Steckverbinder zur Signalübertragung und Stromversorgung für Roboter- und andere hochkompakte Industrieanwendungen

Intelligente Fabriken werden durch dezentralisierte Intelligenz und Steuerung zunehmend automatisiert, wobei modulare Roboter-Maschinenkonzepte zum Einsatz kommen. Diese physische Verteilung der Steuerfunktionen erfordert eine Verbindung über Drähte und Kabel, die zuverlässige und sichere Verbindungen gewährleisten, die den Umweltanforderungen der modernen Fabrik entsprechen. Die Steckverbinder müssen einen geringen Widerstand, eine für die Nennströme ausreichende Kontaktfläche und einen starken Verriegelungsmechanismus aufweisen, um Vibrationen und Stößen standzuhalten. Darüber hinaus müssen sie leicht zu montieren und zu modifizieren sein, um schnelle Aktualisierungen und Änderungen zu ermöglichen.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Verbindungsanforderungen von Industrierobotern und Fabrikautomation. Anschließend werden eine Reihe von Steckverbindern von TE Connectivity AMP vorgestellt und es wird gezeigt, wie ihre sie eingesetzt werden können, um die Leistungs-, Signal-, Zuverlässigkeits- und Sicherheitsanforderungen dieser Anwendungen zu erfüllen.

Was ist eine intelligente Fabrik?

Eine intelligente Fabrik ist eine integrierte Anlage, die digital vernetzte Maschinen, Roboter und lokale Sensoren zur Steuerung, Echtzeit-Datenerfassung, Analyse und Entscheidungsfindung einsetzt (Abbildung 1). Solche Fabriken werden zunehmend dezentralisiert und modular aufgebaut, so dass sie leicht umkonfiguriert werden können, um veränderten Produktionsanforderungen gerecht zu werden. Die modulare Organisation begünstigt eine lokale Steuerung und kleinere Maschinen, um die Produktionsflexibilität zu erhöhen.

Abbildung 1: In der intelligenten Fabrik werden vernetzte Maschinen, Roboter und miteinander verbundene Sensoren eingesetzt, um einen effizienten Betrieb zu gewährleisten. (Bildquelle: TE Connectivity AMP)

Diese Einrichtungen verwenden modulare Arbeitsstationen, die mit unabhängigen oder kollaborativen Robotern (Cobots) ausgestattet sind. Mobile Roboter, wie z. B. fahrerlose Transportfahrzeuge (AGV) oder autonome mobile Roboter (AMR), transportieren Produkte zwischen Arbeitsstationen. AMRs und AGVs haben gegenüber stationären Robotern den Vorteil, dass sie sehr mobil sind und sich zwischen den einzelnen Arbeitsstationen drehen und bewegen können. Mit AGVs, AMRs und Cobots, die zusammenarbeiten, können in einer Produktionslinie verschiedene Aufgaben in separaten Zellen ausgeführt werden. Die Roboter können zwischen den Arbeitsstationen pendeln oder je nach Bedarf neu zugewiesen werden, wodurch die Gesamteffizienz verbessert wird. Diese Arbeitsplätze befinden sich häufig in rauen Umgebungen, so dass die Konstrukteure berücksichtigen müssen, dass Roboter und andere automatisierte Maschinen hohen Temperaturen, Feuchtigkeit, Staub, ätzenden Chemikalien sowie Stößen und Vibrationen ausgesetzt sein können.

Sensoren überwachen alle Vorgänge. Je nach Ausführung können die Sensoren kabelgebunden oder drahtlos sein. Drahtlose Sensoren werden in der Regel über das industrielle Internet der Dinge (IIoT) verbunden. Auch mobile Roboter werden über das IIoT überwacht und gesteuert.

Wie bei elektronischen Systemen üblich, geht der Trend in der Industrie zu kleineren Robotern, Maschinen, Sensoren und Steuerungen. Die geringe Größe und das geringe Gewicht führen zu einem geringeren Energiebedarf und zu mehr verfügbarem Platz für eine höhere Produktion. Sie führen auch zu kleineren Leiterplatten, die Komponenten mit hohem volumetrischem Wirkungsgrad erfordern.

Flexible und zuverlässige Strom- und Signalanschlüsse

Steckverbinder, ob Draht-zu-Draht, Draht-zu-Board oder Draht-zu-Panel, müssen Energie und Steuersignale zuverlässig übertragen. Kleinere Steckverbinder führen zu engeren Abständen und einem feineren Leiterabstand.

