EP1250962B1 - Verfahren zur Betriebssteuerung einer elektrostatischen Beschichtungsanlage - Google Patents

Verfahren zur Betriebssteuerung einer elektrostatischen Beschichtungsanlage Download PDF

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EP1250962B1
EP1250962B1 EP02007857A EP02007857A EP1250962B1 EP 1250962 B1 EP1250962 B1 EP 1250962B1 EP 02007857 A EP02007857 A EP 02007857A EP 02007857 A EP02007857 A EP 02007857A EP 1250962 B1 EP1250962 B1 EP 1250962B1
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voltage
coating
current
voltage generator
control system
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EP1250962A3 (de
EP1250962A2 (de
Inventor
Hans-Jürgen Dr. Nolte
Frank Herre
Harry Krumma
Michael Baumann
Stefano Giuliano
Rainer Melcher
Manfred Michelfelder
Peter Hofmann
Meinhard Lutsch
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Duerr Systems AG
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Duerr Systems AG
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05BSPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B5/00Electrostatic spraying apparatus; Spraying apparatus with means for charging the spray electrically; Apparatus for spraying liquids or other fluent materials by other electric means
    • B05B5/08Plant for applying liquids or other fluent materials to objects
    • B05B5/10Arrangements for supplying power, e.g. charging power

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the operation of an electrostatic coating system and such a system suitable for carrying out the method.
  • it may be a plant for the electrostatic serial coating of workpieces such as vehicle bodies.
  • the power and regulation of the high voltage cascade be designed so that at constant voltage the necessary peak current or at constant current the necessary peak voltage is available in every painting situation. This can be achieved by "stiff", dynamic control behavior. Only in certain cases, eg. B. dangerous approach of the atomizer to the grounded workpiece or even in the coating of workpiece parts that are prone to high voltage flashovers or excessive overcoating on certain surfaces, increase current or voltage to limits that can not be exceeded due to the performance of the cascade, so that the regulation "breaks down" and the setpoint is no longer reached because the power of the cascade no higher current or voltage value allows. To avoid dangers, the cascade can also be switched off before limit values are exceeded.
  • the cascades of the known coating systems can be switched between voltage stability operation and current stability operation. Depending on the setting, it is also possible to change the maximum permissible voltage or the maximum permitted current by manual switching.
  • the known systems do not always allow the best combinations of voltage and current for optimum charging of the sprayed coating material, especially when changing operating conditions.
  • EP 1 046 918 A discloses a system for the safety checking of an electrostatic coating system, in which the drop in residual energy remaining after switching off the high voltage generator is checked by simulating current and voltage by test signals. Also in this system, the high voltage and the operating current are limited to predetermined maximum values during operation.
  • the invention has for its object to enable a better adaptation of the coating device supplied voltage and current values to the respective operating conditions. In particular, for example, if only a low voltage is possible, the coating device to compensate for the highest possible current be supplied, and vice versa.
  • the invention is based on the recognition that the best possible product of these parameters (UxI) can always be set for optimum charging by variable setting of limit values for both the current and the voltage, and can be complied with as far as possible. This is achieved in contrast to known systems not simply by constant current control or voltage stability control, but by the specification of defined values of both the voltage and the current.
  • the one parameter eg the Voltage
  • a maximum limit value can be specified as the setpoint, which is maintained during the coating process, as long as the also predetermined limit value for the other parameter (in this case the current) is not exceeded.
  • the parameter can remain constant at the specified limit or setpoint value, but it can also fluctuate due to the operating conditions (ie it is only "quasi" constant).
  • the limit value of the other parameter can be reached, the parameter at the target value can be controlled down to the required extent by the control circuit of the cascade, ie it drops below its own limit and the previous reference value due to this active control.
  • the limit value of at least one of the two parameters for adapting the coating operation to different coating devices, coating tasks or other operating conditions can be changed in particular by signals of a higher-level control system controlling the high-voltage generator.
  • the change can be made in stages by automatically switching the cascade through the higher-level control system of the plant.
