全數(shù)字固態(tài)高頻一體化淬火機(jī)床由數(shù)控淬火機(jī)床，由全數(shù)字固態(tài)高頻感應(yīng)加熱電源，能量監(jiān)控器，電源水冷系統(tǒng)，淬火介質(zhì)冷卻系統(tǒng)組成。該設(shè)備為機(jī)電一體化機(jī)床，具有集成化高、自動化程度高、節(jié)能、占地面積比分體式減小三分之二等優(yōu)點。系統(tǒng)集成組裝在一起，可完成軸類、盤類、齒輪、異性工件等零件的淬火，回火等工藝。廣泛應(yīng)用于汽車、摩托車、通用機(jī)械等零部件精密淬火。該設(shè)備可加工零件最大直徑300mm,最大長度500mm，工件重量30Kg以下，感應(yīng)加熱電源功率100-200KW，頻率250-350KHZ。設(shè)備機(jī)箱采用工業(yè)鋁合金型材，光潔度高，耐腐蝕免噴涂，外形美觀牢固可靠。

背景技術(shù)：

全數(shù)字固態(tài)高頻一體化淬火機(jī)床，也稱全數(shù)字晶體管高頻電源淬火機(jī)床，是在數(shù)字電路高速發(fā)展的今天，運用DSP數(shù)字控制技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)，較傳統(tǒng)的電子管高頻電源節(jié)電30%，節(jié)水50%，固態(tài)高頻電源輸出電壓穩(wěn)定，加熱效率高等特點。在節(jié)能減排政策的推動下，現(xiàn)在越來越多的電子管高頻淬火電源改為全數(shù)字固態(tài)高頻電源，電子管高頻淬火電源被淘汰；目前國內(nèi)生產(chǎn)的固態(tài)高頻電源淬火有二種。一種是電流型并聯(lián)諧振，低電壓，大電流高頻電源，由于適應(yīng)負(fù)載頻率范圍窄，不適合應(yīng)用于淬火項目；另一種為電壓型串聯(lián)諧振高頻電源，由于串聯(lián)諧振電壓是電源電壓的Q倍，大約是電源電壓的4~6倍，大大提高加熱效率，因此，電壓型高頻淬火電源較電流型高頻淬火電源優(yōu)越。全數(shù)字固態(tài)高頻電源采用電壓型串聯(lián)諧振，經(jīng)現(xiàn)場運行測試，此產(chǎn)品已達(dá)到國外進(jìn)口同類產(chǎn)品質(zhì)量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

全數(shù)字固態(tài)高頻一體化淬火機(jī)床：含數(shù)控淬火機(jī)床、全數(shù)字固態(tài)高頻電源、能量監(jiān)控器、介質(zhì)冷卻系統(tǒng)、軟水冷卻系統(tǒng)等（說明書附圖1全數(shù)字固態(tài)高頻一體化淬火機(jī)床布局圖、圖2全數(shù)字固態(tài)高頻一體化淬火機(jī)床實物圖、圖3全數(shù)字固態(tài)高頻一體化淬火機(jī)床操作面、圖4全數(shù)字固態(tài)高頻一體化淬火機(jī)床電氣控制面板）。其結(jié)構(gòu)及特點如下：

全數(shù)字固態(tài)高頻一體化淬火機(jī)床機(jī)械部分簡介

（1）機(jī)械部分主要結(jié)構(gòu)及特點

全數(shù)字固態(tài)高頻一體化淬火機(jī)床機(jī)械部分，主要由機(jī)床床身、立柱、滑臺、旋轉(zhuǎn)主軸、淬火變壓器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、噴淋、自潤滑系統(tǒng)、自控系統(tǒng)等組成。

①機(jī)床采用工件或變壓器移動的模式，工作臺升降滑板由西門子系統(tǒng)控制交流伺服電機(jī)帶動滾珠絲杠沿導(dǎo)軌升降運動，運動速度可實現(xiàn)無級調(diào)速、傳動平穩(wěn)、速度均勻。工作臺滑板升降設(shè)有停機(jī)抱閘裝置，確保定位準(zhǔn)確、安全可靠。

