基于80C51單片機的電刷鍍裝置優化設計

張明強，李晶，趙海洋，于守洋，趙祖鳴

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

在工業技術發展的進程中，電刷鍍一直是一項被廣泛研究和應用的技術［1-5］。由于空間和資金等一系列因素的限制，目前實驗室內小型工件的電刷鍍裝置依然存在著一系列的問題。鄧鷹飛等人［6］設計的嵌入智能控制系統的高效節能刷鍍機床和王宗雄等人［7］概述的當前現有刷鍍設備，表明不同設備之間所刷鍍工件的尺寸差異較大，不適用于實驗室工作環境；滾鍍［8］、吊鍍等較大規模的電鍍方式對設備的要求比較高，同樣不適用于實驗室內對小型工件的電鍍。根據實驗研究對金屬表面電刷鍍的精密性和靈活性要求，通常科研人員采取手工電刷鍍方法。但此方法有幾個缺點：①手工電刷鍍過程中產生有害氣體會危害操作者的健康；②長時間手工操作造成刷鍍不穩定、刷鍍效率低，影響鍍層質量；③手工電刷鍍工藝完全依賴于體力勞動并造成鍍液的浪費。由于存在上述缺點，刷鍍效果通常難以滿足實驗室中對電刷鍍安全性、穩定性、高效性與節約性等方面的要求。探索和開發高效率、低成本的自動化電刷鍍裝置對滿足實驗需求有重要意義。本文介紹的基于80C51單片機控制的電刷鍍裝置優化設計，可實現電鍍液的自動循環和鍍件的自動刷鍍與清洗過程，有效降低了勞動強度和鍍液消耗，對上述問題有一定改良。

1 方案規劃與模型

1.1 方案規劃

電刷鍍是根據電化學原理，利用攜帶鍍液的陽極鍍筆，使金屬離子在電場力的作用下在陰極工件表面發生還原沉積，并形成金屬涂層的工藝過程。操作人員通常采用有機絡合物的金屬鹽溶液作為鍍液，啟動電源，并手持陽極鍍筆，使其與被鍍陰極工件表面相互接觸并進行相對往復運動；電刷鍍結束后，為避免工件表面殘留液對加工表面產生影響，還需要及時使用清洗液進行沖洗。

擬解決手工電刷鍍易造成鍍液浪費的問題，關鍵思路之一是設計合理的鍍液循環路線；在此基礎上，如果把清洗過程中清洗液的流動路線與鍍液循環路線進行綜合設計，則可以簡化整體結構設計，從而降低制造成本和縮小設備占用空間。對此，本文參考上述假設和思路，提出結構較為簡單且緊湊的設計方案，其中鍍液和清洗液的流動路線如圖1所示，該設計方案可實現鍍液的循環使用，同時，通過對電磁閥開閉的控制，使電刷鍍裝置工作槽能夠充當被鍍工件的沖洗槽，縮小電刷鍍裝置所占空間。

圖1 鍍液與凈水流動路線示意圖

圖1中受控部分包括兩個微型液泵和兩個電磁閥，該部分各元件在操作流程中不同時刻的開閉狀態如表1所示。

表1 受控部分開閉狀態表

鍍液的循環過程由鍍液儲槽、微型液泵、鍍筆、塑料軟管、工作槽和電磁閥等部分實現。鍍液經微型液泵輸送，進入鍍筆內部，隨著鍍筆的移動，源源不斷地刷涂到工件表面并發生電化學反應，殘余液體在工作槽內匯集后經過鍍液循環路線中的電磁閥，回流至鍍液儲槽中，至此完成一次鍍液的循環利用。

自動沖洗過程由清洗液儲槽、微型液泵、塑料軟管、工作槽、電磁閥、廢液槽和萬向管等部分實現。清洗液由微型液泵泵入塑料軟管后，進入萬向管并從其漸縮形管口噴出，將工件表面的殘余鍍液沖洗干凈，沖洗后的廢液經過自動清洗路線中的電磁閥回流至廢液槽內。

