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Dünne Leitungen für Leichtbauroboter

01  Kompakte Roboter, wie der Racer von Comau, kommen immer häufiger in industriellen Anwendungen zum Einsatz. Die Anforderungen an die in ihnen verbauten Komponenten, wie Kabel, steigen dadurch an

01 Kompakte Roboter, wie der Racer von Comau, kommen immer häufiger in industriellen Anwendungen zum Einsatz. Die Anforderungen an die in ihnen verbauten Komponenten, wie Kabel, steigen dadurch an

02  Auf der letztjährigen Hannover Messe konnten sich  Besucher des Lapp-Messestands von der Treffsicherheit des Basketball spielenden Racer überzeugen

02 Auf der letztjährigen Hannover Messe konnten sich Besucher des Lapp-Messestands von der Treffsicherheit des Basketball spielenden Racer überzeugen

03  Um die Isolation bei Datenleitungen zu verbessern, wird Isolationsmaterial beim Extrusionprozess  aufgeschäumt

03 Um die Isolation bei Datenleitungen zu verbessern, wird Isolationsmaterial beim Extrusionprozess aufgeschäumt

In der Industrie erschließen sich Kompakt- und Leichtbauroboter immer neue Anwendungsfelder und lösen teilweise ihre großen Brüder ab. Ihre kompaktere Bauform hat zugleich zur Folge, dass auch die Anbieter von Verbindungslösungen ihre Leitungen und Steckverbinder abspecken müssen. Lapp hat diesen Weg bereits beschritten und weiß, worauf es dabei ankommt.
In Fabrikhallen halten immer mehr Kompakt- und Leichtbauroboter (LBR), wie der Racer von Comau (Bild 1 und 2), Einzug. Sie haben den Vorteil, dass sie schnell für neue Aufgaben „anlernbar“ sind, etwa durch manuelles Führen mit der Hand. Vorreiter ist die Automobilindustrie, die bereits Roboter testet, die auf Bearbeitungsstationen durch die Fabrik fahren und sich ihre Arbeit selbst suchen. Solche Roboter könnten Autos eines Tages von innen nach außen bauen, und zwar in Losgröße 1, also jedes einzelne Endprodukt individuell auf Kundenwunsch.
Leitungen im Arm integriert
Was sich für viele noch wie Zukunftsmusik anhört, hält heute schon Einzug in die Fabriken. Die Roboterhersteller müssen auf diesen Trend reagieren. Das betrifft auch die Verkabelung: Kompakte und leichte Roboter brauchen wie ihre großen Brüder Leitungen, welche die Antriebe mit Energie versorgen, Greifer öffnen und schließen sowie Daten von Sensoren und Kameras übermitteln. Gleichzeitig sollen die Leitungen platz- und gewichtsparend sein. Beim Vergleich eines großen Industrieroboters mit einem LBR fällt eines sofort ins Auge: Die Leitungen sind teilweise oder vollständig im Inneren des Arms verlegt. Das macht die Verkabelung allerdings schwieriger. Beispiel Biegeradien: Werden die Leitungen im Inneren des Arms verlegt, laufen sie enger um die Achsen, sie werden fast schon geknickt. Das bedeutet, dass die Anforderungen an die Leitungen noch steigen, gleichzeitig sollen sie viele Millionen Bewegungszyklen mit Biegung und Torsion aushalten.
Am Kupfer nicht sparen
Die Hersteller von Verbindungssystemen haben einige Stellhebel, um Leitungen kompakter und sogar noch robuster zu machen, etwa damit sie engere Biegeradien aushalten. Beim Leiter besteht wenig Spielraum, denn der Leistungsbedarf der Servomotoren bestimmt, wie dick der Leiter sein muss. Doch weil die Motoren kleiner und die Leistungen geringer werden, benötigen die Motoren weniger Strom und damit geringere Leiterquerschnitte. Doch immer wieder findet man Servoleitungen, die überdimensioniert sind, weil der Konstrukteur aus alter Gewohnheit die gleichen Leitungen verwendet wie in größeren Robotern. Das Prinzip „Viel hilft viel“ ist auch bei Datenleitungen verbreitet und nicht immer sinnvoll. Wenn nur wenige Sensoren mit einfachen binären Signalen wie Positionssensorik abgefragt werden sollen, dann ist keine schnelle Cat.-6A -Ethernet-Leitung notwendig – eine Cat.-5-Leitung reicht in solchen Fällen völlig aus.
