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Dynamische Kurvenscheiben für die Praxis

Die klassische Umsetzung in Form von Stützpunkt-Tabellen hat den Nachteil einer eingeschränkten Flexibilität und eines hohen Speicherplatzbedarfes. Alternativ können Kurvenscheiben durch Segmente definiert werden, die über Funktionen anhand normierter Bewegungsgesetze beschrieben werden. Beide Realisierungsmöglichkeiten haben ihre Berechtigung und Einsatzgebiete. Betrachtet man aber bei modernen Verpackungs-maschinen die heutigen Anforderungen, dann werden die Unterschiede deutlich. Zur Veränderung von Taktzyklen oder zur materialschonenden Bewegungen ist eine schnelle Online-Adaption des Bewegungsablaufs während des Produktionsprozesses erforderlich.
Mit Kurvenscheiben anhand von Stützpunkttabellen ist eine Veränderung der Abhängigkeit zwischen Leit- und Folgeachse nur bedingt möglich. Zur Online-Adaption ist eine zeitaufwändige Neuberechnung von Tabellen oder Tabellenabschnitten notwendig. Die Herausforderung liegt in dem Moment des Umschaltens und der Einhaltung der Begrenzungen für Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck. Typische Implementationen erlauben diesen Wechsel nur verbunden mit einem Maschinenstillstand oder der Produktion von Ausschuss während der Umstellung.

Kurvenscheibe mit System

LTI Motion bietet eine dynamische Kurvenscheibenfunktion gemäß VDI 2143 in den Servoregler Baureihen ServoOne und ServoOne junior. Diese Plattformen unterstützen komplexe Bewegungsgesetze bis hin zum Polynom 8ten Grades.

Das Automatisierungssystem ServoOne CM von LTI Motion bietet Maschinenbauern von Verpackungsmaschinen eine voll integrierte kompakte Lösung für elektrische Antriebsaufgaben
Das Automatisierungssystem ServoOne CM von LTI Motion bietet Maschinenbauern von Verpackungsmaschinen eine voll integrierte kompakte Lösung für elektrische Antriebsaufgaben

Die Richtlinie VDI 2143 beschreibt diese Bewegungsgesetze für Kurvengetriebe. Diese Richtlinie stellt Basisformeln für die abschnittsweise Berechnung ruckfreier Weg-Zeit-Verläufe zur Verfügung. Als Übergänge werden hier z. B. Rast in Rast, Rast in Geschwindigkeit usw. angeboten. Ergänzt mit Erfahrungswerten aus vielen Anwendungen sind bei LTI Motion daraus skalierbare Funktionsmodule entstanden. Die Antriebsregler besitzen eine parametrierbare Lösung, wohingegen die steuerungsbasierte Lösung auf programmier- und parametrierbare PLCopen-konforme Funktionsbausteine zurückgreift.

Kurvenscheibendarstellung in Segmenten

Zur Umsetzung einer dynamischen Kurvenscheibenfunktion unterteilt man den Gesamtzyklus in Intervalle oder Segmente. Die Bewegungsfunktion innerhalb eines Intervalls kann durch normierte Bewegungsgesetze beschrieben werden. Am Beispiel eines häufig in Verpackungsmaschinen eingesetzten Querschneiders werden die Segmente in ein Synchron- und ein Übergangsintervall aufgeteilt.

Eine großer Vorteil der direkten Nutzung mathematischer Bewegungsgesetze ist die Veränderbarkeit von Segmenten im Betrieb, da im Wesentlichen nur das Übergangsintervall neu berechnet und optimiert werden muss. Darüber hinaus können aber auch Kurvenscheiben einfach kombiniert werden, so dass z. B. durch Start- und End-Kurvenscheiben ein optimales Anlauf- und Stoppverhalten außerhalb des normalen Zyklus realisiert wird.

