Královské kabely

Skupina Lapp je předním výrobcem průmyslových kabelů a příslušenství, které dodává zákazníkům z oborů stavby strojů a zařízení, automatizace, měřicí, řídicí a regulační techniky a mnoha dalších. Holding Lapp má 18 výrobních závodů (jeden z nich je také v Holešově na Moravě), 40 distribučních společností a kolem 100 zastoupení po celém světě. Přes tuto velikost a celosvětovou působnost jde o firmu, která staví na rodinné tradici. Založil ji v roce 1959 Oskar Lapp a dnes ji vede manželka zakladatele U. I. Lapp a jejich dva synové. Jeden z nich, Siegbert E. Lapp, byl na tiskové konferenci po celou dobu také osobně přítomen a mimo jiné přednesl jednu z přednášek, jejíž název zněl Robotika – královská třída pro výrobce kabelů a komponent.

Kabely pro robotiku vyrábí závod Lapp Muller v Grimaud ve Francii, což je v oblasti Azurového pobřeží, jen pár kilometrů od St. Tropez. Továrna byla založena v roce 1939 Jeanem Mullerem v Courbevoie u Paříže, a teprve v roce 1992 byla přestěhována do Grimaud. O 11 let později se stala součástí skupiny Lapp. Nicméně, měřeno obratem, kabely pro robotiku zaujímají jen necelou třetinu výrobního sortimentu tohoto závodu. Přibližně stejný podíl obnáší také výroba kabelů pro oblast těžby ropy a plynu (v praxi se často jedná o kabely extrémních rozměrů, které musejí sloužit v extrémně náročném prostředí pod mořskou hladinou). Dále se zde vyrábějí kabely pro jadernou energetiku, manipulační techniku aj.

Ale vraťme se zpět k robotice. Proč se v souvislosti s kabely mluví o královské třídě? Výroba kabelů pro robotickou techniku má totiž svá specifika, jejichž důsledkem je vysoká technická i ekonomická náročnost jejich výroby. Základním technickým požadavkem na kabely pro robotické systémy je, že z důvodu extrémních víceosých pohybů a neustálého střídání ohybů na robotických systémech musejí konstrukce kabelů umožňovat velmi malé poloměry ohybu a vydržet vysoké namáhání krutem. Požadovány jsou poloměry ohybu až do 7,5násobku vlastního vnějšího průměru a zkroucení až 1 000 stupňů na metr, a to při vysoké spolehlivosti a životnosti – kabely pro roboty musejí vydržet až 10 milionů takovýchto pohybů, aniž by došlo k jejich poškození.

Pro vedení kabelů jsou přitom k dispozici omezené prostory. Kabely se musí vejít do minimálního prostoru uvnitř ramen robota, případně mohou být vedeny po vnější straně jednotlivých os. Proto se v robotice často používají hybridní kabely, které v jednom vnějším plášti sdružují více vedení, jako napájecí vysokonapěťové kabely společně s kabely datovými. Odtud pak plynou vysoké požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu (EMC), a tedy na kvalitní a odolné odstínění. V některých případech jsou také do kabelů integrovány hadice, například pro přívod vzduchu a ochranného plynu pro svařovací roboty.

Z výše uvedeného vyplývají vysoké požadavky na správnou konstrukci a optimální materiálovou skladbu kabelů. Příkladem ze standardního sortimentu firmy Lapp Muller je kabel Robocable F1, který je používán především v automobilovém průmyslu. Jde o vysoce flexibilní kabel s vnějším pláštěm z PUR, jenž odolává olejům, oděru a UV záření. Dále je použita speciální polyesterová izolační vrstva vyvinutá s ohledem na vysoká zatížení kabelu. Jednotlivá vedení uvnitř hybridního kabelu jsou proti rušení stíněna měděným ovinem a celý kabel je pak vybaven doplňkovým stíněním měděným opletem. Poloměr dynamického ohybu odpovídá desetinásobku vnějšího průměru, torzní odolnost ± 180° na metr. Kabel vydrží při tomto zatížení bez poškození až deset milionů cyklů.

