Seit der Einführung des ‚Famulus’ mit seinen sechs elektromechanisch angetriebenen Achsen durch Kuka im Jahr 1973 sind 6-Achs-Rotober aus den Fertigungshallen – insbesondere im Automobilbau – nicht mehr wegzudenken. Aktuelle Exemplare verbinden dabei die Freiheitsgrade des 6-Achsen-Betriebes mit zunehmenden Traglasten und einer Reduktion des benötigten Arbeitsraumes. Komplexes Teilehandling und mehrstufige Montage können durch immer platzsparendere Systeme mit kleineren Drehradien und größeren Schwenkbereichen bewerkstelligt werden. Der geringere Raumbedarf bedeutet allerdings für die Integration der Medien- und Energiezuführung zusätzliche Herausforderungen – zuerst bei der Konfiguration, später auch bei Betrieb und Wartung der Roboter.

Bei den meisten 6-Achs-Roboteranwendungen findet man heute Schutzschläuche aus speziell modifizierten Polymeren. Sie gleichen in ihrem Äußeren einfachen profilierten Lehrrohren wie sie  generell zum Leitungsschutz Verwendung finden, sind aber in der Regel speziell für den Einsatz in der Robotik optimiert, um unter anderem hohe Standzeiten zu gewährleisten. Ihre Funktion besteht darin, die Leitungen zu führen und gleichzeitig zu schützen. Die am häufigsten verwendeten Materialien für die Schläuche sind Polyurethane (PUR) und Polyamide (PA).

Im Vergleich zu einfachen Schutzschläuchen sind Energieketten sicherlich die aufwendigere und damit auch kostenintensivere Variante. Die Ketten bestehen pro Meter aus circa 30 bis 100 Einzelteilen beziehungsweise aus einzelnen Gliedern, die meist aus dem Werkstoff Polyamid (PA) – mit oder ohne Glasfaserverstärkung – oder dem thermoplastischer Kunststoff Polyoxymethylen (POM) bestehen.

Die Systeme im Detail-Vergleich

Die vergleichbaren Eigenschaften von Schutzschläuchen und 3-Achs-Energieführungsketten lassen sich unter anderem nach folgenden Kriterien einordnen und bewerten:

Wirtschaftlichkeit in Anschaffung und ­Installation

In puncto Anschaffungskosten sind Schutzschläuche günstiger als 3-Achs-Energieführungsketten. Qualitätsunterschiede unter den Schutzschläuchen beziehen sich fast ausschließlich auf die Verwendung unterschiedlicher Materialien. Die aus vielen Einzelteilen bestehenden 3-Achs-Führungsketten sind demgegenüber aufwendiger; einerseits aufgrund der Anzahl der verwendeten Bauteile, andererseits weil zum Teil glasfaserverstärkte PA- und thermoplastische POM-Kunststoffen aus qualitativ hochwertige Materialien verwendet werden. Zudem ist die Montage der Einzelteile notwendig, was zusätzliche Kosten in der Produktion bedeutet. 

Wirtschaftlichkeit während Montage und Betrieb

Die Montagefreundlichkeit ist bei modularen 3-Achs-Energiekettensystemen deutlich höher, denn die Befüllung kann in der Regel von außen in das System eingelegt werden. Das bedeutet, dass vorkonfektionierte Leitungen und Schläuche einfach und mit wenigen Handgriffen montierbar sind beziehungsweise sich bei einem Defekt einzeln tauschen lassen. Hersteller wie Igus haben mitunter spezielle Öffnungsmechanismen entwickelt, die für eine noch schnellere Befüllung sorgen und die Montagezeit bis zu 80 % senken können. Bei Schutzschläuchen kann dagegen die Konfektionierung häufig erst nach dem Einziehen in den Schlauch erfolgen, was den Aufwand an Zeit und Arbeitskosten deutlich erhöht und letztlich den Fertigungsprozess erheblich verlangsamt und verteuert.

Für den Fall eines Defektes einzelner Leitungen ist bei Schutzschläuchen zudem immer das komplette Schlauchsystem zu wechseln, da Steckverbinder erst nach der Leitungsverlegung durch den Schutzschlauch an die entsprechende Leitung konfektioniert werden können. Das erschwert die elektrische Prüfung der Leitungen und erhöht die Stillstandzeiten und die Kosten enorm. Bei modularen 3-Achs-Energieführungsketten können hingegen defekte Kettenglieder einzeln entfernt und ersetzt werden. Dies verringert sowohl die Reparaturkosten als auch die Stillstandzeiten des Roboters.

