Das Unternehmen Joke mechanix in Bergisch Gladbach wurde 1940 von Josef Joisten und Robert Kettenbaum als Joke Folienschweißtechnik gegründet. Seitdem ist das Verschweißen von Folien und anderen Kunststoffen ein fester Kernbereich des Unternehmens. Über die Jahre hat sich Joke nicht nur als Hersteller von Folienschweißgeräten, Impulssteuerungseinheiten, Schienen, Folienverarbeitungssystemen und kundenspezifischen Sonderlösungen einen Namen gemacht, sondern zunehmend auch als Dienstleister und Systemhaus für Robotic und Automatisierung.
Während der Fokus zunächst eher auf kleineren Tischgeräten lag, erweiterte Joke sein Angebotsspektrum nicht zuletzt durch die 2014 erfolgte Integration der Firma Reno-Tec um große und komplexe Anlagen zur Folienverarbeitung. Heute arbeitet das 2022 in Joke mechanix umfirmierte Unternehmen eng mit seinem Schwesterunternehmen –Joke Technology– zusammen und nutzt die sich daraus ergebenden Synergien. Zu den aktuellen Produkten von Joke mechanix zählen unter anderem der „Joke Wicketer“ zur Herstellung von Seiten-Trennnaht-Klappenbeuteln und das „Robo-Pack-System“ für deren vollautomatisierte Verpackung.
Wicketer und Robo-Pack-System
Der Joke Wicketer ist eine Hochleistungs-Produktionsanlage für die präzise Herstellung von Seiten-Trennnaht-Klappenbeuteln aus Folien. Die Beutel werden beispielsweise für Brot, Obst, Gemüse, Gewürze oder Hygieneartikel verwendet. Um sie zu produzieren, zieht die Maschine die für die späteren Beutel verwendete Folie zunächst von einer Folienrolle über ein Faltdreieck. Danach werden die Beutelklappen eingefaltet und die Löcher zum Aufhängen mit einer pneumatischen Zweilochstanze in die Folie gestanzt. Anschließend werden die Ränder geschweißt, die Beutel an der Trennnaht getrennt und schließlich einzeln über ein Flügelrad zu einer Stapelkette mit einem Stiftstapler transportiert, wo sie – je nach Bedarf – in entsprechenden Stückzahlen übereinandergelegt werden. Danach wandert der Stapel eine Position weiter in Richtung Verpackungsort. Die Verpackung der Beutel in Kartons kann dann entweder manuell erfolgen, oder aber – was deutlich effizienter und schneller geht – vollautomatisiert.
Eine solche vollautomatisierte Verpackungslösung bietet Joke mechanix mit dem Robo-Pack-System ebenfalls an. Das System kann dabei sowohl als Ergänzung zum Wicketer, aber auch als autarke Lösung für andere Maschinen eingesetzt werden. „Die Robo-Pack-Applikation ist so konzipiert“, erklärt Marcel Hammes, zuständig für Konstruktion und Engineering bei Joke mechanix, „dass wir sie mit geringem Aufwand auch kompatibel zu Produktionsmaschinen anderer Hersteller machen können.“
Die Verpackung der produzierten Beutel erfolgt in einer sicherheitstechnisch überwachten Roboterzelle. Dort wird zunächst eine Pappe als Unterlage auf einem Drahtbügel platziert. Anschließend nimmt der Roboter einen Beutelstapel von einer Zuführung und steckt ihn auf den Bügel. Wenn sich die vorgegebene Menge an Beuteln auf dem Bügel befindet, werden eine zweite Papplage als Deckblatt und ein Stopfen als Halterung über den Beuteln auf dem Bügel platziert, bevor der Roboter das ganze Paket wieder aufnimmt und an die nächste Position – dem sogenannten Verschupper – transportiert. Dort wird der Bügel umgeklappt, damit er beim Stapeln im Karton später die darüberliegende Lage nicht aufspießt. Im Anschluss daran nimmt der Roboter die Beutellage erneut auf und legt das Bündel schließlich in den bereitstehenden aufgeklappten Karton auf einer Rollenbahn. Sobald der Karton voll ist, wird er über die Rollenbahn aus der Roboterzelle ausgeschleust.
