CN113939056A

CN113939056A - 一种变频微波加热装置

Info

Publication number: CN113939056A
Application number: CN202111148664.9A
Authority: CN
Inventors: 查雨; 蔡钟鸣; 张淳
Original assignee: Sh Intelligent Equipment Shanghai Co ltd
Current assignee: Sh Intelligent Equipment Shanghai Co ltd
Priority date: 2021-09-29
Filing date: 2021-09-29
Publication date: 2022-01-14

Abstract

本发明提供了一种变频微波加热装置，包括机器人、第一控制器、执行器、一路或多路微波天线、电源和若干电缆；所述执行器包括壳体，微波衰减器，变频微波发生器以及功率放大器。采用上述技术方案后，本申请的变频微波加热装置产生的微波能量集中在微波天线端的小范围点状区域内，能够瞬间在小范围空间内产生大功率、高能量密度的微波电磁场环境，对材料进行定点、逐点微波加热，在极短的时间内就能完成干燥固化。此外，本申请的变频微波加热装置具备体积小、重量轻、便于机器人握持操作等特性，完全满足工业产品自动化批量生产的使用需求，并且借助该装置，能够实现微波热处理由离线操作转变为在线操作的生产工艺革新。

Description

一种变频微波加热装置

技术领域

本发明涉及工业自动化制造技术领域，尤其涉及在工业制造环节中，对材料进行快速加热干燥固化的热处理。

背景技术

微波加热是指，材料处于微波环境下，材料内部会形成偶极子或已有偶极子重新排列，并且随着高频交变电磁场以每秒数亿次的频率高速摆动，这样就照成材料分子在电磁场作用下不停的重新排列，过程中就必须克服分子间原有的热运动和分子作用力的阻碍，从而产生类似宏观物体相互运动中出现的摩擦现象。因此，微波加热过程可以简单概括为，电磁场能量在材料内部转化成热能，导致材料自身发热升温的过程。

传统微波加热设备，通常是一种加热炉形式的设备，具备一定大小的封闭腔体，设备能够在腔体内部产生电磁场环境。热处理过程是将待处理的工件送入微波加热炉腔体内部电磁场环境中，设定加热时间，完成热处理过程。由于腔体大小有限，这种类型的微波加热设备只能用于处理体积较小的工件，对于超长、超宽的工件无能为力，如：车身内饰材料粘接、车身油漆干燥，等等。此外，在自动化流水线生产情况下，各类产品结构组件粘接胶合环节中，工艺要求往往仅限于几个关键点位置的材料快速干燥固化，而非材料整体干燥固化，这种情况下，将胶合组件整体放入微波加热炉内进行热处理，明显效率过低，干燥固化时间过长，难以达到生产工艺要求。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种变频微波加热装置，包括机器人、第一控制器、执行器、一路或多路微波天线、电源和若干电缆；

所述执行器包括：

壳体，所述壳体的一端连接于所述机器人的操作臂，所述壳体的另一端连接所述一路或多路微波天线；

微波衰减器，所述微波衰减器用于对变频微波发生器产生的变频微波信号进行衰减，并传输至功率放大器；

变频微波发生器，所述变频微波发生器用于通过频率合成的方式，在第一控制器的控制下按要求产生变频微波信号，所述变频微波是指微波信号频率在特定波段范围内随时间不停变化，且多个频率同时存在的具有一定带宽的频谱，所述变频微波采用频率合成技术获得，所述频率合成技术是指将一个或多个基准频率变换成一个或多个合乎要求的所需频率的技术；以及

功率放大器，所述功率放大器用于对衰减后的变频微波信号进行功率放大，输出大功率的变频微波信号；

所述机器人、所述第一控制器、所述执行器、所述一路或多路微波天线和所述电源之间分别通过所述电缆相互连接；所述机器人包括操作臂和第二控制器，所述第一控制器和所述第二控制器之间通信连接，所述第二控制器用于控制所述机器人的操作臂操作动作；所述第一控制器用于控制所述变频微波发生器的启动和关闭；所述一路或多路微波天线用于当工作时，将大功率的变频微波信号辐射出去，从而在微波天线的前方小范围区域内形成电磁场并照射到待加热对象上。

所述变频微波加热装置能够对材料进行定点、逐点微波加热。

进一步地，所述功率放大器输出100W-250W的变频微波信号。

进一步地，所述第一控制器是以ARM为处理器的嵌入式控制器，主频600MHz，双核，内存4G。

进一步地，所述衰减器的衰减范围为0～33dB。

进一步地，所述壳体和所述一路或多路微波天线一体成型，所述一路或多路微波天线直接安装于壳体的末端。

进一步地，所述一路或多路微波天线为分布式天线结构，所述一路或多路微波天线分散地分布，所述变频微波加热装置进一步包括波导，每一所述微波天线分别通过波导连接于壳体的末端，所述波导用于将功率放大器输出的大功率的变频微波信号定向传输至微波天线。

