Überlegungen zur Bewegungsperformance bei der Auswahl von VFD-Kabeln für die Robotik

Bei der Auswahl von Kabeln für frequenzvariable Antriebe (VFD) für die Industrierobotik müssen mehrere Schlüsselfaktoren berücksichtigt werden, um eine minimale Größe der Lösung und maximale Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Es gibt keine „Einheitslösung“, und eine sorgfältige Analyse der spezifischen Bewegungsanforderungen ist erforderlich, um das beste Kabel für jede Anwendung zu bestimmen.

Einige Kabeltypen eignen sich für Portalroboter, andere wiederum für mehrachsige Knickarmroboter, Anwendungen für die automatische Bestückung oder andere Roboterlösungen.

Zu den zu berücksichtigenden Spezifikationen gehören der Mindestbiegeradius, die maximale Torsion, die Litzenkonstruktion, die Dauerbiegeleistung (basierend auf Biegeradius, Entfernung, Beschleunigung, Geschwindigkeit und Gewicht), die Isolierung und die Mantelmaterialien sowie der Grad der Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMI).

Dieser Artikel beschreibt einige der Feinheiten bei der Auswahl von Kabeln für die Industrierobotik und zeigt, wie die Signalkabel ÖLFLEX® VFD 1XL und VFD 1XL von LAPP, die für bis zu zwei Millionen Biegezyklen ausgelegt sind, für eine Reihe von Roboterkonstruktionen, einschließlich Portalrobotern, geeignet sind. Anschließend wird auf die Anforderungen von mehrachsigen Knickarmrobotern mit komplexen Dreh- und Biegebewegungen eingegangen, die vom Einsatz der ÖLFLEX-ROBOT-F1-Kabel profitieren können.

Der Artikel stellt dann kurz ÖLFLEX SERVO FD 7DSL vor, ein Hybridkabel aus extra feinen Drähten der Klasse 6, die für bis zu 10 Millionen Biegezyklen für den Einsatz in der Robotik, wie z. B. in der automatisierten Fertigung und in Bestückungsanlagen, ausgelegt ist. Abschließend wird die Bedeutung von Kabelverschraubungen für die Gewährleistung der Zuverlässigkeit von Kabeln und Roboterbewegungen untersucht.

Grundlagen der Bewegung

Das Hauptunterscheidungsmerkmal zwischen VFD-Kabeln für allgemeine industrielle Anwendungen und für die Industrierobotik ist die Fähigkeit, schnelle, wiederholbare und präzise Bewegungen zu unterstützen. Das kann eine große Belastung für die Kabel bedeuten.

Die meisten VFD-Kabel sind für ein gewisses Maß an Flexibilität ausgelegt. Das bedeutet, dass sie gebogen werden können, um die Verlegung des Kabels während der Installation zu erleichtern. Das kann bei stationären Anwendungen nützlich sein, aber für die Robotik reicht es nicht annähernd aus.

Zu den Faktoren, die sich auf die Flexibilität von Kabeln auswirken, gehören u. a. die Art der Isolierung, das Hinzufügen von Ummantelungen oder Abschirmungen, die Leitergröße und die Verseilungsstruktur. Um eine hohe Anzahl von Biegezyklen zu erreichen, muss jeder Aspekt der Kabelkonstruktion sorgfältig beachtet werden, einschließlich eines Mantelmaterials, das sowohl dünn als auch abriebfest ist.

Der Biegeradius des Kabels ist eine grundlegende Spezifikation, die angibt, wie stark das Kabel gebogen werden kann, ohne dass es beschädigt wird, aber er gibt nicht die Anzahl der Biegezyklen an, die das Kabel aushalten kann. Für die Auswahl des richtigen Kabels und die Gewährleistung der erforderlichen Lebensdauer ist es entscheidend, die Art der Bewegung zu kennen, die auftreten wird.

Der Biegeradius ist ein Aspekt der kontinuierlichen Biegung, auch Rollflex genannt, die eine wichtige Spezifikation für Roboteranwendungen ist. Torsionsflexibilität ist eine weitere Art von Flexibilität, die bei bestimmten Robotertypen von entscheidender Bedeutung ist; in einigen Fällen kann sich das Kabel um ±360° um seine Achse drehen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Knickbiegung ist in den meisten industriellen Kabelinstallationen wichtig. Für die Industrierobotik sind kontinuierliche Biege- und Torsionsflexibilität erforderlich. (Bildquelle: LAPP)

Die kontinuierliche Biegung bezieht sich auf die wiederholte, lineare Hin- und Herbewegung eines Kabels, wie sie häufig in automatisierten Anlagen, Portalrobotern oder Kabelbahnsystemen vorkommt. Bei dieser Art der Biegung ist das Kabel ständigem Abrieb und ständiger Beanspruchung ausgesetzt, so dass es ständigen Bewegungen standhalten muss, ohne zu versagen.