Einzelverdrahtung auf Klemmleisten: aufwendig und fehleranfällig
In einer ersten Version des Robo-Pack-System s hat Joke mechanix alle Signale und Funktionalitäten einzeln über Klemmleisten verdrahtet. Das hatte zur Folge, dass für die Umsetzung der Abläufe in der Roboterzelle enorme Mengen an Kabeln in Form von dicken Kabelbündeln über zum Teil weite Wege verlegt werden mussten. Dafür wurden sechs Schaltschränke benötigt, die vereinzelt noch mit dezentralen Steuerungen als Ergänzung zur Hauptsteuerung bestückt waren.
Da das Robo-Pack-System zukünftig auch autark funktionieren und damit auch mit anderen Beutel-Produktionsanlagen als dem Wicketer kombinierbar sein sollte – Stichwort Flexibilität – hat man sich, so Johannes Mück, Leiter Elektrotechnik bei Joke mechanix, schon bald gefragt: „Wie können wir das System besser machen? Wie können wir den Aufwand minimieren, den wir aktuell haben mit der ganzen Verdrahtung oder auch bei der Fehlersuche? Und wie können wir das System (zukunfts-) sicher machen – da haben wir dann auch über Themen wie Safety und Security, IO-Link oder Industrie 4.0 gesprochen.“
Weniger Aufwand und mehr Flexibilität mit AS-Interface
Obwohl man bis zu diesem Zeitpunkt selbst noch keine Applikationen damit realisiert hatte, war das Thema AS-Interface bei Joke mechanix nicht gänzlich unbekannt. Durch erste Gespräche auf Messen und die Teilnahme an der „explore“-Workshopreihe von Bihl+Wiedemann hatte man bereits einen ersten Einblick davon bekommen, was mit den ASi und ASi Safety Lösungen des Mannheimer Unternehmens alles möglich war. In weiteren Gesprächen mit dem Außendienst von Bihl+Wiedemann wurde relativ schnell klar, dass sich – mit Ausnahme des Roboters – sowohl die Sicherheitstechnik für die Zelle als auch die Steuerung sämtlicher pneumatischer Bewegungen mit ASi-3, ASi-5 und ASi Safety realisieren lassen würde – und zwar mit deutlich weniger Verdrahtungsaufwand, deutlich vereinfachter Fehlersuche und verbesserter Diagnose und deutlich höherer Flexibilität in Bezug auf zukünftige Veränderungen und Anpassungen etwa bei Kundenwünschen, als es die bisherige Lösung ermöglichte.
Und dass es mit AS-Interface möglich war, alle Funktionen inkusive Safety und IO-Link dezentral über einen einzigen Bus abzubilden“, erzählt Johannes Mück, „war für uns eine super Sache“. So hat man sich bei Joke mechanix dann relativ schnell entschieden, die zweite Version des Robo-Pack-Systems mit der ASi-Technologie zusammen mit Bihl+Wiedemann umzusetzen. „Was uns bei der Umsetzung natürlich immens geholfen hat“, so Mück, „war die tolle Unterstützung durch den Außendienst und den technischen Support von Bihl+Wiedemann bei der Auswahl der passenden Hardware und auch bei der Inbetriebnahme in Verbindung mit der Software ASIMON360“.
