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Mess-Systemleitungen für Großbearbeitungszentren

Die Komplettbearbeitung von Großkomponenten wie Dieselmotoren, Turbinen, Generatoren oder Schiffspropellern hat zur Folge, dass die jeweiligen Bearbeitungszentren immer größer werden. Das hat auch Auswirkungen auf die Maschinentechnologie. Der Maschinenbauer dieser hoch komplexen Anlagen setzt grundsätzlich auf die neueste Steuerungsgeneration. Für sie ist eine spezielle Gesamtlösung mit einer Mess-Systemleitung entwickelt worden, die auch über sehr große Entfernungen die Signale dauerhaft sicher überträgt und für eine hohe Maschinenverfügbarkeit sorgt.

Das Unternehmen WALDRICH COBURG GmbH gehört im Großwerkzeugmaschinenbau zu den führenden Anbietern in der Welt. „Höchste Qualitätsstandards und konsequente Kundenorientierung sind unsere Leitmotive“, macht Dipl.-Ing. (TH), Thomas Bätz, Gruppenleiter Elektrokonstruktion, klar. Am Standort in Coburg werden Fräsmaschinen in horizontaler und vertikaler Bauweise, Vertikaldrehmaschinen und Schleifmaschinen gefertigt. „Wir sehen uns als zuverlässiger Partner unserer weltweiten Kunden, wenn hinsichtlich komplexer Technologien, Genauigkeiten, Zerspanungsleistung, Werkstückabmessungen und Produktivität besondere Anforderungen vorliegen.“

Die Nachfrage nach den Bearbeitungszentren steigt und steigt. Die Anzahl der Mitarbeiter ist in den letzten Jahren von 500 auf rund 850 gewachsen. Die Ausbildungsquote liegt bei rund 10 Prozent. „So sichern wir langfristig unseren Bedarf an Fachkräften.“ Um eine wirtschaftliche Teilebearbeitung zu ermöglichen, arbeiten Ingenieure, Fertigungs- und Anwendungstechniker Hand in Hand. „Wir setzen auf eine hohe Fertigungstiefe. So können wir unseren Kunden höchste Qualität garantieren“, verdeutlicht Thomas Bätz. „Alle wichtigen Komponenten wie Spindel- und Fräseinheiten werden beispielsweise vor Ort gefertigt und montiert. Selbst die komplexesten Schaltschränke entstehen bei uns im Hause.“

Mess-Systemleitung für große Übertragungslängen

Schon seit vielen Jahren kommen in den großen Bearbeitungszentren Energieketten und chainflex®-Leitungen der igus® GmbH, Köln, zum Einsatz. In kleineren Baureihen der Portalbearbeitungszentren setzt das Unternehmen auch auf vorkonfektionierte Energiezuführungen, die unter dem Namen readychain® vertrieben werden. "Unsere Kunden nutzen die Maschinen nicht selten 20-30 Jahre oder länger, wobei oftmals auch Verfügbarkeiten von mindestens 95% gefordert werden“, so der Gruppenleiter.

Foto einer Werkzeugmaschine mit der E4-Energiekette von igus®

WALDRICH COBURG-Werkzeugmaschine in der Montage. Im Vordergrund: Eine E4-Energiekette von igus® versorgt den beweglichen Maschinentisch mit Signalen und Medien.

 
Foto der beteiligten Personen

Oliver Köhler, Andreas Muckes (beide igus® GmbH), Thomas Bätz, Thomas Bischoff (beide WALDRICH COBURG GmbH).

 

„Aus diesem Grund müssen auch alle Komponenten unter allen Umständen dauerhaft einwandfrei funktionieren“, bringt der Gruppenleiter das hohe Anforderungsprofil auf den Punkt. „Und hier haben wir über die Jahre mit den chainflex®-Leitungen von igus® die besten Erfahrungen gemacht.“

Im Jahr 2010 hat sich der Spezialist für große Bearbeitungszentren entschlossen, in seinen Maschinen auf eine neue Steuerungstechnologie zu setzen. Die moderne Steuerung ist mit der offenen Geberschnittstelle Drive-Cliq ausgestattet. Es handelt sich um ein antriebsinternes Interface, das die Verkopplung von Komponenten unterschiedlicher Hersteller ermöglicht und das Messsystem-Signal sicher in Echtzeit überträgt. Der Umstieg erforderte auch neue Mess-Systemleitungen. Da die Coburger Maschinenbauer in den Energieketten ihrer Maschinen bereits in der Vergangenheit mit der Leitungsfamilie CF113.D sehr gute Erfahrungen machen konnten, fiel die Wahl zur Anbindung der Drive-Cliq-Systeme auf CF113.028.D, eine Leitung, die speziell für diese Schnittstelle entwickelt wurde.

