DE10219743A1

DE10219743A1 - Verfahren zur Ermittlung einer Schichtdickenverteilung in einer erzeugten Lackschicht

Info

Publication number: DE10219743A1
Application number: DE10219743A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Eickmeyer; Gunter Boerner
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2002-05-02
Filing date: 2002-05-02
Publication date: 2003-11-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Schichtdickenverteilung in einer erzeugten Lackschicht, die beim Lacksprühen nach Eingabe bestimmter Sprühparameter in eine Lacksprüheinrichtung, insbesondere mit elektrostatischer Aufladung, zu erwarten ist, unter Einsatz einer dafür eingerichteten Datenverarbeitungsanlage, welches folgende Schritte umfaßt: die Berechnung einer um die Rotationsachse eines virtuellen Zerstäubers rotierenden Gaussschen Glockenkurve als phänomenologisches mathematisches Modell eines quasi dreidimensionalen Sprühbildes, die Eingabe von spezifischen Parametern als feste Eingabeparameter für das phänomenologische Modell, die Eingabe von zusätzlichen realen physikalischen Eingabeparametern, die einem künstlichen neuronalen Netz zugeführt werden, das zuvor unter Verwendung realer Eingabedaten angelernt wurde und das eine Umwandlung der zusätzlichen Eingabeparameter in Modell-Eingabeparameter durchführt, die Einspeisung der Modell-Eingabeparameter in das phänomenologische Modell, die Erzeugung von Sprühbildern durch das phänomenologische Modell in Abhängigkeit der Bewegungsdaten der Sprüheinrichtung, die in den Eingabeparametern enthalten sind, die Integration der Kopien der Sprühbilder zur Gesamtlackschicht und die Ausgabe der Schichtdickenverteilung dieser Lackschicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Schichtdickenverteilung in einer erzeugten Lackschicht, die beim Lacksprühen nach Eingabe bestimmter Sprühparameter in eine Lacksprüheinrichtung, insbesondere mit elektrostatischer Aufladung, zu erwarten ist.

Es ist ein Verfahren zur Vorab-Berechnung des Lackierergebnisses von elektrostatisch basierten Lackieranlagen bekannt, das auf empirischen Untersuchungen beruht, mit Hilfe derer wenig fundierte Schätzwerte und nur sehr vereinfachte mathematische Beschreibungen für das Lackierergebnis ermittelbar sind. Die dabei notwendigen extremen Vereinfachungen, wobei auch einige Einflüsse auf das Lackierergebnis, wie zum Beispiel Umgebungstemperatur oder Art und Form der Lackierkabine unberücksichtigt bleiben, führen zu einer unzureichenden Genauigkeit der Berechnung.

Ein Ansatz, das Simulationsergebnis zu verbessern, besteht in der möglichst genauen Nachbildung des physikalischen Prozesses des Lackiervorganges. Das führt zu einer komplexen Modellbildung für die Simulation. Je nach Genauigkeit des Modells führt das zu Berechnungszeiten von Tagen oder Wochen mit den derzeit verfügbaren Rechenanlagen. Außerdem ist die Modellierung bestimmter physikalischer Vorgänge sowie deren gegenseitige Beeinflussungen oder Rückwirkungen kaum möglich, wie beispielsweise bei Zerstäubungsvorgängen oder Verwirbelungen bei einer turbulenten Strömung.