②工作臺主軸驅(qū)動配有旋轉(zhuǎn)交流電機(jī)，驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度由西門子變頻器控制，可實現(xiàn)無級調(diào)速。具有速度均勻，調(diào)速范圍寬等特點。

③上頂尖可在500mm行程內(nèi)調(diào)整，為防止零件在加熱過程中變形，上頂尖套內(nèi)設(shè)有壓力彈簧，可減小零件在加熱過程中的伸長變形。機(jī)床下頂尖采用莫氏3#錐柄安裝，便于用戶更換。

④介質(zhì)淬火水槽上設(shè)有一路閉環(huán)感應(yīng)器冷卻水路，六路開環(huán)淬火介質(zhì)水路，管徑6分。由PLC控制電磁水閥開啟冷卻淬火時間。進(jìn)水管路與感應(yīng)器及噴水圈接口處，全部采用有色金屬防磁防腐快插式接頭，方便用戶裝卸。機(jī)床淬火液管口直徑布置合理，進(jìn)口管路設(shè)有淬火液溫度檢測點，流量監(jiān)控檢測點。流量計和電磁閥的安裝位置合理，維修方便。淬火液管設(shè)置過濾器，便于維護(hù)和檢修。

⑤感應(yīng)器二維調(diào)整機(jī)構(gòu)，淬火變壓器與感應(yīng)器同裝于可縱橫升降的平臺上，淬火變壓器平臺可通過電動調(diào)整機(jī)構(gòu)實現(xiàn)X、Y兩個方向的微調(diào)，以保證感應(yīng)器與工件之間間隙一致，調(diào)整X向(左右)調(diào)整量50mm，Y向(前后)調(diào)整量50mm。調(diào)整方式為電動調(diào)整，微調(diào)按鈕安裝于機(jī)床操作室內(nèi)前方，密封防水且操作方便；

⑥淬火機(jī)床設(shè)計為封閉型，機(jī)床護(hù)罩為鋁型材框架結(jié)構(gòu)，推拉門開啟寬度大并且安裝玻璃觀察窗。機(jī)床回水處設(shè)有過濾裝置，便于清洗。機(jī)床設(shè)有自動潤滑裝置，保證機(jī)床各運動點及時潤滑。

（2）全數(shù)字固態(tài)高頻加熱電源簡介

全數(shù)字固態(tài)高頻感應(yīng)加熱電源采用功能強(qiáng)大的數(shù)字信號處理器（DSP）作為核心控制提高主控響應(yīng)速度，利用高隔離、全功能高速驅(qū)動，以達(dá)到整個系統(tǒng)的高穩(wěn)定性和高可靠性（說明書附圖5全數(shù)字固態(tài)高頻淬火電源核心DSP控制板）。電源逆變器件采用進(jìn)口MOSFET器件。系統(tǒng)具備頻率自動跟蹤功能，保證在任何工況下MOSFET始終工作在零電流開關(guān)狀態(tài)（ZCS）下，自身損耗功率最小整機(jī)效率最高。系統(tǒng)具備完善保護(hù)措施以保證電源正常工作，包括系統(tǒng)過流保護(hù)，IGBT器件過溫保護(hù)，感應(yīng)線圈自動識別，當(dāng)負(fù)載短路，斷路時停機(jī)報警。使用液晶屏進(jìn)行顯示，顯示各種工作狀態(tài)。整機(jī)全數(shù)字控制沒有任何電位器類調(diào)整器件，所有頻率跟蹤，相角鎖定均為計算機(jī)控制完成，大大降低調(diào)試維護(hù)難度。

