CN103114312B - 电铸层厚度可智能化控制的电铸机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电铸层厚度可智能化控制的电铸机，包括床身、电铸槽、工控机、水平磁场及其控制装置、垂直磁场及其控制装置、位移传感器及其运动控制装置，所述电铸槽的中间设有导流板，导流板中心开有圆孔，阳极板、阴极原模分别设于电铸槽的左右腔内，水平磁场设于电铸槽水平面两侧，垂直磁场设于电铸槽的上下两侧，水平磁场及垂直磁场分别产生水平和竖直的匀强磁场，其中水平磁场方向可调、竖直方向磁场强度大小及极性可调；工控机分别与位移传感器、水平磁场控制装置、垂直磁场控制装置连接，工控机通过开关与直流电源连接，该机能实现不同位置不同厚度的电铸件精确控制，可满足高精度及厚度可控的提纯电铸加工要求。

Description

电铸层厚度可智能化控制的电铸机

技术领域

电铸层厚度可智能化控制的电铸机床是一种全新的能对电铸层厚度进行精确控制的电铸加工设备。本发明通过数控装置、伺服系统、位移传感器、电磁铁和执行机构对电铸加工进行厚度测量及厚度智能控制，属于机械加工中的特种加工领域。

背景技术

电铸加工是利用电化学加工过程中的阴极沉积现象来进行成型加工的，即在阴极原模上通过电化学方法沉积金属，然后分离出与原模表面凸凹形状相反的金属制品。如今，电铸加工的主要用途是精确复制微细、复杂和某些难于用其他方法加工的特殊形状模具及工件等，例如制作纸币和邮票的印刷版、金属艺术品复制件等。目前国内对电铸成型的研究主要集中在厚度均匀的电铸以及微电铸方面，现有电铸成型存在的缺陷是，由于电铸加工只是靠原模实现一个面的精确复制，而电铸件的厚度却不能实现精确控制，从而使另一面的形状不能满足精度要求，因此在电铸完成后还要对电铸件进行精加工，这就使得加工周期较长，且加工过程繁琐。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在的上述不足，提供了一种电铸层厚度可智能化控制的电铸机，省去了普通电铸后还要进行的后续精加工，实现不同位置不同厚度的精确控制，能满足高精度及厚度可控的提纯电铸加工要求。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种电铸层厚度可智能化控制的电铸机，包括机床床身、电铸槽、直流电源，直流电源分别与阳极板、阴极原模连接，还包括工控机、水平磁场及磁场控制装置、垂直磁场及磁场控制装置、位移传感器及其运动控制装置，位移传感器的前端靠近电铸件阴极原模，位移传感器与位移传感器移动装置连接，电铸槽的中间设有能够开合的塑料导流板，塑料导流板中心开有圆孔，导流板将电铸槽分为左右腔，阳极板、阴极原模分别设于电铸槽的左右腔内，水平磁场设于电铸槽水平面两侧，垂直磁场设于电铸槽的上下两侧，水平电磁铁对及垂直电磁铁对分别产生水平和竖直的匀强磁场，其中水平磁场方向可调（角度）、竖直方向磁场强度的大小及极性可调；工控机分别与位移传感器、位移传感器移动装置、水平磁场控制装置、垂直磁场控制装置连接，工控机通过开关与直流电源连接。位移传感器运动控制装置的功能是将传感器置于阴极原模外设定距离处，测量已沉积的金属表面各点距离传感器探头的距离。

水平磁场控制装置包括旋转臂、第一电磁铁、第一伺服电机/步进电机，其中相对应的两个第一电磁铁固定在旋转臂对称的两侧，旋转臂的中心线固定在电解池的中心线上，第一伺服电机通过减速器带动旋转臂转动，第一伺服电机与工控机连接，其旋转角度受工控机控制，从而控制水平磁场方向，从而使从圆孔中出来离子在竖直方向的运动角度发生偏转，实现离子在阴极铸件平面上的准确竖直位置沉积。

