DE19735942A1 - Verpackungsmaschine ohne mechanische Königswelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verpackungsma­ schine ohne mechanische Königswelle mit einer zen­ tralen Steuerung für die Antriebssysteme der Ma­ schine.

Der Nahrungsmittel- und Verpackungsmaschinenmarkt, zu dem beispielsweise Füll-, Verschließ- und Eti­ kettiermaschinen, aber auch Mehrfunktionsmaschinen zum Zuführen, Füllen und Verschließen vorgefertig­ ter Behältnisse gehören, ist traditionell durch den Einsatz von mechanischen Antriebselementen geprägt. Eine derartige Verpackungsmaschine besitzt in der Regel einen als Hauptantrieb dienenden Elektromo­ tor, der eine Königswelle antreibt. Alle für den jeweiligen Arbeitsprozeß der Maschine erforderli­ chen Bewegungseinheiten sind mit dieser Welle me­ chanisch gekoppelt. Dabei wird die Drehbewegung der Welle durch mechanische Antriebe wie Getriebe, Kur­ venscheiben, Kupplungen, Zahnriemen und Winkelge­ triebe in die für den Arbeitsprozeß erforderlichen Bewegungen umgesetzt. Die starre Kopplung an die Königswelle gewährleistet die hervorragende Syn­ chronisation sämtlicher Bearbeitungseinheiten, von denen je nach Komplexität der Maschine bis zu zwan­ zig oder auch mehr Stück erforderlich sind.

In den letzten Jahren wurden ergänzend zur Königs­ welle zusätzliche servomotorische Antriebe für ein­ zelne Bearbeitungseinheiten eingesetzt. Dabei han­ delt es sich um Kompaktgeräte, die jeweils einen Regler für den Motor und eine Mikroprozessorsteue­ rung enthalten, die ein der jeweiligen Anwendung entsprechendes Programm abarbeiten.

Das grundsätzliche Problem dieser Verpackungsma­ schinen liegt in ihrer mangelnden Flexibilität bei Prozeßänderung. Jeder Produktwechsel, aber auch schon jede kleine Änderung der Prozeßparameter, ist mit Umbauarbeiten an der Maschine und dem Austau­ schen von mechanischen Baugruppen verbunden, wenn er überhaupt möglich ist. Dies führt zu erheblichen Stillstandszeiten der Maschine und damit zu be­ trächtlichen Produktionsausfällen.

Die Umstellung einzelner Bearbeitungseinheiten auf servomotorische Antriebe hat zwar die Flexibilität und die Taktgeschwindigkeit von Verpackungsmaschi­ nen erhöht, kann aber das grundsätzliche Problem nicht lösen, da ein Teil der Maschine noch mecha­ nisch ausgeführt und somit nicht automatisiert ist, diese Antriebsgeräte aber nicht flexibel genug sind, um für alle anstehenden Aufgaben eingesetzt werden zu können und es sich zudem um Einzelgeräte handelt, die nicht im Verbund verwaltet werden können.

Ein vollständiger Ersatz der von der Königswelle betriebenen Mechanik durch miteinander koordinierte servomotorische Antriebe war bisher aufgrund der hohen Anforderungen, die bei Verpackungsmaschinen an die Bewegungen der Antriebseinheiten gestellt werden, nicht möglich. Die sehr komplexen Bewe­ gungsabläufe, die zudem mit hoher Geschwindigkeit erfolgen, waren nur über die Königswelle mit aus­ reichender Präzision miteinander zu synchronisie­ ren.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Flexibilität von Nahrungsmittel- und Verpackungs­ maschinen deutlich zu erhöhen, um so Produktwechsel und andere Prozeßänderungen zu vereinfachen, Still­ standzeiten zu reduzieren und die Produktivität dieser Maschinen zu verbessern.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die einzelnen bislang an die Königswelle gekop­ pelten Antriebssysteme mit Servomotoren ausgestat­ tet sind, über eine Datenverbindung zwischen zen­ traler Steuerung und den Steuergeräten für die ein­ zelnen Servomotoren ein Datenaustausch im Millise­ kundentakt erfolgt, Absolutgeber der zentralen Steuerung Informationen über die Bewegung der ein­ zelnen Servomotoren liefern und die zentrale Steue­ rung ein elektronischer Rechner ist, der die Bewe­ gung der einzelnen Servomotoren nach einem Programm steuert und synchronisiert.

