DE19841138A1 - Verpackungsmaschine - Google Patents

Abstract

Bei einer Verpackungsmaschine zum Einwickeln und/oder Umschließen von Produkten wechselnder Abmessungen, Größe und Konsistenz in Verpackungsmaterial, wie Papier, Tüten, Becher u. dgl. mit einzelnen Bearbeitungseinheiten, denen jeweils ein Antrieb mit einer Steuerungseinheit zugeordnet ist, durch die vorgegebene Bewegungsgesetze (Weg-Zeit-, Geschwindigkeit-Zeit-, Beschleunigungs-Zeit-Funktionen) abgearbeitet werden, sowie Sensoren zur Erfassung des Betriebszustandes, wird vorgeschlagen, daß bei Abweichungen von der Synchronität zwischen Verpackungsmaterial und zu verpackendem Produkt die Bewegungsgesetze des entsprechenden Antriebs skaliert werden, d. h. im Hinblick auf die Zeitachse eine Dehnung oder Stauchung erfahren, und/oder die Bewegungsgesetze durch Ändern der Kurvenform, und/oder der Verknüpfung und/oder Überlagerung unterschiedlicher Kurven geändert werden, wobei das resultierende Geschwindigkeits-Zeit-Gesetz stetig und stetig differenzierbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verpackungsma­ schine zum Einwickeln und/oder Umschließen von Pro­ dukten wechselnder Abmessungen, Größe und Konsi­ stenz in Verpackungsmaterial, wie Papier, Tüten, Becher udgl. mit einzelnen Bearbeitungseinheiten, denen jeweils ein Antrieb mit einer Steuereinheit zugeordnet ist, durch die vorgegebene Bewegungsge­ setze, (Weg-Zeit-, Geschwindigkeit-Zeit-, Beschleu­ nigungs-Zeit-Funktionen) abgearbeitet werden, sowie Sensoren zur Erfassung des Betriebszustandes.

Verpackungsmaschinen sind in der Regel umfangreiche Anlagen, die aus einer Vielzahl von Bearbeitungs­ einheiten zum Füllen, Verschließen und Etikettie­ ren, bestehen, aber auch Einheiten vorsehen, die dem Zuführen, Füllen und Verschließen von vorgefer­ tigten Behältnissen dienen. Letztere finden Einsatz vor allen Dingen beim Verpacken von Schuttgütern, insbesondere aber auch bei flüssigen und pastösen Produkten aus dem Lebensmittelbereich, z. B. Ge­ tränke, Joghurt, Sahne udgl. Deren vornehmliche Einsatzgebiete sind die Pharma-, Zigaretten-, Le­ bensmittel- und Getränkeindustrie.

In ihrem grundsätzlichen Aufbau besteht eine Ver­ packungsmaschine aus einer mechanisch oder elektro­ nisch ausgebildeten Königswelle, die als Leitachse dient, und von der ausgehend im Sinne von Folgeach­ sen Antriebe mit Steuereinheiten angeschlossen sind. Dabei ist die Leitposition die Eingangsgröße für die Steuereinheit jenes Antriebes, der seiner­ seits als Ausgangsgröße die Sollposition der Folge­ achse definiert. Jeder Leitachsenposition ist dem­ zufolge eine definierte Position der Folgeachse zu­ geordnet, die eine Weg-Weg-Position. Die Königs­ welle bestimmt als Leitachse die Funktionsgeschwin­ digkeit, sodaß die Taktleistung der Verpackungsma­ schine umso höher ist, je höher die Leitachsenge­ schwindigkeit ist.

