Globales Verständnis: Multibussystem für Industrieroboter

Globale Feritgung hat ihre Tücken, wenn an jedem Standort die nationalen Vorlieben berücksichtigt werden müssen. Das war auch für Roland Weinmann, bei DaimlerChrysler für die Standardisierung der Robotertechnik zukünftiger Baureihen zuständig, eine Herausforderung. Als er sich vor vier Jahren mit der Anlagenplanung für den Rohbau neuer Modelle beschäftigte, nahm Weinmann gleichzeitig die US-Fertigung in Tuscaloosa und deutsche Standorte wie Rastatt und Sindelfingen ins Visier. \“Die Vereinheitlichung der am Kuka-Roboter mitgeführten Schlauchpakete war das vorrangige Ziel, um so die Kosten für Anlagenbau, Wartung und Logistik zu senken.\“ Standardisierung der Vielfalt Die Herausforderung bestand darin, die an den unterschiedlichen Standorten genutzten Bussysteme – konkret: DeviceNet in den USA und Profibus sowie Interbus in Deutschland – in das standardisierte Schlauchpaket zu integrieren. Wichtig für DaimlerChrysler-Mann Weinmann: \“Im Kern ging es uns um eine Standardisierung der Vielfalt und nicht um das willkürliche Wegkappen etablierter Busstandards, mit denen sich die notwendigen Feldbussignale schnell bis zum Werkzeug am Roboter bringen lassen.\“ Die Idee der Multibuslösung war geboren. Der Autobauer entwickelte darufhin – im engen Dialog mit Kuka – ein Pflichtenheft für die gewünschte Multibuslösung. Dabei ging es um elektromechanische Vorgaben und die passenden Übertragungsstandards. Gefordert war ein auf hohe Robotertauglichkeit getrimmtes Multibuskabel, das neben der Spannungsversorgung auch sämtliche Datenleitungen für die Busse DeviceNet, Profibus und Interbus enthalten sollte. Zwingend war zudem die Auflage, dass das Hybridkabel die Voraussetzungen für die Zulassungen der betroffenen Bus-Organisationen mitbringen musste. Schnelle Montage Für die Schnittstelle an der Roboterhand waren aktive E/A-Module gefordert, die sich über Steckverbinder schnell und sicher mit Sensoren und Aktoren verbinden ließen. Die Module sollten kompakt ausfallen und die Schutzart IP67 mitbringen. Da im Rohbau oft Werkzeugwechsel – etwa von Schweißzange auf Greifer – am Roboter stattfinden, sollte sich auch diese Funktion mit den Busmodulen steuern lassen. Die Feldbusstationen mussten so variiert werden, dass mit ihnen der jeweils gewünschte Busstandard gefahren werden kann. \“Für die Realisierung einer solchen Multibus-Lösung konnten wir nicht komplett auf Katalogkomponenten zurückgreifen, weiterhin wollten wir bestehende best-practice-Erfahrungen der laufenden Produktion nutzen\“, sagt Weinmann. \“Zwar definierten wir einen M23-Stecker als standardisierte Schnittstelle zwischen Kabel und E/A-Modul, aber ansonsten war einiges an Maßarbeit gefordert.\“ Am Kabel versuchten sich diverse Anbieter, bevor der Spezialkabelhersteller Ernst & Eng-bring (E&E) ein exakt für die Anwendung entwickeltes Hybridkabel anbieten konnte. Bei den Feldbusstationen nahm Turck die E/A-Module aus seinem Feldbussortiment als Basis und stellte sie auf das neue Anforderungsprofil ein. Reibungsloser Betrieb Wichtig für das Projekt war der enge Dialog zwischen Turck und E&E in Abstimmung mit Kuka und DaimlerChrysler. Schließlich galt es sicherzustellen, dass Feldbusstation und Kabel im Alltagseinsatz am Schweiß- oder Handling-Roboter prozesssicher harmonieren. Von Beginn an musste ein reibungsloser Betrieb garantiert werden, da Ausfälle gerade in der Automobilindustrie hohe Kosten erzeugen. Turck und E&E arbeiten seit Jahren immer wieder eng zusammen, wenn es um kundenspezifische Automatisierungs- und Kabellösungen geht. Als weltweit tätiger Automatiserungshersteller verfügt Turck über das Know-how, um kundenspezifische Vorgaben an Sensor-, Anschluss- und Feldbustechnik umsetzen zu können. Über die Systempartnerschaft mit dem Kabelhersteller E&E, der sich auf die Fertigung maßgeschneiderter Leitungen und Assemblies konzentriert, hat Turck direkten Zugang zu passgenauen Kabelkonstruktionen. Der 260 Mitarbeiter starke Kabelhersteller E&E, der zur global aktiven TKH Group gehört, konnte die Erfahrung aus über 10.000 kundenspezifisch entwickelten Leitungen und Assemblies einbringen. All-inclusive-Kabel Damit nichts schief geht, hat E&E das speziell entwickelte Multibuskabel für extreme