Didaktischer Demonstrator für neue Entwicklungsmethoden im Packaging

Puck&Play

Bei modularen Verpackungsmaschinen steht die Losgröße 1 als Maß der Dinge. Ein Mittel zum Zweck sind dezentrale Steuerungskonzepte mit hoher Datendurchgängigkeit. Bei AMK demonstriert man mit Smart Airhockey spielerisch Analogien, die im Packaging fingerzeigend sind - damit Modularität und Flexibilität im Maschinenbau vom Antrieb über die Steuerung bis hin zu Predictive Maintenance anschaulich gezeigt und begriffen werden können.


Modularisierung im Packaging bedeutet, eine Maschine in standardisierbare Funktionseinheiten zu zerlegen. Flexibilität heißt, kleine Losgrößen zu Konditionen einer industriellen Großserienfertigung zu verpacken. Erreicht man im Maschinenbau beides, so lassen sich die Engineering-Kosten und -Zeiten signifikant senken. Die im Verpackungswesen üblichen, kurzen Produktwechselzeiten brauchen eine Achsvereinzelung sowie automatisierte Formatverstellung, wobei die Maschinen immer kompakter werden. Das schnelle Umkonfigurieren gewährleistet ein Baukastensystem, basierend auf standardisierten Hardware- und Softwaremodulschnittstellen, das sich einfach kombinieren lässt.

Produktivität und Individualisierung

Darüber hinaus geben zwei Trends die Richtung vor: steigende Maschinenproduktivität und die zunehmende Individualisierung der Produkte. Damit werden dezentrale Steuerungskonzepte im Packaging immer wichtiger. Entsprechende Automatisierungslösungen umfassen echtzeitfähige Busse, ins Maschinenbett integrierte I/O-Systeme, kleine, in der Anlage verteilte Schaltkästen sowie dezentrale, kompakte Servoantriebstechnik. Bezüglich der passenden Antriebslösungen montiert man Antriebsregler nicht länger im Schaltschrank, sondern direkt auf dem Motor in der Maschine. So bleibt der Anlagenbauer flexibel, da er einen kompakteren Schaltschrank konfigurieren und sich zudem den Platz und den Umbau für zusätzliche Antriebsregler sparen kann. Der Wandel im Packaging setzt sich auch in der Struktur der klassischen Automatisierungspyramide fort: Mehr und mehr setzt sich das intelligente Automatisierungsnetzwerk mit Cloud-Funktionalität durch, wobei der Antriebstechnik als Bewegungsexekutive eine tragende Rolle zugeschrieben wird. Für diese Netze braucht man die Eigenschaften einer intelligenten Antriebstechnik, die vernetzbar, autark und skalierbar sein muss. Gerade im Packaging sind miniaturisierte, multifunktionelle und autark agierende Elektroniksysteme gefordert, damit die Daten aufgenommen, verarbeitet und übertragen werden, und so mit Steuerung und Kommunikationsnetzwerken interagieren. Unter diesen Voraussetzungen der zunehmenden Digitalisierung und Vernetzung müssen diese smarten Elektroniksysteme leistungsfähig und zugleich energieeffizient sein, was nur durch Lösungsansätze realisiert werden kann, die durch moderne Komponenten, intelligente Firmware und neue Interface-Architekturen gewährleistet sind.

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Spielend im Engineering umsetzen

Die Kenntnis dieser Trends in der Verpackungstechnik ist die eine Seite der Medaille. In der Umsetzung liegt die Kunst der Dinge darin, vorhandene oder neue Anlagen auf diese neuen Bedürfnisse der Branche vorzubereiten oder zu realisieren. Neuartige Komponenten und Systeme lassen der Kreativität im Engineering freien Lauf, Lösungen für die Verpackungsmaschinen zu detektieren. Passend zu dem Umdenken zeigt AMK den Smart-Airhockey-Demonstrator, der interessante Analogien zwischen dem Spiel und dem Packaging aufzeigt. Exakt für die beschriebenen Anforderungen nach höherer Varianz und kleineren Losgrößen bei höherer Ausbringung offeriert das Anschauungsobjekt - sozusagen im Schlagabtausch zwischen Mensch und Maschine - wichtige Erkenntnisse, die man für flexible wie auch modulare Anlagenkonzepte verstehen muss. Um Rüstvorgänge gering zu halten, braucht man das Verständnis der in der Maschine integrierten Besonderheiten, damit sich der Funktionsablauf in der Maschine verbessern lässt - sei es durch die Verstellung von Antriebsachsen, mit intelligenten Systemen nach aktuellen IIoT-Ansätzen und lokaler Motion-Control mit (Ablauf-)Steuerung in der Cloud.

