Оптимальное управление гальванической ванной с дополнительными катодами и биполярными электродами Као Ван Зыонг

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Анализ гальванических процессов как объектов управления и постановка задачи работы 12

1.1 Сведение о нанесении гальванических покрытий 12

1.2 Основные свойства и показатели качества гальванического покрытия 15

1.3 Образование катодных осадков и обзор методов улучшения равномерности гальванических покрытий 18

1.4 Оборудование для проведения гальванических процессов и анализ систем управления гальваническими процессами 28

1.5 Гальваническая ванна с использованием биполярных электродов и дополнительных катодов 35

1.6 Постановка задачи оптимального управления гальваническим процессом в ванне с биполярными электродами и дополнительными катодами 36

Выводы по первой главе 41

Глава 2 Построение математической модели для гальванических процессов с биполярными электродами и дополнительными катодами 42

2.1 Математическая постановка задачи оптимизации гальванической ванны с биполярными электродами и дополнительными катодами 42

2.2 Математическое моделирование гальванических процессов в ванне с биполярными электродами и дополнительными катодами 45

2.3 Алгоритм решения системы уравнений математической модели К ао Ва.н. Зыонг

2.4 Проверка адекватности математической модели К ао Ва н З ыо нг 56

Выводы по второй главе 66

Глава 3 Оптимизация и оптимальное управление гальванической ванной с биполярными электродами и дополнительными катодами 67

3.1 Алгоритм решения задачи оптимизации гальванической ванны с биполярными электродами и дополнительными катодами 67

3.2 Примеры решения задачи оптимизации гальванической ванны с биполярными электродами и дополнительными катодами 73

3.3 Оптимальное управление гальваническими процессами с биполярными электродами и дополнительными катодами при изменении концентрации компонентов в составе электролита 86

Выводы по третьей главе 95

Глава 4 Разработка системы автоматизированного управления гальванической ванной с биполярными электродами и дополнительными катодами 96

4.1 Структура системы управления гальванической ванной с биполярными электродами и дополнительными катодами 96

4.2 Техническое обеспечение системы управления гальванической ванной с биполярными электродами и дополнительными катодами 102

Выводы по четвёртой главе 107

Заключение 108

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы 113

• Образование катодных осадков и обзор методов улучшения равномерности гальванических покрытий
• Постановка задачи оптимального управления гальваническим процессом в ванне с биполярными электродами и дополнительными катодами
• Математическое моделирование гальванических процессов в ванне с биполярными электродами и дополнительными катодами
• Техническое обеспечение системы управления гальванической ванной с биполярными электродами и дополнительными катодами

Введение к работе

Актуальность исследования. Большое количество приборов, машин, металлоконструкций и другого изготовленного из металла оборудования эксплуатируется в атмосфере и в среде, которая становится всё более агрессивной (высокие температуры и давления, мощные потоки газов и жидкостей), в том числе и за счёт её загрязнения. В самом начале использования металлов исследовали вопросы их защиты от коррозии и повышения их качественных свойств. В настоящее время, для придания поверхности деталей качественных свойств, используют много способов, самым распространенным из которых является нанесение гальванических покрытий. Нанесённые гальванические покрытия на поверхности детали характеризуются такими показателями, как: минимальная толщина покрытия, прочность сцепления электрохимических покрытий с основой, блеск, пористость, равномерность, микротвёрдость, износостойкость, коррозионная стойкость и др. Из перечисленных свойств равномерность является наиболее важным показателем. При нанесении гальванических покрытий на поверхность изделия, их толщина должна быть не менее заданной. Проблема неравномерности гальванических покрытий заключается в том, что если нанесённое покрытие на некоторых частях поверхности изделия имеет толщину больше заданной, то могут возникнуть проблемы при сборке узлов; если меньше заданной – это будет брак. Также толщина больше заданной приводит к перерасходу энергии и металлов покрытия.

Для получения более равномерного распределения толщины покрытия по поверхности детали разработаны и продолжают совершенствоваться различные системы оптимального управления гальванической ванной (ГВ). Основные исследования в разработке математических моделей (ММ) гальванических процессов (ГП), автоматизации оборудования и алгоритмов управления проводились отечественными учёными И.В. Миловановым, А.А. Капустиным, А.Б. Манукян, Н.Д. Кошевым, А.Н. Алексеевым, В.Т. Ивановым и др. Заметим, что без разработки алгоритмов, методов и систем управления (ввиду чрезвычайной сложности связи управляющих воздействий с качественными показателями гальванических покрытий и производительностью оборудования), невозможно эффективно эксплуатировать гальваническое оборудование. Кроме того, не изучены вопросы оптимизации и управления ГВ с использованием дополнительных катодов (ДК) и биполярных электродов (БЭ).

