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Dokumentenidentifikation EP0899020 04.11.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0000899020
Titel Verfahren zur Erkennung von Werkstücken in einer elektrostatischen Beschichtungsanlage und eine elektrostatische Beschichtungsanlage
Anmelder Wagner International AG, Altstätten, CH
Erfinder Seitz, Kurt, 9443 Widnau, CH;
Hasler, Markus, 9462 Montlingen, CH;
Adams, Horst Dr., 9016 St. Gallen, CH
Vertreter BOEHMERT & BOEHMERT, 80336 München
DE-Aktenzeichen 59812017
Vertragsstaaten CH, DE, FR, GB, IT, LI
Sprache des Dokument DE
EP-Anmeldetag 21.07.1998
EP-Aktenzeichen 981136021
EP-Offenlegungsdatum 03.03.1999
EP date of grant 29.09.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.11.2004
IPC-Hauptklasse B05B 12/12

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Werkstücken in einer elektrostatischen Beschichtungsanlage sowie eine elektrostatische Beschichtungsanlage, bei der dieses Verfahren angewendet werden kann.

Herkömmliche automatische Beschichtungsanlagen werden über speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) gesteuert. Hierfür ist eine zentrale Recheneinheit vorgesehen, von der aus eine Vielzahl von elektrischen und pneumatischen Leitungen zu Sensoren und Stellgliedern (oder Aktoren) der Anlage gehen.

Die aktuellen Zustände der Sensoren (z.B. Fördertakt des Werkstücks, Füllstand der Vorratsbehälter etc.) werden zyklisch von der Zentraleinheit erfaßt, die notwendigen Reaktionen der zugehörigen Stellglieder werden jeweils errechnet, und entsprechende Steuerbefehle werden an die Stellglieder weitergeleitet.

Bei den üblichen elektrostatischen Pulverbeschichtungsanlagen läuft ein Werkstück in horizontaler Richtung durch eine Beschichtungskabine, in deren Seitenwand vertikale Schlitze vorgesehen sind. Durch diese Schlitze geben elektrostatische Beschichtungspistolen Beschichtungspulver in die Beschichtungskabine ab. Während das Werkstück durch die Beschichtungskabine geführt wird, bewegen sich die hintereinander angeordneten, mehreren Beschichtungspistolen in vertikaler Richtung auf und ab, wobei das Werkstück durch die Werkstückbewegung in der Horizontalen und der Vertikalen mit mehreren aneinander angrenzenden oder sich teilweise überdeckenden sinusförmigen Pulverschwaden beschichtet wird.

Um eine gleichmäßige und ausreichende Beschichtungsdicke auf dem Werkstück zu erhalten und um den Wirkungsgrad beim Pulverauftrag zu optimieren, werden der Vertikalhub der Beschichtungsgeräte sowie die Pulverabgabe gesteuert. Zusätzlich wird der Abstand zwischen Beschichtungsgerät und Werkstück in der Sprührichtung eingestellt, um zu vermeiden, daß bei einem zu geringen Abstand das Pulver wieder abgeblasen wird oder sich elektrostatische Krater bilden bzw. daß sich im umgekehrten Fall der Wirkungsgrad der Pulverbeschichtung verschlechtert und z.B das Eindringvermögen in Hohlräume abnimmt.

Zu diesem Zweck haben bekannte Pulverbeschichtungsanlagen eine Teileerkennungs- und Identifikationseinrichtung sowie eine Zeitgebereinrichtung.

Die Teileerkennung wird zum Beispiel in Lackieranlagen zur Realisierung einer Lückensteuerung verwendet. Dabei wird in Werkstücklücken die Förderung und somit das Auftragen von Pulverlack oder Naßlack unterbrochen. Dadurch reduziert sich der Verbrauch an Beschichtungsstoffen, die Abfallmenge bei Naßlacken und der rezirkulierte Anteil bei Pulverlacken. Der prinzipielle Aufbau einer Lückensteuerung des Standes der Technik ist in Figur 9 gezeigt.

Eine Werkstückfördervorrichtung 902 transportiert Werkstücke 904 durch eine Beschichtungskabine 901 in der gezeigten Richtung. Zur Realisierung der Lückensteuerung wird eine Vorrichtung zur Erkennung eines Werkstücks 904 benötigt. Diese besteht aus einer Lichtschranke 906 oder 906', 908, wobei Licht vom Lichtsender 906 oder 906' gesendet und vom Empfänger 908 empfangen wird, und wobei entsprechende Signale an eine Steuerung 912 weitergeleitet werden.

Die Lichtschranke liegt vornehmlich außerhalb der Beschichtungskabine 901. Für die zeitverzögerte Steuerung der Materialförderung benötigt die Steuerung 912 ein zusätzliches Signal, das proportional zur Geschwindigkeit der Fördervorrichtung 902 ist. Dieses Signal kommt nun direkt von einer Fördersystem-Steuerung 915, oder es wird mit einer speziellen Einrichtung 913 zur Messung der Fördergeschwindigkeit ermittelt. Diese Geschwindigkeitsmessvorrichtung erzeugt ein zur Fördergeschwindigkeit proportionales Signal und leitet es zur Steuerung 912. Die Steuerung 912 bestimmt aus der Geschwindigkeitsinformation und dem Signal von der Lichtschranke 806, 908 die Zeit, die das Werkstück 904 benötigt, um bis zur Sprühvorrichtung 905 zu gelangen.

