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Lapp: Kompakte Kabel für Roboter

KabelführungssystemFührung für alles

KDP On Demand

Mit der KDP On Demand bietet das Unternehmen Murrplastik Systemtechnik ein Kabelführungssystem, das in Größe, Form und Ausstattung komplett individualisiert werden kann.

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Kompakte Kabel für RoboterNicht mit Kupfer knausern

Je enger Menschen mit Robotern zusammenarbeiten, desto kleiner und kompakter werden die kollaborierenden Assistenten. Das hat Konsequenzen für die Anbieter von Verbindungslösungen, denn sie müssen ihre Leitungen und Steckverbinder ebenfalls auf Diät setzen. Während die Verbindungssysteme noch Potenzial aufweisen, unterliegen die Leitungen selbst der vom Motor benötigten Leistung. Schnell wird daraus ein Drahtseilakt.

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Isolation von Datenleitungen

Immer mehr Roboter, die immer kleiner und vielseitiger einsetzbar werden – der Wandel in den Fabrikhallen ist nicht aufzuhalten. Vor allem die Mensch-Roboter-Kollaboration verlangt nach kompakten Robotern. Die Hersteller – und ihre Zulieferer – reagieren auf diesen Trend. Beispiel Verkabelung: Kompakte und leichte Roboter brauchen Leitungen, die platz- und gewichtssparend sind. Dabei sind die Leitungen teilweise oder vollständig im Inneren des Arms verlegt, wo sie nicht im Weg sind. Im Inneren des Arms laufen die Leitungen allerdings noch enger um die Achsen, was eine noch höhere Belastung bedeutet. Dennoch sollen sie viele Millionen Bewegungszyklen mit Biegung und Torsion aushalten.

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Die Hersteller von Verbindungssystemen haben einige Stellhebel, um Leitungen kompakter und sogar noch robuster zu machen. Wenig Spielraum besteht beim Leiter, 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 – hier ist also die richtige Auswahl der geeigneten Komponenten wichtig. Teilweise verschenken die Konstrukteure Platz, weil sie aus alter Gewohnheit die gleichen dicken Leitungen verwenden wie in größeren Robotern mit stärkeren Antrieben. Wenn der Platz trotz passgenau ausgewählter Leitungen knapp wird, dann ist das Know-how der Kabelhersteller gefragt, denn bei der Fertigung der Leitungen gibt es weiteres Potenzial zum Abspecken: bei der Isolation, der Schlaglänge und der Verseilung.

Die Isolation verhindert Kurzschlüsse zwischen den Adern, bei Datenleitungen für Feldbusse oder Ethernet hat sie zudem einen großen Einfluss auf die Datenübertragungseigenschaften. Hier ist eine niedrige Kapazität wichtig, die durch den Abstand der Adern zueinander und das isolierende Material dazwischen, das sogenannte Dielektrikum, bestimmt wird. Bewährt hat sich dafür Polyethylen (PE). Bei hochwertigen Datenleitungen wird das PE beim Extrudieren aufgeschäumt. Durch die Regelung der Gasmenge können Eigenschaften wie Kapazität oder Impedanz exakt eingestellt werden. So lässt sich eine dünnere Leitung fertigen. Um zu verstehen, was mit der Schlaglänge gemeint ist, zieht Lapp gerne ein haariges Beispiel herbei: den Haarzopf. Je enger man diesen flicht, umso dicker wird er. Nimmt man dasselbe Büschel Haare einfach parallel, also als Pferdeschwanz, ist es merklich dünner. Etwas Ähnliches geschieht mit den Kupferlitzen beim „Verseilen“. Die feinen Metalldrähte werden verdrillt, weil das die Flexibilität verbessert, allerdings wächst damit der Durchmesser. 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.

Verseilte Paare

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-Kabel 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 Prozent geringer ausfallen – und dennoch jahrelange Bewegungen wie Biegung und Torsion aushalten.

Trägt der Roboter allerdings viele Sensoren oder gar eine hochauflösende Kamera, dann reicht eine Sternvierer-Leitung mit nur vier Adern nicht mehr aus. Dann kommen Ethernet-Leitungen nach Cat. 6A oder gar Cat. 7 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.

Dünnere Leitungen für kleinere Roboter benötigen kompaktere Steckverbinder – und vielseitig 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 unterschiedlichster Funktionen bestücken und nimmt beliebige Steckermodule für Energie, Signale und Daten auf. Kommt eine Funktion hinzu, wird einfach ein weiteres Modul eingesetzt oder ein anderes ersetzt. Die Lapp Gruppe entwirft auch spezielle Steckverbinder für Kunden, wie 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 mit besonders guten EMV-Eigenschaften glänzen und Ethernet-Datenübertragung erlauben, zudem auch Gehäusefunktionen übernehmen wie etwa die Zugentlastung des Kabels. Und natürlich sollte er preislich attraktiv sein. Was sich nach der Quadratur des Kreises anhört, löste Lapp schließlich mit einem modifizierten M23-Standard-Rundsteckverbinder.

Am oder im Roboterarm werden Energie und Daten oft über Leitungen mit M23-Rundstecker übertragen. Für kleinere Roboter wurde dieser Standard auf die kleineren Formate M17 und M12 geschrumpft. Wenn es noch kleiner sein soll, bei Robotern mit reiner Innenverkabelung etwa, sind aber auch solche Stecker nicht mehr praktikabel. Hier werden die Leitungen teilweise über kleine Steckverbinder angeschlossen, wie man sie aus der Verbindung von Leiterplatten kennt. cs

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