Schwerelos für 0,15 Sekunden

Die Ausrichtung des zu verpackenden Drucksachenstapels erfolgt im freien Fall.

© Mitsubishi Electric / Dürselen

Die besondere Herausforderung bei der technischen Umsetzung des Verpackungsautomaten lag in der Ausrichtung der Printprodukte. Für einen optimalen Schutz bleiben zwischen Broschüre und Stülpkarton lediglich 2 mm Platz. In der Ausrichtestation werden die zu verpackenden Stapel daher auf 12 m/s² beschleunigt. Dies führt schließlich dazu, dass sie sich für 0,15 Sekunden im freien Fall befinden. In diesem schwerelosen Zustand existieren keine Reibungskräfte und der Stapel lässt sich mit synchron geschalteten Anschlagmotoren vierseitig ausrichten.

Im Detail besteht die Baugruppe aus einem Transportband als Ablageplatz für die Stapel und vier Servo-angetriebenen Anschlagwinkeln, die den Stapel umschließen. Diese Baugruppe ist auf einer vertikalen Linearführung montiert und kann über Zahnriemenantriebe einen vertikalen Weg von 300 mm fahren. In der Abwärtsbewegung kommt es kurzzeitig zur Aufhebung der Schwerkraft, da die Beschleunigung größer ist als die Erdanziehung. Damit ist jede Broschüre im Stapel frei in der Schwebe und kann ohne Reibungskräfte zusammen mit allen anderen ausgerichtet werden. Die Motion-Steuerung löst den freien Fall aus und synchronisiert zum richtigen Zeitpunkt die Bewegungen zur Ausrichtung.

Für die geforderte Beschleunigung der Ausrichtestation sorgt ein Servomotor des Typs HF-SP von Mitsubishi. Der 400-V-Motor verfügt über eine Ausgangsleistung von 3,5 kW. Für die Anschlagsmotoren hingegen kommen 200-V-Servomotoren der HF-KP-Reihe zum Einsatz, die sich durch ein geringes Massenträgheitsmoment auszeichnen und gleichzeitig mit 6000 U/min über eine sehr hohe maximale Drehzahl verfügen. Damit lässt sich die notwendige Dynamik für die Bewegung erzeugen. Weiterer Vorteil: Mit Längenabmessungen zwischen 76,6 und 113,8 mm baut diese Servomotoren-Baureihe sehr kompakt, womit sich die Umsetzung der verschiedenen Ausrichte-, Stülp- und Wendestationen des Verpackungsautomaten auf kleinstem Raum realisieren ließ.

Dr. Anja und Hans-Joachim Dürselen: "Mit dem neuen Verpackungsautomaten können wir die ehemals körperlich schwere Arbeit jetzt automatisieren und ermöglichen erstmals einen durchgängig maschinellen Workflow in der Broschürenproduktion."

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Die zugehörigen Servoverstärker der MR-J3-Familie sind für Bewegungs­abläufe mehrerer Achsen in netzwerkgesteuerten Anlagen ausgelegt. Bei der Realisierung und Abstimmung der unterschiedlichen Bewegungsabläufe im VA.02 kam den Entwicklern unter anderem das im Vergleich zu Vorgängerprodukten verbesserte Ansprechverhalten in Bezug auf Drehzahl und Frequenz zugute – insbesondere was die Ausrichtung des zu verpackenden Drucksachenstapels im freien Fall betrifft. Immerhin befinden sich die Printprodukte nur 0,15 Sekunden in einem Zustand der Schwerelosigkeit und sind in dieser Zeit vierseitig auszurichten. Die kurzen Anregelzeiten der verschiedenen Servoverstärker sorgten hier letztendlich für das richtige Timing und die nötige Synchronizität der Anschlagsmotoren.

Die MR-J3-Serie verfügt außerdem über eine Echtzeit-Auto-Tuning-Funktion. Dabei werden die Parameter für Lager- und Drehzahlregler automatisch und zyklisch wiederkehrend nachgeregelt. Gerade bei den unterschiedlichen Formaten und Gewichten der Drucksachen, die sich mit dem Automaten verpacken lassen, unterstützt diese Funktion die automatische Formatumstellung. Andernfalls müssten diese Parameter jeweils manuell auf die zu verpackenden Drucksachenstapel angepasst werden. Neben der Zeitersparnis bedeutet der automatisierte Wechsel zwischen verschiedenen Formaten eine Minimierung der Umrüstfehler im Vergleich zu manuellen Wechseln.

