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Steckverbinder Geschrumpft: Transportsystem setzt auf doppelt so viele Ports

| Autor / Redakteur: Jonas Diekmann* / Sariana Kunze

Mit kleinen, aber robusten Schnittstellen trägt Harting dem Miniaturisierungstrend Rechnung und konnte mit der Ix Industrial Schnittstelle bei einem Transportsystem von Beckhoff die 2-fache Portanzahl auf gleichem Bauraum für Fahrstrecken bis zu 100 m realisieren.

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Der erste Linearantrieb, der im Kreis fährt, hat dank Miniaturisierung statt ehemals 12 jetzt 24 Ports.
Der erste Linearantrieb, der im Kreis fährt, hat dank Miniaturisierung statt ehemals 12 jetzt 24 Ports.
(Bild: Harting)

Die Vorteile von Linear- und Rotationsantrieben für neuartige Maschinenkonzepte kombinieren, das hat sich das Unternehmen Beckhoff aus Verl mit seinem Transportsystem Extended Transport System (XTS) vorgenommen. Während in herkömmlichen Linearantrieben statische Magnetschienen von elektrisch verbundenen passiven Schlitten (sogenannte Mover) befahren werden, arbeitet das XTS genau umgekehrt. Drei Hauptkomponenten bilden das System: der statische Linearmotor, eine parallele Führungsschiene sowie Mover. Dieses Konzept ergibt den ersten Linearantrieb, der im Kreis fährt.

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Linearmotorprinzip erhöht Anlageneffizienz

Durch unabhängige Mover, die keine Daten oder Spannungsversorgung via Schleppkette oder Schleifkontakt benötigen, können sowohl gerade Strecken, aber auch Bogenstrecken abgefahren werden. Damit können geschlossene Kreisläufe gebildet werden, die nach Angaben von Beckhoff einen Effizienzgewinn bedeuten können. Während Linearsysteme üblicherweise einen Arbeitsweg und einen Passivweg zurücklegen, können die Mover in einem Kreislauf die Leerwege reduzieren und die Anlageneffizienz erhöhen.

Drei Hauptkomponenten als statischen Linearmotor

Der XTS-Motor bildet eine vollintegrierte Einheit aus Leistungselektronik und Wegerfassung, in der Magnet-Spulen kontrolliert angesteuert einen passiven Mover über einen Doppelluftspalt in Bewegung versetzen. Der Motor kann den Movern bei präziser Positionierung Geschwindigkeiten von bis zu 4 m pro Sekunde verleihen. Egal, ob auf der Geraden oder in Kurven. Um die richtige Führung zu geben, werden die Motormodule immer mit passenden Führungsschienen kombiniert. Je nach Anwendung können die Schlitten innen oder außen auf den Radien bewegt werden. Der Mover bildet die dritte Komponente und besitzt die notwendigen Magnetplatten, die zusammen mit dem Motormodul die Vortriebskraft erzeugen. Durch Geometrie und gegenüberliegende Magnetfeld-Erreger wirken auch bei kraftintensiven Applikationen kaum Antriebskräfte auf die Lagerung. Das schont zum einen die Lagerung und spart Antriebsenergie für die Applikation.

Einsatzmöglichkeiten: Die Mover können beschleunigen, bremsen, positionieren und sich synchronisieren; sie können absolute und relative Positionen zueinander einnehmen; sie können sich gruppieren und aufstauen; sie können in der Bewegung Klemmkräfte erzeugen; sie können Kurven genauso schnell durchfahren wie Geraden; sie können Energie durch Nutzbremsung zurückgewinnen und die Rück- ebenso wie die Hinwege zu Transportzwecken nutzen. Laut Beckhoff ist all das präzise lagegeregelt, ohne Schwingungen, ohne Spiel, ohne Materialermüdung, fast ohne Verschleiß und ohne Wartung. Während herkömmliche Transportsysteme zahlreiche Lager, Kettenantriebe, Förderbänder, Schleppkabel oder Schleifkontakte nutzen, die eine regelmäßige Wartung erfordern, arbeitet XTS mit einem Minimum an mechanischen bewegten Teilen.

Flexibilität: Die Formatanpassung bei Produktwechseln ist beispielsweise einfacher. Muss die Transportstrecke neu aufgebaut werden, sind die fertigen Motor- und Schienen-Komponenten neu zu konfigurieren. Bleibt die Strecke gleich und die Parameter des Produktes ändern sich, kann dies über eine einfache Änderung der Softwareparameter angepasst werden.

Sicherheit: In üblichen Transportsystemen findet ein Antrieb über Riemen, Ketten oder Bänder statt. Dabei sind oft lange Strecken von Transportmedien mechanisch miteinander verbunden. Der Antrieb muss die Gesamtkraft für alle Fördereinrichtungen aufbringen, die sich aus den notwendigen Einzelkräften aller Komponenten aufsummiert. Kommt es nun zu einer Störung, Kollision oder ähnliches, wirkt logischerweise die Gesamtkraft des ganzen Systems auf einer Stelle. Diese Kräfte können schnell zu schwerwiegenden Zerstörungen führen. Bei XTS wirkt nur die Einzelkraft eines Movers, welche geringer ist. Dies erhöht die Betriebssicherheit.

