Flexibilität im Antrieb

Antriebssteuerung - Die Synchronisierung mehrerer Achsen mit einem zentralen Antrieb über Steuerkurven erfordert umfangreiche Mechanik und bietet nur eingeschränkte Flexibilität. Eine größere Anwendungsvielfalt und einen deutlich geringeren Verkabelungsaufwand ermöglichen dagegen Servoantriebe mit integrierter Intelligenz.

23. August 2005

Moderne Etikettiermaschinen stellen hohe Ansprüche an die Koordination der verschiedenen Antriebsachsen: Die meist auf Drehtellersystemen basierenden Flaschenetikettierer beispielsweise nehmen während einer vollständigen Drehung des Maschinentellers eine Flasche vom Förderband auf, positionieren sie und führen sie danach der Etikettierstation und dem anschließenden Bürstenwerk zu. Am Ende der Drehung setzen sie die Flaschen wieder auf einen Transporteur, der sie meist einer Verpackungsmaschine zuführt.

Realisiert werden solche Anlagen üblicherweise über mechanische Steuerkurven, die die einzelnen Antriebe mechanisch synchronisieren und mit dem zentralen Antrieb koppeln. Diese Lösung erfordert jedoch eine umfangreiche Mechanik mit einer Vielzahl von Zahnrädern und anderen mechanischen Verbindungen zwischen den einzelnen beweglichen Komponenten.

Bei kleineren Maschinen bietet die Mechanik zwar nach wie vor Kostenvorteile, doch bei einer geforderten Leistung von bis zu 60.000 Flaschen pro Stunde ist ein solches System stark gefordert. Zudem arbeiten rein mechanische Lösungen aufgrund des unvermeidlichen Spiels in der Mechanik mit zunehmender Betriebsdauer weniger präzise. Ein weiterer Nachteil ist die begrenzte Flexibilität des Systems, etwa bei einem Wechsel der Flaschenform oder bei Änderungen der Etikettenposition auf den Flaschen.

Integrierte Intelligenz statt starrer Koppelung

Einen anderen Ansatz nutzt eine Lösung, die die Krones AG entwickelt hat. Das neue Etikettiersystem des Spezialisten für Getränkeabfülltechnologie aus Neutraubling bei Regenburg arbeitet mit direkt angetriebenen Achsen mit integrierter Intelligenz anstelle einer starren Koppelung der Achsen und einem zentralen Antrieb. Gegenüber bisherigen Systemen ermöglicht die neue Lösung eine größere Freiheit bei der Flaschenwahl sowie eine bessere Qualität der Etikettierung. Zudem reduziert die neuartige Antriebslösung den Platzbedarf und den Aufwand für Montage und Verkabelung. Erreicht wurde dies zum einen durch einen modularen Aufbau der gesamten Maschine sowie durch eine komplexe Bewegungssteuerung.

Die Maschinenbauer aus der Oberpfalz suchten dafür ein System mit Servotechnik, das ohne Getriebe auskommt und bei der die gesamte Elektronik direkt am Motor platziert ist. Diese umfaßt das Servosystem, die Motor-Endstufe sowie einen digitalen Signalprozessor, der individuell vorgebbare Marken für eine absolut genaue Positionierung auswertet. Auf diese Weise kann jeder der eingesetzten Motoren seine eigene, autark vorgegebene Steuerkurve ab fahren. Eine übergeordnete Steuerung übernimmt lediglich noch die Datenverwaltung und überträgt beispielsweise bei einem Produktwechsel die entsprechenden Positions- und Bahndaten an die Motoren. Als Lieferanten für die gesamte Antriebstechnik von den Motoren bis zur Steuerung für die neue Etikettiermaschine entschieden sich die oberpfälzischen Maschinenbauer für den dänischen Danfoss-Konzern, der die Antriebstechnik mit je einem Direktantrieb pro Achse realisierte. Diese Lösung ermöglicht es damit, jede einzelne Achse unabhängig anzusteuern und bietet auf diese Weise eine hohe Flexibilität für die exakte Positionierung der Flaschen an der Etikettierstation sowie für die Spannung beim Aufbringen der Etiketten.