Kabel, die für Torsionsbiegung ausgelegt sind, können einer ständigen Verdrehung standhalten. In einem Roboter kann das Kabel auch hin- und hergezogen werden, wobei eine lineare, kontinuierliche Biegung mit einer rotierenden Torsionsbiegung kombiniert wird. Kabel in Anwendungen wie mehrachsigen Knickarmrobotern, industriellen Lackierrobotern (vor allem in ihren Endeffektoren) und Bestückungssystemen können einer Torsionsbiegung unterliegen.

Anders als in vielen anderen Bereichen der industriellen Prozesssteuerung gibt es keine standardisierte Terminologie zur Beschreibung oder Quantifizierung der verschiedenen Arten von Kabelflexibilität. Jeder Hersteller muss sein eigenes Klassifizierungssystem entwickeln, das in der Regel auf einer Reihe von IEC-Normen basiert, wie z. B. IEC 60228, „Leiter von isolierten Kabeln“.

IEC 60228:2023 legt die Nennquerschnittsflächen für Leiter in elektrischen Energiekabeln und -leitungen verschiedener Typen und Anwendungen fest. Die Anforderungen an die Anzahl und Größe der Drähte sowie die Widerstandswerte sind ebenfalls enthalten.

Sie teilt die Leiter nach ihrer Flexibilität und ihrem Aufbau in Klassen ein, darunter Massiv (Klasse 1), Verseilt (Klasse 2), Flexibel (Klasse 5) und Hochflexibel (Klasse 6). Flexiblere Leiter haben eine größere Anzahl feinerer Drähte innerhalb der Litzen.

LAPP bezieht sich nicht nur auf verschiedene IEC-Normen, sondern hat mit seiner kontinuierlichen Flex-Test-Methodik auch die UL-Zertifizierung auf der Grundlage eines detaillierten Audits erhalten. Das Audit umfasste Anforderungen an kalibrierte Spezialgeräte, gut geschultes Personal und eine kontrollierte Dokumentation, alles in Übereinstimmung mit ISO/IEC 17025, einer internationalen Norm, die die Anforderungen an die Kompetenz von Prüf- und Kalibrierlaboratorien festlegt.

LAPP definiert eine Reihe von fünf Leistungsstufen für Dauerflexkabel und zwei Leistungsstufen für Torsionsflexkabel (Tabelle 1). LAPP hat außerdem drei Stufen der Biegeflexibilität für einfache Industriekabel und drei Stufen der Torsionsflexibilität für Spezialkabel, die in Windkraftanlagen verwendet werden, definiert.

Tabelle 1: Dauerbiege- und Torsionsbiegeeigenschaften gemäß LAPP-Definition. (Tabelle Quelle: Lapp)

Geringes Gewicht ist ebenfalls ein wichtiger Aspekt bei der Auswahl von Robotikkabeln. Industrieroboter werden schnell beschleunigt und abgebremst, und leichte Kabel minimieren die Masse, was schnelle Bewegungen erleichtert und die Fähigkeit des Kabels verbessert, Millionen von Biege- und Verdrehzyklen zuverlässig zu überstehen.

Grundlegende Roboterbewegung

Das Kabel ÖLFLEX VFD 1XL von LAPP verfügt über eine Dauerbiegebewertung von CF-01, wodurch es für Anwendungen wie Portalroboter geeignet ist. Diese Kabel sind öl- und UV-beständig sowie abgeschirmt. Die verbesserte Isolierung aus vernetztem Polyethylen (XLPE), auch bekannt als XLPE plus, verfügt über die für die Robotik erforderlichen mechanischen Eigenschaften und zeichnet sich durch einen reduzierten Außendurchmesser aus, der die Installation in engen Räumen unterstützt und gleichzeitig die Flexibilität des CF-01 beibehält.

