Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Induktionserwärmung eines Werkstücks mit einer Induktionseinrichtung mit Induktionsgenerator und Induktor, einer Temperaturmesseinheit und einer Regel- und Steuereinrichtung, welche zwischen die Temperaturmesseinheit und die Induktionseinrichtung geschaltet ist. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Induktionserwärmung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Eine derartige Vorrichtung und Verfahren ist durch die DE 101 44 498 A1 bekannt. Die Vorrichtung und das Verfahren werden zur induktiven Oberflächenhärtung von Schienen oder anderen Profilen verwendet, wobei die Temperaturmessung an einem bestimmten Messpunkt mittels Pyrometer erfolgt. Mit den in dem Messpunkt gewonnenen Messwerten werden über die Regel- und Steuereinrichtung einerseits der Generator zur Erreichung der Arbeitstemperatur und anderseits eine Verfahr- geschwindigkeit des Induktors gesteuert. Da die Temperatur nur in einem Messpunkt überwacht wird, kann es mit der bekannten Vorrichtung und dem bekannten Verfahren nachteiligerweise zur Überhitzung von Bereichen kommen, welche außerhalb des Messpunktes liegen.

Die Aufgabe der Erfindung wird somit darin gesehen, die Vorrichtung und das Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass das gesamte Werkstück in gewünschter Weise erwärmt wird und eine Überhitzung vermieden wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Temperaturmesseinheit eine Wärmebildkamera ist und die Regel- und Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie für eine pixelgenaue Auswertung jedes der von der Wärmebildkamera gelieferten Wärmebilder und für eine pixelgenaue Steuerung der Induktionseinrichtung und damit für eine pixelgenaue Regelung und Überwachung des Werkstücks bestimmt und geeignet ist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8 erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Verfahren entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen dieses Anspruchs durchgeführt wird.

IBestätigungskopie Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird mit der Wärmebildkamera das Wärmebild des gesamten Werkstücks erfasst. Mit der Regel- und Steuereinrichtung werden alle von der Wärmebildkamera gelieferten Wärmebilder pixelgenau ausgewertet. Entsprechend den Vorgaben an die Erwärmung des Werkstücks wird dann der Induktionsgenerator der Induktionseinrichtung derart gesteuert, dass die in jedem Bereich des Werkstücks gewünschten Temperaturen erreicht werden. Die Form des Induktors kann der Form des Werkstücks angepasst sein oder so ausgebildet sein, dass der Induktor unmittelbar auch diejenigen Bereiche des Werkstücks erwärmt, wie es von der Aufgabenstellung her vorgesehen ist. Da das Werkstück mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Verfahren nicht nur in einem Temperaturmesspunkt sondern praktisch in allen Bereichen temperatur- mässig erfasst wird, wird eine gezielte Erwärmung erreicht und eine Überhitzung von bestimmten Bereichen des Werkstücks vermieden.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Regel- und Steuereinrichtung eine Auswerteeinheit aufweist, welche mit der Wärmebildkamera verbunden ist und welche die Werte jedes Bildpixels jedes Wärmebildes erfasst. Damit können so viele Erwärmungszonen an dem Werkstück erfasst werden wie Bildpixel vorhanden sind. Bei der Induktionserwärmung vollzieht sich der Erwärmungsprozess sehr schnell, da ein Induktor im Millisekundenbereich arbeitet. Folglich muss auch die Ansteuerung und Regelung des Induktors über den Generator sehr schnell erfolgen. Da die von der Wärmebildkamera gelieferte Datenmenge sehr groß ist, kann es von Vorteil sein, dass in bestimmten Bereichen des Werkstücks, welche beispielsweise eine homogene Wärmeentwicklung zeigen, die einzelnen Temperaturwerte zu einem Einheitswert für diesen Bereich zusammengefasst werden, um die Datenflut zu begrenzen und damit eine schnellere Ansteuerung des Generators zu gewährleisten.

