DE102017219948A1

DE102017219948A1 - Vorrichtung zum Siegeln einer Verpackung

Info

Publication number: DE102017219948A1
Application number: DE102017219948.2A
Authority: DE
Inventors: Felix Kruppa; Bernd Wilke; Christoph Hammer; Juergen Haak; Ulrich Wieduwilt; Berend Oberdorfer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Syntegon Technology GmbH
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2018-07-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Versiegeln eines Packstoffs (10), umfassend zumindest eine Siegeleinrichtung (32) mit zumindest zwei relativ zueinander durch zumindest ein Antriebsmittel (17) verfahrbare Siegelbacken (28), die einen Abstand (b) zueinander aufweisen und der Versiegelung des Packstoffs (10) dienen, zumindest eine Recheneinheit (15) zur Ansteuerung des Antriebsmittels (17), wobei die Recheneinheit (15) derart ausgebildet ist, dass die Recheneinheit (15) zumindest dem Antriebsmittel (17) einen zeitabhängigen Sollwertverlauf (b_soll) vorgibt, um die Siegelbacken (28) während des Siegelvorgangs zu bestimmten Zeitpunkten auf zugehörige Abstände (b) zu bringen.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Siegeln einer Verpackung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 69418297 T2 bekannt. Für eine Schlauchbeutelmaschine wird ein Wert einer bestimmten physikalischen Variable an der Versiegelungsstelle ermittelt und bestimmt, ob der gemessene Wert innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt. Anschließend wird experimentell ein Standardwert durch eine Versiegelung von leeren Tüten bestimmt, so dass keine Objekte zwischen den Folienschichten eingefügt werden können.
Aus der DE 3907208 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung von Querschweißbacken einer Schlauchbeutelmaschine bekannt. Die Steuerung des Bewegungsablaufs erfolgt in Abhängigkeit vom Anpressdruck. Der Betätigungszyklus der Querschweißbacken kann in einzelne Arbeitsschritte unterteilt werden, welche unabhängig voneinander steuerbar sind. Damit kann eine variable Vorwärmzeit, eine variable Siegel- oder Schweißzeit sowie eine variable Nachwärmzeit vorgesehen werden. In diesen Bewegungsphasen kann die Backengeschwindigkeit des Betätigungszyklus beliebig variiert werden. Im Antrieb ist ein Sensor vorgesehen zur Erfassung des Drehmoments bzw. der Leistungsaufnahme als direkt proportionaler Parameter für den Anpressdruck der Querschweißbacken, in Abhängigkeit dessen der Antrieb gesteuert wird.
Aus der DE 102004049375 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Positionieren einer Schweißbacke bekannt. Es wird ein Abstand zwischen den beiden Siegelflächen der Schweißbacken während des Schweißvorgangs vorgegeben. Während der gesamten Dauer der Siegelzeit wird der Abstand vom Antrieb konstant gehalten, wobei eine bestimmte, sich aus dem Abstand ergebende Siegelkraft vom Antrieb aufgebracht wird. Dabei werden die vorgegebenen Werte für den Abstand mit einer für diesen Wert benötigten Siegelkraft verglichen. Bei zu hoher Siegelkraft für den vorgegebenen Abstand wird auf einen Produkteinschluss zwischen den Siegelflächen geschlossen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik weiter zu verbessern, insbesondere bei einer Veränderung der Folieneigenschaften die Siegelqualität zumindest beizubehalten. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Qualität der Siegelnaht verbessert wird. Gerade durch die zeitliche und örtliche Regelung bzw. Vorgabe eines Sollwertverlaufs der Siegelbacken können gezielt einzelne Siegelphasen optimiert werden. Hierzu ist zumindest eine Recheneinheit zur Ansteuerung, insbesondere Regelung, des Antriebsmittels derart ausgebildet, dass sie einen zeitabhängigen Sollwertverlauf vorgibt, um die Siegelbacken während des Siegelvorgangs zu bestimmten Zeitpunkten auf zugehörige Abstände zu bringen. Erfindungsgemäß ist zumindest ein Sensor zur Ermittlung des Abstands und/oder einer Dicke des Packstoffs vorgesehen, wobei die Recheneinheit das Antriebsmittel in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Sensors ansteuert. Gerade bei der Erfassung des tatsächlichen Abstands kann ein entsprechender Regelkreis aufgebaut werden, bei dem beispielsweise das Spiel zwischen Antriebsmittel und Siegelbacken keine Rolle mehr spielt. Dadurch erhöht sich die Genauigkeit und Qualität der Siegelung. Dadurch wird sichergestellt, dass auch bei sich verändernden Bedingungen immer zuverlässig eine gleichbleibend hohe Siegelqualität erzielt werden kann. Hierzu ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass der Sollwertverlauf in Form von zumindest einer Trajektorie vorgegeben ist, bei der zu definierten Zeitpunkten bestimmte Positionssollwerte zugeordnet sind. Damit lässt sich der komplette Siegelvorgang reproduzierbar gestalten. Dadurch lässt sich nicht nur beispielsweise der optimale Endabstand der Siegelbacken vorgeben, sondern auch die zugehörige Verweildauer mit diesem Endabstand, da nun auch die Zeitpunkte gezielt vorgegeben werden können, zu denen dieser Endabstand vorliegen soll. Dies wird zweckmäßigerweise dadurch möglich, dass zunächst die Stützstellen (Soll-Abstand zu bestimmten Zeitpunkten, die auch durchaus variieren können) bestimmt werden. Anschließend wird unter Verwendung der Stützstellen der zeitabhängige Kurvenverlauf in Abhängigkeit des ermittelten Sensorwertes erzeugt. Aus dem Kurvenverlauf werden Sollwerte für das Antriebsmittel beispielsweise über Diskretisierung des Soll-Kurvenverlaufs ermittelt. Somit liegt für jeden Zeitabschnitt/Abtastschritt ein Sollwert des Antriebsmittels vor.