Das ÖLFLEX VFD 1XL ist ein gutes Beispiel für die Bedeutung der Kabelkonstruktion für die Flexibilität. Basismodelle wie das 701703 mit fein verzinnten Kupferdrähten, einer Abschirmung aus Barriereband und dreilagigem Folienband (100% Abdeckung) sowie einem verzinnten Kupfergeflecht (85% ) sind für die CF-01-Flexibilität mit einer Nennlebensdauer von 1 bis 2 Millionen Zyklen und einer Kettenlänge von bis zu 15 Fuß ausgelegt.

Das Hinzufügen eines Paares von einzeln foliengeschirmten Drähten für eine Signalverbindung mit einem unisolierten Ableitdraht kann die Installation vereinfachen, da ein einziges Kabel sowohl die Stromversorgung als auch die Signalübertragung übernehmen kann, allerdings auf Kosten einer geringeren Flexibilität. Das ÖLFLEX VFD 1XL mit Signalleitungen hat eine Flexibilität von FL-02 und eignet sich damit für allgemeine industrielle Anwendungen.

Das ÖLFLEX-VFD-1XL-Modell 701715 mit Signalleitungen hat zum Beispiel die Einstufung FL-02 und ist aufgrund seiner „Eigenschaften für kontinuierliches Biegen“ sehr flexibel. Es hat jedoch keine Nennlebensdauer, so dass es für die meisten Robotikanwendungen ungeeignet ist (Abbildung 2).

Abbildung 2: Mit den hinzugefügten Signalleitungen hat dieses ÖLFLEX-VFD-1XL-Kabel eine Biegefestigkeit von FL-02, geeignet für allgemeine industrielle Anwendungen. Ohne die Signalleitungen erhöht sich die Biegefestigkeit auf CF-01, was das Kabel ideal für einfache Roboteranwendungen macht. (Bildquelle: DigiKey)

Maximale Roboterbewegung

Für die anspruchsvollsten Anwendungen in der Robotik können sich Entwickler auf das Kabel ÖLFLEX ROBOT F1 verlassen, das eine hohe Torsionsflexibilität von TCF-01 aufweist. Dieses Maß an Torsionsflexibilität wird sowohl von Grundmodellen wie dem 0029591 als auch von abgeschirmten Modellen wie dem 0029689 erreicht. Beide haben extrafeine Kupferdrähte, wie in IEC 60228 spezifiziert, und eine Isolierung aus thermoplastischem Elastomer (TPE).

Kleinere Kabel von 0,14 mm² bis 0,5 mm² haben verzinnte Kupferdrähte, während die Kabel ≥0,75 mm² blanke Kupferdrähte aufweisen. Der wichtigste Performanceunterschied ist die maximale Torsionsfestigkeit, die bei ungeschirmten Kabeln ±360° pro Meter und bei geschirmten Kabeln ±180° pro Meter beträgt.

Die maximale Torsionsfestigkeit gibt an, wie stark das Kabel auf einer Länge von 1 Meter verdreht werden kann, ohne beschädigt zu werden. Kabel wie diese mit einer TCF-01-Flexibilitätseinstufung können kontinuierlichen Bewegungen und hohen dynamischen Belastungen über 10 Millionen Torsionszyklen standhalten.

ÖLFLEX-ROBOT-F1-Kabel sind speziell für den Einsatz in Anwendungen wie mehrachsigen Knickarmrobotern, Schweißrobotern und industriellen Lackierrobotern konzipiert. Bei Lackierrobotern handelt es sich beispielsweise häufig um sechsachsige Konstruktionen, die komplizierte Bewegungen ausführen können, die ein hohes Maß an Verdrehung erfordern (Abbildung 3).

Abbildung 3: Industrielle Lackierroboter. (Bildquelle: LAPP)

Nicht alle Achsen eines mehrachsigen Roboters sind notwendigerweise derselben Art oder demselben Ausmaß an Biegung ausgesetzt. Je nach Konstruktion können einige Achsen eine Verdrehung von ±360° erfahren, manchmal in entgegengesetzte Richtungen, während andere Achsen eine eher lineare, kontinuierliche Biegung und wenig oder keine Verdrehung erfahren. Die ÖLFLEX-ROBOT-F1-Kabel können in allen Bewegungsszenarien eingesetzt werden, eignen sich aber besonders für Anwendungen, bei denen kombinierte Torsions- und Biegebeanspruchungen auftreten, wie z.B. Verbindungen zu Endeffektoren.

