DE69118699T2 - Gerät und verfahren zum induktionshärten von maschinenbestandteilen mit genauer ausgangsleistungsregelung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft im großen und ganzen die Technik der Induktionserhitzung und insbesondere die Verwendung von Induktionserhitzungsvorrichtungen zum Einsatzhärten von Maschinenbauteilen wie z.B. Zahnrädern.
• Maschinenbauteile wie z.B. Zahnräder, genutete Schaber und Kettenräder werden häufig hohen Drehmomenten, Reibungsverschleiß oder Stoßbelastungen unterworfen. Zahnräder dieser Art werden typischerweise bei Leistungsübertragungsantriebszügen verwendet. Ein Gerät und ein Verfahren zum Induktionshärten solcher Maschinenbauteile ist in US-A 4 845 328 von Storm und anderen offenbart.
• Das Patent von Storm und anderen und diese Anmeldung sind beide Eigentum desselben Rechtsnachfolgers, der Contour Hardening Inc. aus Indianapolis, Indiana.
• Wie es im Stand der Technik gut bekannt ist, enthält eine bekannte Vorrichtung zum Zahnhärten von Zahnrädern eine Zweifrequenzanordnung zum Induktionserhitzen, wobei ein niederfrequenter Strom zum Vorerhitzen des Zahnradzahns verwendet wird, und dann ein hochfrequenter (Radiofrequenz) Strom zum Enderhitzen vor dem Abschreckhärten des Zahnradzahns verwendet wird. Der Begriff des Zweifrequenz-Induktionshärtens ist in dem Artikel "Induction Gear Hardening by the Dual-Frequency Method" beschrieben, der im Heat Treating Magazine, Vol. 19, Nr. 6, erschienen ist, das im Juni 1987 veröffentlicht worden ist.
• Wie in dem Artikel erläutert ist, verwendet das Zweifrequenzerhitzen sowohl hoch- als auch niederfrequente Wärmequellen. Das Zahnrad wird zunächst mit einer relativ niedrigen Frequenzquelle (3 - 10 kHz) induktionserhitzt, die die Energie zur Verfügung stellt, die benötigt wird, um die Masse des Zahnradzahns vorzuheizen. Diesem Schritt folgt sofort Induktionserhitzen mit einer hochfrequenten Quelle, die typischerweise in Abhängigkeit von der Zahnradgröße und dem dimetralen Abstand des Zahnradzahns im Bereich von 100 bis 300 kHz liegt. Die hochfrequente Quelle wird schnell die gesamte Oberfläche der Zahnform auf eine Temperatur zum Einsatzhärten abschließend erhitzen. Die Zahnräder werden dann für eine gewünschte Härte abgeschreckt und vergütet.
• Induktionserhitzen ist der schnellste bekannte Weg, ein mit Eisen legiertes Zahnrad zu erhitzen. Bei einigen Anwendungen findet ein niederfrequenter Erhitzungsvorgang zur Vorerhitzung vor der abschließenden Erhitzung im Radiofrequenz (RF)-Bereich statt. Erhitzungszeiten für den hochfrequenten RF-Erhitzungsschritt liegen typischerweise im Bereich von 0,10 bis 2,0 Sekunden. Beim Induktionserhitzen wird das Zahnrad auf einer Spindel oder Schleuder montiert, während es innerhalb der Induktionserhitzungsspule angeordnet wird. Ein kurzer Leistungspuls wird an die Induktionserhitzungsspule angelegt, die eine bestmögliche Endhitze des Zahnradzahns erreicht. Danach wird das Teil manuell oder automatisch in eine Abschreckvorrichtung auf Wasserbasis befördert. Weil Induktionshärten nur die notwendige Wärmemenge in das Teil induziert, werden Anforderungen an die Einsatztiefe und Verzerrungsvorschriften mit hoher Genauigkeit getroffen.
• Beim Verfahren des Induktionshärtens, sei es ein Zwei- oder Einfrequenz-Verfahren, und unabhängig von der Art und dem Material des Teils bestimmen die Teileeigenschaften die optimale Ausführung von sowohl der Induktionserhitzungsspule oder -spulen als auch den am besten geeigneten Geräteeinstellungen. Insbesondere ist die Zeitdauer, während der das hochfrequente Leistungssignal der Induktionserhitzungsspule zugeführt wird, um die Endhitze zu erzeugen, ein äußerst kritischer Parameter. Die exakte Wärmemenge, die benötigt wird, das Zahnrad zu härten, ist direkt mit der genauen Zeitdauer korreliert, während der das Leistungssignal an der Induktionserhitzungsspule anliegt.
