三價鉻鍍鉻工藝參數自動化檢測系統設計

李 蔚, 丁 汀

(1.河南機電職業學院 人文與設計學院，河南 新鄭 451191； 2.河南機電職業學院 信息工程學院，河南 新鄭 451191)

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三價鉻鍍鉻工藝參數自動化檢測系統設計

李 蔚1, 丁 汀2

(1.河南機電職業學院 人文與設計學院，河南 新鄭 451191； 2.河南機電職業學院 信息工程學院，河南 新鄭 451191)

鍍鉻工藝參數的準確檢測對鍍層性能非常關鍵，當前的檢測系統對相關參數選擇不準確，對工藝影響較大。提出一種新的鍍鉻工藝參數檢測系統設計方法，通過實驗分析了硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝材料和工藝參數特點，分析了pH、電鍍時間和鉻質量濃度對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層的影響，確定這三種參數對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層耐腐蝕性起到的作用。以此為基礎設計一種智能化參數檢測系統對硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數進行檢測，主要包括主板模塊、無線個域網(Zigbee)模塊和傳感器模塊，詳細介紹了各模塊的硬件設計過程。實驗結果表明，該系統不僅能耗低，實際效果較好。

硫酸鹽三價鉻鍍鉻； 工藝參數； 自動化檢測

引言

近年來，硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝因環保和耐腐蝕性高被廣泛應用于各個領域，得到快速發展[1-3]。為了保證硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝的性能，需對影響工藝的參數進行實時檢測，從而有針對性的采取不同的措施提高鍍層性能[4-6]。

文獻[7]提出一種基于CAN和RS485的硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數自動化檢測方法，該方法檢測點較多，檢測結果準確。但在檢測點位置發生改變的情況下，會造成硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝內部電纜發生錯亂，大大增加了安裝難度，導致成本增加；文獻[8]、文獻[9]和文獻[10]分別提出峰均功率比、激光掃描方式和MPPT算法對不同的工藝參數進行檢測，方法實現過程簡單。但是這些傳統方法容易受到系統資源與網絡帶寬限制，無法檢測出其他參數，檢測結果不可靠、且系統間互不兼容，導致成本增加，并且實現過程較為復雜，不適于實際應用。

針對上述方法的弊端，提出一種新的鍍鉻工藝參數自動化檢測系統，選取合適的參數，設計一種參數自動化檢測系統。實驗結果表明，該系統不僅能耗低，而且具有很高的檢測精度。

2 硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數的選取

2.1 硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝材料的選取

鈦涂層陽極，尺寸為69.0mm×76.0mm×2.6mm；銅試片陰極，尺寸為115.0mm×61.5mm×0.4mm；試劑為CRSPIRIT 870三價鉻電鍍添加劑，硫酸銅，氧氧化鈉，硫酸，乙醇等。

2.2 實驗環境設置

硫酸鹽三價鉻鍍鉻鍍液組成及工藝條件如下。

CRSPIRIT 870A 導電鹽

291g/L

CRSPIRIT 870B 鉻溶液

162mL/L

CRSPIRIT 870C 開缸劑

22mL/L

CRSPIRIT 870W 潤濕劑

2mL/L

總鉻

11g/L

θ

50℃

陰極電流

8A

電壓

12V

pH

4

攪拌

輕微空氣攪拌

2.3 不同參數對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層的影響

2.3.1 pH對鍍層的影響

將銅試片作底材，依次在pH為3、4、5、6和7的情況下進行赫爾槽試驗與方形槽實驗。赫爾槽試驗θ為50℃，t為4min，電流4A。依據腐蝕電位與腐蝕電流對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層的耐腐蝕情況進行判斷，腐蝕電位利用CMB1510腐蝕測量儀進行測量。pH對鍍層外觀的影響見圖1。

圖1 pH對鍍層外觀的影響

分析圖1可以看出，當溶液中pH逐漸增加時，低電流區的覆蓋能力也隨之提高。在pH為3的情況下，硫酸鹽三價鉻鍍鉻層色澤相對較暗，低電流區有陰影；在pH達到4的情況下，鍍層白亮度在一定程度上有所提高；在pH在4～7范圍內時，鍍層色澤沒有出現顯著改變。

