DE10120272A1 - Verfahren zur Betriebssteuerung einer Beschichtungsanlage - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Betriebssteuerung einer Beschichtungsanlage für die Serienbeschichtung von Werkstückeinheiten wird vor Beschichtungsbeginn die jeweils benötigte Lackmenge von einem Steuersystem errechnet, das den Betrieb der Beschichtungsmaschine während des anschließenden Beschichtungsvorgangs einschließlich der Bewegungsabläufe simuliert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betriebssteuerung einer Beschichtungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere handelt es sich hierbei um die Großserienbe­ schichtung von Werkstücken wie beispielsweise Fahrzeugkaros­ sen oder Bestand- oder Anbauteilen von Karossen mit häufig wechselnder Farbe unter Verwendung von Lackierrobotern oder anderen programmgesteuerten mehrachsigen Beschichtungsmaschi­ nen.

Für die Serienbeschichtung von Fahrzeugkarossen oder sonsti­ gen Werkstücken sind Farbversorgungssysteme mit bedarfsabhän­ gig begrenztem Beschichtungsmaterialvorrat der jeweils benö­ tigten Farbe bekannt. Das Beschichtungsmaterial kann aus aus­ wechselbaren und/oder nachfüllbaren Kartuschen oder sonstigen Vorratsbehältern zugeführt werden, deren Inhalt beispielswei­ se für die Beschichtung eines Karossenteils oder von Karos­ senanbauteilen oder jedenfalls für einen Beschichtungsvorgang oder für eine vorbestimmte begrenzte Anzahl von Beschich­ tungsvorgängen bemessen ist (DE 198 58 397, EP 0 796 664, EP 0 796 665 usw.), oder auch aus wechselweise an die Be­ schichtungsmaschinen anschließbaren, vorzugsweise gemolchten Leitungssystemen (DE 10 03 3987). Gemeinsam ist diesen Syste­ men die volumetrische Dosierung des Beschichtungsmaterials bei der Versorgung der Zerstäuber oder sonstigen Applikati­ onsorgane.

Bei einem Farbwechsel müssen die Beschichtungsvorrichtungen bekanntlich jeweils gereinigt und gespült werden, was mit Lack- und Spülmittelverlusten verbunden ist.

Damit sich beispielsweise bei einem Farbwechsel möglichst we­ nig Lackverluste ergeben, muß der vor einem Beschichtungsvor­ gang bereitgestellte Lackvorrat möglichst genau dem sich tat­ sächlich ergebenden Bedarf für die Beschichtung der Werkstü­ cke oder Werkstückteile entsprechen. Der Bedarf ändert sich nicht nur mit den zu beschichtenden Werkstücken, sondern auch mit sonstigen Betriebsbedingungen wie insbesondere den Steu­ erparametern für die Maschinenbewegungen und Applikations­ technik usw. sowie Art, Farbe und der temperaturabhängigen Viskosität des Beschichtungsmaterials, die ihrerseits mit Än­ derungen der Betriebssteuerung der Beschichtungsmaschine ver­ bunden sind und die Zeitprogramme verändern können.

Bisher wurde zur Vorbestimmung der benötigten Lackmenge u. a. einfach die Verbrauchsmenge während der Applikation gemessen und aufgrund des Meßergebnisses eine zuvor relativ groß be­ messene Reservemenge entsprechend reduziert. Bei dieser Me­ thode geht jeweils der zunächst gewählte Reserveüberschuß verloren.

Eine andere Möglichkeit zur Bestimmung der Verbrauchsmenge ist deren Berechnung aufgrund der Drehzahl und Laufzeit der üblicherweise verwendeten volumetrisch arbeitenden Dosierpum­ pe mit definierten Fördervolumen je Umdrehung oder Hub. Fer­ ner kann man die Verbrauchsmenge aufgrund der Öffnungszeiten des Hauptnadel- oder sonstigen Farbventils des Zerstäubers oder sonstigen Applikationsorgans der Beschichtungsmaschine unter Berücksichtigung der jeweiligen Ausflußgröße berechnen. Die Öffnungszeiten können hierbei entweder durch die in Bezug auf den Förderweg des Werkstücks einprogrammierten Ventil­ schaltpunkte bestimmt werden oder durch kinematische Formeln, mit denen die Maschinenbewegungen berechnet werden können.

