全自動高速旋轉電鍍機的設計

朱 俊，唐靜，岳東海

（常州信息職業技術學院智能裝備學院，江蘇常州 213164）

隨著電子整機產品向小、輕、薄的方向發展，制造電子整機產品所需的電子元器件如電阻、接插件等也在急速發展。在這些電子元器件的制造過程中，電鍍作為賦予元件表層功能性的最后環節至關重要［1］。片式電子元器件兩端覆蓋有燒結形成的銀，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］。本文所開發的電鍍機能實現在一個旋轉筒內按照先后順序鍍上不同的金屬鍍層，且不會相互摻雜。PLC 控制，觸摸屏顯示，全自動電鍍，一鍵完成所有電鍍過程，正常情況不需要人為干預。

1 整體設計

1.1 整體結構

全自動高速旋轉電鍍機采用立式結構，如圖1所示。

圖1 全自動高速旋轉電鍍機的整體結構Fig.1 Overall structure of automatic high-speed rotary electroplating machine

顆粒狀的被鍍電子元器件4 置于電鍍旋轉筒1的底部，為增強導電性需摻入一定比例的導電球，旋轉筒驅動電機8 驅動旋轉筒高速旋轉，通過電機的急停、急轉使得被鍍的電子元器件反復崩塌攪拌，保證電鍍的均勻一致［3］。為保證電鍍流程封閉，設計有旋轉筒外罩2，氣缸控制開合。電鍍整流電源14的負極通過電刷7連接至旋轉筒中安裝的陰極給電環5，電鍍整流電源的正極連接陽極16。電鍍Ni 層時，通過擺動氣缸插入Ni 陽極臂。電鍍Sn 層時，通過擺動氣缸插入Sn 陽極臂。為保證在同一個旋轉筒中，按照先后順序鍍上不同的金屬鍍層，電鍍機設計有Sn 鍍液循環槽12、Ni 鍍液循環槽10，液位傳感器15 實時監測旋轉筒中的液位，當液位過低時，啟動鍍液循環泵9 或13，通過管路3 將鍍液從鍍液循環槽12、10輸送至旋轉筒，從而在陽極臂、被鍍物和陰極給電環之間形成了電鍍回路。旋轉筒的高速旋轉將電鍍液從排液過濾環6 中甩出，最終通過排液管17收集在相應的鍍液循環槽中，實現鍍液的循環利用。電鍍機還設計有排水槽11 供排水使用。排液切換電機18 負責將排液管插入Sn 鍍液循環槽12、Ni鍍液循環槽10和排水槽11三者中的一個。

1.2 電鍍工藝設計

為保證Ni 離子與Sn 離子在同一個旋轉筒中電鍍不摻雜，需要通過嚴密的電鍍工藝設計來實現，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筒轉向、轉速、加減速時間參數設置以及各種電磁閥、氣控液閥動作還有電鍍整流電源電流大小、電量積算值等各種參數設定的組合［4］。

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

在鍍Ni（Sn）前后都設計有水洗流程，但流程工藝參數不同，可以由用戶根據電鍍零件的類別分別設定。“補鍍”是指電鍍過程中，抽樣電鍍零件，使用X-射線熒光測厚儀檢測鍍層厚度，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節是相同的，每一種子流程的流程工藝參數都可以根據被電鍍電子元器件的類別分別設定。

2 控制系統設計

2.1 控制系統硬件設計

首先是控制系統類型選擇，由圖2 的控制要求可知，本電鍍機為典型的時序控制系統，未涉及大量的數據處理和運算，綜合考慮系統可靠性，選擇可編程邏輯控制器（PLC）作為本項目的控制系統［6］。

由于本項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關，Sn 鍍液循環槽和Ni 鍍液循環槽的液位開關，I/O 點較多，因此采用中大型的模塊化PLC，本項目使用的是三菱Q 系列PLC，CPU 模塊選用的是Q02UCPU。電氣控制板如圖3所示，控制系統選型結果如表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 控制系統選型結果Tab.1 Selection results of control system

2.2 控制系統軟件設計

2.2.1 CC-link總線參數設置

利用GX Works2 編程軟件進行PLC 程序編寫前，首先進行CC-link總線參數的設置。參數設置內容與CC-link 總線主站與從站間傳輸的字節多少以及從站類型相關，主站給從站發送的數據包括工藝參數設定以及對于從站的控制指令［8］。最終設定的CC-link總線參數設置如圖5所示。

圖5 CC-link總線參數設置Fig.5 CC-link bus parameter setting

2.2.2 旋轉筒驅動電機變頻器參數設置

旋轉筒驅動電機承載被鍍電子元器件高速旋轉，通過RH、RM、RL 信號完成1～7 七段速的選擇，RT 信號完成1～2 加減速時間的選擇，這些信號由主站CPU 通過CC-link 總線下達。具體參數設定如表2所示。

表2 旋轉筒驅動電機變頻器參數Tab.2 Frequency converter parameters of rotating drum drive motor

2.2.3 PLC程序的總體結構設計

本項目涉及的電鍍機控制功能復雜，濕潤、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 個子流程需要被反復調用，但工藝參數不同，適合采用結構化編程的方法［9］，程序總體結構設計如圖6所示。

圖6 電鍍機PLC程序總體結構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，以適應不同類別不同規格的電子元器件的電鍍，觸摸屏濕潤子流程工藝參數輸入畫面如圖7所示。

圖7 濕潤子流程工藝參數輸入畫面Fig.7 Process parameter input screen of wet sub process

大量的工藝參數存放在觸摸屏變量中，每個工藝子流程都可以配置10 組參數，使用1-10 進行編號，即圖7中的“No”列的數字，用戶配置某種電子元器件的電鍍參數時，直接選擇參數號即可，這樣電鍍相同電子元器件時，參數設置可以重復使用。PLC程序運行時，需要根據用戶選擇的參數號，將觸摸屏變量中存放的參數值傳輸至PLC 變量，PLC 變量作為FB 塊的輸入，最終通過CC-link 總線下發指令至變頻器、電鍍電源等完成工藝參數的執行。

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

圖8 濕潤工藝參數傳輸流程圖Fig.8 Transmission process chart of wet process parameters

PLC 程序和觸摸屏腳本之間通過D3301.0 請求標志位、D3303.0 應答標志位完成了握手對接，觸摸屏腳本將圖7 中用戶配置參數號所對應的t1_濕潤、t2_濕潤、t3_濕潤等工藝參數賦值給表3中所對應的軟元件，完成了工藝參數的傳輸。如圖9 所示為工藝參數傳輸PLC程序。

圖9 工藝參數傳輸PLC程序Fig.9 Transmission PLC program for process parameter

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

觸摸屏腳本部分內容如下：

觸摸屏收到濕潤工藝參數請求

每組濕潤工藝參數首地址計算

將觸摸屏變量傳輸至PLC變量

清除請求

3 結語

本項目研發的電鍍機經工程實際應用，與傳統滾鍍方式相比性能指標優勢明顯［10］。

實踐證明，全自動高速旋轉電鍍機效率高、電鍍均勻一致性好、對環境更為友好，具有廣闊的市場應用前景。未來可通過搬運小車連接自動干燥裝置組成被鍍電子元器件的自動上下料系統，將進一步提高本電鍍機的自動化程度和生產效率，必將產生更大的經濟效益。