Mittlere Roboterbewegung

Die Hybrid-Servoleitungen ÖLFLEX SERVO FD mit geringer Kapazität, wie z.B. das Modell 1023278, verfügen über extrafeine Litzen aus blankem Kupfer gemäß IEC 60228, einen Außenmantel aus Polyurethan (PUR) und sind für hochdynamische Anwendungen in der Energiekette ausgelegt. Sie eignen sich für Anwendungen, die hohe Zykluszeiten und ein mittleres Maß an Flexibilität erfordern, wie z. B. einige Portalroboterkonstruktionen und Montage- oder Bestückungsmaschinen.

Diese Kabel sind als CF-04 für kontinuierliche Biegebeanspruchung eingestuft und wurden für Anwendungen mit hohen Zyklen und kontinuierlicher Biegebeanspruchung bei langen Kabelstrecken für Kettenlängen von bis zu 300 Fuß entwickelt. Sie weisen eine Lebensdauer von 8 bis 20 Millionen Zyklen auf. Das Signalpaar eignet sich für Hiperface-DSL- und SCS-Open-Link-Schnittstellen (SCS: Single-Cable Solution, Einkabellösungen). Sie halten den Belastungen einer hohen Beschleunigung stand.

Bedeutung der Zugentlastung

Der Schutz durch die Zugentlastung ist bei Roboteranwendungen, bei denen Kabel erheblichen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, unerlässlich. Außerdem gewährleistet es die Langlebigkeit von Kabelverbindungen, indem es die Übertragung von äußeren Kräften auf innere Verbindungen wie Lötstellen oder Steckerstifte verhindert. 

Die Serie SKINTOP SL/SLR von LAPP sind langlebige, flüssigkeitsdichte, einfach zu montierende Kabelverschraubungen zur Zugentlastung, die für Anwendungen in der Robotik entwickelt wurden. Die S2221 zum Beispiel hat einen Klemmbereich von 9 bis 16 mm und ist für VFD-Kabel mit mittlerem Durchmesser geeignet (Abbildung 4).

Abbildung 4: Kabelverschraubungen wie diese bieten Zugentlastung für Kabel in Anwendungen wie der Industrierobotik. (Bildquelle: LAPP)

Die Neoprentülle in den Kabelverschraubungen SKINTOP SL/SLR bietet eine flüssigkeits- und staubdichte hermetische Abdichtung nach IP68. Außerdem verfügen sie über einen integrierten Verriegelungsmechanismus mit innenliegender Ratsche zum Schutz vor Vibrationen.

Fazit

Bei der Auswahl von Kabeln für die Robotik ist es wichtig, die Bewegungsanforderungen zu verstehen. Wird das Kabel einer kontinuierlichen Biegung ausgesetzt, ähnlich wie bei einem Portalroboter, einer Torsionsbiegung, ähnlich wie bei einem industriellen Lackierroboter, oder beidem? Und wie stark wird gebogen? Einige mehrachsige Gelenkroboter können sich beispielsweise um ±360° biegen, während andere nur eine Biegung von ±180° benötigen.

Das Hinzufügen von Merkmalen wie Signalleitungen kann die Flexibilität eines Kabels verringern, wie beim ÖLFLEX VFD 1XL im Vergleich zum VFD 1XL mit Signalleitungen zu sehen ist. Andere Kabel, wie z.B. das ÖLFLEX SERVO FD, weisen auch bei integrierten Signalleitungen eine sehr gute Dauerflexibilität auf und erfüllen die Anforderungen von Bestückungs- und Montagerobotern. Schließlich kann die Verwendung von Kabelverschraubungen eine Zugentlastung bieten, die sowohl die Kabel als auch die angeschlossene Elektronik schützt und einen verbesserten Umweltschutz gewährleistet.

Empfohlene Lektüre:

1. Arten und Anwendungen autonomer mobiler Roboter
2. Ein industrielles Metaverse für kleine und mittelgroße Unternehmen zur schnellen Erforschung und Einführung von Roboterlösungen
3. Schlüsselfaktoren zur Klassifizierung von Industrierobotern
4. Optimierung der Intralogistik zur Optimierung und Beschleunigung der Lieferketten für Industrie 4.0 - Teil 1 von 2
5. Worauf ist bei der Bewertung der Sicherheit von Cobots zu achten?
6. Sichere und effiziente Integration von AMRs in Industrie-4.0-Prozesse für maximalen Nutzen