DE102012007959A1 - Apparatus and method for induction heating - Google Patents
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Abstract
Um bei einer Vorrichtung zur Induktionserwärmung eines Werkstücks (1) mit einer Induktionseinrichtung (2) mit Induktionsgenerator (3) und Induktor (4), einer Temperaturmesseinheit (5) und einer Regel- und Steuereinrichtung (6), welche zwischen der Temperaturmesseinheit (5) und der Induktionseinrichtung (2) geschaltet ist, das gesamte Werkstück in gewünschter Weise zu erwärmen und eine Überhitzung zu vermeiden, ist die Temperaturmesseinheit (5) eine Wärmebildkamera und die Regel- und Steuereinrichtung (6) ist für eine pixelgenaue Auswertung jedes der von der Wärmebildkamera (5) gelieferten Wärmebildern und eine pixelgenaue Steuerung der Induktionseinrichtung (2) damit für eine pixelgenaue Regelung und Überwachung der Temperatur des Werkstücks (1) geeignet.In a device for induction heating of a workpiece (1) with an induction device (2) with induction generator (3) and inductor (4), a temperature measuring unit (5) and a control and control device (6) which between the temperature measuring unit (5) and the induction device (2) is switched to heat the entire workpiece in a desired manner and to avoid overheating, the temperature measuring unit (5) is a thermal imaging camera and the control device (6) is for a pixel-precise evaluation of each of the thermal imaging camera (5) supplied thermal images and pixel-precise control of the induction device (2) thus for a pixel-precise control and monitoring of the temperature of the workpiece (1) suitable.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Induktionserwärmung eines Werkstücks mit einer Induktionseinrichtung mit Induktionsgenerator und Induktor, einer Temperaturmesseinheit und einer Regel- und Steuereinrichtung, welche zwischen die Temperaturmesseinheit und die Induktionseinrichtung geschaltet ist. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Induktionserwärmung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.The invention relates to a device for induction heating of a workpiece with an induction device with induction generator and inductor, a temperature measuring unit and a control and regulating device, which is connected between the temperature measuring unit and the induction device. The invention also relates to a method for induction heating according to the preamble of claim 8.
Eine derartige Vorrichtung und Verfahren ist durch die
Die Aufgabe der Erfindung wird somit darin gesehen, die Vorrichtung und das Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass das gesamte Werkstück in gewünschter Weise erwärmt wird und eine Überhitzung vermieden wird.The object of the invention is thus seen to develop the device and the method of the type mentioned in such a way that the entire workpiece is heated in the desired manner and overheating is avoided.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Temperaturmesseinheit eine Wärmebildkamera ist und die Regel- und Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie für eine pixelgenaue Auswertung jedes der von der Wärmebildkamera gelieferten Wärmebilder und für eine pixelgenaue Steuerung der Induktionseinrichtung und damit für eine pixelgenaue Regelung und Überwachung des Werkstücks bestimmt und geeignet ist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8 erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Verfahren entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen dieses Anspruchs durchgeführt wird.To solve this problem is proposed according to the invention in an apparatus according to the preamble of
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird mit der Wärmebildkamera das Wärmebild des gesamten Werkstücks erfasst. Mit der Regel- und Steuereinrichtung werden alle von der Wärmebildkamera gelieferten Wärmebilder pixelgenau ausgewertet. Entsprechend den Vorgaben an die Erwärmung des Werkstücks wird dann der Induktionsgenerator der Induktionseinrichtung derart gesteuert, dass die in jedem Bereich des Werkstücks gewünschten Temperaturen erreicht werden. Die Form des Induktors kann der Form des Werkstücks angepasst sein oder so ausgebildet sein, dass der Induktor unmittelbar auch diejenigen Bereiche des Werkstücks erwärmt, wie es von der Aufgabenstellung her vorgesehen ist. Da das Werkstück mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Verfahren nicht nur in einem Temperaturmesspunkt sondern praktisch in allen Bereichen temperaturmässig erfasst wird, wird eine gezielte Erwärmung erreicht und eine Überhitzung von bestimmten Bereichen des Werkstücks vermieden.In the apparatus according to the invention, the thermal image of the entire workpiece is detected with the thermal imaging camera. With the control and control device all thermal images delivered by the