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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Verpackungsmaschine mit einer Regelungseinrichtung
für zumindest
ein elektronisches Nockenschaltwerk, wobei die Regelungseinrichtung
mit Sensoren verbunden ist, die dieser ermittelte Betriebszustandsdaten
von in der Verpackungsmaschine bewegten Elementen übermitteln,
und Ein- und Ausschaltsignale an das Nockenschaltwerk gibt, wobei der
jeweilige Zeitpunkt einer befohlenen Schaltung des Nockenschaltwerks
in Abhängigkeit
von den erhaltenen Betriebszustandsdaten steuerbar ist. Die Erfindung
bezieht sich auch auf Verfahren zur Regelung einer Verpackungsmaschine
der vorgenannten Art.
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Aus dem Stand der Technik ist es
bekannt, Verpackungsmaschinen mit einem Nokkenschaltwerk zu versehen,
durch das Funktionen von Motoren und/oder Stellelementen, die Bestandteil
der Verpackungsmaschinen sind, ein- bzw. ausgeschaltet werden. Der
Einsatz von Nockenschaltwerken in Verpackungsmaschinen ist an sich bekannt
und dient insbesondere der Synchronisation zwischen digitalen Schaltvorgängen und
beliebigen Bewegungsvorgängen
innerhalb der Verpackungsmaschine. Ursprünglich wurde hierzu eine mechanische
Nockenwelle verwendet und fest an den zentralen Bewegungsapparat
der Maschine gekoppelt. Der zentrale Bewegungsapparat bestand in
aller Regel aus einer Königswelle.
Durch ein mechanisches Verstellen der Schaltnocken auf der Nockenwelle
konnten die Schaltsignale an den jeweiligen Verpackungsprozeß angepaßt werden.
Nachteilig hierbei war, daß bereits bei
geringen Änderungen
des Bewegungsablaufes, beispielsweise bei einer Erhöhung der
Geschwindigkeit, die Nocken jeweils mechanisch neu justiert werden
mußten.
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Eine Weiterentwicklung dieser Technik
stellen die heute verwendeten sogenannten elektronischen Nockenschaltwerke
dar. Diese Systeme zeichnen sich dadurch aus, daß Schaltnocken nicht mehr mechanisch,
sondern innerhalb einer elektronischen Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung
realisiert werden. Aus Vereinfachungsgründen soll nachfolgend nur von
einer Regelungseinrichtung die Rede sein, wobei dabei auch einfache
Steuerungen mit gemeint sind. Hierzu wird die Position einer mechanischen
Bewegung mittels eines Sensors bzw. Gebers von der Regelung erfaßt und die
Schaltausgänge entsprechend
der programmierten Schaltposition errechnet und ausgegeben. Der
Vorteil dieser Lösung gegenüber der
mechanischen Lösung
ist darin zu sehen, daß die
Schaltposition nicht mehr mechanisch verstellt werden muss. Auch
lassen sich in der Regelungseinrichtung mehrere Schaltpositionen
eingeben, abspeichern und bei Bedarf wieder verwenden. Die elektronischen
Nockenschaltwerke ermöglichen zudem
eine dynamische Nockenverstellung. Die dynamische Nockenverstellung
kommt dort zum Einsatz, wo Schaltvorgänge aufgrund von Verzögerungszeiten
im Stellglied nicht sofort, sondern erst nach Ablauf der Verzögerungszeit
im Stellglied wirken. So setzt sich die Verzögerungszeit beim Aufbringen
von Heißleim
in Kartoniermaschinen aus der Reaktionszeit des Schaltventils einschließlich eventueller
Totzeiten des Leimkopfes und der Flugzeit des Leims bis zum Karton
zusammen. Die Flugzeit kann abhängig
von der Kartongröße variieren,
oder je nach Länge
des zu leimenden Kartonabschnitts muß unterschiedlich lange Leim
ausgegeben werden. Damit der Leim genau auf die gewünschte Kartonposition auftreffen
kann, muß das
Schaltsignal für
das Leimventil um die jeweilige Verzögerungszeit vorverlagert sein.
Dazu ermittelt die Regelungseinrichtung die aktuelle Geschwindigkeit
des Kartons und errechnet aus dieser Geschwindigkeit und der Verzögerungszeit
des Stellgliedes den notwendigen Weg der Schaltpunktverschiebung
unter Berücksichtigung
der Formel S = v × t.
