DE3416093A1

DE3416093A1 - Elektronischer hochspannungserzeuger fuer elektrostatische spruehgeraete

Info

Publication number: DE3416093A1
Application number: DE19843416093
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Azmoos Zylka
Original assignee: J Wagner AG
Current assignee: Wagner International AG
Priority date: 1984-04-30
Filing date: 1984-04-30
Publication date: 1985-10-31
Also published as: CS259528B2; DK191585A; US4674003A; EP0160179B1; CS298685A2; ATE38168T1; NO167713B; NO851222L; HUT37578A; EP0160179A3; YU70085A; ZA851919B; DK164648C; HU203994B; EP0160179A2; JPH0574418B2; DK191585D0; DD234237A5; JPS60234475A; NO167713C

Description

Elektronischer Hochspannungserzeuger für elektrostatische

Sprühgeräte

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Hochspannungserzeuger für eine Aufladungselektrode aufweisende elektrostatische Sprühgeräte gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .

Hochspannungserzeuger dieser Bauart sind in verschiedenen Ausführungsformen auf dem Markt, wobei sie entweder ein gesondertes, mit der Sprühpistole über ein Hochspannungskabel verbundenes Element darstellen oder aber Transformator und Hochspannungskaskade sind in der Pistole untergebracht und die Pistole ist über eine Niederspannungsleitung mit der die anderen Bauelemente des Hochspannungserzeugers enthaltenden Einheit verbunden. Bei der Erstellung derartiger Sprühanlagen werden die einzelnen elektronsjichen Bauelemente derart ausgelegt, insbesondere auch ein Oszillator einer solchen Schwingungsfrequenz zum Takten des Leistungsverstärkers gewählt, daß die Hochspannungserzeugung mit möglichst geringen Leistungsverlusten erfolgt, insbesondere der Transformator möglichst verlustfrei (Resonanzbereich) arbeitet. Trotz dieser Vorababstimmung ergeben sich jedoch beim praktischen Betrieb derartiger Sprühanlagen beträchtliche Leistungsverluste, und zwar deshalb, weil die Vorababstimmung zwangsläufig auf festen Werten bezüglich der Verbindungsleitung zwischen Hochspannungserzeuger bzw. Hochspannungserzeugerteil und Pistole sowie bezüglich der Belastung beruht. Gerade die Belastung aber, die vom Abstand zwischen Aufladeelektrode und zu besprühendem Werkstück, Art des Sprühmaterials und dergleichen abhängt, wird in der Praxis beträchtlichen Änderungen bzw.

Schwankungen unterworfen, insbesondere im Fall von Handspritzpistolen. Folge dieser beträchtlichen Verluste ist nicht nur ein unwirtschaftlicher Betrieb sondern auch die Erfordernis/ für eine entsprechende Wärmeabfuhr/ etwa an Vorschaltwiderständen, zu sorgen. Bei Sprühpistolen, bei denen Transformator und Hochspannungskaskade in der Pistole untergebracht sind, ergibt sich darüberhinaus der Nachteil, daß - um Überhitzungsschäden zu vermeiden - der Verkleinerung dieser Bauelemente Grenzen gesetzt sind, was insbesondere bei Handspritzpistolen dazu führt, daß sie vergleichsweise groß und schwer und damit unhandlich sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen für den Betrieb elektrostatischer Sprühgeräte bestimmten elektrostatischen Hochspannungserzeuger der erwähnten Bauart so auszubilden, daß während des praktischen Betriebs fortlaufend eine selbsttätige Anpassung in Richtung minimaler Leistungsverluste erfolgt. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die bei den vorbekannten Hochspannungserzeugern in der Praxis auftretenden Leistungsverluste insbesondere darauf beruhen, daß sich bei Belastungsänderungen der Resonanzbereich des Transformators verschiebt, dieser also nicht mehr im optimalen Leistungsbereich arbeitet. Um nun eine Frequenzanpassung vornehmen zu können, muß die Möglichkeit geschaffen werden, die Frequenz des die Primärseite des Transformators betreibenden Leistungsverstärkers ändern zu können. Zum Takten des Leistungsverstärkers wird deshalb gemäß der Erfindung ein regelbarer Frequenzgenerator verwendet, und zwar anstelle der üblichen, in einer bestimmten Frequenz schwingenden Oszillatoren. Die Regelung dieser Frequenz und darüberhinaus die Regelung der Niederspannungs-Gleichspannungsquelle erfolgt dann durch einen Mikro-

