Große Industrieroboter haben jahrzehntelang das Bild der Robotik geprägt: Mit ihren mächtigen Armen wuchten sie hinter Gittern eingepfercht Karosserieteile hin und her und schweißen sie zusammen. Doch das Bild wandelt sich: Ihre Nachfolger werden immer kleiner, sie sind nicht mehr eingezäunt und arbeiten sogar mit dem Menschen Hand in Hand. Auch auf der bevorstehenden Hannover Messe ist die sogenannte Mensch-Roboter-Kollaboration eines der großen Themen.

Dabei sind die Leichtbauroboter so konstruiert, dass sie schnell für neue Aufgaben angelernt werden können, etwa durch manuelles Führen durch eine Person. Das Ziel ist, die Produk-tion so flexibel zu machen, dass eine Armada von motorisierten Armen heute ein Smartphone montieren und morgen Eier sortieren und auf Risse in der Schale untersuchen kann. In der Automobilindustrie gibt es schon Pilotprojekte, bei denen Roboter auf Bearbeitungsstationen durch die Fabrik fahren und sich ihre Arbeit selbst suchen. Solche Roboter könnten Autos eines Tages von innen nach außen bauen. Und all das in Losgröße 1, also jedes einzelne Endprodukt individuell auf Kundenwunsch gefertigt. 

Soweit die Vision. In der Praxis gibt es ganz praktische Hürden, die die Roboterhersteller überwinden müssen. Beispiel Verkabelung: Auch kompakte und leichte Roboter brauchen Leitungen, die die Antriebe mit Energie versorgen, Greifer öffnen und schließen sowie Daten von Sensoren und Kameras übermitteln. Diese Leitungen müssen platz- und gewichtssparend sein. Vergleicht man dazu einen herkömmlichen großen Industrieroboter mit einem der neuen leichten Kleinroboter, sieht man beim Kleinroboter diesbezüglich meist nichts – denn die Leitungen sind vollständig im Inneren des Arms verlegt. Lägen sie außen, wären sie bei der Zusammenarbeit mit dem Menschen und bei engen Platzverhältnissen ständig im Weg. Das macht die Verkabelung allerdings nicht einfacher. Müssen Leitungen außen am Roboter schon enge Biegeradien aushalten, so laufen die Leitungen im Inneren des Roboterarms noch enger um die Achsen beziehungsweise werden fast schon geknickt. 

Was sind nun konkret die Stellhebel, um Leitungen kompakter und sogar noch robuster zu machen, damit sie die engen Biegeradien aushalten? Zunächst gilt: Die Querschnitte sind durch den Leistungsbedarf der Verbraucher, etwa der Servomotoren, vorgegeben – hier hat der Konstrukteur keinen Spielraum. Allerdings ist der Bedarf der kleineren Motoren in kompakten Roboter geringer, somit können auch dünnere Leitungen zum Einsatz kommen.

Wichtig ist deshalb, dass die Kon-strukteure sich vom Prinzip ‚Viel hilft viel‘ verabschieden. Mitunter sind Servoleitungen überdimensioniert, weil die gleichen Leitungen zum Einsatz kommen wie in größeren Robotern, deren Servomotoren entsprechend leistungsstärker sind. Es kommt also auf die richtige Auswahl der Komponenten an. Das gilt auch für Datenleitungen: Wenn nur wenige Sensoren mit einfachen binären Signalen wie ­Positionssensorik abgefragt werden sollen, dann ist keine schnelle Cat-6A-Ethernet-Leitung notwendig – eine Cat-5-Leitung reicht in solchen Fällen völlig aus. Sind alle diese Einsparmaßnahmen ausgeschöpft, gibt es immer noch ein paar weitere Stellhebel für eine leichtere Verkabelung: 
 

Die Isolation

Um die Isolation bei Datenleitungen zu verbessern, wird Isolationsmaterial beim Extrusionprozess aufgeschäumt.

© Lapp

Die Isolation verhindert Kurzschlüsse zwischen den Adern und hat insbesondere bei Datenleitungen für Feldbusse oder Ethernet einen großen Einfluss auf die Übertragungseigenschaften. Datenleitungen mit guten Übertragungseigenschaften sollten eine niedrige Kapazität haben. Letztere wird durch den Abstand der Adern zueinander und das isolierende Material dazwischen – das sogenannte Dielektrikum – bestimmt. Das beste Dielektrikum wäre Luft. Da sich damit natürlich keine Leitung fertigen lässt, gilt es ein Material mit möglichst niedriger Dielektrizitätskonstante als Isolation zu verwenden. Ein bewährtes Material hierfür ist PE (Polyethylen).