Bei diesem Funktionsablauf kann sich also der Leimvorgang automatisch
und dynamisch an die jeweiligen Einsatzbedingungen anpassen.
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Voraussetzung für die beschriebene rechnerische
Ermittlung der Schaltpunktverschiebung ist jedoch, daß die Bewegungen
in der Verpackungsmaschine jeweils mit konstanten Geschwindigkeits- bzw.
Beschleunigungsverhältnissen
ablaufen. Diese Voraussetzung beschränkt die Entwicklungsmöglichkeiten
für Verpackungsmaschinen,
da dadurch die Vorteile von regelbaren Servomotoren, die prinzipiell mit
unterschiedlichen Geschwindigkeiten betreibbar sind, nicht voll
ausgeschöpft
werden können.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die einen
erweiterten Dynamikbereich für
die Regelung der Verpakkungsmaschine aufweisen.
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Die Aufgabe wird für eine gattungsgemäße Verpackungsmaschine
gelöst,
indem der von der Regelungsvorrichtung ermittelte Zeitpunkt für die Ein- und/oder
Ausschaltung des elektronischen Nockenschaltwerkes von der Regelungseinrichtung
in Abhängigkeit
von vorgebbaren abgespeicherten Bahnkurventabellen, mathematischen
Funktionen und/oder weiteren dynamische Bewegungsprozesse beschreibenden
Daten der in der Verpackungsmaschine bewegten Elemente und/oder
Maschinen elemente veränderbar
ist. Ein erfindungsgemäßes Verfahren
zeichnet sich neben den bekannten Gattungsmerkmalen dadurch aus,
daß eine
Regelungseinrichtung vorgebbare abgespeicherte Bahnkurventabellen,
mathematische Funktionen und/oder weitere dynamische Bewegungsprozesse
der Maschinenelemente und/oder in der Verpackungsmaschine bewegte
Elemente beschreibende Daten verarbeitet und in Abhängigkeit
der Betriebszustandsdaten und der die dynamischen Bewegungsprozesse
beschreibenden Daten einen Zeitpunkt für die Ein- und/oder Ausschaltung
des elektronischen Nockenschaltwerks bestimmt und den Schaltvorgang
einleitet.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der
Verpackungsmaschine sowie des Verfahrens zur Regelung eines elektronischen
Nockenschaltwerkes in einer Verpakkungsmaschine wird es möglich, Bauteile
der Verpackungsmaschine und in der Verpackungsmaschine bewegte Elemente
nicht mehr nur mit konstanten Bewegungen und Geschwindigkeiten zu
betreiben, sondern auch mit unterschiedlich schnellen Bewegungen
und Geschwindigkeiten in einem Bewegungs- und Förderablauf. Ein großer Vorteil
ist darin zu sehen, daß es
durch das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Verpackungsmaschine
möglich
wird, die technischen Vorteile elektronischer Servoantriebe auszunutzen. Dies
kann beispielsweise geschehen, indem in der Regelungseinrichtung
Informationen über
den Bewegungsablauf des entsprechenden Antriebes beispielsweise
in Form von Bahnkurventabellen vorliegen. Diese Bahnkurventabellen
beschreiben den zyklischen Bewegungsablauf des Antriebes in Form von
Stützstellen,
welche die Position einer Folgewelle in der Relation zur Position
einer Hauptwelle angeben (Weg-Weg-Tabellen). Der dynamische, geschwindigkeitsabhängige Schaltpunkt
läßt sich
nun durch eine zyklische Integration der Wegstücke innerhalb der Tabelle exakt
berechnen.
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Verbesserungen und bevorzugte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich außerdem
aus den Merkmalen der Unteransprüche,
der gegenständlichen
Beschrei bung und der Zeichnungen.
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Die Erfindung soll nun anhand von
Ausführungsbeispielen
näher beschrieben
werden. Es zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung einer Verpackungsmaschine,
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2:
ein Diagramm zur Veranschaulichung des vorbekannten Berechnungsmodells,
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3:
eine schematische Darstellung des Berechnungsmodells mit dynamischen
Geschwindigkeiten.