Computer, der auf der Grundlage eines Regelalgorithmusses kontinuierlich und fortlaufend den leistungsmäßig günstigsten Abgleich vornimmt. Dabei wird die Spannung der Niederspannungs-Gleichstromquelle und damit die Hochspannung am Ausgang der Hochspannungskaskade gemäß einem vorgegebenen SoIlwe^jrt eingestellt und geregelt, die Frequenz des Frequenzgenerators vom Computer leistungsoptimal gewählt bzw. geregelt. Durch diese bei allen Betriebszuständen nahezu verlustfreie Hochspannungserzeugung ergibt sich zum einen eine Energieeinsparung und zum anderen eine wesentliche Verminderung der Wärmeerzeugung der elektronischen Bauelemente, insbesondere des Transformators. Damit aber ist es beispielsweise bei den erwähnten Sprühpistolen mit Integration von Transformator und Kaskade möglich, unter Nutzung moderner Elektronik diese Bauelemente extrem klein zu halten und somit die Pistole klein und leicht auszuführen, ohne daß die Gefahr einer überhitzung der elektronischen Bauelemente besteht.

In Weitergestaltung der Erfindung wird gemäß Patentanspruch 2 der Sprühstrom, also der zwischen Aufladeelektrode und zu besprühendem Werkstück fließende Strom, ermittelt, wobei dann der Mikrocomputer auf der Grundlage der ermittelten Sprühstromwerte die Spannung bis zu einem vorgegebenen Sprühstrom-Schwellenwert im wesentlichen konstant hält, bei Erreichen bzw. überschreiten dieses Schwellenwerts dagegen die Spannung vermindert. In anderen Worten, bei Annäherung der Pistole an das Werkstück, was mit einer Erhöhung des Sprühstroms verbunden ist, wird zunächst die Spannung auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten, ab einem bestimmten Abstand (Sprühstrom-Schwellenwert) dagegen wird die Spannung vermindert und so die Gefahr von Überschlägen vermieden. Es kann somit auch noch innerhalb des Schwellenwert-Abstandes gefahrlos gearbeitet werden, wobei weiterhin die optimale Anpassung (minimaler Verlust) gewährleistet bleibt. Nun waren

zwar bereits sogenannte Annäherungsschaltungen bekannt, beispielsweise aus der europäischen Patentanmeldung 0 092 404, bei denen die Spannung mit Annäherung der Pistole an das Werkstück vermindert wird, jedoch sind diese vorbekannten Schaltungen vergleichsweise aufwendig, sind kaum in der Lage, die Spannung vor Erreichen des Schwellenwertes konstant zu halten und tragen insbesondere nichts zu einer Anpassung des Hochspannungserzeugers gerade bei den hier sich stark ändernden Betriebsbedingungen bei. Darüberhinaus erfolgt bei der Erfindung die Ermittlung des Sprühstroms gemäß Patentanspruch 3 auf eine sehr einfache, unproblematische und doch genaue Meßmethode.

Gemäß den weiteren Unteransprüchen kann der erfindungsgemäße Hochspannungserzeuger durch Ansteuerungseinheiten, Steuerungselemente und Interface-Einheiten ausgebaut werden, womit sich vielfältige Möglichkeiten bezüglich der Eingabe und der Anzeige von Daten, der Vorgabe bestimmter Abläufe und der Verknüpfung mit anderen Sprühgeräten und/oder anderen Datenverarbeitungsgeräten ergeben.

Auf der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochspannungserzeugers,

Fig. 2A

und 2B Diagramme zur Erläuterung der sprühstromab-

hängigen Regelung und

Fig. 3A,

3B und 3C Schemaskizzen zur Erläuterung einer Anzeigeeinrichtung .

In dem auf der Zeichnung dargestellten Blockschaltbild ist mit 10 ein Hochspannungstransformator bezeichnet, dessen sekundärseite mit dem Eingang einer Hochspannungskaskade verbunden ist. Der Hochspannungsausgang der Kaskade 11 führt zu einer - nicht gezeichneten - Hochspannungselektrode. Trans-

formator 10, Hochspannungskaskade 11 und Hochspannungselektrode sind übliche Bauteile bekannter elektrostatischer Sprühpistolen mit in der Pistole untergebrachter Hochspannungserzeugung.

