專利名稱：多頭感應(yīng)加熱系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及感應(yīng)加熱器，尤其涉及具有多個(gè)頭的感應(yīng)加熱系統(tǒng)。
感應(yīng)加熱是一種用于在一種感敏的金屬物體上的某一定位區(qū)域產(chǎn)生熱的眾所周知的方法。感應(yīng)加熱涉及到將交流電信號加在置于待加熱的金屬物體上或其周圍的特定位置附近的加熱線圈或回路上。該回路內(nèi)的變化的電流或交變電流在待加熱的金屬內(nèi)產(chǎn)生變化的磁通。在金屬內(nèi)通過磁通感應(yīng)電流，從而使該金屬被加熱。感應(yīng)加熱可以用于多種不同目的，包括固化粘接、金屬淬火，銅焊、軟焊，以及其它制造過程，在這些過程中熱是一種必需或所希望的附加劑或請求。
現(xiàn)有技術(shù)充滿了被設(shè)計(jì)用于一種感應(yīng)加熱系統(tǒng)中的電氣或電子電源，很多感應(yīng)加熱系統(tǒng)具有反相電源(inverter power supply)。這種反相電源通常產(chǎn)生高頻信號，一般在千赫到兆赫范圍，以便適用于工作線圈。由于通常有一個(gè)頻率，在這個(gè)頻率上，相對于所做的功加熱是最有效的，因此，一些現(xiàn)有技術(shù)反相電源在一種所選頻率上工作以便使加熱最佳化。熱強(qiáng)度還取決于所產(chǎn)生的磁通，因此，有些現(xiàn)有技術(shù)感應(yīng)加熱器控制提供給加熱線圈的電流，從而企圖控制所產(chǎn)生的熱。
代表具有反相器的感應(yīng)加熱系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)例子是Mitchell在1978年3月30日發(fā)表的美國專利No.4092509。Mitchell揭示了許多用于驅(qū)動感應(yīng)加熱器的反相電路。這些電路被設(shè)計(jì)工作在20-50千赫范圍，據(jù)說使感應(yīng)加熱效率達(dá)到最大值。在Mitchill揭示控制磁通量大小，從而控制由感應(yīng)加熱器產(chǎn)生的熱的范圍，使用開關(guān)以便在1-2個(gè)反相電路之間選擇。例如，在圖4中，開關(guān)404和407分別移動到位置404A和407A，或位置404B和408B，以便在高電能輸出和低電能輸出之間選擇。
其中輸出是通過打開和關(guān)閉反相電源而被控制的另一類型感應(yīng)加熱器被公布在由Porterfield等人在1969年10月28日發(fā)表的美國專利No.3475674號文獻(xiàn)中。由Porterfield所描述的該感應(yīng)加熱器的平均輸出電能根據(jù)反相器關(guān)閉的時(shí)間與反相器開啟的時(shí)間的比率而變化。
利用反相電源的另一熟知的感應(yīng)加熱器在由Mittelmann于1974年6月11日發(fā)表的美國專利No.3816690文獻(xiàn)中被描述。Mittelmann描述一種具有可變頻的反相電源的感應(yīng)加熱器。據(jù)說該反相器的工作頻率被選擇用來在反相器的輸出和用來加熱工件的感應(yīng)元件之間提供最大的能量傳輸效率。為了給工件提供適當(dāng)數(shù)量的熱，Mittelmann監(jiān)控輸送到反相器輸出的瓦-秒。根據(jù)所測量的瓦-秒，Mittelmann有選擇地使反相器開啟和關(guān)閉。因此，由感應(yīng)加熱器所傳送的平均熱被控制。
每一個(gè)控制由任何一個(gè)感應(yīng)加熱器所傳送的電能的以上方法在頻率上不可調(diào)節(jié)以及/或者不能充分控制熱量或由該加熱器傳送給工件的電能。在美國專利號5343023和5504309號文獻(xiàn)(也轉(zhuǎn)讓當(dāng)前受讓人)中所描述的現(xiàn)有技術(shù)感應(yīng)加熱器提供了頻率控制和控制傳送給工件的熱和功能的方法。這些感應(yīng)加熱系統(tǒng)包括一個(gè)感應(yīng)頭、一個(gè)電源和一個(gè)控制器。它們已成組地被使用，其中，在感應(yīng)頭、電源和控制器之間存在著一一對應(yīng)關(guān)系。
感應(yīng)加熱器一種用途是固化(或部分固化)汽車制造工業(yè)中的粘著劑。粘著劑提供在汽車部件例如門的周圍。如在此處使用的周邊，意思是接近離開工作中心的邊沿，即外加粘著劑的地方。感應(yīng)加熱器是用來通過加熱鄰接粘著劑的門固化(或在某些情況下局部固化)粘著劑。在固化過程期間，具有被配置在周邊的粘著劑的門放置在套槽(nest)中，并且感應(yīng)頭部被放置在工件周圍并且/或者非常接近于該工件。然后電能被提供給感應(yīng)頭，這些感應(yīng)頭加熱靠近感應(yīng)頭的門的部分，并且粘著劑被固化或局部固化到所希望的程度。這些粘著劑含有加到該粘著劑的、由感應(yīng)直接加熱的金屬物質(zhì)。
為了正確地固化該粘著劑，由感應(yīng)頭傳送給工件的能量大小必須適當(dāng)?shù)乇豢刂?。該能量尤其取決于傳送到感應(yīng)頭的能量、感應(yīng)頭中的能耗，以及感應(yīng)頭對工件的相對位置(影響耦合)。但是，在許多應(yīng)用中，尤其是在這些應(yīng)用中，例如汽車應(yīng)用，從感應(yīng)頭到工件的距離難以精確控制，從感應(yīng)頭到工件的距離可以在該工件上不同位置變化。因此，也許難以控制被傳送的能量或者難以將能量平均地加到被加熱的工件的不同位置。