采用水平直線往復運動機構替代手工電刷鍍操作可以很大程度地減少操作者體力消耗。本文采用步進電機［9］驅動偏置曲柄滑塊機構產生運動效果方案，來實現平面工件的電刷鍍工藝要求。方案特點：滿足所需功能、結構簡單、易于制造。實驗室工件樣品的尺寸值相對機構的行程較小，且刷鍍時僅要求鍍筆保持較低移動速度（0～0.1 m/s），鍍筆與工件接觸相對運動過程，鍍筆速度變化量較小［10］，這樣可以保證電刷鍍工件表面鍍層厚度的均勻性。為了最大限度地開發電刷鍍裝置使用效果，考慮設計中添加圓柱面電刷鍍功能，采用圓柱面工件繞圓柱軸線勻速回轉，而鍍筆保持固定不動方案，來實現圓柱面工件電刷鍍工藝要求。

1.2 三維模型構建

電刷鍍裝置的整體結構設計是在上述方案規劃基礎上進行的。首先，在Autodesk Inventor軟件中確定裝置整體框架模型；然后，依據自上向下的三維模型設計理念，將整體框架模型逐步分割成多個實體；最后，進行細節特征創建，優化并完成整個裝置的三維模型構建［11］。

圖2為平面刷鍍機構模型，主要分為兩部分：進液孔、電鍍棒和電鍍頭組成鍍筆部分；步進電機、連桿、曲柄和滑軌組成運動部分。刷鍍時，平面工件固定不動，而鍍筆在步進電機驅動曲柄滑塊下做水平直線往復運動，實現對平面工件刷鍍。圖3為曲面刷鍍機構模型，由三爪卡盤、減速器、支座和無極調速電機組成。刷鍍時，鍍筆保持固定不動，使用三爪卡盤裝卡圓柱面工件，無級調速電機驅動所夾持工件繞減速器輸出軸勻速回轉，實現對圓柱面工件刷鍍。設計中對刷鍍臺桌面進行合理化布置，矩陣鍵盤、顯示屏和電機的控制器等集中在無級調速電機兩邊空白區域，便于實驗人員操作、表面沉積情況觀察和工作區的清潔保養；同時，對控制區采取了防水措施，有效避免滴落液體對控制系統造成損害。

圖2 平面刷鍍機構

圖3 曲面刷鍍機構

1.3 電刷鍍工藝流程

電刷鍍的基本工藝流程包括：一般機械預處理→化學預處理→鍍工作層→鍍后處理［12］。機械預處理是保證鍍層與工件表面結合強度的關鍵工序，工件表面應光滑平整，無油污、無銹斑和氧化膜，可使用砂紙打磨、丙酮清洗等。化學預處理包括電凈處理和活化處理，其中電凈處理即在通電的情況下，用鍍筆浸沾電凈液反復擦抹待鍍工件表面，從而達到除油脫脂的目的。活化則是通過電解刻蝕和化學腐蝕作用，除去表面氧化層、疲勞層，露出金屬基體表面［13］。

本刷鍍裝置主要設計應用于鍍工作層工序，適用于平面工件與圓柱面工件。當平面工件刷鍍時，將預處理過的待鍍工件位置固定，選擇平面電鍍頭裝于電鍍棒上，安裝完畢，啟動電源，廢液閥打開，設定好時間參數，廢液閥關閉，鍍液閥開啟，這時鍍液泵通過進液孔將鍍液供給鍍筆。通過電機旋轉，曲柄帶動連桿滑塊在滑軌上做水平直線往復運動。此時鍍筆接電源正極，被鍍工件接電源負極，通過電場作用，鎳離子在工件表面還原沉積成鍍層。而圓柱面工件刷鍍時，則將預處理過的待鍍工件固定于三爪卡盤上，并選擇與之相匹配的電鍍頭裝于電鍍棒上，工作時保持鍍筆固定不動，而工件隨三爪卡盤勻速回轉即可。

