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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verschließen einer
mit Füllgut,
insbesondere Wurstbrät,
gefüllten,
schlauch- oder beutelartigen Verpackungshülle mit Mitteln zum Einschnüren der
Verpackungshülle
und Bilden eines füllgutfreien
Zopfabschnitts, mit Verschlussmitteln zum Setzen und Verschließen wenigstens
einer Verschlussklammer um den Zopfabschnitt und mit einem Antrieb
für die
Mittel zum Einschnüren
und für
die Verschlussmittel.
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Will
man beispielsweise Wurstbrät,
Kitt- oder Dichtmassen in (einseitig verschlossene) Folienschläuche oder
Beutel verpacken, dann geschieht dies in bekannter Weise dadurch,
dass die schlauch- oder beutelartige Verpackungshülle von
einer Füllmaschine
mit Füllgut
befüllt
wird. Die Füllmaschine gibt
am Ende des Füllvorgangs
oder kurz davor einen Synchronisationsimpuls aus, mit dem der Verschließvorgang
mittels der eingangs beschriebenen Vorrichtung ausgelöst wird.
Dieser beginnt damit, dass die gefüllte Verpackungshülle in einem
ersten Arbeitstakt durch Schließen
der Mittel zum Einschnüren
der Verpackungshülle,
z. B. zweier Verdrängerscherenpaare,
in radialer Richtung bezüglich
der Zentrumsachse der Verpackungshülle zu einem kurzen Zopf eingeschnürt wird
(Verdrängen).
Anschließend
werden in einem zweiten Arbeitstakt die beiden Verdrängerscherenpaare
in axialer Richtung, d.h. in Längsrichtung
der Verpackungshülle,
auseinander bewegt (Spreizen), wodurch dort befindliches Füllgut verdrängt wird,
so dass zwischen den beiden Verdrängerscherenpaaren ein füllgutfreier
Zopfabschnitt gewünschter
Länge entsteht.
Daraufhin wird in einem dritten Arbeitstakt eine in die Bahn eines
Stempels – dieser
ist Teil der Verschlussmittel – eingeführte Verschlussklammer
(Clip) im Bereich des Zopfabschnitts auf die Verpackungshülle gesetzt
und zwischen dem Stempel und einer Matrize – diese ist ebenfalls Teil der
Verschlussmittel – so
verformt, dass sie sich um den Zopfabschnitt legt und diesen verschließt. Bei
einer Anordnung zweier Stempel und Matrizen kann der Zopfabschnitt
von zwei in axialer Richtung nebeneinanderliegend angeordneten Verschlussklammern
verschlossen und in demselben Arbeitsgang gegebenenfalls zwischen
diesen beiden Verschlussklammern durchtrennt werden. Nach dem Verschließvorgang
werden die Mittel zum Einschnüren und
die Verschlussmittel in einem vierten Arbeitsgang in ihre Ausgangslage
zurückbewegt
und ein neuer Arbeitszyklus kann mit dem Füllvorgang beginnen.
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Die
Mittel zum Einschnüren
und die Verschlussmittel sind durch einen Antrieb beispielsweise bestehend
aus einem Elektromotor und einem nachgeschalteten Getriebe dergestalt
angetrieben, dass deren Bewegungen durch Abtriebswellen des Getriebes
und zugeordnete Kurvenscheiben miteinander gekoppelt sind. Die Steuerkurven
der Kurvenscheiben lassen die Bewegungen der Mittel zum Einschnüren und
der Verschlussmittel mit dem gewünschten
Zeitablauf erfolgen. Eine Umdrehung der Kurvenscheiben resultiert
demzufolge in einem Arbeitszyklus.
