ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА, ЗАЖИМНОЕ КРЕПЛЕНИЕ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ
ELECTRICAL CIRCUIT CLAMPING AND CONTROL METHOD

Данное изобретение относится к электрической схеме управления подачей электропитания для катушки индуктивности, в частности катушки индуктивности, предназначенной для нагревания приспособления для зажима инструментов, содержащей выпрямитель, имеющий вход для подвода электропитания и выход выпрямителя; преобразователь, предназначенный для получения на выходе переменного напряжения, содержащий вход и выход преобразователя для соединения с катушкой индуктивности; промежуточную цепь для подключения выпрямителя к преобразователю; блок управления для управления электропитанием, подводимым к катушке индуктивности; блок электропитания, предназначенный для подвода электроэнергии к катушке индуктивности. Кроме того, данное изобретение относится к приспособлению для зажима инструментов, содержащему катушку индуктивности для нагрева зажимного приспособления посредством генерирования вихревых токов и/или выделения теплоты при изменении намагниченности, и способу управления электропитанием для катушки индуктивности, в частности, катушки индуктивности, предназначенной для нагревания зажимного устройства для инструментов, содержащему операцию управления.
В токарных станках, фрезерных станках, вертикально-сверлильных станках и других аналогичных инструмент вставляется в держатель инструмента. Для точного и качественного выполнения обработки деталей на станке необходима точная установка инструмента в держателе инструмента. Использование зажимных держателей инструмента или зажимных приспособлений оказывается эффективным для установки и закрепления инструментов в держателе. Для того чтобы вставить инструмент, держатель сначала нагревают. В результате теплового расширения приемника зажимного приспособления инструмент может быть вставлен в отверстие приемника и закреплен в нем за счет последующего охлаждения. Таким образом, установка может быть выполнена просто, точно и надежно.
Для нагрева зажимного держателя может быть использована катушка индуктивности. К этой катушке подводят переменное напряжение, однако сердечник должен быть подобран так, чтобы не была превышена максимально допустимая нагрузка катушки индуктивности и силовой электроники. С этой целью подводимая мощность может быть предварительно отрегулирована в большинстве блоков электропитания. Однако следует принять во внимание, что такие возможности регулировки недостаточно точные и, в частности, должен поддерживаться относительно большой интервал максимально допустимой нагрузки катушки индуктивности и силовой электроники.
Усовершенствованный блок питания, как показано на Фиг.1, содержит выпрямитель 3, имеющий входы 3а, 3b и 3с. Промежуточная цепь 4 постоянного тока соединена с выходом выпрямителя. Преобразователь 5 преобразует постоянное напряжение в переменное напряжение, для того чтобы приводить в действие катушку индуктивности 2. Обычно в качестве входного напряжения используют переменное напряжение с заданными значениями, например, от 360 В до 500 В. Так как напряжение электропитания изменяется от страны к стране, блок электропитания должен быть специально оснащен в зависимости от места нахождения, например, трансформаторами или иначе скомпонованными элементами схемы.
1
1
1
1
Как видно из Фиг.2, измерительное оборудование, предназначенное для измерения напряжения V и силы тока А расположено на стороне постоянного напряжения. Эти измеренные значения используются как входные величины для блока управления (не показанного), для того чтобы регулировать питание, подводимое к катушке 2. Управление выполняется посредством сравнения действительного/заданного значения полной выходной мощности, при этом величины напряжения и тока V и А, измеренные в промежуточной цепи 4, определяются как действительное значение (главным образом, в соответствии с формулой S=U·I). Определение полной выходной мощности, исходя из величин, измеренных в промежуточной цепи, является сравнительно легким с точки зрения техники измерений, так как изменения напряжения и тока с течением времени не очень значительны. В частности, никаких существенных выбросов напряжения и тока не происходит. В промежуточной цепи, например, не возникают токи выше 25 А, так что можно обойтись без дорогих и сложных модулей преобразователя. Таким образом, для измерения и определения действительных значений могут использоваться экономически эффективные компоненты, например, модули преобразователя тока, которые используются для измерения тока.
Используя такой тип контроля, невозможно полностью избежать того, что максимально допустимая нагрузка на катушке индуктивности будет превышена, в частности, в случае изменений напряжения в электрической сети и в случае изменения мощности в катушке из-за нагрева катушки. Становится особенно очевидным, что полная выходная мощность, измеренная на стороне постоянного тока, только приблизительно соответствует мощности, фактически подведенной к катушке индуктивности. Это вызывает необходимость применения модулей большого размера, которые соединены последовательно с измерительными средствами, предназначенными для измерения контролируемых параметров. Это означает, что обычно модули нормально работают при нагрузке ниже максимально допустимой, что является мерой предосторожности от перегрузки вследствие скачков напряжения.
