Hybridkabel für Servomotoren bei hohen Belastungen

Die digitale Datenübertragung via Hiperface DSL-Protokoll funktioniert in seinen Hybridkabeln auch nach weit über fünf Millionen Zyklen noch einwandfrei. Dies konnte Helukabel als erster Kabelhersteller mit realitätsnahen Langzeit-Schleppkettentests bereits im Frühjahr 2014 nachweisen. Mittlerweile haben auch Maschinenbauer die hohe Haltbarkeit und Zuverlässigkeit vielfach praktisch bestätigt. Immerhin sind einige Hundert Kilometer Hybridleitungen des Herstellers weltweit in den unterschiedlichsten Anwendungen im Einsatz.

Bei der praktischen Einführung der Einkabeltechnologie kommt es entscheidend auf die Wahl der passenden Spezialkabel an. Dies zeigt das Beispiel des Unternehmens IMA Klessmann aus Lübbecke in Westfalen, einem international tätigen Hersteller von Maschinen und Fertigungsstraßen für die Holzbearbeitung in der Möbelindustrie. Seit Anfang 2015 verwendet das Unternehmen bei seinen Bohrsystemen und komplexen Fertigungsmaschinen zur CNC-Bearbeitung die Einkabeltechnik OCT (One Cable Technology) von Beckhoff Automation. Dabei ist der Maschinenbauer mit den für hochdynamische Schleppkettenanwendungen intensiv getesteten Topserv-Hybridkabeln für Servomotoren von Helukabel gut beraten gewesen. „Die Kabel haben sich mittlerweile in vielen unserer Imagic-Bohrsysteme bewährt, trotz hoher mechanischer Dauerbeanspruchung, wie zum Beispiel 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 werden in der Möbelindustrie eingesetzt, stationär oder als Durchlaufmaschinen. Bei Durchlaufgeschwindigkeiten von etwa 30 Metern pro Minute bringen mehrere Bohrer gleichzeitig horizontale und vertikale Bohrungen in die Werkstücke ein, aus denen später zum Beispiel Wohn-, oder Büromöbel zusammengesetzt werden. Bis zu 90 Achsen können bei einer solchen Anwendung im Spiel sein.

Doch worin besteht die Herausforderung für einen Kabelhersteller, um Maschinenbauern funktionierende und vor allem langlebige Hybridkabel zur Verfügung stellen zu können? Helukabel hat im Frühjahr 2014 zur Hannover Messe mit seiner Servokabelserie Topserv ein Standardkabel für die neue Einkabeltechnologie präsentiert. Zu dem Zeitpunkt hatten die Antriebshersteller noch keine Langzeiterfahrung mit der Technologie im Feld. Umso wichtiger war es, dass der Kabelhersteller das Ergebnis des eingangs angeführten realitätsnahen Langzeit-Schleppkettentests vorlegen konnte. „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 dem Kabelhersteller 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.“

Bei der traditionellen Zweikabellösung waren Servomotoren mit separaten Kabeln für Energieversorgung und Gebersignal an den Regler angeschlossen. Bei der Einkabellösung wird die Geberleitung für das Motorfeedback in die Servoleitung integriert. Damit können die Leistungsadern aber 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.

„Dank der Einkabellösung konnten wir bei unseren Bohrmaschinen den Installationsaufwand um schätzungsweise 20 bis 30 Prozent senken“, berichtet Teamleiter Sulewski. „Der Platzgewinn 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 ist der Zeitgewinn beim Konfektionieren und Verlegen. Kabel lassen sich damit auch schneller austauschen und die Ersatzteilhaltung wird dank weniger Varianten vereinfacht. Die ersten IMA-Maschinen sind nun seit über einem Jahr erfolgreich im Einsatz. „Auch bei mehreren Millionen Zyklen gab es meines Wissens noch keinen Ausfall“, resümiert Marcel Sulewski. aru