KR101362831B1 - 고주파 담금질 관리 시스템 - Google Patents

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다이치 기타무라
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고오슈우하네쓰렌 가부시기가이샤
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Abstract

본 발명은, 고주파 담금질((quenching) 장치(10, 10A)에 관한 설정 조건 데이터에 기초하여 고주파 담금질 장치(10, 10A)를 제어하는 담금질 제어부(70)와, 고주파 인버터(11)와 컨덴서(12)와 가열 코일(14, 14A, 14B)을 포함하여 구성되는 전기 회로에서의 전기량을 측정 데이터로서 계측하고, 담금질 상태를 감시하는 담금질 감시부(20)와, 고주파 담금질 장치(10)가 담금질 제어부(70)로부터 출력된 설정 조건 데이터에 기초하여 공작물(15, 15A, 15B)에 담금질을 행했을 때의 고주파 담금질 장치(10, 10A, 10B)에서의 각종 센서의 데이터를 수집하는 동시에 담금질 감시부(70)로부터 측정 데이터를 수집하고, 수집한 각종 센서의 데이터와 측정 데이터를 관련지어 보존하는 데이터 수집부(80)를 구비한다.

Description

고주파 담금질 관리 시스템{MANAGEMENT SYSTEM FOR HIGH FREQUENCY QUENCHING}
본 발명은, 공작물에 대하여 소정의 설정 조건에 따라 담금질(quenching)이 되어 있는지를 확인할 수 있는 고주파 담금질 관리 시스템에 관한 것이다.
공작물의 경도(硬度) 등의 물성(物性)을 향상시키기 위하여, 공작물에 대하여 고주파 전력에 의한 담금질 처리가 행해지고 있다. 도 29는 일반적인 담금질 처리의 모양을 모식적으로 나타낸 외관도이다. 예를 들면, 가열 대상의 공작물(50)은, 도시한 바와 같이, 봉형(棒形) 베이스부(51)에 연장부(52)를 동축형(同軸)으로 구비하여 구성되어 있으므로, 봉형 베이스부(51)와 연장부(52)에서 단면이 대략 L자형으로 되어 있다. 가열 코일(61)은 안장형(鞍裝型) 코일이며, 반원 주위부(61a)의 양단에 한쌍의 직선부(61b, 61b)가 접속되어 이루어진다. 담금질 처리를 행할 때는, 먼저, 도시하지 않은 지지 수단에 공작물(50)을 지지시켜, 가열 코일(61)의 반원 주위부(61a)를 연장부(52)의 상면 측에 위치시키고, 또한 가열 코일(61)의 직선부(61b)가 봉형 베이스부(51)와 평행하게 위치하도록, 가열 코일(61)을 공작물(50)에 배치한다. 이 때, 가열 코일(61)과 연장부(52)와의 거리가 소정 범위 내로 되어 있는 것을 확인한다. 그 후, 공작물(50)을 회전시키면서, 고주파 인버터(62)로부터 가열 코일(61)에 고주파 전력을 투입하고, 담금질 처리를 행한다. 그리고, 도면 중 63은 가열 코일(61)과 병렬 공진 회로를 구성하는 정합용(整合用) 컨덴서이다.
담금질 처리에서 사용되는 공지의 고주파 담금질 장치는, 등가(等價) 회로적으로, 고주파 인버터의 출력 단자 사이에 정합용의 컨덴서와 가열 코일이 병렬 접속되어 회로가 구성되어 있다. 담금질의 품질을 보증하기 위하여, 이상적(理想的)으로는, 가열 코일에 투입되는 유효 전력(kW)을 실제로 계측하고, 이 유효 전력을 기준으로 관리하는 것이 바람직한 것으로 된다. 가열 코일의 등가 회로는, 인덕턴스와 직렬 저항과의 직렬 접속에 의해 나타난다. 가열 코일에 의해 가열되는 공작물이 저항 부하로 되어 있다. 유효 전력의 감시 방법은, 가열 코일의 양단에 생기는 전압(Vcoil)과 가열 코일에 흐르는 코일 전류(Icoil)와의 위상차를 측정하고, 식 Pkw= cosφVcoilIcoil로부터 구하는 방법이다. 그리고, cosφ은 역률(力率)(φ은 역률각임)이다.
그러나, 고주파 담금질의 경우, 역율이 낮은 부하가 많고, 계측 대상이 되는 코일 전압과 코일 전류와의 위상차가 크다. 구체적으로는, 컨덴서와 가열 코일과의 병렬 회로의 Q는 10 정도이다. 역율은 Q의 역수(逆數)라고 추측할 수 있고, Q가 10인 경우에는 역률은 0.1이며, 이 때의 역률각 φ은 84°로 된다. 따라서, Vcoil과 Icoil을 측정하고, 연산 회로에서 이들의 값을 적산하여 구한 유효 전력은 작다. 또한, 이 연산 회로는 온도 드리프트의 영향, 주파수나 위상차의 변동의 영향을 받기 쉽기 때문에, 연산 회로의 산출값에 기초하여 고주파 담금질 처리의 유효 전력을 고정밀도로 감시할 수 없는 것이 현 실정이다.
특허 문헌 1: 일본공개특허 제2002-317224호 공보
특허 문헌 2: 일본공개특허 제2000-150126호 공보
특허 문헌 3: 일본공개특허 제2003-231923호 공보
그래서, 종래, 고주파 발진기로부터의 전압 일정 제어에 의해 출력 제어를 행하는 경우에는, 가열 코일의 전류를 검출하고, 평균 전류를 구하여 전력을 감시하는 것이 개시되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1). 그러나, 코일 전류는, 정확하게는, 코일이 가지는 인덕턴스 성분과 저항 성분을 가지는 합성 전류이므로, 부하가 변동되어도 코일 전류의 변동은 작고, 감도가 낮다. 그러므로, 유효한 전력 감시를 행할 수 없다.
고주파 인버터로부터의 출력 전압과 출력 전류를 검출하거나 또는 출력 전력을 검출함으로써 감시하는 것도 개시되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 2 및 특허 문헌 3). 이 출력 전력의 검출에는, 출력 전압 및 출력 전류를 검출하여 이들 실효값을 승산(乘算)하는 것도 포함된다. 그러나, 이 감시 방법에서는 감시 대상이 고주파 인버터로부터의 출력 전력, 환언하면, 고주파 인버터의 출력 단자 사이로부터 볼 때 부하에 투입된 유효 전력이므로, 정합 회로에 의한 손실이나 전력의 전송 손실의 영향을 받으므로, 부하 변동을 민감하게 검출할 수 없어, 감도가 둔하다. 특히, 고주파 인버터로부터 가열 코일까지의 거리가 길면 전력의 전송 손실에 의해, 부하 변동의 검출 감도가 저하되게 된다.
한편, 담금질 대상이 되는 공작물과 가열 코일과의 위치 관계가 소정 범위 밖으로 되면, 부하 변동에 의해 적절한 담금질 처리를 행할 수 없다는 과제도 있다. 이하, 구체적으로 설명한다. 도 29에 나타낸 담금질 처리에 있어서, 공작물(50)은, 반드시 동일 치수는 아니고, 어느 정도의 허용 범위 내의 치수를 가지고 있고, 공작물(50)과 가열 코일(61)과의 위치 관계가 공작물마다 상이할 가능성이 있으므로, 공작물(50)에 의하지 않고 동일한 고주파 전력을 투입해도 적절한 담금질 처리가 되고 있다는 보증은 없다. 즉, 공작물(50)과 가열 코일(61)과의 위치 관계에 있어서, 특히 연장부(52)의 상면(53)과 가열 코일(61)의 반원 주위부(61a)와의 거리가 길어지면, 공작물(50)과 가열 코일(61) 사이의 갭이 증가하여 공작물(50)에 고주파가 투입되기 어려워진다. 그러므로, 공작물마다 담금질 처리의 품질 보증이 충분히 도모되고 있지 않는 것이 현 실정이다.
그런데, 공작물마다의 담금질 처리의 품질 관리는, 고주파 인버터와 가열 코일과의 사이의 전기 회로뿐아니라, 담금질액의 농도나 온도 등에 따라 변화한다. 또한, 공작물마다 결정된 설정 조건대로 담금질이 되어 있는지를 확인할 수 없다.
본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위하여, 공작물에 대하여 설정 조건대로 담금질이 되어 있는지를 확인할 수 있는 고주파 담금질 관리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 고주파 인버터에 컨덴서와 가열 코일이 접속되어 구성된 고주파 담금질 장치와 접속되고, 가열 코일 근방에 배치되어 있는 공작물에 대한 담금질을 관리하는 고주파 담금질 관리 시스템으로서, 고주파 담금질 장치에 관한 설정 조건 데이터에 기초하여 고주파 담금질 장치를 제어하는 담금질 제어부와, 고주파 인버터와 컨덴서와 가열 코일을 포함하여 구성되는 전기 회로에서의 전기량을 측정 데이터로서 계측하고, 담금질 상태를 감시하는 담금질 감시부와, 고주파 담금질 장치가 담금질 제어부로부터 출력된 설정 조건 데이터에 기초하여 공작물에 담금질을 행했을 때의 고주파 담금질 장치에 있어서의 각종 센서의 데이터를 수집하는 동시에 담금질 감시부로부터 측정 데이터를 수집하고, 수집한 각종 센서의 데이터와 측정 데이터를 관련지어 보존하는 데이터 수집부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 있어서, 측정 데이터가, 고주파 인버터의 출력 전류와 가열 코일에 발생하는 전압을 포함하고 있는 것이 바람직하다.
상기 구성에 있어서, 측정 데이터가, 고주파 인버터의 출력 전류와 가열 코일에 발생하는 전압으로부터 연산한 부하 임피던스를 포함해도 된다.
상기 구성에 있어서, 담금질 감시부가, 고주파 인버터의 출력 전류로부터 실효값을 산출하고, 가열 코일에 생기는 전압으로부터 실효값을 산출하여, 산출한 각각의 실효값에 따라 담금질 처리를 감시하는 것이 바람직하다.
상기 구성에 있어서, 담금질 감시부가, 고주파 인버터의 출력 전류로부터 실효값을 산출하고, 가열 코일에 생기는 전압으로부터 실효값을 산출하여, 산출한 각각의 실효값으로부터 부하 임피던스를 산출하도록 해도 된다.
상기 구성에 있어서, 담금질 감시부와 담금질 제어부가 서로 통신 수단을 경유하여 접속되어 있는 것이 바람직하다.
상기 구성에 있어서, 데이터 수집부가, 담금질 감시부 및/또는 담금질 제어부와 통신 수단을 경유하여 접속되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 고주파 인버터가 담금질 제어부에 의해 설정 조건 데이터에 기초하여 출력 제어되고, 그 때 담금질 감시부가 고주파 인버터와 컨덴서와 가열 코일과로 구성되는 전기 회로에서의 전기량을 계측하고, 데이터 수집부가, 고주파 담금질 장치가 담금질 제어부로부터 출력된 설정 조건 데이터에 기초하여 공작물에 담금질을 행했을 때의 고주파 담금질 장치에 있어서의 각종 센서의 데이터와, 담금질 감시부에 의한 계측 데이터를 수집한다. 따라서, 수집한 이들 데이터와 각 공작물에 대한 담금질 조건을 대비함으로써, 담금질이 적절히 행해지고 있는지를 용이하게 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 고주파 담금질 관리 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 고주파 담금질 관리 시스템에 있어서의 고주파 담금질 장치의 일부를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 나타낸 고주파 담금질 관리 시스템에 있어서 특히 담금질 감시부의 내부 구성의 상세도 포함하여 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 있어서의 신호 처리부 내의 전압 측정 회로를 나타낸다.
도 5의 (A)는 부하 공진 회로를 나타내고, (B)는 (A)에 나타낸 부하 공진 회로에 관한 것으로서, 고주파 인버터의 주파수가 부하 공진 회로의 공진 주파수와 일치하여 동기하고 있는 경우의 등가 회로도이다.
도 6은 코일 갭(coil gap)의 변동을 부하 임피던스 변동으로서 관측할 수 있는 이유를 설명하기 위한 모식적인 회로도로서, (A)는 유도 가열을 모델화한 등가 회로도, (B)는 공작물이 존재하지 않는 상태에서의 등가 회로도, (C)는 (B)에 나타낸 등가 회로를 병렬 회로로 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시형태의 변형예를 설명하기 위한 모식도이다.
도 8은 본 발명에 있어서의 제1 실시형태의 실시예 1의 결과를 나타낸 것으로서, (A)는 가열 코일에 있어서의 전압에 대응하는 신호 파형, (B)는 고주파 인버터로부터의 출력 전류에 대응하는 신호 파형이다.
도 9는 본 발명에 있어서의 제1 실시형태의 실시예 2의 결과를 나타낸 것으로서, (A)는 가열 코일에 있어서의 전압에 대응하는 신호 파형, (B)는 고주파 인버터로부터의 출력 전류에 대응하는 신호 파형이다.
도 10은 본 발명에 있어서의 제1 실시형태의 실시예 3의 결과를 나타낸 것으로서, (A)는 가열 코일에 있어서의 전압에 대응하는 신호 파형, (B)는 고주파 인버터로부터의 출력 전류에 대응하는 신호 파형이다.
도 11은 본 발명에 있어서의 제1 실시형태의 비교예 1의 결과를 나타낸 것으로서, (A)는 가열 코일에 있어서의 전압에 대응하는 신호 파형, (B)는 도 3에 나타낸 전류 변성기(13)의 1차 측의 전류에 대응하는 신호 파형이다.
도 12는 본 발명에 있어서의 제1 실시형태의 비교예 2의 결과를 나타낸 것으로서, (A)는 가열 코일에 있어서의 전압에 대응하는 신호 파형, (B)는 도 3에 나타낸 전류 변성기(13)의 1차 측의 전류에 대응하는 신호 파형이다.
도 13은 본 발명에 있어서의 제2 실시형태의 실시예 4에 관한 것으로서, 가열 코일과 공작물과의 위치 관계를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명에 있어서의 제2 실시형태의 실시예 4의 결과 중, 부하 임피던스의 코일 갭 의존성을 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명에 있어서의 제2 실시형태의 실시예 4의 결과 중, 부하 임피던스 변화율에 대한 코일 갭 의존성을 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명에 있어서의 제2 실시형태의 실시예 4의 결과 중, 고주파 인버터로부터의 출력 전류의 코일 갭 의존성을 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명에 있어서의 제2 실시형태의 실시예 4의 결과 중, 고주파 인버터로부터의 출력 전류의 변화율의 코일 갭 의존성을 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명에 있어서의 제2 실시형태의 실시예 4의 결과 중, 코일 갭 d가 1.5㎜일 때의 파형을 나타낸 것으로서, (A)는 부하 임피던스의 파형, (B)는 출력 전류의 파형을 나타낸 도면이다.