Der Grundgedanke der Erfindung ist es, die mechani­ sche Königswelle in Nahrungsmittel- und Verpackungs­ maschinen durch ein elektronisches Steuerungs- und Antriebssystem zu ersetzen und diese Maschinen dadurch vollständig zu automatisieren. Dazu sollen die komplexen Bewegungsabläufe der einzelnen Bear­ beitungseinheiten der Maschine statt durch eine spezialisierte Mechanik durch flexible servomotori­ sche Antriebe erzeugt werden, die durch einen zen­ tralen Rechner nach einem Programm gesteuert wer­ den, wobei die Überwachung der Servomotoren durch Absolutgeber sowie die schnelle Datenverbindung zwischen zentraler Steuerung und Motorsteuergeräten eine ausreichend genaue Synchronisation der An­ triebe ermöglichen. Änderungen der Bewegungsab­ läufe, wie sie bei Produktwechseln oder sonstigen Änderungen im Verpackungsprozeß erforderlich sind, können damit ohne aufwendige und zeitraubende me­ chanische Umbauten über die Software eingestellt werden. Ein weiterer Vorteil der servomotorischen Antriebe liegt im Wegfallen teurer mechanischer Baugruppen, wodurch Verpackungsmaschinen wesentlich kostengünstiger und kompakter als bisher herge­ stellt werden können.

Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand von Unteransprüchen.

Um Kosten zu sparen, kann die Hardware der zentra­ len Steuerung auf einer einzelnen Platine aufgebaut werden. Die dadurch geringe Baugröße der Steuerung bietet zudem den Vorteil einer beträchtlichen Plat­ zersparnis.

Für den Aufbau der zentralen Steuerung wird die Verwendung von PC-Hardware vorgeschlagen, die ver­ gleichsweise preisgünstig gestatten werden kann. Aufgrund der für die Steuerung erforderlichen hohen Rechenleistung und Geschwindigkeit kommt hier ins­ besondere der Pentium-Prozessor in Frage.

Aufgabe der Steuerung ist es, mehrere servomotori­ sche Antriebe präzise zu bewegen und dabei die er­ forderliche Synchronität der Motoren zu gewährlei­ sten. Dies erfordert einen umfangreichen Datenaus­ tausch zwischen der zentralen Steuerung und der Steuergeräten für die Servomotoren, die in Millise­ kundentakt mit den nötigen Beschleunigungs-, Ge­ schwindigkeits-, und Positionierdaten versorgt wer­ den müssen, während gleichzeitig auch Status- und Fehlermeldungen von den Antriebselementen an die Steuerung zurückgemeldet werden müssen.

Dazu wird in bevorzugter Weiterbildung der Erfin­ dung eine Lichtwellenleiterverbindung zwischen Steuerung und Motoren empfohlen, da diese einen sehr hohen Datendurchsatz zuläßt und darüberhinaus gegen elektromagnetische Störungen unempfindlich ist.

Insbesondere wird für die Lichtwellenleiterverbin­ dung die standardisierte Sercos-Schnittstelle vor­ geschlagen, eine Hochgeschwindigkeitsschnittstelle, die für die Nahrungsmittel- und Verpackungstechnik eventuell modifiziert werden muß.