Safety über eine einzige Leitung
Am deutlichsten sieht man die Unterschiede bei der neuen Version des Robo-Pack-Systems an der Menge der eingesetzten Kabel und Schaltschränke. Im Vergleich zur alten Lösung befindet sich in der Roboterzelle jetzt nur noch ein Schaltschrank, in dem neben der Robotersteuerung und dem ASi-5/AS-3 openSafety über Powerlink-Gateway BWU3865 von Bihl+Wiedemann mit integriertem Sicherheitsmonitor für zwei ASi-Kreise auch schon vordefinierte Schnittstellen für andere Beutelherstellungsanlagen untergebracht sind. Da die komplette Peripherie nur über zwei ASi-Kreise – also lediglich über je zwei ASi-Profilkabel für Daten und zwei parallel dazu geführte schwarze Profilkabel für zusätzliche Energie – angebunden ist, konnte auf die ganzen Kabelbündel und Klemmleisten und damit auf fünf von sechs Schaltschränke verzichtet werden.
„Wir sparen uns mit der neuen AS-Interface Lösung damit nahezu den kompletten Schaltschrankbau und natürlich einen ganz großen Teil vom Verdrahtungsaufwand“, so Johannes Mück. „Und zukünftig können wir diesen noch weiter reduzieren, wenn wir dort, wo wir Kabel benötigen – etwa bei der Anbindung der Pneumatik an die Ventile oder der IO-Link Komponenten an die ASi Module – diese nicht mehr selbst konfektionieren müssen, sondern passgenau bestellen können.“
In der Roboterzelle gibt es verschiedene Safety-Applikationen, die über einen der beiden ASi-Kreise – gesteuert und überwacht vom ASi-Safety-Gateway – realisiert werden. Über Türzuhaltungen an mehreren Stellen wird dafür gesorgt, dass niemand während des Betriebs eine der Schutztüren des Zauns um die Roboterapplikation öffnen und den Innenraum betreten kann. Stellen, an denen sich Löcher im Schutzzaun befinden, damit bei Bedarf entweder Pappe nachgefüllt oder eine Stichprobe zur Qualitätskontrolle entnommen werden kann, sind über Lichtgitter abgesichert. Und selbstverständlich ist der Schutzzaun auch mit mehreren NOT-HALT Tastern an unterschiedlichen Stellen bestückt, um den Roboter bei Bedarf auch auf diese Weise stillzusetzen. Alle Safety-Komponenten hängen dabei an einem einzigen, mit dem Gateway im Schaltschrank verbundenen ASi-Profilkabel, das einmal rundherum am oberen Rand des Schutzzauns verlegt wurde.
Zur Umsetzung der oben genannten Sicherheitsfunktionen ist an dieser Stelle noch eine Besonderheit zu erwähnen: Sowohl bei den Lichtgittern wie auch den Türzuhaltungen und NOT-HALT-Tastern handelt es sich um Safety-Geräte ohne eigene ASi-Safety-Funktionalität. Solche Sicherheitskomponenten können aber über aktive Verteiler von Bihl+Wiedemann wie BWU3599 und BWU3719 ohne großen Aufwand „ASi-Safety-fähig“ gemacht und dann wie vergleichbare ASi-Safety-Komponenten genutzt werden. Für Hersteller von Maschinen hat diese einfache Möglichkeit den Charme, dass sie noch flexibler auf Kundenwünsche eingehen können, etwa was die Präferenz für bestimmte Geräte oder Hersteller betrifft, und nicht auf mit einer bestimmten Technologie ausgestattete Komponenten beschränkt sind.
Ebenfalls über ASi Safety umgesetzt wird das Thema Muting. Damit das System nicht immer angehalten werden muss, wenn ein leerer Beutelkarton nachgeschoben beziehungsweise ein voller Karton ausgeschleust werden soll, kann über Muting ein sicherer automatisierter Materialtransport in die Roboterzelle hinein oder aus ihr heraus ermöglicht werden. Mit Hilfe von zwei aktiven Verteilern ASi zur Erfassung der Mutingsensoren und einem aktiven Verteiler ASi Safety für das Lichtgitter werden dabei die Bewegung(srichtung) des Kartons überwacht und, wenn die Veraussetzungen erfüllt sind – also sichegestellt ist, dass es sich um einen Karton und nicht um einen Menschen handelt – die Schutzfunktion des Lichtgitters an der entsprechenden Stelle für den benötigten Zeitraum unterdrückt, so dass der Karton im laufenden Betrieb des Roboters in die Zelle oder aus ihr heraus bewegt werden kann. Wenn dagegen eine Person durch die Muting-Applikation identifiziert wird, wird die Maschine umgehend stillgesetzt.