도 19는 본 발명에 있어서의 제2 실시형태의 실시예 4의 결과 중, 코일 갭 d가 2.1㎜일 때의 파형을 나타낸 것으로서, (A)는 부하 임피던스의 파형, (B)는 출력 전류의 파형을 나타낸 도면이다.
도 20은 본 발명에 있어서의 제2 실시형태의 비교예 3의 결과 중, 코일 전압의 코일 갭 의존성을 나타낸 도면이다.
도 21은 본 발명에 있어서의 제2 실시형태의 비교예 3의 결과 중, 코일 전압 변화율에 대한 코일 갭 의존성을 나타낸 도면이다.
도 22은 본 발명에 있어서의 제2 실시형태의 비교예 3의 결과 중, 고주파 인버터로부터의 출력 전류의 코일 갭 의존성을 나타낸 도면이다.
도 23은 본 발명에 있어서의 제2 실시형태의 비교예 3의 결과 중, 고주파 인버터로부터의 출력 전류의 변화율의 코일 갭 의존성을 나타낸 도면이다.
도 24는 본 발명에 있어서의 제2 실시형태의 비교예 3의 결과 중, 코일 갭 d가 1.5㎜일 때의 파형을 나타낸 것으로서, (A)는 코일 전압의 파형, (B)는 출력 전류의 파형을 나타낸 도면이다.
도 25는 본 발명에 있어서의 제2 실시형태의 비교예 3의 결과 중, 코일 갭 d가 2.1㎜일 때의 파형을 나타낸 것으로서, (A)는 코일 전압의 파형, (B)는 출력 전류의 파형을 나타낸 도면이다.
도 26은 도 1에 나타낸 시스템 구성과는 상이한 제1 변형예에 관한 고주파 담금질 관리 시스템의 구성도이다.
도 27은 도 1에 나타낸 시스템 구성과는 상이한 제2 변형예에 관한 고주파 담금질 관리 시스템의 구성도이다.
도 28은 도 1에 나타낸 시스템 구성과는 상이한 제3 변형예에 관한 고주파 담금질 관리 시스템의 구성도이다.
도 29는 일반적인 담금질 처리의 모양을 모식적으로 나타낸 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명을 몇가지의 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다.
〔제1 실시형태〕
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 고주파 담금질 관리 시스템의 구성도이며, 도 2는 도 1에 나타낸 고주파 담금질 관리 시스템에서의 고주파 담금질 장치의 일부를 모식적으로 나타낸 도면이며, 도 3은 도 1에 나타낸 고주파 담금질 관리 시스템에 있어서 특히 담금질 감시부의 내부 구성의 상세도 포함하여 나타낸 구성도이다.
고주파 담금질 관리 시스템(1)은, 고주파 인버터(11), 컨덴서(12), 가열 코일(14) 등을 가지는 고주파 담금질 장치(10)와, 고주파 인버터를 설정 조건 데이터에 기초하여 제어하는 담금질 제어부(70)와, 고주파 담금질 장치(10)에서의 전기 회로의 전기량을 측정 데이터로서 측정하고 담금질을 감시하는 담금질 감시부(20)와, 고주파 담금질 장치(10)가 담금질 제어부(70)로부터 출력된 설정 조건 데이터에 기초하여 공작물(15)에 담금질을 행했을 때의 고주파 담금질 장치(10)에서의 각종 센서의 데이터를 수집하는 동시에 담금질 감시부(20)로부터 측정 데이터를 수집하고, 수집한 각종 센서의 데이터와 측정 데이터를 관련지어 보존하는 데이터 수집부(80)와, 데이터 수집부(80)로부터 각종 센서의 데이터 및 측정 데이터를 입수하여 편집하는 데이터 편집부(90)를 포함한다. 그리고, 데이터 수집부(80)는, 담금질 제어부(70)로부터 설정 조건 데이터를 수집하고, 전술한 각종 센서의 데이터 및 측정 데이터와 함께 쌍으로 보존해도 된다.
고주파 담금질 장치(10)는, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 전기 회로적으로, 고주파 인버터(11)와, 고주파 인버터(11)의 출력 단자 간, 특히 출력용 케이블의 출력 간에 접속되는 정합용의 컨덴서(12)와, 공작물(15)을 유도 가열하는 가열 코일(14)과, 정합용의 컨덴서(12)와 가열 코일(14)과의 사이에 개재되는 전류 변성기(13)로 구성되어 있다. 따라서, 고주파 담금질 장치(10)는, 등가 회로적으로, 정합용의 컨덴서(12)와 가열 코일(14)이 병렬 공진 회로를 포함하여 구성되어 있다.
고주파 인버터(11)는 전류형 인버터로서, 출력 전압의 일정 제어 방식으로 구동 제어된다. 전류 변성기(13)는, 고주파 인버터(11)에 대하여 정합용의 컨덴서(12)와 병렬 접속되는 1차 코일(13a)과, 가열 코일(14)과 병렬 접속되는 2차 코일(13b)로 구성되어 있다.
고주파 담금질 장치(10)는, 가열 코일(14)을 내장한 받이부(도시하지 않음)에 공작물(15)을 배치한 상태에서, 고주파 인버터(11)로부터 가열 코일(14)에 대하여 고주파 전류를 공급함으로써, 공작물(15)의 내부에 와전류(渦電流)를 발생시켜 공작물(15)을 가열하여 담금질 처리를 행한다.
고주파 담금질 장치(10)에는 각종 센서가 장착되어 있다. 각종 센서로서는, 도 1에 나타낸 바와 같이 고주파 인버터(11)로부터의 출력 시간 및 출력 강도를 모니터링하는 센서(11a), 공작물(15)의 위치, 반송 속도, 회전 속도 등을 검출하는 센서(도시하지 않음), 도 2에 나타낸 바와 같이 담금질액의 유량을 검출하는 유량 센서(115)나 담금질액의 온도를 검출하는 온도 센서(116) 등이 있고, 담금질액의 냉각능이나 농도 등의 측정부(117) 등도 포함된다. 이들 센서에 대하여 설명한다.
센서(11a)는, 고주파 인버터(11)에 내장되어 있고, 고주파 인버터(11)로부터의 출력 시간 및 출력 강도를 검출한다.
고주파 담금질 장치(10)에는 도시하지 않은 이동 수단이나 회전 수단이 장착되어 있고, 이동 수단은 소정의 위치로부터 가열 코일(14)에 대하여 공작물을 이동시키고, 회전 수단은 공작물을 가열 코일(14)에 대하여 회전시킨다. 따라서, 이동 수단이나 회전 수단에 의한 공작물(15)의 이동이나 회전이 정확하게 되어 있는지를 검지하기 위한 센서, 구체적으로는 위치 센서, 회전 센서, 속도 센서 등이 고주파 담금질 장치(10)에는 장착되어 있다.
도 1에 나타낸 고주파 담금질 장치(10)에는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 가열 코일(14)에 냉각액을 흐르게 하는 제1 냉각계(100)와, 공작물(15)에 담금질액을 분사하여 회수하는 제2 냉각계(110)가 구비되어 있다.
제1 냉각계(100)의 구성은 예를 들면, 다음과 같다. 제1 냉각계(100)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 냉각액용 탱크(101)와, 펌프(103)와, 가열 코일(14)이 배관에 의해 접속되어 있고, 점선으로 나타낸 공작물(15)을 유도 가열할 때는 가열 코일(14)에 냉각수를 화살표의 방향으로 흐르게 한다. 배관의 도중에는 유량 센서(102)가 장착되어 있다. 이 유량 센서(102)는 냉각액의 유량을 검출한다.
제2 냉각계(110)의 구성은 예를 들면, 다음과 같다. 제2 냉각계(110)에서는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 쟈켓(111)이 실선으로 나타낸 공작물(15)의 주위에 배치되고, 탱크(113)에는 담금질액을 저장할 수 있고, 펌프(114)가 탱크(113)로부터 담금질액을 퍼올린다. 담금질액은, 화살표로 나타낸 바와 같이, 배관을 경유하여 쟈켓(111)으로 송출되고, 쟈켓(111)으로부터 공작물(15)을 향해 분사되어 회수부(112)에 의해 탱크(113)에 되돌려진다. 탱크(113)에는 담금질액의 온도를 제어하는 가열부(113a)가 설치되고, 탱크(113) 내의 냉각액의 온도를 검출하는 온도 센서(116)가 탱크(113)에 장착되어 있다. 펌프(114)와 쟈켓(111)과의 사이의 배관에는 유량 센서(115)가 장착되어 있다. 또한, 담금질액의 냉각능을 측정하기 위한 측정부(117)가 배치되어 있고, 측정부(117)는 탱크(113) 내의 담금질액의 냉각능을 임의의 타이밍 또는 실시간으로 측정한다.
담금질 감시부(20)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 고주파 인버터(11)의 출력 전류를 검출하는 전류 센서(21)와, 가열 코일(14)에 있어서의 전압을 검출하는 전압 센서(22)와, 전류 센서(21)의 검출 신호와 전압 센서(22)의 검출 신호에 기초하여 담금질 관리를 행하는 제어부(23)와, 제어부(23)에 대하여 각종 제어 정보를 입력하고, 제어부(23)로부터 경고 신호를 받는 경고부(24)를 구비하고 있다.
전류 센서(21)는, 고주파 인버터(11)와 정합용의 컨덴서(12)와의 배선에 전기적으로 접속되고, 고주파 인버터(11)의 출력 전류 Io를 검출한다. 전압 센서(22)는, 양단에 단자(22a, 22b)를 구비하고, 가열 코일(14)에 병렬 접속되고, 가열 코일(14)의 전압 Vcoil을 검출한다.
제어부(23)는, 전류 센서(21)로부터의 검출 신호의 입력을 받는 전류 검출부(23a)와, 전압 센서(22)로부터의 검출 신호의 입력을 받는 전압 검출부(23b)와, 전류 검출부(23a) 및 전압 검출부(23b)로부터의 입력을 받아 각각 신호 처리를 행하는 신호 처리부(23c)와, 신호 처리부(23c)에서 신호 처리된 결과의 입력을 받아 결과가 소정 범위 내인지 여부를 판정하는 판정부(23d)를 포함하고 있다. 판정부(23d)는, 신호 처리부(23c)에서 신호 처리된 결과를 출력하는 표시부(23e)를 구비하고 있다.
전류 센서(21)와 전류 검출부(23a)는, 검출한 전류를 전압으로 변환하는 커런트 트랜스퍼(변류기)로 구성해도 된다. 이 때, 전류 센서(21)에는 로고스키 코일(Rogowski coil)을 사용할 수 있고, 전류 검출부(23a)는 로고스키 코일에 생기는 전압으로부터 소정 범위의 전압으로 변환한다. 커런트 트랜스퍼는 예를 들면, 출력 전류 500Arms를 0.5Vrms로 변환한다.
전압 센서(22)와 전압 검출부(23b)는, 검출한 전압을 소정 범위의 전압으로 변환하는 포텐셜 트랜스퍼(변압기)로 구성해도 된다. 이 때, 전압 센서(22)에는 가열 코일(14)의 단자 사이에 접속 가능한 프로브를 사용할 수 있다. 전압 검출부(23b)는 프로브로 추출한 전압을 소정 범위의 전압으로 변환한다. 포텐셜 트랜스퍼는, 예를 들면, 코일 전압 200Vrms를 10Vrms로 변환한다.
신호 처리부(23c)는, 전류 검출부(23a) 및 전압 검출부(23b)로부터의 신호를, 각각 정류하여 실효값을 산출하는 동시에 필터로 노이즈를 제거하고, 전류 신호 Si 및 전압 신호 Sv를 판정부(23d)에 출력한다. 이로써, 커런트 트랜스퍼로부터의 신호, 예를 들면, 0.5Vrms의 신호를 5V의 전압 신호로 변환하는 한편, 포텐셜 트랜스퍼로부터의 신호, 예를 들면, 10Vrms의 신호를 5V의 전압 신호로 변환한다.
또한, 신호 처리부(23c)는, 후술하는 데이터 수집부(80)로부터의 요구가 있었을 때, 산출한 전류 신호 및 전압 신호의 실효값, 즉 전류 신호 Si 및 전압 신호 Sv를 데이터 수집부(80)에 송출한다.
판정부(23d)는, 신호 처리부(23c)로부터 입력된 전류 신호 Si 및 전압 신호 Sv가 적절한지 여부의 판정을 행한다. 즉, 판정부(23d)는, 고주파 인버터(11)를 제어하는 제어부(도시하지 않음)로부터 가열 동기 신호 SS가 입력됨으로써, 전류 신호 Si 및 전압 신호 Sv의 파형을 인출하고, 표시부(23e)에 표시한다. 이 때, 판정부(23d)는 미리 설정되어 있는 상한 및 하한의 임계값도 표시한다. 이로써, 판정부(23d)는, 고주파 담금질 장치(10)가 동작 중인 상태에서, 전류 신호 Si, 전압 신호 Sv가 상한의 임계값을 상회하거나 하한의 임계값을 하회한 경우에는, 판정 NG로 하여 상기 파형을 이상(異常) 파형으로서 기록한다. 또한, 판정부(23d)는, 경고부(24)에 대하여 경고 신호를 출력한다. 이 때, 판정부(23d)가 경고 신호를 출력할 때, 표시부(23e)에, 「NG」로서 경고 표시를 행해도 된다.
경고부(24)는, 판정부(23d)로부터의 경고 신호에 기초하여 경고 표시를 행하거나, 경고음을 외부에 발생시키거나, 또한 고주파 인버터(11)의 제어부(도시하지 않음)에 대하여 고주파 전력의 출력을 정지하도록 지시한다.
도 3의 신호 처리부(23c) 내부의 회로 구성에 대하여 설명한다. 신호 처리부(23c)에는, 전류 검출부(23a)로부터의 신호를 처리하는 전류 측정 회로와, 전압 검출부(23b)로부터의 신호를 처리하는 전압 측정 회로가 별개로 포함되어 있다. 전류 측정 회로도 전압 측정 회로도 동일한 회로 구성이므로, 이하에서는 전압 측정 회로에 대하여 설명한다.
도 4는 도 3에 있어서의 신호 처리부(23c) 내의 전압 측정 회로(30)를 나타낸 도면이다.