Из документа DE 20008937 U1 известно устройство для индуктивно нагреваемого зажимного патрона, в котором результаты измерения измерительного устройства используются в качестве входного параметра блока управления, который может подсоединяться к схеме питания в нескольких местах и предпочтительно измерять напряжение в первичной цепи трансформатора на выходе переменного тока. Вторичную обмотку трансформатора соединяют с катушкой индуктивности или с соответствующей генераторной схемой. Устройство обеспечивает средство управления на стороне вторичной обмотки для управления схемой питания и фильтром. И в этом устройстве также в цепи, на выходе переменного тока, измеренная полная мощность только приблизительно соответствует полной мощности, которая действительно подводится к катушке индуктивности.
В документе DE 10129645 В4 раскрывается способ сварки пластмассовых компонентов, в котором профильная проволока индуктивно нагревается катушкой в месте сварочного шва. Этот способ также обеспечивает измерение тока для ограничения мощности, в этом случае, однако, нагревается инструмент, а не держатель инструмента.
Исходя из этого уровня техники цель настоящего изобретения - повышение точности контроля электропитания, подводимого к катушке индуктивности, в частности, для нагрева зажимного патрона для инструментов, и устранение связанных с этим недостатков.
Указанная цель достигается путем создания электрической схемы согласно п.1 формулы изобретения, зажимного приспособления для инструментов согласно п.7 формулы изобретения и способа управления подачи электропитания в катушку индуктивности согласно п.8 формулы изобретения.
Электрическая схема в соответствии с изобретением для управления подачей электропитания к катушке индуктивности, в частности к катушке индуктивности для нагрева зажимного приспособления для инструментов, содержит выпрямитель с входом для подачи входной мощности и выходом выпрямителя, преобразователь для получения переменного напряжения, содержащий вход и выход преобразователя для подключения катушки индуктивности, промежуточную цепь для подключения выпрямителя к преобразователю и блок управления для регулировки электрической мощности, подводимой к катушке индуктивности. Электрическая схема содержит измерительный прибор для измерения тока, являющегося входным параметром для блока управления, причем измерительный прибор подключен к выходу преобразователя.
Измерение тока на выходе преобразователя, следовательно, осуществляется со стороны катушки по отношению к преобразователю. На основании тока, измеренного в проводнике между преобразователем и катушкой, может быть определена электрическая мощность, непосредственно подаваемая в катушку в момент измерения. Иначе говоря, непосредственно измеряется действительный ток, текущий через катушку. Входная переменная величина для регулирования, таким образом, непосредственно соответствует действительной контролируемой переменной величине.
Важное преимущество этой схемы в отличие от уже известных заключается в том, что не "сглаженные" величины параметров измеряются при использовании метода сжатия, а измеряется фактическая переменная, которую необходимо контролировать. Таким образом, измерение электрической мощности и ее контроль являются более точными в настоящем изобретении.
Следовательно, возможности модулей, используемых в схеме, могут использоваться в их полном объеме без риска перегрузки катушки и силовой электроники. В настоящем изобретении, таким образом, может быть достигнута предельно допустимая нагрузка компонентов (например, IGBT - биполярный транзистор с изолированным затвором). Иначе говоря, компоненты могут иметь оптимальный размер и использоваться вплоть до их допустимой нагрузки. В токовых цепях, однако, частично должны были использоваться большие по размеру компоненты для защиты от перегрузки, как уже описано выше. Защита от перегрузки оптимизирована существенно увеличенной точностью измерения действительных значений. Так как теперь нагрузка, подключенная к катушке, может быть определена точно, нагрузка на катушке и силовой электронике, и, таким образом, эффективность нагрева, может быть существенно улучшена. Благодаря такому повышению нагрузки катушки существенно более высокая нагрузка по сравнению со значениями в известных технических решениях, например, по меньшей мере, на 30%-50% выше, может быть подсоединена к катушке, не достигая критической области из-за задержки при регулировании или из-за неверного определения действительной мощности.
Желательно, чтобы промежуточная цепь содержала емкость, которая сглаживает напряжение в промежуточной цепи и уменьшает токовые пики.
Преобразователь конфигурирован, в частности, для формирования переменного напряжения с заданной частотой, в частности, с частотой от 5 кГц до 20 кГц, в частности, 10 кГц на выходе преобразователя. Частота может быть заранее установленной постоянной и оптимизироваться в зависимости от применения и предъявляемых требований.
Блок управления регулирует подачу мощности в катушку индуктивности, соединенной с выходом преобразователя, в зависимости от входной переменной, в частности, путем изменения ширины импульса переменного напряжения, генерируемого преобразователем.
