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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und System
zum Korrigieren einer Dekoration für eine Form- und Versiegeleinheit
einer Maschine zum Verpacken von fließfähigen Nahrungsmitteln.
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Maschinen
zum Verpacken von fließfähigen Nahrungsmitteln – wie Fruchtsaft,
Wein, Tomatensoße,
pasteurisierter oder lang haltbarer Milch (H-Milch) usw. – sind bekannt,
auf ihnen werden die Packungen aus einem kontinuierlichen Schlauch
aus Verpackungsmaterial, der durch eine längsversiegelte Bahn definiert
wird, hergestellt.
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Um
die Packungen herzustellen, wird der Verpackungsmaterialschlauch
kontinuierlich mit dem fließfähigen Nahrungsmittel
gefüllt
und dann zu einer Form- und (Quer-)Versiegelungseinheit vorgeschoben,
in der der Schlauch zwischen Backenpaaren eingespannt und querversiegelt
wird, um kissenförmige
Packungen herzustellen.
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Wenn
die Versiegelung abgeschlossen ist, schneidet ein Messer den Verpackungsmaterialschlauch
entlang der Mitte des Versiegelungsabschnitts, um eine kissenförmige Packung
am unteren Ende des Verpackungsmaterialschlauchs abzuschneiden.
Wenn das untere Ende querversiegelt ist, können die Backen bei erreichen
der unteren Totlage geöffnet
werden, um eine Interferenz mit dem oberen Abschnitt des Schlauches
zu verhindern; gleichzeitig bewegt sich das andere Backenpaar, das
auf die gleich Art und Weise funktioniert, von der oberen Totlage
nach unten und wiederholt denselben Greif-/Form-, Versiegel- und
Schneidevorgang.
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Ein
Nachteil von bekannten Form- und Versiegeleinheiten betrifft das
sogenannte "Dekorationskorrektur-System".
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Die
Verpackungsmaterialbahn hat normalerweise eine Reihe von gleich
beabstandeten Druckmustern oder Dekorationen auf den Abschnitten,
die die Außenseite
der Packungen darstellen, so dass die Bahn der Form- und Versiegeleinheit
so zugeführt werden
muss, dass das Formen, Versiegeln und Schneiden der Packung in der
Folge der Dekorationen erfolgt. Obwohl die Dekorationen gleich beabstandet
aufgedruckt sind, kann die Positionen von jeder einzelnen mit Bezug
auf die Backen der Form- und
Versiegeleinheit variieren, zum einen als Folge variierender Deformationen
des Verpackungsmaterials durch den mechanischen Druck, der durch
die Backen ausgeübt
wird, und zum anderen als Folge des pulsierenden Drucks des fließfähigen Nahrungsmittels
im Verpackungsmaterialschlauch. Es wird deshalb ein System zum Korrigieren
der Position der Dekoration benötigt.
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In
modernen Verpackungsmaschinen hat ein solches System einen optischen
Sensor zum Ermitteln der Position eines Barcodes auf jeder Packung; und
eine Steuereinheit zum Vergleichen der ermittelten Position mit
einer theoretischen Position.
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Auf
einigen im Handel erhältlichen
Maschinen hat jedes Backenpaar ein Paar von Zugelementen zum Ziehen
des Verpackungsmaterialschlauches, die mit Bezug auf die Backen
beweglich sind, um dreieckige Tabs auf den oberen und unteren Ecken
der kissenförmigen
Packungen zu bilden. Beim Ermitteln eines Dekorationspositions-Fehlers passt
die Steuereinheit die Geschwindigkeit des Motors an, der den Vorschub
der Verpackungsmaterialbahn steuert. Wenn diese Korrektur nicht
ausreicht, werden die Schlauchzieh-Mittel so gesteuert, dass sie
den Zug auf das Verpackungsmaterial leicht erhöhen oder vermindern. Gemäß anderen
Lösungen wirkt
die Steuereinheit direkt auf die Schlauchzieh-Mittel ein, ohne die
Möglichkeit,
die Geschwindigkeit des Motors, der den Vorschub der Verpackungsmaterialbahn
steuert, anzupassen; dieser Vorgang wird wiederholt, bis die Position
der Dekoration mit der theoretischen Position übereinstimmt, was erst der
Fall sein kann, wenn eine bestimmte Anzahl von Packungen hergestellt
wurde und die dann Ausschuss sind. In einigen Fällen ist es mit diesem Verfahren
nicht möglich,
die Position der Dekoration zu korrigieren, z. B. wenn eine neue
Ladung von Verpackungsmaterial mit einem anderen Dekorationsabstand
zugeführt
wird. In diesem Fall muss die Maschine gestoppt und manuell auf
den neuen Abstand eingestellt werden.