Die Lichtschranke 906, 908 "informiert" die Steuerung 912 auch von dem Ende eines Werkstücks. Damit hat man nun eine Einrichtung die das Einfahren eines Werkstücks 904 in die Kabine 901 erkennt, dessen Länge ermittelt und zeitverzögert, abhängig von der Geschwindigkeit des Förderers 902, die Materialförderung 910, 911 ein- und ausschalten kann.

Zur Steuerung der Beschichtungsgeräte sind im Stand der Technik weiterhin eine Positionssteuereinrichtung und eine Bewegungssteuereinrichtung vorgesehen, die ebenfalls die Information über Anfang, Ende und Geschwindigkeit des Werkstücks benötigen. Die Positionssteuereinrichtung steuert die Abstände der Beschichtungsgeräte zu den Werkstücken. Die Bewegungssteuereinrichtung steuert den Vertikalhub der Beschichtungsgeräte.

Die Beschichtungsanlage erfordert einen großen Rechenaufwand, um die mehreren Beschichtungsgeräte aufeinander abgestimmt so ein- und auszuschalten, auf und ab sowie vor und zurück zu bewegen, daß ein optimales Beschichtungsergebnis erhalten wird.

Ferner ist für die Teileerkennung und -identifikation eine relativ komplexe und teure optische Erfassungsvorrichtung notwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erkennen eines Werkstücks in einer elektrostatischen Beschichtungsanlage und eine neue Beschichtungsanlage anzugeben, bei denen der Hardware- und Softwareaufwand für die Teileerkennung und -identifikation verringert und die Steuerung vereinfacht werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine Beschichtungsanlage mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst.

Die Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß in einem elektrostatischen Beschichtungsgerät eine Hochspannungselektrode oder Sprühelektrode, elektrostatische Ladungen an die Umgebung abgibt, welche einen elektrischen Sprühstrom von der Hochspannungselektrode durch die Luft zur Erde erzeugen, und zwar unabhängig davon, ob gleichzeitig von dem Beschichtungsgerät ein Beschichtungsmaterial an das Werkstück abgegeben wird oder nicht. Wenn ein elektrisch leitendes, geerdetes Werkstück vor dem Beschichtungsgerät vorbeigeführt wird, fließt der elektrische Sprühstrom von der Hochspannungselektrode durch das Werkstück zur Erde.

Beim Annähern des Werkstücks an die Sprühpistole steigt der Sprühstrom kontinuierlich an (siehe Figur 2). Befindet sich nun die Sprühelektrode auf gleicher Höhe wie das Werkstück, so ändert sich der Sprühstrom nur noch unwesentlich. Die Erhöhung des Sprühstroms wird für die Teileerkennung ausgenutzt. Messungen haben belegt, daß der Gesamtstrom der durch die Elektrode fließt zum größten Teil vom Abstand zwischen Sprühelektrode und Werkstück bestimmt wird, sowie von der eingestellten Hochspannung.

Die Messung des Sprühstroms kann daher als Mittel zur Erkennung eines Werkstücks vor dem Beschichtungsgerät verwendet werden. Gemäß der Erfindung wird abhängig von der Größe des Sprühstroms der Betrieb des Beschichtungsgerätes gesteuert.

Die im Stand der Technik übliche optische Werkstückerkennung kann dadurch ganz entfallen.

Durch Definieren geeigneter Schwellwerte kann erkannt werden, ob sich das Werkstück an das Beschichtungsgerät annähert, sich vor diesem befindet oder ob es sich entfernt und ob es den richtigen Abstand zur Sprühelektrode hat.

Das neue Verfahren zur Teileerkennung gemäß der Erfindung, ermöglicht es, z.B. eine Lückensteuerung viel einfacher zu realisieren als im Stand der Technik, indem direkt vor Ort, an der Beschichtungspistole ein Werkstück erkannt wird und abhängig von dem Vorhandensein eines Werkstücks die Förderung und Abgabe des Beschichtungsmaterials aktiviert wird. Bei dem neuen System wird somit keine externe "Lückensteuerung" benötigt.

Wie bereits erwähnt, ist für die Größe des Sprühstroms neben der Hochspannungsvorwahl vor allem der Abstand von Werkstück und Elektrode maßgebend.

Für eine optimale Beschichtung sollte dieser Abstand konstant sein. Da es jedoch viele Werkstücke mit sich in Längsrichtung ändernden Konturen gibt, und die Sprühpistole einen Vertikalhub durchläuft, ändert sich dabei der Abstand. Abhängig von dem gemessenen Sprühstrom kann nun der Abstand zwischen dem Werkstück und dem Beschichtungsgerät in Sprührichtung ermittelt und konstant gehalten werden.