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In 1 ist
eine Verpackungsmaschine 2 schematisch dargestellt. Die
Verpakkungsmaschine 2 ist im Ausführungsbeispiel eine Station
zum Aufbringen von Leimstrichen auf Kartonverpackungen. Das Funktionsprinzip
des näher
erläuterten
Ausführungsbeispiels
läßt sich
jedoch ohne Schwierigkeiten auch auf die Regelung anderer elektronischer
Schaltvorgänge
für Motoren,
Förderer,
Siegelbacken und sonstiger Verpackungsmaschinenbauteile übertragen.
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Die Verpackungsmaschine 2 verfügt über ein Förderelement 4,
auf dem zu verpakkende Kartons bewegt werden. Das Förderelement 4 besteht
aus Antriebswalzen 6, um die ein endlos umlaufendes Förderband 8 geschlungen
ist. Eine der Förderwalzen 6 ist
von einem Motor 10 angetrieben. Die Umlaufgeschwindigkeit
des Förderbandes 8 wird
von einem Sensor 12 überwacht.
Der Sensor 12 ist über eine
Verbindungsleitung mit dem Prozessor 14 einer Regelungseinrichtung 16 verbunden.
Auch der Motor 10 und eine Lichtschrankeneinheit 18 sind
mit dem Prozessor 14 verbunden. Von der Lichtschrankeneinheit 18 kann
als Sensor ermittelt werden, ob Kartons als in der Verpackungsmaschine 2 bewegte
Elemente tatsächlich
von dem Förder element 4 bewegt
werden. Über
eine Lichtschrankeneinheit 18 können beispielsweise das Erreichen
einer bestimmten Position durch die bewegten Elemente, eine Bewegungsgeschwindigkeit,
eine räumliche
Lage oder sonstige relevante Parameter abgefragt werden. Je nach
Anwendungsfall und gewünschter
Meßgröße können als
Sensor auch andere oder mehrere Sensormittel als die im Ausführungsbeispiel
beschriebene Lichtschrankeneinheit 18 eingesetzt werden. Über die Verbindungskabel
werden die betriebsrelevanten Parameter vom Motor 10, dem
Sensor 12 und der Lichtschrankeneinheit 18 an
den Prozessor 14 übermittelt.
Durch die Sensordaten, die der Prozessor 14 von den angeschlossenen
Sensoren übermittelt
erhält,
ist der Prozessor 14 durch eine entsprechend programmierte
Verarbeitungssoftware dazu in der Lage, aus den erhaltenen Sensordaten
ein Stellsignal an ein elektronisches Nockenschaltwerk 20 auszugeben. Das
elektronische Nockenschaltwerk 20 muß nicht mehr mechanisch in
der Verpackungsmaschine 2 enthalten sein, sondern kann
elektronisch durch die Auswertungssoftware simuliert sein. Körperlich
ist das elektronische Nockenschaltwerk 20 dann nur noch
als Ausgabestecker der Regelungseinrichtung 16 vorhanden.
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Das vom elektronischen Nockenschaltwerk 20 ausgegebene
Stellsignal wird an einen Aktor übermittelt,
der im Ausführungsbeispiel
ein Düsenmotor oder
ein Ventil 22 ist, durch den eine Portion Leim aus dem
Leimspender 24 ausgeworfen wird. An Stelle eines Düsenmotors 22 können vom
elektronischen Nockenschaltwerk 20 allgemein auch hydraulische oder
pneumatische Ventile, Stellmotoren, elektrische Schalter und dergleichen
angesteuert werden.
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Da der Leimspender 24 in
einem Abstand zu den Kartons angeordnet ist, die von dem Förderelement 4 durch
die Verpackungsmaschine 2 befördert werden, muß der Leim
von der Austrittsdüse
zu Kartonoberfläche
eine Flugbahn zurücklegen.
Damit die vom Leimspender 24 ausgeworfene Portion Leim den
durchgeförderten
Karton genau an der gewünschten
Stelle treffen kann, muß das
elektronische Nocken schaltwerk 20 den Stellbefehl um das Zeitintervall
früher
ausgeben, das der Flugbahn der Portion Leim entspricht. Neben dieser
reinen Funktionszeit kann es zusätzlich
erforderlich sein, Tot- und Reaktionszeiten der angesteuerten Aktorik
und andere zeitliche Einflußfaktoren
bei der Ermittlung des richtigen Zeitpunktes für die Ausgabe eines Stellsignals
zu berücksichtigen.
