Beschichtungsanlage und Verfahren zur Serienbeschichtung von Werkstücken

Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsanlage und eine Portalkonstruktion zur Serienbeschichtung von Werkstücken wie insbesondere Fahrzeugkarossen gemäß dem Oberbegriff des An- spruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren.

Im Gegensatz zu orstfest stehenden Lackierrobotern, die in der Praxis typisch für relativ kleine Werkstücke eingesetzt werden, sind Lackierroboter in Beschichtungsanlagen für Fahr- zeugkarossen üblicherweise auf an den Seitenwänden der Sprühkabine montierten Führungsschienen linear parallel zu der Förderbahn der Karossen verfahrbar (Mitfahrachse oder „Achse 7"). In den meisten heutigen Anlagen werden die Karossen während der Lackierung synchron mit der Linearbewegung der Robo- ter durch die Kabine gefördert, doch können sie hierbei auch stillstehen.

Während sich die Führungsschienen vor allem in den meisten früheren Anlagen in der Nähe des Kabinenbodens oder neben den Karossen befanden (US 4 342 536, US 4 721 630, EP 0 084 523, EP 0 192 338, EP 0 216 482, EP 1 277 521 usw.), kann aus verschiedenen Gründen die Anordnung der Roboterführungsschienen oberhalb des Förderers und insbesondere oberhalb der Karossen zweckmäßiger sein, vor allem weil die erhöht angeordneten Ro- boter eine entsprechend verbesserte Bewegungsfreiheit haben und am Kabinenboden angeordnete Roboter wegen des notwendigen Lackierabstands von der Karosse und bei elektrostatischer Lackierung wegen des notwendigen Hochspannungsisolationsab- stands wesentlich breitere Kabinen erfordern. Auch wird die

Lackierung vertikaler Flächen wie insbesondere der Bug- und Heckbereiche der Karossen erleichtert. Andere Gründe sind, dass die erhöht angeordneten Führungsschienen dort die Sicht durch die Seitenwand der Kabine und die Zugänglichkeit zu den Karossen weniger beeinträchtigen und/oder weniger durch O- verspray verschmutzt werden, der durch die übliche Luftströmung in den Kabinen nach unten abgeführt wird. Ferner können erhöht montierte Roboter den Vorteil haben, dass sie die von der Kabinendecke nach unten an den Karossenseiten entlang in den Kabinenboden fließende Luftströmung weniger stören als am Boden neben der Karosse befindliche Roboter, die den Luftweg unmittelbar an der Karosse verengen, was zu unerwünschter Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit führen kann.

Bei aus WO 2004/037430 und EP 1 609 532 bekannten Lackieranlagen für Fahrzeugkarossen befinden sich jeweils mehrere Lackierroboter auf zwei parallelen Führungsschienen, die ihrerseits auf einem im Innenraum der Kabine angeordneten Rahmengestell mit vier ähnlich wie bei den bekannten Portalroboter- konstruktionen (europäische Norm EN ISO 8373, 1996 D, Seite 7 „Portalroboter"; DE 4111889; usw.) durch Querstreben miteinander verbunden Standbeinen montiert sind. Ein Vorteil dieser Portalgestelle besteht darin, dass sie einfach in bereits vorhandenen Lackierkabinen aufgestellt werden können, ohne dass hierfür erhebliche Neu- oder Umbauten der Kabine notwendig sind.

Aus WO 01/68267 ist ferner eine Lackierzone in einer Lackierkabine für Fahrzeugkarossen mit Luftzufuhr durch die obere Deckenwand und je zwei an den Seitenwänden vertikal übereinander angeordneten begehbaren Steuerbereichen bekannt, wobei erhöht oberhalb des Förderers angeordnete Roboterführungsschienen in modulare vorgefertigte Seitenwandelemente der Kabine eingebaut sind. Die Tragstrukturen der Führungsschienen

sind im Gegensatz zu dem Gestell nach WO 2004/037430 oder EP 1 609 532 im Kabineninnenraum voneinander getrennt, vermeiden also deren Querstreben im Kabineninnenraum. Am Boden dieser bekannten Lackierkabine, der wie üblich durch eine Gitterkon- struktion zum Abführen der vertikalen Luftströmung gebildet ist, sind unterhalb der erhöht angeordneten Führungsschienen neben dem unteren Steuerbereich zusätzliche Führungsschienen für weitere Roboter montiert, wobei es sich bei den Robotern der unteren Ebene um Lackierroboter und bei den oberen Robo- tern um Tür- oder Haubenöffner handelt. Weitere Beschich- tungszonen mit oberhalb der Karossen angeordneten Führungsschienen für Lackier- und/oder Handhabungsroboter sind in der Patentanmeldung EP 06010550.9 beschrieben.