Flexibler Einsatz für komplexe Anwendungen

Vorteilhaft ist diese Flexibilität vor allem beim Einsatz von Formflaschen oder anderen, nicht rotationssymmetrischen Behältern, die hohe Ansprüche an die genaue Positionierung des Etiketts und die Spannung für die Aufbringung des Etiketts stellen. Zudem arbeiten die getriebelosen Antriebe auch absolut spielfrei.

Zum Einsatz kommen hochpolige, permanenterregte Synchronservomotoren aus dem Kompaktservo-Programm von Danfoss-Bauer in Verbindung mit eigen gefertigten spezifischen Elektronikkomponenten sowie einem eigenen Rückführungssystem aus der Elektronikfertigung des Unternehmens im dänischen Gråsten.

Den Antrieb des zentralen Maschinentischs übernimmt ein dabei Standard-Asynchronmotor mit angeschlossenem Frequenzumrichter der Serie VLT 5000 von Danfoss. Die Spannungsversorgung aller Achsen auf dem Drehteller geschieht zentral über einen Schleifring aus dessen Gleichstromzwischenkreis. Aufgrund der großen Masse des Flaschentisches kann der Hauptantrieb im Falle eines Stromausfalls in generatorischen Betrieb übergehen und hält so die Versorgung des Zwischenkreises bis zum völligen Stillstand der Maschine aufrecht. Auf diese Weise behalten die Servoachsen ebenso wie bisher bei mechanisch gekoppelten Systemen auch bei Stromausfall ihre programmierten Bewegungsmuster bei und verhindern Kollisionen auch bei nicht rotationssymmetrischen Flaschen.

Neben solchen Vorteilen für die Betriebssicherheit hat diese gemeinsame Speisung aller Achsen durch einen gemeinsamen Zwischenkreis auch positive Effekte für die Gesamtenergiebilanz der Maschine, schließlich läßt sich die Energie, die beim Bremsen der Achsantriebe an einer Stelle freigesetzt wird, auf diese Weise an anderer Stelle für die Beschleunigung oder die Bereitstellung eines hohen Drehmoments nutzen. Die übergeordnete Steuerung des Systems übernimmt ein speziell entwickelter Masterrechner, der auf einem PowerPC-Chip mit Flash-Speicher basiert und somit nur sehr wenig Platz benötigt. Dieser Rechner versorgt die mit dezentraler Intelligenz ausgestatteten Einzelantriebe über ein Bussystem mit den notwendigen Produktionsdaten und informiert sie beispielsweise über die Anzahl der angeschlossenen Etikettierstationen. Auch bei einem Produktwechsel liefert die Steuerung die für eine optimale Etikettierung benötigten Parameter.

Dabei sind immer mehrere Achsantriebe in parallel am Masterrechner angeschlossenen Strängen zusammengefasst und erhalten die notwendigen Daten über das installierte Bussystem. Die eigentliche Steuerung der Achsen geschieht dann mittels Lichtschranke und lokaler Rückführung der Antriebsdaten vor Ort in der lokalen Elektronik. Für eine noch präzisere Steuerung, wie sie beispielsweise die versatzfreie exakte Positionierung von Etiketten direkt an Preßnähten erfordert, kommt an Stelle der Lichtschranke eine Steuerung mittels Bildverarbeitungssystem zum Einsatz. Die Verkabelung der Motoren für die Energieversorgung wie auch für die Buskommunikation mit dem Masterrechner erfolgt mit vorkonfektionierten Kabeln. Dabei lassen sich beide Schnittstellen mit Hilfe von T-Verteilern direkt von Motor zu Motor führen. In bisherigen Systemen besaß dagegen je der einzelne Antrieb eine Verbindung zum zentralen Steuerungsrechner. Aufgrund dieser vereinfachten Verdrahtung erfordert die Installation einer großen Anlage mit beispielsweise 45 Achsen lediglich sieben Stunden, die in herkömmlicher Servotechnik sieben Tage erfordern würde. Nach erfolgreicher Installation der ersten Maschinen soll die Technik jetzt Zug um Zug auch in anderen Krones-Maschinen, wie z.B. Verschließern eingesetzt werden.

Gerhard Vogel, Danfoss

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2005