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Die Erfindung betrifft eine Etikettiermaschine gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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In der aus
DE 10 2006 062 511 A bekannten Etikettiermaschine weist im Greiferzylinder jeder Greifer einen elektrischen oder elektromagnetischen Betätigungsantrieb auf. Bei einem Etikettenwechsel und/oder Formatwechsel sind neue Einstellungen, wie der Hub und das Timing des Greifers, schwierig zu steuern. Außerdem ist diese Lösung teuer, und ggf. wegen hohen Leistungsbedarfs unbefriedigend.
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Bei der aus
DE 94 17 319 U bekannten Etikettiermaschine ist im Greiferzylinder für jeden Greifer eine Kurvensteuerung vorgesehen. Diese Lösung ist baulich aufwendig, verschleißbehaftet und schwer. Umstellungen des Greifers bei einem Etiketten- oder Etikettenformatwechsel sind schwierig und zeitaufwendig durchzuführen.
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Die Piezo-Aktoren-Technologie findet zwar seit langem vielfältige Anwendungen, z. B. bei Brennstoffeinspritzventilen für Verbrennungsmotoren (
DE 10 060 018 A ), oder in Uhren, Objektiven, Mikroskopen, Interferometern und dergleichen (Internet: Piezoelektrizitäts-Wikipedia), oder für Dreh- oder Linearantriebssysteme (Internet: elliptec.com). Jedoch wurde die Piezo-Aktoren-Technologie bislang für Greifer in Etikettiermaschinen nicht eingesetzt, u. a., weil in Verbindung mit häufigen Umstellvorgängen relativ große Bewegungshübe der Greifer, ein extrem präzises und reproduzierbares Hubtiming, und im Betrieb relativ hohe, exakt reproduzierbare Kräfte, betriebsbedingte Vibrationen und starke Kontamination zu beherrschen sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Etikettiermaschine hinsichtlich der Greiferbetätigung zu verbessern. Teil der Aufgabe ist es, ein kostengünstiges und betriebssicheres sowie bei Etikettenwechsel bequem und rasch umstellbares Greifersystem zu schaffen.
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Die gestellte Aufgabe wird mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Moderne piezoelektrische Aktoren sind überraschend in der Lage, mit nur moderatem Leistungsbedarf einen Greifer oder mehrere Greifer für dasselbe Etikett so zu betätigen, dass ein relativ großer Bewegungshub des Greifers, ein extrem präzises und reproduzierbares Hubtiming, relativ hohe und gleich reproduzierbare Kräfte trotz betriebsbedingter Vibrationen und Kontamination beherrschbar sind, und vor allem Umstellungen im Falle eines Etiketten- oder Etikettenformatwechsels rasch und bequem steuerseitig durchführbar sind, ohne am Greifer oder im Greiferzylinder arbeiten zu müssen. Dank der Kompaktheit und des geringen Gewichts des piezoelektrischen Aktors lässt sich eine bauliche Vereinfachung des Greiferzylinders erzielen. Außerdem ist ein Austausch eines schadhaften Greifers oder/und dessen piezoelektrischen Aktors einfach und rasch durchführbar.
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Zweckmäßig ist der piezoelektrische Aktor in den Greifer eingegliedert und treibt der piezoelektrische Aktor wenigstens einen Greiferfinger und/oder das Widerlager an, um den Greifer zwischen der Haltestellung und der Freigabestellung umzustellen. Der piezoelektrische Aktor nimmt zweckmäßig die Umstellung nicht in einem Hub, sondern mit einer Vielzahl Bewegungsinkrementen vor, die in einer gleichförmigen und raschen Umstellbewegung des Greifers resultieren, und zwar mit einem elektronisch exakt reproduzierbaren Timing. Der Hub des Greifers lässt sich beispielsweise über die Aktivierungsdauer des piezoelektrischen Aktors beliebig wählen.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform treibt der piezoelektrische Aktor den Greifer über ein Getriebe an, vorzugsweise über ein Übersetzungsgetriebe, das z. B. jeweils kleinere Antriebsbewegungen des piezoelektrischen Aktors in eine große Umstellbewegung und damit einen, ausreichend großen raschen Hub des Greifers übersetzt.
