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Servoantrieb So wickelt eine Antriebslösung Naschwerk zur Rolle

Redakteur: Karin Pfeiffer

Geheime Rezepturen, eng getaktete Prozesse und Rohstoffe, die in der Verarbeitung ganz bestimmte Temperaturen brauchen: Die Süßwarenproduktion ist eine Kunst für sich. A-Drive hat für das Aufwickeln schnurartiger Süßigkeiten eine Antriebslösung entwickelt.

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Süßigkeiten aufzurollen, ist gar nicht so einfach. Wie das funktionieren kann, zeigt ein Antriebshersteller.
Süßigkeiten aufzurollen, ist gar nicht so einfach. Wie das funktionieren kann, zeigt ein Antriebshersteller.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Wer nascht, macht sich vermutlich eher selten Gedanken über die Herstellung. 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 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 Süßwarenhersteller meist sehr begrenzt ist.

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So kompakt wie möglich sollte deshalb der Antrieb für eine Mehrachsen-Wickelanlage sein, den ein Maschinenbauer bei A-Drive Technology in Taunusstein 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 Süßwarenhersteller, der bei der Konfiguration des Antriebs 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“, sagt Manfred 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. Dies verhindert, dass die Schnüre aneinander festkleben.

Drehzahl- und Kraftregelung der Motoren waren entscheidend

Im Falle der Süßwaren-Maschine sollte der Antrieb nicht nur kompakt, sondern auch kostenoptimiert sein. A-Drive, der mit verschiedenen Antriebstechnik-Herstellern zusammenarbeitet, entschied sich für Servomotoren der Baureihe SMN6. Gemeinsam mit dem Hersteller hat A-Drive sie an die auf einem vertikalen Drehteller aufgebaute Wickeleinheit angepasst. 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 Brucksch-Richter. Gelöst haben die Techniker die Aufgabe 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. Zudem entschied sich A-Drive für eine geberlose Regelung des Servoantriebes. Dadurch reduzierte sich die Länge des Motors, der Maschinenbauer benötigte weniger Bauraum benötigt und die Kosten für den Antrieb und die Konstruktion der Gesamtanlage sanken nochmals.

Antriebspaket: Servomotor, Servoregler und Schleifring

Obwohl die Anwendung einen Motor mit 60-mm-Hohlwelle erforderte, konnte A-Drive die Aufgabe mit Standard-Komponenten lösen, entsprechend modifiziert. Zum Antriebspaket zählte neben dem SMN6-Servomotor auch ein Servoregler und ein Schleifring mit vier integrierten Servomotor-Leitungen (0,75 mm2 Öl Flex). „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 erforderlich sind.

Als Servoregler wählte das Team von A-Drive den Servo One Junior von LTI. 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 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, sodass der Regler die Drehzahlen zeitsynchron an alle vier Antriebe liefern kann.

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, etwa 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.

Drehzahlregelkreis erweitern und so präzise regeln

Beim Testsignalgenerator stehen verschiedene Signale zur Verfügung, zum Beispiel 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, die Maschine startete – und wickelt nun leckere Süßwaren-Schnüre zu Rollen.

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