CN113351685A - 一种一体式高频智能矫平机及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体式高频智能矫平机，整体矫平机机架分为三层框架，分别为智能加热机构、冷水机机构和高频电源机构，三层框架通过主控制器进行协调控制。整体矫平机机架包括由伺服电机驱动的两对车轮、电源机架后上方的推杆、推杆前方装有的控制面板、推杆下方装有电源工作所需的三相交流电插座。并公开了其工作方法。通过智能加热机构、冷水机机构和高频电源机构层层叠放的一体式结构设计，使得谐振电路产生的高频电流无需经过长距离的电缆传输到达高频变压器，可以直接传输到升降平台上的高频变压器，高频高压电流的传输距离由一般的几十米缩短至1米以内，不但降低了制造成本，而且极大的减少了传输过程中的能量损耗。

Description

一种一体式高频智能矫平机及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种船舶与海洋工程薄板结构电磁感应加热矫平设备，尤其是涉及一种一体式高频智能矫平机及其工作方法。

背景技术

目前，船舶与海洋工程结构主要采用熔焊工艺连接，焊接电弧对钢材的不均匀的局部加热，必然会导致船舶及海洋工程结构产生应力和形变。传统的火工矫平变形工艺存在诸多问题，例如对操作者的经验要求较高，矫平效果的不确定性较高，并且加热过程中会产生有毒气体，对环境的影响较大，所需的燃料存放时也会有安全隐患。另外水火矫正的劳动强度高、环境差，愿意从事此行业的人员越来越少。

高频感应加热技术虽然因具有清洁、高效、易于操作等优点，因此在工业领域有广泛的应用前景，但是，目前的感应加热矫平机仍然存在以下的问题：

(1)感应加热器与电源是分体的，感应加热线圈固定在移动小车上，使得感应线圈与电源之间一般通过很长的的电缆进行连接，高频电流在电缆中的损耗较大，同时电源的容感匹配较难。

(2)通常感应加热线圈与钢板之间的距离在3～4mm时，电磁感应的的效果最好，但是传统的感应线圈及加热部件与钢板之间的距离不会随着钢板变形进行调节，无法保证电磁感应的效率，从而影响加热的效果。

(3)电源与同轴变压器都采用水冷散热，电源内部容易漏水造成安全隐患。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种一体式高频智能矫平机，能够自动识别焊缝位置并自动运行到焊缝位置，使感应线圈与不同形变情况下的钢板保持合理距离，打破水冷散热的局限性，提高安全性，并提供了该矫平机的工作方法。

技术方案：一种一体式高频智能矫平机，包括划分为三层结构的整体机架，以及设置于整体机架下层的智能加热机构、中间层的冷水机机构和主控制器、上层的高频电源机构和风冷系统；

智能加热机构包括升降组件、高频变压器、感应线圈、距离传感器、冷却管道组件、高频电流输送通道，升降组件的顶部或底部与整体机架连接，高频变压器安装于升降组件的上表面，高频变压器上安装有感应线圈，距离传感器在升降组件上表面的周向间隔设有多个，高频变压器通过冷却管道组件与中间层的冷水机机构连接并通过高频电流输送通道与上层的高频电源机构连接，机架、风冷系统、升降组件、距离传感器分别与主控制器信号连接。

进一步的，升降组件包括丝杆伺服电机、丝杠、升降平台，升降平台水平放置于整体机架下层中，丝杆伺服电机在整体机架下层的上顶面或下底面上间隔安装有多个，每个丝杆伺服电机分别通过一个丝杠与升降平台连接，高频变压器安装于升降平台的上表面，丝杆伺服电机与主控制器信号连接。

进一步的，冷水机机构包括水箱、水泵、压缩机、蒸发器、冷凝器，水箱上设有进水口和排水口，冷却管道组件包括出水管道、进水管道，两者分别与水箱的对应接口连接，蒸发器通过水泵与水箱连接，冷凝器通过压缩机与蒸发器连接。

冷水机机构利用通过水冷管道组件进行水冷循环散热时，先从进水管道将冷却水回收到水箱，水泵再从水箱中抽水到蒸发器，蒸发器中的冷却水经压缩机提取到冷凝器中进行散热降温，最后再输入蒸发器中，最后从出水管道进入高频变压器。