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Die
Europäische
Patentanmeldung EP-A-0 959 007 beschreibt eine Form- und Versiegeleinheit des
obigen Typs, bei der die Hin- und
Herbewegung jeder Backe von zwei Stangen gesteuert wird, die von entsprechenden
Servomotoren angetrieben werden. Eine unabhängige Steuerung der vier Stangen
ermöglicht
es, jeden Positionsfehler der Dekoration zu berücksichtigen und die Arbeitsgeschwindigkeit
der Backenanordnungen entsprechend anzupassen.
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US-A-3
350 840 offenbart ein Verfahren und ein System zum Korrigieren der
Dekorationen in einer vertikalen Form-, Füll- und Versiegelmaschine, die
eine mechanische Einheit mit einem Elektromagnet aufweist, der über komplexe Übertragungselemente
die obere Endposition der Backen um einen spezifischen Wert modifiziert.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die in EP-A-0 959 007
beschriebene Form- und Versiegeleinheit zu verbessern, indem eine
Korrektur der Dekoration auf mechanisch einfache, zuverlässige Art
und Weise ermöglicht
wird, ohne dass zusätzliche
Servomotoren und elektronische Kontrolleinheiten nötig werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren und System zum Korrigieren einer Dekoration
für eine
Form- und Versiegeleinheit einer Maschine zum Verpacken von fließfähigen Nahrungsmitteln, wie
entsprechend in Ansprüchen
1 und 11 beansprucht, bereitgestellt.
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Zwei
bevorzugte, nicht einschränkende
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden beispielhaft mit Bezug auf die
beigefügten
Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 und 2 jeweils
eine Seiten- und eine Vorderansicht einer Form- und Versiegeleinheit einer
Maschine zum Verpacken von fließfähigen Nahrungsmitteln
mit einem erfindungsgemäßen Dekorationskorrektursystem;
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3 schematisch
das Ergebnis der Steuerung der Backenbewegung in der Maschine aus 1 und 2,
um die Dekoration erfindungsgemäß zu korrigieren;
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4 eine
Zeitfunktion der Backenbewegungsbahnen, die durch Steuerung des
Bewegungswegs der Backen erreicht werden;
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5 eine
Zeitfunktion der Backenbewegungsbahnen, die durch Phasensteuerung
der Backen erreicht werden;
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6 ein
Blockdiagramm des Steuersystems des Bewegungswegs, um die Bewegungsbahn von 4 zu
erhalten; und
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7 ein
Blockdiagramm des Phasensteuersystems, um die Bewegungsbahn von 5 zu
erhalten.
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Um
die Erfindung besser zu verstehen, wird zunächst eine Form- und Versiegeleinheit 1 gemäß EP-A-0
959 007 beschrieben.
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Einheit 1 ermöglicht das
Herstellen von aseptisch versiegelten Packungen für fließfähige Nahrungsmittel
aus einem Verpackungsmaterialschlauch 2, der durch Längsfalten
und -versiegeln einer Bahn aus warmverschweißbaren Material hergestellt
wird und der vor Einheit 1 mit dem Produkt gefüllt wird.
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Einheit 1 weist
eine Rahmenstruktur 3 auf, die zwei vertikale Führungen 4 definiert,
entlang deren zwei Formeinheiten 5, 5' bewegt werden.