Es geht in den Bearbeitungszentren darum, Leitungen, Stecker und die Anzahl der Trennstellen entsprechend auszulegen. „Das macht es kompliziert“, so Thomas Bischoff aus der Abteilung Elektrokonstruktion. „Jede Trennstelle ist für das Signal ein Hindernis. Dementsprechend wird die Länge, die der Steuerungshersteller vorgibt, mit jeder Trennstelle zusätzlich begrenzt.“

CF113.D-Leitungen verfügen über einen PUR-Mantel. Im Hinblick auf den Einsatz in Energieketten bieten sie einen optimierten Verseilungs- und Schirmaufbau für eine längere Lebensdauer. Neben Halogenfreiheit und Flammwidrigkeit erfüllt sie weitere wichtige Kriterien der Werkzeugmaschinenhersteller, dazu zählen auch Zulassungen nach UL und NFPA79.2012.

chainflex®-Mess-Systemleitungen sind für mittlere bis hohe Beanspruchungen erhältlich. Sie werden grundsätzlich mit vielen Millionen Zyklen in Energieketten getestet. Es stehen PVC-, PUR- und TPE-Mess-Systemleitungen für Systeme aller namhaften Hersteller weltweit zur Auswahl. Die Leitungen sind je nach Typ flammwidrig, kühlmittel- und ölbeständig, können bei hohen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen eingesetzt und erfüllen die unterschiedlichen Vorgaben der Antriebstechnik-Hersteller. Damit ist für nahzu jeden Antriebshersteller die passend abgestimmte Leitung auf Lager.

Wachsende Signalstrecken

Zunächst sind die technischen Vorgaben des Steuerungsherstellers eingehalten worden. „Wir haben allerdings schnell erkannt, dass die Leitungslängen bei unseren großen Maschinen nicht ausreichen. Und das ist auch einfach zu erklären. Gibt der Steuerungshersteller in seinen technischen Daten vor, dass ein Messsystemsignal über max. 50 m übertragen werden kann, stoßen wir schnell an Grenzen, da bei unseren großen Maschinen bis zu 100 m Länge zu überwinden sind“, macht Thomas Bätz klar.

Es geht in den Bearbeitungszentren darum, Leitungen, Stecker und die Anzahl der Trennstellen entsprechend auszulegen. „Das macht es kompliziert“, so Thomas Bischoff aus der Abteilung Elektrokonstruktion. „Jede Trennstelle ist für das Signal ein Hindernis. Dementsprechend wird die Länge, die der Steuerungshersteller vorgibt, mit jeder Trennstelle zusätzlich begrenzt.“

Foto der Steckverbinder und Mess-Systemleitung für große Bearbeitungszentren.

Steckverbinder und Mess-Systemleitung für große Bearbeitungszentren.

 
Foto eines Lagers mit einer Vielzahl von chainflex®-Leitungen.

Auf Lager liegen in Coburg eine Vielzahl von chainflex®-Leitungen.

 

Dazu kommt, dass der Maschinenbauer garantieren muss, dass auch bei seinen High-Tech-Maschinen jede Einzelkomponente schnell ein- und ausgebaut werden muss. „Aus diesem Grund gibt es viele Trennstellen und dementsprechend schrumpft die vom Steuerungshersteller angegebene Signalstrecke.“

Hinzu kommt, dass die Leitungen die Dauerbewegung in den Energieketten und die teilweise rauen Umgebungsbedingungen der Metallbearbeitung ohne Schäden überstehen müssen. Dazu Thomas Bischoff: „Leitung und Stecker müssen robust sein und den mechanischen, elektrischen und chemischen Anforderungen genügen. Dazu müssen sie in der Fertigung einfach verarbeitet werden können, ohne dass zusätzliche Spezialwerkzeuge angeschafft werden. Außerdem wollten wir möglichst auf das gewohnte Leitungs- und Steckermaterial zurückgreifen, um keine Probleme bei der Umstellung zu bekommen.“

Vielfältige Tests im Vorfeld

Um eine Lösung präsentieren zu können, geht es nicht nur um die Funktionsfähigkeit einer Leitung, sondern auch um die Anzahl und Beschaffenheit der einzelnen Steckstellen. „Das kann erst einmal keine Standardkonfektion aus dem Katalog sein“, macht der igus® -Produktmanager, Andreas Muckes, klar. „Wir sind ganz tief ins Detail gegangen, ehe wir die entsprechende Lösung qualifiziert haben.“ Im eigenen Versuchslabor in Köln sind Testreihen aufgebaut worden, um die optimierte Verbindungslösung zu finden. Anschließend gingen die Leitungen zum Anwender, der sie an eine Originalsteuerung angeschlossen hat. Hier sind realistische Maschinenbelastungen simuliert worden, um das gefundene Leitungskonzept auf seine Alltagstauglichkeit zu prüfen.

Der große Aufwand führte letztendlich zum gewünschten Ergebnis: Heute zeigen die Mess-Systemleitungen in allen Bearbeitungszentren mit der neuen Steuerungsgeneration ihre Leistungsfähigkeit – auch beim Nachrüsten älterer Maschinen. Sie haben von Anfang an einwandfrei funktioniert. Ein großer Vorteil für die Montage ist, dass die bekannten M23-Rundsteckverbinder als Standardkomponenten verwendet werden können.