进一步的，风冷系统包括散热底座、散热风扇、散热器，散热风扇在整体机架上层的相对两侧上部分别设有一个，散热底座安装于高频电源机构底部，高频电源机构一侧安装有多个散热器，相对另一侧开设有散热孔，散热底座上装有NTC温度传感器，NTC温度传感器、散热器和散热风扇分别与主控制器信号连接。

散热孔与散热底座的散热片高度相同并与散热片的方向垂直，在散热底座的顶部及前后两侧延伸至高频电源机构两侧的外壳有铁板密封形成散热风道，利用散热器排风散热。主控制器可根据散热底座的温度和高频电源机构内的环境温度调节散热器和散热风扇的转速，从而控制高频电源机构内的温度。

进一步的，高频电源机构包括滤波器、逆变电路模块、降压模块、整流模块、谐振电容，滤波器、降压模块、逆变电路模块分别与整流模块连接，距离传感器与降压模块连接，谐振电容与逆变电路模块连接，逆变电路模块与高频变压器连接。

输入的三相交流电先经过滤波器滤去谐波，然后通过整流模块整流形成高压直流电，高压直流电同时输入给降压模块和逆变电路模块，降压模块后产生5V以及12V电源供矫平机中的各个传感器使用，逆变电路模块将高压直流电逆变成高频交流电输送给谐振电容，最后再输入给高频变压器。

进一步的，整体机架包括机架本体、车轮、车轮伺服电机、推杆、握把、控制面板，车轮在机架本体的底部安装有四个，四个车轮的连线呈矩形，每个车轮均配有一个车轮伺服电机，两者通过传动轴连接，车轮伺服电机安装于机架本体底部，推杆安装于机架本体前部的上方，握把在整体机架上层的相对两侧分别设有一个，控制面板在推杆斜上方安装于机架本体上，车轮伺服电机、控制面板分别与主控制器信号连接。

进一步的，本矫平机还包括高清摄像头，主控制器在整体机架的中间层安装于主控制舱内，高清摄像头在主控制器上方安装于整体机架的上层，高清摄像头与主控制器信号连接。

最佳的，距离传感器为超声波距离传感器。

一种上述的一体式高频智能矫平机的使用方法，包括以下步骤：

步骤一：接上三相交流电插座，一体式高频智能矫平机开始供电启动，主控制器开启；

步骤二：启动冷水机机构开始水冷循环；

步骤三：将一体式高频智能矫平机推到需要工作的区域，启动智能加热机构，主控制器通过传回来的图片识别信号通过移动机架将感应线圈与被加热钢板上的焊缝位置对齐；

步骤四：对准焊缝之后，主控制器控制距离传感器对感应线圈与钢板之间的距离不断进行测量，通过距离传感器的反馈信号控制升降组件完成高度调节，使感应线圈到达加热工位；

步骤五：调节完成之后启动加热功能，高频交流电流通过传输管道传输到高频变压器中，再经过感应线产生磁场，磁场作用在钢板上产生涡流从而实现加热效果；

步骤六：加热结束后，控制器通过控制机架运动到下移加热位置并并对准下一处焊缝，重复步骤四、步骤五进入下一次加热流程，直到操作人员按下停止按键或者图像识别不到焊缝时电源停止工作。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)通过智能加热机构、冷水机机构和高频电源机构层层叠放的一体式结构设计，使得谐振电路产生的高频电流无需经过长距离的电缆传输到达高频变压器，可以直接传输到升降平台上的高频变压器，高频高压电流的传输距离由一般的几十米缩短至1米以内，不但降低了制造成本，而且极大的减少了传输过程中的能量损耗。

(2)感应线圈由传统的固定式改变为可随钢板的不同形变程度调整加热距离的自动调节方式，利用四个不同位置的超声波距离传感器对感应线圈与钢板之间的距离进行精确测量，合理调节丝杠伺服电机的转动，使感应线圈与被加热的钢板之间保持平行并控制两者之间的距离为加热效率最高的距离，整个过程由控制器进行计算调节，提高了整体设备的智能性，同时也提高了加热的效率，节省电能；此外，对于钢板也能进行更加均匀的加热，大大提高了加热的效果。

