Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ процесса осаждения гальванического покрытия, факторов, оказывающих влияние на качество, способов улучшения равномерности и постановка задачи работы 13
1.1 Общие сведения о процессе нанесения гальванического покрытия 13
1.2 Показатели качества гальванического покрытия 14
1.3 Анализ факторов, оказывающих влияние на качество покрытия 16
1.3.1 Влияние геометрических факторов и межэлектродного расстояния на равномерность толщины ГП 16
1.3.2 Влияние электрохимических факторов на равномерность распределения толщины покрытия 18
1.4 Обзор способов управления равномерностью гальванического покрытия 22
1.5 Процесс нанесения гальванического покрытия как объект автоматизированного управления 27
1.6 Постановка задачи оптимального управления процессом нанесения гальванического покрытия 29
1.7 Постановка цели и задач 30
Выводы по главе 1 31
Глава 2. Математическое моделирование гальванического процесса в многоанодной ванне с управлением межэлектродным расстоянием и интенсивностью перемешивания электролита 33
2.1 Разработка математической модели процесса нанесения гальванического покрытия 34
2.2 Проверка адекватности математической модели 43
2.3 Исследования зависимости равномерности и скорости осаждения покрытия от параметров процесса 51
Выводы по главе 2 65
Глава 3. Многопараметрическая оптимизация управления процессом нанесения гальванического покрытия 66
3.1 Обзор и анализ методов решения задачи оптимального управления 67
3.2 Сравнительный анализ методов решения задачи оптимального управления 87
3.4 Динамическое исследование процесса нанесения ГП 89
3.3 Исследование эффективности применения предложенного способа управления процессом нанесения гальванического покрытия 92
Выводы по главе 3 96
Глава 4. Разработка подсистем АСУ ТП нанесения гальванического покрытия 97
4.1. Разработка структурной схемы системы оптимального управления параметрами процесса нанесения гальванического покрытия 97
4.2. Структура и состав подсистемы АСУ ТП нанесения гальванического покрытия 99
4.3. Принцип работы подсистемы АСУ ТП нанесения гальванического покрытия 102
4.4 Разработка алгоритма работы АСУ ТП нанесения гальванического покрытия 106
4.5. Разработка программного обеспечения АСУ ТП нанесения гальванического покрытия 108
Выводы по главе 4 113
Основные выводы и результаты 114
Список сокращений и условных обозначений 116
Список использованных источников 119
Приложение А Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 131
Приложение Б. Акт внедрения результатов диссертационной работы 132
- Влияние электрохимических факторов на равномерность распределения толщины покрытия
- Исследования зависимости равномерности и скорости осаждения покрытия от параметров процесса
- Обзор и анализ методов решения задачи оптимального управления
- Разработка программного обеспечения АСУ ТП нанесения гальванического покрытия
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Гальванические покрытия (ГП) нашли широкое применение во всех отраслях промышленности для защиты изделий от коррозии, для придания поверхности декоративной отделки, повышения поверхностной твердости, износостойкости, жаростойкости, электропроводности и улучшения антифрикционных свойств.
Популярность применения ГП во многом обусловлена следующими преимуществами электролитического способа осаждения металлических покрытий: возможность регулирования толщины покрытия путем изменения длительности процесса и плотности тока; возможность получения покрытий различной структуры, соответственно и с различными механическими и физико-химическими свойствами; электролитический способ обеспечивает покрытие изделий чистыми металлами, с минимальными потерями металлов, применяемых при покрытии. Однако, к основным недостатками существующих технологий осаждения металлических покрытий электролитическим способом можно отнести неравномерность распределения осадков по толщине на деталях сложной геометрической формы, а также то обстоятельство, что нанесение ГП является энерго- и ресурсозатратным процессом.
Неравномерность ГП отрицательно сказывается на свойствах изделий, так как недостаточная толщина металлического слоя не способна обеспечивать необходимую защиту от коррозии, обладать достаточной твердостью и другими показателями. Напротив, слишком большая толщина покрытий может привести к растрескиванию осадков, изменению допустимых размеров на выступающих участках детали, увеличению расхода металла и электроэнергии.
Получение равномерных ГП является одной из сложнодостижимых задач, так как на распределение металла на поверхности обрабатываемого изделия оказывает влияние большое количество одновременно действующих факторов самого разнообразного характера.
На сегодняшний день на практике с неравномерностью ГП зачастую борются путем осаждения покрытия с толщиной, большей необходимой, с заданным припуском под последующую механическую обработку, что приводит к увеличению расхода электроэнергии и металла, а также сокращению производительности гальванической линии. Анализ показал, что существующие способы управления процессом нанесения ГП не являются достаточно эффективными или решают обозначенную проблему лишь частично.