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Bei einer Ausführungsform wird der Greifer vom piezoelektrischen Aktor unidirektional gegen Federkraft in die Freigabeposition oder in die Halteposition umgestellt. Die jeweilige Rückführung des Greifers erfolgt unter der Federkraft bei deaktiviertem piezoelektrischem Aktor.
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Bei einer anderen Ausführungsform wird der Greifer vom piezoelektrischen Aktor bidirektional zwischen der Halte- und der Freigabeposition hin- und her umgestellt. In diesem Fall generiert der piezoelektrische Aktor z. B. auch die Haltekraft des Greifers in der Halteposition.
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Besonders zweckmäßig ist der piezoelektrische Aktor ein Biegeschwinger, der resonanzbasiert arbeitet. Alternativ kann der piezoelektrische Biegeschwinger auch ohne Resonanz betrieben werden. Ein auf Resonanz basierender Betrieb bietet den Vorteil relativ hoher Kräfte und relativ großer Antriebsbewegungsinkremente bei nur moderatem Leistungsbedarf (Niederspannung beispielsweise zwischen etwa 5 Volt und 55 Volt).
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In einer zweckmäßigen Ausführungsform weist der piezoelektrische Aktor mehrere gestapelte Piezokeramikelemente in einem Piezo-Stack auf. Der Piezo-Stack enthält beispielsweise 180 Piezokeramikelemente, jedes zwischen etwa 20 bis 30 μm dick, wobei sich beispielsweise Antriebsbewegungsinkremente in der Größenordnung von jeweils etwa 4 μm erzeugen lassen.
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Bei einer alternativen Ausführungsform kann der piezoelektrische Aktor des Greifers als Dickenschwinger oder Querdehn-Element ausgebildet sein, der bzw. das eine relativ lineare Antriebsbewegung oder Antriebsbewegungsinkremente auf den Greifer überträgt.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist der piezoelektrische Aktor entweder über einen Schleifringüberträger galvanisch oder über rotative Transformatoren berührungslos mit einer elektronischen Steuervorrichtung verbunden. Die Steuervorrichtung steuert die Erregung des piezoelektrischen Aktors bei der Drehbewegung des Greiferzylinders entsprechend des Bedarfs der Greiferbetätigung.
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Um das Timing der Greiferbetätigung exakt steuern und ändern zu können, ist es zweckmäßig, wenn die Steuervorrichtung mit wenigstens einem die Drehung des Greiferzylinders abtastenden Winkelsensor und/oder Drehimpulsgeber verbunden ist und dessen Signale verarbeitet.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist der Greiferfinger des Greifers an einer Greiferfingerachse relativ zum Widerlager schwenkbar gelagert, wobei der Greiferfinger ein über die Greiferfingerachse hinaus verlängertes Antriebselement trägt, an welchem der piezoelektrische Aktor form- und/oder kraftschlüssig angreift. Grundsätzlich ist nicht ausgeschlossen, mehr als einen piezoelektrischen Aktor für jeweils eine Umstellrichtung des Greifers vorzusehen.
