一种基于电磁感应的刀柄热装系统的制作方法

本发明属于机械加工技术领域，具体涉及一种基于电磁感应的刀柄热装系统。

背景技术：

感应加热技术来源于法拉第发现的电磁感应原理，是一种非接触式的加热方式，该方法将金属置于交变的电磁场中，通过电磁感应现象，在金属表面产生交变电流，也就是涡流，利用涡流的焦耳热原理来加热金属器件。感应加热加热速度很快，比原始的普通煤、炭、柴火等加热速度快很多，而且感应加热是非接触式加热，其加热器件表面氧化少，加热器件材料损耗也就少。加热装置中很多装置热惯性大，启动加热时它们会吸收热量，影响加热效率，而感应加热启动快，不会有这个问题。因为启动快，不加热时可以关闭电源节省电能，不用预热，没有噪音、灰尘等污染。所以感应加热时间短，工作效率高，生产成本就低了。

刀柄热装系统的感应加热，其主要原理是利用刀柄材料的热胀冷缩及刀柄与刀具材料具有不同的热膨胀系数。在不加热的情况下，刀柄夹持孔的直径比刀具的直径小，利用人为外力无法将刀具正常的插入刀柄，当然刀柄内的刀具也拔不出。当需要装入刀具时，利用感应加热对刀柄进行加热，刀柄金属材料受热膨胀，刀柄夹持孔尺寸变大，从而顺利的插入刀具，冷却后，刀柄的夹持孔收缩加紧，插入的刀具就不能拔出了。当需要换装刀具时，还是利用感应加热对刀柄进行加热，这时刀柄与刀具同时受热膨胀，由于刀柄与刀具为不同的金属材料，具有不同的热膨胀系数，刀柄热膨胀速度快，从而可以顺利的拔出刀具进行换装。

国外以及台湾已经研发成功并已经推向市场应用的基于电磁感应加热的刀柄热装系统，但是价格昂贵，并且仅仅适合配套的加热刀柄。但是国内还没有该设备研发报道，自主研发具有知识产权的刀柄热装装置将具有极其重大的意义，将填补国内机械加工的空白，并且对国内的热装刀柄进行最优温度测试，将极大推进我国高速精密加工技术的发展。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种基于电磁感应的刀柄热装系统，实现了热装或者换装不同的刀具时间仅为3s～15s之间，并且借由对线圈的前期的仿真分析和后期大量实验，对刀柄的加热以及损伤都已达到最优，所采用的各个单元功能都较易实现，有很大的市场价值。

一种基于电磁感应的刀柄热装系统，包括感应加热线圈、触控显示单元和控制主板；其中：

所述的感应加热线圈用于对通过线圈内的刀柄进行电磁感应加热；

所述的触控显示单元内部存有不同厂家不同口径刀柄所对应的默认加热参数，其将用户输入的加热参数通过串口通信的形式传输给控制主板，同时显示被加热刀柄的口径、通电频率和加热时长；

所述的控制主板用于为所述感应加热线圈通电，同时根据触控显示单元提供的加热参数设定感应加热线圈的通电频率和通电时长，进而控制感应加热线圈对刀柄的加热温度和加热时长。

所述的控制主板包括整流模块、IGBT模块、变压器模块、电源模块和控制模块；其中：整流模块将三相交流电整流成直流电；IGBT模块将所述直流电逆变成单相交流电，用以为感应加热线圈通电，IGBT模块包含有以IGBT为功率开关器件的逆变电路以及IGBT驱动保护电路；变压器模块取所述三相交流电中的一相对其进行降压；电源模块将变压器模块降压后的一相交流电稳压转换成多路不同幅值的直流电压，用以为IGBT驱动保护电路和控制模块供电；控制模块用于为所述逆变电路中的IGBT提供开关脉冲信号，同时根据触控显示单元提供的加热参数设定所述开关脉冲信号的占空比和脉冲个数。

所述的触控显示单元包括液晶显示屏、操作面板以及串口通信模块；其中：液晶显示屏用于显示被加热刀柄的口径、通电频率和加热时长；操作面板内部存有不同厂家不同口径刀柄对应的默认加热参数，用户根据实际被加热刀柄选择对应的默认加热参数，进而可对该默认加热参数进行适当微调并将最终的加热参数输入至操作面板；串口通信模块用于将输入至操作面板的加热参数传输给控制主板。

