DE6949043U - Regelvorrichtung fuer eine haerteanlage. - Google Patents

Description

Dipl.-lng. H. Sauenland · Dr.-Ing. Π. Konig Patentanwälte ■ λόγο Düsseldorf · Cecilienalloe 76 ■ Telefon 43373a

G 69 49 043.3 29. September 1970

============ Be/Sch/25 450

Firma Paul Ferd. Peddinghaus, 58"0 Gevelsberg i.Westf.

"Regelvorrichtung für eine Härteanlage"

Di :- „.rfindung betrifft eine Regelvorrichtung für eine Härteanlage, insbesondere zum Flamm- oder Induktions-Oberflächenhärten, wobei das Werkstück an einem Härtebrenner, Induktor od.dgl. Wärmequelle und/oder die Wärmequelle an dem Werkstück \orbe .!bewegt wird und die Werkstücktemperatur in der Härtezone durch Veränderung der Relativgeschwindigkeit zv/ischen der Wärmequelle unc. dem Werkstück oder durch die zugefLlhrte Wärmemenge geregelt wird.

Die Qualität einer Härtung ist davon abhängig, wie genau -¹Ie -f-'vteter eratur während d: s H~rtevorgangs eingehalten >;;rd. Bei vielen Werkstoffen weichen die Temperaturen, bei ~:-r. .-n as "'«'erkstück bereits Ausschuß ϊεΐ, oft nur um wenige Irad von der Sol-L-rärtetemperatur ab, deshalb hängt die Verwendbarkeit von Regele \nriehtungei. der eingangs genanncen Ar^" im ¹^':-s entliehe η von der Trägh^'t oder Verzögerung

, eit der Abweichungen ν-a der S. !-Härtetemperatur aus— geregelt werden.

Eei ":e. imiter. Regelvcrrichtimgen wird die Werkstücktemperatur üblicherweise berührungslos mit Hilfe von geeigneten Pyrometern oder mit Thermoelementen gemessen, Dabei ist die Au gangsspannung derartiger Meßinstrumente als Gleichspannur so klein, daß sie keinesfalls unmittelbar als Steuerspannung an den die Relativbewegung zwischen Wärmequelle und Werkstück hervorrufenden Antrieb oder an

das zu der Mengenregelung gehörige Ventil angelegt werden kann. Die bekannten Regelvorrichtungen sehen deshalb einen Servomotor vor, an den die Ausgangsspannung der Meßinstrumente angelegt wird, und der dann den die Relativbewegung hervorrufenden Antrieb bzw. das der Mengenregelung zugeordnete Ventil steuert. Das geschieht bei Regelung der Relativbewegung z.B. mit Plus-Minus-Kontakten über ein mechanisches Regelgetriebe oder mit Plus-Minus-Kontakten über einen sogenannten Leonard-Satz, wobei wahlweise zusätzlich noch ein Ringkern-Drehtransformator zwischengeschaltet ist« Außerdem kann dies bei Verwendung eines Gleichstromantriebes mit Hilfe eines Potentiometers über einen Gleichrichter, wie z.B. ein Thyratron oder Thyratron-Transistor oder über einen Transduktor geschehen. In jedem Fall ist dabei der Servomotor mit seiner Mechanik und Massenträgheit der wesentliche Grund für die Trägheit oder Verzögerung der bekannten Regeleinrichtungen und deren schlechte Eignung für die Härtung beispielsweise hoch legierter Stähle.

Aufgabe der Erfindung ist daher, eine besonders trägheitsarme Regelvorrichtung zu schaffen, die auch den an die Härtetemperatur hoch legierter Stähle gestellten Anforderungen gerecht wird.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Regeleinrichtung ein an sich bekanntes optisches Temperaturmeßgerät zur Messung der Werkstücktemperatur in der Härtezone aufweist, dessen Ausgangsspannung in einer Vergleichsschaltung mit einem Spannungs-Soll-Wertgeber als Steuerspannung an dem die Relativbewegung bewirkenden Antrieb oder an dem der Mengenregelung zugeordneten Ventil liegt. Die Verstärkerschaltung wird dabei durch einen die Ausgangsgleichspannung des optischen Temperaturmeßgeräts in Wechselspannung wandelnden Umformer, einen Verstärker für die vom Umformer abgegebene Wechselspannung und einen Gleichrichter für die verstärkte Wechselspannung gebildet.

Der Umformer, der Verstärker sowie der Gleichrichter sind also zwischen den Antrieb bzw. das Ventil, das bei elektrischer Energie-Zuleitung zur Wärmequelle entsprechend als einstellbarer Widerstand, Drossel od.dgl. Einrichtung ausgebildet ist, und das Temperaturmeßgerät geschaltet.

Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung besteht somit aus einem elektrischen Regelkreis, in dem die hohe Anzeigeoder Meßgeschwindigkeit des verzögerungsfrei arbeitenden Temperaturmeßgeräts voll ausgenutzt wird, wobei in weiterer Ausbildung der Erfindung als Umformrr ein Zerhacker, als Verstärker ein PI-Regler und als Gleichrichter Thyristoren verwendet werden. Der PI-Regler bildet dabei vorteilhaft zugleich die Vergleichsschaltung mit einem Spannungs-Soll-Wertgeber bzw. gibt in einer Vergleichsschaltung mit dem Spannungs-Sollwertgeber die Differenzspannung zwischen der Meß- oder Ausgangsspannung des Temperaturmeßgerätes und der der Soll-Härtetemperatur entsprechenden Spannung ab.

Mit dem PI-Regler und den Thyristoren arbeitet die erfindungsgemäße Regeleinrichtung praktisch trägheitslos, so daß dis Relativbewegung zwischen der Wärmequelle und dem Werkstück oder die zugeführte Wärmeenergie auch bei schnell ablaufenden Erwärmungsvorgangen unmittelbar einer Temperaturänderung an der Werkstückoberfläche bzw. in der Härtezone des Werkstückes folgt.

Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung steuert entweder einen Gleichstrommotor oder die Erregung eines Frequenzumformers für die induktive Erwärmung des Werkstückes.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen die Relativgeschwindigkeit zwischen

69AS043M5

Werkstück und Wärmequelle hervorrufenden Antrieb im Ausschnitt;

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Regelvorrichtung für den Antrieb nach Fig. 1 in schematischer Darstellung.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Werkstück bezeichnet, dessen Oberfläche flammgehärtet wird. Dazu werden ein Härtebrenner 3» der die Oberfläche in einer Zone 2 auf die Härtetemperatur erwärmt, und eine Abschreckbrause 4, die die erwärmte Zone 2 mit Wasser abschreckt, über die Oberfläche des Werkstük- kes 1 bewegt.

Der Härtebrenner 3 und die Abschreckbrause 4 sind in einem Wagen 5 angeordnet, der zwischen Schienen 6 parallel zur Oberfläche des Werkstücks 1 verfahrbar ist. Dem Härtebrenner 3 wird die zum Erwärmen der Zone 2 erforderliche Energie bzw, der insbesondere gasförmige Brennstoff über eine Schlauchleitung 7 zugeführt, während die Abschreckbrause 4 das Wasser über eine Schlauchleitung 8 »rhält. Die Schlauchleitungen 7 und 8 gehen dabei von entsprechenden, nicht dargestellten Vorratsbehältern aus, und zwar über nicht dargestellte Ventile oder Schieber zur Regelung der jeweiligen Durchflußmenge.

Als Bewegungsantrieb für den Wagen 5 dient eine parallel zu den Schienen 6 verlaufende Antriebsspindel 9, vorzugsweise eine Kugelgewindespindel, die mit einer entsprechenden Gewindebohrung oder sogenannten Schloßmutter in dem Wagen 5 zusammenwirkt. Die Antriebsspindel 9 ist am unteren Ende 10 und am oberen Ende 11 der Schiene 6 jeweils in Wälzlagern 12 gelagert und am oberen Ende über eine Kupplung 13 mit einem Gleichstrommotor 14 verbunden.

Während des Betriebs wird die Vorschubgeschwindigkeit des Wagens 5, die für die Qualität der Härtung entscheidend

ist, über den Gleichstrommotor 14 geregelt. Dazu ist an
dem Wagen 5 ein optisches Teeperaturmeßgerät 15 befestigt, das fortlaufend die Temperatur an der Oberfläche des Werkstückes 1 zwischen der von den Flamen und der von dem
Wasser beaufschlagten Zone mißt und ein entsprechendes
Gleichstromsignal abgibt, das der Steuerung des Gleichstrommotors 14 dient.

Als Temperatunneßgerät 15 wird vorzugsweise ein bekanntes
Teilstrahlungs-Pyrometer verwendet, das die gemessene
Strahlungsenergie mit Hilfe einer Fotozelle trägheitslos
in meßbare, elektrische Energie umwandelt. Bei einem Heßbereich von z.B. 500 bis 1000°C können mit dem Meßgerät 15 Brwärmungsgeschwindigkeit°n von mehr als 1000°C/sec erfaßt werden. Las Gerät arbeitet mit normalem Wechselstrom,
220 Volt, 50 Hertz, und hat eine Ausgangsspannung von z.B. 0 bis 10 Volt Gleichstrom bei einer Stromstärke von 0 bis
25 Milliampere.

Zu dem Temperaturmeßgerät 15 gehören nach Fig. 2 zusätzlich ein Anzeigegerät 16, mit dem die Ausgangsspannung gemessen und bei entsprechender Eichung der Anzeigeskala die zugehörige Temperatur angezeigt wird, sowie drei Signallampen 17, 18 und 19. Das Anzeigegerät 16 wirkt dabei mit den Signallampen 17, 18 und 19 derart zusammen, daß die Signallampe 17 rot aufleuchtet, wenn sich der Zeiger des Anzeigegerätes 16 über eine einen Meßbereich nach oben hin begrenzende, einstellbare Kontaktmarke bewegt, daß die Signallampe 19 grün aufleuchtet, wenn sich der Zeiger über eine den Meßbereich nach unten hin begrenzende, einstellbare Kon—
taktmarke beweg+., und die Signallampe 18 gelb aufleuchtet, wenn sich der Zeiger zwischen den beiden Kontaktmarken befindet. Die Signallampen 17, 18 und 19 dienen der optischen Kontrolle, inwieweit die Solltemperatur während der
Bewegung des Wagens 5 eingehalten wird.

