Hybridkabel für Servomotoren bei hohen Belastungen

Hohe Haltbarkeit
und Zuverlässigkeit

Einkabellösungen für Servomotoren erfreuen sich wachsender Beliebtheit, denn sie sparen Kosten und Installationsaufwand durch weniger Anschlusstechnik. Doch welche Eigenschaften müssen die verwendeten Hybridkabel haben, damit die Kommunikation über die integrierte Geberleitung auch nach jahrelanger mechanischer Beanspruchung noch genauso zuverlässig funktioniert wie am Tag der Inbetriebnahme? Wie sieht es mit der Haltbarkeit der Schirmung der Geberleitung in hochdynamischen Schleppkettenanwendungen aus?

Mit realitätsnahen Langzeit-Schleppkettentests konnte Helukabel bereits im Frühjahr 2014 nachweisen, dass die digitale Datenübertragung via Hiperface DSL-Protokoll in seinen Hybridkabeln auch nach weit über fünf Millionen Zyklen noch einwandfrei funktioniert. Die hohe Haltbarkeit und Zuverlässigkeit haben mittlerweile auch Maschinenbauer vielfach praktisch bestätigt. Einige 100km Hybridleitungen von Helukabel sind weltweit in den unterschiedlichsten Anwendungen erfolgreich im Einsatz. Bei der praktischen Einführung der Einkabeltechnologie kommt es entscheidend auf die Wahl der passenden Spezialkabel an. Dies zeigt das Beispiel der Firma Ima Klessmann aus Lübbecke/Westfalen, die seit Anfang 2015 bei ihren Bohrsystemen und komplexen Fertigungsmaschinen zur CNC-Bearbeitung die Einkabeltechnik OCT (One Cable Technology) von Beckhoff Automation verwendet. Ima ist ein international tätiger Hersteller von Maschinen und Fertigungsstraßen für die Holzbearbeitung in der Möbelindustrie und beschäftigt weltweit rund 900 Mitarbeiter. Mit den für hochdynamische Schleppkettenanwendungen intensiv getesteten Topserv-Hybridkabeln für Servomotoren von Helukabel ist der Maschinenbauer bei der Umstellung gut beraten gewesen. “Die Kabel haben sich mittlerweile in vielen unserer Imagic-Bohrsysteme bewährt, trotz hoher mechanischer Dauerbeanspruchung, wie z.B. durch enge Biegeradien und hohe Biegewechselzyklen in den Schleppketten; und, nicht zu vergessen, den Abrieb durch Holzstaub”, sagt Marcel Sulewski, Teamleiter im Elektro-Einkauf bei Ima. Die Bohrmaschinen von Ima werden in der Möbelindustrie eingesetzt – stationär oder als Durchlaufmaschinen. Bei Durchlaufgeschwindigkeiten von circa 30 Metern pro Minute bringen mehrere Bohrer gleichzeitig horizontale und vertikale Bohrungen in die Werkstücke ein, aus denen später z.B. Wohn-, Schlaf- oder Büromöbel zusammengesetzt werden. Bis zu 90 Achsen können bei einer solchen Anwendung im Spiel sein.

Auf die Schirmung kommt es an

Worin besteht die Herausforderung für einen Kabelhersteller wie Helukabel, um Maschinenbauern funktionierende und vor allem langlebige Hybridkabel zur Verfügung stellen zu können? Helukabel präsentierte im Frühjahr 2014 zur Hannover Messe mit seiner Servokabelserie Topserv ein Standardkabel für die neue Einkabeltechnologie. Zu dem Zeitpunkt hatten die Antriebshersteller noch keine Langzeiterfahrung mit der Technologie im Feld. Umso wichtiger war es, dass Helukabel durch realitätsnahe Schleppkettentests bestätigen konnte, dass die Schirmung der Geberleitung auch nach weit mehr als fünf Millionen Zyklen noch funktionierte und via Hiperface DSL übertragene Gebersignale einwandfrei gelesen werden konnten. “Relevant für die Frage, ob sich der Motor dreht, ist die Qualität des Signals, das beim Empfänger ankommt”, erklärt Thomas Pikkemaat, Produktmanager für Antriebstechnik bei Helukabel und kaufmännischer Betriebsleiter des Werks in Windsbach. “Je weniger Störungen von außen in das Signalelement eindringen, desto sauberer kommen die Daten beim Empfänger an. Verantwortlich für den Schutz vor EMV-Emissionen ist der Schirm des Datenpaares. Je länger dieser im Einsatz intakt bleibt, desto länger bleibt die Schutzfunktion erhalten.” Waren Servomotoren bei der traditionellen Zweikabellösung mit separaten Kabeln für Energieversorgung und Gebersignal an den Regler angeschlossen, wird bei der Einkabellösung die Geberleitung für das Motorfeedback in die Servoleitung integriert. Damit können die Leistungsadern allerdings auch leichter die Übertragung von Daten stören, zumindest dann, wenn nicht für eine gute und dauerhafte gegenseitige Abschirmung der Leitungen gesorgt wird. In statischen Anwendungen halten solche Schirmungen quasi unbegrenzt. Anders sieht es hingegen bei Anwendungen mit mitfahrenden Achsen und Kabeln in Schleppketten aus, wie etwa bei Robotern, Werkzeugmaschinen oder Handlingsystemen. Eine Reduktion der Schirmwirkung führt in Summe schlimmstenfalls dazu, dass Gebersignale unlesbar werden. Die Wahl eines ungeeigneten Kabels kann sich so vielleicht erst Monate nach der Inbetriebnahme einer Maschine zeigen. Durch welche Maßnahmen lässt sich also für solche dynamischen Anwendungen eine dauerhafte und zuverlässige Schirmung erzielen? “Schirmgeflechte aus blanken oder verzinnten Kupferdrähten können durch mechanische Zugbelastung im Außenradius brechen, wodurch sich die Schirmwirkung mit der Zeit reduzieren kann”, erläutert Pikkemaat. “Um dies zu verhindern, müssen Flechtwinkel und Bedeckungsgrad der Geflechtschirme in Hybridkabeln auf die Dynamik der Anwendung und die erforderlichen Biegeradien sowie Geschwindigkeits- und Beschleunigungsparameter optimal abgestimmt werden. Nur so wird sichergestellt, dass die EMV-Abschirmung auch nach mehreren Millionen Zyklen erhalten bleibt.” Um eine möglichst dauerhafte Abschirmung sicherzustellen, sollte der Geflechtdraht immer in einem stumpfen Winkel um die Adern gelegt werden. Dadurch werden neben einem höheren Bedeckungsgrad eine bessere Elastizität und damit eine Reduzierung der Zugkräfte erreicht. Bei Hybridkabeln kommen neben den Geflechtschirmen auch metallbedampfte Spezialvliese zum Einsatz.

Installationsaufwand deutlich reduziert

“Für uns war es wichtig, dass Helukabel die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit seiner Kabel für die neue Einkabeltechnologie intensiv getestet hatte”, berichtet Sulewski. “Dank der Einkabellösung konnten wir bei unseren Bohrmaschinen den Installationsaufwand um schätzungsweise 20 bis 30 Prozent senken. Kabelkonfektionierung, Montage und Verlegung kosten weniger Zeit. Der Platzgewinn durch die Einkabellösung war jedoch geringer, als bei einer Halbierung der Kabelanzahl erwartet, denn es sind auch die größeren Leitungsquerschnitte in den Schleppketten zu berücksichtigen.” Doch weit wichtiger als der Raumgewinn durch weniger Kabel ist der Zeitgewinn beim Konfektionieren und Verlegen. Kabel lassen sich damit auch schneller austauschen und die Ersatzteilhaltung wird dank weniger Varianten vereinfacht, da keine zwei verschiedenen Kabel für Geber und Leistung mehr benötigt werden. Ima setzt die Einkabeltechnologie in seinen Anwendungen bis zu 30m abgesetzt vom Schaltschrank ein. Die ersten Maschinen sind nun seit über einem Jahr beim Kunden erfolgreich im Einsatz. Im Rahmen der routinemäßigen Instandhaltungsintervalle haben sich die Kabel als sehr robust und absolut zuverlässig erwiesen. Sulewski sagt: “Auch bei mehreren Millionen Zyklen gab es meines Wissens noch keinen Ausfall.”