控制传送带型热处理器中工件的温度响应的方法与设备技术

一种用于控制一个正暴露在一个热处理器中的加热和／或冷却环境下的工件的温度响应曲线的方法和设备利用对工件的测量数据通过闭环反馈来调节热处理器的控制参数设定。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

Method and apparatus for controlling the temperature response of a workpiece in a belt type heat processor

A method and apparatus for response curve setting of control parameters to adjust the heat processor through the closed-loop feedback based on measurement data of a workpiece is heated in a heat exposure in the processor and / or cooling environment of workpiece temperature control.

【技术实现步骤摘要】
相关的申请本申请与美国专利申请09/404,572相关，后者于1999年9月23日递交，标题为“Method and Apparatus for Optimizing Control of aPart Temperature in a Conveyorized Thermal Processor(对传送带型热处理器中工件的优化控制的方法与设备)”，专利技术人为Steven ArthurSchultz和Philip C.Kazmierowicz及共同受让人为KIC ThermalProfiling，INC.(公司名)。典型地，在整个热处理过程中，这些对流热传导室或区带被设定在固定的控制温度上。一个区带可含有一个或几个受控热元件，每个热元件又有一个相应的控制监视位置。热元件的定义是，一个用于加热的热源或一个用于冷却的热换能器，它们都可以按命令来控制温度。各个控制监视位置处的指定温度构成了沿着回流炉的一条“控制温度(分布)曲线”。工件的温度暴露情况可以由每个区带中的处理器空气温度和在每个区带中的暴露时间来控制。沿着各个区带的空气温度构成了一条“处理器温度(分布)曲线”。当工件沿着传送带经过回流炉时其各个瞬时温度值将构成所谓的“工件温度曲线”，如果该曲线是根据测量数据得到的，则可称为“测量工件温度曲线”。工件的温度响应必须满足制造商的工件规范要求，其中包括已确定的容差范围或相对目标值的容差极限。当测量值落在相应的容差极限范围内时即为满足规范。通过对炉子的操作来获得温度数据的处理(用于生成一条测量工件温度曲线)可以称作“测试处理”。工件的温度响应可以这样监测到在把工件放入回流炉之前，把一个或几个热电偶(或其他接触式测温器件，如热敏器件或热敏电阻温度探测器)安装到工件或其相邻位置上，或者用一个热传感器进行遥测。另外，也可以用诸如红外或光学扫描器等遥测装置来测量工件的温度响应。热电偶的测量结果可以通过连接电缆或无线发射器等传送给一个数据获取装置。沿着传送带的温度也可以用不同的方法测量，其中的两个方法是(a)连结在传送带上(虽然并无热接触)的热电偶，这样热电偶将随工件一起运动，或者(b)一个其内部设有多个热电偶的固定控头，它沿着炉子的长度方向伸展，并邻近于传送带。诸如回流炉这样的一个热处理器可以被n个控制参数Cj(j＝1-n)调制。这些控制参数可以包括每个区带处的炉子设定点温度，传送带速度，工件的传送带密度(单位传送带长度上的工件数)，或者这些参数的组合以及在热处理器操作时需直接调节或会产生间接影响的变量。对热处理的其他物理影响有可能与环境温度和湿度有关的初始条件，以及诸如对流率等难以直接测量的特性。这些因素可以统称为不可控制的处理器参数。作为热处理器的一个例子，附图说明图1示出了一个回流炉的侧视图。回流炉10有一个沿其长度方向布置的传送带12，它从入口14向右移动到出口16。炉子内部可以分成用于热处理的两个或多个区带。图中示出了第一和第二区带18a和18b。每个区带都至少有一个加热和/或冷却元件20a和20b，还可以在它们附近设置一个或几个监视装置22a和22b，用于监视热处理。这些监视装置22a和22b可以是热电偶或热敏器件。炉子10还可以有一个或几个用来增强对流的循环风扇24。传送带12可以用传送带马达26a驱动，风扇可以用风扇马达26b驱动。加热和/或冷却元件20a、20b以及马达26a、26b的设定受一个控制站28的控制，该控制站从一个受操作员32或其他设备指令的接收器30接收设定输入。每个控制参数都可以在输入接收器30与控制参数之间的一个控制界面上被命令达到某个目标条件。