Hals in der Kapsel

ANTRIEBSSYSTEM – Wie kommt die Schrumpfkapsel auf die Weinflasche? Ein Antriebssystem mit großer Intelligenz, aber kleiner Leistung, spielt dabei eine wichtige Rolle in der Folienschneidanlage.

20. Juni 2008

Verstärkte Modularisierung, Vernetzung bei gleichzeitiger Miniaturisierung und hoher Robustheit des Gesamtsystems – das sind Bedingungen für Antriebe in modernen Handlingsystemen und Industrieanlagen. Ein Beispiel einer Abfüllanlage zeigt, wie das funktioniert.

In Abfüllanlagen für Wein wird nach dem Verkorken eine Folie über Flaschenhals und Korken geschrumpft, die Schrumpfkapsel. Das Folienband wird auf zwei Arten ab Rolle abgelängt. Bei der ersten Methode wird das Band nach einem Startimpuls um eine feste Distanz vorgeschoben. Nach einem digitalen Signal schneidet eine Schere das Band ab. Die zweite Methode verwendet eine Markierung auf dem Band, die mittels einer Lichtschranke detektiert wird und eine relative Positionierung auslöst. Anschließend wird wiederum die Schere aktiviert. Die Auswahl der Betriebsart erfolgt zu Beginn über ein digitales Signal.

Die Abfüllanlagen haben bei richtiger Wartung eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten. Sie sind auf einem modularen Konzept aufgebaut. Im Lebenszyklus einer solchen Anlage können einzelne Module und Teilfunktionen mehrmals ersetzt, verbessert oder modernisiert werden. Die beschriebene Folienschneidfunktion wurde bisher mit einem Schrittmotorantrieb und Ansteuerung durch die zentrale SPS ausgeführt. Schneller und flexibler ist das mit der ›Compact drive MCD Epos P‹ möglich.

Ein wichtiger Aspekt ist dabei die Reduktion der Baugröße bei gleichzeitig hoher Dynamik des Antriebs. Gefordert sind mindestens drei Arbeitszyklen pro Sekunde. Diese beiden Anforderungen erfüllt ein bürstenloser Gleichstrommotor, wie er im ›MCD Epos‹ enthalten ist. In Kombination mit einem Maxon-Keramikgetriebe ›GP 32 C‹ (Untersetzung 18:1) werden höchste Standzeiten erreicht. Der MCD ist kleiner als die bestehende Steuerung allein und passt zusammen mit dem Getriebe perfekt unter die Rolle. Der Momentenübertrag auf die Rolle geschieht über einen Zahnriemen mit Untersetzung 2:1. Die gesamte Ablängvorrichtung wird lokal durch die SPS-Funktionalität im programmierbaren MCD EPOS P 60 W gesteuert. Der Antrieb erhält von der zentralen SPS nur noch ein digitales Signal für die Programmauswahl. Der Startimpuls wird lokal gesetzt und die gesamte Steuerung arbeitet vor Ort. Im Detail bedeutet dies, dass die Signale der Lichtschranke und der Zustand der Schere über die digitalen Eingänge eingelesen werden, die Positionierung mit dem Motor ausgeführt und die Schere aktiviert wird. Weiter werden die digitalen Ausgänge dazu verwendet, um Fehlermeldungen auszugeben und Eingänge freizuschalten.

ANTRIEBSEINHEIT

Wichtig beim Ersatz und Redesign eines bestehenden Moduls ist, dass die vorhandenen Schnittstellen zum Rest der Maschine weiter genützt werden können. Hier hilft natürlich die Möglichkeit zur freien Konfiguration der digitalen Ein- und Ausgänge.

Für die vorliegende Aufgabenstellungeignet sich der kleine und leichte Kompaktantrieb ›MCD Epos P‹ mit 60 W Typenleistung hervorragend. Motor, Encoder und Motion Controller sind in einem Gehäuse integriert. Das robuste Design mit einem Gehäuse aus Aluminium (bis Schutzklasse IP 54) und vibrationsresistenten internen elektrischen Verbindungen ist für den industriellen Einsatz ausgelegt. Den bürstenlosen DC-Servomotor zeichnen seine große Leistungsdichte und seine lange Lebensdauer aus. Dank der großen möglichen Startmomente wird eine hohe Dynamik erreicht. Die nutenlose Wicklung bewirkt einen rastmomentfreien und gleichmäßigen Lauf auch bei kleinsten Drehzahlen. Der digitale Inkrementalencoder mit 1.000 Impulsen ergibt 4.000 Positionen der Motorwelle pro Umdrehung oder eine nominelle Auflösung von 0,09°. Zur Drehmomentsteigerung sind Kombinationen mit Getrieben vorgesehen.