Таким образом, поиск путей повышения степени равномерности распределения толщины ГП, производительности гальванической линии и сокращении производственных расходов остается актуальной научной и производственной задачей.
Решение проблемы повышения эффективности процесса нанесения ГП требует глубокого изучения процессов электролиза, что необходимо для установления ключевых закономерностей электроосаждения металлов и разработки на этой основе новых подходов к построению системы оптимального управления процессами нанесения ГП на изделия различной геометрической формы, в том числе и с использованием современных интеллектуальных технологий.
Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в исследование процессов осаждения гальванических покрытий и методологию создания защитных покрытий внесли отечественные ученые: Каданер Л.И., Гамбург Ю.Д, Кудрявцева Н.Т., Алексеев А.Н., Дасоян М.А., Антропов Л.И., Левин А.И., Якименко Л.М., Лукомский Ю.Я., Скорчеллетти В.В., Томилов А.П., Смайт В., Ямпольский А.М., Бэкман В., Лаворко П.К., Лобанов С.А., Са-даков Г.А., Шлугер М.А., Вишенков С.А., Ажогин Ф.Ф., Вансовская К.М., Зальцман Л.Г., Девис С., Гурев И.Д., Тихонов А.И. и др.
Исследования, посвященные способам управления и автоматизации процессов нанесения электролитических покрытий, отражены в работах Алексеева А.Н., Капустина А.А., Кошева Н.Д., Литовки Ю.В., Виноградова С.С., Парфенова Е.В. и др.
Исследованиям процессов нанесения гальванических покрытий и автоматизации управления процессом осаждения электролитических покрытий с целью улучшения равномерности также посвящены научные труды зарубежных ученых: Young-jooOh, Soon-hyoChung, Man-seungLee, Hassan A.Wahab, M.Y. Noordin, S. Izman, D. Kurniawan, S. Kumar, S. Pande, P. Verma, Yong-Jun Tan, Kim YongLim, CyprianE. Uzoh, HarikliaDeligianni, JohnO. Dukovic, Johan-nesGrandia, DanielF. O'Kane, HugoA. E. Santini, Eliot K. Broadbent.
Решению проблем оптимизации и управления сложными системами и процессами посвящены работы Зайцева Г.Ф., Куропаткина П.В., Красовского А.А., Олейникова В.А., Растригина Л.А., Меерова М.В., Аббасова М.Э., Загре-баева А.М., Соболь И.М., Косорукова О.А., Воронова А.А. и др.
Объектом исследования является процесс нанесения металлических покрытий электролитическим способом.
Предметом исследования является определение зависимости равномерности гальванических покрытий от расположения анодных секций, межэлектродного расстояния, плотности тока, интенсивности перемешивания электролита и геометрических форм и размеров обрабатываемых изделий, способы оптимального управления процессом нанесения гальванического покрытия.
Цель исследования - повышение степени равномерности толщины гальванического покрытия за счет оптимального управления плотностью тока, межэлектродным расстоянием и интенсивностью перемешивания электролита в процессе осаждения покрытия с учетом геометрических форм обрабатываемых изделий и изменения состава и свойств электролита.
Основные задачи исследования:
-
исследование и анализ современных методов и способов улучшения равномерности гальванического покрытия;
-
разработка математической модели процесса, которая позволяет определять распределение толщины покрытия на поверхности обрабатываемого изделия, с учетом его форм и размеров и интенсивности перемешивания электролита;
-
исследование зависимостей равномерности толщины гальванического покрытия от плотности тока, состава электролита, межэлектродного расстояния и интенсивности перемешивания электролита;
-
постановка и решение задачи оптимального управления процессом нанесения гальванического покрытия;
-
разработка алгоритма оптимального управления процессом нанесения гальванического покрытия;
-
разработка автоматизированной системы управления межэлектродным расстоянием, плотностью тока и интенсивностью перемешивания электролита;
-
оценка эффективности автоматизированной системы управления плотностью тока, межэлектродным расстоянием и интенсивностью перемешивания электролита.
Научная новизна исследования:
-
разработана математическая модель процесса осаждения гальванического покрытия, отличительной особенностью, которой является учет интенсивности перемешивания электролита;
-
установлена зависимость равномерности распределения толщины покрытия от интенсивности перемешивания электролита;
-
предложен способ управления процессом нанесения гальванического покрытия, отличающийся от известных тем, что предлагается управлять интенсивностью перемешивания электролита с целью улучшения равномерности покрытия;
-
решена задача многопараметрического оптимального управления процессом нанесения гальванического покрытия в соответствии с критерием равномерности, отличающаяся управлением не только плотностью тока и межэлектродным расстоянием, но и интенсивностью перемешивания электролита;
-
разработан алгоритм решения задачи многопараметрической оптимизации процесса нанесения гальванического покрытия с использованием генетических алгоритмов, позволяющий определять значения плотности тока и межэлектродного расстояния, при которых обеспечивается максимум коэффициента равномерности;
-
разработана структура системы управления процессами нанесения гальванических покрытий с использованием предложенных модели и алгоритмов оптимизации;
-
разработан алгоритм управления плотностью тока, межэлектродным расстоянием и интенсивностью перемешивания электролита в процессе нанесения гальванического покрытия в ванне с многосекционными анодами.