竖直磁场控制装置包括上直流电磁铁、下直流电磁铁、滑动变阻器，其上电磁铁、下电磁铁分别固定在电极板之间电场的上面和下面，滑动变阻器分别与上电磁铁、下电磁铁的线圈连接，第二伺服电机通过丝杠螺母副与滑动变阻器的电阻滑块连接，第二伺服电机与工控机连接，电阻滑块的位移受工控机控制，从而控制竖直磁场强度大小和极性，从而使从圆孔中出来离子在水平方向的运动角度发生偏转，实现离子在阴极铸件平面上的准确水平位置沉积。

通过水平和竖直两个方向的伺服电机联动，实现离子在阴极铸件平面上的准确位置沉积。

位移传感器移动装置包括床身上设置的机床导轨、滚珠丝杠、立柱，立柱与机床导轨连接，立柱上设有立柱导轨、滚珠丝杠、悬臂梁，悬臂梁设有悬臂梁导轨、滚珠丝杠、测量杆，位移传感器与测量杆末端连接，所述测量杆、悬臂梁、立柱分别与伺服电机连接，伺服电机与工控机连接，测量杆左右、前后和上下移动的位移受工控机控制，光纤位移传感器测量的是已铸表面到传感器的直线距离，工控机通过伺服电机控制三根轴移动使光纤位移传感器对电铸沉积表面进行逐点扫描，得到电铸件表面各点沉积厚度的测量值，然后与试件最终厚度尺寸进行比较，该差值和其对应点的位置坐标作为水平磁场伺服电机和竖直磁场伺服电机控制的输入，利用洛伦兹力的作用控制从圆孔中出来离子在水平和竖直方向的偏转角度，实现离子在阴极铸件平面上的准确位置沉积。当该点的厚度尺寸达到目标值时，工控机就会使水平和竖直两个磁场方向的伺服电机运动，改变水平和竖直磁场从而引导金属离子运动到厚度还未达到设定值的其它位置，并继续沉积，重复上述过程，直到阴极铸件平面上各点的厚度达到理论设计尺寸为止，该试件的加工就完成了。

电铸槽内设有恒温控制装置，恒温控制装置与工控机连接，槽内电解液温度受工控机控制。

位移传感器为光纤位移传感器，位移传感器的位置坐标及其对应位置的测量值要存入工控机，位移传感器的移动是通过3个方向运动的伺服电机（即测量杆、悬臂梁和立柱移动的伺服电机）来实现的，3个方向运动的伺服电机的运动受工控机的控制，并且位移传感器的厚度测量与工控机和水平以及竖直两个磁场方向伺服电机的运动组成闭环控制。

电铸槽内设有搅拌系统和电解液循环过滤系统，这两个系统的运行受工控机的控制。

本发明的工作原理：运动方向不与磁场强度方向平行的带电离子在磁场中要受到洛伦兹力的作用，力的方向垂直于磁场强度方向和带电离子运动速度方向所决定的平面，且洛伦兹力只改变电荷运动速度的方向，使其作圆周或圆弧运动，如图1所示,并且圆周运动的半径与离子在运动速度方向切割磁力线的多少有关。