所述的感应加热线圈包括高温线圈和线圈固定装置，所述的线圈固定装置包含有绕线柱，所述的高温线圈缠绕于该绕线柱上，所述的绕线柱贯穿开有供刀柄放入的通孔；工作时高温线圈由所述控制主板注入高频电流，从而实现对位于高温线圈中的刀柄进行电磁感应加热。

优选地，所述线圈固定装置的外围设有磁场屏蔽装置，其主要作用是屏蔽线圈的磁场，抑制线圈的磁场泄露；其次是使线圈的磁场聚集在刀柄周围，有利于提高加热效率，降低加热过程的损耗等。

进一步地，所述的磁场屏蔽装置采用软磁铁氧体材料。

优选地，所述高温线圈外侧绕有一圈导线，所述的导线连接有工作指示灯；当高温线圈通过高频大电流时，在导线上感应出电流，从而使工作指示灯点亮，用于提醒操作者装置是否处于工作状态。

优选地，所述的线圈固定装置采用聚四氟乙烯材料，该材料具有耐高低温(-192℃～260℃)、耐腐蚀(强酸、强碱、王水等)、高绝缘、高润滑、不粘附、无毒害等优良综合特性，其锥度刚好能与国内现有刀柄装置相契合，使磁场集中的刀柄的头部，有利于提高加热效率，降低加热过程的损耗等优点。

进一步地，所述的线圈固定装置采用传统绕线架结构，其绕线柱两端均设有挡线板。

优选地，所述的高温线圈采用由绝热胶带包裹的李兹线绕制而成；所述的李兹线采用天然丝包聚氨酯漆包铜线，所述的绝热胶带采用0.12mm厚度的聚酰亚胺材料。

本发明刀柄热装系统不但填补了国内刀柄加工市场的空白，还自主研发了一种应用于刀柄热装的高频高温磁场加热线圈，实现了热装或者换装不同的刀具时间仅为3s～15s之间。该线圈前期利用ANSYS分析，将整体结构进行优化，结构简单，设计合理，具有理论依据，后期将其装入整套的刀柄热装装置中进行一系列的实验，验证了其合理性以及最优性，并且本发明还会有各种变化，可应用于其他磁场加热领域。

本发明刀柄热装系统电路结构原理清晰明了，且借由对线圈的前期的仿真分析和后期大量实验，对刀柄的加热以及损伤都已达到最优，所采用的各个功能单元都较易实现，有很大的市场价值。

附图说明

图1为本发明刀柄热装系统的结构示意图。

图2为感应加热线圈的结构示意图。

图3为本发明刀柄热装系统的加热流程示意图。

图4为IGBT驱动保护电路的结构示意图。

图5为由三端稳压器件组成的电源模块结构示意图。

图6为串口通信模块的结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明刀柄热装系统由感应加热线圈、触控显示单元和控制主板构成。控制主板包括整流模块、变压器、电源模块、IGBT模块以及控制芯片；触控显示单元包括液晶显示屏、操作面板和串口通信模块。

在控制主板中380V三相交流电其中一相进入整流模块，将输入端的380V三相交流电整流为600V直流供给IGBT模块。本实施方式中的整流模块含交流电压输入端和直流电压输出端，接线少，可靠性高，使用方便；IGBT模块除IGBT逆变电路外还包括IGBT驱动保护电路。

380V三相交流电中的一相进入控制主板内的变压器，变压器输出15V的交流电，再经过由三端稳压器件组成的电源模块，输出-9V和15V的正负双电源给IGBT模块的驱动芯片M57962L供电，输出5V直流电给控制芯片供电。本实施方式中的变压器采用380V输入，±15V输出的多路输出变压器；电源模块含有MC78M15CT、MC7909CT以及MC78M05CT三种三端稳压器，采用MC78M05CT三端稳压器输出稳定的5V直流电压给控制芯片供电，采用MC7909CT和MC78M15CT输出-9V和15V的正负双电源给IGBT驱动芯片M57962L供电。

触控显示单元在液晶显示屏上实现刀柄尺寸、加热时间及加热频率的显示；操作面板用于刀柄尺寸的选择、加热时间及加热频率的设定，其可以通过按键修改加热频率和加热时间，然后通过串口通信模块与控制主板中的控制芯片进行通信，图3为整个加热过程的流程图。

控制主板内的控制芯片产生两路频率相同、占空比相同但有一定相位差的脉冲信号来控制IGBT的导通与关断；同时控制芯片通过串口通信接收触控显示单元设定的加热时间及加热频率等参数，控制IGBT交替关断，改变输出的PWM波的占空比及脉冲个数来控制感应加热线圈内刀柄的加热温度和加热时间，通过控制IGBT的导通频率和时间，改变输出功率以实现不同尺寸的刀柄加热。