  • z. B. an interior of the body to be painted there are other operating conditions, since the typical there small distances between atomizer and workpiece allow only low voltages. Therefore, the threshold value for the current is now reduced and, as soon as it is reached during operation, exceeded by down-regulation prevents the tension. Instead of the previous stiff or "hard” control characteristic, this results in a "softer” regulation.
  • Another example is the change between rotary and air atomizers on a coating machine.
  • the drawing shows in the lower part of the three predetermined along the time axis t successively from stage to stage smaller current limit Imax 1 , Imax 2 and Imax 3 and in the upper part of the associated maximum Umax 1 , Umax 2 or Umax 3 of the voltage U, whose actually resulting time course is shown.
  • the mentioned exterior painting takes place. If the current limit is then reduced to Imax 2 for painting other areas, assuming that the limit is reached and exceeded, the voltage will inevitably return to the corresponding value Umax 2 , since it is regulated down to the appropriate extent by the control system of the cascade becomes. For painting a further area z.
  • the current limit is reduced to an even lower value Imax 3 at time t 2 and consequently set the illustration according to only low corresponding voltage Umax 3 .
  • the higher-level controller can also change the predetermined voltage limit (not shown), whereupon the current can then follow these changes in a similar manner as in the illustrated example, the voltage is the current limit values.
  • control variables By defining the control variables, almost any characteristics can be created that are adapted to the respective application or other operating conditions, such as the type of paint, atomizer, material, painting distance, coating speed, workpiece geometry, type of paint, air humidity, etc.
  • the setpoint and limit values for voltage and current can be preset in the system described here by stored data of the superordinate program control system of the coating installation and called up to control the cascade. Different available limits can also in one stored own data storage of the control system of the high voltage generator and retrieved as needed, ie depending on the desired characteristic of the parent control.
  • both the actual voltage at the atomizer and its current are constantly measured and compared with the preset desired and limit values.
  • the operational amplifiers which are conventional in the control system for controlling the high voltage are suitable.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betriebssteuerung einer elektrostatischen Beschichtungsanlage sowie eine solche zur Durchführung des Verfahrens geeignete Anlage. Insbesondere kann es sich um eine Anlage für die elektrostatische Serienbeschichtung von Werkstücken wie Fahrzeugkarossen handeln.
  • Zur Spannungs- und Stromversorgung der Zerstäuber elektrostatischer Beschichtungsanlagen werden bekanntlich Hochspannungserzeuger vom Kaskadentyp verwendet, deren Regelsystem während der Beschichtung entweder die Spannung oder den dem Zerstäuber zugeführten Strom konstant halten kann (US 4 737 887, EP 0 283 936 B2).
  • Bei den meisten elektrostatischen Lackiervorgängen ist erwünscht, dass die Leistung und die Regelung der Hochspannungskaskade so ausgelegt sind, dass bei konstanter Spannung der notwendige Spitzenstrom oder bei konstantem Strom die notwendige Spitzenspannung in jeder Lackiersituation zur Verfügung steht. Dies kann durch "steifes", dynamisches Regelungsverhalten erreicht werden. Nur in bestimmten Fällen, z. B. bei gefährlicher Annäherung des Zerstäubers an das geerdete Werkstück oder auch bei der Beschichtung von Werkstückteilen, die zu Hochspannungsüberschlägen oder zu starker Überbeschichtung an bestimmten Flächen neigen, steigen Strom oder Spannung auf Grenzwerte, die aufgrund der Leistungsfähigkeit der Kaskade nicht mehr überschritten werden können, so dass die Regelung "einbricht" und der Sollwert nicht mehr erreicht wird, weil die Leistung der Kaskade keinen höheren Strom- oder Spannungswert zulässt. Zur Vermeidung von Gefahren kann die Kaskade vor dem Überschreiten von Grenzwerten auch abgeschaltet werden.
