Für komplexe Aufgaben wie das Eindrehen, Verschließen, Umsetzen, Stapeln oder das Ausrichten gilt es für Konstrukteure oftmals eine Hub/Dreh-Bewegung zu realisieren – beispielsweise bei einer PET-Flaschenverschließmaschine: Hier muss der Verschließkopf den Deckel in einer Linearbewegung entlang der Längsachse der Flasche auf den Flaschenhals setzen und anschließend mit einer zusätzlichen Drehbewegung auf das Gewinde der Flaschenmündung schrauben bis ein definierter Winkel oder ein bestimmtes Moment erreicht ist. Bislang griff bei Rundläufer-Verschließmaschinen auf folgende Ansätze zurück:
- 1. Sowohl der Linearhub als auch die Rotation der Verschließerspindeln werden rein mechanisch über Kurvenscheiben (Linearhub) und Zahnräder mit Magnetkupplung (Rotation) direkt von der Drehbewegung des Karussells abgeleitet und synchronisiert.
- 2. Für die Rotation wird ein Servomotor eingesetzt, der sich auf und ab bewegt. Der Linearhub wird wie beim mechanischen Konzept über Kurvenscheiben von der Bewegung des Drehtellers abgeleitet. Dieser Typ Verschließmaschine wird häufig auch als Servoverschließer bezeichnet.
Nachteile bisheriger Konzepte
Diese Ansätze sind allerdings mit Defiziten behaftet. Ein Nachteil der rein mechanischen Lösung liegt in der mangelnden Flexibilität bei der Wahl der Prozessgrößen, wie beispielsweise Anzugs- bzw. Drehmoment und Anpresskraft. So kann das für den Schraubprozess wichtige Drehmoment nur über die Magnet- bzw. Hysteresekupplung der Spindel eingestellt und verändert werden. Eine Beeinflussung der Prozessparameter während des Betriebs ist nicht möglich. Nachteilig ist in vielen Anwendungen auch der beschränkte Hub. Häufig lassen sich bei diesem Antriebskonzept nur 80 bis 150mm realisieren, da größere Hübe den Verschließprozess zu stark verlangsamen würden. Hinderlich ist zudem, dass der Maschinenbetreiber aus dem Antriebssystem keine Informationen über den Verschließprozess extrahieren kann. Für die Prozessüberwachung müssen daher ggf. separate Sensoren installiert und ausgewertet werden. Darüber hinaus hängt beim rein mechanischen Konzept der Verschließprozess wegen der unmittelbaren mechanischen Kopplung von der Drehzahl des Karussells ab. Dies kann gerade beim Hoch- und Herunterfahren der Anlage zu Beeinträchtigung der Prozessstabilität führen. Bei moderneren Maschinen sorgt daher ein Servomotor an jeder Spindel für die nötige Rotation. Damit kann jedoch nur ein Teil der Probleme der rein mechanischen Lösung behoben werden. So lässt sich das Drehmoment elektrisch einstellen und während des Betriebs verändern. Auch können Aussagen über das tatsächlich aufgebrachte Drehmoment durch die Auswertung der Antriebsdaten getroffen werden. Diese Vorteile werden jedoch durch einen neuen Nachteil erkauft: Da die Servomotoren in der Regel mit dem Verschließkopf bewegt werden müssen, werden teure energiekettenfähige Kabel erforderlich. Diese komplizieren die Konstruktion, erschweren die Reinigung und verschlechtern die Gesamtzuverlässigkeit der Maschine. Der Hub und die Anpresskraft können weiterhin nicht elektrisch eingestellt werden und der erreichbare Maximalhub bleibt mit 100 bis 150mm relativ klein. Auch Fehler wie schiefsitzende Deckel können nur über nachgelagerte Kontrollsysteme detektiert werden.
Kombinierte Hub/Dreh-Bewegung
Abhilfe schafft hier der durchgängige Einsatz elektrischer Antriebe sowohl für die Hub- als auch für die Drehbewegung. Anwender können damit nicht nur Drehmoment und Drehzahl, sondern auch den Hub flexibel an die Prozessanforderungen anpassen – bei Bedarf auch während des Schließvorgangs. Auch in puncto Anpresskraft hat der Maschinenbetreiber die volle Flexibilität. Damit wird es z.B. möglich, auf Knopfdruck die Art des Verschließens (Drehmomentverschrauben, Drehwinkelverschrauben, Aufpressen, Aufprellen) zu wechseln. Mit Lineareinheiten lassen sich zudem größere Hübe realisieren, sodass auch Verschließmaschinen für voluminöse Flaschen oder Aerosolen mit Pump- oder Sprayverschluss, bei denen ein langes Saugröhrchen zusammen mit dem Deckel vertikal eingeschoben werden muss, mit dem gleichen Antriebskonzept umgesetzt werden können. Hub- und Drehbewegung sind dabei sowohl von der Karussellbewegung als auch untereinander entkoppelt und lassen sich frei programmieren. Damit kann eine gleichbleibende Prozessqualität in allen Betriebsmodi einer Maschine gewährleistet werden. Darüber hinaus lassen sich wichtige Prozessparameter wie Anziehmoment, Anpresskraft und Position (z.B. die vertikale Deckelposition) unmittelbar aus den Daten des Antriebssystems ermitteln und für Dokumentationszwecke sowie als Regelgröße weiterverwenden. Einmal erprobte Einstellungen lassen sich unter Verwendung von Rezepturen speichern und abrufen. Damit können Maschinenbetreiber Formatwechsel wesentlich schneller durchführen. Zudem kommt das durchgängig elektrische System ohne bewegtes Kabel aus.
Konstruktion von der Stange
Aufgrund der Vorzüge haben einige Maschinenbauer rein elektrische Lösungen umgesetzt. Dabei waren sie in Ermangelung einer Standardlösung bisher auf Eigenkonstruktionen angewiesen. Der Hersteller für Linearmotorsysteme LinMot hat jetzt eigens für solche Anwendungen die Hub/Dreh-Motorfamilie PR01 für Anwendungen im Handling- und Pick&Place-Bereich wie das Verschließen und Ausrichten von Druckmarken entwickelt. Der Hub/Dreh-Motor besteht dabei aus einem leistungsfähigen Linearmotor und einem angebauten Torque-Drehmotor, die sich elektrisch unabhängig voneinander ansteuern lassen. Die Motoren der Familie bringen Kräfte bis 1.024N, ein Spitzenmoment von 8,9Nm und Drehzahlen bis 2.000min-1 auf. Mit den kompakten und schlanken Motoren sind Hübe bis 300mm möglich. Derzeit sind zwei Baugrößen erhältlich, die sich im Wesentlichen durch die zur Verfügung stehenden Drehmomente und Schubkräfte unterscheiden.(Variante mit Getriebe: Übersetzung 1:5/1:7/1:10). Zusätzlich sind Varianten mit durchgehender Längsbohrung für die Durchführung eines mechanischen Deckel-Ausstößers oder zur Versorgung pneumatischer Greifer am Verschließkopf erhältlich. Für Hygieneanwendungen hat der Anbieter eine Inox-Variante im Programm.