thermal imager are evaluated pixel-precise. In accordance with the specifications for the heating of the workpiece, the induction generator of the induction device is then controlled in such a way that the temperatures desired in each region of the workpiece are achieved. The shape of the inductor may be adapted to the shape of the workpiece or be formed so that the inductor directly also heated those areas of the workpiece, as provided by the task forth. Since the workpiece with the device and the method according to the invention is detected in terms of temperature not only in a temperature measuring point but practically in all areas, a targeted heating is achieved and prevents overheating of certain areas of the workpiece.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Regel- und Steuereinrichtung eine Auswerteeinheit aufweist, welche mit der Wärmebildkamera verbunden ist und welche die Werte jedes Bildpixels jedes Wärmebildes erfasst. Damit können so viele Erwärmungszonen an dem Werkstück erfasst werden wie Bildpixel vorhanden sind. Bei der Induktionserwärmung vollzieht sich der Erwärmungsprozess sehr schnell, da ein Induktor im Millisekundenbereich arbeitet. Folglich muss auch die Ansteuerung und Regelung des Induktors über den Generator sehr schnell erfolgen. Da die von der Wärmebildkamera gelieferte Datenmenge sehr groß ist, kann es von Vorteil sein, dass in bestimmten Bereichen des Werkstücks, welche beispielsweise eine homogene Wärmeentwicklung zeigen, die einzelnen Temperaturwerte zu einem Einheitswert für diesen Bereich zusammengefasst werden, um die Datenflut zu begrenzen und damit eine schnellere Ansteuerung des Generators zu gewährleisten.An embodiment of the invention provides that the regulating and control device has an evaluation unit, which is connected to the thermal imaging camera and which detects the values of each image pixel of each thermal image. As a result, as many heating zones on the workpiece as image pixels can be detected. In induction heating, the heating process is very fast because an inductor operates in the millisecond range. Consequently, the control and regulation of the inductor via the generator must be done very quickly. Since the amount of data provided by the thermal imager is very large, it may be advantageous for the individual temperature values to be combined in a uniform value for this region in certain areas of the workpiece, which for example show homogeneous heat development, in order to limit the data flood and thus to ensure a faster control of the generator.
Da die von der Wärmebildkamera gelieferten Daten und auch die von der Auswerteeinheit gelieferten Daten nicht den tatsächlichen Temperaturwerten auf dem Werkstück entsprechen, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass eine Eicheinrichtung mit mehreren Temperaturmessfühlern zum Anbringen an dem Werkstück vorgesehen ist, wobei die Eicheinrichtung mit der Regel- und Steuereinrichtung verbunden ist, um die von der Auswerteeinheit gelieferten Werte jedes Bildpixels zu korrigieren. Für die Kalibrierung wird eine Vielzahl von Messreihen auf der gesamten Oberfläche des Werkstücks durchgeführt, mit welchen unmittelbar die Temperatur an vielen Einzelpunkten des Werkstücks mit den Temperaturmessfühlern gemessen wird. Zeitgleich werden von dem Werkstück mit der Wärmebildkamera Wärmebilder erstellt. Durch einen Vergleich der tatsächlichen Temperaturwerte mit den Werten der Bildpixel der Wärmebilder werden dann die jeweiligen Eichkurven erstellt. Damit kann beispielsweise der Einfluss der unterschiedlichsten Emissionsfaktoren, die sich durch verschiedene Materialien, Farben, Rauhigkeit und auch Temperaturbereich ergeben, eliminiert werden.Since the data supplied by the thermal imaging camera and also the data supplied by the evaluation unit do not correspond to the actual temperature values on the workpiece, a development of the invention provides that a calibration device with a plurality of temperature sensors is provided for attachment to the workpiece, wherein the calibration device with the Control and control device is connected to correct the values supplied by the evaluation unit values of each image pixel. For the calibration, a large number of measurement series is carried out on the entire surface of the workpiece, with which the temperature at many individual points of the workpiece is directly measured with the temperature sensors. At the same time, thermal images of the workpiece are created with the thermal imager. By comparing the actual temperature values with the values of the image pixels of the thermal images, the respective calibration curves are then created. Thus, for example, the influence of a wide variety of emission factors, which result from different materials, colors, roughness and temperature range, can be eliminated.