本发明的有益效果：

1.将现代控制理论、计算机数控技术与电铸加工工艺相结合，发明的电铸层厚度可智能化控制的电铸机能满足高精度及厚度可控的提纯电铸加工的用户要求；

2.实现不同位置不同厚度的精确控制，省去了普通电铸后还要进行的后续精加工，具有精确提纯电铸的优点。

附图说明

图1厚度可控电铸的金属沉积位置控制原理图；

图2电铸层厚度可控制原理图；

图3水平磁场强度方向调整的机械原理图；

图4竖直磁场强度大小极性调整原理图；

图5本发明结构示意图；

图6本发明的导流板打开时的电铸槽结构俯视图；

图7本发明的导流板关闭时的电铸槽结构俯视图；

图8竖直磁场强度大小和极性可控制的机械原理图。

图中：1.床身，2.电铸槽，3.搅拌系统，4.循环过滤系统，5.恒温控制装置,6.阳极板,7.阴极原模,8.工控机,9.位移传感器，10.电铸件，11.塑料导流板，12.圆孔，13.旋转臂,14.第一电磁铁,15.第一伺服电机,16.上直流电磁铁,17.下直流电磁铁,18.滑动变阻器，19.第二伺服电机，20.悬臂梁，21.测量杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

一种电铸层厚度可智能化控制的电铸机，结合图1至图8，包括机床床身1、电铸槽2和直流电源，直流电源分别与阳极板6、阴极原模7连接，还包括工控机8、水平磁场及磁场控制装置、垂直磁场及磁场控制装置、位移传感器9，位移传感器运动控制装置、位移传感器9的前端靠近电铸件阴极原模7，位移传感器9与位移传感器移动装置连接，在电铸槽的电铸件10和阳极板6之间设有能够开合的塑料导流板11，塑料导流板11中心开有圆孔12，导流板将电铸槽分为左右腔，阳极板6、阴极原模7分别设于电铸槽的左右腔内，水平磁场设于电铸槽2水平面两侧，垂直磁场设于电铸槽2的上下两侧，水平磁场及垂直磁场分别产生水平和竖直的匀强磁场，其中水平磁场方向可调、竖直方向磁场强度大小和极性可调；工控机8分别与位移传感器9、水平磁场控制装置、垂直磁场控制装置连接，工控机8通过开关与直流电源连接。位移传感器9置于阴极原模外设定距离处，以测量已沉积的金属表面距离传感器探头的距离。

水平磁场控制装置包括旋转臂13、第一电磁铁对14、第一伺服电机15，其相对应的两个第一电磁铁14固定在旋转臂13对称的两侧，旋转臂的中心线固定在电解池的中心线上，第一伺服电机15通过减速机构与旋转臂13连接，如图3所示，第一伺服电机15及其光栅编码器分别与工控机8连接。旋转臂转角由伺服电机上的光栅编码器测量值确定。水平磁场的方向控制方法：工控机8通过半闭环控制第一伺服电机带动减速机构驱动旋转臂转动，调整水平磁场与电极板之间的电场方向夹角，从而使从圆孔12发出的离子在电解液中改变竖直运动方向，实现离子在竖直方向上位置的准确沉积。

竖直磁场控制装置包括上直流电磁铁16、下直流电磁铁17、滑动变阻器18，上直流电磁铁16、下直流电磁铁17分别固定在电极板之间电场的上面和下面，滑动变阻器18分别与上直流电磁铁16、下直流电磁铁17的线圈连接，第二伺服电机19通过丝杠螺母副与滑动变阻器18的电阻滑块连接，第二伺服电机19与工控机8连接。通过第二伺服电机19改变滑动变阻器的滑块位置来改变线圈电流的大小与方向，以实现磁场强度改变和磁场极性改变，如图7。竖直磁场的大小方向控制方法：竖直磁场的大小方向由电磁铁线圈电流的改变实现，电路中电流由滑动变阻器18的电阻滑块移动的位置所决定，该位置是由工控机8来控制。实际使用时，工控机对所需磁场强度进行计算，转化为所需电流大小，进而转化为电磁铁线圈所在电路的滑动变阻器电阻量，再转化为伺服电机驱动电阻滑块的移动位移，从而使从圆孔12发出的离子在电解液中改变水平运动方向，实现离子在水平方向上位置的准确沉积。

