Armarios de servodrives para robots

El gabinete del robot puede pasar inactivo y fallar durante el movimiento

La carcasa de un controlador de robot no se enfría con su carga eléctrica promedio; la secuencia de movimiento más exigente puede establecer los requisitos del ventilador y del filtro.

Una célula robótica puede parecer térmicamente cómoda mientras el brazo está estacionado y luego fallar cuando varios ejes aceleran, desaceleran y retroceden repetidamente. El gabinete del controlador contiene servoamplificadores, fuentes de alimentación, contactores, componentes de frenado y electrónica de control. Sus pérdidas cambian con la corriente, la frecuencia de conmutación, el frenado regenerativo y el ciclo de trabajo. El ventilador del gabinete debe mover el calor a través del filtro final, la rejilla, la ruta del cable y la disposición de los componentes internos, no a través de una prueba ideal al aire libre.

El primer error es seleccionar un ventilador de la potencia nominal del controlador o de un cabezal de aire libre CFM. El segundo es utilizar una temperatura del gabinete en estado estable ignorando la secuencia de movimiento máximo. Un servovariador puede tener una temperatura ambiente de 40 °C y requerir una reducción de potencia por encima de ese punto; La corriente permitida puede cambiar con la temperatura, la altitud y la instalación. Beckhoff, Kollmorgen y otra documentación del variador tratan las condiciones ambientales y de ventilación como parte de la instalación del variador, no como un accesorio opcional.

Este artículo ofrece un método repetible para convertir el trabajo de movimiento en requisitos de carga de calor, presión y flujo de aire. También muestra dónde un ventilador personalizado, una alarma de filtro, un sensor de temperatura o un cambio en el diseño del gabinete pueden evitar una falla molesta por sobretemperatura sin simplemente aumentar RPM en todas partes.

Construya el presupuesto de calor a partir del perfil de movimiento

Utilice las pérdidas reales cuando estén disponibles y separe el calor continuo de los picos regenerativos cortos.

Comience con los valores de pérdida de la documentación del servovariador y del controlador. Agregue la pérdida de la fuente de alimentación, la pérdida de la resistencia de frenado que realmente se transfiere al gabinete, la pérdida del contactor y del transformador, la electrónica de control y cualquier energía del ventilador o del filtro-calentador. Si una hoja de datos solo proporciona eficiencia, estime la pérdida como la potencia de entrada menos la potencia de salida entregada en el punto de operación relevante. No agregue la potencia de salida mecánica del motor como calor del gabinete a menos que el motor o el freno estén físicamente dentro del gabinete.

Para equipos en movimiento, registre al menos tres estados: estacionado o inactivo, ciclo de producción continuo y peor secuencia corta. Es posible que la peor secuencia corta no establezca la temperatura constante del gabinete, pero puede establecer la temperatura de la unión del variador o del disipador de calor. Un registrador de temperatura en la entrada del variador y el disipador de calor, sincronizado con la corriente del eje y los eventos de frenado, revela si el gabinete está limitado por el calor acumulado o por un breve transitorio.

Un ejemplo práctico es un gabinete con 160 W de pérdida electrónica continua y una pérdida máxima de 90 W por frenado y conversión de potencia durante un ciclo de movimiento repetido de 30 segundos. Si el pico se repite con suficiente frecuencia como para que el gabinete no regrese a su línea base, dimensione el flujo de aire para el margen de calor promedio del ciclo más y verifique el pico corto con pruebas transitorias. Si el pico está aislado, es posible que el ventilador no necesite extraer los 250 W completos de forma continua, pero el disipador de calor del variador y el umbral de alarma aún necesitan un margen transitorio.

Modelo animado: El calor máximo y la presión del filtro mueven el punto de trabajo

Las partículas en movimiento comparan un gabinete de filtrado limpio con un gabinete de filtrado cargado durante una secuencia de alto movimiento.

En estado limpio, el ventilador mueve el aire a través del filtro de entrada, a través de los disipadores de calor del servoaccionamiento y fuera del escape. En estado cargado, el filtro y la rejilla consumen más presión, por lo que el mismo comando PWM produce un flujo de aire menos útil. Es posible que la unidad aún informe un ventilador normal RPM, pero el disipador de calor recibe menos aire de enfriamiento y la temperatura del gabinete aumenta durante el ciclo de movimiento.

