涂層電極自動涂覆系統設計及涂覆均勻性研究

董高彬，丁武學，潘準峰

（1.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094；2.宜興恩創環保有限公司，江蘇 宜興 214200）

1 引言

鈦基涂層電極的生產過程中，對鈦基表面進行化學修飾是最重要的一道工序，工業生產中通常使用熱氧化法進行涂層電極的制備。熱氧化法是將貴金屬鹽溶液涂覆于鈦基板表面，經過高溫燒結固化成膜，該方法工藝簡單，適合進行電極的大批量生產。溶液的涂覆過程是整個生產流程中核心的一道工序，涂覆質量對電極的使用壽命有著決定性影響，要求涂膜均勻平整，五次涂覆、烘干后電極增重0.3mg/cm2。考慮到生產成本及溶液特性等因素，行業內多由人工進行溶液的涂覆，自動化程度較低、涂膜質量控制較為困難、工作繁瑣生產效率也不高，加之溶液中含有濃鹽酸等揮發性成分，工人工作環境惡劣，公司對裝備升級、實現電極的自動化生產愿望迫切。

本課題研究了基于PLC的鈦基涂層電極自動涂覆系統，實現了電極板夾持、翻轉、溶液涂覆等操作，這里將對該涂覆系統進行說明［1-6］。

2 涂覆系統工作原理

生產中所需進行的溶液涂覆的電極是的薄板類零件，如圖1所示。經過激光切割、拋丸、清洗等前處理后，反復進行溶液的涂覆、烘干與燒結，直至鈦基增加的質量達到既定要求。

圖1 電極形狀示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Electrode Shape

該涂覆系統分為涂覆樣機與控制系統兩部分，能夠實現電極板的涂覆、翻轉等功能，其工作原理為上料→A面涂覆→翻轉→B面涂覆→下料。

涂覆樣機啟動時，首先把待涂的鈦基板人工放置于上料工位的托架中，按下啟動按鈕，氣動夾爪夾緊電極，并將電極運輸至涂覆工位；與電極等寬的羊毛刷下降至合適位置，注入溶液潤濕毛刷并完成電極A面的涂覆；然后底部托架和毛刷分別移開，氣動夾爪夾持電極翻轉；托架上升重新支持電極，羊毛刷潤濕并完成B面溶液的涂覆；最后由氣動夾爪夾持電極運輸至下料工位，松開電極完成落料。

涂覆系統由PLC實現全自動控制與管理，該系統不僅可以完成既定的生產任務，而且允許工人根據實際情況或不同的生產需要，自行調節溶液注入量、溶液涂刷次數、走刷速度等參數，以期在提高生產效率的同時減少出錯率與殘次品。

3 涂覆系統結構設計

涂覆系統結構上主要由升降托架、毛刷空間運動機構、夾持翻轉機構、注液模塊、廢氣回收裝置以及機架六部分組成，具體結構，如圖2所示。

圖2 涂覆樣機示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Coating Prototype

3.1 升降托架

升降托架主要由氣缸、導柱、托架等組成，起支撐電極的作用，避免涂覆過程電極所受剪切力過大致使電極彎折。托架上設計有上下料工位和涂覆工位兩個工位，如圖3所示。托架使用圓頭立柱通過點接觸的方式對電極進行支撐以盡量減少托架對涂膜質量的影響；為避免托架干涉電極的翻轉，托架由氣缸驅動升降。

圖3 托架平面圖Fig.3 Plan of Brackets

3.2 毛刷空間運動機構

毛刷空間運動機構主要由毛刷、毛刷架、滑臺、驅動板、氣缸以及導柱等構件組成，如圖4 所示。毛刷寬度略大于電極板寬度，毛刷柄中埋有硬塑料材質的通液管，為平衡流量通液管出口打有中間大兩頭小的小孔。毛刷只需具有兩個自由度，分別為X方向和Z方向的直線運動。掛有羊毛刷的毛刷架在直線運動單元的驅動下在滑臺上往復運動完成溶液的涂覆；上下料過程以及電極完成單面涂刷需要翻轉時，氣缸帶動固定有水平滑臺的驅動板沿導柱上下運動，以免對電極的運動產生干涉。

圖4 毛刷空間運動機構示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Brush Space Motion Mechanism

3.3 夾持翻轉機構

夾持翻轉機構主要由標準復動型氣缸、導柱、氣動夾爪、平動架、旋轉氣缸等構件組成。裝在平動架上的平行夾爪設計有卡槽，上料后長夾爪不動，與電極短邊等長的短夾爪在氣缸的作用下推出并夾緊，電極板嵌入卡槽，由氣缸帶動平動架沿導柱方向將電極運輸至涂覆工位；與電極寬度等長的長夾爪通過回轉盤與旋轉氣缸連接，電極完成A面的溶液涂覆后，旋轉氣缸帶動電極翻轉，進行B面溶液的涂覆；最后，平動架推出至下料工位，短夾爪松開完成落料。

