Servotecnica Slip Ring Spotlights: Integration von Schleifringen in Ihre Anwendung mit Riccardo Francazi

Willkommen zurück bei den Servotecnica Slip Ring Spotlights, unserer Interviewserie, die einen Blick hinter die Kulissen jener Menschen bietet, die bei Servotecnica die Innovation in der Schleifringtechnologie vorantreiben. In dieser Ausgabe sprechen wir mit Riccardo Francazi, Leiter des Forschungs- und Entwicklungsteams bei Servotecnica, darüber, was es wirklich bedeutet, einen Schleifring in eine Maschine zu integrieren und warum die in dieser Phase getroffenen Entscheidungen alles Weitere bestimmen.

F: Riccardo, vielen Dank, dass Sie sich die Zeit genommen haben. Können Sie uns etwas über Ihren Werdegang und Ihre Rolle bei Servotecnica erzählen?

Natürlich. Ich bin jetzt seit elf Jahren bei Servotecnica, beginnend als Applikationsingenieur, bevor ich in meine aktuelle Rolle als Leiter des F&E-Teams gewechselt bin. Dieser Weg war sehr wertvoll, da ich mehrere Jahre lang direkt mit Kunden an Applikationsentwicklung und Integrationsfragen gearbeitet habe, bevor ich mich auf die Produktseite verlagert habe. Das bedeutet, dass ich beide Perspektiven recht gut verstehe.

Mein Alltag umfasst heute die Steuerung der Entwicklung neuer Lösungen, aber Integrationsfragen landen weiterhin regelmäßig auf meinem Schreibtisch. Je früher wir in den Designprozess eines Kunden eingebunden werden, desto besser ist das Ergebnis; und daran hat sich nichts geändert, unabhängig davon, auf welcher Seite des Tisches ich sitze.

F: Wenn Kunden mit einer Integrationsfrage zu Ihnen kommen, was steht in der Regel im Mittelpunkt dieses Gesprächs?

Meistens wissen sie bereits, dass sie einen Schleifring benötigen. Was sie herausfinden wollen, ist, wo er hinpasst und wie er sich verhält, sobald er sich in der Maschine befindet. Das sind zwei sehr unterschiedliche Probleme, und beide sind wichtig.

Das erste ist eine mechanische Frage: Wie sitzt der Schleifring innerhalb der Gesamtgeometrie, wie wird er montiert, wie interagiert er mit der Welle, dem Rahmen und den umliegenden Komponenten? Das zweite ist eine systemweite Frage: Wie fließt Strom durch ihn, welche Signale werden über die rotierende Schnittstelle übertragen, und was passiert mit der Signalqualität und Zuverlässigkeit unter realen Betriebsbedingungen?

Wenn beide Fragen gemeinsam, frühzeitig und mit den richtigen Informationen beantwortet werden, verläuft die Integration in der Regel reibungslos. Wenn sie getrennt oder erst am Ende behandelt werden, beginnen wir Probleme zu sehen.

F: Welche häufigsten Integrationsfehler beobachten Sie in der Praxis?

Der häufigste Fehler ist, den Schleifring als letztes zu spezifizierendes Bauteil zu behandeln. Die Maschine wird entworfen, die rotierende Struktur wird definiert, die elektrische Architektur wird festgelegt, und dann stellt jemand fest, dass ein Schleifring in einen Raum passen muss, der nie wirklich dafür vorgesehen war.

Zu diesem Zeitpunkt sind die Einschränkungen bereits festgelegt. Man versucht, eine Lösung in eine Hülle zu zwängen, die nie mit dem Schleifring im Sinn geplant wurde. Das führt häufig zu Kompromissen: eine Einheit, die nicht ganz die richtige Geometrie hat, oder eine Montageanordnung, die für die langfristige Zuverlässigkeit nicht ideal ist.

Der zweite Fehler ist das Mischen von Signaltypen ohne einen Plan. Ingenieure fügen manchmal Schaltkreise inkrementell hinzu (einen Leistungskanal hier, eine Sensorleitung dort, vielleicht später eine Hochgeschwindigkeits-Datenleitung) ohne darüber nachzudenken, wie diese Kanäle elektrisch zusammenwirken. Wenn Leistung und empfindliche Signale innerhalb eines Schleifringes nicht ordnungsgemäß getrennt und abgeschirmt sind, entstehen Rausch- und Störprobleme, die sehr schwer zu beheben sind, sobald das Design festgelegt ist.

Beide Probleme sind vermeidbar, erfordern aber, den Schleifring als Teil des Systems zu betrachten, nicht als Komponente, die am Ende eingesetzt werden kann.

