Всем добрый день!

Сегодня поговорим о цифровизации гальванического производства. На данный момент значительного уровня цифровизации участка гальванических покрытий мне наблюдать не приходилось. Многие производства в России до сих пор работают в ручном режиме, но ситуация меняется, хоть и не быстро.

Статью построю таким образом: сперва обзор того, что уже сейчас широко применяется, а потом краткие соображения, какие решения ещё можно применить.

Общее знакомство

Чтобы понять, где в гальванике можно применить цифровизацию, посмотрим сперва на гальваническую линию. Для примера возьмем линию одного из самых частых процессов — цинкование. Сам процесс среди гальваников считается одним из наиболее простых, но это при условии, если всё выполняется вручную. При автоматизации и поточном нанесении покрытий выявляется очень много проблем.

Линия цинкования, в общем случае, строится из следующих элементов:

Зона загрузки и выгрузки. Здесь детали размещают на приспособления и снимают их.
Ванна обезжиривания. Здесь детали моют от масла, СОЖ и других загрязнений.
Ванна промывки, чтобы смыть моющий раствор.
Ванна травления или активация. Тут происходит съем верхнего пассивного слоя и активация поверхности.
Опять ванна промывки, чтобы отмыть от кислоты.
Ванна цинкования или даже несколько.
Ванна промывки после цинкования, чтобы смыть раствор цинкования.
Ванна осветления, чтобы придать цинку более металлический цвет.
Ванна промывки после осветления.
Ванна пассивации, чтобы перевести верхний слой цинка в пассивное состояние.
Ещё одна промывка.
Сушка

Получается, что этапов всего 12. Разберем теперь каждый этап отдельно.

Цинковое покрытие с шестивалентной пассивацией

Завеска деталей

Общее описание

Детали чаще всего завешиваются на приспособления руками или под непосредственным контролем человека с помощью кран-балки и грузоподъемных механизмов, и также руками они и снимаются. Рабочему (гальванику) необходимо повесить деталь так, чтобы она не касалась других деталей, чтобы при движении по линии она не упала, чтобы одна деталь не закрывала другую, иначе возникнет эффект «экрана».

Также должно быть завешено как можно больше деталей, но не выше определенной площади. Мало деталей — страдает производительность, много деталей — выпрямители не справятся, детали не поместятся в ванну.

Электролит цинкования, особенно щелочной, имеет хорошую рассеивающую способность, но и у него есть ограничения.

Кроме завешивания детали могут быть помещены в барабан или в колокол. В таком случае рабочему нужно загрузить детали так, чтобы их количество было достаточным. Обычно это около ⅔ всего объема. Дело в том, что при цинковании барабан будет вращаться, и, соответственно, у деталей должно быть место, чтобы перемещаться. В противном случае детали будут лежать очень плотно и покроются только верхушки.

Небольшим лайфхаком является загрузка в барабан плоских деталей с неплоскими. Это нужно для того, чтобы плоские не слипались между собой. Да, какая-то часть всё равно слипнется, но мы хотя бы попытались минимизировать потери.

Если деталей мало, применяют изобретение человечества такое, как проволока. Детали накручивают на проволоку и также на ней переносят по всем ванным. Этот способ хорош, когда деталей очень мало или они очень ответственные.

Современные решения для автоматизации

Автоматизировать загрузку, а через это организовать сбор данных для последующей аналитики, именно на этом этапе непросто. Это может быть достаточно легко, если детали однотипные, но это скорее исключение. Часто детали разные, и люди, которые их завешивают, самостоятельно выбирают оснастку и место размещения детали. Много зависит именно от опыта человека. Теоретически можно было бы применить руку робота в связке с решениями по компьютерному зрению для автоматизированного определения места размещения детали, но для большинства руководителей такое решение кажется чрезмерно избыточным, и с ними трудно не согласиться. В самом деле, покупка такого робота, обучение нейросетевых алгоритмов и подобные вещи легко составят цену, значительно превышающую годовую зарплату целой бригады.

Дополнительно надо не забыть побочный результат — перед загрузкой рабочий осматривает детали и может выявить брак до того, как деталь будет оцинкована. Отдельное обучение нейросети для определения брака — это самостоятельная большая задача.

