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Técnica de accionamiento integrada: Reducción de espacio en el cuadro de control y optimización de diseño de la máquina

Sistema de servoaccionamiento descentralizado AMP8000 para máquinas modulares

Andreas Golf, gerente de producto Técnica de accionamiento, Beckhoff Automation10/10/2018

El sistema de servoaccionamiento descentralizado AMP8000 es ideal para la implementación en máquinas modulares por la integración directa en el servomotor. De este modo, la electrónica de potencia se traslada a la máquina, lo que reduce el espacio necesario en el armario de control a un solo módulo de acoplamiento. Además, los módulos de distribución descentralizados y el cableado EtherCAT P universal optimizan significativamente el diseño modular de la máquina. El sistema AMP8000 supone un ahorro significativo tanto en el material de cableado y el espacio en el armario como en el esfuerzo y los costes de instalación. En combinación con la gran flexibilidad de la estructura topológica, se consiguen las condiciones óptimas para una modularización de la máquina y, por lo tanto, también para adaptaciones específicas del cliente.

La minimización del armario no solo se debe a la reducción del espacio necesario. Otro factor decisivo es que, debido a la descentralización de la electrónica de potencia, se elimina parte de la antigua potencia consumida en el armario de control. Esto permite que su construcción sea más compacta, permitiendo, no obstante, la suficiente disipación del calor generado. El resultado es un concepto de accionamiento óptimo para máquinas modulares, con un armario más pequeño y ubicado más cerca de la máquina. Además, solo un único cable más corto va desde el armario de distribución hasta la máquina, para conectar los servoaccionamientos descentralizados. Todo esto reduce la complejidad, especialmente para conceptos altamente modulares, y conduce a una reducción significativa de la longitud de los cables y a un esfuerzo de cableado mínimo.

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El servoaccionamiento descentralizado AMP80xx integra la electrónica de potencia ahorrando espacio en la parte trasera del eje del motor y es alimentado con potencia y datos a través de la solución de un único cable EtherCAT P. Foto: Beckhoff.

Estructura descentralizada con tres componentes de sistema

El sistema AMP8000 abarca tres componentes diferentes: El punto de partida lo constituye un módulo de acoplamiento, opcionalmente de uno o dos canales, como único componente que se debe montar en el armario de control. Establece la conexión del circuito intermedio (DC-Link), de la alimentación de corriente continua de 24 V y de la comunicación EtherCAT. Para el uso con el servosistema multiejes de alto rendimiento AX8000, el módulo de acoplamiento AX883x se conecta al módulo de alimentación AX8000 para conectar los dispositivos IP 65 con una o dos salidas. En el caso del servoamplificador compacto digital AX5000, el módulo de acoplamiento AX503x también se puede utilizar de forma autónoma gracias a la fuente de alimentación integrada. De este modo, a través de las salidas EtherCAT P (toma B23) están disponibles de forma descentralizada 20 A (por salida en el caso de AX883x y como corriente total en al caso de AX503x), una tensión de circuito intermedio de 600 V, así como 24 V y EtherCAT.

Esta potencia se transmite primero a un módulo de distribución AMP8805 como segundo componente de sistema. Este módulo, como componente IP 65 integrado en la estructura de la máquina, alimenta hasta cinco servoaccionamientos descentralizados AMP80xx. Se puede montar directamente (denominado "brick style") o a través de un angular disponible como accesorio ("book style") para adaptarse perfectamente a las características de la máquina. El módulo de distribución tiene una capacitancia integrada de 1120 µF para soportar el circuito intermedio. A través de una salida adicional M8 de EtherCAT P se pueden acoplar en caso necesario de forma simple y rápida módulos EtherCAT P Box, p. ej. para I/Os o para un segundo sistema de feedback.

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El sistema AMP8000 es modular y se puede conectar en cascada. Se compone del módulo de acoplamiento AX883x o AX503x, el módulo de distribución AMP8805 y los servoaccionamientos descentralizados AMP80xx. Foto: Beckhoff.

El tercer componente de sistema es el servoaccionamiento descentralizado AMP80xx. Sus dimensiones de montaje y datos de rendimiento son iguales a los de los servomotores estándar de la serie AM8000. Dado que, debido a la electrónica de potencia integrada, en comparación con el motor estándar únicamente se ha aumentado la longitud constructiva, que generalmente no resulta crítica para el montaje, se puede utilizar un diseño de máquina existente sin modificaciones. Los servoaccionamientos descentralizados AMP80xx están disponibles con tamaños de brida F4 y F5. Están disponibles diferentes modelos que ofrecen de 0,61 a 1,18 kW de potencia nominal y de 2,0 a 4,8 Nm de par en reposo (F4) o de 1,02 a 1,78 kW de potencia nominal y de 4,1 a 9,7 Nm de par en reposo (F5). Las funciones de seguridad STO y SS1 vienen integradas de serie; las funciones Safe Motion ampliadas están en preparación. Además, se están desarrollando los tamaños de brida F3 y F6, que completan el sistema de accionamiento descentralizado en el rango de menor y mayor potencia.

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La comparación del diseño convencional con toda la electrónica de accionamiento en el armario de distribución (arriba) con el diseño del sistema AMP8000 (abajo) ilustra el cableado sencillo y económico y el menor espacio requerido en el armario de distribución. Foto: Beckhoff.