„Die Ergebnisse überzeugen. Die Haltbarkeit und die Signalqualität stimmen. Eine Gesamtleitungslänge von 90 bis 100 m ist zurzeit problemlos realisierbar, aber es sind auch 120 m denkbar“, so Thomas Bätz. Dazu kommen im Maximum fünf Verbindungsstellen. „Mit dieser Stecker-/Leitungskombination realisieren wir extrem niedrige Dämpfungseigenschaften. Sie liegen um ein Vielfaches geringer als beim Original des Steuerungsherstellers“, ergänzt Thomas Bischoff.

Sieben Grundelemente haltbarer Leitungen chainflex®-Leitungen verhindern Leitungsausfälle in Energieketten-Anwendungen. Dafür hat igus® die Leitungen mit sieben konstruktiven Kniffen vorbereitet: Sie bestehen aus einem zugfesten Kernelement, dass den Verseilverbund im Leitungsinneren stabilisiert und somit Korkenzieher und Aderbrüche vermeidet. Eine besondere Kupferlitze verhindert Aderbrüche und sorgt dadurch für Langlebigkeit bei dauerhafter Bewegung auch bei kleinen Biegeradien. Die Litze wird für jede Anforderung angepasst. Im Messsystembereich beispielsweise existieren viele unterschiedliche Querschnitte. Für jede Anwendung wird deshalb der Querschnitt maßgeschneidert, der das beste Ergebnis erzielt.

Zur Aderisolation werden nur hochwertige Werkstoffe eingesetzt, die sich in millionenfachen Adernkilometern in Energieketten-Anwendungen bewährt haben. Eine Bündelverseilung stärkt das Ader-Verseilgebilde und entlastet sie im Radius aufgrund geringerer Zug-/Druckbeanspruchung. Auch so werden Korkenzieher und Aderbrüche vermieden. Der zwickelfüllend extrudierte Innenmantel stützt den Verseilverbund nachhaltig von außen. Ein Gesamtschirm mit optimiertem Schirmgeflecht vermeidet Schirmbruch und erhöht deutlich die EMV-Eigenschaften einer Leitung. Die engen Flechtwinkel und Umlegungen oder Paarschirme beeinflussen die Signaltragweite, also wie störempfindlich das Signal nach welcher Anzahl von Metern wird.

Dazu kommt der hoch abriebfeste, mit Druck extrudierte Außenmantel zum Fixieren des Schirmgeflechts. Er sorgt für minimierten Abrieb in der Energiekette und damit nachweislich für eine längere Lebensdauer auch bei hohen dynamischen Belastungen.

In einer Messsystemleitung ist die Adernquerschnitts- kombination vom Hersteller des Messsystems bzw. der Steuerung vorgegeben.

Foto der Mess-Systemleitung für neue Steuerungsgeneration.

Mess-Systemleitung für neue Steuerungsgeneration.

 
Foto von chainflex®-Leitungen von igus®  in Energieketten

chainflex®-Leitungen von igus® in Energieketten. Sie halten allen thermischen, chemischen und elektrischen Anforderungen stand.

 
Foto des dichten Schirmkonzeptes mit engem Flechtwinkel und engen Umlegungen

Dichtes Schirmkonzept mit engem Flechtwinkel und engen Umlegungen. Es hat Auswirkungen auf die Robustheit der Leitung.

 

Das bedeutet, dass die Anzahl der Adern einer bestimmten Größe, die miteinander verseilt sind, und die elektrischen kapazitiven Signaleigenschaften direkt voneinander abhängen. Es existiert keinerlei Spielraum. „Hier einen Mittelweg zu finden, um einerseits die erforderlichen elektrischen Eigenschaften und die nötige Haltbarkeit zu realisieren, bedarf vielfältiger Erfahrungen, die wir in dieser und einer Vielzahl von anderen Anwendungen einbringen konnten“, so Andreas Muckes.

Komplette Lagerbestände

Mess-Systemleitungen werden grundsätzlich auf das jeweilige Messsystem der unterschiedlichen Anbieter abgestimmt. Sie müssen dauerhaft funktionieren. „Unsere Anforderungen an Robustheit gegen äußere Einflüsse und Stabilität sind von Anfang an erfüllt worden“, verdeutlicht noch einmal Thomas Bischoff. „Voraussetzung dafür ist die enge und gute Zusammenarbeit im Entwicklungsprozess.“

WALDRICH COBURG setzt in seinen Bearbeitungszentren ausschließlich auf die unterschiedlichsten chainflex®-Leitungen, die lange Maschinenlaufzeiten garantieren. Sie müssen ab Lager verfügbar sein. „Auch hier haben wir keinerlei Probleme zu verzeichnen“, sagt abschließend Thomas Bätz. „Engpässe kommen nicht vor, so dass bei Bedarf auch schnelle Reaktionszeiten möglich sind.“

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