Die Tatsache, dass die verwendeten Verstärker sowohl über eine automa­tische als auch eine erweiterte Vibra­tionsunterdrückung verfügen, trug schließlich maßgeblich dazu bei, dass sich die Printprodukte im Vergleich zur Vorgängermaschine schneller und präziser positionieren lassen. Dabei werden zunächst per adaptiver Filterung bis zu zwei Resonanzfrequenzen erkannt und die Verstärkereinstellung des Regelkreises entsprechend angepasst, um so mechanische Resonanzen zu kompensieren. Darüber hinaus wird in der erweiterten Vibrationsunterdrückung noch die Restvibration während der Einregelphase unterdrückt. Die Servomotoren verfügen zudem über einen 18-Bit-Encoder, der über 260.000 Absolutwerte pro Umdrehung liefert. – Erst diese hohe Auflösung erlaubt die Identifizierung von mechanischen Vibrationen und deren Ausregelung.

26 Achsen - ein Controller

Die Anbindung der Servoverstärker an den Motion Controller erfolgt über SSCNET. Dieses Bussystem verfügt über eine optische Datenübertragung mittels Licht­wellenleiterkabeln und minimiert so den Verdrahtungsaufwand sowie den Platzbedarf im Schaltschrank.

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Das „Herzstück“ der Anlage bildet schließlich der Motion-Controller des „System Q“ von Mitsubishi Electric. Er steuert alle 26 Servomotoren und ihre zugehörigen Servoverstärker des Verpackungsautomaten und stimmt ihre Bewegungsabläufe aufeinander ab. Während die SPS-CPU alle weiteren Steuerungsaufgaben sowie die Kommunikation über den Rückwandbus übernimmt, ist die Motion-Controller-CPU für die Steuerung der komplexen Bewegungen zuständig. Die einzelnen Ausrichte-, Stülp- und Wendestationen des Verpackungsautomaten müssen dabei zeitlich aufeinander abgestimmt und teilweise synchron ablaufen. Dazu kann die verwendete CPU eine Interpolation von vier Achsen gleichzeitig durchführen. Erst damit wird neben einem stabilen Systemdurchlauf zur Verpackung der Drucksachen in die Stülpkartons auch die komplett automatische For­matumstellung möglich. Denn dafür ist eine exakte Steuerbarkeit und Justierung der einzelnen Achsen und Bewegungslabläufe entscheidend.

Die Vernetzung der einzelnen Servoverstärker mit dem Motion-Controller und der SPS erfolgt über das Servo System Controller Network von Mitsubishi – kurz SSCNET. Neben hochpräziser Synchronisation über den Echtzeit-Feldbus und Interpolation bietet das System eine Datenübertragungsrate von 50 MBit/s sowie eine Zykluszeit von 0,44 ms. Dies gewährleistet, dass die Steuerungsbefehle des Motion-Controllers unmittelbar bei den Servoverstärkern und Servomotoren ankommen, um die verschiedenen Bewegungen der Ausrichte- und Stülpstationen für Boden und Deckel der Stülpkartons exakt parallel auszuführen.

Der Formatwechsel von verschiedenen Papier- und Kartongrößen läuft vollautomatisch per Knopfdruck auf dem Bedienpanel.

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Die Bedienung des Automaten erfolgt schließlich per Touchpanel. Das verwendete Gerät verfügt über ein 12-Zoll-TFT-Display, hat eine Auflösung von 800 × 600 Pixel und stellt 65.536 Farben dar. Im 15 MByte großen integrierten Speicher können die verschiedenen Bewegungsabläufe für standardmäßig eingestellte Programme gespeichert werden. Dürselen verwendet dabei drei verschiedene Benutzerlevel: Der einfache Bediener kann lediglich voreingestellte Programme starten, ein Vorar­beiter kann diese passwortgeschützt editieren sowie Programmwechsel vornehmen und eine Servicefunktion ermöglicht die Ansteuerung einzelner Antriebe sowie die Durchführung von Referenzfahrten. Grafisch unterstützt, muss der Anwender die richtigen Voreinstellungen vor jedem Programmstart bestätigen und wird beispielsweise an das Einlegen des richtigen Kartonmaterials erinnert. Für Software-Updates oder Diagnose von Störungen bietet das Bedienpanel zudem eine direkte Schnittstelle für Remote Service.

Das geschilderte Prinzip der Ausrichtung im freien Fall ist keinesfalls auf Drucksachen beschränkt. Im Zuge einer möglichen Weiterentwicklung wäre es denkbar, einzelne Stationen aus dem Gesamtautomaten herauszulösen und einzeln zu verwenden. Beispielsweise könnte so die Ausrichtung des Stapels im freien Fall ebenso für andere Prozessschritte genutzt werden. Vorstellbar ist ferner, zukünftig auch Konsumgüter oder Lebensmittel mit dieser patentierten Automatisierungstechnik in Stülpkartons zu verpacken.