3.4 注液模塊

本系統中選擇德國西派克公司生產的螺桿泵為毛刷注液，其流量和精度都可滿足生產現場的使用要求，根據液體粘度以及腐蝕性情況，計量泵中接觸液體的部分應采用合適的耐腐蝕材料。螺桿泵通過軟管與毛刷通液管相連接，每涂刷一面，螺桿泵都會為毛刷定量地注入溶液潤濕。

3.5 廢氣回收裝置

電極生產過程中涂覆所使用的溶液的主要溶劑為濃鹽酸，極易揮發出氯化氫氣體，強烈刺激人體的眼睛與呼吸道粘膜，對車間工人的健康造成危害。系統搭建完成后，使用PVC板設計合適尺寸的外罩對其進行封閉。外罩前端留有推拉門用于工人上下料；后側開孔，使用抽風機進行換氣，并將廢氣排至處理裝置，達到國家標準后排放。氯化氫在水中的溶解度相當大，本系統擬采用噴淋塔通過水吸收法處理酸性廢氣。

4 控制系統

涂覆系統可以采用多種方式進行控制，如單片機或PLC控制。相較于硬件設計比較復雜的單片機控制各，PLC控制器具有程序編寫簡單，選型和使用比較方便，系統可靠性與工業應用穩定性較高等優點，本系統采用西門子PLC控制，采集各開關和觸摸屏等信號的輸入，輸出信號去控制氣缸、電機等硬件。核心控制單元采用S7-200系列的CPU224，外圍配備所需的中間繼電器、行程開關、電源等器件，使用觸摸屏進行生產過程中相關工藝參數的設置，系統硬件結構［7-8］，如圖5所示。綜合考慮系統的工作特性對I/O地址進行分配，程序中需要10個輸入點、6個輸出點，其中8 個輸入點分別用于底部托架、毛刷、毛刷架、平動架的限位，兩個輸入點用于設備的啟停控制；6個輸出點則用于控制工作面升降、平動架移動、注液、夾持、翻轉、毛刷運動等動作，為保證系統的可擴展性和穩定性，I/O分配時充分地留有了余量。使用組態軟件編寫上位機程序操作簡單并且有利于程序的二次開發；使用觸摸屏進行運動參數設定、顯示運行實時狀況，可將改變的參數如走刷速度、溶液注入量等參數輸入控制系統，實現人機交互功能，極大地提高了涂覆系統的適應性。

圖5 系統硬件結構Fig.5 System Hardware Structure Drawing

根據涂覆系統的控制要求，在編程時將程序分為，主程序、初始化子程序、伺服電機運動子程序。按下啟動按鈕后調用初始化子程序，完成開機動作；電極運輸至涂覆工位后調用伺服電機運動子程序完成溶液的涂覆，通過改變走刷速度、走刷次數等參數以使溶液包覆均勻，涂覆樣機的控制系統流程圖，如圖6所示。

圖6 控制系統流程圖Fig.6 Flow Chart of Control System

5 涂覆均勻性研究

5.1 試運行結果

該自動涂覆系統在車間中進行了調試，進行數加工、裝配好各機構，為方便調試，直觀地監測涂覆系統的工作狀況，廢氣處理裝置暫未安裝，投入生產后會將該系統封閉，涂覆樣機，如圖7所示。次涂覆動作后，在溶液足量的條件下，仍無法完全潤濕毛刷，毛刷出現分叉問題，涂覆效果，如圖8所示。涂覆質量不佳。

圖7 涂覆樣機現場圖Fig.7 Field Drawing of Coating Prototype

圖8 樣機試運行涂覆效果圖Fig.8 Painting Effect of Prototype Test Run

5.2 毛刷潤濕情況影響因素的分析

使用SolidWorks軟件建立毛刷內部流場模型，導入ICEM劃分網格后，利用FLUENT軟件對毛刷內部流場進行模擬仿真。網格劃分情況，如圖9所示。設置通液管始端為速度進口，毛刷尾部為溶液的漫流出口。設定調試過程中注液量為5ml每次，單程走刷需要6.9s時間，結合通液管直徑6mm，簡單計算可得出進口速度0.025m/s。