Bewegungen umgesetzt mit Hilfe von IO-Link und ASi-5
Neben der funktionalen Sicherheit spielt der Bereich Pneumatik im Robo-Pack-System ebenfalls eine zentrale Rolle. Alle Dreh- und Schwenkbewegungen, die für die Schritte zwischen der Übernahme des Beutelstapels von der Produktionsmaschine bis zur Ablage im Karton nötig sind und die nicht vom Roboter selbst ausgeführt werden – also für die Bereitstellung des Drahtbügels, die Anlieferung und Positionierung der Pappen und der Stopfen sowie das Verschuppen des Bügels – werden über Pneumatikzylinder in Verbindung mit IO-Link-Ventilinseln umgesetzt. Für IO-Link-Ventilinseln hat man sich unter anderem deshalb entschieden, weil man so auch viel mehr Prozessdaten erfassen kann – Stichwort Industrie 4.0.
Eingebunden werden diese Ventilinseln über den zweiten ASi-Kreis über ASi-5 Module mit integrierten IO-Link Master Ports von Bihl+Wiedemann. Auch hier hat sich der Einsatz von AS-Interface für Joke mechanix sowohl technisch wie auch aus Kostensicht als Vorteil erwiesen. Im Vergleich zu anderen Lösungen, bei denen man standardmäßig auf 4-Port- oder gar 8-Port-Module zurückgreifen und damit nicht genutzte Ports teuer bezahlen muss, kann man bei der Integration von IO-Link über ASi-5 bei Bihl+Wiedemann aus einem Portfolio von Modulen mit ein, zwei, vier oder acht IO-Link-Master-Ports immer genau die passende Option wählen, die man gerade braucht – je nachdem, wie viele IO-Link Master Ports Class A oder Class B an der jeweiligen Stelle gerade benötigt werden.
Flexibel dank AS-Interface
Zusätzlich zu den Ventilinseln hängen am zweiten ASi-Kreis – integriert zum Beispiel über die ASi-5-E/A-Module BWU4230 mit 16 selbstkonfigurierenden E/As – auch die Ansteuerung für den Wendelförderer, der die blauen Stopfen für die Drahtbügel bereitstellt, und mehrere Sensoren, unter anderem Lichtsensoren, sowie ein Referenzsensor für den Motor, der die Bügelkette zur Aufnahme der Beutelpakete antreibt.
Gerade in diesem Teil der Anlage zeigen sich für Johannes Mück noch weitere Vorteile der ASi-Lösungen von Bihl+Wiedemann. „ASi-5 und ASi-3 über die gleiche Leitung laufen lassen zu können, ist schon klasse. Man spart Adressen, ist deutlich flexibler bei den Anwendungen und dadurch, dass viele der Feldmodule von Bihl+Wiedemann, die wir hier verwenden, über vier Anschlüsse für Profilkabel – zwei für das ASi-Kabel und zwei für das AUX-Kabel – verfügen, können wir bei Bedarf auch Abzweige ganz leicht umsetzen, ohne dafür ein zusätzliches Modul einsetzen zu müssen“.
Das Robo-Pack-System von Joke mechanix ist – allein durch eine Vorher-/Nachher-Betrachtung – ein gutes Beispiel dafür, das zeigt, wie viele (Einspar-)Potenziale die ASi und ASi-Safety-Lösungen von Bihl+Wiedemann Maschinenbauern für eine einfache, flexible und (zukunfts-)sichere Automatisierung ihrer Maschinen bieten.
