Roboterleitung Profinet-Leitungen an Robotern müssen viel aushalten

Redakteur: Ines Stotz

Horizontale Linearbewegungen werden kombiniert mit Torsion: Ethernet-Leitungen an Industrierobotern müssen einiges aushalten. Das hält auf Dauer nicht jede Leitung aus. Eine Lösung kommt jetzt von Lapp.

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Die Profinet Nutzerorganisation (PNO) hat in Abstimmung mit der AIDA und weiteren Herstellern eine Spezifikation für Profinet-Roboterleitungen erarbeitet: die Profinet-Typ-R-Datenleitungen.
Die Profinet Nutzerorganisation (PNO) hat in Abstimmung mit der AIDA und weiteren Herstellern eine Spezifikation für Profinet-Roboterleitungen erarbeitet: die Profinet-Typ-R-Datenleitungen.
(Bild: nataliyahora.com)

Roboter verrichten 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 hierbei mithilfe von flexiblen Etherline-Datenleitungen von Lapp. Allerdings stellen oftmals die raschen Bewegungsabläufe der Roboterarme im dreidimensionalen Raum die Verkabelung vor eine grosse mechanische Belastung. Ethernet-Datenleitungen sind äusserst gefordert: Durch ihren paarverseilten Aufbau der Adern, die doppelte Schirmung sowie kritische Übertragungsparameter für die erfolgreiche Datenkommunikation gehören sie zu den technisch anspruchsvolleren Leitungen.

Eine Zwickmühle für viele Konstrukteure von Roboteranwendungen. Sie mussten sich zwischen Datenleitungen entscheiden, die entweder für lineare, horizontale Verfahrwege – wie sie typischerweise in Schleppketten vorkommen – oder aber für torsionale Bewegungsabläufe konzipiert sind. Der entscheidende Unterschied liegt am abweichenden 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.

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Aber was ist die Lösung bei Roboteranwendungen, wo horizontale Linearbewegungen mit torsionaler Belastung kombiniert werden? Viele gängige Ethernet-Leitungen sind dieser kombinierten Belastung nicht ausreichend gewachsen. 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.

Einheitlicher Standard: Profinet-Typ-R-Datenleitung

Die Forderung nach einheitlichen Standards wurde immer lauter. Schliesslich hat die Profinet Nutzerorganisation (PNO) in enger Abstimmung mit der AIDA (Automatisierungsinitiative der deutschen Automobilisten) sowie namhaften Herstellern die notwendige Spezifikation erarbeitet. Auch Lapp hat diese Entwicklung von Anfang an mitbegleitet. Entstanden sind die harschen Vorgaben an Profinet-Typ-R-Datenleitungen. Der neue sogenann­te «Typ R» beschreibt 2-paarige 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.

Hohe Anforderungen an eine Typ-R-Roboterleitung

Aber was macht nun eine Datenleitung zu einer Profinet-konformen Typ-R-Roboterleitung? Es sind in erster Linie die mechanischen Anforderungen. Und das nicht zu knapp:

  • 5 Millionen vertikale Torsionszyklen bei ±180° pro Meter,
  • 5 Millionen Zyklen in der horizontalen Schleppkette bei Beschleunigungen bis zu 10 m/s²,
  • Geschwindigkeiten von 3 m/s über einen Verfahrweg von 5 m,
  • zusätzlich 1 Million Biegungen im Wechselbiegetest nach EN 50396 bei einem Biegeradius von nur 7x Aussendurchmesser.

All diese Prüfungen muss eine Typ-R-konforme Leitung über sich ergehen lassen, bevor sie in den Rang der robotertauglichen Leitungen nach Profinet aufsteigt.

Lapp, Spezialist für integrierte Lösungen in der Kabel- und Verbindungstechnologie, hat hierfür die 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 dem neuen Alleskönner keine Schwierigkeiten.

Besonderes Augenmerk legten die Entwickler auf die Auswahl der Kabelkonstruktion. Dank der Füllelemente sowie der Materialien wie zum Beispiel des robusten PUR-​Aussenmantels deckt die Leitung 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.

Roboterleitung besteht Testphase

Die Etherline Robot PN Cat.5e wurde auf Herz und Nieren im Lapp-Testzentrum geprüft. Es verfügt über Prüfgeräte und Apparaturen auf dem neusten Stand der Technik und hat langjährige Erfahrung im Handling von Datenleitungen. 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.

Die neue Leitung wird im Lapp-eigenen Kompetenzzentrum für Datenleitungen bei Ceam Cavi Speciali in Monselice, Italien, gefertigt. Ceam Cavi Speciali ist Hersteller von Datenleitungen für industrielles Ethernet und Feldbus – und seit 2016 Teil des Stuttgarter Unternehmens.

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