智能環保自動化—電鍍表面處理設備制造業的現狀與展望

石 峰，丁金友，匡 泓，虞敏健，匡優新

（無錫星億智能環保裝備股份有限公司，江蘇無錫 214153）

電鍍技術在表面處理技術中有著重要的代表性，在國民經濟建設中有著舉足輕重的地位，是制造業在生產過程中不可缺少的重要組成部分。隨著電鍍加工需求和產業規模的增長，電鍍生產過程中產污環節的管控、復雜零件的電鍍過程控制、新工藝的應用及操作人員的技能提升狀況等制約著電鍍技術的應用，亟待通過設備功能的數字化、智能化、信息化集成變革，以達到高效量產、低能耗、低成本、減少人為影響因素的柔性生產控制的目標。

1 電鍍表面處理設備的智能化制造

電鍍設備制造業的發展經歷了手工制作、流水線制造、自動化制造、柔性自動化和集成化制造、并行規劃設計及敏捷化制造等階段［1］。

智能化表面處理生產線是將現代智能化技術用于現代化電鍍設備制造業，將傳統表面處理工藝設備制造技術應用先進的工具方法和最新研究成果，融合、開發再利用促使電鍍生產設備制造實現敏捷生產。

電鍍流水生產線通常由行車、機架、槽體、導電、通風、管路及輔助設備等構成。生產線的制造就是將諸多部件有機組合的設計、制造、安裝及調試的全過程。

傳統電鍍生產線零部件的設計通常由人工完成，由于其組成復雜、零部件眾多，通常會存在大量設計驗證糾錯，或與客戶實際需求參數選型偏差，導致大量現場安裝更改；制造過程中存在派工單下達、生產周期安排、生產工藝編制、成品檢驗出廠等諸多環節，各時間節點的沖突及工藝隨設計變更的重復修改等過程都會造成產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，采用智能化系統應用于電鍍生產線設備的設計制造全過程，顯得迫在眉睫。

1.1 智能設計

電鍍生產線零部件參數化設計系統，采用虛擬樣機技術、參數化設計模塊，解決了大規模、多種類零部件的電鍍生產線設計周期長、設計結果因人而異的問題，將電鍍零部件設計中的重復性工作提取出來，封裝為數個模塊。如圖1所示，設計人員只需輸入驅動尺寸，便可科學、快速地求得機架、槽體、管系等零部件的最佳結構。適用于電鍍生產線的方案論證、產前優化，減少與客戶溝通之間的錯漏。實現快速設計、指導設備制造生產，同時進行設備結構與工藝仿真、現場安裝碰撞驗證等工作（圖2）。可提高設計效率90%，縮短研發周期約40%。

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

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

1.2 智能化生產制造管理

在設備的制造過程中，通過PDM 系統的實施，可促進產品數據的標準化，改進電鍍設備制造工廠的生產流程，優化控制產品生產和開發過程，降低產品生產研發成本［3］。

PDM 系統文檔管理可實現文檔管理、項目管理和BOM 管理功能。在PDM 系統中，各部門可根據項目分類，將設備制造中周期中的相關文檔上傳，技術人員則將材料BOM 清單和圖紙一起上傳至項目管理文件，系統統一進行存儲、訪問、標記和發放。

PDM 系統零部件管理可以實現產品結構管理、零部件管理、數據接口與集成和報表數據管理。PDM 系統可通過樹狀結構對產品各零部件的結構與屬性進行管理，把產品的設計、采購、加工制作等工程數據與對應的零部件之間建立起直接聯系，定制企業產品標準數據接口，避免信息孤島，同時可將數據按照預定格式輸出到EXCEL 中，快速形成用戶需要的數據信息。

采用ERP 管理系統可協助生產制造型企業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、庫存管理到財務管理模塊等實現全面的系統集成，實現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（WCS）、倉庫管理系統（WMS）、PDA 手持設備控制系統以及其他輔助設備（托盤、入庫臺、出庫臺等）組成的智能化存儲系統。實現設備零部件的入庫、出庫、盤點、查詢、等業務的全程信息化，提高設備生產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節，消除“信息孤島”，減少溝通成本，實現資源的有效配置。

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

AGV 管理系統可實現自動化立體倉庫和產線質檢的貨盤自動輸送和可追溯性管理，配合生產線自動化設備，最大程度減少庫房內部人員需求或實現無人化操作。

2 電鍍表面處理設備的智能環保自動化設計與應用

我國電鍍企業分布廣泛，30%在機械制造業，20%在輕工業，20%在電子電氣工業，其余分布在航空、航天及儀器儀表等行業。除了少部分國有大型企業、三資企業及新建的正規專業電鍍廠擁有國際先進水平的工藝設施，大多數中小型企業仍然使用簡陋而陳舊的設備，操作方式以手工操作為主［4］。我國電鍍行業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）經營粗放，原材料利用率低。

近年來，電鍍企業從實際出發，積極開發和推廣低濃度、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，消除和減少污染的產生，應用智能環保自動化設計技術開展電鍍表面處理設備的設計制造研究。

