Warum können mehrachsige EtherCAT-Servoantriebe Einachs-Antriebe ersetzen? Eine Aufschlüsselung der drei zentralen technischen Vorteile

Synchronisation im Submikrosekundenbereich für hochpräzise Mehrachsen-Koordination

EtherCAT-Verteilte Uhren ermöglichen eine Jitter-Streuung von < 500 ns über alle Achsen hinweg

Die Distributed-Clock-(DC)-Technologie in EtherCAT löst wirklich jene lästigen Zeitsteuerungsprobleme, wenn mehrere Achsen miteinander vernetzt sind. Sie erreicht eine Jitter-Genauigkeit von rund 500 Nanosekunden – ein deutlicher Vorteil gegenüber herkömmlichen Synchronisationsverfahren, die sich im Laufe der Zeit verzögern und dadurch koordinierte Bewegungen stören. Traditionelle hochpräzise Servoantriebe arbeiten mit jeweils eigenen Taktsignalen pro Achse; EtherCAT DC hingegen synchronisiert alle Knoten anhand einer gemeinsamen, hardwarebasierten Zeitreferenz. Jeder Knoten erhält exakte Zeitstempel, sodass sämtliche Abläufe korrekt aufeinander abgestimmt sind. Besonders bemerkenswert ist die automatische Kompensation von Laufzeitverzögerungen während des Betriebs: Dadurch bleibt die zeitliche Ausrichtung auf Nanosekundenebene gewährleistet – ohne dass manuelle Einstellungsanpassungen erforderlich wären. Ein Beispiel hierfür ist das Handling von Halbleiterwafern: Schon eine minimale Abweichung über 600 Nanosekunden führt zu Messfehlern im Mikrometerbereich. Und hier liegt ein weiterer entscheidender Vorteil: Das System kalibriert sich selbstständig bei unterschiedlichsten Umgebungsveränderungen – etwa bei variierenden Kabellängen oder Temperaturschwankungen – ohne jegliches Zutun des Bedienpersonals.

Deterministische Zykluszeiten (< 100 µs) im Vergleich zu herkömmlichen Feldbussen

EtherCAT bietet unglaublich schnelle Reaktionszeiten unter 100 Mikrosekunden und ist damit etwa 20-mal schneller als CANopen, das typischerweise mindestens 2 Millisekunden benötigt. Im Vergleich zu den meisten anderen Feldbussystemen ist die Zeitsteuerung bei EtherCAT deutlich konsistenter und zuverlässiger. Dies spielt insbesondere bei der Umstellung von herkömmlichen Einzelachsen-Setups eine große Rolle. Statt Befehle nacheinander an verschiedene Achsen zu senden – wodurch sich im Laufe der Zeit kleine Positionierungsfehler aufsummieren – verarbeitet EtherCAT sämtliche Achsenbefehle gleichzeitig innerhalb nur eines Zyklus. Das Ergebnis? Regelkreise können praktisch mit über 10 Kilohertz betrieben werden – eine Eigenschaft, die dabei hilft, Schwingungen bei hohen Maschinengeschwindigkeiten zu unterdrücken. Ein führender Roboterhersteller verzeichnete nach dem Wechsel von separaten Einzelachsen-Servos zu einem mehrachsigen System auf Basis der EtherCAT-Technologie nahezu eine 90-prozentige Reduktion seiner Bahnverfolgungsfehler. Systeme mit geringer Latenz – wie beispielsweise komplexe parallelkinematische Plattformen in der fortschrittlichen Fertigung – erreichen mittlerweile Winkelgenauigkeiten im Bereich von Mikroradiant, was mit älteren, über mehrere Komponenten verteilten Steuerungsmethoden nahezu unmöglich war.

Architektonische Vereinfachung: Ersetzen mehrerer einzelner hochpräziser Servoantriebe mit einer Drehachse durch einen einheitlichen Antrieb