Таким образом, оптимизация и управление ГП нанесения гальванических покрытий в ванне с ДК и БЭ для улучшения качественных показателей гальванопокрытия, является актуальной научной и практической задачей.

Целью настоящей работы является снижение неравномерности распределения толщины покрытия на поверхности детали-катода за счёт оптимального управления гальваническими процессами в ванне с использованием дополнительных катодов и биполярных электродов.

Для достижения указанной цели необходимо сформулировать и решить следующие задачи:

построить математические модели гальванических процессовдля ванны с использованием дополнительных катодови биполярных электродов;

подтвердить адекватность математических моделей осуществлением экспериментальных исследований гальванических процессов в ванне;

поставить и решить задачу оптимизации гальванических процессовпри использовании дополнительных катодови биполярных электродов;

поставить и решить задачу оптимального управления процессом нанесения гальванического покрытия;

- разработать автоматизированную систему управления технологиче
ским процессом (АСУТП) нанесения гальванических покрытий в ванне с до
полнительными катодами и биполярными электродами.

Научная новизна:

исследован и описан объект управления нового типа, отличающийся тем, что для повышения равномерности распределения толщины на поверхности детали-катода в процессе нанесения гальванического покрытия в ванне используются дополнительные катоды и биполярные электроды;

впервые поставлена и решена задача оптимизации процесса нанесения гальванического покрытия в соответствии с критерием неравномерности, отличающаяся использованием в качестве варьируемых координат количества, размеров и координат базовых точек дополнительных катодови биполярных электродов;

построена ММ ГП в ванне и разработан алгоритм её решения, отличающиеся тем, что учитывается присутствие дополнительных катодови биполярных электродов;

- разработан алгоритм решения задачи оптимизации гальванических
процессов на базе метода покоординатного спуска, отличающийся использо
ванием декартовой системы координат для обозначения точек в ванне;

- разработан алгоритм решения задачи оптимального управления галь
ваническими процессами в ванне, отличающийся тем, что учитывается при
сутствие дополнительных катодови биполярных электродови обеспечивается
минимальная неравномерность на поверхности детали-катода при изменении
концентрации компонентов в составе электролита во время проведения про
цесса.

Практическая ценность работы:

1. разработан комплекс программ для решения системы уравнений ММ процесса с использованием ДК и БЭ, решения задачи оптимизации в ванне и нахождения решения задачи оптимального управления ГП;

2. предложена структурная схема системы управления ГВ с ДК и БЭ и описан её принцип работы;

3. разработано техническое обеспечение АСУТП, позволяющее реализовать найденный режим на объекте управления.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются в ООО «Наногальваника» (г. Тамбов, Тамбовская обл.).

На защиту выносятся следующие положения:

4. математическая модель ГП в ванне с ДК и БЭ;

5. решение задачи оптимизации ДК и БЭ в ванне с целью снижения неравномерности распределения гальванических покрытий;

6. решение задачи оптимального управления ГП по критериям неравномерности покрытия с учётом изменения концентрации компонентов в составе электролита во время проведения процесса;

7. методика для решения задачи оптимизации ДК и БЭ в ванне и выбора вида оптимального управления;

8. структура, состав и техническое обеспечение автоматизированной системы управления, реализующие найденные оптимальные управления ГП.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских конференциях: «Математические методы в технике и технологиях» (Ярославль, 2015 г.; Рязань, 2015 г.; Санкт-Петербург, 2016 г.); "В.И. Вернадский: устойчивое развитие регионов" (Тамбов, 2016 г.).

Публикации.По основным положениям, выводам и практическим результатам диссертации опубликовано 10 печатных работ в научных журналах, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации для публикации основных результатов диссертации, 4 доклада на международных конференциях, одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём диссертационной работы 125 страниц машинописного текста; диссертация содержит 44 рисунка и одну таблицу. Список литературы включает 105 наименований.

Образование катодных осадков и обзор методов улучшения равномерности гальванических покрытий

И зучение в ышепер ечисленных фак торов способствует раскрытию мето дов, повыш ающих равномер ное распределен ие электрического тока по поверхности электродов. При этом существуют электрохимические и г еометрически е методы для повышения равномер ности гальванического покрыти я.

К электрохимическим м етод ам относятся: и змен ение плотности тока, применение нетрадиционных источнико в тока (например, ванны, питаемы е ревер 23 сивным, асимметричным переменным, импульсным или пульсирующим током и др.).

