Die Erfindung betrifft ein Zerstäuberwechselsystem, welches vorzugsweise vollautomatisch Hochrotations- und Pneumatik-Zerstäuber an mehrachsigen Hollow- Wrist-Beschichtungsrobotern wechseln kann.

TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND

Beim Beschichten beziehungsweise Lackieren von hochwertigen Bauteilen, wie es unter anderem in der Automobilindustrie üblich ist, werden hohe Anforderungen an die Beschichtung gestellt. Diese können mit einem einzigen Beschichtungsstoff nicht abgebildet werden, sondern es bedarf hier eines Beschichtungssystems, bestehend aus mehreren Schichten, wobei jede Schicht eine definierte Aufgabe erfüllt. So ist es üblich, dass im Automobilsektor Drei- bis Vierschicht-Aufbauten eingesetzt werden. Solche Mehrschichtbeschichtungssysteme bestehen in der Regel aus einem Primerbeschichtungsmittel, mindestens einem Basislack und mindestens einem (2- Komponenten-)Klarlack. Jedes dieser Beschichtungsmittel wird in der Regel, aufgrund unterschiedlicher Beschaffenheit und unterschiedlicher zu erzielender Applikationsschichtdicke, mit unterschiedlichen Zerstäubern appliziert. Zudem spielt die Zusammensetzung der Beschichtungsmittel eine erhebliche Rolle. So existieren beispielsweise wasserbasierte oder lösemittelbasierte Basislacke, während typische 2-Komponenten-Klarlacke lösemittelhaltig sind. Der Wechsel zwischen wasserbasierten und lösemittelhaltigen Beschichtungsstoffen ist nach erfolgtem Lackiervorgang ohne vorhergehende Reinigung der Applikationsvorrichtung nicht möglich, da der Kontakt zwischen den Beschichtungsstoffen oder ein Vermischen dieser in der Regel zu unerwünschten Reaktionen führt.

Ein weiteres Applikationsproblem besteht darin, dass Hochrotationszerstäuber den pneumatischen Zerstäubern bezüglich der Erreichbarkeit schwer zugänglicher Flächen unterlegen sind, da diese im konstruktiven Aufbau deutlich größer sind. Der manuelle Umbau eines Roboters auf den jeweiligen Zerstäuber ist, aufgrund der Rüstzeit und dem damit verbundenen Stillstand des Lackiervorgangs in der Lackier- Kabine beziehungsweise der gesamten Lackierstraße, zu vermeiden. Aus diesem Grund wird in der Regel für jeden einzelnen Zerstäuber ein separater Roboter benötigt.

Bekannt sind Werkzeugwechselsysteme für sogenannte Handling-Roboter. Diese bestehen aus einem zentrisch angeordneten Spannelement, um das das am Werkzeug befindliche Kupplungselement (Slave) mit dem am Roboter befindlichen Kupplungselement (Master) greifen und verriegeln zu können. Um dieses Spannelement sind, je nach Anforderung, verschiedene Module angebracht, um die zur Funktion des Werkzeugs benötigten Stoff-, Energie- und Informationsströme zu kuppeln. Diese Kupplungssysteme sind durchgängig aus leitfähigen Materialien und können deshalb nicht im Hochspannungsbereich verbaut werden. Sie sind für den Einsatz an einem Handling-Roboter ohne sogenannten Hollow-Wrist etabliert.

