Ersatz von Einachs- durch Mehrachs-EtherCAT-Servotriebwerke: Nicht nur platzsparend, sondern auch mit diesen Leistungssteigerungen

Ultra-präzise Synchronisation für die 4-Achsen-Bewegungssteuerung einer CNC-Drehmaschine

Submikrosekunden-Jitter und Ausrichtung der verteilten Uhr in mehrachsigen EtherCAT-Systemen

EtherCAT-Servotreibersysteme für mehrere Achsen synchronisieren sich dank der verteilten Uhrtechnologie auf bemerkenswerte Weise, indem sie sämtliche Komponenten an einer zentralen Masteruhr ausrichten – mit einer extrem geringen Jitter-Abweichung von unter einer Mikrosekunde. Diese Konfiguration verhindert, dass sich störende Zeitfehler zwischen den einzelnen Achsen ansammeln – ein Aspekt, der bei der Bearbeitung komplexer Formen besonders wichtig wird. Bereits eine Abweichung von nur 5 Mikrosekunden kann die Oberflächenqualität der Werkstücke beeinträchtigen. Herkömmliche, auf Impulsen basierende Systeme können die Leistungsfähigkeit von EtherCAT mit seinen Hardware-Zeitstempeln nicht erreichen. Diese ermöglichen eine Synchronisation von rund ±50 Nanosekunden – unabhängig von der Anzahl der beteiligten Achsen – und gewährleisten so eine perfekte Ausrichtung der Werkzeuge auch bei schnellen Drehbearbeitungen. Das gesamte System arbeitet zudem nach einem anderen Prinzip: Es verarbeitet Positions-Befehle simultan statt nacheinander abzuwarten. Dadurch können Maschinen mit außergewöhnlicher Präzision – bis hin zur Nanometerstufe – zwischen verschiedenen Fräs- oder Drehbahnen wechseln. Praxiserfahrungen bestätigen diese Vorteile ebenfalls: Laut dem „Machining Dynamics Report“ des vergangenen Jahres verzeichnen Betriebe, die solche Systeme einsetzen, einen Rückgang der Ausschussrate um etwa 37 Prozent bei hochgeschwindigkeitsgesteuerten Gewindebearbeitungen infolge von Schwingungen.

Echtzeit-Interpolation über alle Achsen: Ermöglicht eine glatte, hochauflösende Konturbearbeitung auf 4-Achsen-CNC-Drehmaschinen

Bei 4-Achsen-CNC-Drehmaschinen macht die koordinierte Achseninterpolation wirklich den Unterschied aus, da sie die Werkzeugbahnen simultan über alle Motorachsen berechnet. Die herkömmliche Methode mit segmentierter Interpolation hinterlässt winzige Pausen zwischen den einzelnen Segmenten, die sich als störende Übergangsmerkmale an gekrümmten Bauteilen bemerkbar machen. Daher sind EtherCAT-Systeme echte Game Changer: Sie verfügen über Zykluszeiten unter 5 Mikrosekunden, wodurch Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung kontinuierlich neu berechnet werden. Dadurch kann die Maschine das ausführen, was wir als echte Spline-Interpolation bezeichnen – alle Achsen bewegen sich dabei harmonisch und ohne Sprünge gemeinsam. Bei Vorschubgeschwindigkeiten von über 20 Metern pro Minute gewährleisten diese Maschinen eine Richtungskonsistenz bis hin zu 0,02 Mikrometern. Ein weiterer Vorteil ergibt sich zudem aus der Rechenleistung: Das System kann sowohl thermische Ausdehnung als auch mechanisches Spiel während des Konturfräsens kompensieren. Dies führt zu einer Verbesserung der Profilgenauigkeit um rund 80 % gegenüber herkömmlichen Impulsantriebssystemen.

Wenn eine präzisere Synchronisation nicht ausreicht: Warum die Qualität der Nockenwellenbearbeitung von einer koordinierten Drehmoment-Vorsteuerung – und nicht nur von der Zeitsteuerung – abhängt

Die exakte Zeitsteuerung allein reicht nicht aus, um Verformungen der Nockenwellen-Nocken bei der Bearbeitung zu verhindern, da diese ungleichmäßigen Schnittkräfte torsionsbedingte Verformungen erzeugen. Hier kommen mehrachsige Servoantriebe ins Spiel. Sie nutzen eine sogenannte koordinierte Drehmoment-Vorsteuerung. Grundsätzlich analysieren diese Antriebsregler im Voraus, wie stark sich die Last ändern wird, und passen die Stromausgabe an, noch bevor sich Positionsabweichungen ergeben. Das System berücksichtigt beispielsweise, wie der Schneidwerkzeug-Eingriff in das Werkstück erfolgt und mit welcher Geschwindigkeit Material aus verschiedenen Winkeln abgetragen wird. Anschließend werden korrigierende Drehmomentsignale etwa 100 Mikrosekunden nach der Kraftdetektion ausgegeben. Dadurch bleibt die Positionierung auch bei ständig wechselnden Lasten präzise gewährleistet. Tests zeigen laut dem „Journal of Advanced Manufacturing“ des vergangenen Jahres, dass dieser Ansatz die Profilabweichungen bei gehärteten Stahl-Kurbelwellenlagern nahezu halbiert. Wenn Hersteller auf diese Art dynamischer Kompensation verzichten, ist selbst ihre hochpräzise Synchronisation im Nanosekundenbereich letztlich weitgehend wirkungslos, da Oberflächenfehler durch Regenschwingungen (Chatter) weiterhin auftreten.

