Fertig konfektionierte Energiekettensysteme Kabelschutzsysteme für die Robotik

Von Silvano Böni

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Der Robotikmarkt ist weiter auf dem Wachstumskurs. Doch immer mehr Herausforderungen stellen sich an die Kabelschutzsysteme von modernen Robotern: Der Platz auf der Achse wird weniger und die Dynamiken höher. Welche Energiezuführungslösungen und Kabelschutzsysteme gibt es am Markt? Welche Vor- und Nachteile besitzen sie? Und welche neuen Produkte sind derzeit in der Entwicklung?

Triflex-R-Energieketten von Igus lassen sich schnell und einfach befüllen. So können Leitungen im Wartungsfall einfach getauscht werden.
Triflex-R-Energieketten von Igus lassen sich schnell und einfach befüllen. So können Leitungen im Wartungsfall einfach getauscht werden.
(Bild: Igus )

Robotik und Automatisierung ermöglichen kleinen und grossen Unternehmen eine schnelle und kostengünstige Produktion. Neue Trendmärkte, in denen Roboter ihren Einzug halten, sind zum Beispiel zu sehen in der Produktion von Brennstoffzellen für wasserstoffbetriebene Autos, für Batterien im Transportsektor oder bei Solarzellen im Energiesegment. Die Roboter arbeiten hier teils unter widrigsten Bedingungen. Sie bewegen sich unter starken Beschleunigungen im 24/7-Dauerbetrieb und müssen akrobatische Bewegungen mit ihren sechs Achsen umsetzen. Die Torsion und der kompakte Bauraum können für das Kabelschutzsystem dabei schnell einmal zu einer Herausforderung werden. Denn es muss auch bei hohen dynamischen Kräften zuverlässig funktionieren und sollte gleichzeitig leicht und kompakt sein. Eine besondere Aufgabe auch für die Leitungen, die den Roboter und sein Werkzeug mit Daten, Medien und Energie versorgen. Deshalb sind Kabel wie Kabelschutzsysteme gefragt, die eine hohe Lebensdauer aufweisen, einen wartungsfreien und sicheren Betrieb ermöglichen und die Leitungen langlebig führen. Gleichzeitig sollten Kabelschutzsysteme nur eine geringe Zusatzlast für den Roboter darstellen, ausserdem sollte das System schnell und einfach montierbar sein und im Fall der Fälle leicht zu warten. Doch welche Energieführungen gibt es? Welche Vor- und Nachteile haben sie?

Wellschläuche: ein kostengünstiger und einfacher Kabelschutz

Bei den meisten Sechs-Achsen-Roboter-Anwendungen finden sich Wellschläuche aus speziell modifizierten Polymeren. Ihre Funktion besteht darin, die Leitungen zu führen und gleichzeitig zu schützen. Die Schläuche sind sehr leicht, kostengünstig und bieten einen guten mechanischen Schutz der Leitungen auch vor Staub. Jedoch besitzen Schutzschläuche auch Nachteile: Für den Fall eines Defektes eines Kabels muss immer das komplette Schlauchsystem erneuert werden. Das schnelle Wechseln einzelner Leitungen ist nicht möglich, da die Steckverbinder erst nach der Leitungsverlegung durch den Schutzschlauch konfektioniert werden können. Im Wartungsfall entstehen hohe Kosten wegen des Ausfalls der Anlage. Ein weiterer Nachteil: Schutzschläuche gewährleisten keinen definierten Mindestbiegeradius. Der Mindestbiegeradius der Kabel kann im laufenden Prozess jederzeit unterschritten werden – was zu einer Schädigung und einem Ausfall der Leitungen führen kann. Aus­serdem sind Roboterleitungen so konstruiert, dass sie Torsionsbelastungen aufnehmen können. Als Standard gelten in der Regel ±180 Grad auf einen Meter Länge. Schutzschläuche lassen jedoch konstruktionsbedingt keine Torsion zu. Die auftretende Torsionsbelastung wird allein durch ein Drehgelenk an der sechsten Roboterachse aufgenommen, die eine Länge von wenigen Zentimetern besitzt. Die Konsequenz: eine Überbelastung der Leitungen, die auf Dauer zu einem Leitungsbruch und zum Stillstand der Anlage führt.