进一步地，所述波导为软波导或硬波导。本申请并不限定波导类型。硬波导也能用，只是不能弯曲，就需要微波天线和功率放大器的固定位置较为精确。

进一步地，所述执行器进一步包括耦合器，所述耦合器用于搜集并监测所述功率放大器的输出功率和微波天线的反射功率并反馈至第一控制器；所述第一控制器根据监测结果进行参数调整。

进一步地，所述变频微波发生器产生的变频微波信号为C波段微波、L波段微波、S波段微波、X波段微波、Ku波段微波、K波段微波或Ka波段微波，产生2～4096个频率，输出功率最大为10dBm。本领域技术人员可以理解的是，本申请的变频微波包括但不限于C波段微波、L波段微波、S波段微波、X波段微波、Ku波段微波、K波段微波或Ka波段微波，可选地，所述变频微波信号还可以为其他波段。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

本申请的变频微波加热装置产生的电磁场仅限于天线端小范围内，产生的微波能量集中在微波天线端的小范围点状区域内，能够瞬间在小范围空间内产生大功率、高能量密度的微波电磁场环境，能够对材料进行定点、逐点微波加热。适用于，如：材料粘接热处理过程的胶合涂层快速干燥固化。适合机器人握持下的材料定点或逐点加热工艺中使用，如：多结构组件固定，点状结构胶零散分布的使用场景。借助机器人协作，该加热设备在机器人带动下对结构胶进行逐点加热固化处理。单天线结构下大功率微波能量集中释放到材料上，将完成干燥固化的时间缩短为几秒到几分钟，实现加速干燥固化的效果。

此外，本申请的变频微波加热装置具备体积小、重量轻、便于机器人握持操作等特性，并且能够轻松实现对材料逐点快速干燥固化，因此，该装置完全满足工业产品自动化批量生产的使用需求，并且借助该装置，能够实现微波热处理由离线操作转变为在线操作的生产工艺革新。能够弥补微波加热炉的弊端，适应多种多样流水线生产过程中的自动化微波热处理工艺设计。

附图说明

图1为本申请的变频微波加热装置的主视图；

图2为本申请的变频微波加热装置的原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，可以指代不同的或相同的对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。

实施例1：

如图1-2所示，本申请提供一种变频微波加热装置，包括机器人、第一控制器、执行器、一路微波天线13、电源和若干电缆14。

机器人包括底座111、本体112和操作臂113。使用过程中，电源和第一控制器封装于小型电气柜20中，固定放置在机器人的底座111旁边，通过电缆14连接执行器。执行器被机器人握持，天线安装于执行器末端，工作时天线前方区域会产生大功率电磁场。

所述执行器包括耦合器，壳体121，微波衰减器，变频微波发生器和功率放大器。所述壳体121的一端连接于所述机器人的操作臂113，所述壳体121的另一端连接所述一路微波天线13。所述微波衰减器用于对变频微波发生器产生的变频微波信号进行衰减，并传输至功率放大器。所述变频微波发生器用于通过频率合成的方式，在第一控制器的控制下按要求产生变频微波信号。所述功率放大器用于对衰减后的变频微波信号进行功率放大，输出大功率的变频微波信号。

所述机器人、所述第一控制器、所述执行器、所述一路微波天线13和所述电源之间分别通过所述电缆14相互连接。所述机器人包括操作臂113和第二控制器，所述第一控制器和所述第二控制器之间通信连接，所述第二控制器用于控制所述机器人的操作臂113的操作动作，所述第一控制器用于控制所述变频微波发生器的启动和关闭，当执行器工作时，实时监测功率放大器的输出功率和来自天线的反射功率，并将信息反馈至第一控制器，功率监测功能是通过耦合器等微波设备(硬件)搜集信号后，再由第一控制器进行信号处理。第一控制器按照功率监测结果进行工作参数调整，例如修正变频微波的发射面的运动速度，在高温区间的运动速度加快，在低温区间的运动速度减慢，从而实现均匀加热。

所述一路微波天线13用于当工作时，将大功率的变频微波信号辐射出去，从而在微波天线13的前方小范围区域内形成电磁场并照射到待加热对象上。

可选地，所述壳体121和所述一路微波天线13一体成型，所述一路微波天线13直接安装于壳体121的末端。

可选地，所述一路微波天线13为分布式天线结构，所述一路微波天线13分散地分布，所述变频微波加热装置进一步包括波导，每一所述微波天线13分别通过波导连接于壳体121的末端，所述波导用于将功率放大器输出的大功率的变频微波信号定向传输至微波天线13。