Lackierkabinen für Fahrzeugkarossen mit vertikal übereinander an den Kabinenwänden montierten Roboterführungsschienen und mit mehreren entlang dem Transportweg des Förderers hintereinander angeordneten Lackierzonen sind aus EP 0745429 bekannt .

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Beschichtungs- anlage für Fahrzeugkarossen und ein entsprechendes Verfahren anzugeben, die weniger Bau-, Investitions-, Steuer- und Betriebsaufwand erfordern als bisher.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch Verzicht auf die Verfahrbarkeit der auf der Portalkonstruktion angeordneten Roboter (also der „Portalroboter") extrem schmale Sprühkabinen realisierbar oder verwendbar sind. Für die Lackierung von Automobilkarossen kann die Kabinenbreite beispielsweise auf etwa 4 bis 4,5 m reduziert werden.

Bei den Robotern kann es sich typisch um Beschichtungsrobo- ter, insbesondere Lackierroboter handeln, auf die im Folgenden Bezug genommen wird. Es kann sich aber auch um Roboter für andere Zwecke handeln, insbesondere um Handhabungsroboter wie namentlich Tür- und/oder Haubenmanipulatoren, die ggf. auch neben einem Beschichtungsroboter platziert werden können. Dementsprechend kann es sich bei dem Werkzeug insbesondere um Zerstäuber für das Beschichtungsmaterial bzw. um ein Opener-Tool für die Türen bzw. Hauben von Fahrzeugkarossen handeln.

Im betrachteten Fall von Lackierrobotern wird zum einen die quer zu der Förderbahn der Karossen erforderliche Kabinen- breite dadurch reduziert, dass feststehende Lackierroboter mit ihrem Grundkörper nicht am Kabinenboden, sondern auf der Portalkonstruktion, also wesentlich höher und vorzugsweise oberhalb der Karossendächer montiert werden, so dass die oben erwähnten Probleme hinsichtlich ausreichendem Lackierabstand der Zerstäuber von den Karossenflächen und Hochspannungsisolation reduziert werden. Die erhöht angeordneten Lackierroboter haben einen viel besseren Arbeitsbereich als in bekannter Weise neben oder unterhalb der Karossen angeordnete Standroboter. Darüber hinaus wird aber eine noch schmalere Kabine dadurch ermöglicht, dass die relativ breiten Führungsschienen der bekannten Portallackierroboter und die für die Verfahr- barkeit notwendigen breiten Energieketten mit bewegbaren Steuer- und Versorgungsleitungen entfallen.

Schmale Sprühkabinen haben wiederum erhebliche Vorteile nicht nur hinsichtlich des Bau- und Investitionsaufwands, der von Größe und Platzbedarf der Kabine abhängt, sondern insbesondere auch hinsichtlich der Betriebskosten, die zu einem wesentlichen Teil durch die aus bekannten Gründen in der Kabine er-

forderliche Luftströmung bestimmt wird. Die Kabinenluft muss neben der richtigen Strömungsgeschwindigkeit strenge Qualitätsbedingungen hinsichtlich Reinheit, Temperatur und Feuchtigkeit erfüllen, und der dafür notwendige Aufwand ist von dem benötigten Luftvolumen abhängig. Dieser Aufwand wird durch die Erfindung verringert, da der Luftvolumenstrom pro Zeiteinheit in einer schmaleren Kabine kleiner ist als in einer breiteren Kabine.

Durch den erfindungsgemäßen Verzicht auf die Verfahrbarkeit der Roboter werden außerdem der damit verbundene Bauaufwand und darüber hinaus der für die Linearbewegungen der Roboter erforderliche Steueraufwand bekannter Lackieranlagen vermieden.