表1為pH對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層耐腐蝕性影響結果。

表1 pH對鍍層耐腐蝕性影響

pHφcorr/VIcorr/mA3-0．4411．314-0．4512．145-0．5530．916-0．5853．287-0．6255．45

分析表1可以看出，隨著pH的逐漸增加，硫酸鹽三價鉻鍍鉻層腐蝕電位負移，腐蝕電流隨著升高，說明鍍層耐腐蝕性降低。因此pH可作為檢測參數。

2.3.2 電鍍時間對鍍層的影響

將銅試片作底材，依次在5、10、20、30和50min時刻進行方形槽實驗，pH為4，θ為50℃，電流6A。依據腐蝕電位與腐蝕電流對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層的耐腐蝕情況進行判斷。圖2為電鍍時間對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層外觀的影響結果。

圖2 電鍍時間對鍍層外觀影響

分析圖2可以看出，電鍍t在5～20min范圍內時，硫酸鹽三價鉻鍍鉻層的光澤度很好；電鍍t高于30min的情況下，硫酸鹽三價鉻鍍鉻層光澤度在一定程度上有所降低；在電鍍t達到50min時，硫酸鹽三價鉻鍍鉻層基本沒有光澤度。

表2為電鍍時間對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層耐腐蝕性的影響。

表2 電鍍時間對鍍層耐腐蝕性的影響

t/minφcorr/VIcorr/mA5-0．4511．1410-0．48511．9120-0．5620．2930-0．62439．8850-0．65742．57

分析表2可以看出，在電鍍時間過長的情況下，硫酸鹽三價鉻鍍鉻層耐腐蝕性降低。因此電鍍時間可作為參數被選取。

2.3.3 三價鉻質量濃度對鍍層的影響

銅試片作底材，分別在鉻質量濃度為5、10、20和30g/L的情況下進行赫爾槽試驗與方形槽實驗。赫爾槽試驗θ為50℃，電流4A，電鍍t為4min；依據腐蝕電位與腐蝕電流對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層的耐腐蝕情況進行判斷。圖3為鉻質量濃度對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層外觀的影響。

圖3 三價鉻質量濃度對鍍層外觀影響

分析圖3可以看出，在三價鉻質量濃度逐漸增高的情況下，低電流區的覆蓋能力明顯降低。在鉻質量濃度為5g/L的情況下，鍍層色澤白亮，覆蓋能力較佳；在鉻質量濃度達到30g/L的情況下，鍍層色澤在一定程度上變得暗淡，覆蓋能力較好。

表3為鉻質量濃度對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層耐腐蝕性的影響。

表3 鉻質量濃度對鍍層耐腐蝕性的影響

ρ(鉻)/(g·L-1)φcorr/VIcorr/mA5-0．59913．9910-0．45112．1420-0．47617．5630-0．52822．85

分析表3可以看出，當鉻質量濃度大于20g/L時，腐蝕電位負移，腐蝕電流增加，說明當前鍍層耐腐蝕性降低。

分析上述過程可知，pH、電鍍時間和鉻質量濃度對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層耐腐蝕性起到關鍵的作用。因此，對上述硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數進行自動化檢測具有重要意義，下面進行詳細的分析。

3 硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數自動化檢測系統設計

所設計的硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數自動化檢測系統主要由主板模塊、Zigbee模塊和傳感器模塊構成。

3.1 主板模塊設計

主板模塊為設計的硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數自動化檢測系統的核心，本節主板模塊選用的主頻為80MH的32位單芯片微控制器(8051單片機)，其型號為PIC32MX795F512L，其電路圖如圖4所示。

圖4 主板模塊電路圖

立板模塊選用的PIC32MX795F512L單芯片微控制器內置512 Kbyte Flash、以太網控制器等硬件。以上述硬件資源為基礎，主板上擴展了各種接口，使PIC32MX795F512L處理器能夠提供強大的信號處理能力。除此之外，PIC32MX795F512L處理器還內置時鐘模塊，能夠對硫酸鹽三價鉻鍍鉻時間進行檢測。

3.2 Zigbee模塊設計

Zigbee模塊主要負責實現不同采集節點和節點間的無線連接。由于硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數檢測過程中所需采集節點數量較多，工作時間較長，在分簇子網內使用Zigbee模塊可有效降低采集節點功耗和成本，提高系統性價比。Zigbee模塊電路如圖5所示。

