In der Fabrik wird zurzeit vorwiegend klassische Verbindungstechnologie wie Steckverbinder, Schleifringe und Kabelschleppen eingesetzt, um Roboter mit Energie zu versorgen und an die Datenkommunikation anzubinden. Weil dafür stets ein mechanischer Kontakt erforderlich ist, verschleißen diese Komponenten aufgrund der extrem hohen, durch die Anwendungen und die Umgebung bedingten Beanspruchung relativ schnell. Deshalb hat der Verbindungstechnikhersteller TE Connectivity die Ariso-Technologieplattform entwickelt, mit der sich Daten und Energie kontaktlos übertragen lassen.
Mechanische Kontakte verschleißen
Steckverbinder ermöglichen im Unterschied zu einer festen Verdrahtung Verbindungen, die leicht wieder getrennt werden können. Das erleichtert sowohl die Reparatur und Wartung von Maschinen als auch deren Modernisierung. Die Leistungsfähigkeit der Verbindungen hängt jedoch von den speziellen Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Bei der Übertragung von Energie kann etwa die Joulesche Erwärmung, die sich proportional zum Widerstand eines Steckverbinders verhält, zu einer Erhöhung der Betriebstemperatur führen und so dessen Eigenschaften beeinträchtigen. Weitere wichtige Kriterien für eine zuverlässige Energieübertragung sind die Höhe und Stabilität des Kontaktwiderstands. In explosionsgefährdeten Umgebungen dürfen außerdem keine Störlichtbögen auftreten.
Bei der Datenübertragung konzentrieren sich die Anforderungen auf einen reibungslosen Informationsfluss. Das erfordert bei elektronischen Systemen mit hohen Datenraten möglicherweise Impedanz-gesteuerte Steckverbinder und ein besonderes Augenmerk auf das Signal-Rausch-Verhältnis. Die Höhe des erforderlichen Widerstands hängt maßgeblich von den Geräten ab, die in einer Schaltung miteinander verbunden werden sollen. Bei vielen kann jedoch ein hoher Widerstand von mehreren Hundert mΩ toleriert werden.
Weil Steckverbinder Energie und Daten über einen mechanischen Kontakt übertragen, verschleißen sie zwangsläufig. Eine Ursache ist Korrosion, die in verschiedenen Formen auftreten kann. Im Grunde handelt es sich dabei um eine chemische Verschlechterung des Metalls der Kontakte. Die häufigste Form ist Rost beziehungsweise Eisenoxid. Außerdem gibt es auch galvanische Korrosion, die auftritt, wenn zwei unterschiedliche Metalle in einem Elektrolyt miteinander verbunden werden. Eine andere Ursache für den Verschleiß besteht darin, dass mechanische Steckverbinder nur eine begrenzte Anzahl von Steckzyklen aushalten, und zwar unabhängig davon, wie robust sie konstruiert sind.
Kapazitive und induktive Übertragung
Kontaktlose Verbindungstechnologie wie Ariso ist dagegen nahezu verschleißfrei und bietet zudem größtmögliche Flexibilität. Sie besteht aus zwei sogenannten Kopplern, die in einem Abstand von bis zu 7 mm positioniert werden können. Dadurch lassen sich Daten und Energie beispielsweise auch durch Flüssigkeiten oder Wände übertragen, was mit mechanischen Steckverbindern nicht möglich ist. Außerdem müssen die beiden Koppler nicht exakt zentriert sein, sondern können sich auch leicht versetzt gegenüberstehen oder in einem Winkel von bis zu 30°. Ferner besteht keine Gefahr, dass es zu Störlichtbögen kommt, die in Umgebungen mit Gasen oder Stäuben schnell zu einer Explosion führen können.
Grundsätzlich gibt es zwei Methoden Energie und Daten kontaktlos zu übertragen: die kapazitive und die induktive Übertragung. Bei der Energieübertragung hat die kapazitive Methode den Vorteil, dass sie durch Metall hindurchgeht und elektromagnetischer Störung (Electromagnetic Interference, EMI) widersteht. Jedoch ermöglicht sie nur eine geringe Leistungsdichte und besitzt nur eine kurze Reichweite. Hier bietet die induktive Methode Vorteile, die bereits in zahlreichen Produkt- und Technologielösungen erprobt ist. Obwohl Metall für diese Methode eine physikalisch unüberwindliche Hürde darstellt, ist sie der effektivere Ansatz, auf dem auch die Koppler der Ariso-Technologieplattform beruhen.
