Устройство стабилизации скорости осаждения металла в гальванической ванне

 

Изобретение относится к оборудованию для гальванотехники и может быть испопьзонано в устройствах управления гальваническими ваннами,работающими в автоматическом режиме, Цель изобретения - повышение точности стабилизации и получение заданной толщины покрытия за счет учета изменений скорости осаждения металла во время.переходных процессов в гальванической ванне. Устройство содержит панну 1, источник 2 питания, шунт 3, преобразователь 4 ток-частота, преобразователь 5 параметров, преобразователь 6 частоты, схему 7 сравнения , задагчик 8 скорости осаждения, эпемент 9 управления, блок 10 регуляторов , блок 11 прогнозирования времени покрытия, дополнительную схему 12 сравнения, сумматор 13, задатчик 14 толщины покрытия и задатчик 15 времени. Частота импульсов напряжения на выходе преобразователя 4 токчастота пропорциональна текущей скорости осаждения металла. За счет обратной связи с выхода схемы 7 сравнения текущая скорость осаждения поддерживается равной номинальной задан- 5 Ј

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А2

119) (И) (gy) g С 23 F 1 3/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СОИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1357469 (21) 4676050/02 (22) 11.04.89 (46) 07. 03. 91. Бюл. М 9

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОП1РЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (71) Смоленский филиал Г1-с ковского энергетического института (72) Н. В. Ковалков, Г1. Б. Гладштейн, В.П.Фомченков и Л.Л.Кульков (53) 621.357.77 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

1357469, кл. С 25 D 21/12, 1976 ° (54) уСТР011СТВО СТАБИЛИЗАЦИИ СКОРОСТИИ ОСАЖДЕНИЯ Г1 ЕТАПДА В ГАЛЬ ВА НИЧ ЕС К011

ВАННЕ (57) Изобретение атногится к оборудованию для гальванотехники и может быть использовано в устройствах управления гальваническими ваннами,работающими в автоматическом режиме, Цель изобретения — повышение точности стабилизации и получение заданной толщины покрытия за счет учета изменений скорости осаждения металла во время, переходных процессов в гальванической ванне. ус.тройство содержит ванну 1, источник 2 питания, шунт 3, преобразователь 4 ток-частота, преобразователь 5 параметров, преобраэовател 6 частоты, схему 7 сравнения, задагчик 8 гкорости осаждения, элемент 9 управления, блок 1О регуляторов, блок 11 прогнозирования времени покрытия, дополнительную схему

12 сравнения, сумматор 13, задатчик

14 толщины покрытия и задатчик 15 времени, Частота импульсов напряже— ния на выходе преобразователя 4 токчастота пропорциональна текущей скорости осаждения металла, За счет обратной связи с выхода схемы 7 сравнения текущая скорость осаждения поддерживается равной номинальной задан 1633018 ной с задатчика 8 скорости осажде-— ния. Наличие переходных процессов в гальванической ванне приводит к

1 тому, что средняя скорость осаждения отличается от номинальной. При

5 этом заданное с эадатчика 15 время покрытия не равно прогноэируемому времени, пропорциональному напряжеИзобретение относится к оборудованию для гальванотехники, может быть использовано в устройствах управления гальваническими ваннами, работающими в автоматическом Режиме и является усовершенствованием устройства по авт. св. Ф 1357469.

Цель изобретения — повышение точности стабилизации и получение задан-, ной толщины покрытия путем учета изме-25 менений скорости осаждения металла во время переходных процессов в гальванической ванне °

На фиг.1 и 2 представлена блоксхема устройства стабилизации скорос- 30 ти осаждения металла в гальванической ванне, на фиг.3 — графики изменения скорости осажцения металла при ее регулировании с помощью известного (кривая V <(t)) и предлагаемого Уст- 35 ройстйа (кривая V<(t)).

Устройство стабилизации скорости осаждения металла в гальванической ванне (фиг,1) содержит гальваническую ванну 1 РегулиРуемый источник 4р

2 питания, шунт 3, преобразователь

4 ток — частота с управляемым коэффициентом преобразования, преобразо ватель 5 параметров, преобразователь

6 частоты, схему 7 сравнения, эадат- 45 чик 8 скорости осаждения, элемент 9 управления, блок 10 регуляторов, блок

1! прогнозирования времени покрытия, дополнительную схему 12 сравнения, сумматор 13, задатчик 14 толщины покрытия и задатчик 15 времени покрытия.