Mit der EP 199 36 146 A1 ist ein Verfahren bekannt geworden, bei dem die Ermittlung der zu erwartenden Schichtdickenverteilung in einer zu erzeugenden Lackschicht bei relativ geringem Aufwand zu ausreichend genauen Ergebnissen führt. Bei dem Verfahren wird nicht der gesamte physikalische Prozeß des Lackierens, sondern das Lackierergebnis, zunächst ohne Berücksichtigung der physikalischen Prozesse, anhand eines phänomenologischen Modells nachgebildet. Die dabei berücksichtigten Modellparameter entsprechen nur teilweise den tatsächlichen Parametern des Lackiervorganges. Der Zusammenhang zwischen Modellparametern und den realen Sprühparametern wird mit Hilfe künstlicher neuronaler Netze hergestellt, die anhand realer Messungen angelernt werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik, ist es Aufgabe der Erfindung, ein quasi stationäres simuliertes Sprühbild für ein phänomenologisches Modell anzugeben, das auf möglichst einfache Weise berechenbar ist, zugleich jedoch eine qualitativ ausreichende Modellbildung des Sprühbildes gewährleistet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur Ermittlung einer Schichtdickenverteilung in einer erzeugten Lackschicht mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.

Demnach betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Schichtdickenverteilung in einer erzeugten Lackschicht, die beim Lacksprühen nach Eingabe bestimmter Sprühparameter in eine Lacksprüheinrrichtung, insbesondere mit elektrostatischer Aufladung, zu erwarten ist, unter Einsatz einer dafür eingerichteten Datenverarbeitungsanlage, welches die folgenden Schritte umfaßt: die Berechnung einer um die Rotationsachse eines virtuellen Zerstäubers rotierenden Gauss'schen Glockenkurve als phänomenologisches mathematisches Modell eines quasi dreidimensionalen Sprühbildes, die Eingabe von spezifischen Parametern als feste Eingabeparameter für das phänomenologische Modell, die Eingabe von zusätzlichen realen physikalischen Eingabeparametern, die einem künstlichen neuronalen Netz zugeführt werden, das zuvor unter Verwendung realer Eingabedaten angelernt wurde, und das eine Umwandlung der zusätzlichen Eingabeparameter in Modell- Eingabeparameter durchführt, die Einspeisung der Modell-Eingabeparameter in das phänomenologische Modell, die Erzeugung von Sprühbildern durch das phänomenologische Modell in Abhängigkeit der Bewegungsdaten der Sprüheinrichtung, die in den Eingabeparametern enthalten sind, die Integration der Kopien der Sprühbilder zur Gesamtlackschicht und die Ausgabe der Schichtdickenverteilung dieser Lackschicht.

Durch eine rotierende Gauss'sche Glockenkurve wird auf einfache Weise ein dreidimensionales Sprühbild gebildet. Gleichwohl hat sich herausgestellt, daß die Qualität bei der Modellbildung des Sprühbildes völlig ausreichend ist und zu guten Simulationsergebnissen führt. Zudem handelt es sich bei der rotierenden Glockenkurve um einen dreidimensionalen Körper, der aus prinzipiellen Gründen zu vorteilhafteren Simulationsergebnissen im Vergleich zu der sonst üblichen Verwendung von Schnittbildern führt. Durch die Berechnung der dreidimensionalen Glockenkurve ist das Sprühbild zu jeder Lager der zu besprühenden Fläche berechenbar. Der Vorteil wird insbesondere dann offensichtliche, wenn die zu besprühende Fläche nicht senkrecht zu der Rotationsachse der Glockenkurve ist oder die zu besprühende Fläche eine räumliche Krümmung aufweist.

Mit einer Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf einfache Weise eine Unsymmetrie beim Lackiervorgang, die insbesondere durch den Einfluß von Schwerkraft oder von Lenkluft entstanden sein kann, nachgebildet, indem zur Simulation des Lackschichtauftrages mehrere der Unsymmetrie entsprechende Sprühbilder in Wirkrichtung der Unsymmetrie versetzt simuliert und zu einer entsprechenden Schichtdicke addiert werden. Derart wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf vorteilhaft einfache Weise die Unsymmetrie berücksichtigt.