有規律的機械運動代替人工手動刷鍍，得到鍍覆厚度均勻、鍍層質量良好的工件。待設定刷鍍時間結束后，曲柄步進電機或三爪卡盤無極調速電機停止，鍍液泵和鍍液閥關閉，清洗泵和廢液閥開啟，對刷鍍完畢工件進行沖洗，15秒后，清洗泵關閉，待裝置槽內廢液排出后，關閉電源，取下電刷鍍完畢的工件，準備進行下一步的工件鍍后處理。

2 控制系統的軟硬件設計

2.1 硬件設計

電刷鍍裝置的控制系統主要以80C51單片機為核心硬件，附加輸入設備、輸出設備。采用這種控制方案的優點主要體現在以下兩個方面：

（1）80C51單片機從內部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統，稱為位處理器，處理對象不是字或字節而是位。不但能對單片機內部某些特殊功能寄存器的某位進行處理，如傳送、置位、清零、測試等，還能進行位的邏輯運算，其功能十分完備，使用較為方便［14］。

（2）實驗室電刷鍍工作不同于工業大型化生產，其對控制系統硬件運算速度、存儲容量和抗干擾能力等性能要求相對較低，80C51單片機和PLC等控制器均可滿足性能需求，但是從成本控制角度分析，采用80C51單片機作為控制系統的硬件核心可以大幅降低成本。

晶體振蕩器作為單片機最小系統的一部分，它與單片機內部電路結合，產生時鐘頻率，改變單片機運行速度，時鐘頻率越高，運行速度越快。系統根據單片機晶振提供的時鐘頻率執行一切指令。設計選用頻率為12 MHz晶體振蕩器作為單片機的振蕩源；使用自定義鍵號矩陣鍵盤作為輸入設備；采用LCD1602液晶顯示屏與四路24 V光耦隔離繼電器驅動電路作為輸出設備。在Altium Designer軟件中繪制硬件連接電路原理圖（部分），如圖4所示。

圖4 電鍍系統總電路原理圖

操作者通過矩陣鍵盤完成電刷鍍時間參數的編輯和輸入，為了方便操作者進行操作，對矩陣鍵盤的按鍵進行編號，編號如圖3所示。顯示屏用作實時顯示輸入的參數和刷鍍時間，便于操作人員隨時查看刷鍍進度。本設計采用了體積小、重量輕、接口簡單可靠而且操作方便的LCD1602顯示屏作為顯示設備。

單片機本身不具備驅動繼電器負載的能力，這里通過外置驅動電路的方法實現了單片機對負載的間接控制。單片機上電之后運行程序，倒計時完畢后，光耦隔離繼電器驅動電路根據單片機輸出端口的電位狀態對主電路進行即時通斷控制。

實驗室內電源電壓一般為AC 220 V，通過變壓器轉換為DC 24 V，實現對主電路供電。80C51單片機的供電電壓為DC 5 V，對此，需要在控制電路與變壓器之間添加一個DC 24 V轉換為DC 5 V的降壓模塊，即可實現主電路與控制電路共用同一電源。

2.2 軟件設計

程序流程圖是進行程序設計的最基本依據，它的質量直接關系到程序設計的質量。程序設計的首要任務是從功能需求出發，依據上述規劃的電刷鍍方案制定程序框圖，為程序編寫提供依據。本程序設計的主流程圖如圖5所示，體現整個控制流程。

圖5 主程序流程圖

程序流程如下：

（1）根據開啟狀態表內容，分別初始化兩個微型液泵的工作狀態和兩個電磁閥的開閉狀態，裝置進入刷鍍工作準備狀態。

（2）程序將時間設定分為三檔：時鐘、分鐘、秒鐘，電刷鍍操作者按下set鍵后通過矩陣鍵盤分檔進行刷鍍時間的設定，設定工作結束后按下enter鍵將數據送入單片機程序。

