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Roboter als integrale Automatisierungskomponente

Der Pacdrive P4-Roboter nimmt die ankommende Verpackungen auf und richtet sie aus

Dipl.-Wirt.-Ing. Stefan Wächter, Geschäftsführer der Wächter Packautomatik: „Die kompakte, in Edelstahl ausgeführte Maschine kombiniert ein über zig Jahre optimiertes Karton-Handling mit einer innovativen Robotiklösung.“

Die Automatisierungsarchitektur des Cartojet IV A: durch Nutzung von Ein- und Ausgängen der Steuerung entfällt ein zusätzlicher Feldbus

Keine Robotersteuerung, keine Servoregler: Der Pacdrive-Controller und das zentrale Netzteil (rechts) von Schneider Electric (Elau) sind die zentralen Komponenten im Schaltschrank für die Steuerung der gesamten Maschine und des Roboters

Auf der Messe Prosweets zeigte Wächter Packautomatik im Rahmen einer Liveshow einen Kartonierer mit integriertem Delta 3-Picker. Die mit Pacdrive automatisierte Verpackungsmaschine ist ein Musterbeispiel dafür, wie sich Mechatronik und Robotik sowohl steuerungs- als auch softwaretechnisch zu einer durchgängigen Lösung vereinen lassen. Dabei kommt die Automatisierungslösung ohne paralleles Steuerungssystem aus.