Die Teileerkennung kann auch zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Werkstücks herangezogen werden. Da in der Praxis meistens drei und mehr Pistolen horizontal hintereinander in gleichem Abstand angeordnet sind, kann daraus die Fördergeschwindigkeit hergeleitet werden. Da eine einmal gewählte Geschwindigkeit über einen längeren Zeitraum konstant bleibt, kann aus mehreren aufeinander folgenden relativ ungenauen Messungen durch statistische Methoden die Fördergeschwindigkeit genauer berechnet werden.

Die Geschwindigkeitsinformation kann dann zur Steuerung und Synchronisierung des Vertikalhubs der Beschichtungsgeräte verwendet werden.

Die Erfindung schafft mit dem Verfahren zur Erkennung von Werkstücken mit Hilfe der Sprühströme der elektrostatischen Beschichtungsgeräte ein zuverlässiges, schnelles und kostengünstiges Mittel für die Erfassung und Identifikation der zu beschichtenden Werkstücke, das die im Stand der Technik üblichen Teileerkennungs- und Identifikationseinrichtungen vollständig ersetzten kann. Ferner hat die Erfindung den Vorteil, daß die Anwesenheit eines Werkstücks vor den jeweiligen Beschichtungsgeräten während des Betriebs laufend überprüft werden kann und nicht, wie im Stand der Technik, nur aufgrund einer einmaligen Messung beim Eintritt des Werkstücks in die Beschichtungskabine vorausgesagt wird. Bei einem außerplanmäßige Stillstand der Werkstückförderung kann dadurch z.B. sofort die Pulverabgabe gesperrt werden. Weiterhin ermöglicht die Erfindung eine weitgehende Dezentralisierung der Beschichtungsanlage, weil jedes Beschichtungsgerät selbständig erkennt, ob ein Werkstück vorhanden ist, und abhängig vom Sprühstrom seine Pulverabgabe und seinen Abstand zum Werkstück steuern kann.

Die Erfindung ist im folgenden anhand des Beispiels einer elektrostatischen Pulverbeschichtungsanlage mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:

Fig. 1
eine elektrostatische Pulverbeschichtungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2
ein Diagramm des Sprühstrom abhängig von dem Abstand zwischen einer Sprühelektrode und einem Werkstück;
Fig.3
eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Abstandseinstellung zwischen Werkstück und Sprühpistole gemäß der Erfindung;
Fig. 4
eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Verfahrens zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Werkstücks gemäß der Erfindung;
Fig. 5a, 5b
zwei Diagramme unterschiedlicher Wellenlinien aus Beschichtungsmaterial, die mit zwei synchronisierten bzw. zwei nicht synchronisierten Beschichtungsgeräten erhalten werden;
Fig. 6
eine ideale und eine real U/I-Kennlinie einer Hochspannungselektrode eines Beschichtungsgerätes;
Fig. 7
eine Kurvenschar aus U/I-Kennlinien für unterschiedliche Versorgungsspannungen des Hochspannungserzeugers eines Beschichtungsgerätes;
Fig. 8
eine Einrichtung zur Erfassung des elektri-schen Sprühstroms; und
Fig. 9
eine Beschichtungsanlage nach dem Stand der Technik mit einer Lückensteuerung;

Figur 1 zeigt eine Pulverbeschichtungsanlage gemäß der Erfindung. Diese Pulverbeschichtungsanlage ist ausführlicher in der deutschen Patentanmeldung "Steuersystem einer Beschichtungsanlage" derselben Anmelderin, mit demselben Anmeldetag beschrieben. Auf die Offenbarung dieser Patentanmeldung und insbesondere die dortige Erläuterung der Netzwerkstruktur wird ausdrücklich Bezug genommen.

In Fig. 1 sind mehrere (fünf) Beschichtungsmodule aus jeweils einem digitalen Steuergerät 60, einem Injektor 64 und einer Sprühpistole 66 dargestellt, die über einen Pistolenbus 62 verbunden sind. Für den Betrieb notwendige Informationen über die Betriebszustände der Beschichtungsanlage erhalten die Steuergeräte 60 über einen internen Bus 80.

Über den internen Bus 80 sind die mehreren Beschichtungsmodule ferner miteinander und mit einer zentralen Steuereinheit 82 sowie mit weiteren Komponenten des Systems verbunden. Zusätzliche, an den internen Bus anschließbaren Module sind z. B. ein Pulverpegelsteuermodul 88, ein Positionssteuermodul 90 und ein Bewegungssteuermodul 92.

Es sind noch weitere Baugruppen vorgesehen, die über einen externen Bus 100 ebenfalls mit der zentralen Steuereinheit 82 verbunden sind; diese umfassen ein Pulverzentrum 102 mit einem Pulvervorratsbehälter 104, eine Schichtdickenmeß- und Regeleinrichtung 107, 108 und eine Luftmengenregeleinrichtung 109 für ein Pulverrückgewinnungssystem 110, 114 u.a.