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Jede
Formeinheit 5, 5' hat
im Wesentlichen ein Joch 6, das entlang der entsprechenden
Führung 4 läuft; und
zwei Backen 7, die über
ein Scharnier an der Unterseite des Jochs angebracht sind und sich auf
gegenüberliegenden
Seiten des Schlauchs 2 befinden (2). Die
Backen 7 sind mit entsprechenden Stützarmen 10 versehen,
die an den oberen Enden der entsprechenden Backen 7 angebracht
sind, sich zu einander erstrecken und entsprechende balkenförmige Versiegelelemente
(nicht dargestellt) halten, die mit dem Schlauch 2 interagieren.
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Die
Bewegung von jeder Backe 7 wird von einer ersten und einer
zweiten vertikalen Stange 15, 16 gesteuert, die
entsprechend die vertikale Bewegung der Formeinheit 5, 5' und das Öffnen/Schließen des entsprechenden
Backenpaares 7 steuern.
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Die
Backen 7 jeder Formeinheit 5, 5' schließen, wenn
sich die Einheit nach unten bewegt, um so den Schlauch 2 einzuspannen
mit einer nach unten gerichteten vertikalen Bewegungskomponente,
die der Vorschubgeschwindigkeit des Schlauchs 2 entspricht.
Wenn sie sich nach unten bewegen, werden die Backen 7 geschlossen
gehalten und Versiegelelemente (nicht dargestellt) spannen den Schlauch
mit dem entsprechenden Warmverschweiß-Druck ein (Form- und Versiegelabschnitt).
Beim Näherkommen an
den unteren Totpunkt öffnen
sich die Backen 7, um den Schlauch 2 los zu lassen
und werden ganz geöffnet,
während
sie sich nach oben bewegen und bevor sie den oberen Totpunkt erreichen
(Repositionierungsabschnitt). An diesem Punkt beginnen sich die
Backen 7 zu schließen
und werden ganz geschlossen, wenn sie anfangen, sich nach unten
zu bewegen.
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Die Öffnungs-/Schließbewegung
der Backen 7 wird über
die vertikalen Hin- und Herbewegung der Joche 6 gelegt,
so dass die Stangen 15 eine Hin- und Herbewegung ausführen, während die
Stangen 16 eine periodisch axiale Bewegung ausführen, die durch
die Hin- und Herbewegung der Stangen 15 bedingt wird, kombiniert
mit einer weiteren periodischen Bewegungskomponente zum Steuern
des Öffnens und
Schließens
der Backen 7.
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Die
Bewegungen der zwei Formeinheiten 5, 5' sind offensichtlich
um einen Halbkreis verschoben: Formeinheit 5 bewegt sich bei
offenen Backen 7 nach oben, während Formeinheit 5' sich bei geschlossenen
Backen 7 nach unten bewegt, um eine Interferenz zu vermeiden.
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Die
Stangen 15, 16 jeder Formeinheit 5, 5' werden unabhängig von
entsprechenden Servomotoren 20 gesteuert, die mit einer
Steuereinheit 25 verbunden sind, die so programmiert ist,
dass sie die Betriebsparamenter der Servomotoren 20 variiert
und somit die Arbeitszyklen von Einheit 1.
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Im
Falle eines Dekorationspositionsfehlers wird gemäß der vorliegenden Erfindung
die Bewegung jedes Backenpaares 7 (die über die Stangen 15, 16 durch
die Servomotoren gesteuert wird) entlang des Repositionierungsabschnitts
modifiziert, wenn sich die Backen 7 nach oben bewegen.
Die Steuereinheit 25 variiert insbesondere den Bewegungsweg
oder die Phase von einer oder von beiden Backen.
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3 zeigt
wie die Bewegungsbahn eines Backenpaares 7 gemäß der ersten
Lösung
(Bewegungswegänderung)
modifiziert wird. 3 zeigt insbesondere mit der
durchgezogenen Linie die nominale Bewegungsbahn P und mit den gestrichelten
Linien eine erste modifizierte Bewegungsbahn P' für den
Fall, dass ein Positionsfehler eine größere Höhe der Packung bedingt, und
eine zweite modifizierte Bewegungsbahn P'',
für den
Fall, dass ein Positionsfehler eine geringere Höhe der Packung bedingt. In 3 sind
die Bewegungsbahnen der Backen 7 der beiden Formeinheiten 5, 5' zusammen dargestellt, obwohl
die beiden Bewegungsbahnen in Wirklichkeit zeitlich voneinander
vorschoben sind.
