DD234237A5 - Elektronischer hochspannungserzeuger fuer elektrostatische spruehgeraete - Google Patents

Abstract

Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, einen elektronischen Hochspannungserzeuger fuer elektrostatische Spruehgeraete so auszubilden, dass waehrend des praktischen Betriebes fortlaufend eine selbsttaetige Anpassung in Richtung minimaler Leistungsverluste erfolgt. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dass bei dem zur Speisung eines einer Hochspannungskaskade vorgeschalteten Transformators ein frequenzgetakteter Leistungsverstaerker verwendet wird, der an eine regelbare Niederspannungs-Gleichspannungsquelle und an einen regelbaren Frequenzgenerator angeschlossen ist, wobei die Regelung der Gleichspannungsquelle und des Frequenzgenerators durch einen Mikrocomputer erfolgt, derart, dass der Transformator fuer alle am Hochspannungsausgang der Kaskade auftretenden Spannungen optimal angepasst ist, sein Primaerstrom im zugehoerigen Minimum bleibt, und dass dem Mikrocomputer ueber Schaltungseinheiten die Ist-Werte von Primaerspannung und -strom des Transformators fortlaufend als Informationsdaten zugefuehrt werden. Figur

Description

arlegung des Wesens der Erfindung

iufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen für den Betrieb elektrostatischer Sprühgeräte bestimmten elektrostatischen lochspannungserzeuger der erwähnten Bauart so auszubilden, daß während des praktischen Betriebes fortlaufend eine elbsttätige Anpassung in Richtung minimaler Leistungsverluste erfolgt.

>ie Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die bei den vorbekannten Hochspannungserzeugern in der Praxis auftretenden eistungsverluste insbesondere darauf beruhen, daß sich bei Belastungsänderungen der Resonanzbereich des Transformators erschiebt, dieser also nicht mehr im optimalen Leistungsbereich arbeitet. Um nun eine Frequenzanpassung vornehmen zu önnen, muß die Möglichkeit geschaffen werden, die Frequenz des die Primärseite des Transformators betreibenden eistungsverstärkers ändern zu können. Zum Takten des Leistungsverstärkers wird deshalb gemäß der Erfindung ein regelbarer requenzgenerator verwendet, und zwar anstelle der üblichen, in einer bestimmten Frequenz schwingenden Oszillatoren. Die iegelung dieser Frequenz und darüber hinaus die Regelung der Niederspannungs-Gleichspannungsquelle erfolgt dann durch inen Mikrocomputer, der auf der Grundlage eines Regelalgorithmus kontinuierlich und fortlaufend den leistungsmäßig ;ünstigsten Abgleich vornimmt. Dabei wird die Spannung der Niederspannungs-Gleichstromquelle und damit die lochspannung am Ausgang der Hochspannungskaskade gemäß einem vorgegebenen Sollwert eingestellt und geregelt, die requenz des Frequenzgenerators vom Computer leistungsoptimal gewählt bzw. geregelt. Durch diese bei allen letriebszuständen nahezu verlustfreie Hochspannungserzeugung ergibt sich zum einen eine Energieeinsparung und zum nderen eine wesentliche Verminderung der Wärmeerzeugung der elektronischen Bauelemente, insbesondere des 'ransformators. Damit aber ist es beispielsweise bei den erwähnten Sprühpistolen mit Integration von Transformator und laskade möglich, unter Nutzung moderner Elektronik diese Bauelemente extrem klein zu halten und somit die Pistole klein und sieht auszuführen, ohne daß die Gefahr einer Überhitzung der elektronischen Bauelemente besteht.