Bei allen derartigen Berechnungen können sich Fehler gegen­ über dem tatsächlichen Materialbedarf ergeben, da die oben erwähnten Änderungen von Parametern und sonstigen Betriebsbe­ dingungen unberücksichtigt bleiben. Insbesondere ist bei den bisher bestehenden Möglichkeiten der Vorbestimmung unbekannt, welche Bewegungsabläufe und Schaltzeiten durch die Maschinen­ steuerung bei der anschließenden Beschichtung tatsächlich eingestellt werden und welcher tatsächliche Materialverbrauch sich hieraus ergibt.

Infolgedessen bleibt beim Bereitstellen der Materialmenge bisher in jedem Fall eine unerwünscht hohe Reservemenge not­ wendig.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren anzugeben, mit dem die für einen Beschichtungsvorgang benötigte Materialmenge noch genauer als bisher vorherbestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch das in den Patentansprüchen angege­ bene Verfahren gelöst.

Durch die Erfindung können stets vor Beginn eines Beschich­ tungsvorgangs mit sich bewegender Maschine und insbesondere auch schon vor Inbetriebnahme (Anlauf) der Beschichtungsanla­ ge die jeweils benötigten Materialmengen mit der größtmögli­ chen Genauigkeit ermittelt werden, so daß die jeweils erfor­ derlichen Reservemengen und somit der Lackverbrauch auf ein Minimum reduziert werden können, und zwar ohne Farb- und Zeitverluste der oben erwähnten manuellen Meßmethode. Außer beim Anlauf der Anlage ist das u. a. bei Anlagen mit hoher Farbanzahl und/oder bei häufigem Wechseln der Werkstücke, al­ so bei einer hohen Anzahl von Modellvarianten von erheblichem Vorteil.

Zur Lackmengenberechnung werden erfindungsgemäß die tatsäch­ lichen Betriebsabläufe simuliert und dadurch vorab ermittelt. Insbesondere werden durch die Erfindung Verzögerungen z. B. infolge von Signallaufzeiten berücksichtigt, die sich bei der tatsächlichen Steuerung der Beschichtungsmaschine ergeben. Allgemeiner gesagt, kann jede Änderung der Betriebsbedingun­ gen bei der Vorabberechnung berücksichtigt werden.

Beispielsweise im Fall eines Lackierroboters kann für die Si­ mulierung die an sich bekannte Robotersteuerung genutzt wer­ den, in der der Bewegungsablauf und die Ventilschaltzeiten in Echtzeit verfolgt werden können und damit die für die Mengen­ berechnung verwendbaren Zeitpunkte exakt ermittelt werden können, obwohl der Roboter die betreffenden Bewegungen tat­ sächlich erst später bei der eigentlichen Beschichtung aus­ führt. Aufgrund der Simulation ist genau bekannt, wann nach einem Ventilöffnungssignal das Beschichtungsmaterial tatsäch­ lich aus dem Zerstäuber austritt, und wann der Materialfluß wieder abgeschaltet wird.

