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Servoantriebssystem für modulare Maschinenkonzepte

Integrierte Antriebstechnik optimiert Maschinendesign

| Autor / Redakteur: Andreas Golf, Beckhoff / Silvano Böni

Der dezentrale Servoantrieb AMP80xx integriert die Leistungselektronik platzsparend am hinteren Ende der Motorwelle und wird über die Einkabellösung EtherCAT P mit Leistung und Daten versorgt.
Der dezentrale Servoantrieb AMP80xx integriert die Leistungselektronik platzsparend am hinteren Ende der Motorwelle und wird über die Einkabellösung EtherCAT P mit Leistung und Daten versorgt. (Bild: Beckhoff)

Das Servoantriebssystem AMP8000 unterstützt die Umsetzung modularer Maschinenkonzepte. Hierfür wurde der Servoantrieb direkt in den Servomotor integriert. So verlagert sich die Leistungselektronik in die Maschine, was den Platzbedarf im Schaltschrank reduziert. Zusätzlich optimieren dezentrale Verteilermodule und die durchgängige Ethercat-P-Verkabelung das modulare Maschinendesign.

Das AMP8000-System von Beckhoff ergibt eine signifikante Einsparung von Verkabelungsmaterial, Schaltschrankplatz sowie Montageaufwand und -kosten. Zusammen mit der hohen Flexibilität im Topologieaufbau sind optimale Voraussetzungen für eine konsequente Maschinenmodularisierung gegeben – und damit auch für kundenspezifische Anpassungen.

Die Minimierung des Schaltschranks entsteht nicht allein durch den geringeren Platzbedarf. Mitentscheidend ist, dass durch die Dezentralisierung der Leistungselektronik auch ein Teil der bisherigen Verlustleistung im Schaltschrank entfällt. Damit kann dieser kompakter bauen und die entstehende Wärme dennoch ausreichend abgeführt werden. So ergibt sich insgesamt ein optimales Antriebskonzept für modulare Maschinen – mit einem kleineren und näher an die Maschine rückenden Schaltschrank. Zudem führt nur noch ein einziges, kürzeres Kabel vom Schaltschrank in die Maschine, wo sich dann die dezentralen Servoantriebe mit einer optimierten Verkabelung anschließen lassen. All das reduziert insbesondere bei hochmodularen Konzepten die Komplexität und führt zu deutlich reduzierten Leitungslängen und minimiertem Verkabelungsaufwand.

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Dezentraler Aufbau mit drei Systemkomponenten

Das AMP8000-System umfasst drei unterschiedliche Komponenten: Ein wahlweise ein- oder zweikanaliges Koppelmodul bildet den Startpunkt als einzige noch im Schaltschrank zu montierende Komponente. Es stellt die Verbindung des Zwischenkreises (DC-Link), der 24-V-DC-Versorgung und der Ethercat-Kommunikation her. Für den Einsatz mit dem Hochleistungs-Multiachs-Servosystem AX8000 wird das Koppelmodul AX883x an das AX8000-Einspeisemodul angeschlossen, um mit einem oder zwei Abgängen die IP-65-Welt anzubinden. Im Fall des Digital-Kompakt-Servoverstärkers AX5000 kann das Koppelmodul AX503x aufgrund des integrierten Netzteils auch stand-alone eingesetzt werden. Auf diese Weise stehen über die Ethercat-P-Abgänge (B23-Buchsen) dezentral 20A – beim AX883x je Abgang und beim AX503x als Summenstrom –, 600-V-Zwischenkreisspannung sowie 24 V und Ethercat zur Verfügung.

Diese Leistung wird zunächst an ein Verteilermodul AMP8805 als zweite Systemkomponente weitergegeben. Dieses versorgt als im Maschinenlayout integrierte IP-65-Komponente bis zu fünf dezentrale Servoantriebe AMP80xx. Dabei lässt es sich entweder direkt („brick style“) oder über einen als Zubehör verfügbaren Winkel montieren („book style“) und so ideal an die Maschinengegebenheiten anpassen. Das Verteilermodul verfügt über eine integrierte Kapazität von 1120 µF zur Stützung des Zwischenkreises. Über einen zusätzlichen Ethercat-P-M8-Ausgang lassen sich bei Bedarf Ethercat-P-Box-Module zum Beispiel für I/Os oder für ein zweites Feedbacksystem einfach und schnell ankoppeln.