• Herkömmlicherweise gibt es in dem Stand der Technik zwei gut bekannte Systeme, um, wie oben beschrieben, Leistung an eine Induktionserhitzungsspule anzulegen. Das erste System nutzt, was in der Technik als ein "fester Zustand (solid state)" Erzeugungsverfahren bekannt ist, wobei Hochleistungsverstärker-Vorrichtungen, wie z.B. bipolare oder CMOS-Transistoren, bei dem Hochfrequenz RF-Generator verwendet werden, um ein hochfrequentes Oszillatorsignal an die Induktionserhitzungsspule anzulegen. Ein anderes Verfahren ist, eine Vakuumröhre als RF-Generator zu verwenden und thyristorartige Vorrichtungen auszunutzen, um Leistung für die hochfrequente Hochleistungsoszillatorschaltung der Vakuumröhre an- und auszuschalten. Der Ausgang von jeder Oszillatorschaltung ist an die Induktionserhitzungsspule mittels eines Transformators angekoppelt. Einige Fachleute auf dem Gebiet von Induktionserhitzungsspulengeräten, die zum Einsatzhärten metallischer Strukturen konstruiert sind, haben bis jetzt die feststehenden hochfrequenten RF-Generatoren wegen ihrer genauen Zeitregulierung von Leistung, die zu den Induktionserhitzungsspulen geliefert wird, bevorzugt. Ein RF-Generator für Vakuumröhren erhält typischerweise seine Eingangsleistung in Abhängigkeit der An/Aus-Schaltcharakteristiken von Thyristor-Vorrichtungen, wie z.B. siliciumgeregelten Gleichrichtern (SCR's), die ebenfalls bei ihrer JEDEC- Beschreibung als umgekehrt blockierende Trioden-Thyristoren bekannt sind. Die Abweichung des Leistungszulieferungszeitverhaltens, das durch den SCR erzeugt wird, ist charakteristisch bei dem Betrieb solcher Vorrichtungen. Genauer heißt das, daß der SCR solange fortfahren wird, Strom zu leiten, wie der Anode-Kathode-Anschluß einer positiven Spannung unterworfen ist, wenn ein SCR für eine Teilperiode eingeschaltet wird, auch wenn das an das Gitter angelegte An/Aus-Signal entfernt oder deaktiviert wird. Im schlimmsten Fall eines 60 Hz-Leistungssignals, das durch den SCR übertragen wird, führt das zu einem über 8 Millisekunden langen zusätzlichen Leistungssignal, das durch den SCR übertragen wird, weil die Hälfte einer 60-Hz-Schwingung 8,33 Millisekunden dauert.
• Man hat erkannt, daß der Vakuumröhren-RF-Generator von einigen Fachleuten auf dem Gebiet des Induktionshärtens wegen seiner charakteristischen Leistungszulieferkurve beim Zuführen von Leistung zu einer Induktionserhitzungsspule bevorzugt wird. Weil zusätzlich SCR's Vorrichtungen der Wahl für Schaltkreise zur wiederholten Schaltung hoher Leistung sind, besteht der Bedarf für eine Technik zur genauen Regelung von SCR's, um bestimmte Mengen an Leistung zu einem Hochleistungsvakuumröhren-RF-Generator zu liefern.
• Ein Beispiel für solch ein Gerät zum Induktionshärten ist in US-A-4 317 975 offenbart, die ein Gerät zum Induktionserhitzen offenbart, das eine gittergeregelte Schaltungsvorrichtung zur Bestimmung jedes Null-Durchgangs eines hochfrequenten Erregerstroms verwendet. Diese Null- Durchgangsdaten werden danach dazu verwendet, mehrere Triggersignale einer Konfiguration von SCR's zur Verfügung zu stellen, um dadurch ein Erhitzungssignal zu erzeugen.
• Ein Verfahren und Gerät zur genaueren Regelung des zeitlich abgestimmten Leistungsausgangs einer SCR-Leistungsversorgung wird zur genauen Regelung des Leistungssignals benötigt, das an Induktionserhitzungsspulen angelegt wird, die bei Geräten zum Einsatzhärten verwendet werden.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Gerät zum Induktionshärten zur Verfügung zu stellen.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur genaueren Regelung des Leistungssignals bereitzustellen, das an Induktionserhitzungsspulen eines Geräts zum Induktionshärten angeschlossen ist, um genau die Leistung, die zugeführt wird, und somit das Erhitzen eines Zahnrads während des Einsatzhärtens zu regeln.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Gerät zum Induktionshärten, wie in Anspruch 1 beansprucht, bereitgestellt. Gemäß dem anderen Aspekt dieser Erfindung ist ein Verfahren zur genauen Regelung des Erhitzens eines Zahnrads, wie in Anspruch 2 beansprucht, bereitgestellt.
• Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels offensichtlicher.
• Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm eines typischen Ausführungsbeispiels eines Geräts zum Induktionshärten gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Figur 2 zeigt ein Zeitschema an, das Änderungen bei dem aktiven oder "An"-Zustand eines SCR bezüglich verschiedener Eingangszustände zeigt, die an das Gitter des SCR angelegt sind.
• Figur 3 zeigt eine graphische Darstellung einer Abweichung bei Leistungsausgangssignalen, die durch die Leistung schaltende SCR-Schaltkreise der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, im Vergleich mit Geräten des Standes der Technik.