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Energiekette, eine auf Dauer wirtschaftliche Alternative zu Wellschläuchen

Eine Alternative zu Wellschläuchen bieten drei­dimensionale Energieketten wie die Triflex R von Igus. Die Kette ist speziell für anspruchsvolle Sechs-Achsen-Roboter-Anwendungen in rauen industriellen Umgebungen entwickelt. Auch wenn eine Energiekette kostenintensiver als ein Wellschlauch ist, bietet sie viele Vorteile. Ein Mindestbiegeradius verhindert, dass Leitungen und Schläuche zu stark geknickt und dadurch beschädigt werden. Da gerade am Roboterkopf enge Verdreh- und Torsionsbewegungen herrschen, kommt dem definierten Torsionsanschlag eine hohe Bedeutung zu. Jedes Kettenglied besitzt einen Torsionsanschlag von etwa ±10 Grad, so können die Leitungen auf einer längeren Strecke sicher tordieren. Mit der Energiekette erhält der Anwender ausserdem bessere Einstellungsmöglichkeiten gegenüber Wellschläuchen, denn die Kette lässt sich durch ihren modularen Aufbau je nach Anwendung einfach verlängern oder verkürzen. Somit sind Energiekettensysteme auch bei Neuanschaffungen von Robotern schnell anzupassen. Für eine einfache Befüllung und Montage der Energiekette hat Igus drei Varianten der Triflex R entwickelt. Bei der «Easy»-Variante lassen sich die Kabel einfach in die Kette drücken. Nachteil: Die Leitungen sind nicht 100 Prozent vor äusseren Einflüssen wie Staub, Spänen oder Schmutz geschützt. Hierfür bietet Igus ein geschlossenes Triflex-Rohr für den maximalen Schutz mit optional aufklappbaren Deckeln für die schnelle Befüllung an. Die einfache Montage der Triflex und ihre schnelle Wartungsmöglichkeit erhöhen die Betriebssicherheit der Anwendung und die Lebensdauer der Leitungen und Schläuche.

Rückzugssysteme für die Energiekette

Um Leitungen und Schläuche mit den passenden Biegeradien am Roboter führen zu können, setzen Anwender auf Rückzugssysteme. Sie sorgen dafür, dass die Energieführung möglichst kompakt am Roboterarm gehalten wird. Die Systeme verhindern, dass die herabhängende Energieführung die Bewegungen des Roboters beeinflusst oder blockiert, selbst wenn diese hochdynamisch sind. Denn im schlimmsten Fall wäre durch eine Schlaufenbildung die Beschädigung der Energiekette, der darin liegenden Leitungen und Schläuche und damit ein Maschinenausfall die Konsequenz. Doch die Rückzugssysteme fordern ihren Platz. Diesen können moderne Roboter nicht mehr bieten. Daher hat der Energiekettenspezialist Igus eine neue vierdimensionale Energiekette entwickelt, in die das Rückzugssystem bereits integriert ist. TRX ist eine platzsparende Kette, die direkt kompakt auf der dritten Achse fixiert werden kann. Die Energieführung tordiert in sich, verlängert und verkürzt sich spiralförmig wie bei einem Teleskopauszug um bis zu 40 Prozent. Dazu kommen ein Schraubverbindersystem sowie ein integriertes Rückstellband zum Einsatz. Das Band bringt die Kettenglieder immer wieder an ihren Ausgangspunkt, dabei ist die Rückzugskraft einstellbar. Die Leitungen werden in Form einer Wendel in die Kette hineingelegt und in der Bewegung mithilfe der Kette geführt. Zusätzlich sind die Leitungen und Schläuche in der Mitte der TRX befestigt, um beim Ziehen an der Kette nicht die Position zu verlassen. Im Vergleich zu anderen Rückzugssystemen spart der Anwender bis zu 83 Prozent Gewicht ein und benötigt weniger als die Hälfte des Platzes. So lässt sich die Performance des Roboters verbessern. Weiterhin reduzieren sich die Kosten durch den Verzicht auf ein zusätzliches Rückzugssystem deutlich. TRX kann einfach mit bestehenden Triflex-R-Ketten verbunden werden. Wie auch bei Triflex R lassen sich die Leitungen schnell von aussen in die Energiekette einfüllen.

Fazit

Für einen langfristigen und sicheren Betrieb von Robotern bieten sich trotz höherer Anschaffungskosten Energieketten als Kabelführungssystem in Kombination mit einem Rückzugssystem an. Die Leitungen lassen sich im Wartungsfall schnell tauschen, was sich letztendlich auf lange Sicht auch wirtschaftlich auf das Energieführungskonzept auswirkt. Fertig konfektionierte Energiekettensysteme bieten dem Anwender den zusätzlichen Vorteil, dass er das Kabelsystem nur noch an seinen Roboter anschliessen muss. Dabei sollten die Lösungen aus einer Hand stammen. So bietet Igus zum Beispiel konfektionierte Triflex-Energieketten an, die mit Chainflex-Roboterleitungen befüllt sind. Die Leitungen von Igus sind dabei speziell für die dreidimensionalen Bewegungen am Roboter wie auf das Material der Kunststoffenergiekette ausgelegt. Je nach Leitungstyp sind Torsionen von ±180 bis zu ±360 Grad bei einem Meter Leitungslänge möglich. Ein abgestimmtes System verlängert noch einmal zusätzlich die Lebensdauer und garantiert damit eine ausfallsichere automatisierte Produktion. SMM

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