Kontaktlose Übertragung von Daten und Energie

Die Technologieplattform besteht aus Kopplern, in denen sich vorne jeweils eine Antenne und eine Spule befinden. Beide sind mit einer Leiterplatte verbunden, die im hinteren Teil der Koppler untergebracht ist. Übertragen werden die Daten im 2,4-GHz-Band. Da jedoch nur im Nahfeldbereich gesendet wird, kommt es zu keinen Interferenzen mit Funkverfahren wie WLAN oder Bluetooth, die auf derselben Frequenz arbeiten. Mit anderen Worten: Die Datenübertragung funktioniert kontaktlos, aber nicht wireless. Die Energie wird mittels eines induktiven Verfahrens übertragen, das auf dem magnetischen Resonanzprinzip beruht.

Mit der Hybrid-Lösung Ariso können sehr zuverlässige Verbindungen realisiert werden. TE Connectivity

Verbindungen On-the-Fly

Der Abstand zwischen zwei Kopplern kann bis zu 7 mm betragen. Dadurch ist es möglich, Daten und Energie beispielsweise auch durch Flüssigkeiten oder Wände zu übertragen. Nur Metall ist eine physikalisch unüberwindliche Hürde, da dort ein Strom induziert würde. 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 sind auch Lösungen möglich, bei denen ein Koppler stationär und andere Koppler mobil installiert sind, etwa an Werkzeugen oder Werkstückhaltern. Dabei wird die Verbindung immer durch das gerade gegenüberliegende Paar hergestellt (on-the-fly connection). Denn im Unterschied zu Steckverbindern ist kein mechanischer Kontakt erforderlich.

Deshalb lassen sich unter anderem Sensoren flexibler positionieren als bei einer Anbindung über Steckverbinder. Ein Beispiel dafür sind Werkstückhalter, die heute häufig mit RFID ausgestattet sind. Dies erlaubt zwar einen Blick auf die Teile, die transportiert werden, und den jeweiligen Arbeitsschritt, aber nicht mehr. Mit dem Hybrid-System können dagegen umfangreiche Informationen, von der Sensorik ausgelesen werden, was eine Echtzeit-Zustandsüberwachung ermöglicht.

Die kontaktlose Verbindungstechnologie bietet aber noch eine Reihe weiterer Vorteile. So ist sie nahezu verschleißfrei, wohingegen Steckverbinder – wie robust diese auch immer konstruiert sind – nur eine begrenzte Zahl von Steckzyklen aushalten. Somit werden die Wartungskosten reduziert. Außerdem sind Steckverbinder meist nur im gesteckten Zustand wasser- und staubdicht. Sind sie dagegen getrennt, kommt es leicht zu Verunreinigungen, die im Worst Case zu einer Unterbrechung der Verbindung führen können. Das ist beim kontaktlosen Übertragungsverfahren ausgeschlossen. Ebenso spielen Vibrationen keine Rolle, und zwar sowohl hinsichtlich der Robustheit der Verbindung selbst als auch mit Blick auf die Produktionsprozesse, welche eine Entkopplung von der Umgebung benötigen.

Dagegen werden von Steckverbindern zwangsläufig Vibrationen in die Prozesse übertragen, wodurch vor allem Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Genauigkeit wie etwa Messungen beeinträchtigt werden können. Ferner besteht immer die Gefahr, dass beim Stecken oder Trennen unter Last Funken entstehen, die beispielsweise in Bereichen der Lebensmittelindustrie, in denen Mehlstaub vorkommt, schnell zu einer Explosion führen können. Das ist bei der kontaktlosen Verbindungstechnologie nicht möglich, da die Koppler aufgrund der induktiven Übertragung galvanisch getrennt sind.

Die Technologieplattform besteht aus sogenannten Kopplern, in denen sich vorne jeweils eine Antenne und eine Spule befinden. TE Connectivity

Unbegrenzte Rotationen

Die kontaktlose Verbindungstechnologie ist jedoch nicht nur eine Alternative zu Steckverbindern, sondern auch zu Schleifringen, Spiralkabeln oder Kabelschleppen, die etwa in Robotik-Anwendungen eingesetzt werden. Aufgrund der extrem hohen Beanspruchung verschleißen diese Komponenten relativ schnell – eine Lebensdauer von einem Jahr ist bei Schleifringen schon sehr lang. Dagegen ist die kontaktlose Verbindungstechnologie, wie bereits ausgeführt, nahezu verschleißfrei. Außerdem ermöglicht sie mehr als 360-Grad-Rotation, während Kabelschleppen meist nur 270 Grad erreichen. Deshalb muss in diesem Fall ein Roboterarm, der wieder auf seine Ausgangsposition fahren soll, noch einmal die gesamte Drehbewegung rückwärts ausführen. Mit der kontaktlosen Verbindungstechnologie lassen sich die fehlenden 90 Grad vorwärts zurücklegen, wodurch die Produktionsprozesse schneller und effizienter werden.

Im ersten Schritt umfasst die Technologieplattform Ariso Koppler, mit denen sich sowohl PNP-Datensignale als auch Energie mit einer Leistung von bis zu 12 W kontaktlos übertragen lassen. Dadurch können beispielsweise Sensoren und I/O-Module angebunden werden sowie Aktoren kleinerer Ventilinseln oder elektrischer Greifer. Das Gehäuse der Koppler ist aus Messing und hat – für die elektromagnetische Induktion – vorne eine Kunststoffkappe, die innen komplett vergossen ist. Somit sind die Koppler, die die Schutzart IP67 besitzen und Temperaturen von -20 bis +55 °C standhalten, 100-prozentig dicht.

Mitten im Prozess

Auch in puncto Montage bietet das Hybrid-System Ariso eine große Flexibilität. Aktuell haben die Koppler, die über ein Gewinde und zwei Kontermuttern befestigt werden, angespritzte Leitungen mit M12-Steckverbindern, über die sie beispielsweise an eine I/O-Box angeschlossen werden können. Auch lassen sie sich wie Steckverbinder und Schleifringe in Automatisierungsequipment oder Maschinen integrieren, wozu allerdings kundenspezifische Gehäuseformen erforderlich sein können.

Die Technologieplattform wird nach und nach in Richtung höherer Datenraten und größerer Energieübertragungen erweitert werden. Denn im Zuge von Industrie 4.0 werden auch im Produktionsbereich die Anforderungen an die Bandbreite weiter zunehmen. Denn nur so kann die von Vision dezentralen Prozessen, bei denen Werkstücke ihre Bearbeitungsstationen sozusagen selbst suchen, Wirklichkeit werden.

(ah)