Lakritzschnecken, Bild: Pixabay

Auch hinter Lakritzschnecken steckt ausgeklügelte Technik: schließlich soll jede einzelne von ihnen ordentlich aufgerollt sein. Bild: Pixabay

Wer nascht, macht sich meistens keine Gedanken darüber, wie die Produkte eigentlich hergestellt werden. Dabei haben die Süßwaren meist einen komplexen Fertigungsprozess hinter sich, wenn sie den Verbraucher erreichen. Verschiedene Zutaten müssen zu unterschiedlichen Zeiten in bestimmten Mengenverhältnissen miteinander vermischt werden, und das bei genau definierten Prozesstemperaturen. Die Anforderungen an die Maschinen und Anlagen, die in diesem Bereich zum Einsatz kommen, sind deshalb hoch. Gleichzeitig gelten für sie strenge Hygienerichtlinien, die dem Anlagenbauer die Verwendung bestimmter Materialien vorschreiben. Und schließlich müssen die Konstrukteure auch noch mit wenig Bauraum auskommen, weil der Platz in den Produktionshallen der Süßwaren-Hersteller meist sehr begrenzt ist.

Komplizierte Produktionsabläufe berücksichtigen

So kompakt wie möglich sollte deshalb der Antrieb für eine Mehrachsen-Wickelanlage sein, den ein namhafter Maschinenbauer bei A-Drive Technology in Auftrag gegeben hatte. Der Antrieb hat die Aufgabe, die Wickeleinheit der Anlage zu bewegen, die schnurartige Süßwaren zu verpackungsgerechten Einheiten aufrollt. „Dieses Projekt war für uns schon eine Herausforderung“, erinnert sich Manfred-Brucksch-Richter, Manager Business Development bei A-Drive.

Ein Grund dafür war der Produktionsablauf beim Süßwaren-Hersteller, der bei der Konfiguration des Antriebes zu berücksichtigen war. Ein der Wickelmaschine vorgeschalteter Extruder presst dünne Stränge der Süßwaren bei hohen Temperaturen, die dann in halbfestem Zustand aufgerollt werden. „Das Produkt erhält seine Festigkeit erst während des Aufwicklungsprozesses“, erläutert Brucksch-Richter. Damit die Schnüre in diesem Aggregatzustand exakt aufeinander zu liegen kommen, muss der Antrieb für die Wickeleinheit über eine stabile Drehzahlregelung verfügen und absolut konstant arbeiten. Robust sollte er auch sein, denn die Süßwaren-Fäden werden vor und während der Wicklung mit einer ölhaltigen Emulsion benetzt. So verhindert man, dass die Schnüre aneinander festkleben.

Fertigungsprozesse studieren

Um die geeignete Antriebslösung zu finden, sahen sich die Experten von A-Drive die Fertigung des Süßwarenherstellers genau an und wählten dann aus ihrem Portfolio die passenden Komponenten aus. Da die Taunussteiner mit verschiedenen Antriebstechnik-Herstellern zusammenarbeiten, konnten sie dabei auf ein großes Produkt-Angebot zurückgreifen und den Kunden vollkommen unabhängig beraten. „Der Antrieb muss sich an die Anwendung anpassen, nicht umgekehrt“, beschreibt Brucksch-Richter den Ansatz des Unternehmens. Ausschlaggebend seien alleine die Anforderungen des Auftraggebers, die gelte es bestmöglich zu berücksichtigen.

Servomotor, Servoregler und Schleifring, Bild: A-Drive
Für eine Maschine zur Aufwicklung von Süßwaren konzipierte A-Drive eine geberlose Antriebslösung mit Servomotor, Servoregler und einem zentralen Schleifring. Bild: A-Drive

Die Knackpunkte: Drehzahl- und Kraftregelung

Im Falle der Süßwaren-Maschine sollte der Antrieb nicht nur kompakt, sondern auch kostenoptimiert sein. A-Drive entschied sich daher für Servomotoren der Baureihe SMN6, die in Zusammenarbeit mit dem Hersteller an die auf einem vertikalen Drehteller aufgebaute Wickeleinheit angepasst wurden. Die Motoren mussten über eine Drehzahlregelung im Bereich von 600 bis 900 min-1 verfügen, um die Süßwaren-Fäden gleichmäßig aufwickeln zu können. Wenn der Aufwicklungsprozess zu schnell abläuft, sind die Fäden noch nicht fest genug und werden mit zu großem Druck aufeinandergepresst. „Die Drehzahl- und die Kraftregelung waren deshalb entscheidend bei der Konfiguration der Motoren“, sagt Manfred Brucksch-Richter. Gelöst wurde die Aufgabenstellung mit einem Bausatz-Motor (Kit-Motor), der mit Wellendichtringen und Dichtungen ausgestattet ist und die geforderte Schutzart IP65 erfüllt. Der Vorteil dieses Antriebes: Er lässt sich nicht nur direkt auf die Welle montieren, sondern hilft auch, Teileredundanzen zu vermeiden und so die Kosten zu senken.