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Bei einer günstigen Ausführungsform ist das Antriebselement am Greiferfinger als Antriebssegment, z. B. Kreissegment, mit einer, vorzugsweise bombierten, Reibfläche im Abstand von der Greiferfingerachse ausgebildet. Der piezoelektrische Aktor ist als Biegeschwinger mit einem armförmigen Grundkörper ausgestattet, der eine zumindest einen Piezo-Stack enthaltende Aufnahme bildet und einen Schwingarm besitzt. Der Grundkörper wird über eine Feder im Greiferzylinder abgestützt und mit dem Schwingarm in Reibkontakt mit der Reibfläche gehalten. Um bei der Übertragung der Antriebsbewegungsinkremente vom Schwingarm auf die Reibfläche hohe Effizienz sicherzustellen, ist zweckmäßig der Schwingarm schräg in Bezug auf einen Radius auf die Greiferfingerachse angestellt. Ein Winkel zwischen der Tangente an die Reibfläche und die Längsachse des Schwingarms kann beispielsweise etwa 55° betragen. Das freie Ende des Schwingarms führt dann in Kontakt mit der Reibfläche Bewegungen aus, die einer annähernden Ellipsenkurve folgen und über den Reibschluss, das Antriebssegment und die Greiferfingerachse in Schwenkbewegungen des Greiferfingers relativ zum Widerlager gewandelt werden.
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Bei einer anderen zweckmäßigen Ausführungsform ist der als Biegeschwinger ausgebildete piezoelektrische Aktor von einer Trägerplatte gebildet, die auf einer Seite oder auf beiden Seite mit Piezo-Stacks bestückt und beidendig im Greiferzylinder abgestützt ist. Die Trägerplatte ist zwischen ihren endseitigen Abstützungen, z. B. in der Mitte, entweder direkt oder über ein Getriebe mit dem Biegefinger oder dem Widerlager gekoppelt.
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Schließlich ist es zweckmäßig, wenn der piezoelektrische Aktor über die Steuervorrichtung mit Aktivierungsspannungen mit unterschiedlichen Frequenzen beaufschlagbar ist. Abhängig von der aufgebrachten Frequenz und ggf. der Höhe der Aktivierungsspannung erzeugt der piezoelektrische Aktor zum Umstellen des Greifers Antriebsbewegungsinkremente in der einen oder der anderen Bewegungsrichtung.
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Erfindungsgemäß kann vom piezoelektrischen Aktor nur ein Greiferfinger relativ zu einem stationären Widerlager oder einem zweiten, das Widerlager bildenden Greiferfinger umgestellt werden, und/oder kann alternativ oder additiv sogar das Widerlager über den piezoelektrischen Aktor oder einen weiteren piezoelektrischen Aktor umgestellt werden, oder werden beide Greiferfinger, die zangenartig relativ zueinander bewegbar sind, von einem priezoelektrischen Aktor oder mehreren piezoelektrischen Aktoren umgestellt.
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Im Rahmen der Erfindung kann der piezoelektrische Aktor nicht nur einen einzelnen Greifer betätigen, sondern alternativ mehrere Greifer bzw. Greiferfinger oder Widerlager, die zum Transferieren ein- und desselben Etiketts an dem Greiferzylinder montiert sind, weil häufig ein Etikett an mehreren Stellen gegriffen wird.
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Anhand der Zeichnung werden Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schemadarstellung einer Ausführungsform einer Etikettiermaschine, jedoch ohne Einschränkung auf die gezeigte Ausführungsform,
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2 eine Ausführungsform eines Greifersystems am Greiferzylinder der Etikettiermaschine beispielsweise von 1,
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3 eine andere Ausführungsform eines Greifersystems,
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4 eine weitere Ausführungsform eines Greifersystems, und
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5 und 6 das Greifersystem von 4 in zwei unterschiedlichen Betriebsstellungen.
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1 zeigt schematisch den Aufbau einer Etikettiermaschine M zum Etikettieren von Behältern, insbesondere Flaschen F. Aus einem linearen Zuförderer 1 kommende Behälter werden mit einer Einteilschnecke 2 vereinzelt und in einen rotierenden Flaschentisch 3 übergeführt. Der Umlaufbahn des Flaschentisches 3 sind in dieser Ausführungsform der Etikettiermaschine M zwei Etikettieraggregate A zugeordnet. Das in Umlaufrichtung der Behälter erste Etikettieraggregat A dient beispielsweise zum Stanniolieren und zur Rumpf- und Brustetikettierung mit entsprechenden Etiketten, während das zweite Etikettieraggregat zur Rückenetikettierung vorgesehen sein kann. Bei jedem Etikettieraggregat A ist nur eine Etikettieretage dargestellt, obwohl ggf. mehrere übereinanderliegende Etikettieretagen vorgesehen sein können, z. B. drei beim ersten Etikettieraggregat A. Die dargestellte Etikettiermaschine ist nur ein nicht beschränkendes Ausführungsbeispiel zur besseren Erläuterung des erfindungsgemäßen Konzepts.