τ Weitergestaltung der Erfindung wird der Sprühstrom, also der zwischen Aufladeelektrode und zu besprühendem Werkstück ließende Strom, ermittelt, wobei dann der Mikrocomputer auf der Grundlage der ermittelten Sprühstromwerte die Spannung lis zu einem vorgegebenen Sprühstrom-Schwellenwert im wesentlichen konstant hält, bei Erreichen bzw. Überschreiten dieses !chwellenwerts dagegen die Spannung vermindert. In anderen Worten, bei Annäherung der Pistole an das Werkstück, was mit iiner Erhöhung des Sprühstroms verbunden ist, wird zunächst die Spannung auf einem im wesentlichen konstanten Wert lehalten, ab einem bestimmten Abstand (Sprühstrom-Schwellenwert) dagegen wird die Spannung vermindert und so die Sefahr von Überschlägen vermieden. Es kann somit auch noch innerhalb des Schwellenwert-Abstandes gefahrlos gearbeitet verden, wobei weiterhin die optimale Anpassung (minimaler Verlust) gewährleistet bleibt. Nun waren zwar bereits sogenannte Vnnäherungsschaltungen bekannt, beispielsweise aus der europäischen Patentanmeldung 0092404, bei denen die Spannung nit Annäherung der Pistole an das Werkstück vermindert wird, jedoch sind diese vorbekannten Schaltungen vergleichsweise lufwendig und kaum in der Lage, die Spannung vor Erreichen des Schwellenwertes konstant zu halten und tragen insbesondere lichtszu einer Anpassung des Hochspannungserzeugers gerade bei den hier sich stark ändernden Betriebsbedingungen bei. Darüber hinaus erfolgt bei der Erfindung die Ermittlung des Sprühstroms dadurch, daß die Schaltungseinheit zum Ermitteln des Jprühstromes den Stromfluß zwischen Elektronikmasse und Erde mißt.

Der Hochspannungserzeuger umfaßt ein mit dem MikrocomputerverbundenesAnsteuerungselementmitAnsteuerungstastatur ind Anzeigeeinheit. Letztere weist eine umschaltbare Leuchtdioden-Bandanzeige auf. Des weiteren enthält der lochspannungserzeuger ein Eingangs-Ausgangs-Steuerungselement, das mit dem Mikrocomputer, dem lochspannungstransformator und Betätigungselementen des Sprühgerätes verbunden ist und Sprühabläufe steuert. Außerdem ist in dem Hochspannungserzeuger zumindest eine Interface-Schaltungseinheit zum Herstellen interprozessorieller >der serieller Verknüpfungen vorgesehen.

Durch die vorgenannten Baueinheiten ergeben sich vielfältige Möglichkeiten bezüglich der Eingabe und der Anzeige von Daten, ier Vorgabe bestimmter Abläufe und der Verknüpfung mit anderen Sprühgeräten und/oder anderen Datenverarbeitungsgeräten.

Vusführungsbeispiel

Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel an Hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

^:ig. 1: ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochspannungserzeugers; -ig.2A: und 2B: Diagramme zur Erläuterung der Sprühstrom-abhängigen Regelung und ^:ig.3A, 3 B und 3 C: Schemaskizzen zur Erläuterung einer Anzeigeeinrichtung.

η dem auf der Zeichnung dargestellten Blockschaltbild ist mit 10 ein Hochspannungstransformator bezeichnet, dessen Sekundärseite mit dem Eingang einer Hochspannungskaskade 11 verbunden ist. Der Hochspannungsausgang der Kaskade 11 ührtzu einer—nicht gezeichneten — Hochspannungselektrode. Transformator 10, Hochspannungskaskade 11 und Hochspannungselektrode sind übliche Bauteile bekannter elektrostatischer Sprühpistolen mit in der Pistole untergebrachter Hochspannungserzeugung.

Die Primärseite des Hochspannungstransformators 10 wird — über ein nicht gezeichnetes Zuführungskabel —von einem .eistungsverstärker 12 gespeist, der sich, ebenso wie die nachfolgend erläuterten Bauelemente, an einem von der Sprühpistole äntfemten Ort, vorzugsweise im Gehäuse einer kombinierten Speise- und Steuereinheit, befindet. Der Leistungsverstärker 12 Λ/ird von einer regelbaren Spannungsquelle 13, etwa einem getakteten Netzgerät, mit Gleichspannung versorgt. Weiterhin wird dem Leistungsverstärker 12 von einem Frequenzgenerator 14 die erforderliche Taktfrequenz aufgeprägt, wobei es sich — was /on wesentlicher Bedeutung ist—bei dem Generator 14 um einen gleichspannungsgesteuerten, regelbaren Frequenzgenerator Tändelt. Spannungsquelle 13 und Frequenzgenerator 14sind über Steuerleitungen mit einem Mikrocomputer 15 verbunden, der die Regelung dieser beiden Bauelemente vornimmt. Der Mikrocomputer 15 ist durch ein Ansteuerungselement 16 ansteuerbar, das eine manuell betätigbare Tastatur sowie eine Anzeigeeinrichtung für die Anzeige interessierender Daten aufweist. Weiterhin Λ/ird der Mikrocomputer 15 fortlaufend mit Daten über die im Hochspannungserzeuger ablaufenden Vorgänge versorgt, wobei /on einer Schaltungseinheit 17 die jeweiligen Ist-Spannungswerte und von einer Schaltungseinheit 18 die jeweiligen Ist-Stromwerte der Primärseite des Transformators 10 ermittelt und unter entsprechender Datenaufbereitung als Informationsdaten an den Mikroprozessor 15 weitergegeben werden. Die Schaltung der beiden Einheiten 17 und 18 ergibt sich dabei aus der Zeichnung, wobei mit 19 ein niederohmiger Widerstand bezeichnet ist. Darüber hinaus wird der Mikroprozessor 15 mit