Практическая значимость исследования заключается в следующем:
-
разработана математическая модель процесса осаждения гальванического покрытия, учитывающая геометрические формы и размеры обрабатываемых деталей, а так же интенсивность перемешивания электролита, позволяющая рассчитывать распределение толщины металлического покрытия и разработать алгоритмы и системы оптимального управления процессом электролиза;
-
установлены зависимости равномерности распределения толщины гальванического покрытия от плотности тока, межэлектродного расстояния и интенсивности перемешивания электролита;
3) разработана система автоматизированного управления процессом
нанесения гальванического покрытия, заключающаяся в совместном управле-
5
нии плотностью тока, межэлектродным расстоянием и интенсивностью перемешивания электролита. Применение предложенной системы управления обеспечивает улучшение равномерности покрытия, повышение производительности гальванической линии и сокращение расхода материалов и электроэнергии. Положения, выносимые на защиту:
-
математическая модель процесса нанесения гальванического покрытия, в которой учитываются формы и размеры гальванической ванны, анодов и покрываемых изделий, взаимное расположение электродов в пространстве ванны, состав, свойства, температура и интенсивность перемешивания электролита (соответствуют п. 4 паспорта специальности);
-
зависимости равномерности распределения толщины и скорости осаждения покрытия от плотности тока, межэлектродного расстояния, интенсивности перемешивания и температуры электролита;
-
алгоритм решения задачи многопараметрической оптимизации процесса нанесения гальванического покрытия, основанный на использовании генетических алгоритмов, в соответствии с которым осуществляется поиск значений параметров процесса, обеспечивающих наиболее равномерное распределение толщины покрытия (соответствуют п. 15 паспорта специальности);
-
структура системы управления процессом нанесения гальванического покрытия, содержащая четыре контура управления, в качестве сигналов обратной связи в которых используются данные о распределении толщины покрытия, определенные при помощи математической модели, предложенной в диссертационной работе (соответствуют п. 3 паспорта специальности).
Связь работы с научными программами. Отдельные результаты работы получены в рамках научно-исследовательской работы (НИР) по теме «Исследование влияния качества поверхности на физико-химические процессы при формообразовании и упрочнении деталей из сталей и титановых сплавов». Основанием для проведения НИР является задание №11.6893.2017/БЧ на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки России.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и получили одобрение на научных конференциях: Всероссийской научно-практической конференции АУТПП ( г. Уфа, 2013 г.), Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 2013, 2014, 2015,
2016 гг.), Международной научно-практической конференции «Advances in
techniques&technologies» (г. Милан, 2013 г.), IV Всероссийской научно-
практической конференции с международным участием «Интеграция образова
ния, науки и производства в условиях многоуровневого профессионального об
разования» (г. Уфа, 2016 г.), VII Всероссийской научно-технической конферен
ции «Россия молодая: передовые технологии – в промышленность» (г. Омск,
2017 г.).
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы
приняты к использованию на АО «Кумертауское авиационное производственное предприятие» (г. Кумертау) в гальваническом производстве, в том числе алгоритм управления процессом нанесения гальванических покрытий и программа для ЭВМ «Программа оптимизации процессов осаждения гальваниче-6
ских покрытий с управлением плотностью тока, межэлектродным расстоянием и интенсивностью перемешивания электролита».
Публикации: По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ, получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Объем и структура работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов. Содержит 132 страницы машинописного текста, 55 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 107 наименований, 2 приложе-
ния.
Влияние электрохимических факторов на равномерность распределения толщины покрытия
Электрохимические процессы всегда сопровождаются поляризацией, вследствие действия, которого вторичное распределение тока на поверхности катода в большей или меньшей степени, в зависимости от состава и свойств электролита, отклоняется от первичного в сторону большей равномерности [17].
Из формулы (1.1) следует, что характер распределения тока на поверхности катода определяется величиной катодной поляризации р, удельной электропроводимостью электролита р и выхода металла по тока ВТ, при этом относительное влияние Р тем больше, чем меньше межэлектродное расстояние [17].