Auch aus dem Bereich der Lackiertechnik sind bereits vollautomatische Zerstäuberwechselsysteme bekannt (Prauser & Brinckmann in: Journal für Oberflächentechnik 2013(7) 20-21). Diese bestehen aus einer roboterseitigen Masterplatte, über die verschiedene Slaveplatten aufgenommen werden können, an welchen die Zerstäuber mechanisch montiert und verschlaucht sind. Die Slave- Einheiten befinden sich in Wechselstationen innerhalb einer Lackierkabine. So kann ein Roboter vollautomatisch die Zerstäuber wechseln. Das Wechselsystem kann alle für den Betrieb eines Hochrotationszerstäubers notwendigen Medien und Signale kuppeln und ist für den Betrieb von Zerstäubern mit Außen- und Innenaufladung sowie Lackierpistolen geeignet. Auch hier befindet sich das eigentliche Spannelement, ähnlich wie im zuvor beschriebenen Werkzeugwechselsystem, im Zentrum, während die eigentlichen Kuppelstellen für Stoffe, Energie und Informationen außen angeordnet sind. Diese Anordnung nimmt viel Raum in Anspruch, was sich negativ auf die gesamte Kinematik auswirkt. Zudem sind im oben genannten Zerstäuberwechselsystem Komponenten wie Kupplungen, Spannsystem, Halterungen etc. metallisch ausgeführt, was zu unerwünschten Nebeneffekten im Betrieb unter Hochspannung (freie Kapazitäten) führen kann. Des Weiteren ist die gesamte Schlauchführung der Slaveeinheit offen und weitestgehend ungeschützt, wodurch die gesamte Einheit anfällig für Verschmutzung durch Overspray ist.

Im Anwendungsbereich der KFZ-Lackierung sind sogenannte und bereits vorstehend erwähnte „Hollow Wrist“-Lackierroboter in vielfachem Einsatz. Diese weisen typischerweise vier, fünf oder sechs Achsen auf und besitzen die Besonderheit, dass die Leitungen für Stoffe, Energie und Informationen durch das „hohle Handgelenk“ („Hollow Wrist“) des Roboters geführt werden und somit der Verschmutzung durch Overspray unzugänglich sind. Zudem ermöglicht es die „schlanke“ Konstruktion auch Stellen des zu lackierenden Gutes zu erreichen, die bei einer Außenführung der Leitungen nicht zugänglich wären. Der Zerstäuberwechsel an derartigen mehrachsigen Hollow-Wrist-Lackierrobotern ist jedoch bisher aufwändig, insbesondere zeitaufwändig und nur manuell durchführbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Zerstäuberwechselsystem bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist und insbesondere bei Zerstäubern mit größerem Platzbedarf diesen Platz optimal nutzt und somit vor allem bei komplexen dreidimensionalen zu lackierenden Substraten die Erreichbarkeit der zu lackierenden Oberflächen verbessert. Zugleich soll eine äußere Anschmutzung der die Stoffe, Energie und Informationen führenden Leitungen beispielsweise durch Overspray, minimiert. Eine geringere Anschmutzung der Leitungen soll es so ermöglichen, dass die Wechselzeiten zwischen verschiedenen Zerstäubern reduziert werden und auch die Gefahr der Kontamination nachfolgender Lackschichten durch außenliegende angeschmutzte Schläuche und Leitungen verringert wird.

Darüber hinaus soll das Zerstäuberwechselsystem einen schnellen, vollautomatischen Wechsel zwischen verschiedenen Zerstäubern und somit auch verschiedenen Beschichtungsmittelsystemen ermöglichen. Auch soll die Zahl der für eine Mehrschichtlackierung erforderlichen Lackierrroboter reduziert werden, indem ein Lackierroboter, in raschem Wechsel, mit unterschiedlichen Zerstäubern ausgestattet werden kann. Dies erlaubt die Applikation verschiedener Beschichtungsmittel wie beispielsweise wässriger oder lösemittelbasierter, Ein- oder Zweikomponenten-Beschichtungsmittel.

Besonders vorteilhaft soll sich das Zerstäuberwechselsystem mit unterschiedlichen Zerstäubern wie beispielsweise Hochrotationszerstäubern und pneumatischen Zerstäubern verwenden lassen. Vorzugsweise sollte jede übliche Art von Zerstäubern einsetzbar sein.

Das Zerstäuberwechselsystem soll an einem mehrachsigen Lackierroboter verwendbar sein, so dass der Lackierroboter, ohne das Eingreifen des Menschen, in der Lage ist, den Zerstäuber selbstständig zu wechseln.