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

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

Der Hochspannungserzeuger arbeitet folgendermaßen. Die Bedienungsperson gibt über die Tastatur des Ansteuerungselements 16 den Wert für die an der Aufladeelektrode gewünschte Hochspannung ein. Während des gesamten Sprühbetriebes regelt dann der Mikroprozessor die Spannung der Spannungsquelle 13 und die Frequenz des Frequenzgenerators 14 derart, daß einerseits die gewünschte Spannung konstant und andererseits der Primärstrom des Transformators 10 auf dem leistungsmäßig günstigsten Wert (Minimum) bleibt. Unabhängig von den jeweiligen Belastungen und Belastungsschwankungen wird also eine optimale Sprühwirkung (konstante Hochspannung) und ein minimaler Leistungsverlust (optimale Anpassung) gewährleistet. Zusätzlich zu der Eingabe der gewünschten Hochspannung an der Aufladeelektrode wird jedoch mittels der Tastatur noch ein Sprühwert-Schwellenwert in den Mikrocomputer 15 eingegeben. Wird nun dieser Schwellenwert erreicht oder überschritten, was dem Computer 15 von der Schaltungseinheit 20 mitgeteilt wird, dann reduziert der Computer 15 die Spannung der Spannungsquelle 13 und damit die Hochspannung an der Aufladeelektrode, und zwar derart, daß der Sprühstrom dann im wesentlichen konstant bleibt. Fig. 2 A zeigt die Kennlinie des Sprühstroms I₅ und Fig. 3 A die Kennlinie der Hochspannung U an der Aufladeelektrode, und zwar jeweils über die Entfernung der Aufladeelektrode vom Werkstück aufgetragen. Die gestrichelte senkrechte Linie bezeichnet dabei den Schwellenwert des Sprühstroms bzw. des kritischen Abstandes. Diese sich aus den beiden Diagrammen ergebende Regelung ermöglicht ein gefahrloses Arbeiten bis zu minimalen Abständen zwischen Aufladeelektrode und Werkstück, wobei die Regelung so vorgenommen sein kann, daß unmittelbar vor Berührung des Werkstücks durch die Aufladeelektrode die Spannung vollständig zusammenbricht (Kontaktschutz). Dabei wird auch während dieses „Nahbetriebes" die leistungsmäßige Anpassung weiterhin durchgeführt, d. h., auch in diesem Betriebszustand treten keine wesentlichen Leistungsverluste und damit keine Erhitzungen der Elektronikbausteine auf.

Auf der Anzeigeeinheit des Ansteuerungselementes 16 können der Bedienungsperson verschiedene Einstell- und Betriebsdaten angezeigt werden. Insbesondere wird man eine Anzeige der gewählten Spannung, des gewählten Sprühstrom-Schwellenwerts und der Größe des Sprühstroms anzeigen. Eine besonders elegante Anzeige für diese drei Werte besteht in einem umschaltbaren Diodenleuchtband, wie dies in den Fig.3 A, 3 B und 3C angedeutet ist. Dabei stellt das in Fig. 3 A mit 30 bezeichnete Leuchtband die Anzeige für die eingestellte Hochspannung dar, wobei sich der Spannungswert aus der Länge des Bandes 30 ergibt. Diese Anzeige wird also während des Betriebes konstant bleiben, es sei denn, es wird der Sprühstrom-Schwellenwert überschritten. Durch Umschalten kann dann der in Fig.3B gezeigte Zustand erreicht werden, in welchem der eingestellte Sprühstrom-Schwellenwert angezeigt wird, und zwar durch die das Leuchtband 30 in zwei Teilbänder 31; 32 unterteilende, nicht leuchtende Diode. Durch weiteres Umschalten wird dann schließlich der Zustand von Fig. 3 C erreicht, in welchem der tatsächliche Sprühstrom angezeigt wird. Für diese Anzeige des Sprühstroms leuchtet dann nur eine einzige Leuchtdiode 33. Der Vorteil dieser Anzeige besteht darin, daß für die Anzeige von drei Worten, nämlich Spannung U, Schwellenwert SW und Sprühstrom Is nur eine einzige Leuchtdiodenreihe erforderlich ist.