Andererseits hat auch die Erfindung den prinzipiellen Vorteil, dass Portalkonstruktionen mit Robotern einfach in bereits vorhandene oder mit minimalem Bauaufwand und insbesondere ohne massive tragfähige Wände errichtete Sprühkabinen gestellt oder eingebaut werden können.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Stützen und Längsträger der Portalkonstruktion an der Außenseite der Lackierkabine angeordnet, so dass sich die Roboter nur mit ih- rem eigenen Grundkörper innerhalb der Kabine befinden und die Innenseite der Kabine an der betreffenden Stelle um den Grundkörper herum frei von sonstigen Bauteilen ist (sogenanntes Clean-Wall-Design) . Diese Anordnung hat den zusätzlichen Vorteil, dass sich die zu dem Roboter führenden Kabel und Schläuche vollständig außerhalb der Lackierkabine befinden können. Die Installation der Stützen, Längsträger, Verkabelung und Verschlauchung sowie des Steuerpuls ist außerhalb der Lackierkabine in der Regel einfacher und besonders dann von Vorteil, wenn die erfindungsgemäße Portalkonstruktion für

eine bereits vorhandene Kabine installiert werden und ggf. deren bisherige Maschinentechnik ersetzen soll.

Die erläuterten Vorteile der Erfindung sind umso wichtiger, als eine typische erfindungsgemäße Beschichtungsanlage für

Fahrzeugkarossen nicht nur eine, sondern mehrere Lackierzonen mit jeweiligen Sprühkabinen enthält, die voneinander getrennt sind, und in denen die Karossen jeweils von Robotern lackiert werden.

An dem in der Zeichnung teilweise vereinfacht, aber im Wesentlichen maßstabsgetreu dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Querschnitt einer Lackierkabine mit stationär auf einer Portalkonstruktion montierten Lackierrobotern; und

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Roboteranordnung in zwei auf- einanderfolgenden Lackierkabinen gemäß Fig. 1.

In der in Fig. 1 dargestellten Sprühkabine 1 erfolgt der Lackauftrag auf Fahrzeugkarossen 2 unter den dafür erforderlichen klimatischen Bedingungen. Der beim Lackieren entste- hende Spritznebel wird von der die Kabine vertikal durchströmenden Luft aufgenommen und zur Auswaschung geführt. Die Luftversorgung der Kabine übernimmt eine Zuluftanlage. Die von außen mit Ventilatoren angesaugte Frischluft wird in mehreren Stufen gefiltert, erwärmt und befeuchtet, über einen Druckraum gleichmäßig durch eine Filterdecke mit definierter Luftsinkgeschwindigkeit in die Kabine eingebracht und durch den Gitterboden 3 abgeführt. Derartige Lackierkabinen, durch die Karossen von einem Bodenförderer 4 hindurchtransportiert

werden können, sind dem Fachmann an sich bekannt (vgl. beispielsweise DE 20313854 Ul) .

Die Beschichtung der Karossen 2 erfolgt durch die an den bei- den Seitenwänden 5 und 5' der Kabine 1 angeordneten, beispielsweise vier oder mehr Lackierrobotern, von denen in Fig. 1 die Lackierroboter 6 und 7 sichtbar sind. Diese Lackierroboter können ebenfalls an sich bekannter Art sein, also jeweils einen Grundkörper 8 haben, der die übliche mehrachsige Armkonstruktion eines Knickarmroboters mit den dargestellten beiden Armen und dem an einem Handgelenk angebrachten Zerstäuber 9 trägt, üblicherweise einen elektrostatischen Rotationszerstäuber oder Luftzerstäuber. Die Grundkörper 8 der Roboter können darstellungsgemäß etwa in der Höhe des Daches der durch die Lackierkabine geförderten Karossen 2 angeordnet sein.

Die Seitenwände 5 und 5' der Kabine 1 können aus relativ dünnem Material mit Glasfenstern od. dgl . bestehen und sind selbst nicht dazu bestimmt oder fähig, die hochgesetzten Lackierroboter 6 und 7 halten und tragen zu können. Zur Halte- rung der Lackierroboter ist vielmehr eine eigens dafür vorgesehene Portalkonstruktion vorhanden, die im Wesentlichen aus einem in der Nähe der vier Ecken auf Beinen stehenden hori- zontalen rechteckigen Rahmen besteht. Als Beine dienen die beiden in Fig. 1 sichtbaren vertikalen Stützen 11 an den Außenseiten der Seitenwände 5 und 5' und zwei von ihnen in der Förderrichtung der Karossen 2 beabstandete weitere (nicht sichtbare) Stützen. Der Rahmen der Portalkonstruktion besteht aus zwei bei dem dargestellten Beispiel in die Seitenwände 5 und 5 ^f eingebauten oder vorzugsweise auf der Außenseite der Seitenwand montierten Längsträgern 12, die sich in der Förderrichtung der Karossen 2 erstrecken und jeweils auf zwei in Förderrichtung beabstandeten Stützen 11 ruhen, und aus zwei