F: Sprechen wir zunächst über die mechanische Seite. Was sind die wichtigsten Integrationsüberlegungen aus rein physischer Sicht?

Die Geometrie der Maschine ist der Ausgangspunkt. Schleifringe sind grundlegend zylindrische Komponenten, die sich um eine Achse drehen, daher lautet die erste Frage immer: Wo befindet sich diese Achse in der Maschine, und welcher Raum steht um sie herum zur Verfügung?

Wenn es eine zentrale Welle gibt, ist ein Durchgangsbohrungsschleifring oft die natürlichste Architektur. Er wird auf der Welle montiert, ermöglicht das Durchführen anderer Leitungen durch die Mitte und hält die Integration sauber. Wir arbeiten mit Durchgangsbohrungsdesigns in vielen Branchen (Robotik, Verpackung, Drehtische, Windturbinen) genau weil so viele Maschinen eine zentrale Rotationswelle haben, die zur Achse des Schleifringes werden muss.

Wenn keine Welle vorhanden ist oder die Welle sehr klein ist, könnte eine Kapseleinheit geeigneter sein. Diese sind kompakt, zylindrisch und gut für Anwendungen geeignet, bei denen die Priorität darin besteht, eine hohe Anzahl von Schaltkreisen auf kleinstem Raum unterzubringen.

Die Montage ist ein weiterer Punkt, der frühzeitig Aufmerksamkeit verdient. Wie der Schleifring an der stationären Struktur befestigt wird, beeinflusst seine Ausrichtung, seine Drehmomentsreaktion und seine langfristige Stabilität. Ein schlecht montierter Schleifring, selbst minimal fehlausgerichtet, verschleißt schneller und kann elektrisches Rauschen einführen, das nichts mit dem Bauteil selbst zu tun hat. Wir bitten immer darum, die Montageanordnung zu sehen, nicht nur die Maßhülle.

F: Und von der elektrischen Seite: Worüber sollten Ingenieure nachdenken, wenn sie Strom und Signale durch eine rotierende Schnittstelle leiten?

Das grundlegende Prinzip ist, dass ein Schleifring als Mischsignalsystem behandelt werden sollte, nicht als eine Sammlung unabhängiger Drähte, die zufällig ein Gehäuse teilen. Alles im Inneren interagiert, und die Layoutentscheidungen, die Sie treffen, bestimmen, ob diese Interaktionen harmlos oder problematisch sind.

Das Wichtigste ist zu verstehen, was Sie tatsächlich übertragen. Leistungskanäle, analoge Messleitungen, digitale Steuersignale, Hochgeschwindigkeitsdaten: Jedes dieser Elemente hat unterschiedliche Eigenschaften, unterschiedliche Empfindlichkeiten und unterschiedliche Anforderungen in Bezug auf Abschirmung und Trennung. Wenn sie alle gleichzeitig vorhanden sind, muss die interne Architektur des Schleifringes dies berücksichtigen.

Bei Servotecnica konstruieren wir Abschirmung, Erdungsstrategie und physische Kanaltrennung von Anfang an in den Schleifring, nicht als nachträgliche Maßnahme. Das Ziel ist, dass die rotierende Schnittstelle so elektrisch transparent wie möglich ist, sodass Signale auf der anderen Seite der Rotation so sauber ankommen, als gäbe es keine rotierende Schnittstelle.

Schwierigkeiten entstehen für Ingenieure, wenn sie einem bestehenden Layout weiterhin Schaltkreise hinzufügen, ohne die gesamte elektrische Architektur zu überarbeiten. Dann beginnt man von sporadischem Verhalten, Rauschen auf Sensorleitungen oder unerklärlicher Signaldegradation zu hören. Probleme, die oft dem Schleifring angelastet werden, aber tatsächlich durch das umliegende System verursacht werden.

F: Können Sie ein echtes Integrationsprojekt schildern, das veranschaulicht, wie sich diese Prinzipien in der Praxis auswirken?

Ein Projekt, das mir in den Sinn kommt, betraf ein Verpackungssystem, das mit kontinuierlich hoher Geschwindigkeit lief. Der Kunde hatte eine rotierende Baugruppe, die sowohl Strom für Heizelemente als auch Signalleitungen für die Temperaturüberwachung führen musste. Der verfügbare Platz innerhalb der rotierenden Struktur war sehr begrenzt, und die Maschine lief im Wesentlichen vierundzwanzig Stunden am Tag.

Die Herausforderung bestand nicht nur darin, den Schleifring in den Raum einzupassen. Es ging darum sicherzustellen, dass Leistungs- und Signalkanäle koexistieren können, ohne dass die Leistung die Temperaturmesswerte beeinflusst. In einer Maschine, die kontinuierlich mit hoher Geschwindigkeit läuft, wirken sich selbst kleine Rauschprobleme auf den Sensorleitungen direkt auf die Prozessqualität aus.