Verpackungsmaschinen haben in der Regel Produkte unterschiedlicher Abmessungen und äußerer Gestalt in eine Verpackung einzubringen, so daß die Ma­ schine bei jedem Produktwechsel umzustellen und den neuen Verpackungsgegebenheiten anzupassen ist. Zu diesem Zweck ist es bekannt, bei stehender Maschine durch manuellen Eingriff die entsprechenden, für das nächste abzuarbeitende Produkt notwendige Bewe­ gungsgesetze in die Maschine einzugeben. Hierzu werden bei mechanischen Steuerungen Kurvenscheiben entsprechender Gestalt ausgetauscht; bei elektroni­ schen Steuerungen werden die Bewegungsgesetze durch Einlesen eines neuen Programmes oder durch Aus­ tausch eines EEPROM's an die neuen Verhältnisse an­ gepaßt. Nach Inbetriebnahme erfolgt die Steuerung anhand der eingegebenen Bewegungsgesetze, wobei je­ doch in nachteiliger Weise eine Einstellung oder gar eine Reaktion auf unvorhergesehene Einflüsse nicht stattfindet. Vielmehr wird das Bewegungsge­ setz entsprechend den Vorgaben exakt abgearbeitet. Während des Betriebs auftretende Änderungen der geometrischen Verhältnisse, wie sie z. B. unter dem Einfluß von Wärmeeinwirkungen geschehen oder aber Abweichungen vom regulären Verfahrensablauf müssen deshalb unberücksichtigt bleiben und führen mitun­ ter zu erheblichen Störungen, die zu manuellen Un­ terbrechungen Anlaß geben können. Weitere Gründe für Abweichungen vom Sollzustand ergeben sich bei fehlendem Verpackungsmaterial und/oder -gut, Fehler im Verpackungsmaterial sowie auch im Verpackungsgut sowie schließlich noch Änderungen des Betriebszu­ standes, wie Start, Stop, Notaus udgl.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Wei­ terentwicklung von Verpackungsmaschinen dahingehend zur Aufgabe gemacht, daß während des Betriebes eine Änderung und Anpassung der Bewegungsgesetze der An­ triebe an die konkret vorliegenden Betriebsbedin­ gungen möglich wird.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß bei Abweichungen von der Synchronität zwischen Verpackungsmaterial und zu verpackendem Produkt die Bewegungsgesetze des entsprechenden Antriebs ska­ liert werden, d. h. im Hinblick auf die Zeitachse eine Dehnung oder Stauchung erfahren, und/oder die Bewegungsgesetze durch Ändern der Kurvenform und/oder der Verknüpfung und/oder Überlagerung un­ terschiedlicher Kurven geändert wird, wobei das re­ sultierende Geschwindigkeits-Zeit-Gesetz stetig und stetig differenzierbar ist.

Der Begriff "Bewegungsgesetz" meint im Sinne der Erfindung jeden funktionellen Zusammenhang zwischen Weg und Zeit und/oder zwischen Geschwindigkeit und Zeit und/oder Beschleunigung und Zeit. Aufgabe der vorhandenen Sensoren ist, den augenblicklichen Be­ triebszustand (Ist-Zustand) zu erfassen und zur Auswertung der Steuerungseinheit zuzuführen. So ist es z. B. erforderlich, das mit Abbildungen verse­ hene Verpackungspapier trotz der Dehnungen und Streckungen des Papiers in der Maschine selbst auf das zu verpackende Gut in der Weise aufzubringen, daß die Abbildung zentral, d. h. mittig auf der Ware positioniert wird. Völlig inakzeptabel wäre ein Verschieben des Verpackungspapieres unberücksich­ tigt zu lassen, mit dem Ergebnis, daß die Abbildung zerschnitten und im Zentralbereich des zu verpac­ kenden Gutes nur noch die Randbereiche der Abbil­ dung zu sehen wären. Zu diesem Zwecke sind am Ver­ packungspapier randseitige Markierungen angebracht, die durch den Sensor erfaßt werden, ,sodaß dann durch entsprechende Steuerung, die Dehnung und Streckung des Papieres ausgeglichen werden können. Die Aufgabe des Sensors kann u. a. auch darin beste­ hen, das Vorhandensein des zu verpackenden Gutes festzustellen und bei Fehlstellen den Transport des Verpackungsmateriales zu verlangsamen und das Bewe­ gungsgesetz so abzuändern, daß der Vorschub verzö­ gert und an das Fehlen des Verpackungsgutes ange­ paßt wird, anstatt daß, wie im Stande der Technik üblich, der Papiertransport ungeachtet des fehlen­ den Verpackungsgutes ungebremst weiter erfolgt und ein Abschnitt des Verpackungspapieres abgetrennt und aufgrund des fehlenden Verpackungsobjektes un­ genutzt bleibt.