Aufgrund der im Mikrocomputer vorhandenen Daten lassen sich Informationen ableiten, die zur Fehlerdiagnose wesentlich sind, also beispielsweise bei einem Fehler erkennen lassen, ob es sich um einen Defekt der Kaskade, um eine Leitungsunterbrechung usw. handelt. Weiterhin kann durch die Eingangs-Ausgangs-Steuerungseinheit 24 sowohl die Vorgabe als auch die Erkennung bzw. Anzeige bestimmter Abläufe und Vorgänge erreicht werden, beispielsweise die Vorgabe von Verriegelungen (etwa Lackventil öffnet erst nach Einschalten der Hochspannung) oder die Anzeige von Fehlern. Mittels der Interprozessor-Interfaceschaltung 26 können Verknüpfungen mehrerer Logiken zwecks Daten- bzw. Befehlsaustausch durchgeführt werden, etwa dann, wenn von einer einzigen Zentrale aus mehrere Spritzpistolen gesteuert werden sollen oder wenn eine Werkstück-Erdungskontrolle angeschlossen werden soll, wobei dann bei mangelhafter Werkstückerdung die Hochspannung selbsttätig abschaltet. Soll der Hochspannungsgenerator in Verbindung mit übergeordneten Rechnern verwendet werden, kann dies mittels der seriellen Schnittstelle 27 erfolgen; hierbei ergeben sich dann nahezu unbegrenzte Möglichkeiten für automatische Sprühanlagen mit selbsttätiger Farbumstellung und dergleichen.

Die Programmierung des Mikrocomputers ist nicht Gegenstand vorliegender Erfindung, so daß sich die Erläuterung eines Programmierungsbeispiels erübrigt. Es ist lediglich zu erwähnen, daß es keine Schwierigkeiten bereitet, handelsübliche Mikrocomputer, womit hier auch die Kombination eines Mikroprozessors und eines Datenspeichers verstanden werden soll, derart zu programmieren bzw. mit einem derartigen Programm zu versehen, daß die erwähnte Algorithmusregelung erfolgt. Lediglich als Zahlenbeispiel sei angegeben, daß die Gleichspannungsquelle 13 eine Gleichspannung von 25V bei einem Gleichstrom von 0,5 bis 2 A liefert, der Frequenzgenerator 14 eine Taktfrequenz von 26 kHz.