Da die von der Wärmebildkamera gelieferten Daten und auch die von der Auswerteeinheit gelieferten Daten nicht den tatsächlichen Temperaturwerten auf dem Werkstück entsprechen, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass eine Eicheinrichtung mit mehreren Temperaturmessfühlern zum Anbringen an dem Werkstück vorgesehen ist, wobei die Eicheinrichtung mit der Regel- und Steuereinrichtung verbunden ist, um die von der Auswerteeinheit gelieferten Werte jedes Bildpixels zu korrigieren. Für die Kalibrierung wird eine Vielzahl von Messreihen auf der gesamten Oberfläche des Werkstücks durchgeführt, mit welchen unmittelbar die Temperatur an vielen Einzelpunkten des Werkstücks mit den Temperaturmessfühlern gemessen wird. Zeitgleich werden von dem Werkstück mit der Wärmebildkamera Wärmebilder erstellt. Durch einen Vergleich der tatsächlichen Temperaturwerte mit den Werten der Bildpixel der Wärmebilder werden dann die jeweiligen Eichkurven erstellt. Damit kann beispielsweise der Einfluss der unterschiedlichsten Emissionsfaktoren, die sich durch verschiedene Materialien, Farben, Rauhigkeit und auch Temperaturbereich ergeben, eliminiert werden.

Ein weiteres Problem bei der Messung mit der Wärmebildkamera stellt die Entstehung von Dämpfen beispielsweise bei geölten Oberflächen des Werkstücks dar, da das Wärmebild durch die Dämpfe beeinflusst wird. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht deshalb vor, dass eine Korrektureinheit zur Korrektur von Dampfentwicklung am Werkstück vorgesehen ist, wobei die Korrektureinheit Druckluftdüsen oder Ventilatoren oder mindestens ein Quotienten- Pyrometer sind. Mit den Düsen oder den Ventilatoren wird der Dampf an den Messpunkten einfach weggeblasen. Ein Quotienten-Pyrometer, welches auf zwei verschiedenen Wellenlängen misst, kann den Fehler durch die Dämpfe an einem Punkt herausrechnen. Diese Daten werden dann an die Regel- und Steuereinrichtung gegeben, welche dann diese Korrektur für alle Messpunkte errechnet.

Temperaturänderungen vollziehen sich bei der Induktionserwärmung sehr schnell. Entsprechend angepasst muss die Ansteuerung des Induktionsgenerators erfolgen. Wegen der erforderlichen schnellen Verarbeitung der Daten ist eine Softwarelösung unzureichend. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht deshalb vor, dass die Regel- und Steuereinrichtung mit mindestens einem PID-Regler ausgestattet ist. Der Regler ist ein schneller Regler und alle Regelanteile wie Proportionalanteil, Integralanteil und Differentialanteil sind einstellbar. Der Form des Werkstücks angepasst kann zweckmäßigerweise die Induktionseinrichtung mehrere Induktionsgeneratoren und mehrere Induktoren aufweisen. Entsprechend sind dann auch mehrere PID-Regler vorhanden. Für die Eingabe von Sollwerten und auch zur Bedienung des Regel- und Steuersystems ist eine Eingabeeinrichtung vorgesehen, welche vorteilhafterweise mit einem Touchscreen ausgestattet ist. Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Blockbilddarstellung,

Fig. 2 eine schematische teilweise Blockbilddarstellung mit Eicheinrichtung und

Fig. 3 eine schematische Blockbilddarstellung mit zwei Induktionsgeneratoren.

Die Vorrichtung zur Induktionserwärmung eines Werkstücks 1 weist eine Induktionseinrichtung 2 auf, welche aus einem Induktionsgenerator 3 und einem Induktor 4 besteht. Die aktuelle Temperatur des Werkstücks 1 wird an jedem Punkt des Werkstücks 1 von einer Temperaturmesseinheit 5 erfasst, welche eine Infrarot- Wärmebildkamera ist. Die Wärmebildkamera 5 ist mit einer Regel- und Steuereinrichtung 6 verbunden, welche eine in der Zeichnung nicht dargestellte Auswerteeinheit aufweist, mit welcher jeder Wert jedes Bildpixels jedes Wärmebildes der Wärmebildkamera 5 erfasst und ausgewertet wird, um dann eine pixelgenaue Steuerung des Induktionsgenerators 3 mittels der Regel- und Steuereinrichtung 6 durchzuführen.