POSITIONIERSYSTEM

Der Motion Controller gehört zur Maxon-Epos-Familie, einem modularen Positioniersystem mit CANopen Feldbusschnittstelle. Er kann als Drehzahl-, Drehmoment- und Positionsregler eingesetzt werden. Der Motion Controller ist im schlanken, kompakten Gehäuse integriert, ohne den Einbauraum des Antriebs durch vorstehende Anbauten unnötig zu vergrößern. Das ausgeklügelte Wärmemanagement der Endstufe ist mit einer speziellen Leiterplatte auf einem Aluminium-Träger realisiert. Dies erlaubt es, die Elektronik klein zu halten und trotzdem die volle Typenleistung des Motors auszuschöpfen. Die Endstufe des Reglers ist optimal auf die Leistungsdaten des Motors abgeglichen. Optoentkoppelte, konfigurierbare digitale Ein- und Ausgänge ermöglichen den direkten Anschluss für Signale der Antriebsperipherie, wie zum Beispiel End- und Referenzschalter. Den Kompaktantrieb gibt es auch in einer programmierbaren Version ›MCD Epos P 60W‹ mit integrierter SPS-Funktionalität und CAN open Master. Damit lassen sich auf einfachste Weise dezentrale Antriebe realisieren, die auf Knopfdruck lokal eine autonome Bewegungsfolge ausführen und die digitalen Ein- und Ausgänge ihrer Umgebung einlesen und ansteuern. Es besteht aber auch die Möglichkeit, vernetzte Multiachssysteme mittels CANopen-Kommunikation zu realisieren. Die Programmierung der integrierten SPS erfolgt dabei gemäß internationalem Standard IEC 61131-3 und nicht wie häufig bei kleinen Antrieben über eine proprietäre Programmierung. Softwaretools und Programmbibliotheken gehören zum Lieferumfang.

KOMPAKT UND IM TREND

Die Vorteile der neuen Lösung zum Zuschneiden der Schrumpffolie mit dem Maxon Compact Drive (MCD) Epos P 60 W liegen in der kompakten Baugröße, in der eingebauten ›Intelligenz‹ und in der konsequenten Verwendung von Industriestandards, welche die Integration und den flexiblen Ersatz bestehender Module erleichtern. Dieses Praxisbeispiel illustriert den allgegenwärtigen Trend zur Miniaturisierung, der auch vor der Antriebstechnik nicht halt macht. Er wird je nach Anwendungsfeld mit zwei Strategien angegangen. In den in größeren Stückzahlen hergestellten Geräten werden die Komponenten der Antriebssysteme in das Gerät hineinentwickelt. Die mechanischen und elektronischen Schnittstellen werden präzise auf die Anwendung hin getrimmt. Beispielsweise kann die Antriebsspindel zusammen mit dem Getriebemotor eine Einheit bilden, oder die Ansteuerung des Motors wird in die elektronische Steuerung der Gesamtanwendung integriert.

ALLES IM GEHÄUSE

Im industriellen Umfeld hingegen spielt die Modularisierung eine noch größere Rolle. So werden kompakte Antriebe eher über die Integration von Motor, Sensor und Motion Controller, eventuell sogar noch ergänzt durch zusätzliche SPS Funktionalität, in einem Gehäuse realisiert. Ein typisches Beispiel dafür bilden die beiden MCD-Epos- Typen. Hier spielt auch die Robustheit eine wichtige Rolle. Sie ist dabei nicht nur im Sinne von mechanischer Stabilität und Unempfindlichkeit gegen äußere Störeinflüsse zu verstehen. Robustheit bedeutet auch einfache Konzeption und Vernetzung mittels bekannter und bewährter Komponenten, welche die üblichen Industriestandards erfüllen.

STANDARDISIERT

Die Schnittstellen sollen klar definiert sein, der Verkabelungsaufwand minimal, der Funktionsumfang genügend groß. Dies wiederum unterstützt die Modularisierung, wobei auch komplexere Aufgaben durch eine lokale Intelligenz autonom wahrgenommen werden – gesteuert durch einfachste Befehle der zentralen Steuerung. Standardisierung in diesem Zusammenhang bedeutet beispielsweise die Verwendung des CANopen- Feldbussystems mit definierten Geräteprofilen zur Vernetzung–, die Möglichkeit zur freien Konfiguration der digitalen Ein- und Ausgänge und die SPS-Programmierung nach dem Standard IEC 61131-3. Dr. Urs Kafader, Schulungsleiter, maxon motor

Erschienen in Ausgabe: 04/2008