Входы преобразователя 5 параметров подключены к датчикам, находящимся в гальванической ванне 1, à его

55 выходы соединены с контролирующими входами элементов 9 управления и управляющими входами преобразователя 4 ток — частота, сигнальный вход кото- нию на выходе блока 11 прогнозирования. На схему 7 сравнения подается новое значение напряжения уставки °

Изменение уставкн позволяет скомпенсировать отклонение средней скорости осаждения от номинальной,вызванное переходными процессами. 1 з.п. ф-лы, 3 HJI. рого соединен с выходом регулируемого источника 2 питания и питающими электродами гальванической ванны

1 ° Выход преобразователя 4 ток частота подключен к входу преобразователя 6 частоты, выход которого соединен с одним из входов схемы 7 сравнения, Выход последней соединен с входом элемента 9 управления, выходы которого подключены к управляющим входам регулируемого источника 2 питания и блока 10 регуляторов. Один из входов блока 11 прогнозирования времени покрытия соединен с выходом 4 преобразователя ток — частота, а второй вход — с выходом преобразователя

6 частоты. Выходы зацатчика 14 толщины покрытия подключены к установочным входам блока 11 прогнозирования времени покрытия, выход которого соединен с оцним из входов дополнительной схемы 12 сравнения, другой вход которой подключен к выходу зацатчика

15 времени покрытия. Выход дополнительной схемы 12 сравнения соединен с одним из входов сумматора 13, к второму входу которого подключен выход эадатчика 8 скорости осаждения, Выход сумматора 13 соединен с одним из входов основной схемы 7 сравнения.

Блок 11 прогнозирования времени покрытия содержит реверсивный счетчик 16, преобразователь 17 код — напряжение, делительное устройство 18, таймер 19 и второй сумматор 20, Вход реверсивного счетчика !6 соединен с выходом преобразователя 4 ток — частота, Выходы задатчика !4 толщины покрытия подключены к установочным входам реверсивного счетчика 16, выходы которого соединены с входами преобразователя 17 коц — напряжение..Выход последнего подключен к одному из входов делительного устния. 10

Устройс тво работает следующим образом.

При протекании через гальваническую ванну постоянного тока I в течение времени t ожидаемую толщину Но крытия рассчитывают по формуле

3=-- т

Бк

20 где К вЂ” коэффициент пропорциональности, S — площадь покрьгваемых деталей (плошадь катода).

Средняя скорость осаждения V ме25 галла — величина, равная отношению полученной толщины покрытия g к времени t протекания тока I

Ч (2) !

30 учитывая соотношение (1) получают

V = -- I

Бк (3) Для реальных процессов гальванс3 покрытия коэффициент К не является постоянной величиной, а зависит от многих параметров процесса, в частгг ности от температуры электролита его концентрации С, величины водород- 40 ного потенциала рН и других факторов: (4) К = f (t, С, рН...) В предлагаемом устройстве питание гальванической ванны осуществляется от регулируемого источника 2 питания. На»ряжение U <, снимаемое с шунта 3, пропорционально току 1 гальванической яанны 1, подается на сигнальный вход преобразователя 4 ток — частота с управляемым коэффициентом преобразования. При номинальных значениях контролируемых »араметров гальванической ванны 1, т.е. при

5 номинальной скорости осаждения металла Чо, на выходе преобразователя 4 ток — частота вырабатываются импульсы напряжения, частота f следования

5 1б330 ройства 18, второйг вход которого соединен с выхопом преобразователя 6 час— частоты. Один из входов второго сумматора 20 подключен к выходу дели5 тельного ус Tðoéñ Tâà 18, а другой вход— к выходу таймера 19. Выход второго сумматора 20 соединен с одним из входов догголнительной схемы 12 сравне18 6 хо гарых пропорциональн» V . Прг обра-о эователь б частоты преобразует час-тоту в проггорциг нальное напряжение

U . Блок 11 прогнозирования времени покрытия вырабатывает напряжение

И, которое пропорционально »р< гн зируемому времени ггскрытия. Это вре— мя, в течение которого толщина по— крытия становится равной зна1генин „ заданному с эапа гчика 14 то Ill!H»bl Hoкрытия, при условии, что начиная с толщины покрытия, достигн- roA к данному моменту, осаждение будет идти с ггостоя иной средней скоростьк, pëâной скорости осаждения в данный момент времени, При ггоминальной с корости осаждения металла Vo напряжение

U< равно напряжению Н с вьгхода задатчика 15 времени покрытия, При э ом на выходе схемы 12 сравнения на»ряжение равно нулю.