  • Die Kaskaden der bekannten Beschichtungsanlagen können zwischen Spannungskonstanzbetrieb und Stromkonstanzbetrieb umgeschaltet werden. Je nach Einstellung sind auch Änderungen der maximal zugelassenen Spannung oder des maximal zugelassenen Stroms durch manuelles Umschalten möglich. Die bekannten Systeme ermöglichen nicht immer die jeweils besten Kombinationen von Spannung und Strom zur optimalen Aufladung des abgesprühten Beschichtungsmaterials, insbesondere wenn sich Betriebsbedingungen ändern.
  • Bei einem aus der US 4 674 003 bekannten Hochspannungserzeuger für eine Beschichtungsanlage wird die Hochspannung während des normalen Betriebs auf einem für optimale Beschichtung eingestellten Wert konstant gehalten und bei Annäherung des Zerstäubers an das Werkstück zur Vermeidung von Überschlägen von einem Mikrocomputer reduziert, sobald der Strom einen Schwellwert erreicht, den er dann im Wesentlichen konstant beibehält.
  • Aus der EP 1 046 918 A ist ein System zur Sicherheitsüberprüfung einer elektrostatischen Beschichtungsanlage bekannt, bei dem das Absinken der nach dem Abschalten des Hochspannungserzeugers verbleibenden Restenergie dadurch überprüft wird, dass Strom und Spannung durch Testsignale simuliert werden. Auch bei diesem System werden im Betrieb die Hochspannung und der Betriebsstrom auf vorgegebene Maximalwerte begrenzt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bessere Anpassung der Beschichtungsvorrichtung zugeführten Spannungs- und Stromwerte an die jeweiligen Betriebsbedingungen zu ermöglichen. Insbesondere soll beispielsweise dann, wenn nur eine geringe Spannung möglich ist, der Beschichtungsvorrichtung zum Ausgleich ein möglichst hoher Strom zuführbar sein, und umgekehrt.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch variable Einstellung von Grenzwerten sowohl für den Strom als auch für die Spannung stets das bestmögliche Produkt aus diesen Parametern (UxI) für optimale Aufladung eingestellt und soweit wie möglich eingehalten werden kann. Dies wird im Gegensatz zu bekannten Systemen nicht einfach durch Stromkonstanzregelung oder Spannungskonstanzregelung erreicht, sondern durch die Vorgabe definierter Werte sowohl der Spannung als auch des Stroms. In der Regel kann für den einen Parameter (z. B. die Spannung) ein möglichst hoher Grenzwert als Sollwert vorgegeben werden, der während des Beschichtungsvorgangs eingehalten wird, solange der ebenfalls vorgegebene Grenzwert für den jeweils anderen Parameter (hier also des Stroms) nicht überschritten wird. Während dieser Zeit kann der Parameter auf dem vorgegebenen Grenz- oder Sollwert konstant bleiben, er kann aber auch aufgrund der Betriebsbedingungen schwanken (ist also nur "quasi" konstant). Bei Erreichen des Grenzwerts des anderen Parameters kann der auf dem Sollwert befindliche Parameter von der Regelschaltung der Kaskade im erforderlichen Maße heruntergeregelt werden, er sinkt also aufgrund dieser aktiven Steuerung unter seinen eigenen Grenzwert und den vorherigen Sollwert ab.
  • Erfindungsgemäß kann insbesondere durch Signale eines den Hochspannungserzeuger steuernden übergeordneten Steuersystems der Grenzwert mindestens eines der beiden Parameter zur Anpassung des Beschichtungsbetriebes an unterschiedliche Beschichtungsvorrichtungen, Beschichtungsaufgaben oder sonstige Betriebsbedingungen geändert werden. Die Änderung kann stufenweise durch automatisches Umschalten der Kaskade durch das übergeordnete Steuersystem der Anlage erfolgen. Beispielsweise kann es bei der Außenlackierung von Fahrzeugkarossen zweckmäßig sein, einen relativ hohen Stromgrenzwert vorzugeben, der im Betrieb nicht erreicht wird, da hier relativ niedrige Ströme typisch sind, so dass die Spannung auf ihrem vorgegebenen Grenz- oder Sollwert bleibt und sich (quasi) Spannungskonstanz einstellt. Wenn nun anschließend z. B. ein Innenbereich der Karosse lackiert werden soll, ergeben sich andere Betriebsbedingungen, da die dort typischen geringen Abstände zwischen Zerstäuber und Werkstück nur geringe Spannungen zulassen. Daher wird nun der Grenzwert für den Strom herabgesetzt und, sobald er im Betrieb erreicht wird, das Überschreiten durch Herunterregeln der Spannung verhindert. Statt der vorherigen steifen oder "harten" Regelkennlinie ergibt sich hier also eine "weichere" Regelung.