Schutz der Leitungen / Schläuche gegen äußere Einflüsse

Schutzschläuche sind durch ihr Material und ihre Konstruktion sehr flexibel und zudem staubdicht. Die geschlossenen modularen 3-Achs-Energieführungsketten sind zwar aufgrund ihres vorgegebenen Mindestbiegeradius weniger flexibel, dafür aber wesentlicher robuster und stabiler gegen äußere Einwirkungen wie Druck oder Stoßbelastungen.

Einhaltung des Mindestbiegeradius

Schutzschläuche gewährleisten keinen definierten Mindestbiegeradius, was im laufenden Prozess leicht zu einer Schädigung und einem Ausfall der Leitungen führen kann. Bei modularen 3-Achs-Energieführungsketten hingegen verhindert ein stabiles Anschlagsystem das Überbiegen der Leitungen und erhöht dadurch eindeutig die Betriebssicherheit. 

Torsionsaufnahme

Roboterleitungen sind so konstruiert, dass sie Torsionsbelastungen aufnehmen können – üblicherweise ±180° auf einem Meter Länge. Energieketten verteilen die auftretende Torsionsbelastung auf die Gesamtlänge und verhindern durch definierte Anschläge eine Überbelastung der Leitungen. Schutzschläuche dagegen lassen konstruktionsbedingt keine Torsion zu. Die in der Anwendung auftretende Torsionsbelastung wird hier allein durch ein Drehgelenk an der sechsten Roboterachse aufgenommen. Von Nachteil ist dabei die geringe Länge von nur etwa 10 bis 20 cm (gemessen vom Ausgang des drehend gelagerten Schutzschlauches bis zur Zugentlastung), in der die gesamte Torsion stattfindet. Dies sorgt in vielen Fällen für eine Überbelastung der Leitungen und ist als Schwachpunkt der Schutzschläuche anzusehen.

Flexibilität 

Die hohen Freiheitsgrade sind ein wesentliches Funktionsmerkmal der 6-Achs-Roboter, die ihre weite Verbreitung in der Automation erklären. Da der Schutzschlauch keine Radienanschläge besitzt, kann er sehr eng gebogen werden. Dies hat einerseits den Vorteil, dass sehr viele Positionen und Winkel angefahren werden können. Andererseits aber besteht ein wesentlicher Nachteil darin, dass bei zu engem Biegen – ob  beabsichtigt oder unbeabsichtigt – die verlegten Leitungen geschädigt werden. Bei modularen 3-Achs-Energiekettensysteme stellt der vorgegebene Mindestbiegeradius sicher, dass die verlegten Leitungen keinen Schaden nehmen. 

Ein Beispiel für eine 3-Achs-Energiekette, die speziell für die Robotik mit den Zielen Modularität, Langlebigkeit, Sicherheit und Montagefreundlichkeit entwickelt wurde und über einen besonderen Schnappverschluss zum schnelleren Öffnen verfügt.

© Igus

Notlaufeigenschaften

Die Notlaufeigenschaften sind bei einem Schutzschlauch deutlich höher als bei einem modularen 3-Achs-Energiekettensystem. Wird der Schlauch geknickt, kann er immer noch weiter betrieben werden. Bei einem modularen 3-Achs-Energiekettensystemen wird das Kettenglied jedoch bei der Unterschreitung des Mindestbiegeradius zerstört.

Rückzugsysteme

Schutzschlauchsysteme verwenden in der Regel ein Rückzugsystem mit einer Druckfeder. Der Nachteil ist eine stark ansteigende Rückzugskraft, auch bei vorgespannten Systemen. Bei modularen 3-Achs-Energiekettensysteme gibt es verschiedene Varianten:

• Pneumatische Rückzugsysteme:
  Die Vorteile bei einem Rückzug der Energiekette mittels eines Pneumatikzylinders (der Pneumatikzylinder wird nicht angesteuert,  sondern wie eine Gasdruckfeder genutzt) und einer Umlenkrolle sind eine nahezu konstante Rückzugskraft in jeder Position und die Einstellbarkeit der Rückzugskraft; allerdings  handelt sich dabei um ein relativ aufwendiges System mit einem entsprechenden Preisniveau.
• Rückzugskräfte mit Federstäben:
  Bei dieser Lösung wird die Rückzugskraft durch zwei Glasfaserstäbe aufgebracht; der Kraftverlauf ist ansteigend und nicht linear. Die Lösung ist zwar kostengünstig, es existiert aber nahezu keine Einstellmöglichkeit der Rückzugskraft.
• Rückzugsystem mit Elastomerbändern:
  Technische Elastomerbänder werden meist in Verbindung mit ein bis zwei leichtgängigen Umlenkungen im Rückzugsystem verwendet. Dies gewährleistet einen optimalen Kraft-Dehnungsverlauf der Bänder sowie eine maximale Lebensdauer.