圖5 Zigbee模塊電路圖

Zigbee模塊核心芯片選用MRF24J40MA，其支持Zigbee協議，傳輸速率很高，完全滿足系統要求。

3.3 傳感器電路設計

傳感器選型主要考慮硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數檢測要求、傳感器功耗、測量精度等因素。在所設計的系統中，硫酸鹽三價鉻鍍鉻鍍液pH選用傳感器SHT75進行檢測，硫酸鹽三價鉻鍍鉻鍍液中鉻質量濃度選用傳感器T6004進行檢測。總傳感器電路如圖6所示。

圖6 傳感器電路圖

4 實驗結果分析

為了驗證本文提出的硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數自動化檢測方法的有效性，需要進行相關的實驗分析。實驗將聚簇規則集方法和小波變換方法作為對比進行測試。

4.1 能耗測試

采用本文的系統對硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數進行自動化檢測，不同類節點能耗情況如表4所示。其中第1類節點用于參數傳輸，第2類節點用于參數處理，第3類節點用于參數采樣，第4類節點用于參數存儲。

表4 不同節點能耗

t/d不同節點電池電量/%第1類節點第2類節點第3類節點第4類節點0100100100100309583728160897558649083693345

分析表4可以看出，隨著時間的推移，第1類節點消耗了總電能的17%，第2類節點消耗了總電能的31%，第3類節點消耗了總電能的67%，第4類節點消耗了總電能的55%，電池均未消耗完畢，說明本文系統能夠連續工作3個月以上，能耗較低。

4.2 參數檢測精度測試

本節將檢測誤差作為衡量參數檢測精度的指標，檢測誤差就是錯誤檢測值與真實值之差。圖7描述的是本文方法、聚簇規則集方法和小波變換方法對硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝中鍍液pH的檢測誤差比較結果。

圖7 三種方法pH檢測誤差比較

分析圖7可知，聚簇規則集方法和小波變換方法的檢測誤差曲線波動較大，且一直高于本文方法，而本文方法的檢測誤差低于0.3，說明對鍍液pH有很高的檢測精度。

圖8為本文方法、聚簇規則集方法和小波變換方法對硫酸鹽三價鉻鍍鉻鍍液鉻質量濃度檢測誤差比較結果。

圖8 三種方法鉻質量濃度檢測誤差比較結果

分析圖8可以看出，采用本文設計系統的方法對硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝中鍍液鉻質量濃度進行檢測，得到的檢測誤差低于0.4g/L，而聚簇規則集方法和小波變換方法的檢測誤差明顯高于本文方法，說明本文方法有很高的檢測精度。

5 結 論

提出了一種新的硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數自動化檢測方法，介紹了硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝材料和工藝參數，分析了pH、電鍍時間和鉻質量濃度對硫酸鹽三價鉻鍍鉻鍍層的影響，發現三種參數對硫酸鹽三價鉻鍍鉻層耐腐蝕性起到重要的作用。設計一種參數自動化檢測系統對硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝參數進行檢測，主要包括主板模塊、Zigbee模塊和傳感器模塊，詳細介紹了各模塊的硬件設計過程。實驗結果表明，該方法不僅能耗低，而且具有很高的檢測精度。

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Design of Process Parameters Automatic Detecting System for Trivalent Chromium plating

LI Wei1, DING Ting2

(1.School of Humanities and Design,Henan Mechanical and Electrical Vocational College,Xinzheng 451191,China; 2.School of Information Engineer,Henan Mechanical and Electrical Vocational College,Xinzheng 451191,China)

Accurate detection of chromium plating process parameters is critical to the coating performance,the current detection system is not accurate to the related parameters selection,which influences the process greatly.In this paper,a new design method of chromium plating process parameters detecting system was put forward.Through experiments，the plating material and process parameters of sulfate trivalent chromium plating were analyzed,the influences of pH,plating time and chromium mass concentration on the coating were studied,and the effects of these three parameters on corrosion resistance of the coating were confirmed.Based on the above，a new intelligent parameter detecting system was designed for sulfate trivalent chromium plating process parameters detection,including motherboard module,Zigbee module and sensor module,and each module hardware design process was introduced in detail.Experimental results showed that the system not only had low energy consumption,but also had better actual effects.

sulfate trivalent chromium plating; process parameters; automatic detection

2016-06-27

2016-07-28

國家自然科學基金(60883239)

10.3969/j.issn.1001-3849.2016.12.008

TP274.5

A