DE69704349T2

DE69704349T2 - Rechnergesteuerte vorrichtung und verfahren für die reinigung von behältern

Info

Publication number: DE69704349T2
Application number: DE69704349T
Authority: DE
Inventors: Diederik Geert Femme Verbeek
Original assignee: Individual
Current assignee: Stibbe Management Bv Blaricum Nl
Priority date: 1996-04-03
Filing date: 1997-04-02
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2017-04-03
Also published as: EP0892685A1; NL1002773C2; DK0892685T3; DE69704349D1; AU2180797A; EP0892685B1; ES2160934T3; WO1997036697A1; US6039056A

Description

Die Erfindung betrifft Einrichtungen für die Innenreinigung aller Arten von hygienischen Räumen, Nassräumen, Fermentieranlagen, Reaktoren, Container oder sämtlichen Arten von Tanks zum Herstellen, Transportieren oder Lagern aller Arten von Waren, wie Nahrungsmitteln, Getränken, Chemikalien oder Ölprodukten.
In US 3 874 594 wird eine Vorrichtung zum Reinigen der Innenflächen eines Raums, wie hygienische Nassarbeitsräume oder Tanks, Container oder Behälter zur Produktion, zum Transport oder zur Lagerung aller Arten von Gütern, mit mindestens einer Strahldüse beschrieben. Die Strahldüse ist über einen Zuführkanal mit einer Reinigungsflüssigkeitsquelle verbunden. Die Düse ist um mindestens zwei Achsen drehbar, die einen Winkel bilden, der es ermöglicht, dass die Düse in jede beliebige Richtung gerichtet werden kann. Die Vorrichtung weist ferner eine Antriebseinrichtung zum Ansteuern einer Drehbewegung der Düse und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Bewegung der Düse auf.
Die Reinigung erfolgt mittels mindestens einer Düse, mit der ein Strahl Reinigungsflüssigkeit gegen die Innenflächen gesprüht wird. Die Bewegung der Düse erfolgt derart, dass der Auftreffpunkt des Strahls systematisch sämtliche zu reinigenden Flächen berührt, so dass bei Anwendung dieses Verfahrens sämtliche Verunreinigungen entfernt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Reinigungsvorgang so weit wie möglich zu optimieren, d. h. dass bei Einsatz einer sehr viel kleineren Menge an Energie und Spülwasser eine gründlichere Reinigung in viel kürzerer Zeit erfolgt.
Es gibt bereits zahlreiche Veröffentlichungen bezüglich Spül-Maschinen, die mit einem Tank versehen sind. Normalerweise drehen sich diese Maschinen gleichmäßig um eine vertikale Achse, während die Düsen gleichmäßige oder oszillierende Bewegungen um eine horizontale Achse ausführen. In den meisten Fällen werden die Maschinen von einer Turbine oder einem Motor angetrieben. Das Bewegungsmuster der Düsen wird von einem Satz mechanischer Teile bestimmt. Ein bedeutender Nachteil ist, dass diese Maschinen die Reinigungsflüssigkeit mit ungefähr gleicher Intensität in sämtliche Richtungen versprühen. Die am weitesten entfernten Stellen, die im spitzesten Auftreffwinkel besprüht werden, werden im Verhältnis mit der kleinsten Menge an Spülwasser beaufschlagt. In manchen Fällen ist es erforderlich, besonderes Augenmerk auf Stellen mit hartnäckigerer Verschmutzung zu legen, wie z. B. den Heferand in Brauereitanks. Den Engpass bei der Reinigung der Tanks bilden Stellen, die mit der kleinsten Menge an Spülwasser beaufschlagt werden und die hartnäckigsten Verschmutzungen aufweisen. Während des größten Teils der Betriebszeit sprühen herkömmliche Maschinen Spülwasser an Stellen, die bereits gereinigt worden sind.
In vielen Fällen muss bei der Hygiene zuerst ein konzentriertes Reinigungs- oder Desinfektionsmittel aufgesprüht werden. Nach einer gewissen Einwirkzeit können dieses Mittel und die Verschmutzung mit Frischwasser entfernt werden. In diesen Fällen wird der Raum normalerweise manuell gereinigt. Im Prinzip können die bestehenden, mit einem Tank versehenen Spül-Maschinen diese Mittel versprühen, jedoch führen in der Praxis die hohen Strömungsraten und die lange Zeit, die benötigt wird, um eine komplette Abdeckung zu erreichen, dazu, dass die erforderlichen Mengen an Reinigungsmitteln so hoch sind, dass ihr Einsatz normalerweise nicht ökonomisch ist.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (einen Roboter) und ein Arbeitsverfahren, dem der Roboter genau folgt. Nur durch die Kombination von Maschine und Verfahren ist es möglich, ein optimales Reinigungsergebnis zu erzielen.
Der Roboter weist im wesentlichen zwei voneinander unabhängig gesteuerte Antriebe auf, die dafür sorgen, dass die Drehungen um die beiden Achsen nicht länger mechanisch gekoppelt sind, sondern als roboterische Freiheitsgrade angesehen werden können. Dadurch, dass die von einem Computerprogramm verarbeiteten Daten auf die Bedürfnisse des Kunden zugeschnitten sind, kann die Bewegung des Strahls in jede beliebige Richtung gelenkt und innerhalb bestimmter Grenzen mit jeder beliebigen Geschwindigkeit gesteuert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren legt fest, auf welche Weise die Düse zur Erzielung eines optimalen Reinigungsergebnisses gelenkt werden soll. Das Verfahren umfasst eine Anzahl von Regeln, die zu unterschiedlichen Spülmustern führen, und zwar abhängig von der Größe und der Form der zu reinigenden Flächen. Es wird zwischen dem Fall, in dem ein Reinigungsmittel über die Fläche verteilt wird, und dem Fall, in dem die Verschmutzung abgespült wird, unterschieden. Da der Roboter in der Lage ist, beide Aufgaben in der kürzestmöglichen Zeit auszuführen, bietet die Erfindung eine Alternative zu den herkömmlichen, mit einem Tank versehenen Spül-Maschinen sowie zu dem manuellen Reinigungsverfahren.
Die Erfindung sieht vor, dass die Drehbewegungen um eine horizontale Achse und um eine vertikale Achse einer oder mehrere Düsen von flexiblen elektronischen Informationen in einem Computerprogramm statt von mechanischen Teilen bestimmt werden. Der Roboter kann auf unterschiedliche Arten ausgeführt sein, die alle durch eine elektronische Steuerung der Strahlrichtung gekennzeichnet sind. Eine kennzeichnendes Merkmal ist, dass der Antrieb der einen oder der mehreren Düsen zwei vorzugsweise konzentrische stangen- oder rohrförmige Drehelemente aufweisen, die Teil eines Getriebes sind, das die Bewegungen der Motoren oder Aktuatoren auf mechanische Weise in eine Bewegung jeder Düse umwandelt.
Drei Ausführungsbeispiele des Roboters und der Verfahrensprinzipien werden anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht des für die Reinigung von hygienischen Arbeitsräumen geeigneten Roboters,
Fig. 2 eine vertikale Schnittansicht des für die Reinigung eines Tanks geeigneten Roboters,
Fig. 3 eine detaillierte Schnittansicht des Düsenkopfteils des Roboters,
Fig. 4 eine Seitenansicht des Kopfteils des Roboters,
Fig. 5 ein Beispiel für die vom Auftreffpunkt des Flüssigkeitsstrahls beschriebene Bahn sowie einige der zum Festlegen des Verfahrens verwendeten Parameter,
Fig. 6 eine Darstellung der Auswirkungen, die eintreten, wenn ein Strahl orthogonal auf eine feste Fläche auftrifft,
Fig. 7 die Verformung des Auftreffbereichs eines orthogonal unter einer Anzahl von schiefen Winkeln auftreffenden Strahls,
Fig. 8 den vom Strahl gereinigten Bereich, wenn der Auftreffpunkt in Richtung β = 180º des schräg auftreffenden Strahls verläuft,
Fig. 9 die gleiche Darstellung wie Fig. 8 mit einem Durchlaufwinkel von β = 0º,
Fig. 10 die gleiche Darstellung wie Fig. 8, mit einem Durchlaufwinkel von β = 900,
Fig. 11 die gleiche Darstellung wie Fig. 10, wobei die zweite Bahn korrekt an die erste angrenzt,
Fig. 12 die gleiche Darstellung wie Fig. 11, wobei die dritte Bahn korrekt an die zweite angrenzt,
Fig. 13 die korrekte Art der Verteilung eines Reinigungsmittels,
Fig. 14 ein Beispiel der Reinigungsbahn über zwei der vertikalen Wände eines kubischen Tanks,
Fig. 15 eine graphische Darstellung des Nutzens, der erzielbar ist, wenn eine herkömmliche, mit einem Tank versehene Reinigungsmaschine durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung ersetzt wird,
Fig. 16 eine detaillierte Schnittansicht des Düsenkopfteils des Roboters in einer Ausführungsform gemäß Fig. 1,
Fig. 17 eine perspektivische Ansicht des Düsenkopfteils des Roboters in einer Ausführungsform gemäß Fig. 1,
Fig. 18 eine detaillierte Schnittansicht des Düsenkopfteils des Roboters in einer Ausführungsform, bei der die Drehbewegung der Düse oder der Düsen um die horizontale Achse durch die vertikale Verschiebung der rohr- oder stangenförmigen Elemente relativ zueinander hervorgerufen wird.
