Innerhalb automatisierter Fertigungen befinden sich Roboter weltweit auf dem Vormarsch. Sie unterstützen bei der Automatisierung von Fertigungsprozessen und zählen heute zum festen Bestandteil des Sinnbilds einer modernen Fabrik. Dabei verrichten Roboter 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 Daten-Kommunikation der Feedback-Schleifen zwischen Sensorik am Roboterarm, dem „Robotersystem/-Steuerung“ sowie deren Anbindung an die Steuerungsebene zu gewährleisten, werden Industrieprotokolle wie Profibus und Profinet verwendet. Die notwendige Verkabelung für die Netzwerkkommunikation erfolgt mithilfe von flexiblen Etherline-Datenleitungen.
Große mechanische Belastung von Datenleitungen für Roboter
Die raschen Bewegungsabläufe der Roboterarme im dreidimensionalen Raum stellen die Verkabelung von der Inbetriebnahme des Roboters bis hin zum letzten durchlaufenen Zyklus allerdings vor eine große mechanische Belastung – insbesondere Ethernet-Datenleitungen: Mit ihrem paarverseilten Aufbau der Adern, doppelter Schirmung, sowie für die erfolgreiche Datenkommunikation kritischen Übertragungsparametern gehören sie zu den technisch anspruchsvolleren Leitungen.
Konstrukteure von Roboteranwendungen müssen sich deshalb oft zwischen Datenleitungen entscheiden, die entweder für lineare, horizontale Verfahrwege – wie sie typischerweise in Schleppketten vorkommen – oder 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. Aneinander liegende Aderpaare dürfen sich nicht gegenseitig behindern, Störsignale müssen unterbunden werden.
Während bei Kabeln und Leitungen für horizontale Verfahrwege vorzugsweise relativ kurze Schlaglängen gewählt werden, um geringere Biegeradien in der Schleppkette zu erreichen, werden bei Torsionsleitungen vorrangig lange Schlaglängen gewählt. Die Bewegungsabläufe in Robotern sind aber oft viel anspruchsvoller. Sie verbinden horizontale Linearbewegungen mit torsionaler Belastung. Eine Vielzahl der gängigen Ethernet-Leitungen ist dieser kombinierten Belastung nicht ausreichend gewachsen.
Keine einheitlichen Standards für robotertaugliche Leitungen
Hinzu kommt, dass bisher keine einheitlichen Industriestandards für robotertaugliche Ethernet-Datenleitungen vereinbart waren. Das Resultat waren zahlreiche, nicht aufeinander abgestimmte und proprietäre Verständnisse von einer „Robotertauglichkeit“ bei Ethernet-Leitungen im Markt. Diesem Umstand hat sich die Profinet-Nutzerorganisation angenommen und erarbeitete in enger Abstimmung mit der Automatisierungsinitiative der deutschen Automobilindustrie (AIDA) die notwendige Spezifikation.
Entstanden sind die 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 auch Meinungen und Anregungen von Anwendern – etwa aus der Automobilbranche – wurden berücksichtigt. Auch Lapp hat die Entwicklung des neuen Industriestandards von Anfang an mitbegleitet.
Der neue, sogenannte „Typ R“ beschreibt zweipaarige Cat. 5e-Industrie-Datenleitungen, welche zahlreichen elektrischen sowie mechanischen Anforderungen trotzen müssen und eine Langlebigkeit beim Einsatz an Industrierobotern gewähren. 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 „Typ R“ enthalten.
Die Kriterien für eine Typ-R-Roboterleitung
Eine Profinet-konforme Typ-R-Roboterleitung muss nun folgende Kriterien erfüllen. In erster Linie sind das die die mechanischen Anforderungen: 5 Mio. vertikale Torsionszyklen bei ±180° pro Meter, 5 Mio. 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 Mio. Biegungen im Wechselbiegetest nach EN 50396 bei einem Biegeradius von nur sieben Mal Außendurchmesser. All diese Prüfungen muss eine Typ R-konforme Leitung über sich ergehen lassen, bevor sie in den Rang der robotertauglichen Leitungen gemäß Profinet aufsteigt.
Der Kabel- und Verbindungstechnologieanbieter Lapp hat hierfür seine neue Leitung 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.
Lapp-Datenleitung erfüllt UL-Kriterien für nordamerikanischen Markt
Besonderes Augenmerk legten die Entwickler auf die richtige Auswahl der Kabelkonstruktion. Dank der Füllelemente sowie der zuverlässigen Materialien wie 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 eine UL-Konformität gemäß AWM Recognized. Diese ermöglicht einen Export als Bauteil innerhalb einer Maschine oder Anlage in den nordamerikanischen Markt.
Der neue Alleskönner wurde im eigenen Lapp-Testzentrum, welches über Prüfgeräte und Apparaturen auf dem aktuellen Stand der Technik verfügt, auf Herz und Nieren geprüft. Ein Beispiel ist die stetige Überwachung der elektrischen Übertragungsparameter gemäß IEC 61156-6 während des langwierigen Testablaufs bei Schleppkettenprüfungen. Hierbei werden hochflexible Etherline-Datenleitungen in festgelegten Abständen – in der Regel alle 20.000 bis 50.000 Zyklen – vollautomatisiert geprüft und Veränderungen in über 20 kritischen Übertragungsparametern festgestellt. Gerade in der Testphase von Prototypen ermöglicht dies einen lückenlosen Rückschluss auf Schwächen im Aufbau, welche in der nächsten Entwicklungsstufe ausgemerzt und verbessert werden. Am Ende der Testphase hatte die Roboterleitung weder Beschädigungen im Außenmantel, noch wurden Beeinträchtigungen in den übertragungskritischen elektrischen Parametern nachgewiesen.
Fertigung in italienischer Tochterfima
Gefertigt wird die neue Roboterleitung im Lapp-eigenen Kompetenzzentrum für Datenleitungen – bei CEAM Cavi Speciali in Monselice, Italien. CEAM Cavi Speciali ist einer der führenden Hersteller von Datenleitungen für industrielles Ethernet und Feldbus – und seit Oktober 2016 Teil der Lapp-Gruppe.
Kontakt:
U.I. Lapp GmbH
Schulze-Delitzsch-Straße 25
70565 Stuttgart
Tel.: +49(0)711/7838-0
www.lappkabel.de
