Ist der Austausch von Einzelachsantrieben unvermeidlich? Fünf Entwicklungs-Vorteile von Multi-Achsen-EtherCAT-Servotriebantrieben

Architektonische Einfachheit: Wie mehrachsige Servosteuerungen die Systemkomplexität reduzieren

Modulare Erweiterung ohne Steuerungsinseln

Mehrachsige Servo-Controller bündeln die gesamte Steuerungslogik an einem Ort, anstatt separate Controller für jede Achse zu verwenden. Damit ersetzen sie jene veralteten Einzelachsen-Systeme, die jeweils isoliert auf ihren eigenen „Inseln“ arbeiteten. Wenn verschiedene Maschinenkomponenten unabhängig voneinander arbeiten, entstehen bei komplexen Anlagen Probleme. Mit diesen Controllern teilen sich alle Achsen dieselben Taktsignale und Bewegungspläne. Das Ergebnis? Ein System, das sich einfach erweitern lässt, ohne unnötig kompliziert zu werden. Möchten Sie eine weitere Achse hinzufügen? Einfach den Motor anschließen – zusätzliche Controller sind nicht erforderlich. Einige namhafte Automatisierungsunternehmen berichten, dass ihre Kunden Maschinen beim Wechsel der Fertigungslinien bis zu 70 Prozent schneller umkonfigurieren können. Das ist durchaus nachvollziehbar, denn alle Komponenten arbeiten harmonisch zusammen, statt sich gegenseitig zu behindern.

Weniger Geräte, weniger Ausfallstellen, schnellere Bereitstellung von Maschinenvarianten

Wenn wir Achsen gemeinsam integrieren, reduziert sich die Anzahl der physischen Komponenten im Vergleich zu separaten Einzelachsanordnungen um rund 40 %. Dies bedeutet natürlich, dass die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers deutlich sinkt. Wir verzeichnen etwa 60 Prozent weniger Kabel und Steckverbinder, die durch Vibrationen beschädigt oder im Laufe der Zeit korrodiert werden könnten. Die Zwischenpunkte, an denen Signale früher vollständig ausfielen, entfallen gänzlich. Zudem hilft die Verbindung aller Komponenten über ein einheitliches Stromversorgungssystem, häufig auftretende Verdrahtungsfehler zu vermeiden. Bei einer gemeinsamen DC-Zwischenkreis-Architektur kann die beim Abbremsen von Achsen erzeugte Energie tatsächlich zur Versorgung benachbarter Motoren wiederverwendet werden, wodurch der jeweilige Spitzenleistungsbedarf gesenkt wird. Solche vereinfachten Konstruktionen ermöglichen es, neue Maschinen deutlich schneller in Betrieb zu nehmen. Entwicklungsabteilungen können bereits erprobte Mehrachs-Systeme direkt auf brandneue Produkte übertragen – und das innerhalb weniger Wochen statt monatelanger Wartezeiten, bis alle Komponenten zusammengesetzt sind.

EtherCAT-Leistungsvorteile in Mehrachs-Servosteuerarchitekturen

Unter-100-µs-Determinismus über 32+ Achsen hinweg mittels gemeinsamer Bus-Topologie

Das gemeinsame Bus-Design von EtherCAT ermöglicht Reaktionszeiten unter 100 Mikrosekunden bei Systemen, die 32 oder mehr Achsen in Mehrachs-Servoreglern steuern. Was EtherCAT von herkömmlichen Netzwerkkonfigurationen unterscheidet, ist die Art und Weise, wie es Datenpakete verarbeitet – während diese tatsächlich durch das System fließen, anstatt an jedem einzelnen Knoten entlang des Weges anzuhalten. Dank verteilter Uhren, die sämtliche Komponenten synchron halten, bleibt die Jitter-Abweichung unter einer einzigen Mikrosekunde. Diese zeitliche Genauigkeit ermöglicht Messungen im Nanometerbereich für jene schnell bewegten Roboterarme und CNC-Maschinen, wie sie in modernen Fertigungsanlagen zum Einsatz kommen. Produktionslinien in Fabriken, die pro Minute über tausend Artikel herstellen, sind absolut auf diese Präzision angewiesen. Zudem beseitigt die spezifische Kommunikationsstruktur von EtherCAT praktisch jene störenden Signalkollisionen, die Stern-Topologie-Netzwerke beeinträchtigen. Dadurch sinken die Zykluszeiten im Vergleich zu älteren CAN-basierten Systemen um rund drei Viertel, was den Gesamtbetrieb deutlich beschleunigt.

