包括集成控制电路的施涂器的制作方法

本发明涉及一种用于向组件(例如，机动车车身组件或机动车车身组件的附加部件)施加涂覆剂(例如，油漆)的施涂器(例如，打印头)。

背景技术：

已知的现有按需滴定的打印头(例如，us9108424b2)的工作原理是基于电磁阀的使用。磁性活塞(阀针)在线圈中被引导并通过电流源提升到线圈中。这释放了阀开度，根据开启时间，流体(例如，墨水)能够作为墨滴或作为各种尺寸的“喷射部分”逸出。

在现有的打印头的情况下，电力电子设备和打印头逻辑二者都安装在打印头外部。电力电子设备用于产生操作电磁阀所需的电压和电流，而打印头逻辑用于根据给定模式并与机器人控制器同步地确定单个电磁阀的开关时间。

在大多数情况下，打印头固定于固定的支架，被打印(涂覆)的物体被引导经过打印头。替代地，打印头安装在线性单元上，通过线性单元，打印头被线性地前后移动，而被打印的对象被引导到打印头下方。这产生了简单的运动序列。然而，如果打印头安装在6轴线或7轴线机器人上，则运动序列复杂得多。这也影响用于控制阀线圈的由期望的打印图像-时间序列所产生的模式。

如果打印头包含大量(＞5，＞10，＞20，＞50)通电线圈，则必须单独控制每个线圈以产生期望的打印图像。对于每个线圈，需要至少一根、也可能几根导线，还可能需要针对集群或控制线中的电压供应的公共线。由致动器所产生的力越大，线圈必须设计得越大越坚固，并且单个导线的线缆剖面必须越大，这是因为电流要求相应较高。总的线缆剖面根据导线数量而增大。线缆束必须从控制电路或电力电子设备布线到打印头。

在固定式打印头的情况下或者在仅可略微移动(例如，在线性轴线上)的打印头和移动物体的情况下，仅存在少许值得注意的缺点。然而，如果打印头安装在多轴线机器人(6轴线、7轴线、n轴线)上，则线缆束必须从固定的控制电路穿过机器人臂、特别是穿过手轴线来布线。由于手轴线的大扭转角度以及高速度和高加速度，而可能在这些线缆上施加巨大的力。这需要具有适合这个应用的高柔韧性的特殊线缆。然而，正因为这种柔韧性，只能实现有限数量的导线或有限总直径的线缆。此外，较大的线缆剖面可限制或阻碍机器人的移动。如果线缆穿过手轴线铺设，则仅有有限的空间(剖面手轴线)可供其他线缆(涂覆剂、空气、溶剂)占用。

此外，控制器与打印头中的电磁阀之间的线缆长度是有问题的。较长的线缆长度会产生额外的欧姆电阻、额外的电感和额外的电容。这一方面导致功率损耗，另一方面导致时间影响，在最简单的情况下，必须由电力电子设备或控制逻辑进行补偿，直到如果无法再进行校正则功能失效为止。即使能进行校正，也必须在调试系统时对每个打印头或每个阀的安装单独执行校正。一方面，这涉及大量的工作来确定(校正)参数，另一方面，涉及这些参数在系统的使用寿命期间发生改变(例如，由于老化、环境影响或部件更换)的风险。

如果阀在快速开关操作模式下运行，则长引线还导致emc(electromagneticcompatibility：电磁兼容性)排放，emc排放对外部产生影响，干扰其他装置，并且对其他通道产生负面的内部影响。此外，来自其他源的外部干扰也能在长线中感应进入打印头系统，导致故障。

最后但同样重要的是，许多长而移动的线易中断，无论是在导线本身中，还是在所需的插件或接触点处。这样的中断一方面会导致施涂问题，另一方面仅能以高成本进行诊断。此外，具有电磁致动器的打印头的长供电线在防爆方面构成安全风险。通过线圈的电流很大，由于线圈的电感，如果供电线被中断，则会出现高压峰值。这可作为引火源、例如通过火花放电。在机器人中、特别是在机器人手轴线上来回移动的长馈线增加了线缆断裂的风险。

