Die International Federation of Robotics (IFR) prognostiziert, dass bis 2020 mehr als 1,7 Millionen Industrieroboter in den Fabriken dieser Welt ihre Arbeit verrichten werden. Ein riesiger Markt für Roboterhersteller – und das weltweit. Damit die Versorgung der Roboter 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 völlig anders zu konstruieren und zu fertigen, als Leitungen für lineare Bewegung. Letztere sind möglichst kompakt, eng verseilt und haben mit hohem Druck extrudierte Außenmäntel. Dies ist insofern wichtig, da durch diese besondere „harte“ Konstruktion die Leitung die Bewegungsform der Energiekette nachvollzieht.
Roboterleitungen dagegen benötigen Kraftausgleichselemente, lockere Verseilelemente, verschiedene Gleitebenen und völlig andere Schirmkonzepte, um die Lebensdauer auch nach mehreren Millionen Torsionsbewegungen sicherzustellen. Denn in der Robotertechnik sind die Leitungen den unterschiedlichsten Bewegungsrichtungen ausgesetzt. So kann sich 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 Vlies aufgebaut.
Besonders hoch sind die Anforderungen bei den geschirmten Leitungsvarianten: 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 besonders mit Dämpfungselementen realisiert. Diese „weiche“ Bauweise gibt der gesamten Leitungskonstruktion die notwendige Bewegungsfreiheit, reduziert Zug- und Stauchkräfte und verhindert einen durch vorzeitigen Aderbruch entstandenen Maschinenstillstand. Aber welchen Vorteil bieten diese Konstruktionsprinzipien dem Einkäufer, beziehungsweise dem Entscheider?
Risiken bei der Beschaffung von Roboterleitungen
Oft fordern Roboteranwendungen viele verschiedene elektrische Signale- und Leistungsleitungen auf engstem Raum. Das Angebot an Roboterleitungen im Markt für den dreidimensionalen Einsatz ist, im Vergleich zu flexiblen Leitungen, beziehungsweise Kabel für den Einsatz in linearen Energieketten, relativ übersichtlich. Das führt sehr häufig dazu, das der Einkäufer mit speziellen Hybrid- und Sonderlösungen konfrontiert wird, die speziell und kundenbezogen angefertigt werden müssen. Bei dieser Art der Beschaffungsmethode hat man als Einkäufer naturgemäß einige Risiken zu beachten. Dazu zählen eine hohe Kapitalbindung durch Mindestlängen für die Kabelfertigung; hohe Fertigungskosten, da es sich um Sonderanfertigungen handelt; ungewisse Haltbarkeit der Sonderanfertigungen durch fehlende Tests sowie sehr lange Lieferzeiten.
Gutes Testen der Leitungen spart Kosten für Einkäufer
Wie also mit einer solchen Problematik umgehen? igus hat sich vor vielen Jahrzehnten genau diese komplexe Frage gestellt. Das Unternehmen setzt bereits seit über 25 Jahren mit der Marke „chainflex“ immer wieder neue Standards für bewegte Leitungen der Automatisierungs- und Robotertechnik und gilt in der Branche als ein führendes Unternehmen für Spezialleitungen für die Dauerbewegung in e-ketten- und Torsionsanwendungen.
Die Antwort der Leitungsspezialisten aus Köln ist: Nur ausgiebige Tests bieten planbare Sicherheit und reduzieren so die Kosten für den Kunden. igus betreibt daher ein über 3800 Quadratmeter großes Testlabor, das weltgrößte Labor für dynamische Kabel. Dort tordiert igus die chainflex-Robotik-Leitungen der CFROBOT-Serie bei kontinuierlicher elektrischer Überwachung auf verschiedenen Prüfständen millionenfach. Die sicherlich größte Herausforderung in diesen Tests liegt dabei in der schweren Reproduzierbarkeit der Lebensdauer auf jede mögliche Torsionsanwendung. So lassen sich aufgrund fester Parameter und bekannter Umwelteinflüsse die Lebensdauerlimits von e-ketten-Leitungen anhand langjähriger Testerfahrungen verlässlich vorhersagen – eine Prognose bei Anwendungen im Roboter ist jedoch wesentlich komplexer. Insbesondere ist der Bewegungsablauf häufig während der Projektierung noch nicht vollständig definiert. Deswegen gilt hier für den Leitungsanbieter: testen, testen, testen. Alle Testergebnisse fließen dann bei igus in eine Datenbank.
