Intelligenz im Antrieb

Schritt- und Servomotoren - Minimale Produktionsstillstände und gehobene Qualitätsansprüche sind ein Muss für Verpackungsmaschinen. Flexible, kompakte Antriebssysteme mit Masterantrieb und elektronischer Königswelle ermöglichen schnelle Formatwechsel undsteigern die Wirtschaftlichkeit.

22. Juni 2005

Moderne Verpackungsmaschinen stellen hohe Anforderungen an die Bewegungssteuerung. Schließlich erfüllen dort Dutzende von Schritt- und Servomotoren in unterschiedlicher Anordnung unterschiedlichste Funktionen - und müssen sich dabei jeweils einzeln ansteuern lassen. Die Verpackungsanlagen der Typen NeoTOP 304 und NeoWallet der Dividella AG im schweizerischen Grabs beispielsweise sind ein modulares Verpackungssystem für Medikamente in Faltschachteln und Blisterpackungen. Sie bestehen jeweils aus einem Aufrichtemodul zum Falten der Schachteln, aus einem oder mehreren Einlegemodulen sowie einem Verschließmodul. Die Ausrüstung einer vollautomatischen Verpackungslinie mit bis zu fünf Modulen erlaubt es, jede Anlage dem Lebenszyklus des Produktes anzupassen. So lassen sich in der Minimalversion kleine Mengen zunächst manuell in die Faltschachteln einlegen; bei steigenden Absatzzahlen des zujeweiligen Medikaments jedoch kann die Verpackungsanlage später unkompliziert mit zusätzlichen ­Modulen zu einer halb- oder vollautoma­tischen Anlage aufgerüstet werden.

Der Verpackungsprozess erfordert Bewegungsabläufe, die zugleich mit höchster Präzision und hohen Beschleunigungen ablaufen und zudem sehr unterschiedliche Anforderungen an die einzelnen Antriebe stellen: In den ersten Schritten entnimmt die Maschine aus je einem Stapel Zuschnitte für die Faltschachteln sowie Stege, die für einen entsprechenden Abstand und damit den ­gegenseitigen Schutz der Verpackungsgüter sorgen. Im nächsten Schritt werden die Zuschnitte geklebt und zu Schachteln aufgerichtet sowie die Stege in die Schachteln eingeklebt. Transportiert wird der Faltschachtelzuschnitt bis zum Verlassen der Verpackungsanlage durch eine patentierte Vakuumkette. Die gute Zugänglichkeit der Schachtel vereinfacht deshalb die meisten Bewegungsabläufe für die nachfolgenden Schritte, vom Einlegen der Ampullen oder Spritzen und der Packungsbeilagen über die Qualitätskontrolle bis zum Verschließen der Verpackung und deren Beschriftung mit Chargennummer, Pack- und Verfalldatum.

Beinahe bei jedem Produktionsschritt arbeiten mehrere Antriebe zusammen, die synchron zueinander verschiedenste Bewegungsabläufe durchführen. Dazu kommt noch die Bewegung der Vakuumkette von einer Station zur nächsten. Früher steuerten solche synchron ablaufenden Bewegungen eine mechanische Königswelle und Kurvenscheiben. Jeder Formatwechsel erforderte daher die zeitraubende Änderung einer ganzen Reihe mechanischer Einstellungen.

Moderne Antriebslösungen bestehen dagegen aus einem Industrie-PC, einer SPS, einem Hauptantrieb mit Absolut- und Inkremental-Encodern sowie Antriebssteuerungen in den einzelnen Modulen der Maschine. Zum Formatwechsel genügt es, das jeweilige Programms auf dem Industrie-PC auszuwählen Danach fahren die einzelnen Antriebe ihre neue »Kurve« synchron zum Encodersignal des Hauptantriebs ab. Im Rahmen dieser vom Hauptantrieb über den Feldbus vorgegebenen Arbeitstakte arbeitet jedes Maschinenmodul autark und erlaubt es somit, eine Maschinenkonfiguration aus bestehenden Baugruppen kundenspezifisch zusammenzustellen.