在图1的例子中示出了一个第一区带界面34a、一个第二区带界面34b、一个传送带界面34c、和一个风扇界面34d。这些控制参数可以用一个n维的向量C表示，其中各个维的值为Cj(j＝1-n)，每个控制参数由C1，C2，…，Cn中的一个来代表。在图1例子中，n＝4。由设备的监视控制性能，例如由监视装置22a和22b所得到的测量数据，可由一个数据获取装置36a接收并由一个存储介质36b记录。热处理器对控制参数设定的响应可能不等于Cj值。处理器的响应可以用一个类似于C’的n维向量C’来表示。其中C’的各个维的值为各个处理器参数。C’可以与各处理器参数同时测得并存储。控制参数C与处理器参数C’之间的相关性可能受到对流率，各区带间的热隔离情况、和热元件达到目标控制参数值的能力等因素的影响。在实践中，处理器参数可能随时间环绕某个局部的或过程中的平均C’起伏变化。可以规定或定义处理偏差的容差，当超过了该容差时将使热处理器停止工作。这种容差可以表达为控制参数与它们相应的平均处理器参数之间的绝对差值|C-C’|j，j＝1-n。当处理器经过足够的时间(t→0)使处理器参数达到热平衡(假定控制参数保持固定值)，从而处理器参数C’只在一个规定的平衡范围或容差范围εcj内变化时，可以期望差值|C-C’|j将在一个平衡范围|C-C’|j·εcj之内变化。工件38，例如一块印刷电路板，可以放置在炉子入口14处传送带12的上游处，准备被传送通过炉子10并经出口16送出。变化时间的热暴露可以这样实现利用一系列相邻的第一和第二区带18a和18b，并使传送带的速度满足工件在炉子10中的位置等于传送带速度乘上从工件到达入口处开始计算的时间这一要求。工件38的温度可以用红外或光学扫描器在远处监测，或者用一个或几个附着在工件上的诸如热电偶40这样的热传感器监测。热电偶40测得的工件温度数据可以用直接连接或无线信号的方式传送给数据获取装置36a并记录到存储介质36b上。可以向操作员32提供工件的温度曲线规范42，使他能把工件的温度曲线与规定的范围相比较，并据此人工地调节控制站28上的控制参数。规定的范围代表了计算得到的被选择为表征工件热处理特性的反馈参数所容许的极限范围。这些反馈参数B1，B2，…，Bm或Bi(i＝1-m)可构成一个m维的矢量B。一个测量的值相对于其规定范围的中央值的偏差对应于一个反馈指数，各个反馈指数中的最大值代表了热处理的“处理窗口指数”S。工件对于对流热传导环境的响应主要取决于4个因素工件的初始温度(由加注上标O表示)，工件所暴露的环境中的环境温度，取决于流体介质及其运动特性的对流系数，以及工件自身的物理性质和材料性质。在回流炉中，环境温度随着沿传送带路径的距离变化，这使得沿该路径运动的工件的温度实际上是随时间t变化的。对流条件可以用一个无量纲的量即Nusselt数Nu来表示。如本
所众知的，工件的瞬时响应可以用另外两个无量纲量表示Biot(比奥)数Bi和Fourier(傅里叶)数Fo。这三个无量纲量合起来可以当作以下这些参数的函数来处理流体速度u(该参数又可能依赖于风扇速度ω)，流体热传导介质(在回流炉情形中是空气)及工件(在许多应用中为简单起见它可当作是一个具有恒定性质的物体)的热导率k，流体(由加注下标a表示)及工件(由加注下标P表示)的密度ρ，以及流体和工件的热容量c。于是工件的瞬时热传导响应可以表示为式(1)所示的函数Tp(t)=f{Tpo,Tz(t),Nu,Bi,Fo}]]>=f{Tpo,Tz(t,Uc),u(&omega本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制热处理器的方法，上述方法包括：对一个工件建立至少一个希望的工件热曲线范围；测量上述工件的工件重量和至少一个方向上的工件长度；确定热处理器的多个控制范围；选择多个符合上述多个控制范围并对应于上述至少一个希望的工件热曲线 范围的参考控制参数，上述工件重量和上述工件长度各自都在规定的容差范围内；运行一个优化操作来从一个预测处理窗口指数计算多个修改的控制参数；通过将一个当前处理窗口指数与上述预测处理窗口指数和一个要求处理窗口指数进行比较，以命令形式指令控 制器或者起动或者停顿生产过程，其中上述当前处理窗口指数最初被设定为一个选定的大数；对一个热控制器设定上述多个修改控制参数；在多个处理器参数达到平衡后，验证热处理器中达到了上述多个修改的控制参数；测量上述工件的一个测量工件温度； 根据上述测量工件温度修改上述当前处理窗口指数；以及当上述工件位于热处理器内时依次重复上述运行、比较、设定、测量和修改等操作。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：菲利普C卡茨米尔罗维克兹，埃里克德兰斯费尔德特，斯坦利D舒尔茨，
申请(专利权)人：KIC热仿形公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]