Значения поляризуемости катода, удельной электропроводимости электролита и выхода по тока, в свою очередь, зависят от условий электролиза, таких как средняя плотность тока, температура, перемешивание, концентрация компонентов, кислотность и т.д. Таким образом, влияние условий электролиза на равномерность распределения тока и металла на поверхности катода определяется тем, в какой мере они влияют на поляризуемость электродов и удельную проводимость электролита [7].
Равномерность распределения тока не всегда позволяет достаточно точно судить о равномерности распределения металла на поверхности катода, которая выражается отношением массы (привеса) или толщины осадка на ближнем участке катода к массе (привесу) или толщине осадка на дальнем участке [18]. Распределение металла совпадает с вторичным распределением тока, при данных геометрических параметрах, лишь в том случае, если выходы металла по току на ближнем и дальнем участках катода одинаковы, т. е. когда выход металла по току не зависит от плотности тока [18].
Таким образом, можно сделать вывод, что распределение металла более равномерно, чем распределение тока, в том случае, если выход металла по току падает при увеличении плотности тока. Если же выход металла по току растет с повышением плотности тока, то распределение металла хуже, чем распределение тока. На практике выход металла по току снижается с ростом плотности тока в цианидных и других растворах комплексных солей металлов, и повышается в кислых электролитах хромирования, никелирования и др. [17].
Влияние плотности тока на равномерность распределения тока и металла зависит от хода поляризационной кривой (рисунок 1.2).
Если повышение средней плотности тока приводит к области на диаграмме, в которой кривая становится более пологой, то равномерность распределения тока на поверхности катода улучшается.
Если повышение плотности тока соответствует области диаграммы, в которой кривая становится более крутой, то равномерность распределения тока становится хуже. В то же время для равномерности распределения металла решающим оказывается влияние изменения плотности тока на ходе кривой изменения выхода по току с изменением плотности тока [7]. Рисунок 1.2 - Графики изменения потенциала катода от повышения плотности тока
Таким образом, влияние плотности тока на равномерность распределения тока и металла на поверхности катода в различных электролитах оказывает на него неоднозначное влияние, что связано с природой осаждаемого металла, влиянием условий электролиза на катодную поляризацию, таких как температура, электропроводность, концентрация компонентов, pH и перемешивание электролита, и выход металла по току [19].
Повышение температуры, как правило, уменьшает и катодную поляризацию, и поляризуемость катода, в связи с этим должна ухудшаться равномерность распределения тока. Вместе с тем в большинстве случаев при повышении температуры увеличивается электропроводность раствора, что должно, наоборот, привести к улучшению равномерности распределения тока. Таким образом, влияние температуры на равномерность распределения тока оказывается двойственным. Что касается распределения металла (при заданном распределении тока), то здесь влияние температуры зависит от того, возрастет ли или уменьшается выход по току с ростом плотности тока. Во всех случаях с повышением температуры поляризационная кривая становится более пологой. Поэтому в тех случаях, когда выход по току возрастает с увеличением плотности тока, повышение температуры способствует улучшению равномерности распределения металла. И наоборот, когда с ростом плотности тока уменьшается выход металла по току, повышение температуры ухудшает равномерность распределения металла [7].
Аналогично повышению температуры оказывают влияние и такие факторы, как, например, перемешивание и наложение ультразвукового поля, уменьшающие поляризуемость катода и приводящие к менее резкому изменению выхода по току с плотностью тока, т. е. к улучшению равномерности [7].
Необходимо отметить, что влияние перемешивания электролита на поляризуемость будет значительным, если поляризация носит концентрационный характер. При химической же поляризации перемешивание почти не оказывает влияния на поляризуемость [7].
Повышение концентрации металла, осаждаемого на электроде, так же как и повышение температуры, уменьшает поляризуемость и делает менее резким изменение выхода по току с ростом плотности тока, т. е. приводит к ухудшению равномерности распределения толщины ГП. Увеличение концентрации комплексообразователя (например, цианистого натрия или цианистого калия, едкого натра в станнатных электролитах и т. д.) увеличивает поляризуемость катода и крутизну поляризационной кривой, в результате чего улучшается равномерность распределения тока и металла [7].
Отмеченные общие соображения о влиянии условии электролиза на равномерность распределения тока и металла могут быть полезными при разработке системы управления процессом электроосаждения металлов, однако в каждом конкретном случае необходимо учитывать особенности данного электролита и совокупность влияния различных факторов.
Исследования зависимости равномерности и скорости осаждения покрытия от параметров процесса
Для разработки эффективного алгоритма управления процессом нанесения гальванического покрытия в соответствии с поставленной в главе 1 задачи оптимального управления необходимо установить характер влияния параметров процесса на равномерность распределения и скорость осаждения толщины металлического слоя, при различных условия электролиза.