La animación no es un resultado de CFD ni un multiplicador de filtro universal. Úselo para definir la prueba: mida la presión diferencial del filtro, el comando del ventilador, la retroalimentación del ventilador, la temperatura de entrada del gabinete, la temperatura del disipador de calor y el flujo de aire útil en condiciones de limpieza y límite de servicio. El ventilador debe seleccionarse en función de la presión instalada, no sólo en función de la entrada limpia del ventilador.

Calcule el flujo de aire requerido sin perder la verificación de presión

Una estimación del equilibrio térmico proporciona un flujo de aire inicial; la curva del ventilador P-Q decide si ese flujo de aire existe a través del gabinete.

Para un gabinete ventilado, una primera estimación útil es Qv ≈ P / (rho x cp x delta-T), donde P es el calor en vatios, rho es la densidad del aire, cp es la capacidad calorífica del aire y delta-T es el aumento permitido de la temperatura del aire. Usando aire estándar y una elevación de 10 K, 250 W requieren aproximadamente 75 m3/h, o aproximadamente 44 CFM, antes de pérdidas y margen. Esta es una estimación, no una especificación del ventilador.

Si el filtro final, rejilla, disipadores y recorrido del gabinete requieren 80 Pa a 75 m3/h, el ventilador seleccionado debe entregar ese punto de operación. Un ventilador con capacidad de 75 m3/h en aire libre puede entregar mucho menos a 80 Pa. Agregue la caída de presión del filtro de límite de servicio y cualquier pasaje interno estrecho. Si la presión del filtro aumenta de 20 Pa limpio a 55 Pa cargado, el punto de funcionamiento del ventilador se mueve incluso si el comando del motor permanece sin cambios.

Utilice un margen ligado a la incertidumbre, no un multiplicador universal. Si la estimación de la pérdida de calor tiene una incertidumbre del 15 %, la carga del filtro es variable y la tolerancia del sensor es ±2 K, documente esas suposiciones y valide la peor combinación. Un marco más grande a una velocidad más baja puede reducir el ruido y la tensión de los rodamientos, mientras que puede ser necesario un ventilador compacto de alta presión estática cuando el gabinete no puede aceptar una abertura más grande.

Colocación de filtros, presión positiva y contaminación

La disposición de ventilador/filtro protege el variador solo cuando se comprenden la presión del gabinete y el estado de mantenimiento.

En áreas de producción polvorientas, una entrada filtrada puede mantener el gabinete ligeramente positivo y reducir el ingreso incontrolado a través de prensaestopas y espacios en las puertas. Pero el filtro añade resistencia y su presión aumenta a medida que se acumula el polvo. Una disposición de solo escape puede aspirar aire contaminado a través de cada sello imperfecto. La disposición correcta depende de la clasificación del gabinete, el lavado, la neblina de aceite, la humedad y la ruta de aire permitida; no debe copiarse de un gabinete de laboratorio limpio.

Coloque un sensor de presión diferencial o cambie el filtro cuando un filtro bloqueado pueda eliminar el margen de presión del ventilador. Una alarma simple basada únicamente en el ventilador RPM puede pasar por alto esta falla porque el rotor permanece a la velocidad de comando mientras el flujo de aire colapsa. Combine la presión del filtro, la temperatura de entrada, la retroalimentación del ventilador y la temperatura del variador para que se active el mantenimiento antes de que el variador reduzca su potencia.

No haga una reclamación sobre el filtro sin indicar la condición de la prueba. La clase de filtro, el área abierta, el tipo de polvo, la orientación de montaje y el intervalo de servicio cambian la caída de presión. La muestra del ventilador se debe probar con el filtro y la rejilla finales, y se debe verificar si el gabinete tiene un flujo de cortocircuito desde la entrada hasta el escape que pasa por alto los disipadores de calor.

Movimiento máximo, resistencias de frenado y ubicación de sensores

El punto más caliente puede ser el disipador de calor del variador o el componente de frenado en lugar del sensor de aire del gabinete.

Un sensor de aire del gabinete responde lentamente y puede mostrar un promedio aceptable mientras un disipador de calor del variador o una resistencia de frenado alcanza su límite. Coloque los sensores cerca de la fuente de calor y en la ruta de entrada del ventilador, luego compárelos con la corriente del eje y el estado de movimiento. El sensor no debe ubicarse directamente en un chorro de ventilador donde lea un punto frío local que no representa la unidad.