通过水平和竖直两个方向的伺服电机联动，实现离子在阴极铸件平面上的准确位置沉积。

位移传感器移动装置包括床身1上设置的机床导轨、滚珠丝杠、立柱，立柱与机床导轨连接，立柱上设有立柱导轨、滚珠丝杠、悬臂梁20，悬臂梁设有悬臂梁导轨、滚珠丝杠、测量杆21，测量杆21上端与悬臂梁20连接，位移传感器9与测量杆21末端连接，所述测量杆21、悬臂梁20、立柱分别与伺服电机连接，伺服电机与工控机连接，测量杆左右、前后和上下移动的位移受工控机控制，光纤位移传感器测量的是已铸表面到传感器的直线距离，工控机通过伺服电机控制三根轴移动使光纤位移传感器对电铸沉积表面进行逐点扫描，得到电铸表面各点沉积厚度的测量值，然后与试件最终厚度尺寸进行比较，该差值和其对应点的位置坐标作为水平磁场伺服电机和竖直磁场伺服电机控制的输入，利用图3、图4和图8原理控制从圆孔12中出来离子的偏转角度，实现离子在阴极铸件平面上的准确位置沉积。当该点的厚度尺寸达到目标值时，工控机就会使水平和竖直两个磁场方向的伺服电机运动，改变水平和竖直磁场从而引导金属离子运动到厚度还未达到设定值的其它位置，并继续沉积，重复上述过程，直到阴极铸件平面上各点的厚度达到理论设计尺寸为止，该试件的加工就完成了。

电铸槽2内设有恒温控制装置5，恒温控制装置5与工控机连接，槽内电解液温度受工控机控制。

位移传感器9为光纤位移传感器，位移传感器的位置坐标及其对应位置的测量值要存入工控机，位移传感器的移动是通过3个方向运动的伺服电机来实现的，3个方向运动的伺服电机的运动受工控机的控制，并且位移传感器的厚度测量与工控机和水平以及竖直两个磁场方向伺服电机的运动组成闭环控制。

电铸槽2内设有搅拌系统3，电铸槽2与电解液循环过滤系统4连接。通过搅拌和循环系统动作，降低电铸液的浓度差极化，加大电流密度，减少加工时间，提高生产效率。

本发明的工作原理：运动方向不与磁场强度方向平行的带电离子在磁场中要受到洛伦兹力的作用，力的方向垂直于磁场强度方向和带电离子运动速度方向所决定的平面，且洛伦兹力只改变电荷运动速度的方向，使其作圆周或圆弧运动，如图1所示,并且圆周运动的半径与离子在运动速度方向切割磁力线的多少有关。

本发明要通过在现有电铸机床的基础上进行创新设计、得到高精度的厚度可控的电铸件，主要分为两个步骤：前期全电铸和后期精铸。本发明将上述原理用于后期精铸，在现有电铸设备的基础上，利用计算机数控装置、数据采集、调整、通信等功能，实现对电铸件厚度的实时测量，并反馈数据对水平磁场方向和竖直磁场强度大小及极性进行控制，从而实现对金属沉积位置的控制，设计出厚度可控制的电铸机床，厚度的控制原理见图2；水平磁场强度方向定量调整机械结构原理如图3所示；竖直磁场强度大小及极性定量调整原理见图4和图8所示；厚度可控制的电铸机床设备整体布置如图5所示；机床电铸槽结构俯视图见图6和图7所示；厚度可控制的电铸机床设备的竖直磁场强度机械控制原理如图8所示。位移传感器按照数控系统设定的轨迹不停移动，连续测量不同位置的厚度，将测量值与设定目标值比较后进行功率放大，由交流或直流伺服电机通过机械传动链，带动机械部件运动，使水平磁场旋转，改变磁力线与电力线的夹角，实现电荷在垂直方向运动圆弧半径的调整；同时，由工控机通过电路控制伺服电机改变直流电磁铁所在电路的滑动变阻器电阻大小，从而改变通过直流电磁铁电流的大小和方向，实现电荷在水平方向运动圆弧半径的调整。当电铸件某位置的厚度达到设定值时，位移传感器测量的电铸件在该点的外廓与传感器探头的距离就达到设定目标值，工控机就会使水平和竖直两个方向的伺服电机运动，改变水平和竖直磁场从而引导金属离子运动到厚度还未达到设定值的其它位置，并继续沉积，重复上述过程，直到阴极铸件平面上各点的厚度达到理论设计尺寸为止，该试件的加工就完成了。

