Modulare Etikettierlösung mithilfe integrierter Servoantriebe

Das Verpackungsdesign nimmt heute einen immer größeren Stellenwert im Marketing-Mix ein: Verpackungen müssen auffallen. Die Anzahl der Verpackungsvarianten eines Produktes steigt stetig, während die Losgrößen sinken. Dabei müssen die Verpackungskosten gering gehalten werden, um den Produktpreis nicht in die Höhe zu treiben. Der Anspruch an Verpackungslösungen und an deren automatisierte Umsetzung wird immer höher. Häufige Produkt- und Formatwechsel – bedingt durch die unterschiedlichen Designvarianten einer Verpackung – sind heute an der Tagesordnung. Verpackungsmaschinen müssen schnell und einfach umrüstbar sein sowie eine hohe Produktivität erzielen. Damit eine Maschine für die unterschiedlichen Produktvarianten und kleine Losgrößen genutzt werden kann, ist eine flexible und modulare Maschinenkonstruktion notwendig. Die elektrische Servoantriebstechnik hat Einzug in die Verpackungsmaschinen gehalten. Heute wird jede einzelne zu bewegende Achse mit einem Servoantrieb ausgestattet. Die Funktionalität wird mit schnellen Bewegungsfunktionen in der Software abgebildet. Dass sich die Anwendung einer integrierten Servoantriebslösung und von vorprogrammierten Bewegungsfunktionen rentiert, zeigt sich am Einsatz des Servomotors Amkasmart IDT, der Amcamac Kompaktsteuerung AS-C15-T-1 und der AMK-Funktionsbibliothek für eine Rundläufer-Etikettiermaschine. Flaschen flexibel etikettieren Die Simi Proxima wurde als Rundläufer-Etikettiermaschine entwickelt, um in Getränkeabfüllanlagen Flaschen zu etikettieren. Sie ist mit einem Behältertisch mit 15 bis 20 Behältertellern sowie drei bis vier Etikettierstationen ausgestattet. Je nach Anwendung und Abfüllleistung können bei solchen Maschinen auch deutlich mehr Behälterteller am Behältertisch angebracht sein. Die hier beschriebene Maschine wurde als Kaltleim-Etikettiermaschine für Glasflaschen konstruiert. Dasselbe Verfahren wird jedoch auch für Heißleim oder Selbstklebeetiketten und jede beliebige Behälterart angewandt. In Flaschenabfülllinien werden Flaschen kontinuierlich auf Bändern gefördert. Zur Bearbeitung, wie z.B. beim Abfüllen oder Etikettieren, müssen die Flaschen zunächst vereinzelt werden. Sie werden über eine Einteilschnecke in den notwendigen Abstand gebracht, über den Einlaufstern auf den Behälterteller transportiert und dort mit Zentrierglocken fixiert. Die Behälterteller sind als schmale Scheiben konstruiert, die sich um ihre Vertikalachse drehen. Die Drehbewegung des Behältertellers überträgt sich somit auf die Flasche. Die Drehung des Behältertellers wurde bisher mit dem zentralen Antriebsmotor des Behältertisches und mechanischen Kurvenscheiben erzeugt. Die mechanischen Kurvenscheiben wurden über Jahrzehnte verbessert und ermöglichen ein wiederholgenaues Bewegen der Flaschen oder Behälter. Eine spätere Erweiterung ist aber praktisch nicht möglich. Bei einem Produktwechsel musste ein enormer Aufwand betrieben werden, da die mechanische Kurvenscheibe auszutauschen war. Formatwechsel waren dadurch eigentlich nicht möglich. Eine Maschine war immer nur für ein Format geeignet. Für manche Flaschenformate waren solche Maschinen bislang gar nicht geeignet. Formatwechsel ermöglichen Mit dem Umstieg auf servoelekt­rische Einzelantriebe für jeden Behälterteller wurde auch der Formatwechsel möglich. Die Ausrichtung der Flasche wird über einen Sensor erfasst. Anschließend wird der Wert direkt im Antrieb eingelesen. Das führt zur Positionskorrektur, die durch die übergeordnete Steuerung ausgelöst wird. Um jede Flasche in die richtige Ausgangsposition für das Etikettieren zu bringen, ist für jeden Behälterteller ein Antrieb notwendig. Die richtige Position der Flasche ist wichtig, damit jedes Etikett an der richtigen Stelle sitzt. Rund um den Behältertisch sind die Etikettierstationen angebracht. Da pro Flasche drei bis vier Etiketten angebracht werden, dreht sich die Flasche mit dem Behältertisch und Behälterteller von einer Etikettierstation zur nächsten. Nach dem Aufbringen der einzelnen Etiketten folgen Anstreicheinheiten, die mit Bürsten die Etiketten auf den Flaschen glatt streichen. Jede Flasche durchläuft – je nach Anzahl der Etiketten und je nach Geometrie der Flasche – einige präzise Bewegungen auf dem Behältertisch. Die Bewegung des Behältertellers und damit der Flasche ist also elementar für eine korrekte Anbringung der Etiketten. Insbesondere bei einem nicht kreisförmigen Flaschenquerschnitt wird zur korrekten Anbringung des Etiketts eine exakte Bahnbewegung mithilfe abgelegter Kurvenscheiben gefahren. Integrierte Funktionen Jeder Behälterteller der vollelektrischen Rundläufer-Maschine Proxima ist mit einem integrierten Amkasmart IDT4-2-Servomotor mit integriertem Servoregler und Absolutwertgeber ausgestattet. Dadurch muss im rotierenden Behältertisch kein separater Schaltschrank aufgebaut werden. Der Motor hat eine kompakte Bauform mit