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In
der
DE 196 01 720
A1 ist das Problem adressiert, dass das Öffnen der
Verdrängerscheren, insbesondere
bei Würsten
mit größerem Durchmesser,
nicht lange genug dauert, um eine ausreichende Menge Füllgut in
die Verpackungshülle
einzufüllen. Daher
wird vorgeschlagen, eine nicht-konstante Antriebsgeschwindigkeit
beispielsweise durch einen frei steuerbaren Drehstromservoantrieb
als Teil des Antriebs vorzusehen, um einen vorteilhaften Scherenöffnungsverlauf
zu erzielen. Die zeitlichen Abläufe
ergeben sich demgemäß durch
eine Überlagerung
der nicht-konstanten Antriebsgeschwindigkeitskurve mit den Steuerkurven
der Kurvenscheiben. Die Motordrehzahl wird gemäß dieser Druckschrift so gesteuert,
dass die Verdrängerscheren
bei langsamer Antriebsgeschwindigkeit lange geöffnet bleiben, was das Einfüllen des
Füllgutes
erleichtert, und die übrigen
Bewegungsphasen so beschleunigt werden, dass die langen Öffnungszeiten
der Verdrängerscheren
kompensiert werden und die Dauer eines Arbeitszyklus auch bei Würsten mit
großem
Durchmesser nicht verlängert
zu werden braucht.
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Aus
der
EP 0 935 421 B1 ist
weiterhin bekannt, die starre Kopplung der Bewegungen der Verdrängerscherenpaare
und der Cliphebel dadurch aufzuheben, dass die einzelnen Arbeitszyklen
des Verschließens,
nämlich
das Verdrängen,
das Spreizen, das Setzen und Schließen der Verschlussklammer, zumindest
teilweise unabhängig
voneinander gesteuert werden. Dadurch können die Bewegungsabläufe an das
jeweilige Produkt angepasst werden. Es besteht insbesondere die
Möglichkeit,
den Spreizvorgang bei zäh-pastösem Füllgut langsamer,
das Setzen und Verschließen
der Verschlussklammer aber schneller ablaufen zu lassen und auf
diese Weise die Produktivität
bei der Herstellung solcher Würste
zu steigern. Gemäß dieser
Lösung
werden Elektromotoren durch eine programmierbare Steuereinheit als Teil
des Antriebs dergestalt angesteuert, dass die Drehzahl je nach der
gewünschten
Arbeitsgeschwindigkeit für
jeden Arbeitstakt innerhalb eines Zyklus' verändert
wird.
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Vorrichtungen
mit einem solchen Antrieb brauchen aber verhältnismäßig viel Energie, insbesondere
bedingt durch periodisches Anlaufen und Abbremsen der Vorrichtung.
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Schließlich ist
aus der
DE 42 41 231 ein
Umschlingungsgetriebe mit periodisch veränderlicher Übersetzung, insbesondere ein
Zahnriemengetriebe bekannt, welches in solchen Fällen eingesetzt wird, in denen
das Verhältnis
der Winkelgeschwindigkeiten bzw. das Verhältnis der Drehmomente von An-
und Abtriebeswelle einen veränderlichen
Wert besitzen soll. Mittels eines solchen Getriebes lässt sich
beispielsweise der Leistungsbedarf eines Antriebs vergleichmäßigen, wenn
die getriebene Maschine nur während
eines Teils der Umdrehung einen hohen Drehmomentbedarf besitzt.
Ein anderer Anwendungsfall besteht darin, die Geschwindigkeit einer Bewegung
für einen
Teil der Umdrehung zu verlangsamen, um einen Arbeitstakt präziser ausführen zu können.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Verschließen bereitzustellen, deren
Antrieb besser auf den gewünschten
Prozessablauf angepasst ist und zugleich weniger Energie benötigt.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
dass der Antrieb ein ungleichförmig übersetzendes
Getriebe aufweist, das eine gleichförmige Antriebsbewegung in eine
periodische, ungleichförmige
Abtriebsbewegung übersetzt,
wobei die Übersetzung
des Getriebes derart ausgestaltet ist, dass die Abtriebsgeschwindigkeit beim
Setzen der Verschlussmittel gegenüber der Abtriebsgeschwindigkeit
beim Einschnüren
und Verdrängen
verringert ist.
