Kabel & Leitungen Warum Roboter besondere Leitungen brauchen

Redakteur: Dipl. -Ing. Ines Stotz

Immer mehr Roboter verrichten in der Fertigung ihre Arbeit. Doch durch die permanenten dreidimensionalen Bewegungen in der automatisierten Fabrik werden die Leitungen, die einen Roboter versorgen, stark beansprucht. Eine besondere Herausforderung für Kabel- und Verbindungshersteller.

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CF Robot 8.Plus: Chainflex Ethernetleitung für 15 Mio. Torsionsbewegungen bis zu 360° und schnelle Datenübertragung an 6 Achs-Robotern.
CF Robot 8.Plus: Chainflex Ethernetleitung für 15 Mio. Torsionsbewegungen bis zu 360° und schnelle Datenübertragung an 6 Achs-Robotern.
(Bild: Igus)

Laut International Federation of Robotics (IFR) werden von 2020 bis 2022 rund 2 Mio. neue Roboter in den Fabriken weltweit installiert. Damit ihre Versorgung mit Daten und Energie störungsfrei gewährleistet ist, lohnt ein besonderer Blick auf die Leitungen, die die 3D-Bewegung des Roboters in der Dauerbewegung „mitmachen“ müssen. Dabei gilt: Roboterleitungen für Torsionsanwendungen sind grundsätzlich anders zu konstruieren und zu fertigen als Leitungen für lineare Bewegung. Diese sind möglichst kompakt, eng verseilt und haben mit hohem Druck extrudierte Außenmäntel. Dies ist insofern wichtig, weil durch diese besondere „harte“ Konstruktion die Leitung die Bewegungsform der Energiekette nachvollziehen kann.

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Unterschiedlichsten Bewegungsrichtungen ausgesetzt, benötigen Roboterleitungen dagegen Kraftausgleichselemente, lockere Verseilelemente, verschiedene Gleitebenen und völlig andere Schirmkonzepte, um die Lebensdauer auch nach mehreren Millionen Torsionsbewegungen sicher zu stellen. So kann sich tatsächlich zum Beispiel in Abhängigkeit des Torsionswinkels der Durchmesser des Verseilaufbaus verändern.

Um die auf die Adern wirkenden Kräfte auszugleichen, werden die, speziell für den Einsatz in dynamischen Torsionsanwendungen konstruierten Aderverbände beim Leitungsspezialisten Igus mit Dämpfungselementen und Torsionskräfte absorbierendem Flies aufgebaut.

Besonders hoch sind die Anforderungen bei den geschirmten Varianten: Damit die auf die Schirmdrähte einwirkenden Kräfte nicht zu groß werden, legt der Motion-Plastics-Spezialist unter und über die Schirme Gleitelemente ein, die zum einem eine Bewegungsfreiheit des Schirmes zur Gesamtverseilung aber auch zum Außenmantel sicherstellt. Der Schirmaufbau wird dabei in Umlegung ausgeführt, und in Richtung der Umlegung mit Dämpfungselementen realisiert. Diese „weiche“ Konstruktionsweise gibt der gesamten Leitungskonstruktion die notwendige Bewegungsfreiheit, reduziert Zug- und Stauchkräfte und verhindert einen durch vorzeitigen Aderbruch entstandenen Maschinenstillstand.

Mit der Energiekette Roboterleitungen schützen

Die Mantelwerkstoffe wurden auf den Kunststoff der Triflex R Roboter-Energiekette abgestimmt – was Abrieb und Verschleiß reduzierte. Das Triflex R TRCF ist ein geschlossenes Energie-Rohr, das auf einem Dreikammerprinzip beruht: Alle drei Kammern lassen sich unabhängig voneinander öffnen und schließen. Der Zuführschlauch wird in einer Kammer des Energierohrs geführt und ist so vor Deformation weitestgehend geschützt. Auf diese Weise ist der Zuführprozess in jeder Achsstellung des Roboters möglich.

Der Hauptaspekt für eine zuverlässige und betriebssichere Führung der Roboterleitungen und -schläuche ist es, Mindestbiegeradien einzuhalten – wird dieser unterschritten, drohen Anlagenausfälle. Die Konstruktion der Triflex R stellt sicher, dass in jeder Bearbeitungsposition des Roboters der vorgegebene Mindestbiegeradius eingehalten wird – ein umlaufender außen liegender Anschlag verhindert ein Abknicken über das Mindestbiegeradienmaß hinaus.

