Erste Wahl für die Aufrüstung automatisierter Produktionslinien: Wie löst Multi-Achsen-EtherCAT die Schmerzpunkte von Einzelachsantrieben?

Die versteckten Kosten der Fragmentierung von Einzelachsantrieben

Wie Zeitabweichungen zwischen isolierten Antrieben zu kaskadierenden Ausfallzeiten führen

Einzeln arbeitende Einachs-Antriebe verfügen nicht über jene synchronisierten Zeitsteuerungsfunktionen, die wir für eine ordnungsgemäße Koordination benötigen. Diese winzigen Uhrunterschiede im Mikrosekundenbereich summieren sich im Laufe der Zeit und führen zu einer schrittweisen Fehlausrichtung zwischen den verschiedenen Achsen. Wenn ein Antrieb zeitlich hinter dem Soll zurückbleibt, erhalten alle nachgeschalteten Maschinen ihre Materialien zum falschen Zeitpunkt – was häufig die Not-Aus-Taster entlang der gesamten Produktionskette auslöst. Und bei einem Stillstand wirkt sich dies nicht nur an einer Stelle aus: Eine Verzögerung von drei Millisekunden an der Abfüllstation kann beispielsweise acht Verpackungseinheiten dazu bringen, auf ihren Einsatz zu warten. Das Neustarten sämtlicher Anlagen nach solchen Vorfällen dauert je nach Situation vier bis neun volle Minuten, um den Betrieb wieder sicher aufzunehmen. Abfüllanlagen leiden besonders unter dieser Art von Konfiguration: Laut „Packaging Digest“ aus dem vergangenen Jahr kommt es pro Schicht zu siebzehn bis vierunddreißig unerwarteten Anlagenstillständen. Die Quintessenz ist klar: Ohne ein zentrales, einheitliches Zeitsteuerungssystem verschärfen sich diese kleinen Zeitabweichungen kontinuierlich – bis sie die Produktivität in nicht vorhersehbarer Weise beeinträchtigen.

Reale Auswirkung: 12,7 % Ertragsverlust bei der Hochgeschwindigkeitsverpackung aufgrund einer Desynchronisation der Achsen

Die eigentliche Geldquelle bei der Blisterverpackung von Pharmaprodukten versiegt, sobald die Prozesse aus dem Takt geraten. Wenn die Thermoform-, Füll- und Versiegelungsprozesse nicht korrekt synchronisiert sind, verfehlen die Produkte beim Transfer häufig ihr Ziel, was zu einer Vielzahl von Problemen führt – etwa Fehlzugriffen und fehlgeschlagenen Versiegelungen. Eine Auswertung von Daten aus rund 120 verschiedenen Hochgeschwindigkeitsfertigungslinien zeigt, dass im Durchschnitt etwa 12,7 % der Produktionsleistung verloren gehen. Betrachten Sie beispielsweise einen Betrieb mit 300 Teilen pro Minute: Selbst eine geringe Achsenabweichung von nur 1 % bedeutet pro Stunde rund 2.200 fehlerhafte Einheiten, die aussortiert werden müssen. Und das Problem beschränkt sich nicht allein auf Abfall. Sobald es zu Staus kommt, müssen die Maschinen ständig neu gestartet werden – wodurch wertvolle Produktionszeit verloren geht. All diese Schwierigkeiten gehen letztlich auf veraltete Antriebssysteme zurück, die nicht in der Lage sind, mehrere Bewegungsabläufe koordiniert zu steuern. Deshalb haben mittlerweile zahlreiche fortschrittliche Hersteller für ihre Verpackungsanwendungen auf Mehrachs-Servosysteme umgestellt.

Mehrachsige Servosteuerung: Determinismus, Koordination und Konsolidierung der Architektur

Jitter unter 100 ns über EtherCAT-Verteilte Uhren – im Vergleich mit CANopen und Profibus getestet

Das EtherCAT-Protokoll erreicht seine äußerst stabile Zeitsteuerung durch hardwarebasierte verteilte Uhren mit einem Jitter von weniger als 100 Nanosekunden. Das ist deutlich besser als bei älteren Feldbussystemen. Herkömmliche Lösungen wie CANopen und Profibus weisen üblicherweise eine Synchronisationsunsicherheit von etwa 1 bis 10 Mikrosekunden auf. Bei EtherCAT verhindern die integrierten Zeitstempel jedoch ein zeitliches Auseinanderdriften des gesamten Systems. Und letztendlich macht diese präzise Genauigkeit den entscheidenden Unterschied bei Anwendungen wie dem Hochgeschwindigkeitstransport von Halbleiterwafern aus: Selbst kleinste Fehler im Mikrosekundenbereich können bei solchen empfindlichen Fertigungsprozessen die Ausbeute erheblich beeinträchtigen.

