CN108966388B - 一种复杂曲面自适应扫描感应加热装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂曲面自适应扫描感应加热装置及方法，装置包括中心控制台、组合探针式感应器、CCD相机、滑块连接装置Ⅰ、滑块连接装置Ⅱ、固定导轨、滑行导轨Ⅰ、滑行导轨Ⅱ、温度传感器，方法实施步骤为：利用CCD相机采集工件表面结构尺寸；通过中心控制台设定并调整加热装置初始状态；计算工件加热位置并利用中心控制台的伺服驱动器驱动实施；利用温度反馈对当前加热工件与组合探针式感应器间距进行调整。本发明采用离散的探针式感应加热单元，可以适应多种复杂曲面，适用范围广，加热效率高；具有温度反馈闭环控制系统，可以根据工件曲面形状和表面温度实时在线控制并调节探针式感应器位置及加热功能。

Description

一种复杂曲面自适应扫描感应加热装置及方法

技术领域

本发明涉及热处理领域，尤其涉及一种复杂曲面自适应扫描感应加热装置及方法。

背景技术

为满足功能需求和美观性，复杂曲面在航空航天、天文、航海、汽车零部件、模具和生物医用植入等众多领域广泛应用，并且伴随这些行业的不断兴起和发展，对工作面为复杂曲面的零件及工业产品的需求量和性能要求不断提升。

随着我国经济和科技的快速发展，高效节能和精密化已然成为零件热加工领域的关注热点。为提升加热效率、节约能源并且提高热处理过程的可控性和精密化，目前采用感应加热对零部件进行热处理的方式较为有效并且应用广泛。

已有的感应加热装置大多数是针对结构简单、形状规则的零部件，而复杂曲面由多曲率的曲面组合而成，包括非球面、自由曲面和异型面等，曲率多变，结构复杂，因此通过对其表面进行感应热处理，从而实现表面性能强化，仍然存在热处理难度大、温度分布不均、加热精度低等问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种在线控制、自动调节、无需更换感应线圈、整体工作效率高、适用范围广的复杂曲面自适应扫描感应加热装置及方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明主要包括中心控制台、固定导轨、滑行导轨Ⅰ、滑行导轨Ⅱ、温度传感器、CCD相机、组合探针式感应器、滑块连接装置Ⅰ、滑块连接装置Ⅱ，所述固定导轨为两根平行导轨组成，滑行导轨Ⅰ、滑行导轨Ⅱ与两根固定导轨垂直，滑行导轨Ⅰ、滑行导轨Ⅱ分别通过滑块连接装置Ⅰ与两根固定导轨连接形成“井”字形结构；在滑行导轨Ⅰ上通过滑块连接装置Ⅱ安装CCD相机，CCD相机自身可绕x、z两轴转动，在滑块连接装置Ⅰ的作用下实现x方向的水平移动，在滑块连接装置Ⅱ的作用下实现y方向的水平移动；在滑行导轨Ⅱ上通过滑块连接装置Ⅱ安装组合探针式感应器，在组合探针式感应器的加热前端安装温度传感器；所述CCD相机通过信号线Ⅰ与中心控制台端口Ⅰ相连，所述组合探针式感应器通过信号线Ⅱ与中心控制台端口Ⅱ相连；所述温度传感器通过信号线Ⅲ与中心控制台端口Ⅲ相连，所述CCD相机、温度传感器、组合探针式感应器、中心控制台组成具有温度反馈的闭环控制系统。

进一步的，在滑行导轨Ⅱ上安装若干个滑块连接装置Ⅱ，在滑行导轨Ⅱ上的每个滑块连接装置Ⅱ上对应安装组合探针式感应器。

进一步的，中心控制台独立控制每个组合探针式感应器。

进一步的，所述组合探针式感应器由直线电机、电机推杆、探针式感应器加热前端组成；电机推杆的顶端与直线电机相连，电机推杆的底端为加热前端，直线电机驱动电机推杆调节探针式感应器的直线位移，加热前端装有温度传感器。

进一步的，所述组合探针式感应器的加热前端包括感应器外壳、正电极接口、负电极接口、“C”形导磁体和感应线圈；在感应器外壳内部安装正电极接口和负电极接口，正、负电极接口穿过“C”形导磁体与感应线圈的两端分别连接，感应线圈置于加热前端的底端。

