Roboter-Kabel

Andreas Mühlbauer,

Roboter zuverlässig versorgt

Für den Einsatz in Industrierobotern müssen Ethernetleitungen einiges aushalten. Bei horizontalen Linearbewegungen, kombiniert mit Torsion, sind die gängigen Ethernetleitungen der Belastung allerdings oft nicht gewachsen. Eine neue Lösung von Lapp entspricht dem Typ-R-Standard für Profinet-Leitungen an Robotern.

Die Leitungen an Industrierobotern sind hohen Beanspruchungen ausgesetzt. © Lapp

Roboter befinden sich weiterhin auf dem Vormarsch innerhalb automatisierter Fertigungen. Während sie früher überwiegend in der Automobilbranche zu finden waren, durchdringen die Roboter nun auch immer mehr andere Branchen und unterstützen bei der Automatisierung von Fertigungsprozessen. Roboter zählen heute zum festen Bestandteil des Sinnbilds einer modernen Fabrik. Dabei verrichten sie längst nicht nur eintönige Bewegungsabläufe, sondern ermöglichen über den Anschluss an das Datennetzwerk einen Zugriff, der beispielsweise für die Prozessüberwachung oder Fernwartung erforderlich ist. Um eine nahtlose Datenkommunikation der Feedback-Schleifen zwischen Sensorik am Roboterarm, dem Robotersystem, der Steuerung sowie deren Anbindung an die Steuerungsebene zu gewährleisten, werden Industrieprotokolle wie Profibus und Profinet verwendet. Die notwendige Verkabelung für die Netzwerkkommunikation erfolgt hierbei mithilfe flexibler Etherline-Datenleitungen.

Allerdings bedeuten die raschen Bewegungsabläufe der Roboterarme im dreidimensionalen Raum für die Verkabelung von der Inbetriebnahme des Roboters bis hin zum letzten durchlaufenen Zyklus eine große mechanische Belastung. Diese stellt insbesondere Ethernet-Datenleitungen auf die Probe: Mit einem paarverseilten Aufbau der Adern, doppelter Schirmung sowie für die erfolgreiche Datenkommunikation kritischen Übertragungsparametern gehören diese zu den technisch anspruchsvolleren Leitungen.

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Oftmals müssen sich Konstrukteure von Roboteranwendungen zwischen Datenleitungen entscheiden, die entweder für lineare, horizontale Verfahrwege – wie sie typischerweise in Schleppketten vorkommen – oder aber für torsionale Bewegungsabläufe konzipiert sind. Hauptgrund hierfür ist ein abweichender Aufbau im Innenleben der Leitungen. Schlaglängen innerhalb der Aderpaare müssen genau eingehalten und aufeinander abgestimmt werden. Aneinanderliegende Aderpaare dürfen sich nicht gegenseitig behindern, Störsignale müssen unterbunden werden. Während Kabel und Leitungen für horizontale Verfahrwege vorzugsweise relativ kurze Schlaglängen haben, um geringere Biegeradien in der Schleppkette zu erreichen, werden bei Torsionsleitungen vorrangig lange Schlaglängen gewählt. Das Problem: In ihrem Bewegungsablauf verbinden Roboteranwendungen horizontale Linearbewegungen mit torsionaler Belastung. Eine Vielzahl der gängigen Ethernetleitungen ist dieser kombinierten Belastung nicht in einem ausreichenden Maße gewachsen.