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist als Regelkreis eine Vorsteuerung und/oder ein Modellregelkreis vorgesehen, mit welchem die Regelgüte weiter gesteigert werden kann. Zweckmäßigerweise umfasst die Vorsteuerung ein Modell, insbesondere für messbare Störungen, wodurch sich die Regelgüte weiter erhöht.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist ein Sensor zur Ermittlung einer Geschwindigkeit des Packstoffs, insbesondere mit der der Packstoff der Siegeleinrichtung zugeführt wird, vorgesehen. Besonders zweckmäßig wird der Sollwertverlauf in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Sensors insbesondere von der Recheneinheit ermittelt. Damit können unterschiedliche Umgebungsbedingungen gezielt in dem Siegelvorgang berücksichtigt werden. Dadurch wird es möglich, dass beispielsweise ein gleichbleibender Endabstand der Siegelbacken in Abhängigkeit von der Dicke des Packstoffs gesteuert bzw. geregelt werden kann.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen zumindest zwei Zeitpunkten die zugehörigen Soll-Abstände beispielsweise linear, in Form einer e-Funktion, eines Polynoms, eines Splines oder in sonstigen Bahnen verlaufen. Damit können gezielt je nach unterschiedlichen Anforderungen beispielsweise glatte Kurvenverläufe oder beispielsweise mit geringem Rechenaufwand lineare Kurvenverläufe vorgegeben werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, beliebige Kurven wie beispielsweise ein Sägezahnprofil dem Antriebsmittel als Sollwertverlauf vorzugeben.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Recheneinheit aus dem ermittelten tatsächlichen Abstand und dem Soll-Abstand eine Regelabweichung ermittelt und in Abhängigkeit von der Regelabweichung das Antriebsmittel ansteuert bzw. regelt. Hierbei kann eine übliche Reglerstruktur wie beispielsweise ein P-, PI-, PID-, Kaskaden- oder Fuzzi-Regler verwendet werden. Durch den Rückgriff auf eine Regelung kann nochmals die Qualität der Siegelungen erhöht werden. Dadurch wird insbesondere ein Spiel in der Mechanik zwischen dem Antriebsmittel und den Siegelbacken eliminiert.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung sind zumindest für jeweils unterschiedliche Dicken des Packstoffs und/oder für unterschiedliche Arten des Packstoffs unterschiedliche Sollwertverläufe bzw. Trajektorien. Da gerade unterschiedliche Dicken oder Lagensprünge große Auswirkungen auf die Siegelqualität besitzen, wird dieser Parameter gezielt auch bei einem sich verändernden Dickeprofil des Packstoffs in einer veränderten Ansteuerung berücksichtigt, vorzugsweise bei jeder einzelnen Siegelung. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Sollwert bzw. Sollwertverlauf bzw. Trajektorie in Abhängigkeit von der Position des Sensors zur Ermittlung der Dicke des Packstoffs relativ zur Position der Siegelbacken entlang eines Transportwegs des Parkstoffs ermittelt wird. Damit wird sichergestellt, dass zum richtigen Zeitpunkt, wenn der Packstoff mit der ermittelten Dicke auch nach der nun gezielt ermittelbaren Zeitverzögerung an der Siegelstelle ankommt, der zugehörige Positionssollwert vorgegeben wird. Die Qualität der Siegelung erhöht sich weiter. Besonders bevorzugt wird hierzu abhängig von der Geschwindigkeit des Packstoffs eine Verzögerungszeit ermittelt, in dessen Abhängigkeit der Zeitpunkt der Vorgabe des Sollwertverlaufs erfolgt.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Sollwertverlauf in Abhängigkeit von der Art des Packstoffs, das Profil der Dicke des Packstoffs, dem minimalen Abstand, dem Abstand, bei dem zumindest eine Siegelbacke gerade in Kontakt mit dem Packstoff kommt, ermittelt wird. Damit können weitere Parameter, die der Optimierung der Siegelung dienen, berücksichtigt werden.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist zumindest eine Formeinrichtung zur Formung eines Packstoffschlauchs aus dem Packstoff vorgesehen. Gerade für Schlauchbeutelmaschinen eignet sich die beschriebene Vorrichtung besonders. Hierzu ist zweckmäßigerweise zumindest ein Dosiermittel zur Befüllung der Verpackung und/oder eine Längssiegeleinrichtung zur Erstellung einer Längsnaht der Verpackung vorgesehen. Damit kann die Qualität von Verpackungen weiter erhöht werden.
Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Figurenliste
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigt die

1 eine Verpackungsmaschine in der Seitenansicht mit einer beispielhaften Anordnung der Sensoren, sowie
2 eine beispielhafte Darstellung unterschiedlicher Trajektorien zur Ansteuerung einer Siegeleinrichtung.
3 eine beispielhafte Darstellung eines Regelkreises.
4 der zeitliche Verlauf des tatsächlichen Abstands und des Sollwertverlaufs bei Verwendung des Regelkreises.

Eine Verpackungsmaschine 8 umfasst eine Packstoffrolle 12, auf der der zu verarbeitende Packstoff 10 aufgerollt ist. Die Verpackungsmaschine 8 kann beispielsweise als Schlauchbeutelmaschine ausgeführt sein. Die Packstoffrolle 12 wird mit einer Geschwindigkeit v abgerollt. Die Geschwindigkeit v wird einer Steuereinheit bzw. Recheneinheit 15 mitgeteilt. Der abgerollte Packstoff 10 wird zwischen eine Messeinrichtung 14 geführt. Die Messeinrichtung 14 ist so angeordnet, dass diese eine Dicke d des Packstoffes 10 ermittelt. Die Dicke d des Packstoffes 10 wird ebenfalls der Recheneinheit 15 mitgeteilt. Der Packstoff 10 gelangt anschließend in den Bereich einer Formeinrichtung 16. Die Formeinrichtung 16 ist beispielsweise als Formschulter ausgeführt. Die Formeinrichtung 16 ist hierbei so ausgebildet, dass aus dem zugeführten Packstoff 10 ein Packstoffschlauch gebildet wird. Hierzu legt die Formeinrichtung 16 den Packstoff 10 um ein Formrohr 24. Anschließend gelangt der so gebildete Packstoffschlauch in den Bereich einer Siegeleinrichtung 32. Die Siegeleinrichtung 32 umfasst zwei gegeneinander verfahrbare Siegelbacken 28. Alternativ könnte auch nur eine der Siegelbacken 28 verfahrbar ausgeführt sein. Nach dem Zusammenfahren der Siegelbacken 32 wird die Quernaht des Packstoffschlauchs gebildet. Durch eine nicht gezeigte Trenneinrichtung wird im Bereich der Quernaht der Folienschlauch abgetrennt, so dass sich eine geschlossene Verpackung 30 bildet.
Außerdem ist eine nicht gezeigte weitere Siegeleinrichtung zur Ausbildung einer Längsnaht des Folienschlauchs vorgesehen. Oberhalb der Formeinrichtung 16 ist ein Trichter 18 angeordnet, in den das in den Packstoffschlauch abzufüllende Produkt über ein Dosiermittel 20 gelangt. Als Dosiermittel 20 wird beispielsweise eine Dosierschnecke eingesetzt, die das Produkt in der gewünschten Menge in die bereitstehende, aus dem Packstoffschlauch nach Siegelung gebildete Verpackung 30 eindosiert. Bei dem Produkt kann es sich beispielsweise um rieselfähige Schüttgüter wie beispielsweise Kaffee, Milchpulver, Zucker oder ähnliches handeln. Die Verwendung ist jedoch hierauf nicht eingeschränkt.
Die Siegelbacken 28 der Siegeleinrichtung 32 als Bestandteile einer Quersiegeleinheit lassen sich durch zumindest ein Antriebsmittel 17 verfahren. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen oder aber auch um zwei Motoren, vorzugsweise Servomotoren handeln. Das Antriebsmittel 17 wird durch die Recheneinheit 15 angesteuert.
Weiterhin wird ein Abstand b der Siegelbacken 28 ermittelt. Hierzu ist beispielsweise ein Sensor 26 vorgesehen. Der Sensor 26 kann beispielsweise an einer der Siegelbacken 28 angeordnet sein. Alternativ könnte der Sensor 26 auch feststehend angeordnet sein und beispielsweise seitlich den Abstand b der Siegelbacken 28 erfassen. Der Abstand b der Siegelbacken 28 kann ebenfalls der Recheneinheit 15 mitgeteilt werden. Der Abstand b kann beispielsweise der Abstand zwischen den beiden Siegelflächen der Siegelbacken 28 sein. Die Siegelflächen sind parallel zueinander orientiert.
Wie nachfolgend weiter erläutert erfolgt eine Ansteuerung der Siegeleinrichtung 32 mittels entsprechender Mechanik so, dass bestimmte Trajektorien 34, 34', 36 durchlaufen werden. In der 2 sind beispielhaft drei Trajektorien 34, 34', 36 gezeigt, die sich beispielsweise für unterschiedliche Packstoffarten eignen. Sie können sich beispielsweise durch unterschiedlich lange Aufwärmphasen oder Siegelzeiten unterscheiden wie für die Trajektorien 34, 34' exemplarisch für eine Packstoffart und für die Trajektorie 36 für eine andere Packstoffart gezeigt. Auch kann beispielsweise je nach Packstoffart eine eher schnelle oder langsame Annäherung an den Packstoff 10 über unterschiedliche Trajektorien 34, 34', 36 vorgegeben werden. Die Trajektorien 34,34' wiederum unterscheiden sich in einem Endabstand b_end bzw. b'_end voneinander, während der restliche Verlauf nahezu identisch ist. Der unterschiedliche Endabstand b_end, b'_end hängt beispielsweise von einer unterschiedlichen Dicke d, d' des Packstoffs 10 ab. Für die Trajektorie 34 mit geringerem Endabstand b_end besitzt der Packstoffs 10 an dieser Stelle eine geringere Dicke d als an einer anderen Stelle, an der der Packstoffs 10 eine etwas größere Dicke d' aufweist, was in einem größeren Endabstand b'_end mit entsprechend angepasster Trajektorie 34' resultiert.