一种复杂曲面自适应扫描感应加热方法，包括以下步骤：

步骤1，利用CCD相机采集工件表面结构尺寸；

中心控制台驱动滑行导轨Ⅰ在固定导轨上沿x轴方向水平移动到合适位置，实现CCD相机对工件表面的整体拍摄，并在完成拍摄后移动到远离工件表面的终点位置，将得到的几何形貌图像通过中心控制台处理为对应的结构参数；

步骤2，利用中心控制台分析工件表面结构参数，计算并确定所需组合探针式感应器的总数目，给定滑行导轨Ⅱ的初始速度，控制滑行导轨Ⅱ沿x轴移动到初始位置；

步骤3，利用中心控制台计算工件加热位置；

根据工件表面结构参数，实时选定滑行导轨Ⅱ在移动过程中参与加热的组合探针式感应器，控制其电路导通，提取每个组合探针式感应器对应位置的结构参数，计算它们在z轴方向的加热位置；

步骤4，利用中心控制台的伺服驱动器驱动实施，对工件表面进行加热；

利用中心控制台分别输出相应的位移信号给每个选定的组合探针式感应器内部的直线电机，独立驱动探针式感应器加热前端沿z轴的直线位移，控制其到工件表面的距离以及电路导通情况；

步骤5，利用温度反馈对当前加热工件与组合探针式感应器间距进行调整；

在每个选定组合探针式感应器分别对工件表面进行加热时，探针式感应器加热前端上安装的温度传感器实时采集工件表面温度信号并反馈给中心控制台，通过记录分析工件表面结构参数以及当前加热点温度，评估计算当前加热点的加热状态，并据此调整每个组合探针式感应器与加热工件的间隔距离，构成闭环控制系统；

步骤6，组合探针式感应器完成对整体工件表面的扫描感应加热。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、采用离散的探针式感应加热单元，可以组合加热，适应多种复杂曲面感应加热，而无需更换感应线圈，提高整体工作效率，适用范围广。

2、具有温度反馈的闭环控制系统，可以根据工件曲面形状和表面温度实现对探针式感应器位置及加热功能的实时在线控制和自动调节。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明中探针式感应器加热前端的局部剖视图。

图3为本发明中组合探针式感应器结构示意图。

图4为本发明方法的工作流程图。

图5为本发明方法的温度反馈闭环控制图。

附图标号：1-中心控制台，2-端口Ⅲ，3-端口Ⅰ，4-端口Ⅱ，5-信号线Ⅱ，6-滑块连接装置Ⅰ，7-滑行导轨Ⅱ，8-固定导轨，9-滑块连接装置Ⅱ，10-组合探针式感应器，11-温度传感器，12-CCD相机，13-滑行导轨Ⅰ，14-信号线Ⅰ，15-信号线Ⅲ，16-感应器外壳，17-负电极接口，18-正电极接口，19-“C”形导磁体，20-感应线圈，21-直线电机，22-电机推杆，23-探针式感应器加热前端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1、2、3所示，本发明主要包括中心控制台1、固定导轨8、滑行导轨Ⅰ13、滑行导轨Ⅱ7、温度传感器11、CCD相机12、组合探针式感应器10、滑块连接装置Ⅰ6、滑块连接装置Ⅱ9，所述固定导轨为两根平行导轨组成，滑行导轨Ⅰ、滑行导轨Ⅱ与两根固定导轨垂直，滑行导轨Ⅰ、滑行导轨Ⅱ分别通过滑块连接装置Ⅰ与两根固定导轨连接形成“井”字形结构；在滑行导轨Ⅰ上通过滑块连接装置Ⅱ安装CCD相机，CCD相机自身可绕x、z两轴转动，在滑块连接装置Ⅰ的作用下实现x方向的水平移动，在滑块连接装置Ⅱ的作用下实现y方向的水平移动；在滑行导轨Ⅱ上通过滑块连接装置Ⅱ安装组合探针式感应器，在组合探针式感应器的加热前端安装温度传感器；所述CCD相机通过信号线Ⅰ14与中心控制台端口Ⅰ3相连，所述组合探针式感应器通过信号线Ⅱ5与中心控制台端口Ⅱ4相连；所述温度传感器通过信号线Ⅲ15与中心控制台端口Ⅲ2相连，所述CCD相机、温度传感器、组合探针式感应器、中心控制台组成具有温度反馈的闭环控制系统。在滑行导轨Ⅱ上安装若干个滑块连接装置Ⅱ，在滑行导轨Ⅱ上的每个滑块连接装置Ⅱ上对应安装组合探针式感应器。中心控制台独立控制每个组合探针式感应器。