BESCHREIBUNG

Oben genannte Aufgaben konnten durch die Bereitstellung eines Zerstäuberwechsel systems für einen mehrachsigen Hollow-Wrist-Beschichtungsroboter gelöst werden, wobei das Zerstäuberwechselsystem eine Master-Einheit (1 ) und mindestens eine Slave-Einheit (2) umfasst, und wobei die Master-Einheit (1 ) wenigstens folgende Bauteile aufweist: ein das Zentrum der Master-Einheit (1 ) umgebendes, lösbares masterseitiges Verbindungselement (1.1 ) zur kraftschlüssigen und formschlüssigen Verbindung (KS, FS) der Master-Einheit (1 ) mit der Slave-Einheit (2), eine im Zentrum der Master-Einheit (1) angeordnete masterseitige Kupplungsplatte (1.2) mit einer Mehrzahl von Kupplungsstellen für die Versorgung eines daran anschließbaren Zerstäubers mit Stoffen, Energie und/oder Informationen, und einen Adapter (1.3) zum Anschluss der Master-Einheit (1) an einen Hollow-Wrist eines Beschichtungsroboters; und wobei die Slave-Einheit (2) wenigstens folgende Bauteile aufweist: eine slaveseitige Kupplungsplatte (2.2) zum Anschluss der Slave- Einheit (2) an die Master-Einheit (1) und an einen Zerstäuber, wobei die slaveseitige Kupplungsplatte (2.2) zerstäuberseitig mit Leitungen und/oder einer Adapterplatte für die Versorgung des anschließbaren Zerstäubers mit Stoffen, Energie und/oder Informationen fest verbunden ist; und ein slaveseitiges lösbares Verbindungselement (2.4) zur Verbindung der Slave-Einheit (2) mit einem Zerstäuber.

Im Folgenden wird das Zerstäuberwechselsystem als erfindungsgemäßes Zerstäuberwechselsystem bezeichnet.

Fig. 2 und 3 zeigen exemplarisch den Aufbau des Zerstäuberwechselsystems (Fig. 2) bzw. die Konstruktion der Kupplungsplatten (Fig. 3: 1.2, 2.2). Fig. 4 veranschaulicht die kraftschlüssige (KS) und formschlüssige (FS) der Master-Einheit (1 ) mit der Slave-Einheit (2).

Bei den mehrachsigen Beschichtungsrobotern handelt es sich um solche mit einem „Hollow-Wrist“, das heißt einem „hohlen Handgelenk“. Durch diesen können sämtliche zur Versorgung des Zerstäubers benötigten Leitungen geführt werden. Ein typischer mehrachsiger Beschichtungsroboter ist beispielsweise in Fig. 1 dargestellt (aus: D. Ondratschek (Hrsg.), Jahrbuch Besser Lackieren 2008, 65. Auflage), worin dieser als 6-achsiger Beschichtungsroboter ausgeführt ist. Die sechs Achsen sind in Fig. 1 mit A1 bis A6 gekennzeichnet.

Mehrachsige Hollow-Wrist-Beschichtungsroboter besitzen vorzugsweise vier, fünf, sechs oder mehr Achsen. Besonders bevorzugt handelt es sich im Rahmen der Erfindung um sechsachsige Hollow-Wrist-Beschichtungsroboter.

Während bei den aus dem Stand der Technik bekannten mehrachsigen Beschichtungsrobotern die zur Versorgung des Zerstäubers benötigten Leitungen für Stoffe, Energie und/oder Informationen außen am Roboterarm entlanggeführt werden und daher sowohl der Raumbedarf als auch die Anschmutzungsneigung erhöht sind, erlaubt es das erfindungsgemäße Zerstäuberwechselsystem, ohne festen Verbau aller Leitungen vom Hollow-Wrist bis zum Zerstäuber, verschiedenste Arten an Zerstäubern auf einfache Art und Weise, sowohl manuell, vorzugsweise jedoch vollautomatisch anzubringen beziehungsweise zu wechseln.

Dies gelingt dadurch, dass die Master-Einheit (1) des erfindungsgemäßen Zerstäuberwechselsystems über einen Adapter (1.3) fest mit dem Hollow-Wrist des Beschichtungsroboters verbunden wird und die Master-Einheit so ausgestaltet ist, dass diese einen im Zentrum des Querschnitts angeordnete masterseitige Kupplungsplatte (1.2) aufweist, welche eine Mehrzahl von Kupplungsstellen aufweist, die der Versorgung des Zerstäubers mit Stoffen, Energie und/oder Informationen dienen. Roboterseitig werden die hierfür erforderlichen Leitungen fest mit der masterseitigen Kupplungsplatte (1.2) verbunden.