• Figur 4 zeigt ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Systems zum Induktionshärten gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Zum Zweck der Verbesserung des Verständnisses der Prinzipien der Erfindung wird jetzt auf das Ausführungsbeispiel Bezug genommen, das in den Zeichnungen dargestellt ist und spezifische Sprache wird dazu verwendet, dasselbe zu beschreiben. Nichtsdestoweniger wird man verstehen, daß damit keine Beschränkung des Schutzbereiches der Erfindung beabsichtigt ist, und daß solche Alternativen und weitere Modifikationen bei dem dargestellten Gerät und solche weiteren Anwendungen der Prinzipien der Erfindung, wie darin dargestellt, so betrachtet werden, als würden sie einem Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, als normal erscheinen.
• In Figur 1 wird jetzt ein System 10 zum Induktionshärten gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Schalter SW1 stellt dem Systemprozessor 12 ein Aktivierungssignal zum Einleiten oder Beginnen des Einsatzhärtens eines Zahnrads zur Verfügung. Der Systemprozessor 12 wird durch den Benutzer mit den Zeitparametern zur Regelung des Leistungssignais programmiert, das an die Induktionserhitzungsspule angelegt wird. Der Prozessor 12 liefert ein An/Aus-Leistungsschaltungssignal an den SCR-Schaltkreis 14 zur Leistungsschaltung. Der Systemprozessor 12 empfängt ein den Nulldurchgang angebendes Eingangssignal von dem Nulldurchgangsdetektor 16. Eine Phase Φ&sub1; aus der 3Φ Hochspannungsleistungsquelle 18 wird an einen Eingang des Nulldurchgangsdetektors 16 angelegt. Die 3Φ Hochspannungsleistungsquelle 18 liefert drei Phasen von Hochspannungsleistung an die SCR-Schaltkreise 14 zur Leistungsschaltung. Wenn die SCR-Schaltkreise 14 zur Leistungsschaltung aktiviert sind, liefert jeder Halbwellen- oder Vollwellen-AC- Leistungssignale an die Primärwicklungen des Aufwärtstransformators 22. Der Transformator 22 erhöht die AC-Leistungssignale Φ&sub1;, Φ&sub2; und Φ&sub3;, die typischerweise 480 Volt Drei- Phasensignale sind, auf ein Spannungsniveau, das ausreichend hoch ist, daß der Gleichrichter und Filter 24 ein 24 000 Volt DC-Signal an einem Ausgang erzeugt.
• Das 24 000 Volt DC-Signal an dem Ausgang des Gleichrichters und Filters 24 ist die Leistungsquelle für einen Vakuumröhrenhochenergie-RF-Oszillator 26. Der Ausgang des Hochenergie-Oszillators 26 ist an die Induktionserhitzungsspule 28 über Wicklungen 29 AC-gekoppelt. Die Induktionserhitzungsspule 28 liefert ein Erhitzungssignal zum Einsatzhärten an die Zahnradzähne von Zahnrad 30, wenn ein RF- Signal an ihrem Eingang anliegt.
• Die Bauteile 22, 24 und 26 des Systems 10 sind Teil des RF- Generators 20, der ein Hochfrequenz-Hochleistungs-RF- Generator ist. Der RF-Generator 20 ist ein System aus dem Regal, das von Pillar Industries, Inc., N92 W15800 Megal Drive, Menomonee Falls, Wisconsin 53051 geliefert wird. Der RF-Generator 20 wird mit "450/600 Kilowatt RF-Generator" bezeichnet.
• Die besondere Geometrie und physikalischen Eigenschaften des Zahnrads 30 bestimmen die genaue Zeitdauer, in der SCR Schaltkreis 14 zur Leistungsschaltung durch den Systemprozessor 12 angeschaltet ist, um ein geeignetes Ergebnis des Einsatzhärtens zu erzeugen. In einigen Fällen ist die Zeitdauer, in der die SCR-Schaltkreise 14 angeschaltet sind, bis zu einer Zeitperiode von 0,10s kurz, um das gewünschte Erhitzen und Einsatzhärten des Zahnrads 30 zu erreichen. Mit dieser Bedingung im Kopf ist es leicht zu verstehen, weshalb die Geräte des Standes der Technik, die keinen Nullpunktdurchgangsdetektor 16 enthielten, unfähig waren, die Menge an Leistungssignal oder die gesamte der Induktionserhitzungsspule 28 zugeführte Leistung genau einzustellen.