Zur Erläuterung des Verfahrens werden verschiedene Parameter herangezogen. Die folgenden Symbole haben die folgende Bedeutung:
V Transversalgeschwindigkeit des Auftreffpunkts des Strahls über die zu reinigende Fläche,
V&sub0; empirische Konstante,
L Dichte der Bahnen, ausgedrückt in der orthogonalen Distanz zwischen zwei mehr oder weniger parallelen Spuren des Auftreffpunkts des Strahls,
B Breite des gereinigten Bereichs nach dem Durchlaufen des Auftreffpunkts mit der Geschwindigkeit V,
B&sub0; empirische Konstante,
I Reinigungsintensität,
Iconv Reinigungsintensität einer herkömmlichen, gleichmäßig drehenden Maschine,
Imin Mindestwert von Iconv,
Irobot Reinigungsintensität der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
R Distanz der Düse zum Zielbereich auf der zu reinigenden Fläche,
α Auftreffwinkel zwischen dem Strahl und der zu reinigenden Fläche,
β schiefer Richtungswinkel, resultierend aus dem Auftreffpunkt des Strahls, entsprechend dem kleinsten Winkel mit der orthogonalen Projektionslinie des schräg auf der Zielebene auftreffenden Strahls,
η Reinigungseffizienz, d. h. die erforderliche Reinigungszeit gemäß der Erfindung dividiert durch die erforderliche Reinigungszeit einer herkömmlichen Maschine,
θ Winkel zwischen der Strahlrichtung und der horizontalen Ebene.
Erstens wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Roboters beschrieben. Zweitens erfolgt eine ausführliche Beschreibung der vom Roboter ausgeführten Bewegungen, die erforderlich sind, um ein optimales Reinigungsergebnis zu erzielen.
Die Auslegungszeichnungen Fig. 1 und Fig. 2 sind vereinfachte Darstellungen und dienen der genaueren Erläuterung des Arbeitsprinzips des Roboters, welches für beide Beispiele gleich ist. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile oder ein Teil mit derselben Funktion.
Ein Computer 1 führt die verschiedenen Lenkprogramme aus und dient als Interface. Der Computer übermittelt Signale an die Lenk-/Leistungselektronik 2, die die Verdrahtung 3 zum Antreiben der Schritt- oder Servomotoren 4 benutzt. Da die Lenkelektronik als selbständige Einheit arbeiten kann, wird der Computer bei der Montage des Roboters zum Berechnen der optimierten Lenkkoordinaten benötigt und kann zu einem späteren Zeitpunkt durch einen Startknopf ersetzt werden. Die in Fig. 2 dargestellte Maschine weist keinen separaten Computer auf, und die Lenkelektronik ist im Antriebsteil der Maschine untergebracht.
Mittels eines Zahnrads/Zahnriemenantriebs werden die Kräfte der Motoren auf das "Durchführ"-Teil der Maschine übertragen. Das Gehäuse des Antriebsabschnitts 6, die Befestigungsplatte 7, das Zuführrohr für die Spülflüssigkeit 8 und das Halterohr 9 bilden eine Entität. In Fig. 1 ist die Befestigungsplatte 7 derart konfiguriert, dass die Maschine an der Decke eines Raum aufgehängt werden kann. In Fig. 2 ist die Befestigungsplatte derart ausgeführt, dass der Antriebsabschnitt der Maschine außerhalb des Tanks angeordnet ist, während der untere Teil der Maschine und des Halterohrs 9 durch ein Loch in den Tank ragt.
Das Halterohr 9 kann jede beliebige Länge aufweisen, die kleiner ist als die Länge des Rohrs 10, und dient nur zur Aussteifung der Maschine und zur Befestigung der (nicht gezeigten) Lager und Dichtungen. Innerhalb der vom Rohr 9 abgedeckten Länge müssen in dem Rohr 10 Löcher ausgebildet sein, durch die Spülflüssigkeit von außen nach innen fließt. Die Flüssigkeit strömt durch das Rohr 10 zum Kopf 15 und verlässt die Maschine als Strahl durch die Düse 14. Das Rohr 10 und die Stange 9 sind beide unabhängig voneinander um ihre Längsachse drehbar. Der Drehwinkel und Drehgeschwindigkeit jedes dieser Teile werden von einem der Motoren 4 angesteuert.
Der Kopf 15 der Maschine ist als seitlich verlaufendes Rohr dargestellt. Das Kegelrad 13 und die Düse 14 bilden eine Entität, die um dieses seitlich verlaufende Rohr drehbar ist. Die Kegelräder 12 und 13 bilden ein Getriebe, vorzugsweise mit einem Verhältnis von 1 : 1. Jedes andere Verhältnis erfordert zusätzliche mechanische oder elektronische Elemente, die es möglich machen, dass die Maschine nach dem Einschalten eindeutig ihre Startposition findet. In Fig. 1 ist der Kopf 15 auf der Stange 11 und das Zahnrad 12 auf dem Rohr 10 befestigt. In Fig. 2 ist der Kopf 15 auf dem Rohr 10 und das Zahnrad 12 auf der Stange 11 befestigt. Das Arbeitsprinzip ist in beiden Fällen genau gleich. Die horizontale Strahlrichtung wird von der Drehung des Kopfs bestimmt und wird direkt von einem der Motore angesteuert. Die vertikale Strahlrichtung wird von der Drehdifferenz zwischen Kopf und Zahnrad 12 bestimmt, das von der Differenz des Drehwinkels der beiden Motoren 4 angesteuert wird. Beide Motoren führen eine komplexe Folge von Drehbewegungen aus, die zu einem systematische Weg für den von der Düse kommenden Flüssigkeitsstrahl zum Reinigen sämtlicher verschmutzten Flächen führt.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind zwei Düsen mit dazugehörigen Kegelrädern gezeigt. Der zweite Satz führt im wesentlichen die gleichen Bewegungen aus wie der erste Satz, mit dem Unterschied, dass die Strahlrichtung um 180º um die vertikale Körperachse gedreht ist. Der Vorteil besteht darin, dass keine Biegereaktionskraft auf die Rohre 10 und 11 aufgebracht wird, und dass jede Düse nur den halben Tank zu reinigen braucht. Es ist vorgesehen, dass der Tank relativ zu der Maschinenposition symmetrisch ausgerichtet ist, andernfalls sinkt die Reinigungseffizienz.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel für eine detailliertere Variante des Kopfteils des Roboters. Fig. 4 zeigt das gleiche Teil in Seitenansicht. Da in den meisten Fällen der Kopf in die Tankfüllung eintaucht und da die Strahlen auf sämtliche Innenflächen des Tanks gerichtet sein können, mit Ausnahme des Kopfs selbst, kann die Maschine eine mögliche Verschmutzungsquelle sein oder Verschmutzung hervorrufen. Zur Realisierung der bestmöglichen Selbstreinigungseigenschalten ist die grundlegende Form des Kopfs eine Kugelform. Auf diese Weise deckt der herablaufende Flüssigkeitsfilm das gesamte Äußere des Kopfs ab. Aus dem gleichen Grund braucht keine Flüssigkeitssperre zwischen dem Kopf 15 und den Segmenten 16 vorgesehen zu sein, wodurch eine beabsichtigte Leckage durch die Lager hervorgerufen wird. Ferner ist die Maschine derart konfiguriert, dass sie sich nach ihrem Einsatz selbst vollständig entleert.