Ještě odolnější variantou je kabel Robocable F1 Gold, který byl vyvinut především pro roboty s pohybem ve více osách, které se používají například pro svařování komponentů automobilových karoserií. Právě kombinace střídavého ohybu a krutu při komplexních pohybech robota často vedla u původních kabelů k rozlámání a poškození stínicí vrstvy, která chrání datová vedení před elektromagnetickým zářením. U kabelu Robocable F1 Gold je proto provedeno veškeré stínění formou měděného obložení. Poloměr dynamického ohybu tak bylo možné snížit na 7,5násobek vnějšího průměru kabelu, torzní odolnost se naopak zvýšila na ± 360° na metr. Taktéž kabel Robocable F1 Gold je testován na deset milionů pohybových cyklů. Jiná speciální varianta kabelu Robocable F1 Gold vydrží díky svému stínění ze speciální slitiny zvlášť vysoké namáhání v tahu až 300 N.mm-2, přičemž běžná hodnota u jiných kabelů je 20 N.mm^-2.

Roboty se používají pro nejrůznější druhy aplikací, jimž odpovídá velké množství různých typů a variant robotických systémů. Zákazníci zde ve většině případů přicházejí s přesně definovanými požadavky na kabelový systém. Pokud tato kritéria nelze splnit některým ze standardních produktů, vyvine pro ně firma Lapp Muller individuální řešení.

Vstup do závodu Lapp Muller, kde se kabely pro roboty vyrábějí, nám Středoevropanům evokuje spíše menší hotýlek či nějaké rekreační zařízení. Autobus nás vysadil před moderní patrovou budovou s předzahrádkou, jíž dominuje několik palem poskytujících příjemný stín... Nicméně vevnitř už je to jinak. Za správní budovou se nachází rozlehlé nádvoří s jednoduchým parčíkem, přes nějž se vchází do výrobní haly. Fasujeme ochrannou obuv s jakýmisi jednorázovými ponožkami, černé firemní tričko a nezbytnou audiotechniku, abychom dobře slyšeli našeho průvodce, s nímž následně vstupujeme do víru výroby.

Naši pozornost poutají velké stroje, na nichž se i z několika desítek cívek s dráty a menšími kabely splétají kabely větší, až několik centimetrů silné. Ale k těm se teprve dostaneme. Základem pro výrobu kabelů jsou ohebné měděné vodiče rozličných průměrů spletené z tenkých drátků. V případě požadavků na větší mechanické namáhání se místo mědi používají drátky ze speciálních slitin. Tyto vodiče se nejprve opatří izolací na některé z extruzních linek. Pro tento účel je na výběr z několika desítek druhů plastových materiálů různých barev, které zaručí dosažení požadovaných izolačních a mechanických vlastností. Extrudéry jsou schopny zpracovávat jakýkoli termoplastický materiál, jako je FEP, TPU nebo TPE, jakož i termosety, například XLPE. Na výstupu z extrudéru jsou kabely chlazeny ve vodní lázni a poté navinovány na cívky. Z takto vyrobených jednotlivých vodičů jsou následně splétány menší kabely. K dispozici je několik menších i větších strojů pro oplet drátem s 18 až 48 vřeteny. Na největších se například z mnoha menších kabelů různých průměrů splétají výše zmíněné hybridní kabely, které mohou obsahovat například i hadice pro přívod technologických plynů. Spletené kabely jsou následně ovinuty plastovou páskou a na další, mnohem větší extruzní lince opatřeny vnějším pláštěm. Při požadavcích na zvýšenou pevnost se navíc provádí oplet organickými vlákny. Společnost Lapp Muller vyrábí kabely v rozsahu průměrů od 0,8 do 120 milimetrů.