• Der Systemprozessor 12 der vorliegenden Erfindung umfaßt typischerweise einen Computer mit ausreichendem Speicher und Rechenleistung und eine Programmiereingabevorrichtung, wie z.B. eine CRT-Tastatur. Zusätzlich weist der Prozessor 12 eine Massenspeichervorrichtung wie z.B. ein Diskettenoder Harddisk-Laufwerk für die Verwendung beim Speichern und Wiederaufrufen von Regelprogrammen auf. Verfahrenstechnisch gesprochen programmiert ein Operator den Systemprozessor 12 über eine Tastatur auf eine bestimmte "Anzeit" oder "Heizzeit", die die genaue Zeit ist, während der die SCR-Schaltkreise 14 zur Leistungsschaltung eingeschaltet sein sollen, um eine feste Menge an hochfrequentem Leistungssignal zu der Induktionserhitzungsspule 28 zu liefern. In Reaktion auf die einprogrammierte "Anzeitinformation" wird der Systemprozessor 12 einen Ergänzungswert für die spezifische "Anzeit" berechnen, die der Abweichung von der "Anzeit" geteilt durch 8,33 Millisekunden (die Periode von einer 60 Hz-Welle) entspricht. Der Rest von dieser Berechnung wird von 8,33 Millisekunden abgezogen, um einen Zeitwert zu erzeugen, der die Verzögerungszeit ist, um die der Prozessor 12 nach der Detektion eines Null-Durchgangs des 60 Hz-Signals, das vor der Aktivierung des SCR-Schaltkreises 14 an den Eingang von Detektor 16 gesendet wird, verzögern soll, Leistung an den RF-Generator zu liefern. Die Berechnung der Zeitverzögerung wird so ausgeführt, daß das Ende der An- oder Induktionsdauer für die SCR-Geräte exakt auf oder kurz vor einem Nulldurchgang des Leistungssignals Φ&sub1; fällt, das an den Eingang des Null-Durchgangsdetektors 16 liegt. Daher werden die SCR's, die in dem leitenden Zustand solange bleiben, wie der Anode-Kathode-Anschluß in Vorwärtsrichtung gespannt ist, nicht für eine wesentliche Zeitdauer anbleiben, nachdem der Systemprozessor 12 die SCR Schaltkreise 14 durch Inaktivierung des Eingangs der Schaltkreise 14 signalisiert, auszuschalten.
• Es ist in der Technik gut bekannt, daß SCR-Schaltkreise 14 ein halbwelliges oder ganzwelliges 3Φ-Ausgangssignal an den Transformator 22 liefern können. Wenn das Signal eine halbwellige Natur aufweist, wird der oben beschriebene (8,33 Millisekunden) Faktor, durch den zu teilen ist, 16,67 ms, und der Rest wird von 16,67 ms abgezogen. Zusätzlich müssen Null-Durchgänge bei negativen Flanken detektiert werden, um die geeigneten Zeitreferenzpunkte zur Aktivierung eines halbwelligen Ausgangs eines SCR-Schaltkreises zu bestimmen. Daher wird die erwünschte "Anzeit" durch 16,67 geteilt und jeder Rest davon wird von 16,67 abgezogen. Das Ergebnis der Subtraktion ist die Verzögerungsdauer, die nach einem Nulldurchgang auf einer negativen Flanke des Leistungssignals vor der Aktivierung der SCR-Schaltkreise 14 für halbwellige Ausgänge daraus erforderlich ist. Obwohl die anderen Phasen (Φ&sub2; und Φ&sub3;) der SCR-Schaltkreise 14 "an" bleiben können, nachdem der Eingang der Schaltkreise 14 inaktiviert ist, erzeugt die obige Technik einen genauen und wiederholbaren Leistungsausgang aus den SCR-Schaltkreisen 14.
• In Figur 2 wird jetzt ein Zeitschema gezeigt, das die Veränderungen im aktiven oder "An"-Zustand eines SCR bezüglich verschiedener Gittersignalzustände darstellt. Kurve 40 zeigt ein normales sinuswellenförmiges Leistungssignal, das das Φ&sub1;-Signal an dem Eingang von Detektor 16 darstellt. Kurve 40 zeigt ein 60 Hz-Signal, das über die Zeit aufgetragen ist. Die Kurven 42 und 46 stellen die Signale dar, die von dem Systemprozessor 12 erzeugt und den Gittereingang der SCR-Schaltkreise 14 zugeführt werden. Die Kurven 42 und 46 zeigen die "Anzeit", die erwünscht ist, um eine bestimmte Menge an Hitze in einem bestimmten Zahnrad 30 zu erzeugen, das induktionsgehärtet werden soll.
• Die Schaltkreise 14 werden aktiviert oder veranlaßt, ein Leistungssignal dem Generator 20 zu dem Zeitpunkt zu liefern, an dem der Aus-An-Übergang der Kurve 42 liegt. An dem Ende der "Anzeit" von Kurve 42 oder zu der Zeit TD wechselt das Signal von dem "An"-Zustand zu dem "Aus"- Zustand. Die genaue Einstellung des An-Aus-Übergangs geschieht nicht neben einem Nulldurchgang der Kurve 40. Weil das Aktivierungssignal, das durch die Kurve 42 dargestellt ist, bis nach dem Nulldurchgang zur Zeit TC nicht in den "Aus"-Zustand zurückkehrt, bleibt das Leistungssignal, das an dem RF-Generator 20 anliegt und durch Kurve 44 dargestellt ist, andauernd bis zur Zeit TE "an", was bis zu 8,33 ms nach dem An-Aus-Übergang von Kurve 42 ausmachen kann. Wenn daher das von Systemprozessor 12 erzeugte An-Signal zur Zeit TB beginnt und bis zur Zeit TD andauert, wird das gesamte Leistungssignal, das dem RF- Generator zugeführt wird, von Zeit TB bis zur Zeit TE in der Darstellung für eine gesamte Zeitdauer von T&sub2; andauern.