Als Trajektorie 34, 34', 36 wird ein zeit-und/oder ortsabhängiger Sollwertverlauf verstanden. Die Recheneinheit 15 gibt den zeitabhängigen Sollwertverlauf in Form von zeitabhängigen Antriebspositionen dem Antriebsmittel 17 vor, um die Siegelbacken 28 während des Siegelvorgangs kontinuierlich auf die zugehörigen zeitabhängigen Abstände b zu bringen. Hierbei werden die Positionssollwerte b_ soll, die den Abstand b der Siegelbacken 28 zueinander festlegen, kontinuierlich zu diskretisierten Zeitpunkten (beispielsweise im Bereich der Abtastung von 1 ms o.ä.) und dem Antriebsmittel 17 als Sollwerte in Form einer Trajektorie 34, 34', 36 bzw. Kurvenform vorgegeben. Eine solche Kurvenform könnte auch als Sägezahnprofil ausgebildet sein.
Insbesondere die Positionssollwerte b_soll ab Folienkontakt, bis der optimale Endabstand b_end der Siegelbacken 28 zueinander erreicht ist, werden gezielt vorgegeben. Damit wird der gesamte Schließ- und/oder Öffnungsvorgang während des Siegelns positionsabhängig und zeitabhängig gesteuert bzw. geregelt. Außerdem ist es möglich, auf einen variablen Endabstand b_end zu regeln abhängig von unterschiedlichen Parametern.
Beispielhaft ist in 2 der Soll-Abstand b_soll der Siegelbacken 28 zueinander aufgetragen in Abhängigkeit von der Zeit t. Die so gezeigten Trajektorien 34, 34', 36 werden von der Recheneinheit 15 dem Antriebsmittel 17 als zeitabhängige Sollwerte vorgegeben. Hierzu werden beispielsweise folgende Schritte durchlaufen.
Die Recheneinheit 15 erhält die aktuell gemessenen Werte der Dicke d und/oder der Geschwindigkeit v des Packstoffs 10.
Zunächst ermittelt die Recheneinheit 15 für verschiedene Stützstellen tn, tn +1 die zugehörigen Sollabstände b_soll der Siegelbacken 28 zueinander. Alternativ könnten die Positionen der Siegelbacken 28 entsprechend so vorgegeben werden, dass sich die zugehörigen Sollabstände b_soll einstellen. Die Stützstellen tn, tn +1 müssen dabei nicht äquidistant ausgebildet sein, sondern können auch variieren. Auch die Anzahl der Stützstellen kann variieren. Den Stützstellen tn, tn +1 werden die gewünschten Sollwerte bn_soll, bn+1_soll zugeordnet.
Aus diesen Stützstellen wird in einem nächsten Schritt ein Kurvenverlauf bzw. eine zugehörige Trajektorie 34, 34', 36 ermittelt. Zur Erstellung des Kurvenverlaufs können bekannte Verfahren herangezogen werden, indem die Stützstellen beispielsweise linear, über eine E-Funktion, übers Splines, Polynome oder sonstige geeignete Kurvenverläufe miteinander verbunden oder zumindest näherungsweise beinahe erreicht werden.
In einem weiteren Schritt ermittelt die Recheneinheit 15 aus dem (kontinuierlichen) Sollwertverlauf b_soll bzw. Trajektorie 34, 34', 36 die entsprechenden Positionssollwerte in Form von zeitabhängigen Antriebspositionen für das Antriebsmittel 17. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Diskretisierung der Kurvenverläufe beispielsweise in sehr geringen Abtastschritten (beispielsweise in der Größenordnung von 1 - 50 ms) verglichen mit den größeren zeitlichen Abständen benachbarter Stützstellen tn, tn +1 zueinander. Die Recheneinheit 15 steuert das Antriebsmittel 17 bzw. die zugehörige Steuerung oder Regelung des Antriebsmittels 17 mit diesen Sollwerten an. Durch diesen Schritt wird sichergestellt, dass das Antriebsmittel 17 durch geeignete Sollwertvorgaben auch sicher den gewünschten Kurvenverlauf erreichen kann.
Diese Schritte werden nun für jede Siegelung wiederholt. Dies erfolgt online, also während der laufenden Siegelung des Packstoffs 10. Insbesondere dann erfolgt ein veränderter Sollwertverlauf b_soll, wenn die Recheneinheit 15 auf eine veränderte Dicke d des Packstoffs 10 erkannt hat. Weiterhin ermittelt die Recheneinheit 15 die zeitliche Verzögerung, mit der die auch tatsächlich ermittelte Dicke d des Packstoffs 10 an der Siegelstelle ankommt und somit das Antriebsmittel 17 mit diesen Positionssollwerten beaufschlagt werden muss.
