Erschienen am: 14.11.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN SPS-Special 2017

Direkt- und Motion-Control-Antriebe in Etikettier- und Verschlussmaschinen

Integriertes System für hohen Durchsatz

Die Anforderungen an moderne Etikettier- und Verschlussmaschinen sind hoch. Heutzutage kommt keine Maschine mehr ohne exakte Positionierung und Drehmomentregelung bei sehr hohen Geschwindigkeiten und Durchsatzmengen aus. Anforderungsgerechte Antriebe bieten hier eine Steigerung der Produktivität und eine Reduzierung des Ausschusses.


Der Gold Duet von Elmo ist eine integrierte Kombination aus Servoregler und leistungsfähigem Motor.
Bild: Elmo Motion Control GmbH

Zeitgemäße Etikettier- und Verschlussmaschinen verwenden Servomotoren mit Direktantrieb und Mehrachssteuerungen, die ohne mechanische Verbindungen auskommen, dabei klein sind sowie aufgrund ihrer Zuverlässigkeit den Wartungsaufwand reduzieren. Elmo Motion Control bietet passgenaue Direkt- und Motion-Control-Antriebe für Etikettier- und Verschlussmaschinen an. Die intelligenten Engineering-Tools sorgen für abgestimmte Servoachsen und effiziente Ethercat-Netzwerke und ermöglichen die schnelle und unkomplizierte Einrichtung von schnellen, hochpräzisen Etikettier- und Verschlussmaschinen.

Hohe Durchsatzmengen bei geringer Fehlerquote

Mit den Servoantrieben und Motion-Control-Technologie von Elmo lassen sich Durchsatzmengen von über 60.000 Etiketten pro Stunde problemlos sicherstellen. Die passgenauen Antriebe eignen sich für das Erzielen hochpräziser Etikettierungen bzw. Verschließungen bei geringer Fehlerquote. Mit der Antriebslösung lassen sich problemlos mehr als 60 Antriebe auf einer schnell drehenden Plattform parallel betreiben sowie die Übertragung der Ethercat-Kommunikation über Schleifringe schnell und effizient realisieren.

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Herausforderung Maschineneinrichtung

Für die Realisierung einer schnellen Flaschenetikettier- und Verschlussmaschine ist die Berechnung und Ausführung komplexer und dynamischer ECAM-Profile notwendig. Für diese Bewegungen müssen bewegliche Manipulatoren mittels schneller, ausgereifter und komplexer Steuerungsalgorithmen angesprochen werden. Die Aktuatoren benötigen Dutzende von Motoren und Antrieben, die auch unter widrigen Bedingungen, bei Erschütterung, in feuchter Umgebung und bei extremen Temperaturen funktionieren. Darüber hinaus gilt es, für eine schnelle und auf Signalintegrität ausgerichtete Kommunikation mittels Schleifringen zu sorgen. Das kann einen hohen Zeitaufwand mit mehrwöchiger intensiver Arbeit bedeuten, bei der ein hohes Maß an Fachwissen und viel Erfahrung erforderlich sind. Mit Advanced Motion Control von Elmo werden der Implementierungsprozess verbessert und die technischen Anforderungen zur Einrichtung reduziert. Außerdem verkürzt sich aufgrund der Motion Controller der Arbeitsaufwand bei der Implementierung im realen Anwendungsfall auf weniger als drei Tage. Dabei wurden außer dem Elmo Application Studio (EAS) keine weiteren Hilfstools benötigt.