• Um die Leistung genau zu regeln, die der Induktionserhitzungsspule zugeführt wird, und daher eine genauere Regelung des Verfahrens zum Induktionshärten zu erreichen, berechnet das System gemäß der vorliegenden Erfindung eine Zeitverzögerung nach einem Nuildurchgang (jeder Nulldurchgang bei T&sub0;) zum Einschalten des SCR-Schaltkreises 14, so daß das SCR-Aktivierungssignal, das durch Kurve 46 dargestellt ist, von dem "An"-Zustand zu dem "Aus"-Zustand an oder gerade vor einem Nulidurchgang von Kurve 40 wechseln wird. Um z.B. das im Vergleich zu dem Eingangssignal für die Gitteranzeit, das durch Kurve 42 dargestellt ist und die SCR-Schaltkreise schaltet, zusätzliche "Anzeit" des Leistungssignals 44 auszuschließen, wird der Systemprozessor 12 eine Zeit T&sub3; berechnen, die der erwünschten "Anzeit" T&sub1; geteilt durch 8,33 Millisekunden entspricht, und den Rest von 8,33 Millisekunden abziehen, um die Zeit T&sub3; zu erzeugen. Dann verzögert der Systemprozessor die Aktivierung der SCR-Schaltkreise 14 um eine Zeitdauer T&sub3; nach einem Nulldurchgang, so daß die Aktivierungskurve 46, die mit der Kurve 42 in der "Anzeit"-Dauer genau übereinstimmt, von dem "An"- zu dem "Aus"-Zustand zum Zeitpunkt TC wechselt, der mit einem Nulldurchgang der Leistungssignalkurve 40 übereinstimmt.
• Weil die Kurve 46 an Zeitpunkt TC 50 dicht in Verbindung mit einem Nulldurchgang steht, wird eine genaue Menge an "Anzeit" der SCR-Schaltkreise 14 erreicht, und dadurch ein genaues Regeln mit einer bis jetzt noch nicht für SCR- Schaltkreise bekannten Präzision der Zeitmenge, in der dem RF-Generator 20 Leistung zugeführt wird. Bei dieser Vorgehensweise wird die Menge an Leistung, die zu der Induktionserhitzungsspule 28 geliefert wird, genau geregelt. Daher kann ein RF-Generator vom Röhrentyp, der von einigen Fachleuten gegenüber dem hochfrequenten RF-Generatoren des Halbleitertyps im festen Zustand bevorzugt, dazu verwendet werden, eine genaue Menge an Leistungssignal zu erzeugen und eine dementsprechend präzise Menge an Leistung der Induktionserhitzungsspule 28 zu liefern.
• Obwohl nur eine Phase Φ&sub1; der Leistungsquelle 18 in Figur 2 gezeigt ist, sollte es für einen Fachmann offensichtlich sein, daß in einem 3Φ-System alle drei Phasen um 120º gegeneinander verschoben sind. Daher wird eine feste Menge an zusätzlichem Leistungssignal durch die anderen Phasen (Φ&sub2; und Φ&sub3;) der Leistungsquelle 18 über die Zeit TC mit dem Aktivierungssignal geliefert, das durch Kurve 46 dargestellt ist. Nichts desto weniger wird die zusätzliche Leistung, die von den anderen zwei Phasen zugeführt wird, eine konstante Größe sein, weil das Inaktivierungssignal an einem bestimmten Zeitpunkt und einer bestimmten Phase bezüglich zu den anderen Leistungsphasen geschieht. Deshalb ist die Menge an Leistung, die dem Zahnrad 30 von dem System 10 zugeführt wird, durch Bestimmung einer festen Zeitreferenz (bezüglich einer Phase) zum An- und Ausschalten einer 3Φ-Leistungsquelle reproduzierbar.
• In Figur 3 wird jetzt eine Darstellung des Leistungsausgangs des RF-Generators 20 gezeigt. Der höchste Leistungsausgang des Generators 20, der durch Kurve 50 dargestellt ist, kann vertikal eingestellt werden, um einen höheren oder niedrigeren gesamten augenblicklichen Leistungsausgang zu erreichen. Die Abweichung in der "Anzeit", die durch die Zeiten T&sub1; und T&sub2; dargestellt ist und aufgrund der charakteristischen Funktionsweise von SCR-Schaltkreisen auftritt, wird unten in der Darstellung gezeigt. Wenn die SCR-Schaltkreise im Gegensatz zu T&sub1;, die die erwünschte "Anzeit" ist, fur eine Zeitdauer T&sub2; anbleibt, wird zusätzliche Leistung, die durch den schraffierten Abschnitt 52 unterhalb der Kurve 50 dargestellt ist, zusätzlich zu der tatsächlich erwünschten Leistung, die durch den unschraffierten Abschnitt unterhalb der Kurve 50 dargestellt ist und sich bis zu dem Ende von Zeit T&sub1; erstreckt, der Erhitzungsspule 28 zugeführt. Die der Induktionserhitzungsspule 28 zusätzlich zugeführte Leistungsmenge bewirkt eine übermäßige Erhitzung des Zahnrads 30.