至少有二種現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)用于感應(yīng)加熱一個(gè)大的工件。一種是提供一個(gè)通常被構(gòu)成與被固化的部件的形狀相一致的感應(yīng)線圈。因此，該部件的整個(gè)周邊(例如汽車門)被加熱，而粘著劑則沿著這個(gè)周邊被固化。另一種結(jié)構(gòu)是具有若干個(gè)感應(yīng)頭，每個(gè)頭固化周邊的一個(gè)點(diǎn)(部位)或被選擇的部分，并且每個(gè)頭與單個(gè)電源串聯(lián)連接。這二種結(jié)構(gòu)(布局)都在美國專利號4950348文獻(xiàn)中被描述。
但是，這二種結(jié)構(gòu)都有顯著的缺陷。二者都提供單一的電流(或者給一個(gè)感應(yīng)頭的每一部分，或者給若干感應(yīng)頭的每一個(gè))。如果該門或其它部件不是精確地位于套槽內(nèi)，則感應(yīng)頭相對于工件的距離將可以沿著該部件周邊變化，并且傳送給工件的熱(或者是能或者是電能)在該工件周圍不均勻，因此，沒有獲得所希望的加熱?！包c(diǎn)固化”結(jié)構(gòu)也是不希望的，因?yàn)樗且袒麄€(gè)周邊，因此，該固化是不均勻的。
因此，最好是提供一種使用多感應(yīng)頭的感應(yīng)加熱工件的方法和裝置，每個(gè)感應(yīng)頭可以單獨(dú)地被控制以便提供所希望的熱。另外，這種方法和裝置最好能夠感應(yīng)地加熱一個(gè)工件的整個(gè)周邊。此外，最好是多感應(yīng)頭加熱能單獨(dú)被控制的周邊，這樣就可以獲得更均勻的加熱。
另外，用于該感應(yīng)加熱區(qū)域的現(xiàn)有技術(shù)控制器未提供適當(dāng)?shù)娜毕莞婢?。通?，F(xiàn)有技術(shù)只提供缺陷燈，如果在加熱周期內(nèi)缺陷被檢出，則在該加熱周期內(nèi)該缺陷燈亮。當(dāng)該缺陷燈能足以指示問題存在時(shí)，它不干別的，只顯示該問題是什么或者該問題如何能修正。
另外，最好提供一個(gè)感應(yīng)加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供缺陷檢測并記錄這些缺陷以便可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一個(gè)用于感應(yīng)加熱工件的系統(tǒng)包括一個(gè)控制器和若干個(gè)接收并向該控制器發(fā)送信號的電源。若干感應(yīng)頭從多個(gè)電源中的一個(gè)電源接收電能(power)。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，感應(yīng)頭要與待固化(cured)的工件的相鄰段對準(zhǔn)。在一個(gè)替換的方案中，感應(yīng)頭將橫跨該工件的周邊。在相鄰感應(yīng)頭之間的間隙小于相鄰感應(yīng)頭的尺寸的一半，并且最好是感應(yīng)鄰接或基本上鄰接。
本發(fā)明的第三方面是，該控制器和每個(gè)電源包含用于控制傳送到工件各段的電能的反饋。在另一實(shí)施例中，該反饋可以以提供給感應(yīng)頭的電流或電能為基礎(chǔ)，或者以提供給工件的電能為基礎(chǔ)。
本發(fā)明的第四方面是用于感應(yīng)地加熱一個(gè)工件的方法。該方法包括將多個(gè)感應(yīng)頭與該工件的相鄰各段對準(zhǔn)，并將電能提供給每個(gè)感應(yīng)頭，其中，相鄰感應(yīng)頭之間的間隙小于相鄰感應(yīng)頭的尺寸的一半。在其它實(shí)施例中，感應(yīng)頭連接一個(gè)或多個(gè)電源并且每個(gè)電源被控制。
本發(fā)明的第五方面包括以上的方法，該方法包含這一步驟，即將感應(yīng)頭與待固化的工件的周邊的相鄰各段對準(zhǔn)，并橫跨該工件的周邊。反饋用來控制本發(fā)明的另一方面中的每一感應(yīng)頭。在另一實(shí)施例中，該反饋可以以傳送到感應(yīng)頭的電流或電能為基礎(chǔ)，或以傳送到該工件的電能為基礎(chǔ)。
本發(fā)明的另一方面是一個(gè)連續(xù)的被分段的周邊感應(yīng)加熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以包含反饋，并且可以覆蓋該工件的整個(gè)周邊

圖1是一種感應(yīng)加熱器的方框圖；圖2是一個(gè)在圖1中所示的電源反相器(power inverter)的電路圖；圖3是一個(gè)示于圖1的頻率反相器的電路圖；圖4是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)造的多頭感應(yīng)加熱器的方框圖；圖5是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明示出控制器工作的流程圖。
在詳細(xì)地解釋本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例之前，應(yīng)該懂得，本發(fā)明在它的應(yīng)用中不限于結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)和在下面說明中所陳述的或在附圖中舉例說明的元件的布局。本發(fā)明可以是其它實(shí)施例，即以各種方式被實(shí)踐或執(zhí)行的實(shí)施例，并且還應(yīng)懂得這些最佳實(shí)施例只不過是許多實(shí)施例的一部分。也應(yīng)懂得這里所使用的用語和術(shù)語是用于說明之目的，并且不應(yīng)被認(rèn)為是限定。