Modulares Design ist per Definition flexibel; daher müssen die Verbindungslösungen ebenso anpassungsfähig sein wie das automatisierte System. Im Einklang mit dem Erfordernis der Flexibilität müssen Steckverbinder so konstruiert sein, dass sie eine sichere und bequeme Verriegelung gewährleisten, die sowohl ein falsches Zusammenstecken während der Montage als auch ein versehentliches Lösen durch Stöße und Vibrationen verhindert.

Die Steckverbinder der Serie Dynamic von TE Connectivity AMP wurden entwickelt, um die Anforderungen industrieller Signal- und Leistungsschaltungen zu erfüllen, die eine hohe Dichte erfordern. Die Steckverbinder erfüllen diese Anforderungen durch mehrere Steckverbinderserien, die Ströme von 2,6 bis 100 Ampere (A) und Spannungen von 125 bis 1000 Volt handhaben können. Abhängig von den Strom- und Spannungswerten bieten diese Steckverbinder hochkompakte Verbindungen mit Leiterrastern von 1,8 bis 24,5 Millimetern (mm).

Die kompaktesten Dynamic-Steckverbinder sind die der Mini-Serie. Diese für Draht-zu-Board-Anwendungen vorgesehene Serie hat einen Kontaktabstand von 1,8 mm und ist mit einer Pinanzahl von 12, 16 und 20 Positionen erhältlich. Sie eignen sich für Kabelgrößen von 22 bis 26 AWG und sind für 250 Volt AC (VAC) bei 3 A ausgelegt.

Ein Beispiel ist der 1-2834461-2 (Abbildung 2, oben), ein Steckverbinder mit 12 Kontakten, bei dem die Kontakte in einer Doppelreihe mit einem Reihenabstand von 2,75 mm angeordnet sind. Der Steckverbinder misst 19,3 mm in der Länge, 15,7 mm in der Breite und 8,35 mm in der Höhe.

Abbildung 2: Abgebildet sind die Elemente einer 12-poligen Kabel-zu-Board-Steckbuchse (oben) der Serie Dynamic Mini und einer Stiftleiste (unten). (Bildquelle: TE Connectivity AMP)

Das Steckbuchsengehäuse ist mit 2834464-5-Kontakten von TE Connectivity AMP bestückt. Es handelt sich um verzinnte Crimp-Kontakte aus einer Kupferlegierung, die Drähte mit 26 AWG aufnehmen können. Sie sind für 3 A bei einer Betriebsspannung von 250 V_AC oder 125 V_DC ausgelegt. Jeder Kontakt verankert sich mit einer Verriegelungslanze im Gehäuse. Darüber hinaus verfügt das Gehäuse über eine bündig eingebaute Sekundärverriegelung, die eine zusätzliche Sicherheit für den Verriegelungsmechanismus des Kontaktterminals bietet.

Die Steckbuchse passt zur 1-2834465-2, einer 12-poligen oberflächenmontierbaren Steckleiste (Abbildung 2, unten). Die Steckleiste hat eine Länge von 19,3 mm, eine Breite von 12,3 mm und eine Höhe von nur 8,7 mm. Die Steckleiste enthält verzinnte Kontaktstifte mit quadratischem Querschnitt, die vollständig ummantelt sind.

Das Steckverbinderpaar ist kodiert, um ein falsches Einstecken zu verhindern, und verfügt über eine Verriegelung, die eine akustische und taktile Rückmeldung gibt, wenn die Buchse und der Stecker vollständig eingerastet sind. Die Verriegelung ist unterhalb der Oberseite des Steckers versenkt, um ein versehentliches Entriegeln zu verhindern. Die Seitenzapfen sorgen für eine mechanische Unterstützung der Steckleiste.

Die kleineren Abmessungen und die höhere Zuverlässigkeit der Steckverbinder der Mini-Serie erfüllen nicht nur die Anforderungen des industriellen Umfelds, sondern auch die anderer Anwendungen wie Robotik und Automobilelektronik, die eine höhere Vibrationsfestigkeit erfordern.