Die Primärseite des Hochspannungstransformators 10 wird - über ein nicht gezeichnetes Zuführungskabel - von einem Leistungsverstärker 12 gespeist, der sich, ebenso wie die nachfolgend erläuterten Bauelemente, an einem von der Sprühpistole entfernten Ort, vorzugsweise im Gehäuse einer kombinierten Speise- und Steuereinheit, befindet. Der Leistungsverstärker 12 wird von einer regelbaren Spannungsquelle 13, etwa einem getakteten Netzgerät, mit Gleichspannung versorgt. Weiterhin wird dem Leistungsverstärker 12 von einem Frequenzgenerator 14 die erforderliche Taktfrequenz aufgeprägt, wobei es sich - was von wesentlicher Bedeutung ist - bei dem Generator 14 um einen gleichspannungsgesteuerten, regelbaren Frequenzgenerator handelt. Spannungsquelle 13 und Frequenzgenerator 14 sind über Steuerleitungen mit einem Mikrocomputer

15 verbunden, der die Regelung dieser beiden Bauelemente vornimmt. Der Mikrocomputer 15 ist durch ein Ansteuerungselement

16 ansteuerbar, das eine manuell beätigbare Tastatur sowie eine Anejzigeeinrichtung für die Anzeige interessierender Daten aufweist. Weiterhin wird der Mikrocomputer 15 fortlaufend mit Daten über die im Hochspannungserzeuger ablaufenden Vorgänge versorgt, wobei von einer Schaltungseingheit 17 die jeweiligen Ist-Spannungswerte und von einer Schaltungseinheit 18 die jeweiligen Ist-Stromwerte der Primärseite des Transformators 10 ermittelt und unter entsprechender Datenaufbereitung als Informationsdaten an den Mikroprozessor 15 weitergegeben werden. Die Schaltung der beiden Einheiten 17 und 18 ergibt sich dabei aus der Zeichnung, wobei mit 19 ein niederohmiger Widerstand bezeichnet ist. Darüberhinaus wird der Mikroprozessor 15 mit Informationsdaten über die Größe des

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jeweiligen Sprühstroms versorgt, also den Strom zwischen Hochspannungselektrode und geerdetem Werkstück, und zwar durch die Schaltungseinheit 20. Die Schaltungseinheit 20 ermittelt dabei den Sprühstrom in der Weise, daß der Stromfluß zwischen der bei 21 angedeuteten Elektronikmasse und einer Erdung 22 gemessen wird, und zwar unter Zwischenschaltung eines hochohmigen Widerstandes 23.Auf diese Weise läßt sich der c3irekten Messungen nur schwer zugängliche Sprühstrom einfach und doch exakt feststellen.

Mit 24 ist ein Eingangs-Ausgangs-Steuerungselement bezeichnet, das mit dem Mikrocomputer 15, dem Hochspannungstransformator 10 und Betätigungselementen der Sprühpistole in Verbindung steht, etwa den Auslöseorganen für Hochspannung, Spritzgutzuführung und Druckluftzuführung, und das bestimmte Abläufe, etwa Öffnung des Sprühgutventils erst nach eingeschalteter Hochspannung, steuert und gegebenenfalls Fehler anzeigt. Die überwachung der Programmsteuerung des Mikrocomputers 15 übernimmt eine übliche Überwachungsschalteinheit 25. Mit 26 und 27 schließlich sind Interface-Schaltungseinheiten bezeichnet, wobei es sich bei der Einheit 26 um ein Interprozessor-Interface zur Herstellung von Verknüpfungen zwecks Daten- bzw. Befehlsaustausch (beispielsweise Steuerung mehrerer Spritzpistolen von einer Zentrale aus) und bei der Einheit um ein serielles Interface handelt, das einen Anschluß an übergeordnete Rechenanlagen ermöglicht.

Der Hochspannungserzeuger arbeitet folgendermaßen. Die Bedienungsperson gibt über die Tastatur des Ansteuerungselements 16 den Wert für die an der Aufladeelektrode gewünschte Hochspannung ein. Während des gesamten Sprühbetriebs regelt dann der Mikroprozessor die Spannung der Spannungsquelle 13 und die Frequenz des Frequenzgenerators 14 derart, daß einerseits die gewünschte Spannung konstant und andererseits der

