Verpackungsautomatisierung: Linearachsen für Pick-and-Place- und Palettierroboter

Reduziert man eine Verpackungslinie auf das Wesentliche, ist sie eine Abfolge präziser, sich wiederholender Bewegungen. Ein Produkt aufnehmen, in einen Karton legen, die Verpackung verschließen, auf eine Palette stapeln. Jede dieser Bewegungen beruht auf Linearbewegung. Da Linien auf höheren Durchsatz, kleinere Losgrößen und schnellere Formatwechsel ausgelegt werden, hat sich die Verpackungsautomatisierung von festen mechanischen Kurvenscheiben hin zu programmierbaren Linearsystemen entwickelt, die sich per Software umkonfigurieren lassen, statt sie in Stahl neu aufbauen zu müssen.

Für den Maschinenbauer bestimmen die Komponenten, die das Produkt durch die Linie bewegen, deren Geschwindigkeit, Genauigkeit und Stillstandshäufigkeit. Die Linearbewegung richtig auszulegen, entscheidet darüber, ob eine Maschine über Jahre mit ihrer Nenngeschwindigkeit läuft oder ständig nachjustiert werden muss, weil sie aus der Position driftet. Die Wahl fällt meist auf drei Komponentenfamilien: Linearachsen für die Bewegung in eine Richtung, Mehrachssysteme für koordinierte Bewegungen und die Wälzlager, die darunter die Lasten aufnehmen.

Pick-and-Place: Geschwindigkeit und Genauigkeit vereint

Der Pick-and-Place-Roboter ist das Arbeitstier der Primär- und Sekundärverpackung. Ob ein 2-Achsen-Portal, das Kekse in eine Schale legt, oder ein kartesisches 3-Achsen-System, das Fläschchen bestückt – die Bewegung ist dieselbe: schnelles, wiederholbares Verfahren in X, Y und manchmal Z. Die Taktzeiten sind kurz und die Zahl der Bewegungen enorm, sodass sich kleine Ungenauigkeiten in der Positionierung schnell zu fehlplatzierten Produkten und Stillstandszeiten summieren.

Die Linearachsen von Rollon verbinden hohe Geschwindigkeit mit der gleichbleibenden Wiederholgenauigkeit, die das Handling erfordert. Sie sind als riemengetriebene Ausführung für lange, schnelle Verfahrwege und als kugelgewindegetriebene Ausführung erhältlich, wenn die Positioniergenauigkeit wichtiger ist als die reine Geschwindigkeit. Auf einer schnell getakteten Primärverpackungslinie ist die riemengetriebene Variante meist die richtige Wahl, da sie die Dynamik dauerhaft trägt; bei langsameren, genauigkeitskritischen Platzierungen passt die Kugelgewindeausführung besser.

Wenn eine Aufgabe koordinierte Bewegungen in zwei oder drei Richtungen erfordert, nimmt ein vorkonfiguriertes Mehrachssystem den Integrationsaufwand ab. Statt einzelne Achsen zu montieren und auszurichten, erhält der Konstrukteur ein komplettes kartesisches Portal, das auf Nutzlast und Taktzeit ausgelegt ist. Die Mehrachssysteme von Rollon werden als geprüfte Einheit ausgeliefert. Das verkürzt die Konstruktionszeit und stellt sicher, dass die Achsen vom ersten Lauf an zusammenarbeiten – und nicht erst nach Wochen der Feinabstimmung.

Es gibt einen zweiten Grund, warum programmierbare Achsen die Formatflexibilität begünstigen. Eine kurvengesteuerte Maschine ist schnell, aber starr: Wer das Produkt wechselt, muss die Hardware wechseln. Eine servogesteuerte Linearachse speichert das neue Bewegungsprofil als Rezept, sodass ein Formatwechsel, der früher den Austausch mechanischer Teile bedeutete, zur Menüauswahl wird. Auf einer Lohnverpackungslinie, die ein Dutzend Formate pro Woche fährt, ist diese Flexibilität oft mehr wert als die letzten Prozentpunkte an reiner Geschwindigkeit.