Меньшая ширина импульса в сочетании с установленными постоянными величинами частоты и напряжения означает меньшее значение мощности. Благодаря такому типу управления электропитание не зависит от входного напряжения на входах выпрямителя, так как регулируется только ширина импульса и тем самым компенсируются колебания напряжения. Но компенсируются не только колебания напряжения в электрической сети. Предложенный вариант реализации изобретения в отличие от известных технических решений обеспечивает использование различных входных напряжений в зависимости от международного стандарта (например, 400 В для Европы, 480 В для США). Устраняется необходимость применения дополнительных трансформаторов для согласования с техническими требованиями. Колебания или различия во входном и/или промежуточном напряжении регулируются автоматически. Это приводит к большей эксплутационной гибкости и к универсальности схемы без существенного увеличения сложности всей схемы. Схемой можно управлять, в частности, напряжением, которое является переменным, в заданном диапазоне напряжений, в частности от 360 В до 500 В. Предпочтительный диапазон напряжения включает стандартные значения, применяемые в настоящее время в промышленно развитых странах.
Схема может работать, в частности, с однофазным или многофазным переменным напряжением.
Целью данного изобретения является также создание зажимного приспособления для инструментов, содержащего катушку индуктивности, предназначенную для нагревания зажимного приспособления путем генерирования вихревых токов и/или теплотой намагничивания и с помощью одной из вышеупомянутых схем.
Схема согласно изобретению оказывается особенно полезной для зажимных приспособлений для инструментов. В этой области применения желателен особенно точный подвод тепла к зажимному приспособлению, для того чтобы облегчить быструю и точную подгонку инструментов в зажимном приспособлении. Более того, выведение из строя катушки индуктивности и силовой электроники из-за превышения предельно допустимой нагрузки и перегрева держателя инструмента можно будет избежать благодаря точности регулировки времени нагрева, несмотря на подводимую мощность, создающую предельно допустимую нагрузку элементов схемы.
Кроме того, указанная цель достигается при помощи способа регулирования мощности, подводимой к катушке индуктивности, в частности, к катушке индуктивности, предназначенной для нагрева зажимного приспособления для инструментов, содержащего операцию управления, на которой ток, подаваемый в катушку индуктивности, используют как входную переменную для управления мощностью, подводимой к катушке индуктивности.
Посредством операции регулирования, на которой мощность определяют путем измерения выходного значения тока, по существу работа в реальном времени и точное управление или регулировка облегчены. Нагрузка катушки может быть существенно увеличена за счет достигнутой точности без риска превышения критической допустимой нагрузки.
Нагрузка, приложенная к катушке индуктивности, может быть определена с использованием импеданса катушки и тока, измеренного измерительным прибором. Без дополнительного измерения напряжения можно, таким образом, обойтись.
Предлагаемый способ обеспечивает автоматическое определение размера приспособления для зажима инструментов, в частности, размера зажимающего держателя, посредством измеряемого напряжения. Таким образом, параметры различных приспособлений для зажима инструментов больше не должны уже подгоняться вручную, но они могут быть сохранены, например, в системе управления станками.
Предпочтительно измерять входное напряжение для автоматического определения размера приспособления для зажима инструментов. Предпочтительно, чтобы входное напряжение определялось путем измерения напряжения перед выпрямителем, или в промежуточной цепи, или в цепи катушки. Таким образом, измерение размера приспособления для зажима инструментов возможно также в случае изменения входного напряжения, вызванного процессом сжатия. Перегрева зажимного устройства для инструментов из-за неправильного определения его размера можно таким образом избежать.
Предпочтительно подводить к катушке индуктивности переменное напряжение с заданной частотой, в частности, с частотой от 5 кГц до 20 кГц.
Управление питанием, подводимым к катушке индуктивности, осуществляется в конкретном варианте реализации посредством изменения ширины импульса переменного напряжения. Мощность, подводимая к катушке, следовательно, также может быть сохранена постоянной надежным способом при изменении входных значений и/или физических свойств элементов схемы или при воздействии внешних факторов. Более того, способ может использоваться при значениях напряжения, соответствующих различным промышленным стандартам, например, 360 В, 400 В или 500 В.
Способ осуществляется, в частности, с применением схемы, описанной выше.
Дополнительные особенности и преимущества изобретения могут быть получены из следующего подробного описания варианта реализации изобретения.
Фиг.1 - конкретный вариант реализации электрической схемы согласно изобретению; и
Фиг.2 - соответствующая электрическая схема, известная из уровня техники.
На Фиг.1 представлена электрическая схема 1 согласно изобретению, предназначенная для управления электропитанием, подводимым к катушке индуктивности 2. Электрическая схема выполнена на печатной плате и таким образом представляет собой схему управления мощностью, подводимой к катушке 2. Катушка индуктивности 2 служит в частности для нагрева приспособления для зажима инструментов. Катушка индуктивности 2 генерирует переменное электромагнитное поле, с которым связывается приспособление для зажима. Посредством вихревых токов, генерируемых в зажимном приспособлении, и/или посредством изменения намагниченности зажимного приспособления, выполненного из ферромагнитного материала, вырабатывается теплота, так что зажимное приспособление расширяется, для того чтобы инструмент мог быть вставлен.