Die vertikale Körperachse der Maschine ist die gleiche wie die Zylinderachsen des Rohrs 10 und der Stange 11. In Fig. 3 ist der Kopf 15 mit dem Rohr 10 verbunden, das eine gesteuerte Bewegung um die Körperachse ausführt. Die Segmente 16 sind durch Lager 19 um eine durch die Mitte des Kopfs verlaufende zentrale Achse drehbar. Der Flüssigkeitsdruck drückt die Segmente nach außen. Die Segmente werden von dem Zahnrad 13 und einem Ring 18, die auch als Pfadhalter für die Kugeln des Lagers dienen, festgehalten. Der Ring und das Zahnrad werden durch Innensechskantschrauben festgehalten. Zum Anziehen der Schrauben ist ein Loch 17 in die Segmente 16 gebohrt. Ein Ausschnitt 21 und ein Gewinde 22 in den Segmenten 16 dienen zum Fixieren der Düsen.
Das Drehen der Segmente wird von dem Kegelradgetriebe 12/13 mit einem Verhältnis von 1 : 1 gesteuert. Das Zahnrad 12 ist mit der Stange 11 verbunden. Die Stange 11 wird von einem Lager 23 in zentrierter Position gehalten. Die Drehdifferenz zwischen dem Rohr 10 und der Stange 11 bestimmt die Drehung der Segmente 16 um die durch das Herz des Kopfs verlaufende horizontale Achse.
Fig. 16 und Fig. 17 zeigen eine andere Ausführungsform des Roboters entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten Prinzip. Fig. 16 zeigt eine Schnittansicht und Fig. 17 eine perspektivische Ansicht des Kopfteils dieser Ausführungsform, Die Bezugszeichen der Teile in dieser Figur entsprechen den Bezugszeichen in den Fig. 1 bis 4. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder vergleichbare Teile. Der Unterschied bei der Ausführungsform in Fig. 3 und 4 besteht darin, dass bei dieser Ausführungsform die Drehung des Kopfs 15 um die vertikale Achse von der Drehung der Stange 11 statt der des Rohrs 10 bestimmt wird. Die Drehdifferenz zwischen Stange 11 und Rohr 10 bestimmt ferner die Drehung der Düse um die horizontale Achse. Zwecks Verbesserung der Selbstreinigungseigenschaften der Maschine sind Löcher 24 in eine Anzahl von Teilen gebohrt. Der aus diesen Löchern austretende Wasserstrahl reinigt das Äußere des Kopfs. Die Überwurfmutter 25 dient zur Fixierung des Kopfs an der Stange. Zum Fixieren des Lagers 19 am Kopf 15 und zum Fixieren des Segments 16 am Lager weist das Lager innen und außen ein Gewinde auf.
Die in Fig. 18 dargestellte Ausführungsform weicht von den in Fig. 1, 2, 3, 4, 16 und 17 gezeigten Beispielen ab. Der Unterschied besteht darin, dass die Drehung der Düse um die horizontale Achse nicht von einer Drehdifferenz der Elemente 10 und 11 bestimmt wird, sondern von einer Translationsdifferenz der beiden Elemente entlang ihrer gemeinsamen vertikalen Achse. Das Teil 12, das in den vorhergehenden Beispielen ein Kegelrad ist, ist in diesem Beispiel eine Zahnschiene. Das Lagerelement 23 dient ferner zum Zentrieren der Elemente 10 und 11 relativ zueinander. Hierbei handelt es sich in diesem Fall nicht um ein drehendes Lagerelement, sondern um ein translatorisches Gleitelement. Der Antrieb der beiden Elemente 10 und 11 durch die beiden Motore oder Aktuatoren erfolgt am besten derart, dass einer der Motoren oder Aktuatoren die Drehbewegung des rohrförmigen Elements 10 und der andere die vertikale Bewegung des stangenförmigen Elements 11 ansteuert. Auf diese Weise wird die Drehbewegung der Düse um die horizontale Achse nur durch einen Motor oder Aktuator statt durch die Differenz zwischen den beiden bestimmt. Der Nachteil besteht darin, dass zusätzliche Sensoren zum Bestimmen der Endposition der Stange 11 erforderlich sind.
Sämtliche Ausführungsformen haben gemeinsam, dass eines der rohr- oder stangenförmigen Elemente die Drehbewegung jeder Düse um die vertikale Körperachse der Maschine bestimmt, und dass die Dreh- oder Translationsdifferenz zwischen den beiden Elementen die Drehung jeder Düse um eine horizontale Achse bestimmt, die der ersten Drehbewegung um die vertikale Körperachse folgt. Der neue Aspekt der Erfindung ist die Verwendung von voneinander unabhängig steuerbaren Antrieben, wodurch jede Düse in jede gewünschte Richtung lenkbar ist. Zweck der Erfindung ist, die Reinigungsflüssigkeitsstrahlen derart zu lenken, dass der Raum, in dem die Maschine aufgestellt ist, auf effektivste und systematischste Weise gereinigt wird. Folglich ist es unwichtig, welche Ausführungsform verwendet wird, da am Ende das Reinigungsergebnis nur von dem Verfahren zum Lenken der Strahlrichtung bestimmt wird.
Im folgenden wird eine Beschreibung des Reinigungsverfahrens gegeben, mittels dessen der Roboter jede Art von Raum oder Tank in effizientester Weise reinigen kann.
Die Maschine steuert die Sprührichtung des Strahls ausgehend von einer festen Stelle derart, dass der Punkt des Auftreffens des Strahls auf systematische Weise die gesamte verschmutzte Fläche passiert. Das Steuerprogramm enthält Information zur Geometrie, Größe, Stelle und Ausrichtung sämtlicher Flächen, die gereinigt werden sollen. Die Komplexität der durchgeführten Steuersequenz hängt von der geometrischen Komplexität des zu reinigenden Raums ab. Obwohl in dem Programm die Position der Maschine selbst in dem Tank berücksichtigt ist, wird die Maschine vorzugsweise derart angeordnet, dass sämtliche verschmutzten Flächen von dem Strahl erreicht werden können. Falls dies nicht möglich ist, sollte eine Lösung gefunden werden, bei der mehr als ein einziger Roboter verwendet wird, von denen jeder für einen bestimmten Teil des Raums verantwortlich ist. Ferner ist jede der Maschinen vorzugsweise derart angeordnet, dass der Schmutz in die gewünschte Richtung in die Ablauföffnung gespült wird. Normalerweise ergibt sich daraus eine eng unter dem Dach gelegene Position, die jedoch nicht derart eng bemessen sein darf, da ansonsten die ballistisch geformte Kurve des Strahls möglicherweise nicht in der Lage ist, die am weitesten entfernte Ecke zu erreichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt eine große Anzahl von Effekten, die einen mehr oder weniger großen Einfluss auf den Reinigungsvorgang haben. Daraus ergibt sich eine Anzahl von Regeln und Empfehlungen zum Leiten, zur Geschwindigkeit und zur Dichte der Bahn, der der Strahl über die zu reinigende Fläche verfolgt. Diese zielen sämtliche auf die höchstmögliche Reinigungseffizienz ab, d. h. auf eine Minimierung der Reinigungskosten. Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren anhand des Punkts des Auftreffens des Strahls beschrieben wird, ist zu beachten, dass ein Computerprogramm das gewünschte Verhalten in die entsprechenden Steuerkoordinaten des Motors des Roboters übersetzt, was wiederum von der Position der Maschine, der Geometrie des Raums und den im Raum befindlichen Gegenständen abhängt. Normalerweise werden die Steuerdaten mittels eines schnellen Computers berechnet und vor dem Waschvorgang in einer Datei abgespeichert. Dadurch werden die Anforderungen an den Steuercomputer reduziert, und das Betriebsprogramm wird auf einen einfachen Zuführ-Algorithmus vereinfacht. Falls für das gewünschte Verhalten des Roboters auch ständig veränderliche Parameter wie z. B. der vorherige Füllstand des Tanks oder der Produkt- (Schmutz-) Typ einbezogen werden müssen, können die Steuerkoordinaten in Echtzeit mit dem Steuercomputer berechnet werden, der in diesem Fall weitaus leistungsfähiger sein muss.
Die erste Hauptregel für den Reinigungsvorgang besteht darin, dass sämtliche Oberflächen exakt mit ausreichender Intensität behandeln werden müssen. In Fällen, in denen einige Stellen mit zu starker Intensität behandelt werden, werden Reinigungszeit und Waschflüssigkeit unnötigerweise verschwendet, wodurch die Kosten des Waschvorgangs erhöht werden; im Falle einer zu geringen Intensität wird die Oberfläche nicht sauber. Allgemeinhin brauchen die Oberflächen nicht von mehr oder weniger parallelen "Bahnspuren" bedeckt zu sein. Unter einer Bahnspur ist ein Teil der von dem Auftreffpunkt des Strahls verfolgten Bahn auf der zu reinigenden Oberfläche zu verstehen. Fig. 5 zeigt ein Beispiel dieses bahnspurweisen Reinigen. Die von dem Auftreffpunkt beschriebene Bahn ist als die fettgedruckte unterbrochene Linie abgebildet. In der Figur sind die Bahnspuren kreisförmige Teile der Bahn. Der mit dem Symbol L bezeichnete senkrechte Abstand zwischen den Bahnspuren ist einer der wichtigsten Parameter, der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch einige strikte Regeln gebunden ist.
