I servo drive (composti da servo motore e controllo) sono ampiamente utilizzati in numerosi settori industriali. Quella del motore controllato localmente, con scheda a controllo integrato, é considerata la tecnologia preferita nel campo dell’automazione, con la necessità di diverse procedure di posizionamento da eseguire con elevata precisione o di numerose singole operazioni da coordinare in sequenza temporale. Fino a oggi, i servomotori sono stati collegati tramite sistema bus deterministico (protocollo fieldbus/profibus) e alimentati da un cavo separato. Ora i servomotori sono sempre più spesso collegati in rete mediante connessione Ethernet rapida (100BASE-T, 100 Mbit/s), in modo da sfruttare i vantaggi, in termini di sicurezza, del potente controllo in tempo reale. Questo, però, non elimina l'inconveniente del doppio cablaggio per segnale e potenza. Grazie alla collaborazione con i clienti, i tecnici dei motori e gli enti di standardizzazione, TE Connectivity ha sviluppato un sistema di connessione che integra segnale e potenza nelle dimensioni di un compatto connettore rettangolare. Il connettore ibrido per motori HMC, può alloggiare due socket Ethernet da 4 pin, cinque socket di alimentazione, cinque socket di segnale e un contatto di protezione di massa nella versione con alloggiamento in metallo e plastica.
Dimensioni compatte e compatibilità
Una delle maggiori sfide nel corso del processo di sviluppo del connettore HMC è stata quella di attenersi alle dimensioni compatte di un connettore rettangolare che misura soltanto 41,5 x 22,3 mm. L’alloggiamento e l’inserto del contatto dovevano essere compatibili con la tecnologia precedente della serie Q industriale. Inoltre, tutta l’alimentazione e comunicazione del segnale dovevano adeguarsi ai ristretti limiti della zona dell’inserto. Con normali contatti, il connettore avrebbe avuto dimensioni doppie di quelle stabilite. Soltanto utilizzando il sistema avanzatissimo MCON con contatti a morsettiera, è stato possibile realizzare la densa compattazione. L’inserto del socket HMC contiene fino a sei contatti MCON stampati e tagliati da 2,8 mm per alimentazione e un conduttore di protezione, cinque contatti MCON da 1,2 mm per trasmissione di segnale non schermata più due rapidi socket Ethernet Power4Net. Pertanto, l’interfaccia è in effetti un ibrido triplo che unisce due differenti tipi di segnale alla potenza.
Il nuovo alloggiamento facilita l’assemblaggio
Anche l’alloggiamento del connettore è di nuova concezione. Il design e la strategia di assemblaggio seguono i requisiti dei conduttori circolari ibridi. Poiché i cavi di questo tipo sono rigidi perché riuniti in fascio e aventi schermatura e isolamenti multipli, l’alloggiamento segue la naturale curvatura del cavo assemblato. A differenza dei tradizionali connettori rettangolari, il cavo non si inserisce ad angolo retto ma a 100°, per assicurare un ottimo abbinamento fra raggio di curvatura del cavo e geometria dell’alloggiamento. Il supporto supplementare nella zona superiore del raggio di curvatura assorbe ulteriore carico meccanico dal conduttore circolare. Questo design evita eccessivi angoli di curvatura nella parte iniziale della sezione del cavo spellato e fa sì che i contatti siano posizionati diritti nella relativa cavità. Le connessioni Ethernet ne risultano avvantaggiate, visto che i cavi CAT5 a quattro spirali completamente schermati rispondono aumentando lo smorzamento, nel caso il raggio di curvatura sia troppo ridotto. L’alloggiamento del connettore è bloccato sulla scheda B del motore da una leva guidata. Dato che i pin della leva sono collocati al centro dell'alloggiamento, si può liberamente scegliere il lato dal quale azionare la leva: la leva si apre agevolmente dal lato di assemblaggio, mentre è necessario un cacciavite per sbloccarla dall’altro lato (onde evitare l'azionamento indesiderato). Visto che l’inserto del contatto può essere ruotato di 180°, il cavo può uscire in due direzioni. Per assicurare questa libertà, è stato deciso in precedenza nella fase di sviluppo di collocare le connessione Ethernet al centro dell'inserto. Pertanto, il raggio di curvatura dei cavi Ethernet rimane sempre lo stesso. Nonostante la densa compattazione dei contatti in uno spazio ristretto, il nuovo connettore si assembla in modo più semplice rispetto a numerosi connettori rettangolari più grandi, in quanto è dotato di uno spazioso ingresso laterale. Una volta tolti il coperchio dell’alloggiamento e la guarnizione o-ring integrata, i singoli cavi vengono inseriti agevolmente nei relativi alloggiamenti contenenti i socket: l’apertura consente il controllo visivo diretto in corrispondenza dei socket. L’ingresso laterale, non solo migliora l'operazione di assemblaggio, ma favorisce anche l’individuazione dei guasti. In caso di problemi, si può verificare il funzionamento di ogni singolo contatto. A seconda del livello di requisiti Emc, l’alloggiamento è disponibile in metallo o in plastica. La versione in metallo ha un conduttore supplementare di protezione. Quando l’inserto femmina viene spinto nell’alloggiamento dal basso, viene bloccato in sede da una piccola sporgenza, dopo che il coperchio è stato rimesso e avvitato sull’alloggiamento nella versione in metallo o agganciato nella versione in plastica.
