数控电源的设计毕业设计论文 精品.docx
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数控电源的设计毕业设计论文精品
引言
电镀，即采用电化学的方法使金属离子还原为金属，并在金属或非金属制品表面形成符合要求的平滑、致密的金属覆盖层。
电镀后的镀层性能在很大程度上取代了原来基体的性能，起装饰和防护作用，随着科学技术与生产的发展，电镀工艺已遍布各个领域。
电流通过镀槽是电镀的必要条件，镀件上的金属就是在电流流过电镀时引起电化学反映而形成的。
在电镀中产生电流的装置，称之为电镀电源。
电镀电源的发展主要经历了四个阶段：
直流电机阶段；硅整流阶段；可控硅阶段；电镀的发展经历了4个发展阶段：
直流电机阶段、硅整流阶段、可控硅阶段、晶体管阶段。
脉冲电镀是一项新的电镀技术。
它的特点是由脉冲电流对电极过程动力学的特效影响所决定的，其中最主要的是对传质过程的影响。
所谓数字脉冲电源，就是采用微处理器等数字电路对脉冲电源中的直流斩波进行控制，并实现数字显示与数字调节的一种脉冲电源。
它是当今最为现在金的电镀电源，也是电镀电源发展的方向。
随着现代社会的发展,数控电源技术已经用到了各种领域，首先我们先了解一下数控技术的发展情况，人们对电镀质量的要求越来越高。
但目前电镀技术仍存在某些缺陷，诸如加工时间长、镀层厚度均匀性差、镀层容易出现缺陷以及存在较大内应力等。
这些缺陷大大限制了电镀技术的应用和发展，不能适应当前的生产，尤其是精密制造的需要。
数控电源技术是对电解电源实现大电流、高频率、大工作比脉冲输出、环保、节电节时高效的技术。
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
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指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
1.绪论
1.1研究的目的
电镀技术是军用电子元器件设计、制造工艺、封装测试环节中的重要一环，是军用电子元器件的重要组成部分和支撑，是保证和加强军用电子元器件、组件及系统可靠性和整体性能指标的关键，是武器装备小型化、多功能化、轻员化和高可靠性的重要技术之一。
武器装备的快速发展，对电子封装技术提出了新的、更高的要求。
高质量的表面处理技术成为军用电子元器件设计、制造、封装技术发展的难点和制高点。
长期以来，由于在电镀行业中普遍使用直流电镀电源，人们往往把主要精力用于改变直流电镀的镀液成分、采用化学添加剂等方式来改善镀层性能。
国际上从20世纪60年代中期把脉冲电源引入电镀领域，发展非常迅速。
脉冲电镀实际上是一种通断直流电镀。
脉冲电镀过程中，当电流导通时，脉冲（峰值）电流相当于普通直流电流的几倍甚至几十倍，正是这个瞬时高电流密度使金属离子在极高的过电位下还原，从而使沉积层晶粒变细;当电流关断时，阴极区附近放电离子又恢复到初始浓度，浓差极化消除，这利于下一个脉冲周期继续使用高的脉冲（峰值）电流密度，同时关断期内还伴有对沉积层有利的重结晶、吸脱附等现象。
这样的过程同期性地贯穿整个电镀过程的始末，其中所包含的机理构成了脉冲电镀的最基本原理。
实践证明，脉冲电镀在细化结晶、改善镀层物理化学性能、节约贵金属等方面比传统的直流电镀有着不可比拟的优越性。
随着电镀理论和电源技术的发展，将反向脉冲又引入电镀，也就是说，在脉冲电镀正向脉冲期间，适当地引入少量反向脉冲，这样可以将镀层表面上的杂质以及结合力不太强的离子拉回，从而提高了镀层的致密性。