所述组合探针式感应器由直线电机21、电机推杆22、探针式感应器加热前端23组成；电机推杆的顶端与直线电机相连，电机推杆的底端为加热前端，直线电机驱动电机推杆调节探针式感应器的直线位移，加热前端装有温度传感器。

所述组合探针式感应器的加热前端包括感应器外壳16、正电极接口18、负电极接口17、“C”形导磁体19和感应线圈20；在感应器外壳内部安装正电极接口和负电极接口，正、负电极接口穿过“C”形导磁体与感应线圈的两端分别连接，感应线圈置于加热前端的底端。

一种复杂曲面自适应扫描感应加热方法，包括以下步骤：

步骤1，利用CCD相机采集工件表面结构尺寸；

中心控制台驱动滑行导轨Ⅰ在固定导轨上沿x轴方向水平移动到合适位置，实现CCD相机对工件表面的整体拍摄，并在完成拍摄后移动到远离工件表面的终点位置，将得到的几何形貌图像通过中心控制台处理为对应的结构参数；

步骤2，利用中心控制台分析工件表面结构参数，计算并确定所需组合探针式感应器的总数目，给定滑行导轨Ⅱ的初始速度，控制滑行导轨Ⅱ沿x轴移动到初始位置；

步骤3，利用中心控制台计算工件加热位置；

根据工件表面结构参数，实时选定滑行导轨Ⅱ在移动过程中参与加热的组合探针式感应器，控制其电路导通，提取每个组合探针式感应器对应位置的结构参数，计算它们在z轴方向的加热位置；

步骤4，利用中心控制台的伺服驱动器驱动实施，对工件表面进行加热；

利用中心控制台分别输出相应的位移信号给每个选定的组合探针式感应器内部的直线电机，独立驱动探针式感应器加热前端沿z轴的直线位移，控制其到工件表面的距离以及电路导通情况；

步骤5，利用温度反馈对当前加热工件与组合探针式感应器间距进行调整；

在每个选定组合探针式感应器分别对工件表面进行加热时，探针式感应器加热前端上安装的温度传感器实时采集工件表面温度信号并反馈给中心控制台，通过记录分析工件表面结构参数以及当前加热点温度，评估计算当前加热点的加热状态，并据此调整每个组合探针式感应器与加热工件的间隔距离，构成闭环控制系统；