本发明的电铸设备在电铸槽的中间设有可开合的塑料导流板，完全闭合后只在导流板中心开有一个小圆孔，将电铸槽分为左右腔，阳极和阴极原模分别放在电铸槽的左右腔内，左腔溶液携带金属阳离子通过电铸槽导流板中间的导流小圆孔12流入右腔；电铸槽水平和竖直方向分别安装有电磁铁，产生水平和竖直的匀强磁场，水平磁场方向可调，竖直方向磁场强度大小及极性可调；光纤位移传感器置于原模外一定距离且能测得已沉积的金属表面距离传感器探头的距离；数控装置分别与传感器和调节磁场方向及强度大小可控制的装置通过电路连接，然后将传感器测得的结果与设定目标值比较后通过伺服系统自动控制水平磁场方向和竖直磁场强度大小及极性，从而控制金属阳离子沉积的位置，实现电铸件10厚度的精确控制。电铸刚开始的时候，导流板开到最大位置也就是贴近电铸槽的槽壁，电磁铁所在的磁场控制装置电路未被接通，此时实现的电铸与现有机床相同，进行全面电铸，但光纤位移传感器仍在进行各个位置厚度的快速实时测量，当测得某点电铸厚度达到目标值后，工控机控制阴阳电极断电，电铸停止，同时工控机使导流板转动，导流板完全闭合后，磁场控制装置进入工作状态，电极电路接通，开始进行磁场控制的精确电铸，精确实现电铸件10其余位置的厚度控制，直至达到目标值。如果被电铸离子的速度和质量一致，该电铸设备甚至能实现超精密电铸和微纳米电铸，并且能把金属中的杂质分离出去，实现提纯电铸。

本发明通过工控机来控制多台伺服电机，分别用于水平磁场旋转的控制、竖直磁场大小及方向的控制以及光纤位移传感器的移动定位。其竖直方向伺服电机与竖直方向电磁铁通过电路连接，如图4和图8所示，自动控制垂直磁场所在电路的电流大小和方向，实现竖直磁场强度控制，从而实现对金属离子的沉积位置在水平方向的控制；另外该数控装置还通过伺服系统的机械部分控制水平方向电磁铁，如图3所示，自动控制水平磁场与电极板之间的电场方向夹角，从而实现对金属离子的沉积位置在垂直方向的控制。

光纤位移传感器在电铸过程中对电铸件各个位置的电铸层厚度进行实时测量，并将测量结果与设定目标值比较后输入到工控机中，并通过控制伺服电机及传动装置自动控制水平和竖直磁场从而引导金属离子运动到厚度还未达到设定值的其它位置，并继续沉积，而位移传感器继续进行测量，从而实现闭环控制。所述位移传感器由数控装置和伺服系统控制其探头位置且能按照设定路线沿电铸件10外廓移动，实现对不同位置的厚度测量。

上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种电铸层厚度可智能化控制的电铸机，包括机床床身、电铸槽、直流电源、工控机、水平磁场及磁场控制装置、垂直磁场及磁场控制装置、位移传感器及其运动控制装置，直流电源分别与阳极板、阴极原模连接，位移传感器的前端靠近电铸件阴极原模，位移传感器与位移传感器移动装置连接，所述电铸槽的中间设有能够开合的塑料导流板，塑料导流板中心开有圆孔，导流板将电铸槽分为左右腔，阳极板、阴极原模分别设于电铸槽的左右腔内，水平磁场设于电铸槽水平面两侧，垂直磁场设于电铸槽的上下两侧，水平磁场及垂直磁场分别产生水平和竖直的匀强磁场，其中水平磁场方向可调、竖直方向磁场强度大小及极性可调；工控机分别与位移传感器、位移传感器移动装置、水平磁场控制装置、垂直磁场控制装置连接。