Beseitigung der Master-Slave-Latenz für eine echte synchronisierte Bewegung

Bei Mehrachs-Servosteuerungen sorgt die EtherCAT-Technologie dafür, dass lästige Kommunikationsverzögerungen zwischen Master und Slave vollständig verschwinden. Das System nutzt eine verteilte Taktsynchronisation, um sämtliche Komponenten auf Nanosekundenebene zu synchronisieren – statt auf Millisekunden warten zu müssen. Dadurch werden Bewegungsbefehle gleichzeitig an allen Antrieben ausgeführt, ohne dass ein zeitaufwändiger Austausch von Bestätigungssignalen zwischen den Komponenten erforderlich ist. Nehmen Sie beispielsweise eine komplexe Aufgabe wie die Kreisinterpolation: Solche Systeme bewältigen sie mit höchster Präzision, selbst bei Geschwindigkeiten von über 300 Metern pro Minute. In Verpackungslinien, bei denen Produkte exakt ausgerichtet werden müssen, beseitigt diese präzise Koordination jene minimalen Zeitunterschiede, die sich im Laufe der Zeit zu gravierenden Positionierungsproblemen summieren können. Für Ingenieure, die von Anfang an alles korrekt einrichten möchten, ist echte synchrone Bewegung nicht nur möglich – sie ist mittlerweile Standardpraxis. Und was bedeutet das praktisch? Weniger Verschleiß an Maschinenkomponenten und eine Steigerung der Produktionsdurchsatzleistung um rund 25 % in den meisten Fällen laut Feldtests.

Raum-, Leistungs- und Kosteneffizienz durch integrierte Mehrachs-Servosteuerungen

60 % geringeres Schrankvolumen und 40 % weniger Steckverbinder im Vergleich zu diskreten Einzelachsstapeln

Mehrachsige Servo-Controller, die in ein einziges System integriert sind, können den für Maschinen benötigten Platz tatsächlich erheblich reduzieren, da alle Steuerungskomponenten kompakt zusammengefasst statt verteilt verbaut werden. Bei herkömmlichen Aufbauten mit Einachs-Systemen fallen zahlreiche zusätzliche Komponenten wie redundante Gehäuseeinheiten, Anschlussklemmen und einzelne Stromversorgungen auf, die wertvollen Schaltschrankplatz beanspruchen. Durch die Eliminierung dieser Elemente verringert sich die Schaltschrankgröße laut Feldtests um rund zwei Drittel. Auch die Verdrahtung wird deutlich einfacher, da weniger Anschlüsse erforderlich sind; dies bedeutet, dass Techniker bei der Installation im Vergleich zu älteren Methoden etwa vierzig Prozent weniger Zeit benötigen. Zudem verbessert sich das Wärmemanagement, da kleinere Gehäuse weniger Kühlleistung benötigen und die Wärme gleichmäßiger über die gesamte Anlage verteilen. Viele Fertigungsanlagen berichteten nach diesem Wechsel über spürbare Verbesserungen sowohl hinsichtlich Effizienz als auch Zuverlässigkeit.

DC-Zwischenkreis-Teilung und regenerative Energieumverteilung senken die Spitzenlast um bis zu 28 %

Die gemeinsame DC-Zwischenkreis-Architektur ermöglicht ein intelligenteres Energiemanagement in industriellen Anwendungen. Wenn Motoren abbremsen, erzeugen sie tatsächlich elektrische Energie – diese geht bei den meisten Einzelachsen-Systemen jedoch als Wärme verloren. Bei Mehrachsen-Reglern hingegen wird diese rückgewonnene Energie unmittelbar an andere Systemteile weitergeleitet, die gerade Beschleunigung benötigen. Das Ergebnis? Laut Feldtests können sich die Energieeinsparungen in einer Reduzierung des elektrischen Spitzenstrombedarfs um rund 28 Prozent niederschlagen – was bedeutet, dass Unternehmen weniger leistungsstarke Stromversorgungen benötigen und Betriebskosten einsparen. Einige Systeme nutzen zudem Vorhersagesoftware, um die Arbeitslast zwischen den verschiedenen Achsen auszugleichen, wodurch der Betrieb effizienter wird, ohne dabei auf schnelle Änderungen der Anforderungen verzichten zu müssen.

Beschleunigtes Lebenszyklusmanagement mit intelligenter Mehrachsen-Servoregler-Software

Moderne Mehrachs-Servosteuerungen revolutionieren das Lebenszyklusmanagement von Anlagen durch integrierte Software-Intelligenz. Durch die Zusammenfassung von Konfigurations-, Überwachungs- und Wartungsfunktionen beseitigen diese Systeme fragmentierte Arbeitsabläufe und steigern gleichzeitig die Betriebssicherheit.