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Die zum Etikettieren zu transferierenden Etiketten E werden in einem Etikettenbehälter 4 bereitgehalten, der auf ein Palettenwellen-Karussell 5 ausgerichtet ist, an dem zu seiner Drehachse exzentrisch mehrere Palettenwellen 6 drehantreibbar gelagert sind. Jede Palettenwelle 6 trägt mindestens eine Palette 7. Dem Palettenwellen-Karussell 5 ist eine Leimwalze 8 zugeordnet, sowie ein Greiferzylinder 9 mit daran angeordneten Andrückelementen 10 für das jeweils transferierte Etikett E und hier mehreren in Umfangsrichtung verteilten Greifern 11.
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Bei der Rotation des Palettenwellenkarussells 5 und der Drehbewegung der Palettenwellen 6 wird jede Palette 7 an ihrer Haftfläche beim Passieren der Leimwalze 8 mit Leim beschichtet und nachfolgend an dem vordersten Etikett E im Etikettenbehälter 4 abgewälzt. Das Etikett E wird mitgenommen und auf der Palette 7 liegend zu einem Greifer 11 transferiert, der das Etikett E beispielsweise an seinem in Transferrichtung vorderen Rand ergreift, von der Palette 7 ablöst und zum Behälter transferiert. Der Behälter wird vom rotierenden Flaschentisch am Greiferzylinder 9 vorbeigeführt, wobei der Greifer 11 das Etikett E beim Anlegen der beleimten Seite an den Behälter solange festhält, bis das Andrückelement 10 das Etikett aufdrückt.
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Der Etikettenbehälter 4, jede Palettenwelle 6 mit beispielsweise mehreren Paletten 7 und der Greiferzylinder 9 mit den Greifern 11 sind drei Hauptbaugruppen des Etikettieraggregats A der Etikettiermaschine M, die miteinander kooperieren und einen Etikettentransferweg definieren. Diese Hauptbaugruppen kooperieren in jeweiligen Kooperationspositionen, wobei es im Betriebsablauf auf die präzise Einhaltung dieser vom Etikettenformat abhängenden Kooperations-Positionen ankommt. Bei einem Etikettenformatwechsel müssen zumindest die Greifer 11 am Greiferzylinder 9 in andere Kooperations-Positionen umgestellt werden.
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Das in 2 schematisch gezeigte Greifersystem weist als Greifer 11 einen einzelnen Greiferfinger 21 und ein hier beispielsweise stationäres Widerlager 22', z. B. aus Gummi, am Greiferzylinder 9 auf. Der Greiferfinger 21 ist um eine Greiferfingerdrehachse 23 schwenkbar am Greiferzylinder 9 gelagert und besitzt ein über die Greiferfingerdrehachse 23 hinausragendes Antriebselement 12, beispielsweise in der Form eines Kreissegments mit einer, vorzugsweise bombierten, Reibfläche 12' im Abstand von der Greiferfingerdrehachse 23. In der gezeigten Ausführungsform in 2 schließen beispielsweise der Greiferfinger 21 und das Antriebselement 12 einen stumpfen Winkel von etwa 100° ein.