20世纪80年代末90年代初双脉冲电镀电源在我国开始有所应用以来，脉冲电镀技术即得到了飞速发展。
目前国内已有能实现单一波形，正反向周期换向的双脉冲电源。
我所曾于90年代中期配置了这种双脉冲电源。
由于在电镀过程中，在不同的阶段需要不同的电镀参数，例如在电镀的初始阶段是不允许有反向脉冲的，因为此时的反向脉冲会使镀件上的金属离子进入到镀液而污染了电镀液，所以只有等工件表面镀了一层以后，方可引入反向脉冲。
对于双脉冲电源来说，只能等镀了一段时间后，再重新手动修改电镀参数，这样势必造成操作上的烦琐和失误，同时因为过多的人为因素的介入，使得重复性变得很差。
鉴于以上原因，受国外程控电镀电源设计思想的启发，结合双脉冲方波电源制作经验，为了更好更宽地适应不同电镀工艺对多参数脉冲组合电源的需求，我们研制了这套程序控制多脉冲方波（后略）电镀电源。
该程序控制多脉冲电镀电源可以将多组不同参数的脉冲方波（包括正、反向脉冲）进行任怠组合，且脉宽、频率等参数调节范围宽，使用灵活方便，很好地满足了多种电镀工艺的需求。
1.2国内外脉冲电镀电源研究现状
1.2.1脉冲电镀电源国内发展概况
由于脉冲电镀对改善镀层性能有特殊的功能，其经济效益尤其在节约贵余属方面非常显著。
70年代后期，我国部分高等院校、研究所、生产厂已研制并投产几种类型的脉冲电镀电源，其情况大致可分为以下三个阶段
第一阶段:
提供试验室进行脉冲电镀工艺研究和脉冲电镀机理探讨用的小型脉冲电镀电源。
如峰值电流为10A多波形脉冲电镀电源及峰值电流为20A,50A,100A方波脉冲电源。
通过工艺研究和机理初步探讨，脉冲电镀在电镀行业尤其在贵金属电镀、合金电镀方面有着很强的生命力，提出了金、银、锗等贵金属脉冲电镀的较成熟的工艺。
第二阶段:
在金、银等贵金属电镀行业中推广应用脉冲电镀技术。
为了满足生产需要，脉冲电源已形成峰值电流为30A,50A,100A,200A,300A,500A的系列产品。
生产上不仅提高了电子产品的质量，节约了电镀时间，而且在节约贵金属方面有着明显的经济效益。
随着脉冲电源容量的增加及频率范围的扩大又促进了电镀工艺的研究。
充分发挥脉冲电镀的优点，解决传统直流电镀中存在的一些弊病。
如不加添加剂光亮镀镍新工艺的研究，表面电镀晶粒细，光泽度又好印刷板薄铜皮镀铜工艺研究，合金电镀工艺的研究等。
第三阶段:
随着上述新工艺的研究对脉冲电源又提出了新的要求其要求归纳起来大致可分以下三个方面:
一、变极性脉冲电镀电源的研制根据工艺要求有正反脉宽与峰值电流皆能改变极性脉冲电源。
二、在可调直流的基础上叠加可变的方波脉冲电源。
三、研制容量大，输出电压高的脉冲电源。
随着器件质量进一步提高及新的大功率器件的研制成功，在脉冲电镀电源中采用1000V左右高压品体管，大容量可关断晶闸管及调频晶闸管作为功率器件，上述三方面要求的电源，为期不会太远。
1.2.2国产脉冲电镀电源介绍
近年来，国产脉冲电镀电源发展也很迅速，但大都是双脉冲电镀电源。
双脉冲电镀电源具有如下特点:
一、国产双脉冲电镀电源多采用性能相同的两组脉冲电源反向隔离并联，以实现输出正、负脉冲周期换向电流的日的。
二、双脉冲电源有十个参数可以调节，即正、负脉冲电流幅值Im；正、负脉冲电流导通时间即脉宽Ton；正、负脉冲电流断开时间Toff；正、负脉冲电流的频率；正、负一组脉冲电流的工作时间Tf、Tr。
由于是采用两台独立电源，因此上述参数均可单独调节。
三、双脉冲电源可通过参数调节、变换，控制镀层的结晶取向，在镀层光亮、抗腐蚀、耐磨、硬度等方面比直流电镀有较大提高。
四、双脉冲电源也存在它的局限性，由于这种电源采用手动调节参数，因此在设定好上述十个参数之后，即成为单一参数的脉冲波形参数，进入电镀过程。
