verpackungsmaschinen sind geprägt durch Bewegungsprozesse, die sich aus winkelsynchron zueinander ablaufenden Einzelbewegungen zusammensetzen. Im klassischen Maschinenbau synchronisiert eine mechanische Königswelle alle Bewegungen in einem definierten Ablaufschema. Bei den heute auf dem Markt dominierenden, elektronischen Verpackungsmaschinen setzen sich Verpackungsprozesse aus den Bewegungen einzelner Servomotoren zusammen, die durch eine Elektronische Königswelle (Electronic Line Shaft – ELS) synchronisiert werden. Jetzt erweitert die von der Elau AG entwickelte \’Intelligente Königswelle\‘ (Intelligent Line Shaft = ILS) das Prinzip der elektronischen Königwelle um den Aspekt der Rückkopplung: Die virtuelle Master-Achse erhält Feedback von den Slave-Achsen, um bei kritischen Bewegungen einzelner Achsen durch eine dynamische Reaktion das Überschreiten von definierbaren Grenzwerten zu verhindern. Funktionsprinzip Die ILS stellt damit ein völlig neues Verfahren dar, das die Möglichkeiten einer Abbildung von mechanischen Verfahren auf Elektronik bzw. Software in dieser Form erstmals voll ausschöpft. Bisher wird die mechanische Königswelle lediglich auf eine elektronische Lösung abgebildet, bei der – wie zuvor auch – Slave-Achsen mit einer Master-Achse starr gekoppelt sind und dieser folgen. Der generierte Nutzen besteht in dem leichteren Wechsel zwischen unterschiedlichen Kurvenprofilen zur Reduktion von Umrüstzeiten. Aus der zeitlichen Flexibilisierung winkelsynchroner Bewegungen wurde jedoch noch nie zuvor ein Vorteil gezogen. Durch ILS erhalten Entwickler daher erstmals wesentliche neue Freiheitsgrade zur Optimierung von Motion Control-Lösungen. Das Grundprinzip der Elektronischen Königswelle bleibt auch bei ILS unverändert: In der Antriebsarchitektur einer elektronischen Verpackungsmaschine verriegelt die Elektronische Königswelle alle in den Synchronverbund integrierten Servoachsen mit einer virtuellen oder realen Master-Achse. In der Motion Control Software der Steuerung generiert der virtuelle Master die Positionswerte für die Achsen-Module, die diese in Kurvenscheiben-Sollwerte für die Antriebe transformieren. In Abhängigkeit von der Sollgeschwindigkeit der ELS erzeugen die Antriebe ihren jeweiligen Bewegungsverlauf. Bei ILS erhält der virtuelle Master des Synchronachsenverbunds Feedback von den Slave-Achsen. Diese Informationen vergleicht er mit individuell für einzelne oder mehrere Slave-Achsen gesetzten Grenzwerten. Droht eine Überschreitung von Grenzwerten durch eine kritische Achsbewegung, drosselt der virtuelle Master seine Sollgeschwindigkeit um den Betrag, der zur Einhaltung der Grenzwerte erforderlich ist. Endet die in der Regel sich nur über einen Bruchteil der Taktdauer andauernde Begrenzungsphase, beschleunigt der Master wieder auf seinen vorgegebenen Sollwert. Dazu tastet der ILS-Algorithmus pro Bewegungszyklus einmalig die Profile aller Slave-Achsen ab, um den Verlauf von Steigung und Krümmung zu ermitteln. Aus diesen Informationen wird der Verlauf der maximal erlaubten Mastergeschwindigkeit und -beschleunigung bestimmt. Während der Bewegung ermittelt ein spezieller Algorithmus in Echtzeit, ob die Masterachse auf Sollgeschwindigkeit beschleunigen kann oder bremsen muss, um eine Grenzwertüberschreitung zu verhindern. Die ILS ist im Software-Konzept der Elau AG als IEC 61131-3-konformer Bibliotheksbaustein umgesetzt, der einen für die Realisierung der Elektronischen Königwelle einsetzbaren Standardbaustein (Axis Module) zur Intelligenten Königswelle erweitert. Dadurch kann die ILS nicht nur bei neuen Maschinen zum Einsatz kommen, sondern auch nachträglich in Maschinenprogramme bestehender Maschinen implementiert werden. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist eine Begrenzung nach drei unterschiedlichen Gesichtspunkten möglich: Die Begrenzung des virtuellen Masters kann anhand der Vorgabe einer Maximalgeschwindigkeit, einer Maximalbeschleunigung oder eines maximalen Drehmoments für die jeweilige Slave-Achse erfolgen. Spielraum für mehrere Optimierungsstrategien Die Intelligente Königswelle eröffnet Spielraum für unterschiedliche Optimierungsstrategien. Steht ausschließlich die Geschwindigkeit im Fokus, können durch Berücksichtigung geschwindigkeits- begrenzender mechatronischer Einzelbewegungen je nach Applikation Geschwindigkeitssteigerungen