Ein Anpassen bei fehlender Synchronität zwischen Verpackungsmaterial und zu verpackendem Objekt ge­ schieht dadurch, daß die Bewegungsgesetze hinsicht­ lich der Zeitachse gestaucht oder gedehnt werden. Es folgt also eine Anpassung der Bewegungsgesetze an die konkret vorliegenden Verhältnisse. Im vorge­ schilderten Falle der Relativverschiebung zwischen Verpackungsmaterial und Verpackungsgut geschieht das Synchronisieren dadurch, daß die Weg-Zeit- oder Geschwindigkeits-Zeit-Abhängigkeit, also der Vor­ schub des Verpackungsmateriales so gewählt wird, daß die Zuordnung zum Verpackungsobjekt in der ge­ wünschten Weise zustande kommt.

In einer anderen Möglichkeit der Änderung der Bewe­ gungsgesetze wird die Kurvenform geändert. So könnte beim Verpacken von flüssigen oder viskosen Nahrungsmitteln in Bechern ein offener Transport innerhalb der Verpackungsmaschine um eine bestimmte Strecke bis zum Verschluß mit dem Deckel erforder­ lich sein. Um zu gewährleisten, daß ein Überschwap­ pen der zu transportierenden Flüssigkeit aus dem Becher nicht eintritt, hat die Beschleunigung wäh­ rend dieser Betriebsphase unter einem Maximalwert zu liegen. Die Bewegungsgesetze sind also beim Transport offener Becher so zu wählen, daß nur ge­ ringe Beschleunigungswerte auftreten. Beim Umstel­ len der Verpackungsmaschine auf anderes Gut kann dann von dieser Forderung abgegangen und neue, hö­ here Beschleunigungswerte aufweisende Bewegungsge­ setze zur Leistungssteigerung genutzt werden.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, verschie­ dene Bewegungsgesetze d. h. Kurven aneinander anzu­ schließen und/oder zu überlagern. Die Sensoren kön­ nen dann bestimmte Betriebssituationen erfassen und entsprechend reagieren. So könnte das Reißen der Papierbahn erfaßt und dementsprechend die Maschine gesteuert werden. So muß für den Spezialfall eines Maschinendefektes die Maschine langsam abgestoppt werden. In einem solchen Fall ist der Übergang zu einem weiteren Bewegungsgesetz erforderlich, wel­ ches sicherstellt, das ein weiches Abbremsen der Maschine erfolgt.

