ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
ELECTROSTATIC SPRAYER

Изобретение относится к распылительному устройству для установки электростатического нанесения покрытия в серийном производстве на такие детали, как, например, кузова автомобилей или их части согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения. Распылительное устройство в частности может состоять из электростатического распылителя и передней руки (рука 2) распылительного робота, на которой на обычном запястье размещен распылитель.
Электростатические распылители известны. В случае ротационных распылителей они содержат наряду с турбиной (и таким образом пневматическим или гидравлическим приводом) или электрическим двигателем для приведения в действие распыляющего конуса различные встроенные элементы, такие как, например, вентили, блоки вентилей, группы соединителей с шинами для систем полевых шин, устройства управления вентилями, схемы управления приводом и другие регуляторы всевозможных видов, индуктивные, оптические и/или емкостные датчики, генераторы высокого напряжения и так далее.
Распылители, использующие при своем функционировании непосредственную зарядку напыляемого материала, обычно полностью находятся под высоким напряжением, так что напыляемый материал заряжается электродным устройством, включающим в себя все электропроводные детали, такие как распыляющий конус, красящая трубка, винтовые соединения и так далее, с которыми соприкасается материал покрытия. Но известно также, что возможна электризация напыляемого материала снаружи внешними электродами.
Электростатический ротационный распылитель, который содержит электродвигатель, управляемый защитным трансформатором, известен из WO 2005/110613. Дальнейшую информацию об электростатических распылителях и их конструктивных частях можно получить, например, из ЕР 0219409, ЕР 1245291, ЕР 1293308 и ЕР 1394757.
В ЕР 1232799 описан воздушный распылитель с легко отсоединяемыми и соединяемыми друг с другом составными частями, в соответствующих местах соединения которых требуются легко отсоединяемые и присоединяемые электропроводящие соединительные элементы. Вместо до сих пор применяемых для этого штыревых контактов электропроводящие соединительные элементы в этом воздушном распылителе состоят из индуктивных элементов связи соответственно с двумя плоскими катушками, особенно в конструктивном исполнении с сердечником горшкообразного типа, которые должны быть настолько малы, чтобы при замене ими штекерных соединений не потребовалось внесения конструктивных изменений в соединяемые части распылителя.
Из DE 10309143 известно, что на пробковые датчики, расположенные на находящемся под высоким напряжением трубопроводе подачи лака, необходимое напряжение подается через трансформатор, а сигналы с датчиков из зоны высокого напряжения передаются во внешнюю схему сравнения посредством оптического элемента связи.
Применение высокого напряжения при эксплуатации обусловливает необходимость изоляции участков большой протяженности между конструктивными частями, находящимися под высоким напряжением или низким потенциалом, которые могут частично находиться в руке робота, представляющего собой установку для нанесения покрытия. Пространство в распылительном устройстве часто не позволяет осуществить разделение между находящимися под высоким напряжением конструктивными частями и заземленными или имеющими низкий потенциал конструктивными частями. Вследствие этого может быть необходима зарядка всех конструктивных частей распылительного устройства.
Электростатический распылитель содержит различные встроенные элементы, на которые подается электрическое питание и/или на которые передаются и от которых принимаются электрические сигналы. Электрическое питание необходимо для всех исполнительных устройств, датчиков и иных электронных элементов распылителя, и для всех предусмотренных там исполнительных устройств необходимы приходящие снаружи сигналы, в то время как все датчики и иные электронные компоненты передают наружу, например, диагностические данные и иные сигналы, в особенности фактические значения управляемых снаружи параметров распылителя.
Задачей изобретения является, в частности, целесообразное и не вызывающее проблем снабжение электрическим питанием встроенных элементов находящегося под высоким напряжением распылительного устройства, с разделением по потенциалу внешней шины питания и потребителей распылительного устройства.
Эта задача решается с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения.
Изобретение основано на понимании того, что трансформаторный узел, предусмотренный по меньшей мере частично в распылителе или в соседней передвижной части установки нанесения покрытия, а именно в передней руке наносящего покрытие робота, или также в зависимости от ситуации вне установки нанесения покрытия, который сам по себе, например, может уже иметься для подачи питания на электрический приводной двигатель распылителя и управления им, может быть целесообразно использован для питания других встроенных элементов распылительного устройства. С помощью трансформатора можно осуществлять гальваническую развязку между предусмотренной для подачи питания на распылительное устройство шиной питания и находящимися под высоким напряжением потребителями в распылителе или, в зависимости от ситуации, в руке робота. Эта развязка лучше всего осуществляется с помощью разделительного трансформатора, в котором имеется достаточный изолированный участок или другое изолирующее устройство между первичной и вторичной обмотками трансформатора. При этом следует принимать во внимание, что для различных встроенных элементов необходимо различное напряжение питания. Например, для частотно-регулируемого привода распыляющего конуса необходимо иное по величине и частоте напряжение, чем для потребителя, которому требуется неизменяемое по величине постоянное напряжение (например, 24 В).