70 % weniger Verkabelung und Eliminierung von Master-Slave-Gateways

Wenn Unternehmen mehrere Einachs-Hochpräzisions-Servos zu einem mehrachsigen Antriebssystem kombinieren, reduzieren sie die Verdrahtungskomplexität um rund 70 % und eliminieren jene lästigen Master-Slave-Gateways vollständig. Die herkömmliche Vorgehensweise erforderte die Verdopplung von Stromleitungen, Rückführungsverbindungen und Steuerungsverkabelung für jede einzelne Achse – was zahlreiche Probleme verursachte, etwa unübersichtliche Kabelstränge und zu viele Abschlusspunkte. Mehrachs-Antriebe funktionieren jedoch anders: Sie teilen sich eine gemeinsame Gleichstromversorgung und benötigen lediglich eine zentrale EtherCAT-Verbindungsleitung, die durch das Schaltschrankgehäuse geführt wird – wodurch alles übersichtlicher und einfacher zu installieren ist. Das Entfernen der Gateway-Gehäuse trägt zudem dazu bei, jene störenden Kommunikationsverzögerungen zu beseitigen, die entstehen, wenn Signale mehrere Stufen durchlaufen müssen. Laut einer kürzlich veröffentlichten Studie zur industriellen Automatisierung aus dem vergangenen Jahr verzeichnen Fabriken, die diesen Ansatz übernehmen, typischerweise eine um rund 40 % höhere Installationsgeschwindigkeit sowie eine Senkung der Materialkosten um etwa 25 %. Es ist daher verständlich, warum immer mehr Hersteller derzeit auf diese Technologie umsteigen.

Native CIA-402-Konformität über alle Achsen – CSP-, CSV- und CST-Betriebsarten vollständig unterstützt, ohne Konfigurationsaufwand

Die Mehrachsantriebssysteme arbeiten nahtlos zusammen, sobald sie in Betrieb genommen werden, da sie den CIA-402-Standard für CAN-Automatisierung einhalten. Diese Systeme unterstützen Positionsregelung (CSP), Drehzahlregelung (CSV) und Drehmomentregelung (CST) über jede Achse hinweg, ohne dass für jedes Gerät eine separate Einrichtung erforderlich ist. Herkömmliche Lösungen mit Einzelachsantrieben sind aufwendig, da jeder Antrieb individuell justiert und parametriert werden muss. Bei diesen neuen Antrieben funktioniert hingegen von Tag eins an alles zusammen dank ihres einheitlichen Designs. Für Engineering-Teams bedeutet dies weniger Zeit für die Konfiguration einzelner Komponenten und mehr Fokus darauf, Projekte effizient abzuschließen.

• Sofortige Achsensynchronisation im CSP-Modus für koordinierte Bewegungsaufgaben
• Nahtlose Geschwindigkeitsübergänge im CSV-Modus für Förderband- oder Bahnhandhabungssysteme
• Direkte Drehmomentregelung im CST-Modus für spannungskritische Anwendungen wie Wickeln oder Drucken
  Validierungstests zeigen eine um 90 % schnellere Inbetriebnahme im Vergleich zu herkömmlichen Servonetzwerken (Motion Control Journal, 2024), da sich Parameter-Sätze automatisch über alle Achsen hinweg mittels standardisierter Objektwörterbuch-Zuordnung verbreiten.

Höhere Leistungsdichte und thermische Effizienz: Technische Vorteile gegenüber diskreten einachsigen Hochpräzisions-Servotypen

Wenn es um Leistung geht, haben mehrachsige EtherCAT-Servotriebe dank beeindruckender Halbleiterdurchbrüche ihre einachsigen Pendants deutlich übertroffen. Der entscheidende Fortschritt basiert auf der Siliziumkarbid-(SiC-)MOSFET-Technologie, die etwa 40 % mehr Leistung in demselben Raum bereitstellt wie herkömmliche siliziumbasierte Antriebe. Was bedeutet das im praktischen Einsatz? Maschinen können bei geringerem Platzbedarf in Schaltschränken mehr Drehmoment erzeugen. Zudem erzeugen SiC-Komponenten aufgrund ihrer größeren Bandlücke deutlich weniger Wärme und senken die Leitungsverluste um rund 35 %. Weniger Wärme bedeutet längere Lebensdauer der Komponenten und macht die massiven Kühlsysteme, die früher an Maschinen angebracht waren, überflüssig – ein entscheidender Vorteil in Branchen, in denen Anlagen rund um die Uhr laufen, wie beispielsweise in CNC-Fertigungsbetrieben. All diese Verbesserungen führen zu höherer Präzision bei hoher Maschinenlast, kompakteren Konstruktionen, die Platz auf der Produktionsfläche sparen, und letztlich zu niedrigeren Gesamtbetriebskosten für Produktionsleiter, die jeden Cent im Auge behalten.