Anders als bei Master-Slave-Wechselvorrichtungen für typische Handling-Roboter, umgibt der zur Verbindung bzw. Verriegelung der Master-Einheit (1) mit der Slave- Einheit (2) erforderliche Verbindungs- bzw. Verriegelungsmechanismus (KS, FS) im erfindungsgemäßen Zerstäuberwechselsystem die masterseitige Kupplungsplatte (1.2) und ist somit nicht innenliegend, sondern außenliegend.

Der Verbindungs- bzw. Verriegelungsmechanismus ist sowohl kraftschlüssig (KS) als auch formschlüssig (FS) ausgeführt.

Das lösbare masterseitige Verbindungselement (1.1), welches das Zentrum der Master-Einheit (1) umgibt und die kraft- und formschlüssige Verbindung (KS, FS) der Master-Einheit (1) mit der Slave-Einheit (2) ermöglicht, ist vorzugsweise als Flansch, besonders bevorzugt als Kegelflansch ausgebildet.

Aus der erfindungsgemäßen Konstruktion und insbesondere durch eine bevorzugte zusätzliche Verschachtelung der masterseitigen Kupplungsplatte (1.2) mit der slaveseitigen Kupplungsplatte (2.2) folgt auch eine radiale Erhöhung der Durchschlagfestigkeit. Das sich im Zusammenwirken von masterseitigen Kupplungsplatte (1.2) und slaveseitigen Kupplungsplatte (2.2) ergebende Labyrinth aus Isolationswandungen bildet verlängerte Wege für etwaige Kriechströme und ist daher eine besonders wirksame Isolationsmaßnahme, die in vorteilhafter Weise zur Verbesserung der Betriebssicherheit beiträgt.

Zum anderen sind alle Leitungen für Stoffe, Energie und Informationen im Master (1), was die Flexibilität und Erreichbarkeit der Zerstäuber erhöht, und die Reinigung des Systems vereinfacht.

Da die masterseitige Kupplungsplatte (1.2) möglichst eine universelle Eignung für die verschiedensten Zerstäuber, von pneumatischen Zerstäubern bis hin zu Hochrotationszerstäubern besitzen soll, weist diese eine Mehrzahl von Kupplungsstellen für die Versorgung des jeweiligen Zerstäubers mit Stoffen, Energie und/oder Informationen auf. Somit ist auch das Kuppeln der notwendigen Medien, beispielsweise direktaufgeladenen, leitfähigen Medien möglich.

Besonders bevorzugt umfasst die masterseitige Kupplungsplatte (1.2) Kupplungsstellen für Beschichtungsmittelleitungen, insbesondere solche die für einen Betrieb mit oder ohne Hochspannung ausgelegt sind, Kupplungsstellen für pneumatische Leitungen insbesondere zur Versorgung mit Turbinenlüften, Lagerluft, Lagerluftüberwachung, Lenklüfte, Steuerlüfte, Mikrofonlüfte, Purgeluft, Luft zur Wärmeisolierung und Bremsluft, sowie Kupplungsstellen für Lichtwellenleiter.

In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Master- Kupplungsplatte (1.2) mindestens 28 Kuppelstellen auf, davon zwei medienführende Leitungen für den Betrieb ohne Hochspannung, fünf medienführende Leitungen für den Betrieb unter Hochspannung, zwanzig pneumatische Leitungen für Turbinenlüfte, Lagerluft, Lagerluftüberwachung, Lenklüfte, Steuerlüfte, Microfonlüfte, Purgeluft, Luft zur Wärmeisolierung, Bremsluft sowie eine Lichtwellenleiterkupplung. Die als Lagerluftverschraubung (Fig. 3: 1.22, 2.22) ausgeführte, während des Betriebs dauerhaft mit Druckluft beaufschlagte Kupplungsstelle ist vorzugsweise so ausgeführt, dass diese erst beim Verbinden der Master-Einheit (1) mit der Slave- Einheit (2) geöffnet wird. Das garantiert, dass die permanent an der Master-Einheit (1) anstehende Lagerluft nicht unkontrolliert entweichen kann, wodurch Kosten und Ressourcen eingespart werden können.