（3）按下start鍵后廢液閥關閉，鍍液閥開啟，鍍液泵工作，裝置進入鍍液循環過程，隨著鍍筆的往復刷鍍，鍍液按照指定路線循環輸送。

（4）單片機進行刷鍍倒計時，LCD1602顯示屏實時顯示時間進度。

（5）計時結束后，鍍液泵停止循環輸送，鍍液閥關閉，廢液閥開啟，清洗泵工作開始自動清洗過程。

（6）自動清洗過程持續15秒后，工件沖洗完成，清洗泵關閉，清洗過程自動停止。

（7）受控部分恢復到初始狀態，廢液閥保持開啟，使得槽內刷鍍廢液繼續排除，流入廢液槽直至全部流走。

（8）關閉電源。

依據程序流程圖使用KeiluVision4軟件，編寫、調試、優化單片機控制程序，原程序創生HEX文件編譯無誤后，將其載入到Proteus7Profes?sional軟件［15］繪制的仿真電路圖中，四組繼電器分別控制鍍液循環路線中的鍍液泵、鍍液閥，自動清洗路線中的清洗泵、廢液閥。

3 仿真與實驗

3.1 電路原理仿真

仿真第一階段：開始運行仿真，軟件在電路中模擬單片機上電情況，如圖6所示。繼電器瞬時響應，第一、二、三組繼電器不吸合，第四組繼電器吸合，如圖6（a）所示，仿真結果符合預期要求。

仿真第二階段：點擊屏幕中模擬矩陣鍵盤，進行時間設定，數字顯示屏可即時反饋輸入信息，便于核對校正。完成時間設定后，點擊start按鈕，屏幕進入倒計時，第一、二組繼電器吸合，第三、四組繼電器不吸合，如圖6（b）所示，仿真結果符合預期要求。

仿真第三階段：電刷鍍倒計時結束后，自動沖洗開始，第一、二組繼電器不吸合，第三、四組繼電器吸合，如圖6（c）所示，仿真結果符合預期要求。

圖6 電路仿真

仿真第四階段：裝置對工件表面殘余鍍液沖洗工作結束后，四組繼電器恢復初始狀態，即第一、二、三組繼電器不吸合，第四組繼電器吸合，如圖6（d）所示，仿真結果符合預期要求。

3.2 實驗驗證

根據上述設計內容，對加工制造出電刷鍍樣機進行實驗驗證。設置以電刷鍍方式為單一變量的驗證性實驗，驗證電刷鍍裝置設計具備實用性。設定電刷鍍樣機裝置，電刷鍍時間t=10 min，刷鍍電壓為12 V；手工電刷鍍的刷鍍時間和電壓與樣機自動刷鍍參數相同。

電刷鍍實驗結束后，測試樣件表面靜態接觸角狀態，如圖7所示，其中圖7（a）為手工電刷鍍樣件，圖7（b）為實驗樣機電刷鍍樣件，兩種電刷鍍樣件表面涂層均勻致密性相近、靜態接觸角狀態相似。通過接觸角測量儀對兩種方式電刷鍍實驗樣件表面進行實際靜態接觸角特征測試，結果為手工電刷鍍實驗樣件表面靜態接觸角平均為143°［16］，而電刷鍍樣機刷鍍樣件表面靜態接觸角平均為142°，表明兩種方式獲得涂層表面疏水性能效果相近。

圖7 電刷鍍樣件表面接觸角狀態.

綜合以上實驗結果，本文設計的基于80C51單片機的電刷鍍裝置進行電刷鍍操作可達到與手工電刷鍍表面相近的鍍層質量和潤濕性能，進而預期可以替代手工勞動及克服手工受人為因素影響大的缺點。

4 結論

（1）采用80C51單片機為控制機的電刷鍍裝置優化設計，易于加工制造，成本低廉，適用于普通實驗室電刷鍍工作場合。

（2）本裝置可以完成普通平面電刷鍍和圓柱面電刷鍍，根據工件形狀更改適配電鍍頭，靈活性好，操作方便，滿足更多的電刷鍍需求。

（3）仿真分析與實驗驗證表明，這種裝置優化設計可以達到手工電刷鍍相近的質量要求，進而替代手工勞動，且在長時間工作時，電刷鍍質量比手工更加穩定，減少人為因素對鍍層質量影響，因此具有一定使用價值。