• Wie man in der Darstellung von Figur 3 ersehen kann, bewirken zeitliche Unterschiede größere Abweichungen bei dem Verfahren zum Einsatzhärten, insbesondere dann, wenn die "Anzeit" T&sub1; ungefähr 0,10 Sekunden beträgt. Der maximale Unterschied zwischen den Zeiten T&sub2; und T&sub1; kann bis zu 8,33 ms betragen, und daher kann die Leistung, die durch Gebiet 52 dargestellt ist, bis zu 8 bis 10 % Unterschied an Leistung repräsentieren, die der Induktionserhitzungsspule 28 zugeführt wird, wenn ein 0,10 s langes Leistungssignal für die Erhitzungsspule 28 erwünscht ist. Eine andere erkannte Tatsache ist, daß, wenn das Zahnrad 30 erhitzt worden ist, die zusätzliche Erhitzungszeit, die durch das Gebiet 52 dargestellt ist, die Erhitzung des Zahnrads gefährlich erhöhen, weil die Wärmeübertragungseigenschaften des Zahnrads nicht linear sind und bewirken, daß Wärme tiefer in die Zahnradoberfläche übertragen wird, wenn das Zahnrad erst einmal um seinen Umfang herum erhitzt worden ist. Daher ist es äußerst wünschenswert, die Leistung, die der Induktionserhitzungsspule 28 zugeführt wird, über die oben gezeigte und beschriebene Technik zu regeln.
• In Figur 4 wird jetzt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Systems 110 zum Induktionshärten gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Schalter SW2 sorgt für ein Reset/Start-Signal für den Einzelpuls-Zeitmesser-Schaltkreis 116. Die AC-Leistungsquelle 118 liefert ein AC-Signal zu dem Phasenwinkeldetektor 112 und den Leistungsschaltvorrichtungen 114. Der Phasenwinkeldetektor 112 liefert eine Reihe von Pulsen an den Eingang des Einzelpuls-Zeitmesser- Schaltkreises 116. Jeder Puls von Detektor 112 stimmt mit der Ermittlung eines bestimmten Phasenwinkels des AC- Leistungssignals aus der Leistungsquelle 118 überein. Nach Empfang eines Reset/Start-Signals von Schalter 5W2 wird der Einzelpuls-Zeitmesser-Schaltkreis 116 durch den nächsten Puls von Detektor 112 getriggert oder aktiviert, um einen Puls oder ein Signal einer bestimmten Länge zu erzeugen. Der Puls bestimmter Länge gibt die Leistungsschaltungsvorrichtungen 114 frei. Daher wird das Einleiten des Erhitzungszykluses als Reaktion auf das Schließen des Schalters SW2 verzögert, bis ein bestimmter Phasenwinkel durch den Phasenwinkeldetektor 112 detektiert wird. Der Phasenwinkeldetektor 112 sorgt für eine Phasendetektorvorrichtung zur Detektion eines bestimmten Phasenwinkels in dem Leistungssignal aus der AC-Leistungsquelle 118.
• Wie in dem vorherigen Ausführungsbeispiel empfängt der RF- Generator 120 ein Leistungssignal von den Leistungsschaltungsvorrichtungen 114 und liefert als Reaktion darauf ein hochfrequentes, Hochleistungssignal zu der Induktionserhitzungsspule 128 über die Wicklungen 129. Die Wicklungen 129 sorgen für eine Impedanzanpassung zwischen dem Ausgang des RF-Generators 120 und der Induktionserhitzungsspule 128. Einphasige und mehrphasige Leistungsversorgungen werden ins Auge gefaßt.
• Der Phasenwinkeldetektor 112 ist mit einem Triac-Phasenwinkelregler der Artikel-Nr. TDA1185A ausgestattet, das von Motorola Incorporated in Phoenix, Arizona hergestellt wird. Das TDA1185A-Gerät ist programmierbar, um ein Ausgangssignal in Übereinstimmung mit der Detektion eines bestimmten Phasenwinkels des AC-Signals zu erzeugen. Der bestimmte Phasenwinkel ist mit den TDA1185A-Gerät in Übereinstimmung mit einer extern gesetzten Spannung veränderlich, die die erwünschte Durchlaßzeit repräsentiert. (Siehe die obige Diskussion der Regelsignale.) Weil das TDA1185A-Gerät nur Startwinkel auf der positiven Hälfte des AC-Signals detektiert, könnte, sollte ein Startwinkel auf der negativen Hälfte des AC-Signals erwünscht sein, ein invertierender Operationsverstärker zwischen die AC-Leistungsquelle und den Phasenwinkeldetektor 112 eingesetzt werden, um das AC-Signal zu invertieren und somit dem Phasenwinkeldetektor 112 ein Eingangssignal derart zur Verfügung zu stellen, daß die Aktivierung bei der negativen Hälfte des AC-Signals geschehen kann.