Для чего были проведены исследования влияния параметров процесса на равномерность распределения толщины покрытия на поверхности катода и скорость осаждение в электролизерах с плоскими анодами, МСА, расположенными в одной плоскости и с выровненным межэлектродным расстоянием. Исследования проводились при помощи, описанной в пункте 2.1, математической модели.
Расчет производился на примере процесса нанесения хромового покрытия на внешние поверхности катода, изображенном на рисунке 2.3, в гальванической ванне размерами 406040 см. Расчет распределения толщины покрытия производились при следующих параметрах электролиза:
- состав электролита – CrO3 (230-270 г/л), H2SO4 (23-27 г/л);
- плотность тока – 45–55 А/дм2;
- интенсивность перемешивания электролита – 5–50 см/с;
- температура электролита – 55 C;
- удельная электропроводность – 0,0166 Ом–1см–1;
- выход по току – 35 %;
- длительность нанесения покрытия – 20 мин.
Исследования производились в электролизерах с плоскими анодами, размерами 3535 см., расположенными по ширине ванны на расстоянии 3 см. от стенок, и многосекционными анодами, с расположением анодных секций в одной плоскости и выровненным межэлектродным относительно катода расстоянием. Многосекционный анод представляет собой систему из 25 анодных секций размерностью 55, состоящих из квадратных пластин одинакового размера 55 см. и расстоянием между секциями 1 см. Схематичное изображение гальванической ванны с плоскими анодами, МСА, расположенными в одной плоскости и выровненным межэлектродным расстоянием относительно катода, представлены на рисунке 2.9.
Сущность проведенных исследований заключается в установлении зависимости коэффициента равномерности и скорости осаждения покрытия:
- от плотности тока, при различных значениях концентрации ионов осаждаемого металла, межэлектродного расстояния, интенсивности перемешивания, температуры электролита и конструкциях анодов. Графики зависимости равномерности и скорости осаждения покрытия от плотности тока, при различных значениях параметров процесса, представлены на рисунках 2.10, 2.11, 2.12, 2.13 и 2.14;
- от межэлектродного расстояния, при различных значениях концентрации ионов осаждаемого металла, плотности тока, интенсивности перемешивания, температуры электролита и конструкциях анодов. Графики зависимости равномерности и скорости осаждения покрытия от межэлектродного расстояния,
при различных значениях параметров процесса, представлены на рисунках 2.15, 2.16, 2.17, 2.18 и 2.19;
- от интенсивности перемешивания электролита, при различных значениях концентрации ионов осаждаемого металла, плотности тока, межэлектродного расстояния, температуры электролита и конструкциях анодов. Графики зависимости равномерности и скорости осаждения покрытия от интенсивности перемешивания электролита, при различных значениях параметров процесса, представлены на рисунках 2.20, 2.21, 2.22, 2.23 и 2.24;
- от температуры электролита, при различных значениях концентрации ионов осаждаемого металла, плотности тока, межэлектродного расстояния, интенсивности перемешивания электролита и конструкциях анодов. Графики зависимости равномерности и скорости осаждения покрытия от температуры электролита, при различных значениях параметров процесса, представлены на рисунках 2.25, 2.26, 2.27, 2.28 и 2.29.
Равномерность покрытия оценивалась при помощи коэффициента равномерности (2.1). Скорость осаждения покрытия оценивалась толщиной покрытия осажденной за 20 минут, при заданных параметрах электролиза.
На основании полученных графиков можно сделать вывод, что зависимость коэффициента равномерности от плотности тока, межэлектродного расстояния, интенсивности перемешивания и температуры электролита имеет экстремальный характер. Кроме того, при различных параметрах процесса и условиях электролиза, максимум коэффициента равномерности достигается при различных значениях плотности тока, межэлектродного расстояния, интенсивности перемешивания и температуры электролита.
В связи с тем, что электролит обладает большой тепловой инерцией и температура оказывает незначительное влияние на равномерность, предлагается поддерживать ее на заданном уровне в процессе осаждения покрытия.
Результаты исследования влияния форм анодов доказали, что конфигурация электродов оказывает существенное влияние на равномерность распределения толщины ГП. Расчеты распределения электролитического покрытия показали, что при осаждении покрытия в ванне с многосекционными анодами позволяет получить более равномерное распределение толщины по сравнению с покрытием, нанесенным в ванне с плоскими анодами. Применение многосекционных анодов позволяет на 30 % улучшить равномерность распределения покрытия по толщине. Кроме того, расположение анодных секций в пространстве ванны оказывает не существенное влияние на равномерность, при осаждении покрытия в ванне с расположением анодных секций в одной плоскости значение коэффициента равномерности приняло значение незначительно выше, чем при осаждении покрытия в ванне с выровненным межэлектродным расстояние относительно катода. Таким образом, применение многосекционных анодов для улучшения равномерности ГП является целесообразным. Кроме того, использование многосекционных анодов с расположением анодных секций в одной плоскости позволит значительно упростить систему управления межэлектродным расстоянием.