전압 측정 회로(30)는, 제1 연산 증폭기(31)와 제2 연산 증폭기(32)가 종속 접속되고, 출력 측에 필터 회로(33)가 접속되어 있다. 제1 연산 증폭기(31)에는, 입력 저항(34)과, 입력 단자와 출력 단자에 접속되는 제1 다이오드(35)와, 출력 단자에 일단이 접속되는 제2 다이오드(36)와, 입력 단자에게 일단이 접속되고 타단이 제2 다이오드(36)의 타단에 접속되는 저항(37)이 접속되어 있다. 상기 제1 연산 증폭기(31)는, 이른바 이상(理想) 다이오드이며, 입력 신호 전압의 반파(半波) 정류를 행한다. 제1 연산 증폭기(31)와 제2 연산 증폭기(32)는, 저항(38)에 의해 접속되어 있다. 제2 연산 증폭기(32)는, 입력 단자와 출력 단자와의 사이에 저항(39)이 접속된 반전 증폭기이다. 제2 연산 증폭기(32)의 입력 단자는, 저항(40)을 통하여, 입력 저항(34)의 입력 신호 측과 접속되어 있다. 제2 연산 증폭기(32)의 출력은, 입력 전압 신호의 양파(兩波) 정류 파형으로 된다. 상기 양파 정류 파형이, 저항(41) 및 컨덴서(42)로 이루어지는 로우 패스형의 필터 회로(33)에 입력되고, 양파 정류파의 리플(ripple)이 제거되어 직류 전압으로 변환된다. 필터 회로(33)의 저항(41) 및 컨덴서(42)의 값을 설정함으로써, 제2 연산 증폭기(32)로부터 출력되는 양파 정류파의 실효값을 얻을 수 있다.
도 1에 나타낸 담금질 제어부(70) 및 데이터 수집부(80)와 담금질 감시부(20)와의 관계에 대하여 상세하게 설명한다. 담금질 제어부(70), 담금질 감시부(20) 및 데이터 수집부(80)는, 서로, 통신 수단(도시하지 않음)에 의해 접속된다. 통신 수단은, LAN 케이블, RS232C 케이블 등에 의한 유선 통신, 무선 LAN 등의 무선 통신 등을 들 수 있다. 유선 통신, 무선 통신에서의 데이터 통신의 경우에는, 패럴렐 전송, 시리얼 전송 중 어느 쪽이라도 된다. 담금질 제어부(70)와 고주파 인버터(11)와의 사이도 이들 통신 수단에 의해 행해도 된다.
담금질 제어부(70)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 설정 조건 데이터 등의 입력 정보를 입력하기 위한 입력부(71)와, 입력부(71)로부터 입력된 설정 조건 데이터를 기억하는 기억부(72)와, 설정 조건 데이터를 출력하는 출력부(73)와, 설정 조건 데이터의 입출력 제어를 행하는 입출력 제어부(74)를 구비한다. 설정 조건 데이터는, 고주파 담금질 장치(10)에서의 고주파 인버터(11)로부터의 출력 강도 및 출력 시간을 설정하는 데이터이며, 출력 전류, 출력 전압, 출력 전력, 출력 시간 등이 있다. 이 설정 조건 데이터에는, 공작물(15)과 가열 코일(14)과의 위치 관계를 제어하는 제어 데이터, 예를 들면, 공작물(15)의 이동 수단이나 회전 수단 등의 제어 데이터, 제1 냉각계(100)에서의 펌프(103)나 제2 냉각계(110)에서의 펌프(114)의 제어 데이터 등도 포함되어 이루어진다.
담금질 감시부(20)로부터 담금질 제어부(70)에 대하여 측정 데이터가 송신되는 경우, 또는 담금질 제어부(70)가 출력부(73)로부터 고주파 인버터(11)에 대하여 설정 조건 데이터를 출력한 후에 담금질 감시부(20)에 대하여 그 때의 측정 데이터의 송신 요구에 따라 담금질 제어부(70)에 대하여 측정 데이터가 송신되는 경우에는, 담금질 감시부(20)가 생성한 측정 데이터는 담금질 제어부(70)의 기억부(72)에, 그 설정 조건 데이터와 조합되어 보존된다.
데이터 수집부(80)는, 고주파 담금질 장치(10)가 담금질 제어부(70)로부터 출력된 설정 조건 데이터에 기초하여 공작물에 담금질을 행했을 때, 고주파 담금질 장치에 있어서의 각종 센서, 예를 들면, 센서(11a), 공작물(15)의 위치, 반입(搬入) 속도, 회전 속도 등의 검출 센서(도시하지 않음), 제1 냉각계(100)에서의 유량 센서(102), 제2 냉각계(110)에서의 유량 센서(115), 온도 센서(116), 측정부(117) 등이 검출한 데이터를 수취하고, 저장한다. 데이터 수집부(80)는, 이들 고주파 담금질 장치(10)로부터의 검출 데이터와, 담금질 제어부(70)로부터 공작물마다의 설정 조건 데이터와, 담금질 처리마다 담금질 감시부(20)가 생성한 측정 데이터를 수집하고, 내부의 기억부(도시하지 않음)에 저장한다.
데이터 편집부(90)는, 예를 들면, 범용의 컴퓨터로 구성된다. 데이터 편집부(90)는, 데이터 수집부(80)로부터 유선 또는 무선의 LAN을 경유하여 공작물마다의 설정 조건 데이터 및 측정 데이터를 읽어들여 저장한다. 데이터 편집부(90)에는 예를 들면, 표 계산 소프트웨어가 툴(tool)로서 저장되어 있고, 고주파 담금질 장치(10)로부터의 검출 데이터와 공작물마다의 설정 조건 데이터와 측정 데이터를 판독 공작물마다 담금질 품질을 판정하여 그 판정 결과를 인위적으로 입력한다. 데이터 수집부(80)와 데이터 편집부(90)와의 데이터의 교환은 예를 들면, RS232C에 의한 데이터 전송 외에, 데이터 수집부(80)의 데이터를 별도로 준비한 USB 메모리 등의 기록 매체에 저장하고, 그 기록 매체를 데이터 편집부(90)에 삽입하여 복제 등 해도 된다.
그리고, 담금질 제어부(70)에 있어서, 전술한 바와는 달리, 고주파 담금질 장치(10)로부터의 검출 데이터와 설정 조건 데이터와 측정 데이터가 별개로 아무런 관계도 가지지 않고 저장되어 있는 경우에는, 예를 들면, 공작물마다 부착되어 있는 처리 넘버나 담금질 처리 일시 등에 따라 담금질 제어부(70)로부터 설치 조건 데이터와 측정 데이터를 취득하고, 이들 설정 조건 데이터 및 측정 데이터와 고주파 담금질 장치(10)로부터 출력된 검출 데이터를, 담금질 처리 시간 등의 관련 데이터로 대응시키고, 검출 데이터와 설정 조건 데이터와 측정 데이터를 세트로서 저장한다.
이하, 도 1에 나타낸 고주파 담금질 관리 시스템(1)에 의한 담금질 관리에 대하여 설명한다.
담금질 제어부(70)는 설정 조건 데이터를 고주파 담금질 장치(10)에 출력한다. 그러면 고주파 담금질 장치(10)에 있어서, 고주파 인버터(11)는, 입력된 설정 조건 데이터에 기초하여 고주파 인버터(11)로부터 정합용의 컨덴서(12) 및 전류 변성기(13)를 통하여 가열 코일(14)에 고주파 전력을 투입한다. 고주파 담금질 장치(10) 내의 이동 수단이 설정 조건 데이터에 기초하여 공작물(15)을 이동시키고, 고주파 담금질 장치(10) 내의 회전 수단이 설정 조건 데이터에 기초하여 공작물(15)을 회전시킨다. 이들에 의해, 공작물(15)이 가열 코일(14) 내에 배치되어 고주파 담금질된다. 그 때, 전류 센서(21)가 고주파 인버터(11)의 출력 전류 Io를 검출하고, 전압 센서(22)가 가열 코일(14)의 전압 Vcoil을 검출한다. 공작물(15)의 위치, 반입 속도, 회전 속도를 전술한 센서가 검출하고, 제1 냉각계(100) 내의 유량 센서(102)가 냉각수의 유량을 검출하고, 제2 냉각계(110) 내의 온도 센서(116), 유량 센서(115)가 담금질액의 온도나 유량을 검출한다. 이들 검출한 데이터는 고주파 담금질 장치(10)로부터의 검출 데이터로서 담금질 제어부(70) 또는 데이터 수집부(80)에 출력된다.
제어부(23)의 전류 검출부(23a)와, 전압 검출부(23b)는, 전류 센서(21), 전압 센서(22)로부터의 각각의 검출 신호를 레벨 조정하고, 전류 신호 Si 및 전압 신호 Sv를 신호 처리부(23c)에 출력한다. 따라서, 신호 처리부(23c)가, 전류 검출부(23a) 및 전압 검출부(23b)로부터 각각 입력된 전류 신호, 전압 신호를 정류하여 실효값을 구하고, 전류 신호 Si 및 전압 신호 Sv로서 판정부(23d)에 출력한다.
판정부(23d)는, 신호 처리부(23c)로부터의 전류 신호 Si 및 전압 신호 Sv를 가열 동기 신호 SS에 의해 동기를 취하여 파형의 판정을 행하고, 상한 및 하한의 임계값과 비교하여, 전류 신호 Si 및 전압 신호 Sv가 상한의 임계값을 상회했는지 여부 및/또는 하한의 임계값을 하회했는지 여부의 판정을 행한다. 판정부(23d)는, 전류 신호 Si 및 전압 신호 Sv가 임계값으로부터 임계값으로부터 벗어난 경우에는 상기 파형을 기록하고, 경고 신호를 경고부(24)에 출력한다.
경고 신호를 받은 경고부(24)는, 경고를 표시 및/또는 경고음을 발생시킨다. 따라서, 담금질 작업자는, 경고의 표시나 경고음을 인지했을 때, 고주파 담금질에 이상(異常)이 발생한 것을 알 수 있다. 또한, 경고부(24)는, 고주파 담금질 장치(10)의 고주파 인버터(11)의 출력 동작을 정지시켜도 된다.
이상과 같이, 전류 센서(21)를 사용하여 고주파 인버터(11)로부터의 출력 전류를 검출하고, 전압 센서(22)를 사용하여 가열 코일(14)에 생기는 전압을 검출하고, 전류 센서(21)의 검출 신호와 전압 센서(22)의 검출 신호에 기초하여 담금질 관리를 행한다. 이로써, 출력 전압이 일정해지도록 출력 제어되는 고주파 인버터(11)로부터 컨덴서(12)를 통하여 가열 코일(14)에 고주파 전력이 투입되었을 때, 고주파 인버터(11)로부터의 출력 전력의 변동이 직접적으로 출력 전류에 영향을 준다. 따라서, 전류 센서(21)를 사용하여 상기 출력 전류를 모니터링함으로써, 고주파 담금질 처리에 있어서 고주파 인버터(11)로부터의 출력 전력을 감시할 수 있다. 한편, 전압 센서(22)를 사용하여 가열 코일(14)에 생기는 전압을 모니터링함으로써, 고주파 인버터(11)로부터 가열 코일(14)까지의 전송 손실, 및/또는 컨덴서(12)와 가열 코일(14)과의 병렬 공진 회로에 의한 정합 손실에 의해 검출 감도가 높아져, 가열 코일(14)의 전압 변동을 높은 정밀도로 검출할 수 있다.
즉, 전력의 전송 손실이 적을 경우, 부하 변동에 의한 출력 전류의 변동율이 코일 전압의 변동율보다 크기 때문에, 고주파 인버터(11)로부터의 출력 전류를 전류 센서(21)로 감시하는 것이 유효하게 된다. 한편, 전력의 전송 손실이 클 경우, 부하 변동에 의한 코일 전압의 변동율이, 고주파 인버터(11)로부터의 출력 전류의 변동보다 크므로, 코일 전압을 전압 센서(22)로 감시하는 것이 유효하게 된다. 반대로, 배경 기술에서 설명한, 고주파 인버터의 출력 전류 및 출력 전압을 감시하는 방법에 있어서, 고주파 인버터의 출력 전압이 일정해지도록 출력 전력을 제어하는 경우, 부하 변동을 검출할 수는 없다. 이하, 이 점에 대하여 상세하게 설명한다.
도 5의 (A)는 부하 공진 회로를 나타내고, 도 5의 (B)는 도 5의 (A)에 나타낸 부하 공진 회로에 관한 것으로서, 고주파 인버터의 주파수가 부하 공진 회로의 공진 주파수와 일치하여 동기하고 있는 경우의 등가 회로를 나타낸 도면이다. 도 3에 나타낸 유도 가열의 전기 회로는, 도 5의 (A)에 나타낸 바와 같이, 정합용 컨덴서 Cp와 부하 저항 Rp와 부하 인덕턴스 Lp와의 병렬 접속에 대하여, 고주파 인버터와 가열 코일 간의 전송 손실 및 정합 손실을 포함한 저항 Rx가 직렬 접속된 회로에 의해 표시된다. 도 5의 (A)에 나타낸 부하 공진 회로에 있어서 고주파 인버터의 주파수가 부하 공진 회로의 주파수와 일치하여 동기하고 있는 경우에는, 도 5의 (A)에 나타낸 회로는, 도 5의 (B)에 나타낸 등가 회로, 즉 무유도 저항 회로(non-inductive resistance circuit)로 대체할 수가 있다. 그리고, 고주파 인버터와 가열 코일 간의 전송 손실 및 정합 손실을 포함한 저항을 Rx로 하고, 부하 저항을 Rp로 하고, 고주파 인버터로부터의 출력 전압을 Vo= 300V, 출력 전류 Io= 300A로 한다. Rx, Rp 모두 0.5Ω인 것으로 하여 설명을 간략화한다. 부하 변동에 의해 저항 Rp가 0.5Ω 으로부터 0.55Ω으로 +10% 변화되면, 출력 전압 일정 제어를 위해, 출력 전압 Vo가 300V로 불변이며, 출력 전류 Io는 300A 으로부터 285.7A로 변화되므로, 출력 전류의 변화율도 －4.8%이며, 출력 전력도 －4.8%로 변화된다. 이 때, 코일 전압 Vcoil은 150V(= 300A×0.5Ω)로부터 157.1V(= 285.7A×0.55Ω)로 변화되고, 코일 전압의 변화율은 ＋4.8%로 된다. 즉, 고주파 인버터로부터의 출력 전류의 저하율과 코일 전압의 증가율이 대략 같아진다.
상기 회로 구성에 있어서, 전송 손실과 정합 손실을 포함한 저항 Rx가 0.4Ω이며, 부하 저항 Rp가 0.6Ω인 경우, 부하 저항 Rp가 변화율로 ＋10%, 즉 0.6Ω으로부터 0.66Ω으로 변화된 경우를 생각하면, 고주파 인버터의 출력 전압 Vo는 300V로 불변이며, 출력 전류 Io는 300A 으로부터 283.0A로 변화되므로, 출력 전류의 변화율도 －5.7%이며, 출력 전력도 －5.7%로 변화된다. 이 때, 코일 전압 Vcoil은 180V(= 300A×0.6Ω) 으로부터 186.8V(= 283.0A×0.66Ω)로 변화되고, 코일 전압의 변화율은 약 ＋3.8%로 된다. 즉, 고주파 인버터로부터의 출력 전류의 감소율의 절대값은, 코일 전압의 증가율의 절대값과 비교하여 더 크다.