Schlagabtausch zwischen Mensch und Maschine

Mit dem hochdynamischen Geschicklichkeitsspiel sollen Neuerungen in der Antriebstechnik veranschaulicht werden, die in der genaueren Betrachtung die Zusammenhänge zur Verpackungstechnik anwendungs- und zielgruppenspezifisch darstellen. Im Spiel geben sich mit dieser proaktiven Kommunikation die technischen Vorteile zu erkennen, die die Anwendung besser auf die Bedürfnisse anpassen. Hier können sich unterschiedliche Fragen ergeben: Wie lassen sich die mechanischen Grenzen einer Antriebslösung mit Mechatronik überwinden? Wie verfährt man, wenn Reaktionszeiten in der Sensor- und Kameraperipherie immer kürzer werden? Mit welchen modernen Kommunikationsprotokollen können die unterschiedlichen Aufgaben in spezialisierten Anlagenmodulen gelöst werden? Wo punkten digitale Simulationsmodelle für eine Mensch/Maschine-Kollaboration?

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Analogien interessant verpackt

Das Engineering hinter Puck und Tisch ist schnell zusammengefasst: Eine 300FPS-Highspeed-Kamera erfasst die Szenerie um den H-förmigen Aufbau für zwei Achsenbewegungen mit sehr geringen beschleunigten Massen. In der Entwicklung sind Sensorik und Aktorik im Vorfeld simuliert worden, wobei man mit virtuellen und realen Prototypen den Prozessablauf getestet hat. Im Demonstrator ist ein schnelles Sensor-Interface integriert, das die Übertragung der digitalen Signale in Echtzeit von der hochdynamischen Bildverarbeitung an die Motion Control des Umrichters gewährleistet. Eine Basis, die für das schnelle Adaptieren von neuen Aufgaben im laufenden Betrieb wichtig ist. Bestes Beispiel sind Verpackungsgrößenwechsel und das Sortieren mit Pick&Place in Losgröße 1, ohne die Anlage anzuhalten. Aktuelle IIoT-Ansätze und -Standards wie der digitale Zwilling und der Datenaustausch per OPC UA machen den Weg frei für Web-Services in einer digitalisierten Wertschöpfungskette. Im digitalen Workflow, in dem Prozesse und Entscheidungen parallel laufen, wird die Erweiterbarkeit und Adaption bestehender Systeme erleichtert. Die hohe Kompatibilität zwischen Modulen unterschiedlicher Lieferanten ermöglicht die nahtlose Integration neuer, ursprünglich ungeplanter Produkte. Dezentrale Steuerungsstrukturen dominieren die Anlagenszenerie: mit dem Einsatz des Multiservo von AMK lässt sich Motion Control autark und intelligent verteilen, was dem Trend zu einer mechatronischen Modularisierung der Anlage folgt. Verfügen die Maschinenmodule über eine eigene Steuerung und sind Busarchitekturen darauf vorbereitet, Module simpel hinzuzufügen, dann sind gewünschte Veränderungen der Ablaufsteuerung in der Cloud schnell umsetzbar. Dem Systemgedanken folgend eröffnen sich mit diesem Demonstrator weitere Themenfelder wie Simulation mit VR/AR, die der vernetzbaren Antriebs- und Steuerungstechnik eine völlig neue Rolle geben. Mit dem Projekt Smart Airhockey ist dem Komponenten- und Systemhersteller AMK ein attraktives Anschauungsobjekt gelungen, der mit den Trends im Maschinenbau weiterwächst und dem Betrachter neue Lernkurven bereithält. "Der Demonstrator kann für sich ändernde Entwicklungsmethoden und -paradigmen als Fingerzeig und didaktisches Mittel begriffen werden - gleichermaßen geeignet für Studierende und erfahrene Ingenieure", resümiert Dr. Fabian Distel, Innovation Manager bei AMK. "Jeder kann sich spielerisch mit den aktuellen Trends beschäftigen: der Wandel von der klassischen Automatisierungspyramide, Augmented und Virtual Reality, IIoT-Geschäftsmodelle und vielen mehr."

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