Spielen die Verantwortlichen im Unternehmen mit dem Gedanken, auf Hybridkabel für Servomotoren umzusteigen, sollten im Vorfeld einige Fragen geklärt werden. 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? Und wie sieht es mit der Haltbarkeit der Schirmung der Geberleitung in hochdynamischen Schleppkettenanwendungen aus?
Als erster Kabelhersteller konnte Helukabel bereits im Frühjahr 2014 mit realitätsnahen Langzeit-Schleppkettentests nachweisen, dass die digitale Datenübertragung via Hiperface DSL-Protokoll in seinen Hybridkabeln auch nach weit über fünf Millionen Zyklen noch einwandfrei funktioniert. Die nach eigenen Angaben hohe Haltbarkeit und Zuverlässigkeit haben mittlerweile auch einige Maschinenbauer bestätigt. Einige 100 Kilometer Hybridleitungen von Helukabel sollen nach Aussage des Herstellers inzwischen weltweit in den unterschiedlichsten Anwendungen erfolgreich im Einsatz sein.
Einkabeltechnologie OCT
Wie sehr die Wahl der passenden Spezialkabel bei der Einführung der Einkabeltechnologie von Bedeutung ist, zeigt das Beispiel der Firma IMA Klessmann. Der Hersteller von Maschinen und Fertigungsstraßen für die Holzbearbeitung in der Möbelindustrie beschäftigt weltweit rund 900 Mitarbeiter. Seit Anfang 2015 verwendet das Unternehmen bei seinen Bohrsystemen und komplexen Fertigungsmaschinen zur CNC-Bearbeitung die Einkabeltechnik OCT (One Cable Technology) von Beckhoff Automation.
Mit den für hochdynamische Schleppkettenanwendungen intensiv getesteten Topserv-Hybridkabeln für Servomotoren von Helukabel war der Maschinenbauer bei der Umstellung gut beraten, wie Marcel Sulewski, Teamleiter im Elektro-Einkauf bei IMA bestätigt: „Die Kabel haben sich mittlerweile in vielen unserer Imagic-Bohrsysteme bewährt, trotz hoher mechanischer Dauerbeanspruchung wie enge Biegeradien und hohe Biegewechselzyklen in den Schleppketten. Nicht zu unterschätzen ist zudem der Abrieb durch Holzstaub.“ Die Bohrmaschinen von IMA werden in der Möbelindustrie eingesetzt – stationär oder als Durchlaufmaschinen. Bei Durchlaufgeschwindigkeiten von rund 30 Metern pro Minute bringen mehrere Bohrer gleichzeitig horizontale und vertikale Bohrungen in die Werkstücke ein, aus denen später etwa Wohn-, Schlaf- oder Büromöbel zusammengesetzt werden. Bis zu 90 Achsen können bei einer solchen Anwendung im Spiel sein.
Schirmung für EMV-Schutz
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 auf der 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 Praxiseinsatz. Umso wichtiger war es, dass Helukabel durch eigene 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 bei Robotern, Werkzeugmaschinen oder Handling-Systemen. Eine verringerte Schirmwirkung führt in der Summe schlimmstenfalls dazu, dass Gebersignale unlesbar werden. Die Wahl eines ungeeigneten Kabels kann sich so vielleicht erst Monate nach der Inbetriebnahme einer Maschine zeigen.
Es bedarf also einiger Maßnahmen für solche dynamischen Anwendungen, um eine dauerhafte und zuverlässige Schirmung zu 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 auch eine bessere Elastizität und damit eine Reduzierung der Zugkräfte erreicht. Bei Hybridkabeln kommen neben den Geflechtschirmen auch metallbedampfte Spezialvliese zum Einsatz.
Installationsaufwand 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 30 Meter abgesetzt vom Schaltschrank ein. Die ersten Maschinen sind nun seit über einem Jahr beim Kunden erfolgreich im Einsatz. Sulewski sagt: „Auch bei mehreren Millionen Zyklen gab es meines Wissens noch keinen Ausfall.“