상기 회로의 구성에 있어서, 반대로, 전송 손실과 정합 손실을 포함한 저항 Rx가 0.6Ω이며, 부하 저항 Rp가 0.4Ω인 경우, 부하 저항 Rp가 변화율로 ＋10%, 즉 0.4Ω으로부터 0.44Ω으로 변화된 경우를 생각하면, 고주파 인버터의 출력 전압 Vo는 300V로 불변이며, 출력 전류 Io는 300A 으로부터 288.5A로 변화되므로, 출력 전류의 변화율도 －3.8%이며, 출력 전력도 －3.8%로 변화된다. 이 때, 코일 전압 Vcoil은 120V(= 300A×0.4Ω)로부터 126.9V(= 288.5A×0.44Ω)로 변화되고, 코일 전압의 변화율은 약 +5.7%로 된다. 즉, 고주파 인버터로부터의 출력 전류의 감소율의 절대값은, 코일 전압의 증가율의 절대값과 비교하여 더 작다.
이상으로부터, 종래와 같이, 고주파 인버터의 출력 전류 및 출력 전압을 감시하는 방법에서는, 전송 손실 및 정합 손실이 증가함에 따라, 예를 들면 전송 손실 및 정합 손실을 포함한 저항 Rx와 부하 저항 Rp와의 비율이 0.4:0.6, 0.5:0.5, 0.6:0.4로 됨에 따라, 고주파 인버터로부터의 출력 전류 Io의 변화율은, －5.7%, －4.8%, －3.8%로 되고, 부하 저항 Rp의 변화율에 비례하여 변화되지 않고, 부하 저항 Rp의 변동에 대하여 감도가 나쁜 것을 알 수 있다.
이에 대하여, 본 실시형태와 같이, 코일 전압 Vcoil과 고주파 인버터로부터의 출력 전류 Io와의 어느 쪽도 모니터링하여 감시함으로써, 전송 손실의 영향을 배제한 부하 변동을 감시할 수 있다. 왜냐하면, 전송 손실 및 정합 손실의 비율이 작을 경우, 부하 저항의 변동은, 코일 전압의 변동율의 쪽보다 출력 전류의 변화율 쪽에 크게 영향을 주므로, 고주파 인버터로부터의 출력 전류의 변화를 감시하는 것이 바람직하기 때문이다. 반대로, 전송 손실 및 정합 손실의 비율이 클 경우, 부하 저항의 변동은, 출력 전류의 변화율의 쪽보다 코일 전압의 변동율 쪽에 크게 영향을 주므로, 코일 전압의 변화를 감시하는 것이 바람직하기 때문이다. 즉, 코일 전압 Vcoil과 고주파 인버터로부터의 출력 전류 Io와의 양쪽을 감시함으로써, 회로의 전력 손실의 영향을 배제한 감시 방법을 확립할 수 있다.
이상과 같이 하여 담금질 처리가 행해진 후, 데이터 수집부(80)는, 소정의 공작물에 대한 담금질 처리에 관한 데이터를 수집한다. 즉, 데이터 수집부(80)는 담금질 제어부(70)에 대하여, 처리 넘버나 담금질 처리 일시 등의 검색 데이터와 함께 설정 조건 데이터, 측정 데이터 및 검출 데이터의 송신 요구를 행한다. 그러면 담금질 제어부(70)의 입출력 제어부(74)는, 검색 데이터에 기초하여 설정 조건 데이터, 측정 데이터 및 검출 데이터를 기억부(72)로부터 특정하여 데이터 수집부(80)에 출력한다. 이와 같이 하여, 데이터 수집부(80)가 설정 조건 데이터, 측정 데이터 및 검출 데이터를 수집한다.
이외에도, 데이터 수집부(80)가 담금질 제어부(70)에 대하여 설정 조건 데이터, 측정 데이터 및 검출 데이터를 일괄하여 송신하도록 요구하고, 데이터 수집부(80)가 설정 조건 데이터, 측정 데이터 및 검출 데이터를 수집하고, 담금질 처리 일시 등의 관련 데이터에 기초하여 설정 조건 데이터, 측정 데이터 및 검출 데이터를 관련지어 데이터베이스화하여 보존해도 된다.
또한, 데이터 수집부(80)는, 상기와 같은 통신 수단뿐아니고, 담금질 제어부(70)의 기억부(72)에 저장되어 있는 설정 조건 데이터, 측정 데이터 및 검출 데이터를 카드나 CD―ROM와 같은 기록 매체에 일단 저장하고, 데이터 수집부(80)에 그 기록 매체를 삽입함으로써 수집해도 된다.
또한, 검출 데이터가 고주파 담금질 장치(10)로부터 데이터 수집부(80)에 직접 입력되는 경우에는, 설정 조건 데이터 및 측정 데이터만을 담금질 제어부(70)로부터 입수하도록 해도 된다.
이상 설명한 바와 같이, 데이터 수집부(80)가 설정 조건 데이터, 측정 데이터 및 검출 데이터를 관련지어 데이터베이스화하여 보존한다. 보존된 설정 조건 데이터, 측정 데이터 및 검출 데이터는, 데이터 수집부(80)에 의해 담금질 처리를 특정하는 정보를 입력함으로써 검색하여 판독할 수 있다. 따라서, 원하는 담금질 처리에 관한 설정 조건 데이터와 이와 관련된 측정 데이터 및 검출 데이터를 언제라도 용이하고 또한 신속하게 인출하여, 담금질 처리에 관한 관리를 확실하게 행할 수 있다. 또한, 데이터 수집부(80)가 보존하고 있는 설정 조건 데이터, 측정 데이터 및 검출 데이터를, 필요에 따라 카드나 CD―ROM 등의 매체에 기억시키고, 도 1에 나타낸 데이터 편집부(90)에 입수하고, 데이터 편집부(90)에서 표 계산 소프트웨어 등을 사용하여 인위적으로 확인할 수 있다.
[제2 실시형태]
제2 실시형태에서는, 담금질 감시부(20)에 있어서, 고주파 담금질 시, 고주파 인버터로부터 출력된 출력 전류로 가열 코일 전압을 나누어 구한 값, 즉 부하 임피던스를 감시함으로써, 고주파 담금질 처리의 정상성(正常性)을 감시한다. 제2 실시형태에 관한 담금질 감시 부를 내장한 고주파 담금질 관리 시스템(1)의 구성은, 제1 실시형태를 나타낸 도 3의 경우와 마찬가지이다. 즉, 제2 실시형태에 관한 고주파 담금질 감시 장치 구체적으로는 임피던스 감시 장치를 내장한 고주파 담금질 시스템(1)은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 고주파 담금질 장치(10)와 담금질 감시부(20)와 담금질 제어부(70)와 데이터 수집부(80)로 구성된다.
고주파 담금질 장치(10)는, 도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 등가 회로적으로, 정합용의 컨덴서(12)와 가열 코일(14)이 병렬 공진 회로를 포함하여 구성되어 있다. 제2 실시형태에서는, 고주파 담금질 장치(10)는 정합용의 컨덴서와 가열 코일이 직렬 공진 회로라도 된다. 고주파 인버터(11)는, 제1 실시형태와 마찬가지로 전류형 인버터이지만, 제1 실시형태와 상이하고, 출력되는 고주파의 전력이 일정해지도록, 전력 제어 방식으로 구동 제어된다. 전류 변성기(13)가, 고주파 인버터(11)에 대하여 정합용의 컨덴서(12)와 병렬 접속되는 1차측 전류 코일(13a)과, 가열 코일(14)과 병렬 접속되는 2차측 전류 코일(13b)로 구성되어 있는 점은, 제1 실시형태의 경우와 마찬가지이다.
고주파 담금질 장치(10)는, 가열 코일(14)을 내장한 받이부(도시하지 않음)에 공작물(15)을 배치한 상태에서, 고주파 인버터(11)로부터 가열 코일(14)에 대하여 고주파 전류를 공급함으로써, 공작물(15)의 내부에 와전류를 발생시켜 공작물(15)을 가열하여 담금질 처리를 행한다. 그 외의 구성은 도 1 내지 도 3과 마찬가지이다.
담금질 감시부(20)는, 고주파 인버터(11)의 출력 전류를 검출하는 전류 센서(21)와, 가열 코일(14)에 있어서의 전압을 검출하는 전압 센서(22)와, 전류 센서(21)의 검출 신호와, 전압 센서(22)의 검출 신호로부터 부하 임피던스를 산출하고, 이 부하 임피던스에 기초하여 담금질 관리를 행하는 제어부(23)와, 제어부(23)에 대하여 각종 제어 정보를 입력하고, 제어부(23)로부터 경고 신호를 받는 경고부(24)를 구비하고 있다.
전류 센서(21)는, 고주파 인버터(11)와 정합용의 컨덴서(12)와의 배선에 전기적으로 접속되고, 고주파 인버터(11)의 출력 전류 Io를 검출한다. 전압 센서(22)는, 양단에 단자(22a, 22b)를 구비하고, 가열 코일(14)에 병렬 접속되고, 가열 코일(14)의 전압 Vcoil을 검출한다.
제어부(23)는, 전류 센서(21)로부터의 검출 신호의 입력을 받는 전류 검출부(23a)와, 전압 센서(22)로부터의 검출 신호의 입력을 받는 전압 검출부(23b)와, 전류 검출부(23a)로부터의 입력을 받아 출력 전류에 관한 실효값을 구하는 동시에 전압 검출부(23b)로부터의 입력을 받아 코일 전압에 관한 실효값을 구하는 신호 처리부(23c)와, 신호 처리부(23c)로부터 구한 출력 전류 및 코일 전압에 관한 각 실효값으로부터 부하 임피던스를 산출하고, 부하 임피던스가 기준 범위 내인지 여부를 판정하는 판정부(23d)를 포함하고 있다. 판정부(23d)는, 신호 처리부(23c)에서 신호 처리된 결과를 출력하는 표시부(23e)를 구비하고 있다.
전류 센서(21)와 전류 검출부(23a)는, 검출한 전류를 전압으로 변환하는 커런트 트랜스퍼(변류기)로 구성해도 된다. 전압 센서(22)와 전압 검출부(23b)는, 검출한 전압을 소정 범위의 전압으로 변환하는 포텐셜 트랜스퍼(변압기)로 구성해도 된다. 이런 점들은 제1 실시형태와 같다.
신호 처리부(23c)는, 전류 검출부(23a) 및 전압 검출부(23b)로부터의 신호를, 각각 정류하여 실효값을 산출하는 동시에 필터로 노이즈를 제거하고, 전류 신호 Si 및 전압 신호 Sv를 판정부(23d)에 출력한다. 이 점은 제1 실시형태와 마찬가지이며, 신호 처리부(23c)에는, 전류 검출부(23a)로부터의 신호를 처리하는 전류 측정 회로와, 전압 검출부(23b)로부터의 신호를 처리하는 전압 측정 회로가 별개로 포함되어 있다. 전류 측정 회로, 전압 측정 회로의 구체적인 구성은 제1 실시형태와 마찬가지이다. 따라서, 커런트 트랜스퍼로부터의 신호, 예를 들면, 0.5Vrms의 신호를 5V의 전압 신호로 변환하는 한편, 포텐셜 트랜스퍼로부터의 신호, 예를 들면, 10Vrms의 신호를 5V의 전압 신호로 변환한다.
판정부(23d)는, 신호 처리부(23c)로부터 입력된 전류 신호 Si 및 전압 신호 Sv에 기초하여 코일 전압을 출력 전류로 나누고, 이 산출된 부하 임피던스가 규정 범위 내인지 여부를 판정한다. 구체적으로는, 먼저, 고주파 인버터(11)를 제어하는 제어부(도시하지 않음)로부터 가열 동기 신호 SS가 입력됨으로써, 신호 처리부(23c)로부터 입력된 전류 신호 Si 및 전압 신호 Sv의 값을 샘플링한다. 다음에, 샘플링한 전압값을 샘플링한 전류값으로 나누고, 소정의 비례 상수를 승산함으로써, 코일 전압에 대한 출력 전류, 즉 부하 임피던스를 산출한다. 산출한 결과를 그래픽으로 표시부(23e)에 표시한다. 이 때, 산출된 부하 임피던스가 기준 범위 내인지 여부의 판정을 행한다. 판정부(23d)는, 산출된 부하 임피던스가 기준 범위 내였던 경우에는 담금질 처리가 OK인 것으로 판단하고, 산출된 부하 임피던스가 기준 범위 밖이었던 경우에는 담금질 처리가 NG인 것으로 판단하여 경고부(24)에 대하여 경고 신호를 표시한다.
그리고, 판정부(23d)는, 고주파 인버터(11)의 제어부(도시하지 않음)로부터 가열 동기 신호 SS가 입력됨으로써 잘라낸 전류 신호 Si 및 전압 신호 Sv 중 어느 하나의 파형을 표시부(23e)에 출력할 수 있도록 해도 된다. 이 때, 판정부(23d)는 미리 설정되어 있는 상한 하한의 임계값도 표시한다. 이로써, 판정부(23d)는, 고주파 담금질 장치(10)가 동작 중인 상태에서, 전류 신호 Si 및 전압 신호 Sv가 상한의 임계값을 상회하거나 하한의 임계값을 하회하거나 한 경우에는, 판정이 NG인 것으로 판정하고, 상기 파형을 이상 파형으로서 기록한다.
판정부(23d)는, 경고부(24)에 대하여 경고 신호를 출력한다. 이 때, 판정부(23d)가 경고 신호를 출력할 때, 표시부(23e)에, 「NG」로서 경고 표시를 행해도 된다.
경고부(24)는, 판정부(23d)로부터의 경고 신호에 기초하여 경고 표시를 행하거나, 경고음을 외부에 발생하거나, 또한 고주파 인버터(11)의 제어부(도시하지 않음)에 대하여 고주파 전력의 출력을 정지하도록 지시한다.
고주파 담금질 관리 시스템(1)을 사용하여 담금질 처리를 행할 때의 담금질 감시에 대하여 설명한다.
고주파 담금질 장치(10)에 있어서, 고주파 인버터(11)로부터 정합용의 컨덴서(12) 및 전류 변성기(13)를 통하여 가열 코일(14)에 고주파 전력을 투입한다. 이로써, 가열 코일(14) 내에 배치된 공작물(15)이 가열되고, 고주파 담금질이 행해진다. 이 때, 고주파 담금질 감시부(20)에 있어서, 전류 센서(21)가 고주파 인버터(11)의 출력 전류 Io를 검출하고, 전압 센서(22)가 가열 코일(14)의 전압 Vcoil을 검출한다.
제어부(23)의 전류 검출부(23a), 전압 검출부(23b)는, 전류 센서(21), 전압 센서(22)로부터의 각각의 검출 신호를 레벨 조정하고, 전류 신호 Si 및 전압 신호 Sv를 신호 처리부(23c)에 출력한다. 따라서, 신호 처리부(23c)가, 전류 검출부(23a), 전압 검출부(23b)로부터 각각 입력된 전류 신호, 전압 신호를 정류하여 실효값을 구하고, 전류, 전압의 각 실효값을 전류 신호 Si 및 전압 신호 Sv로서 판정부(23d)에 출력한다.