如图2所示，本实施方式中的感应加热线圈包括高温线圈1、线圈固定装置2、磁场屏蔽装置3、普通导线4以及工作指示灯5，其中：高温线圈1均匀绕制在线圈固定装置2上，并在高温线圈1外侧绕一圈普通导线4，并在普通导线4两端连接工作指示灯5，再将这个整体包括高温线圈1、线圈固定装置2、普通导线4放置在磁场屏蔽装置3内，普通导线4两端的工作指示灯5置于磁场屏蔽装置3外。

高温线圈1由绝热胶带包裹的李兹线绕制而成；绝热胶带采用0.12mm厚度的聚酰亚胺材料，该材料短期耐温可达260-300℃；李兹线采用双层天然丝包聚氨酯(聚酯)漆包铜(束)线；该李兹线的股数要根据通过的电流大小选取。

高频大电流流向高温线圈1，高温线圈1内会产生极性瞬间变化的强磁束，将被加热的刀柄放进高温线圈1中，利用工件中的涡流产生的热量来对刀柄进行加热。

线圈固定装置2材料采用聚四氟乙烯，该材料具有耐高低温(-192℃～260℃)、耐腐蚀(强酸、强碱、王水等)、高绝缘、高润滑、不粘附、无毒害等优良综合特性，其锥度刚好能与国内现有刀柄装置相契合，使磁场集中的刀柄的头部，有利于提高加热效率，降低加热过程的损耗等优点。

磁场屏蔽装置3由软磁铁氧体材料制成，其主要作用是屏蔽高温线圈1的磁场，抑制高温线圈1的磁场泄露；其次是使高温线圈1的磁场聚集在刀柄周围，有利于提高加热效率，降低加热过程的损耗等。

普通导线4以及工作指示灯5的作用是利用电磁感应原理，当高温线圈1通过高频大电流时，在普通导线4上感应出电流，从而工作指示灯5导通，用于提醒操作者装置是否处于工作状态。

图4为IGBT模块内的IGBT驱动保护电路。IGBT驱动芯片M57962L根据接收来自电源模块的驱动电压以及来自IGBT模块的驱动脉冲信号产生两路脉冲信号来控制IGBT的导通与关断。当IGBT模块正常运行时，M57962L的13、14脚有信号输入时，M57962L的1脚将置为低电平，则将M57962L的5脚驱动电压端置于高电平，使IGBT导通。同时将8脚置于高电平，不输出故障信号；当IGBT模块过载(过压、过流)，集电极电压上升到一定值以上时，隔离二极管D3会截止。M57962L的1脚将置为高电平，则将M57962L的5脚驱动电压端置于低电平，将IGBT的栅极和发射极两端置于反向偏置，使IGBT可靠关断，并将8脚置于低电平，使光耦合器工作，向控制芯片发出故障信号，控制芯片驱动外界电路将13脚置于高电平。稳压二极管D5主要用于防止击穿D3而损坏IGBT驱动芯片M57962L，R10、R24为限流电阻，确保IGBT的基极不被击穿。

图5为由三端稳压器件组成的电源模块电路图，电源模块接收变压器输出的15V交流电，经由三端稳压器MC78M05CT，输出5V直流电给控制芯片供电；经由三端稳压器MC7909CT和MC78M15CT输出-9V和15V正负直流电给IGBT的驱动芯片M57962L供电。即D27输入端为15V与0V，利用MC78M05CT，输出端VCCE为5V；D21输入端为15V与-15V，MC78M15CT接收15V信号，输出端VH15和VP15为15V，MC7909CT接收-15V信号，输出端VH10和VP10为-9V。为得到较好的稳压效果，选取两个电容直接接在集成稳压器引脚处；为了减少纹波系数，在输入端接入一个电容，而在输出端接入一个电容以改善负载的瞬态响应。

图6为串口通信模块的电路图，串行通信端口采用的是单片机的串口TXD和RXD。与下位机芯片通信，通信系统主要是RXD端接收下位机芯片发送所选择的时间、频率值，TXD发送数据使上位机能控制IGBT交替关断而实现刀柄的电磁感应加热。串口连有光耦TLP521，有光电隔离作用，主要目的是隔离电路中的干扰，无论是干扰源还是容易受到干扰的部分，光耦都能很好的隔开。而且可以把串口两边的电路分割开来，使它们之间只有信号传递的关系而不会直接发生电关系。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。