Die Busse 62, 80, 100 sind vorzugsweise Lon-Busse (LON = local area network). Die einzelnen Komponenten, die als LON-Knoten konfiguriert sind, können sich im System selbst anmelden, andere Systemkomponenten erkennen, sich auf diese einstellen und mit diesen kommunizieren. Sie können die Information über die jeweiligen Betriebszustände der Beschichtungsanlage, die sie über den Bus 80 oder 100 erhalten, auswerten und nutzen.

In groben Zügen läuft der Betrieb in der in Figur 1 gezeigten Pulverbeschichtungsanlage wie folgt ab. Ein Werkstück 200 nähert sich der Beschichtungskabine 120. An den Hochspannungselektroden der Sprühpistolen 66-1, 66-2, ..., 66-n liegt eine Hochspannung von etwa 100 kV an, so daß ein elektrischer Sprühstrom von den jeweiligen Elektroden durch die Luft zu Erde fließt. Dieser Sprühstrom ist, solange sich kein geerdetes Werkstück vor der jeweiligen Sprühpistole befindet, sehr klein (sog. Nullstrom).

Figur 2 zeigt den Zusammenhang zwischen dem elektrischen Sprühstrom und dem Abstand zwischen dem Beschichtungsgerät 66 und dem Werkstück 200 bzw. der Zeit. Die y-Achse zeigt den Strom, auf der x-Achse sind der Abstand in cm und die Zeit in Sekunden dargestellt, wobei eine konstanten Fördergeschwindigkeit von 10 cm/s angenommen wird.

Zum Zeitpunkt t1 ist das Werkstück noch sehr weit von der Sprühpistole 66 entfernt. Es fließt ein Sprühstrom I1 zur nächstgelegenen Erde, dieser Sprühstrom wird laufend gemessen und mit vorhergegangenen Meßwerten verglichen. Bis zum Zeitpunkt t2 ändert sich der Strom unwesentlich. Ab dem

Zeitpunkt t2 beginnt nun der Strom zu steigen. Vom zuvor beschichteten Werkstück kann bereits der ungefähre Endwert I2 bekannt sein. Zum Zeitpunkt t3 ist das Werkstück noch ca. 20 cm von der Sprühpistole entfernt. Die frei wählbare Einschaltschwelle wird in diesem Beispiel auf 25% von ΔIs gesetzt.

Zum Zeitpunkt t3 wird somit die Einschaltbedingung erkannt und das Steuergerät 60 schickt über den Pistolenbus 62 einen Einschaltbefehl an den Injektor 64. Der Injektor 64 enthält zwei Luftmengenregler zur Einstellung von Förderluft und Dosierluft für das Beschichtungsgerät. Damit wird die Pulverförderung eingeschaltet. Kommt nun das Werkstück 200 zur Beschichtungspistole 66, so wird es beschichtet. Im Zeitintervall t4 bis t5 läuft das Werkstück an der Pistole vorbei. Im beschriebenen Fall ist die Länge des Werkstücks 20 cm. Ab dem Zeitpunkt t5 entfernt sich nun das Werkstück 200 von der Sprühpistole 66 und der Sprühstrom sinkt. Zum Zeitpunkt t6 ist das Werkstück 10 cm von der Sprühpistole entfernt, wiederum wird eine vorgewählte Schaltschwelle (hier 50% von ΔIs) überquert und über den LON-Bus 92 wird die Pulverförderung abgeschaltet.

Der gemessene Sprühstrom kann auch zur Einstellung des Abstandes zwischen Werkstück 200 und Sprühpistole 66 verwendet werden.

In Figur 3 ist eine mögliche Konfiguration des Positionssteuermoduls dargestellt. Die Positionssteuerung wird häufig als Z-Achsensteuerung bezeichnet. Solche Steuerungen sind bekannt, doch bewegen sich die Beschichtungsgeräte bisher auf einer fest einprogrammierten Bahn. Bei der neuen Methode, erfolgt die Anpassung an die Werkstückkontur automatisch.

Der in der Sprühpistole 66 integrierte Hochspannungserzeuger erzeugt einen Sprühstrom von der Elektrode 17 zum Werkstück 200. Dieser Sprühstrom wird von einem Hochspannungsmodul 300 gemessen und an einen Abstandsrogler 302 weitergeleitet. Dieser Regler versucht einen vorgegebenen Sprühstrom einzuregeln. Ist z.B. der Sprühstrom kleiner als vorgegeben, so wird vom Regler 302 ein Korrektursignal an eine Verschiebeachsensteuerung 304 übertragen. Diese wiederum veranlaßt einen Servomotor 306 eine Pistolenhalterung 308 und mit ihr die Pistole 66 näher an das Werkstück 200 zu schieben.

Dieser Regelvorgang muß relativ schnell vor sich gehen. Durch die Auf- und Abbewegung der ganzen Einheit mit Hilfe eines Hubgeräts 310, wird die Elektrode 17 entlang der gestrichelten Linie 312 bewegt. Dadurch wird die Pistole immer in einem korrekten Abstand zum Werkstück 200 gehalten. Der Regler 302 ist in der Praxis als ein "Softwareteil" des Hochspannungsmoduls 300 realisiert. Der erwähnte Regler ist vorzugsweise kein Standard PI oder PID Regler, sondern ein sogenannter intelligenter Regler.

