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Dynamik, Präzision und Produktivität bei der Papierverarbeitung

Bild 1. Bei dem Rollencollator RC-500 Jumbo ist nahezu jedes Querperforations- und Querschneideformat durch intelligente Servotechnik ohne zeitintensiven Zylinderwechsel elektronisch einstellbar

Bild 2. Der Querschneider ermöglicht einen Schnitt quer zur Laufrichtung auf das gewählte Format und erfordert keinen Zylinder- oder Zahnradwechsel bei unter­schiedlichen Formaten

Bild 3. Die volldigitalen Servoregler S700 eignen sich, unter anderem durch ihr durchgängiges Safety-Konzept mit allen wichtigen Funktionen für SIL2 PLd bzw. SIL3 PL e, besonders für komplexe Antriebsaufgaben

Bild 4. Die leistungsstarken Synchronservomotoren der AKM-Baureihe, zu der mehr als 500 000 Standardmodelle zählen, sind in verschiedenen Befestigungs-, Anschluss-, Drehzahl- und Rückführungsvarianten sowie mit weiteren Optionen erhältlich

Jakob Graphic Services setzt mit seinem Rollencollator RC-500 Jumbo Maßstäbe bei der vollautomatischen Weiterver­arbeitung von bedrucktem Endlospapier. Großen Anteil daran haben die Servotechnologie und die Kollmorgen Automation Suite. Durch radikal vereinfachte Program­mierung und komplette virtuelle Simulationen konnte mit der Lösung die Entwicklungs- und Inbetriebnahmezeit reduziert werden.

Die von Jakob Graphic Services GmbH im Kundenauftrag entwickelten Weiterverarbeitungsmaschinen – etwa Collatoren – führen die auf sogenannten Schmalbahnrotationsdruckmaschinen (maximal 76 cm breit) erzeugten Vorprodukte zusammen. Versicherungsformulare, Mailerprodukte mit angeschnittenen Einlegeblättern, Broschüren mit oder ohne Veredlung, Kalender und ähnliche Druckerzeugnisse werden von ihnen vollautomatisch zusammengefügt, geleimt, etikettiert, gefalzt und ­geschnitten.
Bei seinen Lösungen legt Jakob Graphic Services nicht nur viel Wert auf hohe Applikationsfunktionalität und solide Verarbeitung, sondern auch auf eine einfache Bedienbarkeit sowie die Möglichkeit, die Maschine in kurzer Zeit umzurüsten. Da die Produktvielfalt der Kunden in der Regel groß ist und ständige Rüst- und Einrichtungszeiten die Effizienz der Maschinen verringern, interessierte sich das Management schon frühzeitig für moderne Servotechnologie. Auf der Suche nach einem passenden Anbieter stießen die Verantwortlichen auf Kollmorgen. Erstes gemeinsames Projekt war eine Querschneideeinheit, die ohne Zylinderwechsel unterschiedliche Formate schneiden kann.

Flexible Weiterverarbeitung von Druckerzeugnissen
Der Rollencollator RC-500 Jumbo (Bild 1) überzeugt unter anderem durch seine hohe Präzision in den hochdynamischen Prozessen sowie einen einfachen und schnellen Bearbeitungswechsel. In Sekundenschnelle sind Formatumstellungen oder Korrekturen am Querschneider möglich. Dadurch lassen sich Endlosformularsätze, Einzelsätze und Mailingpro­dukte in kürzester Zeit fertigen.
Der maximale Rollendurchmesser beträgt 50 Zoll. Die Rollenbreite kann zwischen 100 mm und 500 mm variieren. Die zusammengeführten Bahnen können beispielsweise durch Crimpen, Leimen oder Heften weiterverarbeitet werden. Crimpwerkzeuge verbinden die Bahnen untereinander. Nach dem Querschneiden fördern Beschleunigungsbänder die Nutzen auf ein Schuppenband. Bei Erreichen einer bestimmten Nutzenzahl werden sie zum Verpacken beispielsweise zu einem Stapel gebildet.
Die Zylinder und die Zahnräder für Herstellung unterschiedlicher Formate muss man bei der neuen Maschine nicht mehr wechseln, da die Antriebssteuerung des Querschneidezylinders oder des Perforierzylinders wellenlos über Servomotoren erfolgt. Kundenspezifische Formate sind abrufbereit in der frei programmierbaren Steuerung hinterlegt. Die Umstellung der Formate findet am Touchscreen statt.
Zu den weiteren technischen Features des Rollencollator zählen unter anderem elektronische Strichleimventile, die einen Klebstoffauftrag in kurzen Schaltfrequenzen ermöglichen. Ebenso lassen sich unterschiedliche Längsschneideeinrichtungen, etwa zur Abtrennung von Randlochstreifen, realisieren. Je nach Applikation sind in dem modularen Anlagenaufbau ­außerdem verschiedene Zusatzaggregate, wie Vorsortierer, Etikettierer, Nummerndruckwerke, Taschenfalzeinrichtungen, Laser- und Ink-Jet-Systeme, integrierbar.