Самый простой вариант в данном случае — это контроль работы персонала. Он заключается в размещении камеры над зоной загрузки и обучения нейросети определять процент недозагруженных мощностей. Существующими решениями это сделать несложно, особенно если встроить датчики веса на зону загрузки.

В этом случае нейросеть принимает на себя функцию надзирателя и очевидно негативным образом скажется на атмосфере в коллективе. Для меня, как для человека с некоторым опытом работы на предприятии, такое применение нейросетей кажется вполне обоснованным на уровне кабинетов руководства, но с большой долей вероятности не приведет ни к чему хорошему в перспективе, если использовать просто как надзирателя. Даже затраты на создание такой системы вряд ли будут компенсированы.

Ванны обезжиривания и цинкования

Общее описание обезжиривания

В общем случае ванна обезжиривания содержит щелочной раствор достаточно высокой температуры, около 70 °С. Назначение ванны, как следует из названия, обезжиривать, то есть мыть детали от смазки, масла и жирных пальцев всяких цепких лапок. В самом простом случае это просто химическое обезжиривание: опустил деталь, подержал и вынул.

Есть технологии посложнее, к примеру, электрохимическое обезжиривание. Оно может быть катодным и анодным. В первом случае на детали подают минус (деталь является катодом), во втором на детали подают плюс (деталь является анодом). Суть в том, что при этом процессе происходит выделение газа (водорода или кислорода), который отрывает от поверхности детали загрязнения, и детали моются лучше.

Ещё один путь обезжиривания, который можно применять на поточной автоматической линии, — струйное. В этом случае на деталь направляют струи с раствором, который моет детали. Часто струи направляются из форсунок, которые имеют свойство забиваться.

Все три метода имеют свои минусы. Химическое обезжиривание плохо тем, что уступает в мощности двум другим, так как подразумевает только химическое воздействие, без механического.

Электрохимическое при неверных режимах может привести к растраву детали и возникновению окончательного брака.

Струйное может сшибить детали, которые при падении повредят себя, другие детали и оборудование.

Общее описание цинкования

Ванна цинкования — краеугольный камень всего нашего техпроцесса. Электролитов цинкования много. Самый ходовой — щелочной, состоящий из цинка и гидроксида натрия. Дополнительно в электролит вводят блескообразующие добавки, которые делают покрытие блестящим. Кроме того, в электролит могут добавляться очистители, которые снижают влияние загрязнений.

Часто ванна цинкования охлаждается водой, так как наиболее оптимальным режимом является температура от 15 до 20 °С. Ниже — падает скорость осаждения цинка, выше — возникают дефекты на покрытии.

Также в ванну обязательно подведен ток, ведь на деталь мы должны подать минус, а анод — плюс. Анод в процессе работы растворяется, и его периодически нужно проверять и заменять. Можно вести процесс с помощью нерастворимого анода, но тогда нужно предусмотреть другой путь компенсации цинка, который уходит из раствора на деталь.

Время выдержки тут играет важную роль. Скорость осаждения цинка изменяется в строго определенных пределах, и повышение силы тока кратно выше рекомендуемой не даст существенного увеличения скорости осаждения.

Эта ванна самая сложная с точки зрения контроля состава. Цинк и щелочь достаточно легко определяются лабораторным анализом, а вот контроль блескообразующих добавок часто возможен только опытным путем, а именно получением покрытия на образцах. Для этого есть, скажем, ячейка Хулла, которая может показать распределение тока в широком диапазоне плотностей тока, но точную концентрацию органического компонента она не даст. Часто блескообразующую добавку добавляют регулярно раз в сутки, предполагая, что она расходуется в процессе работы. Такой подход, конечно, приводит к двум случаям — добавки слишком много и добавки слишком мало. В первом случае можно снизить скорость осаждения цинка из-за большого количества органики в ванне, во втором — детали перестанут блестеть и на фоне предыдущих партий будут сильно отличаться.

Вывод из всего этого — управлять этим параметром в процессе поточного автоматического цинкования крайне непросто.

Современные решения для автоматизации

Почти на всех производствах контроль температуры автоматизирован за счет установки датчиков и регулирующих устройств, поддерживающих температуру в нужном диапазоне.