Steckverbinder für höhere Ströme

Die Größe des Steckverbinders nimmt zu, um der Notwendigkeit Rechnung zu tragen, höhere Ströme zu übertragen. Die Steckverbinder Dynamic D1000 Slim (Abbildung 3) füllen die Nische für den nächst höheren Strombereich. Der 1-2366600-4 ist zum Beispiel ein zweireihiger, vierpoliger Steckverbinder mit einem Kontaktabstand von 2,7 mm und einem Reihenabstand von 2 mm. Das Steckergehäuse passt zum Steckbuchsengehäuse 1-2366515-4 für eine Draht-zu-Draht-Inline-Verbindung. Wie die Steckverbinder der Mini-Serie verfügt auch der D1000 über eine Verriegelung, die sowohl eine akustische als auch eine taktile Rückmeldung gibt, um ein sicheres Einrasten zu gewährleisten. Es sind sowohl Steckbuchsen- als auch flache Crimpkontakte erhältlich, die Drahtgrößen von 22 bis 30 AWG aufnehmen können. Der D1000-Steckverbinder ist für einen maximalen Strom von 8,3 A ausgelegt, je nach gewähltem Kabelquerschnitt.

Abbildung 3: Dargestellt ist die Montage eines vierpoligen Draht-zu-Draht-Steckverbinders D1000 Slim. (Bildquelle: TE Connectivity AMP)

Die Gehäuse sind entweder mit horizontaler oder vertikaler Kodierung erhältlich, um eine korrekte Verbindung zu gewährleisten. Das zusammengesteckte Steckverbinderpaar misst 21,5 mm in der Länge, 7,2 mm in der Breite und 8,9 mm in der Höhe. Die Gehäuse sind sowohl mit einer Reihenbezeichnung als auch mit dem Schlüsseltyp eindeutig gekennzeichnet, um Konfigurations- und Verdrahtungsfehler zu minimieren (Abbildung 4).

Abbildung 4: Abgebildet sind die Markierungen für die Reihenkennzeichnung und die Kodierungsausrichtung, die für D1000-Slim-Gehäuse verwendet werden. (Bildquelle: TE Connectivity AMP)

Feldinstallation

Die Dynamic-Serie umfasst eine breite Palette von Steckverbinderertypen, zusätzlich zu den Crimpkontakt-Versionen. Käfig- oder Federklemmverbinder, wie die Serie D-2970 (Abbildung 5), sind ebenfalls erhältlich. Die Federklemmverbinder lassen sich im Gegensatz zu Crimpkontaktverbindern leicht vor Ort installieren oder modifizieren. Die Drähte werden mit abisolierten Enden in die Drahteingangsöffnung des Steckverbinders eingeführt, wo eine federbelastete Klemme den Draht einrastet und festhält. Eine Entriegelungstaste ermöglicht es, den eingelegten Draht zu entfernen. Zum Verdrahten oder Entdrahten des Steckverbinders sind keine Werkzeuge erforderlich.

Abbildung 5: Die Draht-zu-Board-Steckverbinder der Serie D-2970 können ohne Werkzeug verdrahtet werden, indem einfach ein abisolierter Draht in den Drahteingangsport eingeführt wird. (Bildquelle: TE Connectivity AMP)

Beispiele für die Serie D-2970 sind die 2336491-4, eine einreihige Steckleiste mit vier Kontakten, die mit der vierpoligen Buchsenleiste 2336488-4 für die Montage von Leitungen auf Leiterplatten zusammenpasst. Das Steckverbinderpaar hat einen Kontaktabstand von 5 mm und kann Drähte von 14 bis 24 AWG aufnehmen, wobei je nach gewähltem Drahtquerschnitt maximal 14 A möglich sind. Sie sind für Spannungen von bis zu 300 V ausgelegt.

Die Steckleiste misst 22 mm in der Breite, 34 mm in der Tiefe und 18,7 mm in der Höhe, während die Buchsenleiste 24,9 mm in der Breite, 14,8 mm in der Tiefe und 9,8 mm in der Höhe misst.

Fazit

Industrielle Leistungs- und Signalsteckverbinder für die Robotik und Fabrikautomation müssen sorgfältig ausgewählt werden, um Zuverlässigkeit, Sicherheit, Flexibilität und Signalintegrität zu gewährleisten. Mit den Steckverbindern der Serie Dynamic von TE Connectivity AMP können Entwickler aus einer breiten Palette von Pinkonfigurationen wählen und dabei Merkmale wie hohe Dichte, kodiertes Gehäuse, klare Markierungen, Verriegelungsmöglichkeit, Schock- und Vibrationsfestigkeit und kompakte Größe nutzen.