In Nahrungsmittel- und Verpackungsmaschinen werden sehr komplexe Bewegungsfunktionen für die Motoren benötigt, wie beispielsweise geneigte Sinuslinie, Polynom fünften Grades, modifiziertes Beschleuni­ gungstrapez oder modifizierte Sinuslinie. Die Ver­ wendung dieser Funktionen hat das Ziel, die auftre­ tenden Beschleunigungen gering zu halten und somit möglichst ruckfreie und materialschonende Bewegun­ gen der Maschine zu ermöglichen. Derartige mathema­ tische Funktionen können in vorteilhafter Ausge­ staltung der Erfindung für die Programmierung der zentralen Steuerung vorgesehen werden.

Nicht jede eventuell für einen Arbeitsprozeß erfor­ derliche Motorbewegung läßt sich in einfacher Weise aus vorgegebenen Funktionen synthetisieren. Daher ist es eine sinnvolle Alternative beziehungsweise Ergänzung, die Programmierung der Drehwinkel-Zeit- Funktion für die Motorbewegung über diskrete Stütz­ punkte erfolgen zu lassen. Dabei wird für einen Satz von Zeitpunkten die jeweils zugehörige Motor­ position beispielsweise in Tabellenform angegeben. In diesem Fall muß zur Berechnung der Sollwerte der Motorbewegung zwischen den einzelnen Stützpunkten interpoliert werden. Die dabei verwendeten Interpo­ lationsalgorithmen müssen dabei so beschaffen sein, daß die auftretenden Beschleunigungen gering gehal­ ten und insbesondere Beschleunigungssprünge ver­ mieden werden, um ein ruckfreies und damit materi­ alschonendes Verfahren der Antriebe zu gewährlei­ sten. Hierfür kommt beispielsweise die Verwendung kubischer Interpolationssplines in Frage.

Für ein zuverlässiges Arbeiten des gesamten Steue­ rungs- und Antriebssystems ist eine sorgfältige Prozeßüberwachung unabdingbar, die alle Arten von Störungen des Arbeitsprozesses erkennt, um gegebe­ nenfalls durch angemessene Gegenmaßnahmen Schäden an Maschinen und Material zu vermeiden und dem Pro­ duktionsprozeß nach Möglichkeit in Gang zu halten. Ergänzend zur Überwachung der einzelnen Servomoto­ ren wird daher in einer Weiterbildung der Erfindung die Verwendung von zusätzlichen Überwachungssenso­ ren vorgeschlagen, deren Signale ebenfalls vom Steuerprogramm ausgewertet werden und der Steuerung Informationen über den Materialfluß in der Maschine sowie das Auftreten von Prozeßstörungen liefern.

Prozeßänderungen aufgrund von beispielsweise Tempe­ ratureinflüssen, Änderung der Materialbeschaffen­ heit oder auch Wechsel des Verpackungsgutes erfor­ dern eine Korrektur entsprechender Prozeßgrößen. Verfügt das Steuerungssystem über geeignete Logik- und Arithmetikfunktionen, mit denen die Bewegungs­ verläufe der Motoren angepaßt, also beispielsweise gestaucht, gedehnt, verschoben, überlagert, anein­ andergehängt, verbogen oder auch ausgetauscht wer­ den können, so ist eine derartige Korrektur während des laufenden Prozesses ohne Stillstand der Ma­ schine möglich.

Verpackungsmaschinen sind je nach Art des Verpac­ kungsgutes und der Anforderungen unterschiedlich konstruiert und unterscheiden sich folglich auch in den möglichen auftretenden Fehlern und in den je­ weils angemessenen Reaktionen. Daher ist es von Vorteil, wenn auch die Reaktionen des Steuerungssy­ stems aufauftretende Fehler über das Programm ein­ stellbar sind, da sie sich auf diese Weise auf die Erfordernisse der jeweiligen Maschine und des aktu­ ell laufenden Prozesses anpassen lassen.

Arbeitsplatzsicherheit und Personenschutz sind bei der Konstruktion neuer Nahrungsmittel- und Verpackungs­ maschinen wichtige Gesichtspunkte. Für einen wirkungsvollen Personenschutz kommen hier bei­ spielsweise Lichtschranken in Frage, die bei Unter­ brechung die Leistung der Maschine ohne Netzunter­ brechung abschalten oder auch Drehmoment und Dreh­ zahl reduzieren.