本發(fā)明涉及一種例如人們用來固化粘著劑以便將金屬片粘附到另一物體的感應(yīng)加熱器和加熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以包含多感應(yīng)頭和電源以便提供對傳送到該工件的能量的控制，并且最好包含一個(gè)故障檢測和記錄系統(tǒng)。
通常，根據(jù)本發(fā)明，具有多電源和一個(gè)單一控制器的多感應(yīng)頭的使用可能同各種各樣的反饋機(jī)構(gòu)和控制器有關(guān)系。然而，為了完整性之目的，一個(gè)控制器和電源電路的例子將在下面被說明。所說明的特殊的控制器和反饋系統(tǒng)不應(yīng)認(rèn)為是限定。
參照圖1，通常編號為100的感應(yīng)加熱器包括一個(gè)電源反相器102，一個(gè)輸出反相器104，一個(gè)感應(yīng)頭106，一個(gè)控制器108，以及耦合器110和112。圖1中還示出一個(gè)感應(yīng)頭100將其加熱的工件116，以及一個(gè)直流電源114。
在工作中，電源反相器102接收來自直流電源114的直流電能(power)。另一方面，該電源可以是一個(gè)交流電源，并且可以提供一個(gè)整流器，這樣使得電源反相器102接收整流的交流電。然后電源反相器102將直流電信號反相，并且調(diào)制被反相的信號(也叫做該反相器信號的相位控制)以便控制被反相的信號脈沖寬度，而在第一頻率處提供一個(gè)交流信號，該第一頻率高到足以快速響應(yīng)反饋信號(但最好不要快到對反相器元件引起應(yīng)力)。然后耦合器110對交流信號整流以便提供一個(gè)具有取決于該交流信號電源反相器102的脈沖寬度或相位調(diào)制的幅度的第二直流信號。
該經(jīng)二直流信號，耦合器110的輸出，被加到輸出反相器(inverter)104。輸出反相器104使所選的該直流信號一個(gè)頻率反相以便使給定的被使用的感應(yīng)頭的加熱最佳化。該頻率可以是工廠設(shè)定，用戶可調(diào)節(jié)，或者取決于輸出電路(包括感應(yīng)線圈和電容器)的LC時(shí)間常數(shù)。交流信號的幅度取決于直流輸入信號的幅度，從而對電源反相器102的脈沖寬度調(diào)制很敏感。該交流信號通過耦合器112被傳輸并被加到感應(yīng)頭106。
交流電流經(jīng)過感應(yīng)頭106在工作116中感應(yīng)電流，因此使工件116在鄰近感應(yīng)頭106的位置加熱。在工件116中所產(chǎn)生的熱強(qiáng)度取決于在該工件中所感應(yīng)的磁通量。而磁通又對由輸出反相器104所提供的信號幅度產(chǎn)生響應(yīng)，從而也對電源反相器102的相位調(diào)制產(chǎn)生響應(yīng)?？刂破?08被提供用來控制電源反相器102的脈寬調(diào)制和輸出反相器104的工作頻率。
現(xiàn)在參照圖2，電源反相器102與三相整流器202一起示出。電源反相器102被示出，包含多個(gè)MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)Q1-Q4，多個(gè)電容器C1-C10，多個(gè)二極管D1-D8，多個(gè)電阻器R1-R7以及一個(gè)電感器L1。是耦合器110的一部分的變壓器T1也被示出。在工作中，通過整流一個(gè)460伏三相交流信號，三相整流器202最好提供在1200伏時(shí)高達(dá)100安。
通常，存在二個(gè)互斥電流通路以便提供經(jīng)過變壓器T1首先在一個(gè)方向然后經(jīng)過變壓器T1的初級在相反方向流動的電流。該電流通路是首先，經(jīng)過MOSFET#Q1、電容器C5、變壓器T1的初級、MOSFET Q4從三相整流器202的正輸出起，然后返回到該整流器的負(fù)輸出；第二，從電容器C5起，經(jīng)過MOSFET Q2， MOSFET Q3，變壓器T1的初級，然后返回到電容器C5。三個(gè)通路通過開啟MOSFET Q1和Q4和關(guān)閉MOSFET Q2和Q3，或相反地，通過開啟MOSFET Q2和Q3，關(guān)閉MOSFET Q1和Q4被選擇。
在工作中，電容器C5被充電到大約325伏，即650伏電源電壓的一半。因此，當(dāng)MOSFET Q1和Q4開啟時(shí)，忽略MOSFET Q4和Q1之間的壓降，大約325伏(650伏電源電壓減去電容器C5兩端的325伏電壓)被加到變壓器T1的初級，該變壓器T1的初級的上端相對于下端為正。