圖9 毛刷網格劃分情況Fig.9 Brush Meshing

可近似地將毛刷的羊毛部分定義為多孔介質模型，視其由相互貫通的孔洞構成的網絡結構，通過設置粘性阻力和內部阻力系數來表征這些孔洞可滲透性的好壞。溶液經由通液管流入羊毛部分，將毛刷潤濕后由毛刷尾端流出，由于羊毛刷具有毛細管效應加上重力的影響，顯然毛刷縱向溶液滲透率較高，設置合適的粘性阻力和內部阻力系數進行仿真［9-10］。

仿真得到毛刷內部流場速度矢量，如圖10所示。與涂覆樣機試運行結果一致，僅有少量溶液能夠流動至通液管的兩端，導致毛刷潤濕不均勻，兩端開叉，影響涂覆質量。

圖10 試運行時毛刷內部流場速度矢量圖Fig.10 Velocity Vector Diagram of Brush Internal Flow Field During Trial Operation

為改善毛刷的潤濕情況，以提高電極生產過程中的涂覆均勻性，對具有不同形狀尺寸通液管的毛刷在不同注液速率情況下的流場情況進行模擬仿真，研究毛刷結構以及注液速率等工藝參數對毛刷潤濕情況的影響，為實際生產過程中涂膜厚度、涂層質量分析等相關工作提供參考。

保持通液管結構尺寸不變，將進口速度增加至0.05m/s 和0.08m/s時，毛刷內部的流場情況，如圖11所示。對比10圖可知，增加溶液注入量、增加進口速度可明顯改善毛刷兩端潤濕情況。然而因毛刷較寬，在羊毛的毛細管作用與重力作用影響下，大部分溶液于毛刷中部流出，長通液管中溶液速度梯度較大，毛刷潤濕不均。并且，溶液注入量增加后，大量溶液無法完全在鈦基表面附著，過多溶液易使涂層流掛、發花，且涂料利用率降低，增加了工廠生產成本。生產中需根據電極的實際生產要求，結合電極表面涂層厚度等參數，方可酌情增加溶液注入量。

圖11 改變進口流量時流場速度矢量圖Fig.11 Vector Diagram of Flow Field Velocity When Changing Inlet Flow Rate

保持溶液進口速度不變，將通液管與羊毛部分連接處細管直徑由1.2mm縮小至0.8mm，此時速度矢量圖，如圖12所示。溶液由于粘性流動不暢，加之羊毛刷作為多孔介質產生的速度阻力，溶液滲入羊毛刷速度變緩，更多溶液得以流向兩側，將毛刷兩端潤濕。

圖12 縮小連接處細管直徑時速度矢量圖Fig.12 Vector Diagram of Velocity as Diameter of Thin Tube at Junction is Reduced

保持其他條件不變，增加新的通液管進行分流后，流體域內速度情況，如圖13所示。長通液管中溶液分布較為均勻，速度梯度較小。

圖13 增加通液管進行分流時速度矢量圖Fig.13 Add the Velocity Vector Diagram of The Pipette for Diversion

綜上，為解決因毛刷潤濕不均、分叉而導致的涂層質量不佳的問題，可通過增加新的通液管分流，并將通液管與毛刷連接處短管直徑縮短至0.8mm，生產時將單側溶液注入量增加至7ml，為更好表征涂層均勻性，在溶液中混入適量墨汁并攪拌均勻，涂覆效果，如圖14所示。

圖14 優化后涂覆效果Fig.14 Optimized Coating Effect

實驗中以單次涂覆電極增加質量來表征涂層厚度，使用電子天平分別稱量涂覆前和涂覆烘干過后電極質量可知，單次涂覆電極增加60.7mg，反復涂刷數次后驗證得誤差不超過5%，完全滿足涂層厚度要求。

在溶液內混入墨汁，烘干后以電極表面涂層的色差值表征電極涂覆的均勻程度，在電極表面任取五點，將其中一點設置為標樣，使用精密色差儀測量其他四個樣本點與標樣點之間的色差，實驗結果，如表1所示。表中色差值ΔE的計算方法為：

表1 涂層表面色差值Tab.1 Coating Surface Chromatosis Difference

式中：ΔE—色差值，NBS；Δl—明亮度差值；Δa—紅綠色差；Δb—黃藍色差。

根據實驗結果，涂層表面色差值最大值僅為0.51NBS，肉眼感官看完全均勻平整，僅能分辨出極輕微差別，涂層均勻情況良好。

6 結語

該鈦基電極自動涂覆系統能夠完成預期的涂覆任務，與傳統的由工人人工涂刷相比，設備完成單塊電極的正反兩面涂覆僅需一分四十秒左右，有效地提高了電極的涂覆效率；工人僅需完成上下料操作，減少了與腐蝕性涂料的直接接觸，改善了工人的工作環境，利于后續實現電極的自動化生產；且涂膜較為均勻，涂料用量精確，涂層質量更高，顯著提高了產品價值。