Roboter befinden sich weiterhin auf dem Vormarsch innerhalb automatisierter Fertigungen. Sie verrichten längst nicht nur eintönige Bewegungsabläufe, sondern ermöglichen über den Anschluss an das Datennetzwerk einen Zugriff, der etwa für die Prozessüberwachung oder Fernwartung erforderlich ist. Um eine nahtlose Datenkommunikation der Feedback-Schleifen zwischen Sensorik am Roboterarm, dem Roboterssystem 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.
Ganz so einfach ist es allerdings nicht. Oftmals stellen die raschen Bewegungsabläufe der Roboterarme im dreidimensionalen Raum die Verkabelung von der Inbetriebnahme des Roboters bis hin zum letzten durchlaufenen Zyklus vor eine große mechanische Belastung. Ethernet-Leitungen müssen nicht nur horizontale Linearbewegungen, sondern auch Torsion aushalten. Viele gängige Ethernet-Leitungen waren dieser Belastung oft nicht gewachsen, denn ihr Aufbau ist sehr anspruchsvoll: Die Adern sind paarweise verseilt, die Schirmung ist doppelt und außerdem muss auch noch die erfolgreiche Datenkommunikation von kritischen Übertragungsparametern garantiert werden.
Die Kabel müssen mitspielen
Eine Zwickmühle für Konstrukteure von Roboteranwendungen. Sie mussten sich meist zwischen Datenleitungen entscheiden, die entweder für lineare, horizontale Verfahrwege konzipiert sind, wie sie typischer Weise in Schleppketten vorkommen, oder aber für torsionale Bewegungsabläufe. Hauptgrund hierfür ist ein abweichender Aufbau im Innenleben der Leitungen. Je nach Einsatz kommt es auf die Schlaglängen innerhalb der Aderpaare an. Sie 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. Das Problem: In ihrem Bewegungsablauf verbinden Roboteranwendungen horizontale Linearbewegungen mit torsionaler Belastung. Eine Vielzahl der gängigen Ethernet-Leitungen ist dieser kombinierten Belastung nicht in einem ausreichenden Maße gewachsen.
Spezialkonstruktion für die Robotik
Schnell wird klar, dass deshalb für Profinet-Leitungen an Robotern eine ausgeklügelte Leitungskonstruktion nötig ist. Einheitliche Industriestandards für robotertaugliche Ethernet-Datenleitungen gab es bisher allerdings nicht. Des Problems hat sich die Profinet Nutzerorganisation angenommen und erarbeitete in enger Abstimmung mit der AIDA (Automatisierungsinitiative der deutschen Automobilisten) sowie im Austausch mit weiteren Unternehmen im Bereich der Industrieverkabelung schließlich die notwendige Spezifikation. Auch Lapp hat die Entwicklung des neuen Industriestandards von Anfang an mitbegleitet. Entstanden sind ziemlich harsche Vorgaben an Profinet-Datenleitungen. Der neue, sogenannte Typ R beschreibt zweipaarige 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.
Mechanische Anforderungen hoch
Bei Profinet-konformen Typ-R-Roboterleitungen sind in erster Linie die mechanischen Anforderungen sehr hoch. Fünf Millionen vertikale Torsionszyklen bei ±180°/m, fünf Millionen Zyklen in der horizontalen Schleppkette bei Beschleunigungen bis zu 10m/s² und Geschwindigkeiten von 3m/s über einen Verfahrweg von 5m, zusätzlich eine Millionen Biegungen im Wechselbiegetest nach EN50396 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, nach eigenen Angaben Weltmarktführer für integrierte Lösungen im Bereich der Kabel- und Verbindungstechnologie, hat hierfür die neue 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 100MBit/s. Auch ein Einsatz an anspruchsvollen Schweißrobotern ist möglich. Besonderes Augenmerk legten die Entwickler von Lapp auf die richtige Auswahl der Kabelkonstruktion. Aufgrund der Füllelemente sowie der zuverlässigen Materialien wie zum Beispiel dem robusten PUR-Außenmantel deckt die Etherline Robot PN Cat.5e nicht nur die Anforderungen an die mechanische Belastung ab, sondern entspricht darüber hinaus auch wichtigen Zertifizierungen und Standards wie der UL-Konformität gemäß AWM Recognized. Diese ermöglicht einen Export als Bauteil innerhalb einer Maschine oder Anlage in den nordamerikanischen Markt.