2电镀用脉冲电源概述
2.1对方波脉冲电镀电源的基木要求
脉冲电镀电源通常采用恒流或恒压两种不同的供电模式，当然也有采用非恒流方式的。
脉冲电流（或电压）的波形通常有方波、正弦波、锯齿波等以及这些波形与直流的叠加。
从电镀实际结果来看，方波脉冲以及与其他波形适当组合对贵金属电镀可获得较好的效果。
就方波脉冲而言，前沿和后沿的陡度越大可获得更好的实镀效果，但对前后沿的要求不可太苛刻，否则会为脉冲电源的设计、制造和脉冲的传输带来困难。
一般说来，前后沿的上升时间和下降时间应控制在数微秒到数十微秒之内。
对不同镀种在不同槽液中等效电阻的变化，我们作了测试，积累了一定数据，综合其他相关资料，有关方波脉冲电镀电源的技术指标特提出如下基本要求:
一、输出电压波形为方波平顶的纹波系数<5%，电压波形不允许有过冲及振荡现象。
二、有峰值和平均值电流保护，其动作整定值可根据用户需要进行调整。
三、方波脉冲电源测量与显示系统可采用电流表显示平均值电流IcP,脉冲
电流的通电时间Ton脉冲电流的断电时间Torn和脉冲电流之频率f可使用示波器观察分析。
2.2脉冲电源的分类
脉冲电源从波形分析看，一般有以下几种:
单脉冲电源、双脉冲电源以及多波形脉冲电源。
在实际使用中，方波脉冲电源使用较为普通，多用于无特殊要求的镀金、银、镍场合，多波形脉冲电源多应用于合金类表面硬质氧化场合，例如铝的硬质氧化，而双脉冲电源为新近发展的新颖脉冲电源，是对于表面要求高的场合较为理想的电源，如精密仪器、电子元件陶瓷基片表面处理场合。
2.3脉冲电源工作原理
脉冲电镀是一项新的电镀技术。
它的特点是由脉冲电流对电极过程动力学的特效影响所决定的，其中最主要的是对传质过程的影响。
脉冲电源其电流呈脉冲方式流动，并可在瞬时产生高密度电流；因此，在电镀时能将底层均匀地涂覆到镀件上，并使之加速，提高了效率；镀件表面均匀、细致，使金、银等贵重大为节约。
由此，可以调节占空比及频率的脉冲电源。
脉冲电源的工作原理可以通过其波形直接反映。
一般直流电源的输出电流波形如图，而特殊电源的脉冲电源，有着与直流电源完全不同的波形如图。
图2-1一般电镀电源输出波形
Figure2-1generalgalvanizationpowersourceoutputwaveshape
图2-2脉冲电源输出波形
Figure2-2pulsepowersourceoutputwaveshape
2.4脉冲电源的特点
与系统直流电源相比，脉冲电源就是其输出直流波形、频率、占空比和平均电流密度等参数均可根据电镀需要设定的直流电源，其特点可概括为:
（1）频率f、占空比（D）可调;
（2）波形特殊（例如方波等）。
脉冲电源的这些特点在生产中的实际意义就是，在电镀过程中，脉冲电源可通过改变其输出波形的频率、占空比和平均电流密度，来改变电镀槽中金属离子电沉积过程，使电沉积过程在较宽范围内变化，从而可获得均匀致密较为理想的镀层。
例如在印刷线路板行业（PCB）中，使用脉冲电源电镀，可提高其深镀能力，使镀层均匀、致密、不脱落。
2.4.1脉冲电源的优点
脉冲电镀与直流电镀相比，概括起来有以下几个优点：
一、镀层孔隙率低，致密性好，抗蚀性高，以方波输出脉冲电源电镀为例，由于脉冲电源输出为间歇性矩形方波，在脉冲导通期间，金属离子在工件表面沉积的晶粒在镀液中溶解，使得工件表面沉积的晶粒细化，镀层致密，大大降低了镀层的孔隙率。
实践表明，装饰业和电子业，用脉冲电源电镀贵金属，可以用较薄的镀层获得较为理想的镀层表面。
二、镀层应力低，成分稳定，深镀能力强。
结品细化，改善与提高镀层的均镀能力:
脉冲电镀时，山于脉冲瞬间阴极表而上具有很高的电流密度。
