Komplettantriebe Komplexe Wickeltechnik

Wickelmaschinen gelten als Standardanlagen in der Industrie und dennoch gibt es besondere Ausführungen. Eine Folienwickelmaschine mit zusätzlicher Sandbefüllung ist so eine Besonderheit,

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Wickelmaschinen gelten als Standardanlagen in der Industrie und dennoch gibt es besondere Ausführungen. Eine Folienwickelmaschine mit zusätzlicher Sandbefüllung ist so eine Besonderheit, die hohe Anforderungen an Servoantrieb und Steuerung verlangt. Die Wickelanlage von GF-I aus Amberg wird bei Forum Plast zur Produktion spezieller Folien zum Abdecken von Spargelfeldern eingesetzt. Das Besondere dieser „Spargel“-Folie ist, dass sich deren Seitenteile mit Sand füllen lassen, so dass sie sich auf dem Spargel-Feld leichter ausrollen lässt.

Der zentrale Teil der Folienwickelmaschine besteht aus zwei Vorschubeinheiten, mit denen sich die Folie weitertransportieren lässt. Während dieses Vorgangs werden an den Seiten der Folie über eine entsprechende Vorrichtung Taschen eingelegt, an den Längsseiten zugeschweißt und anschließend mit Sand befüllt. Ein weiterer Bearbeitungsschritt verschließt dann auch die letzte Öffnung. Somit befindet sich immer die gleiche Menge Sand in den vorab genau definierten Seitenbereichen der Folie. Weil sich diese aufgrund der mit Sand gefüllten Seitenteile nicht einfach aufwickeln lässt – an den Seiten würde ein Wulst entstehen, der irgendwann nach innen fällt – läuft sie über eine Schwinge und eine so genannte Raffeinheit. Diese sorgt dafür, dass auch die mit Sand gefüllten Seitenteile über die gesamte Breite der Rolle verteilt werden, sodass die Wicklung möglichst gleichmäßig ist.

In der Folienwickelmaschine drehen insgesamt vier Servoantriebe; zwei mit je einem kW an den Vorschubeinheiten und zwei mit jeweils fünf kW an der Wickelachse. Hier geht es aber nicht nur um das reine Aufwickeln, auch die Umdrehungsgeschwindigkeit muss sich dem Durchmesser der aufgewickelten Folie anpassen lassen. Hinzu kommt, dass die Rolle mit fortschreitender Dicke trotz der Raffeinheit immer unwuchtiger wird. Das heißt, die Servoantriebe müssen einerseits bezüglich der Schwinge drehzahlkonstant arbeiten, andererseits den großen Lastwechsel zwischen Treiben und Bremsen aufgrund der Unwucht schnell verarbeiten können. „Die wesentlichen Aspekte bei dieser Anlage“, erläutert Marcus Gut, Geschäftsführer bei GF-I, „sind daher die kurzen Zykluszeiten der Steuerung, kombiniert mit den hohen Anforderungen an die Servos hinsichtlich der Synchronisierung der Vorschubeinheiten und einer maximalen Dynamik an der Wickelachse“.

Hohe Präzision und kurze Positionierzeiten

Die in der Folienwickelmaschine eingebauten Servoverstärker MRJ2-Super von Mitsubishi Electric sind je nach Ausführung für unterschiedliche Anwendungen konzipiert. So verfügen die Servoverstärker MR-J2S-A über analoge und digitale Eingänge und eignen sich besonders zum Regeln von Drehzahl-, Lage- und Drehmoment. Der Typ B wurde speziell für die Kombination mit modularen Steuerungen von Mitsubishi Electric ausgelegt, wobei Motion Controller und Servoverstärker über das SSCNET (Servo System Controller Network) vernetzt sind. Die CL-Variante bietet darüber hinaus programmierbare Antriebe mit integrierter Positionierfunktion.

Alle Modelle haben eine automatische Motorerkennung, RS232- und RS485-Schnittstellen sowie ein so genanntes Echtzeit-Autotuning, das die Einstellung des gesamten Regelkreises zum Vorabgleich der Güte über einen einzigen Parameter erlaubt. Dies gewährleistet eine automatische und kontinuierliche Abstimmung — auch für Anwendungen mit hängenden Lasten oder hohen Reibungsverlusten. Insgesamt stehen dem Anwender vier verschiedene Motortypen mit Leistungen von 50 W bis 55 kW, Nenndrehmomenten von 0,16 bis 33,4 Nm sowie unterschiedliche Massenträgheitsmomente zur Verfügung. Alle Motoren sind standardmäßig mit einem 17-bit-Encoder ausgestattet, bieten also 131.072 Impulse/Umdrehung.