Primärstrom des Transformators 10 auf dem leistungsmäßig günstigsten Wert (Minimum) bleibt. Unabhängig von den jeweiligen Belastungen und BelastungsSchwankungen wird also eine optimale Sprühwirkung (konstante Hochspannung) und ein minimaler Leistungsverlust (optimale Anpassung) gewährleistet. Zusätzlich zu der Eingabe der gewünschten Hochspannung an der Aufladeelektrode wird jedoch mittels der Tastatur noch ein Sprühwert-Schwellenwert in den Mikrocomputer 15 eingegeben. Wird nun dieser Schwellenwert erreicht oder überschritten, was dem Computer 15 von der Schaltungseinheit 20 mitgeteilt wird, dann reduziert der Computer 15 die Spannung der Spannungsquelle 13 und damit die Hochspannung an der Aufladeelektrode, und zwar derart, daß der Sprühstrom dann im wesentlichen konstant bleibt. Fig. 2A zeigt die Kennlinie des Sprühstroms I und Fig. 3A die Kennlinie der Hochspannung U an der Aufladeelektrode, und zwar jeweils über die Entfernung der Aufladeelektrode vom Werkstück aufgetragen. Die gestrichelte senkrechte Linie bezeichnet dabei den Schwellenwert des Sprühstroms bzw. des kritischen Abstands. Diese sich aus den beiden Diagrammen ergebende Regelung ermöglicht ein gefahrloses Arbeiten bis zu minimalen Abständen zwischen Aufladeelektrode und Werkstück, wobei die Regelung so vorgenommen sein kann, daß unmittelbar vor Berührung des Werkstücks durch die Aufladeelektrode die Spannung vollständig zusammenbricht (Kontakt schutz) . Dabei wird auch während dieses "Nahbetriebs¹¹ die leistungsmäßige Anpassung weiterhin durchgeführt, d.h. auch in diesem Betriebszustand treten keine wesentlichen Leistungsverluste und damit keine Erhitzungen der Elektronikbausteine auf.

Auf der Anzeigeeinheit des Ansteuerungselementes 16 können der Bedienungsperson verschiedene Einstell- und Betriebsdaten angezeigt werden. Insbesondere wird man eine Anzeige der gewählten Spannung, des gewählten Sprühstrom- Schwellenwerts und der Größe des Sprühstroms anzeigen. Eine besonders elegante Anzeige für diese drei Werte besteht in einem umschaltbaren Diodenleuchtband, wie dies in den Fig.3A, 3B und 3C ange-

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deutet ist. Dabei stellt das in Fig. 3A mit 30 bezeichnete Leuchtband die Anzeige für die eingestellte Hochspannung dar, wobei sich der Spannungswert aus der Länge des Bandes 30 ergibt. Diese !Anzeige wird also während des Betriebs konstant bleiben, es sei denn/es wird der Sprühstrom-Schwellenwert überschritten. Durch Umschalten kann dann der in Fig. 3B gezeigte Zustand erreicht werden, in welchem der eingestellte Sprühstrom-Schwellenwert angezeigt wird, und zwar durch die das Leuchtband 30 in zwei Teilbänder 31, 32 unterteilende, nicht leuchtende Diode. Durch weiteres Umschalten wird dann schließlich der Zustand von Fig.3C erreicht, in welchem der tatsächliche Sprühstrom angezeigt wird. Für diese Anzeige des Sprühstroms leuchtet dann nur eine einzige Leuchtdiode/^¹ Der Vorteil dieser Anzeige besteht darin, daß für die Anzeige von drei Werten, nämlich Spannung U, Schwellenwert SW und Sprühstrom I_c nur eine einzige Leuchtdiodenreihe erforderlich ist.

Aufgrund der im Mikrocomputer vorhandenen Daten lassen sich Informationen ableiten, die zur Fehlerdiagnose wesentlich sind, also beispielsweise bei einem Fehler erkennen lassen, ob es sich um einen Defekt der Kaskade, um eine Leitungsunterbrechung u.s.w. handelt. Weiterhin kann durch die Eingangs- Ausgangs- Steuerungseinheit 24 sowohl die Vorgabe als auch die Erkennung bzw. Anzeige bestimmter Abläufe und Vorgänge erreicht werden, beispielsweise die Vorgabe von Verriegelungen (etwa Lackventil öffnet erst nach Einschalten der Hochspannung) oder die Anzeige von Fehlern. Mittels der Interprozessor-Interfaceschaltung 26 können Verknüpfungen mehrerer Logiken zwecks Daten- bzw. Befehlsaustausch durchgeführt werden, etwa dann, wenn von einer einzigen Zentrale aus mehrere Spritzpistolen gesteuert werden sollen oder wenn eine Werkstück-Erdungskontrolle angeschlossen werden soll, wobei dann bei mangelhafter Werkstückerdung die Hochspannung selbsttätig abschaltet. Soll der Hochspannungsgenerator in Verbindung mit übergeordneten Rechnern verwendet werden, kann dies mittels

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der seriellen Schnittstelle 27 erfolgen; hierbei ergeben sich dann nahezu unbegrenzte Möglichkeiten für automatische Sprühanlagen mit selbsttätiger Farbumstellung und dergleichen.

