Mechatronik Produktivität gesteigert

Autor / Redakteur: Gerhard Vogel / Reinhard Kluger

Zusammenarbeit in der Mechatronik, wie sie sein sollte: Ein Systemlieferant für Getränkeabfüllmaschinen und Verpackungsmaschinen übernimmt den Mechanikpart und entwickelt gemeinsam mit einem Antriebsspezialisten eine Lösung, die den Maschinenbauer weiterbringt. Dieser nämlich kann qualitative Verbesserungen beim Etikettieren und der Drehmomentsteuerung realisieren. Eine Lösung, die sich auch auf andere Branchen übertragen lässt.

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Trotz hoher Geschwindigkeit: Jede Achse in der Abfüllanlage ist einzeln ansteuerbar, das schafft hohe Flexibilität beim Positionieren einzelner Flaschen.
Trotz hoher Geschwindigkeit: Jede Achse in der Abfüllanlage ist einzeln ansteuerbar, das schafft hohe Flexibilität beim Positionieren einzelner Flaschen.
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Grundgesetze der Mechanik gelten seit der Antike, ohne sie kommt der Maschinen- und Anlagenbauer nicht aus, um mechanisch Kraft übertragen zu können, und zwar kostengünstig und leistungsfähig. Rein mechanische Systeme haben jedoch auch ihre Grenze. Komplexe Bewegungsabläufe lassen sich nur mit einem hohen mechanischen Aufwand realisieren und steuern. Und: Mechanik unterliegt Verschleiß. Ein weiterer Nachteil: die geringe Flexibilität.

Moderne Produktionssysteme, auf höchste Leistung getrimmt und mit maximalen Möglichkeiten zum Anpassen an Produkte oder Gebinde, benötigen andere Techniken und Verfahren. So entwickelte die Krones AG, führender Systemlieferant im Bereich Getränkeabfüll- und Verpackungsmaschinen, gemeinsam mit dem Antriebsspezialisten Danfoss produktivere Systeme für Etikettierer und Verschließer mit Direktantrieben. Dabei steuerte die Krones AG die mechanische Lösung bei, während Danfoss für die gesamte Antriebstechnik verantwortlich zeichnete.

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Die Aufgabe bestand darin, mit diesen Systemen den Anwendern mehr Freiheit zu bieten. Im Fokus der Entwicklung stand auch eine weitere qualitative Verbesserung beim Etikettieren und beim Steuern des Drehmoments des Verschließers. Und weil Platz in Fabriken kostbar ist, galt es, den Platzbedarf der Anlage zu reduzieren, ebenso wie den Montage- und Verkabelungsaufwand. Alles mit dem Ziel: die Kosten zu senken.

Erste Entwicklung: der Etikettierer

Für den Etikettierer wollte Krones ein System mit Servotechnik haben, das ohne Getriebe auskommt und bei dem die gesamte Elektronik direkt am Motor platziert ist. Diese sollte das Servosystem, die Motorendstufe und einen digitalen Signalprozessor umfassen. Jeder der Motoren kann seine eigene, autark vorgegebene Steuerkurve abfahren. Eine übergeordnete Steuerung sollte nur noch die Datenverwaltung übernehmen und beispielsweise entsprechende Positions- und Bahndaten an die Motoren übertragen.

In der Realisierungsphase entschied sich Krones dann für einen Direktantrieb pro Teller. Dies hat den Vorteil, dass sich jede Achse einzeln ansteuern lässt. Die Anlage ist somit sehr flexibel beim Positionieren der einzelnen Flaschen und auch die Papierspannung beim Aufbringen der Etiketten ist feinfühlig einstellbar. Von Nutzen ist dies besonders beim Einsatz von Formflaschen oder anderen, nicht rotationssymmetrischen Behältern, denn hier kommt es besonders auf das genaue Positionieren und Einstellen der Papierspannung des Etiketts an. Außerdem entfallen mit den Getrieben auch Verschleißteile und der Antrieb arbeitet spielfrei.

Nach erstem Erfolg: Verschließer optimieren

Dass das Bessere Feind des Guten ist, denn die ersten entwickelten Verschließer ließen sich optimieren, um noch leistungsfähiger zu werden. Krones entschied sich für ein Servosystem mit integrierter Steuerelektronik und übergeordneter Steuerung.