在全數(shù)字固態(tài)高頻電源中，整流器的負(fù)載是逆變器，整流器的作用是把交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能。利用二極管三相整流器和斬波電路配合組成PWM脈寬調(diào)制的直流電源，來滿足感應(yīng)加熱裝置的要求。斬波電路采用IGBT為斬波元件，其具有自關(guān)斷能力，發(fā)生故障時，可在極短時間內(nèi)切斷電源，避免逆變器件損壞，起到更好的保護(hù)作用。

全數(shù)字固態(tài)高頻電源逆變器串聯(lián)諧振負(fù)載結(jié)構(gòu)，逆變器主要功能為實現(xiàn)負(fù)載頻率自動跟蹤、逆變器啟動、為逆變器功率器件提供可靠的驅(qū)動脈沖以及與整流側(cè)控制配合（說明書附圖6全數(shù)字固態(tài)高頻淬火電源逆變器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖）。

全數(shù)字固態(tài)高頻電源槽路采用電壓型諧振電路，該電路的主要特點是效率高、節(jié)電性強(qiáng)，為保證頻率穩(wěn)定輸出奠定基礎(chǔ)。槽路電容采用新型無感水冷電容器，具有無功功率大、體積小便于安裝等特點。槽路結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊、引線電感小，有效抑制雜波產(chǎn)生，減少功率器件的損壞，并充分考慮節(jié)能散熱等要求（說明書附圖7全數(shù)字固態(tài)高頻淬火電源槽路結(jié)構(gòu)圖）。

全數(shù)字固態(tài)高頻電源特點：

①以微處理器為核心，構(gòu)成全數(shù)字控制電路，PWM控制、數(shù)字鎖相環(huán)路、脈沖形成、狀態(tài)監(jiān)控與故障保護(hù)均統(tǒng)一實現(xiàn)。

②恒流、恒功率二種調(diào)功方式任選，可適應(yīng)任何形式負(fù)載。數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，響應(yīng)快、過沖小、精度高，穩(wěn)定性好，工件淬火最合適用恒功方式，保證工件加熱的一致性。

③直流調(diào)壓采用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM），使用IGBT作為斬波器件。斬波器設(shè)計成獨立單元，性能優(yōu)異，結(jié)構(gòu)合理。

④逆變控制電路為全數(shù)字鎖相環(huán)路，鎖相范圍更寬，角度時刻修正至最佳，損耗更小。采用ZCS軟開關(guān)技術(shù)，逆變發(fā)生器可靠性高。

⑤增加串聯(lián)電感，槽路體積小、負(fù)載適應(yīng)性很強(qiáng)。

⑥功率因數(shù)高，全范圍大于0.92，無需配備無功補(bǔ)償，配電容量只需額定輸出功率的1.25倍，與使用斬波技術(shù)前的固態(tài)電源相比效率又提高10%。

控制精度高，淬火質(zhì)量有保證，批量工作時產(chǎn)品一致性好。

與能量監(jiān)視器配合使用時可實現(xiàn)零件產(chǎn)品的過程質(zhì)量控制與產(chǎn)品加工參數(shù)的存儲與追溯。

⑨模塊化結(jié)構(gòu)，簡潔，美觀，干擾小。

全數(shù)字固態(tài)高頻一體化淬火機(jī)床電源技術(shù)參數(shù)

流額定功率：P=100KW

②額定頻率：f=200～250KHz

③直流額定電壓：U_d=450V

④直流額定電流：I_d=230A

⑤最大直流電壓：Um=500V

⑥最大直流電流：Im=250V

功率因數(shù)：COSφ≥93%

合理匹配下整機(jī)電效率：η≥85%

供電電源：交流三相380V/50Hz

配電容量：≥125KVA

（3）能量監(jiān)控器簡介

能量監(jiān)控器通過信號采集系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、信號反饋系統(tǒng)對全數(shù)字高頻感應(yīng)加熱電源輸出的能量（即千瓦/秒）、電壓、電流、頻率、功率，淬火介質(zhì)的溫度、流量以及加熱時間、冷卻時間等可能影響熱處理工藝的各項參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控。根據(jù)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)實時判斷正在加工的零件是否合格，工件不合格時及時報警，從而保證設(shè)備在不同的工作狀況下都可以得到質(zhì)量合格的淬火零件（說明書附圖8全數(shù)字固態(tài)高頻一體化機(jī)床能量監(jiān)控器報警畫面）。