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Der Greifer 11 in 2 weist als elektrischen Betätigungsantrieb 20 zumindest einen piezoelektrischen Aktor P auf, der in der gezeigten Ausführungsform als Biegeschwinger beispielsweise für einen resonanzbasierten Betrieb ausgebildet ist. Der piezoelektrische Aktor P weist einen Grundkörper 16, z. B. aus Aluminium oder einem anderen Metall, z. B. aus VA-Stahl auf, der armförmig ist bzw. die Gestalt eines Uhrzeigers hat, und über eine Feder 13 (Schenkelfeder) im Greiferzylinder 9 abgestützt wird. Ein Arm 14 der Feder 13 ist im Greiferzylinder 9 verankert, während ein anderer Arm 15 an einem Ende des Grundkörpers 16 befestigt ist. Der Grundkörper 16 bildet eine runde oder ovale innere Aufnahme 17, in der zumindest ein Piezo-Stack 18 aus mehreren gestapelten Piezokeramikelementen kraftübertragend aufgenommen ist. Der Piezo-Stack 18 ist beispielsweise mit seiner Längsachse in etwa auf die Längsachse des armartigen Grundkörpers 16 ausgerichtet, der mit einem Schwingarm 17a die Reibfläche 12' unter dem Andruck der Feder 13 kontaktiert. Bei Beaufschlagung mit einer Aktivierungsspannung, beispielsweise über Leitungen 19 von einer elektronischen Steuervorrichtung CU, vorzugsweise außerhalb des Greiferzylinders 9 platziert, verformt der Piezo-Stack 18 die Aufnahme 17, so dass das freie Ende des Schwingarms 17a in etwa elliptische Schwingbewegungen ausführt, und zwar abhängig von der Frequenz der Spannungsbeaufschlagung in der einen Bewegungsrichtung, oder der anderen Bewegungsrichtung. Durch den Reibschluss werden diese Schwingungen oder Antriebsbewegungsinkremente vom Antriebselement 12 auf den Greiferfinger 21 übertragen, der in Richtung. eines Doppelpfeils zwischen einer Halteposition, in der ein Rand des auf dem Widerlager 22' liegenden Etiketts E gegriffen wird, und einer Freigabeposition abgehoben vom Widerlager 22', umgestellt wird.
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Die Kopplung zwischen dem Schwingarm 17a und dem Antriebselement 12 könnte alternativ auch formschlüssig sein. Der Schwingarm 17a und das Antriebselement 12 definieren in der Kooperation ein Getriebe G, das beispielsweise die Antriebsbewegungsinkremente des Schwingarms 17a in größere Umstellbewegungen des freien Endes des Greiferfingers 21 wandelt.
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Bei einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform könnte alternativ oder additiv das Widerlager 22' relativ zum Greiferfinger 21 mittels eines piezoelektrischen Aktors P verstellt werden.
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Die Leistungsversorgung und Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors P erfolgt beispielsweise von der Steuervorrichtung CU über Schleifringüberträger auf galvanischem Weg vom stationären Teil der Etikettiermaschine M in den Greiferzylinder 9, oder berührungslos über rotative Transformatoren, von denen Transformatorenteile im stationären Teil und im Greiferzylinder 9 angeordnet sind. Ferner steht, zweckmäßig, die Steuervorrichtung CU in Verbindung mit wenigstens einem Winkelsensor oder Drehimpulsgeber, der die Drehbewegung zumindest des Greiferzylinders abgreift und entsprechende Signale liefert.
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Die elektronische Steuervorrichtung CU besitzt zweckmäßig einen Eingabe- und Anzeigebereich, in welchem Einstellungen für zumindest das Timing jedes Greifers in Zuordnung zur Drehbewegung des Greiferzylinders 9 einstellbar ist und ggf. auch der jeweilige Greiferhub bzw. die Greiferkraft in der Halteposition.