Zudem besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, daß die Symmetrielinie der Gauss'schen Glockenkurve in Richtung der Unsymmetrie um einen bestimmten Winkel gegen die Rotationsachse des Zerstäubers geneigt wird und die Neigung als Maß für die Stärke der Unsymmetrie verwendet wird. Hierdurch wird es vorteilhafterweise möglich, ein Sprühbild auf der virtuellen zu lackierenden Oberfläche zu erzeugen, welches nicht genau senkrecht zu der Symmetrielinie angeordnet ist. Auch dieses Merkmal trägt zu weiteren qualitativen Verbesserung der Modellbildung bei.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Schichtdickenverteilung der simulierten Lackschicht auf ein einer vorgebbaren Farbmenge entsprechendes Volumen skaliert wird. Mit diesem Verfahrensschritt wird die Einstellung der zu simulierenden Lack- beziehungsweise Farbmenge ermöglicht, die ein Maß für den tatsächlichen Lackstrom ist. Die vorgebbare Farbmenge kann vorteilhafterweise auch auf den getrockneten Zustand der Farbe bezogen wird. Damit wird die Skalierung der Farbmenge, die nach der Trocknung der Farbe vorhandenen ist, simuliert.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft insbesondere ein Modell eines Zerstäubers mit einer elektrostatischen Außenaufladung und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der für die elektrostatische Aufladung vorgesehenen Hochspannungselektroden berücksichtigt wird, indem die modifizierte Form des Sprühbildes rotationssymmetrisch um die Symmetrielinie der Glockenkurve mit einer Sinusfunktion mit einer bestimmten Amplitude überlagert wird. Das heißt, daß das gesamte Sprühbild um den Symmetrielinie mit einer Sinusfunktion schwingt.

Zudem bewirkt eine Hochspannungselektrode in ihrem Nahbereich eine Verzerrung des Sprühbildes. Zur Berücksichtigung dieses Effektes ist es vorgesehen das erfindungsgemäße Verfahren derart auszugestalten, daß der durch den Einfluß einer Hochspannungselektrode in deren Nahbereich bewirkte Verzerrung des Sprühbildes durch einen Torus mit einem der Verzerrung entsprechenden Radius nachgebildet wird. Auf diese Weise ergibt sich eine qualitativ gute Modellbildung der Verzerrung, die auf vergleichsweise einfache Art zu berechnen ist.

Schließlich sieht das erfindungsgemäße Verfahren in einer weiteren Fortbildung vor, daß im Falle einer elektrostatischen Innenaufladung wenigstens eine weitere um die Rotationsachse des virtuellen Zerstäubers rotierenden Gauss'sche Glockenkurve berechnet wird, und daß die Schichtdicke durch Addition der Sprühbilder der Glockenkurven simuliert wird. Damit ist es mit dem Verfahren auch möglich, einen Rotationszerstäuber mit einer Innenaufladung zu modellieren.

Anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung, sowie besondere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
Es zeigen:
einzige Figur ein simuliertes Sprühbild.
Die einzige Figur zeigt ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren simuliertes Sprühbild 10, das im wesentlichen einen simulierten lackierten Bereich darstellt und als Draufsicht auf eine Fläche 12 eine nahezu kreisförmige Gestalt aufweist. Um einen mittig im simulierten Sprühbild 10 gelegenen Bereich 14 sind sechs dunkel gefärbte, fleckenartige Bereiche 16 bis 21 zu erkennen, die nahezu gleichmäßig um den ringförmigen Bereich um den mittig gelegenen Bereich 14 gruppiert sind. Die Wirkrichtung der Schwerkraft ist durch den Pfeil 24 angedeutet.
Als Beispiel für ein Modell eines simulierten dreidimensionalen Sprühbildes

ist die nachfolgende Gauss'sche Verteilung angegeben, mit der die glockenförmige Grundform des dreidimensionalen Sprühbildes erstellt wird. Durch die Rotation der Gauss'schen Glockenkurve um deren Symmetrielinie erhält das dreidimensionale Sprühbild beziehungsweise dessen dreidimensionale Grundform. Mögliche Einflußgrößen auf das dreidimensionale Sprühbild werden durch die Kenngrößen k₁ bis k₅ berücksichtigt. Damit ist das dreidimensionale Sprühbild mittels der nachstehenden Gleichung darstellbar:
Hierbei gibt +/-σ die Lage der Wendepunkte der Glockenkurve an sowie C_u die Unsymmetrie, die beispielsweise durch die Schwerkraftwirkung oder Luftströmungen verursacht werden kann.
Die erste wesentliche Kenngröße ist die Amplitude des Torus mit