步骤6，组合探针式感应器完成对整体工件表面的扫描感应加热。

如图4、5所示，工作时，CCD相机通过自身转动、滑块连接装置Ⅱ以及滑动导轨Ⅰ在固定导轨上的水平移动到合适位置拍摄工件整体表面图像，实现CCD相机对工件表面的整体拍摄，并在完成拍摄后移动到远离工件表面的终点位置，将得到的几何形貌图像通过中心控制台处理为对应的结构参数，利用中心控制台分析工件表面结构参数，计算并确定所需组合探针式感应器的总数目，给定滑行导轨Ⅱ的初始速度，控制滑行导轨Ⅱ沿x轴移动到初始位置，根据工件表面的结构参数，实时选定滑行导轨Ⅱ在移动过程中参与加热的组合探针式感应器，控制其电路导通，提取每个组合探针式感应器对应位置的结构参数，计算它们在z轴方向的加热位置，利用中心控制台分别输出相应的位移信号给每个选定的组合探针式感应器内部的直线电机，独立驱动探针式感应器加热前端沿z轴的直线位移，控制其到工件表面的距离，在每个选定组合探针式感应器分别对工件表面进行加热时，探针式感应器加热前端上安装的温度传感器实时采集工件表面温度信号并反馈给中心控制台，通过记录分析工件表面结构参数以及当前加热点温度，评估计算当前加热点的加热状态，并据此调整每个组合探针式感应器与加热工件的间隔距离，构成闭环控制系统。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种复杂曲面自适应扫描感应加热装置，主要包括中心控制台、固定导轨、滑行导轨Ⅰ、滑行导轨Ⅱ、温度传感器、CCD相机、组合探针式感应器、滑块连接装置Ⅰ、滑块连接装置Ⅱ，其特征在于：所述固定导轨为两根平行导轨组成，滑行导轨Ⅰ、滑行导轨Ⅱ与两根固定导轨垂直，滑行导轨Ⅰ、滑行导轨Ⅱ分别通过滑块连接装置Ⅰ与两根固定导轨连接形成“井”字形结构；在滑行导轨Ⅰ上通过滑块连接装置Ⅱ安装CCD相机，CCD相机自身可绕x、z两轴转动，在滑块连接装置Ⅰ的作用下实现x方向的水平移动，在滑块连接装置Ⅱ的作用下实现y方向的水平移动；在滑行导轨Ⅱ上通过滑块连接装置Ⅱ安装组合探针式感应器，在组合探针式感应器的加热前端安装温度传感器；所述CCD相机通过信号线Ⅰ与中心控制台端口Ⅰ相连，所述组合探针式感应器通过信号线Ⅱ与中心控制台端口Ⅱ相连；所述温度传感器通过信号线Ⅲ与中心控制台端口Ⅲ相连，所述CCD相机、温度传感器、组合探针式感应器、中心控制台组成具有温度反馈的闭环控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种复杂曲面自适应扫描感应加热装置，其特征在于：在滑行导轨Ⅱ上安装若干个滑块连接装置Ⅱ，在滑行导轨Ⅱ上的每个滑块连接装置Ⅱ上对应安装组合探针式感应器。

3.根据权利要求1所述的一种复杂曲面自适应扫描感应加热装置，其特征在于：中心控制台独立控制每个组合探针式感应器。

4.根据权利要求1所述的一种复杂曲面自适应扫描感应加热装置，其特征在于：所述组合探针式感应器由直线电机、电机推杆、探针式感应器加热前端组成；电机推杆的顶端与直线电机相连，电机推杆的底端为加热前端，直线电机驱动电机推杆调节探针式感应器的直线位移，加热前端装有温度传感器。

5.根据权利要求4所述的一种复杂曲面自适应扫描感应加热装置，其特征在于：所述组合探针式感应器的加热前端包括感应器外壳、正电极接口、负电极接口、“C”形导磁体和感应线圈；在感应器外壳内部安装正电极接口和负电极接口，正、负电极接口穿过“C”形导磁体与感应线圈的两端分别连接，感应线圈置于加热前端的底端。

6.一种复杂曲面自适应扫描感应加热方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，利用CCD相机采集工件表面结构尺寸；

中心控制台驱动滑行导轨Ⅰ在固定导轨上沿x轴方向水平移动到合适位置，实现CCD相机对工件表面的整体拍摄，并在完成拍摄后移动到远离工件表面的终点位置，将得到的几何形貌图像通过中心控制台处理为对应的结构参数；

步骤2，利用中心控制台分析工件表面结构参数，计算并确定所需组合探针式感应器的总数目，给定滑行导轨Ⅱ的初始速度，控制滑行导轨Ⅱ沿x轴移动到初始位置；

步骤3，利用中心控制台计算工件加热位置；

根据工件表面结构参数，实时选定滑行导轨Ⅱ在移动过程中参与加热的组合探针式感应器，控制其电路导通，提取每个组合探针式感应器对应位置的结构参数，计算它们在z轴方向的加热位置；

步骤4，利用中心控制台的伺服驱动器驱动实施，对工件表面进行加热；

利用中心控制台分别输出相应的位移信号给每个选定的组合探针式感应器内部的直线电机，独立驱动探针式感应器加热前端沿z轴的直线位移，控制其到工件表面的距离以及电路导通情况；

步骤5，利用温度反馈对当前加热工件与组合探针式感应器间距进行调整；

在每个选定组合探针式感应器分别对工件表面进行加热时，探针式感应器加热前端上安装的温度传感器实时采集工件表面温度信号并反馈给中心控制台，通过记录分析工件表面结构参数以及当前加热点温度，评估计算当前加热点的加热状态，并据此调整每个组合探针式感应器与加热工件的间隔距离，构成闭环控制系统；

步骤6，组合探针式感应器完成对整体工件表面的扫描感应加热。

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