Es wird also vorab errechnet, welche Zerstäuberbewegungen und Schaltzeiten sich später ergeben. Bei ausreichender Rechenka­ pazität kann für die Berechnung der Materialmenge die ohnehin vorhandene Robotersteuerung verwendet werden, mit der u. a. die Roboterbewegungen bei der anschließenden Beschichtung ge­ steuert werden. Die Mengenberechnung für einen späteren Be­ schichtungsvorgang kann auch schon durchgeführt werden, wäh­ rend der Roboter noch zur Durchführung eines vorhergehenden Beschichtungsvorgangs gesteuert wird. In anderen Fällen kann für die Berechnung der Materialmenge ein zusätzlich zu der Programmsteuerung der Beschichtungsmaschine vorgesehenes Sys­ tem verwendet werden, dem vor Beschichtungsbeginn die selben Programmsteuerdaten zugeführt werden, mit denen später der Beschichtungsvorgang gesteuert wird. Diese Simulationsaufgabe kann je nach Zweckmäßigkeit von einer oder mehreren zusätzli­ chen im Prinzip beliebigen numerischen Recheneinheiten über­ nommen werden, bei denen es sich z. B. um einen PC mit Emula­ tion des Betriebssystems der Robotersteuerung (RC) handeln kann. Wichtig ist, daß die Software identisch ist.

Mit den errechneten Lackmengen können für jedes vorhandene oder zusätzliche Simulationssteuersystem auch zwei oder mehr Beschichtungsanlagen programmiert werden.

Durch das in Fig. 1 dargestellte Flußdiagramm wird die Erfin­ dung am Beispiel eines Lackierroboters näher erläutert.

Nach dem Start der Simulationssteuerung wird zunächst die Bahnbewegung des sog. Tool Center Point (TCP) simuliert, wo­ mit der Farbaustrittspunkt am Zerstäuber oder allgemeiner ge­ sagt dessen Bahnbewegung gemeint ist. Hierfür wird in dem verwendeten (im Prinzip beliebigen) Rechner dieselbe Software der Robotersteuerung RC eingesetzt, die auch zur Maschinen­ steuerung während der tätsächlichen Beschichtung benutzt wird, einschließlich sowohl der Verfahrprogramme als auch der Bewegungssteuersoftware MCU (Motion Control Unit).

Die Farbmenge wird bei diesem Verfahrensschritt als Produkt aus der programmierten Öffnungsdauer des Hauptnadelventils des Zerstäubers und dem Lackvolumenstrom errechnet, was wegen der angenommenen volumetrischen Dosierung mit der erforderli­ chen Genauigkeit möglich ist.

Im 3. Schritt wird dann der errechnete Farbmengenwert unter Berücksichtigung des dynamischen Systemverhaltens, also aller die programmierte Öffnungsdauer wesentlich beeinflussender Parameter korrigiert. Insbesondere handelt es sich hier um die Summe der Verzögerungen durch die verschiedenen Schalt­ vorgänge und um die Berücksichtigung der Rechendauer der Ro­ botersteuerung während der tatsächlichen Beschichtung. Auch die Signallaufzeiten über das Bussystem, mit dem der Rechner mit den externen Maschinensteuerungen kommuniziert, können als Verzögerungen berücksichtigt werden. Das Ergebnis ist die real benötigte Farbmenge.

In Fig. 2 ist die durch die Simulierung ermittelte Gesamtver­ zögerung aufgrund des Applikationssystems schematisch darge­ stellt. Das Eingangssignal kann beispielsweise ein elektri­ sches Signal zum Ansteuern eines Magnetventils sein, das sei­ nerseits nach der durch das System verursachten Verzögerung den Farbauslaß des Zerstäubers öffnet bzw. schließt.

Die folgenden Figuren sollen die schrittweise verbesserte Ge­ nauigkeit der Materialmengenberechnung verdeutlichen.

Fig. 3 zeigt die theoretische Ventilöffnungsdauer (z. B. des Hauptnadelventils) zwischen der Erzeugung der Schaltsignale zu den Zeiten t₀ und t₁. Die Berechnung der Materialmenge auf­ grund dieses angenommenen Schaltverhaltens wäre relativ unge­ nau, da u. a. das Bewegungsverhalten des Roboters nicht be­ rücksichtigt ist.