Cableado universal y conexión en cascada mediante EtherCAT P

Los componentes del sistema AMP8000 se conectan universalmente mediante un cable unificado ‘One Cable Automation (OCA)’, siempre con la misma sección y los mismos conectores. Se trata de un cable EtherCAT P dinámico, adecuado para cadenas portacables, con conectores ECP B23, es decir, una solución de un único cable como cable híbrido para combinar EtherCAT P (comunicación más tensión periférica y sistema de 24 V) con derivaciones de potencia adicionales. Las líneas de conexión preconfeccionadas simplifican enormemente la logística y minimizan los errores de cableado.

El sistema AMP8000 también se puede conectar en cascada a través del módulo de distribución. De esta manera, incluso las máquinas y sistemas más complejos pueden ser implementados en una estructura topológica simple y clara. Para ello, a las salidas de los módulos se conectan uno o varios módulos de distribución adicionales en vez de servoaccionamientos descentralizados. Por ejemplo, a través de un módulo de distribución principal se pueden alimentar cinco submódulos, a los que se pueden conectar un máximo de 25 servoaccionamientos descentralizados, siempre que los motores individuales estén suficientemente alimentados.

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Con el servoaccionamiento descentralizado AMP8000, las máquinas pueden modularizarse de forma óptima y los módulos de ampliación pueden añadirse fácilmente. Foto: Beckhoff.

Óptima integración constructiva del accionamiento

Gracias al uso de las últimas tecnologías, la integración del accionamiento en el AMP80xx se pudo implementar con un diseño extremadamente compacto. Gracias a la ubicación del módulo de potencia en el extremo posterior del árbol del servomotor, las medidas de montaje son idénticas a las de los correspondientes servomotores estándar de la serie AM8000. La única diferencia dimensional es su longitud, que es aproximadamente 7 cm más grande. Para un fabricante de máquinas, esto significa un espacio adicional mínimo, así como la posibilidad de cambiar fácilmente de concepto sin la necesidad de realizar modificaciones constructivas.

Aparte de su pequeño tamaño constructivo, el diseño elegante y delgado del AMP80xx ofrece una ventaja adicional en comparación con los servomotores convencionales con electrónica de potencia montada en la parte superior: Las dos fuentes de pérdida de calor —motor y electrónica de potencia— están claramente separadas la una de la otra y, por lo tanto, se encuentran mejor desacopladas térmicamente entre sí desde un principio, sin necesidad de espacio constructivo o disipador de calor adicional. De este modo, los servoaccionamientos descentralizados alcanzan fácilmente las mismas buenas características que los correspondientes servomotores estándar AM8000.

Entrevista a Andreas Golf, gerente de producto Técnica de accionamiento, sobre la utilización y ampliación del sistema AMP8000

¿Para qué aplicaciones es especialmente adecuado el sistema de servoaccionamiento descentralizado AMP8000?

El sistema de accionamiento descentralizado AMP8000 es especialmente adecuado para la construcción de máquinas modulares, donde la flexibilidad, el ahorro de espacio y la facilidad de ampliación son requisitos importantes para el éxito de una serie de máquinas. El espacio necesario para la máquina se encuentra cada vez más limitado y es más costoso. Con el uso del sistema de accionamiento descentralizado, el fabricante de la máquina está en condiciones de ofrecer a sus clientes una solución de accionamiento muy compacta y fácilmente ampliable. Actualmente no existe ningún sistema compacto comparable que permita al fabricante elegir entre accionamientos convencionales o descentralizados sin cambiar el diseño de la máquina.

¿Hasta qué tamaño y cantidad de ejes se puede ampliar el sistema AMP8000?

El sistema de accionamiento descentralizado fue desarrollado específicamente para reducir la longitud de los cables, ya que los componentes no tienen que montarse tan separados entre sí. La cantidad máxima de ejes posibles no está limitada a un número, sino por la carga eléctrica. Con la ayuda de nuestro Motion Designer es muy fácil comprobar si una composición dada se encuentra en el límite o no. La carga total de la fuente de alimentación es calculada sobre la base de un ciclo de trabajo introducido y, dado el caso, se ofrecen sugerencias para una ampliación. También se puede comprobar la expansión en relación con la longitud del cable.

¿Cuál es el ahorro potencial en el cableado y en el esfuerzo de montaje para una aplicación típica del AMP8000?

Hemos calculado un promedio de ocho motores por máquina. En este sentido, se debe tener en cuenta que el armario de distribución se encuentra a una distancia media de 15 m de la máquina. Estos ocho cables de motor se sustituyen ahora por un solo cable OCA. Si se calculan dos veces el módulo de distribución requerido para el sistema AMP8000 y ocho veces los cables cortos a los motores descentralizados, en función de la constelación resulta un ahorro de costes de aprox. 10 al 15 % para la solución descentralizada. A esto se suman las ventajas de un armario de distribución más pequeño y la menor distancia a la máquina. Esto genera posibilidades de ahorro adicionales.

¿Cómo se continuará ampliando el sistema AMP8000 en el futuro?

El sistema de accionamiento descentralizado AMP8000 se está ampliando tanto hacia menores como hacia mayores potencias. El sistema es adecuado para potencias de hasta 3,5 kW; los tamaños de brida disponibles F4 y F5 se complementarán con las correspondientes contrapartidas en los tamaños de brida F3 y F6. El principio de la alimentación de 600 V CC también se aplicará a estos accionamientos, ofreciendo máxima flexibilidad al fabricante de máquinas. Además, se está desarrollando un módulo de distribución con diez conexiones, optimizado para un mayor número de ejes.

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Andreas Golf: “El sistema AMP8000 permite al fabricante elegir entre accionamientos convencionales o descentralizados sin cambiar el diseño de la máquina”.

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