zwischen 10 und 30% realisiert werden. Ziel kann aber auch sein, bei gleichbleibender Geschwindigkeit die auf einzelne Servoachsen einwirkenden Belastungen zu reduzieren und dadurch die Standzeit der Maschine zu erhöhen. Genauso gut lassen sich beispielsweise auf Packmittel und Packgut einwirkende Beschleunigungsspitzen reduzieren, wenn diese dadurch zum Kippen kommen könnten. In allen Fällen besteht die Möglichkeit, die Optimierung durch Begrenzen der maximalen Geschwindigkeit oder/und der maximalen Beschleunigung zu erreichen. Die Begrenzung des Drehmoments steht im Vordergrund, wenn beispielsweise als Leitachse fungierende Asynchronmotoren durch Servomotoren ersetzt werden sollen. Bei steil ansteigenden Lastmomenten verhalten sich Asynchronmotoren \’weicher\‘ als Servomotoren, während diese durch ihr in der Regel größeres Drehmoment einen steileren Drehmomentanstieg verursachen. Das kann in extremen Fällen zu Stößen auf die Mechanik bzw. zu Schwingungen führen, die bei weiterer Erhöhung der Master-Geschwindigkeit ein zulässiges Maß überschreiten. Das lässt sich durch Vorgabe einer Drehmoment-Begrenzung verhindern, sowohl für die Master-Achse als auch für die Slave-Achsen. ILS am Beispiel \’Fliegende Säge\‘ Die Funktionsweise und der erzielbare Nutzen durch die ILS lässt sich am Beispiel der \’Fliegenden Säge\‘ praktisch aufzeigen. Die Fliegende Säge beschreibt einen Vorgang, bei dem ein kontinuierlich fahrender Produktstrang ohne Stopp durch eine Schneidvorrichtung in Stücke zerteilt wird. Im konkreten Beispiel soll eine Elektrische Königswelle den Vorgang zyklisch steuern. Die virtuelle Master-Achse soll sich mit konstanter Geschwindigkeit drehen, die Taktdauer zur Ausführung eines Schneidvorgangs soll 360ms betragen. Ein Taktzyklus zum Ausführen eines Schnitts setzt sich aus drei Phasen zusammen: Phase 1: Der Zyklus beginnt. Das Schneidwerkzeug – hier die Säge – beschleunigt aus einer Ruheposition auf die Geschwindigkeit des Produktstrangs und fährt an der Schneideposition synchron zum Produktstrang mit. Phase 2: Das Schneidwerkzeug führt während der Synchronfahrt eine Querfahrt aus und zerschneidet das Produkt an der definierten Schneideposition. Phase 3: Das Schneidwerkzeug fährt zurück zur Ruheposition, von wo aus der nächste Zyklus beginnt. Im Rahmen einer Prozessoptimierung soll nun eine Erhöhung der Taktrate vorgenommen werden, die eine Verkürzung der Taktdauer bis auf 300ms ermöglicht. Dieses Ziel ist mit der herkömmlichen Elektronischen Königswelle praktisch nicht umsetzbar: Eine Erhöhung der Geschwindigkeit des virtuellen Masters führt zu einer Verkürzung aller drei Phasen des Vorgangs. Es dürfen sich jedoch nur Phase 1 und Phase 3 verkürzen, Phase 2 – der Schneidvorgang – darf aus Qualitätsgründen nicht beschleunigt werden. Außerdem übersteigen die Beschleunigung aus der Startposition heraus und die Verzögerung bei der Bewegungsumkehr nach der Synchronphase im Hinblick auf die Massenträgheit die zulässigen Werte. Mit der ILS kann die Geschwindigkeit dennoch erhöht werden, ohne Verkürzung von Phase 2 (Schneidvorgang) und ohne Überschreiten zulässiger Beschleunigungswerte. Hierzu erfolgt die Vorgabe von drei Begrenzungswerten: Die Geschwindigkeit der Slave-Achse zum Längs-Verfahren wird für die Dauer der Synchronfahrt limitiert. Außerdem wird für die gleiche Achse für die gesamte Taktdauer jeweils ein maximal zulässiger Wert für die Beschleunigung bzw. die Verzögerung definiert. Kostengünstigster Optimierungsansatz für viele Anwendungen Die Geschwindigkeitserhöhung des virtuellen Masters wird in der Folge nur außerhalb der Schneidphase wirksam, und dort auch nur, wenn sie bei der Slave-Achse zu keiner Überschreitung von Grenzwerten führt. Der virtuelle Master fährt ein Geschwindigkeitsprofil ab und bremst immer rechtzeitig ab, wenn es zu Grenzwertüberschreitungen kommen könnte. Der Erfolg: Die Taktdauer kann von 360 bis auf 300ms verkürzt werden. Das bedeutet, die Geschwindigkeit des gesamten Vorgangs hat sich um mehr als 16% erhöht. Dieser Optimierungsprozess zeigt beispielhaft die Möglichkeiten, die mit der ILS offen stehen – ohne kostenintensive Mechanik- oder Software-Optimierungen. Der ILS-Baustein ist als Teil der PacDrive-Software-Bibliothek für Nutzer der Elau-Automatisierungstechnologie kostenlos erhältlich.
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