В соответствии с другим аспектом изобретение дает возможность без проблем передавать передаваемые или принимаемые датчиками, исполнительными элементами, управляющими элементами и/или другими электронными встроенными элементами распылительного устройства сигналы в распылительное устройство или из него, хотя эти встроенные элементы при эксплуатации находятся под высоким напряжением. Эта проблема решается тем, что сигналы передаются с гальванической развязкой. Гальваническая развязка может быть реализована различными способами, в особенности предпочтительно путем цифровой передачи информации и данных по световоду или радиолинии или в виде звуковых сигналов или также путем амплитудной или частотной модуляции, например, напряжения питания, подводимого от трансформаторного узла в зону высокого напряжения распылительного устройства с изоляцией по высокому напряжению.
Изобретение разъясняется подробнее с помощью чертежей. На них представлены:
Фиг.1 - распылительное устройство с трансформаторным узлом согласно изобретению;
Фиг.2 - схематичное изображение предпочтительного варианта осуществления;
Фиг.3 - принципиальная схема передачи сигналов по световоду;
Фиг.4 - принципиальная схема передачи сигналов по радиолинии.
На фиг.1 в зоне 1 располагаются находящиеся под потенциалом высокого напряжения конструктивные части электростатического ротационного распылительного устройства, а именно собственно распылителя или устройства, состоящего из распылителя, запястья и передней руки распылительного робота, в данном случае с основными элементами, находящимися также под высоким напряжением. Передняя рука может быть изготовлена обычным способом из изоляционного материала. До первичного контура далее описываемого трансформаторного узла все наблюдаемые в зоне 1 конструктивные части могут находиться под потенциалом высокого напряжения.
Подача электрического питания в эту зону 1 осуществляется с помощью двух- или многополюсной внешней шины 2 питания, по которой согласно изображению напряжение подается на подключенные параллельно друг другу первичные обмотки трех трансформаторов Т1, Т2, Т3, выполненных известным образом в качестве трансформаторов с изолированными участками (для более чем 100 или 150 кВ).
Переменное напряжение шины 2 питания через преобразователь 3 питает импульсами напряжения первичную обмотку первого трансформатора Т1, с которой напряжение передается на расположенный со стороны вторичной обмотки регулируемый по частоте привод размещенного в зоне 1 высокого напряжения электрического двигателя М, который в рассматриваемом случае используется для приведения в действие распыляющего конуса вместо обычно применяемых для этого в ротационных распылителях воздушных турбин и может размещаться в самом распылителе или в некоторых случаях вне него, например в передней руке робота или на ней. Двигатель М может быть, например, аналогичным уже упомянутому ранее в WO 2005/110613 А1. Согласно этому возникающее на вторичной обмотке трансформатора Т1 переменное напряжение может быть преобразовано в постоянное (при необходимости управляемо изменяемое) напряжение, равное, например, 40 В, которое накладывается на переменное напряжение, управляемое по частоте для управления частотой вращения двигателя или ее регулировки. Это постоянное напряжение может быть затем преобразовано в питающее двигатель М переменное напряжение с частотой, соответствующей частоте наложенного напряжения. Для питания двигателя М и управления им могут также применяться другие сами по себе известные электрические системы другого типа, причем частотой вращения, например в известном способе, можно управлять путем изменения частоты синхронизирующего напряжения, и причем питание может осуществляться также отдельно, например, от цифрового управления частотой вращения.
Вместо электродвигателя М может быть также предусмотрен пневматический или гидравлический привод для распыляющего конуса. При использовании электрического двигателя целесообразно, чтобы он имел такие размеры, при которых им можно заменить в имеющихся распылителях обычные воздушные турбины.
