Nahrazení jednoosých pohonů víceosými servopohony EtherCAT: nejen úspora prostoru, ale i tyto průlomy v oblasti výkonu

Ultra-přesná synchronizace pro řízení pohybu 4osého CNC soustruhu

Jitter podmikrosekundové úrovně a zarovnání distribuovaného hodinového signálu v multi-osových systémech EtherCAT

Servopohony EtherCAT pro více os synchronizují své činnosti na výjimečné úrovni díky technologii distribuovaných hodin, která vše zarovnává k jediným hlavním hodinám s extrémně malým jitem pod jedním mikrosekundou. Toto řešení zabrání hromadění nepříjemných časových chyb mezi jednotlivými osami – což je zvláště důležité při obrábění složitých tvarů. Už odchylka pouhých 5 mikrosekund může negativně ovlivnit povrchovou kvalitu obrobených dílů. Tradiční pulzní systémy prostě nemohou dosáhnout toho, co EtherCAT nabízí díky hardwarovým časovým razítkům. Tyto časová razítka zajišťují synchronizaci s přesností přibližně ±50 nanosekund bez ohledu na počet zapojených os, čímž zaručují dokonalé vzájemné zarovnání nástrojů i při rychlých otáčivých řezech. Celý systém funguje také jinak – zpracovává polohové příkazy najedou, nikoli postupně, jeden po druhém. To umožňuje strojům přepínat mezi jednotlivými obrábecími dráhami s neuvěřitelnou přesností až na úrovni nanometrů. Praktické výsledky to potvrzují: podle zprávy Machining Dynamics z minulého roku se v dílnách využívajících tyto systémy snížil podíl zmetků způsobených vibracemi při vysoce rychlostním závitování přibližně o 37 %.

Interpolace v reálném čase ve všech osách: umožňuje hladké a vysoce kvalitní obrysování na soustruzích CNC se 4 osami

Pokud jde o soustruhy CNC se čtyřmi osami, koordinovaná interpolace os opravdu přináší rozdíl, protože vypočítává dráhy nástroje současně přes všechny pohonné osy. Starý způsob provádění interpolace po úsecích zanechává mezi jednotlivými úseky malé přestávky, které se projevují jako ty otravné stopy na zakřivených dílech. Proto jsou systémy EtherCAT revoluční – mají cyklové doby kratší než 5 mikrosekund, což umožňuje neustálé přepočítávání polohy, rychlosti a zrychlení. To umožňuje stroji provádět takzvanou skutečnou spline interpolaci, při níž se všechny osy pohybují hladce a současně bez jakýchkoli skoků. Při posuvných rychlostech vyšších než 20 metrů za minutu udržují tyto stroje směrovou konzistenci s přesností až 0,02 mikrometru. A je tu ještě jeden bonus: výpočetní výkon umožňuje systému kompenzovat jak tepelnou roztažnost, tak mechanickou vůli během frézování obrysů. Výsledkem je zlepšení přesnosti profilu přibližně o 80 % oproti tomu, co dokáží dosáhnout tradiční systémy řízení impulzy.

Když přesnější synchronizace nestačí: Proč závisí kvalita obrábění vačkového hřídele na koordinované předvýživě točivého momentu – nikoli jen na časování

Dosáhnout dokonalého časování nestačí k zabránění deformace výstupků při obrábění vačkových hřídelí, protože nerovnoměrné řezné síly způsobují torzní průhyby. Právě zde se ukazují výhody víceosých servopohonů. Ty využívají tzv. koordinovanou předvídající regulaci točivého momentu. V podstatě tyto řídicí jednotky pohonů předem analyzují, jak se bude měnit zatížení, a upravují výstupní proud ještě před tím, než dojde k jakýmkoli problémům s polohou. Systém bere v úvahu například způsob, jakým se nástroj zařezává do materiálu, a rychlost odstraňování materiálu z různých úhlů. Poté po detekci sil vysílá korekční signály točivého momentu přibližně 100 mikrosekund po jejich zaznamenání. Tím je zachována správná poloha všech komponentů i za podmínek stále se měnícího zatížení. Podle časopisu Journal of Advanced Manufacturing z minulého roku ukázaly testy, že tento přístup snižuje odchylky profilu téměř o polovinu u tvrdých ocelových klikových hřídelí. Pokud výrobci tento druh dynamické kompenzace vynechají, nemá ani jejich náročné synchronizování s přesností v řádu nanosekund prakticky žádný význam, protože povrchové problémy způsobené vibracemi (chatter) se stejně objeví.