wobei C_u,max eine vorgebbare Konstante für die maximale Unsymmetrie ist.
Die zweite Kenngröße ist die Form des Torus mit

wobei r₀ der Radius des Torus ist.
Die dritte Kenngröße berücksichtigt den Einfluß der Hochspannungsnadeln mittels der Formel

wobei C_A den Einfluß die zur Schwingung angeregten Amplitude der Hochspannungsnadeln ist.
Die vierte Kenngröße berücksichtigt die Hochspannungsnadeln mit durch die Formel

wobei der Wert n_S die Anzahl der Nadeln ist und α_S der Stellwinkel der Nadeln im Vergleich zur Rotationsachse des Zerstäubers.
Werden beispielsweise sechs Hochspannungsnadeln zur elektrostatischen Außenaufladung eingesetzt, kann dies erfindungsgemäß beispielsweise durch eine Funktion erreicht werden, die mit ihrem x-Wert zwischen 0,5 und 1,5 hin- und herschwingt und bei einer Drehung um 360° genau sechs Perioden aufweist, wobei ein berechneter Tiefpunkt dem simulierten Raum in Verlängerung der Achse der entsprechenden Hochspannungsnadel in Sprührichtung des Lackes und ein berechneter Hochpunkt dem entsprechenden Raum zwischen zwei benachbarten Hochspannungsnadeln entspricht. Zudem wird der Einfluß einer durch eine Hochspannungsnadel verursachten Verzerrung des Sprühbildes auf einen bestimmten Radius beschränkt. So wird beispielsweise der Wert C_A als Amplitude der Sinusschwingung mit einem Wert zwischen 0,5 und 1,5 multipliziert und derart die Wirkung der Verzerrung durch eine höhere oder niederere Amplitude berücksichtigt.
Schließlich ist die fünfte Kenngröße die sogenannte Unsymmetrie, welche durch die fünfte Kenngröße

berücksichtigt wird, wobei C_u,max ein bestimmter, festlegbarer Maximalwert für die Unsymmetrie sowie x_max ein bestimmter, festlegbarer Maximalwert für einen x-Wert ist. Eine Unsymmetrie kann beispielsweise durch Schwerkrafteinfluß oder durch einen Lenk- beziehungsweise einen Abluftstrom verursacht und eine zu berücksichtigende Größe bei der Modellbildung sein.
Bei diesem Modell werden lediglich vier nicht-konstruktiv bedingte Parameter benötigt, nämlich dem Radius des Torus, der Streuung der Gauss-Funktion, der Amplitude der überlagerten Sinusschwingung und der Grad der Unsymmetrie, während die Zahl der Perioden der Sinusschwingung und der Anfangswinkel der überlagerten Sinusschwingung jeweils durch die Konstruktion des Zerstäubers festgelegt sind. Somit ist eine vergleichsweise einfache Modellierung erreicht. Zugleich liefert das Modell jedoch gute Ergebnisse und ist vergleichsweise einfach zu berechnen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schichtdickenverteilung der simulierten Lachschicht auf ein einer vorgebbaren Farbmenge entsprechendes Volumen skaliert wird. Dabei wird die vorgebbare Farbmenge günstigerweise auf den getrockneten Zustand der Farbe bezogen. Das entsprechende Volumen wird hier mit Hilfe von Farbdaten, wie zum Beispiel Dichte der Farbe im nassen Zustand, Dichte der Farbe im trockenen Zustand und Festkörpergehalt berechnet beziehungsweise entsprechend skaliert. Die Relation zwischen der tatsächlich simulierten, aufgetragener Farbmenge in flüssiger und abgegebener Farbmenge, wobei diese Relation dem Wirkungsgrad des Farbauftragens entspricht, wird von einem separaten neutronalen Netz gesteuert. Der Zusammenhang zwischen einer tatsächlich als Lackschicht aufgetragenen Farbmenge und vom Glockenkörper abgegebener Farbe wird also von einem künstlichen neuronalen Netz hergestellt, das zuvor unter Verwendung realer Eingabedaten angelernt wurde.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung einer Schichtdickenverteilung in einer erzeugten Lackschicht, die beim Lacksprühen nach Eingabe bestimmter Sprühparameter in eine Lacksprüheinrichtung, insbesondere mit elektrostatischer Aufladung, zu erwarten ist, unter Einsatz einer dafür eingerichteten Datenverarbeitungsanlage, welches folgende Schritte umfaßt;