Die Fördergeschwindigkeit des Werstücks kann aus den Zeitpunkten ermittelt werden, zu denen die Sprühströme einer ersten und einer zweiten Sprühpistole 66-1 und 66-2 einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten, und abhängig von den ermittelten Zeitpunkten und dem bekannten Abstand zwischen der ersten und der zweiten Sprühpistole wird die Geschwindigkeit des Werkstückes berechnet.

Figur 4 zeigt prinzipiell die Anordnung von 3 Pistolen.

Ein Fördersystem bringt verschiedene Werkstücke 200 in der gezeigten Richtung in die Beschichtungskabine 120. Ein Werkstück 200 bewegt sich nun zur ersten Beschichtungspistole 66-1. Ein erstes Hochspannungsmodul 400-1 registriert einen Anstieg des Sprühstroms. Eine im Modul eingebaute Echtzeituhr registriert den genauen Zeitpunkt der Erkennung und sendet den Startzeitpunkt der Messung an ein zweites Hochspannungsmodul 400-2. Das Werkstück bewegt sich nun zur zweiten Beschichtungspistole 66-2 und löst dort wiederum einen Startzeitpunkt mit Hilfe einer Echtzeituhr aus. Dieser Startwert der zweiten Messung wird sogleich über das Bus-System 402 zum dritten Hochspannungsmodul gesendet. Der Startzeitpunkt der zweiten Messung ist zugleich der Stoppzeitpunkt der ersten Messung. Mit Hilfe des bekannten Abstandes A zwischen erster und zweiter Pistole und der Zeitdifferenz zwischen Start- und Stoppzeitpunkt wird die Geschwindigkeit des Werkstücks berechnet und über den Bus 402 an einen beliebigen anderen Busteilnehmer 404 gesendet, der für seine Funktion die Geschwindigkeit des Fördersystems kennen muß.

Bewegt sich nun das Werkstück 200 weiter zur dritten Pistole 66-3, so wird der zweite Stoppzeitpunkt ausgelöst. Aus der zweiten Zeitdifferenz (Startzeitpunkt Nr.2 und Stoppzeitpunkt Nr.2) und dem bekannten Abstand B wird der zweite Geschwindigkeits-Meßwert ermittelt und an den Bus 402 übergeben.

Auch läßt sich zur Kontrolle und/oder zum Runden aus dem ersten Startzeitpunkt und dem zweiten Stoppzeitpunkt, sowie der Strecke A + B ein dritter Geschwindigkeitsmeßwert errechnen. Dieser dritte Meßwerte wird der genaueste sein, weil sich Ungenauigkeiten in der Zeitmessung und in der Werkstückerkennung um so weniger auswirken, je länger die Meßstrecke und die Meßzeit sind. Da bei jedem Werkstück die Geschwindigkeit neu ermittelt wird, kann aus mehreren Messungen die durchschnittliche Geschwindigkeit des Förder systems errechnet werden.

Die Information über die Werkstückgeschwindigkeit kann zur Steuerung und Synchronisation der Hubbewegung der Sprühpistolen verwendet werden.

Für den einfachsten Fall wird angenommen, daß zwei Beschichtungspistolen horizontal nebeneinander angeordnet sind. Diese beiden Beschichtungspistolen sind im Abstand A angeordnet (Figuren 5a und 5b).

Diese beiden Beschichtungspistolen sind auf einem sogenannten Hubgerät 306 (Figur 3) befestigt. Das Hubgerät bewegt die Pistolen senkrecht auf und ab, und zwar mit einer konstanten Geschwindigkeit von unten nach oben, und mit der gleichen Geschwindigkeit von oben nach unten. In den Umkehrpunkten wird jeweils so schnell wie möglich die Geschwindigkeitsrichtung umgeschaltet. Bei einem rechteckigen Werkstück das kontinuierlich in die Beschichtungskabine hineinfährt wird dadurch die ganze Fläche gleichmäßig beschichtet, sofern die Geschwindigkeit der Fördereinrichtung und des Hubgeräts "synchronisiert" sind. Zum besseren Verständnis sind in Figur 5a und 5b verschiedene Fälle dargestellt.

Der Materialniederschlag auf dem Werkstück ähnelt bezüglich der Schichtdicke einer Gausschen Verteilung, deshalb kann die Beschichtungsgrenze in der Breite nicht genau angegeben werden. Jedoch ist im synchronisierten Fall (Figur 5a) ersichtlich, daß die Sprühpistole (2) denjenigen Bereich des Werkstücks beschichtet, der von der Sprühpistole (1) nicht beschichtet werden konnte. Durch die Verwischung der Sprühzonen wird im Fall der Figur 5a die Materialverteilung optimal. Nicht so im nicht synchronisierten Fall der Figur 5b. Dort beschichtet die zweite Pistole (2) vorwiegend den gleichen Bereich, den zuvor Pistole (1) beschichtet hat. Zudem gibt es Zwischenzonen die nicht beschichtet wurden.