В процессе нагревания желательно обеспечить возможность постоянной максимальной мощности в катушке индуктивности 2, принимая во внимание максимально допустимую нагрузку элементов цепи. С одной стороны, следует избегать превышения максимально допустимой нагрузки катушки индуктивности 2 и силовой электроники, с другой стороны, в катушку 2 должна подаваться высокая мощность, насколько это возможно, для того чтобы эффективно производить процесс нагревания и избежать перегрева приемника инструмента.
Кроме катушки, цепь содержит выпрямитель 3 с входными контактами 3а, 3b и 3с, через которые подводится входное напряжение, например, переменная мощность. Промежуточная цепь 4, соединенная с выходом выпрямителя 3, содержит емкость 7, которая заряжается или разряжается в зависимости от направления тока через катушку 2.
Преобразователь 5, вход которого соединен с промежуточной цепью 4, генерирует модулированное, в основном, прямоугольное переменное напряжение с частотой от 5 кГц до 20 кГц. Частота регулируется и может быть предварительно задана пользователем. Мощность переменного тока, поданная выпрямителем 3 в промежуточную цепь 4, подается через выход промежуточной цепи 4 на вход преобразователя 5.
Переменное напряжение, генерируемое преобразователем 5, подается на выходные контакты 5а и 5b преобразователя 5. Катушка 2 подсоединена к этим контактам 5а и 5b.
2
Между контактами 5а и 5b подключена катушка 2. Кроме того, в этой части расположен прибор для измерения напряжения, который измеряет действительный ток, протекающий через катушку. Для измерения тока А может быть использовано любое подходящее измерительное устройство 6. Согласно данному изобретению, в ходе измерения напряжения нужно иметь в виду, что возникают гораздо более сильные токи, в отличие от измеренных тока/напряжения в промежуточной цепи 4, см. Фиг.2. При пиковой нагрузке, например, ток вплоть до 400 А может протекать в промежуточной токовой цепи 4 по сравнению с током 25 А, так что в решении согласно данному изобретению, величины элементов схемы устанавливались в соответствии с их диапазоном измерения, например, используемые модули преобразователя тока.
С другой стороны, можно обойтись без дополнительного измерения напряжения, так как мощность может быть определена из напряжения и импеданса системы.
Измеренные действительные значения или действительные значения, определенные из измеренных значений тока или мощности, принимаются блоком управления (не показан) как входные величины. Регулировка может быть выполнена, например, основываясь на сравнении действительной/заданной требуемой мощности, определенной и установленной для катушки 2, с действительной мощностью, полученной при измерении тока. После сравнения действительного/заданного значения с определенной предварительно величиной, мощность, подводимую от преобразователя 5 к катушке 2, регулируют, как требуется.
Блок управления может быть соединен с электрической схемой 1 или интегрирован в схему 1.
С помощью электрической цепи 1 контроль становится более точным и более эффективным, поскольку, когда измеряют входные переменные в промежуточной электрической цепи 4, токи в катушке 2, возникающие вследствие импеданса катушки 2, могут учитываться только путем аппроксимации.
В варианте реализации изобретения блок управления регулирует подводимую мощность на основе изменения ширины импульса управляющего сигнала преобразователя 5. Большая ширина импульса при постоянном напряжении означает более высокую подводимую мощность. Блок управления всегда регулирует так, чтобы изменения напряжения на входе преобразователя компенсировались. Таким образом, выходная мощность преобразователя также не зависит от входного напряжения выпрямителя 3 в пределах определенного диапазона напряжений, который, в лучшем случае, включает все международные стандартные напряжения. Таким образом, данная электрическая цепь может использоваться без изменений в рамках международных стандартов.
Таким образом, электрическая схема, известная из существующих технических решений и представленная на Фиг.2, упрощена за счет сокращения числа требуемых элементов. Более того, повышена точность регулировки.
Однако, в случае более высокой точности регулировки, блок может работать с компонентами, мощность которых может быть использована почти в полном объеме. Риск перегрузки катушки 2 сокращается, благодаря работе, по существу, в реальном времени и точности регулировки. Более того, в частности, при рассмотрении сдвига фаз между напряжением и мощностью, никакие существенные отклонения между действительно имеющими место пиками мощности и измеренными значениями мощности, например, в промежуточной цепи, не должны ожидаться. Благодаря такому увеличению нагрузки катушки существенно более высокая нагрузка может быть приложена к катушке по сравнению с уже известными техническими решениями, и перегрева приемника инструмента можно избежать.