Die mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichneten Verbindungen zwischen den Spuren tragen nicht signifikant zu der Reinigung bei, und aus diesem Grund sollte ihre Verwendung so weit wie möglich vermieden werden, indem Spuren an den benachbarten Flächen verbunden werden, oder indem sie mit der größtmöglichen Geschwindigkeit in der kürzestmöglichen Zeit gebildet werden.
Die mit den Bezugszeichen 1 und 4 markierten Extra-Teile ergeben sich aus der Wichtigkeit, während des Reinigens keine Stellen zu überspringen. Im Fall 1 rührt dies aus der Notwendigkeit her, die Bahn die der weitesten Ecke der Bahn zu halten; in dem Fall 4 wird die scharfe Kante der Bahn etwas weiter weg gehalten, als in Anbetracht der gewünschten Konstanz der Dichte der Bahnspuren zu erwarten wäre.
Es muss eine Unterscheidung zwischen zwei Arten von Operationen getroffen werden, die der Roboter in dem gleichen Waschvorgang ausführen kann, und zwar zwischen dem Verteilen eines Reinigungsvorgangs und dem Entfernen der Verschmutzung. Bei dem Verteilen des Mittels ist beabsichtigt, so viel Flüssigkeit wie möglich auf der Zielfläche des Strahls zu hinterlassen, während die induzierte Strömung in der Richtung des Abflusses so klein wie möglich sein sollte. Beim Entfernen der Verschmutzung hingegen sollte so wenig Flüssigkeit wie möglich an der Fläche zurückbleiben, während die Strömung zum Abfluss so groß wie möglich sein muss.
Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mehrere Eigenschaften des auftreffenden Strahls und des laufenden Flüssigkeitsfilms ausgenutzt. Fig. 6 zeigt ein Schema eines auftreffenden Strahls. In der Figur sind vier Bereiche mit unterscheidbaren Eigenschaften abgebildet. In der Figur sind:
I der Bereich des direkten Auftreffens,
II der Bereich mit radialem Fluss,
III der Bereich, in der Flüssigkeit unter Schwerkrafteinfluss strömt, und
IV das Spritzwasser.
Unter unterschiedlichen Umständen beeinflussen diese Effekte die Wahl der Bahnspur des Waschmusters und somit den Wert von L:
Zu I: Sobald der Strahl die Düse verlassen hat, teilt er sich in kleinere und größere Tropfen. Der Schlageffekt der auftreffenden Tropfen weist ein starkes Reinigungspotenzial auf, das andererseits auf einen sehr kleinen Bereich beschränkt ist, der so groß ist wie der Durchmesser der ausgedüsten Tropfenwolke. Im Falle einer nur schwierig zu entfernenden Verschmutzung dient es der Effizienz, wenn ein Wert von L verwendet wird, der kleiner als der Durchmesser dieses Bereiches ist oder diesem gleich ist.
Zu II: Der Bereich um den direkten Auftreffbereich weist einen Flüssigkeitsfilm auf, der in radialen Richtungen von dem Auftreffpunkt weg strömt, wobei er seine Energie sehr schnell verliert, bis er die in Fig. 6 mit dem Symbol H markierte kreisförmige Grenze erreicht. Dies ist der sogenannte hydraulische Sprung, gekennzeichnet durch ein plötzliches Ansteigen des Wasserpegels. Das Reinigungspotenzial des Bereiches des radialen Flusses hängt von der erwarteten Scherung und somit von dem Abstand vom Auftreffpunkt ab. Bei leichter entfernbaren Arten von Verschmutzung muss der optimale Wert von L ein bestimmter Teil des Radius des Bereiches des radialen Flusses sein. Die Breite des spurweise gereinigten Bereiches hängt stark von der Transversalgeschwindigkeit ab, mit der sich der Auftreffpunkt über die Oberfläche bewegt. Die Relation zwischen V und L wird im folgenden Textverlauf erläutert.
Zu III: Außerhalb des hydraulischen Sprungs hat die Flüssigkeit ihre anfängliche kinetische Energie verloren und strömt nur unter Schwerkrafteinfluss abwärts. Der Durchmesser des hydraulischen Sprungs hängt stark von dem umgebenden Flüssigkeitspegel ab. Hinsichtlich der Bodenfläche ist es wichtig, dass durch ausreichenden Schrägverlauf des Bodens ein gutes Abfließen der Flüssigkeit gewährleistet ist. An den vertikalen Wänden tritt der hydraulische Sprung nur über dem Auftreffpunkt auf und hat im wesentlichen eine parabolische Form, wobei der Auftreffpunkt im Fokus liegt. An der Abstromseite geht der Bereich des Radialflusses unmerklich in den schwerkraftgesteuerten Bereich über.
Die Richtung, in der die Flüssigkeit abwärts strömt, hat Konsequenzen für die Ausgestaltung des Reinigungsmusters:
- Falls das Waschen in der von oben nach unten verlaufenden Richtung durchgeführt wird, wird der Abwärtsstrom maximiert, da der Strahl einem Bereich, in dem aufgrund der stromaufwärts erzeugten Bahnspuren bereits ein Wasserstrom existiert, Wasser hinzufügt. Ferner verursacht die Verschmutzung, die gerade durch den Strahl mobilisiert worden ist, keine Neukontaminierung des bereits gereinigten Bereiches.
- Durch Arbeiten von unten nach oben hin wird der stromabwärtige Fluss minimiert, wobei ein Flüssigkeitsstrom mit größtmöglicher Homogenität hinterlassen wird. Dies macht das Verfahren sehr zweckmäßig für das Verteilen eines Reinigungsmittels.
Zu IV: Ein Teil der Flüssigkeit verlässt den Auftreffpunkt des Strahls als Spritzwasser und trägt somit nicht zu der Scherung in dem Bereich des Radialflusses bei. Das Reinigungspotenzial des Spritzwassers ist sehr beschränkt. Andererseits kann das Spritzwasser zum Reinigen der Stellen verwendet werden, die nicht direkt von dem Strahl erreicht werden können. Zu diesem Zweck kann der Strahl an einer Stelle zum Stillstand gebracht werden, von der es bekannt ist, dass Wasser aus ihr heraus in einen derartigen Schattenbereich spritzt. Es ist sogar möglich, zusätzlich spezielle Strahl-Ablenkern in dem Raum anzuordnen, um in die Richtungen der Schattenbereiche gelenktes Spritzwasser zu erzeugen. Dabei besteht ein Nachteil darin, dass ein derartiger Ablenker normalerweise seinerseits einen neuen Schattenbereich verursacht.
Umgekehrt kann es geschehen, dass Spritzwasser bereits gereinigte Stellen neukontaminiert. Die auf den Strahlauftreffpunkt folgende Bahn sollte entsprechend der Geometrie des Raums konzipiert sein, damit diese Situation vermieden wird.
In Fig. 6 und dem Großteil des obigen Textes wurde angenommen, dass der Strahl rechtwinklig auftrifft. Es ist jedoch zu beachten, dass mit Ausnahme sehr kleiner Bereiche der Strahl normalerweise nicht rechtwinklig, sondern unter einem bestimmten Winkel auf der Zielfläche auftrifft. In Abhängigkeit von dem Wert von wird die Form des Auftreffbereiches verändert, und der Charakter der beschriebenen Effekte wird verändert. Zur weiteren Optimierung der Reinigungsleistung wird die Kenntnis dieser Veränderungen benötigt. In Fig. 7 ist die Form des Auftreffbereiches für drei unterschiedliche Auftreffwinkel angedeutet, von denen einer rechtwinklig ist.
Zu I: Der Bereich des direkten Auftreffens, der in Fig. 7 in jeder der drei Darstellungen als schwarzer Fleck gezeigt ist, verformt sich elliptisch, und zwar mit einer kurzen elliptischen Achse, die unverändert bleibt, und einer langen elliptischen Achse, die proportional zu 1/sin ist. Der Schlageffekt der auftreffenden Tropfen nimmt bei spitzeren Auftreffwinkeln drastisch ab, nicht nur aufgrund des Effektes, dass die Tropfen auf einen größeren Bereich verteilt werden, sondern auch, da die Geschwindigkeits-Komponente des Strahls rechtwinklig zu der Zielfläche kleiner ist.