Guarnizione cavo brevettata
Il rivestimento di tenuta del cavo è un’altra innovazione. Esso genera due linee di compressione ad anello attorno al rivestimento del cavo ibrido. Poiché il cavo è ben bloccato fra i due elementi di tenuta, il livello di compressione è distribuito in modo uniforme sulla circonferenza del rivestimento. Il design ottimizzato consente di assemblare cavi con diametro compreso fra 13 e 17 mm con una guarnizione di un'unica dimensione. Dato che la guarnizione è mantenuta in sede da un coperchio protettivo di chiusura, l’assemblaggio può essere eseguito senza uso di attrezzi dinamometrici. Dopo verifiche dettagliate, il design delle guarnizioni dello stesso gruppo di prodotti è stato approvato per il settore automobilistico, per accedere al livello di protezione IP 69K. C’è una netta separazione fra la funzione di distensione dei cavi e la guarnizione stessa: invece del tradizionale cappuccio a tenuta filettato per cavi, funge da distensore una chiusura metallica fissata mediante viti; un design che garantisce un elevato carico di rottura alla trazione cavo-spina >150 N. Al tempo stesso, la banda della chiusura in pratica fornisce una schermatura di protezione a 360° per il cavo.
Sistema di contatto variabile per potenza e segnale
L’inserto del socket del connettore offre un certo livello di flessibilità per rispondere a diversi requisiti, perché può essere configurato a scelta. Nell’alimentazione i possibili impieghi vanno dal tipico basso livello di 24 V fino a 600 V a corrente continua. TE ha presentato il connettore per questo livello di tensione a corrente continua e fino a 20 A, con temperatura fino a 80° C. Tuttavia, è possibile anche un’alimentazione a corrente alternata fino a 480 V, utilizzando da tre a quattro contatti di alimentazione. Tutti gli standard europei e UL/CSA applicabili per distanza d’isolamento e linee di fuga sono stati rispettati.
Connessione Ethernet di livello industriale
Per ottemperare ai rigorosi requisiti del tempo reale nella comunicazione Ethernet, TE ha scelto, adattandola, la tecnologia dei settori aerospaziale, della difesa e marittimo. Nel settore aerospaziale le connessioni Quadrax trasmettono i segnali Ethernet. Connessioni simili modificate sono utilizzate nel connettore HMC – è lo stesso tipo di connettori presenti nel connettore ibrido Power4Net 8+4 di Tyco Electronics. A differenza dei Quadrax , nel Power4Net soltanto i contatti sono placcati in oro invece dell’intero socket: questo lo rende un componente per la trasmissione del segnale economicamente valido, studiato per il tradizionale uso industriale, che sfrutta la tecnologia aerospaziale. Se utilizzato per il cablaggio Ethernet, l’HMC garantisce la variabilità. Per esempio, è possibile utilizzare solo uno dei socket Power4Net e chiudere l’altro durante l’assemblaggio. Tuttavia, usare entrambi i socket Power4Net assicura il vantaggio di collegare diversi servodrive in una catena a margherita, per soddisfare anche gli standard più elevati di ridondanza nel controllo del motore.
Inserimento ottimale su Pcb
L’alloggiamento del pin, progettato per il montaggio sul Pcb del servomotore, è stato ottimizzato per tale applicazione. Anzitutto, i pin di saldatura con altezza minima, hanno una massa molto piccola, e sono adatti alla saldatura a onda automatizzata a 270 °C. Inoltre, i pin di segnale e di potenza sono posizionati e raggruppati su entrambi i lati di una barriera integrata, per favorire una strategia ottimale di layout della scheda del motore che separi completamente il percorso del segnale dalla potenza. Pertanto, i percorsi di segnale e di potenza non si incrociano e si può utilizzare una scheda con un numero basso di strati.