Die Berücksichtigung des Dickeprofils des Packstoffs 10 könnte dabei so erfolgen, dass zu den Abtastzeitpunkten der Dicke d dies sich in veränderte Sollwerte des Endabstands b_end, b'_end niederschlagen könnte. Nimmt beispielsweise die Dicke des Packstoffs 10 um 10 % ab, so wird auch der Endabstand b_end beispielsweise um 10 % reduziert. Nimmt er im Laufe des Verpackungsprozesses wieder beispielsweise um 5 % zu, so wird auch der Endabstand b_end beispielsweise um 5 % vergrößert. Weiterhin könnte beispielsweise auch die Siegeldauer Ts abhängen von der Dicke d des Packstoffs 10. Variiert die Dicke d des Packstoffs 10, so könnte beispielsweise bei zunehmender Dicke d des Packstoffs 10 auch die Siegelzeit Ts etwas verlängert werden neben der Vergrößerung des Endabstands b_end. Damit können unterschiedliche Stützstellen tn, tn+1 abhängig von unterschiedlicher Dicke d eines Packstoffs 10 bereits in der Recheneinheit 15 in Form einer Tabelle abgelegt sein. Alternativ könnten bereits die zugehörigen Trajektorien 34, 34', 36 in der Recheneinheit 15 für unterschiedliche Dicken d des Packstoffs 10 abgelegt sein. Die Recheneinheit 15 generiert abhängig von der Dicke d die zugehörige Trajektorie 34, 34', 36 und diskretisiert die Trajektorien 34, 34',36 zur Vorgabe entsprechender Antriebssollwerte für das Antriebsmittel 17.
Somit sollen zu bestimmten Zeitpunkten tn bestimmte Abstandswerte bn der beiden Siegelbacken 28 zueinander erreicht werden. Der gesamte Siegelvorgangs könnte beispielsweise zwischen 50 ms und 1000 ms dauern. Für diesen Siegelvorgang werden Positionssollwerte für das Antriebsmittel 17 vorgegeben beispielsweise in Abständen von 1 bis 50 ms. Die Trajektorien 34, 34', 36 werden aus beispielsweise als Punkte eingezeichneten Stützstellen zu den Zeitpunkten tn, tn+1 gebildet. Die Trajektorien 34, 34', 36 wiederum können unterschiedlich ausgebildet sein abhängig von bestimmten Parametern. Beispielsweise können sich die Trajektorien 34, 34', 36 abhängig von der Dicke d des Packstoffes 10 unterscheiden. Außerdem können die Trajektorien 34, 34',36 abhängen vom Folientyp, dem Endsiegelabstand, dem Folienkontakt, der Siegelzeit, bestimmten Siegelparametern wie Wärmeeintrag, Dauer des Aufwärmvorgangs, Siegelprofil oder weiteren Parametern.
Die beschriebene Verpackungsmaschine 8 arbeitet wie folgt. In einem ersten Schritt erfasst die Messeinrichtung 14 die Dicke d des Packstoffes 10. Aufgrund der Kenntnis des Abstandes, den der Packstoff 10 zwischen der Messeinrichtung 14 und der tatsächlichen Siegelstelle bei den Siegelbacken 28 durchläuft, und der bekannten Geschwindigkeit v des Packstoffes 10 ermittelt die Recheneinheit 15 die hierfür benötigte Zeitdauer bzw. Verzögerungszeit tv und die zugehörige gemessene Dicke d bzw. das Dickenprofil des Packstoffes 10 an der jeweiligen Siegelstelle. Anschließend wird die Trajektorie 34, 34', 36 in geeigneter Weise, beispielsweise abhängig von dem verwendeten Typ des Packstoffes 10, dem Endsiegelabstand, dem Packstoffkontakt, der Siegelzeit vor bzw. bei jeder Siegelung, individuell und adaptiv erstellt. Diese Trajektorie 34, 34', 36 des zugehörigen Abstands b der Siegelbacken 28 ist zeit- und ortsabhängig wie in 2 dargestellt. Ebenfalls kann das Eindringen in den Packstoff 10 (bzw. das Verdrängen des Packstoffs 10 an der Siegelstelle) beliebig nach den oben genannten Kriterien über die geeignete Vorgabe des Minimalabstands bzw. Soll-Endabstand b_end erfolgen. Kontinuierlich oder in bestimmten Zeitintervallen wird aus der ermittelten Dicke d des Packstoffs 10, dem daraus resultierenden Dickenprofil des Packstoffs 10 und dem optimalen Soll-Endabstand b_end zwischen den Siegelbacken 28 berechnet. Dieser Soll-Endabstand b_end kann für eine bestimmte Zeit beibehalten werden. Die Trajektorie 34, 34', 36 der Siegeleinheit 32 bzw. der daraus erfolgenden Bewegungen wie beispielsweise die zeitliche Bewegung der Antriebsmittel 17 wird adaptiv online, also während des laufenden Siegelvorgangs bzw. zwischen zwei Siegelvorgängen, vorzugsweise abhängig von zumindest einem Siegelparameter wie beispielsweise die Dicke d des Packstoffs 10, neu ermittelt bzw. die bestehende Trajektorie 34, 34', 36 mit Blick auf die erfolgten Änderungen der Siegelparameter korrigiert.