Die Funktions- und Tot- bzw. Reaktionszeit ergeben in der Summe
die Verzögerungszeit.
Solche Verzögerungszeiten
berechnen sich individuell für
jede Schaltfunktion auch in Abhängigkeit
von den Abmessungen und Besonderheiten einer bestimmten Verpackungseinheit,
welche die Verpackungsmaschine 2 durchläuft. Aus Vereinfachungsgründen wird
die Verzögerungszeit
im Ausführungsbeispiel
mit T bezeichnet.
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In 1 ist
ein Karton in einer Startposition 26 und einer Zielposition 28 gezeigt.
Mit der Startposition 26 ist genau die Position gemeint,
die ein Karton auf seinem Förderweg
erreicht haben muß,
an der zeitgleich das Stellsignal an den Düsenmotor 22 übermittelt
wird, um unter Berücksichtigung
der Verzögerungszeit
T die Portion Leim an der richtigen Stelle auf den Karton treffen
lassen zu können.
Mit der Zielposition 28 ist genau die Position des Kartons bezeichnet,
die der Karton auf seinem Förderweg
erreicht haben muß,
an der die ausgegebene Portion Leim an der richtigen Stelle auf
den Karton auftrifft. Von der Startposition 26 zur Zielposition 28 legt
der Karton als in der Verpackungsmaschine bewegtes Element die Strecke
sT zurück.
Die Strecke sT ist in 1 dargestellt. Um die Strecke sT zurücklegen
zu können,
ist das Zeitintervall der Verzögerungszeit
tT erforderlich, das für die ausgegebene Portion Leim und
den beförderten
Karton gleich ist. Der von der Portion Leim zurückzulegende Weg im Ausführungsbeispiel
ist jedoch kürzer
als die Strecke sT, die von dem beförderten
Karton zurückzulegen
ist. Diese Verhältnisse
können
jedoch je nach Anwendungsfall variieren.
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Unter Berücksichtigung des vorstehenden wird
deutlich, daß die
auf dem Prozessor 14 aktive Auswertungssoftware funktional
so ausgelegt sein muß,
daß sie
die Ver zögerungszeit
tT für
den jeweils beförderten
Karton und andererseits anhand der Fördergeschwindigkeit des Förderelementes 4 die
Reaktionsstrecke sT ermitteln kann. Um bei
variablen Fördergeschwindigkeiten
eines Förderelementes 4 eine
zutreffende Prognose über
die Förderzeit
im bevorstehenden Prognosezeitraum abgeben zu können, genügt es nicht mehr, mit konstanten
Fördergeschwindigkeiten
zu rechnen. In einem Speicherelement 30, das mit dem Prozessor 14 verbunden
ist und ein Bestandteil der Regelungseinrichtung 16 sein
kann, müssen
Daten hinterlegt sein, durch die das dynamische Geschwindigkeitsverhalten
des Förderelementes 4 beschrieben
ist. Die Daten können im
Speicherelement 30 beispielsweise in Form von abgespeicherten
Bahnkurventabellen, mathematischen Funktionen, Vektoren und/oder
als weitere die dynamischen Bewegungsprozesse der Elemente beschreibenden
Daten hinterlegt sein. Im Rahmen einer softwaregestützten Ermittlung
einer Verzögerungszeit
greift dazu der Prozessor 14 auf die auf dem Speicherelement 30 gespeicherten
Daten zu und verarbeitet diese zu einem Schaltsignal für ein elektronisches
Nockenschaltwerk 20, das an dieses zeitgerecht ausgegeben
wird oder das eine Anweisung zum zeitgerechten Schalten enthält. Auf
diese Weise wird sichergestellt, daß die Portion Leim, die auf
den Karton aufzubringen ist, genau an der programmierten Position
P auf den Karton trifft, obwohl der Motor 10 als Servomotor
mit einer variablen Geschwindigkeit betrieben wird. Eine sichere
Funktion wird erzielt, wenn für
die Regelung der Arbeitsgeschwindigkeit des Motors 10 in
einem Verpackungsprozeß und
für die
Ermittlung der Verzögerungszeit auf
dieselben im Speicherelement 30 hinterlegten Daten zurückgegriffen
wird. Auch die Pflege der Regelungssoftware für die Verpackungsmaschine 2, beispielsweise
zum "Lernen" neuer Verpackungen, ist
vereinfacht und der Betrieb funktionssicherer, wenn in der Regelungssoftware
nicht verschiedene Speicherorte für Geschwindigkeitsdaten je
nach Regelungszweck programmiert sind, sondern nur ein einziger
Speicherort. Bei Austausch von Geschwindigkeitsprofilen oder beim "Lernen" neuer Verpackungen
genügt
es, die Daten nur an einer einzigen Stelle zu ändern oder zu ergänzen.