판정부(23d)는, 신호 처리부(23c)로부터의 전류 신호 Si 및 전압 신호 Sv와의 입력을 받아 전류 신호 Si 및 전압 신호 Sv에 대하여 가열 동기 신호 SS에 의해 동기를 취하여 파형을 취득한다. 그리고, 판정부(23d)는, 각 파형으로부터 전류의 실효값과 전압의 실효값과의 데이터열을 얻고, 그 후, 전류의 실효값을 전압의 실효값으로 나눔으로써 부하 임피던스를 산출하고, 산출된 부하 임피던스가 규정의 범위 내인지 범위 밖인지의 판정을 행한다. 판정부(23d)는, 부하 임피던스가 임계값으로부터 벗어난 경우에는, 그 데이터열을 취득하여 기록하고, 경고 신호를 경고부(24)에 출력한다.
이 때, 판정부(23d)는, 전류의 실효값과 상한 및 하한의 임계값을 비교하여, 전류 신호 Si가 상한의 임계값을 상회했는지, 하한의 임계값을 하회했는지의 판정을 행하도록 해도 된다. 전류 신호 Si가 임계값으로부터 벗어난 경우에는, 그 파형을 기록하고, 경고 신호를 경고부(24)에 출력한다. 이로써, 후술하는 바와 같이, 부하 임피던스의 감시에서는 판정할 수 없는 고주파 인버터(11)로부터의 출력의 변동을 감시할 수 있다.
경고 신호를 받은 경고부(24)는, 경고를 표시 또는 경고음을 발생시킨다. 따라서, 담금질 작업자는, 경고의 표시나 경고음을 인지했을 때, 고주파 담금질에 이상이 발생한 것을 알 수 있다. 또한, 경고부(24)는, 고주파 담금질 장치(10)의 고주파 인버터(11)의 출력 동작을 정지시켜도 된다.
이상과 같이, 전류 센서(21)를 사용하여 고주파 인버터(11)로부터의 출력 전류를 검출하고, 전압 센서(22)를 사용하여 가열 코일(14)에 생기는 전압을 검출하고, 전류 센서(21)의 검출 신호와 전압 센서(22)의 검출 신호로부터 부하 임피던스를 산출하고, 산출된 부하 임피던스에 기초하여 담금질 관리를 행한다. 이로써, 출력 전력이 일정해지도록 출력 제어되는 고주파 인버터(11)로부터 컨덴서(12)를 통하여 가열 코일(14)에 고주파 전력이 투입되었을 때, 고주파 인버터(11)로부터의 출력 전류의 변동율이 작고, 또한 가열 코일(14)에 생기는 코일 전압의 변동율이 작은 경우라도, 담금질 대상이 되는 공작물과 가열 코일과의 위치 관계가 기준 범위로부터 벗어나면, 즉 후술하는 도 13에 나타낸 바와 같이 공작물(50)과 가열 코일 간의 갭 d(이것을 이하, 코일 갭 d라고 함)가 커지면 부하 임피던스의 변동으로서 검출할 수 있다. 따라서, 고주파 담금질 처리의 품질 관리를 용이하게 또한 높은 정밀도로 행할 수 있다.
여기서, 고주파 담금질 처리에 있어서, 고주파 인버터(11)로부터의 출력 전류의 변동율이 작고, 또한 가열 코일(14)에 생기는 코일 전압의 변동율이 작은 경우라도, 코일 갭 d의 변화가 부하 임피던스의 변동으로서 나타나는 이유에 대하여 설명한다.
도 6은 코일 갭 d의 변동이 부하 임피던스 변동으로서 관측할 수 있는 이유를 설명하기 위한 모식적인 회로도로서, (A)는 유도 가열을 모델화한 등가 회로도, (B)는 공작물이 존재하지 않는 상태에서의 등가 회로도, (C)는 (B)에 나타낸 등가 회로를 병렬 회로로 나타낸 도면이다.
유도 가열의 전기 회로 중 고주파 인버터(11)로부터 가열 코일(14)까지의 전기 회로는, 전송 손실 Rx를 생략하면 도 6의 (A)에 나타낸 바와 같이, 저항 R1과 자기(自己) 인덕턴스 L1과의 직렬 접속에 대하여 정합용 컨덴서 Cp가 병렬 접속되어 있는 점에서 도시되고, 공작물(15)은 자기 인덕턴스 L2와 저항 R2와의 병렬 접속으로 도시되고, 가열 코일(14)에 공작물(15)이 배치되는 상황이 상호 인덕턴스로서 모델화될 수 있다. 여기서, R1이란 코일 도선의 저항 성분, R2는 가열 대상의 저항 성분, L1은 가열 코일(14)의 인덕턴스 성분, L2는 가열 대상의 인덕턴스 성분, M은 상호 인덕턴스이며, 가열 코일(14)과 공작물(15)과의 갭에 따라 변화한다. 그리고, 상호 인덕턴스 M은, 자기 인덕턴스 L1과 자기 인덕턴스 L2와의 결합 계수를 k라고 하면, k= M/(L1×L2)1/2의 관계를 만족시킨다. 이 때, 정합용 컨덴서 Cp의 양단으로부터 본 부하 임피던스는, 리액턴스 성분 ωLe와 저항 성분 Re와의 합으로 나타낸다. 그리고, Le= L1(1-k2), Re= R1+A·R2이다. 여기서, A는 전술한 결합 계수 k, 부하 형상, 가열 주파수로 정해지는 계수이다.
공작물(15)과 가열 코일(14)과의 갭 d가 증가하면, 부하의 결합이 약해진다. 극한적인 상황으로서 k= 0, Re= R1까지 부하의 결합이 약해져, Le= L1으로 된다. 즉, 도 6의 (A)의 등가 회로는 도 6의 (B)와 같이 대체할 수 있다.
따라서, 갭이 증가하면, Le가 증가하고, Re가 감소한다.
또한, 도 6의 (B)의 직렬 등가 회로를 도 6의 (C)의 병렬 등가 회로로 변환할 수 있다. 그리고, Ze= Re+jwLe이므로, 어드미턴스(admittance) Ye는 Ye= 1/Ze이므로, 다음 식에 의해 표시된다.
Ye= Gp+jBp
단, Gp, Bp는 다음 식과 같다.
Gp= Re/(Re2+ωLe)2)
Bp= ωLe/(Re2+(ωLe)2)
여기서, Rp= 1/Gp, ｜Xp｜= 1/｜Bp｜이며, Rp, ｜Xp｜는 다음 식에 의해 표현된다.
Rp= (Re2+ωLe)2)/Re
｜Xp｜= (Re2+(ωLe)2)/(ωLe)
담금질 응용에서는 ωLe2>>Re2이므로, 다음 식이 성립된다.
Rp= (ωLe)2/Re
｜Xp｜≒ωLe
그리고, ω가 고주파 인버터(11)로부터 출력되는 고주파의 각 주파수이다.
고주파 인버터의 주파수가 부하 공진 회로의 그것과 일치하여 동기하고 있는 경우에는, 부하 임피던스 Zo는,
Zo= Rp= (ωLe)2/Re
로 된다.
즉, 상기한 근사식으로부터, 공작물(15)과 가열 코일(14)과의 갭 d가 증가하면, 부하의 결합이 약해져, Le가 증가하고, Re가 감소하여, 부하 임피던스 Zo가 커진다. 또한, 부하 임피던스 Zo의 변화율은, Le, Re 각각의 변화율과 비교하여 크다.
따라서, 고주파 인버터(11)로부터의 출력 전력을 일정하게 하여 코일 갭 d가 증가하면, 고주파 인버터(11)로부터의 출력 전류가 작아지는 한편, 코일 전압은 커지게 된다. 따라서, 출력 전류의 감소율이 작아도, 코일 전압의 증가율이 작아도, 출력 전류에 대한 코일 전압비, 즉 부하 임피던스가 증가한다. 따라서, 코일 갭 d가 증가하면, 부하 임피던스의 변동에 직접 나타난다.
이상으로부터, 고주파 담금질 처리에 있어서, 고주파 인버터(11)의 출력 전력이 일정해지도록 제어하고 있는 경우, 부하 임피던스의 변동을 판정부(23d)에서 감시하고, 부하 임피던스의 변동이 임계값의 상한 및 하한에 들어가 있는 것을 확인함으로써, 고주파 담금질 감시를 효율적으로 행할 수 있다. 또한, 제어부(23)가 전류 센서(21)로부터의 검출 신호에 기초하여 고주파 인버터(11)로부터의 출력 전류를 산출하고, 이 출력 전류의 변동이 임계값의 상한 및 하한에 들어가 있는 것을 확인하는 것이 바람직하다. 이로써, 갭이 허용 범위인지 여부를 부하 임피던스를 모니터링함으로써 확인할 수 있고, 또한 고주파 인버터(11)로부터의 출력 전류의 변동을 모니터링함으로써, 담금질에 필요한 에너지가 투입되어 있는 것을 확인할 수 있어 질 높은 담금질의 관리를 행할 수 있다.
이와 같이 담금질 감시부(20)에 의해 생성된 측정 데이터는, 제1 실시 형태의 경우와 마찬가지로, 담금질 제어부(70)에서의 기억부(72)에 저장된다. 따라서, 데이터 수집부(80)는, 제2 실시 형태에 있어서도 제1 실시 형태의 경우와 마찬가지로, 통신 수단을 통하여 설정 조건 데이터, 측정 데이터 및 검출 데이터를 담금질 제어부(70)에 대하여 요구한다. 이것을 받아, 담금질 제어부(70)는, 이 담금질 처리에 관한 설정 조건 데이터, 측정 데이터 및 검출 데이터를 통신 수단을 통하여 데이터 수집부(80)에 대하여 송신한다. 따라서, 데이터 수집부(80)는, 설정 조건 데이터, 측정 데이터 및 검출 데이터를 수신하여, 수신한 설정 조건 데이터, 측정 데이터 및 검출 데이터를 서로 관련지어 데이터베이스화하여 보존한다.
이와 같이 데이터베이스화하여 보존된 설정 조건 데이터, 측정 데이터 및 검출 데이터는, 데이터 수집부(80)에 의해 담금질 처리를 특정하는 정보를 입력함으로써 검색하여 판독할 수 있다. 또한, 데이터 편집부(90)가, 인위적인 지령에 따라 데이터 수집부(80)로부터 설정 조건 데이터, 측정 데이터 및 검출 데이터를 입수해 표 계산 소프트웨어를 사용하여 화면에 표시한다. 이로써, 작업자가 화면에 표시된 표를 보고 확인할 수 있는, 즉 제2 실시 형태에 있어서도, 원하는 담금질 처리에 관한 설정 조건 데이터 및 이와 관련된 측정 데이터 및 검출 데이터를, 언제라도 용이하고 또한 신속하게 인출할 수 있다. 따라서, 제2 실시 형태에 있어서도 담금질 처리에 관한 관리를 확실하게 행할 수 있다.
제2 실시형태의 변형예를 설명한다.
도 7은 본 발명의 제2 실시형태의 변형예를 설명하기 위한 모식도이다. 그리고, 도 29와 동일한 부재에는 동일한 부호를 부여하고 있다. 도 7에 예를 들면 점선으로 나타낸 바와 같이, 코일 전압으로서 코일의 반원 주위부(61a)의 양 단부의 전압을 검출하도록 전압 센서(22)의 단부(22c, 22d)를 배치한다. 이로써, 코일 갭 d의 변동을 효율적으로 부하 임피던스에 반영시킬 수 있다.
상기 변형예와 같이, 가열 코일(61)이 공작물(50)의 담금질 대상 영역에 대하여 소정의 갭 d를 가지도록 배치되는 반원 주위부(61a)를 구비하고, 도 7에 점선으로 나타낸 바와 같이, 전압 센서(22)의 양 단부(22c, 22d)가 반원 주위부(61a) 사이의 전압을 검출하도록 반원 주위부(61a)의 양 단부에 접속되는 것이 바람직하다. 이로써, 실선으로 나타낸 바와 같이, 전압 센서(22)의 양 단부(22a, 22b)를 직선부(61b, 61b)를 통하여 접속되어 있는 경우보다, 점선으로 나타낸 바와 같이 전압 센서(22)의 단부(22c, 22d)를 반원 주위부(61a)의 양 단부에 접속한 쪽이 코일 갭의 변동율을 고감도로 검출할 수 있어, 보다 정밀도 높은 담금질 감시를 행할 수 있다.
이상으로부터, 고주파 전력이 일정해지도록 제어되고 있는 경우, 코일 갭 d가 증가하면 부하 임피던스가 커지고, 이 부하 임피던스의 변동을 기초로, 담금질 처리가 정확하게 되어 있는지의 판정을 행할 수 있다.
제2 실시형태에 관한 고주파 담금질 감시 시스템(1)은, 도 1 및 도 3에 나타낸 고주파 담금질 장치(10)에 대하여만 적용되는 것이 아니고, 등가 회로적으로, 정합용의 컨덴서와 가열 코일로 이루어지는 공진 회로 및 고주파 인버터를 포함하여 구성되는 고주파 담금질 장치에 대하여 적용할 수 있다. 예를 들면, 전류 변성기(13)는 생략되어도 된다.
이하, 제1 실시형태에 대응하는 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 내지 비교예 2와, 제2 실시형태에 대응하는 실시예 4 및 비교예 3에 대하여 설명한다.
[실시예 1]
도 3에 나타낸 고주파 담금질 관리 시스템(1)을 사용하여 부하의 평가 시험을 행하였다.
고주파 인버터(11)로서 직류 전압으로 일정하게 제어됨으로써, 주파수 25kHz의 고주파를 출력하는 것을 사용하였다. 병렬 공진 타입의 부하 회로로서, 10μF의 정합용의 컨덴서(12), 권선비 6:1의 전류 변성기(13)를 사용하였다. 가열 코일(14)이 내장되어 공작물(15)을 수용하는 안장형 받이부에는, 내경 40㎜이며 폭 4㎜의 것을 사용하였다. 공작물(15)에는 외형 33㎜, 두께 5.5㎜의 환(丸) 파이프를 사용하였다. 실시예 1에서는, 공작물(15)을, 안장형 받이부의 단면과 공작물의 외형과의 갭이 표준값의 4㎜로 되도록 설치하였다. 고주파 인버터(11)의 출력 전력을 설치 볼륨의 50%로 하고, 1초간 출력하도록 고주파 인버터(11)의 출력을 설정했다. 판정부(23d)에 대하여, 미리 코일 전압 Vcoil과 전류 Io의 기준 범위를 설정했다. 구체적으로는, 미리 공작물(15)을 안장형 받이부에 대하여 표준 상태로 배치한 후 공작물(15)의 담금질을 행하고, 전류 센서(21) 및 전압 센서(22)에 의해 전류 신호 Si 및 전압 신호 Sv의 각 파형을 입수하였다. 그리고, 품질이 소정 범위에 있는 것을 확인하고, 입수된 파형을 각각 기준 파형으로서 각 기준 파형에 따라 세로축 전압값 및 가로축 시간에 대하여 상한과 하한을 설정했다. 본 실시예에서는, 전압 Vcoil에 있어서의 상하한의 설정값을 ±4.3%(±50mV)로 하고, 시간축 설정값을 ±4.8%(±48ms)로 하고, 전류 Io에 있어서의 상하한의 설정값을 ±3.8%(±20mV)로 하고, 시간축 설정값을 ±4.8%(±48ms)으로 하였다.