При применении нетрадиционных источников тока в многоанодных ваннах осуществляют оптимальное управление напряжениями на независимых анодах или оптимизацию конфигурации анодных секций: управлением расположением анодных секций; поочередное, циклическое или одновременное включение или выключение анодных секций[20-22]. Общим недостатком для процесса нанесения гальванических покрытий в многоанодных ваннах является высокая техническая сложность реализации многоанодных систем, например, разработка приборов и оборудований для регулирования напряжения, подаваемого на анодные секции.

В гальванической ванне с реверсивным током выполняются функции изменения напряжений прямого и обратного включения тока [23-25]. При этом полярность электродов периодически изменяется (покрываемая деталь на время становится анодом). Время действия обратного тока не должно превышать 20% от времени действия прямого тока [2]. При нанесении гальванических покрытий с использованием реверсивного тока необходимо специальное оборудование, выдающее импульсы и прямого и реверсивного токов, которые имеют длительность в единицах миллисекунд. Вследствие длительности прямого и реверсивного токов, продолжительность процесса нанесения гальванических покрытий этого метода будет большей, чем при использовании источника постоянного тока, и приводит к уменьшению производительности оборудования.

В работе [26] показано более значительного улучшения качества гальванических покрытий и ускорения процесса при электролизе с использованием импульсного или пульсирующего тока. Результат работы заключается в том, что из сернокислых растворов возможно получаться мелкозернистые блестящие осадки железа и никеля при высоких плотностях тока. Трудностью метода также является техническая сложность реализации системы.