  • Ein anderes Beispiel ist der Wechsel zwischen Rotations- und Luftzerstäubern an einer-Beschichtungsmaschine. Auch in diesem Fall kann es zweckmäßig sein, in der hier beschriebenen Weise die Regelkennlinie zwischen "weich" und "hart" (Festhalten des Parameters auf dem Sollwert) umzuschalten.
  • Das Beispiel der Beschichtung verschiedener Werkstückbereiche wird durch die Zeichnung erläutert, in der ein auf drei Stufen erweiterter Fall dargestellt ist.
  • Die Zeichnung zeigt im unteren Teil die drei vorgegebenen, längs der Zeitachse t nacheinander von Stufe zu Stufe kleineren Stromgrenzwerte Imax1, Imax2 und Imax3 und im oberen Teil die zugehörigen Maximalwerte Umax1, Umax2 bzw. Umax3 der Spannung U, deren sich tatsächlich ergebender zeitlicher Verlauf dargestellt ist. Bis zum Zeitpunkt t1 erfolgt die erwähnte Außenlackierung. Wenn dann zur Lackierung anderer Bereiche die Stromgrenze auf Imax2 herabgesetzt wird, geht unter der Annahme, dass die Grenze erreicht wird und überschritten würde, gleichzeitig die Spannung zwangsläufig auf den entsprechenden Wert Umax2 zurück, da sie im entsprechenden Maße vom Regelsystem der Kaskade heruntergeregelt wird. Zur Lackierung eines weiteren Bereichs z. B. im Inneren einer Karosse, bei dem mit noch geringerem Abstand gearbeitet werden muss, wird dann zur Zeit t2 die Stromgrenze auf einen noch niedrigeren Wert Imax3 herabgesetzt und folglich die darstellungsgemäß nur noch geringe entsprechende Spannung Umax3 eingestellt.
  • Der an sich ebenfalls vorgegebene Grenzwert für die Spannung wird währenddessen nicht erreicht. Aber auch in der Zeit nach t2 wird mit dem unter den gegebenen Umständen, die nur niedrige Spannungen zulassen, maximal möglichen Produkt aus Spannung und Strom beschichtet, da der maximal zulässige Strom zur Verfügung steht.
  • Statt der beschriebenen Änderungen der Stromgrenzwerte kann die übergeordnete Steuerung auch den vorgegebenen Spannungsgrenzwert ändern (nicht dargestellt), worauf der Strom diesen Änderungen dann in ähnlicher Weise folgen kann wie bei dem dargestellten Beispiel die Spannung den Stromgrenzwerten.
  • Durch Definition der Regelungsvariablen können fast beliebige Kennlinien erstellt werden, die an den jeweiligen Anwendungsfall oder sonstige Betriebsbedingungen angepasst sind, wie Lackierart, Zerstäuber, Werkstoff, Lackierabstand, Lackiergeschwindigkeit, Werkstückgeometrie, Lackart, Luftfeuchte usw.
  • Anstelle oder auch zusätzlich zu dem erläuterten Stufenbetrieb ist es ferner möglich, die jeweils zugelassenen Grenzwerte während der Beschichtung (beispielsweise also auch während der Abschnitte vor, zwischen und/oder nach t1 und t2 gemäß der Zeichnung) zur Optimierung des Beschichtungsprozesses selbsttätig zu variieren. Mit anderen Worten erfolgt dann also eine automatische Kennlinienoptimierung während des Lackierprozesses.