Ein weiteres Problem bei der Messung mit der Wärmebildkamera stellt die Entstehung von Dämpfen beispielsweise bei geölten Oberflächen des Werkstücks dar, da das Wärmebild durch die Dämpfe beeinflusst wird. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht deshalb vor, dass eine Korrektureinheit zur Korrektur von Dampfentwicklung am Werkstück vorgesehen ist, wobei die Korrektureinheit Druckluftdüsen oder Ventilatoren oder mindestens ein Quotienten-Pyrometer sind. Mit den Düsen oder den Ventilatoren wird der Dampf an den Messpunkten einfach weggeblasen. Ein Quotienten-Pyrometer, welches auf zwei verschiedenen Wellenlängen misst, kann den Fehler durch die Dämpfe an einem Punkt herausrechnen. Diese Daten werden dann an die Regel- und Steuereinrichtung gegeben, welche dann diese Korrektur für alle Messpunkte errechnet.Another problem when measuring with the thermal imager is the formation of vapors, for example in oiled surfaces of the Workpiece, since the thermal image is influenced by the vapors. A further embodiment of the invention therefore provides that a correction unit is provided for correcting the development of steam on the workpiece, the correction unit being compressed air nozzles or fans or at least one quotient pyrometer. With the nozzles or the fans, the steam at the measuring points is simply blown away. A quotient pyrometer, which measures at two different wavelengths, can calculate the error from the vapors at one point. These data are then sent to the control and regulation device, which then calculates this correction for all measurement points.
Temperaturänderungen vollziehen sich bei der Induktionserwärmung sehr schnell. Entsprechend angepasst muss die Ansteuerung des Induktionsgenerators erfolgen. Wegen der erforderlichen schnellen Verarbeitung der Daten ist eine Softwarelösung unzureichend. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht deshalb vor, dass die Regel- und Steuereinrichtung mit mindestens einem PID-Regler ausgestattet ist. Der Regler ist ein schneller Regler und alle Regelanteile wie Proportionalanteil, Integralanteil und Differentialanteil sind einstellbar. Der Form des Werkstücks angepasst kann zweckmäßigerweise die Induktionseinrichtung mehrere Induktionsgeneratoren und mehrere Induktoren aufweisen. Entsprechend sind dann auch mehrere PID-Regler vorhanden. Für die Eingabe von Sollwerten und auch zur Bedienung des Regel- und Steuersystems ist eine Eingabeeinrichtung vorgesehen, welche vorteilhafterweise mit einem Touchscreen ausgestattet ist.Temperature changes occur very quickly during induction heating. The drive of the induction generator must be adjusted accordingly. Because of the required fast processing of the data, a software solution is insufficient. Another embodiment of the invention therefore provides that the control and regulating device is equipped with at least one PID controller. The controller is a fast controller and all control components such as proportional component, integral component and differential component are adjustable. Conveniently adapted to the shape of the workpiece, the induction device may comprise a plurality of induction generators and a plurality of inductors. Accordingly, there are also several PID controllers available. For the input of desired values and also for the operation of the control system, an input device is provided, which is advantageously equipped with a touch screen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei stellen dar:The invention is explained below with reference to the drawing. The drawing shows an embodiment of the invention. Here are represent:
Die Vorrichtung zur Induktionserwärmung eines Werkstücks
In
Bei der Durchführung des Verfahrens zur Induktionserwärmung eines Werkstücks
Um die gezielte Induktionserwärmung des Werkstücks
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Induktionserwärmung des Werkstücks
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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