a) Berechnung einer um die Rotationsachse eines virtuellen Zerstäubers rotierenden Gauss'schen Glockenkurve als phänomenologisches mathematisches Modell eines quasi dreidimensionalen Sprühbildes,

b) Eingabe von spezifischen Parametern als feste Eingabeparameter für das phänomenologische Modell,

c) Eingabe von zusätzlichen realen physikalischen Eingabeparametern, die einem künstlichen neuronalen Netz zugeführt werden, das zuvor unter Verwendung realer Eingabedaten angelernt wurde, und das eine Umwandlung der zusätzlichen Eingabeparameter in Modell-Eingabeparameter durchführt,

d) Einspeisung der Modell-Eingabeparameter in das phänomenologische Modell,

e) Erzeugung von Sprühbildern durch das phänomenologische Modell in Abhängigkeit der Bewegungsdaten der Sprüheinrichtung, die in den Eingabeparametern enthalten sind,

f) Integration der Kopien der Sprühbilder zur Gesamtlackschicht und

g) Ausgabe der Schichtdickenverteilung dieser Lackschicht,

wobei die Schritte a) bis c) in einer beliebigen Reihenfolge ausgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Unsymmetrie beim Lacksprühen, insbesondere verursacht durch den Einfluß von Schwerkraft oder von Lenkluft, nachgebildet wird, indem zur Simulation des Lackschichtauftrages mehrere der Unsymmetrie entsprechenden Sprühbilder in Wirkrichtung der Unsymmetrie ortsversetzt simuliert und zur entsprechenden Schichtdicke addiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrielinie der Gauss'schen Glockenkurve in Richtung der Unsymmetrie um einen bestimmten Winkel gegen die Rotationsachse geneigt wird, und daß die Neigung als Maß für die Stärke der Unsymmetrie verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdickenverteilung der simulierten Lackschicht auf ein einer vorgebbaren Farbmenge entsprechendes Volumen skaliert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgebbare Farbmenge auf den getrockneten Zustand der Farbe bezogen wird.

6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusammenhang zwischen einer tatsächlich als Lackschicht aufgetragenen Farbmenge und vom Glockenkörper abgegebener Farbe von einem künstlichen neuronalen Netz hergestellt wird, das zuvor unter Verwendung realer Eingabedaten angelernt wurde.

7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der für die elektrostatische Aufladung vorgesehenen Hochspannungselektroden berücksichtigt wird, indem die modifizierte Form des Sprühbildes rotationssymmetrisch um die Symmetrielinie der Gauss'schen Glockenkurve mit einer Sinusfunktion mit einer bestimmten Amplitude überlagert wird.

8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Einfluß einer Hochspannungselektrode in deren Nahbereich bewirkte Verzerrung des Sprühbildes durch einen Torus mit einem der Verzerrung entsprechenden Radius nachgebildet wird.

9. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer elektrostatischen Innenaufladung wenigstens eine weitere um die Rotationsachse des Zerstäubers rotierende Gauss'sche Glockenkurve berechnet wird, und daß die Schichtdicke durch Addition der Sprühbilder der Glockenkurven simuliert wird.