Platzoptimierte Verbindungslösungen

Frank Rothermund, Market Manager Robotics, U.I. Lapp

Mächtige Arme die, hinter Zäunen eingepfercht, Karosserieteile hin und her wuchten und zusammenschweißen: Große Industrieroboter haben jahrzehntelang das Bild der Robotik geprägt. Doch in den Fabrikhallen ist ein Wandel im Gange. Roboter werden immer kleiner, sie sind nicht mehr eingezäunt und arbeiten sogar mit dem Menschen Hand in Hand.

Ebenfalls ein Teil dieser Entwicklung ist die dazu notwendige platz- und gewichtssparende Verkabelung der kompakten und leichten Roboter. Im Vergleich zu einem herkömmlichen großen Industrieroboter sieht man beim Kleinroboter nämlich meist nichts, da die Leitungen ausschließlich im Inneren des Arms verlaufen. Lägen sie außen, wären sie bei der Zusammenarbeit mit dem Menschen und bei engen Platzverhältnissen ständig im Weg. Das macht die Verkabelung allerdings nicht einfacher. Müssen Leitungen außen am Roboter schon enge Biegeradien aushalten, werden sie innen noch kleiner, da die Leitungen im Roboterarm enger um die Achsen laufen und dabei fast schon geknickt werden.

Zum Glück gibt es einige Stellhebel, um Leitungen kompakter und sogar noch robuster zu machen, damit sie die engen Biegeradien aushalten. Dabei gilt, dass am Kupfer nicht gespart werden kann. Die Dicke des Leiters ist durch die Anwendung vorgegeben – etwa durch den Leistungsbedarf der Servomotoren. Dieser ist bei Kompaktrobotern aber kleiner, benötigt also weniger Strom und damit einen geringeren Leiterquerschnitt. Weitere Stellhebel sind: die Isolation sowie die Verseilung. Die Isolation verhindert Kurzschlüsse zwischen den Adern und hat insbesondere bei Datenleitungen für Feldbusse oder Ethernet einen großen Einfluss auf die Datenübertragungseigenschaften. Damit diese Eigenschaften gut sind, sollen die Datenleitungen eine niedrige Kapazität aufweisen. Dies wird durch den Abstand der Adern zueinander und das isolierende Material dazwischen, das sogenannte Dielektrikum, bestimmt. Das Beste Dielektrikum wäre Luft. Da sich damit allerdings keine Leitung fertigen lässt, muss ein Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante als Isolation verwendet werden. Bewährt hat sich hierfür PE (Polyethylen), dessen Datenübertragungseigenschaften für hochwertige Datenleitungen noch weiter verbessert werden, indem das PE beim Extrusionsprozess aufgeschäumt wird. Dabei können Eigenschaften wie die Kapazität oder die Impedanz durch eine geregelte Einbringung der Gasmenge im Produktionsprozess exakt eingestellt werden. Durch eine gute Abstimmung der beiden Parameter Isolationsdicke und Gasmenge lässt sich eine dünne, platzoptimierte Leitung fertigen.

Zur Veranschaulichung des Stellhebels Verseilung eignet sich ein Haarzopf ganz gut. Je enger man diesen flechtet, umso dicker wird er. Dickere und dünnere Stellen wechseln sich dabei ab. Nimmt man dieselbe Anzahl an Haaren einfach zu einem parallelen Bündel zusammen, ist es merklich dünner. Etwas Ähnliches geschieht mit den Kupferlitzen beim „Verseilen“. Die feinen Metalldrähte werden verdrillt, weil das die Flexibilität verbessert – 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 wäre also extrem starr. Dementsprechend ist es über die Schlaglänge – die Distanz für einen Umlauf der Verdrillung – möglich, die Dicke und Flexibilität des Kabels zu steuern. Ist sie länger und damit die Verdrillung geringer, fällt das Kabel dünner aus. Für einen Hersteller von Kompaktrobotern hat Lapp deshalb Adern zur Leistungsübertragung mit einer längeren Schlaglänge entwickelt. Bei Datenleitungen kommt außerdem noch dazu, dass eine paarweise Verseilung der Adern die Störfestigkeit der Datenübertragung verbessert.

Änderungen gibt es auch bei den Aufgaben, die eine Verkabelung übernehmen muss. In der klassischen Robotik werden Steuersignale, Energie für die Servomotoren sowie Informationen einfacher Sensoren häufig noch per Parallelverdrahtung übertragen. Für schnellere Verbindungen, wenn größere Datenmengen übertragen werden müssen, kommt zunehmend eine serielle Verkabelung zum Einsatz – in der Regel werden Ethernet Cat 5 Kabel mit Datenraten von bis zu 100 Mbit/s genutzt. Für kompakte Roboter sind diese Leitungen als Sternvierer aufgebaut. Das bedeutet, dass die beiden Aderpaare im Inneren des Mantels so verseilt sind, dass sie im Vergleich zur oben genannten paarweisen Verseilung weniger Platz beanspruchen und jahrelange Bewegungen wie Biegung und Torsion aushalten.

Anders ist die Situation, wenn der Roboter viele Sensoren oder gar eine Kamera zur Erkennung von Teilen oder zur Qualitätskontrolle trägt. Dann reicht eine Sternvierer-Leitung nicht mehr aus, denn mit nur zwei Aderpaaren können die enormen Datenraten nicht bewältigt werden. Dann sind Ethernet-Leitungen nach Cat 6A die bessere Wahl. Sie übertragen Daten mit bis zu 10 Gbit/s. Die in diesen Leitungen enthaltenen vier Aderpaare werden zunächst jeweils als Paare und dann noch miteinander verseilt. Der dafür nötige Platzbedarf ist natürlich größer als bei Sternvierern. Außerdem wird zwischen den vier Aderpaaren ein Kunststoffkern mit Kreuzquerschnitt mitverseilt, der sie auseinanderhält und dafür sorgt, dass sich die Aderpaare bei Bewegungen nicht in Ihrer Position verändern. Zudem wird dadurch das Nebensprechen zwischen den Aderpaaren reduziert. Somit ist die fertige Leitung für den rauen Einsatz am Roboter ertüchtigt.

Der Wunsch der Roboterhersteller nach kompakteren Leitungen hat auch Auswirkungen auf die Steckverbinder. Große Roboter werden vom Schaltschrank aus über eine Versorgungsleitung gesteuert, die üblicherweise in einem Industrie-Rechteckstecker im Fuß des Roboters endet, oder auch mit einem M23-Rundstecker. Von dort laufen Energie und Daten über Leitungen mit M23-Rundsteckern in der Roboterarm. Für kleinere Roboter wurde dieser Standard auf das kleinere M12-Format geschrumpft. Wenn noch kleinere Lösungen benötigt werden, bei Robotern mit reiner Innenverkabelung etwa, sind solche Stecker aber nicht mehr praktikabel. Hier werden die Leitungen über kleine Steckverbinder angeschlossen, wie man sie aus der Verbindung von Leiterplatten kennt.

Im Bereich der Zuleitungen vom Schaltschrank zum Roboter geht der Trend eindeutig hin zu Fertigkonfektionen, wie sie Lapp in seinem Ölflex-Connect-Programm anbietet. Bei der Verlegung der Leitungen am oder im Roboter dominiert weiter Meterware zum Selbstverlegen. Doch auch hier gibt es in letzter Zeit Anfragen nach Fertigkonfektionen. Ein weiterer Trend in der Verkabelung von Maschinen sind Hybridkabel. 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 der Anschlusspunkte an bis zu sechs Servomotoren sowie Sensoren macht das Zusammenfassen in einem Mantel hier keinen Sinn. ik