In Fig. 4 ist die bei der Simulation im Schritt 2. in Fig. 1 zugrunde gelegte Ventilöffnungsdauer dargestellt, die sich von Fig. 3 unterscheiden kann und genauer ist, weil das Bewe­ gungsverhalten und wenigstens die wichtigsten sonstigen den Roboter betreffenden Umstände bei der Simulierung berücksich­ tigt werden können.

Fig. 5 zeigt den sich in der Realität beispielsweise ergeben­ den Verlauf des Farbvolumenstroms, der im Schritt 3. in Fig. 1 zur Korrektur des Simulationsergebnisses verwendet werden kann. Zunächst öffnet das betrachtete Ventil erst nach einer Verzögerungszeit t_k, die sich u. a. durch die Signalkommunika­ tion über einen Datenbus usw. zwischen dem Rechner und den Antriebssteuerschaltungen des Roboters ergibt und aus Fachli­ teratur und/oder aufgrund der jeweiligen Anlagenkonfiguration bekannt ist oder zuvor gemessen werden kann. Während der an­ schließenden Verzögerungszeit t_s wird darstellungsgemäß der volle Volumenstrom entsprechend dem jeweiligen Systemverhal­ ten erreicht, also entsprechend dem in der Systemtechnik auch als "Systemidentifikation" bezeichneten Ansprechverhalten, das durch an sich bekannte Parameterschätzverfahren ermittelt werden kann. Nach einer erneuten Verzögerungszeit t'_k sinkt während der Zeit t'_s der Volumenstrom wieder ab. Alle diese Zeiten werden bei der Korrektur berücksichtigt.

Wie ersichtlich ist, muß das verwendete Rechnersystem bei der Materialmengenberechnung zwar mit allen aktuellen Parametern z. B. für den Bewegungsantrieb und sonstigen Programmsteuer­ daten versorgt werden, hierbei aber keine Verbindung zu den Antriebssteuerschaltungen der Beschichtungsmaschine haben.

Claims (6)

1. Verfahren zur Betriebssteuerung einer Beschichtungsanlage für die Serienbeschichtung von Werkstückeinheiten mit unter­ schiedlichen Beschichtungsmaterialien,
wobei das Beschichtungsmaterial von einem Versorgungssystem mit bedarfsabhängig bemessenem Materialvorrat, insbesondere volumetrisch dosiert, einer programmgesteuerten Beschich­ tungsmaschine zugeführt wird,
und wobei vor Beschichtungsbeginn die für den jeweiligen Be­ schichtungsvorgang benötigte Beschichtungsmaterialmenge vor­ bestimmt und für den Beschichtungsvorgang bereitgestellt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils benötigte Beschich­ tungsmaterialmenge vor Beschichtungsbeginn von einem Steuer­ system errechnet wird, das den Betrieb der Beschichtungsma­ schine während des anschließenden Beschichtungsvorgangs ein­ schließlich der Bewegungsabläufe simuliert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Simulation errechnete Beschichtungsmenge durch Re­ chenfaktoren korrigiert wird, mit denen sich in der Realität ergebende bekannte Betriebsbedingungen berücksichtigt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Berechnung der Materialmenge die Programmsteue­ rung der Beschichtungsmaschine verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Berechnung der Materialmenge ein Rechner verwendet wird, der vor Beschichtungsbeginn durch dieselben Bewegungs- und Applikationssteuerprogramme gesteu­ ert wird, mit denen bei der anschließenden Beschichtung die Beschichtungsmaschine gesteuert wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialmenge als Produkt aus der Öffnungsdauer eines Auslaßventils des Applikationsorgans der Beschichtungsmaschine und der durch die Maschine gegebenen Größe des Volumenstroms des Beschichtungsmaterials errechnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die sich ergebenden Verzögerungen beim Öffnen und Schließen des Auslaßventils ermittelt und zur Korrektur der Mengenbe­ rechnung verwendet werden.