Fortschritt durch Motion Control für Verpackungsmaschinen

Die entscheidenden Teile einer Schlauchbeutelmaschine sind die Quersiegelbacken. Bei der Neuentwicklung einer kontinuierlichen vertikalen Hochgeschwindigkeits-Schlauchbeutelmaschine entschied sich Bestrom nach einer detailierten Analyse der Maschinenmechanik für eine rotierende Siegelbackenkinematik mit zwei Siegelbackenpaaren. Eine Siegelbacke versiegelt, während sich die zweite mit maximaler Geschwindigkeit in ihre Ausgangsposition bewegt. Mit dieser Art von Kinematik verdoppelt sich die zur Verfügung stehende Siegelzeit, wodurch der Kunde eine Folie mit optimalem Preis-/Leistungsverhältnis verwenden kann. Entwicklung eines Prototyps Der erste Maschinenprototyp verfügte über drei Servoachsen, zwei Siegelbackenpaare wurden von einem Servomotor angetrieben. Der Prototyp wurde gründlich getestet und führte zu der Entscheidung, auf die mechanische Kopplung der Quersiegelbacken zu verzichten und für jedes Siegelbackenpaar unabhängige Servomotoren zu verwenden. Das beseitigte die negativen Wechselwirkungen durch die Elastizität der mechanischen Kopplung und ermöglichte es, die Siegelbackenzyklen symmetrisch zu gestalten. Bei einer solchen Lösung müssen die Bewegungsprofile der Siegelbacken durch Kurvenscheiben festgelegt werden, die von einem Steuerungssystem auf Basis der auf einer HMI eingestellten Daten berechnet werden (Bild 1). Mit dieser Anforderung sondierte der Maschinenbauer den Markt für elektronische Geräte auf der Suche nach einem Hardware-Lieferanten. Nach einer gründlichen Analyse fiel die Entscheidung für Siemens als einen Hauptlieferanten für die Hardware- und Software-Komponenten für die Bestrom 220 MK – Bewegungssteuerungssystem, Antriebe, Peripherie, HMI, Bibliotheksfunktionen. Diese Entscheidung beruhte auf den folgenden Voraussetzungen: – Die Verpackungslösung Simotion Baggers & Wrappers von Siemens ermöglichte bei geringem Aufwand die Lösung fast aller gängigen Verpackungsaufgaben (Kurvenscheibensynchronisation, Druckmarkenkorrektur, Temperaturregelung, usw.) und die Konzentration auf das eigene Know-how. – Die Simotion Steuerung umfasst sowohl Logik-, Motion und Technologiefunktionalitäten. – OMAC-Maschinenmodi und HMI-Bildschirme im Paket Simotion Baggers & Wrappers, erleichtern die Einbindung der Maschinen in vorhandene Anlagen. – Die Sinamics Antriebsfamilie bietet eine hohe Verlässlichkeit und deckt durch ihre Skalierbarkeit viele Anforderungen ab. – Das Konzept \’alle Maschinenhardwarekomponenten von einem Lieferanten, der auf der ganzen Welt über Service-Center verfügt\‘ ermöglicht es, den Endkunden geringe Stillstandzeiten im Falle von Funktionsstörungen zuzusichern. Grenzen der Maschinen Maschinen mit rotierenden Quersiegelbacken haben zwei wesentliche Grenzen: erstens die Beutellänge und zweitens die Siegelzeit Ts. Nur mit einer leistungsfähigen Kinematik können diese Grenzen ausgereizt werden. In Bild 2 stellen die schwarzen Kurven die Maschinenparametrierung bei verschiedenen Siegelzeiten (von 0,57 bis 0,095s) und die roten Kurven die Mindestbeutellänge bei verschiedenen Freilaufzeiten (von 0,3 bis 0,2s) dar. Aus der Grafik lässt sich entnehmen, dass bei Tback-Auslaufband <0,2 Sekunden die Maschinenproduktivität bis zu 180 Packungen pro Minute und sogar mehr gesteigert werden kann, unabhängig von der Mindestbeutellänge. Mit