Modulares Antriebskonzept einer Etikettendruckmaschine

Aufgabengerecht antreiben

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Weg von der Handarbeit, hin zur industriellen Fertigung – das war die Grundlage bei der Entwicklung der neuen Etikettendruckmaschine Gallus RCS der Gallus Ferd. Rüesch AG. Als Voraussetzungen für den wirtschaftlichen Betrieb der Anlage mussten eine hohe und reproduzierbare Qualität, kürzeste Einrichtzeiten, maximale Verfahrensflexibilität und ein hoher Automatisierungsgrad gewährleistet werden. Erreichen ließ sich dies dank feldbusfähiger Kompaktantriebe, über die sämtliche für den Verarbeitungsprozess notwendigen Einstellungen ausgeführt werden.

Bei der Etikettendruckmaschine Gallus RCS müssen die Kompaktantriebe unterschiedlichste Anforderungen erfüllen. Diese reichen vom einfachen Pumpenantrieb über hoch-genaue Positionierungen bis hin zu Dauerbetriebsanwendungen im Drehzahlbetrieb und bei bis zu 700 W Leistung. Durch die vielfältigen Konfigurationsmöglichkeiten der Antriebe von ERL Elektronik konnte für jede dieser Aufgaben der optimale Antrieb eingesetzt und so – bei insgesamt bis zu 150 Antrieben – auch eine Reduktion der Maschinenherstellkosten erreicht werden.

Universelle Anwendung
Um die einzelnen Kompaktantriebe flexibel den Bedürfnissen der Maschinenapplikation anpassen zu können, wurde von den Gallus-Entwicklern ein modulares Antriebskonzept gewählt. Bei der Gallus RCS finden zwölf unterschiedliche, optimal für die jeweilige Aufgabe ausgelegte Antriebsausführungen ihren Einsatz. Erleichtert wurde dies durch das ERL-Baukastensystem für Kompaktantriebe, das die Modularität bei gleichzeitiger Verwendung von Standardkomponenten ermöglicht. Kosten und Lieferzeit waren daher deutlich geringer als bisher von der Sonderantriebstechnik gewohnt.
Der Grundaufbau der eingesetzten PCS-Kompaktantriebe besteht aus einer 4-Quadranten-Positionier-/Drehzahlsteuerung mit einem Canopen-Interface sowie einem wartungsfreien EC-Motor. Elektroniken verschiedener Leistungsklassen können mit diversen Motoren, Getrieben bzw. Optionen wie Inkremetalgeber und Haltebremse kombiniert werden. Alle Varianten der PCS-Reihe entsprechen dem Kommunikationsstandard DS301 und sind gemäß dem Geräteprofil DSP402 ausgelegt. Dem Wunsch nach einer durchgängigen Kommunikation und einer einheitlichen Programmierung der Kompaktantriebe konnte somit entsprochen werden. Die von ERL ergänzend zum Antriebsspektrum erhältlichen Test- und Inbetriebnahmetools ermöglichten zudem schon während der Entwicklung die autarke Durchführung von Test- und Abstimmungsläufen.
In bester Position durch Blockfahrtreferenzierung
Die meisten Antriebe – je nach Maschinenkonfiguration zwischen 20 und 50 – werden in der Druckzustellung der Druckeinheit eingesetzt. Hier treten Lastmomente von bis zu 25 Nm auf. Da der Druckzustellungsantrieb jedoch im Positionierbetrieb mit niedriger Getriebeabgangsdrehzahl arbeiten kann, wurde ein dreistufiges 107:1-Getriebe verwendet. Im Gegensatz zum Positioniermodus treten im Referenziermodus wesentlich niedrigere Drehmomente auf und der Antrieb dreht fast im Leerlauf. Zudem erwies sich hier aufgrund des geringen Platzes die Montage eines Referenzsensors als sehr schwierig. Aus beiden Gründen wurde nach einer alternativen Referenziermethode gesucht – und in enger Zusammenarbeit zwischen Gallus und ERL die Variante „homing on block move“ entwickelt.
Während bei Gallus Tests zur Reproduzierbarkeit des Referenzierens bezogen auf die jeweilige drucktechnische Anwendung durchgeführt wurden, verfeinerten die ERL-Ingenieure die Antriebs-Firmware, um hinsichtlich der Antriebsbewegung eine optimale Lösung zu erreichen. Damit der Antrieb, speziell der Abgang des dreistufigen Getriebes auf Dauer unbeschädigt bleibt, wird der Motorenstrom so weit reduziert, dass das Getriebe beim Auftreffen auf den Block keinen Schaden nimmt. Weiterhin wurde die Drehzahl entsprechend verringert. Durch diese Maßnahme konnte man das relativ zeitaufwendige Einstellen des Referenzsensors eliminieren, den Verdrahtungsaufwand minimieren und nicht zuletzt auch die Herstellungskosten senken.
Kompakte Leistung im Nassoffsetdruckwerk
Auch bei der Realisierung der für die Gallus RCS verfügbaren Nassoffsetdruckwerke wurde der Gedanke des flexiblen und modularen Maschinenkonzepts konsequent umgesetzt: Auf engstem Raum sind dezentrale Antriebseinheiten untergebracht. Eine einfache und schnelle Ankopplung der Druckwerke an die Maschine wird über den Canopen-Feldbus realisiert. Die Anforderungen an die für den Dauerbetrieb vorgesehenen Walzenantriebe ließen sich ebenfalls durch entsprechend ausgelegte Kompaktantriebe umsetzen, was nach Gallus-Erfahrungen nicht mit allen am Markt verfügbaren, üblicherweise für den Positionierbe-trieb konzipierten Kompaktantrieben möglich gewesen wäre.
So entstand als weitere innovative Anwendung der wassergekühlte Duktorantrieb im Nassoffsetdruckwerk der Etikettendruckmaschine: Da das vom Duktor (Walze im Farbwerk, die Farbe aus dem Farbkasten aufnimmt und sie auf die übrigen Walzen des Farbwerks überträgt) aufgebaute Lastmoment stark von der Viskosität und der Temperatur der Druckfarbe abhängt, muss der Motor kurzfristig – vor allem beim Anfahren der Maschine, d.h. bei noch kalter Farbe – sehr hohe Leistungen liefern. Zugluft würde allerdings deutlich die Qualität des Offsetdrucks beeinträchtigen, weshalb der Antrieb die entstehende Verlustwärme nicht direkt an die Umgebung abgeben darf. Die integrierte Wasserkühlung, einerseits am Motor und anderseits an der Elektronik, schafft hier Abhilfe, indem sie das Aufwärmen des Antriebs und somit das Ansprechen von dessen interner Temperaturabschaltung verhindert.
Schwere Lasten bewegen und bei Platzmangel punkten
Die zu bedruckenden Etikettenträger sind auf Rollen mit bis zu 400 kg Gewicht gelagert. Diese werden in der Druckmaschine mit einem PCS-Kompaktantrieb in der Rollenliftanwendung in Position gebracht. Der Antrieb kann bei seiner Nenndrehzahl von 4000 min-1, untersetzt mit einem 25:1-Getriebe ein Drehmoment von maximal 20 Nm aufbauen. Dies gilt natürlich nur für den S3-Betrieb (Aussetzbetrieb, d.h. periodische Belastungsphase), der bei einer Verfahrdauer von höchstens 30 s gegeben ist. Ein zusätzliches positives Feature des Liftantriebs liegt darin, ihn so zu parametrieren, dass er bei zu hohem Lastmoment seine Abgangsdrehzahl weit genug absenkt, um die Last dennoch anheben zu können.
Weitere Anwendungen in der Etikettendruckmaschine sind Antriebe mit abgesetzter Elektronik, und zwar überall dort, wo der Antrieb aufgrund fehlenden Bauraums nicht mit angebauter Elektronik eingesetzt werden konnte. Das Leistungs- und das Geberkabel kann dabei frei verlegt werden. Der Einbau dezentraler Antriebstechnik mit Feldbuskommunikation wurde so auch bei schwierigen Platzverhältnissen in der Maschine unter Berücksichtigung der Schutzartanforderungen möglich.
eA 440