Хуже обстоит дело с силой тока, что при электрохимическом обезжиривании, что при цинковании. Теоретически можно выставить напряжение на выпрямителе, и сила тока будет получаться автоматически по закону Ома. Однако на деле проводимость растворов разная в разные моменты времени, и поэтому часто требуются корректировки со стороны персонала.

Выходом может быть сбор данных с источников тока, соотношение их с площадью загруженных деталей, которая определена ранее по камерам, и автоматическая корректировка силы тока. Тогда мы можем минимизировать вероятность возникновения брака из-за слишком высокой плотности тока.

Отдельно можно предусмотреть работу с температурой. Не секрет, что погружение холодных деталей в раствор приведет к снижению его температуры, при погружении горячих — к возрастанию температуры. Для этого опять же можно получить данные о количестве деталей с камер на участке загрузки, чтобы в автоматическом режиме сгладить снижение температуры путем предварительного нагрева. Так мы можем попробовать уменьшить время нахождения деталей в ванне обезжиривания, так как более высокая температура (в определенных пределах) приведет к более эффективному обезжириванию.

В качестве перспектив для автоматизации можно обозначить дальнейшее автоматизирование контроля химического состава. Сейчас наличие цинка, щелочи и других элементов в ваннах цинкования осуществляют с помощью лабораторного анализа, привлекая труд лаборантов.

Однако лабораторное оборудование не стоит на месте, и процесс титрования, к примеру, для определения щелочи, уже давно автоматизирован. Другое дело, что именно эти технологии до цеха не дойдут или дойдут очень нескоро, как минимум в России. На мой взгляд, тут основная проблема в том, что лабораторное оборудование требует специального помещения и особых условий эксплуатации. Да и экономический эффект от такого внедрения, мягко говоря, неочевиден.

Промывки

Общее описание

Таких ванн, как видно, несколько, но суть одна. Загрузить детали, немного подержать и вытащить. Часто в таких ваннах не критичны температура и время нахождения. Для части ванн может быть важен контроль pH. Это важно, к примеру, для ванн промывок после активации и пассивации. Потому что это ванны кислотные с низким pH, и если pH будет низким в ваннах промывки, покрытие может быть повреждено.

Современные решения для автоматизации

В данных ваннах особо нечего автоматизировать, только температуру для тех редких случаев, когда промывка подогревается. Согласно теории, подогревать некоторые ванны надо, но, как показывает практика, в ряде случаев можно обойтись и без нагрева.

Ванны травления, осветления и пассивации

Общее описание ванны травления

Ванна травления нужна, чтобы травить, и в ней чаще всего содержится кислота, часто соляная. Концентрация кислоты небольшая, около 100 г/л, то есть примерно 10%, но этого достаточно, чтобы испортить деталь. Так, длительное нахождение в этой ванне приведет к тому, что кислота съест деталь. И съест она более-менее равномерно, почти без рытвин, то есть сразу и не увидишь, что что-то пошло не так. Также важна концентрация кислоты, ведь чем больше концентрация, тем меньше времени надо держать, чтобы не допустить растрава и потери точных размеров, если на детали такие есть. Кроме того, надо не забывать, что для высокопрочных сталей травить в чистой соляной кислоте, без присадок, строго не рекомендуется, чтобы не потерять важные механические свойства. Наиболее частой присадкой является уротропин.

У меня был случай. Ради научного интереса оставил в бочке с концентрированной соляной кислотой (примерно 290 г/л) пластину из стали 08пс. Пластина была толщиной 2 мм. На следующее утро пластина в самом тонком месте стала 0,5 мм. То есть почти 75% толщины было съедено меньше чем за сутки.

Эта ванна редко подогревается, и поэтому температура в ней близка к комнатной.

Общее описание ванны осветления

Если вы будете когда-нибудь на линии цинкования, то можете заметить, что из ванны цинкования детали выходят темные, а в коробке с готовыми деталями они лежат светлые. Для этих целей предусмотрена ванна осветления, которая часто представляет собой слабый (0,5%) раствор азотной или серной кислоты.