(3)适用广泛，本矫平机的智能加热机构对于传统分体式感应加热矫平机移动加热器中的感应线圈也同样适用，对于钢板矫平面积大小的不同，可采用的升降平台的固定方式也有两种。若加热面积较小，可采用车轴上安装丝杠伺服电机的方式，此时，超声波距离传感器位于车轴的两侧；加热面积较大时则放宽两车轴之间的距离，四个丝杠伺服电机及升降平台位于两车轴之间；合理运用两种结构能够提高升降平台的调节效果。

(4)本发明新型高频智能矫平机内部高频散热采用风冷的形式，并且电源部分放置在整机的上层，即使冷水机漏水也不会对电源造成安全隐患，提高了整体的安全性；对于底部的高频变压器，可以采用水冷的降温方式，由于水箱与同轴变压器距离较近，冷水机的压缩泵所需功率及水箱大小都比分体式小很多，也会比分体式节省购买与使用成本。相较于传统的分体式移动加热器体积和质量有所增加，但减少了人为的操作，将高频感应电源内各种系统集中在一起，组合成可移动的整体，同时也取消了手动的移动操作；智能高频智能矫平机前端装有高清摄像机，可对被加热的薄钢板上长距离的焊缝进行自主加热，自主识别长距离的焊缝并做出轨迹识别，加热完后控制伺服电机工作的时间来控制智能高频智能矫平机的行走距离，是一种新型的智能制造设备，必将提高造船厂智能制造水平。

附图说明

图1为新型高频智能矫平机的剖视图；

图2为智能加热机构俯视图；

图3为冷水机机构俯视图；

图4为高频电源机构俯视图；

图5为手推式移动加热器中线圈高度调节装置的主视图；

图6为手推式移动加热器中线圈高度调节装置的侧视图；

图7为感应加热的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种一体式高频智能矫平机，如图1～4所示，包括划分为三层结构的整体机架1，以及设置于整体机架1下层的智能加热机构2、中间层的冷水机机构3和主控制器5、上层的高频电源机构4、风冷系统、高清摄像头51，整体机架1的层与层之间用钢板隔开并在钢板上开有过孔，方便信号线和各种管道布置。本矫平机的整体外壳采用塑料材质，避免高频感应电源工作时外壳产生的磁干扰，内部支撑框架采用不锈钢材料，确保框架强度不易产生形变。

智能加热机构包括升降组件、高频变压器24、感应线圈26、距离传感器25、冷却管道组件28、高频电流输送通道29，升降组件包括丝杆伺服电机21、丝杠22、升降平台23，升降平台23水平放置于整体机架1下层中，丝杆伺服电机21在整体机架1下层的上顶面或下底面上间隔安装有多个，每个丝杆伺服电机21分别通过一个丝杠22与升降平台23连接，支撑或吊起升降平台23，通过丝杆伺服电机21启动丝杠22实现升降平台23高度位移的调节。高频变压器24安装于升降平台23的上表面，丝杆伺服电机21与主控制器5信号连接，高频变压器24上安装有感应线圈26，距离传感器25在升降组件上表面的周向间隔设有多个，距离传感器25为超声波距离传感器。升降平台23采用铝合金材质，距离传感器25可在其四角的底部分别设置一个。

高频变压器24通过冷却管道组件28与中间层的冷水机机构3连接并通过高频电流输送通道29与上层的高频电源机构4连接。冷水机机构包括水箱31、水泵32、压缩机33、蒸发器34、冷凝器35，水箱31上设有进水口311和排水口312，冷却管道组件28包括出水管道281、进水管道282，两者分别与水箱31的对应接口连接，蒸发器34通过水泵32与水箱31连接，冷凝器35通过压缩机33与蒸发器34连接。

冷水机机构3利用通过冷却管道组件28进行水冷循环散热时，先从进水管道282将冷却水回收到水箱31，水泵32再从水箱31中抽水到蒸发器34，蒸发器34中的冷却水经压缩机33提取到冷凝器35中进行散热降温，最后再输入蒸发器3中，最后从出水管道281进入高频变压器24。