Zu II: De Bereich des Radialflusses verformt sich einförmig. Bei spitzeren Auftreffwinkeln wird der Bereich dünner und länger, während der Auftreffpunkt des Strahls weiter zu dem engsten Punkt des Eis hin liegt. Bei Winkeln, die spitzer sind als ein bestimmter Wert von , erfolgt ein Übergang, wobei der Auftreffpunkt unter der Grenze des einförmigen Bereiches liegt und kein radialer Fluss zurück mehr erfolgt. Bei glatten ungebrochenen Strahlen tritt dieser Übergang theoretisch bei Winkeln ein, die spitzer sind als = 45º. Da in der Praxis die Tropfen des zerstobenen Strahls beim Aufprall mehr Energie ausgeben, erfolgt dieser Übergang bereits bei stumpferen Winkeln von zwischen 50º und 60º.
Die Breite des Bereiches, der durch die bahnspurartige Bewegung des Auftreffpunkts des schrägen Aufprall-Strahls gestört wird, hängt von der Richtung ab, in der sich der Auftreffpunkt selbst bewegt. Für eine detailliertere Beschreibung ist es erforderlich, ein Richtungskoordinatensystem an dem Auftreffpunkt zu definieren. Die Richtung β wird in der Zielebene gemessen, geht von dem Strahlauftreffpunkt aus und bildet den kleinsten Winkel mit der rechtwinkligen Projektionslinie des Strahls auf die Zielebene. In Fig. 5 ist β als der kleinste Winkel gezeigt, der zwischen dem Geschwindigkeitsvektor V des Strahlauftreffpunkts auf der Zielfläche und der Projektionslinie P-T des Strahls auf die Fläche gemessen wird. In bezug auf den Auftreffpunkt T ist β = 0º die Projektionsrichtung, aus der das Wasser des Strahls kommt, und β = 180º ist die Gegenrichtung. Richtungen mit 180º < β < 360º sind durch den definierende Begriff des "kleinsten" Winkels ausgeschlossen und sind dem Wert 360 - β äquivalent.
Das Reinigen wird nur dann mit den niedrigstmöglichen Kosten ausgeführt, wenn die verschmutzten Flächen exakt mit hinreichender Intensität behandelt werden. Dies setzt voraus, dass versucht werden muss, sämtliche Oberflächen so homogen wie möglich zu benetzen. Falls der Auftreffpunkt entlang der Strahl-Projektionslinie durchläuft, etwa entweder in den Richtungen β = 180º oder β = 0º gemäß Fig. 8 bzw. Fig. 9, wird ein schmaler Bereich intensiv benetzt, und im Falle einer rechtwinklig zur Projektionslinie durchlaufenden Projektionsrichtung, etwa in eine der Richtungen β = 90º gemäß Fig. 10, wird ein breiterer Bereich mit niedrigerer Intensität benetzt. Für die Verteilung eines Reinigungsmittels sowie für das Entfernen von Verschmutzung ist günstig, wenn die Bahn des Auftreffpunkts derart konzipiert ist, dass die Durchlaufrichtung β so nah wie möglich an 90º liegt.
Diese Vorkehrung, dass der Auftreffpunkt des Strahls so weit wie möglich in Richtungen mit β = 90º durchlaufen sollte, könnte auch in Hinblick auf das Transportverhalten in dem Auftreffbereich getroffen worden sein. Aus Fig. 10 ist ersichtlich, dass der gereinigte Bereich breiter ist als diejenigen gemäß Fig. 8 und Fig. 9. Ferner ist der Bereich asymmetrisch um die von dem Auftreffpunkt beschriebene Linie angeordnet, da er an der Seite mit β = 180º breiter ist. Dies ist auch die Richtung, in der der Großteil der abgelösten Verschmutzung transportiert werden muss. Die korrekte Art zum systematischen Reinigen der gesamten Fläche besteht darin, die Bahnspuren in bezug auf die vorhergehenden stets auf der Seite mit β = 180º zu bilden. Um dies zu veranschaulichen, zeigen Fig. 11 und Fig. 12 die ersten beiden auf die Bahnspur gemäß Fig. 10 folgenden Spuren derart, dass der bestmögliche Reinigungseffekt erzielt wird. Die durch die erste Bahnspur transportierte Verschmutzung wird durch die zweite und die dritte Bahnspur über die größtmögliche Distanz weitertransportiert. Der Abstand zwischen den Bahnspuren sollte derart ausgelegt sein, dass der Auftreffpunkt der Grenze des mittels der vorhergehenden Bahnspur gereinigten Bereiches folgt. Falls der Abstand zu groß wird, bleibt eine Schmutzspur zurück, und das Reinigungssystem funktioniert nicht korrekt. Tatsächlich verläuft in Fig. 10 die erste Bahnspur in der falschen Richtung, da es unmöglich ist, den in der Zeichnung auf der linken Seite der ersten Spur gezeigten Bereich zu reinigen, ohne zuvor gereinigte Stellen erneut zu kontaminieren.
Es mag nicht immer möglich sein, die gesamte Reinigungsbahn derart zu konzipieren, dass der Auftreffpunkt nur den Richtungen β = 90º folgt. Falls sich der Auftreffpunkt in der Richtung β = 0º bewegt, wird die abgelöste Verschmutzung teilweise seitlich und teilweise zu dem langen Ende des Auftreffbereiches in Richtungen in der Umgebung von β = 180º transportiert. Dadurch wird gemäß Fig. 9 die Mitte der Bahnspur leicht verschmutzt hinterlassen. Im Fall einer Reinigung eines Raums sollten die Querrichtungen um β = 0º vermieden werden.
Wenn der Auftreffpunkt in die Richtung β = 180º durchläuft, wird der abgelöste Schmutz vorwärts vor den Strahl gedrückt und endet an beiden Seiten der Bahnspur, wie Fig. 8 zeigt. Die Verschmutzung wird weitgehend stets rechtwinklig zu der Bahnspur transportiert. Der maximal zulässige Abstand L zwischen den Bahnspuren der Reinigungsbahn gleicht der Transportstrecke der Verschmutzung in der Richtung der nächsten geplanten Spur. Diese Distanz häng von der Form der Radialstrombereiche und bei schrägen Auftreffwinkeln auch von der Bewegungsrichtung des Strahls ab. Die Pfeile in Fig. 7 zeigen die Transportrichtung und die Strecke des abgelösten Schmutzes in dem Fall, das der Strahl entweder in β = 90º oder β = 180º durchläuft, wie durch den Index L markiert ist. Bei einem rechtwinkligen Auftreffen sollte der Wert von L nicht größer sein als die Hälfte des Durchmessers des Radialflussbereiches, unabhängig von der Durchlaufrichtung. Bei einem schrägen Auftreffen ist bei spitzeren Winkeln der zulässige Wert von L bei Durchlaufrichtungen β = 90º größer und bei Durchlaufrichtungen β = 180º kleiner.
Sämtliche der oben aufgeführten Effekte resultieren in vollständig veränderten Steuer-Anforderungen in dem Fall, dass die Maschine ein Reinigungsmittel verteilt. Das Verteilen begünstigt das Auftragen eines homogenen Films aus Reinigungsmittel mit größtmöglicher Dicke. Um an der Zielfläche zurückzubleiben, sollte die Strahlen-Flüssigkeit zum Stillstand kommen, was erwartungsgemäß nicht innerhalb der Grenzen des Radialflussbereiches geschieht. Falls derart spitz ist, dass kein Rückstrom in die Richtung β = 0 erfolgt, existiert auf dieser Seite kein Radialflussbereich. Dabei besteht sogar die Tendenz eines Einsaugens von Flüssigkeit, die bereits dort war. Dies könnte dazu führen, dass eine zuvor benetzte Oberfläche jedes Mal, wenn der Strahl in der falschen Richtung durchläuft, fast trocken bleibt.
Zur optimalen Verteilung des Mittels existiert das gleiche Erfordernis, dass der Strahl soweit wie möglich in Richtungen mit β = 90º durchlaufen sollte. Die folgende Reihenfolge zum Bilden der Bahnspuren ist der zum Entfernen der Verschmutzung erforderlichen Reihenfolge exakt entgegengesetzt. Nur wenn die jeweiligen Spuren auf der β = 0º - Seite ihrer Vorgänger gebildet werden, kann das Aufragen einer so homogen und dick wie möglich beschaffenen Reinigungsmittelschicht erzielt werden. Durchlaufrichtungen um β = 180º sollten vollständig vermieden werden. Falls Richtungen mit 90º < β < 180º nicht vermieden werden können, sollte eine der nächsten Bahnspuren einen Teil der Bahn neu benetzen. Richtungen mit 0 < β < 90º sind zulässig. In der Durchlaufrichtung β = 0º beträgt die zulässige Distanz zwischen Bahnspuren ungefähr das Doppelte der zum Entfernen verwendeten Distanz.