Геометрическими методами для повышения равномерности гальванического покрытия является использование дополнительных катодов, биполярных электродов, фигурного анода, токонепроводящего перфорированного экрана [27-29]. В рабПотреи м[е2н7е] нпире омветдоеднао пмроямдеолгиор поевраенбиоер аи н еп рцеедллеосжооебнраазсниос,т те амка коапк тоибмлалсьтньо игзо-мупенраевнлиеян риаяз мгаелрьова дноипчоеслкноийтевлаьнныохй кса ттоодк овн еи п бриопводлярщниымх ээклреакнтормод. оТво кбоундепт рбоовлоь--шд яощй и ий т эркербаунент ес упщодесктлвюечнанеытхся з акт риастт овчрнемикену ип пиртиан риаяс чиё тнаах нёам Э Ви мМе.ются отверстия для п рГорхаоджиеднентниыя еи омнеотво дмыеттаалклжа еп онкер ыятвиля.ю Пт сряи пэотодмхо рдаясщпирмедие. лПенри е пторкиаменнае нпиои-гвреардхинеонстниы кхатмоедтао бдолвеетрсеобсуреетдсоят ов чыичвиасюлтястяьсняа змнеасчтеанхи, яп рчиасбтлниыжхаюпщроиихзсвяо дк ноытхве пр -о рсатизмямер ан ма тдоокпоонленпиртоевлоьдняыщхемкаэткордаонве.и В б риепзоу ляьртнаытех нэелреаквтнроомдеорвн одслтяь огпалрьевдаенлиенчие-я нскапирха пвлоекнриыятигйр асднииежнтаае.тсДял ян ап овлсуечйе пноивяе трахкноойс тцие лкиа тноедоаб, хноод ивм ео г ом нноегсок орлаьзк риехш лаот-ь скиаслтьенмыух умреасвтнаехн и(пяа (з2а.х3, 5 в) п, атдаки нкаахк, з онтавчернситеи кяхр,и ткерраияях , н ев рыасвтнуопмаехр, н оксртоимк(1а.х8) ) бнуедпеот-спроелдусчтавтеьнсняо с з баовильсшито ой т т реушднеонситяь эют оий с сиилсьтнеом ыза.в исит от решения задачи оптимизации т оКкроонме пе ртоовго д, я нщееигзов епсетрнфооер зинраочвеанинео гкоо эфкрфаинцаи. ента для определения следующей т оВч ркаиб эоктсет [р2е8м] упмраи внеад екнаыждсопмо сэотба преасочпёртаедэеллеякеттрсиячесс пкогмоо щп оьлюя имеэткосдпоевр иомденно--мтыер вн огйалмьвианниимчиезсакцоийи в. аЭнтное тс а ик сжпео лтьрзеобвуаенти сеумщ беисптвоелнянрыных хз аэтлреактрвоыдчоивс. лВи тэетлоьйн роаг-о вброетме ебниип. оАлявртноыр еп эрлеедклтаргоадеыт аплогмоерщитамю тнсая мбаезже д му еатнооддао мп о ик одоертдаильнюат-нкоатго дсопму. сОк ан ис пнрео нваехрокдояйт сн яа вк аэжлдекотмр ишчаегсек о гмр акноинчтеанктией (тниеп ка о нетрааквтеинрсутюв т(с2я. 2) ) с- (т2о.1к9о)п. оМдвеотоддящ пиомкои-ошртдаиннгатмнио. г Во сппруосцкеас сцеелнеасноеосбернаизяе нг а, лтьавка кнаикч епсркии хр епшоекнриыит изйад на ач ип о впетрихмниозсатции би и рпаоз--мляерноыв хд оэплоеклтнриотдеолвь нныа хч нкёаттсояд роавз ир я бд и ипонлоявр нпыр хи эдлоескттарточдново йв ргазлньовсатнии чпеосткеонйц ивалнонве ов п итихм курмайинщиехт стяо пчкоаохч.е рПердин оэ птом к,а жподвоейр кхонорсдтиь нбаитеп ов л оятрднеолгьон оэслтеик.т рода будет де-литьсяКрноам деветочгаос,т ид оип олннии втыелпьонлыняе юкта троадзыны ие фбиунпкоцляирин: ыч еа сэтлье пкотрвеордхын оисмтеию, от б вриад-пщрёянмноауягокл аьноидкуа, ивыипх орланзямеетр ыр о ильзм кеантяоюдатсия пбоуд кеото продкирныатвамть осясемй еОтаХл,л оОмУ; , аO чZа ситсь-полвьезрухенмоосйти д, еокбарратщовёнойн асяи кс ткеамтыод. у Т, авкыипео улснляоевти фя у янвклцяиюи т ас ня опдра еи мбущдетстввлаимяитьп нр аи пррасипмреендеенлиеин имеетэолдека тпроикчоеосркодгион аптонлояг ов свпаунснкеа.. ПТаркиж ое п дтиосмтиозианцситив армаизм меертао ди а мяевслтяа-юр атсспяо плроожсетноитяа иб испкорлоясртньы рх а бэолтеыкт прордио пв о ив свкаен онпет, и нмеурмаав.н омерность распределения металлДал яп онкархыотжидяенпиоя п опвтеирмхнаолсьтниы хд ертазлмие бруодв е(тР мд_и1_нi,и Рмда_л2_ьi)н ад.о пВ о элкнсиптерлиьмныенхтекаитсо--дповл ьсзноавчаанлаа гиащльевтасняи эчкесткраеямувамн нпао, рвазкмоетроур оРйд_1р_iапсоп оклоожрдеинныатдеваOXпр пямрио уфгоилкьсниырох-вааннондоам р аззнмаечреонми и2 7Р xд_520_i пс ом кио доврад ипнраятме о Oу гZо,л зьантые хм акнооодрад ирназамт е рOо мX 2п3рxи5с0васимв; а дюетазлньа--чкеантоиде, в своиодтев еутгсотлвкуаю рщаеземеэркосмт р9еxм1у4м сум, ; иб иипщолетясрян ыэйксэтлре кмтурмо д п: о1 0вxт2о0р сом;у термазпмерера-у Рт уд_р2а_i . эАленкатлрооглиичтнао: , 1д7л я0C н; асхиолжа д теонкиая: о2п5тиAм; анлаьпнрыя хж ернаизме:е р3 о Вв ;(Рврб_е1м_j,я Рнба_2н_еj)с ебниипяо лпяор--нкырых тэиляе: кт3р0о дмоивн, устн;ачсаолсатаивщ эелтескя тэркослтиртеам: уZмn пOо- (1р0аз-1м1е руг/ лР)б, _1N_j a пOо H к- (о1о7р0д-и1н8а0тег /Oл)Y, пNрaиC фO и3-к(с4и3р-4о4ванг/нло).м Пзнраич епнеирив оРнба_2ч_аj лпьон коойо ркдоиннфаитгеу рOаZц,и зиатгеамл ьквоаонридчиенсактоей OяYчепйрки-сбвиапиовлаяюр тн ызнйачэелнекитер, ос до ортавсептостлваугаюещтсеяе сэпкесцтриеамлиусмтуо, ми - тиещхнетосляо гэокмст рнеам оусмн опвоа внтиоир оемгоу размеру Рб_2_j. производственного опыта. При этом схема расположения электродов в электролитической ячейке представлена на рисунке 1.2. После решения задачи оптимизации биполярного электрода в ванне получена схема расположения электродов, которая представлена на рисунке 1.3. Сечение детали показано на рисунке 1.4 и распределение толщины гальванических покрытий на поверхности представлено на рисунке 1.5 и 1.6.