Напряжение уставки U> на выходе сумматора 13 равно напряжению Ьз с задатчика 8 скорости осаждения. Схема 7 сравнения сравнивает это напряжение с напряжением U . Пр» »оми альном значении скорости осаждения па выходе схеMH i.равнения напряжение также равно нулю. По нулевому уров»к напряжения 04 элемент 9 у»равления вырабатываег такие управляющие сигналы на регулируемый источник " питания и блок 10 регуляторов, которые сохраняют существующие параметры гальванической ванны на данном vpneне. При отклонении реальньгх зна гений параметров о.г номинальных, например при изменении температуры эпе-ктролита, изменяется с корос ть оса åния металла в ванне. Г!ри этом преобразователь 5 параметров вьграбатывает дополнительные сигналы, которые изменяют коэффициент прес бразовани. преобразователя 4 ток — частота таким образом, что частота f на его выходе пропорциональна новому значению скорости осаждения. На выходе схемы 7 сравненич появляется напряжение рассогласоваггг.я Г4. Элемент

9 управления в зависимости от величины и знака этого напряжения, с учетом сигналов с выходов преобразователя 5 параметров и шунта 3, которые несут информацию о реальных значениях параметров гальванической ванны 1,. изменяет управляющие сигналы на регулируемый источник 2 питания и блок

10 регуляторов, Последние изменяют

1633018 параметры гальванической ванны так, чтобы обеспечивалась требуемая скорость покрытия, а параметры ванны не выходили за рамки предельно допус5 тимых значений, определяемых техно ° логией покрытия и заданных в элементе 9 управления, Наличие переходных процессов в гальванической ванне 1 привоцит к тому, что в течение времени отработки рассогласования скорос..ть осаждения металла не равна номинальной, т.е. изменяется время, за которое будет достигнута заданная толщина покрытия. При этом изменяется величина напряжения U на выходе блока

11 прогнозирования времени покрытия.

Hd выходе схемы 12 сравнения появляется напряжение U рассогласования. В зависимости от величины и знака этого напряжения изменяется напряжение U уставки на выходе сумматора 13. Отработка системой новой уставки приводит к компенсации происшедших отклонений скорости осаждения и уменьшению напряжения рассогласования Ц7 . Изменение уставки U в сторону значения U, задаваемого с задатчика 8 скорости осаждения, происходит одновременно с изменением

30 дения металла .

Блок прогнозирования времени (фиг. 1) покрытия работает следуюнсим образом, Импульсы напряжения частотой постугают на вычитаю ций вхоц реверсивного счетчика 16, Hd установочные входы которого с эадатчика 14 толщины покрытия подается код И пропорциональный заданной толщине покрытия а . Счетчик 16 подсчитывает количество N импульсов частоты f, котс рое вследствие того, что пропорц онадьна мгновенной скорости осажц нин, равно гекущей толщине покрытия 3 т, и вычитает его из кода N . Таким образом, на выходе реверсивного гчетчика 16 вырабатыва- ется код N, пр«порционапьный тол50 скорости осаждения в с горону номинального значения. При этом соответУ ственно, изменяется частота f и умень1нается напряжение рас согласования Пф, При достижении напряжения U нулевого уровня ус танавпивается статический режим работы устройства при новых значениях параметров ванны, обеспе.-сивающих номинальную скорость осаж- щ щине покрыгия f которую осталось нанести на детали до получения заданной толщины: ост мА тек

Преобразователь 17 код — напряжение преобразует код в пропорциональное напряжение U . На выходе делительного устройства 18 напряжение U o равно

1-12 К1 ОС| (5) (Q У К V коэффициенты пропорциональности, скорость осаждения металла, которая может быть определена как где К, К аост

Ч

ocr (6) где t р — прогнозируемое время, оставшееся до окончания покрытия. Подставляя (6) в (5), получаем, что

К(1о K ocr Z

Таким образом, напряжение U o на выхоце делительного устройгтва 18 пропорционально прогнозируемому времени, оставшемуся до конца покрытия, т.е, времени, за которое будет нанесена оставшаяся до заданной толщина покрытия ц т при условии, что средняя скорость осаждения останется, начиная с данного момента, постоянной, На выходе таймера 19 вырабатывается напряжение U,, пропорциональное текущему времени покрытия Ек

Сумма напряжений 11<< и U< — напряжение Л на выходе сумматора 20, соответственно, пропорционально прогнозируемому времени нанесения покрытия е > при данных угловиях его нанесеьр ния пр rrrr, биост

Применение дополнительного контура регулирования позволяет в соответствии г отклонением заданного времени покрытия от прогнозируемого ввести поправку на уставку скорости осаждения, которая с учетом переходных ггроцессов в гальванической ванне обеспечивает получение заданной толщины покрытия за требуемое время, При этом уменьшается брак, экономится материал покрытия °

1633018

10 крытия.