Вторичная обмотка второго трансформатора Т2, напротив, служит согласно изобретению для подачи питания на встроенные элементы, включая исполнительные элементы 6, датчики 7 и электронные элементы распылителя, которые размещены в зоне 1, находящейся под высоким напряжением. В соответствии с изображением подаваемое трансформатором Т2 переменное напряжение может быть преобразовано преобразователем 5 в постоянное напряжение питания. Типичным примером схематично изображенных и обозначенных ссылочными позициями 6 и 7 встроенных элементов являются исполнительные элементы, такие как управляющие и приводящие в действие схемы для вентилей и регуляторов потока, частоты вращения и иных регуляторов, а также датчики для установления положения вентилей, частоты вращения, количества подаваемого вещества, температуры, давления материала покрытия и так далее. К рассматриваемым здесь исполнительным элементам могут быть причислены, например другие электрические или иные двигатели, например привод дозирующего насоса.
Для подачи напряжения питания на датчики и исполнительные элементы в других примерах осуществления может быть использовано получаемое в схеме управления двигателем, например приводом 4, постоянное напряжение. Далее в других случаях возможно применение для питания отдельных датчиков и/или исполнительных элементов известных типов электрических батарей или, в зависимости от ситуации, других собственных источников напряжения, как, например, топливный элемент. Подача питания на встроенные элементы распылителя от уже имеющегося для других целей, особенно для электрического приводного двигателя, трансформаторного узла имеет преимущество с точки зрения сведения до минимума затрат на электропитание.
Вторичная обмотка третьего трансформатора Т3 питает преобразователь 9, который из входного переменного напряжения вырабатывает высокое напряжение, необходимое для электростатической зарядки материала покрытия или для не представленного здесь генератора высокого напряжения распылителя. Высоковольтное напряжение подается на традиционные для электростатических распылителей внутренние или внешние электродные устройства (не изображены) для непосредственной или внешней электризации материала покрытия.
Кроме датчиков и исполнительных элементов распылителя питание от трансформаторного узла может подаваться на другие конструктивные части сопутствующего оборудования, и также на датчики и исполнительные элементы сопутствующего оборудования, которые расположены в других местах установки электростатического нанесения покрытия и могут находиться там под высоким или низким потенциалом или потенциалом «земли».
Сюда относятся также конструктивные части, которые в соответствии с положением в системе могут находиться под высоким напряжением или под потенциалом «земли», как, например, устройство смены красок. В зависимости от ситуации, с трансформаторного узла соответствующее необходимое электрическое питание может подаваться на все имеющиеся, например, на роботе сопутствующие конструктивные части.
Если применяемые в качестве трансформаторного узла достаточно тяжелые стандартные конструкции монтируются в качестве самостоятельных конструктивных частей в распылителе или в руке робота, например лакировочного робота, они могут негативно влиять на динамику их движения. Поэтому целесообразнее трансформаторную обмотку или трансформатор конструктивно встраивать в корпус руки робота таким образом, чтобы он служил в качестве несущего элемента руки робота и обусловливал ее необходимую жесткость или по меньшей мере способствовал этому. Вследствие этого общий вес распылительного устройства, включая руку робота, из-за трансформатора увеличивается незначительно.
Возможность реализации этого схематично представлена на фиг.2, где показана установленная с возможностью отклонения рука 10 робота, на одном (левом) конце которой на запястье смонтирован обозначенный позицией 11 распылитель, в то время как на ее противоположном конце расположен традиционный осевой кожух 12 с необходимым для передвижения распылителя осевым двигателем руки. Кожух 12 может находиться под низким потенциалом или потенциалом «земли».
Внутреннее пространство внешнего корпуса руки 10 робота образуется или определяется приспособленной с точки зрения геометрической формы к руке робота обмоткой 14 трансформатора, которая таким образом обусловливает механическую прочность руки 10 робота. Как уже было упомянуто, рука 10 робота, включая обмотку 14 трансформатора, служащую в этом примере вторичной обмоткой, может находиться под высоким напряжением. Изолированная от них по высокому напряжению, подключенная к внешней шине 2 (фиг.1) первичная обмотка трансформатора может находиться на расстоянии индуктивной связи целесообразным образом в корпусе 12 или вблизи от него в месте низкого потенциала или потенциала «земли» в руке 10.
Рассматриваемый здесь трансформаторный узел также возможно по меньшей мере частично смонтировать на другой (задней) руке 16 робота или вмонтировать в отделенный от рук 10 и 16 смонтированный «заодно» (ось 7) на роботе конструктивный элемент, причем гальванически развязанная с помощью изолирующего по высокому напряжению устройства от первичной обмотки вторичная обмотка, как и в других примерах осуществления, может быть гальванически связана с находящимися под высоким напряжением элементами, на которые с нее подается напряжение.