praxis plus
Die optimale Antriebsauslegung, eine durchgängige Programmierung und die Verwendung eines entsprechend der Bewegungsaufgaben konfigurierbaren Baukastensystems sind die Schlüsselkritierien für den Einsatz der ERL-Kompaktantriebe bei der Gallus-Etikettendruckmaschine. Durch die enge Zusammenarbeit beider Unternehmen während der gesamten Projektierungs-, Programmierungs- und Inbetriebnahmephase konnte eine effiziente Antriebsintegration und damit eine variabel einsetzbare und wirtschaftlich betreibbare Maschine realisiert werden.

Welche konkreten Anwendervorteile die moderne Technik der Gallus-Etikettendruckmaschinen bietet, vermittelt das schweizerische Unternehmen auf seiner hier verlinkten Website u.a. unter dem Menüpunkt „Technologie“ bzw. „Druckverfahren“.
Die PCS-Kompaktantriebe der Etikettendruckmaschine Gallus RCS kommunizieren per Canopen. Was genau hinter diesem Standard steckt, darüber informiert z.B. die Organisation CAN in Automation (CiA) auf einer hier direkt verlinkten Website.
Details zu den PCS-Antrieben von ERL-Elektronik sind hier hinterlegt.

eA-INFO-TIPP
Welche konkreten Anwendervorteile die moderne Technik der Gallus-Etikettendruckmaschinen bietet, vermittelt das schweizerische Unternehmen auf seiner Website u.a. unter dem Menüpunkt „Technologie“ bzw. „Druckverfahren“:
Die PCS-Kompaktantriebe der Etikettendruckmaschine Gallus RCS kommunizieren per Canopen. Was genau hinter diesem Standard steckt, darüber informiert die Anwender- und Herstellervereinigung CAN in Automation (CiA) auf der folgenden Website:
www.can-cia.org/ index.php?id=171
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