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

Claims (7)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Elektronischer Hochspannungserzeuger für eine Aufladungselektrode aufweisende elektrostatische Sprühgeräte, bestehend aus einer regelbaren Niederspannungs-Gleichspannungsquelle, einem die Gleichspannung in eine Wechselspannung umformenden, frequenzgetakteten Leistungsverstärker, einem die Niederspannungs-Wechselspannung in eine Mittelspannungs-Wechselspannung transformierenden Transformator und einer die Mittelspannung-Wechselspannung in eine Hochspannungs-Gleichspannung umformende Hochspannungskaskade, insbesondere für Handsprühpistolen, bei denen der Transformator und die Kaskade in der Pistole untergebracht sind, gekennzeichnet dadurch, daß der Leistungsverstärker (12) durch einen gleichspannungsgesteuerten, regelbaren Frequenzgenerator (14) getaktet wird, daß die Niederspannungs-Gleichspannungsquelle (13) und der Frequenzgenerator (14) durch einen Mikrocomputer (15) geregelt werden, derart, daß der Transformator (10) für alle am Hochspannungsausgang der Kaskade (11) auftretenden Spannungen leistungsmäßig optimal angepaßt ist, sein Primärstrom also im zugehörigen Minimum bleibt, und daß dem Mikrocomputer (15) über Schaltungseinheiten (16; 17) die Ist-Werte von Primärspannung und-strom des Transformators (10) fortlaufend als Informationsdaten zugeführt werden.
2. 2. Hochspannungserzeuger nach Punkt 1, gekennzeichnet durch eine den Sprühstrom zwischen Aufladungselektrode und zu besprühendem, geerdetem Werkstück ermittelnde Schaltungseinheit (18), die dem Mikrocomputer (15) fortlaufend die Ist-Werte des Sprühstroms als Informationsdaten zuführt, und daß der Mikrocomputer (15) die Niederspannungs-Gleichspannungsquelle (13) derart regelt, daß bis zu einem vorgegebenen Sprühstrom-Schwellenwert die Hochspannung an der Aufladeelektrode im wesentlichen konstant bleibt, bei Erreichen bzw. Überschreiten dieses Schwellenwertes vermindert wird.
3. 3. Hochspannungserzeuger nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Schaltungseinheit (18) zum Ermitteln des Sprühstroms den Stromfluß zwischen Elektronikmasse (21) und Erde (22) mißt.
4. 4. Hochspannungserzeuger nach einem der Punkte 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein mit dem Mikrocomputer (15) verbundenes Ansteuerungselement (16) mit Ansteuerungstastatu rund Anzeigeeinheit (16 a).
5. 5. Hochspannungserzeuger nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Anzeigeeinheit (16a) eine umschaltbare Leuchtdioden-Bandanzeige aufweist.
6. 6. Hochspannungserzeuger nach einem der Punkte 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Eingangs-Ausgangs-Steuerungselement (24), das mit dem Mikrocomputer (15), dem Hochspannungstransformator (10) und Betätigungselementen des Sprühgerätes verbunden ist und Sprühabläufe steuert.
7. 7. Hochspannungserzeuger nach einem der Punkte 1 bis 6, gekennzeichnet durch zumindest eine Interface-Schaltungseinheit (26; 27) zum Herstellen interprozessorieller oder serieller Verknüpfungen.

   Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft einen elektronischen Hochspannungserzeuger für eine Aufladungselektrode aufweisende elektrostatische Sprühgeräte.

   Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

   Hochspannungserzeuger dieser Bauart sind in verschiedenen Ausführungsformen auf dem Markt, wobei sie entweder ein gesondertes, mit der Sprühpistole über ein Hochspannungskabel verbundenes Element darstellen, oder aber Transformator und Hochspannungskaskade sind in der Pistole untergebracht, und die Pistole ist über eine Niederspannungsleitung mit der die anderen Bauelemente des Hochspannungserzeugers enthaltenden Einheit verbunden. Bei der Erstellung derartiger Sprühanlagen werden die einzelnen elektronischen Bauelemente derart ausgelegt, insbesondere auch ein Oszillator einer solchen Schwingungsfrequenz zum Takten des Leistungsverstärkers gewählt, daß die Hochspannungserzeugung mit möglichst geringen Leistungsverlusten erfolgt, insbesondere der Transformator möglichst verlustfrei (Resonanzbereich) arbeitet. Trotz dieser Vorababstimmung ergeben sich jedoch beim praktischen Betrieb derartiger Sprühanlagen beträchtliche Leistungsverluste, und zwar deshalb, weil die Vorababstimmung zwangsläufig auf festen Werten bezüglich der Verbindungsleitung zwischen Hochspannungserzeuger bzw. Hochspannungserzeugerteil und Pistole sowie bezüglich der Belastung beruht. Gerade die Belastung aber, die vom Abstand zwischen Aufladeelektrode und zu besprühendem Werkstück, Art des Sprühmaterials und dergleichen abhängt, wird in der Praxis beträchtlichen Änderungen bzw. Schwankungen unterworfen, insbesondere im Fall von Handspritzpistolen. Folge dieser beträchtlichen Verluste ist nicht nur ein unwirtschaftlicher Betrieb, sondern auch die Erfordernis, für eine entsprechende Wärmeabfuhr, etwa an Vorschaltwiderständen, zu sorgen. Bei Sprühpistolen, bei denen Transformator und Hochspannungskaskade in der Pistole untergebracht sind, ergibt sich darüber hinaus der Nachteil, daß — um Übernitzungsschäden zu vermeiden — der Verkleinerung dieser Bauelemente Grenzen gesetzt sind, was insbesondere bei Handspritzpistolen dazu führt, daß s ie vergleichsweise groß und schwer und damit unhandlich sind.

   Ziel der Erfindung

   Ziel der Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden.