Langzeitstabile Hybridkabel für Servomotoren

Die langzeitstabile Einkabellösung senkt bei den Bohrmaschinen von IMA den Installationsaufwand um bis zu 30 %. Der Grund: eine schnellere Kabelkonfektionierung, Montage und Verlegung. IMA Klessmann / Helukabel/Detlev Haake HZWEIA

Als Helukabel zur Hannover Messe 2014 mit seiner Servokabelserie Topserv ein Standardkabel für die damals neue Einkabeltechnologie präsentierte, hatten die Antriebshersteller noch keine Langzeiterfahrung mit der Technologie im Feld. Umso wichtiger war es für den Kabelhersteller, dass Schleppkettentests bestätigten, dass die Schirmung der Geberleitung auch nach weit mehr als fünf Millionen Biegezyklen noch funktionierte und die via Hiperface DSL übertragenen Gebersignale lesbar blieben. Aber Werte aus dem Labor ersetzen noch lange nicht den Einsatz im Feld.

Erfahrungen in der Praxis konnte das Unternehmen bei der Firma IMA Klessmann aus Lübbecke/Westfalen sammeln. IMA verwendet seit Anfang 2015 bei ihren Bohrsystemen und CNC-Maschinen die One Cable Technology (OCT) von Beckhoff Automation. Die Bohrmaschinen von IMA kommen in der Holzbearbeitung für die Möbelindustrie zum Einsatz, entweder stationär oder als Durchlaufmaschinen. Bei Durchlaufgeschwindigkeiten von circa 30 Metern pro Minute bringen mehrere Bohrer gleichzeitig horizontale und vertikale Löcher in die Werkstücke ein, wobei bis zu 90 Achsen im Spiel sein können.

Enge Biegeradien und hohe Biegewechselzyklen

Die Kabel sind einer mechanischen Dauerbeanspruchung, wie engen Biegeradien und hohen Biegewechselzyklen in den Schleppketten ausgesetzt sowie dem Abrieb durch Holzstaub. IMA Klessmann

IMA setzt die Einkabeltechnologie in seinen Anwendungen bis zu 30 Meter abgesetzt vom Schaltschrank ein. „Die Kabel haben sich mittlerweile in vielen unserer Imagic-Bohrsysteme bewährt, trotz hoher mechanischer Dauerbeanspruchung, wie enge Biegeradien und hohe Biegewechselzyklen in den Schleppketten sowie den Abrieb durch Holzstaub“, betont Marcel Sulewski, Teamleiter im Elektro-Einkauf bei IMA. Für Sulewski war es wichtig, dass Helukabel die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit seiner Kabel für die neue Einkabeltechnologie intensiv getestet hatte.

„Dank der Einkabellösung konnten wir bei unseren Bohrmaschinen den Installationsaufwand um schätzungsweise 20 bis 30 Prozent senken, denn Kabelkonfektionierung, Montage und Verlegung kosten weniger Zeit.“ Außerdem lassen sich Kabel schneller austauschen und die geringe Anzahl an Varianten vereinfacht die Ersatzteilhaltung, da es keine zwei Kabel für Geber und Leistung mehr braucht.

Die Platzersparnis 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.

Aus Zwei mach Eins

Bei der Hybridleitung laufen die Feedbackadern direkt in der Servoleitung. Helukabel/Detlev Haake HZWEIA

Waren Servomotoren bei der traditionellen Lösung mit separaten Kabeln für Energieversorgung und Gebersignal an den Regler angeschlossen, ist bei der Einkabellösung die Geberleitung für das Motorfeedback in die Servoleitung integriert. Allerdings können damit die Leistungsadern auch leichter die Übertragung von Daten stören – zumindest dann, wenn es keine gute und dauerhafte gegenseitige Abschirmung der Leitungen gibt. Eine verringerte Schirmwirkung führt in Summe schlimmstenfalls zu unlesbaren Gebersignalen.

In statischen Anwendungen halten solche Schirmungen quasi unbegrenzt. Anders sieht es hingegen aus, wenn die Kabel in Schleppketten mitfahren, etwa bei Robotern, Handlingsystemen oder Werkzeugmaschinen wie bei IMA. „Relevant für die Frage, ob sich der Motor dreht, ist die Qualität des Signals, das beim Empfänger ankommt“, erklärt Thomas Pikkemaat, Produktmanager Antriebstechnik und Kaufmännischer Betriebsleiter Werk Windsbach bei Helukabel. 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. Die Wahl eines ungeeigneten Kabels äußert sich also vielleicht erst Monate nach der Inbetriebnahme einer Maschine – in Form von sporadischen Störungen.

Flechtwinkel und Bedeckungsgrad entscheidend

"Relevant für die Frage, ob sich der Motor dreht, ist die Qualität des Signals, das beim Empfänger ankommt“ Thomas Pikkemaat, Helukabel Helukabel/Andreas Riedel

Aber durch welche Maßnahmen lässt sich 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 reduziert. 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 sein. „Nur so können wir sicherstellen, dass die EMV-Abschirmung auch nach mehreren Millionen Zyklen erhalten bleibt“, erläutert Pikkemaat. Daher sollte der Geflechtdraht für eine möglichst dauerhafte Abschirmung immer in einem stumpfen Winkel um die Adern liegen. Das erhöht den Bedeckungsgrad, verbessert die Elastizität und verringert die Zugkräfte. Bei Hybridkabeln kommen neben den Geflechtschirmen auch metallbedampfte Spezialvliese zum Einsatz.

Im Rahmen der routinemäßigen Instandhaltungsintervalle haben sich die bei IMA eingesetzten Kabel als robust und zuverlässig erwiesen. Sulewski sagt: „Auch bei mehreren Millionen Zyklen gab es meines Wissens noch keinen Ausfall.“

Hannover Messe 2018: Halle 13, Stand C98

(ml)