V mnoha případech je třeba do výrobního postupu ještě zařadit operaci výroby stínění. K tomu slouží stroje umístěné v samostatné dílně. Tradičně bývá stínění provedeno jako oplet z měděných drátků, které jsou spleteny do „hadice“ s malými oky obklopující kabel. Touto metodou jsou dosahovány zvlášť vysoké hodnoty stínění proti elektromagnetickému záření a oplet je tedy používán u mnoha hybridních vedení. Nevýhodou opletu však je, že se nehodí pro kabely vystavené extrémnímu střídavému ohybu či krutu, neboť vrstvy měděného opletu se při silném kroucení posouvají dovnitř a ven. Přitom dochází nejenom k poškození opletu jako takového, ale poškozeny mohou být i další komponenty kabelu. Při torzi 360° na metr často již po 100 000 cyklech účinnost stínicího opletu klesá, protože dochází ke zlámání drátků a vzniku malých otvorů v měděném opletu, takže záření již není tak dobře odstíněno. Při střídavém ohybu s poloměrem, který odpovídá desetinásobku vnějšího průměru kabelu, vzniká tentýž problém až po dvou či třech milionech cyklů. Proto se u kabelů pro robotiku často používá alternativní metoda stínění, obložení. Obložení je tvořeno spirálovým návinem měděného drátu nebo fólie pouze v jednom směru. Protože je opotřebení velmi malé, je tato metoda zvláště vhodná pro dynamické aplikace. Určitou nevýhodou je, že při určitém zkroucení nebo ohybu mohou ve stínění vznikat dočasné mezery. Hodnoty stínění – a tedy i elektromagnetické kompatibility (EMC) – jsou pak při ideálním stavu obou druhů stínění nižší než u opletu. Avšak při pohybu se střídavým ohybem s poloměrem odpovídajícím desetinásobku vnějšího průměru kabelu je stínění schopno vydržet bez poškození více než deset milionů cyklů. Podobné životnosti je možné dosáhnout i při krutu 360° na metr.

Zvláštní výzvou ve výrobě kabelů pro roboty je jejich relativně malá délka, jelikož jde o speciální kabely, často použitelné pouze pro určitou aplikaci. Odebíraná množství jsou proto menší než u jiných druhů kabelů. K tomu je třeba počítat s náklady na jejich vývoj a také s relativně vyššími materiálovými ztrátami a obvykle i s krátkými dodacími lhůtami. Společnost Lapp Muller, která je zaměřena na výrobu malých dávek, je schopna vyvinout a vyrobit speciální kabel i při délce 100 metrů do osmi týdnů.

U vyrobených kabelů jsou ověřovány jejich elektrické parametry, aby byla vyloučena jakákoliv výrobní chyba. U nově vyvinutých kabelů jsou testovány také mechanické vlastnosti, aby byla zaručena jejich životnost v náročných provozních podmínkách. Jelikož žádné oficiální průmyslové standardy pro zkoušky vysoce výkonných kabelů neexistují, koncipuje firma Lapp Muller své zkoušky podle nejpřísnějších požadavků svých zákazníků z oblasti výroby robotů. Zařízení pro zkoušení kabelů pro energetické řetězy testuje flexibilitu a životnost kabelů při trvalém namáhání střídavým ohybem s variabilně nastavitelným poloměrem. Zařízení pro zkoušení namáhání krutem simulují rotační pohyby a je na nich možné nastavit maximální úhel natočení ±720°. K dispozici je i originální kombinované zkušební zařízení, které je schopno reprodukovat pohyby vyskytující se na robotech v reálném provozu, a to kombinováním rotačních pohybů a střídavého ohybu.
Životnost a spolehlivost patří k prvořadým požadavkům na kabely pro robotickou techniku, neboť v průmyslové výrobě může i krátká časová ztráta při výpadku rozhodujícího komponentu robotického systému a následné zastavení výrobní linky představovat milionové škody.

Pavel Marek

Foto: Lapp Group

pavel.marek@mmspektrum.com