• Der Einzelpuls-Zeitmesser-Schaltkreis 116 ist mit einem triggerbaren, monostabilen mehrfach zerhackenden integrierten Schaltkreis mit der Bezeichnungs-Nr. 74LS123 ausgestattet, der von Texas Instruments hergestellt wird. Der 74LS123 ist ein in der ansteigenden Flanke getriggertes Gerät, und daher können die Pulse, die von dem Phasenwinkeldetektor 112 erzeugt werden, dazu verwendet werden, die Erzeugung eines Ausgangspulses aus dem Zeitmesser- Schaltkreis 116 zu triggern. Das durch den Schalter SW2 erzeugte Signal liefert dem Zeitmesser-Schaltkreis 116 ein Signal zum Weitertriggern, Ingangsetzen oder Wiederaufnehmen. Weil der 74LS123 konfiguriert werden kann, einen Ausgangspuls von weniger als 1 Millisekunde bis zu einer sehr langen Zeitdauer, wie z.B. Stunden, zu erzeugen, liefert die Kombination des Phasenwinkeldetektors 112 und des Zeitmesser-Schaltkreises 116 eine unbegrenzt veränderliche Regelung der Zeitgeberfunktionen, die notwendig sind, Leistungsschaltvorrichtungen 114 in Übereinstimmung mit den vorher beschriebenen Bedingungen zu aktivieren, die eine Zulieferung eines Leistungssignals bestimmter Dauer an den RF-Generator 120 erfordern.
• Optionale Regelsignale, die durch die gestrichelten Linien 132 und 134 dargestellt sind, sorgen für eine Phasenwinkelauswahl und Pulsbreite bei den Längensignalen für den Detektor 112 bzw. Schaltkreis 116. Genauer heißt das, daß das Phasenwinkelregelsignal, das auf dem Signalweg 134 gesendet wird und an einen Eingang des Detektors 112 angelegt wird, dem Detektor 112 Informationen zur Phasenwinkelselektion zur Verfügung stellt. Als Reaktion auf das Signal auf dem Signalweg 134 erzeugt der Detektor 112 in zeitlicher Übereinstimmung mit dem Auftreten des erwünschten Phasenwinkels, der durch das Signal auf dem Signalweg 134 festgestellt wurde, einen Ausgangspuls. Auf ähnliche Weise regelt das Längenregelsignal, das auf den Signalweg 132 gesendet wird, die Zeitdauer des Pulses, der von Schaltkreis 116 erzeugt wird. Das Signal auf dem Signalweg 132 wird typischerweise über eine Kombination aus Potentiometer und Kapazität zur Verfügung gestellt, die ein in solchen Schaltkreisen gut bekanntes abfallendes Signal festlegt.
• Das Gerät 110 von Figur 4 enthält verschiedene Bauteile, die mit Bauteilen des Gerätes 10 von Figur 1 übereinstimmen. Insbesondere stimmt die AC-Leistungsquelle 118 mit der Dreiphasen-Hochspannungs-Leistungsquelle 18, stimmen die Leistungsschaltvorrichtungen 114 mit den Leistungsschalt-SCR-Schaltkreisen 14, stimmt der RF-Generator 120 mit dem RF-Generator 20, stimmt die Induktionserhitzungsspule 128 mit der Induktionserhitzungsspule 28 und stimmt Zahnrad 130 mit Zahnrad 30 überein. Triacs- oder siliciumgeregelte Gleichrichter (SCR's) werden als Leistungsschaltvorrichtungen bei Block 114 ins Auge gefaßt.
• Verfahrenstechnisch gesprochen stimmen die Pulse, die am Ausgang des Phasenwinkeldetektors 112 erzeugt werden, zeitlich mit einem bestimmten Phasenwinkel des AC-Signals überein, das mit der Zeitlinie TB in Figur 2 bezeichnet ist. Ebenso stimmt der Ausgangspuls, der von Zeitmesser- Schaltkreis 116 erzeugt wird, mit der Zeit T&sub2; überein. Somit werden die Schwierigkeiten der Erregung einer AC- Leistungsquelle mit genauer Zeitgebung und Leistungsausgangskontrolle durch das Ausführungsbeispiel von Figur 1 überwunden, wobei eine Zeitverzögerung nach einem Nulldurchgang verwendet wird, um eine Anschaltzeit des Leistungssignals festzulegen, oder wobei wie in dem Ausführungsbeispiel von Figur 4 ein bestimmter Phasenwinkel detektiert wird, um den Zeitpunkt festzulegen, an dem ein Aktivierungssignal zur Aktivierung der Leistungsschalt- Vorrichtungen erwünscht ist. Bei beiden Ausführungsbeispielen der Erfindung wird ein bestimmter zeitlicher Referenzpunkt bezüglich des AC-Leistungssignals vor der Aktivierung der Leistungsschaltvorrichtungen lokalisiert oder bestimmt, um ein Aktivierungssignal zu erzeugen, das bevor oder gleichzeitig mit einem nachfolgenden Null- Durchgang des Leistungssignals untergehen wird, so daß die Leistungsschaltvorrichtungen zu einer genauen bestimmten Zeit ausgeschaltet werden, typischerweise bei einem Null- Durchgang, wie es bei den meisten Thyristoren der Fall ist.
• Andererseits ist es ebenfalls erwägt worden, daß der Phasenwinkeldetektor 112 und der Zeitmesser-Schaltkreis 116 Abschnitte eines Reglers auf Mikrocomputerbasis (nicht gezeigt) sind, wobei ein A/D-Konverter (nicht gezeigt) verwendet wird, um die Amplitude (die mit dem Phasenwinkel übereinstimmt) des Signals aus Quelle 118 zu beobachten. Ferner ermöglicht vom Benutzer veränderbare Software die Kontrolle der erwünschten detektierten Phasenwinkel und der Dauer des Kontrollpulses, der zu den Leistungsschaltvorrichtungen 114 geliefert wird.