Постановка задачи оптимального управления гальваническим процессом в ванне с биполярными электродами и дополнительными катодами

Задача оптимального управления гальванической ванной с дополнительными катодами и биполярными электродами решается с точки зрения предложенного критерия неравномерности (1.8). Для связи критерия неравномерности и варьируемПырхи пмаернаемнеитер моветгоадлаь впарняимчоегсок пойер веабнонрыа ниес пцоелеьсзуоеотбсряа змнаот, етмаакт киачкесокбаляасмтоьд иелз-ь, мепнрендистяа рвалзямюещроавя дсиосптоелмнуи таеллгьенбырахи кчаетсокдиохв и и д ибифпфоелряерннцыихалэьлнеыктхр уордаоввнебнуидйет. большой и тВре нбаусето сяущеес втвренмняы ихспзаотлрьазту юврте смлеендиу юп рщи и ре а мсчеёттоадхы н да л Эя В пМос.троения матема-тичеГскриадхи меондтенлые ей [м5е3т]о: ды также не являются подходящими. При применении градиен-т анныахл имтеитчоедсокви йт;р ебуется вычисляться значения частных производных по размера-м э кдсоппеорлинмиетнетлаьлньыных й к; атодов и биполярных электродов для определения направл-е энкисяп егриадмиееннттаал.ь Днол-яа нпаоллиутчиечнеисяк итйак. ой цели необходимо много раз решать системуГ уалрьаваннеинчиеяс (к2а.я3 5в)а, нтнаак ск абки пзноалчяерниыем ки р эилтекртиряо ндеармаив ни о дмоепронлонситите (л1ь.н8ы) нмеип коа--с ртеоддсатмвиен янвол язаевтисяс инто ов ты рмешобеънеикят оэ тмо йд лсяи сптреомеыкт. ирования, поэтому используется ма-темаКтирчоемсекатяо гмоо, днеелиьз, впеоссттнр оее нзнаяч елниише ь к аонэафлфиитицчиеснктиам д мл яе топдроемд.еления следующей точПкрии эскосстртаевмлуемнаи ин ам каатежмдаотми чэетсакпоег о порпеидсеалняиетясяан са лпиотмиочщеськюи мм емтеотдоодво мо дпнрои- -м емре нояйютмиснпиомсоибзавцыивио. дЭатоу ртаавкнже не итйр.е бЭутеотт ссупщосесотбвеонсныовхы зваатертастя вныа ч тиесолриеттеилчьенсокгоом в раенмаелниизе. Ахивмтоирчепсркеидхл иагафеитз иачлегсокрихт мп рноац ебсасзоев ,м кеототодра ыпео кпороридсихнодатянт овг ом оспдеулсикар усе-п рмоовме р окбоъйе кнтае к иа жндао умч ёштаег хе а оргаркатнеиричеснтикй птеирпеар набеартаывевнасетмвы ( х2 .в2е)щ-(2ес.1т9в).и М коетносдтр пуоккцои-и орадпипнаартантоугроы [с5п4у-с5к8а] .ц Ве лыевсодо бурраазевн,е нтаикй кмаакт пермиатриечшесекноийи мз аоддаечлии оопстуищмеисзтавцлияие трсаяз-с мепроомво щд оьпюо лфнуинтдеалмьнеынтхалкьантоыдхо вз а ик обниопво лсояхрнраынхе нэлиеяк этнреордгоиви в и гавлеьщвеаснтивчае, сак отайк вжаен нкеи-о пнтеитмичумес ик ищхетзсаяк опноомчернедонстое пй о т каакжихд опйр кооцоерссдоивн, а ктаек в, оптедрелньонсоас т еип. ла и массы и хи-мичеКсркоимх еп ртеовгроа, щдеонпиойл.н ительные катоды и биполярные электроды имеют вид прямоугТоалкьинми коаб ри а изохм р, апзмрие рныа хиозжмдеенняиюит сзяа впиосикмоорсдти нзантачме ноисяе йк рОиХт е, рОи Уя , нOе рZа винсо- -п омлеьрзнуоесмтоий (1д.е8к) аортт опваорйам сеитсртоевм гыа л. ьТвакниеч еуссклоойвиваян ян выл яс ю дтоспяо лпнриетиемлуьщныесмтивакматио дпармии п рии бмиепноелняирин ымметио дэ ла епкотркодоармдин иастпнолгьозуспемус мка.теТмаактжиечедсоксутюо имносдтевламь ид лмя е гтаолдьав аянвилчяе--юстксия хпрпорсотцоетсас ои в с, кпорроотсеткьаюращбоитхы в пвраин нпео.и Осксен о впнтыимуим эат.а пами построения такой мо-делиД ялвял янюахтосяж: дения оптимальных размеров (Рд_1_i, Рд_2_i) дополнительных катодов сна1ч)алИазуичщеентисея оэбкъсеткртеам мумод пелои раозвмаенриуя.Р Пд_р1о_iпвод киотосяр доизнаткео мOлXе н пиреи с фкионкситруок--в ацнинеойм згналачьвенаниич Ре сд_к2о_iйп о вкаононрыди, наэтлекOт рZо, дзоавтеми к опорродтиенкаютещ OиXми п р ви с внаеийв аюфти ззинкао- -ч ехнииме и, чсеосоктивмеитс птрвоуцюещссеаемиэк. стремуму, и ищется экстремум по второму размеру Рд_2_i. А2н)а Пл оргиинчянтои,е д длояп нущахеонжидйе, нкиоят оорпытеи,м каалкь нпырахв ирлазом, енраопвр а(вРлбе_1н_ыj, Рнба_ 2у_jп) рбоищпеонлияер-и ныобхо эслнеоквтарноидео пв р, исняатчоайластирщукетусря нэокйстсрхемуым м по од ерлаизрмуермуо йР бг_а1л_jь впаоникочоесркдоийн автаен нOыY. при фиксированном значении Рб_2_j по координате OZ, затем координате OY присваивают значение, соответствующее экстремуму, и ищется экстремум по второму размеру Рб_2_j. 3) Определение параметров уравнений. Каждый параметр имеет свой физический смысл. Их можно найти или в справочной соответствующей литературе или определяем с помощью численных расчётов. 4) Составление уравнений математической модели в целом. 5) Выбор методов для решения системы уравнений модели. 6) Оценка точности (адекватности) построенной математической модели. Для предлагаемого гальванического процесса при построении математиче ской модели будут принимать основные следующие допущения [59]: 1. Отсутствие градиента температуры и концентрации по линейным координатам в объёме электролита. 2. Электропроводность используемого электролита одинакова во всех точках внутренней области ванны. 3. Плотность, электропроводность, магнитная проницаемость, концентрации компонентов и температуры используемого электролита не зависит от температуры и концентрации в диапазонах допустимых изменений. 4. Традиционное допущение о положительном потенциале анода относительно потенциала катода. 5. Отсутствие шероховатости на поверхности используемых электродов.