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In
die Erfindung fließt
die Erkenntnis ein, dass der Drehmomentbedarf innerhalb eines Arbeitszyklus
sehr unterschiedlich ist. Bei den Arbeitstakten, die eine geringere
Arbeitsgeschwindigkeit – also
eine geringere Rotationsgeschwindigkeit der Abtriebswelle des Getriebes
(Abtriebsgeschwindigkeit) – fordern, ist
nämlich
meist auch der Drehmomentbedarf an dieser Abtriebswelle erhöht. Zum
Beispiel erfolgt bei zäh-pastösem Füllgut das
Verdrängen
und Spreizen langsam, es erfordert zugleich jedoch die meiste (lineare)
Kraft, d.h. das größte Abtriebsmoment.
Entsprechend ist in Fällen,
in denen das Setzen und Verschließen des Clips langsamer vonstatten
geht, beispielweise bei Füllgut
mit niedriger Viskosität,
dieser Prozess derjenige, der am meisten Kraft und somit Abtriebsmoment
erfordert. Des weiteren fließt
in die Erfindung die Erkenntnis ein, dass der Drehmomentbedarf und
der hierzu umgekehrt proportionale Verlauf der geforderten Arbeitsgeschwindigkeit
periodisch bei jedem Arbeitszyklus, d.h. nach jeder Umdrehung der
Kurvenscheibe wiederkehren. Durch die Verwendung einer ungleichförmigen Übersetzung verläuft die
Antriebsgeschwindigkeit innerhalb eines Zyklus periodisch und umgekehrt
proportional zum Antriebsdrehmoment. Der Lieferzyklus des Antriebs mit
einem periodisch ungleichförmig übersetzenden Getriebe
ist daher auf den Abnahmezyklus, d.h. den gewünschten Prozessablauf mit periodisch
wiederkehrenden Arbeitstakten ungleichförmiger Arbeitsgeschwindigkeit
bzw. ungleichförmigen
Drehmomentbedarfs in idealer Weise angepasst.
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Da
die Dimensionierung des Antriebsmotors nach- dem Drehmomentbedarfsmaximum
ausgelegt werden muss, hat die erfindungsgemäße Vorrichtung somit den Vorteil,
dass anders als beim dem Stand der Technik der Drehmomentbedarf
im Bereich der Spitzen, d.h. während
der langsamen Bewegungsphase, antriebsseitig bereits abgesenkt ist.
Die zu veranschlagende Motorleistung kann somit gegenüber den bekannten
Antrieben mit gesteuerter Motordrehzahl abgesenkt werden, wodurch
Kosten und Energie gespart werden können. Ein weiterer Vorteil der
Erfindung liegt darin, dass durch die getriebeseitige Variation
der Arbeitsgeschwindigkeit während
eines Zyklus' erforderliche
Abbrems- und Beschleunigungsvorgänge
seitens des Antriebsmotors vermieden oder zumindest vermindert werden
können
und daher die Anforderung an die Dynamik der Motoren bzw. deren
Leistung und somit der Energieverbrauch auch aus diesem Grund abgesenkt
werden kann.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung finden sich
in den Unteransprüchen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme
der Figuren näher
erläutert,
von denen
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1 einzelne Arbeitstakte
eines Verschließvorgangs
eines Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
im Verhältnis
zur Abtriebsgeschwindigkeit zeigt,
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2 eine schematische Darstellung
eines ersten Beispiels für
ein periodisch ungleichförmig übersetzenden
Getriebes zeigt und
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3 eine schematische Darstellung
eines zweiten Beispiels für
ein periodisch ungleichförmig übersetzenden
Getriebes zeigt.
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Die
obere Kurve 10 aus 1 zeigt
einen beispielhaften schematischen Verlauf der Abtriebsgeschwindigkeit
oder -drehzahl in Abhängigkeit
vom Drehwinkel der Abtriebswelle des Getriebes. Der gezeigte Geschwindigkeitsverlauf überdeckt
eine volle Umdrehung der Abtriebswelle und wiederholt sich danach
periodisch. In diesem Ausführungsbeispiel ergibt
sich der Geschwindigkeitsverlauf einerseits aus der erfindungsgemäßen Verwendung
eines ungleichförmig übersetzenden
Getriebes, dessen Übersetzung
andererseits überlagert ist
mit einer nach einem vorausgewählten
Steuerprogramm geregelten Antriebsgeschwindigkeit.