为了控制常规(涂漆)机器人，使用具有特定周期时间(例如，8ms、4ms、2ms、1ms)的机器人控制器。它们能够直接地或经由总线系统向连接到它们的致动器发送命令，以实现期望的施涂效果。所能实现的最小分辨率由机器人的周期时间和移动速度限定。通常，这些周期时间不足以达到打印头所需的(施涂)精度。

为施涂图形，各个阀必须能够以比机器人控制器允许的周期速率更短的间隔开启和关闭。例如，在期望的施涂分辨率为0.1mm且最大机器人路径速度为1000mm/s的情况下，需要最大100μs的周期时间。

因此，必须使用单独的打印头控制器，其能够比机器人控制器快很多倍地控制致动器。这种打印头控制由机器人控制器与用于开关致动器的信息一并提供，然后在被机器人控制器触发后独立处理。

图1示出了具有用于涂覆组件(例如，车身组件或车身组件的附加部件)的打印头1的常规涂覆装置的示意图表示。打印头1包含用于分配严密限制的成股的涂覆剂的多个喷嘴，由此，来自喷嘴的涂覆剂的分配由多个电磁阀2控制。

打印头1的控制由打印头控制3完成，打印头控制3通过多线线缆4连接到打印头1。线缆4中的线数量取决于打印头1中的电磁阀2的数量，这导致具有大量的电磁阀2的线缆4形成相对厚且相应地不灵活的构造。

一方面，打印头控制3包含提供控制电磁阀2所需的电压和电流的电力电子设备5。

另一方面，打印头控制3还包含确定电磁阀2的开关时间并且相应地控制电力电子设备5的打印头逻辑6。

在输入侧，打印头逻辑6一方面连接到图形模块7，另一方面连接到机器人控制器8。附图中示出的缩写rpc和rcmp代表术语“机器人和过程控制(robotandprocesscontrol)”和“机器人控制模块面板(robotcontrolmodularpane)”。

图形模块7指定待通过打印头1施加于组件(例如，机动车车身组件)的特定图形，由此，由图形模块7指定的图形确定电磁阀2的开关时间。然后，打印头逻辑6根据由图形模块7指定的图形来确定开关点。

机器人控制器8控制多轴线涂覆机器人，多轴线涂覆机器人引导打印头1到待施涂的组件(例如，机动车车身组件)的上方。对应的机器人控制数据从机器人控制器8被发送到打印头逻辑6。例如，这些机器人控制数据可包括打印头1的位置和朝向或者至少允许打印头1的位置和朝向从机器人控制数据得出。然后，打印头逻辑考虑由机器人控制器8提供的允许与机器人移动同步的机器人控制数据，根据由图形模块7指定的图形确定电磁阀2的开关时间。

然而，这种公知的布置结构具有在开头详细描述的缺点。

关于本发明的总体技术背景，还应该对us2002/0030707a1、de102012006371a1、ep1821016a2、wo2010/046064a1以及″applikationshandbuchleistungshalbleiter″，isbn978-3-938843-85-7进行参考。

技术实现要素：

因此，本发明基于创造一种相应改进的施涂器(例如，打印头)的任务。

这个任务通过根据主权利要求的根据本发明的施涂器(例如，打印头)来解决。

根据本发明的施涂器(例如，打印头)通常适用于涂覆剂的施涂。因此，本发明不限于关于待施涂的涂覆剂的类型的特定涂覆剂。然而，优选地，打印头被设计用于油漆的施涂。替代地，例如，涂覆剂可以是用于车身接缝密封的粘合剂或密封材料。因此，根据本发明的施涂器也可设计为粘合剂施涂器或密封材料施涂器。

还应提及，根据本发明的打印头通常适用于将涂覆剂(例如，油漆)施涂于特定组件。关于待施涂的组件的类型，本发明也不限制。然而，优选地，根据本发明的打印头被设计成将涂覆剂(例如，油漆)施涂于机动车车身组件或机动车车身组件的附加部件。

根据现有技术，根据本发明的施涂器首先具有用于以涂覆剂喷射的形式施涂涂覆剂的多个喷嘴。从而，每个喷嘴发射单独可控制的涂覆剂喷流。

这里应当提及，根据本发明的打印头不从喷嘴发射涂覆剂的喷雾锥，而是发射仅具有小喷射扩张的空间受限的喷流。根据本发明的打印头不同于不发射涂覆介质的空间受限的喷流而是发射涂覆介质的喷雾锥的雾化器(例如，旋转雾化器、空气雾化器等)。