die beiden Längsträger 12 vorzugsweise an deren Enden und in der Nähe der Stützen 11 fest miteinander verbindenden Querstreben 13, von denen in Fig. 1 nur eine sichtbar ist. Die Querstreben sind bei dem dargestellten Beispiel mit schräg nach unten zu den Längsträgern 12 führenden Endteilen versehen und erstrecken sich oberhalb der Karossen 2 quer zu deren Förderrichtung durch die Kabine 1 von der einen Seitenwand 5 bis zu der anderen Seitenwand 5'. Ggf. von diesem speziellen Ausführungsbeispiel abweichend kann die Portalkonstruktion prinzipiell die an sich aus WO 2004/037430, EP 1 603 532 und EN ISO 8373 bekannte Gestalt haben. Im Gegensatz zu diesem Stand der Technik haben die Längsträger 12 aber keine Führungsschienen zum Verfahren der Lackierroboter 6 und 7, die vielmehr erfindungsgemäß mit ihrem Grundkörper 8 starr an dem jeweiligen Längsträger 12 befestigt sind. Infolge dieser stationären Roboteranordnung macht es die Erfindung möglich, eine Kabine mit einer Breite zwischen den Innenseiten der Seitenwände zu realisieren, die nicht nur erheblich geringer sein kann als bei stationärer Anordnung der Roboter am Kabi- nenboden neben den Karossen, sondern auch geringer als bei den mit den üblichen Verfahrschienen versehenden bekannten Portalkonstruktionen. Für die Lackierung der unterschiedlichen Karossen typischer Personenkraftfahrzeuge genügt beispielsweise eine zwischen den Innenseiten der vertikalen Sei- tenwände 5 und 5' gemessene Kabinenbreite von 4,6 m. Die in Förderrichtung gemessene Länge der Kabine 1 kann beispielsweise ungefähr 7 m betragen.

Darstellungsgemäß (vgl. auch Fig. 2) können sich an der Au- ßenseite der Seitenwände 5 und 5' zweckmäßig zwischen den längs der Förderrichtung beabstandeten Stützen 11 die üblichen Schalt- und Steuerschränke 14 für die Robotersteuerung und für die Applikationstechnik usw. befinden.

Oberhalb der Stützen 11 und Längsträger 12 kann die Kabine an ihrer Außenseite mit weiteren Nutzflächen versehen sein, die zur Beobachtung des Lackierbetriebs auch begehbar sein können. Ferner sind in Fig. 1 die Reichweitekurven ^' (Arbeitsraum bzw. ,,Arbeitsraumniere ^Xλ ) der Lackierroboter 6 und 7 zur Verdeutlichung ihrer jeweiligen Bewegungsfreiheit dargestellt.

Die Erfindung ist nicht auf die in Fig. 1 dargestellte - allerdings bevorzugte - Portalkonstruktion zwischen den beiden Seitenwänden 5 und 5' beschränkt. Beispielsweise wäre auch denkbar, nur jeweils einen Längsträger hochgesetzt in den beiden Seitenwänden der Sprühkabine anzuordnen und diesen außerhalb der Kabine durch sich quer zu der Förderrichtung erstreckende Stützelemente zu stabilisieren. Derartige Mög- lichkeiten sind u.a. in der eingangs erwähnten Patentanmeldung EP 06010550.9 beschrieben. Ferner können weniger oder mehr als die dargestellten zwei stationären Roboter auf einer Kabinenseite vorgesehen sein.

Fig. 2 zeigt zwei in einer Lackierlinie in der Förderrichtung 20 hintereinander angeordnete Sprühkabinen 1 und 1' gemäß Fig. 1. Jede dieser Sprühkabinen 1 und 1' bildet eine der verschiedenen Lackierzonen, in die eine Lackierlinie üblicherweise unterteilt ist, und enthält jeweils eine Portalkon- struktion, wie sie oben beschrieben wurde, also mit den beiden Längsträgern 12 bzw. 12' und den beiden Querstreben 13 bzw. 13'. Die Längsträger 12 bzw. 12' können sich darstell- lungsgemäß über die gesamte Länge der Kabine 1 bzw. 1' zwischen deren jeweiligen Stirnenden erstrecken, an denen die Kabinen üblicherweise durch dünne, mechanisch nicht tragfähige, z.B. transparente Endwände („Silhouetten") bis auf öffnungen für die Karossen geschlossen sein können. Die beiden Sprühkabinen 1 und 1' und somit die beiden Portalkonstruktionen können längs der Förderrichtung nahe benachbart sein;

darstellungsgemäß kann der Abstand beispielsweise ungefähr 1 m oder weniger betragen.

