Datenübertragung in Baumaschinen

Schleifringübertrager mit höchster Verlässlichkeit

Detailansicht der robusten Schleifringübertrager speziell für Baumaschinen inkl. Encoder (PresseBox) ( Antweiler, )
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Einführung

In vielen Baumaschinen und Krananwendungen werden seit Jahrzenten Schleifringübertrager der Moog Rekofa erfolgreich eingesetzt. Diese übertragen zuverlässig Strom, Daten, Signale sowie Medien vom Stator zum Rotor der Maschine. Dadurch können sich Mobil-, bzw. Kettenbagger und Krane ohne Rotationseinschränkung, wie z. B. durch eine Schleppkette, endlos drehen. Die Maschinenanwender haben einen völlig freien Arbeitsradius und können die Produktivität steigern.

Da die Bandbreiten in der Kommunikation stetig vergrößert werden, ist es wichtig Schleifringtechnologien einzusetzen, die Hochgeschwindigkeitsdaten auch in rauen Umgebungen zuverlässig weiter geben. Heute könnten Datengeschwindigkeiten von >1 Gigabit/s über die gesamte Lebenszeit einer Maschine verlässlich übertragen werden. Dazu bieten Schleifringe eine umfassende Systemverlässlichkeit, welche die Spannungsversorgung sicher stellt und z.B. auch Encoder-Signale an den endlos rotierenden Part übergibt.

Geeignete Kontaktmaterialien und Kontaktdesign

Bei der Datenübertragung mit hohen Bitraten haben die Kontaktmaterialien einen erheblichen Einfluss auf die Datenqualität. Daher setzt Moog seit Jahren auf Kontakte aus Edelmetallen. Diese nicht-reaktiven Metalle sind korrosionsbeständig und Wirken der Oberflächenfilmbildung entgegen, womit sie einen kontinuierlich niedrigen Durchganswiderstand garantieren.

Die Stromabnehmer wurden für die Schwingungs- und Stoßbeanspruchung in Baumaschinen ausgelegt. Moog Rekofa arbeitet hier mit einem äußerst zuverlässigen und millionenfach im Einsatz befindlichen Schleifringsystem. Hierbei werden sowohl je nach Anwendung streng definierte Kontaktpaarungen eingesetzt, als auch physikalische Abstände und Abschirmungen eingehalten. Die höchst mögliche Verlässlichkeit ist das Ergebnis.

Umgebungsschutz

Schleifringe benötigen ein Schutzgehäuse, um die gleitenden elektrischen Kontakte vor Verunreinigungen aus der Umgebung zu schützen. Moog Rekofa bietet hier die Schutzklasse bis zu IP69K nach ISO20653. Sehr wichtig, denn einer der häufigsten Gründe für den Ausfall eines Schleifringübertragers kann ein Leck im Umgebungsschutz sein. Dabei würden die ungeschützten elektrischen Kontakte der Fremdverschmutzung ausgesetzt. Verunreinigungen durch Sand, Staub, Feuchtigkeit oder hydraulisches Öl können zum Ausfall der Systems führen. Die geeignete Konstruktion des Gehäuses ist für die Datenübertragung also genauso wichtig, wie die Konstruktion der elektrischen Kontakte und die Oberflächengüte der Schleifbahnen. Die Schleifringübertrager für Baumaschinen der Moog Rekofa werden daher im hauseigenen Labor u.a. Klima- und Vibrationstest unterzogen. Die kritischen Prüfmerkmale des Gehäuses umfassen folgende Eigenschaften:

 
  • Ein Gehäuse, dass robust und steif ist, aber nicht übermäßig schwer und resistent gegen Korrosion
  • Umgebungsfeste Abdichtungen gemäß dem geltenden IP-Standard, abhängig von der Betriebsumgebung
  • Wartungsfreie Lagerkonstruktion, um allen Umgebungsanforderungen gerecht zu werden
  • Temperatureinsatzbereich von -40 °C bis +100 °C und einen Feuchtigkeitsbereich von 0 und 100 % relative Luftfeuchtigkeit
  • Das Gehäuse muss den Stoß- und Vibrationsanforderungen, die von Baumaschinen ausgehen, standhalten
  • Eine geeignete, Anwendungsspezifische elektromagnetische Abschirmung, welche ebenfalls im Prüflabor getestet wird