高频电源机构4包括滤波器41、逆变电路模块44、降压模块43、整流模块45、谐振电容46，滤波器41、降压模块43、逆变电路模块44分别与整流模块45连接，距离传感器25与降压模块43连接，谐振电容46与逆变电路模块44连接，逆变电路模块44与高频变压器24连接。

高频电源机构产生的高频电流通过管道47输送到智能加热机构2中的高频变压器24中，将高频电流的传输距离缩短在1米之内，大大的降低了由于传输电缆过长而造成的电能的损耗，提高了感应加热电源的加热效率；三相交流电经过整流后的直流电经过降压模块43后产生5V以及12V电源供矫平机中的各个传感器使用。

风冷系统包括散热底座37、散热风扇38、散热器39，散热风扇38在整体机架1上层的相对两侧上部分别设有一个，散热底座37安装于高频电源机构4底部，高频电源机构4一侧安装有多个散热器39，相对另一侧开设有散热孔，散热底座37上装有NTC温度传感器，NTC温度传感器、散热器39和散热风扇38分别与主控制器5信号连接。

本矫平机中整流、逆变电路运用的风冷系统中包含整流模块和IGBT模块的散热底座37以及两边的散热风扇38，散热风扇38与空气表面对流换热系数为h，散热底座37表面积A的大小根据IGBT模块和整流器模块的功耗Q计算得出，计算公式为Q＝h×A×(T_a-T_h)，其中T_a为空气温度，T_h为散热底座37平均温度。散热底座37与散热风扇38之间要形成相对应的散热风道。

整体机架1包括机架本体、车轮11、车轮伺服电机12、推杆14、握把15、控制面板16，车轮11在机架本体的底部安装有四个，四个车轮11的连线呈矩形，每个车轮11均配有一个车轮伺服电机12，两者通过传动轴连接，车轮伺服电机12安装于机架本体底部，推杆14安装于机架本体前部的上方，控制面板16在推杆14斜上方安装于机架本体上，车轮伺服电机12、控制面板16分别与主控制器5信号连接。

推杆14方便工作人员对其进行推行；整体机架1上层，即高频电源机构4的两侧设有握把15，在遇到台阶时，可以进行短距离的搬动；高频电源机构4的前方为三相电电缆过孔13，整体系统使用三相交流电。

主控制器5在整体机架1的中间层安装于主控制舱52内，高清摄像头51在主控制器5上方安装于整体机架1的上层，高清摄像头51与主控制器5信号连接。

上述的一体式高频智能矫平机的使用方法，如图7所示，包括以下步骤：

步骤一：接上三相交流电插座，一体式高频智能矫平机开始供电启动，控制面板和主控制器同时启动；

步骤二：按下控制面板上的冷水机启动按钮，启动冷水机机构开始水冷循环；

步骤三：将一体式高频智能矫平机推到需要工作的区域，按下控制面板上的自主矫平按钮，启动智能加热机构，主控制器通过高清摄像头传回来的图片识别信号，控制车轮伺服电机移动机架将感应线圈与被加热钢板上的焊缝位置对齐；

步骤四：对准焊缝之后，主控制器控制距离传感器对感应线圈与钢板之间的距离不断进行测量，通过距离传感器的反馈信号控制升降组件完成高度调节，控制丝杆伺服电机启动丝杠实现升降平台高度位移的调节，使感应线圈到达加热工位；

步骤五：调节完成之后启动加热功能，高频交流电流通过传输管道传输到高频变压器中，再经过感应线产生磁场，磁场作用在钢板上产生涡流从而实现加热效果；

步骤六：加热结束后，控制器通过控制机架运动到下移加热位置并并对准下一处焊缝，重复步骤四、步骤五进入下一次加热流程，直到操作人员按下停止按键或者图像识别不到焊缝时电源停止工作。