Beim Entfernen von Verschmutzung existiert eine Verbindung zwischen der Durchlaufgeschwindigkeit des Strahl-Auftreffpunkts und der Breite des gereinigten Bereiches. Jedes Mal, wenn der Strahl zum Stillstand gebracht wird, wird schließlich die Verschmutzung in dem Auftreffbereich zu der Grenze des Radialflussbereiches transportiert. Da der Strahl derart durchlaufen muss, dass er die gesamte Fläche reinigt, wird die Verschmutzung während des Durchlaufs des Strahl-Auftreffbereiches nur für eine kurze Zeit transportiert. Je schneller sich der Strahl bewegt, desto kürzer ist diese Durchlaufzeit und desto kleiner ist die Transportstrecke.
Für die Breite B des gereinigten Bereiches als Funktion der Durchlaufgeschwindigkeit V des Strahlauftreffpunkts bei einem rechtwinkligen Auftreffen existiert die folgende empirische Relation:
B/B&sub0; = 1 - V/V&sub0; (1)
wobei V&sub0; und B&sub0; experimentell bestimmbare Konstanten sind.
Zur Bestimmung von V&sub0; müssen einige Test-Bahnspuren mit zunehmender Durchlaufgeschwindigkeit gebildet werden.
V&sub0; ist der Wert der Durchlaufgeschwindigkeit V, bei dem die Breite des gereinigten Bereiches null wird.
Der Wert von B&sub0; gleicht der Breite des gereinigten Bereiches, wenn der Strahl mit sehr niedriger Geschwindigkeit durchläuft.
Die Wahl der Bewegungsgeschwindigkeit V beeinflußt die Kosten der Reinigung des gesamten Raums. Bei zu hoher Geschwindigkeit ist die Reinigung unzureichend, bei zu geringer Geschwindigkeit erfordert die Behandlung der gesamten Fläche zu viel Zeit. Zwischen diesen Geschwindigkeiten existiert eine Geschwindigkeit, mit der eine maximale Fläche pro Zeiteinheit gereinigt wird und bei der somit die Reinigungskosten minimiert sind. Da die gereinigte Fläche pro Zeiteinheit proportional zu B mal V ist, kann unter Verwendung der Gleichung 1 aufgezeigt werden, daß für die optimale Reinigungsgeschwindigkeit gilt:
V = 1/2V&sub0; (2)
und dass für die entsprechende Weite der gereinigten Fläche gilt:
B = 1/2B&sub0; (3)
Für den kleinen Bereich der Fläche, in dem ein senkrechtes Auftreffen existiert, können die obigen Werte als Richtschnur dienen, während für den Abstand L zwischen den systematisch aufgebrachten Bahnspuren gilt:
L = = 1/4B&sub0; (4)
Wie zuvor dargelegt handelt es sich bei dem empfohlenen Abstand L nicht um eine Konstante, sondern er ist von dem Auftreffwinkel und der Bewegungsrichtung des Strahls abhängig. Bei spitzen Auftreffwinkeln und einem großen Wert von L sollte die Bewegungsgeschwindigkeit viel geringer sein, da die Verunreinigungen über einen längeren Weg transportiert werden müssen und die in der Bewegungsrichtung gemessene Breite der Auftrefffläche kleiner ist, wodurch die verfügbare Transportzeit während eines Durchlaufs des Auftreffpunkts des Strahls verringert.
Eine sehr gute Lösung für dieses Problem lässt sich finden, indem angenommen wird, dass die gesamte Fläche mit der selben Intensität gereinigt werden soll. Dies führt zu einer einfachen Verbindung zwischen Bewegungsgeschwindigkeit und Bahnspurabstand:
VL = C
wobei C eine Konstante ist.
In den meisten Fällen entsprechen die Teile der behandelten Fläche, die unter den spitzesten Auftreffwinkeln bearbeitet werden, den Stellen, die im Raum am weitesten entfernt sind. Bei einem größeren Abstand nimmt der Luftwiederstand des Strahls erheblich zu, wenn dieser sich zu schnell bewegt. Ein glücklicher Zufall des Verfahrens nach Gleichung 5 liegt darin, dass eine geringere Bewegungsgeschwindigkeit aufgrund der Tatsache bereits vorgegeben war, dass bei einer Bewegung des Auftreffpunkts in Richtung von β = 90º ein längerer zulässiger Wert L gegeben ist.
Der erforderliche Wert von C hängt unter anderem von der Art der Verunreinigung, der Menge der Verunreinigung, dem Material der zu reinigenden Fläche und dem verwendeten Reinigungsversfahren ab.
- Für die Verteilung eines Reinigungsmittels ergibt sich der Wert von C aus der gewünschten Dicke δ der Schicht und der Volumenflussrate φ der Flüssigkeit im Strahl:
C = φ/δ (6).
- Für das Entfernen der Verunreinigung ergibt sich der Wert der Konstante aus:
C = 1/8V&sub0;B&sub0; (7)
Ein Verfahren, das noch bessere Ergebnisse zeitigt, bestimmt den Wert von C experimentell durch Spültests. Ein gutes Verfahren könnte darin bestehen, zu versuchen, die benötigte Menge Spülfluid pro Quadratmeter zu bestimmen, mit der die Fläche ausreichend gereinigt ist. Diese erforderliche Menge an Fluid wird in einen Wert von δ umgesetzt, für den die Gleichung 6 den korrekten Wert von C ergibt.
Auf der einen Seite ist das Verfahren der Gleichung 5 sehr empfindlich für den korrekten Wert von C: ein zu hoher Wert bedeutet eine unzureichende Reinigung und ein zu geringer Wert bedeutet unnötig hohe Reinigungskosten. Auf der anderen Seite ist das Verfahren für das Verhältnis von V zu L eher unempfindlich, was bedeutet, dass beträchtlicher Spielraum für Variationen eines der Parameter erlaubt ist, vorausgesetzt, dies wird durch den anderen Parameter ausgeglichen. Es ist aus diesem Grund unnötig, die exakten Abmessungen und Verformungsdaten des Auftreffbereichs zu kennen. Es genügt, eine grobe Schätzung der Abmessungen und der einhergehenden Werte von L vorzunehmen.
Durch Kombinieren sämtlicher Elemente in dem genannten Verfahren können einige Beispiele für das implizierte optimierte Muster für einen vollständigen Raum abgeleitet werden. Charakteristisch für das zur Verteilung eines Reinigungsmittels erforderliche Muster ist, dass ungefähr das selbe Muster beachtet werden muss, das zum Entfernen von Verunreinigungen erforderlich ist, wobei der Unterschied in der Tatsache besteht, dass es in umgekehrter Richtung und Abfolge erfolgt. Ferner kann der Abstand L zwischen den Bahnspuren und die Bewegungsgeschwindigkeit V beim Verteilen eines Mittels größer sein. Die Abfolge der Verteilung der verschiedenen Flächen beginnt generell am Boden, anschließend folgen die vertikalen Wände und danach die Decke oder Oberseite; zum Entfernen der Verunreinigungen ist die Abfolge umgekehrt.
Bei horizontalen, nicht gebogenen Flächen, beispielsweise der ebene Boden oder die ebene Oberseite eines Tanks, ist die beste Bahn eine Spirale, ähnlich der einer Uhr, um den senkrechten Projektionspunkt des Kopfs des Roboters auf die Fläche. Bei einer Verteilung arbeitet die Spirale in Richtung der Mitte, beim Entfernen arbeitet sie von der Mitte weg gerichtet. Der Abstand zwischen den Windungen nimmt in geringem Maße zu, wenn diese weiter außen angeordnet sind, während die entsprechende Bewegungsgeschwindigkeit des Auftreffpunkts proportional abnimmt.
Wenn der Projektionspunkt P nicht in der Mitte der Fläche liegt, oder wenn die Windungen der Spirale die Ränder erreichen, kann das Muster den Rest der Fläche mit konzentrischen kreisförmigen Segmentspuren bedecken. Fig. 5 zeigt ein Beispiel hierfür. Da die logistische Abfolge in diesem Beispiel in Richtung des Projektionspunkts p des Kopfs der Maschine auf die Fläche arbeitet, ist das dargestellte Muster zum Verteilen eines Reinigungsmittels und nicht zum Entfernen von Verunreinigungen geeignet.