Время выдержки в этой ванне очень небольшое, буквально 10 секунд. Дольше нельзя, так как эти кислоты очень хорошо едят цинк.

Нужна ванна для того, чтобы снять с цинка темный верхний слой, который получается в ванне цинкования на покрытии.

Температура этой ванны часто комнатная и в подогреве не нуждается.

Общее описание ванны пассивации

Назначение этой ванны, как следует из названия, это, наоборот, перевод верхнего слоя цинкового покрытия в пассивное состояние. Вопрос — зачем мы наносим пассивный слой. Ответов тут два: во-первых, пассивный слой из ванны пассивации смотрится намного красивее. Именно он ответственен за те самые радужные оттенки на деталях, а во-вторых, он лучше защищает деталь от коррозии. Он защищает лучше потому, что часто содержит соли хрома, за счет них и корродирует деталь не так быстро.

Время выдержки в этой ванне составляет до 1 минуты, редко дольше, ведь ванна пассивации — это тоже кислота, и она тоже подъедает покрытие.

Температура здесь тоже часто комнатная.

Контроль состава в этой ванне часто ограничивается только pH, хотя можно и другие показатели проверять.

Современные решения для автоматизации

В этих ваннах чаще всего ничего не автоматизируется.

Сушка

Общее описание

Это последняя операция перед снятием детали с приспособлений. Может быть в нескольких вариантах:

Обдув горячим воздухом.
Обдув холодным сжатым воздухом.
Выдержка в сушильном шкафу.

Время выдержки тут по большому счету не влияет на качество деталей, но может влиять температура. Так, для некоторых вариантов пассивации нагрев деталей выше 60 °С губителен и может привести к тому, что пассивация просто сгорит. С другой стороны, слишком низкая температура, наоборот, недосушит деталь, что тоже для качества не очень хорошо. Поэтому за температурой надо следить.

Современные решения для автоматизации

Здесь, как и в других ваннах, часто автоматизировано только время выдержки, хотя в дальнейшем можно предложить автоматизировать температуру путем измерения температуры деталей, допустим, лазерным пирометром. Так, часто время изменить нельзя, не нарушив соседних операций, но мы можем снизить температуру нагрева, тем самым обеспечивая более эффективное управление ресурсами. Также эту часть можно связать с камерами, которые определяют площадь деталей в зоне загрузки, чтобы для более полных загрузок поднимать температуру, а для менее полных — наоборот, снижать.

Существующие решения по автоматизации перемещения деталей

На автоматизированных линиях перемещением деталей из ванны в ванну занимается автооператор. В самом простом случае он не автоматизирован и по сути является интерпретацией подъемного крана. В случаях посложнее он оснащен уже управляющими элементами, которые позволяют ему ездить по заданной программе. Этой же программой контролируется время выдержки в каждой ванне.

Такие линии сделаны уже достаточно давно и нашли широкое применение для среднесерийного и крупносерийного производства. Так, я работал на линии, где было 3 автооператора, которые обслуживали 23 позиции. На управляющем компьютере была реализована программа, которая отслеживала перемещение каждого автооператора. Отдельным искусством тут является запрограммировать автооператоры так, чтобы они не врезались друг в друга, но это уже нюансы.

Движение автооператоров часто отслеживается датчиками, к примеру, датчиками, которые установлены на каждой ванне. В таком случае при срабатывании датчика компьютер сразу понимает и отображает, на какой позиции находится тот или иной автооператор.

К слову сказать, в мелкосерийном производстве, на которых я тоже работал, автоматическое движения автооператоров чаще всего не делают, так как это дорого. Установка обвязки и программирование может выйти в значительную сумму. Другой причиной является то, что мелкосерийное производство часто связано с большой номенклатурой деталей и через это требует специальные, отдельные режимы почти для каждой загрузки. Учесть такое без особо интеллектуальных решений бывает непросто, и перевод на ручное управление здесь кажется наиболее логичным и дешевым.

Далекие перспективы цифровизации гальваники

Как я показал выше, в гальваническом производстве очень много нюансов. Многое зависит от опыта персонала, от состояния оборудования, загрузки цеха и так далее. Однако хотел бы поделиться своей мечтой, идеализированной, о том, как можно было бы полностью перевести гальванику на цифровые рельсы.