Materialschonendes Geschwindigkeitsprofil eines Querschneiders
für das Trennen dicker Materialien
Materialschonendes Geschwindigkeitsprofil eines Querschneiders für das Trennen dicker Materialien

Anpassungen aufgrund von Änderungen des zu verarbeitenden Materials oder der sich ändernden Schnittlänge können online berücksichtigt und das entsprechende Segment der Kurvenscheibe aktualisiert werden. Das gewährleistet variable Produktionslose bis runter zur Losgröße 1. Online-Korrekturen sind aber auch bei Funktionen wie Druckmarken-Korrektur oder beim gleichzeitigen Schneiden und Versiegeln notwendig. Wichtig dabei ist ins-besondere die Berücksichtigung eines ruckfreien Übergangs, um weder Maschine noch zu verarbeitendes Material zu stark zu beanspruchen.

Maschinenlösungen nach Maß

Das Antriebssystem ServoOne bietet Maschinenbauern insbesondere im Bereich Verpackungsmaschinen eine flexibel anpassbare, hoch dynamische Antriebslösung.
Gerade die komplexen ungleichförmigen Bewegungen kosten beim Design und der Umsetzung kostbare Engineering-Zeit. Der Ansatz, eine Kurvenscheibenfunktion mit Bewegungsgesetzen gemäß Polynomen bis zur 8ten Ordnung zu integrieren, vereinfacht dem Anwender die Erstellung einer effizienten und flexiblen Lösung. Polynome höherer Ordnung vereinfachen die Optimierung von Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung bei kniffligen Bewegungsauslegungen, da sie die Anzahl der oft manuell zu ermittelnden Optimierungsparameter und damit den Aufwand deutlich reduzieren. Eine Gestaltung der Bewegungsabschnitte an den verschiedenen dynamischen Grenzen ist einfach möglich. Diese Grenzen werden zum einen von der maximal zulässigen Belastung der Mechanik und damit deren Verschleiß, als auch von den Belastungsgrenzen der Antriebstechnik gesetzt.

Beim Querschneider zum Trennen besonders dicker Materialen wie z. B. Wellpappe besitzt der Synchronabschnitt einen besonders hohen Stellenwert. Nur abhängig von den Geometriedaten der Maschine wird dieser Bewegungsabschnitt in einer Initialisierungsphase berechnet. Als Bewegungsgesetz kommt hier eine spezielle analytische Funktion zum Einsatz, wodurch sich im Geschwindigkeitsprofil die notwendige Cosinus-Kompensation ergibt, um eine Materialbeschädigung durch Dehnung oder Stauchung durch das Messer zu verhindern.

Kürzere Time-to-Market durch Standardisierung

Die Integration der für die Kurvenscheibe erforderlichen Funktionen in IEC-kompatible Technologiemodule verringert die Projektierungsaufwände und erhöht zudem die Flexibilität. Die Technologiebibliotheken sind erprobt und getestet. So wird eine aufwändige Fehlersuche während der Inbetriebnahme drastisch reduziert. Aufbauend auf diesen Bausteinen stehen weitere parametrierbare Technologiemodule bereit, die das Handling der Kurvenscheibe für häufig verwendete Maschinenfunktionen wie z. B. Querschneider, Quersiegler und Druckmarkenkorrektur abbilden. Sie bieten eine schnelle Lösung ohne großen Erstellungs-aufwand.

Die elektronische Kurvenscheibenfunktion ist aus heutigen Maschinenlösungen im Bereich der Verpackungstechnik nicht mehr wegzudenken. Komplexe Bewegungsabläufe nehmen durch immer effizienteres Maschinendesign zu. Die Gestaltung dynamischer und trotzdem ruckoptimierter Bewegungen lässt sich mit auf mathematischen Bewegungsgesetzen basierenden Kurvenscheiben perfekt umsetzen. Dieses Konzept zur Steigerung der Flexibilität und Produktivität von Maschinen ist integraler Bestandteil von modernen Automatisierungssystemen wie ServoOne CM von LTI Motion.

Über die Firma
LTI Motion GmbH
Lahnau
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