Ob Pralinen oder Kleingebäck, im Bereich der Primärverpackung von Süßwaren gelten Picker schon lange als innovative Lösung, um chaotisch ankommende Produkte ausgerichtet in Verpackungen zu setzen. Aber auch im Bereich der Sekundärverpackung entfalten Pick&Place-Roboter ihre Qualitäten, wie Wächter Packautomatik während der Messe Prosweets Anfang dieses Jahres in Köln erfolgreich demonstrierte. Der Maschinenbauer zeigte auf dem Gemeinschaftsstand des Robotik Packline-Konsortiums einen robotergestützten Cartojet-Kartonierer als Teil einer vollautomatischen Verpackungslinie.
Die Linie verpackte auf der Messe lose Schokokugeln in vor Ort produzierte Tiefzieh-Trays, die nach den Prozessschritten Siegeln und Bedrucken zu dem ebenfalls inline eingebundenen Cartojet-Kartonierer gelangten. Während die Aufrichtemechanik des Kartonierers bedarfsgerecht die Zuschnitte aus dem Magazin entnahm, aufrichtete und mit Hotmelt leimte (Bild 1), nahm der kamerageführte Delta-3-Roboter P4 die Tiefzieh-Trays auf, richtete sie aus und setzte sie in die Kartons ein. Am Auslaufband des Kartonierers befand sich eine Wendevorrichtung mit Drucker, welche die fertig gepackten und verschlossenen Karton-Trays mit Chargendaten versah und für die anschließende Palettierung mit einem Portalroboter um 90° drehte.
Flexibles Verpackungstalent
Der komplett in Edelstahl ausgeführte Sammelpacker Cartojet eignet sich für die Verpackung einer Vielzahl von Produkten in Trays mit und ohne Deckel, in Display-Trays oder in Wrap-Around-Verpackungen. Er bepackt bis zu 25 Einheiten pro Minute mit Hartschalen-Trays, Schachteln, Gläsern, Flaschen und sonstigen Behältern in unterschiedlichen Stückzahlen und Formationen. Die einstellbare Reichweite reicht bei der Serienmaschine von 400 mm bis 600 mm. Darüber hinaus können auf Basis der normalen Serienmaschine auch Sondergrößen realisiert werden. Für reproduzierbare Justierungen sind die Verstellvorrichtungen am Kartonmagazin und anderen formatspezifischen Baugruppen mit Anzeigen versehen.
Während die Standardversion Produkte mechanisch gruppiert und dann im Seiteneinschub-Verfahren in die Sammelverpackung befördert, erledigt bei der Version IV A des Cartojet ein Pick&Place-Roboter des Typs Pacdrive P4 von Schneider Electric beide Prozessschritte. Der Roboter erhöht die Flexibilität hinsichtlich der verarbeitbaren Packungsarten, -größen, und -formationen, bei einer gleichzeitigen Reduktion formatspezifischer Teile. Auch nicht staufähige, beutelschlaffe Packungen zählen jetzt zum Spektrum. Das Pacdrive-Konzept hat Dipl.-Wirt.-Ing. Stefan Wächter (Bild 2), Geschäftsführer der Wächter Packautomatik, überzeugt: „Die Lösung bietet für uns eine ideale Mischung aus Mechatronik und Robotik. Da wir keine zusätzliche Steuerungs-Hardware für den Roboter benötigen, reduzieren sich die Kosten um einige Tausend Euro. Außerdem haben wir eine einheitliche und durchgehende Programmstruktur für Maschine und Roboter. Das vereinfacht die Synchronisierung bei Umstellungen.“
Roboter ist Teil der Antriebsarchitektur
Etwa 60 Packungseinheiten verpackt der Kartonierer typischerweise pro Minute in einer Applikation, wie der vollautomatischen Verpackungslinie von der Prosweets. Zwischen 20 und 22 Sammelpackungen verlassen im gleichen Zeitraum den Kartonierer am Auslaufband. Die komplett servogetriebene Maschine basiert auf einer Pacdrive-Automatisierungslösung mit sieben iSH-Servomodulen, von denen vier den Pacdrive P4-Roboter antreiben. Die Entscheidung für die Automatisierungslösung fiel laut S. Wächter recht schnell: „Zum einen arbeiten wir bereits seit längerem in Verbindung mit eigenen Roboterkinematiken mit Pacdrive. Zum anderen bot die Lösung zum damaligen Zeitpunkt als einzige sowohl hard- als auch softwareseitig Robotikfunktionalität, ohne eine zwingende Anbindung an eine herstellerspezifische Roboterkinematik zu erfordern.“
iSH-Servomodule sind integrierte Antriebe, die den Servomotor mit der Regelelektronik in einer Baugruppe vereinen. Sie werden mit jeweils nur einer Hybridleitung und Distributionsboxen in frei gestaltbaren Topologien mit dem zentralen Netzteil und dem Logic/Motion Controller verbunden. Die Hybridleitungen übertragen das Sercos-Signal, die Stromversorgung sowie alle weiteren Motorsignale. Der Logic/Motion Controller – hier ein C400 – übernimmt sämtliche Steuerungsfunktionen, sowohl die Bewegungssteuerung der Einzelservos und des Roboters als auch die erforderlichen SPS-Funktionalitäten.
Das Magelis-Bedien-Panel, die Kamera des Roboters und der Drucker sind über Ethernet TCP/IP mit dem Controller verbunden. Auf einen Feldbus konnte verzichtet werden. Die Sensoren und Aktoren sind direkt an die Ein- und Ausgänge des Controllers angeschlossen (Bild 3). Das Software-Konzept basiert auf der Pacdrive-Programmiervorlage, die eine modulare Abbildung der Maschine auf der Software ermöglicht. Das Maschinenprogramm, sowohl für die Mechatronik als auch für den Roboter, basiert weitgehend auf IEC 61131-3 -konformen Bibliotheksbausteinen. Die Einbindung der Kamera – ein Inspector-System von Sick – in das Maschinenprogramm basiert auf der für gängige Bildverarbeitungssysteme offenen Visionlib-Bibliothek. Hierzu wurde die Kamera für die Ausgabe von Daten-Strings konfiguriert, die mit den Software-Bausteinen der Bibliothek für die weitere Verarbeitung korrespondieren.
Reduzierter Raumbedarf
Die gesamte Maschine besticht durch einen aufgeräumten Eindruck. Die Schiebe-Schutztüren schwingen beim Öffnen elegant zur Seite – ein Vorteil bei der Integration der Maschine in durch enge Gassen getrennte Linien. Alle Funktionsmodule sind trotz der kompakten Abmessungen frei zugänglich, die Ausführung von Maschine und Roboter in Edelstahl entspricht den Hygieneansprüchen der Zielbranchen. Die Arme des Roboters können durch Aushängen von Federsätzen ohne Spezialwerkzeuge demontiert werden.
In dem kompakten Schaltschrank unterhalb der Arbeitsplattform befinden sich der zentrale Controller für die gesamte Automatisierungslösung sowie ein Netzteil, das sämtliche iSH-Antriebe von Maschine und Roboter versorgt. Weder eine zusätzliche Robotersteuerung noch Servoregler blähen den Schaltschrank auf (Bild 4). Durch die Hybridkabel der iSH-Servomodule fällt das Verkabelungskonzept im Rahmen der Maschine sehr schlank aus, sogar für den kompletten Anschluss des P4-Roboters reicht ein einziges, steckbares Kabel. Das Inbetriebnahmeverhalten der Maschine ist durch den transparenten Aufbau der Automatisierungslösung unkritisch, was sich laut S. Wächter auch auf der Prosweets zeigte: „Am 28. Januar haben wir zusammen mit unseren Packline-Partnern mit dem Aufbau der gesamten Linie begonnen, am 30. Januar lief alles.“