Weil der Motor im aseptischen Bereich der Anlage installiert werden sollte und der Motor selbst auch kleiner sein sollte, erforderte die Entwicklung andere Werkstoffe und Bauformen. Heraus kam ein runder Motor aus Edelstahl mit einem Durchmesser von 60 mm. Die Elektronik ist in Achsrichtung aufgesetzt. Weil die Motoren häufig gereinigt werden, verzichtete Krones auf Steckverbinder am Motor, sondern der Systemlieferant ordert den Motor fertig verdrahtet mit einem vorkonfektionierten Kabel.

Eine Rastkupplung wie bei konventionellen Systemen entfällt, das Drehmoment wird allein durch die Messung des Stroms bestimmt. Dadurch erhält der Anwender die größtmögliche Flexibilität bei der Auswahl der Materialien, weil er je nach Kombination der Flaschen-/Verschlussmaterialien das optimale Drehmoment vorgeben kann. Die Folge: Zerstörte Gewinde oder beschädigte Flaschen verursachen keinen Produktionsstillstand mehr.

Servo mit integrierter Elektronik und Masterrechner

Zum Einsatz kommen hochpolige, permanenterregte Synchronservomotoren aus dem Kompaktservoprogramm von Danfoss-Bauer. In der dänischen Elektronikfertigung komplettiert Danfoss die Motoren um die eigengefertigten spezifischen Elektronikkomponenten, nämlich die Powermodule von Danfoss Silicon Power, und ein eigenes Rückführsystem.

In beiden Fällen steuert ein von Danfoss entwickelter Masterrechner übergeordnet das System. Er versorgt die mit dezentraler Intelligenz ausgestatteten Einzelantriebe mit den Produktionsdaten. Die Kommunikation läuft per Bus. In verschiedenen, parallel am Masterrechner angeschlossenen Strängen sind immer mehrere Achsen zusammengefasst, die dann über das Bussystem ihre Daten erhalten.

Weniger Installation, kürzere Inbetriebnahme

Verkabelt sind die Motoren mit vorkonfektionierten Kabeln, sowohl bei der Energieversorgung als auch bei der Buskommunikation mit dem Masterrechner. Im Falle des Etikettierers lassen sich die Motoren mittels T-Verteiler direkt von Motor zu Motor verbinden und nicht, wie bisher notwendig, muss man jeden einzelnen Motor zum zentralen Steuerungsrechner verbinden. Dies bringt erhebliche Vorteile: Die Installation einer großen Anlage mit beispielsweise 45 Achsen in herkömmlicher Servotechnik würde mehrere Tage erfordern. Die gemeinsame Lösung von Krones und Danfoss steht dem Betreiber der Anlage nach sieben Stunden zur Verfügung.

Beim Verschließer kommen die fertig montierten und getesteten Edelstahlmotoren anschlussfertig mit dem Kabelstrang. Dies ermöglicht eine weitere Besonderheit der Lösung: Im runden Gehäuse des Masterrechners nämlich herrscht ein geringer permanenter Überdruck. Alle Motoren lassen sich an das in der Hauptplatine des Rechners integrierte Bussystem anschließen. Dabei sind die Anschlüsse so ausgeführt, dass sich der Überdruck über den Kabelmantel bis hin zum Motor erstreckt. Der überall im System vorherrschende leichte Überdruck hält Eindringliche außen vor, er schützt gegen das Eindringen von Reinigungsmedien in Motor und Kabelstrang. In beiden Fällen sind alle Komponenten ausgiebig getestet, dadurch entfallen weitere Tests während der Installation. So lassen sich typische Fehlerquellen, wie der falsche Anschluss eines Antriebs, auf ein Minimum reduzieren.

Das flexible Antriebskonzept für einen Verschließer für Getränkeabfüllmaschinen eröffnet neue Wege für eine Vielzahl von Anwendungen. Denn eine dezentral gesteuerte Direktantriebstechnik stellt auch für andere Branchen eine effiziente Steuerungsmöglichkeit dar. Weil dank dieser Konzeption in der Maschine weniger Kommunikationsbedarf für Programminformationen erforderlich sind, liegt hier auch ein enormes Leistungspotenzial für eine effektive Maschinensteuerung brach. Spezialisten von Danfoss erörtern gern die Möglichkeiten und beraten beim Anpassen.

Gerhard Vogel, Verkaufsleiter Danfoss, Offenbach.

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