當(dāng)MOSET Q2和Q3開啟和MSFET Q1和Q4關(guān)閉時(shí)，大約325伏以相反方向被加到變壓器T1的初級兩端。電容器C6-C9被提供以便將MOSFET Q2和Q3之間的電壓與325伏，即整流輸入的一半電壓相連接。當(dāng)MOSFET Q2和Q2開時(shí)，MSFET Q2和電容C5之間的電壓被連接到MOSFET Q2、Q3以及電容C6-C9的公共節(jié)點(diǎn)的電壓，即大約325伏。8微法大電流聚丙烯電容器C5兩端電壓為325伏，并且由于電容器C5是大電容量，該電壓將不會快速改變。因此，被加到變壓器T1初級頂端的電壓為零伏。325伏也經(jīng)過MOSFET Q3和電容器C6-C9加到變壓器T1的初級的底部。因此，開啟MOSFET Q2和Q3導(dǎo)致325伏被加到變壓器T1，而通過開啟MOSFET Q1和Q4將325伏反向加到變壓器T1-為了進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，或相位控制加到變壓器T1的初級的信號，MOSFET Q1和Q2以恒定頻率開啟和關(guān)閉，最好大約為50千赫。MOSFET Q1和Q2為180°異相，并且每一個(gè)具有50％的負(fù)載周期。MSFET Q3和Q4也有50％的負(fù)載周期，并且彼此異相180°。MOSFETQ3和Q4也分別從動于MOSFET Q2和Q1，在這方面，它們可以相對于MOSFET Q1和Q2開啟的各自時(shí)間從零到異相180°開啟。因?yàn)橹挥挟?dāng)MOSFET Q1和Q4二者都開啟，或當(dāng)MOSFET Q2和Q3二者都開啟時(shí)一個(gè)脈沖才被加到變壓器T1的初級，MOSFET Q4相對于MOSFET Q1的相位，以及MOSFET Q3相對于MOSFET Q2的相位將決定加到變壓器T1的初級的信號的脈沖寬度。因?yàn)镸OSFET Q3和Q4彼此異相180°。它們每一個(gè)以相同數(shù)量分別相對于MOSFET Q2和Q1異相。
例如，當(dāng)MOSFET Q3相對于(同相于)MOSFET Q2為零度異相時(shí)，MOSFET Q3將在MOSFET Q2被打開的整個(gè)半周期內(nèi)開啟，并且該全半周期脈沖將被加到變壓器T1的初級。而且，如果MOSFET Q3與MOSFET Q2同相，那么MOSFET Q4將與MOSFET Q1同相，并且其它全半周期脈沖也將被提供給變壓器T1的初級。相反地，當(dāng)MOSFET Q3相對于MOSFET Q2異相180°時(shí)，在MOSFET Q2打開的整個(gè)半周期，MSFET Q3關(guān)閉，并且，將沒有脈沖加到變壓器T1的初級。再者，MOSFET Q4相對于MOSFET Q1也異相180°，并且在其它半周期將沒有脈沖被提供。
通常，由于MOSFET Q3以MOSFET Q4相對于MOSFET Q1異相的相同數(shù)量相對于MOSFET Q2異相，在穩(wěn)態(tài)工作中，相反極性脈沖將具有相同寬度。因此，被加到變壓器T1初級的325伏脈沖寬度取決于MOSFET Q4相對于MOSFET Q1的相位以及MOSFET Q3相對于MOSFET Q2的相位。
因此，為了控制電源反相器102的總電流輸出，可以包含一個(gè)常規(guī)脈沖寬度調(diào)制器的控制器108將信號加到MOSFET Q1-Q4的柵極，并控制MOSFET Q3和Q4相對于MOSFET Q2和Q1的相位。另一方面，控制器108可以包括例如從Harris半導(dǎo)體得到的CMOS 4098雙定時(shí)器的多個(gè)定時(shí)器以及一個(gè)觸發(fā)器，以便提供對MOSFET Q1和Q2的控制。為了提供從動于Q2和Q1的MOSFET Q3和Q4的控制，可以使用一個(gè)比較器，使其輸出連接到一個(gè)觸發(fā)器，并且像輸入那樣具有一個(gè)鋸齒波發(fā)生器和一個(gè)具有取決于MOSFET Q1/Q2和Q4/Q3之間的所希望的相位差的幅度的信號。因此，脈沖可以是窄的或?qū)挼?，即使在穩(wěn)態(tài)工作中，所有的MOSFET都有50％的負(fù)載周期，以便有助于保證所產(chǎn)生的高熱不出現(xiàn)在MOSFET Q1-Q4中，以便保護(hù)這些元件。也許可望提供一個(gè)靜帶(死區(qū))，其中，例如Q1或Q3的開啟分別從Q2或Q4的關(guān)閉起稍微被延遲，這樣使得Q1或Q3開啟之前，Q2或Q4將完全關(guān)閉。
電容器C1-C4是小聚丙烯緩沖電容器，而二極管D1-D6和電阻器R5、R6是被提供用來保護(hù)MOSFET Q1-Q4。電容器C6和C8是大的電解電容器，通常為1700微法，并且在MOSFET Q2和Q3的公共節(jié)點(diǎn)處將由三相整流器202所提供的電壓分離成一半電源電壓。電容器C7和C9是8微法大電流聚丙烯電容器，被提供用來濾波由MOSFET Q2和Q3的公共節(jié)點(diǎn)所看到的電壓。二極管D7、D8和電阻器R7、電感器L1與電容器C10一起被提供用來防止MOSFET Q2和Q3的公共節(jié)點(diǎn)的失衡。特別是，當(dāng)電容器C6和C7在它們兩端具有不同于電容器C8和C9所具有的電壓，電感器L1作為一個(gè)溢失電感器，并且使電容器C6和C7兩端的電壓變成等于電容器C8和C9兩端的電壓。電阻器R1-R4保護(hù)MOSFET Q1-Q4的柵極。
現(xiàn)在參照圖3，耦合器110，輸出反相器104、耦合器112和感應(yīng)頭106被示出。耦合器110包括變壓器T1、多個(gè)二極管D9-D12，一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器VR1，以及一個(gè)電容器C11。
