Antriebstechnik fürs Handling in Verpackungsmaschinen

Eine Maschine der Firma IMA zur Verpackung von Kunststoffflaschen in Kartons besteht grundsätzlich aus drei Einheiten: Einer Zuführungseinheit für die Flaschen, einer für die Kartonage und als Verbindungselement einem Pick-and-Place-Portalroboter. Dabei funktioniert der Workflow dieser Maschinen im einfachsten Fall wie folgt: Die Zuführeinheit für die Flaschen übernimmt die abgefüllten, etikettierten und geprüften Flaschen aus der Produktion, zählt sie ab und bringt sie in die vorgesehene Reihung. Die Zuführeinheit der Kartonage entnimmt den Einzelkarton entweder einer Paletteneinheit oder von einem Band, faltet ihn auf und stellt ihn noch unverklebt auf einem Förderband zur Befüllung bereit. Der Portalroboter greift die bereitgestellten Flaschen und stellt sie in den zwischenzeitlich geöffneten Karton. Die Abführeinheit verklebt den Karton unten wie oben mit Kleber oder Klebestreifen.

Ein Beispiel von vielen variantenreichen Abläufen im Bereich Handling.

Beginnend von der Dosierung und Verpackung beziehungsweise Abfüllung des Produkts bis zur Palettierung größerer Verpackungseinheiten integrieren moderne Verpackungslinien meist mehrere Arbeitsstationen, deren spezifische Aufgaben modular durch separate Maschinen erfüllt werden. Präzision, Schnelligkeit und Variabilität zeichnen nicht nur die Verpackungsanlagen aus, sondern sie definieren gleichzeitig auch die Ansprüche an die eingesetzte Antriebstechnik. Über eine Steuerung gekoppelt, müssen die jeweiligen Antriebe der einzelnen Achsen hochpräzise arbeiten, um die Verpackungsaufgabe auch bei höchster Taktgeschwindigkeit wie erwartet zu erfüllen. Die Qualität der eingesetzten Antriebstechnik ist dafür von besonderer Bedeutung. Der Verpackungsmaschinenhersteller IMA vertraut dabei auf den italienischen Antriebshersteller Bonfiglioli, dessen deutsche Niederlassung ihren Sitz in Krefeld hat.

Schnelles Handling mittels Servotechnik

Jede Funktion der Verpackungsmaschine für Kosmetikfläschchen wird idealerweise mit elektrischer Servotechnik angetrieben. Zuführung, Konfektionierung und Positionierung der Flaschen, Zuführung der Kartonage, Pick and Place der Flaschen und der Abtransport und Verschluss der befüllten Kartons müssen gut aufeinander abgestimmt sein. Im besten Fall beträgt die Taktzeit zwei Sekunden. Dieser Wert stellt hohe Anforderungen an die Antriebe, insbesondere, was Beschleunigungsmomente und Verdrehsteifigkeit betrifft. Eingangsdrehzahlen von über 3.000 Umdrehungen pro Minute bringen zusätzlich thermische Belastungen mit sich. Belastungen, mit denen die spielarmen Planetengetriebe der Bonfiglioli-Marke Micron umgehen können.
Sensoren sorgen für die korrekte Anzahl und Stellung der zu verpackenden Flaschen. Die Befüllposition des Kartons wird durch Sensorik am Förderband in Verbindung mit seiner Geschwindigkeit errechnet und der Achsensteuerung des Pick-and-Place-Roboters weitergegeben. In diesen beiden Fällen besteht in der Dynamik des Start-/Stopp-Betriebs und korrekter Lageerfassung die besondere Herausforderung. Beim Portalroboter jedoch ist die Kombination aus Geschwindigkeit und genauer Positionierung bei bewegtem Ziel gefragt. Gesteuert und koordiniert werden alle Funktionen der Maschine von einer SPS. Diese erlaubt auch die Verbindung zu vor- und nachgelagerten Maschinen, so dass auch eine Integration der Verpackungsmaschine in eine Produktionslinie möglich ist.