Für alle vorbeschriebenen Möglichkeiten gilt, daß die Bewegungsgesetze und auch die Übergänge zwi­ schen den verschiedenen Bewegungsgesetzen hierbei so zu erfolgen haben, daß keine nennenswerte Be­ schleunigung in der Maschine, die zu Belastungen von Lagern und einer erhöhten Lärmbelästigung Anlaß geben würden, auftreten kann. Besonders hohen Ver­ schleiß der Maschine als auch einen sprunghaften Anstieg des Lärmpegels erhält man immer dann, wenn sich die Beschleunigungswerte sprunghaft ändern. Darum fordert die Erfindung in einem ihrer Merk­ male, daß die Bewegungsgesetze der Antriebe unab­ hängig davon, auf welche Art und Weise das Bewe­ gungsgesetz erhalten wurde (Stauchen, Dehnen, Über­ lagern, Verknüpfen) und auch in den Übergangsberei­ chen im Hinblick auf die Geschwindigkeits-Zeit-Ab­ hängigkeit nicht nur eine stetige sondern auch eine stetig differenzierbare Funktion darstellt. Mathe­ matisch bedeutet dies, daß das Differential nach der Zeit in jedem Funktionspunkt eineindeutig ist. Im Rahmen der Erfindung bleibt es hierbei grund­ sätzlich beliebig, auf welche Art und Weise die Be­ wegungsgesetze der Antriebe konkret erzeugt werden, ob also mehrere Generatoren parallel zueinander ar­ beiten, ihre Ausgänge addiert und hierdurch das ge­ wünschte Bewegungsgesetz entsteht oder ob Kurvenge­ neratoren eingesetzt werden.

Kerngedanke der Erfindung ist der Vorschlag eines Regelungssystemes, bei welchem, ausgelöst durch die mit Hilfe der Sensoren festgestellten Abweichungen vom Sollzustand, die Bewegungsgesetze der Antriebe beeinflußt und geändert werden in dem Sinne, daß die Geschwindigkeit-Zeit-Abhängigkeit eine stetige und insbesondere auch stetig differenzierbare Funk­ tion ergibt.

Die mit der Erfindung zu erreichenden Vorteile sind vielfältig:
Aufgrund entsprechender Wahl der Bewegungsgesetze und den "weichen" Übergängen läßt sich sicherstel­ len, daß stets nur geringe Beschleunigungen auftre­ ten. Die Folge ist, daß die Verpackungsmaschine im Hinblick auf das Material als auch die Maschine selbst weitgehend stoßfrei und damit schonend ge­ fahren werden kann. Die Folge ist eine Erhöhung der Lebensdauer und eine geringere Anfälligkeit für Re­ paraturen. Andererseits läßt sich eine derartige Maschine mit im Vergleich zum Stand der Technik we­ sentlich höheren Leistungen fahren. Entscheidend ist, daß bei kontinuierlichen Betrieb, d. h. ohne Maschinenstop eine Änderung der Bewegungsgesetze vorgenommen wird. Auch hierdurch läßt sich eine weitere erhebliche Steigerung der Wirtschaftlich­ keit erreichen.

Bereits angedeutet wurde, daß die Art und Weise der Erzeugung des resultierenden Bewegungsgesetzes mit den vorgeschilderten Eigenschaften im Rahmen der Erfindung grundsätzlich beliebig ist. Eine der Mög­ lichkeiten besteht darin, als Ausgangsfunktionen mathematische Standardfunktionen zu wählen, die entsprechender vorgeschilderter Lehren eine Verän­ derung durch Dehnung oder Stauchung entlang der Zeitachse und/oder ein Ändern der Kurvenform und/oder Verknüpfen und/oder eine Überlagerung er­ fahren und auf diese Weise das resultierende Bewe­ gungsgesetz ergeben. Als Standardfunktion werden bezeichnet Polynome, Exponentialfunktionen, log­ arithmische Funktionen und trigonometrische Funk­ tionen (sin, cos, tg, ctg). Somit können als Resul­ tierende nur solche Bewegungsgesetze erhalten wer­ den, die aus den Standardfunktionen herleitbar sind.

Als ausdrückliche Alternative ist zu nennen, daß die Bewegungsgesetze während des Betriebes und ohne Zugriff auf Ausgangsfunktionen erzeugt werden kön­ nen. Durch geeignete Rechenverfahren wird das die vorgenannten Bedingungen erfüllende resultierende Bewegungsgesetz ermittelt, also ein Synthesevorgang durchgeführt, der ohne die Verwendung von Ausgangs­ funktionen auskommt.