Введение дополнительного контура регулирования позволяет устранить погрешность в получении заданной

35 толщины за требуемое время. При уменьшении скорости осаждения уменьшается частота f, a следовательноги напряжение U . Поэтому увеличивается напряжение U)g и напряжение U> на выходе блока 11 прогнозирования времени покрытия. Это означает, что, если скорость осаждения, начиная с

1 данного текущего момента, ис ганется на данном уровне, то для получения нужной толщины покрытия потребуегся больше времени, чем задано, Или, ина— че, за заданное время будет получена толщина покрытия, меньшая, чем гребуется. На выходе схемы 12 сравне50 ния появляется напряжение рассогласования. U ко герое увеличивает напряжение ycтавки U>. При этом основной контур регулирования стремится увеличить скорость осаждения, но уже до большей величины, чем номинальная (график " (t)) . К моменту времени скорость осаждения Vg(t) достига2, 40

Пример. Пусть, например, понижение температуры электролита

0 начиная с момента времени t < (фиг. 3), приводит к понижению скорости осажде5 ния V (t) относительно номинальной скорости V . При этом на выходе схе0 мы 7 сравнения появляется напряжение рассогласования U4, под воздействием которого элемент 9 управления выда10 ет управляющий сигнал, например, на регулятор температуры электролита блока 10 регуляторов. Температура электролита повышается, и скорость осаждения к моменту времени t > снова становится номинальной, Через заданное время t ц после начала процесса автооператор отключает ток и извлекает детали из ванны. Однако вследствие того что в течение времени » пеход1

20 ного процесса gt = t y — t), скорость осаждения бы»а меньше номинальной, полученная толщина покрытия будет меньше заданной на величину

1з

hg = V, ° (t — j V,(t)at.

ti

Учитывая, что процессы изменения скорости ос.аждения металла достаточно инерционны, величина Д1 может достигать десятков процентов, что приводит к браку, а в случае перекрытия — к перерасходу материала.поет номинальной величины, но при этом напряжение О на выходе блока 11 проС гнозирования времени покрытия остается по-прежнему больше напряжения U

С с задатчика 15 времени покрытия, Это связано с тем, что из-за меньшей,чем номинальная скорость покрытия, в течение времени 6t = С -t, происходит недопокрытие, поэтому величина h t будет больше, чем в случае, если бы скорость осаждения оставал сь постоянной. Увеличение скорости осаждения относительно номинальной по мере роста- толщины покрытия приводит к уменьшению-напряжения U, следовательно уставка стремится к номинальному значению, заданному с задатчика 8 скорости осаждения. Одновременно основной контур регулирования, следя за уставкой, устремляет скорость осаждения к номинальному значению Ч . В момент времени t скорость осаждения стано4 вится равной номинальной, а напряжение U< сравнивается с напряжением U .

Если в дальнейшем скорость оса:кдения не изменится, гарантировано получение требуемой толщины покрытия за заданное время . Это объясняется тем, что недопокрытие на величину г

До = V, At< — j Vz(t)dt с, эа время ДГ,, когда скорость осаждения меньше V компенсируется перекрытием на величину Д е

t Ф

V<(t)dt — V Д за время Ьг. 2 — когда скорость осаждения больше V

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1. Устройство стабилизации скорости осаждения металла в гальванической ванне»о авт. св, Ф 1357469, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности стабилизации и получения заданной толщины покрытия путем учета изменения скорости осаждения металла во время переходных процессов в гальванической ванне, оно снабжено блоком прогнозирования времени покрытия, дополнительной схемой сравнения, сумматором, задатчиком толщины покрытия и задатчиком времени покрытия, причем один из входов блока прогнозирования времени покрытия соединен с выходом преобразователя токчастота с управляемым коэффициентом

1633018

l2 преобразования, а другой вход — с выходом преобразователя частоты, выходы задатчика толщины покрытия подключены к установочным входам блока прогноэи5 рования времени покрытия, выход которого соединен с одним иэ входов дополнительной схемы сравнения, другой вход которой подключен к выходу эадатчика времени покрытия, выход дополнительной схемы сравнения соединен с одним иэ входов сумматора, к другому входу которого подключен выход эадатчика скорости осаждения, выход сумматора соединен с одним из входов основной схемы сравнения.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что блок прогнозирования времени покрытия выполнен в виде соединенных реверсивного счетчи- ъо ка, преобразователя код — напряжение, 3 делительного устройства, таймера и второго сумматора, причем вход реверсивного счетчика соединен с выходом пр еобра зова теля ток — частота с управляемым коэффициентом преобразованин, выходы эадатчика толщины покрытия подключены к установочным входам реверсивного счетчика, выходы которого соединены с входами преобразователя код — напряжение, выход преобразователя код — напряжение подключен к одному из входов делительного устройства, второй вход которого соединен с выходом преобразователя частоты, один из входов второго сумма тора подключен к выходу делительного устройства, а другой вход — к выходу таймера, выход второго сумматора соединен с одним из входов дополнительной схемы сравнения °