Vyšší výkonová hustota a dynamická odezva v architekturách pohonů pro více os

2,3× vyšší výstupní výkon na jednotku objemu ve srovnání s diskrétními jednoosými pohony (podle referenčních testovacích norem IEC 61800-3)

Při pohledu na systémy pro více os se elektronika pro řízení výkonu a chlazení sloučí do jednoho kompaktního modulu místo toho, aby byly použity všechny ty dodatečné součásti typické pro samostatné jednoosé uspořádání. Podle zkušebních norem, jako je IEC 61800-3, mohou tyto integrované systémy zvýšit výkonovou hustotu přibližně o 2,5násobek ve stejném objemu. Tento přístup velmi prospívá i modernizaci čtyřosých CNC soustruhů. Rozměry rozvaděčů se tak sníží přibližně o 60 %, aniž by došlo ke ztrátě výkonu v oblasti točivého momentu – což je zvláště důležité v případech, kdy je na výrobní ploše omezený prostor. Další výhodou je koncept sdílené stejnosměrné sběrnice, který snižuje energetické ztráty přibližně o 18 % ve srovnání s tradičními uspořádáními s individuálními pohony. Tuto výhodu jsme potvrdili i při dlouhodobých obráběcích operacích, kde je účinnost rozhodující.

40 % rychlejší doba ustálení při souřadnicovém frézování po konturách se čtyřmi osami – umožněno optimalizací sdílené proudové smyčky

Pokud jsou proudové smyčky synchronizovány napříč všemi osami, eliminují se ty otravné komunikační zpoždění, která trápí tradiční diskrétní systémy. U složitých kontur, jako jsou hyperbolické dráhy nástroje, umožňuje tento uspořádání strojům dosáhnout ustálení o 40 procent rychleji při zachování přesnostního prahu pouhých 0,01 mm. Systém funguje optimalizací reálného krouticího momentu mezi jednotlivými osami. V podstatě, když jeden motor během provozu vygeneruje nadbytečnou energii, je tato energie okamžitě převedena na podporu sousedních motorů, které potřebují dodatečné zrychlení. Co to znamená pro skutečné obrábění? Tyto dynamické přenosy energie zkracují dobu kmitání přibližně o 22 milisekund během dokončovacích operací, což má patrný vliv na hladkost povrchu po obrábění.

Zjednodušená integrace a zvýšení produktivity díky technologii jediného kabelu

Eliminace cyklů zastavení-a-spouštění: Řízení nepřetržitého pohybu prostřednictvím synchronizovaného předávání točivého momentu/polohy

Technologie jednoho kabelu, zkráceně OCT, věci výrazně zjednodušuje tím, že do jediného kabelu integruje jak napájení, tak přenos dat, místo aby bylo nutné používat více kabelů. Podle testů tímto způsobem klesne objem složitého zapojení přibližně o 60 %. Klíčové je však, jak systém funguje v reálném provozu. Systém umožňuje současný tok informací o točivém momentu a poloze napříč všemi osami, čímž se eliminují rušivé zastávky a spuštění při přesunu mezi jednotlivými částmi dráhy nástroje. Stroje se pohybují neustále, což zajišťuje lepší kontakt s obrobkem a rovnoměrnější řezný tlak po celou dobu obrábění. Jeden výrobce skutečně zaznamenal snížení času nastavení téměř na polovinu po přechodu na technologii OCT v úzkých prostorách, kde tradiční instalace trvají velmi dlouho.

snížení doby cyklu o 18 % při vysokopřesném soustružení – ověřeno na výrobních 4osých CNC soustruzích

Testy na výrobních linkách ukazují, že při integraci technologie OCT do víceosých systémů se cyklové časy pro operace přesného soustružení zkrátí přibližně o 18 %. Důvodem je centrální synchronizace, která snižuje zpoždění signálů mezi jednotlivými pohony, a díky tomu komponenty spolupracují mnohem efektivněji při zpracování složitých kontur. Jeden z hlavních výrobců dosáhl také velmi pozoruhodných výsledků: po přechodu na jednoduché kabelové řešení EtherCAT nahlásil přibližně o 30 % méně poruch spojených s poškozením kabelů. To dává smysl, neboť menší počet připojovacích bodů přirozeně zvyšuje spolehlivost provozu – což je zvláště důležité v prostředích, kde jsou stroje neustále vystaveny intenzivnímu vibracím.