如镀金时瞬间电流密度可比平均电流密度左（1012）倍。
这就使品核形成的速度大于晶核成长的速度。
脉冲镀层的品粒般为0.5微米左右，而直流镀层的晶粒大于1微米，另外脉冲电镀电流分布的均匀性好，这就改善了镀层的均镀能力。
三、改善镀层的化学性能，降低孔隙率提高镀层的抗腐蚀能力。
对十镀层表面具有无孔特性一般说其镀属厚度，脉冲镀比直流镀可减少。
四、改善镀层的物理性能降低表面电阻和体电阻，提高导电性，增大耐磨性，减少应力。
氰化镀银脉冲镀层的耐磨能力要比直流镀层增加一倍。
由于脉冲时的峰值电压远大于直流镀时的电压所以阴极表面钝化膜易被击穿而有利于镀层与基体间的结合，因此脉冲镀提高了结合力。
五、节约金属尤其是贵金属。
我国电子工业每年用金量约20吨其中大部分用于电子元件的电镀涂层，白银的每年用量超过百吨它主要用于电镀涂层，由于镀层超厚其金、银等贵重金属白白耗费紧集成电路框架镀金为例，直流镀层厚度需要2微米以上刁‘能保证使用，而采用脉冲电镀后可使镀金层厚减到1.2微米便可满足要求，这就可使镀金层厚度降低40%,镀件受镀时间减少1/3左右。
脉冲镀在节约材料尤其贵金属方面具有非常明显的经济效益。
2.4.2脉冲电源使用的局限性
上面简要说明了脉冲电源作为电镀电源使用的特点和使用方法，但并非脉冲电源在任何场合使用都能获得较为理想的表面，脉冲电源也存在一定的P限性，主要表现在以下几个方面:
一、脉冲电源虽然在表面能形成致密均匀的镀层表面，但它在要求工件表面镀层较厚的场合效果并不理想，效率低。
一般情况下，20-30km以上镀层用其它直流电源电镀比脉冲电源理想。
二、脉冲电源在较多复杂的表面（例如首饰、插件）能形成较为均匀的镀层，保持工件原有机械形状，但在深镀能力上不理想，电流效率较低，例如深孔电镀。
PCB行业中孔经比较大的印刷板电镀，虽然表面质量较为理想。
但会出现镀层厚度不一致的现象。
三、脉冲电源在工作中，在电镀槽中产生变流低频振荡会引起部分有机类添加剂分解，造成镀液污染;故在脉冲电源使用场合，最好不使用有机添加剂。
四、电流效率低，在对工件表面要求要求、镀层较厚、单产产量大的贵金属电镀中，使用脉冲电源效果比用低纹波高频开关电源要逊色。
综上所述，随着科技进步，电子、通信、信息等尖端高科技工业的发展，电镀脉冲电源的应用将越来越广泛，合理使用脉冲电源必将对我国金属表面处理行业的发展起到很大的促进作用。
3数字单脉冲电源的性能指标及其概述
3.1数字脉冲电源的应用意义和概述
3.1.1数字脉冲电源的应用意义
随着现代社会的发展,数控电源技术已经用到了各种领域，首先我们先了解一下数控技术的发展情况，人们对电镀质量的要求越来越高。
但目前电镀技术仍存在某些缺陷，诸如加工时间长、镀层厚度均匀性差、镀层容易出现缺陷以及存在较大内应力等。
这些缺陷大大限制了电镀技术的应用和发展，不能适应当前的生产，尤其是精密制造的需要。
数控电源技术是对电解电源实现大电流、高频率、大工作比脉冲输出、环保、节电节时高效的技术。
3.1.2数字脉冲电源的概述
所谓数字脉冲电源，就是采用微处理器等数字电路对脉冲电源中的直流斩波进行控制，并实现数字显示与数字调节的一种脉冲电源。
它是当今最为现在金的电镀电源，也是电镀电源发展的方向。
他与传统的模拟脉冲电源相比，具有这样一些优点：
驱动波形规整，极大地改善了载波后的输出波形，对提高电镀质量十分有利；
采用数字调控，直观简单；
波形调节范围宽，调节步进可以至0.1ms；
温度漂移系数小，能长期稳定地连续运行。
数字脉冲电源一般分为双脉冲电源与单脉冲电源2种。
图3-1数字脉冲电源原理示意图
Figure3-1numeralpulsepowersourceprincipleschematicdrawing
