl, C2, ikj(x,y,z) = -x grad фj(x,y,z),
+ ^ + ^ = 0 , fj = 0, Ф +Fi(ia) I Saj = U,,
Sx2 5y2 ôz2 ôn "
фj - F2(ik) I Sk = 0, Sk=Sk(hx,hy,hzAQ).
где A — |x,y, z|,
., Cm),
Где - критерий равномерности, Ci -концентрация 1'-го компонента в электролите, Фj - электростатический потенциал, Sk - площадь поверхности катода, где Э -электрохимический эквивалент вещества; р -плотность металла покрытия; 1'к(х,у,2,т) -катодная плотность тока в точке катода с координатами (х,у,2); ^ - катодный выход по току.
Геометрические характеристики расположения анодов в объеме ванны задаются следующим выражением, где б -граница области, где протекает процесс; ху , 2у - координаты центров каждой секции анода; Гу - радиус спиц - анода.
если X:
-У- < X <
G =
2 r
2 r i
< z < z,, + 2 10 2
S„
для остальных x, z
По итогам исследования можно сделать вывод, что использование каркасного фигурного анода, состоящего из спиц - анодов, положительно сказывается на равномерности покрытия. Так же данная конструкция анода позволяет изменять его форму в момент нанесения гальванического покрытия, что дает больший контроль над процессом.
S
r
S
z
ЛИТЕРАТУРА
1. Манукян А.Б. Оптимальное управление объектами одного класса с распределенными параметрами при смешанных краевых условиях: Дисс. ... к.т.н. - М.: МЭИ, 1983. - 145с.
2. А.с. № 1344822 СССР, МКИ4 С 25 D 21 /12. Капустин А.А., Кошевой Н.Д. Устройство для нанесения гальванических покрытий. - 1987. - Бюл. № 38.
3. А.с. № 1463810 СССР, МКИ4 С 25 D 21/12. Устройство для нанесения гальванических покрытий/ Н.Д.Кошевой, А.А.Капустин, Г.А.Трухляк и др. - 1989. - Бюл. 1 9.
4. А.с. i 1048005 СССР, МКИ3 С 25 D 21/12. Способ автоматического управления процессами электроосаждения / А.Н.Алексеев, П.Т. Харитонов, Е.Ф.Куликов и др. - 1983. - Бюл. i 38.
5. А.с. i 1434004 СССР, МКИ4 С 25 D 21/12. Установка для нанесения гальванических покрытий / А.Н.Алексеев, К.В.Егоров, Э.П.Яронис и др. - 1988. - Бюл. i 40.
6. Гнусин Н.П., Поддубный Н.П., Маслий А.И. Основы теории расчета и моделирования электрических полей в электролитах. - Новосибирск: Наука, 1972. - 276 с.
7. Каданер Л.И. Равномерность гальванических покрытий. - Харьков: Изд-во Харьк.ГУ, 1960. - 414 с.