變壓器T1的初級連接到電源反相器102的輸出。如上所述，變壓器T1的初級接收一個(gè)在所希望的頻率處(這里舉例說明大約為50千赫)的脈沖寬度調(diào)制的交流信號。該脈沖寬度如上所述由相位控制器108所確定。變壓器T1的次級被連接到一個(gè)由對交流信號整流的二極管D9-D12組成的二極管電橋。被整流的信號被加到電容器C11使其兩端產(chǎn)生電壓。電壓調(diào)節(jié)器VR1被提供用以確保電容器C11兩端的電壓不大于被選擇用來保護(hù)該反相器的元件的一個(gè)預(yù)定的限定。電容器C11兩端的電壓直接對在變壓器T1的次級所感應(yīng)的總電流起反應(yīng)，該電流對由電源反相器102所產(chǎn)生的脈沖寬度起反應(yīng)。電容器C11兩端的直流電壓被提供作為直流輸入到輸出反相器104。
輸出反相器104可以是能工作在一個(gè)預(yù)定的或用戶可調(diào)節(jié)的頻率的常規(guī)反相器，例如，該頻率在10千赫和1兆赫之間，但最好在25千赫和50千赫之間。該頻率范圍可以高或低，取決于使用所要求的感應(yīng)加熱器。因此，輸出反相器104可以包括晶體管Q10-Q13和電容器C12-C17。晶體管Q10和Q12一致地開啟和關(guān)閉，以及晶體管Q11和Q13一致地開啟和關(guān)閉。而且，任何時(shí)候，晶體管Q10和Q12開啟，則晶體管Q11和Q13將關(guān)閉。也許在那里必需提供一個(gè)靜帶(死區(qū))，在開啟一對晶體管之前，允許另一對晶體管關(guān)閉?？刂破?08提供適當(dāng)?shù)拈_和關(guān)的信號給晶體管Q10-Q13的柵極。電容器C12和C15-C17被提供以便當(dāng)晶體管Q10-Q13被斷開時(shí)消除開關(guān)損耗。電容器C13和C14被提供以便阻塞直流電流經(jīng)過輸出變壓器T3，以防止變壓器T3的飽和。
輸出反相器104的輸出被提供給耦合器112。耦合器112包括一個(gè)電流反饋設(shè)備301，該設(shè)備是一個(gè)具有60匝次級和單匝初級的環(huán)形鐵氧體磁芯。該單匝初級被連接到變壓器T3的初級。電流反饋設(shè)備301的輸出提供給按常規(guī)方式調(diào)節(jié)電源反相器102的脈寬的控制器108。另外，電流反饋、電壓反饋可以提供給控制器108。然后控制器108確定傳送到感應(yīng)頭106的電能(電壓乘以電流)。
由于感應(yīng)頭的電阻，控制器108也可以確定在該感應(yīng)頭106中的熱損耗，它是電流的平方乘以感應(yīng)頭106的電阻。被傳輸?shù)碾娔芎驮诟袘?yīng)頭中的功耗之間的差等于傳輸?shù)焦ぜ?16的電能。該乘法可以使用例如從Burr Brown買到的一種MPY634KP芯片的熟知的乘法器芯片進(jìn)行，而減法可以使用運(yùn)算加法器(opamp)執(zhí)行。輸出反相器104的輸出經(jīng)過最好可以是同軸變壓器的變壓器T3上的初級繞組被提供，并在變壓器T3的次級繞組中感應(yīng)電流，該次級繞組是被加在一個(gè)實(shí)施例中的感應(yīng)頭106的二匝環(huán)路。在此，當(dāng)輸出反相器104經(jīng)過變壓器T3的初級在該工作頻率上驅(qū)動電流，則在感應(yīng)頭106感應(yīng)相同頻率的電流，從而加熱工件116。
本發(fā)明也將以不同于上述特定的反饋機(jī)構(gòu)的反饋機(jī)構(gòu)順利地工作，例如，在該工件上可以使用溫度監(jiān)控器。另一方面，在現(xiàn)有技術(shù)中所描述的感應(yīng)頭或電源，或反饋系統(tǒng)的其它特性(電流、電壓、功和能的各種組合)可以使用。因此，當(dāng)精確機(jī)構(gòu)對本發(fā)明不重要時(shí)，本發(fā)明期待以實(shí)際上任何反饋機(jī)構(gòu)而被使用。
現(xiàn)在參照圖4，一個(gè)根據(jù)本發(fā)明制成的多頭感應(yīng)加熱系統(tǒng)已示出。所示的典型系統(tǒng)與多個(gè)感應(yīng)頭403A-403H一起用來固化汽車門的周邊或該周邊各部分。感應(yīng)頭403A-403H是這樣構(gòu)成的，以便與該工件的周邊對準(zhǔn)，(本例中的門401)。每一個(gè)感應(yīng)頭403A-403H被連接到匹配變壓器402A-402H。
每一個(gè)匹配變壓器402A-402H被連接到電源405A-405H。每個(gè)電源405A-405H包括用來接收輸入電能和提供適當(dāng)?shù)慕涣餍盘柦o匹配變壓器和感應(yīng)頭的電路系統(tǒng)，該電路系統(tǒng)將信號與感應(yīng)頭相連接。例如，在最佳實(shí)施例中，如圖1-3中所示的那樣，每個(gè)電源405A-405H包括一個(gè)電源反相器，一個(gè)耦合器和一個(gè)輸出反相器。但是，本發(fā)明不應(yīng)被認(rèn)為是對以上所示的最佳實(shí)施例的限定，而任何適當(dāng)?shù)母袘?yīng)加熱電源都將能滿足。
在該最佳實(shí)施例中，每個(gè)電源405A-405H被連接到一個(gè)控制器407?？刂破?07包括一個(gè)小型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)，并用來對每個(gè)電源405A-405H的時(shí)間和電能參數(shù)編程。在該最佳實(shí)施例中，控制器407用來確保每個(gè)感應(yīng)頭403A-403H用于適當(dāng)數(shù)量時(shí)間并接收適當(dāng)數(shù)量電能。另外，如圖所示，信號從匹配變壓器被提供給電源，如上所述，以便提供反饋。