Claims (3)

1. Gerät (10) zum Induktionshärten für das Formhärten eines Zahnrades (30) aufweisend:

eine AC-Leistungsquelle (18) zur Erzeugung eines AC-Leistungssignals;

einen Nullpunkt-Durchgangsdetektor (16), der an die AC-Leistungsquelle (18) zur Bestimmung von Nullpunkt-Durchgängen des AC- Leistungssignals und zur Erzeugung eines damit übereinstimmenden Nullpunkt-Durchgangssignals;

einen Hochfrequenzgenerator (20) mit einem Leistungseingang und einem Ausgang zur Erzeugung eines hochfrequenten Hochleistungssignals in Reaktion auf ein an dem Leistungseingang anliegendes Signal;

eine Hochfrequenzinduktionserhitzungsspule (28), die so bemessen ist, daß sie das Zahnrad (30) aufnimmt, und an den Ausgang des Generators (20) angeschlossen ist, wobei die Spule (28) ein hochfrequentes elektrisches Signal durch das Zahnrad (30) erzeugt;

eine Thyristor-Leistungschaltvorrichtung (14) mit einem Aktivierungseingang, einem Leistungseingang, der an die AC-Leistungsquelle (18) angeschlossen ist, und einem Leistungsausgang, wobei die Leistungsschaltvorrichtung (14) ein AC-Leistungssignal dem Leistungseingang des Hochfrequenzgenerators (20) als Reaktion auf ein Signal, das dem Aktivierungseingang zugeführt wird, zuführt;

gekennzeichnet durch

eine Prozessorvorrichtung (12), die an den Nullpunkt-Durchgangsdetektor (16) und den Aktivierungseingang der Thyristor- Leistungsschaltvorrichtung (14) angeschlossen ist, zur Berechnung von Aktivierungszeiten und zur Zuführung eines entsprechenden Aktivierungssignals zu dem Aktivierungseingang, wobei die Prozessorvorrichtung (12) aufweist:

1) eine Vorrichtung zur Eingabe einer gewünschten Aktivierungszeit;

2) eine Vorrichtung zur Berechnung einer Verzögerungszeit, so daß die Summe der Aktivierungszeit und der Verzögerungszeit einem kleinsten ganzzahligem Vielfachen der Periode des AC-Leistungssignals entspricht; und

3) Eingabemittel zum Empfangen eines manuellen vom Benutzer zugeführten Eingangssignals für einen Zyklusstart;

wobei der Prozessor (12) als Reaktion auf ein Eingangssignal für einen Zyklusstart ein Nullpunkt-Durchgangssignal bestimmt und für eine Zeitperiode, die gleich der Verzögerungszeit ist, verzögert, bevor er ein Aktivierungssignal dem Aktivierungseingang zuführt, so daß das Aktivierungssignal im wesentlichen gleichzeitig mit einem nachfolgenden Nullpunkt-Durchgang des AC-Leistungssignals ausgelöscht wird.

2. Verfahren zur genauen Regelung der Erhitzung eines Zahnrads (30) durch ein Gerät (10) zum Induktionshärten, wobei das Gerät (10) zum Induktionshärten eine AC-Leistungsquelle (18), eine Thyristor-Leistungsschaltvorrichtung (14) mit einemaktivierungseingang zur Erzeugung eines Leistungssignals als Reaktion auf ein an dem Aktivierungseingang erscheinendes Signal, einen RF- Generator (20), der für das Leistungssignal empfänglich ist, um ein hochfrequentes Hochleistungssignal zu erzeugen, und eine Induktionserhitzungsspule (28) aufweist, die an den RF-Generator (20) angeschlossen ist und ein elektrisches Signal in dem Zahnrad (30) als Reaktion auf das hochfrequente Hochleistungssignal erzeugt, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

Bestimmen einer gewünschten Aktivierungszeit für die Zuführung von Leistung zu der Induktionserhitzungsspule (28) in Abhängigkeit von der Geometrie des Zahnrades (30);

Teilen der erwünschten Aktivierungszeit durch die Hälfte der Periode des AC-Leistungszuführsignals, um eine Restmenge zu erzeugen;

Abziehen der Restmenge von einer Hälfte der Periode des AC- Leistungszuführsignals, um eine Verzögerungszeit zu erzeugen; Bestimmen eines Nullpunkt-Durchgangs des AC-Leistungszuführsignals; und

Zuführen eines Aktivierungssignals zu dem Aktivierungseingang der Thyristor-Leistungsschaltvorrichtung (14) für eine Zeitdauer, die mit der Aktivierungszeit übereinstimmt, nachdem eine Zeit verstrichen ist, die gleich der Verzögerungszeit ist.