JP5299718B2 - 高周波焼入れ管理システム - Google Patents
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Description
また、上記目的を達成するために、本発明は、高周波インバータにコンデンサを介在して電流変成器の一次コイルが接続され、かつ電流変成器の二次コイルに加熱コイルが接続されて構成された高周波焼入れ装置に接続され、加熱コイル近傍に配置されているワークの焼入れを管理する高周波焼入れ管理システムであって、高周波焼入れ装置に関する設定条件データの出力により高周波焼入れ装置を制御する焼入れ制御部と、高周波インバータとコンデンサとの配線に電気的に接続した電流センサにより高周波インバータから流れる出力電流を計測し、かつ、加熱コイルに並列に接続された電圧センサにより加熱コイルに生じる電圧を計測することにより、焼入れ状態を監視する焼入れ監視部と、高周波焼入れ装置が焼入れ制御部から出力された設定条件データに基いてワークを焼入れした際の高周波焼入れ装置における各種センサのデータを収集すると共に、計測した出力電流、電圧の何れか一方又は双方を焼入れ監視部から測定データとして収集して、収集した各種センサのデータと測定データとを関連付けて保存するデータ収集部と、を備える。
上記構成において、焼入れ監視部が、高周波インバータの出力電流から実効値を算出し、加熱コイルに生じる電圧から実効値を算出して、算出した各実効値から負荷インピーダンスを算出するようにしてもよい。
上記構成において、焼入れ監視部と焼入れ制御部とが互いに通信手段を経由して接続されていることが好ましい。
上記構成において、データ収集部が、焼入れ監視部及び/又は焼入れ制御部と通信手段を経由して接続されていることが好ましい。
3A,3B,3C:高周波焼入れシステム
10,10A,10B:高周波焼入れ装置
11:高周波インバータ
11a:センサ
12:整合用のコンデンサ
13,13A,13B:電流変成器
13a:一次電流側コイル
13b:二次電流側コイル
14,14A,14B,61:加熱コイル
15,15A,15B:ワーク(被加熱材)
16,16a,16b:切換機
20:焼入れ監視部
21:電流センサ
22,22A,22B:電圧センサ
22a,22b,22c,22d:電圧センサの端部
23:制御部
23a:電流検出部
23b:電圧検出部
23c:信号処理部
23d:判定部
23e:表示部
24:警告部
30:電圧測定回路
31:第1の演算増幅器
32:第2の演算増幅器
33:フィルター回路
34:入力抵抗
35:第1のダイオード
36:第2のダイオード
37,38,39,40,41:抵抗
42:コンデンサ
50:ワーク
51:棒状基部
52:張出し部
53:上面
61a:半円周部
61b:直線部
70:焼入れ制御部
71:入力部
72:記憶部
73:出力部
74:入出力制御部
80:データ収集部
90:データ編集部
100:第1の冷却系
101:冷却液用タンク
102,115:流量センサ
103,114:ポンプ
110:第2の冷却系
111:ジャケット
112:回収部
113:タンク
113a:加熱部
116:温度センサ
117:測定部
〔第1の実施形態〕
図1は本発明の第1実施形態に係る高周波焼入れ管理システムの構成図であり、図2は図1に示す高周波焼入れ管理システムにおける高周波焼入れ装置の一部を模式的に示す図であり、図3は図1に示す高周波焼入れ管理システムにおいて特に焼入れ監視部の内部構成の詳細も含めて示す構成図である。
高周波焼入れ管理システム1は、高周波インバータ11、コンデンサ12、加熱コイル14などを有する高周波焼入れ装置10と、高周波インバータを設定条件データに基いて制御する焼入れ制御部70と、高周波焼入れ装置10における電気回路の電気量を測定データとして測定し焼入れを監視する焼入れ監視部20と、高周波焼入れ装置10が焼入れ制御部70から出力された設定条件データに基いてワーク15に焼入れを行った際の高周波焼入れ装置10における各種センサのデータを収集すると共に、焼入れ監視部20から測定データを収集し、収集した各種センサのデータと測定データとを関連付けて保存するデータ収集部80と、データ収集部80から各種センサのデータ及び測定データを入手して編集するデータ編集部90と、を備える。なお、データ収集部80は、焼入れ制御部70から設定条件データを収集し、前述した各種センサのデータ及び測定データと共に対として保存しても良い。