  • Die Soll- und Grenzwerte für Spannung und Strom können bei dem hier beschriebenen System durch gespeicherte Daten des übergeordneten Programmsteuersystems der Beschichtungsanlage vorgegeben und zur Steuerung der Kaskade abgerufen werden. Unterschiedliche verfügbare Grenzwerte können aber auch in einem eigenen Datenspeicher des Regelsystems des Hochspannungserzeugers abgelegt und je nach Bedarf, d. h. je nach gewünschter Kennlinie von der übergeordneten Steuerung abgerufen werden.
  • Die Betriebsweise der Hochspannungskaskade und ihres Regelsystems sind an sich bekannt. Für die erfindungsgemäß erforderlichen Regelvorgänge werden sowohl die tatsächliche Spannung am Zerstäuber als auch dessen Strom ständig gemessen und mit den vorgegebenen Soll- und Grenzwerten verglichen. Für den Vergleich und als Stellglied zum Herunterregeln bei Erreichen der Strom- oder Spannungsgrenzwerte sind beispielsweise die im Regelsystem zur Ansteuerung der Hochspannung an sich üblichen Operationsverstärker geeignet.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Betriebssteuerung einer elektrostatischen Beschichtungsanlage, deren Beschichtungsvorrichtung von einem Hochspannungserzeuger mit Strom und Spannung steuerbarer Größe versorgt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass während eines Beschichtungsvorgangs nicht zu überschreitende Grenzwerte paarweise für die Spannung und für den Strom zur Einstellung eines für optimale Aufladung des Beschichtungsmaterials gewählten Produkts aus Spannung und Strom durch den Hochspannungserzeuger steuernde Datensignale eines Steuersystems vorgegeben werden,
    und dass bei Erreichen des Grenzwerts eines dieser Parameter dessen Überschreiten durch selbsttätiges Herabsetzen des jeweils anderen Parameters während der weiteren Beschichtung verhindert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Signale eines den Hochspannungserzeuger steuernden übergeordneten Steuersystems der Grenzwert mindestens eines der beiden Parameter zur Anpassung des Beschichtungsbetriebes an unterschiedliche Beschichtungsvorrichtungen, Beschichtungsaufgaben oder sonstige Betriebsbedingungen geändert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Sollwerte für Strom und/oder Spannung durch Signale eines den Hochspannungserzeuger steuernden übergeordneten Steuersystems entsprechend den jeweiligen Betriebsbedingungen vorgegeben werden.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sollwert die einstellbaren Grenzwerte vorgegeben werden.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerte und/oder die Grenzwerte in einem Datenspeichersystem abgelegt sind und von einem Programmsteuersystem selbsttätig ausgewählt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert mindestens eines der beiden Parameter während der Beschichtung zur Optimierung des Beschichtungsprozesses selbsttätig variiert wird.
  7. Beschichtungsanlage zur Serienbeschichtung von Werkstücken mit einer elektrostatischen Beschichtungsvorrichtung, die zur Aufladung des abgesprühten Beschichtungsmaterials an einen Hochspannungserzeuger angeschlossen oder anschließbar ist oder diesen enthält,
    und mit einem Steuersystem zum Steuern des Hochspannungserzeugers,
    wobei das Steuersystem oder der Hochspannungserzeuger ein Datenspeichersystem enthält, in dem unterschiedliche Grenzwerte sowohl für die von dem Hochspannungserzeuger zu erzeugende Spannung als auch für den der Beschichtungsvorrichtung zuzuführenden Strom abgelegt sind,
    wobei mit den gespeicherten, von dem Steuersystem auswählbaren Spannungs- und Stromgrenzwertdaten die Stromerzeugungsschaltung des Hochspannungserzeugers steuerbar ist,
    und wobei durch paarweise Vorgabe der Grenzwerte für die Spannung und für den Strom das für optimale Aufladung gewählte Produkt aus Spannung und Strom hergestellt wird.
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