Для вычисления значения критерия неравномерности по формуле (1.8), необходимо знать распределение толщины нанесённого покрытия в каждой точке по поверхности основного катода. Толщина нанесённого покрытия в точке с координатами (x,y,z) поверхности детали-катода за продолжительность процесса Т вычисляется по закону Фарадея(1.1).В гальванической ванне с биполярными электродами дополнительными катодами, формула закона Фарадея (1.1) примет следующий вид: b(x,y,z) = —r\ik(x,y,z)T, (2.20) р где Э - электрохимический эквивалент металлического покрытия; -плотность металлического покрытия; г) - значение выхода металла по току; ik(x,y,z) - зн ачение плотност и тока на по верхности като да в точ ке с лин ейными ко ординатами (x,y,z); Т - врем я нанесения по крыти я.

В формулу закона Ф арадея (2 .20) входят разные пере менн ые. Значения электрохими ческого эквивалент а металла по крытия и плотности покрываем ого металла возможно найти в справочн иках. Значение выхода металла по току выражает в проц ентах. В зависимости от катодн ой п лотности ток а, темпера туры и концентрации компонентов и спол ьзуемого электроли та, катодный вых од является функцией следующе го вида: (jc,y ,z,r) = (/l,z/t(jc,y,z,r),C1(r),C2 (r),...,C(r)), (2.21) где t - те мпература и спо льзуемо го элек тролита; т — произвольный мо мент времени; п - количество компо нентов электр олита; Сі(т), С2(т),..., Сп(т) - концентрац ии ком понентов электролита. Изменение ко нцентрации j-oro ком понен та электролита за длительнос ть т больш ого периода опи сывается у равнением:

Математическое моделирование гальванических процессов в ванне с биполярными электродами и дополнительными катодами

Поэтому при решении поставленной задачи оптимизации нельзя применить аналитические методы, так как присутствуют ограничения типа неравенств и имеет место неявное выражение целевой функции, связывающей критерий неравномерности и варьируемые параметры.

Суть численных или алгоритмических методов заключается в построении алгоритма, который отыщет или приближает экстремум [68-69]. Численные методы разделяются на основные следующие группы: - регулярные; - статистические; - комбинированные методы. Статистические методы опираются на случайный поиск или случайный поиск с накоплением информации о предшествующем процессе оптимизации. Недостатком этих методов является очень большой объём вычислений. В данной работе требуется оптимизация многих параметров и статистические методы не является эффективными для решения.

Регулярными алгоритмическими методами являются метод прямого перебора, метод покоординатного спуска (метод Гаусса – Зейделя), градиентные методы и др. [70-74].

