Was haben Handhabungstechnik, Werkzeugmaschinen und In-dustrieroboter gemein? In allen Applikationen sind elektrische Leitungen und Spezialkabel verbaut, die über mehrere Millionen Biegezyklen hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt sind. Zwar sind die Wechsel- und Rollen-Biegeprüfungen für Kabel standardisiert; für den Schleppkettenbereich gibt es aber keine nationalen oder internationalen Prüfspezifikationen. Stattdessen verwenden die einzelnen Hersteller ihre eigenen Werks-standards.

Um die dynamischen Eigenschafts-profile der Leitungen zu klassifizieren, hat etwa der Kabelhersteller Nexans Schleppfähigkeitsklassen von SFK 1 bis SFK 7 definiert. Sie berücksichtigen den längsten möglichen Verfahrweg, die maximal zulässige Beschleunigung und Geschwindigkeit sowie den Biegeradius. Leitungen ab der SFK 4 halten in der Regel fünf Millionen Biegungen und mehr stand. Noch höhere Be-schleunigungen beschreibt die Klasse SFK 7. Hierfür hat Nexans einen neuen Produkttyp – „Motionline“ genannt – entwickelt, dessen Servomotor-Leitungen für zehn Millionen Biegungen ausgelegt sind.

In ihrem Research Center (NRC) in Nürnberg setzt Nexans Deutschland die Kabel einer dynamischen Belastung im Dauerbetrieb aus. Innerhalb mehrerer Wochen und Monate werden – je nach Kundenforderung – bis zehn Millionen Biegungen gefahren. In der realen Anwendung wird diese hohe Zahl von Biegezyklen erst nach sehr viel längerer Zeit erreicht. Zunehmend wünschen die Anwender, dass die Kabel mit extrem hoher Belastung geprüft werden. Dazu muss eine Testanlage mit entsprechend hoher Geschwindigkeit und Beschleunigung gefahren werden.

Besondere Herausforderung: Kraft und Dynamik

Aktuell betreibt Nexans in seinem NRC vier Schleppketten-Testanlagen mit unterschiedlichen Verfahrwegen. Die 5-m-Anlage ist ein Neubau, ihr maximaler Verfahrweg lässt sich in Millimeter-Schritten festlegen. Die erzielbare Beschleunigung beträgt bis maximal 50 m/s², also 5 g. Hierbei wird eine Mas- se von 85 kg aus dem Stand innerhalb von 0,2 Sekunden auf eine Geschwindigkeit von 10 m/s beschleunigt beziehungsweise verzögert. Der maximale Verfahrweg von 5 m wird innerhalb von 0,7 Sekunden zurückgelegt.

Die kombinierte Anforderung – hohe Kraft und extreme Dynamik – löste SEW-Eurodrive durch zwei synchronisiert arbeitende Servomotoren. Die Antriebe wurden an beiden Enden des Verfahrweges montiert und sind über einen Zahnriemen mechanisch gekoppelt.

© SEW Eurodrive

Neben dem Neubau der 5-m-Anlage wurde unlängst die bestehende 13-m-Anlage umgebaut – beide auf Basis von Servotechnik aus dem Hause SEW-Eurodrive. Weil bei der 13-m-Anlage die Masse von Schleppkette und Schlitten größer sind, beschleunigt dieser Antrieb bis maximal 20 m/s². Der Verfahrweg hat Einfluss auf den Test. Grundsätzlich gelten die Zusammenhänge: längerer Verfahrweg – höhere Masse – kleinere Beschleunigungswerte.

Die kombinierte Anforderung – hohe Kraft und extreme Dynamik – wurde durch zwei synchronisiert arbeitende Servomotoren gelöst. Die Antriebe sind an den beiden Enden des Verfahrweges montiert und über einen Zahnriemen mechanisch gekoppelt. Zum Einsatz kommt das modulare Servosystem Moviaxis. Konkret werden an dem sinusförmig rückspeisefähigen Versorgungsmodul MXR80A mit einer Ausgangsnennleistung von 75 kW zwei Achsmodule vom Typ Moviaxis MXA 80A mit Nennausgangsströmen von 100 A beziehungsweise Spitzenströmen von 250 A betrieben. Für die antriebsnahe Motion Control kommt im Mastermodul eine Steuerung Movi-PLC Advanced zum Einsatz. Die anspruchsvolle Regelungsaufgabe besteht im hoch- dynamischen Drehmomentabgleich der zwei Achsen.

Weil die extrem hohen Beschleunigungswerte die Motoren sehr stark auslasten, wurden Fremdlüfter genutzt. Ab einer Beschleunigung von etwa 3 g bis 4 g sind im Steuerprogramm Verweilzeiten in der Größenordnung von Zehntelsekunden hinterlegt. Der Motor bleibt dann für kurze Zeit in einer der Endlagen der Testanlage stehen. Diese gewaltigen Beschleunigungen erfordern entsprechend hohe Einspeiseströme. Die Zuleitung der Testanlage ist mit 160 A abgesichert und hat einen Querschnitt von 5 × 70 mm2.

Die mechanische Auslegung

Das eingesetzte, modulare Servosystem besteht aus einem 75-kW-Versorgungsmodul und zwei Achsmodulen mit 100 A Nennausgangsstrom (250 A Spitzenstrom).

© SEW Eurodrive

Die gesamte Testanlage ist nahezu wartungsfrei: Die Linearführung funktioniert ohne Schmierung und die Laufrollen bestehen aus TK 1500 RMI, einem festen und schlagzähen Kunststoff, der zum Beispiel auch in Seilbahnanlagen Verwendung findet. Dabei erfolgte die mechanische Auslegung des Riemens, der eine Lebensdauer von etwa 10 000 Betriebsstunden hat, in Zusammenarbeit mit der Nürnberger Firma Roth & Co. Hier wurden zwei parallel laufende Hochleistungszahnriemen 32 ATL-20 verwendet, um die hohen Beschleunigungskräfte übertragen zu können. Außerdem können die vier Schleppketten durch die zwei außen laufenden Zahnriemen mit unterschiedlichen Massen und somit unterschiedlichen Leitungen beschickt werden. Das Verkanten des Schlittens ist somit ausgeschlossen. Durch eine übergeordnete SPS erfolgt die Steuerung der gesamten Anlage. Per Bedienpanel lassen sich die hinterlegten Testprogramme mit unterschiedlichen Wegen, Beschleunigungen und Endgeschwindigkeiten aufrufen. Im Anschluss gibt das Testpersonal von Nexans die Parameter für den jeweiligen Test in das von der Firma Käppner programmierte Ablaufprogramm ein. Da die Anwender zunehmend möchten, dass die Kabel im Test so belastet werden wie in der realen Anwendung, lassen sich die Position, Beschleunigung und Endgeschwindigkeit der einzelnen Zyklen separat einstellen. Ein Testzyklus kann 16 Po-sitionen mit frei programmierbaren Zwischenschritten sowie eigenen Beschleunigungs- und Verzögerungswerten umfassen.

Die Eingabemöglichkeit ist durch technische Vorgaben auf 50 m/s2 begrenzt, so dass dramatische Folgen durch Bedienfehler ausgeschlossen sind. Neben einem Kaltleiter zur Überwachung der Motortemperatur wird das Getriebe separat thermisch überwacht. Seine Auslastung liegt aber nur bei einem Viertel der Nennlast. Ferner de-tektiert ein Beschleunigungssensor die zulässige Maximalbeschleunigung und Lichtschranken überwachen die Schleppkette auf Bruch.

Autor: Gunthart Mau ist Referent Fachpresse bei SEW-Eurodrive, Bruchsal