单个涂覆剂喷流可均由空间上分离的涂覆剂液滴组成，因而涂覆剂喷流也可被描述为液滴喷流。替代地，涂覆剂喷流也可沿喷流的纵向方向相邻。

此外，根据现有技术，根据本发明的施涂器具有多个涂覆剂阀，其用于通过各个喷嘴控制涂覆剂的释放。

这些涂覆剂阀常规地可由多个电可控致动器(例如，磁性致动器)控制，使得致动器的电控制控制通过喷嘴的涂覆剂的释放。然而，本发明不限于关于致动器的动作的技术-物理原理的磁性致动器，而是也可使用其他的致动器类型来实现，例如仅举一个示例，使用压电致动器。

现在，根据本发明的施涂器通过以下事实与现有技术区分：用于致动器的电控制的控制电路集成在打印头中。因为其避免了上述的现有技术的问题，所以这是有利的。

将控制电路集成在施涂器(例如，打印头)中使得控制电路与致动器之间的线缆长度缩短，由此，降低了干扰电感和电容。

此外，将控制电路集成在施涂器(例如，打印头)中还由于线缆长度的缩短而使得emc排放减少并且降低了对外部emc排放的敏感性。

此外，控制电路与致动器之间的缩短的线缆也更不易中断。

此外，控制电路与致动器之间的缩短的线缆允许了涂覆剂阀的更高的周期速率或更短的开关时间。

通过将控制电路集成到打印头中，不仅能够显著减少线路中所需的导线数量，而且还能减小导线的剖面。如果控制电路以常规方式安装在控制柜中，则必须经常将10-50米的距离桥接到打印头上。在安培范围内的阀线圈所需的电流需要一定的剖面，以便将线路损耗最小化。必须向每个线圈设置该剖面。另一方面，如果将电力电子设备集成到打印头中，则能够通过选择用于电力电子设备的比线圈的标称电压(例如，12v)更高的电源电压(例如，48v)来最小化电流。另一方面，通过以轻微偏移的方式一个接一个地而不是同时地控制各个线圈，能够更进一步减小电流。这可以使用集成控制逻辑的高时钟频率来实现。为此，需要使时钟速率甚至高于施涂分辨率所需的速率。

例如，集成的控制电路可包含用于控制致动器的电力电子设备。这意味着电力电子设备提供操作致动器所需的电压和电流。

将电力电子设备集成到施涂器中使得电力电子设备与致动器之间的短线路成为可能，由此，例如，线路长度可为最大300mm、最大200mm、最大100mm或最大50mm、或者甚至最大10mm。在边缘性案例中，电力电子设备也可被直接安装在致动器上。

还应提及，电力电子设备以优选在6v至96v范围内、尤其是在12v至48v范围内的电压来驱动致动器。

电力电子设备以这样的方式控制致动器：使电流、优选在0.01a至10a的范围内、尤其是在0.25a至5a或0.05a-1a范围内的电流流过各个致动器。

电力电子设备优选地以具有可变占空比的脉宽调制(pwm：pulsewidthmodulation)来控制致动器。然而，本发明不限于关于使用的调制类型的脉宽调制，而是还能以其他类型的调制来实现。

此外，集成控制电路还可包括如上所述的打印头逻辑。打印头逻辑在输出侧连接到电力电子设备，并确定打印头的各个涂覆剂阀的开关时间。在输入端，打印头逻辑连接到机器人控制器和/或图形模块。

机器人控制器控制涂覆机器人，涂覆机器人在程序控制下将打印头移动到组件上方，由此，机器人控制器向打印头逻辑报告相应的机器人控制数据，以便打印头逻辑能够根据机器人控制数据确定各个涂覆剂阀的开关点。例如，机器人控制数据能够反映打印头的位置和朝向。替代地，打印头逻辑仅从机器人控制数据导出打印头位置和朝向也是可能的。

另一方面，图形模块根据待施涂于组件的预定义图形来定义致动器的开关模式。这些开关模式随后从图形模块传输到打印头逻辑。

打印头逻辑然后根据机器人控制数据和/或根据图形模块的开关模式来确定开关点，并相应地控制电力电子设备。

因此，打印头逻辑经由致动器的控制来控制连接到致动器针的喷嘴的打开和关闭过程。打开和关闭过程由在更高级单元中生成的程序指定。每个阀的状态(打开或关闭)针对每个机器人关于待涂漆的表面的位置存储在该程序中。

