Servotechnik Testanlage für Schleppketten nutzt leistungsstarke Servoantriebe

Autor / Redakteur: Reinhard Kluger / Reinhard Kluger

Es ist nur eine Testanlage für Kabel, aber eine, die Beschleunigungen wie in einem Rennwagen verkraftet. Der Maschinenbauer Käppner rüstete einen solchen Prüfstand für den Kabellieferanten Nexans mit leistungsfähiger Servotechnik von SEW-Eurodrive aus.

Firma zum Thema

Ein Zeitraffertest zeigt: Schleppketten halten die in den jeweiligen Schleppfähigkeitsklassen geforderten Biege- und Rollzyklen locker aus.
Ein Zeitraffertest zeigt: Schleppketten halten die in den jeweiligen Schleppfähigkeitsklassen geforderten Biege- und Rollzyklen locker aus.
( Archiv: Vogel Business Media )

Pfeilschnell schießt der Schlitten mit der aufgebrachten Schleppkette nach vorne, und blitzschnell wieder zurück. Immer und immer wieder katapultiert ein Zahnriemen den Schlitten hin und her, und zwar mit Beschleunigungswerten, wie sie sonst nur Rennwagen und Raketen aushalten müssen. Kräfte, die zudem auf den Zahnriemen eine Kraft ausüben, die fast so groß ist, wie sie bei der Zugspitzbahn auftritt. Im Zeitraffer unterwirft Nexans Deutschland hier in seinem Research Center (NRC) in Nürnberg auf solch einer Anlage elektrische Leitungen, Spezialkabel und Schleppketten der fünffachen Erdbeschleunigung.

Im Zeitraffer

Und so läuft der Test ab: Innerhalb mehrerer Wochen und Monate setzt Nexans die zu testenden Kabel – je nach Kundenforderung – bis 10 Millionen Biegungen aus. Reale Anwendungen erreichen diese hohe Zahl von Biegezyklen zwar erst nach sehr viel längerer Zeit. Doch zunehmend wünschen sich Kunden von Nexans, dass man die Kabel mit sehr hoher Belastung testet. Dazu muss die Anlage entsprechend hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigung fahren. Und weil die vorhandene Einrichtung nicht die geforderten Beschleunigungswerte erzielte, beschloss der Kabelhersteller einen Anlagen-Neubau.

Bildergalerie

Örtliche Nähe von Vorteil

Anfänglich gab es Überlegungen eine bereits im Konzern vorhandene Anlage zu verwenden, doch wegen der hohen technischen Anforderungen entschied sich Nexans zu einem Neubau, und zwar von der Georg Käppner e.K., Veitsbronn. Der Erstkontakt zwischen der Nexans Deutschland GmbH und dem Sondermaschinenbauer Käppner kam 2008 zustande. Viel länger besteht jedoch schon seine Geschäftsbeziehung mit SEW. Eine Zusammenarbeit, die bereits bei früheren Projekten hervorragend funktionierte. Durch sehr gute Erfahrungen mit der Beratung und dem Service wusste der Technische Leiter Alexander Käppner, dass er sich auf SEW in jeder Hinsicht verlassen kann. Daher fiel es ihm leicht, den Bruchsaler Antriebshersteller seinem Kunden Nexans als zuverlässigen Lieferanten und Servicepartner für anspruchsvolle Automatisierungsaufgaben zu empfehlen. Im Mai 2009 wurde das Lastenheft erstellt, die Auftragsvergabe erfolgte im Juli. Im Dezember 2009 schließlich war die Anlage fertig und läuft seitdem zur vollen Zufriedenheit des Betreibers. Für Nexans ist die örtliche Nähe seines Lieferanten Käppner von Vorteil, für beide Unternehmen die Nähe des Technischen Büros Nürnberg der SEW und des SEW-Service Competence Centers Süd in Kirchheim/München.

Verfahrweg beinflusst den Test

Derzeit betreibt Nexans in seinem NRC vier Schleppketten-Testanlagen mit unterschiedlichen Verfahrwegen: Die 5-m-Anlage ist ein Neubau mit SEW-Antrieben, die 13-m-Anlage rüstete Nexans selbst um. Dabei tauschte man die vorhandenen Antriebe eines anderen Herstellers durch leistungsfähige SEW-Servoantriebe aus. Der maximale Verfahrweg der Neuanlage lässt sich in Millimeter-Schritten festlegen. Erzielen lassen sich Beschleunigungen bis zu 50 m/s², also 5 g. Anschaulicher: Eine Masse von 85 kg wird aus dem Stand innerhalb von 0,2 s auf eine Geschwindigkeit von 10 m/s beschleunigt bzw. verzögert. Der maximale Verfahrweg von 5 m wird innerhalb von 0,7 s zurückgelegt. Weil bei der umgebauten 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.