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3 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform eines Greifersystems für den Greiferzylinder 9, wobei der Greifer 11 in dieser Ausführungsform zwei zangenartig relativ zueinander um die Greiferfingerachse 23 (eine Welle am Greiferzylinder 9) relativ zueinander verstellbare Greiferfinger 21, 22 aufzeigt. Beispielsweise definiert der Greiferfinger 22 ein stationäres oder bewegliches Widerlager für den anderen Greiferfinger 21. Jeder Greiferfinger 21, 22 ist mit einem über die Greiferfingerdrehachse 23 hinaus verlängerten Antriebselement 12 ausgebildet. Der elektrische Betätigungsantrieb 20 umfasst auch in dieser Ausführungsform zumindest einen piezoelektrischen Aktor P, der mit den Antriebselementen 12 beider Greiferfinger 21, 22 in bewegungsübertragender Verbindung ist und von der hier nicht gezeigten Steuervorrichtung steuerbar ist.
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Der piezoelektrische Aktor P in 3 könnte ein Dickenschwinger oder Querdehn-Element sein, und im Resonanzbetrieb oder Nicht-Resonanzbetrieb arbeiten. Der piezoelektrische Aktor P braucht nicht notwendigerweise im Greiferzylinder 9 abgestützt zu sein, sondern kann von den beiden Antriebselementen 12 gehalten werden. Der piezoelektrische Aktor P kann beide Greiferfinger 21, 22 relativ zueinander verstellen, oder nur einen davon relativ zu dem anderen, dann stationär festgelegtem.
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4 verdeutlicht schematisch eine weitere Ausführungsform eines Greifersystems für den Greiferzylinder 9 mit einem Greifer 11, bestehend aus einem einzelnen Greiferfinger 21 und einem beispielsweise stationärem Widerlager 22', wobei hier nur der Greiferfinger 21 durch den piezoelektrischen Aktor P umstellbar ist. Alternativ oder additiv könnte auch das Widerlager 22' durch einen piezoelektrischen Aktor P verstellt werden. Ferner ist hierbei darauf hinzuweisen, dass, da eine Randseite des zu transferierenden Etiketts E häufig von mehreren Greifern ergriffen wird, die synchron gesteuert werden, ein piezoelektrischer Aktor P gleichzeitig diese mehreren Greifer 11 betätigen kann.
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In der in 4 gezeigten Ausführungsform weist der piezoelektrische Aktor P beispielsweise eine dünne Trägerplatte 26 auf, die an einer Seite oder beiden voneinander abgewandten Seiten mit Piezo-Stacks 27 bis 30 bestückt ist und beidendig über Abstützungen 32 im Greiferzylinder 9 gehalten wird. Bei einer alternativen Ausführungsform können auch nur auf einer Seite der Trägerplatte 26 Piezo-Stacks 27 und 28, oder 29 und 30, vorgesehen sein, oder ggf. nur ein einzelner Piezo-Stack. Zwischen den endseitigen Abstützungen 32 ist die Trägerplatte 26 über ein Koppelelement 31 mit dem Greiferfinger 21 fest verbunden (oder alternativ mit dem Widerlager 22', während dann der Greiferfinger 21 stationär gelagert ist).
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Gemäß 5 wird bei einer Aktivierung beispielsweise der oberen Piezo-Stacks 27 und 28 deren dann auftretende Längung in eine Biegung der Trägerplatte 26 gewandelt, die auf den Greiferfinger 21 übertragen wird und diesen in Richtung eines Pfeils 33 von dem Widerlager 22' abhebt. Wird die Bestromung der Piezo-Stacks 27, 28 wieder aufgehoben, kehrt die Trägerplatte 26 in die in 4 gezeigte Ausgangslage zurück (Halteposition des Greifers 11).
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Wird hingegen, wie in 6 angedeutet, jeder der unteren Piezo-Stacks 29, 30 aktiviert, dann biegt sich die Trägerplatte 26 in der entgegengesetzten Richtung (Pfeil 34) durch. Auf diese Weise kann ein relativ großer Hub des Greiferfingers 21 (oder des Widerlagers 22') erzielt werden, oder/und eine relativ hohe Haltekraft des Greiferfingers 21.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006062511 A [0002]
- DE 9417319 U [0003]
- DE 10060018 A [0004]