Исследования также показали, что изменение параметров процесса оказывает влияние на скорости осаждения ГП, так при различных режимах электролиза, за установленную длительность процесса, может быть осаждена различная толщина покрытия. Но в то же время, при управлении процессом осаждения ГП, не может одновременно быть обеспечено максимальное значение коэффициента равномерности и скорость осаждения покрытия. По этой причине при управлении процессом предпочтение отдается максимизации коэффициента равномерности, что все-таки позволит улучшить скорость осаждения.
Значительное влияние на качество управления и выбор метода решения оптимизационной задачи оказывает характер экстремальных зависимостей. Из произведенных исследований установлено, что имеет дрейфующий характер, но помимо этого необходимо знать имеет ли зависимость коэффициента равномерности от параметров процесса локальные экстремумы. Для установления вида экстремальных характеристик были получены следующие зависимости коэффициента равномерности от:
- плотности тока и межэлектродного расстояния. Графики зависимости равномерности покрытия от плотности тока и межэлектродного расстояния при осаждении покрытия с интенсивностью перемешивания электролита 50 см/с и 40 см/с представлены на рисунке 2.30;
- интенсивности перемешивания электролита и МЭР. Графики зависимости равномерности покрытия от интенсивности перемешивания электролита и межэлектродного расстояния при осаждении покрытия с плотностью тока 45 А/дм2 и 50 А/дм2 представлены на рисунке 2.31;
- температуры электролита и межэлектродного расстояния. Графики зависимости равномерности покрытия от температуры электролита и межэлектродного расстояния при осаждении покрытия с плотностью тока 45 А/дм2 и 50 А/дм2 представлены на рисунке 2.32;
- плотности тока и интенсивности перемешивания электролита. Графики зависимости равномерности покрытия от плотности тока и интенсивности перемешивания электролита при осаждении покрытия в ванне с расположением анодов на расстоянии 10 см и 15 см относительно катода представлены на рисунке 2.33;
- плотности тока и температуры электролита. Графики зависимости равномерности покрытия от плотности тока и температуры электролита при осаждении покрытия в ванне с расположением анодов на расстоянии 10 см и 15 см относительно катода представлены на рисунке 2.34;
- интенсивности перемешивания и температуры электролита. Графики зависимости равномерности покрытия от температуры и интенсивности перемешивания электролита при осаждении покрытия с плотностью тока 45 А/дм2 и 50 А/дм2 представлены на рисунке 2.35.
Обзор и анализ методов решения задачи оптимального управления
Задачи оптимального управления параметрами процесса нанесения ГП, с целью достижения максимума коэффициента равномерности, может быть решена с использованием различных модификаций градиентных методов. Решение поставленной в данной работе оптимизационной задачи с использованием градиентных методов, оправдывает себя, прежде всего в связи с тем, что необходимо вести поиск значений параметров процесса, при которых значение коэффициента равномерности примет максимальное значение, в пространстве трех независимых переменных. Кроме того, данная задача обладает значительным числом ограничений, таких как допустимые значения плотности тока, форма и размеры ванны и т.д., которые могут быть учтены в процессе многопараметрической оптимизации [41].
Данная оптимизационная задача может быть также эффективно решена с применением генетических алгоритмов (ГА) [42]. Генетические алгоритмы относятся к классу эволюционных алгоритмов и представляют собой вероятностные методы оптимизации. Отличительной особенностью ГА является то, что поиск решения начинается с некоторого случайного набора решений.
Метод случайного поиска (сканирования). Метод заключается в выполнении пробных шагов из заданной начальной точки. При каждом пробном шаге определяется приращение критерия оптимальности. Шаг с наилучшим результатом запоминается, и рабочий шаг делается в направлении вектора, давшего лучший результат. В новой точке опять делаются пробные шаги, и выбирается направление вектора и т.д. [43] По достижении точки, в которой при выполнении пробных шагов улучшение критерия оптимальности не уставлено, поиск экстремума завершается. Данный метод при числе управляющих воздействий более трех имеет большее быстродействие, по сравнению с детерминированными методами поиска экстремума.