因此，使用一個(gè)反饋系統(tǒng)如參照圖1-3所說明的那樣，每個(gè)電源可單獨(dú)調(diào)節(jié)傳輸?shù)狡ヅ渥儔浩骱透髯愿袘?yīng)頭的電能以便使適當(dāng)數(shù)量的熱被傳輸?shù)焦ぜ?01。例如，從感應(yīng)頭403A和匹配變壓器402A提供反饋到電源405。依據(jù)所希望的電能和反饋信號，電源405A調(diào)節(jié)傳輸?shù)礁袘?yīng)頭403A的電流以便在適當(dāng)數(shù)量的能量傳輸?shù)焦ぜ?01。如果，例如，感應(yīng)頭403B不是位于所希望的精確的位置，那么電源405B將增加傳輸?shù)狡ヅ渥儔浩?02B的電流以便使更多電流傳輸?shù)礁袘?yīng)頭，以補(bǔ)償不適當(dāng)?shù)亩ㄎ?。表現(xiàn)出所希望的熱的信號由控制器407被提供給各自電源405A-405H。在另一個(gè)實(shí)施例中，該控制器與電源為一整體。多電源也可以形成網(wǎng)絡(luò)。
如所能見到的那樣，本發(fā)明供固化一個(gè)工件的整個(gè)周邊之用，但也供在各段所進(jìn)行的固化之用，以便使傳輸?shù)皆摴ぜ哪芰磕芨_地控制該工件的每一部分。這種新奇的布局被稱做一種連續(xù)分段的周邊感應(yīng)加熱系統(tǒng)。除了比感應(yīng)頭本身更小的感應(yīng)頭之間的間隙之外，這些段通常覆蓋整個(gè)工件的周邊(或它的連續(xù)段)。在該最佳實(shí)施例中，鄰近感應(yīng)頭彼此鄰接或接近鄰接。在其它實(shí)施例中，鄰近感應(yīng)頭相互搭接。
因?yàn)槭煜ぴ摷夹g(shù)的人認(rèn)識到，可以使用任意若干個(gè)反饋系統(tǒng)。另外，還能使用一種開環(huán)系統(tǒng)。在兩種情況下具有一種分段的周邊固化系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)都可以被利用以便允許對該工件各個(gè)別段進(jìn)行控制。若使用反饋系統(tǒng)，則使用什么類型的反饋并不重要。電源特定實(shí)施例也并不要緊，僅僅只要該電源可以連接到該感應(yīng)頭(但最好不必經(jīng)過一個(gè)匹配變壓器)。
另一個(gè)結(jié)構(gòu)(布局)包括使這些頭僅僅覆蓋一部分工件，或使一種專用的控制器用于每個(gè)頭和電源。在這一替換方案中，這些(感應(yīng))頭可以形成覆蓋全部或部分工件的周邊的各段。另一種結(jié)構(gòu)(布局)準(zhǔn)備使用覆蓋部分或全部的工件的周邊的多感應(yīng)頭，并且將這些頭連接到單個(gè)電源。
本發(fā)明的另一新穎的方面是使用控制器407。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器407是一臺基于微處理器的計(jì)算機(jī)。例如其中具有一個(gè)8051微處理器。在一種單頭實(shí)施例中使用了一塊806196KB微處理器。該微處理器作為輸出給電源403A-403H提供信息，這些電源指出用于感應(yīng)加熱系統(tǒng)的所要求的加熱時(shí)間和電能。在該最佳實(shí)施例中，控制器407包括一個(gè)允許記錄在該感應(yīng)加熱系統(tǒng)中的一個(gè)故障狀態(tài)的程序。控制器407還提供附加的輸入/輸出控制，例如接通和關(guān)閉輔助裝置。例如，在該加熱周期最后可以接通一個(gè)淬火泵以便使該工件冷卻，或者在加熱開始以前可以啟動一個(gè)夾緊裝置。這一輸入/輸出控制對非汽車應(yīng)用特別有用。
控制器407還實(shí)時(shí)地顯示過程參數(shù)。例如，電壓、電流、頻率和傳輸?shù)焦ぜ碾娔苣鼙粚?shí)時(shí)地顯示。這有助于調(diào)準(zhǔn)該系統(tǒng)，特別是，在所觀察的實(shí)時(shí)過程參數(shù)的基礎(chǔ)上用戶可以增加電容、提高頻率或調(diào)節(jié)電流輸出。
當(dāng)在該過程中出現(xiàn)一個(gè)故障時(shí)，控制器407就檢測并記錄工作參數(shù)(例如電流、頻率、電壓和電能等)。當(dāng)該加熱周期完成時(shí)，控制器407允許用戶訪問屬于故障原因的記錄的數(shù)據(jù)，并如何校正該故障。而且，故障燈被點(diǎn)亮(或者故障發(fā)生，或者在該加熱周期最后)以便通知用戶，出現(xiàn)了一個(gè)故障。
許多不同類型的故障能夠被檢測，并且在最佳實(shí)施例中，當(dāng)頻率、功耗、總線電壓、輸出電流或線路電壓不同于額定值，或當(dāng)一個(gè)半導(dǎo)體失效時(shí)，就能產(chǎn)生一個(gè)故障。例如，當(dāng)頻率大于約65千赫時(shí)就產(chǎn)生一種超頻故障。這一狀態(tài)表明，用來匹配感應(yīng)頭阻抗的電容器可能沒有足夠的容量(或感應(yīng)頭短路)。當(dāng)一個(gè)故障發(fā)生時(shí)一個(gè)持有者手冊能指出適當(dāng)?shù)某C正動作，例如連接一個(gè)較大的電容器。