在目前的应用中，大多利用大功率的开关管IGBT对直流电源进行斩波，达到脉冲输出的目的。
改变IGBT开关的方波驱动信号，以实现脉冲宽及频率的可调。
3.2数字单脉冲电源的性能指标
脉冲电镀实质上是一种通、断直流电镀。
所不同的是脉冲电镀有三个独立的参数（脉冲电流密度J、导通时间tom及关断时间toff可调；而一般直流电镀只有1个参数（电流或电压）可调。
因此，采用脉冲电镀就成为槽外控制镀层提供了有力的手段。
国内外电镀工作者大量的实践证明，脉冲电镀是一项既能提高镀层质量，又能提高沉积速率的经济效率很高的电镀新技术。
图3-1为脉冲电源的电流波形，图中：
Ton:
脉冲电流导通时间；
Toff：
脉冲电流断电时间；
T=ton+toff：
脉冲周期；
J:
电流密度；
Ip:
电流峰值。
图3-2脉冲电源参数图
Figure3-2pulsepowersourceparameterchart
本数字单脉冲电源的性能与设计要求主要体现在以下一些指标：
供电电源：
3相，50HZ，380V。
输出峰值电流：
4-40A，连续可调。
输出峰值电压：
3-30V，连续可调。
脉冲频率：
1-10KHZ，可调。
脉冲占空比：
0-100%，可调。
脉冲电流导通时间ton:
0.1-999.9ms；
电流电压波形:
脉冲,键盘设定。
工作方式:
恒流/压任选。
电镀时间可键盘设定，为0-9999s。
4数字单脉冲电源的设计方案及其要求
数字单脉冲电源的设计主要采用了双CPU系统方案，包括系统硬件、软件的具体设计方案和步骤
4.1双CPU系统方案
在单CPU系统中，全部的控制、监测和运算都由CPU来完成，致使CPU只能串行地完成任务，这将造成两方面的结果:
一是控制响应的速度很大程度上取决于CPU的速度，CPU则成为系统性能提高的瓶颈，对于要求高速采样、控制、输出的应用，系统显得力不从心;二是选择算法时必须放弃虽有较满意的性能，但计算量大的方案。
因此自80年代以来，国内外逐渐开始研制多CPU型电源控制硬件结构，各种方案总的来说可分为两类:
一类是将保护功能和人机界面等功能分开，由不同的CPU分别承担电气量的采集与变换、控制逻辑运算、人机对话和打印输出、与上位机通信、数字量输入和处理等功能。
这样的系统特点是模块化，能够实现故障定位到板，开发保护的新功能方便，但接线复杂，各板之间联络线多，会影响系统的可靠性;CPU数目多，使得装置体积大且成本也较高。
另一类是多CPU并列处理式结构，不同保护功能（高频、距离等）由不同的CPU完成。
该系统的特点是每个保护插件的硬件完全相同，只是EPROM中的运行程序不同，各板间的联络线很少，因而维护检修方便，抗千扰能力强。
此外，也可以只将信号采集与处理的功能分离出来，由一个专用CPU承担，而保护的其余任务仍旧留给主CPU完成。
4.1.1系统总体方案的思路
由于系统中关键的问题是定时：
电镀时间的定时及驱动开关管的脉冲定时，而且后者的定时精度直接影响输出脉冲波形的频率精度。
同时考虑到系统显示及按键处理的因素，本系统采用了双CPU系统设计构架。
主系统主要负责显示按键管理、电镀时间控制以及运行中的暂停等控制；从系统主要负责产生开关管的驱动脉冲。
数字控制系统的原理可用图4-1表示：
图4-1双CPU系统原理示意图
Figure4-1pairofCPUsystemprincipleschematicdrawing
双CPU系统的关键是主、从CPU之间的协调与通信实现。
实现的约素是：
1）能够满足系统的实时性
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