Werden mehr als zwei Pistolen nebeneinander angeordnet, so git es mehrere Konstellationen, bei denen eine optimale Abdeckung erreicht wird.

Jedes Beschichtungsmodul kann somit sowohl die Tatsache, daß ein Werkstück 200 sich annähert, als auch die Art, insbesondere Größe und Form des Werkstücks 200, die Geschwindigkeit des Werkstücks und den Abstand von Werkstück zu Sprühpistole erfassen. Diese Informationen werden auf den Bus 100, 80 gegeben und stehen sofort bei den anderen Komponenten der Pulverbeschichtungsanlage zur Verfügung.

Zum Verständnis der Sprühstrommessung sei folgendes vorausgeschickt.

Im allgemeinen ist die Erzeugung einer Hochspannung in einem elektrostatischen Beschichtungsgerät bekannt. In der DE-A-42 32 026 wird beschrieben, wie eine Schaltung aufgebaut ist, die exakt reproduzierbare Strom/Spannungskennlinien produziert. Diese exakt reproduzierbaren Kennlinien sind eine Grundlagen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Eine Hochspannungserzeugungseinheit besteht in der Regel aus einem Hochspannungssteuermodul mit Oszillator, Endstufe und Steuereinheit und einem Hochspannungserzeuger in der Pistole, bestehend aus Hochspannungstransformator, Vervielfacherkaskade und Schutzwiderständen. Sie besitzt eine U/I-Kennlinie, die das elektrische Verhalten der Gesamteinheit bestimmt. Wäre der Gesamtinnenwiderstand ein ohmscher Widerstand, so wäre die U/I-Kennlinie eine Gerade, mit den Eckpunkten: Kurzschlußstrom und Leerlaufspannung. Siehe dazu Kurve A in Figur 6. In der Praxis ist der Innenwiderstand aufgeteilt in viele, sich summierende komplexe Innenwiderstände und ohmsche Anteile. Die daraus resultierende Kennlinie ist in Figur 6 als Kurve B dargestellt. Der eigentliche Lastwiderstand einer Beschichtungseinheit ist die Luft zwischen Sprühelektrode und Werkstück und besitzt rein ohmschen Charakter. Jedoch ist dieser ohmsche Widerstand abhängig von der Form des Werkstücks, dessen Größe, Oberflächenbeschaffenheit, der Form der Sprühelektrode, der Luftbeschaffenheit, Temperatur, Druck, Feuchtgehalt sowie dem Abstand zwischen Elektrode und Werkstück und zudem vom Hochspannungserzeuger.

Die Form der realen U/I-Kennlinie B ist mit einer geeigneten Ansteuerung bei jeder Kombination aus Steuereinheit und Hochspannungserzeuger die Gleiche.

Figur 7 zeigt eine Kurvenschar, gebildet aus mehreren unterschiedlichen Spannungseinstellungen oder, genauer gesagt, unterschiedlichen Endstufen-Versorgungsspannungseinstellungen. Dabei entsprechen in Figur 7 die Werte U0x den Leerlaufspannungen, die zu den jeweils gewählten Versorgungsspannungen proportional sind. (Der Einfachheit halber wird die gekrümmte Kennlinie durch einen Knick dargestellt.)

Nehmen wir z.B. die Kurve B1 mit ihren Eckpunkten U01 und Ik1. Darauf sind nun vier mögliche Arbeitspunkte dargestellt. AP1 entspricht einem sehr großen Abstand zwischen Werkstück und Sprühelektrode, wobei das Werkstück immer geerdet ist. Der Abstand ist so groß, daß die in der Luft bewegten Ladungsträger gar nicht zum Werkstück, sondern z.B. zum Pistolenhalter gelangen. Der Punkt AP1 stellt somit in der Praxis die maximale Hochspannung und den minimalen Strom dar. (Der Punkt U01 kann nur im Labor unter gewissen Bedingungen erreicht werden.) Wird nun der Abstand zwischen Werkstück und Elektrode verringert, so bewegt sich der Arbeitspunkt entlang der Kurve B1 auf AP2 zu. Bei diesem Punkt fließt bereits ein beachtlicher Teil der Ladung über das Werkstück ab. Verringert man nun den Abstand von Werkstück zu Elektrode weiter bis zur Berührung, so wandert der Arbeitspunkt weiter über AP3 bis zu AP4 (Kurzschluß).

Wollte man nun eine Spannungsmessung durchführen, so müßte in dem Hochspannungserzeuger ein Spannungsteiler eingebaut werden, der eine kleine, der Hochspannung proportionale Spannung liefert. Dieser Spannungsteiler muß für hohe Spannung bis 100 KV dimensioniert werden und ist somit groß und voluminös.

Günstiger ist dagegen die Messung des Sprühstroms, die unten noch erläutert ist.

Die Form der U/I-Kennlinie ist im Hochspannungsmodul abgespeichert. Zudem kennt das Hochspannungsmodul den Zusammenhang zwischen Versorgungsspannung und U0. Damit ist dem Hochspannungsmodul die gesamte tatsächliche Kurvenschar von Figur 7, auch mit allen nicht gezeichneten, dazwischenliegenden Kurven, bekannt.