Die zu erreichende Präzision verlangt hohe Winkelauflösungen, die sich mit Standardsteuerungen nicht erfüllen ließen. Der Antriebshersteller Berger Lahr hat deshalb eine Lösung entwickelt, bei der bis zu 50 Schritt- und Servomotoren derzeit 17 verschiedene Ablauf-Modi abarbeiten, die auf der übergeordneten Steuerung parametriert werden. Dabei koordiniert eine spezielle Software alle Bewegungsabläufe. Das Umrüsten bei Produktwechseln geschieht daher ohne großen Zeitverlust für das Einrichten der Maschine, das Leerfahren der Maschine und den Neustart der Anlage. Statt dessen generiert der IPC die Bewegungsfunktionen und Bewegungskurven der einzelnen Antriebe und lädt sie über Ethernet in die einzelnen Indexer. Damit erhält jeder einzelne Antrieb seine konkrete Bewegungsfunktion während des ihm zugeteilten Ablaufmodus, die er während des Betriebes entsprechend den per Profibus übertragenen Signalen der SPS abarbeitet.

Entsprechend dem jeweiligen Anforderungsprofil besitzt die Software 17 verschiedene Betriebsarten: Beim so genannten Kurvenscheibenmodus zum Beispiel lädt der IPC die »Form« der Kurvenscheibe schon beim Hochfahren der Maschine in Tabellenform in den Indexer, bevor der Antrieb zunächst auf den vom Hauptantrieb vorgegebenen Absolutwert fährt, um die gleiche Ausgangsposition zu erreichen wie der Hauptantrieb. Danach interpoliert der Indexer die Kurvenwerte und fährt die einzelnen Kurvenscheibenfunktionen synchron zur Hauptwelle ab. Falls es erforderlich sein sollte, lässt sich die Bewegung während eines Maschinenzyklus unterbrechen und anschließend synchron zur Hauptwelle wieder einkoppeln. Ein anderer Modus ist das zeit- oder weggesteuerte Abfahren eines Nockenschaltwerkes. In dieser Betriebsart sind die Ein- und Ausschaltpunkte sowohl in Winkelgraden als auch in Millisekunden parametrierbar. Im Modus »Einzugsbetrieb« fährt der Antrieb jeweils nach einem Sensorsignal eine vorher parametrierte Strecke ab. In einem anderen Modus fährt der Antrieb danach auch wieder in seine Ausgangsposition zurück.

Im Antriebssystem von Berger Lahr arbeitet nach Angaben des badischen Unternehmens der derzeit schnellste am Markt verfügbare Prozessor. Dies erlaubt den Einsatz von preisgünstigen Schrittmotoren, ohne Abstriche machen zu müssen beim Leistungsumfang oder der Genauigkeit der Lösung. Die Indexer sind Teil einer neuen Hard- und Softwarereihe, zu denen die Positioniersteuerungen der Serie Twin Line sowie Leistungsteile für Servomotoren und Dreiphasen-Schrittmotoren gehören. An jede einzelne Antriebssteuerung sind vier Indexer direkt angekoppelt. Jeder Leistungsteil kann bis zu 16 Achsen ansteuern. Dies können sowohl Schrittmotoren mit Anschlusswerten zwischen 36 und 325 Volt als auch Servomotoren sein. Für jede Achse sind zwei Eingänge und zwei bidirektionale Ein-/Ausgänge vorhanden. Eine Schnittstelle für Takt und Richtung erlaubt nötigenfalls die Ansteuerung von noch größeren Leistungs-Endstufen.

Für jedes Maschinenmodul der schweizerischen Verpackungsanlage besitzt die Antriebssteuerung einschließlich der vier unabhängigen Indexer mit dem darin integrierten Leistungsteil eine Rackbreite von 250 Millimeter. Die Ansteuerung von 16 Achsen in einem Volumen von zwei Schuhschachteln bedeutet deshalb eine bisher nicht erreichte Leistungsdichte.Sehr kompakt ist die Lösung zudem, weil das Aufrichtemodul alle übergeordneten Steuerungskomponenten mitsamt dem Hauptantrieb und dessen Antriebssteuerungen integriert und deshalb keinen separaten Schaltschrank erfordert. Auch bei den übrigen Modulen benötigen die die Antriebssteuerungen keinen zusätzlichen Platz, weil sie jeweils in deren eigenem Schaltschrank untergebracht sind. Das offene System setzt nach oben keine Grenzen, auch die Anzahl der möglichen Achsen ist nach oben offen. Das Steuerungskonzept bleibt auch bei Hard- und Softwaremodifikationen von Maschine und Steuerung kompatibel. Die Modularität der Hard- und Soft­ware versetzt den Verpackungsmaschinenhersteller in die Lage, kostengünstig und mit kurzen Lieferzeiten kundenspezifisch konzipierte Anlagen herzustellen und diese auch nachträglich mit zusätzlichen Funk­tionsmodulen aufzurüsten.

Erschienen in Ausgabe: 01/2004