Vullen van pakjes

Maximale performance in een kleine ruimte

Verpakkingsmachines moeten snel werken. De aandrijftechniek van FAULHABER zorgt voor hoge dynamiek, nauwkeurigheid en optimale beschikbaarheid in de bijzonder krappe inbouwruimtes van de verpakkingsmachines van Scaldopack.

In bijvoorbeeld de voedingsmiddelenindustrie moeten producten in zo kort mogelijke tijd worden afgevuld, perfect geseald en voorbereid voor verzending. De hoeveelheid producten die in een dergelijk bedrijf van de band rollen is immers groot. Bovendien gelden in de levensmiddelenindustrie strenge hygiënevereisten. Daarbij komt dat een lage total cost of ownership vraagt om minimaal onderhoud en onverwachte stilstand. Al deze vereisten gelden niet alleen voor de machine, maar ook voor alle gebruikte componenten, dit inclusief de aandrijftechniek.

Uit België

Het Belgische Scaldopack ontwikkelt, produceert en onderhoudt geavanceerde machines voor het vullen en afsluiten van pakken, zakken en buidels, al dan niet met plaatsing van een tuit of spuitmond (afbeelding 1). Het bedrijf hecht hierbij veel waarde aan een extreem hoge kwaliteit van de productie van zijn machines, met lage foutpercentages en stabiele productiesnelheden. Bovendien moeten de machines optimaal beschikbaar zijn. Ook flexibiliteit is belangrijk: de systemen kunnen tussen batches snel worden omgesteld. Afhankelijk van het systeem en de toepassing kost een wissel hoogstens een paar uur, soms zelfs minder dan 30 minuten. Bovendien zijn alle systemen zo ontworpen dat onderhoud zelden nodig is en snel kan worden uitgevoerd.

Lineaire motor

Om de machines soepel en efficiënt te laten draaien, gebruikt Scaldopack BLDC-motoren van FAULHABER (afbeelding. 2). De directe lineaire aandrijvingen met ingebouwde Hall-sensoren ondersteunen een positioneringsnauwkeurigheid tot 0,1 mm en een versnelling tot 4 g. Hierdoor kunnen de zakken snel en nauwkeurig naar de juiste vulpositie worden verplaatst. Met slechts 22 x 22 x 74 mm leveren de aandrijvingen een piekkracht van 27 N, en een uitzonderlijke betrouwbaarheid op de lange termijn. In tegenstelling tot gangbare pneumatische componenten is drie jaar continubedrijf zonder onderhoud geen probleem.

Hoe werkt een kleine lineaire motor?

In principe is de lineaire motor opgebouwd als een borstelloze motor. In dit geval zijn de geleidende wikkeling en de permanent-magnetische aandrijfstang (in plaats van de rotor) echter in een rechte lijn geplaatst in plaats van in een cirkel (afbeelding 3).

Net als bij de borstelloze motor stuurt de besturingselektronica de stroom door de wikkelingssegmenten om een bewegend magnetisch veld te creëren. De aantrekkende en afstotende krachten van dit magnetische veld beïnvloeden de magnetische polen van de aandrijfstang. Op deze manier wordt de beweging van het bewegende veld overgebracht op de aandrijfstang.

Drie analoge Hall-sensoren detecteren de positie van de magneten in de aandrijfstangen. Op basis van deze signalen worden de segmenten aangestuurd met behulp van drie sinusvormige signalen die elk 120 graden in fase verschoven zijn. Het sinusvormige signaal kan worden onderverdeeld in maximaal 4096 stappen, wat een hoge resolutie en nauwkeurige positionering mogelijk maakt.

De commutatie van de wikkelingssegmenten is volledig elektronisch. In combinatie met de vrij bewegende aandrijfstang maakt dit extreem snelle acceleratie in beide richtingen en daardoor snelle richtingsveranderingen mogelijk. Deze lineaire motoren bereiken snelheden tot 3,4 m/s.

Hoe zijn ze ontworpen?

Bij lineaire motoren kan de wikkeling in principe de stator of de aandrijfstang zijn. De permanente magneten fungeren elk als hun corresponderende tegenhanger. Bij FAULHABER zijn dit neodymium magneten die in de aandrijfstang ondergebracht zijn, terwijl de spoel uitsluitend als stator fungeert. Dit ontwerp maakt motoren met een bijzonder klein volume mogelijk die tegelijkertijd een zeer hoge kracht kunnen leveren.

De langwerpige spoel van de lineaire motor is zelfdragend en kernloos, waardoor er geen cogging-koppel ontstaat. De spoel is verdeeld in drie elektrisch geïsoleerde segmenten en is vanbinnen hol. In deze holte beweegt de aandrijfstang. Deze twee componenten worden gescheiden door een kleine luchtspleet.

In de aandrijfstang zijn meerdere magneten in een staafvorm achter elkaar gelijmd, waarbij de overeenkomende polen elkaar raken (noord-noord, zuid-zuid). De geïntegreerde printplaat met Hall-sensoren maakt nauwkeurige positioneringsfeedback in realtime mogelijk.

De aandrijfstang is het enige bewegende onderdeel van de lineaire motor. Deze is aan beide uiteinden van de stator gemonteerd in smeervrije lagers van slijtvast polymeer. Dit ontwerp vormt de basis voor de extreem lange levensduur van de lineaire aandrijvingen: afhankelijk van het type belasting dat in de toepassing wordt verplaatst, kunnen ze enkele miljoenen tot enkele honderden miljoenen cycli doorstaan.

Sturing

Naast de betrouwbaarheid van de aandrijvingen spelen ook de systeemintegratie en besturingstechniek van de machines een doorslaggevende rol. De bijzonder dynamische Motion Controllers MC 3603 (afbeelding 4) stuurt de positionering aan. Met standaard interfaces als RS232, en o.a. EtherCAT is het eenvoudig om setpoints in te stellen. In de toepassing van Scaldopack ondersteunt de CiA402-compatibiliteit van de motion controller een eenvoudige integratie in het EtherCAT-besturingssysteem van de vulinstallatie. De motion controller vereenvoudigt niet alleen de integratie, maar ook de benodigde tests. Zo kunnen aandrijftechniek en machines optimaal op elkaar worden afgestemd om ook optimaal te presteren. Deze toepassing onderstreept de belangrijke rol van dynamische en nauwkeurige aandrijftechniek in een klein formaat: eenvoudig te integreren, onderhoudsvriendelijk en onmisbaar voor de geautomatiseerde verpakkingsindustrie.