Aus dem linearen Zusammenhang der Versorgungsspannung des Hochspannungserzeugers (die gemessen wird) und U0 errechnet das Hochspannungsmodul die aktuelle Leerlaufspannung U0a. Die dazugehörenden U/I Kennliniendaten werden aus dem Speicher abgerufen. Der gemessene Sprühstrom Ism wird vom Rechner zur Bestimmung des aktuellen Arbeitspunktes APa benutzt. Dadurch ist auch die aktuelle Elektrodenspannung Ua bestimmt.

Für die vorstehend erläuterte Werkstückerkennung genügt die Kenntnis der jeweils zu verwendenden Kennlinie und des gemessenen Sprühstroms. Häufig ist es jedoch wünschenswert, neben dem Sprühstrom auch die aktuelle Elektrodenspannung Ua anzuzeigen.

In Figur 8 ist eine Strommeßschaltung gezeigt. Die Schaltung der Figur umfaßt eine Steuereinrichtung 10, zwei Koppelkondensatoren 11, 37, einen Transformator 13 mit einer Primärspule 14 und einer Sekundärspule 15, die über eine Brücke 12 verbunden sind, eine Hochspannungskaskade 16, eine Elektrode 17 mit einem Elektrodenwiderstand und einen Widerstand 18, welche auf die in Figur 2 gezeigte Weise miteinander verbunden sind. Weiterhin ist ein mit 22 bezeichneter Tiefpaß sowie ein mit 25 bezeichneter Strom-Spannungs-Wandler vorgesehen. Ebenfalls in Figur 2 gezeigt ist ein zu beschichtendes Werkstück 19.

Der Tiefpaß umfaßt eine erste Tiefpaß-Spule 21, die auf der Seite der Brücke 12 mit der Primärspule 14 und über einen Kondensator 23 mit Erde 9 verbunden ist, und eine zweite Tiefpaß-Spule 26, welche den Strom-Spannungs-Wandler 25 mit dem Verbindungspunkt 35 von erster Tiefpaß-Spule 21 und Kondensator 23 verbindet. Zusätzlich ist noch ein Widerstand 24 zu dem Kondensator 23 in Reihe geschaltet.

Der Strom-Spannungs-Wandler 25 weist einen Operationsverstärker 27 auf, dessen Ausgang über einen Rückkopplungswiderstand 28 mit seinem invertierenden Eingang verbunden ist. Die zweite Tiefpaß-Spule 26 ist ebenfalls an den invertierenden Eingang 38 des Operationsverstärkers 27 angeschlossen, und der nicht-invertierende Eingang 39 des Operationsverstärkers 27 ist mit Erde 9 verbunden.

Am Ausgang des Strom-Spannungs-Wandlers 25 ist ein Filternetzwerk 29 aus zwei Widerständen 30 und 31 und zwei Kondensatoren 32 und 33 sowie ein Ausgangsverstärker 34 angeordnet, welche auf die in Figur 2 gezeigte Weise miteinander verbunden sind.

Die Schaltung der Figur 2 arbeitet wie folgt. Wenn sich ein Werkstück 19 vor der Elektrode 17 befindet und elektrische Ladung auf das Werkstück 19 übertragen wird, fließt ein Sprühstrom über Luftpartikel (Ionen) und Pulverteilchen zum Werkstück und über Erde zurück zum Steuergerät. Dieser Sprühstrom fließt durch den Operationsverstärker 27, den Tiefpaß 22 und über die Transformatorbrücke 12 in die Hochspannungskaskade 16 zurück. Der Strom-Spannungs-Wandler 25 ist so aufgebaut und dimensioniert, daß sich am Ausgang des Operationsverstärkers 27 eine Spannung einstellt, die proportional zu dem elektrischen Sprühstrom von der Elektrode 19 zu Erde 9 ist.