Bei Maschinen mit mechanischer Königswelle sind sämtliche Bewegungseinheiten starr gekoppelt. Damit ist ihre Synchronität auch bei nichtplanmäßigen Be­ triebszuständen wie beispielsweise Stromausfall oder Notausschalten der Maschine gewährleistet. Dieses Verhalten erleichtert ein anschließendes Wiederanfahren der Maschine und soll daher in vor­ teilhafter Ausgestaltung auch bei Maschinen mit elektronischem Steuerungs- und Antriebssystem durch ein gleichmäßiges Anhalten der Motoren bei Be­ triebsunterbrechungen realisiert werden.

Ein grundsätzliches Problem ist es, daß ein derar­ tiges hochflexibles elektronisches Steuerungs- und Antriebssystem zunächst einmal entsprechend pro­ grammiert werden muß, bevor es in einer konkreten Maschine eingesetzt werden kann. Dazu müssen einer­ seits für jeden Motor komplexe Drehwinkel-Zeit- Funktionen ermittelt und dem Programm mitgeteilt werden, andererseits braucht es auch einen Satz von Regeln, nach denen es auf mögliche Fehlfunktionen zu reagieren hat. Schließlich ist auch ein Test des Programmes an der realen Maschine mit Produktions­ ausfall sowie einem nicht unbeträchtlichen Risiko für die Maschine verbunden. Daher wird in vorteil­ hafter Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, diese um ein separates Programmiergerät zu ergän­ zen, das dem Anwender diverse Hilfsmittel zur Ent­ wicklung und zum Test eines derartigen Steuerpro­ grammes zur Verfügung stellt, ohne daß die Maschine dadurch blockiert wird.

Dieser Vorschlag wird dann dahingehend konkreti­ siert, als Programmiergerät einen PC-kompatiblen Rechner zu verwenden, der unter einem der verbrei­ teten Standardbetriebssysteme läuft. Derartige Rechner sind weit verbreitet und daher preisgünstig zu erhalten.

Zur Erleichterung von Inbetriebnahme und Instand­ setzung von Nahrungsmittel- und Verpackungsmaschi­ nen, die mit dem elektronischen Steuerungs- und An­ triebssystem ausgestattet sind, können in diesem umfangreichen Diagnosefunktion vorgesehen werden, die es ermöglichen, alle relevanten Anwender- und Bewegungsdaten für die einzelnen Motoren in über­ sichtlicher Form graphisch darzustellen und es da­ durch erleichtern, Softwarefehler, Hardwarefehler und Peripheriefehler in der Maschine zu erkennen und dann auch zielgerichtet zu beseitigen. Damit lassen sich Stillstandszeiten der Maschine reduzie­ ren und ihre Verfügbarkeit steigern.

In vorteilhafter Ausgestaltung können diese Diagno­ sefunktionen dahingehend erweitert werden, daß sie nicht nur vor Ort an der Maschine selbst, sondern auch per Ferndiagnose beispielsweise über Modem und Internet nutzbar sind. Dies erlaubt gerade bei weltweitem Verkauf der Maschine eine deutliche Re­ duktion des Serviceeinsatzes und damit der finan­ ziellen Belastung der Maschinenhersteller.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem anhand einer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläu­ tert ist.

Sie zeigt eine schematische Übersicht über ein er­ findungsgemäßes elektronisches Steuerungs- und An­ triebssystem.