Задача поиска значений параметров процесса соответствующих максимуму коэффициента равномерности ГП с использованием метода случайного поиска может быть решена в соответствии со следующим алгоритмом:
Этап 1. Ввод начальных условий, к которым относятся:
- допустимый диапазон изменения плотности тока [zmin,zmax] и шагУц;
- допустимый диапазон изменения межэлектродного расстояния [WmJи шагA,;
- допустимый диапазон изменения интенсивности перемешивания электролита [wmin,wmax] и шаг hu;
- температура электролита t;
- концентрация ионов осаждаемого металла в электролите С0;
- удельная электропроводность электролита р;
- вязкость электролита v;
- требуемая толщина покрытия hз .
Этап 2. Формирование векторов изменения параметров процесса knin : h wL Ршіп : Ь : /max] и [umm : K -max];
Этап 3. Ввод начальной точки поиска [i0,l0,u0];
Этап 4. Расчет распределения толщины ГП по поверхности катода, путем решения системы уравнения (2.4)-(2.12) математической модели, в начальной точке /0,/о,«о];
Этап 5. Расчет значения коэффициента равномерности Кр;
Этап 6. Запись значения коэффициента равномерности Кр и значений параметров процесса в расчетной точке;
Этап 7. Определение значений коэффициента равномерности в точках [U0,«0 , Ь0Л , [W0 1 , Ь1Л 0 , Ь1Л,Щ, Ь0Лч, Ь1А,щ] в окрестности начальной точки, путем выполнения этапов 4, 5 алгоритма;
Этап 8. Сравнение значений коэффициента равномерности полученных, при значениях параметров процесса соответствующих каждой точке, со значением Кр(і0,10,и0) в начальной точке. Если значение Kр(i0,l0,u0) больше ем значения, полученные в точках в ее окрестности, то алгоритм завершает поиск, иначе поиск продолжается в окрестности точки, при значениях параметров которой получено наилучшее приближение к точке максимума;
Этап 9. Циклическое выполнение этапов 7 и 8 алгоритма, при достижении точки [ijJ Uj] в окрестности, которой значения коэффициента равномерности не превышают значения кАц,1ьщ), алгоритм завершает работу.
Визуализации работы алгоритма поиска экстремума с использованием метода случайного поиска представлена на рисунке 3.1.
Первоначально изменяется координата х± в направлении уменьшения величины градиента dF/dx целевого критерия, при неизменных значениях остальных координат. После достижения точки, в которой значение градиента dF/dx обращения в нуль, производится изменение координаты х2 в сторону уменьшения градиента dF/dx2 целевого критерия, при постоянных значениях остальных координат. Далее следует аналогичный поиск по координате х3 и т.д.
После осуществления поиска по всем направлениям вновь происходит изменение координаты х} до обращения в нуль dF/dx , и цикл повторяется [44].
Процесс поиска завершается, когда все составляющие dF/dXj будут равны нулю.
Решение задачи поиска значений параметров процесса соответствующих максимуму коэффициента равномерности ГП с использованием метода Гаусса-Зейделя производится в соответствии со следующим алгоритмом:
Этап 1. Ввод начальных условий, к которым относятся:
- допустимый диапазон [zmin,zmax] и шага ht изменения плотности тока;
- допустимый диапазон [/min,/max] и шага Ъг изменения межэлектродного расстояния;
- допустимый диапазон [wmin,wmax] и шага hu изменения интенсивности перемешивания электролита;
- температура электролита t;
- концентрация ионов осаждаемого металла в электролите С0;
- удельная электропроводность электролита р;
- вязкость электролита v;
- требуемая толщина покрытия hз .
Этап 2. Формирование векторов изменения параметров процесса knin : h wL Ршіп : Ь : /max] и [umm : K -max];
Этап 3. Ввод начальной точки поиска [i0,l0,u0];
Этап 4. Расчет распределения толщины ГП по поверхности катода, путем решения системы уравнения (2.4)-(2.12) математической модели, в начальной точке /0,/о,«о];
Этап 5. Расчет значения коэффициента равномерности Кр;
Этап 6. Запись значения коэффициента равномерности Кр и значений параметров процесса в расчетной точке;
Этап 7. Определение направления градиента роста коэффициента равномерности, для чего выполняется расчет распределения толщины покрытия на поверхности катода в точках [/b/0,w0], [/оЛ,"о] и [ Wo wiL путем выполнения этапов 4, 5 алгоритма;
Этап 8. Сравнение значений коэффициента равномерности полученных, при значениях параметров процесса соответствующих каждой точке, со значением Кр(і0,10,и0) в начальной точке. Если значение Kр(i0,l0,u0) больше чем значения, полученные в точках [/b/0,w0], [/оЛ,"о] и frWo wiL то алгоритм завершает поиск, иначе поиск продолжается в направлении, при котором получен наибольший рост градиента
Разработка программного обеспечения АСУ ТП нанесения гальванического покрытия
Для повышения качества регулирования технологических параметров в процессе осаждения ГП предложенным способом невозможно без применения новых, более современных и перспективных подходов в разработке систем автоматического регулирования (САР). Кроме того, эти подходы должны быть просты в реализации и функционировании. Выполнение данных требований не возможно без использования современных компьютерных технологий и программного обеспечения (ПО). Таким образом, повышение качества регулирования технологических параметров в процессе нанесения ГП, упрощение управления и функционирования системы невозможно без применения ПО, позволяющего определять распределение плотности тока и толщины покрытия, с использованием математической модели, и значения параметров процесса, при которых обеспечивается наиболее равномерное распределение толщины металлического слоя [59].