打印头可以以喷流的形式持续喷射涂覆材料，或以滴的形式喷射涂覆材料。在后一种情况下，控制器以高频(例如，10hz至2000hz、100hz至10000hz)打开和关闭喷嘴，同时打印头由机器人引导到待涂覆区域上方。

因此，打印头逻辑优选地具有以下组件或组装件中的至少一个：

-通信接口，其用于与机器人控制器通信，

-第一逻辑单元，其用于由图形模块提供的开关模式的逻辑处理，

-同步装置，用于将由图形模块提供的开关模式与机器人控制器同步，和/或

-第二逻辑单元，用于补偿致动器的控制链中的公差，以便实现各个致动器的各个通道的精确同步。

为了良好的施涂效果，打印头控制必须精确地对应于机器人的位置来开关阀。为此目的，控制电路与机器人控制器的周期同步，并在指定的阀程序将被执行时由其触发。

由于各个阀可能具有不同的特性(例如，由于制造公差)，所以控制电路包含通过单独控制每个阀来补偿这些特性的机制。将控制电路集成到施涂器(例如，打印头)中，得到可被完全测试和参数化的单元。这使得用户能够容易地将打印头从一个机器人改变到另一个机器人。

在本发明的一种形式中，致动器是电磁致动器，每个致动器具有线圈。根据施加到线圈的电流，电枢随后在线圈中移动，从而电枢直接或间接作用于阀针。为打开涂覆剂阀，电力电子设备随后以相对高的启动电流控制所述致动器线圈。在打开并且保持涂覆阀打开之后，电力电子设备只需以低于启动电流的更低的保持电流驱动致动器。

如果致动器被设计为各自具有一个线圈的电磁致动器，则线圈优选地以第一线圈接头永久地连接到地或电源电压而不考虑开关状态如何，而第二线圈接头经由可控开关元件连接到地或电源电压。用于开关线圈的可控开关元件可布置在正侧(“高侧”)或负侧(“低侧”)上。此外，续流二极管可并联连接到线圈。

在本发明的另一示例中，另一方面，两个线圈接头均经由可控开关元件连接到电源电压或地。具有用于开关线圈的两个可控开关元件的本发明变型因两个优点而有利。首先，储存在线圈的磁场中的能量不在线圈中消耗，而是回流到电源中。另一方面，通过两个开关元件对能量的重新配置比线圈中的消耗要快得多。

然而，这两个优点被更高的安装工作量的缺点所抵消，因为每个阀门需要两条导线，而只有单个开关元件的线圈的开关需要相应地更少的导线。然而，由于电力电子设备和致动器之间只需要短线路，因此，与根据本发明的将电力电子设备集成到打印头中相比这种缺点是次要的。

在具有用于开关线圈的两个可控开关元件的本发明的这个变型的情况下，可设置两个续流二极管或另外两个可控开关元件。

简单功率输出级的另一特性是在两个不同的占空比之间简单切换脉宽调制(pwm)，以便以用于打开的高电压和用于保持的低电压来控制线圈。然后，由产生的电压、线圈的dc电阻(rdc)和电源线中的线电阻产生通过线圈的电流。由于dc电阻(rdc)通常在几欧姆的范围内，所以显然线电阻的影响不再可以忽略。它直接影响线圈中的电流，从而影响致动器能够施涂的力。线电阻的可变性越大(例如，由于不同的线缆长度和/或剖面)，这种影响就变得越恼人，并且可通过集成到施涂器中来显著减小。电力电子设备离致动器越近，这两个组件之间的连接的影响就越小。由于电力电子设备定位在打印头中，因此到致动器的电线很短(≤300mm，≤250mm，≤200mm或甚至≤150mm)。此外，这种连接不再需要跟随机器人的移动，而是能被固定。