도 8은 본 발명의 제1 실시형태에 있어서의 실시예 1의 결과를 나타낸 것으로서, (A)는 가열 코일(14)에 있어서의 전압에 대응하는 신호 파형이며, (B)는 고주파 인버터(11)로부터의 출력 전류에 대응하는 신호 파형이다. 도면 중, 실선은 각 파형을 나타내고, 점선은 임계값 범위의 상한과 하한을 나타내고 있다. 실시예 1에서는, 갭이 기준값인 4㎜이므로, 도 8으로부터 알 수 있는 바와 같이, 파형은 임계값의 상한과 하한의 대략 중앙에 들어가 있어, 판정부(23d)의 판정은 OK였다. 그리고, 고주파 인버터(11)에 있어서의 출력 전력, 출력 전압은, 각각 18kW, 290V였다. 가열 코일(14)의 전압 Vcoil의 신호는 1.157V(1.157×200/5V의 Vcoil에 상당)이며, 고주파 인버터(11)의 출력 전류 Io의 신호는 0.529V(0.529×500/5A의 Io에 상당)였다.
[실시예 2]
실시예 2에서는, 안장형 받이부의 단면과 공작물(15)의 외형과의 갭이 6㎜로 되도록 공작물(15)을 배치한 것 외에는, 실시예 1과 마찬가지로 했다.
도 9는 제1 실시형태에 있어서의 실시예 2의 결과를 나타낸 것으로서, (A)는 가열 코일(14)에 있어서의 전압에 대응하는 신호 파형이며, (B)는 고주파 인버터(11)로부터의 출력 전류에 대응하는 신호 파형이다. 도면 중, 실선은 각 파형을 나타내고, 점선은 임계값의 범위의 상한과 하한을 나타내고 있다. 실시예 2에서는, 갭이 기준값인 4㎜보다 넓으므로, 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 전류의 파형은 임계값의 상한과 하한의 대략 중앙보다 하한 측이지만, 임계값의 범위 내이고, 판정부(23d)의 판정은 OK였다. 그리고, 고주파 인버터(11)에 있어서의 출력 전력, 출력 전압은, 각각 18kW, 290V였다. 가열 코일(14)의 전압 Vcoil의 신호는 1.172V(1.172×200/5V의 Vcoil에 상당)이며, 고주파 인버터(11)의 출력 전류 Io의 신호는 0.520V(0.520×500/5A의 Io에 상당)였다.
[실시예 3]
실시예 3에서는, 안장형 받이부의 단면과 공작물(15)의 외형과의 갭이 7㎜로 되도록 공작물(15)을 배치한 것 외에는, 실시예 1과 마찬가지로 했다.
도 10은 제1 실시형태에 있어서의 실시예 3의 결과를 나타낸 것으로서, (A)는 가열 코일(14)에 있어서의 전압에 대응하는 신호 파형, (B)는 고주파 인버터(11)로부터의 출력 전류에 대응하는 신호 파형이다. 도면 중, 실선은 각 파형을 나타내고, 점선은 임계값의 범위의 상한과 하한을 나타내고 있다. 실시예 3에서는, 갭이 기준값인 4㎜보다 더 넓은 7㎜이므로, 도 10로부터 알 수 있는 바와 같이, 전류의 신호 파형은 임계값의 하한으로부터 부분적으로 비어져 나와 있고, 담금질 처리로서는 NG이다. 그리고, 고주파 인버터(11)에 있어서의 출력 전력, 출력 전압은, 각각 17kW, 290V였다. 가열 코일(14)의 전압 Vcoil의 신호는 1.162V(1.162×200/5V의 Vcoil에 상당)이며, 고주파 인버터(11)의 출력 전류 Io의 신호는 0.500V(0.500×500/5A의 Io에 상당)였다.
(비교예 1)
비교예에 대하여 설명한다.
비교예에서는, 고주파 담금질 관리 시스템(1)에 있어서 고주파 인버터(11)와 정합용의 컨덴서(12)와의 사이의 배선에 결합되어 있던 전류 센서(21)를, 도 3에 파선으로 나타낸 바와 같이, 전류 변성기(13)의 1차 측에 접속함으로써, 전류 센서(21)에 의해 변성기의 1차 전류 Icrtl -1을 검출하도록 했다.
실시예 1 내지 실시예 3과 마찬가지로, 고주파 인버터(11)의 출력 전력을 설치 볼륨의 50%로 하고, 1초간 출력하도록 고주파 인버터(11)의 출력을 설정했다. 판정부(23d)에 대하여, 전압 Vcoil에 있어서의 상한 및 하한의 설정값을 ±4.3%(±50mV)로 하고, 시간축 설정값을 ±4.8%(±48ms)로 하고, 전류 Io에 있어서의 상한 및 하한의 설정값을 ±3.8%(±125mV)로 하고, 시간축 설정값을 ±4.8%(±48ms)로 하였다. 전류 Io에 있어서의 상한 및 하한의 설정은, 전류의 계측 대상이 고주파 인버터(11)의 출력 전류 Io로부터 전류 변성기(13)의 1차 전류 Icrtl -1로 변경하였으므로, 상하한의 설정값을 같은 범위(%)로 해도, 전류값이 커지기 때문이다.
비교예 1에서는, 안장형 받이부와 공작물과의 갭을, 실시예 1과 마찬가지로, 4㎜로 하였다.
도 11은 제1 실시형태의 비교예 1의 결과를 나타낸 것으로서, (A)는 가열 코일(14)에 있어서의 전압에 대응하는 신호 파형이며, (B)는 전류 변성기(13)의 1차 측 전류에 대응하는 신호 파형이다. 도면 중, 실선이 파형을 나타내고, 점선은 임계값의 범위의 상한과 하한을 나타내고 있다.
비교예 1에서는, 갭이 기준값인 4㎜이므로, 도 11로부터 알 수 있는 바와 같이, 전류, 전압의 각 신호 파형은, 어느 쪽도 임계값의 상한과 하한의 대략 중앙이며, 판정부(23d)의 판정은 OK였다. 그리고, 고주파 인버터(11)에 있어서의 출력 전력, 출력 전압은, 각각 18kW, 290V였다. 가열 코일(14)의 전압 Vcoil의 신호는 1.170V(1.170×200/5V의 Vcoil에 상당)이며, 1차 전류 Icrtl -1의 신호는, 3.287V(3.287×500/5A의 Icrtl -1에 상당)였다.
(비교예 2)
비교예 2에서는, 안장형 받이부와 공작물과의 갭을 7㎜로 한 것 외에는 비교예 2와 마찬가지로 담금질을 행하였다.
도 12는 비교예 2의 결과를 나타낸 것으로서, (A)는 가열 코일(14)에 있어서의 전압에 대응하는 신호 파형, (B)는 전류 변성기(13)의 1차 측 전류에 대응하는 신호 파형이다. 도면 중, 실선이 파형을 나타내고, 점선은 임계값의 범위의 상한과 하한을 나타내고 있다.
비교예 2에서는, 갭이 기준의 4㎜보다 넓음에도 불구하고, 도 12로부터 알 수 있는 바와 같이, 전압의 신호 파형, 전류 변성기(13)의 1차 측 전류의 신호 파형은, 어느 쪽도 임계값의 상한과 하한의 대략 중앙에서 임계값의 범위 내였다. 따라서, 판정부(23d)에서는, 「OK」의 판정으로 되어 버린다. 그리고, 고주파 인버터(11)에 있어서의 출력 전력, 출력 전압은, 각각 17kW, 290V였다. 가열 코일(14)의 전압 Vcoil의 신호는 1.166V(1.166×200/5V의 Vcoil에 상당)이며, 1차 전류 Icrtl-1의 신호는, 3.281V(3.281×500/5A의 Icrtl -1에 상당)였다.
[표 1]
Figure 112011079630449-pct00001
표 1은 실시예 1 내지 실시예 3과 비교예 1 및 비교예 2의 결과를 나타낸 도표이다. 고주파 담금질 관리 시스템(1)에 있어서, 실시예 1 내지 실시예 3과 같이, 고주파 인버터(11)와 정합용의 컨덴서(12)와의 사이의 배선에 전류 센서(21)를 전기적으로 접속한 경우와 비교예 1 및 비교예 2와 같이 전류 변성기(13)의 1차 측에 전기적으로 접속한 경우를 비교하면 다음의 것을 알 수 있다.
실시예 1 내지 실시예 3과 같이, 고주파 인버터(11)로부터의 출력 전류 Io를 검출한 경우에는, 갭을 기준인 4㎜, 6㎜, 7㎜로 차례로 넓히면, 전류 센서(21)에 의해 검출한 출력 전류 Io의 신호 Si는 전압 환산으로 0.529V, 0.520V, 0.500V로 변화된다. 갭이 기준인 4㎜의 경우와의 변화율을 구하면, 갭이 6㎜에서는 약 －1.7%, 갭이 7㎜에서는 약 －5.5%로 되고, 판정부(23d)는, 임계값의 상한 및 하한인 ±3.8%(전압 환산으로 ±20mV)의 범위로부터 벗어난 것을 판정할 수 있다.
이에 대하여, 비교예 1 및 비교예 2와 같이, 갭을 기준인 4㎜ 로부터 7㎜로 넓히면, 출력 전력(미터 지시값)은 18kW 로부터 17kW로 되고, 검출되는 전류의 신호 Si는 약 －5.5%의 변화가 있음에도 불구하고, 판정부(23d)에 있어서의 전류 Icrtl -1은, 갭 4㎜인 경우와 대략 같은 값으로 되어 버린다. 이것은 임계값의 범위 내이고, 판정부(23d)에 의해 「OK」의 판정을 발하게 된다. 따라서, 비교예 1 및 비교예 2와 같이, 전류 변성기(13)의 1차 측의 전류를 검출함으로써, 고주파 담금질의 감시를 정밀도 양호하게 행할 수 없다.
상기 이유에 대하여 고찰하면, 비교예에서는 감시 대상이 1차 전류 Icrtl -1이므로, 등가 회로적으로, 병렬 저항에 흐르는 실효 전류분과 병렬 인덕턴스에 흐르는 무효 전류분의 벡터 합성(=(IR 2+IL 2)1/2)에 의해 주어진다. 따라서, 공작물(15)과 가열 코일(14)의 갭의 근소한 변화에서는, 인덕턴스의 변화가 적고, 공진(共振)의 예민함 Q가 4 ~ 5 이상이면 실효 전류분이 변화된 것으로 해도, 상기 벡터 합성 전체는 그다지 크게 변화되지 않기 때문인 것으로 생각된다.
한편, 본 발명에서는 실효 전류분만을 검출하기 위하여, 갭의 변화에 따라 병렬 저항의 변화가 검출 전류에 직접 비례하여 반영된다. 그러므로, 감시 전류의 변화를 용이하게 검출할 수 있다.
[실시예 4]
도 3에 나타낸 고주파 담금질 관리 시스템(1)을 사용하여 부하의 평가 시험을 행하였다. 가열 코일로서 안장형 코일을 사용하고, 담금질 처리물로서 공작물을 사용하였다. 도 13은 제2 실시 형태에 있어서의 실시예 4에 관한 것으로서, 가열 코일(61)과 공작물(50)로서의 봉형 부재와의 위치 관계를 나타낸 도면이다. 그리고, 도 29와 동일 또는 대응하는 부재에는 동일한 부호를 부여하고 있다.
가열 대상의 공작물(50)은, 도시한 바와 같이, 봉형 베이스부(51)에 연장부(52)를 동축형으로 구비하여 구성되어 있으므로, 봉형 베이스부(51)와 연장부(52)가 단면 대략 L자형으로 되어 있다. 가열 코일(61)의 직선부(61b)에 대향하는 부분의 치수를 a로 하고, 가열 코일(61)의 반원 주위부(61a)에 대향하는 부분의 치수를 b로 하였다. 또한, 가열 코일(61)의 반원 주위부(61a)와 공작물(50)의 상면(53)과의 거리, 즉 코일 갭을 d로 하였다. 고주파 인버터(11)로서 주파수 10kHz의 고주파를 출력하고, 또한 출력 전력이 부하에 의하지 않고 일정 제어할 수 있는 것을 사용하였다. 병렬 공진 타입의 부하 회로로서, 4.15μF를 4개 병렬 접속한 정합용의 컨덴서(12), 권선비 8:1의 전류 변성기(13)를 사용하였다.
코일 갭 d를 각각, 1.5, 1.7, 1.9, 2.1, 2.3, 2.5 ㎜로 되도록 공작물에 대하여 가열 코일(61)을 배치하고, 각 코일 갭 d에 있어서, 공작물(50)을 축 주위로 500rpm 회전시키면서, 고주파 전력을 150kW, 5.5초간 투입하여 담금질 처리를 행하였다.
실시예 4에서는, 판정부(23d)에 대하여, 미리 부하 임피던스의 기준 범위를 수치 입력에 의해 설정했다. 부하 임피던스의 기준 범위로서 상한을 1.78Ω, 하한을 1.712Ω으로 하였다. 또한, 고주파 인버터로부터의 출력 전류를 측정하였다. 출력 전류 Io의 기준 범위는 상한을 290A, 하한을 250A로 하였다.
실시예 4의 결과에 대하여 설명한다. 도 14는 제2 실시 형태에 있어서의 실시예 4의 결과 중, 부하 임피던스의 코일 갭 의존성을 나타낸 도면, 도 15는 제2 실시형태의 부하 임피던스 변화율에 대한 코일 갭 의존성을 나타낸 도면, 도 16은 제2 실시형태의 고주파 인버터로부터의 출력 전류의 코일 갭 의존성을 나타낸 도면, 도 17은 제2 실시형태의 고주파 인버터로부터의 출력 전류의 변화율의 코일 갭 의존성을 나타낸 도면이다. 가로축은 어느 쪽도 코일 갭이며, 도 14의 세로축은 부하 임피던스, 도 15의 세로축은 부하 임피던스의 변화율, 도 16의 세로축은 고주파 인버터로부터의 출력 전류, 도 17의 세로축은 고주파 인버터로부터의 출력 전류의 변화율을 나타낸다. 그리고, 각 값의 변화율은, 코일 갭 d에서의 값을 f(d)라고 하면, (f(d)-f(1.5))/f(1.5)를 100배로 하여 구하였다.