integrierter digitaler Microprozessor-Regelung. Aufgrund der kompakten Abmessungen des Motors benötigt er nicht mehr Einbauraum als ein herkömmlicher Motor ohne integrierten Servoregler. Die integrierten Motoren arbeiten im Lageregel-Modus. Die Sollwerte werden von der Kompaktsteuerung Amcamac AS-C15-T-1 im virtuellen Master generiert und zyklisch über ACC-Bus an die Motoren weitergegeben. Die mit dem Motor erreichbare Dynamik ermöglicht das exakte Folgen der vorgegebenen Bahnkurven bei großen Arbeitsgeschwindigkeiten. Das flexible Wechseln von einer Kurvenscheibe zur anderen erfolgt ruckfrei. So ist die exakte Ausrichtung jeder einzelnen Flasche gewährleistet. Durch die am Motor einstellbare Kommunikationsadresse kann er in eine übergeordnete Systemstruktur eingebunden werden. Die Geräte benötigen nur einen Leistungsanschluss und die Feldbus-Verbindung über ACC basierend auf CAN­open. Es gehen nur die Leistungsversorgung 48 und 24V DC sowie die Datenleitungen für den CAN-Bus vom Schaltschrank über Schleifringe zum Innern des Behältertischs. Durch die im Motor integrierte Elektronik sinkt zum einen der Verkabelungsaufwand und zum anderen das benötigte Schaltschrankvolumen. Die Verbindungskabel sind vorkonfektioniert und steckbar ausgeführt. Das reduziert die Fehlermöglichkeiten beim Aufbau der Maschine. Zur einfachen Installation werden je vier Motoren über eine gemeinsame Verteilerbox mit Energie versorgt. Die Verteilerbox beinhaltet zusätzlich einen Brems-Chopper, um etwaige, beim schnellen Abbremsen der Behälterteller rückgespeiste Energie, die nicht von den anderen Antrieben benötigt wird, abzubauen. Außerdem kann über eine in der Verteilerbox integrierte Batterie der Multiturn-Absolutwert auch nach dem Abschalten der Anlage im Motor gespeichert werden. So wird der Verdrahtungsaufwand reduziert. Der relativ kleine Schaltschrank kann an der Seite der Maschine eingebaut werden. Der verbleibende Schaltschrank dient nur noch der Bereitstellung der Leistungsversorgung sowie dem Umrichtersystem Amkasyn KE/KW, das den Hauptmotor des Behältertisches antreibt. Mit dem Amkasmart IDT ist der Weg zu einer durchgängigen Modularität und Flexibilität der Maschine bereitet. Steuerung der Maschine Die Steuerung und Bedienung der Maschine erfolgt über die Kompaktsteuerung Amkamac AS-C15-T-1, einer PC-basierten Steuerung mit integriertem Touch-Panel, die mit den integrierten Motoren über ACC-Bus kommuniziert. Sämtliche Maschinenfunktionen wurden in die Kompaktsteuerung integriert. Aufbauend auf die vorhandenen AMK-Standardfunktionen sowie die herstellereigenen Bibliotheken für Bewegungssteuerung wird das SPS-Programm generiert. Hier kommt das Programmiersystem CoDeSys auf Basis IEC61131-3 zum Einsatz, das die gängigen Programmiersprachen unterstützt. Der ACC-Bus synchronisiert die Antriebe hochgenau. Für die Vorgabe der Prozessgeschwindigkeit sorgt die Funktion \’Virtueller Master\‘. Die Bewegungsprofile der Behälterteller werden über eine vorprogrammierte Kurvenscheibenfunktion abgebildet. Der integ­rierte Kurvenscheibeneditor ermöglicht die Erstellung von Kurven per Software sowie deren Optimierung unter Berücksichtigung von Drehzahl- und Beschleunigungsverläufen interaktiv auf dem Bildschirm. Dabei können hunderte von Kurvenscheibentabellen mit jeweils bis zu 16.384 Stützpunkten aneinandergereiht werden. Auch aus anderen Berechnungsprogrammen gewonnene Werte können selbstverständlich direkt verarbeitet werden. Über externe Ein-/Ausgangsklemmen am CAN-Bus werden sämtliche E/A-Punkte in das Steuerungssystem eingebunden. Das Werkzeug CoDeSys mit seiner integrierten Web-Visualisierung sorgt dafür, dass die Variablen des SPS-Programms direkt für die Visualisierung zur Verfügung stehen. Die Oberfläche wird mit demselben Werkzeug generiert und kann direkt über die integrierte Visualisierung online angeschaut und getestet werden. Auch zusätzliche Maschinenfeatures, wie Überwachung und Verwaltung der Etikettierstation oder die Regelung von unterschiedlichen Geschwindigkeiten des Behältertellers erfolgen über die Kompaktsteuerung. Vereinfachter Aufbau Die Rundläufer-Etikettiermaschine Proxima verfügt über einen hohen Automatisierungsgrad. Durch den Einsatz der integrierten Amkasmart IDT-Motoren und der Amkamac-Kompaktsteuerung wurde der Aufbau der Maschine vereinfacht und deren Anwendung flexibel gestaltet. Pro Stunde können bis zu 13.500 Flaschen etikettiert werden. Außerdem kann die Maschine für verschiedene Anwendungen beim Etikettieren von Flaschen in unterschiedlichen Größen, Formen und Designvarianten eingesetzt werden. Ein Produkt- und Formatwechsel ist jederzeit schnell möglich. Durch die Verwendung von Standardkomponenten aus dem Antriebs- und Steuerungsbaukasten von AMK, mit vorprogrammierten Technologiebausteinen und standardisierten Schnittstellen, hat sich die Entwicklungs- und Produktionszeit der Maschine verkürzt. Die Maschinen können auch vorproduziert werden.