2.1 鍍液凈化技術

電鍍過程中，槽液內會不斷產生沉淀物或雜質，如不能及時去除，將嚴重影響電鍍質量。

傳統的鍍液凈化包括定期倒槽或連續過濾。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較大的周期性波動。而連續過濾則可以將溶液與過濾機用管路連在一起，構成一個閉路循環，可將鍍液中的固體雜質不停的濾去，使鍍液質量始終保持在比較理想的水平。

對于鍍液中的可溶性雜質，可根據鍍液特性，設計離子交換處理裝置，裝置內的離子交換樹脂可對鍍液中的雜質進行選擇性吸附。

2.2 在線節水技術

鍍件清洗是電鍍工藝中的重要環節之一，清洗質量的好壞對于電鍍工藝的穩定性和電鍍產品的外觀、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量缺陷。因此，有效的清洗應該是使用最少的水量得到高質量的鍍層。但不少電鍍生產線為了達到清洗質量，往往使用大量的流動水清洗，即使沒有鍍件，清洗槽內的水也照常流，造成水資源的大量浪費，同時使產生的廢水量大增，人為增加廢水處理經濟成本。

應用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回收系統相連接，可使第一級空槽或清洗槽內的水實現藥劑與水的分離，分別回收，實現循環利用。

2.3 酸洗廢氣回收技術

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

國內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，采用堿液中和反應后，酸液失去回收再利用的價值；（4）需設立廢氣排氣筒。

應用“鹽酸酸洗廢氣循環回收利用技術”［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線送風，并與排風系統構成閉路循環，氣液組分均實現零排放。整個過程不添加額外的化學試劑，不改變回收酸液的化學性質，得到較高濃度的符合酸洗生產線要求的酸，直接補充到原酸洗槽。沒有廢水產生，有效減輕污水處理設施的負擔。凈化處理后的氣相，回用于生產線送風，并與排風系統構成閉路循環，無排放，無需設置排氣筒。

3 電鍍表面處理設備的自動化設計與應用

電鍍生產線是指按一定的電鍍生產工藝要求，將有關的各種工作槽、電鍍行車運動裝置、電源設備、循環過濾裝置、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，是一個由控制系統協調控制的完整系統。采用先進的DCS（分布式控制系統）、變頻技術、電鍍機器人等，將生產監控系統和信息管理系統融入電鍍生產線設計制造過程中。

3.1 機器人技術

電鍍機器人包括上下掛機器人和工序間轉運機器人，適應于鍍件大批量、高精度及作業環境惡劣等工況，是目標產品柔性生產自動化水平的高效體現。

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

3.2 固定程序與柔性程序

根據不同客戶生產線產品特點，可設計對應的固定程序或柔性程序。前者可根據客戶提供的工藝參數，設計一套或者幾套固定行車行走路線的程序，行車周而復始的按照指定路線行走。其特點是：各個工位的工藝時間穩定，生產效率高，而且在生產工藝允許的條件下，可以由產品工藝參數控制行車在不同程序間自動切換，不需要人工干預。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，產品進入生產線就會按照設定的工位和工藝參數加工，行車沒有固定的行走路線，完全根據產品加工需求自由調度，特別適合多種工藝產品混合共線生產的情況［6］。

3.3 生產監控系統

電鍍生產線監控系統包括：行車監控系統、溫控系統、整流器控制系統、液位、噴淋、自動調整加料及輔助設備等的監控系統。可實現動態顯示生產線實際運行狀態、DCS 集散參數控制與管理、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

利用電子標簽系統實現產品可追溯。電鍍產品進入生產線，系統會自動給當前產品分配一個唯一生產序號，通過該序號可以實現產品追蹤，通過產品代碼即可自動獲取整個加工過程所需要的工藝參數，可實現每個產品的生產記錄追蹤。生產線上生產的所有產品都有完整的電子履歷，可以查詢到產品經過的各個工位的處理時間，工藝參數（溫度、PH、電流、電壓）等參數，數據保存在生產數據庫，以備永久查詢。

定制各類生產報表。產能分析與設備OEM：根據設備設計產能及實際產能利用率等數據，生成設備產能利用率報表。各類產品產量報表：匯總任意時間段范圍的各產品產量，生成飛巴數等信息。報警分析報表：設備報警記錄匯總分析，各類報警發生頻次等，為設備制定維護保養計劃提供數據支撐。物料消耗報表：根據安培小時等參數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。維護保養報表：制定設備維護保養計劃，如換水計劃，加藥計劃等，設定保養項目到了該維護保養時報警提醒。

4 總結與展望

近年來，我國電鍍工業發展變化很大，但是，與發達國家相比還是存在很大的差距，傳統的表面處理設備制造行業建立起完善的智能環保自動化系統，成為企業轉型的重點。隨著對電鍍表面處理設備的要求不斷提高［7］，研發和開展智能化、環保化和自動化的電鍍生產線，實現傳統電鍍設備的轉型升級勢在必行。