Rüstzeiten am Querschneider bieten Optimierungspotenzial
Der Dreh- und Angelpunkt bei dem Rollencollator ist für die Entwickler die Querschneideeinheit. Über sie kann man durch Automatisierungsmaßnahmen die Effektivität und die Effizienz der Maschinen merklich steigern. Bei der Entwicklung bestand die Hauptherausforderung darin, dass der Zylinder der Querschneideeinheit die angelieferten bedruckten Endlosbahnen – völlig unabhängig vom Druckformat – in variable Abschnittformate trennt und leicht Korrekturen zulässt. Selbst zwischen einzelnen Abschnitten sollten noch überlagerte Korrekturen eingebracht werden, etwa um asymmetrische Formate innerhalb einer Abwicklung reibungslos bewältigen zu können.
Dadurch ist es beispielsweise möglich einen Kalenderblock mit einem Format von 378 mm im Endlosdruck um 50 mm vergrößert zu drucken, um im Endlosdruck ein gängiges Zollformat zu nutzen. In der Weiterverarbeitung müssen diese 50 mm dann mit dem Querschneider abgetrennt werden. Damit der Querschneidezylinder das kann, ist er elektronisch auf 17 Zoll zu programmieren, obwohl er beispielsweise 24 Zoll aufweist.
Die Korrekturen zwischen den Messern beziehungsweise den Schnitten bewirken stets eine Beschleunigung oder eine Verzögerung. Trotzdem erfolgen die Trennschnitte immer synchron zur Geschwindigkeit der Papierbahn. Dies bedeutet ein Höchstmaß an Dynamik und damit hohe Produktivität für den Anlagenbetreiber. Die Experten von Jakob erkannten schnell, dass die Kollmorgen Automation Suite die Applikationen software- und hardwaretechnisch optimal unterstützt.
„Ausschlaggebend für die Entscheidung war die Tatsache, dass die drei Hauptfunktionalitäten Motion Control, SPS und HMI/Scada über einen einzigen Prozessor – in unserem Fall auf einem Industrie-PC – zur Verfügung stehen“, erklärt Betriebswirt Hans-Peter Jakob, Verkaufsleiter und Prokurist bei der Jakob Graphic Services GmbH. „Mit diesem Standardwerkzeug ist es kostengünstig möglich, das unternehmensspezifische Know-how einzubringen und die jeweilige individuelle Anwendung bedarfsgerecht zu lösen. Hinzu kommt der nicht unerhebliche Aspekt, dass sich die Zeiten für die Programmierung sowie die Inbetriebnahme merklich reduzieren und die Leistung der Maschinen steigern lassen.“

Skalierbares System mit einheitlicher Softwareumgebung
Die Kollmorgen Automation Suite basiert auf der bewährten, intuitiv handhabbaren Programmiersprache Pipenetwork von Kollmorgen. Dabei handelt es sich um ein skalierbares System mit einer einheitlichen Entwicklungsplattform, die alle drei Hauptfunktionen eines Maschinensteuerungssystems – HMI, SPS und Motion Control – in einer gemeinsamen Entwicklungs- beziehungsweise Softwareumgebung miteinander ­verbindet.
Die integrierten Entwicklungswerkzeuge enthalten ein komplettes Set an Editor-Programmen nach IEC 61131-3 (AS, FUP, KOP, ST und AWL) sowie ein schnelles Compilerprogramm. Diese vereinfachte Programmierung sowie die komplette Simulation im ­Offline-Modus von Motion Control und SPS im Rahmen der Entwicklung sowie des Debugging reduzieren den Programmier- und Inbetriebnahmeaufwand. Die Kollmorgen Automation Suite läuft unter einem Echtzeitbetriebssystem mit der Anbindung an Windows XPe, sodass sich gängige Visualisierungssoftwarepakete direkt anbinden lassen.

Mit umfassenden Funktionen ermöglicht das System einem Applikationsingenieur die Anwendung, bereits während der systemgestützten visuellen Projektierung schnell, transparent und mit optimaler Leistungsausbeute zu programmieren. Zur Programmierung einer kompletten Maschine reicht es aus, die einzelnen Maschinenfunktionen und mechanischen Abhängigkeiten zwischen den Komponenten mithilfe grafischer Beschreibungsblöcke zu definieren. Hierzu gibt es für den grafischen Pipe­network-Editor eine umfassende Motion-Bibliothek. Transformationen übernehmen Funktionen wie Ein-/Auskoppeln, Druckmarkenkorrektur, Getriebe, Kurvenscheibe, Phasenverschiebung und Überlagerung.
Sämtliche Abläufe innerhalb einer Maschine mit beliebiger Komplexität können sowohl vor der Inbetriebnahme virtuell simuliert – um die richtige Abstimmung zu finden und Fehler zu beseitigen –, als auch in die Steuerung geladen werden.

Anwenderfazit
„Mit der Kollmorgen Automation Suite erzielen wir eine optimale, servotechnische Auslegung für unsere Weiterverarbeitungsmaschinen, sodass sie mit hoher Performance den Ansprüchen unserer Kunden gerecht werden“, resümiert der Verkaufsleiter und Prokurist. „Die erzielten technischen Eigenschaften sind für unsere Maschinen signifikant und bilden ein gewisses Alleinstellungsmerkmal. Dank der elektronischen Servotechnik entfällt die früher zeitraubende manuelle Umrüstung beziehungsweise Einrichtung.“ Ergänzend fügt H.-P. Jakob hinzu: „Rückschläge durch Fehler werden ausgeschlossen und die Inbetriebnahme wird zu einem ‚formalen Akt‘. Darüber hinaus stellt es sich als sehr vorteilhaft heraus, einen Partner im Sinne ‚alles aus einer Hand‘ – von volldigitalen Servoverstärkern (Bild 3), Servomotoren (Bild 4), Motion Control, SPS bis hin zu Visualisierung (HMI) und Touchscreen – zur Seite zu haben.“

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Autor: Michael Scholz ist Application Engineering Manager, Automation, bei Kollmorgen Europe.