Der Status quo von Pacdrive 3

Mit Pacdrive 3 hat Elau seine Automatisierungstechnologie fit für die Zukunft gemacht

Mit Pacdrive 3 stellte Elau Ende des vergangenen Jahres die Nachfolgetechnologie für das bisher aktuelle Automatisierungssystem Pacdrive M vor. Die Redaktion der etz sprach mit Klaus Weyer, Leiter strategisches Marketing bei Elau, darüber was daran neu ist und wie der Stand der Verfügbarkeit ist.

Was ist in zwei Sätzen gesagt wirklich neu bei Pacdrive 3?
K. Weyer: Für Pacdrive 3 wurde ein hochflexibles Drive-Konzept entwickelt. Mit Sercos III haben wir eine durchgängig Ethernet-basierte Kommunikation und außerdem eine Basis für das in Vorbereitung befindliche, integrierte Safety-Konzept implementiert. Das neue Tool-Konzept Somachine Motion fasst bewährte Tools in weiterentwickelter Form und neue Werkzeuge unter einem Dach zusammen. Der zentrale Datenpool für Projektdaten ist die erste Stufe zu einem echten Multi-User-Konzept.

Was ist an dem Drive-Konzept flexibler als bei der bisherigen Technologie?
K. Weyer: Wir haben mit Lexium LXM 62 eine hinsichtlich Platzbedarf im Schaltschrank optimierte Multiachslösung mit Einzel- und Doppel-Antrieben sowie einem zentralen Netzteil. Letzteres kann auch die im nächsten Schritt verfügbaren integrierten Antriebe versorgen – selbst in gemischten Verbünden. Für Single-Achssysteme entwickeln wir mit Lexium LXM 52 eine Stand-alone-Lösung. So haben wir ein durchgängiges Portfolio für die individuelle anwendungsbezogene Gestaltung jeder Servolösung.

In welcher Phase befindet sich Pacdrive 3, was ist existent, was in Vorbereitung?
K. Weyer: Es ist bereits alles verfügbar, was für eine komplette Automatisierungslösung mit Pacdrive 3 erforderlich ist: Die LMC-Controller, die Multiachslösung LXM 62, Tools und Bibliotheken. Der Piloteinsatz hat längst begonnen.

Warum sollten Maschinenbauer von Pacdrive M auf das neue Automatisierungssystem wechseln?
K.Weyer: Um es kurz zu sagen: Pacdrive 3 beschert geringere Engineering-Zeiten durch innovative Software-Werkzeuge. Außerdem bietet das neue, Codesys V3-basierte Programmier-Tool Epas die Möglichkeit, die objektorientierte Programmierung einzuführen. Aus der Ethernet-basierten Sercos III-Kommunikation resultieren Vorteile wie Medienredundanz und Hot Plugging. Lexium LXM 62, eines der kompaktesten Drive-Systeme am Markt, halbiert gegenüber unserer bisherigen Technologie den Platzbedarf im Schaltschrank und senkt durch das neuartige Anschlusssystem die Installationszeiten. Außerdem profitiert der Maschinenbauer von den vielen in Vorbereitung befindlichen Neuheiten für Pacdrive 3 sofort nach deren Einführung. Und er bietet seinem Kunden eine innovative, Service-freundliche Technologie, die wieder für viele Jahre zukunftssicher ist.

Klaus Weyer, Leiter strategisches Marketing bei Elau: „Pacdrive 3 ist eine innovative Technologie, die sowohl dem Maschinenbau als auch dem Endanwender wieder für viele Jahre Investitionssicherheit bietet.“

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