Um die Datenübertragungseigenschaften von PE weiter zu verbessern, wird bei hochwertigen Datenleitungen das PE beim Extrusionprozess aufgeschäumt. Durch Regelung der dafür eingebrachten Gasmenge beim Produktionsprozess sind Eigenschaften wie Kapazität oder Impedanz exakt einstellbar. Kurzum: Durch gute Abstimmung der Parameter Isolationsdicke und Gasmenge lässt sich eine dünne, platzoptimierte Leitung fertigen – für den Einsatz in Kompaktrobotern sind solche Datenleitungen auf jeden Fall zu empfehlen.
 

Verseilung

Um zu verstehen, was mit Verseilung gemeint ist, sei der Vergleich mit einem Haarzopf erlaubt: Je enger man diesen flechtet, umso dicker wird er. Nimmt man dasselbe Büschel Haare parallel – sprich als ‚Pferdeschwanz‘ – ist dieses merklich dünner. Ähnliches geschieht mit den Kupferlitzen beim Verseilen: Die feinen Metalldrähte werden verdrillt, weil das die Flexibilität verbessert. Würden alle Litzen und alle Adern parallel verlaufen, so würden bei jeder Biegung des Kabels die außen liegenden Kupferdrähte gedehnt und die innen liegenden gestaucht. Die Folge wären extrem starre Kabel.

Steuern lassen sich Dicke und Flexibilität durch die Schlaglänge – also über die Distanz für einen Umlauf der Verdrillung. Ist sie länger und damit die Verdrillung geringer, fällt das Kabel dünner aus. Vor diesem Hintergrund hat Lapp beispielsweise für einen Hersteller von Kompaktrobotern bereits Adern zur Leistungsübertragung mit spezieller, sprich längerer Schlaglänge entwickelt. Bei Daten­leitungen kommt noch hinzu, dass eine paarweise Verseilung der Adern die Störfestigkeit der Datenübertragung verbessert.

Auch die Aufgaben, die eine Verkabelung übernehmen muss, ändern sich. In der klassischen Robotik werden Steuersignale, Energie für die Servomotoren sowie Informationen einfacher Sensoren häufig noch per Parallelverdrahtung übertragen. Für schnellere Verbindungen und wenn größere Datenmengen zu übertragen sind, kommt zunehmend eine serielle Verkabelung zum Einsatz – in der Regel über Ethernet-Cat-5-Kabel mit Datenraten von bis zu 100 Mbit/s. Für kompakte Roboter sind diese Leitungen als ‚Sternvierer‘ aufgebaut. Das heißt: Die beiden Aderpaare sind im Inneren des Mantels so verseilt, dass sie im Vergleich zur erwähnten paarweisen Verseilung weniger Platz beanspruchen und jahrelange Bewegungen wie Biegung und Torsion aushalten.

Ein Stern in der Mitte

Bei der Etherline Torsion Cat 6A wird zwischen den vier Aderpaaren ein Kunststoffkern mit Kreuzquerschnitt mitverseilt, der die Aderpaare auseinanderhält und dafür sorgt, dass diese sich bei Bewegung nicht in ihrer Position verändern.

© Lapp

Anders ist die Situation, wenn der Roboter viele Sensoren oder gar eine ­Kamera trägt, etwa zur Erkennung von Teilen oder zur Qualitätskontrolle. Dann reicht eine Sternvierer-Leitung nicht mehr aus, denn mit nur zwei Aderpaaren sind die enormen Daten­raten nicht zu bewältigen. Hier sind Ethernet-Leitungen nach Cat 6A die bessere Wahl. Sie übertragen Daten mit bis zu 10 Gbit/s. Diese Leitungen enthalten vier Aderpaare, die als Paare verseilt sind. Zusätzlich werden dann noch die vier Paare verseilt, wodurch der Platzbedarf entsprechend ­größer ist als bei Sternvierern. Außerdem wird zwischen den vier Ader­paaren ein Kunststoffkern mit Kreuzquerschnitt mitverseilt, der die Aderpaare auseinanderhält und dafür sorgt, dass diese sich bei Bewegung nicht in ihrer Position verändern und das Nebensprechen zwischen den Aderpaaren reduziert wird. Letztlich ertüchtigt dies die Leitung für den rauen Einsatz am Roboter.