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Wird
als ungleichförmig übersetzendes
Getriebe beispielsweise ein Zahnriemenantrieb mit einem elliptischen
Antriebszahnrad verwendet, so schwankt der Drehzahlverlauf der Abtriebswelle
näherungsweise
sinusförmig.
Diese Schwankung kann wie in dem gezeigten Verlauf der Kurve 10 phasenweise
gedehnt und phasenweise gestaucht werden, so dass sich über eine
volle Umdrehung ein asymmetrischer Verlauf der Antriebsgeschwindigkeit
ergibt. Eine Stauchung bzw. Dehnung der einzelnen Phasen kann beispielsweise
der Dauer des Füllvorgangs oder
anderen Anforderungen angepasst werden. Ferner kann die Amplitude
der Abtriebsdrehzahl stellenweise durch eine Anhebung und/oder Absenkung der
Motordrehzahl kompensiert und an anderer Stelle noch verstärkt werden.
Hierdurch kann eine noch genauere Anpassung des Lieferzyklus' des Antriebs auf
den Abnahmezyklus erzielt werden, wobei die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung
(zumindest phasenweise) weiterhin genutzt werden. Denn obgleich
eine zusätzliche
Regelung der Antriebsgeschwindigkeit manchmal gefordert sein kann,
bewirkt der Einsatz eines ungleichförmigen Getriebes, dass der
Regelungseingriff nicht so stark sein muss und dass in Takten mit
langsamer Arbeitsgeschwindigkeit ein erhöhtes Drehmoment zur Verfügung steht.
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Die
Abtriebsgeschwindigkeit überlagert
sich zusätzlich
mit den unter der Kurve 10 abgebildeten Steuerkurven der
Kurvenscheiben zu einer gewünschten
Bewegung der Mittel zum Einschnüren der
Verpackungshülle
und Bilden eines füllgutfreien Zopfabschnitts
sowie der Verschlussmittel. Kurve 12 zeigt einen typischen
Verlauf der Auslenkung von Verdrängerscherenpaaren
als Mittel zum Einschüren der
Verpackungshülle.
Diese bewegen sich in radialer Richtung bezüglich der Achse einer zu verschließenden Wurst
zum Zweck des Verdrängens
des Füllgutes.
Bei einer Drehung der Abtriebswelle um 45° beginnt der Verdrängungsprozess
und endet nach weiteren 80°.
Danach erst setzt der Spreizvorgang ein, Kurve 14. Dabei
werden im Verlaufe einer Drehung der Abtriebswelle um weitere 45° die Verdrängerscherenpaare
in axialer Richtung bezüglich
der Wurst auseinandergeschoben und so das Wurstbrät aus einem
zu verschließenden
Bereich der Hülle
verdrängt,
während
die Einschnürung
der Verdrängerscheren
beibehalten wird. Etwa gleichzeitig mit dem Spreizen der Verdrängerscherenpaare
setzt eine Radialbewegung oberer und unterer Cliphebel ein, Kurven 16, 18.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
schwenkt in diesem Arbeitstakt der untere Cliphebel mit einer Matrize
unter den füllgutfreien Zopfabschnitt,
während
sich gleichzeitig der obere Cliphebel mit einem Stempel – die Cliphebel,
die Matrize und der Stempel sind Teile der Verschlussmittel – in entgegengesetzter
Richtung von oben auf die Matrize zubewegt. Erst nachdem der Spreizvorgang schon
beendet, ein füllgutfreien
Zopfabschnitt zwischen den Verdrängerscherenpaaren
also gebildet ist, erreicht der untere Cliphebel mit der Matrize
den Punkt maximaler Annäherung
an die Zentrumsachse der Wursthülle.
An diesem Punkt beginnt der Verschluss- oder Clipvorgang, Markierung 20.