在另一實(shí)施例中，該故障校正可以更加自動化。例如，控制器407在一個(gè)查閱表中可以包括所要求的校正動作，然后將故障和校正動作都給用于指出。另一替換實(shí)施例將使控制器407發(fā)送自動地使電容器以適當(dāng)?shù)呐渲弥匦逻B接的信號。這類自動化的動作也可以和其它故障一起采用。
另一被檢測的故障是一個(gè)在頻率下的故障。當(dāng)頻率下降到大約3千赫以下時(shí)，很可能或是所使用的電容量太大或是存在一種開路線圈狀況(該線圈已開路)。
控制器407還監(jiān)顯工件所消耗的電能。如果功耗小于所要求的功耗(在該最佳實(shí)施例中大約為2％)，那么一個(gè)故障被記錄。
這一故障通常指出，該工件相對于感應(yīng)頭(相反亦然)定位不正確。當(dāng)在輸入總線上出現(xiàn)顯著的電壓失衡，則控制器407也檢測一個(gè)故障。許多電源接收一個(gè)460V輸入并將它分為二個(gè)230V總線。但是，萬一部分失效，這些總線可能變成失衡。因此，控制器407監(jiān)顯總線失衡并且當(dāng)該總線變?yōu)槭Ш鈺r(shí)(在該最佳實(shí)施例中，一個(gè)總線超過大約420V)指示一個(gè)故障。
另外，在該最佳實(shí)施例中，控制器407監(jiān)顯該輸入線路電壓。如果該線路電壓以大約±20％不同于額定線路電壓，控制器407就指示一個(gè)已發(fā)生的故障，并記錄工作參數(shù)?？刂破?07還監(jiān)視半導(dǎo)體失效。特別地，控制器407尋找高脈沖電流，例如在初級大于100安培。這種高脈沖電流指示在反相器中的一個(gè)IGBT或其它開關(guān)失效，并且控制器407將指示一個(gè)故障并記錄該數(shù)據(jù)。
圖5是一個(gè)表示由控制器407使用以便監(jiān)控和記錄故障數(shù)據(jù)的程序的一個(gè)實(shí)施例。該流程圖從步驟501開始，并在步驟502，它確定是否出現(xiàn)一個(gè)故障。被監(jiān)控的故障可以是程序員所希望的任何故障，但在該最佳實(shí)施例中是以上所描述的故障。如果沒有故障出現(xiàn)，則程序再循環(huán)并再次重新檢查將要出現(xiàn)的故障。如果一個(gè)故障出現(xiàn)，則在步驟502啟動定時(shí)器。
在定時(shí)器起動后，在步驟503確定是否已經(jīng)過預(yù)定數(shù)量的時(shí)間。在該最佳實(shí)施例中，預(yù)定數(shù)量的時(shí)間為1/4秒。換句話說，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，在數(shù)據(jù)被記錄以及故障被指示以前，故障必須至少存在250毫秒。如果時(shí)間未消失，那么在步驟504對該時(shí)間進(jìn)行增量。如果該故障被清除，則在步驟501通過再次檢查故障重新起動該過程。如果該故障沒有清除，則在步驟503重新確定該故障已發(fā)生的時(shí)間長度。因此，該程序?qū)⒀h(huán)運(yùn)行，經(jīng)過監(jiān)視該故障是否出現(xiàn)并檢查時(shí)間直到該故障被清除或經(jīng)過了250毫秒。
如果經(jīng)過了250毫秒，則在步驟504確認(rèn)一個(gè)故障，這可以包括點(diǎn)亮控制器面板上的指示燈。在該故障被確認(rèn)之后，在步驟505數(shù)據(jù)被記錄。在該最佳實(shí)施例中，電壓、電流、頻率和電能被記錄。但在另一實(shí)施例中，其它工作參數(shù)可以被記錄。被記錄的數(shù)據(jù)可以在屏幕上，通過打印機(jī)或其它輸出設(shè)備提供給用戶。來自多個(gè)故障(例如5個(gè))的數(shù)據(jù)可以被記錄并提供給用戶。
在數(shù)據(jù)被記錄之后，在步驟507確定該故障是否已清除。如果在步驟507該故障還未清除，則在步驟508該時(shí)間被增量。該時(shí)間繼續(xù)增量直到該故障被清除(如在步驟507中所確定的)。因此，故障出現(xiàn)的時(shí)間長度也被確定。在步驟509中，故障時(shí)間被記錄，并且該程序已完成。在該最佳實(shí)施例中，程序可以以連續(xù)循環(huán)的方式工作，其中在步驟509在故障被清除以及時(shí)間被記錄以后，程序重新開始運(yùn)行。
因此，可以看出，當(dāng)連同控制器407和圖5的流程圖一起說明時(shí)，本發(fā)明提供一種方法和裝置以便監(jiān)視如果出現(xiàn)一個(gè)故障就記錄故障信息的感應(yīng)加熱過程的狀態(tài)。
如附加的權(quán)利要求所表示的那樣，在不超出本發(fā)明的精神和范圍，在這里所討論的元件設(shè)計(jì)和布局方面可以進(jìn)行其它的修改。
權(quán)利要求
1.一個(gè)用于感應(yīng)加熱工件的系統(tǒng)包括一個(gè)控制器；多個(gè)被配置的以便接收信號并將信號發(fā)送到控制器的電源；以及多個(gè)感應(yīng)頭，所配置的每個(gè)感應(yīng)頭接收來自多個(gè)電源中的一個(gè)電源的電能。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中多個(gè)感應(yīng)頭被配置以便與該工件的多個(gè)相鄰段對準(zhǔn)。
3.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中多個(gè)感應(yīng)頭被構(gòu)成以便與該工件周邊的多個(gè)相鄰段對準(zhǔn)并橫跨該工件的周邊。