此外，由于温度影响(特别是线圈电阻)导致差异。在简单的控制系统中，这些以这样的方式与线路损耗一起被补偿：以比实际需要的电压更高的电压操作线圈以便具有足够的功能储备。因此，在线圈中流动比通常实际所需更大的电流，从而导致更高的热量发生，并使系统整体更低效。因此，从本质来说最好调节线圈中的电流，而不是以不同的电压操作线圈。控制系统的稳定性也得益于向打印头的集成，这是因为外部影响被降低到最小。

还应提及，控制电路可被集成在施涂器外壳或施涂器的连接法兰中。

在本发明的优选示例中，施涂器是防爆的、特别是根据dinen60079-2标准而防爆的。例如，这可以通过用压缩气体冲洗施涂器的外壳来实现。为了使施涂器(例如，打印头)按照适用法规防爆，可以用惰性气体(例如，压缩空气)吹扫整个外壳，从而形成低的内部压力(＜1巴尔)。传感器持续地测量内部压力。内部压力的极限值(最小压力和最大压力)是安全构思的一部分，并被存储在更高级别的控制系统中。进入外壳的气体经由外壳中的孔(节流阀、阀、止回阀)或与外壳相邻的组件逸出，并且进入打印头附近或进入其他无压区域、例如经由手轴线进入机器人臂。在特殊版本中，气体以冷却致动器和/或电子组件的方式引入外壳。电子组件(例如，电路板、组件)也可被涂上自交联聚合物，以达到防爆目的。

此外，应当提及，本发明不只是要求保护作为单个组件的上述施涂器。而是，本发明还要求保护一种具有这种施涂器的涂覆机器人(例如，涂漆机器人)。

最后，本发明还要求保护一种具有根据本发明的其上安装有施涂器的涂覆机器人的完整的涂覆装置(例如，涂漆系统)、一种用于涂覆机器人的程序控制的机器人控制器和一种用于根据预定图形设置致动器的开关模式的图形模块。

机器人控制器与打印头控制器之间的布线能够减少到最小。线缆可包括用于致动器的电源、特别是具有在0.1kw、0.5kw或大于1kw的功率下的48vdc的电压的电源。此外，线缆可具有用于打印头逻辑和/或电力电子设备的控制电压电源、特别是具有24vdc的电压的电压电源。线缆还可配备有电位均衡和/或用于连接到机器人控制器的通信连接(例如，以太网连接)。

本发明还允许线缆为混合线缆，其中，线缆的所有导线在公共的保护套下，和/或若干功能共享线缆的公共导线、特别是公共地线。

最后，应该提及，机器人控制器、图形模块和/或打印头逻辑与施涂器的连接应该是可分离的、特别是可插拔的。这里，例如，与施涂器的连接可位于施涂器的外壳中、连接法兰中、位于外壳外侧或位于连接法兰的外侧。

附图说明

本发明的其他有利的更多修改在从属权利要求中指出或在下面与使用附图对本发明的优选实施例的描述一起更详细地解释。它们示出：

图1是具有打印头的常规涂漆装置的示意图表示，

图2示出了基于发明的涂漆装置的示意图表示，其中，打印头逻辑和电力电子设备集成在打印头中，

图3是图2的变型，其中，仅电力电子设备集成在打印头中，

图4是图2的变型，其中，机器人控制的图形模块被预先设计，

图5是示出通过单个开关元件对电磁阀的线圈的控制的示意图，

图6是具有用于控制线圈的两个开关元件的图5的变型，

图7是利用两个另外的开关元件代替图6中的续流二极管的图6的变型，

图8示出了示出用于两个不同的开关模式的脉宽调制的示图，

图9示出了在开关线圈时的电流曲线。

具体实施方式

图2示出了基于本发明的涂漆装置的示意图，例如，该涂漆装置能够用于对车身组件涂漆。根据本发明的这个实施例部分地对应于上述和如图1所示的表述，因此为避免重复，对上面的描述进行参考，由此相同的附图标记用于对应的细节。