Generell kann beim Reinigen von vertikalen Wänden der Wert C größer sein als bei horizontalen Flächen der Fall. Ist die Wand Teil eines vertikalen Zylinders, so ist das beste Muster eine Schraubenspirale, die zum Verteilen eines Mittels von oben nach unten und zum Entfernen von Verunreinigungen von oben nach unten arbeitet. Handelt es sich bei der vertikalen Wand um einen ebenen Teil eines rechteckigen Raums, so ist die beste Bahn wiederum eine Reihe von konzentrischen Kreissegmenten, die in einer Zickzackbewegung gebildet werden. Fig. 14 zeigt in Draufsicht die ideale Bahn über zwei der vertikalen Wände eines kubischen Raums. Es wurde angenommen, dass sich die Maschine so hoch wie möglich in einer zentralen Position befand. Die Ausbildung der Bahn entspricht der Anforderung, dass kein Wasser in Bereiche spritzen soll, die bereits gereinigt wurden. Ferner verringert der Durchlauf des Musters über die beiden Flächen die erforderliche Menge an Verbindungsteilen für die Kreisbahnspuren.
Ein Vergleich zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und bestehenden Verfahren herkömmlicher Reinigungsvorrichtungen zeigt, dass die spiralige Reinigungsbahn bereits existiert. Es existiert sogar Literatur über eine Maschine, welche die Möglichkeit hatte, die Drehgeschwindigkeit derart zu verändern, dass eine größere Reinigungsintensität an den weitest entfernten Stellen erreicht werden konnte (US-Patent 3 874 594). Zwar erhöhen derartige Modifikationen die Reinigungseffizienz gegenüber vergleichbaren Verfahren etwas, jedoch erreicht keine dieser Maschinen annähernd die Effizienz der Erfindung. Die meisten herkömmlichen Maschinen führen homogene Rotationsbewegungen um beide Rotationsachsen durch. Dies impliziert, dass der Abstand zwischen den Bahnspuren wesentlich stärker zunimmt als nach dem zuvor beschriebenen Verfahren erforderlich. Ferner nimmt die Bewegungsgeschwindigkeit mit dem Abstand von der Maschine zu, während sie aufgrund des schrägen Auftreffens des Strahls abnehmen sollte.
Es ist möglich, theoretisch die Verbesserung der Effizienz zu schätzen, die durch das Austauschen einer herkömmlichen Maschine durch einen geeignet programmierten erfindungsgemäßen Roboter erreicht werden kann. Es ist erforderlich, zu wissen, wo auf der zu reinigenden Fläche die Engstelle bei einer Reinigung durch eine herkömmliche Maschine ist. Angenommen, die Verunreinigung ist homogen über die gesamte Fläche verteilt und es gibt keine Stellen, an denen die Verunreinigung eine steifere Konsistenz hat, so ist die Engstelle die Stelle im Tank, an der die herkömmliche Maschine die geringste Menge Spülwasser pro Quadratmeter aufbringt. Eine Schätzung der Verbesserung erfordert die beiden folgenden Axiome.
Ein Raum wird nur als sauber betrachtet, wenn er vollständig sauber ist.
Wenn am Ende die Engstelle unter Verwendung einer bestimmten Reinigungsintensität gereinigt wird, könnte der Rest der Fläche mit der gleichen Intensität gereinigt werden.
Das erste Axiom impliziert, dass der Spülvorgang fortgesetzt wird, bis die Engstelle gereinigt ist. Das zweite Axiom beschreibt als Essenz, warum die Erfindung eine so viel bessere Reinigungseffizienz hat. Durch Dosieren der Menge des Spülwassers in exakt der richtigen Menge an allen Stellen wird die optimale Reinigungseffizienz erreicht.
Bei herkömmlichen Maschinen, bei denen die Düsen homogene Drehbewegungen um die beiden senkrechten Achsen durchführen, folgt die Reinigungsintensität der folgenden Gleichung:
Iconv = sinα/2π²R²cosθ (8)
wobei
Iconv die Reinigungsintensität der herkömmlichen Maschine bezeichnet,
R den Abstand der Maschine von der Zielfläche [m] angibt,
φ den Winkel zwischen der Strahlrichtung und der horizontalen Ebene [*] bezeichnet.
Diese Gleichung zeigt mittels des Terms cosφ den negativen Effekt der Tatsache, dass die Strahlrichtung bei jeder Drehung der Düsen zweimal vertikal gerichtet ist, wobei auf die selben kleinen Stellen über und unter der Maschine gezielt wird. Das Multiplizieren von Iconv mit der Volumenflussrate der Maschine und der Dauer des Spülvorgangs ergibt die lokal aufgebrachte Menge Spülwasser pro Quadratmeter.
Die Reinigungsintensität I lässt sich am besten als eine Art statistischer Parameter beschreiben, eine Möglichkeit pro Fläche. Die Gesamtmöglichkeit ist gleich 1, schließlich hat die Maschine stets eine Sprührichtung. Das bedeutet, dass die Reinigungsintensität für die Erfindung ebenfalls geschätzt werden kann. Da der Roboter auf die Form des Raumes, in dem er eingebaut ist, derart programmiert ist, dass sämtliche zu reinigenden Stellen die selbe Reinigungsintensität erfahren, folgt:
Irobot = 1/A (9)
wobei
Irobot gleich der Reinigungsintensität der Erfindung ist, und
A die Gesamtfläche der zu reinigenden Fläche [m²] angibt.
Die Stelle der Fläche, an der Iconv den geringsten Wert hat, ist die am schlechtesten gereinigte Stelle und bildet für die herkömmliche Reinigungsmaschine die Engstelle bei der Reinigung. Es sei angenommen, dieser Wert ist gleich Imin. Die Reinigungseffizienz η kann nun wie folgt definiert werden:
η = Imin/Irobot 100% = A Imin 100% (10)
Der Wert von η drückt die Verbesserung des Spülvorgangs aus, die durch den Austausch einer herkömmlichen Maschine durch die Erfindung erreichbar ist. Angenommen dieser Wert beträgt 10%, so impliziert dies, dass von diesem Moment an, die Reinigungszeit, der Verbrauch an Wasser und Energie und die Menge an Spülwasserresten ihre normalen Werte sämtlich um 10% übersteigen.
Der Wert von η hängt stark von der Form des Tanks und der Position der Maschine ab. Bei vertikalen und horizontalen Tanks kann dieser Wert mittels Fig. 15 ermittelt werden. Die Reinigungseffizienz wurde als Funktion des Längen/Durchmesserverhältnisses L/D des Tanks und für 5 Positionen der Maschine im Tank berechnet. Kleine Werte von L/D entsprechen flachen scheibenförmigen Tanks, beispielsweise die landgestützten Schwimmdachtanks zum Lagern von Öl oder Chemikalien. Hohe Werte von L/D entsprechen rohrförmigen Tanks. Je extremer die Form des Tanks und je weiter die Maschine von der Mitte weg angeordnet ist, desto größer ist die erreichbare Verbesserung. Horizontale rohrförmige Tanks stellen noch größere Probleme dar als vertikale Tanks.
Im Prinzip kann die Berechnung von η für jeden zu reinigenden Raum erfolgen, jedoch ist eine Darstellung derselben ähnlich der Fig. 15 für andere spezielle Formen aufgrund der größeren Zahl von Parametern zu kompliziert.
Zwar sind die vorausgesagten Verbesserungen bereits spektakulär, jedoch erwiesen sich die Ersparnisse in der Praxis als noch größer. Bei der Berechnung der Reinigungseffizienz wurde das Spülen von oben nach unten, die exakte Verbindung der gereinigten Bahnspurflächen, das Wegdrücken der Verunreinigungen in eine Richtung, und das mögliche Vorhandensein von Flächen, die einer eingehenderen Reinigung oder keinerlei Reinigung bedürfen, nicht berücksichtigt. Da der Roboter keine undefinierte Vordrehung hat, wie bei den herkömmlichen Maschinen der Fall, ist der Spülvorgang stets reproduzierbar.