智能高频智能矫平机的主控制器5位于主控制舱52内，与控制面板16之间留有信号线进行数据收发，控制面板16上设有人机交互界面来完成对矫平机的监控，界面上设有多个控制按钮，其中一个按键控制智能高频智能矫平机上车轮11的自主运行，一个按键控制高频感应线圈26工作的启停，界面上也会显示电源的各种工作状态，同时控制面板上设有急停开关。主控制器5与电源底部的各个模块也进行数据收发，将超声波距离传感器25对平台四角与钢板之间距离的测量结果发送到主控制器5中进行计算处理，在减去升降平台23与感应线圈26底部平面的距离之后可以得到感应线圈26与钢板之间的平均距离。实施例中，选择加热效果最好的感应线圈26与钢板之间的距离，将其设置于主控制器5的计算过程中，根据超声波距离传感器25测量的参数计算出升降平台26需要调节的高度，进而转化为平台上四个伺服电机11的转动的圈数，主控制器5控制四个丝杆伺服电机21的旋转完成感应线圈26与钢板之间距离的调节；主控制器5可以利用高清摄像头51对被加热钢板上的焊缝进行图像识别，分析识别出长距离焊缝的轨迹之后，控制装有伺服电机12的车轮11沿着焊缝所在的轨迹移动，在加热完成后控制伺服电机前进t秒找到下一处焊缝继续开始下一次加热。

如图7所示，本新型高频智能矫平机及其辅助装置的加热流程为：首先，按下控制面板16上的启动按键之后，智能矫平机自动寻找被加热钢板上的焊缝并让感应线圈26与之对齐，对准焊缝之后，主控制器5控制超声波距离传感器25对感应线圈26与钢板之间的距离不断进行测量，借此控制升降平台23完成高度调节，调节完成之后启动加热功能，高频交流电流通过传输管道29传输到高频变压器24中，再经过感应线圈26产生磁场，磁场作用在钢板上产生涡流从而实现加热效果；加热结束后，新型高频智能矫平机自动行走n厘米并对准下一处焊缝，进入下一次加热流程，直到操作人员按下停止按键或者图像识别不到焊缝时电源停止工作。

本发明的智能加热机构2还可以运用到分体式感应加热矫平机可移动加热器中，也可以使用本发明中的感应线圈自动调节装置，如图5所示，一般的感应加热矫平机移动加热器的感应线圈26自动调节装置的安装方式一可以将丝杠伺服电机21固定在移动加热器的顶部，主控制器设置于控制按键的下方，人工对准焊缝后即可按下控制按键进行感应线圈26的高度调节，调节完按下加热按键即可完成加热。感应线圈26自动调节装置的安装方式二也可以如图6所示，丝杠伺服电机21也可以固定在两对车轮11之间的车轴上，车轴的上方设置有套筒，套筒有利于保护车轴并提供丝杠伺服电机21的固定平台，两个车轴上分别固定两个丝杠伺服电机21，利用四根丝杆作为支撑来固定一个承载同轴变压器和感应线圈26的可升降平台23。丝杠伺服电机21及升降平台23的安装方式不局限于如上所述，在其他的高频感应加热电源中也可以灵活运用。

此外，该升降平台23也可以用液压升降平台进行替代，作用的原理与丝杠步进电机21的原理相似，只需再配备一个充气泵来为液压阀加压，利用主控制芯片控制充气时间来完成液压升降平台的升降控制。

Claims (9)

1.一种一体式高频智能矫平机，其特征在于：包括划分为三层结构的整体机架(1)，以及设置于整体机架(1)下层的智能加热机构(2)、中间层的冷水机机构(3)和主控制器(5)、上层的高频电源机构(4)和风冷系统；

智能加热机构包括升降组件、高频变压器(24)、感应线圈(26)、距离传感器(25)、冷却管道组件(28)、高频电流输送通道(29)，升降组件的顶部或底部与整体机架(1)连接，高频变压器(24)安装于升降组件的上表面，高频变压器(24)上安装有感应线圈(26)，距离传感器(25)在升降组件上表面的周向间隔设有多个，高频变压器(24)通过冷却管道组件(28)与中间层的冷水机机构(3)连接并通过高频电流输送通道(29)与上层的高频电源机构(4)连接，机架(1)、风冷系统、升降组件、距离传感器(25)分别与主控制器(5)信号连接。