Durante un evento de desaceleración, la energía regenerativa se puede disipar en una resistencia de frenado o devolverse al bus DC. Si la resistencia está dentro del gabinete, se deben incluir su breve pulso de calor y su radiación local. Si está en el exterior, no cuente su calor mecánico en el presupuesto del armario, pero confirme su propia refrigeración y el tendido de cables. Es posible que el control del ventilador necesite un paso de avance cuando comienza una secuencia de movimiento conocida, seguida de una retroalimentación de temperatura.

Un registro de validación útil contiene marca de tiempo, corriente del eje, velocidad, comando de freno, ventilador PWM, FG/RD, presión del filtro, temperatura de entrada, temperatura del disipador de calor del variador y temperatura de escape del gabinete. Sin la señal de movimiento, el equipo puede confundir un pulso de calor del ciclo de producción con una falla aleatoria del ventilador.

Vibración, EMC y confiabilidad del ventilador en una celda en movimiento

El entorno del robot añade vibración, movimiento de cables y ruido eléctrico a un problema de ventilador de recinto que de otro modo sería normal.

Monte el ventilador con la junta aprobada o los accesorios de aislamiento y verifique que la protección, el marco del filtro y el panel del gabinete no resuenan durante el movimiento del robot. Un ventilador puede pasar una prueba de ruido de banco y producir un traqueteo cuando el gabinete está sujeto a una estructura en movimiento o que vibra. Verifique el ventilador en las condiciones de aceleración normal y máxima del eje si el ventilador está montado en el robot o en una plataforma móvil en lugar de en un gabinete de controlador fijo.

La interfaz eléctrica también importa. Las líneas PWM, FG y RD deben enrutarse lejos del cableado de freno y motor de alta corriente siempre que sea posible, con la conexión a tierra y el filtrado especificados. Pruebe el arranque, el servicio mínimo, la detección de alarmas y la recuperación mientras el servosistema cambia y frena. El ventilador no debe crear una falsa alarma del variador y el ruido de conmutación del variador no debe causar una falsa retroalimentación del ventilador.

Para obtener una muestra personalizada o de reemplazo, compare la vida útil del rodamiento, la temperatura nominal, la tolerancia a la vibración, la retención del conector y el acceso al servicio. Un ventilador de menor costo no representa un ahorro si su cojinete o conector falla primero en una celda de producción. La muestra debe evaluarse en el ciclo de trabajo real, no sólo a voltaje nominal en un banco silencioso.

Procedimiento de puesta en marcha de una célula robótica de producción

Utilice una secuencia repetible para evaluar el ventilador en función del perfil de movimiento y el estado de mantenimiento que realmente verá la fábrica.

Congele la configuración del gabinete: modelos de variador, componentes de frenado, rutas de cables, filtros, dirección del ventilador, rejilla, posiciones de sensores y firmware. Mida la presión diferencial del filtro limpio y el punto de funcionamiento del ventilador. Ejecute el ciclo de producción normal el tiempo suficiente para alcanzar una temperatura repetible, luego repita la peor secuencia de aceleración y desaceleración. Registre las temperaturas máximas y estables por separado.

Cargue el filtro hasta la presión límite de servicio acordada o utilice una restricción calibrada que la represente. Repita el ciclo a la temperatura ambiente más alta y al voltaje de suministro más bajo permitido. Si el robot opera en altitud, incluya la base de densidad del aire real y la reducción de potencia de la unidad. No apruebe el ventilador a partir de un resultado de laboratorio a 20 °C si la celda está especificada para aire de planta a 40 °C.

El registro de aprobación debe incluir flujo de aire útil, presión estática, presión del filtro, temperaturas de entrada y del disipador de calor, funcionamiento del movimiento, ventilador y retroalimentación, resultado acústico, observación de vibración y respuesta de alarma. Después de reemplazar o limpiar el filtro, verifique que el ventilador regrese al punto de funcionamiento esperado y que el controlador no permanezca en un estado falso de alta velocidad.

• Utilice el calor del ciclo de movimiento, no el calor inactivo, como principal insumo de diseño.
• Mida la presión del filtro en condiciones de limpieza y límite de servicio.
• Coloque sensores de temperatura cerca del disipador de calor del variador sin colocarlos en un chorro de ventilador.
• Pruebe el voltaje más bajo, el ambiente más alto y la disposición real del cable/EMC.
• Registre tanto el resultado térmico como la respuesta de la alarma de mantenimiento.