Linearmotorprinzip sorgt für neue Antriebstechnik-Möglichkeiten:

  • Linearmotoreigenschaften auch auf einer geschlossenen Strecke,
  • mehrere Mover auf einem gemeinsamen Fahrweg,
  • modularer Aufbau, einfache Anpassung an die Anwendung,
  • geringer Platz- und Energiebedarf,
  • einfache Umsetzung anspruchsvoller Transportaufgaben,
  • geringer Projektierungs- und Montageaufwand.

Verdoppelt: Aus 12 mach 24 Ports

Bewegen sich die Mover auf der Strecke und folgen ihrem eingeplanten Bewegungsmuster, muss ein Rechner stets die Schaltung und Bestromung der zuständigen Motormodule berechnen. Dafür können beim XTS-System insgesamt drei Rechnerkarten kombiniert werden, die bisher je vier RJ45-Buchsen als Port hatten. Pro Port wird in der Regel eine Motormodullänge von 1,5 m angesteuert. Auch wenn sich Anforderungen der Anwender hinsichtlich der Größe und Komplexität der zu realisierenden Transportaufgaben zunehmend steigern, sollten jedoch die kompakten Maße der Einzelkomponenten beibehalten werden. Hier konnte der Anbieter von Verbindungstechnik Harting mit seinem Ix Industrial Ethernet Steckverbinder eine Lösung bereitstellen. Die Schnittstelle ist im Gerät mindestens 50 Prozent kleiner als RJ45-Schnittstellen, dabei robuster und mit einer metallischen Verriegelung ausgestattet. 5.000 Steckzyklen sind laut Harting möglich. Die Powerübertragung via PoE/PoE+ ist ebenso sicher wie der Halt auf der Leiterkarte – durch mehrere THR-Schirmkontakte. Nach IEC 61076-3-124 genormt, ist die Ix Industrial Schnittstelle ein offener Standard und keine Insellösung.

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Das Praxishandbuch Steckverbinder ist ein Nachschlagewerk für die Geräteentwicklung und für den Einsatz von Steckverbindern. Entwickler und Anwender erhalten Antworten auf Fragen zur Ausführung, Materialien, physikalische Grundlagen, Kontaktoberflächen, Abschirmmaßnahmen, Gehäusemechanik und Verriegelungssysteme.

Übersprechen mit versteckter Schirmung verhindern

Neben der Platzeinsparung pro Port und einer robusteren Schnittstelle, war im Fall des XTS-Systems vor allem eine zuverlässige Schirmung und Datenübertragungsrate gefragt. Bei 1/10-Gbit/s-Ethernet-Schnittstellen ist es eine Herausforderung, in dieser kleinen Bauform mit sehr nah beieinanderliegenden Kontakten das Übersprechen zwischen den einzelnen Datenpaaren wirksam zu minimieren. Sichergestellt wird dies durch eine zwischen den beiden Kontaktreihen versteckte Schirmung. Weiterhin besitzt die Schnittstelle zehn Kontakte, von denen acht Daten übertragen und zwei auf der Leiterplatte mit dem Massepotenzial verbunden sind und als weitere Schirmung dienen. Durch das Schirmblech und die geerdeten Kontakte ergibt sich in der Anordnung der signalführenden Kontakte eine ähnliche Anordnung wie bei einem x-kodierten M12 Rundsteckverbinder. Jedes Aderpaar liegt gut gegen seine Nachbarn abgeschirmt in einem eigenen Kabel- beziehungsweise Steckverbinderquadranten. Diese Maßnahme schützt wirksam gegen Übersprechen und ermöglicht so eine zuverlässige Datenübertragung.

Steckverbinder realisiert zwei Ethercat-Verbindungen

Die zuverlässige Schirmung hat man sich für das Transportsystem zunutze gemacht. Pro Ix Industrial Steckverbindung werden jeweils zwei 100 Mbit Ethercat-Verbindungen realisiert. Insgesamt konnten so auf der gleichen Leiterkarte acht statt vier Ports verbaut werden und pro Port zwei statt ein Ethercat-Kanal gefahren werden. Auf drei Leiterkarten gerechnet ergibt das unter dem Strich 24 Ports mit 48 Ethercat-Strängen statt ehemals zwölf. Und damit die Möglichkeit, Fahrstrecken mit einer Länge von bis zu 100 m zu realisieren. Das Transportsystem mit nun 24 Ports verdeutlicht das Potenzial von miniaturisierten und leistungsfähigen Ethernet-Schnittstellen für smarte Fabriken

* Jonas Diekmann, Technischer Redakteur, Harting Technologiegruppe

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