Allerdings wird auch bei optimaler Auswahl der Komponenten der Platz oft knapp. Dann ist das Know-how der Kabelhersteller gefragt. Auch bei der Fertigung der Leitungen gibt es Potenzial zum Abspecken:
Isolation: Hier ist eine niedrige Kapazität wichtig. Sie wird durch den Abstand der Adern zueinander und das isolierende Material dazwischen, das sogenannte Dielektrikum, bestimmt. Als Isolationsmaterial mit niedriger Dielektrizitätskonstante hat sich Polyethylen (PE) bewährt. Bei hochwertigen Datenleitungen wird das PE beim Extrudieren aufgeschäumt (Bild 3). Durch die Regelung der dabei eingebrachten Gasmenge können Eigenschaften, wie Kapazität oder Impedanz, exakt eingestellt werden. Durch gute Abstimmung der Isolationsdicke und Gasmenge lässt sich eine dünnere Leitung fertigen.
Schlaglänge: Beim Verseilen der Kupferlitzen werden die feinen Metalldrähte verdrillt, um die Flexibilität zu verbessern. Würden alle Litzen und alle Adern parallel verlaufen, so würden bei jeder Biegung des Kabels die außen liegenden Kupferdrähte gedehnt und die innen liegenden gestaucht, das Kabel würde dadurch starr. Dicke und Flexibilität steuert man durch die Schlaglänge, die Distanz für einen Umlauf der Verdrillung. Ist sie länger und damit die Verdrillung geringer, fällt das Kabel dünner aus. Lapp hat für einen Hersteller von Kompaktrobotern Adern zur Leistungsübertragung mit größerer Schlaglänge entwickelt, die dennoch biegsam sind. Bei Datenleitungen kommt noch hinzu, dass eine paarweise Verseilung der Adern die Störfestigkeit der Datenübertragung verbessert.
Verseilung: In der klassischen Robotik werden Steuersignale, Energie für die Servomotoren sowie Informationen einfacher Sensoren häufig noch per Einzelverdrahtung übertragen. Für schnellere Verbindungen, wenn größere Datenmengen anfallen, kommt zunehmend serielle Verkabelung zum Einsatz, in der Regel über Ethernet-Cat.-5-Leitungen mit Datenraten von bis zu 100 Mbit/s. Die Informationen laufen darin über vier Adern, die für kompakte Roboter als Sternvierer aufgebaut sind. Die beiden Aderpaare sind im Inneren des Mantels so verseilt, dass sie im Vergleich zur normalen paarweisen Verseilung weniger Platz beanspruchen – der Durchmesser kann so um 40 % geringer ausfallen – und dennoch jahrelange Bewegungen, wie Biegung und Torsion, aushalten.
Große Datenübertragungsraten erfordern spezielle Verseilung
Wenn der Roboter allerdings viele Sensoren oder gar eine hochauflösende Kamera trägt, etwa zur Erkennung von Teilen oder zur Qualitätskontrolle, dann reicht eine Sternvierer-Leitung mit nur vier Adern nicht aus. Dann kommen Ethernet-Leitungen nach Cat. 66A mit bis zu 10 Gbit/s zum Einsatz. Sie enthalten acht Adern, die als Paare verseilt sind, und dann werden noch die vier Paare miteinander verseilt. Das spart so gut wie möglich Platz, dennoch ist der Platzbedarf natürlich größer als beim Sternvierer. Wird die Leitung stark bewegt – und das ist in der Robotik unumgänglich – müssen die vier Aderpaare auseinandergehalten werden, damit sie sich auch beim Biegen nicht berühren. Dazu dient ein Kunststoffkern mit Kreuzquerschnitt, der mitverseilt wird. Er sorgt dafür, dass die Aderpaare bei Bewegung nicht die Position verändern und er reduziert das Nebensprechen zwischen den Aderpaaren.
Vorteile und Einsatzschwerpunkte von Lichtwellenleitern