Ein entscheidender Vorzug der erfindungsgemäßen Packmaschine besteht darin, daß bei den durch die Sensoren erfassten Abweichungen sofort, d. h. in Echtzeit die Bewegungsgesetze der Antriebe verän­ dert und an die momentan stehende Situation ange­ passt werden können. Somit werden Abweichungen nach Art eines Regelkreises sofort beseitigt. Allerdings besteht auch die grundsätzliche Möglichkeit, daß nicht sofort d. h. in Echtzeit auf die mit Hilfe der Sensoren gemessenen Abweichungen reagiert wird, sondern das zunächst momentan in Bearbeitung be­ findliche Produkt entsprechend der bisherigen Ein­ stellung abgearbeitet wird und erst bei einem der nächsten z. B. den unmittelbar anschließend Ar­ beitstakt der Antrieb hinsichtlich seines Bewe­ gungsgesetzes erst an die neue Situation angepasst und durch den Antrieb abgearbeitet wird. Der An­ trieb reagiert dann zeitverzögert auf die erfassten Abweichungen.

Bei bestimmten Produkten sind zwischen der Phase der Befüllung und dem Verschließen des Behältnisses besonders hohe Anforderungen zu erfüllen, um sicherzustellen, daß ein Überschwappen der abge­ füllten Flüssigkeiten während der Transportphase zwischen Befüllen und Verschließen mit Sicherheit unterbunden ist. Beim Abfüllen von Getränken in Be­ chern und Papierverpackungen treten die vorgeschil­ derten Beschwernisse in typischer Weise auf. In derartigen Fällen wird in einer speziellen Ausge­ staltung empfohlen auch die Ruckfunktion, die die Änderung der Beschleunigungswerte beschreibt, ste­ tig auszuformen. Aus mathematischen Gründen liegt eine Stetigkeit immer dann vor, wenn die Beschleu­ nigung-Zeit-Abhängigkeit eine stetig differenzier­ bare Funktion darstellt. Klarzustellen ist, daß im Unterschied zur allgemeinsten Forderung der Erfin­ dung, nämlich der stetigen Differenzierbarkeit des Geschwindigkeit-Zeit-Profiles einzig die Stetigkeit der Beschleunigungs-Zeit-Funktion resultiert. Eine stetige Differenzierbarkeit dieser Funktion wird im allgemeinsten Fall nicht gefordert.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem anhand der in der Zeichnung wiedergegebenen Prinzipskizze die erfin­ dungsgemäß beanspruchte Steuereinheit näher be­ schrieben ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Ablenken des Ver­ packungspapieres,

Fig. 2 das Aufbringen von Etiketten auf Flaschen.

In Fig. 1 wird das Verpackungspapier (1) in hori­ zontaler Richtung endlos von links nach rechts ei­ ner rotierenden Schneidevorrichtung (2) zugeführt. Im Randbereich des Papiers finden sich Markierungen (3), die mit Hilfe eines Sensors (4) erfasst wer­ den. Gleichzeitig wird die Vorschubbewegung (5) ebenfalls an die Auswerteeinheit (6) weitergegeben. Entsprechend dem Papiervorschub und den Meßwerten des Sensors (4) wird über die Auswerteeinheit (6) der Antrieb (7) der Schneidevorrichtung (2) ange­ steuert. Der Sensor sorgt dafür, daß trotz Ver­ schiebungen des Verpackungspapieres in Transpor­ trichtung stets sicher gestellt ist, daß die Schneidevorrichtung (2) exakt in der gewünschten Position schneidet. Entscheidend ist, daß hierbei das Bewegungsgesetz der Schneidevorrichtung (2) eine stetige und auch stetig differenzierbare Ge­ schwindigkeit-Zeit-Funktion ist, sodaß "weiche" Be­ wegungen sicher gestellt sind, die im Hinblick auf die Materialschonung, die Lebensdauer der Maschine, als auch die die maximale Leistung wesentliche Vor­ teile bringen.