dem neuen Antriebssystem von Siemens-Sinamics weist die Best­rom 220 MK eine T(back)-Zeit von weniger als 0,14s auf. Vier Servoachsen Die heute angebotene Maschine verfügt über vier Servoachsen: eine Folienzuführungsachse, eine Längssiegelungsachse und zwei Quersiegelungsachsen. Die Synchronisationskurvenscheiben für jede Siegelbacke verfügen über drei bis fünf Segmente, von denen jedes von einem Polynom bis zur fünften Ordnung bestimmt wird. Jedes Ende eines Kurvenscheibensegments wird durch zwei Bedingungen/Begrenzungen definiert (Geschwindigkeit und Beschleunigung). Dadurch wird eine gleichmäßige Bewegung der Siegelbacken gewährleistet, was die Lebensdauer der Maschinenmechanik erhöht. Aufgrund der Möglichkeiten der Simotion/Sinamics-Lösung, Frequenz- und Sprungantwort-Diagramme für die Regelung von Strom, Geschwindigkeit und Position zu plotten, wurden die optimalen Steuerungsparameter unter Berücksichtigung bestimmter mechanischer Eigenschaften der Maschine festgelegt. Beschleunigung & Verzögerung Für einen solchen Maschinentyp sind die Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen der Siegelbacken wesentlich. Die kinetische Energie aus den Bremsphasen wird in das Netz zurück gespeist und nicht als Wärme in einem Bremswiderstand \'verheizt\'. Das führt zu besseren Umgebungsbedingungen für den Maschinenbetreiber und aufgrund der höheren Energieeffizienz zu Einsparungen für den Kunden. Die Produktionsgeschwindigkeit der Maschine von 180 bis 200 Packungen pro Minute ist eine hohe kinematische Geschwindigkeit. Damit die Produktionsgeschwindigkeit der Maschine so hoch werden kann und die Kunden von der Maschine profitieren, muss diese auch mit einer Hochleistungs-Dosiereinheit mit Anpassfunktion ausgerüstet werden. Der Kunde muss der Maschine nur noch das Produkt zuführen, die Maschine stellt dann automatisch die höchstmögliche Dosierung sicher; während die Dosierungsanpassfunktion durchgeführt wird, läuft die Maschinenfunktion \'kein Produkt - kein Beutel\' (Bild 3). Insgesamt bietet die beschriebene Technik heute eine vertikale kontinuierliche Schlauchbeutelmaschine mit einer Produktionsgeschwindigkeit von bis zu 200 Packungen pro Minute für die Breitenformate von 100 bis 220mm und Beutellängen von 100 bis zu 300mm mit oder ohne Euro-Lock-Option. Zusätzlich gibt es folgende Optionen: - Becherwerk, - Auslaufband, - Drucker, - Etikettiermaschine, - Entstaubungssystem und - Ionisierungssystem. HMI: stationär oder mobil Es besteht die Möglichkeit, sowohl stationäre als auch mobile HMI-Panel in der Bestrom 220 MK zu verwenden. Werden mehrere Maschinen in die Kundenanlage geliefert, so ist lediglich eines der Bedienfelder für die Konfiguration und das Starten aller Maschinen notwendig. Außerdem kann jede Maschine autonom arbeiten. Die Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens wird vor allem an ihrer Reaktionszeit auf Marktanforderungen gemessen. Da vordefinierte Rezepturen in dem HMI-Panel verwendet werden, ist nur ein Knopfdruck notwendig, um in der Maschine den Produkttyp zu ändern. Der technische Support von Siemens hat dabei geholfen, einige Funktionen des Pakets Simotion Baggers & Wrappers an die spezifischen Bedürfnisse anzupassen. Dadurch war Bestrom in der Lage eine Maschine zu schaffen, die heute in der Anlage eines führenden russischen Nahrungsmittelherstellers arbeitet.