Vorteile für den Einkauf
Die ausgiebigen Tests haben ganz konkrete Vorteile für Kunden, die bei igus einkaufen. Sie ermöglichen – zusammen mit der jahrzehntelangen Erfahrung in der Kunststofftechnologie – eine am Markt einzigartige Garantie auf die Eigenschaften der chainflex-Leitungen von 36 Monaten. Sollte dennoch einmal eine chainflex-CFROBOT-Leitung bei dem im Katalog vorgeschriebenen Einsatz ausfallen, liefert igus direkt eine neue Leitung. Und das sofort und kostenfrei, denn im Torsionsleitungsprogram stehen 100 verschiedene Torsionskabel direkt ab Lager zur Verfügung. Ohne Mindestmengenabsatz lassen sich auch sehr kleine Mengen für Prototypen beziehungsweise Robotertestzellen bestellen. So profitiert der Einkäufer von der direkten Verfügbarkeit wie auch von der extrem kurzen Lieferzeit von 24 h. Auch dadurch erhält der Kunde ein hohes Maß an berechenbarer Sicherheit im Einkauf, der Konstruktion und dem Betrieb des Roboters.
Technik Know-how: Hohe Datenraten und größte Beweglichkeit
Die Leitungen sollen hohe Datenraten mit großer Zuverlässigkeit übertragen. Das bedeutet: Die Schirmung muss wirkungsvoll und somit möglichst dicht sein und man benötigt zusätzliche Elemente im Leitungsaufbau, um das Ausführen von Ausgleichsbewegungen zu ermöglichen.
Andererseits aber ist gefordert, die Leitungen extrem beweglich zu halten. In vielen Applikationen führen die Roboterachsen Drehbewegungen von bis zu ±360° pro Meter aus. Und wenn die Taktzeiten kurz sind, wird dabei sehr schnell eine sechsstellige Anzahl an Zyklen erreicht. Beim Bewegungsraum ist auch wichtig, dass die Leitungen auf kleinen Räumen leistungsfähig bleiben. Da der Bauraum in hochautomatisierten Anlagen und Arbeitsstationen meist knapp ist, sollen die Leitungen einen möglichst geringen Außendurchmesser und einen kleinen Biegeradius aufweisen. Hier ist eine dicht geflochtene Schirmung eher ungünstig.
Unter diesen schwierigen Voraussetzungen, auf der einen Seite an hohen Datenraten, auf der anderen Seite nach großer Beweglichkeit auf kleinem Raum, haben die Konstrukteure von igus eine neue tordierbare Busleitung für Ethernet, Profinet und Profibus entwickelt. Basis der Entwicklungsarbeiten war die Serie CFROBOT8. Dieser Aufgabe nahmen sich die igus-Entwickler an und konstruierten und testeten auf Grundlage der Serie CFROBOT8 für fünf Jahre eine Leitung mit besonderen Kennwerten: die CFROBOT8.PLUS ist das Ergebnis. Die neue Busleitungsfamilie für Ethernet, Profinet und Profibus erreicht garantierte zehn Millionen Zyklen und somit exakt die doppelte Lebensdauer des Vorgängers. Auch die Tordierbarkeit wurde verdoppelt: auf jeweils 360° in beide Richtungen bei 1 Meter Leitungslänge.
Mit der passenden Energiekette Roboterleitungen optimal schützen
Um die Ausfallsicherheit von Robotikkabeln weiter zu erhöhen sind die igus Leitungen auf den Einsatz in der Energiekette entwickelt und getestet. Aufgrund des über 50-jährigen Kunststoff-Know-hows wurden die Mantelwerkstoffe optimal auf den Kunststoff der triflex-R-Roboter-Energiekette abgestimmt – und reduzieren so den Abrieb und Verschleiß auf ein Minimum. Der Hauptaspekt für eine zuverlässige und betriebssichere Führung der Roboterleitungen und -schläuche ist das Einhalten der Mindestbiegeradien – werden diese unterschritten, drohen kostenintensive Anlagenausfälle. Die Konstruktion der igus-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 wird durch den modularen Aufbau der igus-triflex-R sichergestellt, 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 wie bei anderen Systemen 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.
Praxistipps
Was Sie beim Einkauf beachten müssen
Die Anschaffungsrisiken von Leitungen für Roboteranwendungen sind besonders hoch. So sind bei Torsionsleitungen Lebensdauerabschätzungen ohne lange Versuchsreihen von ein bis drei Jahren mehr als unseriös. Daher gilt als Grundsatzregel für den Einkauf: Leitungen ab Lager sind immer besser als Sonderanfertigungen, denn:
- Leitungen ab Lager werden bei igus auf ihre Lebensdauer geprüft.
- sie haben niedrigere Anschaffungskosten.
- die Leitungen sind sofort verfügbar.
- sie sind in Längen ab 1 Meter erhältlich.
So entfallen für das einkaufende Unternehmen lange Versuchsreihen und Prototypenanlagen können sofort gestartet werden.
Rainer Rössel,
Leiter Geschäftsbereich chainflex Leitungen,
igus GmbH
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