Nach dem beschriebenen Verfahren kann die Erzeugung der Trajektorie 34, 34', 36 in einem oder mehreren Schritten erfolgen. Es kann beispielsweise der Endpunkt b_end vorgegeben werden, welcher dann angefahren wird. Oder es werden in einem ersten Schritt die Siegelbacken 28 bis zum Kontakt mit dem Packstoff 10 gefahren. Nach der Erwärmung des Packstoffes 10 werden in einem weiteren Schritt die Siegelbacken 28 auf den Soll-Endabstand b_end gebracht. Die Bewegungs-Trajektorie 34, 34', 36 der Siegeleinheiten 32 kann individuell vorgegeben werden. Dies ermöglicht eine Optimierung der einzelnen Siegelphasen in Abhängigkeit des verwendeten Packstoffs 10 und des Siegelbackenprofils. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei jeder Siegelung sichergestellt ist, dass die Siegelschicht noch nicht vollständig verdrängt ist.
Es können Abstandssensoren oder optische Systeme eingesetzt werden, welche den Ist-Abstand b der Siegelbacken 28 oder deren Aufhängungen oder Ähnliches erfassen, woraus der tatsächliche Abstand b der Siegelbacken 28 bestimmt werden kann. Unter Verwendung des tatsächlichen Abstands b kann das Antriebsmittel 17, das die Siegelwerkzeuge bewegt, zeitlich auf die Soll-Trajektorie 34, 34', 36 geregelt werden beispielsweise mit einem in 4 gezeigten Regelkreis 50.
Einer Vorsteuerung 52 wird über einen Summationspunkt 58 eine Sollwertvorgabe, beispielsweise der Sollwertverlauf b_soll zugeführt. Die Ausgangsgröße des Summationspunkts 58 gelangt in einen Vorregler 54. Mit der Ausgangsgröße des Vorreglers 54 wird ein Modell 56 beaufschlagt. Vorregler 54 und Modell 56 sind Teil der Vorsteuerung 52. Die Ausgangsgröße des Modells 56 gelangt mit negativem Vorzeichen an den Summationspunkt 58. Außerdem wird die Ausgangsgröße des Modells 56 einem weiteren Summationpunkt 59 zugeführt. Die Ausgangsgröße des weiteren Summationspunkts 59 wird einem Regler 60 zugeführt. Die Ausgangsgröße des Reglers 60 gelangt an einen dritten Summationspunkt 61, dem ebenfalls die Ausgangsgröße des Vorreglers 54 mit positivem Vorzeichen zugeführt ist. Die Summe gelangt als Ausgangsgröße des dritten Summationspunkts 61 an eine Regelstrecke 62. Basierend auf der Regelstrecke 62 wird der tatsächliche Abstand b ermittelt, der wiederum mit negativem Vorzeichen dem weiteren Summationspunkt 59 zugeführt wird. Hierzu ist der Sensor 26 zur Ermittlung des Abstands b als Teil der Regelstrecke 62 enthalten. Der entsprechende Regler 60 minimiert die Regelabweichung zwischen tatsächlichem Abstand b und Sollwertverlauf b_soll. Damit ergibt sich beispielsweise der in 4 gezeigte zeitliche Verlauf des Sollwertverlaufs b_soll sowie der zeitliche Verlauf des tatsächlichen Abstands b. Wie ersichtlich gibt es kaum eine Abweichung zwischen Sollwertverlauf und tatsächlichem Verlauf. Die Vorsteuerung 52 kann lediglich optional vorgesehen werden. Alternativ könnte der Sollwertverlauf b_soll auch direkt dem Summationspunkt 59 zugeführt werden.
Würde das Antriebsmittel 17 hingegen über eine Trajektorie in Form von zeitabhängigen Antriebspositionen vorgegeben bzw. der Antrieb danach gesteuert, ergeben sich größere Abweichungen zwischen Sollwertverlauf und tatsächlichem Verlauf. Dies resultiert vor allem aus dem Spiel des mechanischen Aufbaus des Antriebsmittels 17 in Verbindung mit den Siegelbacken 28. So wird bei jeder Siegelung nach dem Stand der Technik die Folie zwischen den Siegelbacken gepresst, jedoch bleibt das Spiel der Mechanik (Lage etc.) unbeachtet. Durch die Verwendung eines Regelkreises 50, beispielsweise ausgeführt als modellgestützte Vorsteuerung gemäß 4, kann die Regelabweichung reduziert werden. Gemäß 4 wird der Sollwertverlauf b_soll der Vorsteuerung 52 zugeführt, wobei in der Vorsteuerung 52 bereits das Modell 56 des realen Systems inklusive Regler 54 beinhaltet ist, sodass relativ genau der reale Wert berechnet bzw. simuliert werden kann. Der Vorteil dieser Reglerstruktur besteht darin, dass der Regler 60 nur Modellunsicherheiten und Störungen ausregeln muss und somit sehr fein eingestellt werden kann, wodurch sich die Regelgüte weiter erhöht. Der bereits ermittelte Wert der Vorsteuerung 52 wird dann mit dem tatsächlich gemessenen Abstand b verglichen bzw. im Summationspunkt 59 die Regelabweichung gebildet, welche dem Regler 60, beispielsweise ein P-oder PI-Regler zugeführt. Der Regler 60 liefert am Ausgang einen Wert, welcher über eine Transformation der Mechanik in Positionssollwerte für das Antriebsmittel 17 transferiert wird. Dieser Wert wird dem Antriebsmittel 17 dann vorgegeben und somit die Siegelbacke 28 in eine neue Position bewegt. Dieser Regelkreis 50 wird kontinuierlich mit allen Sollwerten wie beschrieben durchlaufen. Die Güte des Regelkreises 50 bzw. die Regeldifferenz zwischen Sollwertverlauf b_soll und tatsächlich über den Sensor 26 gemessenen Abstand b ist von der Wahl des Reglers 60, dessen Regelparameter sowie der Wahl der Reglerstruktur abhängig. Dies kann in einer zweckmäßigen Weiterbildung auch online optimiert werden.