Программное обеспечение (программа) предназначена для определения значений параметров процесса, обеспечивающих наиболее равномерное распределение толщины покрытия на поверхности покрываемых деталей с использованием математической модели процесса и генетических алгоритмов. Программа разработана в пакете прикладных программ Matlab. Структурная схема программы представлена на рисунке 4.5.
Графический интерфейс программы обеспечивает ввод исходной информации для расчета, которой служит формы и размеры покрываемых деталей, необходимая толщина покрытия, состав электролита, диапазоны изменения плотности тока, межэлектродного расстояния и интенсивности перемешивания электролита.
Формы и размеры обрабатываемых деталей вводится путем загрузки изображений его сечений, которые обрабатываются и распознаются в модуле обработки изображений. Обработка изображений производится с помощью пакета Image Processing Toolbox.
Модуль математической модели процесс производит определение распределения толщины ГП на покрываемой поверхности путем решения системы уравнений (1), на основании введенной исходной информации о процессе.
Модуль поискам оптимальных значений параметров процесса в результате взаимодействия с математической моделью определяет значения межэлектродного расстояния, плотности тока и интенсивности перемешивания электролита соответствующие наиболее равномерному распределению. Поиск оптимальных значений параметров процесса производится с использованием генетических алгоритмов.
Модуль визуализации результатов производит построение графиков изменения параметров в процессе обработки изделий, вывод ожидаемого значения коэффициента равномерности и длительности процесса осаждения.
Программа производит расчеты в соответствии с алгоритмом, который состоит из следующих этапов:
Этап 1. Ввод исходной информации;
Этап 2. Загрузка и обработка изображения сечения покрываемого изделия;
Этап 3. Определение случайным образом исходного набора решений (популяции), состоящей из n решений, представляющих собой закодированные в бинарной строке оптимизируемые параметры;
Этап 4. Преобразование в действительные значения закодированных оптимизируемых параметров.
Этап 5. Определение распределения толщины ГП по поверхности катода, при помощи математической модели, путем решения системы уравнения (1), для каждого элемента исходного набора решений.
Этап 6. Поиск решения, обеспечивающего наиболее равномерному распределению покрытия по толщине;
Этап 7. Формирование нового набора решений (потомков), состоящего из решений исходного набора показавших наилучшее приближение к точке максимума.
Этап 8. Выполнение операции мутации, закодированных значений параметров популяции потомков, путем случайного изменения одного разряда бинарного кода.
Этап 9. Выполнение этапов 5 и 6 для популяции потомков;
Этап 10. Проверка наличия решений обеспечивающих наилучшее приближение к точке максимума коэффициента равномерности из числа популяции потомков. Если в популяции потомком имеются решения, позволяющие получить покрытие более равномерное по сравнению с решением предыдущего поколения, то вновь выполняются этапы 7 и 8, в противном случае начинается отсчет количества наборов решений, в которых отсутствуют решения, значения оптимизируемых параметров которых позволяют получить значение коэффициента выше по сравнению с предыдущим поколением. При достижении значения счетчика заданного, алгоритм завершается.
Проверка работы программы производилась на примере осаждения хромового покрытия в сернокислом электролите, описанном в параграфе 3.3.
Графический интерфейс и результат работы программы для данного примера представлен на рисунке 4.6.
Программа позволяет упростить настройку параметров расчета, а также обеспечивает визуализацию результатов поиска значений оптимизируемых параметров, путем вывода графиков изменения их значений в процессе осаждения покрытий, и выводит ожидаемые значения коэффициента равномерности покрытия и длительности процесса.
Разработанная программа может найти применение в системах управления процессами нанесения ГП, для обеспечения поддержки принятия решений, что позволит повысить качество регулирования параметров в процессе осаждения покрытий, что обеспечит улучшение качества покрытия, повышение производительности гальванической ванны и сокращение производственных расходов. Кроме того, использование программы позволит исключить необходимость применения сложных и дорогостоящих систем контроля толщины в процессе осаждения покрытия.