In Fig. 2 ist ebenfalls in schematischer Darstel­ lung ein Teil der Verpackungsmaschine gezeigt, in der Etiketten auf Flaschen aufgetragen werden. Hier werden die Flaschen (8) in horizontaler Richtung sukzessive an einem Etikettenspender (9) vorbeige­ führt, wobei die jeweilige Position der Flasche un­ mittelbar vor dem Aufbringen des Etikettes über einen Sensor (10) erfaßt ist. Die Erfassung der Flaschenbewegung erfolgt hierbei mit Hilfe des Sen­ sors (11).

Die Position der zugeführten Etikette wird über den Etikettensensor (12) erfaßt und die Informationen an die Auswerteeinheit (13) weitergegeben. Von dort werden entsprechende Steuerbefehle an den für den Vorschub der Etiketten verantwortlichen Antrieb (14) geleitet. Auch hier sorgt die Auswerteeinheit (13) dafür, daß Flasche (8) als auch das einzelne Etikett synchron aufeinander zugeführt und deshalb paßgenau miteinander verbunden werden. Bei etwaigen Abweichungen wird das Bewegungsgesetz zumindest des einen Antriebes, hier z. B. des Antriebes (14) für den Etikettenvorschub in seinem Bewegungsgesetz ge­ ändert und an die neuen Verhältnisse angepaßt, der­ art, daß die Geschwindigkeit-Zeit-Funktion des Be­ wegungsgesetzes des Motors eine stetige und stetig differenzierbare Funktion ist.

Für die Erfindung entscheidend ist, daß beim Ver­ lust der Synchronität, der eine Antrieb in seinem Bewegungsgesetz verändert und an die Ist-Situation angepasst wird, wobei erfindungswesentlich ist, daß in jeder Phase das Bewegungsgesetz der Geschwindig­ keit-Zeit-Funktion stets stetig und stetig diffe­ renzierbar ist.

Claims (6)

1. Verpackungsmaschine zum Einwickeln und/oder Um­ schließen von Produkten wechselnder Abmessungen, Größe und Konsistenz in Verpackungsmaterial, wie Papier, Tüten, Becher udgl. mit einzelnen Bearbei­ tungseinheiten, denen jeweils ein Antrieb mit einer Steuerungseinheit zugeordnet ist, durch die vorge­ gebene Bewegungsgesetze, (Weg-Zeit-, Geschwindig­ keit-Zeit-, Beschleunigungs-Zeit-Funktionen) abge­ arbeitet werden, sowie Sensoren zur Erfassung des Betriebszustandes, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abweichungen von der Synchronität zwischen Verpac­ kungsmaterial und zu verpackendem Produkt die Bewe­ gungsgesetze des entsprechenden Antriebs skaliert werden, d. h. im Hinblick auf die Zeitachse eine Dehnung oder Stauchung erfahren, und/oder die Bewegungsgesetze durch Ändern der Kurvenform, und/oder der Verknüpfung und/oder Überlagerung un­ terschiedlicher Kurven geändert wird, wobei das re­ sultierende Geschwindigkeits-Zeit-Gesetz stetig und stetig differenzierbar ist.

2. Verpackungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mathematische Standardfunktionen die Ausgangsfunktionen zur Bildung des resultieren­ den Bewegungsgesetzes sind.

3. Verpackungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das resultierende Bewegungsgesetz während des Betriebes generiert wird.

4. Verpackungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen der Bewegungsgesetze in Echtzeit oder aber zeitverzö­ gert bei einem der nächsten Arbeitstakte erfolgt.

5. Verpackungsmaschine nach einem der vorhergehen­ den Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ schleunigungs-Zeit-Funktion unter einem vorgegebe­ nen Wert liegen.

6. Verpackungsmaschine nach einem der vorhergehen­ den Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ schleunigungs-Zeit-Funktion der Resultierenden ste­ tig differenzierbar ist.