Die Lackierroboter 6 und 7 bzw. 6' und 7' der Sprühkabinen 1 und 1' sind längs der Förderrichtung 20 auf zweckmäßige Positionen zwischen den beiden Querstreben 13 bzw. 13' verteilt, wobei jeder dieser vier Roboter einer Kabine jeweils einen anderen Oberflächenbereich der Karossen beschichtet als die jeweils anderen drei Roboter. Die Anordnung der beiden La- ckierroboter 6 bzw. 6' auf der einen Seite und der beiden anderen Lackierroboter 7 bzw. 1' auf der anderen Seite der Sprühkabine wird hierbei entsprechend dem jeweiligen Lackierkonzept der Anlage so gewählt, dass in der Kabine vorzugsweise die gesamte Außenfläche der Karossen am einfachsten und mit möglichst wenig gegenseitiger Behinderung der Roboter und vor allem in kürzester Zeit lackiert werden kann. Aus diesen Gründen kann es auch zweckmäßig sein, dass die Lackierroboter wie z.B. 7 an dem Längsträger 12 der einen Seitenwand der Sprühkabine andere Abstände voneinander und/oder von den Querstreben 13 haben als die Lackierroboter 6 an dem Längsträger 12 der anderen Seitenwand. Insbesondere können darstellungsgemäß zwei einander auf entgegengesetzten Seiten der Kabine gegenüberliegende Lackierroboter gegeneinander längs der Förderrichtung 20 versetzt sein, also unterschiedliche Abstände von den Querstreben 13 haben. Wie in Fig. 1 erkennbar ist, kann beispielsweise einer der Roboter speziell zum Lackieren des Bug- oder Heckbereiches der Karossen dienen.

Wenn die Karossen in der Förderrichtung 20 von dem Förderer 4 (Fig. 1) durch die Sprühkabinen 1 und 1' transportiert werden, wird zunächst in der Sprühkabine 1 auf die Karosse eine erste Lackschicht aufgetragen. Da diese eine Schicht in typischen Fällen nicht ausreichend ist, wird anschließend in der Sprühkabine 1' eine zweite Lackschicht aufgetragen, wobei die

Lackierroboter für die gleichen Bewegungen wie in der ersten Kabine programmiert und gesteuert werden können und daher auch in der gleichen Anordnung längs der Förderrichtung verteilt sein können. Einander hinsichtlich ihrer Position in den Sprühkabinen 1 und 1' entsprechende Roboter lackieren dann also dieselben Flächenbereiche der Karossen.

Die Applikation der beiden Schichten in zwei voneinander getrennten Sprühkabinen 1 und 1' hat u. a. den Vorteil, dass bei einer Störung in einer der beiden Lackierzonen der automatische Lackierbetrieb in der jeweils anderen Zone fortgesetzt und die dann fehlende andere Lackschicht auf andere Weise appliziert werden kann.

In anderen Fällen kann die Anordnung einer zweiten Sprühkabine 1' im Anschluss an die von ihr durch die jeweiligen Stirnwände getrennte erste Kabine 1 den Zweck haben, zwei Be- schichtungszonen mit unterschiedlichem Lufthaushalt voneinander zu isolieren, etwa eine Zone für elektrostatische Appli- kation mit Rotationszerstäubern von einer Zone mit Luftzer- säubern, in denen unterschiedliche Luftsinkgeschwindigkeiten erforderlich sind. Es kann in derartigen oder auch anderen Anlagen statt des weiter oben beschriebenen Beispiels auch zweckmäßig sein, wenn die Roboter in der einen Kabine andere Flächenbereiche der Karossen lackieren als die Roboter der anderen Kabine und/oder an anderen Positionen längs der För ^¬ derbahn angeordnet sein.

Es können auch zwei (oder mehr) parallel betriebene Lackier- linien vorgesehen sein, bei dem betrachteten Beispiel Decklack (Topcoat) -Linien. In diesem Fall können z.B. räumlich parallel neben den in Fig. 2 dargestellten Sprühkabinen 1 und 1' zwei mit ihnen hinsichtlich der hier beschriebenen Merkmale übereinstimmende weitere Lackierkabinen (nicht darge-

stellt) vorhanden sein, so dass sich die erfindungsgemäße Einsparung an Installations- und Betriebsaufwand verdoppelt.