Zubehör

Zu beiden Systemen gibt es je nach Hersteller ein umfangreiches Zubehör, wie zum Beispiel die bereits erwähnten Rückzugsysteme, Gleitdurchführungen, Anschlusselemente oder Spannschellen für die 6. Achse am Roboter. Bei den modularen 3-Achs-Energiekettensystemen ist allerdings die Vielfalt an Zubehör größer. Igus etwa bietet zur bequemen Montage Anschlusselemente mit Zugentlastungszähnen an, so dass Leitungen und Schläuche mit Kabelbindern entlastet werden können – oder auch Anschlusselemente als Zwischenanbindung, mit denen sich die Energiekette an jeder gewünschten Stelle befestigen oder abfangen lässt.

Installation

Modulare 3-Achs-Energiekettensysteme sind bei der Installation in der Länge einfach anpassbar – je nach Anwendung können der Kette Glieder hinzugefügt oder entnommen werden. Schutzschläuche kann man zwar kürzen, eine Verlängerung ist allerdings schlecht möglich. Im Grunde bleibt für diesen Fall nur die Option, einen neuen Schutzschlauch zu installieren.

Montagefreundlichkeit bei defekten Stellen

Defekte Stellen können bei Schutzschläuchen sowohl schwerer entdeckt wie ausgetauscht werden als bei 3-Achs-Energieketten. Hier reicht es, das einzelne defekte Kettenglied zu entfernen und zu ersetzen, während bei Schutzschläuchen nur der Austausch und die Neubefüllung der gesamten Energieführung in Frage kommen. 

Zugbelastung auf die Systeme

Bei Roboteranwendungen – besonders unter Verwendung von Rückzugsystemen – werden hohe Zugkräfte auf die zu führenden Leitungen und Energieführungssysteme erzeugt. Schutzschläuche haben den Nachteil, dass sie sich unter Zugbelastung längen und dadurch erhebliche Zugkräfte auf die verlegten Leitungen und Schläuche wirken. Modulare 3-Achs Energieführungsketten von Igus etwa besitzen ein Trailerprinzip mit einer Kugel/Pfannenverbindung ähnlich einer Anhängerkupplung. Dies gewährleistet in Zugrichtung eine maximale Stabilität und unterbindet die Längung des Systems selbst unter stärkster Zugbelastung. Entsprechend dimensionierte Systeme können Kräfte in Zugrichtung von bis zu 1000 N im Dauerbetrieb aufnehmen.

Das Fazit des Vergleichs

Vergleichsmatrix zu den Vor- und Nachteilen von Schutzschläuchen und 3-Achs-Energieketten bei 6-Achs-Robotern (xxx = befriedigend, xx = gut und x = sehr gut; Gesamtnote aus dem Quotient von Gesamtpunktzahl / Anzahl der Bewertungskriterien)

© Bild: Computer&AUTOMATION, Quelle: Igus

Der wesentliche Aspekt, der für profilierte Schutzschläuche spricht, sind sicherlich die geringeren Anschaffungskosten. Anwender von 6-Achs-Robotern sollten sich aber überlegen, ob dieser finanzielle Anfangsvorteil nicht mittelfristig von 3-Achs-Energieketten kompensiert und langfristig sogar ins Gegenteil verkehrt wird. Die Verlässlichkeit von Energieketten im Betrieb garantiert eine reibungslose, ausfallsfreie Fertigung, die höhere Anschaffungskosten mehr als rechtfertigen.

Eine spezielle Herausforderung für die Robotik im Automobilbereich sind die Anwendungen mit Dockingsystemen. Hierbei werden verschiedene Applikationen mit jeweils nur einem Roboter realisiert. Für den 6-Achs-Roboter bedeutet dies, dass an der sechsten Achse im Programmablauf das Werkzeug getauscht oder die gesamte Applikation gewechselt werden muss. Zum Beispiel sind Anwendungen, in denen mehrere Schweißzangen zum Einsatz kommen, keine Seltenheit. Wenn dabei auch noch unterschiedliche Technologien Verwendung finden, wird das Gesamtsystem immer komplexer, raumbedürftiger und potenziell auch störanfälliger. Hier ist das 3-Achs-Energiekettensystem zweifellos im Vorteil, da es aufgrund seines modularen Aufbaus und seiner Vielseitigkeit die auf den jeweiligen Anwendungsfall perfekt zugeschnitte Lösung ermöglicht.

Autor:
Jörg Ottersbach ist Leiter Branchenmanagement Automotive & Robotik bei Igus.