Die Programmierung des Mikrocomputers ist nicht Gegenstand vorliegender Erfindung, so daß sich die Erläuterung eines Programmierungsbeispiels erübrigt. Es ist lediglich zu erwähnen, daß es keine Schwierigkeiten bereitet, handelsübliche Mikrocomputer, womit hier auch die Kombination eines Mikroprozessors und eines Datenspeichers verstanden werden soll, derart zu programmieren bzw. mit einem derartigen Programm zu versehen, daß die erwähnte Algorithmusregelung erfolgt.

Lediglich als Zahlenbeispiel sei angegeben, daß die Gleichspannungsquelle 13 eine Gleichspannung von 25V bei einem Gleichstrom von 0,5 bis 2A liefert, der Frequenzgenerator 14 eine Taktfrequenz von 26kHz.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf

das dargestellte und erläuterte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern es sind diesen gegenüber zahlreiche Abwandlungen möglich, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Dies betrifft insbesondere die Art und Schaltung der einzelnen elektronischen Bauelemente. Wesentlich ist jedoch, daß der Mikrocomputer Spannung und Strom derart regelt, daß stets eine optimale Anpassung gegeben ist, was - bezogen auf die Primärseite des Transformators - maximaler Amplitude bei minimalem Strom entspricht.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

ί 1. ) Elektronischer Hochspannungserzeuger für eine Äufladungselektrode aufweisende elektrostatische Sprühgeräte, bestehend aus einer regelbaren Niederspannungs-Gleichspannungsquelle, einem die Gleichspannung in eine Wechselspannung umformenden, freguenzgetakteten Leistungsverstärker, einem die Niederspannungs-Wechselspannung in eine Mittelspannungs-Wechselspannung transformierenden Transformator und einer die Mittelspannungs-Wechselspannung in eine Hochspannungs-Gleichspannung umformende Hochspannungskaskade, insbesondere für Handsprühpistolen, bei denen der Transformator und die Kaskade in der Pistole untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsverstärker (12) durch einen gleichspannungsgesteuerten, regelbaren Frequenzgenerator (14) getaktet wird, daß die Niederspannungs-Gleichspannungsquelle (13) und der Frequenzgenerator (14) durch einen Mikrocomputer (15) geregelt werden, derart, daß der Transformator (10) für alle am Hochspannungsausgang der Kaskade (11) auftretende Spannungen leistungsmäßig optimal angepaßt ist, sein Primärstrom also im zugehörigen Minimum bleibt,

und daß dem Mikrocomputer (15) über Schaltungseinheiten (16, 17) die Ist-Werte von Primärspannung und -strom des Transformators (10) fortlaufend als Informationsdaten zugeführt werden.
2. Hochspannungserzeuger nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine den Sprühstrom zwischen Aufladungselektrode und zu besprühendem, geerdetem Werkstück ermittelnde Schaltungseinheit (18), die dem Mikrocomputer (15) fortlaufend die Ist-Werte des Sprühstroms als Informationsdaten zuführt, und daß der Mikrocomputer (15) die Niederspannungs-Gleichspannungsquel-Ie (13) derart regelt, daß bis zu einem vorgegebenen Sprühstrom-Schwellenwert die Hochspannung an der Aufladeelektrode im wesentlichen konstant bleibt, bei Erreichen bzw. überschreiten

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dieses Schwellenwerts vermindert wird.
3. Hochspannungserzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinheit (18) zum Ermitteln des Sprühstroms den Stromfluß zwischen Elektronikmasse (21) und Erde (22) mißt.
4. Hochspannungserzeuger nach einem der Ansprüche

1 bis 3, gekennzeichnet durch ein mit dem Mikrocomputer (15) verbundenes Ansteuerungselement (16) mit Ansteuerungstastatur und Anzeigeeinheit (16a).
5. Hochspannungserzeuger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinheit (16a) eine ümschaltbare Leuchtdioden-Bandanzeige aufweist.
6. Hochspannungserzeuger nach einem der Ansprüche

1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Eingangs-Ausgangs-Steuerungselement (24)/ das mit dem Mikrocomputer (15) , dem Hochspannungstransformator (10) und Betätigungselementen des Sprühgeräts verbunden ist und Sprühabläufe steuert.
7. Hochspannungserzeuger nach einem der Ansprüche

1 bis 6, gekennzeichnet durch zumindest eine Interface-Schaltungseinheit (26, 27) zum Herstellen interprozessorieller oder serieller Verknüpfungen.