Применение метода прямого перебора не целесообразно, так как область изменения размеров дополнительных катодов и биполярных электродов будет большой и требует существенных затрат времени при расчётах на ЭВМ.

Градиентные методы также не являются подходящими. При применении градиентных методов требуется вычисляться значения частных производных по размерам дополнительных катодов и биполярных электродов для определения направления градиента. Для получения такой цели необходимо много раз решать систему уравнения (2.35), так как значение критерия неравномерности (1.8) непосредственно зависит от решения этой системы.

Кроме того, неизвестное значение коэффициента для определения следующей точки экстремума на каждом этапе определяется с помощью методов одно р иммиенниемниизеа цмиеит.о дЭат оп ртяамкжогео т пребруебето рсау щнесцтевлеенсноыо хб рзазтнроа,т тваык чкиаскл иотбеллаьснтоьг ои з-мвернеемнеиняи .р азмеров дополнительных катодов и биполярных электродов будет большой и Ат рветбоуре тп рсуещдлеасгтавеетнналыгхо рзаитрма тн ав рбеамзен ми ептроид ар апсочкёотоархд ниан Эа тВнМог.о спуска с про-веркоГйр на да икеанжтдноыме шмеатгоед оыг ртаанкижч е нией я твилпяюа тнсеяр апвоеднхсотдвя (щ2и.2м) -и(.2 .П19р)и. пМреитмоедн пеноикоио грр-а-ддииенаттнныохг ом септуосдкоав цтерлеебсуоеотбсря авзыенч,и тсалкяткьаскя п зрниачреншиеян чиаис зтандыахчип роопитизвмоидзнаыцих ип ро а рз амзем-е-рраомв ддооппооллннииттееллььнн ыхх ккааттооддоовв ии б бииппоолляяррнныых х элэлекектртрооддоов вд лв я г оалпьрвеаднеилченесикяо нй а впарнанвле е-ноипят игмраудми ие нщтеат. с Дя лп яо опчоелруечденнои пя о ткаакжодйо цй е клоио рндеионбахтоед ив моотдмелньонгостриа.з решать систему уравнеКниряо м(2е. 3т5о)г,о т, адко кпаокл знниатчеелньинеы ке ркиаттеордиыя ни е рбаивпноолмяеррнныоес тэил е(1к.т8р)о нд еып оисмреюдстт веиндн о зпарвиямсиоту гоотл рьеншикеан иия иэхто рйа сзмисетреым ыи з. меняются по координатам осей ОХ, ОУ, OZ ис-пользКуермомойе тдоегкоа,р нтоеивозвйе стинсотемзына. чТенакииее коуэсфлофвиицяи еянвтлаяюдлтсяя о преидемлуещнеисят свламедиу юп рщией тпорчикми еэнкеснтирие ммуемт ао днаа п коакжоодродми нэтаатпнео гоп српеудсеклая.етТсаяк жс еп домосотщоиьюнстмвеатмоид омветоодднао мявелрян-ой мюитнсиям пирзоасцтиоит.а Эи т сок отраоксжтеь трраеббоутеыт псруищ пеоситсвкеен ноыптхи змаутмрат. вычислительного времени. Автор Дпрляед нлахгоажетд еанлгиояр оипттмимналбьанзые хм ретаозмдаерпоовк (оРодр_1д_иi,н Радт_н2_оi)г од оспоулснкиа тсе лпьрноывхер к аотйо-на кдаожв д сонма чшалаагеи що гертасняи эчкеснтирйемтуимп ап он ерраазмвенрсутвР д_(12_.iп2 )о- (к2о.1о9р)д. и нМаеттео Oд Xп опкроио рфдиикнсаитрноо-го свпаунснкоам ц езнлеасчоеонбириазРедн_2,_ iтпаок ккоаокр пдирин артеш OеZн,и из а зтаедмачкио оорпдтиинмаитеза Oц иXи прраизмсвеариовваюдотп зонлан-и-тчеелньинеы, хс коаотовдеотвст ив убюищпоелеярэнкыстхр еэмлеукмтур,о ди о ви щв егтасляь вэакнситчресмкуомй впаон нв ет о рпотмиумурма зимщеретуся пРодо_2ч_еi.р едно по каждой координате в отдельности.

Техническое обеспечение системы управления гальванической ванной с биполярными электродами и дополнительными катодами

Система управления работает следующим образом [85, 94]. При поступлении детали на обработку, информация о ней (форма и размеры детали, планируемое размещение детали и анодов в гальванической ванне) вводится оператором в электронно-вычислительную машину (ЭВМ) верхнего уровня. Используя полученную информацию, вычислительной машиной верхнего уровня решается задача определения оптимальных размеров дополнительных катодов и биполярных электродов, после чего они доставляются со склада или (если такие электроды ранее не использовались) изготавливаются на участке подготовки оснастки. В то же время решается задача размещения дополнительных катодов и биполярных электродов в объёме гальванической ванны.