Das erfindungsgemäße Zerstäuberwechselsystem kann auch im Hochspannungsbetrieb mit entsprechenden Zerstäubern bis etwa 100 kV eingesetzt werden, ohne dass der Horizontalarm des Roboters isoliert ausgeführt werden muss. Das erfindungsgemäße Zerstäuberwechselsystem erlaubt die Verwendung des Zerstäuberwechselsystems gemäß den Anforderungen der EU-Richtlinien ATEX- Produktrichtlinie 2014/34/EU und für die ATEX Zone II 3G T3.

Vorzugsweise besteht das erfindungsgemäße Zerstäuberwechselsystem im Wesentlichen aus einem elektrisch nicht leitfähigen Kunststoff. Geeignete Kunststoffe sind beispielsweise Polyoxymethylen (POM) und Polyetheretherketon (PEEK). Hierbei ist es möglich die Slave-Einheit (2) komplett aus dem elektrisch nicht leitfähigen Kunststoff zu fertigen und die Master-Einheit (1) zumindest weitestgehend aus dem nicht leitfähigen Kunststoff zu fertigen. So enthält die Master-Einheit vorzugsweise weniger als 5 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 3 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt weniger als 2 Gew.-% an metallischen Bauteilen. Enthält die Master-Einheit (1) metallische Bauteile, so handelt es sich hierbei in der Regel um Steckverschraubungen; Hochspannungs-Kontakte, Erdungs-Kontakte, und Fangzylinder (z.B. Feder und Kolben). Trotz der gewichtsreduzierten Konstruktion unter Verwendung elektrisch nicht leitfähiger Kunststoffe, ermöglicht eine derartige Ausführung die sichere Adaptierung von Zerstäuber bis zu einem Gewicht von mindestens 10 kg aber durchaus auch höheren Gewichten wie beispielsweise bis zu 13 kg, bis zu 15 kg oder höher.

Es ist vorteilhaft den Schwerpunkt des Zerstäuberwechselsystems (inklusive des Zerstäubers) möglichst nahe am Hollow-Wrist des Beschichtungsroboters zu platzieren. Um dies zu erreichen, ist es bevorzugt die Master-Einheit (1) so kurz wie möglich auszuführen. Allerdings erfordert eine hochspannungsfeste Ausrüstung, dass bestimmte Isolierstrecken eingehalten werden. Diese Isolierstrecken liegen in der Regel zwischen 1,8 und 2,1 mm/kV und haben somit einen starken Einfluss auf die Bauteildimensionierung. Um die Isolierstrecken möglichst gering zu halten, ist es bevorzugt, dass alle medienführenden Leitungen, das heißt die beschichtungsmittelführenden Leitungen hochspannungsfeste Verschraubungen (1.21, 2.21) besitzen.

Die masterseitige Hochspannungsverschraubung (1.21) weist, bis zu einer bestimmten Spannung, eine gewisse Festigkeit für mögliche Kriechströme bzw. Durchschläge auf. Dabei wird bei der Kombination Mutter/MedienleitungA/erschraubung im fertig montierten Zustand zum einen die Kriechstromlänge erhöht, zum anderen vorzugsweise der Hohlraum zwischen Mutter/ Medienleitung/Verschraubung mit einem elektrisch isolierenden Stoff befüllt. Für eine Befüllung geeignete elektrisch isolierende Stoffe müssen LABS-Konformität gemäß VDMA 24364:2018-05 aufweisen (LABS = lackbenetzungsstörende Substanzen). Hierzu zählen entsprechend konforme Spezialfette und entsprechend konforme Vaseline.

Die beschriebene Verschraubung (1.21) besitzt vorzugsweise eine Durchschlags- bzw. Kriechstromfestigkeit von etwa 50 KV, wodurch die Isolierstrecke halbiert werden kann.

Die Verschraubungen (1.21, 2.21) für Medien im Allgemeinen sind vorzugsweise totraumfrei ausgeführt, um den Reinigungsprozess beziehungsweise das vollständige Evakuieren der mit flüssigen Medien gefüllten Leitungen in kürzester Zeit realisieren zu können.