Reduzierter Platzbedarf

SMN6-Servomotor, Bild: A-Drive
Als Antrieb kommt ein modifizierter SMN6-Servomotor zum Einsatz, der als Bausatz ausgeführt ist und direkt auf die Welle montiert werden kann. Bild: A-Drive

Da der Maschinenbauer eine möglichst kostengünstige Lösung wünschte, entschied sich A-Drive für eine geberlose Regelung des Servoantriebes. Dadurch reduzierte sich die Länge des Motors, es wurde weniger Bauraum benötigt und die Kosten für den Antrieb und die Konstruktion der Gesamtanlage sanken nochmals. Obwohl die Anwendung einen Motor mit 60-Millimeter-Hohlwelle erforderte, konnte die Aufgabe mit Standard-Komponenten gelöst werden, die entsprechend modifiziert wurden.

Zum Antriebspaket gehörte neben dem SMN6-Servomotor auch ein Servoregler und ein Schleifring mit vier integrierten Servomotor-Leitungen (0,75 mm2 Ölflex). „Der Schleifring war nötig, weil die Wickeleinheit der Maschine noch in einer zusätzlichen Achse drehbar sein sollte“, so Brucksch-Richter. Der Drehübertrager führt die Motor-Leistungskabel und übermittelt zusätzlich 20 I/O-Signale, die für die Steuerung der Anlage nötig sind.

Virtueller Geber ersetzt Sensoren

Als Servoregler wurde der Servo One Junior von LTI ausgewählt. Er lässt sich auch bei dem geforderten geberlosen Betrieb einfach bedienen und verfügt über einen virtuellen Geber. Diese stellt ein Quasi-Messsystem dar, dem ein mathematisches Modell des Antriebssystems zugrunde liegt. Der virtuelle Geber misst unter Bezugnahme auf dieses Modell unter anderem die Gegen-EMK (elektromotorische Kraft) – also die Energie, die durch die Rotation des Permanentmagneten entsteht und der Betriebsspannung entgegenwirkt. Mithilfe der daraus berechneten Werte nimmt der Geber dann die Drehzahl- und die Kraftregelung des Servomotors vor. Angesteuert wird der Servo One Junior über das Kommunikationssystem Profinet IRT, so dass der Regler die Drehzahlen zeitsynchron an alle vier Antriebe liefern kann.

Schleifring, Bild: A-Drive
Der Schleifring verfügt über vier Servomotor-Leitungen und überträgt darüber hinaus 20 I/O-Signale an die Maschinensteuerung. Bild: A-Drive

Die geberlose Regelung von Servomotoren funktioniert bei mittleren Drehzahlen am besten, denn in diesem Betriebszustand stehen dem virtuellen Geber die meisten Werte von der Messung der Gegen-EMK zur Verfügung. Damit der Motor auch in Drehzahlbereichen funktioniert, in denen diese Werte nicht abrufbar sind (zum Beispiel beim Anlaufen), ist der Servoregler mit einem Testsignalgenerator ausgestattet. Er schätzt die Werte zur Lage des Motors und der Drehzahl und richtet die Motorregelung daran aus.

Beim Testsignalgenerator stehen verschiedene Signale zur Verfügung, beispielsweise ein 32-nit-PRBS-Signal und ein Sinus-Signal. Die vom Generator geschätzte Drehzahl weist allerdings stationär einige Ungenauigkeiten auf, weshalb sich die Nutzung des erweiterten Drehzahlregelkreises empfiehlt, um ein möglichst präzises Regelverhalten zu erreichen. Der erweiterte Drehzahlregelkreis führt die geschätzte Drehzahl und die bei normaler Drehzahl aus der Winkelableitung berechnete Drehzahl zusammen. So ergibt sich ein wesentlich genauerer Wert und die Performance des Motors verbessert sich.

Mit dem Servo One Junior konnte der Süßwaren-Hersteller seine Anlage schnell und unkompliziert in Betrieb nehmen – nach Eingabe der Grenzwerte führte der Regler eine einfache automatische Identifikation der Motorwicklungsparameter durch und die Maschine startete. jl