Beide Methoden können grundsätzlich auch für die kontaktlose Datenübertragung verwendet werden. Für eine kapazitive Übertragung spricht die hohe EMI-Resistenz. Jedoch muss die Fläche der Koppler vergleichsweise groß sein, zudem unterstützt die induktive Methode nur niedrige Datenraten. Deshalb übertragen die Ariso-Koppler die Daten per Funk im 2,4-GHz-Band. Da nur im Nahfeldbereich gesendet wird, kommt es zu keinen Interferenzen mit Verfahren wie WLAN oder Bluetooth, die auf derselben Frequenz arbeiten.
Die Koppler haben vorne jeweils eine Antenne und eine Spule, die mit einer Leiterplatte verbunden sind. Ihr Gehäuse ist aus Messing und hat für die elektromagnetische Induktion eine Kunststoffkappe, die innen komplett vergossen ist. Dadurch sind die Koppler, die Schutzart IP67 besitzen und Temperaturen von -20 bis 55 °C widerstehen, 100-prozentig dicht. Raue Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit, Staub und Vibrationen können ihre Leistungsfähigkeit deshalb nicht beeinträchtigen.
Vielfältige Verbindungsmöglichkeiten
Da kontaktlose Verbindungstechnologie teurer ist als Steckverbinder, eignet sie sich insbesondere für Anwendungen, in denen diese an ihre Grenzen stoßen, etwa hinsichtlich Steckzyklen und Umgebungsbedingungen, oder wenn sonst eine komplexe Verkabelung erforderlich wäre. Außerdem lassen sich mit dieser Technologie auch neue Einsatzszenarien umsetzen. Dazu gehören die bereits erwähnten Verbindungen durch Wände und Flüssigkeiten hindurch oder sogenannte On-the-Fly-Verbindungen, bei denen ein Koppler stationär und andere mobil installiert sind und der Kontakt immer durch das gerade gegenüberliegende Paar hergestellt wird.
Eine typische Anwendung für kontaktlose Verbindungstechnologie sind Roboter, die zunehmend in Produktionsprozessen eingesetzt werden, die immer komplexer geworden sind und hohe Präzision erfordern. Bisher werden Roboter vorwiegend über Schleifringe angebunden, die zusammen mit der sogenannten Bürste einen Gleitkontakt bilden. Da diese Komponenten aufgrund der ständigen Bewegungen jedoch stark beansprucht werden, verschleißen sie relativ schnell und müssen häufig ausgetauscht werden, was zu höheren Stillstandszeiten und damit zu einer niedrigeren Produktivität führt.
Außerdem schränkt klassische Verbindungstechnologie die Bewegungsmöglichkeiten von Robotern ein. Beispielsweise erreichen Kabelschleppen nur eine 270-Grad-Rotation. Das heißt, ein Roboterarm, der wieder auf seine Ausgangsposition fahren soll, muss noch einmal die gesamte Drehbewegung rückwärts ausführen. Dagegen ermöglicht kontaktlose Verbindungstechnologie eine 360°-Rotation, was für schnellere und wirtschaftlichere Produktionsprozesse sorgt. Außerdem lassen sich mit dieser Technologie Sensoren flexibler positionieren, etwa für eine Kraftrückkopplung von elektrischen Greifern, wodurch Roboter empfindliche Gegenstände sozusagen sanft anfassen können.
Daten und Energie kontaktlos übertragen
Kontaktlose Verbindungstechnologie kann überall dort eingesetzt werden, wo extrem zuverlässige und langlebige Lösungen erforderlich sind, um Daten und Energie zu übertragen. Ein Beispiel dafür sind Robotik-Anwendungen, in denen sie sowohl Schleifringe als auch komplexe Verkabelungen ersetzen kann. Außerdem erlaubt diese Technologie auch dort Verbindungen, wo das bisher nicht möglich war, was Konstrukteuren neue Wege für das Design von Maschinen eröffnet. Die vorliegenden Erfahrungen zeigen, dass die Total Cost of Ownership (Gesamtbetriebskosten) im Vergleich zu klassischer Verbindungstechnologie schon in den ersten Monaten durch weniger Ausfallzeiten, geringere Wartungskosten und höhere Leistung reduziert werden können.