In alternativen Ausgestaltungen können die Siegelbacken 28 ohne Packstoff 10 auf Anschlag zusammen gefahren werden, um den Referenzpunkt zu bestimmen. Der Referenzpunkt und die ermittelte Restdicke der Siegelschichten ergibt den Endpunkt der Siegelbacken 28 beim Schließ-und Siegelprozess.
Die beispielhaft in 2 gezeigten Trajektorien 34, 34', 36 des Abstandes b der Siegelbacken 28 werden dem Antriebsmittel 17 unter Berücksichtigung eines bestimmten Getriebefaktors des Antriebs bzw. Motors als Sollwerte bzw. Soll-Trajektorien 34, 34', 36 vorgegeben. Diese Trajektorien 34, 34', 36 fährt das Antriebsmittel 17 ab. Als Antriebsmittel 17 ist beispielsweise ein Servoantrieb bzw. Servomotor vorgesehen. Ob der Soll-Abstand b der Siegelbacken 28 der vorgegebenen Soll-Trajektorien zu dem jeweiligen Zeitpunkt tn aber erreicht wird, kann aufgrund mechanischer Toleranzen des flexiblen Systems der Verpackungsmaschine 8 nicht garantiert werden. Deswegen wird der Abstand b zwischen den Siegelbacken 28 gemessen, und zwar durch den Sensor 26. Im weiteren Schritt wird die Regeldifferenz zwischen dem Sollwert (Soll-Trajektorien) b_soll und dem tatsächlichen gemessenen Siegelbacken-Abstand b_ist bestimmt. Die Differenz wird über einen Regler, der entweder das Antriebsmittel 17 bzw. an der Siegelbacke 32 und/oder dem Backenstuhl angebrachte Motoren ansteuert, ausgeregelt. Der Regler kann Bestandteil sein der Recheneinheit 15. Alternativ könnte auch der Drehwinkel (als Maß für den daraus resultierenden Abstand b) des Antriebsmittels 17 auf die vorgegebene zeitliche Trajektorie 34, 34', 36 geregelt werden.
Die Messung der Siegelparameter wie beispielsweise die Dicke d des Packstoffs 10 erfolgt kontinuierlich ebenso wie die zugehörige Planung der Trajektorien 34, 34', 36 in Abhängigkeit von dem jeweiligen Siegelparameter. Somit kann während des laufenden Verpackungsprozesses die Siegeleinheit 32 in der gewünschten Art durch Vorgabe zeitabhängiger Positionssollwerte b_soll verändert angesteuert werden. Während des Betriebs besteht die Möglichkeit, zum Zeitpunkt t einen Wechsel auf eine andere Trajektorie 34, 34', 36 vorzunehmen. Dadurch wird es möglich, Schwankungen in der Dicke des Packstoffs 10 sofort zu berücksichtigen. Weiterhin ist es möglich, den optimalen Endabstand b_end der Siegeleinheit 32 zu ermitteln und die Siegelbacken 28 danach zu steuern bzw. zu regeln. Dadurch kann die Qualität der Siegelnaht gesteigert werden, da die Siegelbacken 28 mit der optimalen Eindringtiefe b_end in Abhängigkeit der Dicke d des Packstoffs 10 eindringen. Durch die zeitliche und örtliche Steuerung der Siegelbacken 28 können auch gezielt einzelne Siegelphasen optimiert werden. Die Regelung auf den zeitabhängigen Abstand b der Siegelbacken 28 hat darüber hinaus den Vorteil, dass sowohl der Endabstand b_end der Siegelbacken 28 wie auch ein mögliches Schiefstellen der Siegelbacke(n) 28 überwacht werden kann. Durch die kontinuierliche Änderung des optimalen Endabstands b_end enthält die Vorrichtung eine Trajektorienplanung, welche den zeitlichen und örtlichen Siegelbackenabstand b eines Siegelzyklus enthält. Weiterhin ist es möglich, adaptiv die Trajektorien 34, 34', 36 der Siegelbacken 28 und damit des ganzen Schließmechanismus online anzupassen. Durch diese neue Regelstrategie wird zum einen sichergestellt, dass die Siegeleinheit 32 in den Packstoff 10 eingedrungen ist. Zum anderen kann erreicht werden, dass beispielsweise die PE-Schicht nicht vollständig verdrängt wird.
Die Trajektorien 34, 34', 36 können je nach Anwendungsfall einen unterschiedlichen Verlauf insbesondere zwischen den Stützpunkten zu den Zeitpunkten tn, tn+1 aufweisen. Beispielsweise könnte sich ein linearer Verlauf, ein parabelförmiger Verlauf oder in Form einer e-Funktion auch mit Blick auf eine optimierte Rechenleistung der Recheneinheit 15 eignen.