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Im
dargestellten Beispiel weichen die modifizierten Bewegungsbahnen
P', P'' von der nominalen Bewegungsbahn P entlang
des Repositionierungsabschnitts zwischen einem Punkt P0 (Aufwärtsbewegung,
unmittelbar bevor die Backen mit dem Schließen beginnen) und einem Punkt
P1 (Beginn der Abwärtsbewegung, unmittelbar unter
dem oberen Totpunkt) ab und sind identisch mit der nominalen Bewegungsbahn
zwischen den Punkten P1 und P2 (Abwärtsbewegung
zu einem Punkt kurz vor dem unteren Totpunkt), wenn die bestehenden
Beziehungen nicht geändert
werden, während
die Packung geformt wird, und zwischen Punkten P2 und
P0 (Aufwärtsbewegung
mit sich öffnenden
Backen). Alternativ können
die modifizierten Bewegungsbahnen P' und P'' unmittelbar
nach Punkt P2 abweichen.
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Die
modifizierten Bewegungsbahnen P' und P'' in 3 können durch
Modifizieren den tatsächlichen
Bewegungsweg der Backen 7 erreicht werden, d. h. des Abstands
zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt, so dass sich die Backen 7 bei
jedem modifizierten Zyklus jeweils entlang einer längeren oder
kürzeren
Bewegungsbahn P',
P'' bewegen. In diesem
Fall modifiziert die Steuereinheit 25 in Einheiten 5 und 5' den Bewegungsweg
beider Stangen 15, 16, die die Bewegung des Jochs 6 und
der Backen 7 steuern, um so den ermittelten Positionsfehler,
wie im Nachfolgenden mit Bezug auf 4 im Detail
beschrieben, zu kompensieren.
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Gemäß dieser
ersten Lösung
wird die nominale Bewegungsbahn P als Funktion der Zeit modifiziert
wie in 4 dargestellt, die die Position der Backen 7 als
eine Funktion der Zeit zeigt und in der P, P' und P'' jeweils
die nominale und die modifizierten Bewegungsbahnen darstellen, P0–P2 haben die gleiche Bedeutung wie in 3.
Wie ersichtlich ist, wird die Bewegungsbahn nur zwischen P0 und P1 modifiziert, der
Rest der Bewegungsbahn bleibt unverändert.
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Gemäß einer
zweiten Lösung
bleibt die tatsächliche
Bewegungsbahn der Backen 7 unverändert und die Phase der Stangen 15, 16 wird
um einen entsprechenden Wert verzögert oder beschleunigt. Mit
Bezug auf ein festes Koordinatensystem bleibt die Bewegungsbahn
der Stangen 15, 16 unverändert und ihre unmittelbare
Position wird so modifiziert, dass sie den unmittelbaren Punkt P1 verzögert
(oder vorschiebt, abhängig
vom ermittelten Positionsfehler), bei dem sich die nach oben bewegende
Backe 7 schließt.
In diesem Fall können
die Bewegungsbahnen der Backenpaare 7, wie vom Schlauch 2 aus "gesehen", wieder wie in 3 dargestellt
werden, außer
dass die zwei Bewegungsbahnen (rechts und links) in der Höhe verschoben
sind.
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Die
zweite Lösung
ist insbesondere dann nützlich,
wenn in der Einheit nicht genügend
Platz ist, um eine Extrabewegung der Backen 7 ohne Interferenzen
mit anderen Teilen von Einheit 1 zu ermöglichen.
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Ein
Beispiel einer verzögerten,
phasenmodifizierten Bewegungsbahn wird in 5 dargestellt, die übereinander
gelegt die nominale und die modifizierte Bewegungsbahn PL und P'L des linken Backenpaares 7 und
die nominale und die modifizierte Bewegungsbahn PR Und
P'R des
rechten Backenpaares 7 zeigt. Wie ersichtlich ist, weicht
die modifizierte Bewegungsbahn P'L des linken Backenpaares 7 von
der nominalen Bewegungsbahn PL unmittelbar
nach Punkt P2 ab (während eines Zeitintervalls ΔT, in dem eine
Phasenverzögerung Δp erzeugt
wird); die so erzeugte Phasenverschiebung bleibt für den Rest
des Zyklus unverändert
(und möglicherweise
auch in nachfolgenden Zyklen, wenn keine weiteren Dekorationspositionsfehler
auftreten). Bis weitere Fehler auftreten, durchläuft das andere Backenpaar (im
dargestellten Beispiel das rechte) die gleiche Phasenverschiebung Δp.