能量監(jiān)控器可以預(yù)先設(shè)定待加工工件的最小和最大能量限值，監(jiān)視在加熱過程中實際傳輸給工件的能量值(只用于熱處理過程的控制)，并在屏幕上實時顯示能量、電壓、電流等狀態(tài)信息（說明書附圖9全數(shù)字固態(tài)高頻一體化機(jī)床能量監(jiān)控器能量監(jiān)控畫面）。

該系統(tǒng)采用觸摸屏操作，可分別設(shè)定時間、電流、電壓和能量、同時顯示各種相關(guān)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可以儲存各種零件淬火工藝參數(shù)、記錄各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)等以備查或聯(lián)機(jī)打印，用于零件熱處理質(zhì)量追蹤。

狀態(tài)顯示頁面主要有四部分內(nèi)容構(gòu)成。

①基本參數(shù)：顯示當(dāng)前工件型號、加工工藝及工件序號。

②報警狀態(tài)：顯示熱處理加工過程中的報警信息。

③實時數(shù)據(jù)顯示：顯示熱處理加工過程中的主要工藝參數(shù)，同時輔以相應(yīng)的百分比柱狀圖顯示。

④功率實時曲線：在感應(yīng)加熱過程中實時顯示電源直流功率曲線。

（4）冷卻系統(tǒng)簡介

全數(shù)字固態(tài)高頻一體化淬火機(jī)床冷卻系統(tǒng)由電源冷卻系統(tǒng)和淬火介質(zhì)冷卻系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。每部分都是獨立運行的；各由變頻器、不銹鋼多級水泵、蜂窩狀板式換熱器、過濾系統(tǒng)、溫度、流量、壓力監(jiān)測系統(tǒng)、不銹鋼水箱等組成。具有自動恒水壓供水，溫度超溫報警等功能。

電源冷卻系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如下：

①工作水壓：0.32MPa

②工作水流量：6-10 m³/h

③換熱面積: 4m²

④參考冷卻能力: 8600 Kcal/h。

淬火介質(zhì)冷卻系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如下：

①工作水壓：0.32MPa

②工作水流量：5.5-8.5m³/h

③換熱面積: 5m²

④參考冷卻能力:10500 Kcal/h。

（5）全數(shù)字固態(tài)高頻一體化淬火機(jī)床優(yōu)勢

DSP全數(shù)字控制、10吋液晶顯示屏、嵌入式組態(tài)軟件、方便實現(xiàn)對電源的可視觸摸控制。

采用斬波直流調(diào)壓技術(shù)，功率因數(shù)高、全范圍≥93%，無需配備功率補(bǔ)償設(shè)備。

當(dāng)負(fù)載短路時，減少對電網(wǎng)的沖擊，有利于系統(tǒng)保護(hù)。

控制精度高、淬火質(zhì)量有保證、批量工作時產(chǎn)品一致性好。

模塊化結(jié)構(gòu)、美觀、簡潔、干擾小。

與能量監(jiān)控器配合使用時可實現(xiàn)零件產(chǎn)品的過程質(zhì)量控制與產(chǎn)品加工參數(shù)的存儲與追溯。

保護(hù)齊全、可靠性高、維護(hù)方便、成本低。

節(jié)水節(jié)電、節(jié)省空間、占地面積減少2/3、水只需70升、整機(jī)效率≥85%。

環(huán)保措施嚴(yán)格，本設(shè)備淬火加工倉采用密封設(shè)計，配備油霧收集器，排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到環(huán)保要求。