Claims

1. Vorrichtung zum Reinigen der Innenflächen eines Raums, wie hygienische Nassarbeitsräume oder Tanks, Container oder Behälter zur Produktion, zum Transport oder zur Lagerung aller Arten von Gütern, mit mindestens einer Strahldüse (14), die über einen Zuführkanal (8) mit einer Reinigungsflüssigkeitsquelle verbunden ist, wobei die Düse (14) um mindestens zwei Achsen drehbar ist, die einen Winkel bilden, der es ermöglicht, dass die Düse in jede beliebige Richtung gerichtet werden kann, wobei eine Antriebseinrichtung (4, 5, 10, 11, 12, 13) zum Ansteuern einer Drehbewegung der Düse (14) und eine Steuereinrichtung (2) zum Steuern der Bewegung der Düse (14) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (4, 5, 10, 11, 12, 13) einen ersten Motor (4A) zum Ansteuern der Drehbewegung der Düse (14) um eine erste Achse der mindestens zwei Achsen und einen zweiten Motor (4B) zum Ansteuern der Drehbewegung der Düse (14) um eine zweite Achse der mindestens zwei Achsen aufweist, wobei der erste und der zweite Antriebsmotor (4A, 4B) zur unabhängigen Drehbewegung der Düse um mindestens die erste und die zweite Achse unabhängig voneinander steuerbar sind, und zwar derart, dass der Auftreffpunkt (T) eines aus der Düse (14) austretenden Strahls (R) jede beliebige Bahn innerhalb des Raums beschreiben kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung, derart dass die von dem Auftreffpunkt (T) des Strahls beschriebene Bahn auf den zu reinigenden Flächen in mehr oder weniger parallel verlaufende Bahnspuren (2) aufgeteilt werden kann und zum größten Teil solche Bahnspuren (2) aufweist, die derart über die Fläche führen, dass sich der Auftreffpunkt (T) so weit wie möglich orthogonal zu der Herzlinie des Flüssigkeitsstrahls (R) bewegt, so dass sich an jedem beliebigen Punkt entlang jeder Bahnspur (2) ungefähr der gleiche Wert aus der Multiplikation der lokalen orthogonalen Distanz (L) zu den benachbarten Bahnspuren und der lokalen Geschwindigkeit (V) des Auftreffpunkts (T) entlang der Bahn ergibt, wobei dieser Wert eine empirische Konstante ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerung, derart, dass die Bahn über die zu reinigenden Flächen in einer Weise beschrieben wird, dass die Bahnspuren (2) mit einer bestimmten Geschwindigkeit und in einer bestimmten Reihenfolge unter Einhaltung eines bestimmten von der auszuführenden Aufgabe abhängigen gegenseitigen Abstands (L) ausgeführt werden,

wobei zwei verschiedene Aufgaben unterscheidbar sind, welche eine Bahn zur Folge haben, die für beide Aufgaben ungefähr gleich ist, aber in Richtung und Reihenfolge, mit der der verfolgte Auftreffpunkt (T) des Strahl (R) die Bahnspuren beschreibt, unterschiedlich ist,

wobei eine Aufgabe als Verteilung eines Reinigungs-, Desinfektions-, Einweich- oder Passivierungsmittels zur Erleichterung des Entfernens von Verunreinigungen oder zum Beschichten der Flächen mit einer Schutzschicht beschrieben werden kann, bestehend aus einem Verfahren, bei dem der Auftreffpunkt (T) des Strahls (R) einer solchen Bahn folgt, dass sich im großem und ganzen jede enthaltene Bahnspur relativ zu der ihr vorangehenden Bahnspur auf der der Düse am nächsten liegenden Seite befindet, wodurch der Abstand zwischen den Bahnspuren (2) auf die lokale Breite des Bereichs bezogen ist, der von dem Strahl (R) mit der lokalen Geschwindigkeit (V) und in der Richtung seines sich bewegenden Auftreffpunkts befeuchtet wird, wodurch die Bahn zum großen Teil entgegen der Schwerkraft gebildet wird und wodurch verhindert wird, dass sich der Auftreffpunkt (T) in die Richtungen bewegt, in die der größte Teil der Flüssigkeit im Auftreffbereich des Strahls (R) fließt,

und wobei die andere Aufgabe als das Entfernen jeder Art von unerwünschter Verschmutzung beschrieben werden kann, bestehend aus einem Verfahren, bei dem der Auftreffpunkt (T) des Strahls einer derartigen Bahn folgt, dass sich im großen und ganzen jede enthaltene Bahnspur (2) relativ zu der ihr vorangehenden Bahnspur auf der von der Düse am weitesten entfernten Seite befindet, wodurch der gegenseitige Abstand zwischen den Bahnspuren (2) auf die lokale Distanz bezogen ist, über die die Verunreinigungen während eines Durchgangs des Strahls (R) mit lokaler Bewegungsgeschwindigkeit (V) und in Richtung seines Auftreffpunkts (T) transportiert werden, wodurch die Bahn zum großen Teil in Richtung der Schwerkraft gebildet wird und wodurch verhindert wird, dass sich der Auftreffpunkt (T) entgegen den Richtungen bewegt, in die der größte Teil der Flüssigkeit im Auftreffbereich des Strahls (R) fließt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zwei konzentrischen rohr- oder stangenförmigen Drehelementen (10, 11), die unabhängig voneinander um eine erste Achse drehbar sind, mit einem mit einem der Drehelemente (10, 11) verbundenen und sich mit diesem drehenden Kopf (15), mit einem mit dem anderen Drehelement (10, 11) verbundenen und sich mit diesem drehenden ersten Zahnrad (12), das mit einem zweiten Zahnrad (13) ein Getriebe bildet, das mit der Düse (14) verbunden und um eine zweite Achse drehbar ist, die der Drehung des Kopfs (15) folgt und mit der ersten Achse einen Winkel bildet, wobei die Drehposition der Düse (14) von der Drehungsdifferenz der beiden Drehelemente (10, 11) bestimmt ist, mit mindestens zwei Schritt-, Servo- oder anderweitig gesteuerten Motoren (4) oder Aktuatoren, von denen jeder mittels eines Getriebes (5) die Drehposition eines der Drehelemente (10, 11) ansteuert, wodurch die Drehung der Düse (14) gesteuert wird, mit einer elektronischen Einrichtung (2) zum Antreiben und Steuern jedes Motors (4), mit mindestens einem Computer (1) oder Prozessor, der Teil der elektronischen Einrichtung (2) sein kann oder einen Satz Instruktionen zur elektronischen Einrichtung senden oder diesen verarbeiten kann, so dass die Motoren (4) oder Aktuatoren die Drehgeschwindigkeit und -richtung der Düse (14) über einen bestimmten Zeitraum auf die vorgeschriebene Weise ansteuern.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehr als eine Düse (14), von denen jede mit einem mit dem ersten Zahnrad (12) ein Getriebe bildenden Zahnrad (13) verbunden ist und von denen jede um eine Achse ähnlich der zweiten Drehachse drehbar ist, wobei die Achsen relativ zueinander und relativ zu der ersten Drehachse Winkel bilden, derart, dass sämtliche Düsen (14) ähnliche Bewegungen ausführen, die sich in den feststehenden Vordrehungen um eine beliebige Achse unterscheiden.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei konzentrische rohr- oder stangenförmige Elemente (10, 11), von denen mindestens eins (10, 11) in die Richtung der ersten Achse versetzt werden kann, wobei diese Versetzung über ein Zahnrad/Zahnradbahn-Getriebe die Drehposition einer der Düsen (14) um die zweite Achse bestimmt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zusätzliche Elemente, die ein Entfernen und Wiedereinbauen des Mechanismus aus dem bzw. in den Tank oder Raum oder eine Ortsveränderung des Mechanismus im zu reinigenden Tank oder Raum ermöglichen.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zusätzliche Elemente, wie Elemente zum Messendes Drucks, der Temperatur oder der Strömungsrate der Reinigungsflüssigkeit oder Elemente zum Steuern anderer Vorrichtungen, wie Vorrichtungen zum Ein- und Ausschalten von Pumpen oder zum Steuern von Ventilen.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Computer (1) und eine davon abhängige elektronische Einrichtung (2), die mehr als einen Mechanismus steuert, von denen jeder zwei drehbare rohr- oder stangenförmige Elemente (10, 11), einen Kopf (15), Düsen (14), Zahnräder (12, 13), Motoren (4) und Getriebe (5) aufweist, wobei die elektronische Einrichtung (2) jeden Mechanismus gemäß einer in einem der vorhergehenden Ansprüchen beschriebenen Weise steuert.

10. Verfahren zum Reinigen der Innenflächen eines Raums, wie hygienische Nassarbeitsräume oder Tanks, Container oder Behälter zur Produktion, zum Transport oder zur Lagerung aller Arten von Gütern, mittels einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Betrieb die Düse vom ersten Motor (4A) um die erste Achse und vom zweiten Motor (4B) um die zweite Achse gedreht wird, wobei die Motoren (4A, 4B) derart von der Steuereinrichtung (2) gesteuert werden, dass die Düse (14) unabhängig von der Drehung der Düse um die zweite Achse um die erste Achse gedreht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Ablenker, die derart im zu reinigenden Raum oder Tank montiert sind, dass, wenn der Strahl auf diese Ablenker gerichtet ist, Reinigungsflüssigkeit in Richtung auf diejenigen Bereiche auf den zu reinigenden Flächen spritzt, die für den Strahl nicht direkt erreichbar sind.