Höhere Leistungsdichte und dynamische Reaktion in Mehrachs-Antriebsarchitekturen

2,3-mal höhere Leistungsabgabe pro Volumeneinheit im Vergleich zu diskreten Einachsantrieben (nach IEC 61800-3 bewertet)

Bei Mehrachs-Systemen werden Leistungselektronik und Kühlung in einem kompakten Modul zusammengefasst, anstatt die zahlreichen zusätzlichen Komponenten zu verwenden, die bei separaten Einachsanlagen erforderlich sind. Gemäß Prüfnormen wie IEC 61800-3 lässt sich durch diese integrierten Systeme die Leistungsdichte innerhalb desselben Volumens um rund das Zweieinhalbfache steigern. Auch das Nachrüsten von Vierachsen-CNC-Drehmaschinen profitiert stark von diesem Ansatz: Die benötigten Schaltschränke werden dadurch etwa 60 % kleiner, ohne dass Einbußen bei der Drehmomentleistung in Kauf genommen werden müssen – ein entscheidender Vorteil, wenn der verfügbare Platz auf der Fertigungsfläche begrenzt ist. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus gemeinsamen Gleichstrom-Zwischenkreisen, die den Energieverlust gegenüber herkömmlichen Anlagen mit einzelnen Antrieben um rund 18 % senken. Dies hat sich insbesondere bei langdauernden Bearbeitungsprozessen bewährt, bei denen Effizienz besonders zählt.

40 % kürzere Einschwingzeit bei koordinierter 4-Achsen-Konturverfolgung – ermöglicht durch gemeinsame Stromregelkreis-Optimierung

Wenn die Stromregelkreise über alle Achsen synchronisiert sind, entfallen jene störenden Kommunikationsverzögerungen, die herkömmliche diskrete Systeme beeinträchtigen. Bei komplexen Konturen wie hyperbolischen Werkzeugbahnen ermöglicht diese Konfiguration eine um 40 Prozent schnellere Einschwingung der Maschinen bei einer Präzisionsschwelle von lediglich 0,01 mm. Das System optimiert in Echtzeit das Drehmomentkoppeln zwischen den verschiedenen Achsen. Praktisch bedeutet dies: Sobald ein Motor während des Betriebs überschüssige Energie erzeugt, wird diese sofort zur Unterstützung benachbarter Motoren bereitgestellt, die zusätzliche Beschleunigung benötigen. Was bedeutet das für die konkrete Bearbeitung? Diese dynamischen Energieübertragungen verkürzen die Schwingungsperioden während der Feinbearbeitung um etwa 22 Millisekunden – was sich spürbar auf die Oberflächengüte nach dem Zerspanen auswirkt.

Vereinfachte Integration und Produktivitätssteigerung durch One-Cable-Technologie

Eliminierung von Stop-and-Go-Zyklen: Kontinuierliche Bewegungssteuerung mittels synchronisierter Drehmoment-/Positions-Vorsteuerung

Die One-Cable-Technologie (OCT) vereinfacht die Installation erheblich, indem sowohl Leistungs- als auch Datenübertragung über ein einziges Kabel statt über mehrere Kabel erfolgen. Tests zufolge reduziert dies die aufwändige Verkabelung um rund 60 %. Entscheidend ist jedoch die Leistung im praktischen Betrieb: Das System ermöglicht einen gleichzeitigen und kontinuierlichen Fluss von Drehmoment- und Positionsdaten über alle Achsen hinweg, wodurch störende Unterbrechungen beim Übergang zwischen verschiedenen Abschnitten des Werkzeugpfads vermieden werden. Die Maschinen bewegen sich kontinuierlich, was zu einer besseren Kontaktqualität mit dem Werkstück sowie einer gleichmäßigeren Schnittkraft während des gesamten Bearbeitungsprozesses führt. Ein Hersteller verzeichnete bei der Umstellung auf OCT in beengten Räumen – wo herkömmliche Installationen sehr zeitaufwändig gewesen wären – nahezu eine Halbierung der Rüstzeiten.

18 % Reduktion der Zykluszeit bei hochpräzisem Drehen – nachgewiesen an serienmäßigen 4-Achs-CNC-Drehmaschinen

Tests auf Produktionslinien zeigen, dass sich bei der Integration der OCT-Technologie in Mehrachs-Systeme die Zykluszeiten für Präzisionsdrehbearbeitungen um rund 18 % verkürzen. Der Grund? Durch die zentrale Synchronisation verringert sich die Signallaufzeit zwischen den verschiedenen Antrieben, wodurch die Komponenten bei der Bearbeitung komplizierter Konturen deutlich besser zusammenarbeiten. Ein bedeutender Hersteller verzeichnete ebenfalls beeindruckende Ergebnisse: Nach dem Wechsel auf die Single-Cable-Infrastruktur von EtherCAT berichtete er über etwa 30 % weniger Kabelausfälle. Das ist durchaus nachvollziehbar, denn weniger Verbindungspunkte führen von Natur aus zu einer zuverlässigeren Leistung – insbesondere wichtig in Umgebungen, in denen Maschinen ständig mit hohen Schwingungspegeln arbeiten.