Lichtwellenleiter sind in der Robotik bisher eine Nischentechnologie. Bei Anwendungen, die sehr hohe Datenraten erfordern, können sie eine Alternative sein. Doch die hohen Datenraten sind meist nicht der Grund, warum sie zum Einsatz kommen, denn Kupferkabel reichen in der Praxis vielfach aus. Wenn allerdings in der Nähe starke und impulsartige Ströme fließen, wie in der Nähe von Schweißrobotern, kann das die Datenübertragung über elektrische Leitungen stören und zu Ausfällen führen. Die Annahme, Lichtwellenleiter seien für bewegte Anwendungen nicht geeignet, stimmt so nicht. Sowohl Fasern aus Glas als auch aus Kunststoff sind flexibel genug, wobei man natürlich die Mindestbiegeradien beachten muss. Bei kleinen Robotern kann das ein limitierender Faktor für den Einsatz von Glasfasern sein. Dann sind Kunststofffasern die bessere Wahl, wobei diese mit Bandbreiten bis 100 Mbit/s wiederum nicht schneller sind als Standarddatenleitungen aus Kupfer.
Auch Steckverbinder kompakter
Dünne Leitungen für Kompaktroboter benötigen kleinere Steckverbinder – und flexibel einsetzbare. Wird zum Beispiel ein Roboter mit einer Kamera zur Qualitätsinspektion nachgerüstet, sollte die Erweiterung auch im Steckverbinder leicht möglich sein. Die Lösung sind modulare Steckverbinder, etwa das Steckersystem Epic MH von Lapp. Es lässt sich modular für Leitungen unterschiedlicher Funktionen bestücken und nimmt beliebige Steckermodule für Energie, Signale und Daten auf. Kommt eine Funktion hinzu, wird ein weiteres Modul eingesetzt oder ein anderes ersetzt. Davon profitieren insbesondere Branchen, die sich aktuell in großem Maßstab industrialisieren, zum Beispiel die Lebensmittelbranche. Die Lapp-Gruppe entwirft auch spezielle Steckverbinder für Kunden, zum Beispiel für einen innovativen Hersteller kompakter Roboter. Dieser Steckverbinder sollte zeitsparend zu montieren sein und sich harmonisch ins Design des Roboters einfügen, er sollte gute EMV-Eigenschaften mitbringen und Ethernet-Datenübertragung erlauben, zudem auch Gehäusefunktionen übernehmen, wie etwa die Zugentlastung des Kabels. Und natürlich sollte er preislich attraktiv sein. Aus diesen Anforderungen heraus hat Lapp einen modifizierten M23-Standard-Rundsteckverbinder entwickelt.
Am oder im Roboterarm werden Energie und Daten über Leitungen mit M23-Rundstecker übertragen. Für kleinere Roboter wurde dieser Standard auf die kleineren Formate M17 und M12 geschrumpft, letzterer erfreut sich wachsender Beliebtheit. Wenn es noch kleiner sein soll, zum Beispiel bei Robotern mit reiner Innenverkabelung, sind aber auch solche Stecker nicht mehr praktikabel. Hier werden die Leitungen teilweise über kleine Steckverbinder, wie man sie aus der Verbindung von Leiterplatten kennt, angeschlossen.
Fertigkonfektionen gefragt
Bei den Zuleitungen vom Schaltschrank zum Roboter geht der Trend zu Fertigkonfektionen, wie sie Lapp in seinem Ölflex-Connect-Programm anbietet. Bei den Leitungen am oder im Roboter dominiert weiter Meterware zum Selbstverlegen. Doch auch hier gibt es in letzter Zeit Anfragen nach Fertigkonfektionen.
Ein Trend in der Verkabelung von Maschinen und auch Robotern sind Hybridleitungen. Sie enthalten alle notwendigen Leitungen, manchmal auch Pneumatik und Hydraulikschläuche, in einem gemeinsamen Mantel. Dieses Konzept ist allerdings für Kompaktroboter nicht geeignet: Durch die enge Abfolge von Anschlusspunkten an bis zu sechs Servomotoren sowie Sensoren macht das Zusammenfassen in einem Mantel keinen Sinn. (ih)

Ralf Moebus ist Leiter Produktmanagement Automation & Networks bei der U.I. Lapp GmbH in Stuttgart. Ralf.Moebus@lappkabel.de

Ralf Moebus ist Leiter Produktmanagement Automation & Networks bei der U.I. Lapp GmbH in Stuttgart. Ralf.Moebus@lappkabel.de

Frank Rothermund ist Market Manager Robotics bei der U.I. Lapp GmbH. Frank.Rothermund@lappgroup.com

Frank Rothermund ist Market Manager Robotics bei der U.I. Lapp GmbH. Frank.Rothermund@lappgroup.com

Joachim Strobel ist Produktmanager bei der  U.I. Lapp GmbH. Joachim.Strobel@lappgroup.com

Joachim Strobel ist Produktmanager bei der U.I. Lapp GmbH. Joachim.Strobel@lappgroup.com