这个实施例的一个特别的特性是打印头逻辑6和电力电子设备5集成在打印头1中。

一方面，这具有以下优点：电力电子设备5与电磁阀2之间的线路4更不易中断。

另一方面，电力电子设备5与电磁阀2之间的线路也对来自外部的干扰性emc排放更不敏感。

另一优点是电力电子设备5与电磁阀2之间的线路更短，因此在线路中更少发生功率损耗，时间影响也更弱。

通常，通过缩短线路，会产生更少的附加欧姆电阻、电感和电容。

此外，由于电力电子设备集成在打印头1中，因此电力电子设备5与电磁阀2之间的线路不受到任何如现有技术的情况下的机械变形的影响。

图3示出了图2所示的实施例的变型，因此为避免重复，对上面的描述进行参考，相同的附图标记用于对应的细节。

这个实施例的一个特别的特性是，仅电力电子设备5集成在打印头1中，而打印头逻辑6布置在打印头1外部的打印头控制3中。

图4所示的示例再次很大程度上对应于上述示例，因此对上面的描述进行参考以避免重复，相同的附图标记用于适当的细节。

这个示例的一个特别的特性是打印头逻辑6不如图1至3所示直接连接到图形模块7。而是，机器人控制器8被布置在打印头逻辑6与图形模块7之间。因此，打印头逻辑6仅间接地连接到图形模块7。

图5示出了用于控制电磁阀2中的线圈l的简化电路图。线圈l的第一线圈接头9直接连接到电源电压dc。另一方面，第二线圈接头10经由可控开关元件s接地。线圈接头9直接连接到电源电压dc。

续流二极管d与线圈l并联。线圈的电压由地电压控制。

此外，电容器c与电源电压dc并联。

上述功率输出级的设计相对简单，但这个设计具有延长了电磁阀2的关闭时间的缺点。在可控开关元件s的闭合状态下，能量被输入并存储在线圈l的磁场中。然后，该能量用于控制该阀。如果可控开关元件s现在被打开，则电流由于存储的能量而继续经由续流二极管d流动，直到磁场完全消除为止。这在以滴打印时是尤其不期望的。

因此，图6示出了功率输出级的一个替代的可能设计，其又部分地对应于上述的简单设计，因此对上述描述进行参考以避免重复，由此相同的附图标记用于对应的细节。

这个设计的一个特别的特性是，第一线圈接头9经由第一可控开关元件s1连接到电源电压dc，而第二线圈接头10经由第二可控开关元件s2接地。

此外，第一线圈接头9经由第一续流二极管d1接地，而第二线圈接头10经由第二续流二极管d2连接到电源电压dc。

这种功率输出级的设计具有两个优点。首先，存储在线圈l的磁场中的能量不在线圈l中消耗，而是流回电源或存储电容器c。第二个优点是，该能量不在线圈l中消耗，而是流回电源或存储电容器c。另一方面，来自线圈l的能量的这种重新配置比消耗快得多。

然而，这两个优点被更大的安装工作量的缺点所抵消，这是因为阀2中的每个需要两根导线来控制两个开关元件s1、s2，而根据图5的简单解决方案一次只需要一根导线来控制开关元件s。然而，由于根据本发明的打印头1中的电力电子设备5的集成，该缺点是次要的。

图7示出了根据图6对实施例的变型，为了避免重复，对上述描述进行参考，相同的附图标记用于对应的细节。

这个实施例的一个特别的特性是，两个续流二极管d1、d2已被两个可控开关元件s3、s4替代。

图8示出了示出根据两个不同的开关模式11、12的脉宽调制中的两个不同电压u1、u2的示图。开关模式11产生相对高的电压u2，而开关模式12产生较低的电压u1。

最后，图9示出了当启动电磁阀2中的一个时的电流曲线。在起始偏移tv之后，电流i首先上升到起始电流is，然后保持这个值达起始持续时间ts。然后电流下降到较小的保持电流ih，并且保持这个较低的值达特定的保持时间th。

本发明不限于上述优选实施例。相反，本发明还要求对独立于在每个案例中提及的权利要求、特别是也不具有主权利要求的特征的从属权利要求的主题和特征的保护。因此，本发明包括本发明的彼此独立地享有保护、特别是在没有主权利要求的技术教导的情况下彼此独立地享有保护的各个方面。

附图标记列表

1打印头

2电磁阀

3打印头控制

4打印头控制与打印头之间的线缆

5电力电子设备

6打印头逻辑

7图形模块

8机器人控制

9第一线圈接头

10第二线圈接头

11，12开关模式

c电容器

d，d1，d2续流二极管

dc电源电压

l电磁阀线圈

s可控开关元件

s1-s4可控开关元件

u1，u2两个开关模式11、12的电压