Innovative Lösung

Eine Hochgeschwindigkeits-Etikettier- und Verschlussmaschine besteht aus 60 Achsen. Dabei werden die Flaschen automatisch in die Maschine eingespeist und an ein rotierendes Karussell übergeben, angetrieben von 60 leistungsfähigen Gold Duets. Dabei handelt es sich um ein integriertes System aus Servoregler und Motor, das einen Servomotor mit einem intelligenten Servoregler, in diesem Fall ein Gold-Whistle-Servoantrieb, in einer Einheit kombiniert. Die kompakte Motor-Regler-Kombination ist der geeignete Antrieb für Etikettiermaschinen mit hohem Durchsatz, da sie sich aufgrund der kleinen Baugröße leicht in den Karussells verbauten lässt. Zudem reduzieren die Gold Duets den Verdrahtungsaufwand, wodurch Platz im Schaltschrank gewonnen wird. Die geringe Verkabelung reduziert Einflüsse durch externes Rauschen oder elektromagnetische Störungen und ist somit für eine Mehrachsanwendung, die mittels Ethercat-Kommunikation gesteuert wird, geeignet. Darüber hinaus reduzieren die Direktantriebe die Installations- und Unterhaltskosten. Die Antriebseinheiten, die direkt am Karussell angebracht werden, nutzen ein hochauflösendes absolutes Gebersystem, um eine hohe Präzision und Servoperformance zu erreichen. Die robuste Lösung hält den mechanischen Erschütterungen der rotierenden Plattform stand. Die Antriebe sind verfügbar in verschiedenen Flanschgrößen und Leistungen von 30W bis 5kW. Sie sind in Schutzart IP65 lieferbar, mit allen gängigen Gebersystemen und Bremse. Am stationären Teil der Maschine befinden sich vier Hochgeschwindigkeitskameras. Wenn Flaschen eine Kamera passieren, erstellt diese eine Momentaufnahme und überträgt sie an einen Hostcomputer. Der Computer verarbeitet die Bilddaten und berechnet die genaue Etikettenposition mit einem Bildverarbeitungsalgorithmus. Die Flaschenumdrehung wird durch den Mehrachsregler Gold Maestro gesteuert, der die korrekte Zieletikettierungsposition bestimmt und das ECAM-Profil passend berechnet. Die ECAM-Funktionalität ist entscheidend für einen reibungslosen Betrieb der Etikettiermaschine. Alle Slaves arbeiten in der DS-402-standardisierten Betriebsart mit zyklisch synchronisierter Positionierung. Der Mehrachsregler und die Engineering Software EASII erlauben verschiedene Arten der Interpolation zwischen den einzelnen Profilpunkten für gleichmäßige Bewegungstrajektorien mit einer geringen Anzahl von ECAM-Punkten. Die Berechnung von ECAM-Profilen kann auch dynamisch im Betrieb und ohne äquidistante Stützstellen erfolgen. Ein Umschalten zwischen Profilen on the fly, die Erstellung mehrstufig-hierarchischer Topologien, virtuelle Achs-Synchronisation und weitere Funktionen, die den Implementierungsprozess vereinfachen und beschleunigen, sind ebenfalls möglich.

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Antriebsengineering in Minuten

Das Softwaretool kombiniert mit Elmos Motion Block Libraries (EMBL) ermöglicht eine einfache, schnelle Erstellung und präzise Prüfung der ECAM-Trajektorien, um die Maschine innerhalb von Tagen in Betrieb zu nehmen. Selbst hochkomplexe Profile und die Synchronität vieler Achsen lassen sich damit erstellen. Die EMBLs ergänzen das EASII Advanced Tool Setup. Elmo hat zahlreiche EMBLs entwickelt, die den Entwicklungsprozess der Maschine vereinfachen, z.B. Homing, Output Compare (PEGS), Emulation, ECAM, PVT, Splines oder Joystick. Mit dem Softwaretool werden Anwender einfach und schnell durch den gesamten Einrichtungsprozess geführt.

Perfekte Harmonie

Die Motion Controller bieten eine Mehrachssteuerung, die 60 Servoantriebe leitet und den gesamten Etikettierprozess kontrolliert und überwacht. Der Controller führt das komplexe Bewegungsszenario präzise aus. In Verbindung mit den Servoantrieben erzielt er harmonische Bewegungen. Dafür sorgen intelligente Funktionen und ein effizientes Network Mastering. Die integrierten Regelalgorithmen sorgen für hohe Leistung in jedem Lastfall und die genaue Abstimmung des gesamten Servoantriebssystems. Eine Überlagerung von Bewegungen mehrerer Achsen ist ebenso möglich wie die Zielpositionsbestimmung in Echtzeit, hochauflösendes ErrorMapping in 1D, 2D und 3D, elektronische Getriebefunktionen, der Aufbau von Bewegungen nach Polynomen höherer Ordnung und das Anfahren von Spline-Profilen.

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Volle Kontrolle

Zu den Eigenschaften der Baureihe gehören leistungsfähige Motion-Control-Funktionen, eine schnelle und einfache Anpassung an die individuelle Applikation, stabile Leistung, lange Lebensdauer und hohe Wettbewerbsfähigkeit. Zertifiziertes Ethercat und Zykluszeiten bis 250µs schaffen die Voraussetzung für schnelle, hochgenaue Regelungsprozesse von Maschinenachsen.

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