Oben in der Zeichnung ist das Programmiergerät (i) zu sehen, mit dem das Steuerprogramm für die zen­ trale Steuerung (2) erstellt wird. Dabei werden u. a. die Drehwinkel-Zeit-Funktionen für die Bewe­ gungen der einzelnen Servomotoren (5) bestimmt und die Reaktionen der Steuerungen (2) auf Abweichung vom gewünschten Verhalten des Systems festgelegt. Nach Übertragung des Programms vom Programmiergerät (1) auf die zentrale Steuerung (2) berechnet diese ausgehend von den Drehwinkel-Zeit-Funktionen in zy­ klischer Reihenfolge die jeweils aktuellen Soll­ werte der einzelnen Motoren (5), die in Echtzeit über Lichtleiter (3) an die Motorsteuerungen (4) übertragen werden, die dann die Motoren (5) ent­ sprechend bewegen. Die tatsächliche Motorbewegung wird über hochauflösende Absolutgeber erfaßt und von den Motorsteuergeräten (4) über den Lichtleiter (3) an die zentrale Steuerung (2) zurückgemeldet, die beim Auftreten von Abweichungen zwischen Soll- und Istwert eines Motors entsprechende Korrektur­ maßnahmen veranlaßt.

Claims (16)

1. Verpackungsmaschine ohne mechanische Königswelle mit einer zentralen Steuerung für die Antriebssy­ steme der Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die einzelnen bislang an die mechanische Königs­ welle gekoppelten Antriebssysteme mit Servomotoren ausgestattet sind,
• - über eine Datenverbindung zwischen zentraler Steuerung und den Steuergeräten für die einzelnen Servomotoren ein Datenaustausch im Millisekunden­ takt erfolgt,
• - Absolutgeber der zentralen Steuerung Informatio­ nen über die Bewegung der einzelnen Servomotoren liefern und
• - die zentrale Steuerung ein elektronischer Rechner ist,
• - der die Bewegung der einzelnen Servomotoren nach einem Programm steuert und synchronisiert.

2. Verpackungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zentrale Steuerung auf einer einzigen Platine aufgebaut ist.

3. Verpackungsmaschine nach Anspruche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die zentrale Steuerung aus PC-Hardware aufgebaut ist.

4. Verpackungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverbin­ dung eine Lichtwellenleiterverbindung ist.

5. Verpackungsmaschine nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lichtwellenleiterverbindung eine eventuell modifizierte Sercos-Schnittstelle ist.

6. Verpackungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorbewe­ gungen nach Drehwinkel-Zeit-Funktionen erfolgen, die durch mathematische Funktionen wie beispiels­ weise geneigte oder modifizierte Sinuslinie, Poly­ nom 5. Grades oder modifiziertes Beschleunigungs­ trapez beschrieben sind.

7. Verpackungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorbewe­ gungen nach Drehwinkel-Zeit-Funktionen erfolgen, die durch diskrete Punkte, zwischen denen interpo­ liert wird, beschrieben sind.

8. Verpackungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Sensoren, die der Steuerung Informationen über den Materialfluß in der Maschine sowie das Auftreten von Prozeßstörun­ gen liefern.

9. Verpackungsmaschine nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuerung im Arbeitsprozeß auftretende Änderungen erkennt und durch geeignete Steuermaßnahmen korrigiert.

10. Verpackungsmaschine nach Anspruch 8 oder 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Steuerung im Arbeits­ prozeß auftretende Fehler erkennt und nach program­ mierten Vorgaben online darauf reagiert.

11. Verpackungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch Personenschutzmecha­ nismen, insbesondere Lichtschranken, deren Unter­ brechung zu einem Abschalten der Leistung ohne Net­ zunterbrechung oder einer Drehmoment- und Drehzahl­ reduktion führt.

12. Verpackungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch ein gleichmäßiges An­ halten aller Motoren bei Betriebsunterbrechungen wie Stromausfall, Ausschalten oder Not-Stop der Ma­ schine.

13. Verpackungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch ein Programmiergerät zur Programmierung der Steuerung.

14. Verpackungsmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Programmiergerät ein PC-kom­ patibler Rechner ist.

15. Verpackungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erleichte­ rung der Fehlererkennung Anwender- und Bewegungsda­ ten für die einzelnen Servomotoren graphisch dar­ stellbar sind.

16. Verpackungsmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlererkennung vor Ort und/oder als Ferndiagnose, beispielsweise per Modem oder Internet, erfolgt.