Das Temperaturmeßgerät 15 ist weiterhin mit einem nicht dargestellten, sogenannten Minus-Kontakt ausgestattet. Dieser Minuskontakt ist eine Kontaktmarke für den Zeiger des Anzeigegerätes 16, die unter der Zeigerstellung für die Soll-Temperatur liegt, und bei Einschaltung automatisch die Regelung der Vor;3Chubgeschwindigkeit des Wagens 5 und den Antrieb für den Wagen 5 einschaltet bz./₀ den Regelkreis für den Gleichstrommotor 1A schließt.

Die Gleichspannung des von dem Meßgerät 15 abgegebenen Gleichstroms wird in einem Zerhacker 20 ir. ο ine Wechselspannung umgewandelt. Dem Zerhacker 20 ist ein Proportic— nal-Integral-Regler 30 nachgeschaltet, der d^ese Wechselspannung mit steigender Temperatur integral verstärkt. Der PI-Regler 30 ist mit einem Soll-Wertgeber 31 verbünde.:, der als Potentiometer ausgebildet ist und mit einer de: Soll-Temperatur entsprechenden Spannung an den Pi-Regie:- 30 angeschlossen ist. Die Differenzspann¹ mg zwischen der verstärkten Spannung des Meß- oder Wuchselstromes und der Spannung des Soll-Wertgebers wird dann in einer nr.chgeschalteten Tbyristorregelung 32, die als gesteuertes Halbleiterventil wirkt, wieder in eine Gleichspannung umgewandelt und direkt an die Rotorwicklung des Gleichstrommotors 14 gelegt.

Da der PI-Regler 30, der volltransistorisiert ist und damit kontaktlos arbeitet, wie auch der Thyristor 32 praktisch trägheitslos arbeitet, geht die Meß spannut des Meßgeräts 15 ohne Verzögerung und verstärkt als Steuerspannung in den Gleichstrommotor 14 ein. Damit v/ird die hohe Anzeigegeschwindigkeit des optischen Meßgerätes vorteilhafterweise voll zur Regelung der Vorschubgeschwindigkeit des Wagens 5 genutzt und die Abweichungen der Temperatur des Werkstückes 1 in der Zone 2 von der Soll-Temperatur auf höchstens 4 bis 5⁰C eingeschränkt.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel steht an Stelle des Gleichstrommotors 14 ein Frequenzumformer für die induktive Erwärmung des Werkstückes. Die Erregung und somit die abgegebene Leistung des Umformers wird hierbei ebenfalls kontaktlos durch die vorgenannte Regelung beeinflußt.

Claims (4)

Dipl.-lng. H. Sauarland · Dr.-lng. R. König J Di '..-Ing, Bergen Patentanwälte - 4ooo Düsseldorf · L. cilienallee 76 · Telefon -53 27 G 69 49 043.3 23. Dezember 1970 ============= Be/Kae/J/25 450 Firma Paul Ferd. Peddinghaus, 5820 Gevelsberg i.Westf. Schutzanspri ehe;

1. Vorrichtung zum Härten, insbesondere zum Flamm- oder Indi.ktions-Oberxlächenhärten, wobei das Werkstück an einem Härtebrerrer, Induktor od.dgl. Wärmequelle und/oder die Wärmequelle an dem Werkstück vorbeibewegt unrl der Bewegung s antrieb oder die Wärmezufuhr nach der Werkstücktemperatur in der "⁷äi ezone geregelt wird, dadurch g e k e η η ζ e i ζ Ii η et, daß die _ugehörige Regelvorrichtung aus eine ^ optischen Elektr ο tempera tunneßgerät (15) als Ist-Wertgeber, einem ?;i sich gekannten SoIl-V.⁷2rtgeh3r (31), einer als Vergleichsschaltung ausgebil-■■: eten Regler und einerr separaten Verstärker für die Regelgröße ^eteht.

Vorr:_oht'-.ng ~iacl_ Anspruch 1 dadurch ge -· '': -. r η ζ e i ο h η e t , c iß car Verstärker aus a .!"ie· Zerhacker (20), eii_era PI-Re ^ler (30' jnd einem 1Ir -^isüor (32) besteht»

3« Vor ^i oh ti. 2 ^ '.nspruc'"-. 1 ode.. 2, "■ a d u ^ c ..a g ^k e η η ζ - i c h η e t , da,, der Bewe ..mgsantri^b als Gleichstrommotor (14) ausgebildet i="

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ihre Verwendung als Leistungsregler an Frequenzumformern.