Начинать надо с головы, а именно с конструкторского бюро. На момент разработки чертежа детали в файле вместе с моделью должны быть сразу заложены тип покрытия, площадь, толщина покрытия и марка материала.

Далее эта информация должна передаваться в технологический модуль ПО, в котором по модели формируется технология, а именно режимы тока, время выдержки, необходимая оснастка, зоны изолирования, количество деталей в ванне и т.д.

Далее эта информация должна попадать в модуль нормирования, где идет расчет себестоимости детали, исходя из параметров в технологии и цен, заложенных в базе.

Эта информация попадает в коммерческий модуль, агрегируется со всем изделием и попадает в итоге к заказчику в виде цены на готовую продукцию.

Предположим, что заказчик сделал заказ. Тогда информация о детали передается в планово-диспетчерский модуль, который формирует производственное задание.

Производственное задание попадает в производственный модуль, где партии деталей присваивается штрихкод и деталь начинает изготавливаться.

Момент с механической обработкой опустим, они вне темы нашей статьи.

Предположим, партия деталей вместе со штрихкодом поступает в цех покрытий.

Работник считывает штрихкод с партии деталей, и сразу система понимает, что за деталь перед ней, и выгружает из технологического модуля технологию с режимами обработки.

Однако у производственного модуля ПО должны быть возможности шире. Он активирует только нужную ванну. На оснастку, на которую размещают деталь, тоже должен быть штрихкод или другой опознавательный знак, и если всё нормально, при помещении оснастки в ванну, система не выдаст ошибку и запустит ванну, а именно включит выпрямитель. В противном случае сигнализирует рабочему об отклонении от технологического процесса.

По истечению времени программа сама отключает ток и вынимает деталь из ванны с помощью автооператора. Все режимы, которые фактически были в ванне, записываются в лог-файл и могут быть использованы для дальнейшей аналитики.

Таким образом устраняется проблема человеческого фактора — не та подвеска, ошибка в режимах и случай с тем, что детали забыли в ванне (при мне детали регулярно забывали в ваннах), а сбор информации обеспечивает полную прослеживаемость и позволит точнее определять проблему брака.

Через некоторое время можно будет подключить ML-инструменты для прогнозирования работы ванны, её загрузки с целью уменьшения расхода электроэнергии и химикатов. Не стоит забывать, что расход химикатов также прямо влияет на затраты на обработку сточных вод, что в сумме может дать очень большие издержки.

Да, такая система потребует серьезного технического оснащения цеха и переобучения персонала под новые реалии. Сможет ли кто-нибудь когда-нибудь реализовать подобное, я не знаю, поэтому и говорю, что это мечта, идеальная картина.

Из плюсов такой идеи также можно выдвинуть, что это позволит автоматизировать обработку даже штучных деталей, так как режимы на выпрямителях для каждой детали подгружаются из базы отдельно от других деталей и могут быть уникальными от партии к партии.

Выбор подвесок и оснастки можно автоматизировать через решения компьютерного зрения. Сборку оснастки и деталей можно автоматизировать с помощью различных роботов.

Также упрощается работа технолога, так как ему не надо писать миллионы однотипных технологий, и он сможет сконцентрироваться только на новых технологиях для уникальных деталей.

Не стоит также забывать и про рабочий персонал. Кислоты, щелочи, тяжелые металлы не добавляют человеку здоровья, и удаление его из зоны работы с опасными химикатами должно быть одной из первоочередных задач.

Краткие выводы

Правильно настроенное гальваническое производство — это сложный, многопараметрический процесс, в котором человеческий фактор играет не последнюю роль. В настоящий момент в России очень много предприятий используют устаревшие подходы ручного труда, основанные на состоянии разработок 60-70-х годов. Найти какие-нибудь успешные кейсы цифровизации гальванического производства крайне непросто, однако это не говорит о том, что применение решений ML, DS и CV не даст в такой области значительного эффекта. Моё мнение — даст, но это будет ещё нескоро.

На этом всё. Приглашаю для обсуждения в комментарии.

С Уважением, Иван.

Гальваника и нюансы цифровизации