Die Spannung am Ausgang 36 dieser Meßschaltung kann auf die oben beschriebene Weise ausgewertet werden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Erkennen von Werkstücken in einer elektrostatischen Beschichtungsanlage mit mindestens einem elektrostatischen Beschichtungsgerät (66), das
    • eine Hochspannung an eine Hochspannungselektrode (17) anlegt, bei dem
    • von der Hochspannungselektrode ein Sprühstrom, enthaltend elektrostatische Ladung zum Aufladen von Partikeln eines zu versprühenden Beschichtungsmaterials erzeugt wird,
    • ein zu beschichtendes, elektrisch leitendes Werkstück (19; 200) an dem Beschichtungsgerät vorbeigeführt wird,
    • der Sprühstrom der Hochspannungselektrode (17) ermittelt wird, und
    • abhängig von der Größe des ermittelten Sprühstroms erkannt wird, ob sich das Werkstück vor dem Beschichtungsgerät (66) befindet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von der Größe des ermittelten Sprühstroms wenigstens eine Funktion der Beschichtungsanlage gesteuert wird, insbesondere die Abgabe des Beschichtungsmaterials und/oder die Bewegung des oder jedes Beschichtungsgerätes (66) in vertikaler und/oder in horizontaler Richtung,
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ermittelte Sprühstrom mit einem ersten Schwellwert verglichen wird und dann, wenn der Sprühstrom den ersten Schwellwert überschreitet, erkannt wird, daß sich das Werkstück (19; 200) an das Beschichtungsgerät (66) annähert.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsgerät (66), mit der Abgabe des Beschichtungsmaterials beginnt, wenn der Sprühstrom den ersten Schwellwert überschreitet, und die Abgabe beendet, wenn der Sprühstrom unter einen zweiten Schwellwert fällt.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von dem ermittelten Sprühstrom der Abstand zwischen dem Werkstück (19; 200) und der Hochspannungselektrode (66) in der Sprührichtung ermittelt und eingestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Beschichtungsgeräte (66) vorgesehen werden, daß die Zeitpunkte (t1, t2) ermittelt werden, zu denen die Sprühströme eines ersten und eines zweiten Beschichtungsgeräts einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten, daß daraus eine Zeitdifferenz (t2-t1) berechnet wird, und daß abhängig von der Zeitdifferenz und dem Abstand zwischen dem erste und dem zweiten Beschichtungsgerät (66) die Geschwindigkeit des Werkstücks (19; 200) ermittelt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere U/I-Kennlinien für das oder jedes Beschichtungsgerät (66) gespeichert werden, abhängig von der Versorgungsspannung eines Hochspannungserzeugers (12-16) für die Hochspannungselektrode (17) eine zugehörige U/I-Kennlinie ausgewählt wird, der Sprühstrom (I 17-9) gemessen wird, abhängig von dem Sprühstrom ein Arbeitspunkt auf der U/I-Kennlinie bestimmt wird, und damit die Ist-Hochspannung an der Elektrode ermittelt wird.
  8. Elektrostatische Beschichtungsanlage mit mindestens einem Beschichtungsgerät (66), enthaltend eine Hochspannungselektrode (17), welche einen Sprühstrom enthaltend elektrostatische Ladungen zum Aufladen von Partikeln eines zu versprühenden Beschichtungsmaterials abgibt, wobei dem oder jedem Beschichtungsgerät (66) eine Meßvorrichtung (22, 25) zur Ermittlung des Sprühstroms und eine Auswertungsvorrichtung (60), die abhängig von dem ermittelten Sprühstrom erkennt, ob ein Werkstück (19; 200) vor dem Beschichtungsgerät (66) anwesend ist, zugeordnet sind.
  9. Beschichtungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem oder jedem Beschichtungsgeräte (66) ein digitales Steuergerät (60) zur Steuerung des Betriebs des Beschichtungsgerätes abhängig von dem ermittelten Sprühstrom zugeordnet ist, und daß das Beschichtungsgerät und das Steuergerät über eine Busstruktur (62) verbunden ist.
  10. Beschichtungsanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Beschichtungsgeräte (66) vorhanden sind, die jeweils über einen Pistolenbus (62) mit ihren digitalen Steuergeräten (60) verbunden sind, und Netzwerk-Knoten bilden, und daß die digitalen Steuergeräte (60) über einen Beschichtungsbus (80) mit weiteren Komponenten der Beschichtungsanlage verbunden sind, wobei die Netzwerk-Knoten LON-Knoten sind.
  11. Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch einen Hochspannungserzeuger (13, 16) in dem oder jedem Beschichtungsgerät (66), der
    • einen Transformator (13) mit einer Primärspule (14) und einer Sekundärspule (15) aufweist, die über eine Brücke (12) verbunden sind,

      wobei die Primärspule mit einer Wechsel-Steuerspannung beaufschlagbar ist, und

      wobei die Meßvorrichtung einen Tiefpaß (22), der zwischen der Primärspule und Erde angeschlossen ist, und einen Strom-Spannungs-Wandler (25), der mit dem Tiefpaß verbunden ist, enthält.
  12. Beschichtungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefpaß (22) zwei Spulen (21, 26) aufweist, wobei die erste Spule mit der Primärspule (14) und über einen Kondensator (23) mit Erde (9) verbunden ist, und wobei der Strom-Spannungs-Wandler (25) eine stromgesteuerte Spannungsquelle (27, 28) ist, die über die zweite Spule (26) an den Verbindungspunkt (35) von erster Spule (21) und Kondensator (23) angeschlossen ist.
  13. Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem oder jedem Beschichtungsgerät (66) eine Speichervorrichtung zum Speichern mehrerer U/I-Kennlinien für verschiedene Versorgungsspannungen der Hochspannungselektrode (17), eine Vorrichtung (60) zur Ermittlung der aktuellen Versorgungsspannung und eine Auswertevorrichtung (60) zugeordnet sind, um abhängig von der Versorgungsspannung eine U/I-Kennlinie auszuwählen und abhängig von dem Sprühstrom einen Arbeitspunkt auf der U/I-Kennlinie zu bestimmen, der für die Ermittlung der Ist-Hochspannung an der Elektrode verwendet wird.






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