高周波焼入れ装置10には図示しない移動手段や回転手段が取り付けられており、移動手段は所定の位置から加熱コイル14に対しワークを移動し、回転手段はワークを加熱コイル14に対して回転する。よって、移動手段や回転手段によるワーク15の移動や回転が正確になされているかを検知するためのセンサ、具体的には位置センサ、回転センサ、速度センサなどが高周波焼入れ装置10には取り付けられている。
焼入れ制御部70は設定条件データを高周波焼入れ装置10に出力する。すると、高周波焼入れ装置10において、高周波インバータ11は、入力された設定条件データに基いて高周波インバータ11から整合用のコンデンサ12及び電流変成器13を介して加熱コイル14に高周波電力を投入する。高周波焼入れ装置10内の移動手段が設定条件データに基いてワーク15を移動させ、高周波焼入れ装置10内の回転手段が設定条件データに基いてワーク15を回転させる。これらにより、ワーク15が加熱コイル14内に配置されて高周波焼入れされる。その際、電流センサ21が高周波インバータ11の出力電流Ioを検出し、電圧センサ22が加熱コイル14の電圧Vcoilを検出する。ワーク15の位置、搬入速度、回転速度を前述のセンサが検出し、第1の冷却系100内の流量センサ102が冷却水の流量を検出し、第2の冷却系110内の温度センサ116、流量センサ115が焼入液の温度や流量を検出する。これらの検出したデータは高周波焼入れ装置10からの検出データとして焼入れ制御部70又はデータ収集部80に出力される。
また、データ収集部80は、上記のような通信手段のみならず、焼入れ制御部70の記憶部72に格納されている設定条件データ、測定データ及び検出データをカードやCD−ROMのような記録媒体に一旦格納し、データ収集部80にその記録媒体を挿入することで収集してもよい。
また、検出データが高周波焼入れ装置10からデータ収集部80に直接入力される場合には、設定条件データ及び測定データのみを焼入れ制御部70から入手するようにしてもよい。
第2の実施形態では、焼入れ監視部20において、高周波焼入れの際、高周波インバータから出力された出力電流で加熱コイル電圧を割って求めた値、即ち負荷インピーダンスを監視することで、高周波焼入れ処理の正常性を監視する。第2の実施形態に係る焼入れ監視部を組み込んだ高周波焼入れ管理システム1の構成は、第1の実施形態を示す図1の場合と同様である。すなわち、第2の実施形態に係る高周波焼入れ監視装置、具体的にはインピーダンス監視装置を組み込んだ高周波焼入れ管理システム1は、図1に示すように、高周波焼入れ装置10と焼入れ監視部20と焼入れ制御部70とデータ収集部80とで構成される。
Ye=Gp+jBp
但し、Gp、Bpは次式の通りである。
Gp=Re/(Re2+(ωLe)2)
Bp=ωLe/(Re2+(ωLe)2)
ここで、Rp=1/Gp、|Xp|=1/|Bp|であり、Rp、|Xp|は次式で表される。
Rp=(Re2+(ωLe)2)/Re
|Xp|=(Re2+(ωLe)2)/(ωLe)
焼入れ応用ではωLe2>>Re2であるため、次式が成り立つ。
Rp=(ωLe)2/Re
|Xp|≒ωLe
なお、ωが高周波インバータ11から出力される高周波の角周波数である。
高周波インバータの周波数が負荷共振回路のそれと一致して同期している場合には、負荷インピーダンスZoは、
Zo=Rp=(ωLe)2/Re
となる。
つまり、上記の近似式から、ワーク15と加熱コイル14とのギャップdが増加すると、負荷の結合が弱くなり、Leが増加し、Reが減少し、負荷インピーダンスZoが大きくなる。しかも、負荷インピーダンスZoの変化率は、Le、Reそれぞれの変化率と比べて大きい。