После этого комплекс: анод, деталь–катод; дополнительные катоды и биполярные электроды - помещается в гальваническую ванну с оптимальными геометрическими характеристиками.

Ток, напряжение, температура электролита, уровень электролита измеряются датчиками EEI, EEu, ТЕ, LE. При этом используются следующие датчики и приборы: ДТТ-03, ДНТ-03, IKF1M, LUC-M. Эти значения поступают на вход ана-лого-цифрового преобразователя (АЦП). В качестве АЦП может использоваться, например МК ATmega8. Выход АЦП подключен к микропроцессору. По информации, поступающей от датчиков, рассчитывается изменение концентрации компонентов электролита по методике из [83].

В процессе нанесения гальванического покрытия, микропроцессор решает задачу поиска функции изменения напряжения во времени при изменении концентрации электролита по методике [79, 95]. Рассчитанное значение напряжения поступает на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), после чего поступает на уставку системы регулирования выпрямительного агрегата. В качестве ЦАП может использоваться, например ЦАП AOUT16v1.O.

Экспериментально подтверждено уменьшение неравномерности более, чем в два раза при использовании предложенной системы автоматизированного управления гальванической ванной по сравнению с проведением процесса без дополнительных катодов и биполярных электродов.

При нанесении гальванического покрытия технологический процесс представляет собой три этапа: подготовка поверхности деталей, нанесение покрытия и окончательная обработка деталей после покрытия. Предложенная автоматизированная система управления технологическим процессом предназначена для автоматизации технологического процесса нанесения гальванических покрытий в ванне с дополнительными катодами и биполярными электродами. Разрабатываемая система должна обеспечивать высокую производительность и низкие эксплуатационные расходы.

Техническое обеспечение (ТО) для системы управления гальванической ванной с дополнительными катодами и биполярными электродами представляет собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств.

Технологические переменные, измеряемые на объектах гальванической ванны, вводимые в управляющую систему: - аналоговые значения, измеряемые датчиками: сила тока, уровень используемого электролита в ванне, температура используемого электролита в ванне, напряжение между анодом и катодом и другими электродами в ванне; - дискретные значения, преобразуемые АЦП и ЦАП; - размеры и конфигурация всех электродов (анода, основного катода, до полнительных катодов и биполярных электродов), значение минимальной задан ной толщины покрытия, время нанесения покрытия в гальванической ванне вво дятся с пульта оператора.

Управляющие воздействия (в зависимости от состава оборудования) действует на напряжение на электродах, режимы тока (в зависимости от решения задачи оптимизации биполярных электродов и дополнительных катодов в ванне) и положение электродов (зависит от решения задачи оптимизации геометрических характеристик биполярных электродов и дополнительных катодов в ванне и выдаётся на шаговые двигатели в виде команд с помощью устройств перемещения).

Исходя из потребностей задачи управления и наличия датчиков для измерения параметров ванны, количество каналов аналогового и дискретного ввода/вывода определяется традиционными методами [99].

Важными задачами системы автоматизированного управления гальванической ванной с дополнительными катодами и биполярными электродами является предварительный поиск оптимального управления и осуществление функции управления.

Для осуществления задачи предварительного поиска оптимального управления применяется расчётная ЭВМ, которая находится на верхнем уровне. Кроме того, расчётная ЭВМ также выполняет задачи ввода исходных данных, ведения и сохранения базы данных для начала работы оптимизации и вывода её результатов на экране. В качестве расчетной ЭВМ обычно выбирают ПК-персональный компьютер с соответствующим набором характеристик для требования работы: тактовая частота, производительность, операционная память, объём и тип жёсткого диска и разрядность процессора. Как и выбор других устройств, ПК выбирается так, что удовлетворяет требованию минимальной стоимости. Стоимостью при выборе ПК является затраты на его приобретение и его монтаж вместе с другими вычислительными устройствами. На самом деле выбор ПК и других устройств характеризуются примерно какой-либо стоимостью. Проектировщик на основании своего опыта будет выбирать конкретное необходимое удовлетворительное вычислительное устройство из класса минимальной стоимости. Например, в этой работе, при предварительном поиске оптимального управления гальванической ванной с дополнительными катодами и биполярными электродами главными действиями ПК являются вычислительные расчёты, а необходимости по видеосистеме для ПК нет, поэтому возможно выбрать ПК только с интегрированной видеосистемой, которая находится на материнской плате.