2.根据权利要求1所述的一种一体式高频智能矫平机，其特征在于：升降组件包括丝杆伺服电机(21)、丝杠(22)、升降平台(23)，升降平台(23)水平放置于整体机架(1)下层中，丝杆伺服电机(21)在整体机架(1)下层的上顶面或下底面上间隔安装有多个，每个丝杆伺服电机(21)分别通过一个丝杠(22)与升降平台(23)连接，高频变压器(24)安装于升降平台(23)的上表面，丝杆伺服电机(21)与主控制器(5)信号连接。

3.根据权利要求1所述的一种一体式高频智能矫平机，其特征在于：冷水机机构包括水箱(31)、水泵(32)、压缩机(33)、蒸发器(34)、冷凝器(35)，水箱(31)上设有进水口(311)和排水口(312)，冷却管道组件(28)包括出水管道(281)、进水管道(282)，两者分别与水箱(31)的对应接口连接，蒸发器(34)通过水泵(32)与水箱(31)连接，冷凝器(35)通过压缩机(33)与蒸发器(34)连接。

4.根据权利要求1所述的一种一体式高频智能矫平机，其特征在于：风冷系统包括散热底座(37)、散热风扇(38)、散热器(39)，散热风扇(38)在整体机架(1)上层的相对两侧上部分别设有一个，散热底座(37)安装于高频电源机构(4)底部，高频电源机构(4)一侧安装有多个散热器(39)，相对另一侧开设有散热孔，散热底座(37)上装有NTC温度传感器，NTC温度传感器、散热器(39)和散热风扇(38)分别与主控制器(5)信号连接。

5.根据权利要求1所述的一种一体式高频智能矫平机，其特征在于：高频电源机构(4)包括滤波器(41)、逆变电路模块(44)、降压模块(43)、整流模块(45)、谐振电容(46)，滤波器(41)、降压模块(43)、逆变电路模块(44)分别与整流模块(45)连接，距离传感器(25)与降压模块(43)连接，谐振电容(46)与逆变电路模块(44)连接，逆变电路模块(44)与高频变压器(24)连接。

6.根据权利要求1所述的一种一体式高频智能矫平机，其特征在于：整体机架(1)包括机架本体、车轮(11)、车轮伺服电机(12)、推杆(14)、握把(15)、控制面板(16)，车轮(11)在机架本体的底部安装有四个，四个车轮(11)的连线呈矩形，每个车轮(11)均配有一个车轮伺服电机(12)，两者通过传动轴连接，车轮伺服电机(12)安装于机架本体底部，推杆(14)安装于机架本体前部的上方，握把(15)在整体机架(1)上层的相对两侧分别设有一个，控制面板(16)在推杆(14)斜上方安装于机架本体上，车轮伺服电机(12)、控制面板(16)分别与主控制器(5)信号连接。

7.根据权利要求1所述的一种一体式高频智能矫平机，其特征在于：还包括高清摄像头(51)，主控制器(5)在整体机架(1)的中间层安装于主控制舱(52)内，高清摄像头(51)在主控制器(5)上方安装于整体机架(1)的上层，高清摄像头(51)与主控制器(5)信号连接。

8.根据权利要求1所述的一种一体式高频智能矫平机，其特征在于：距离传感器(25)为超声波距离传感器。

9.一种权利要求1～8任一所述的一体式高频智能矫平机的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：接上三相交流电插座，一体式高频智能矫平机开始供电启动，主控制器开启；

步骤二：启动冷水机机构开始水冷循环；

步骤三：将一体式高频智能矫平机推到需要工作的区域，启动智能加热机构，主控制器通过传回来的图片识别信号通过移动机架将感应线圈与被加热钢板上的焊缝位置对齐；

步骤四：对准焊缝之后，主控制器控制距离传感器对感应线圈与钢板之间的距离不断进行测量，通过距离传感器的反馈信号控制升降组件完成高度调节，使感应线圈到达加热工位；

步骤五：调节完成之后启动加热功能，高频交流电流通过传输管道传输到高频变压器中，再经过感应线产生磁场，磁场作用在钢板上产生涡流从而实现加热效果；

步骤六：加热结束后，控制器通过控制机架运动到下移加热位置并并对准下一处焊缝，重复步骤四、步骤五进入下一次加热流程，直到操作人员按下停止按键或者图像识别不到焊缝时电源停止工作。

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