図7は、本発明の第2の実施形態の変形例を説明するための模式図である。なお、図29と同一の部材には同一の符号を付してある。図7に例えば点線で示すように、コイル電圧としてコイルの半円周部61aの両端部の電圧を検出するように電圧センサ22の端部22c,22dを配置する。これにより、コイルギャップdの変動を効率的に負荷インピーダンスに反映させることができる。
高周波インバータ11として、直流電圧で一定制御されることで、周波数25kHzの高周波を出力するものを用いた。並列共振タイプの負荷回路として、10μFの整合用のコンデンサ12、巻線比6:1の電流変成器13を用いた。加熱コイル14が内蔵されてワーク15を受ける鞍型受け部には、内径40mmで幅4mmのものを用いた。ワーク15には外形33mm、肉厚5.5mmの丸パイプを用いた。実施例1では、ワーク15を、鞍型受け部の端面とワークの外形とのギャップが標準値の4mmとなるよう設置した。高周波インバータ11の出力電力を設定ボリュームの50%とし、1秒間出力するように高周波インバータ11の出力を設定した。判定部23dに対し、予めコイル電圧Vcoilと電流Ioの基準範囲を設定した。具体的には、予め、ワーク15を鞍型受け部に対して標準状態で配置後ワーク15の焼入れを行い、電流センサ21及び電圧センサ22により電流信号Si及び電圧信号Svの各波形を取り込んだ。そして、品質が所定の範囲であることを確認し、取り込んだ波形をそれぞれ基準波形として、各基準波形に沿って縦軸電圧値及び横軸時間について上限と下限を設定した。本実施例では、電圧Vcoilにおける上下限の設定値を±4.3%(±50mV)とし、時間軸設定値を±4.8%(±48ms)とし、電流Ioにおける上下限の設定値を±3.8%(±20mV)とし、時間軸設定値を±4.8%(±48ms)とした。
比較例について説明する。
比較例では、高周波焼入れ管理システム1において高周波インバータ11と整合用のコンデンサ12との間の配線に結合されていた電流センサ21を、図3に破線で示すように、電流変成器13の一次側に接続することで、電流センサ21で変成器の一次電流Ictrl-1を検出するようにした。
比較例1では、鞍型受け部とワークとのギャップを、実施例1と同様、4mmとした。
比較例1では、ギャップが基準値の4mmであるので、図11から分かるように、電流、電圧の各信号波形は、何れもしきい値の上限と下限のほぼ中央であり、判定部23dの判定はOKであった。なお、高周波インバータ11における出力電力、出力電圧は、それぞれ18kW、290Vであった。加熱コイル14の電圧Vcoilの信号は1.170V(1.170×200/5VのVcoilに相当)であり、一次電流Icrtl-1の信号は、3.287V(3.287×500/5AのIcrtl-1に相当)であった。
比較例2では、鞍型受け部とワークとのギャップを7mmとした以外は比較例2と同様に焼入れを行った。
比較例2では、ギャップが基準の4mmより広いにも拘らず、図12から分かるように、電圧の信号波形、電流変成器13の一次側電流の信号波形は、何れもしきい値の上限と下限のほぼ中央でしきい値の範囲内であった。よって、判定部23dでは、「OK」の判定となってしまう。なお、高周波インバータ11における出力電力、出力電圧は、それぞれ17kW、290Vであった。加熱コイル14の電圧Vcoilの信号は1.166V(1.166×200/5VのVcoilに相当)であり、一次電流Icrtl-1の信号は、3.281V(3.281×500/5AのIcrtl-1に相当)であった。
次に比較例3を示す。
比較例3では、実施例4とは異なり負荷インピーダンスにより監視を行わず、コイル電圧と高周波インバータからの出力電流とを計測して監視する点で異なる。その他の条件は実施例4と同一である。