Automatische Parametrierung und einheitliche Inbetriebnahme verkürzen die Einrichtungszeit um 70 %

Die Auto-Parametrierungsfunktion moderner Systeme erkennt automatisch die Motordaten und Lastbedingungen und stellt daraufhin die optimalen PID-Werte sowie Drehmomentbegrenzungen ohne manuelle Eingriffe ein. In Kombination mit den neuen, einheitlichen Inbetriebnahmetools können Ingenieure nun mehrere Achsen über eine zentrale Steuerkonsole synchronisieren, anstatt jedes Gerät einzeln zu konfigurieren. Praxisversuche zeigen laut jüngster Industrieautomatisierungs-Studie aus dem vergangenen Jahr, dass Maschinen rund 70 Prozent schneller in Betrieb genommen werden können als mit herkömmlichen Methoden. Weniger Schritte während der Inbetriebnahme bedeuten, dass Fabriken neue Produktlinien nach Geräteänderungen deutlich schneller in Produktion nehmen können. Einige Anlagen berichten, dass ihre Fertigungslinien bei Wechsel zwischen verschiedenen Maschinenkonfigurationen bereits innerhalb weniger Tage – statt wie früher erst nach Wochen – betriebsbereit sind.

Eingebettete Analysen und prädiktive Abstimmung für proaktive Wartung

Die Überwachung von Vibrationen, Temperaturen und elektrischen Strömen hilft dabei, mechanische Probleme oder Fehlausrichtungen bereits lange bevor sie zu ernsthaften Störungen werden, zu erkennen. Intelligente Systeme können Einstellungen proaktiv anpassen – beispielsweise bei abgenutzten Lagern, noch bevor diese vollständig ausfallen – und diese prädiktiven Modelle erreichen eine Trefferquote von rund 92 % bei der Vorhersage möglicher Störungen. Die Mitarbeiter im Werk erhalten Warnsignale nach Dringlichkeit sortiert, sodass sie Probleme beheben können, bevor die Produktion vollständig zum Erliegen kommt. Produktionsdaten aus dem vergangenen Jahr zeigen, dass dieser Ansatz unerwartete Anlagenstillstände um etwa 40 % reduziert. Statt auf Ausfälle zu warten, planen Betriebe ihre Wartungsmaßnahmen nun anhand des tatsächlichen Zustands der Anlagen und nicht mehr allein nach einem festen Kalenderplan.

Leistung für die Zukunft: SiC-Technologie und erweiterte Bewegungsfunktionen in Mehrachs-Servoreglern

Die neuesten Mehrachs-Servosteuerungen verwenden nun Siliziumkarbid-(SiC-)Halbleiter, was zu erheblichen Effizienzsteigerungen führt. Diese Systeme können mit Schaltfrequenzen arbeiten, die etwa zehnmal höher liegen als bei älteren, auf Silizium basierenden Steuerungen, und reduzieren gleichzeitig den Energieverlust um 40 bis 60 Prozent. Was SiC besonders auszeichnet, ist seine hervorragende Wärmeleitfähigkeit. Aufgrund dieser Eigenschaft können Hersteller ihre Kühlkörper um rund 30 % verkleinern, ohne Einbußen bei Leistung oder Zuverlässigkeit zu erleiden – selbst beim Dauerbetrieb unter anspruchsvollen industriellen Bedingungen. Gleichzeitig sind diese Steuerungen mit hochentwickelten Bewegungsalgorithmen ausgestattet, die eine separate Hardware für die Bewegungssteuerung überflüssig machen. Die komplexen Funktionen sind direkt in das System integriert, wodurch die Handhabung und Integration in bestehende Anlagen deutlich vereinfacht wird.

• Echtzeit-Interpolation über 32+ Achsen für synchronisierte helikale und kreisförmige Bahnen
• Intelligente Kurvenprofilierung mit adaptiver S-Kurven-Beschleunigung
• Positionsregelung unter 100 µs genauigkeit für Hochgeschwindigkeits-Robotik
• Prädiktive Schwingungsdämpfung die mechanische Resonanz vorwegnimmt

Durch die Integration dieser Technologien in eine einheitliche Architektur reduzieren Controller der nächsten Generation die Anzahl der Komponenten und liefern gleichzeitig eine beispiellose Bewegungstreue – wodurch industrielle Systeme zukunftssicher für kürzere Taktzeiten, Präzision im Nanometerbereich und energieeffiziente Betriebsabläufe werden – alles innerhalb kompakter Gehäuse, die sich ideal für skalierbare Automatisierungslösungen eignen.