Beschriebene Vorrichtung und Verfahren eignen sich insbesondere zur Siegelung eines Packstoffs, insbesondere bei Verpackungsmaschinen. Die Verwendung ist jedoch hierauf nicht eingeschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69418297 T2 [0002]
DE 3907208 A1 [0003]
DE 102004049375 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung zum Versiegeln eines Packstoffs (10), umfassend zumindest eine Siegeleinrichtung (32) mit zumindest zwei relativ zueinander durch zumindest ein Antriebsmittel (17) verfahrbare Siegelbacken (28), die einen Abstand (b) zueinander aufweisen und der Versiegelung des Packstoffs (10) dienen, zumindest eine Recheneinheit (15) zur Ansteuerung des Antriebsmittels (17), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensor (14, 26) zur Ermittlung des Abstands (b) und/oder einer Dicke (d) des Packstoffs (10) vorgesehen ist, und die Recheneinheit (15) derart ausgebildet ist, dass die Recheneinheit (15) zumindest dem Antriebsmittel (17) einen zeitabhängigen Sollwertverlauf (b_soll) in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Sensors (14, 26) vorgibt, um die Siegelbacken (28) während des Siegelvorgangs zu bestimmten Zeitpunkten (tn) auf zugehörige Abstände (b) zu bringen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (15) den Sollwertverlauf (b _ soll) während oder zwischen der Siegelung des Packstoffs (10) für einen nachfolgenden Siegelvorgang ermittelt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwertverlauf (b_soll) und das Ausgangssignal des Sensors (14, 26), insbesondere der Abstand (b), einem Regelkreis (50) zugeführt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Regelkreis (50) zumindest eine Vorsteuerung (52) und/oder einen Regler (60) umfasst, der die Regeldifferenz zwischen dem Sollwertverlauf (b_soll) und dem ermittelten tatsächlichen Abstand (b) reduziert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwertverlauf (b _ soll) in Form von zumindest einer Trajektorie (34, 34',36) vorgegeben ist, bei der zu bestimmten Zeitpunkten (tn) bestimmte Positionssollwerte (b_soll) zugeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (15) aus mehreren Sollwerten (b_ soll) zu bestimmten Zeitpunkten (tn, tn+1) bzw. Stützstellen zumindest eine Trajektorie (34, 34',36) bildet und die Trajektorie (34, 34',36) als Sollwertverlauf für ein Antriebsmittel (17) verwendet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (15) Sollwerte für das Antriebsmittel (17) bildet durch Diskretisierung der Trajektorie (34, 34',36).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (15) den Sollwertverlauf (b _ soll) bildet aus zumindest zwei Sollwerten (bn, bn +1) zu bestimmten Zeitpunkten (tn, tn +1), indem die Recheneinheit (15) die zumindest zwei Sollwerte (bn, bn +1) linear, in Form einer e-Funktion, eines Polynoms, eines Splines oder einer sonstigen vorgebbaren Kurvenform verbindet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei unterschiedliche Sollwertverläufe bzw. Trajektorien (34, 34', 36) vorgesehen sind für unterschiedliche Dicken (d) des Packstoffs (10) und/oder unterschiedliche Arten des Packstoffs (10).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwertverlauf (b _ soll) und/oder die zumindest zwei Sollwerte (bn, bn+1) abhängt bzw. abhängen von der Art des Packstoffs (10), dem Profil der Dicke (d) des Packstoffs (10), dem minimalen Abstand (b_end), dem Abstand (b), bei dem zumindest eine Siegelbacke (28) gerade in Kontakt mit dem Packstoff (10) kommt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensor (13) zur Ermittlung einer Geschwindigkeit (v) des Packstoffs (10), insbesondere mit der der Packstoff (10) der Siegeleinrichtung (32) zugeführt wird, vorgesehen ist, und dass der Sollwertverlauf (b _ soll) in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Sensors (13) insbesondere von der Recheneinheit (15) ermittelt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Sollwerte (bn, bn +1) und/oder der Sollwertverlauf (b_soll) von der Position des Sensors (14) zur Ermittlung der Dicke (d) des Packstoffs (10) relativ zur Position der Siegelbacken (28) entlang eines Transportwegs des Parkstoffs (10) ermittelt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der Geschwindigkeit (v) und/oder zumindest einer Druckmarke des Packstoffs (10) eine Verzögerungszeit (tv) ermittelt ist, in dessen Abhängigkeit der Zeitpunkt der Vorgabe des Sollwertverlaufs (b_soll) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (15) aus dem ermittelten Abstand (b_ist) und dem Sollwert (b_soll) eine Regelabweichung ermittelt und in Abhängigkeit von der Regelabweichung das Antriebsmittel (17) ansteuert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Formeinrichtung (16) zur Formung eines Packstoffschlauchs aus dem Packstoff (10) und/oder zumindest ein Dosiermittel (20) zur Befüllung der Verpackung (30) und/oder zumindest eine Längssiegeleinrichtung zur Erstellung einer Längsnaht der Verpackung (30) vorgesehen sind/ist.