図26は、図1に示すシステム構成とは異なる第1変形例に係る高周波焼入れ管理システム2の構成図である。図1に示すシステムとは異なり、データ収集部80は焼入れ制御部70と焼入れ監視部20とにそれぞれ通信手段で接続されている。この場合には、データ収集部80は、焼入れ監視部20から測定データを収集し、焼入れ制御部70から設定条件データを収集し、高周波焼入れ装置10から検出データを収集し、収集した測定データと設定条件データと検出データとを処理日時などの関連付けデータにより関係付けてデータベース化する。その際、データ収集部80から焼入れ監視部20、焼入れ制御部70及び高周波焼入れ装置10にそれぞれ送信要求を行っても良いし、所定のタイミングで焼入れ監視部20、焼入れ制御部70及び高周波焼入れ装置10からそれぞれ自動的に送信されるようにしてもよい。なお、前述のように検出データが高周波焼入れ装置10から焼入れ制御部70に対して出力される場合には、データ収集部80は、焼入れ制御部70から測定データと検出データとを収集する。
図27は、第2変形例に係る高周波焼入れ管理システム3の構成図である。焼入れ管理システム3では、高周波焼入れ装置10、焼入れ監視部20、焼入れ制御部70の組が複数備えられ、LANなどの通信手段が各組における焼入れ制御部70とデータ収集部80とを接続している。つまり、一組の高周波焼入れシステム3A,3B,3Cが一つのデータ収集部80で統括されている。この場合、LANは、焼入れ制御部70を相互に接続してデータ収集部80に対し設定条件データ、測定データ及び検出データを送信する。この第2変形例では、データ収集部80は、例えばシーケンサ制御により、各焼入れ制御部70に焼入れ処理に関する設定条件データ、測定データ及び検出データの送信を要求する。焼入れ制御部70は、かかる要求に対し通信手段を介して焼入れ監視部20から測定データを受信し、この測定データを設定条件データ及び検出データと合わせて、LANを介してデータ収集部80に送出する。よって、データ収集部80は、各焼入れ制御部70から、設定条件データと測定データと検出データとを受け取り関連付けてデータベース化して保存することで、これらのデータの一元管理ができる。
なお、第1変形例で説明したように、LANが各組の焼入れ監視部20及び焼入れ制御部70をそれぞれ接続しており、データ収集部80に設定条件データ、測定データ及び検出データを関連付けてデータベース化して保存しても良い。
図28は、第3変形例に係る高周波焼入れ管理システム4の構成図である。高周波焼入れ管理システム4は、前述した高周波焼入れ管理システム1,2,3と比べて高周波焼入れ装置10Aが異なる。高周波焼入れ装置10Aは、図28に示すように、電気回路的に、一つの高周波インバータ11と、高周波インバータ11の出力端子間に接続される一つの整合用のコンデンサ12と、ワーク15A,15Bをそれぞれ誘導加熱する複数の加熱コイル14A,14Bと、整合用のコンデンサ12と各加熱コイル14A,14Bとの間にそれぞれ介在する複数の電流変成器13A,13Bと、複数の電流変成器13A,13Bの一次入力側と一つの整合用のコンデンサ12との間にそれぞれ介在する複数の切換機16a,16bと、で構成されている。電流変成器13A,13Bは、何れも高周波インバータ11に対して整合用のコンデンサ12と並列接続される一次電流側コイル13aと、加熱コイル14A,14Bにそれぞれ並列接続される二次電流側コイル13bと、で構成されている。以下の説明では、図28に示すように、加熱コイル14A,14Bと電流変成器13A,13Bと切換機16a,16bは2つずつ備えている場合を説明するが、加熱コイルや電流変成器は3つ以上備え、それに対応するように切換器が接続されている場合でも同様である。一方の加熱コイル14Aと一方の電流変成器13Aにおける二次電流側コイル13bとが直列接続され、一方の電流変成器13Aにおける一次電流側コイル13aが一方の切換機16aを介して整合用のコンデンサ12に並列接続されている。同様に、他方の加熱コイル14Bと一方の電流変成器13Bにおける二次電流側コイル13bとが直列接続され、他方の電流変成器13Bにおける一次電流側コイル13aが他方の切換機16bを介して整合用のコンデンサ12に並列接続されている。よって、一方のワーク15Aを焼入れ処理する際には、一方の切換機16aをONにし、他方の切換機16bをOFFにすればよく、同様に、他方のワーク15Bを焼入れ処理する際には、一方の切換機16aをOFFにし、他方の切換機16bをONにすればよい。切換機16a,16bは例えば図示しないスイッチ制御部により設定条件データに基いて制御される。第3変形例として図示した例においても、高周波焼入れ装置10Aは、等価回路的に、整合用のコンデンサ12と加熱コイル14A,14Bとが並列共振回路を含んでいる。