Während der
untere Cliphebel noch in dem Punkt maximaler Annäherung verharrt nähert sich
der obere Cliphebel mit dem Stempel weiterhin dem Zentrum. Dabei
wird die Verschlussklammer umgeformt, bis sie einen fest sitzenden
Verschluss um den Zopfabschnitt der Schlauchhülle bildet. Die Übersetzung
des Zahnriemengetriebes ist in diesem Arbeitstakt kurz gewählt, wie
das lokale Minimum in der Kurve 10 zeigt. Hierdurch wird
eine minimale Abtriebsgeschwindigkeit zu Beginn des Clipvorgangs
bewirkt und zugleich das Drehmoment an der Abtriebswelle während des
Umformungs- oder Clipvorgangs erhöht.
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Nach
Abschluss des Clipvorgangs öffnen sich
der obere und der untere Cliphebel und geben die gesetzte Verschlussklammer
frei. Fast gleichzeitig öffnen
sich die Verdrängerscherenpaare
in radialer Richtung. Dabei wird nur ein geringes Drehmoment an
der Abtriebsachse benötigt.
Für diesen
Arbeitstakt kann folglich eine lange Getriebeübersetzung gewählt werden.
Zuletzt werden die Verdrängerscherenpaare
in axialer Richtung in ihre Ursprungsstellung zurückgefahren
und ein voller Arbeitszyklus ist beendet.
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Die Übersetzungsverhältnisse
können
beispielsweise durch eine entsprechende Anpassung der Exzentrizität der Zahnräder und/oder
der Längenverhältnissen
zwischen den Hauptachsen der Ellipse verändert werden. Das Drehmomentsmaximum bzw.
das Geschwindigkeitsminimum der Kurve 10 kann ferner durch
einen Phasenversatz mit jedem gewünschten Arbeitstakt zur Deckung
gebracht werden, was die Einsatzmöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Verschließen
einer mit unterschiedlichstem Füllgut
befüllten
Verpackungshülle ermöglicht.
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Das
periodisch ungleichförmig übersetzende Getriebe
gemäß 2 ist ein Zahnriemengetriebe 200 mit
einem ersten elliptischen Zahnrad 202 und einem zweiten
elliptischen Zahnrad 204. Die beiden Zahnräder 202, 204 sind über einem
Zahnriemen 208 gekoppelt. Das erste Zahnrad 202 weist
eine stärkere Ellipsenform
als das zweite auf und sorgt für
die ungleichfömige Übersetzung.
Die Ellipsenform des zweiten Zahnrades dient im Wesentlichen nur
dem Längenausgleich.
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Ein
anderes Beispiel eines periodisch ungleichförmig übersetzenden Getriebes ist
in 3 gezeigt. Es handelt
dabei um ein Zahnriemengetriebe 300 mit drei über einen
Zahnriemen 308 gekoppelten Zahnrädern 302, 304 und 306,
die exzentrisch gelagert sind. Zwei davon, 302 und 304,
sind rund und dienen dem An- und Abtrieb, das dritte 306 ist eine
Ausgleichsrad für
den Längenausgleich.
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Die
gezeigten Getriebe, übersetzen
jeweils eine gleichförmige
Antriebsbewegung, d.h. eine konstante Antriebsdrehzahl, in eine
periodisch ungleichförmige
Abtriebsbewegung. Die Antriebs- und Abtriebsseite ist bei den gezeigten
Getrieben nicht festgelegt. Die Periodizität kann sich bei symmetrischen Anordnungen
wie der aus 2 verdoppeln.
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Anstelle
der Zahnriemengetriebe 200, 300 kann jeweils auch
ein Kettengetriebe mit derselben Anordnung zum Einsatz kommen. Auch
andere Anordnungen sind denkbar: Beispielsweise lässt sich ein
anderes Übersetzungsverhalten
auch durch ein elliptisches und zugleich exzentrisch gelagertes Zahnrad
in Kombination mit mehreren phasenversetzt exzentrisch gelagerte
Zahnräder
erzielen. Anstelle eine Zahnriemen- oder Kettengetriebes kann auch
ein ungleichförmig übersetzendes
Zahnradgetriebe zum Einsatz kommen.
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Schließlich lassen
sich auch mehrere der genannten Getriebeformen durch Hintereinanderschalten
kombinieren.