Fig. 2 zeigt eine schematische teilweise Darstellung zur Kalibrierung der Vorrichtung, wobei eine Kalibriereinrichtung oder Eicheinrichtung 7 vorgesehen ist, welche mehrere Temperaturmessfühler 8 hat, die an der Oberfläche des Werkstücks 1 angebracht werden können. Mit den Temperaturmessfühlern 8 wird die tatsächliche Temperatur des Werkstücks 1 an den entsprechenden Messpunkten gemessen. Zeitgleich mit der Eichmessung wird das Werkstück 1 von der Wärmebildkamera 5 aufgenommen. Die von der Wärmebildkamera 5 aufgenommenen Bildpixel jedes Wärmebildes werden dann mit den über die Temperaturmessfühler 8 gemessenen Temperaturwerten verglichen und daraus werden mit der Eicheinrichtung 7 eine Vielzahl von Eichkurven erstellt. Die Eicheinrichtung 7 ist mit der in Fig. 2 nicht gezeigten Regel- und Steuereinrichtung 6 verbunden. Die in der Eicheinrichtung 7 korrigierten Daten jedes Wärmebildes werden dann an die Regel- und Steuereinrichtung 6 geliefert. In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung mit mehreren Induktionsgeneratoren 3 gezeigt. Beispielsweise bei großen Werkstücken sind mehrere Induktionsgeneratoren 3 sinnvoll. In der Regel- und Steuereinrichtung 6 sind zwei PID-Regler 9 vorgesehen, mit welchen eine schnelle Regelung der Erwärmung des Werkstücks 1 über die Regelung des Induktionsgenerators 3 bzw. des Induktors 4 ermöglicht wird. Für die Eingabe von beispielsweise Daten von Sollwerten ist noch eine Eingabeeinrichtung 10 mit einem Touchscreen vorgesehen. Die Eingabeeinrichtung 10 weist zusätzlich auch eine Anzeige für die Wärmebilder und die Daten auf und ist mit der Regel- und Steuereinrichtung 6 verbunden.

Bei der Durchführung des Verfahrens zur Induktionserwärmung eines Werkstücks 1 wird zuerst die Kalibrierung durchgeführt. Hierzu werden zuerst die Temperaturmessfühler 8 an dem Werkstück 1 angebracht und das Werkstück 1 wird mit der Induktionseinrichtung 2 erwärmt. Gleichzeitig werden die Wärmebilder des Werkstücks 1 mit der Wärmebildkamera 5 aufgenommen. Jeder Wert eines Bildpixels jedes Wärmebildes wird mit den entsprechenden von der Eicheinrichtung 7 aufgezeichneten Temperaturwerten der Temperaturmessfühler 8 verglichen. Der Vergleich ergibt die entsprechenden Eichkurven für die Werte der Wärmebilder der Wärmebildkamera 5.

Um die gezielte Induktionserwärmung des Werkstücks 1 durchzuführen, werden zuerst ein oder mehrere Sollwerte für die Temperaturen für einen oder mehrere Bereiche des Werkstücks 1 über die Eingabeeinrichtung 10 eingegeben. Die Regel- und Steuereinrichtung 6 startet dann die Erwärmung des Werkstücks 1. Mit der Wärmebildkamera 5 werden die aktuellen Wärmebilder an die Auswerteeinrichtung in der Regel- und Steuereinrichtung 6 geliefert, wobei hier eine pixelgenaue Auswertung erfolgt. Die Werte werden anschließend mit den Eichkurven korrigiert und die entsprechenden korrigierten Werte für die gewünschten Bereiche werden mit den Sollwerten verglichen. Entsprechend wird dann die Induktionseinrichtung 2 von der Regel- und Steuereinrichtung 6 gesteuert.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Induktionserwärmung des Werkstücks 1 wird eine verbesserte Induktionserwärmung ermöglicht, wobei insbesondere eine Überhitzung des Werkstücks 1 vermieden wird.