부하 임피던스는, 도 14로부터 알 수 있는 바와 같이, 코일 갭 d가 표준값의 1.5㎜에서는 1.752Ω이지만, d가 증가하면 직선적으로 증가하고, d가 2.1㎜에서는 기준 범위의 상한을 초과하는 것을 알 수 있다. 부하 임피던스의 변화율은, 도 15로부터 알 수 있는 바와 같이, d가 2.1에서 약 1.8% 증가하고, d가 2.5㎜에서는 2.6%까지 증가한다.
고주파 인버터로부터의 출력 전류는, 도 16으로부터 알 수 있는 바와 같이, 코일 갭 d가 표준값의 1.5㎜에서는 약 267A이지만, d가 증가하면 직선적으로 감소하고, d가 2.5㎜에서는 약 262A까지 감소하는 것을 알 수 있다. 출력 전류의 변화율은, 도 17로부터 알 수 있는 바와 같이, d가 2.5㎜에서는 약 1.9% 감소한다.
도 18은 제2 실시형태에 있어서의 실시예 4의 결과 중, 코일 갭 d가 1.5㎜일 때의 파형을 나타낸 것으로서, (A)는 부하 임피던스의 파형, (B)는 출력 전류의 파형을 나타낸 도면이다. 도 19는 제2 실시형태에 있어서의 실시예 4의 결과 중, 코일 갭 d가 2.1㎜일 때의 파형을 나타낸 것으로서, (A)는 부하 임피던스의 파형, (B)는 출력 전류의 파형을 나타낸 도면이다. 코일 갭 d가 1.5㎜, 2.1㎜ 중 어느 경우에도, 부하 임피던스는, 고주파 담금질 개시에 의해 급격하게 증가한 후에 약간 감소하고, 그 후에는 증가하는 것이 알 수 있다. 이에 대응하여, 출력 전류는, 고주파 담금질 개시에 의해 급격하게 증가한 후에 약간 증가하고, 그 후 약간 감소하는 것을 알 수 있다. 코일 갭 d가 1.7㎜, 1.9㎜, 2.3㎜, 2.5㎜에서도 마찬가지의 경향이었다.
이상의 결과로부터, 코일 갭 d에 대한 부하 임피던스의 변화율은, 코일 갭 d에 대한 출력 전류의 변화율보다, 절대값 비교에서 큰 것을 알 수 있다. 따라서, 고주파 담금질 처리를 행하는 경우에는, 부하 임피던스 계측에 의해 감시하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다. 그리고, 고주파 인버터로부터의 출력 전류 Io를 감시함으로써, 고주파 인버터(11)의 안정도를 추측할 수 있다.
(비교예 3)
다음에, 비교예 3을 나타낸다.
비교예 3에서는, 실시예 4와는 달리 부하 임피던스에 의해 감시를 행하지 않고, 코일 전압과 고주파 인버터로부터의 출력 전류를 계측하여 감시하는 점에서 상이하다. 그 외의 조건은 실시예 4와 동일하다.
담금질 감시에 있어서, 판정부(23d)에 대하여, 미리 코일 전압 Vcoil과 전류 Io의 기준 범위를 설정했다. 구체적으로는, 미리 공작물(50)을 미리 정해진 표준 상태로 배치한 후 공작물(50)의 담금질을 행하고, 전류 센서(21) 및 전압 센서(22)에 의해 전류 신호 Si 및 전압 신호 Sv의 각 파형을 입수하였다. 그리고, 품질이 소정 범위인 것을 확인하고, 입수된 파형을 각각 기준 파형으로 하여 각 기준 파형에 따라 세로축 전압값 및 가로축 시간에 대하여 상한과 하한을 설정했다. 이 때, 코일 전압 Vcoil의 상한을 61V, 하한을 55V로 하고, 출력 전류 Io의 상한을 290A, 하한을 250A로 하였다.
비교예 3의 결과에 대하여 설명한다. 도 20은 제2 실시형태에 있어서의 비교예 3의 결과 중, 코일 전압의 코일 갭 의존성을 나타낸 도면, 도 21은 제2 실시형태에 있어서의 비교예 3의 결과 중,코일 전압 변화율에 대한 코일 갭 의존성을 나타낸 도면, 도 22는 제2 실시형태에 있어서의 비교예 3의 결과 중, 고주파 인버터로부터의 출력 전류의 코일 갭 의존성을 나타낸 도면, 도 23은 제2 실시형태에 있어서의 비교예 3의 결과 중, 고주파 인버터로부터의 출력 전류의 변화율의 코일 갭 의존성을 나타낸 도면이다. 가로축은 어느 쪽도 코일 갭이며, 도 20의 세로축은 코일 전압, 도 21의 세로축은 코일 전압의 변화율, 도 22의 세로축은 고주파 인버터로부터의 출력 전류, 도 23의 세로축은 고주파 인버터로부터의 출력 전류의 변화율을 나타낸다. 변화율의 산출은 실시예와 같다.
코일 전압은, 도 20으로부터 알 수 있는 바와 같이, 코일 갭 d가 표준값인 1.5㎜에서는 58.8V이지만, d가 증가하면 직선적으로 증가하고, d가 2.5㎜에서는 약 59.2V인 것이 알 수 있다. 코일 전압의 변화율은, 도 21로부터 알 수 있는 바와 같이, d가 2.5㎜에서는 0.68%까지 증가한다.
고주파 인버터로부터의 출력 전류는, 도 22로부터 알 수 있는 바와 같이, 코일 갭 d가 표준값의 1.5㎜에서는 약 268.4A이지만, d가 증가하면 직선적으로 감소하고, d가 2.5㎜에서는 약 263A까지 감소하는 것을 알 수 있다. 출력 전류의 변화율은, 도 23으로부터 알 수 있는 바와 같이, d가 2.5㎜에서는 약 1.9% 감소한다.
도 24는 제2 실시형태에 있어서의 비교예 3의 결과 중, 코일 갭 d가 1.5㎜일 때의 파형을 나타낸 것으로서, (A)는 코일 전압의 파형, (B)는 출력 전류의 파형을 나타낸 도면이다. 도 25는 제2 실시형태에 있어서의 비교예 3의 결과 중, 코일 갭 d가 2.1㎜일 때의 파형을 나타낸 것으로서, (A)는 코일 전압의 파형, (B)는 출력 전류의 파형을 나타낸 도면이다. 도면 중, 실선은 각 파형을 나타내고, 점선은 임계값의 범위의 상한과 하한을 나타내고 있다. 코일 갭 d가 1.5㎜에서는, 도 24로부터 알 수 있는 바와 같이, 파형이 임계값의 상한과 하한의 대략 중앙에 들어가 있는 데 대하여, 코일 갭 d가 2.1에서는, 도 25로부터 알 수 있는 바와 같이, 전압 파형은 대략 임계값의 상한과 하한의 중앙 근방에 들어갔지만, 전류 파형 임계값 내에 들어가 있지 않았다. 따라서, 코일 갭 d가 1.5㎜에서는 판정부(23d)의 판정은 OK이지만, 코일 갭 d가 2.1㎜에서는 판정부(23d)의 판정은 NG였다. 그리고, 코일 갭 d를 변경시키지 않으며 유도 가열을 개시하면, 코일 전압 Vcoil, 출력 전류 Io가 변화되는 것은, 공작물이 가열에 의해 유도 가열하기 어려워지는 것에 기인하고 있는 것으로 생각된다.
비교예 3의 결과로부터, 코일 갭 d가 1㎜ 증가하면, 출력 전류 Io는 약 2% 감소하고, 코일 전압 Vcoil은 약 0.7% 증가한다. 이 변화율은 실시예 4의 부하 임피 던스의 변화율과 비교하면 작다.
이상 설명한 바와 같이, 실시예 4와 비교예 3을 비교하면, 출력 전류 Io, 코일 전압 Vcoil을 감시하는 것보다도, 부하 임피던스를 감시하는 편이 유효한 것임을 알았다. 그리고, 공작물로서 봉형 부재를 예로 설명하였으나, 공작물이 축부에 대하여 교차하는 방향으로 접속부를 가지도록, 예를 들면, 플랜지나 칼라부 근방을 담금질 처리할 때의 감시 수단으로서 유효하다. 왜냐하면, 공작물에 있어서의 담금질 대상 영역과 가열 코일과의 거리가 커짐에 따라 도 14에 나타낸 바와 같이, 직선 부분에 의한 담금질 처리 상황에는 변화를 볼 수 없지만, 반원 주위 부분에 의한 담금질 처리 상황은 악화되기 때문이다.
도 1에 나타낸 시스템의 변형예에 대하여 설명한다. 제1 변형예는, 도 1에 나타낸 시스템 구성 중 담금질 제어부(70)와 담금질 감시부(20)와 데이터 수집부(80)와의 관계가 상이한 경우이며, 제2 변형예는, 도 1에 나타낸 고주파 담금질 장치(10)와 담금질 감시부(20)와 담금질 제어부(70)와의 세트가 복수 개 있고, 이들 세트와 데이터 수집부(80)가 LAN 등의 통신 수단에 의해 접속되어 있는 경우이며, 제3 변형예는, 고주파 담금질 장치가 1개의 고주파 인버터(11)로 복수 개의 공작물에 대하여 담금질하는 경우이다. 이들 변형예의 어느 쪽도, 전술한 바와 같이 담금질 감시부(20)가 고주파 인버터(11)로부터 출력되는 전류와 코일 전압을 모니터링해도, 담금질 감시부(20)가 부하 임피던스를 연산하고 그 부하 임피던스를 모니터링해도 된다. 이하, 제1 변형예~제3 변형예에 대하여 상세하게 설명한다.
〔제1 변형예〕
도 26은 도 1에 나타낸 시스템 구성과는 상이한 제1 변형예에 관한 고주파 담금질 관리 시스템(2)의 구성도이다. 도 1에 나타낸 시스템과는 상이하고, 데이터 수집부(80)는 담금질 제어부(70)와 담금질 감시부(20)에 각각 통신 수단에 의해 접속되어 있다. 이 경우에는, 데이터 수집부(80)는, 담금질 감시부(20)로부터 측정 데이터를 수집하고, 담금질 제어부(70)로부터 설정 조건 데이터를 수집하고, 고주파 담금질 장치(10)로부터 검출 데이터를 수집하고, 수집한 측정 데이터와 설정 조건 데이터와 검출 데이터를 처리 일시 등의 관련 데이터에 의해 관련지어 데이터베이스화한다. 그 때, 데이터 수집부(80)로부터 담금질 감시부(20), 담금질 제어부(70) 및 고주파 담금질 장치(10)에 각각 송신 요구를 행해도 되고, 소정의 타이밍에서 담금질 감시부(20), 담금질 제어부(70) 및 고주파 담금질 장치(10)로부터 각각 자동적으로 송신되도록 해도 된다. 그리고, 전술한 바와 같이 검출 데이터가 고주파 담금질 장치(10)로부터 담금질 제어부(70)에 대하여 출력되는 경우에는, 데이터 수집부(80)는, 담금질 제어부(70)로부터 측정 데이터와 검출 데이터를 수집한다.
〔제2 변형예〕
도 27은 제2 변형예에 관한 고주파 담금질 관리 시스템(3)의 구성도이다. 담금질 관리 시스템(3)에서는, 고주파 담금질 장치(10), 담금질 감시부(20), 담금질 제어부(70)의 세트가 복수 개 구비되고, LAN 등의 통신 수단이 각각의 세트에서의 담금질 제어부(70)와 데이터 수집부(80)가 접속되어 있다. 즉, 1세트의 고주파 담금질 시스템(3A, 3B, 3C)이 1개의 데이터 수집부(80)에 의해 통괄되고 있다. 이 경우, LAN은, 담금질 제어부(70)를 서로 접속하여 데이터 수집부(80)에 대하여 설정 조건 데이터, 측정 데이터 및 검출 데이터를 송신한다. 이 제2 변형예에서는, 데이터 수집부(80)는, 예를 들면, 시켄서 제어에 의해, 각 담금질 제어부(70)에 담금질 처리에 관한 설정 조건 데이터, 측정 데이터 및 검출 데이터의 송신을 요구한다. 담금질 제어부(70)는, 이러한 요구에 대하여 통신 수단을 통하여 담금질 감시부(20)로부터 측정 데이터를 수신하고, 이 측정 데이터를 설정 조건 데이터 및 검출 데이터와 합하여, LAN을 통하여 데이터 수집부(80)에 송출한다. 따라서, 데이터 수집부(80)는, 각 담금질 제어부(70)로부터, 설정 조건 데이터와 측정 데이터와 검출 데이터를 수취하고 관련지어 데이터베이스화하여 보존함으로써, 이들 데이터의 일원 관리를 행할 수 있다.
그리고, 제1 변형예에서 설명한 바와 같이, LAN이 각각의 세트의 담금질 감시부(20) 및 담금질 제어부(70)를 각각 접속하고 있고, 데이터 수집부(80)에서 설정 조건 데이터, 측정 데이터 및 검출 데이터를 관련지어 데이터베이스화하여 보존해도 된다.
〔제3 변형예〕
도 28은 제3 변형예에 관한 고주파 담금질 관리 시스템(4)의 구성도이다. 고주파 담금질 관리 시스템(4)은, 전술한 고주파 담금질 관리 시스템(1, 2, 3)과 비교하여 고주파 담금질 장치(10A)가 상이하다. 고주파 담금질 장치(10A)는, 도 28에 나타낸 바와 같이, 전기 회로적으로, 1개의 고주파 인버터(11)와, 고주파 인버터(11)의 출력 단자 사이와 접속되는 1개의 정합용의 컨덴서(12)와, 공작물(15A, 15B)을 각각 유도 가열하는 복수 개의 가열 코일(14A, 14B)과, 정합용의 컨덴서(12)와 각 가열 코일(14A, 14B)과의 사이에 각각 개재되는 복수 개의 전류 변성기(13A, 13B)와, 복수 개의 전류 변성기(13A, 13B)의 1차 입력측과 1개의 정합용의 컨덴서(12)와의 사이에 각각 개재되는 복수 개의 전환기(16a, 16b)로 구성되어 있다. 전류 변성기(13A, 13B)는, 어느 쪽도 고주파 인버터(11)에 대하여 정합용의 컨덴서(12)와 병렬 접속되는 1차 전류측 코일(13a)과, 가열 코일(14A, 14B)에 각각 병렬 접속되는 2차 전류측 코일(13b)로 구성되어 있다. 이하의 설명에서는, 도 28에 나타낸 바와 같이, 가열 코일(14A, 14B)과 전류 변성기(13A, 13b)와 전환기(16a, 16b)는 2개씩 구비하고 있는 경우를 설명하지만, 가열 코일이나 전류 변성기는 3개 이상 구비하고, 그에 대응하도록 전환기가 접속되어 있는 경우라도 마찬가지이다. 한쪽의 가열 코일(14A)과 한쪽의 전류 변성기(13A)에서의 2차 전류측 코일(13b)이 직렬 접속되고, 한쪽의 전류 변성기(13A)에서의 1차 전류측 코일(13a)이 한쪽의 전환기(16a)를 통하여 정합용의 컨덴서(12)에 병렬 접속되어 있다. 마찬가지로, 다른 쪽의 가열 코일(14B)과 한쪽의 전류 변성기(13B)에서의 2차 전류측 코일(13b)이 직렬 접속되고, 다른 쪽의 전류 변성기(13B)에서의 1차 전류측 코일(13a)이 다른 쪽의 전환기(16b)를 통하여 정합용의 컨덴서(12)에 병렬 접속되어 있다. 따라서, 한쪽의 공작물(15A)를 담금질 처리할 때는, 한쪽의 전환기(16a)를 ON으로 하고, 다른 쪽의 전환기(16b)를 OFF로 하면 되고, 마찬가지로, 다른 쪽의 공작물(15B)을 담금질 처리할 때는, 한쪽의 전환기(16a)를 OFF로 하고, 다른 쪽의 전환기(16b)를 ON으로 하면 된다. 전환기(16a, 16b)는 예를 들면, 도시하지 않은 스위치 제어부에 의해 설정 조건 데이터에 기초하여 제어된다. 제3 변형예로서 도시한 예에 있어서도, 고주파 담금질 장치(10A)는, 등가(等價) 회로적으로, 정합용의 컨덴서(12)와 가열 코일(14A, 14B)이 병렬 공진 회로를 포함하고 있다.