Передача управляющих сигналов и сигналов датчиков к находящимся в зоне 1 высокого напряжения (фиг.1) исполнительным элементам и датчикам и от них должна осуществляться с гальванической развязкой, чтобы исключить влияние высокого напряжения. Для этого далее рассматриваются возможности оптической передачи или использования радиосвязи, которые целесообразно могут также не зависеть от описанной выше подачи питания с трансформатора.
Согласно фиг.3 в зоне 1 высокого напряжения предусмотрено электрооптическое преобразующее устройство 20, которое преобразует вырабатываемые датчиками сигналы, например цифровые сигналы датчиков в оптические сигналы, а приходящие оптические управляющие сигналы, например, в цифровые управляющие сигналы. Оптические управляющие сигналы и сигналы датчиков передаются двунаправлено по световоду LWL между преобразующим устройством 20 и находящимся вне зоны высокого напряжения внешним преобразующим устройством 21. Преобразующее устройство 21 может преобразовывать оптические сигналы снова в электрические, например цифровые сигналы. Оптическая передача сигналов происходит, как известно, независимо от потенциала. Преобразование сигналов из оптических в электрические и наоборот на соответствующем конце образующего световод LWL стекловолоконного кабеля может осуществляться с помощью стандартных устройств. Возможна передача как отдельных сигналов, так и комплексных шинных сигналов, что дает возможность применения известных систем полевых шин и их компонентов.
Данные в зону 1 высокого напряжения и из нее могут передаваться также по радиолинии, как это показано на фиг.4. Там имеется радиолиния 25 между расположенным в зоне 1 высокого напряжения преобразующим устройством 26, которое вышеупомянутые сигналы с датчиков и управляющие сигналы преобразует в радиосигналы, и внешним преобразующим устройством 27, которое преобразует радиосигналы снова в электрические сигналы. В данном случае могут применяться обычные системы, например, радиосвязь может быть построена по технологии Bluetooth или с помощью беспроводных сетей, известных как WLAN (беспроводная локальная сеть). Благодаря этому в частности возможна передача большого объема данных. При этом возникает также возможность передавать данные в область, находящуюся вне робота, в результате чего необходимые кабельные соединения в роботе могут быть сведены к минимуму. Передача сигналов по радиолинии, как известно, также не зависит от потенциала. Преобразование сигналов на соответствующем конце радиолинии 25 в электрические сигналы или в радиосигналы может производиться известным образом с помощью обычных приемопередающих устройств. Здесь также могут передаваться как отдельные сигналы, так и комплексные шинные сигналы, так что возможно применение известных систем полевых шин и их компонентов. Передача радиосигналов происходит также двунаправлено, то есть в рассматриваемой передающей среде сигналы передаются в обоих направлениях.
Bluetooth является общеизвестным промышленным стандартом беспроводной радиосети в соответствии с IEEE 802.15.1 для приборов, работающих на относительно коротком расстоянии, примерно до 100 м. Приборы в сети могут передавать сигналы в ISM-диапазоне (диапазон для промышленного, научного и медицинского применения) от 2,402 до 2,480 ГГц. Чтобы добиться помехоустойчивости в таком диапазоне, используется метод скачкообразной перестройки частоты (Frequency Hopping), при котором частотный диапазон разделяется на большое количество (79) частотных интервалов, например, шириной в 1 МГц, которые могут меняться до 1600 раз в секунду. Имеются также пакеты данных, при которых частота меняется менее часто. На нижнем и верхнем краях имеются соответственно защитные (от соседних диапазонов) полосы частот. Посредством технологии EDR (повышенная скорость передачи данных) данные могут передаваться со скоростью 2,1 Мбит/с. В настоящее время устройство Bluetooth может поддерживать одновременно до семи соединений, причем участвующие в осуществлении связи устройства делят имеющуюся в распоряжении ширину диапазона. В распоряжении имеются различные виды коррекции ошибок: 1/3 FEC (контроль ошибок с опережением) с двойным повторением каждого бита, 2/3 FEC с использованием генератора-полинома для кодирования 10 битов в 15, и ARQ (автоматический запрос повторения), причем пакет данных повторяется до тех пор, пока не будет получено положительное подтверждение или превышено ограничение по времени. Обозначение WLAN (беспроводная локальная сеть) относится, напротив, к сетям по стандарту IEEE 802.11, которые могут работать в режиме инфраструктурной сети или Ad-hoc (самоорганизующейся) сети. В инфраструктурной сети отдельные сетевые точки координируются базовой станцией, через которую может быть простым способом установлена связь с кабельными сетями. В Ad-hoc сети нет особо выделенной станции, они все равнозначны. Ad-hoc сети могут быть развернуты быстро и без больших затрат. Для WLAN известны также способы повышения надежности передачи данных.