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Während des
Zeitintervalls ΔT
wird das linke Backenpaar mit anderen Worten im Bezug auf das rechte
Backenpaar verzögert,
so dass die linken Backen 7 den Schlauch 2 nach
dem nominalen Zeitpunkt treffen, während das rechte Backenpaar 7 fortfährt, den
Schlauch mit nominaler Geschwindigkeit zu ziehen. Folglich trifft
das linke Backenpaar den Schlauch an einem Punkt, der höher als
der nominale Punkt ist (mit Bezug auf Schlauch 2), was
einer größeren Höhe der Packung
entspricht. Da das rechte Backenpaar 7 ab dem nächsten Halbzyklus
(nachdem das rechte Backenpaar 7 den Schlauch 2 los lässt) der
gleichen Phasenverschiebung unterzogen wird und die gleiche Phasenverschiebung
auch in den nachfolgenden Zyklen aufrecht erhalten wird, werden
die nächsten
Packungen zu nominaler Größe.
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6 zeigt
ein Blockdiagramm des Steuerkreises zum Modifizieren der Bewegung
der Stangen 15, 16 gemäß der ersten oben beschriebenen
Lösung,
die vorzugsweise durch das Programm von Steuereinheit 25 implementiert
wird.
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Insbesondere
wird ein Positionssignal der tatsächlichen Position x (das von
einem Sensor 30 generiert wird, der den Barcode auf dem
Schlauch 2 bei jeder Packung liest) auf eine Subtrahiereinheit 31 gegeben,
die auch das nominale Positionssignal x0 erhält. Die
Subtrahiereinheit 31 subtrahiert das Signal über die
tatsächliche
Position x vom Signal der nominalen Position x0,
um ein Fehlersignal e zu erhalten, das auf einen PID(Proportional,
integral, Differential)-Steuerblock 33 gegeben wird; der PID-Steuerblock 33 erzeugt
auf bekannte Art und Weise ein Amplitudenkorrektur-Signal A, das
die am Bewegungsweg der Stangen 15, 16 vorzunehmende Korrektur
anzeigt und auf einen ersten elektronischen Speicher 34 gegeben
wird.
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Der
erste Speicher 34 erhält
auch ein trapezoides Timing-Signal s, das von einem Signalgenerator 35 erzeugt
wird, um die Bewegung der Stangen 15, 16 mit Bezug
auf den Rest von Einheit 1 auf bekannte Art und Weise zu
synchronisieren. Der erste Speicher 34 speichert ein Gaußsches Amplitudenkorrektur-Profil
und erzeugt ein Offset-Signal Off, das mit dem Timing-Signal s synchronisiert
ist (das Signal s hat insbesondere nur während des Arbeitsintervalls,
in dem die Bewegungswegkorrektur vorgenommen werden muss, einen
anderen Wert als null); die Amplitude des Signals s ist eine Funktion
des Amplitudenkorrektur-Signals
A.
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Das
Timing-Signal s wird auch auf einen zweiten elektronischen Speicher 37 gegeben,
der die nominale Bewegungsbahn P speichert und eine nominale Bewegungsbahn
P, die mit der Einheit 1 synchronisiert ist, erzeugt.
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Die
nominale Bewegungsbahn P wird auf einen anpassbaren Offset-Verstärker 38 gegeben,
von dem ein Steuereingang das Offset-Signal Off erhält; der
Verstärker 38 erzeugt
die modifizierte Bewegungsbahn P',
die mit Bezug auf die nominale Bewegungsbahn P nur in der Höhe gemäß dem Offset-Signal
Off variiert; und die modifizierte Bewegungsbahn P' wird auf einen Antriebskreis 39 gegeben,
der mit einem entsprechenden Servomotor 20 verbunden ist
und diesen auf bekannte Art und Weise antreibt, so dass die mit
dem Servomotor verbundene Stange gemäß einer modifizierten Bewegungsbahn P' aktiviert wird.