図1や図28に示す高周波焼入れ装置10,10Aにおける電気回路の構成は一例であって、任意に変更してもよい。また、高周波焼入れ装置10,10Aに設ける各種センサは図2などに示す以外のものであってもよい。
Claims (7)
- 高周波インバータにコンデンサと加熱コイルとが接続されて構成された高周波焼入れ装置に接続され、上記高周波インバータから上記加熱コイルに流す高周波によりワークを加熱すると共に該ワークへ焼入れ液を噴射してワークを冷却することで行う焼入れ処理を管理する高周波焼入れ管理システムであって、
上記高周波焼入れ装置に関する設定条件データの出力により上記高周波焼入れ装置を制御する焼入れ制御部と、
上記高周波インバータとコンデンサと加熱コイルとを含んで構成される電気回路における電気量を測定データとして計測し、焼入れ状態を監視する焼入れ監視部と、
上記高周波焼入れ装置が上記焼入れ制御部から出力された設定条件データに基いてワークを焼入れした際に上記ワークに噴射される焼入れ液の温度、流量、冷却能の何れか一つ又は複数のデータを上記高周波焼入れ装置におけるセンサから収集すると共に、上記焼入れ監視部から測定データを収集して、収集した上記センサのデータと測定データとを関連付けて保存するデータ収集部と、
を備える、高周波焼入れ管理システム。 - 高周波インバータにコンデンサを介在して電流変成器の一次コイルが接続され、かつ上記電流変成器の二次コイルに加熱コイルが接続されて構成された高周波焼入れ装置に接続され、上記加熱コイル近傍に配置されているワークの焼入れを管理する高周波焼入れ管理システムであって、
上記高周波焼入れ装置に関する設定条件データの出力により上記高周波焼入れ装置を制御する焼入れ制御部と、
上記高周波インバータと上記コンデンサとの配線に電気的に接続した電流センサにより上記高周波インバータから流れる出力電流を計測し、かつ、上記加熱コイルに並列に接続された電圧センサにより上記加熱コイルに生じる電圧を計測することにより、焼入れ状態を監視する焼入れ監視部と、
上記高周波焼入れ装置が上記焼入れ制御部から出力された設定条件データに基いてワークを焼入れした際の上記高周波焼入れ装置における各種センサのデータを収集すると共に、計測した出力電流、電圧の何れか一方又は双方を上記焼入れ監視部から測定データとして収集して、収集した各種センサのデータと測定データとを関連付けて保存するデータ収集部と、
を備える、高周波焼入れ管理システム。 - 前記測定データが、前記高周波インバータの出力電流と前記加熱コイルに生ずる電圧とから演算した負荷インピーダンスを含んでいる、請求項1又は2に記載の高周波焼入れ管理システム。
- 前記焼入れ監視部が、前記高周波インバータの出力電流から実効値を算出し、前記加熱コイルに生じる電圧から実効値を算出して、算出した各実効値に基いて焼入れ処理を監視する、請求項1又は2に記載の高周波焼入れ管理システム。
- 前記焼入れ監視部が、前記高周波インバータの出力電流から実効値を算出し、前記加熱コイルに生じる電圧から実効値を算出して、算出した各実効値から負荷インピーダンスを算出する、請求項1又は2に記載の高周波焼入れ管理システム。
- 前記焼入れ監視部と前記焼入れ制御部とが互いに通信手段を経由して接続されている、請求項1乃至5の何れかに記載の高周波焼入れ管理システム。
- 前記データ収集部が、前記焼入れ監視部及び/又は前記焼入れ制御部と通信手段を経由して接続されている、請求項1乃至6の何れかに記載の高周波焼入れ管理システム。
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