Cómo MEGA Tech admite un ventilador de gabinete robotizado personalizado

Ayudamos a hacer coincidir un ventilador con el punto de trabajo real del servogabinete y respaldamos muestras que se pueden evaluar en la celda del robot.

MEGA Tech desarrolla ventiladores axiales DC personalizados, sopladores compactos y opciones centrífugas curvadas hacia atrás para gabinetes de control industriales y equipos de movimiento. Revisamos la carga de calor, el trabajo de movimiento, la presión del filtro limpio y cargado, la apertura del gabinete, la dirección del flujo de aire, la tolerancia de voltaje, el control PWM o analógico, la retroalimentación FG/RD, el conector, el ruido, la vibración, el medio ambiente y la vida útil. La muestra se evalúa con el filtro final, la rejilla, los disipadores de calor y el tendido de cables.

Proporcione los valores de pérdida del controlador y del variador, la secuencia de movimiento máximo, la temperatura permitida del gabinete, la envolvente del ventilador, el flujo de aire y la presión estática en ese flujo de aire, la presión del filtro en el límite de servicio, el voltaje de suministro, la interfaz de control, la cantidad y el entorno. Si el proyecto es un reemplazo, envíe el número de pieza del ventilador original y el punto de funcionamiento medido del gabinete. Esa información es más útil que una solicitud del mismo tamaño de contorno y máximo CFM.

Nuestros límites son precisos: no suministramos el controlador del robot, el servoamplificador, la resistencia de frenado, el circuito de seguridad ni la aprobación de reducción de potencia del variador. Ayudamos a seleccionar, personalizar y validar el ventilador y la ruta de aire suministrada, luego apoyamos iteraciones de muestra hacia una producción estable. El mismo tamaño no significa automáticamente una refrigeración equivalente; Se debe demostrar el perfil de movimiento y la presión instalada.

Preguntas frecuentes de los ingenieros: refrigeración del servogabinete del robot

Respuestas breves para una revisión del controlador de robot y la refrigeración del servoaccionamiento.

P: ¿Debe dimensionarse el ventilador según la potencia de la placa de identificación del servomotor? R: No. Comience con las pérdidas que ingresan al gabinete: variador, fuente de alimentación, electrónica de control y componentes internos de frenado. La salida mecánica del motor no es automáticamente calor del gabinete.

P: ¿Es suficiente un resultado de flujo de aire con filtro limpio? R: No. El filtro cargado cambia la presión y el punto de funcionamiento del ventilador. Pruebe la presión límite de servicio o utilice una restricción validada.

P: ¿Por qué el sensor de aire del gabinete puede verse normal mientras la unidad falla? R: El disipador de calor o el componente de frenado pueden tener una constante de tiempo térmica más corta. Coloque sensores cerca de la fuente de calor y sincronícelos con la corriente de movimiento y los eventos de frenado.

P: ¿La presión positiva resuelve el polvo? R: Puede reducir el ingreso incontrolado, pero solo si el filtro, los sellos, la ruta de escape y el intervalo de mantenimiento se diseñan juntos. También cuesta el margen de presión del ventilador.

P: ¿Qué debe recibir un proveedor de ventiladores personalizados? R: Envíe la pérdida de calor, el funcionamiento del movimiento, el flujo de aire y la presión en ese flujo de aire, la presión del filtro, el voltaje, el control, la retroalimentación, la envolvente, el ruido, la vibración, la cantidad y el entorno.

Preguntas para la revisión del diseño

Utilice esta lista de verificación antes de liberar el gabinete del controlador del robot o reemplazar el ventilador.

• ¿Qué secuencia de movimiento produce la carga de calor repetible más alta del gabinete y del variador?
• ¿Las resistencias de frenado y las pérdidas por conversión de energía están dentro o fuera del presupuesto de calor del gabinete?
• ¿Cuáles son las caídas de presión del filtro de limpieza y límite de servicio con el flujo de aire requerido?
• ¿El ventilador aún alcanza el punto de funcionamiento a la temperatura ambiente más alta y el voltaje más bajo?
• ¿El sensor de temperatura está cerca de la fuente de calor real y fuera de un ventilador engañoso?
• ¿Se han verificado la vibración, EMC, retención del conector y recuperación de alarma durante la conmutación del servo?
• ¿Qué sucede cuando el filtro se carga, el ventilador se desacelera o se ignora una alarma de mantenimiento?
• ¿Qué datos exactos de P-Q e información final del gabinete se enviarán para la muestra personalizada?