Skalierbare Synchronisation über 32+ Achsen ohne Master-Slave-Engpässe

Die heutigen Fertigungsanforderungen erfordern Antriebssysteme, die sich problemlos skalieren lassen, ohne an zentralen Verarbeitungspunkten zu „hängen“ zu bleiben. Die neueren verteilten Mehrachs-Servosysteme funktionieren anders als herkömmliche Systeme. Diese Systeme synchronisieren bis zu 32 Achsen über eine direkte Kommunikation zwischen den Komponenten statt über einen zentralen Controller, dem nachgeschaltete Slave-Geräte Befehle ausführen. Nehmen Sie beispielsweise EtherCAT: Dank seines Ring-Netzwerk-Designs können Maschinen unabhängig von der Anzahl angeschlossener Knoten in Zyklen schneller als 100 Mikrosekunden miteinander kommunizieren. Ein Hersteller von Automobilkomponenten konnte seine Produktionszyklen nahezu um zwei Drittel verkürzen, nachdem er 36 Achsen von älteren, über SPS gesteuerten Antrieben auf diesen neuen verteilten Ansatz umgestellt hatte. Was macht diese Systeme so attraktiv? Sie ermöglichen das einfache Hinzufügen neuer Geräte, gewährleisten gleichzeitig vorhersehbare Abläufe und reduzieren den sonst üblichen Aufwand bei der Integration komplexer Maschinen in bestehende Anlagen.

Schnellere, schlankere Upgrades: Geringerer Integrationsaufwand mit Mehrachs-Servosystemen

68 % weniger E/A-Module und 40 % kürzere Inbetriebnahmezeit (Feld-Daten von Rockwell/Beckhoff)

Praxisnahe Tests bei Rockwell Automation und Beckhoff zeigen, dass der Wechsel zu integrierten Mehrachs-Servosystemen den gesamten Upgrade-Prozess erheblich vereinfacht. Die neuen Antriebselektroniken eliminieren im Wesentlichen die separaten Schaltschränke, die komplizierte Verkabelung zwischen den Komponenten sowie die zusätzlichen Ein-/Ausgabemodule, die wir früher überall benötigten. In einem Werk sank der Hardwarebestand nach dem Wechsel um fast zwei Drittel. Installateure verbringen weniger Zeit damit, mit Messgeräten durch die Anlage zu laufen, und mehr Zeit damit, alle Komponenten ordnungsgemäß zu kalibrieren, da sie nicht mehr Timing-Probleme zwischen verschiedenen Achsen suchen müssen. Was bedeutet das konkret? Die Inbetriebnahme dauert etwa 40 % kürzer als zuvor. Das führt zu einer schnelleren Amortisation für Hersteller und ermöglicht es Fabriken, während kritischer Wartungsphasen oder Produktionsüberholungen schneller wieder in Betrieb zu gehen.

Erreichen von Systemebenen-Präzision: Leistung von Mehrachs-Servosystemen in kritischen Bewegungsanwendungen

±0,005 mm Wiederholgenauigkeit bei der CNC-Vorschubachsen-Koordination gegenüber ±0,023 mm bei Einzelachsantrieben (ISO 230-2)

Die Systemwiederholgenauigkeit bleibt entscheidend für die Teilequalität und die Ausbeute bei präzisen CNC-Arbeiten. Moderne Mehrachsen-Servoeinrichtungen erreichen typischerweise gemäß den ISO-230-2-Prüfnormen eine Wiederholgenauigkeit der Vorschubachse von etwa ±0,005 mm – das entspricht einer Steigerung um den Faktor 4,6 im Vergleich zu älteren Einachs-Antriebssystemen, die bei etwa ±0,023 mm liegen. Solch enge Toleranzen machen den entscheidenden Unterschied in Branchen wie der Herstellung medizinischer Implantate und Luft- und Raumfahrtkomponenten, wo bereits geringfügige Abweichungen über 0,01 mm häufig dazu führen, dass Teile vollständig abgelehnt werden. Die synchronisierten Steuerungssysteme gewährleisten während Beschleunigungsphasen, Verzögerungen und Richtungswechsel stets hohe Genauigkeit und passen sich dabei aktiv an Temperaturschwankungen und mechanisches Spiel an, sobald diese auftreten. Herkömmliche Einachs-Ansätze neigen dazu, im Laufe der Zeit Positionsfehler zwischen den verschiedenen Achsen anzuhäufen, was zu stärkeren Maßabweichungen und höheren Ausschussraten führt. Betriebe, die auf Mehrachsen-Systeme umgestiegen sind, berichten von deutlichen Reduktionen des Materialabfalls und einer besseren Gesamtkonsistenz ihrer Produkte – ein Beleg dafür, warum die Koordination mehrerer Achsen mittlerweile unverzichtbar geworden ist für jeden automatisierten Prozess, der echte Präzision im Mikrometerbereich erfordert.