Die dritte Systemkomponente ist der dezentrale Servoantrieb AMP80xx. Er gleicht hinsichtlich der Anbaumasse und seiner Leistungsdaten den Standard-Servomotoren der Baureihe AM8000. Da durch die integrierte Leistungselektronik lediglich die bei der Montage meist unkritische Baulänge gegenüber dem Standardmotor vergrößert wurde, lässt sich ein vorhandenes Maschinendesign ohne Modifizierung übernehmen. Erhältlich sind die dezentralen Servoantriebe AMP80xx in den Flanschgrößen F4 und F5. Zur Verfügung stehen verschiedene Ausführungen mit 0,61 bis 1,18 kW Nennleistung und 2,0 bis 4,8 Nm Stillstandsdrehmoment (F4) beziehungsweise 1,02 bis 1,78 kW Nennleistung und 4,1 bis 9,7 Nm Stillstandsdrehmoment (F5). Standardmäßig sind die Sicherheitsfunktionen STO und SS1 integriert; die erweiterten Safe-Motion-Funktionen sind in Vorbereitung. Zudem sind die Flanschgrößen F3 und F6 in Entwicklung, die das dezentrale Antriebssystem im Bereich kleinerer und größerer Leistung komplettieren.

Per Ethercat P durchgängig verkabelt und kaskadierbar

Verbunden werden die Komponenten des AMP8000-Systems durchgängig mit einer einheitlichen Leitung für die One Cable Automation (OCA) – mit immer gleichem Querschnitt und Steckverbinder. Dabei handelt es sich um eine dynamische, schleppkettentaugliche Ethercat-P-Leitung mit ECP-B23-Steckverbinder, also um die Einkabellösung als Hybridkabel zur Kombination von Ethercat P (Kommunikation plus 24-V-System- und Peripheriespannung) mit zusätzlichen Leistungsadern. Dabei erleichtern vorkonfektionierte Anschlussleitungen die Logistik erheblich und minimieren die Fehler während der Verkabelung.

Über das Verteilermodul ist das AMP8000-System auch kaskadierbar. So lassen sich selbst hochkomplexe Maschinen und Anlagen in einem einfachen, übersichtlichen Topologieaufbau realisieren. Hierzu schließt man an die Modulabgänge anstelle dezentraler Servoantriebe ein oder mehrere weitere Verteilermodule an. So können beispielsweise über ein Haupt-Verteilermodul fünf Untermodule versorgt werden, an die zusammen maximal 25 dezentrale Servoantriebe anschließbar sind – eine ausreichende Leistungsversorgung der einzelnen Motoren vorausgesetzt.

Ergänzendes zum Thema
 
René Zuberbühler von der Beckhoff Automation AG (Schweiz)

Konstruktiv optimale Antriebsintegration

Die Integration des Antriebs ist beim AMP80xx durch den Einsatz neuester Endstufentechnologien äußerst kompakt umgesetzt worden. Für die zu den entsprechenden Standard-Servomotoren der AM8000-Baureihe identischen Anbaumasse sorgt das am hinteren Wellenende des Servomotors angebrachte Leistungsmodul. Lediglich die Baulänge ist um circa 7 cm grösser. Für Maschinenbauer bedeutet dies einen nur minimalen zusätzlichen Platzbedarf sowie die Möglichkeit des einfachen Konzeptwechsels – ohne die Notwendigkeit zu konstruktiven Änderungen.

Die elegante und schlanke Bauform des AMP80xx bietet neben dem geringen Bauvolumen noch einen weiteren Vorteil gegenüber den marktüblichen Servomotoren mit oben aufgebauter Leistungselektronik: Die beiden Verlustwärmequellen Motor und Leistungselektronik sind deutlich voneinander getrennt und daher ohne zusätzlichen Bauraum beziehungsweise Kühlkörper von vornherein thermisch besser entkoppelt. Auf diese Weise erreichen die dezentralen Servoantriebe problemlos die gleichen guten Eigenschaften wie die entsprechenden AM8000-Standard-Servomotoren.

Dieser Beitrag erschien zuerst im Schweizer Maschinenmarkt SMM

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