고주파 담금질 장치(10A)가, 도 28에 나타낸 바와 같이, 복수 개의 공작물(15A, 15B)을 1대의 고주파 인버터(11)로 유도 가열하는 경우에는, 담금질 감시부(20)는, 고주파 인버터(11)의 출력 전류를 검출하는 1개의 전류 센서(21)와, 각 가열 코일(14A, 14B)에서의 전압을 검출하는 복수 개의 전압 센서(22A, 22B)와, 전류 센서(21)의 검출 신호와 전압 센서(22A, 22B)의 검출 신호에 따라 담금질 감시를 행하는 제어부(23)와, 제어부(23)에 대하여 각종 제어 정보를 입력하고, 제어부(23)로부터 경고 신호를 받는 경고부(24)를 구비하고 있다. 즉, 담금질 감시부(20)는, 1개의 전류 센서(21)와, 가열 코일(14A, 14B)의 수와 같은 수의 전압 센서(22A, 22B)를 가진다.
고주파 담금질 장치(10A)는, 담금질 제어부(70)로부터 설정 조건 데이터로서 고주파 인버터(11)의 출력 제어 신호와 전환기(16)의 스위칭 제어 신호의 입력을 받으면, 이 설정 조건 데이터에 기초하여 고주파 인버터(11)로부터 고주파가 출력되는 동시에 전환기(16a, 16b)의 스위칭이 행해진다. 1개의 전류 센서(21)가 고주파 인버터(11)와 정합용의 컨덴서(12)와의 사이의 폐회로와 접속되어 있고, 각 전압 센서(22A, 22B)가 가열 코일(14A, 14B)과 2차 전류측 코일(13b, 13b)과의 사이의 폐회로에 각각 접속된다. 따라서, 담금질 감시부(20)에는 전류 센서(21)로부터의 검출 신호와 각 전압 센서(22A, 22B)로부터의 검출 신호가 입력되고, 따라서, 각 담금질 처리에 관한 측정 데이터가 입력된다.
그래서, 제3 변형예에 관한 고주파 담금질 관리 시스템(3)에 있어서도, 데이터 수집부(80)가, 담금질 제어부(70)로부터 설정 조건 데이터를 입수하고, 담금질 제어부(70)를 경유하여 담금질 감시부(20)로부터 측정 데이터를 입수하고, 고주파 담금질 장치(10A)로부터 직접 또는 담금질 제어부(70)를 통하여 검출 데이터를 입수하고, 설정 조건 데이터, 측정 데이터 및 검출 데이터를 공작물(15A, 15B)마다 관련지어 담금질 처리마다 데이터베이스화하여 보존한다. 그리고, 제1 변형예와 같이, 데이터 수집부(80)가 직접 담금질 감시부(20)로부터 측정 데이터를 입수해도 된다. 그 이외의 데이터의 교환에 대해서는 전술한 바와 마찬가지이므로, 설명을 생략한다.
도 1, 도 26 내지 도 28에 나타낸 어느 쪽의 고주파 담금질 관리 시스템 (1)~시스템(4)의 어느 것에 있어서도, 데이터 수집부(80)에는, 담금질 제어부(70)로부터 입수한 설정 조건 데이터와, 담금질 감시부(20)로부터 직접 또는 간접적으로 입수한 측정 데이터와, 고주파 담금질 장치(10A)로부터 직접 또는 간접적으로 입수한 검출 데이터가 일원적으로 데이터베이스화되어 보존된다. 여기서, 담금질 제어부(70), 데이터 수집부(80), 담금질 감시부(20)에서의 데이터 항목에 대하여 일례를 든다.
담금질 제어부(70)에는, 설정 조건 데이터로서, 담금질 처리 넘버, 담금질 일시, 담금질 시간, 담금질 개시 시에서의 공작물의 위치 정보, 공작물의 가열 코일로의 전송 속도, 고주파 인버터(11)의 출력 설정값, 공작물의 냉각액 분사의 유무에 관한 지령 정보, 공작물의 회전 속도 등이 저장된다.
데이터 수집부(80)에 저장되는 데이터, 즉 검출 데이터로서는, 담금질 제어부(70)로부터 고주파 담금질 장치(10, 10A)에 설정 조건 데이터가 출력되는 결과로서, 고주파 담금질 장치(10, 10A)의 각종 센서, 예를 들면, 센서(11a), 유량 센서(102, 115), 온도 센서(116), 측정부(117)로부터 출력되는 데이터 등이 있다. 여기서, 각종 센서에는 고주파 담금질 장치(10, 10A)에 입수되는 각종 계기도 포함된다. 검출 데이터의 항목으로서는, 예를 들면, 담금질 처리 넘버, 담금질 일시, 담금질 시간, 담금질 개시 시에서의 공작물의 위치 정보, 고주파 인버터(11)의 출력 전력, 담금질액의 유량, 공작물의 회전수 등이 있다.
담금질 감시부(20)에 저장되는 데이터로서는, 전류 센서(21), 전압 센서(22)로부터의 검출 신호를 샘플하기 위한 트리거의 일시, 전류 센서(21) 및 전압 센서(22)의 실효값의 순간값이나 시계열값, 판정부(23d)에서의 판정 결과 등이 있다. 신호 처리부(23c)가 임피던스를 구한 경우에는, 담금질 감시부(20)에 저장되는 데이터에는, 임피던스의 순간값이나 시계열값, 임피던스에 의한 판정부(23d)에서의 판정 결과 등도 포함된다.
따라서, 데이터 편집부(90)에는, 담금질 제어부(70), 데이터 수집부(80) 및 담금질 감시부(20)가 저장되어 있는 데이터가 모아지고, 표 계산 소프트웨어 등에 의해, 데이터 종류가 인위적으로 확인된다. 그 때 데이터가 인위적으로 편집되어 담금질 처리마다, 담금질 시간, 담금질 개시 시의 공작물의 위치, 고주파 전력, 담금질액의 유량, 공작물의 회전수가 정리되고, 이들 데이터가 인위적으로 확인된다. 물론, 담금질 처리 넘버를 제외한 각 데이터 항목에는 허용 범위로 되는 조건이 설정됨으로써, 담금질 처리마다, 담금질의 품질을 관리할 수도 있다.
이상과 같이, 데이터 수집부(80)가, 예를 들면, 어떤 공작물의 담금질 처리에 관한 설정 조건 데이터와, 고주파 인버터(11)와 가열 코일(14)과의 사이에 구성되는 전기 회로에서의 전기량의 측정 데이터, 가열 코일(14)용 냉각수의 유량 데이터, 담금질액의 유량 데이터, 온도 데이터, 냉각능 데이터 등의 각종 검출 데이터를, 데이터베이스화한다. 또한, 담금질 처리마다, 설정 조건 데이터와 측정 데이터와 검출 데이터가 관련지어 보존된다. 따라서, 데이터 수집부(80)로부터 보존되어 있는 데이터를 판독함으로써, 담금질 조건과 실제로 담금질되어 있을 때의 각종 상태를 공작물마다 관련지어, 종합적인 담금질 관리를 행할 수 있다.
본 발명은, 발명의 요지를 변경시키지 않는 범위에서 변경할 수 있다. 예를 들면, 데이터 편집부(90)에서는, 담금질 제어부(70)에 저장되어 있는 설정 조건 데이터와 담금질 감시부(20)가 측정한 측정 데이터를 관련되어 데이터베이스화해도 된다.
도 1이나 도 28에 나타낸 고주파 담금질 장치(10, 10A)에서의 전기 회로의 구성은 일례이며, 임의로 변경해도 된다. 또한, 고주파 담금질 장치(10, 10A)에 설치하는 각종 센서는 도 2 등에 나타낸 것 이외의 것이어도 된다.
1, 2, 3, 4: 고주파 담금질 관리 시스템
3A, 3B, 3C: 고주파 담금질 시스템
10, 10A, 10B: 고주파 담금질 장치
11: 고주파 인버터
11a: 센서
12: 정합용의 컨덴서
13, 13A, 13B: 전류 변성기
13a: 1차 전류측 코일
13b: 2차 전류측 코일
14, 14A, 14B, 61: 가열 코일
15, 15A, 15B: 공작물(피가열재)
16, 16a, 16b: 전환기
20: 담금질 감시부
21: 전류 센서
22, 22A, 22B: 전압 센서
22a, 22b, 22c, 22d: 전압 센서의 단부
23: 제어부
23a: 전류 검출부
23b: 전압 검출부
23c: 신호 처리부
23d: 판정부
23e: 표시부
24: 경고부
30: 전압 측정 회로
31: 제1 연산 증폭기
32: 제2 연산 증폭기
33: 필터 회로
34: 입력 저항
35: 제1 다이오드
36: 제2 다이오드
37, 38, 39, 40, 41: 저항
42: 컨덴서
50: 공작물
51: 봉형 베이스부
52: 연장부
53: 상면
61a: 반원 주위부
61b: 직선부
70: 담금질 제어부
71: 입력부
72: 기억부
73: 출력부
74: 입출력 제어부
80: 데이터 수집부
90: 데이터 편집부
100: 제1 냉각계
101: 냉각액용 탱크
102, 115: 유량 센서
103, 114: 펌프
110: 제2 냉각계
111: 쟈켓
112: 회수부
113: 탱크
113a: 가열부
116: 온도 센서
117: 측정부

Claims (9)

  1. 고주파 인버터에 컨덴서와 가열 코일이 접속되어 구성된 고주파 담금질 장치와 접속되고, 상기 고주파 인버터로부터 상기 가열 코일에 흐르는 고주파에 의해 공작물을 가열하는 한편, 상기 공작물에 담금질 액을 분사하여 공작물을 냉각하는 것으로 행해지는 담금질 처리를 관리하는 고주파 담금질 관리 시스템으로서,
    상기 고주파 담금질 장치에 관한 설정 조건 데이터의 출력에 의해 상기 고주파 담금질 장치를 제어하는 담금질 제어부;
    상기 고주파 인버터와 컨덴서와 상기 가열 코일을 포함하여 구성되는 전기 회로에서의 전기량을 측정 데이터로서 계측하고, 담금질 상태를 감시하는 담금질 감시부; 및
    상기 고주파 담금질 장치가 상기 담금질 제어부로부터 출력된 설정 조건 데이터에 기초하여 공작물을 담금질한 때에 상기 공작물에 분사시킨 담금질 액의 온도, 유량, 및 냉각 기능 중 어느 하나 또는 복수의 데이터를 상기 고주파 담금질 장치에 있어서의 각종 센서로부터 수집하는 한편, 상기 담금질 감시부로부터 측정 데이터를 수집하고, 수집한 상기 각종 센서의 데이터와 상기 측정 데이터를 관련지어 보존하는 데이터 수집부
    를 포함하는, 고주파 담금질 관리 시스템.
  2. 고주파 인버터에 컨덴서를 개재(介在)하여 전류 변성기의 1차 코일이 접속되고, 또한 상기 전류 변성기의 2차 코일에 가열 코일이 접속되어 구성된 고주파 담금질 장치에 접속되며, 상기 가열 코일 근방에 배치되어 있는 공작물에 대한 담금질을 관리하는 고주파 담금질 관리 시스템으로서,
    상기 고주파 담금질 장치에 관한 설정 조건 데이터의 출력에 의해 상기 고주파 담금질 장치를 제어하는 담금질 제어부;
    상기 고주파 인버터와 상기 컨덴서와의 배선에 전기적으로 접속한 전류 센서에 의해 상기 고주파 인버터로부터 흐르는 출력 전류를 계측하고, 또한, 상기 가열 코일에 병렬로 접속된 전압 센서에 의해 상기 가열 코일에 발생하는 전압을 계측함으로써, 담금질 상태를 감시하는 담금질 감시부; 및
    상기 고주파 담금질 장치가 상기 담금질 제어부로부터 출력된 설정 조건 데이터에 기초하여 공작물을 담금질한 때의 상기 고주파 담금질 장치에 있어서의 각종 센서의 데이터를 수집하는 한편, 계측한 출력 전류 및 전압 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 상기 담금질 감시부로부터 측정 데이터로서 수집하고, 수집한 상기 각종 센서의 데이터와 상기 측정 데이터를 관련지어 보존하는 데이터 수집부
    를 포함하는, 고주파 담금질 관리 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 측정 데이터는, 상기 고주파 인버터의 출력 전류와 상기 가열 코일에 발생하는 전압을 포함하고 있는, 고주파 담금질 관리 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 담금질 감시부는, 상기 고주파 인버터의 출력 전류로부터 실효값을 산출하고, 상기 가열 코일에 생기는 전압으로부터 실효값을 산출하여, 산출한 각각의 실효값에 기초하여 담금질 처리를 감시하는, 고주파 담금질 관리 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 담금질 감시부는, 상기 고주파 인버터의 출력 전류로부터 실효값을 산출하고, 상기 가열 코일에 생기는 전압으로부터 실효값을 산출하여, 산출한 각각의 실효값으로부터 부하 임피던스를 산출하는, 고주파 담금질 관리 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 담금질 감시부와 상기 담금질 제어부는, 서로 통신 수단을 경유하여 접속되어 있는, 고주파 담금질 관리 시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 데이터 수집부는, 상기 담금질 감시부 및 상기 담금질 제어부 중 적어도 어느 하나와 통신 수단을 경유하여 접속되어 있는, 고주파 담금질 관리 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 데이터 수집부는, 상기 담금질 감시부 및 상기 담금질 제어부 중 적어도 어느 하나와 통신 수단을 경유하여 접속되어 있는, 고주파 담금질 관리 시스템.
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