Es werde Licht

In der Robotik ein Nischenprodukt sind immer noch die Lichtwellenleiter. Bei Anwendungen, die sehr hohe Datenraten erfordern, können sie eine Alternative zu Kupferkabeln sein. Und zwar insbesondere dann, wenn in der Nähe starke und impulsartige Ströme fließen – zum Beispiel in der Nähe von Schweißrobotern. Dies kann die Datenübertragung auf elektrischen Leitungen stören und zu Ausfällen führen. Die verbreitete Annahme, Lichtwellenleiter seien für bewegte Anwendungen nicht geeignet, stimmt so nicht. Sowohl Fasern aus Glas als auch aus Kunststoff lassen sich flexibel einsetzen, wobei natürlich die Mindestbiegeradien zu beachten sind. Bei kleinen Robotern kann das ein limitierender Faktor für den Einsatz von Glasfasern sein. Dann sind Kunststofffasern die bessere Wahl, wobei diese mit 100 Mbit/s wiederum nicht schneller sind als Standard-Datenleitungen aus Kupfer.

Evolution der Steckverbinder

Der Wunsch der Roboterhersteller nach kompakteren Leitungen hat zudem Auswirkungen auf die Steckverbinder. Große Roboter werden vom Schaltschrank mit einer Versorgungsleitung gesteuert, die üblicherweise mit einem Industrie-Rechteckstecker am Fuß des Roboters angeschlossen wird, oder bei kleineren Robotern auch mit einem M23-Rundsteckverbinder. Gefragt ist hier vor allem Flexibilität. Wenn zum Beispiel an einem Roboter eine Kamera zur Qualitätsinspektion nachgerüstet wird, sollte die Erweiterung auch im Steckverbinder leicht möglich sein. Dementsprechend bieten sich modulare Lösungen wie etwa das einfach erweiterbare Steckersystem ‚Epic MH‘ von Lapp an. Dieses 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.

Es gibt aber auch Fälle, in denen eine modulare Lösung wie der ‚Epic MH‘ nicht alle Anwenderwünsche standardmäßig erfüllen kann. So stellte beispielsweise ein Hersteller kompakter Roboter folgende Forderung an die Lapp-Gruppe: Der Steckverbinder soll zeitsparend zu montieren sein und sich harmonisch ins Design des Roboters einfügen. Zudem soll er mit besonders guten EMV-Eigenschaften glänzen, für Ethernet-Datenübertragung qualifiziert sein, und nicht zuletzt Gehäusefunktionen übernehmen wie etwa die Zugentlastung des Kabels – all dies unter der Vorgabe eines ‚attraktiven‘ Preises. Was sich nach der Quadratur des Kreises anhört, löste Lapp schließlich mit einem modifizierten M23-Standard-Rundsteckverbinder.

Bei bisherigen Industrierobotern werden Energie und Daten am oder im Roboterarm üblicherweise über Leitungen mit M23-Rundsteckern übertragen. Für kleinere Roboter wurde dieser Standard auf die Formate M17 und M12 geschrumpft, insbesondere letz­terer erfreut sich wachsender Beliebtheit. Wenn es noch kleiner sein soll – etwa bei Robotern mit reiner Innenverkabelung –, sind aber auch solche Stecker nicht mehr praktikabel. Hier werden die Leitungen teilweise schon über kleine Stecker angeschlossen, wie man sie von der Verbindung von Leiterplatten kennt.
 

Trend zu Fertigkonfektionen

Bei den Zuleitungen vom Schaltschrank geht der Trend eindeutig zu Fertigkonfektionen, wie sie beispielsweise die Firma Lapp in ihrem Ölflex-Connect- Programm anbietet. Bei der Verlegung der Leitungen am oder im Roboter dominiert weiter Meterware zum Selbstverlegen. Doch auch hier gibt es in ­letzter Zeit Anfragen nach Fertigkonfektionen.

Ein genereller Trend bei der Verkabelung von Maschinen sind Hybridkabel. Sie enthalten alle notwendigen Leitungen – manchmal auch Pneumatik und Hydraulikschläuche – in einem gemeinsamen Mantel. Dieses Konzept ist allerdings für Kompaktroboter nicht geeignet. Durch die enge Abfolge von Anschlusspunkten an bis zu sechs Servomotoren sowie Sensoren macht das Zusammenfassen in einem Mantel keinen Sinn.

Autoren: Frank Rothermund ist Market Manager Robotics bei Lapp, Ralf Moebus ist Leiter Produktmanagement Automation & Networks bei Lapp und Joachim Strobel ist Produktmanager für Steckverbinder bei Lapp.