Einheitlicher Industrie-Standard Typ R

Zur Herausforderung einer ausgeklügelten Leitungskonstruktion kommt hinzu, dass bisher keine einheitlichen Industriestandards für robotertaugliche Ethernet-Datenleitungen vereinbart waren. Das Resultat waren zahlreiche, nicht aufeinander abgestimmte und proprietäre Verständnisse von „Robotertauglichkeit“ bei Ethernet-Leitungen im Markt. Diesem Umstand hat sich die Profinet-Nutzerorganisation angenommen und erarbeitete in enger Abstimmung mit der AIDA (Automatiserungsinitiative der deutschen Automobilisten) die notwendige Spezifikation. Entstanden sind die harschen Vorgaben an Profinet-Typ-R-Datenleitungen in einem Austausch führender Unternehmen im Bereich der Industrieverkabelung. Nicht nur namhafte Hersteller waren im Entstehungsprozess der neuen Guideline involviert, sondern es wurden auch Meinungen und Anregungen von Anwendern berücksichtigt. Auch Lapp hat die Entwicklung des neuen Industriestandards von Anfang an begleitet. Der neue, sogenannte „Typ R“ beschreibt 2-paarige Cat.5e-Industrie-Datenleitungen, welche zahlreichen elektrischen sowie mechanischen Anforderungen trotzen und eine Langlebigkeit beim Einsatz an Industrierobotern gewähren müssen. In der aktuellen Version der „Cabling and Interconnection Guideline“, Version 4.11, ist erstmals neben den geläufigen Leitungstypen Typ A (feste Verlegung), Typ B (gelegentlich bewegter Einsatz) und Typ C (Schleppketten- und Sonderanwendungen) nun auch der Typ R enthalten.

Die Etherline Robot PN Cat.5e eignet sich für die Datenverkabelung innerhalb oder am Roboter. © Lapp

Was macht nun eine Datenleitung zu einer Profinet-konformen Typ-R-Roboterleitung? Es sind in erster Linie die mechanischen Anforderungen: 5 Millionen vertikale Torsionszyklen bei ±180°/m, 5 Millionen Zyklen in der horizontalen Schleppkette bei Beschleunigungen bis zu 10 m/s² und Geschwindigkeiten von 3 m/s über einen Verfahrweg von 5 m, zusätzlich 1 Million Biegungen im Wechselbiegetest nach EN 50396 bei einem Biegeradius von nur 7-fachem Außendurchmesser. Lapp hat hierfür die neue Etherline Robot PN Cat.5e entwickelt. Sie eignet sich für die industrielle Datenverkabelung innerhalb oder am Roboter, in Schlauchpaketen oder frei verlegt. Sie bietet eine hohe Belastbarkeit, Langlebigkeit sowie Zuverlässigkeit in der Datenkommunikation mit Datenraten bis zu 100 Mbit/s.

Auch ein Einsatz an anspruchsvollen Schweißrobotern bereitet der Leitung keine Schwierigkeiten. Besonderes Augenmerk legten die Entwickler auf die richtige Auswahl der Kabelkonstruktion. Dank der Füllelemente sowie der zuverlässigen Materialien wie beispielsweise der robuste PUR-Außenmantel deckt die Etherline Robot PN Cat.5e nicht nur die Anforderungen an die mechanische Belastung ab, sondern entspricht darüber hinaus auch wichtigen Zertifizierungen und Standards wie der UL-Konformität gemäß AWM Recognized. Diese ermöglicht einen Export als Bauteil innerhalb einer Maschine oder Anlage in den nordamerikanischen Markt.

Geprüft wurde die neue Leitung im modernen Lapp-Testzentrum. Ein Beispiel ist die stetige Überwachung der elektrischen Übertragungsparameter gemäß IEC 61156-6 während des Testablaufs bei Schleppkettenprüfungen. Hierbei werden hochflexible Etherline-Datenleitungen in festgelegten Abständen vollautomatisiert geprüft und Veränderungen in über 20 kritischen Übertragungsparametern festgestellt. Gerade in der Testphase von Prototypen ermöglicht dies einen Rückschluss auf Schwächen im Aufbau, welche in der nächsten Entwicklungsstufe verbessert werden. Am Ende der Testphase hatte die Roboterleitung weder Beschädigungen im Außenmantel noch wurden Beeinträchtigungen in den übertragungskritischen elektrischen Parametern nachgewiesen.

Gefertigt wird die neue Etherline Robot PN Cat.5e bei CEAM Cavi Speciali in Monselice, Italien, einem der führenden Hersteller von Datenleitungen für industrielles Ethernet und Feldbus und Teil der Lapp Gruppe.

Christian Illensser, Produktmanager bei Lapp

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