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Das unterschiedliche dynamische Geschwindigkeitsverhalten
eines in einer Verpakkungsmaschine 2 angeordneten Förderelements 4 ist
in den 2 und 3 näher erläutert. An dieser Stelle sei bemerkt,
daß sich
die Erfindung nicht nur auf den im Ausführungsbeispiel dargestellten
Bandförderer
bezieht, sondern auf alle üblichen
Förderelemente,
die in einer Verpackungsmaschine verwendet werden, sowie auf alle
mit variabler Geschwindigkeit betreibbaren Aktoren, die für den Förder- und/oder
Arbeitsprozeß in
der Verpackungsmaschine 2 und Hilfsfunktionen relevant
sind und für
die im Rahmen einer Regelung Verzögerungszeiten zu bestimmen
sind.
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In 2 ist
auf der X-Achse die Zeit t abgetragen und auf der Y-Achse die Geschwindigkeit
v. Die nach dem Stand der Technik gleichbleibende Geschwindigkeit
eines Funktionselementes in der Verpackungsmaschine 2 ist
durch die Linie 32 dargestellt. Eine eingegebene Nocken-Schaltposition
ist in der Regelung für
einen Zeitpunkt I programmiert. Um eine Verzögerungszeit tT zu
berücksichtigen,
muß die Schaltposition
im Weg um den Betrag tT auf die Schaltposition
II zurückverlagert
werden. Die Verschiebung einer Schaltposition eines Nockens kann dabei
beliebig über
den Arbeitsbereich 34 erfolgen. Eine Vorverlagerung der
Schaltposition erfolgt dabei in Richtung des Pfeils 36,
eine Rückverlagerung
in Richtung des Pfeils 38. Die 2 zeigt die Verhältnisse im Hinblick auf eine
Einschaltposition, für
einen Nocken kann man in gleicher Weise eine Ausschaltposition definieren.
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Anders stellen sich die in 3 dargestellten Verhältnisse
bei variablen Geschwindigkeiten dar. Die variable Geschwindigkeit
ist durch die Linie 40 dargestellt. Zwischen den Positionen
I und II liegt im Ausführungsbeispiel
eine Beschleunigung und eine Verringerung der Fördergeschwindigkeit. Unter
Berücksichtigung
dieses Geschwindigkeitsprofils legt ein vom Förderelement 4 geförderter
Karton im Zeitintervall tT eine längere Strecke
zurück
als bei der in 2 gezeigten
Geschwindigkeitsannahme. Wegen der höheren Fördergeschwindigkeit müßte die Schaltposition
um einen geringeren Betrag vorverlagert werden, beispielsweise auf
die Position IIa. Um die Position IIa präzise berechnen zu können, benötigt der
Prozessor 14 die im Speicherelement 30 abgelegten
Daten über
das zu erwartende Geschwindigkeitsprofil.
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Die auf dem Speicherelement 30 hinterlegten
Daten können
vom Prozessor 14 in Zeitprognosedaten umgerechnet werden.
Signalisieren die Sensoren eine Änderung
des Soll-Zustandes von Antriebsdaten, so können entweder automatisch oder
auf Befehl die Zeitpunkte für
die Schaltung des Nockenschaltwerkes neu bestimmt werden oder die
hinterlegten Daten zur Beschreibung des Geschwindigkeitsverhaltens
werden korrigiert. Eine solche Korrekturfunktion ist sinnvoll, wenn
sich das Geschwindigkeitsverhalten von Elementen beispielsweise
verschleißbedingt
verändert.
In die Berechnung der Schaltpositionen kann auch eine Subroutine
aufgenommen werden, die die Realisierbarkeit der ermittelten Schaltzeitpunkte
in Abhängigkeit
von vorgegebenen oder errechneten Grenzwerten ermittelt.