Per Zahnriemen mechanisch gekoppelt

Dabei galt es, die Anforderung von Nexans – hohe Kraft und extreme Dynamik – mit zwei synchronisiert arbeitenden Servomotoren von SEW-Eurodrive zu lösen. Die Antriebe sind an den beiden Enden des Verfahrweges montiert und über einen Zahnriemen mechanisch gekoppelt. Zum Einsatz kommt das modulare Servosystem Moviaxis. An dem sinusförmig rückspeisefähigen Versorgungsmodul MXR80A mit Ausgangsnennleistung 75 kW werden zwei Achsmodule vom Typ Moviaxis MXA80A mit Nennausgangsströmen 100 A bzw. Spitzenströmen 250 A betrieben. Für die antriebsnahe Motion Control wird im Moviaxis-Mastermodul eine Steuerung Movi-PLC advanced von SEW genutzt.

Anspruchvolle Regelungsaufgabe

Die Regelungsaufgabe ist anspruchvoll, weil hochdynamisch die Drehmomente der zwei Achsen abzugleichen sind. Weil dabei die extrem hohen Beschleunigungswerte die Motoren sehr stark auslasten, sind zusätzliche Fremdlüfter eingebaut. Ab einer Beschleunigung von etwa 3 bis 4 g sind im Steuerprogramm Verweilzeiten in der Größenordnung von zehntel Sekunden 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; sie hat einen Querschnitt von 5 mm x 70 mm.

Der Schlitten verkantet nicht

Die gesamte Testanlage arbeitet nahezu wartungsfrei. Die Linearführung kommt ohne Schmierung aus. Die Laufrollen bestehen aus TK 1500 RMI, einem festen und schlagzähen Kunststoff, wie sie ihn z.B. auch Seilbahnen verwenden. Zahnriemen und die Riemenscheibe sind auf den Motor abgestimmt. Die mechanische Auslegung des Riemens, der eine Lebensdauer von etwa 10.000 Betriebsstunden hat, erfolgte in Zusammenarbeit mit Roth & Co., Nürnberg. Man verwendet zwei parallel laufende Hochleistungszahnriemen, um die hohen Beschleunigungskräfte übertragen zu können. Außerdem lassen sich die vier Schleppketten durch die zwei außen laufenden Zahnriemen mit unterschiedlichen Massen und somit unterschiedlichen Leitungen beschicken. Eine Konstruktion, die das mögliche Verkanten des Schlittens ausschließen soll.

Übergeordnete SPS

Eine übergeordnete SPS steuert die gesamte Anlage und so lassen sich per Bedienpanel die hinterlegten Testprogramme mit unterschiedlichen Wegen, Beschleunigungen und Endgeschwindigkeiten aufrufen. Ein Ablaufprogramm, das der Maschinenbauer Käppner programmiert hat. Die Praxis: Das Testpersonal von Nexans gibt die Parameter für den jeweiligen Test ein. Zunehmend möchten die Kunden, dass die Kabel im Test so belastet werden wie in der realen Anwendung. Daher lassen sich die Position, Beschleunigung und Endgeschwindigkeit der einzelnen Zyklen separat einstellen. Ein Testzyklus kann 16 Positionen mit frei programmierbaren Zwischenschritten sowie eigenen Beschleunigungs- und Verzögerungswerten umfassen.

Sensor detektiert die Beschleunigung

Die Eingabemöglichkeit ist durch technische Vorgaben auf 50 m/s² begrenzt, so dass dramatische Folgen durch Bedienfehler ausgeschlossen sind. Die thermische Belastung der Antriebstechnik ist erheblich. Deshalb sind alle Motoren fremdbelüftet. Ein Kaltleiter überwacht die Motortemperatur, das Getriebe wird separat thermisch überwacht. Dessen Auslastung liegt aber nur bei einem Viertel der Nennlast. Ferner detektiert ein Beschleunigungssensor die zulässige Maximalbeschleunigung und Lichtschranken überwachen die Schleppkette auf Bruch.

(ID:353445)