DE19735942C2 - Verfahren zum Betrieb einer Verpackungsmaschine mit elektrischer Königswelle sowie Verpackungsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Verpackungsmaschine mit elektrischer Königswelle gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 so­ wie einer Verpackungsmaschine hierfür.

Der Nahrungsmittel- und Verpackungsmaschinenmarkt, zu dem beispielsweise Füll-, Verschließl- 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 abgekoppelt. Dabei wird die Drehbewegung der Welle durch mechanische Antriebe wie Getriebe, Kurvenscheiben, Kupplungen, Zahnriemen und Winkel­ getriebe in die für den Arbeitsprozeß erforderli­ chen Bewegungen umgesetzt. Die starre Kopplung an die Königswelle gewährleistet die hervorragende Synchronisation sämtlicher Bearbeitungseinheiten, von denen je nach Komplexität der Maschine bis zu zwanzig 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 erhalten, die ein der jeweiligen Anwendung entsprechendes Programm abarbeiten.

Aus der die Gattung bildenden DE 195 15 614 A1 ist eine Verpackungsmaschine bekannt, bei der die Moto­ ren der einzelnen Stationen in ihrer Bewegung er­ fasst und an einem zentralen Rechner gegeben wer­ den, durch welchen die Motoren der einzelnen Sta­ tionen synchron zueinander eingeregelt werden, wo­ bei Angaben über die Art der Steuerung fehlen. Eine Überwachung des und Anpassung an den Materialfluß findet nicht statt.

Die DE 38 40 231 C2 offenbart eine Steuerungseinrich­ tung für Verpackungsmaschinen ohne Königswelle, bei der mit Hilfe eines Sensors das Fehlen des Verpac­ kungsgutes erfaßt und einzelne Motoren aus- und mit Erfassen des nächsten Verpackungsgutes wieder ein­ geschaltet werden, jedoch mit "weichen" Übergängen. Ein Stauchen oder Dehnen oder Verschieben der Bewe­ gungsverläufe ist nicht vorgesehen.

Das grundsätzliche Problem dieser Verpackungsma­ schinen liegt in ihrer mangelnden Flexibilität bei Prozeßängerung. 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 kön­ nen.

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 Verpackungsme­ schinen deutlich zu erhöhen, um so Produktwechsel und andere Prozeßänderungen zu vereinfachen und die Synchronität zu wahren.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch die im Kenn­ zeichen angegebenen Merkmale erreicht.

Der Grundgedanke der Erfindung ist es, die mechani­ sche Königswelle in Nahrungsmittel- und Verpac­ kungsmaschinen 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 treibe 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 teuerer mechanischer Baugruppen, wodurch Verpackungsmaschinen wesentlich kostengünstiger und kompakter als bisher herge­ stellt werden können.

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 die Verwendung von zusätzlichen Überwa­ chungssensoren vorgeschlagen, deren Signale eben­ falls vom Steuerprogramm ausgewertet werden und der Steuerung Informationen über den Materialfluß in der Maschine sowie das Auftreten von Prozeßstörun­ gen liefern. Bei Verlust der Sychronität zwischen Verpackungsgut und Verpackungsmaterial verfügt das Steuerungssystem über geeignete Logik- und Arithme­ tikfunktionen, mit denen die Bewegungsgesetze der Motoren angepaßt, also beispielsweise gestaucht und/oder gedehnt und/oder verschoben werden. Es er­ folgt eine Skalierung des Bewegungsgesetzes relativ zur Zeitachse. Eine derartige Korrektur ist während des laufenden Prozesses ohne Stillstand der Ma­ schine möglich.

Bei Änderungen im Arbeitsprozeß aufgrund von bei­ spielsweise Änderung der Materialbeschaffenheit oder auch Wechsel des Verpackungsgutes erfolgt eine Korrektur durch entsprechende Steuermaßnahmen.

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 des Steuerungssystems auf auftretende Fehler über das Programm einstell­ bar sind, da sie sich auf diese Weise auf die Erfo­ dernisse der jeweiligen Maschine und des aktuell laufenden Prozesses anpassen lassen.

In Nahrungsmittel- und Verpackungsmaschinen werden sehr komplexe Bewegungsfunktionen für die Motoren benötigt, wie beispielsweise geneigte Sinuslinie, Polynom fünften Grades, modifizierte Sinuslinie. Die Verwendung dieser Funktion hat das Ziel, die auftretenden Beschleunigungen gering zu halten und somit möglichst ruckfreie und materialschonende Be­ wegungen der Maschine zu ermöglichen. Derartige ma­ thematische Funktionen können in vorteilhafter Aus­ gestaltung 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 bzw. Ergänzung, die Programmierung der Drehwinkel-Zeit-Funktion für die Motorbewegung über diskrete Stützpunkte erfol­ gen zu lassen. Dabei wird für einen Satz von Zeit­ punkten die jeweils zugehörigen Motorpositionen beispielsweise in Tabellenform angegeben. In diesem Fall muß zur Berechnung der Sollwerte der Motorbe­ wegung zwischen den einzelnen Stützpunkten interpo­ liert werden. Die dabei verwendeten Interpolations­ algorithmen müssen dabei so beschaffen sein, daß die auftretenden Beschleunigungen gering gehalten und insbesondere Beschleunigungssprünge vermieden werden, um ein ruckfreies und damit materialscho­ nendes Verfahren der Antriebe zu gewährleisten. Hierfür kommt beispielsweise die Verwendung kubi­ scher Interpolationssplines in Frage.

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.