软件功能主要包括：

(1)支持专用指令集，包括多种调试指令和工作指令；

(2)嵌入式网络服务器，其他设备，如：上位机、人机界面、机器人的第二控制器等，均可通过浏览器访问形式与本设备进行双向通讯；

(3)工艺参数和工作程序备份、加载、上传、下载功能，以及各类参数实时采集、存储功能；

(4)离线编辑参数和程序功能；

(5)支持各类工业协议，如profinet、etherCAT等等，兼容多种工业网络，支持多种工业机器人通讯；

(6)具有在线帮助功能。

以上软件功能均是常规技术，定义了这台装置的必备功能。以上软件功能全部通过第一控制器内设的本领域常规的软件程序实现。在第一控制器中预先设置变频微波装置的发射面运动轨迹、微波发射位置、微波发射时长和微波发射强度等。

本申请的变频微波加热装置的技术指标如下：

(1)第一控制器：以ARM为处理器的嵌入式控制器，主频600MHz，双核，内存4G；

(2)通讯接口：网口、串口；上行可以和上位机、机器人通信，下行和本专利涉及的变频微波加热装置的执行器通信。

(3)变频微波发生器：C波段微波，产生4096个频率，输出功率最大为10dBm；

(4)衰减器：0～33dB衰减范围；

(5)功率放大器：最大输出功率为250W；

(6)天线：1路喇叭天线。

(7)外形尺寸：530mm X 280mm X 200mm

(8)重量：14kg。

本实施例涉及的一体化单天线变频微波加热设备，具有体积小，重量轻，微波功率大等特点，适合机器人握持下的材料定点或逐点加热工艺中使用，如：多结构组件固定，点状结构胶零散分布的使用场景。借助机器人协作，该加热设备在机器人带动下对结构胶进行逐点加热固化处理。单天线结构下大功率微波能量集中释放到材料上，极短的时间内就能完成干燥固化。

实施例2：

分布式多天线变频微波(VFM)加热枪设备。技术指标和实施例1类似，只是天线形式改为2路天线，分布在定制的工装夹具上。天线和执行器之间通过软波导连接。

仍以车身制造为例，大型的内饰组件粘接的工艺流程中，只需要胶合区域上若干关键位置(如：一头一尾两处)能够快速连接固定，保证装配后的组件能以整体形式被机器人抓取开始下一道工序处理，而并非要求整个胶合区域在当前工序内完成整体干燥固化。上述使用场景的工艺设计，相互粘接的两块大型内饰组件，胶合面涂胶后由专用工装夹具夹持并压紧。

本实施例涉及的分布式多天线变频微波加热设备，2路天线分布安装于上述工装夹具的合适位置，并且在材料胶合面压紧之后，对胶合面上头尾两处点状区域同时定点微波加热，在极短时间内迅速完成这两处胶合涂层干燥固化。此处的热处理，虽然不是胶合面整体固化，但是，头尾两点固化连接牢固后，足以使两块大型内饰组件相互固定牢固，搬运时不会脱离，可以被机器人整体抓取移动。而整体固化可以在后续工艺流程(如车身烤漆环节)中自然完成。所以，此处的热处理效果完全符合工艺要求，实现材料间快速粘接固化效果。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种变频微波加热装置，其特征在于，包括机器人、第一控制器、执行器、一路或多路微波天线、电源和若干电缆；

所述执行器包括：

变频微波发生器，所述变频微波发生器用于通过频率合成的方式，在第一控制器的控制下按要求产生变频微波信号；以及

2.如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述功率放大器输出100W-250W的变频微波信号。

3.如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述第一控制器是以ARM为处理器的嵌入式控制器，主频600MHz，双核，内存4G。

4.如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述衰减器的衰减范围为0～33dB。

5.如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述壳体和所述一路或多路微波天线一体成型，所述一路或多路微波天线直接安装于壳体的末端。

6.如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述一路或多路微波天线为分布式天线结构，所述一路或多路微波天线分散地分布，所述变频微波加热装置进一步包括波导，每一所述微波天线分别通过波导连接于壳体的末端，所述波导用于将功率放大器输出的大功率的变频微波信号定向传输至微波天线。

7.如权利要求6所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述波导为软波导或硬波导。

8.如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述执行器进一步包括耦合器，所述耦合器用于搜集并监测所述功率放大器的输出功率和微波天线的反射功率并反馈至第一控制器；所述第一控制器根据监测结果进行参数调整。

9.如权利要求1-8任一项所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述变频微波发生器产生的变频微波信号为C波段微波、L波段微波、S波段微波、X波段微波、Ku波段微波、K波段微波或Ka波段微波，产生2～4096个频率，输出功率最大为10dBm。