Es muss nicht immer gleich Servotechnik sein, auch Frequenzumrichter sind in der Lage, exakt zu positionieren. Das zeigt die Anwendung eines Verpackungsmaschinenbauers: Für seinen Kartonierer nutzt er ein Formatrad, das die Kartons taktend aufrichtet und nach der Bestückung verschließt. Eine eigens konzipierte Getriebemotorenlösung befindet sich dabei direkt unter dem Rad.

Viel Wirkung auf wenig Raum: So baut das Unternehmen aus Georgsmarienhütte Jakob & Wienmeier Industrietechnik seine Verpackungsmaschinen - speziell Vertikal- und Horizontalkartonierer. Zu den Kunden zählen neben Firmen der Kosmetik- und Pharmabranche sowie der Automobil-, Elektro- und Lebensmittelindustrie auch Lohnverpacker. Bei letzterem überzeugen die Maschinen deshalb, weil sie einfach umgerüstet werden können und sich die Formate mit wenigen Handgriffen verstellen lassen.
Jakob & Wienmeier (JW) entwickelte seine Verpackungsmaschinen mit dem Ziel, so sparsam wie möglich mit Produktionsfläche umzugehen. Dies hat konstruktiv eine hohe Integration nach sich gezogen. Der Schaltschrank der Kartonierer wurde bündig in den Maschinenrahmen integriert, der sich mit einem Gabelstapler einfach umsetzen lässt. Die Versorgung mit Strom und Druckluft reicht aus, um die Kartonierer umgehend an anderer Stelle in der Fabrik zum Laufen zu bringen. „Unsere Anlagen eignen sich hervorragend als Stand-Alone-Lösung, können aber auch problemlos in Linien integriert werden", erläutert Jörg Strauch, Leiter Konstruktion und Vertrieb. In der vollautomatischen Variante verarbeiten die Maschinen bis zu 50 Kartons in der Minute, als Halbautomat mit händischer Bestückung bis zu 35 Kartons.

Präzise Abschaltpositionierung
Dreh- und Angelpunkt der JW-Lösung ist ein intermittierendes Formatrad, das taktend die Kartons aufrichtet und nach der Bestückung wieder verschließt. „Wir nutzen dafür das Prinzip des Rundschalttisches", sagt Servicetechniker Andreas Butke und verweist auf eine speziell für diesen Einsatz konzipierte Getriebemotorenlösung. Ihr überaus flacher Zuschnitt macht es möglich, dass JW die Einheit direkt unter dem Formatrad platzieren konnte. Für die präzise Positionierung nutzen die Georgsmarienhütter eine simple Abschaltpositionierung. Ein Näherungsschalter erkennt die am Getriebe entsprechend der gewünschten Teilung des Rundschalttisches mitlaufende Nocke und versorgt damit die im Frequenzumrichter hinterlegte Positionierlogik.
Weil die Frequenzumrichter der Reihe Inverter Drives 8400 von Lenze in der Lage sind, Sensoren direkt und sehr schnell zu verarbeiten, spart sich JW den Umweg über die zentrale Steuerung. In der Vergangenheit hat dieser Aufbau dafür gesorgt, dass der Motor nicht schnell genug stoppte und teilweise in die nächste Position überlief. „Heute nutzen wir mit dem 8400 StateLine ein Gerät, das einen sichtbaren Performancegewinn bringt und dabei gleichzeitig die Kosten niedrig hält", freut sich Butke.

Sicherheit für Bedienpersonal und Anlage
Technisch umgesetzt wurde diese Applikation per Funktionsblockverschaltung in den Umrichtern. Das Start- und Stoppszenario ist dabei frei parametrierbar und kann leicht an die unterschiedlichen Maschinentypen angepasst werden. Die Freigabe für den nächsten Zyklus kommt über die Steuerung und nach Freigabe durch die Sicherheitstechnik. Mit einem Lichtvorhang stellt JW sicher, dass sich der Drehtisch erst dann wieder in Bewegung setzt, wenn die Hände nach dem Bestücken der aufgerichteten Verpackung den Gefahrenbereich auch wirklich verlassen haben.
Das sicher abgeschaltete Moment (Safe Torque Off, STO) will der Verpackungsmaschinenbauer in den neuen Maschinengenerationen, wie die Positioniertechnik auch, antriebsbasiert realisieren. Die Inverter Drives 8400 bieten dafür ab StateLine fertig applizierte Module. Die Funktion ist vom TÜV zertifiziert und erfüllt den Performance Level PL e der EN ISO 13849-1 sowie den Safety Integrity Level SIL 3 gemäß IEC 61508.
Bei der Drive-based Safety erfolgt das Stillsetzen direkt im Frequenzumrichter durch Abschaltung der Pulsweitenmodulation über Optokoppler. Deshalb lassen sich Achsen im Vergleich zur kontaktbehafteten und vergleichsweise trägen Versorgungsunterbrechung schneller abschalten und wieder anfahren. Folglich steigt die Produktivität durch kürzere Taktzyklen - bei einem gleichzeitigen Plus an Sicherheit sowohl für das Bedienpersonal als auch für die Anlage. Weitere Vorteile der Integration sind Einsparungen bei Leistungsschützen und der gesamten Verdrahtung. „Dieser Effekt lässt uns schneller arbeiten und schafft Luft im Schaltschrank. Den können wir letztlich kompakter dimensionieren", fasst Butke zusammen.

Vorteil des Plattformkonzepts
Die Performance der Inverter Drives 8400 ist mit den Ausbaustufen BaseLine, StateLine, HighLine und TopLine skaliert aufgebaut. Sie alle lassen sich in ein zentrales Engineering-Werkzeug - den L-force Engineer - einfügen. Damit sinkt im gleichen Zug der Aufwand für Parametrierung, Inbetriebnahme und Diagnose. Die Skalierung geht also nicht zulasten des Engineerings, da die Anwender auf der gleichen Plattform bleiben, auch wenn sie unterschiedliche Aufgaben mit einer differenzierten Geräteausstattung umsetzen wollen. Das gilt auch bei Mischformen mit den Lenze-Servo-Umrichtern der Reihe Servo Drives 9400.
Die Kartoniermaschinen von JW zeigen, dass sich sogar im als anspruchsvoll gelten-den Verpackungsmaschinenbau Frequenzumrichtern einsetzen lassen. Es muss nicht gleich der Servo sein, um präzise zu positionieren. „Die Intelligenz liegt bei uns mehr in der Mechanik", fasst Strauch zusammen. „Wir sparen uns beispielsweise das bei Servos übliche Referenzieren, indem wir beim Rundschalttisch einfach langsam in die Nullposition fahren." Das Unternehmen aus dem Osnabrücker Land ist von der Leistung der Geräte überzeugt und möchte auch bei den Förderbändern die Inverter Drives 8400 einsetzen. Die Ausbaustufe BaseLine stellt hier die für die jeweiligen Produkte erforderlichen Drehzahlen zur Verfügung. Die Einstellung erfolgt einfach per Motorpoti über zwei digitale Eingänge.