Darüberhinaus wird durch Anspruch 9 eine Verpac­ kungsmaschine aufgezeigt, durch die sich das vorbe­ schriebene Verfahren realisieren läßt. Die An­ triebssyteme dieser Verpackungsmaschine sind mit Servomotoren ausgestattet, deren Ist-Zustand erfaßt und an einen zentralen Rechner weitergegeben wird, der hieraus Steuerbefehle ableitet, die ihrerseits widerrum der Einstellung der Servomotoren dienen. Grundlage der Entwicklung der Steuerbefehle ist das Ziel der Synchronisierung der einzelnen Servomoto­ ren zueinander sowie zur Optimierung des gesamten Prozeßablaufes in der Verpackungsmaschine. Es sind Überwachungssensoren vorhanden, die an die zentrale Steuerung Informationen über den Materialfluß ge­ ben. Bei Abweichungen des Materialflusses werden zum Ausgleich Bewegungsverläufe der Servomotoren gestaucht oder gedehnt oder verschoben.

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 gestattet 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.

Arbeitsplatzsicherheit und Personenschutz sind bei der Konstruktion neuer Nahrungsmittel- und Verpac­ kungsmaschinen 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.

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 umfangreiche Diagnosefunktionen 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.

In einer Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläu­ tert.

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

Oben in der Zeichnung ist das Programmiergerät (1) 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 (20)

1. Verfahren zum Betrieb einer Verpackungsmaschine mit elektrischer Königswelle mit mehreren Antriebs­ systeme mit Servomotoren, deren Ist-Zustand jeweils erfaßt und an einen zentralen Rechner weitergegeben und ausgewertet wird und Steuerbefehle für die ein­ zelnen Servomotoren zu deren Steuerung und Synchro­ nisierung erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialfluß in der Maschine erfaßt und zum Ausgleich an den Materialfluß die Bewegungsverläufe aller Servomotoren gestaucht oder gedehnt oder ver­ schoben werden.

2. Verfahren zum Betrieb einer Verpackungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung im Arbeitsprozeß auftretende Änderungen erkennt und durch geeignete Steuermaßnahmen korri­ giert, wobei die Bewegungsverläufe stauchbar oder dehnbar oder verschiebbar sind.

3. Verfahren zum Betrieb einer Verpackungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung im Arbeitsprozeß auftretende Fehler erkennt und nach programmierten Vorgaben online darauf reagiert.

4. Verfahren zum Betrieb eines Verpackungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Motorbewegungen nach Drehwinkel- Zeit-Funktionen erfolgen, die durch mathematische Funktionen beschrieben sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die mathematische Funktion eine geneigte oder modifizierte Sinuslinie oder Polynom 5. Grades oder modifiziertes Beschleunigungstrapez ist.

6. Verfahren zum Betrieb einer Verpackungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Motorbewegungen nach Drehwinkel- Zeit-Funktionen erfolgen, die durch diskrete Punkte, zwischen denen interpoliert wird, beschrie­ ben sind.

7. Verfahren zum Betrieb einer Verpackungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein gleichmäßiges Anhalten aller Motoren bei Betriebsunterbrechungen der Maschine.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch gleichmäßiges Anhalten aller Motore bei Stromaus­ fall, Ausschalten oder Not-Stop.

9. Verpackungsmaschine mit elektrischer Königswelle zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1 bis 8 mit einer zentralen Steuerung für die Antriebssysteme der Maschine, wobei

• 1. die einzelnen bislang an die mechanische Königs­ welle gekoppelten Antriebssysteme mit Servomotoren ausgestattet sind, die jeweils mit einem Steuerge­ rät versehen sind, und einer Datenverbindung zwi­ schen zentraler Steuerung und den Steuergeräten für die einzelnen Servomotoren,
• 2. Absolutgeber der zentralen Steuerung Informatio­ nen über die Bewegung der einzelnen Servomotoren nach einem Programm steuert und synchronisiert, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenaustausch zwi­ schen zentraler Steuerung und den Steuergeräten im Millisekundentakt erfolgt,
  zusätzliche Überwachungssensoren vorhanden sind, die der Steuerung Informationen über den Material­ fluß in der Maschine liefern und zum Ausgleich an den Materialfluß die Bewegungsverläufe aller Servo­ motore stauchbar oder dehnbar oder verschiebbar sind.

10. Verpackungsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Steuerung auf ei­ ner einzigen Platine aufgebaut ist.

11. Verpackungsmaschine nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Steuerung aus PC-Hardware aufgebaut ist.

12. Verpackungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenver­ bindung eine Lichtwellenleiterverbindung ist.

13. Verpackungsmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiterverbindung eine Sercos-Schnittstelle ist.

14. Verpackungsmaschine nach Anspruch 13, gekenn­ zeichnet durch eine modifizierte Sercos-Schnitt­ stelle.

15. Verpackungsmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch Personenschutzmecha­ nismen, deren Unterbrechung zu einem Abschalten der Leistung ohne Netzunterbrechung oder einer Drehmo­ ment- und Drehzahlreduktion führt.

16. Verpackungsmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Personenschutzmechanismus eine Lichtschranke ist.

17. Verpackungsmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 16, gekennzeichnet durch ein Programmiergerät zur Programmierung der Steuerung.

18. Verpackungsmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Programmiergerät ein PCkom­ patibler Rechner ist.

19. Verpackungsmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erleichte­ rung der Fehlererkennung Anwender- und Bewegungsda­ ten für die einzelnen Servomotoren graphisch dar­ stellbar sind.

20. Verpackungsmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlererkennung vor Ort oder als Ferndiagnose per Modem oder Internet, er­ folgt.