Biege- und Torsionsfestigkeit ausgelegt. In ausführlichen Tests im mechanischen Prüffeld wie am laufenden Roboter wurde geprüft, dass auch mehrere Millionen Zyklen dem Kabel nichts anhaben können. Eine hohe Packungsdichte war ein wichtiges Thema bei der Konstruktion des maßgeschneiderten Rundkabels, das einen Außendurchmesser von 14,5 mm hat und so im dicht bestückten Schlauchpaket Platz findet sowie auf den vorgegebenen M23-Stecker passt. E&E entwickelte zudem als Novum einen um 300 Grad drehbaren IP67/69-Winkelstecker, der die übliche Kodierung des Kabelabganges überflüssig macht und das unerwünschte Abknicken hinter der Kabelverschraubung verhindert. Neben zwei Adernpaaren zur Stromversorgung und Schutzleiter bündelt die Hybridleitung auf engem Raum individuell geschirmte Adernpaare für den Profibus, den Interbus sowie das DeviceNet. Dieses komplexe System bietet jedem Bus \“sein\“ Medium, über das er sich reflexionsarm und unbeeindruckt von äußeren elektrodynamischen Störfeldern ausbreiten kann und bis ganz nach vorne im Roboter geführt wird. \“Eine Herausforderung war, mit einem Kabelaufbau und der passenden Fertigungstechnik aufzuwarten, um die Symmetrie und sämtliche geforderten Feldbusspezifikationen der von 100 bis 150W reichenden Busleitungen im Verbund absolut sicherzustellen\“, unterstreicht E&E-Konstruktionsleiter Kai-Uwe Schreiner. Spezielle Aderisolierungen sorgen für die nötigen Hochfrequenzeigenschaften. Zugleich liefern sie die mechanischen Parameter, um die nötigen Biegewechselzyklen für das Gesamtkabel zu ermöglichen. Geschützt wird das Kabel durch einen robusten Polyurethan-Mantel. Der ölbeständige Mantel ist erhöht abriebfest und nicht blockend. Außerdem ist er frei von Silikon oder anderen lackbenetzungsstörenden Substanzen – Bedingung für alle Einsätze in der Automobilindustrie. Inklusive der zeit- und kostenaufwändigen Zulassungen durch alle drei Bus-Organisationen konnte E&E das Multibuskabel in knapp einem Jahr entwickeln und zur Serienreife bringen. Individuelle Feldbusstationen Turck musste eine praktikable Lösung für die Multibus-Feldbusstationen finden. \“Schon früh war klar, dass eine Universalstation, in der alle geforderten Busanschaltungen in einem Modul realisiert sind, nicht sinnvoll ist\“, sagt Jörg Kuhlmann, Leiter Produktmanagement Feldbustechnik bei Turck. \“Eine derartige Station, in der im Betrieb dann jeweils zwei Busanschaltungen ungenutzt bleiben, ist sowohl aus Kosten- als auch aus Platzgründen unwirtschaftlich.\“ So haben die Entwickler drei – nach außen hin identische – Feldbusstationen geschaffen, die sich jedoch in der Technik im Inneren deutlich unterscheiden. Jede Box ist für ihren Bus – DeviceNet, Profibus oder Interbus – optimiert und mit der passenden Buselektronik ausgestattet. \“Hier immer die richtige Lösung zu finden, war für uns gut lösbar\“, so Kuhlmann. \“Da wir unsere Feldbuslösungen in aller Welt anbieten, kennen wir auch alle Standards und sind völlig frei von Berührungsängsten gegenüber den unterschiedlichen Bussystemen.\“ So konnte sich Turck in Deutschland praktische Hilfe für die Auslegung der DeviceNet-Variante bei der US-Tochter holen. Gehäuse als Technologieschutz Verpackt wurde die neue Technik in einem Gehäuse aus der bewährten FLDP-Baureihe. Vollständig vergossen und mit Metallsteckverbindern ausgerüstet, vereint die Box hohe Steckbarkeit mit hoher Robustheit. Sie hat zwölf Ein- und vier Ausgängen. Über den M23-Stecker wird das Modul an das E&E-Kabel angeschlossen: Stromversorgung und \“passender\“ Bus sind damit kein Thema. Von DaimlerChrysler kamen die Vorgaben zur Anschlussbelegung des 17-poligen M23-Steckers. Dabei wird der Standardstecker für die verschiedenen Bussysteme mit einem individuellen Pinning versehen und zwar zur E/A-Ebene wie zum Multibuskabel hin. So lassen sich auch die ungenutzten Busadern einsetzen – etwa zur Übertragung des KSR-Signals (Konstantstromregelung), das zur Überwachung der Schweißqualität dient. Die FLDP-Gehäuse bieten für Einsätze in Schweißrobotern die entsprechenden Anschlussmöglichkeiten. Eine patentierte Neuentwicklung ist der elektronische Bus-Abschlusswiderstand, der erstmals in den Multibus-Modulen zum Einsatz kam und Werkzeugwechsel mit wechselnden E/A-Belegungen ermöglicht. De-facto-Standard