Die modular konfigurierbare A2SH steuert die kompletten Folienwickelanlage. Ihr Vorteil: Flexibilität. Man kann sie problemlos erweitern und damit zusätzliche Aufgaben übertragen. So wurden beispielsweise die Sandbefüllung und auch die Schweißung der Folie, die sich über etwa 1,5 s hinzieht, ebenfalls mit eingebunden. Der Sand wird über eine pneumatische Saugförderung aus großen Containern angesaugt, volumetrisch dosiert und dann parallel zum getakteten Servomotor eingefüllt. Auch die nachträglich installierte Mechanik für das Stanzen von kleinen Löchern in die mit Sand gefüllten Taschen, damit die Luft entweichen kann, läuft über diese Steuerung. „Ein Bus ist bei dieser Anlage nicht notwendig“, so Marcus Gut, „da sich alle Aggregate in einem Schaltschrank befinden und die Servoantriebe für das so wichtige synchrone Verfahren über Achsmodule gesteuert werden“.

Die modulare Steuerung besteht aus einem Baugruppenträger mit Netzteil, CPU und E/As; wobei die CPUs in sechs unterschiedlichen Leistungen zur Verfügung. Genau diese Flexibilität war mit ausschlaggebend bei der Auswahl der Komponenten, denn für den von GF-I geplanten Produktionsprozess müssen nicht nur eine ausreichende Rechenleistung sondern auch sehr kurze Zykluszeiten zur Verfügung stehen. Die Steuerungen sind je nach Typ von 16 bis 1024 E/As ausbaubar (bei der Automatisierungsplattform Melsec System Q sogar bis 4096), bieten Zykluszeiten bis hin zu 0,075 ms pro logischer Anweisung und haben einen integrierten RAM-Speicher bis 124 k Schritte für das SPS-Programm. Bei Bedarf ist das Ganze mit einer PCMCIA-Card bis 4 MByte aufrüstbar.

Schwingungsfreie Positionierung

Die kürzlich vorgestellte Servogeneration MR-J3 bietet im Vergleich zu den eingangs beschriebenen Vorgängermodellen eine noch höhere Drehzahlstabilität — was sich insbesondere bei niedrigen Drehzahlen bemerkbar macht. Hinzu kommen Funktionen wie die Vibrationsunterdrückung für eine schwingungsfreie Positionierung und ein nochmals verbessertes Echtzeit-Autotuning zum schnellen Abgleich der Regelgüte. Außerdem sind die Geräte um bis 40 Prozent schmaler. Die beiden in der ersten Ausbaustufe zur Verfügung stehenden Motoren der Baureihen HF-MP und HF-KP decken einen Leistungsbereich von 50 bis 750 W ab, erreichen Drehzahlen bis 6000 U/min und bieten Drehmomente von maximal 0,48 beziehungsweise 7,2 Nm. Die Leistungen der Motorbaureihe HP-SP erreichen sogar bis hin zu 7 kW. Die Motoren sind in der Schutzart IP65, für die größeren Typen sogar in IP67, ausgeführt und der hoch auflösende 18-bit-Encoder stellt im Vergleich zu seinem Vorgänger doppelt so viele Absolutwerte pro Umdrehung zur Verfügung.

Das wohl Interessanteste neben dem sehr guten Regelverhalten aufgrund der hohen Durchtrittsfrequenz von 900 Hz (mit 3 dB) sind die Verfahren zur Vibrations- und Schwingungsunterdrückung. Aufgrund der Analyse des Frequenzganges in Verbindung mit adaptiven Filtern werden nicht nur störende Schwingungen erkannt sondern auch automatisch unterdrückt. Somit können Reglereinstellungen mit minimalen Positionierzeiten realisiert werden. Zusätzlich lassen sich mit einem besonderen Verfahren nun sogar zu niederfrequenten Schwingungen neigende freie Werkzeugarme bedämpfen. Somit können stabile Systeme ohne den Einsatz von zusätzlichen versteifenden Massen oder von exotischen Werkstoffen konstruiert werden.

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Zurzeit stehen dem Anwender zwei Versionen im Leistungsbereich von 50 W bis 7 kW zur Verfügung. Der Typ MR-J3-A wurde für Antriebssysteme mit einer konventionellen Steuerung entwickelt und ist wie der Vorgänger für reine Drehzahl-, Drehmoment- und Lageregelung ausgelegt. Die Version B hingegen zielt auf komplexe mehrachsige Bewegungsabläufe und wurde speziell für den Einsatz in einem Automatisierungsverbund konzipiert. Der Anschluss an die Motion-Control-Systeme und Positioniersteuerungen von Mitsubishi Electric erfolgt per Plug-and-Play über das schnelle optische SSCNET III mit einer Zykluszeit von nur 0,44 Millisekunden.

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