Kommunikations- (Daten-) Protokolle

Es gibt eine breite Palette von Protokollen oder Formaten, die für die Kommunikation zwischen elektrischen Geräten, Anlagen und Bauteilen verwendet werden. In Baumaschinen ist die Datenübertragung eines auf CAN-Bus (Controller Area Network) basierenden Protokolls sehr häufig. Mit einer maximalen Datenübertragungsrate von 1 Mbit/s, werden die Daten differenziell über symmetrische Twisted-Pair-Kabel übertragen, woraus es auch seine hohe Störfestigkeit und Fehlertoleranz bezieht. Die Nennimpedanz der Leitungen bei CAN beträgt 120 Ohm und die Schleifringübertrager der Moog Rekofa werden unter Betrachtung dieses Wertes konstruiert. Verschiedene mehrpolige Steckverbinder können als Schnittstelle für die CAN-Kanäle eingesetzt werden. Die Schleifringübertrager von Moog übertragen CAN-Daten zuverlässig mit einer BFH größer als 10-12. Das gleiche gilt für alle Feldbusprotokolle mit einer Datenrate von 10 Mbit/s oder niedriger (RS 485, RS 422, Profibus™, etc.).

Wenn die maximale Signalrate von CAN mit 1 Mbit/s nicht ausreicht oder wenn eine vollständig vernetzte Gesamtlösung notwendig ist, wird in den meisten Fällen Ethernet eingesetzt. Sowohl 100 BaseT (Fast Ethernet), als auch 1000 BaseT (Gigabit-Ethernet) können über Schleifringübertrager aus dem Hause Moog Rekofa übertragen werden. Sie entsprechen den Spezifikationsanforderungen in den Bereichen Überlagerung, Einfügungsdämpfung, Rückflussdämpfung und Signal/Rauschabstand. Bei extremen EMV-Belastungen werden spezielle Gehäuse eingesetzt, es kann aber auch auf eine berührungslose Datenübertragung zurückgegriffen werden.

Auch Videosignale setzen sich bei Baumaschinen immer häufiger durch: Als Sicherheitsaspekt, um die Produktivität zu erhöhen oder im Falle von fernbedienter Ausrüstung. Schleifringe von Moog Rekofa können analoge und digitale Bildinhalte verlässlich übertragen. Dabei wurden die Schleifringe so konstruiert, dass sie Überlagerungen von "störenden" Schaltkreisen minimieren und eine Abschirmung für den gesamten Schleifring erzeugen. Seit vielen Jahren wird diese Technik zum Beispiel in Drehleiter-Fahrzeugen der Feuerwehr, oder beispielsweise Scheibenklebeanlagen in der PKW-Produktion eingesetzt. In diesen Anwendungen auch mit Diagnosefunktion des Datenbus (z.B. Profinet/Ethernet).

Fazit

Hochgeschwindigkeitskommunikation, Datenprotokolle und Erschütterungen bei Baumaschinen stellen hohe Anforderungen an Schleifringübertrager. Diese müssen konstruktionsseitig für niedere Hochfrequenzen und Kontaktstörungen/Kontaktrauschen in rauen Umgebungen ausgelegt sein. Die erfolgreiche Datenübertragung mit niedriger BFH bedeutet für Schleifringe, dass geeignete Kontaktmaterialen gewählt werden und gegen Umwelteinflüsse geschützt sein müssen. All dies entwickelt und vertreibt Moog Rekofa seit Jahrzehnten für einen globalen Kundenkreis.

©2019 Moog, Inc. / Moog Rekofa GmbH

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