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Für einen langfristigen und sicheren Betrieb von Robotern bieten sich Energieketten als Kabelführungssystem in Kombination mit einem Rückzugssystem an.

Bild: iStock, looderoo

Beweglich und robust wie eine Schlange Kabelschutzsysteme für die Robotik

28.09.2021

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?

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Trotz leichter Einbrüche während der Pandemie 2020 ist die Robotik auf dem Vormarsch. Die Auftragseingänge 2021 lassen ein starkes Wachstum erwarten. Auf der Jahrespressekonferenz des VDMA-Fachverbands Robotik + Automation hat der Verband für das laufende Geschäftsjahr 2021 eine Umsatzprognose von 13,4 Milliarden Euro für den Robotikmarkt in Deutschland abgegeben, 11 Prozent mehr als im Vorjahr.

Und auch weltweit wird mit einem Wachstum gerechnet. Für 2021 prognostiziert Interact Analysis einen Anstieg der Auslieferungen von Robotereinheiten von 9,6 Prozent und von 9,2 Prozent bei den entsprechenden Umsätzen. Auch 2021 bis 2024 geht der Marktforschungsspezialist von einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 4,6 Prozent aus.

24/7-Dauerbetrieb für die Energieführung

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 das System schnell und einfach montierbar sein und leicht im Fall der Fälle zu warten. Doch welche Energieführungen gibt es? Welche Vor- und Nachteile haben sie?

Wellschläuche: 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.

Energiekette eine auf Dauer wirtschaftlicher

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 erhöht 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 kommt 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 eines zusätzlichen Rückzugssystems 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 befüllen.

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 z. B. 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.

Bildergalerie

  • Das neue TRX-System von igus spart Platz an der dritten Roboterachse und sorgt für eine Rückzugslänge von bis zu 40 Prozent.

    Bild: igus

  • Die dreidimensionalen Energieketten trifelx R sorgen für eine zuverlässige Leitungsführung an Sechs-Achsen-Robotern.

    Bild: StirRob

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