2.如权利要求1所述的电铸层厚度可智能化控制的电铸机，其特征是，所述水平磁场控制装置包括旋转臂、第一电磁铁对、第一伺服电机、光栅编码器，其中相对应的两个第一电磁铁固定在旋转臂对称的两侧，旋转臂的中心线固定在电解池的中心线上，第一伺服电机通过减速器驱动旋转臂转动，光栅编码器、第一伺服电机分别受工控机控制，调整水平磁场与电极板之间的电场方向夹角，从而使从圆孔发出的离子在电解液中改变竖直运动方向，实现离子在竖直方向上位置的准确沉积。

3.如权利要求1所述的电铸层厚度可智能化控制的电铸机，其特征是，所述垂直磁场控制装置包括上直流电磁铁、下直流电磁铁、滑动变阻器，上直流电磁铁、下直流电磁铁分别固定在电极板之间电场的上面和下面，滑动变阻器分别与上直流电磁铁、下直流电磁铁的线圈连接，第二伺服电机通过丝杠螺母副与滑动变阻器的电阻滑块连接，第二伺服电机受工控机控制，从而控制竖直磁场强度大小和极性，使从圆孔中出来离子在水平方向的运动角度发生偏转，实现离子在阴极铸件平面上的准确水平位置沉积。

4.如权利要求1所述的电铸层厚度可智能化控制的电铸机，其特征是，所述位移传感器移动装置包括床身上设置的机床导轨、滚珠丝杠、立柱，立柱与机床导轨连接，立柱上设有立柱导轨、滚珠丝杠、悬臂梁，悬臂梁设有悬臂梁导轨、滚珠丝杠、测量杆，测量杆上端与悬臂梁连接，位移传感器与测量杆末端连接，所述测量杆、悬臂梁、立柱分别与伺服电机连接，伺服电机与工控机连接，测量杆左右、前后和上下移动的位移受工控机控制，光纤位移传感器测量的是已铸表面到传感器的直线距离，工控机通过伺服电机控制三根数控轴移动，使光纤位移传感器对电铸沉积表面进行逐点扫描，得到电铸表面各点沉积厚度的测量值，然后与试件最终厚度尺寸进行比较，该差值和其对应点的位置坐标作为水平磁场伺服电机和竖直磁场伺服电机控制的输入，利用洛伦兹力使从小圆孔中出来的离子改变偏转角度，实现离子在阴极铸件平面上的准确位置沉积；当该点的厚度尺寸达到目标值时，工控机就会使水平和竖直两个磁场方向的伺服电机运动，改变水平和竖直磁场从而引导金属离子运动到厚度还未达到设定值的其它位置，并继续沉积，重复上述过程，直到阴极铸件平面上各点的厚度达到理论设计尺寸为止。

5.如权利要求1所述的电铸层厚度可智能化控制的电铸机，其特征是，所述电铸槽内设有恒温控制装置，恒温控制装置与工控机连接，槽内电解液温度受工控机控制。

6.如权利要求1所述的电铸层厚度可智能化控制的电铸机，其特征是，所述位移传感器为光纤位移传感器，位移传感器的位置坐标及其对应位置的测量值要存入工控机，位移传感器的移动是通过3个方向运动的伺服电机来实现的，3个方向运动的伺服电机的运动受工控机的控制，并且位移传感器的厚度测量与工控机和水平以及竖直两个磁场方向伺服电机的运动组成闭环控制。

7.如权利要求1所述的电铸层厚度可智能化控制的电铸机，其特征是，所述电铸槽内设有搅拌系统和电解液循环过滤系统，这两个系统的运行受工控机的控制。