In 0,4 Sekunden verpackt

Am Ende des Abfüll- und Verpackungsprozesses gilt es bei Produkten der Kosmetik- und pharmazeutischen Industrie, vor der weiteren Kommissionierung in größere Gebinde die Kartons in Folie einzupacken. Sind die Parfums in Flacons abgefüllt und in Kartons verpackt, werden sie einzeln oder zu mehreren mit Folie umhüllt. Das geschieht in rasanter Schnelligkeit. Bis zu 150 Kartons pro Minute werden mit PP, PVC, Zellophan oder auch Packpapier umverpackt. Die Kartons schießen im 0,4-Sekunden-Takt durch die Maschine, werden mit dem Packmaterial umwickelt und verschlossen.
Damit kurze Taktzeiten garantiert sind, wird die Maschine über eine SPS gesteuert und mit dynamischer elektrischer Antriebstechnik angetrieben. Hier bietet sich die hochdynamische Umrichterfamilie Active Cube von Bonfiglioli an. Mit ihrem integrierten Systembus auf CAN-Basis können ohne Zusatzelemente bis zu 64 Antriebe in Echtzeit miteinander kommunizieren und lassen sich so synchronisieren.
Die größte mechanische Belastung erfährt die Hubeinheit des Portalroboters im Herzen der Maschine. Die Sensorik der Maschine sorgt über die Zuführeinheit für die korrekte Stellung der zu verpackenden Kartons. Im Moment der exakten Position ist der Karton schon überdeckt vom Verpackungsmaterial, wird gehoben und mit der gleichen Bewegung mit dem Verpackungsmaterial umschlagen, verklebt und danach an das Förderband der Abführeinheit übergeben. An dieses schließt sich meist ein Roboter an, der die verpackten Einzelkartons in größere Gebinde zusammenfasst, verpackt und auf Paletten abstellt.

Chargen-Wechsel ohne Werkzeug

Wenn häufig Chargenwechsel anstehen und die Größe der Kartonagen wechseln, dann spielt die Geschwindigkeit der Formatumstellung eine wichtige Rolle. Innerhalb weniger Minuten sollen sich die Maschinen auf das neue Format umstellen lassen. Bei den Maschinen von IMA geht das ganz ohne Einsatz von Werkzeug. Im Nu sind die Zuführungen neu eingerichtet und die Antriebe über die Steuerung mit den aktuellen Werten versorgt.
Bei den entscheidenden Antrieben mit Positionieraufgaben oder hartem Start-/Stopp-Betrieb werden jedoch die spielarmen Servo-Planetengetriebemotoren von Bonfiglioli eingesetzt. Bei den weniger kritischen Bewegungen, beispielsweise bei den vorgelagerten Zuführungen, die im Dauerbetrieb erfolgen, kommen Industriegetriebemotoren der Produktlinie Bonfiglioli Riduttori zum Einsatz, die sich für Anwendungen mit geringeren Genauigkeitsanforderungen eignen. In der Regel sind das die bewährten Schneckengetriebemotoren.
Der Einsatz in vielfältigen Verpackungsmaschinen von IMA zeigt zudem die Variabilität des Produktprogramms. Die Palette reicht vom Hauptantrieb mit 1.200 Newtonmetern Spitzendrehmoment bis zu Hilfsanwendungen mit unter 30 Newtonmetern.
Neben der Flexibilität dieses Produktbaukastens überzeugte IMA die Garantie der Spieltoleranzen bei den Planetengetrieben. In Pick-and-Place-Anwendungen ist ein Spiel von drei Winkelminuten gefordert, andere Anwendungen, sind weniger anspruchsvoll und lassen sich mit kostengünstigen Getrieben abdecken, beispielsweise mit einem Spiel bis zu 15 Winkelminuten oder sogar mit dem Spiel der Standardgetriebe. jbi