4.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中相鄰感應(yīng)頭之間的間隙小于該相鄰感應(yīng)頭一半大小。
5.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中控制器和多個(gè)電源中的每一個(gè)包括用來控制傳送到該工件的多個(gè)段之一的電能的反饋裝置。
6.權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中該反饋裝置對提供給多個(gè)感應(yīng)頭之一的電流幅度敏感。
7.權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中該反饋裝置對所提供的電能敏感。
8.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中多個(gè)感應(yīng)頭中每一個(gè)被與其它的感應(yīng)頭分開控制。
9.一種用于感應(yīng)加熱一個(gè)工件的方法包括以下步驟，即將多個(gè)感應(yīng)頭與該工件的多個(gè)相鄰段對準(zhǔn)并將電能提供給每個(gè)感應(yīng)頭，其中相鄰感應(yīng)頭之間的間隙小于該相鄰感應(yīng)頭的大小的一半。
10.權(quán)利要求9的方法包括將多個(gè)感應(yīng)頭與多個(gè)電源連接并控制每個(gè)電源的步驟。
11.權(quán)利要求10的方法包括將多個(gè)感應(yīng)頭與工件的周邊的多個(gè)相鄰段對準(zhǔn)并橫跨該工件周邊的步驟。
12.權(quán)利要求10的方法包括響應(yīng)反饋控制供給每個(gè)感應(yīng)頭的電能的步驟。
13.權(quán)利要求12的方法包括響應(yīng)提供給至少二個(gè)感應(yīng)頭的電流，控制供給至少多個(gè)感應(yīng)頭中的至少二個(gè)感應(yīng)頭的電能的步驟。
14.權(quán)利要求12的方法包括響應(yīng)提供給至少二個(gè)感應(yīng)頭的電能控制供給至少二個(gè)感應(yīng)頭的電能的步驟。
15.一種用于感應(yīng)加熱工件的方法包括以下步驟將多個(gè)感應(yīng)頭定位在工件的附近；將多個(gè)感應(yīng)頭連接到多個(gè)電源；以及將多個(gè)電源連接到控制器。
16.權(quán)利要求15的方法，其中定位步驟包括將多個(gè)感應(yīng)頭與待固化的工件的多個(gè)相鄰段對準(zhǔn)的步驟，其中，相鄰感應(yīng)頭之間的間隙小于該相鄰感應(yīng)頭的大小的一半。
17.在權(quán)利要求15的方法中，定位步驟包括將多個(gè)感應(yīng)頭與待固化的工件周邊的多個(gè)相鄰段對準(zhǔn)并橫跨該工件周邊的步驟。
18.權(quán)利要求15的方法包括響應(yīng)反饋，控制提供給該工件的多段中每一段的電能的步驟。
19.權(quán)利要求18的方法包括響應(yīng)提供給多個(gè)感應(yīng)頭中的每一個(gè)頭的電流，控制提供給該工件的多段中的每一段的電能的步驟。
20.權(quán)利要求18的方法包括響應(yīng)所提供的電能，控制提供給該工件的多段中每一段的電能的步驟。
21.權(quán)利要求18的方法，與其它段分開控制提供給該工件的多段中每一段的電能的步驟。
22.一個(gè)用于連續(xù)分段的感應(yīng)加熱工件的系統(tǒng)包括多個(gè)感應(yīng)頭以及至少一個(gè)連接到這些頭的電源。
23.權(quán)利要求22的系統(tǒng)，其中多感應(yīng)頭被構(gòu)成以便與待固化的工件周邊的多個(gè)相鄰段對準(zhǔn)并橫跨該工件整個(gè)周邊。
24.權(quán)利要求22的系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè)連接到至少一個(gè)電源的控制器，其中，該控制器和至少多個(gè)電源中的二個(gè)包括用來控制提供到該工件的多段中的二段的電能的反饋裝置。
25.權(quán)利要求22的系統(tǒng)，其中相鄰頭之間的間隙小于該相鄰頭大小的一半。
26.權(quán)利要求22的系統(tǒng)，其中相鄰頭基本上鄰接。
27.權(quán)利要求22的系統(tǒng)，其中相鄰頭彼此搭接。
全文摘要
一種用來感應(yīng)加熱工件的系統(tǒng)和方法包括一個(gè)控制器和多個(gè)接收信號并將信號發(fā)送給該控制器的電源。感應(yīng)頭接收來自該電源的電能。該感應(yīng)頭可以與該工件的相鄰段對準(zhǔn)并橫跨該工件的周邊。相鄰感應(yīng)頭之間的間隙小于該相鄰感應(yīng)頭大小的一半，并且最好這些感應(yīng)頭鄰接或基本上鄰接。每個(gè)電源包括用來控制提供到該工件各段的電能的反饋。在另一實(shí)施例中，該反饋可以建立在提供給感應(yīng)頭的電流或電能，或者提供給該工件的電能的基礎(chǔ)上。
文檔編號H05B6/40GK1168075SQ97110790
公開日1997年12月17日 申請日期1997年4月21日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月22日
發(fā)明者唐納德·H·懷斯曼, 史蒂文·J·蓋斯勒 申請人:伊利諾斯工具制造公司