Des Weiteren stellt der modulare Aufbau sicher, dass ein Torsionswinkel je Kettenglied von ca. ±10° nicht überschritten wird. Das hat den Vorteil, dass die Torsionsbelastungen der Leitungen auf die gesamte Länge verteilt werden und nicht nur im Bereich der Zugentlastung.

Gerade bei Roboteranwendungen mit Zuführschläuchen wie beim Fließlochschrauben garantiert der definierte Mindestbiegeradius der Triflex R Roboterenergiezuführung die Prozesssicherheit. Denn knickt der Zuführschlauch ab, wird die Versorgung der Schrauben am Werkzeug unterbrochen und der Prozess gestört.

Tests bieten planbare Sicherheit und weniger Kosten

In seinem Testlabor tordiert Igus die Chainflex CF Robot-Leitungen millionenfach auf verschiedenen Prüfständen bei kontinuierlicher elektrischer Überwachung der Aderwiderstände. Größte Herausforderung dabei: eine schwere Reproduzierbarkeit der Lebensdauer auf jede noch denkbare mögliche Torsionsanwendung.

Bei linearen Verfahrwegen in Energieketten können durch feste Parameter und bekannte Umwelteinflüsse die Lebensdauerlimits aufgrund von über 30 Jahren Testerfahrungen verlässlich vorhergesagt werden. Eine Vorhersage bei Anwendungen im Roboter sind sie jedoch wesentlich komplexer. Insbesondere ist der reine Bewegungsablauf während der Projektierung häufig noch nicht komplett klar. Deswegen gilt vor allem hier für den Leitungsanbieter: testen, testen, testen. Alle Testergebnisse fließen in eine Datenbank.

Abgeleitet davon und den jahrzehntelangen Erfahrungen in der Kunststofftechnologie gewährt Igus eine 36-monatige Garantie auf die mechanischen Eigenschaften der Chainflex-Leitungen. Dadurch werden die Prozesse im Maschinenbau präzise planbar. Sollte dennoch eine CF Robot-Leitung bei dem im Katalog vorgeschriebenem Einsatz ausfallen, liefert Igus sofort und kostenfrei eine neue Leitung.

Anwender können Leitungen ab 1 m bestellen und bekommen die Ware innerhalb von 24 Stunden geliefert. So sind Roboterhersteller und Anwender nicht auf teure Sonderleitungen mit langen Lieferzeiten angewiesen, sondern können aus einem speziell für die Torsion entwickelten und getesteten Standardprogramm mit über 100 Roboterleitungstypen ab Lager auswählen.

Predictive Maintenance: Die Industrie 4.0 störungsfrei bewegen

Einen Blick in die nahe Zukunft der Robotikleitungen zeigen die „Smart Plastics“. Unter dem Namen Isense führt Igus Sensoren unterschiedlicher Art, die den Zustand der Komponenten wie Leitungen oder Energieketten erfassen. Sie messen u. a. im laufenden Betrieb den Verschleiß und geben Alarm, sobald eine Reparatur oder ein Austausch erforderlich ist.

Mittels Kommunikationsmodul Icom werden die Daten an ein intelligentes System übermittelt. Das Modul lässt sich mit allen Igus spezifischen Sensoren verbinden. Sind die Messwerte eines Sensors übertragen, müssen diese „interpretiert“, also verstanden werden, um daraus eine Handlungsanweisung zu generieren. Dies ist bisher über die Anbindung an die Igus Cloud möglich.

Aufgrund der zunehmenden Bedeutung der IT-Sicherheit setzen viele Unternehmen jedoch immer mehr auf den Aufbau eigener Scada-Systeme, daher hat Igus seinen Datenkonzentrator jetzt zum Icom.plus weiterentwickelt. Mit dem neuen Modul kann der Kunde die Daten auf die Weise einbinden, die ihm am besten für seine Anlage erscheint. Bei bestehender Online-Verbindung findet ein kontinuierlicher Abgleich der Lebensdaueraussage mit der Cloud statt, um das Ausfallrisiko zu minimieren.

Die Daten in der Cloud greifen auf die 10 Mrd. Testzyklen von Energieketten und Leitungen im Testlabor zurück, daher kann das Unternehmen dank Machine Learning und KI genaue Angaben zur Haltbarkeit der eingesetzten Lösungen geben und den Nutzer frühzeitig über eine notwendige Ersatzbeschaffung informieren.

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