Die Slave-Einheit (2) ist an den jeweiligen Zerstäuber angepasst, die Schnittstelle zum Zerstäuber bildet hierbei die slaveseitige Kupplungsplatte (2.2) und ein io slaveseitiges lösbares Verbindungselement (2.4), wobei letzteres vorzugsweise als Flansch (2.4) ausgebildet ist.

Die Kupplungsplatte (2.2) der Slave-Einheit (2) weist zerstäuberseitig Leitungen und/oder eine vorzugsweise im 3D-Druckverfahren hergestellte Adapterplatte für Stoffe, Energie und Information auf und ist fest mit dem Zerstäuber verbunden. Die Slave-Kupplungsplatte (2.2) ist dabei mit allen für den Betrieb des jeweiligen Zerstäubers notwendigen Kupplungsstellen besetzt.

Die Slave-Einheit (2) ist vorzugsweise so ausgeführt, dass diese das Kupplungsmännchen des Zerstäuberwechselsystems darstellt. Das heißt, dass sich die verschleißempfindlichen Dichtelemente in der Slave-Einheit (2) befinden. Hierdurch kann eine maximale Verfügbarkeit des Wechselsystems erreicht werden.

Vorzugsweise verfügt die Slave-Einheit (2) über einen Datenträger (2.7), der von der Master-Einheit (1) jeder Zeit abgefragt werden kann. Hierzu dient eine vorzugsweise an der Master-Einheit (1) befindliche Leseeinheit (1.7).

Der Datenträger (2.7) kann auch dazu dienen, dass die mit dem Zerstäuber verbundene Slave-Einheit (2) zur Ablage in oder Entnahme aus einem Magazin bzw. einer Wechselstation erkannt wird.

Neben dem vollautomatischen Wechsel der Zerstäuber sowie der Ablage in oder Entnahme aus einem Magazin bzw. einer Wechselstation, ist es jedoch auch möglich den mit der Slave-Einheit (2) verbundenen Zerstäuber von Hand am Roboter zu wechseln, ohne dass ein Magazin beziehungsweise eine Wechselstation angefahren werden muss.

Eine praktisch realisierte Ausführung des erfindungsgemäßen Zerstäuberwechsel systems ist den Figuren 2 bis 4 entnehmbar. Bezugszeichenliste

1: Master-Einheit

1.1: Masterseitiges lösbares Verbindungselement (Kegelflansch) zur kraft- und formschlüssigen Verbindung der Master-Einheit (1) mit der Slave-Einheit (2)

1.2: Masterseitige Kupplungsstellen an der Master-Einheit (1 )

1.21 : (hochspannungsfeste) Verschraubung an der Master-Einheit (1 )

1.22: Lagerluftverschraubung an der Master-Einheit (1 )

1.3: Adapter zum Anschluss der Master-Einheit (1) an den Hollow-Wrist eines Beschichtungsroboters

1.4: formschlüssig ausgeführter Fangzylinder 1.5: masterseitige Kupplung für Hochspannung bzw. Erde

1.6: Zentrierbuchse bzw. -bohrung (um die Slave-Einheit beim Kuppeln zu zentrieren)

1.7: Leseeinheit für den Datenträger 2.7 2: Slave-Einheit

2.1: Slaveseitiges lösbares Verbindungselement (Kegelflansch) zur kraft- und formschlüssigen Verbindung der Master-Einheit (1) mit der Slave-Einheit (2) 2.2: Slaveseitige Kupplungsplatte an der Slave-Einheit (1 )

2.21 : (hochspannungsfeste) Verschraubung an der Slave-Einheit (2)

2.22: Lagerluftverschraubung an der Slave-Einheit (2)

2.3: Fangflansch (Zentrierung bzw. Möglichkeit des Fixierens der Slave-Einheit in der Wechselstation)

2.4: Slaveseitiges lösbares Verbindungselement (Adapterflansch) zur Verbindung der Slave-Einheit (2) mit einem Zerstäuber 2.5: slaveseitige Kupplung für Hochspannung bzw. Erde 2.6: Zentrierdorne (um die Slave-Einheit beim Kuppeln zu zentrieren)

2.7: Datenträger

KS: kraftschlüssige Verbindung

FS: formschlüssige Verbindung