Palettierung: Gewicht am Ende der Linie

Am Ende der Linie stapelt ein Palettierroboter fertige Kartons auf Paletten. Das ist eine andere Aufgabe als das Handling beim Pick-and-Place. Die Lasten sind schwerer, die Verfahrwege länger, und der Arm erzeugt erhebliche Biegekräfte, wenn er über die Palette greift. Eine Komponente, die ein 200-Gramm-Produkt problemlos bewegt, verhält sich nicht gleich, wenn sie einen 15-Kilogramm-Karton bei voller Auskragung bewegt.

Hier stehen Tragfähigkeit und Steifigkeit im Vordergrund. Eine Linearachse, die die Palettierbewegung übernimmt, muss dem Biegemoment eines schweren Kartons am Ende eines weit ausgekragten Arms standhalten. Die kugelgewindegetriebenen Einheiten XL Xtrem Load von Rollon sind für genau solche kräfte- und genauigkeitsintensiven Aufgaben ausgelegt – mit der Steifigkeit, um schwere Lasten exakt zu platzieren, statt unter ihnen nachzugeben. Diese Steifigkeit hält das Stapelbild im Lot, während der Stapel wächst und sich die Reichweite verändert.

Unter all diesen Bewegungen sorgen die Lager dafür, dass die Führungswagen unter Last gleichmäßig laufen. Die Wälzlager von Rollon nehmen die Wälzkörper auf, die die Bewegung reibungsarm und langlebig halten – über die Millionen Zyklen hinweg, die eine Palettierzelle pro Jahr zurücklegt. In der Spezifikation werden sie leicht übersehen, doch ein für die Belastung unterdimensioniertes Lager zählt zu den häufigsten Ursachen für vorzeitigen Verschleiß in einer Verpackungszelle.

Warum Standardkomponenten in der Verpackung an ihre Grenzen stoßen

Die Verpackung beansprucht Bauteile auf eine Weise, die Standardkomponenten oft überfordert. In Washdown- und Lebensmittelkontaktbereichen greifen Feuchtigkeit und Reinigungschemikalien Dichtungen und Oberflächen an. Hohe Einschaltdauern bedeuten, dass eine Komponente nahezu im Dauerbetrieb läuft, sodass Lebensdauer und Wartungsintervalle weit mehr zählen als die Spitzenleistung auf einem Datenblatt. Und kleinere Losgrößen führen zu häufigen Formatwechseln, die eine genaue Positionierung noch lange fordern, nachdem die Maschine ihren Neuzustand verlassen hat.

Deshalb belohnt die Automatisierung in der Verpackung Komponenten, die für diese Aufgabe gebaut sind. Selbstausrichtende Linearführungen tolerieren die Montageungenauigkeiten geschweißter Maschinenrahmen, die im Verpackungsmaschinenbau eher die Regel als die Ausnahme sind. Abgedichtete oder korrosionsbeständige Varianten überstehen die Washdown-Reinigung. Und eine vorkonfigurierte Achse wird für eine bekannte Last und Geschwindigkeit geprüft geliefert, sodass der Konstrukteur nicht darauf wetten muss, ob ein Verbund aus Standardteilen die geforderte Taktzeit erreicht. Der Begriff Linearachsen für die Verpackung trägt hier viel: Er meint Achsen, die gegen die realen Umgebungsbedingungen ausgelegt sind und nicht nur gegen die Nennlast.

Das richtige Linearsystem auswählen

Die Wahl richtet sich nach der Position in der Linie. Für die schnelle Primärverpackung, bei der einzelne Produkte platziert werden, stehen Dynamik und Reichweite im Vordergrund – hier bieten sich riemengetriebene Linearachsen oder ein kompaktes Mehrachsportal an. Für die Sekundärverpackung wie das Kartonieren und Verpacken in Umkartons gilt es, Geschwindigkeit und die etwas höheren Lasten gruppierter Produkte in Einklang zu bringen. Für die Palettierung am Linienende stehen Tragfähigkeit und Steifigkeit im Vordergrund; hier sind kugelgewindegetriebene Einheiten gefragt, die für den Schwerlastbetrieb ausgelegt sind.

In jedem Fall kommt es auf die bewegte Masse, das Kragmoment und die Taktzeit an. Eine Linearachse, die korrekt gegen diese drei Größen ausgelegt ist, liefert den Durchsatz, für den die Linie konzipiert wurde. Eine unterdimensionierte Achse wird zum Engpass – und auf einer Verpackungslinie ist ein Engpass selten günstig zu beheben, sobald die Maschine gebaut und installiert ist.