Wir arbeiteten von einem frühen Stadium an mit dem Kunden zusammen, um eine Lösung zu definieren, die die Leistungs- und Signalschaltkreise im Schleifring physisch trennt und eine geeignete Abschirmung verwendet. Die Montage wurde gemeinsam mit dem Maschinenrahmen konzipiert, sodass das Reaktionsdrehmoment ordnungsgemäß verwaltet wurde. Das Ergebnis war ein Schleifring, der sauber integriert war, während des gesamten Betriebszyklus wartungsfrei lief und keine Änderungen am Maschinensteuerungssystem erforderte, um elektrische Störungen zu kompensieren.

Ein solches Ergebnis ist nur möglich, wenn Integration als Designproblem und nicht als Installationsproblem behandelt wird.

F: Welche Rolle spielt die Betriebsumgebung bei der Integrationsplanung?

Eine viel größere Rolle, als die meisten Ingenieure anfangs erwarten. Die Umgebung bestimmt nicht nur, welchen Schutz der Schleifring benötigt (Abdichtung, Schutzklasse, Materialauswahl), sondern auch, wie sich der Schleifring mechanisch und elektrisch im Laufe der Zeit verhält.

Temperatur ist ein gutes Beispiel. Ein Schleifring, der in einer Umgebung mit großen Temperaturschwankungen betrieben wird, erfährt eine unterschiedliche Ausdehnung zwischen den Komponenten. Wenn dies bei der mechanischen Konstruktion und Materialauswahl nicht berücksichtigt wird, entstehen Veränderungen im Kontaktdruck, Veränderungen in der Reibung und schließlich Zuverlässigkeitsprobleme, die wie Kontaktausfälle aussehen, aber eigentlich struktureller Natur sind.

Vibration ist ein weiteres Beispiel. Viele Industriemaschinen erzeugen Vibrationen, die sich durch den Rahmen in die Schleifringmontage fortpflanzen. Wenn die Montage nicht dafür ausgelegt ist, diese Vibration zu handhaben, oder wenn der Schleifring selbst nicht für das Vibrationsniveau ausgelegt ist, verschlechtert sich die Kontaktqualität mit der Zeit. Unser Ingenieurteam fragt immer nach der Vibrationsumgebung, da es einer der Faktoren ist, der Kunden, die sich hauptsächlich auf elektrische Spezifikationen konzentrieren, am häufigsten überrascht.

Für raue Umgebungen (Reinigungsbereiche, Außeninstallationen, korrosive Atmosphären) wird die Auswahl der Abdichtung und des Gehäuses entscheidend. Servotecnica produziert IP65-bewertete Einheiten genau für diese Bedingungen, und wir haben Erfahrung mit Edelstahlgehäusen und speziellen Oberflächenbehandlungen, wo chemische Exposition ein Problem darstellt. Aber die Schutzklasse muss in der Designphase festgelegt werden, nicht nachträglich hinzugefügt.

F: Was ist Ihr wichtigster Ratschlag für Ingenieure, die ein Schleifring-Integrationsprojekt beginnen?

Beginnen Sie das Gespräch frühzeitig und bringen Sie das vollständige Bild mit.

Wenn ein Kunde zu uns kommt mit einer vollständigen Beschreibung seiner Anwendung (der mechanischen Geometrie, den elektrischen Anforderungen, der Betriebsumgebung, dem Arbeitszyklus, den Wartungszugangsbeschränkungen) können wir eine Lösung bereitstellen, die tatsächlich zur Maschine passt, anstatt eine, die umgangen werden muss.

Je mehr Details wir im Voraus haben, desto weniger Kompromisse sind notwendig. Und bei der Integration haben Kompromisse die Eigenschaft, sich anzuhäufen: eine etwas ungünstige Montage führt zu schnellerem Verschleiß, schnellerer Verschleiß führt zu unerwarteten Ausfallzeiten, unerwartete Ausfallzeiten führen zu Wartungseingriffen, die nie geplant waren.

Der Schleifring sollte eine ermöglichende Komponente sein, das Teil, das kontinuierliche Rotation möglich macht, ohne die Möglichkeiten der Maschine einzuschränken. Wenn die Integration von Anfang an richtig durchgeführt wird, wird er genau das. Über dreißig Jahre Erfahrung in diesem Bereich bedeuten, dass wir einer ähnlichen Herausforderung mit ziemlicher Sicherheit bereits begegnet sind, und diese Erfahrung stellen wir dem Kunden direkt zur Verfügung.