Eine Steuerung wie in 6 dargestellt wird auf jeden
der vier Servomotoren 20 von Einheit 1 angewendet.
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7 zeigt
ein Blockdiagramm des Steuerkreises zum Modifizieren der Phase der
Stangen 15, 16 gemäß der zweiten oben beschriebenen
Lösung, die
ebenfalls vorzugsweise durch ein Pro gramm von Steuereinheit 25 implementiert
wird. In 7 haben gleiche Teile die gleichen
Referenznummer wie in 6.
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Das
Signal über
die tatsächliche
Position x, das von Barcode-Sensor 30 erzeugt
wird, wird auf die Subtrahiereinheit 31 gegeben, die auch
ein nominales Positionssignal x0 erhält und ein
Fehlersignal e erzeugt. Das Fehlersignal e wird auf einen PID-(Proportional, Integral,
Differential)Steuerblock 42 gegeben, der auf bekannte Art
und Weise ein Phasenkorrektur-Signal φ erzeugt, das die an der nominalen Bewegungsbahn
der Stangen 15, 16 vorzunehmende Phasenkorrektur
anzeigt. Das Phasenkorrektur-Signal φ wird auf Generator 43 zum
Erzeugen trapezoider Signale mit variabler Amplitude gegeben, der
ein trapezoides Signal Tr erzeugt, dessen Amplitude eine Funktion
des Phasenkorrektur-Signals φ ist.
Das trapezoide Signal Tr wird auf einen Phaseneinsteller 44 gegeben,
der auf bekannte Art und Weise die Phasenverschiebung Δp bestimmt,
die an der nominalen Bewegungsbahn vorgenommen werden muss und die
auf einen dritten elektronischen Speicher 45 gegeben wird, ähnlich der
elektronischen Speicher 34, 37 in 6.
Der dritte elektronische Speicher 45 erhält auch
ein Timing-Signal s, das von einem Generator 46 für trapezoide
Signale ähnlich Generator 35 in 6 erzeugt
wird und erzeugt die modifizierte Bewegungsbahn P', die mit Bezug auf das
Timing-Signal s gemäß der Phasenverschiebung Δp verschoben
ist. Die modifizierte Bewegungsbahn P' wird dann auf den Antriebskreis 39 gegeben
wie im Steuersystem von 6.
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Die
Vorteile des Steuerverfahrens und Steuersystems werden im Folgenden
beschrieben. Sie ermöglichen
insbesondere eine akkurate Korrektur der Größe der Packungen unmittelbar
nach Ermittlung einer Positionsabweichung der Dekoration mit Bezug
auf die nominale Position, so dass alle Packungen nach der, auf
der die Korrektur vorgenommen wurde, zu einer nominalen Größe geformt
werden; so muss schlimmstenfalls nur die Packung mit der unterschiedlichen
Länge aussortiert
werden, ohne dass die Maschine gestoppt werden muss.
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Darüber hinaus
können
die Korrekturen einfach durch Software-Steuerung vorgenommen werden, so dass,
wenn nötig,
sogar Kombinationskorrekturen durchgeführt werden können. Im
Falle eines beträchtlichen
Positionsfehlers kann beispielsweise eine Bewegungswegkorrektur
innerhalb der Grenzen des vorhandenen Platzes durchgeführt werden,
und die Korrektur wird durch Modifizieren der Phasen der Stangen 15, 16 und
der entsprechenden Backen 7 fertig gestellt.
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Es
können Änderungen
am Steuerverfahren und Steuersystem wie beschrieben und in den Figuren
dargestellt vorgenommen werden, ohne dass dies vom Umfang der Ansprüche abweicht.
Die Erfindung kann insbesondere für andere Formeinheit-Typen
verwendet werden, in denen z. B. jede Halbbacke von einer von einem
Servomotor angetriebenen Kette betrieben wird, oder für Einheiten
zum Herstellen anderer Packungen, z. B. tetraederförmiger Packungen.