Для обеспечения надежной передачи данных с помощью радиосвязи, например, посредством WLAN или Bluetooth могут в числе прочих применяться известные методы, называемые методами расширения спектра, при которых узкополосный сигнал преобразуется в широкополосный. Передаваемая энергия, которая перед этим была сконцентрирована в узкой частотной области, распределяется в более широкой частотной области. Преимущество, вытекающее из этого, - высокая помехоустойчивость по отношению к узкополосным помехам. Кроме того, метод спектрального расширения применяется в цифровой технике, для уменьшения спектральной плотности тактового сигнала и повышения, таким образом, электромагнитной совместимости. Расширение спектра может осуществляться различными способами. В способе ПРС (расширение спектра методом прямой последовательности) полезные данные операцией «исключающее ИЛИ» (XOR) связываются с определенным кодом и затем модулируются в ширине полосы. Этот метод в общем применяется в комбинации с технологией CDMA (множественный доступ с кодовым разделением) и может в особенности применяться в сетях WLAN стандарта IEEE 802.11 или в стандарте мобильной связи UMTS (универсальная система мобильной связи). В способе расширения спектра, основанном на скачкообразной перестройке частоты, имеющаяся в распоряжении полоса частот делится на большое количество каналов с более узкими полосами в смысле частотного мультиплексирования. Этот способ среди прочих может использоваться в Bluetooth.
Вообще целесообразно описанную передачу сигнала посредством световода LWL или радиолинии 25 контролировать с помощью электронной системы, которая включает программное обеспечение для контроля функционирования передающей линии и для проверки передаваемой информации на достоверность. Возможность этого состоит, например, в том, что при передаче информативных данных заданный, например, частотно-модулированный пакет данных передается несколько раз, например 5 раз, и на противоположной стороне проводится проверка, получены ли по меньшей мере два идентичных пакета, что свидетельствует о нормальном функционировании радиолинии или другой передающей линии. При ошибках соответствующие конструктивные части распылительного устройства и/или передающая линия могут быть отключены, чтобы защитить оборудование и персонал. При сообщении об ошибке обслуживающий персонал может быть проинформирован о выявленной ситуации. В особенности постоянно активно задействованы могут быть следующие функции контроля: контроль оптической передающей линии или линии радиосвязи, достоверности передаваемой информации (протоколы), а также функции отключения всей системы в случае нештатной ситуации и информирования обслуживающего персонала.
Вместо описанных оптической или радиотехнической передающих линий существует также возможность предпочтительного использования двунаправленной акустической передачи сигнала. Для этой также не зависимой от потенциала технологии передачи (которая, например, сама по себе уже предлагалась для управления частотой вращения распылителей) могут применяться сигналы уровня звука от микрофона, которые передаются посредством шланга и в месте приема вновь преобразуются в электрические сигналы.
Другая возможность не зависимой от потенциала передачи управляющих сигналов в зону высокого напряжения распылительного устройства состоит в том, что на входное напряжение вышеописанного трансформаторного узла накладывается сигнал, содержащий управляющую информацию, который вновь отфильтровывается на стороне вторичной обмотки и используется в качестве управляющего сигнала для встроенных элементов, находящихся в зоне высокого напряжения. При наложении сигнала речь может, например, идти при известных условиях о цифровой частотной или амплитудной модуляции входного напряжения. Существует также возможность вместо этого передавать сигнал переменного напряжения, соответствующий необходимой управляющей функции, в зону высокого напряжения отдельно от входного напряжения предназначенного для других функций трансформаторного узла (Т1, Т2, Т3) через обособленный трансформатор с изоляцией по высокому напряжению. В соответствии с каждой из этих возможностей можно в особенности управлять в зависимости от ситуации частотой вращения приводного двигателя распылителя и/или осуществлять регулировку в закрытом регулируемом контуре. Аналогично описанному способу передачи управляющих сигналов в распылительное устройство сигналы от датчиков могут передаваться из распылительного устройства в зону низкого потенциала или потенциала «земли» внутри или вне установки нанесения покрытия.
В качестве варианта описанного примера осуществления существует возможность размещения предусмотренного для обеспечения подачи напряжения на устройство распыления трансформаторного узла вне лакировочного робота, например в шкафу вне лакировочной кабины. Это может быть, например целесообразным с точки зрения снятия проблем взрывоопасности. Необходимая в этом случае изоляция по высокому напряжению между трансформатором и распылителем может осуществляться известным специалистам образом в шине питания, ведущей к распылителю или лакировочному роботу.