Perché i variatori servo EtherCAT multiasse possono sostituire quelli monosasse? Un'analisi dei 3 principali vantaggi tecnici

Sincronizzazione sub-microsecondo per una coordinazione multiasse ad alta precisione

Gli orologi distribuiti EtherCAT consentono uno jitter inferiore a 500 ns su tutti gli assi

La tecnologia dell'orologio distribuito (DC) in EtherCAT risolve davvero quei fastidiosi problemi di temporizzazione quando più assi sono collegati in rete. Si raggiunge una jitter di circa 500 nanosecondi, superando di gran lunga i vecchi metodi di sincronizzazione, che accumulano semplicemente ritardi nel tempo e compromettono il movimento coordinato. I servomotori tradizionali ad alta precisione operano ciascuno con il proprio orologio per ogni asse, ma il DC di EtherCAT sincronizza tutti i dispositivi rispetto a un riferimento temporale hardware condiviso. Ogni nodo riceve un timestamp esatto, in modo che tutti gli eventi siano perfettamente allineati. Ciò che rende questa soluzione particolarmente interessante è la sua capacità di compensare automaticamente i ritardi di propagazione non appena si verificano, mantenendo l’allineamento a livello di nanosecondo senza richiedere alcuna regolazione manuale da parte dell’operatore. Prendiamo, ad esempio, la movimentazione delle wafers nei semiconduttori: anche una minima deviazione superiore a 600 nanosecondi provoca problemi nelle misurazioni espresse in micron. Ecco infine ciò che la distingue: il sistema si autocalibra automaticamente in risposta a variazioni ambientali di ogni tipo — come differenze nella lunghezza dei cavi o fluttuazioni termiche — senza richiedere alcun intervento da parte degli operatori.

Tempi di ciclo deterministici (<100 µs) rispetto ai tradizionali fieldbus

EtherCAT offre tempi di risposta incredibilmente rapidi, inferiori a 100 microsecondi, rendendolo circa 20 volte più veloce di CANopen, che richiede tipicamente almeno 2 millisecondi. Rispetto alla maggior parte degli altri sistemi fieldbus, la tempistica di EtherCAT è molto più costante e affidabile. Ciò assume particolare rilevanza quando si passa da configurazioni tradizionali monosso, poiché invece di inviare i comandi uno dopo l’altro su assi diversi, accumulando progressivamente piccoli errori di posizionamento, EtherCAT gestisce tutti i comandi per gli assi in un unico ciclo. Il risultato? I loop di controllo possono operare a frequenze superiori a 10 chilohertz in pratica, il che contribuisce efficacemente a sopprimere le vibrazioni durante il funzionamento delle macchine ad alta velocità. Un importante produttore di robot ha registrato una riduzione degli errori di tracciamento del percorso pari a quasi il 90% dopo aver sostituito i servomotori monosso separati con un sistema multiasse basato sulla tecnologia EtherCAT. Sistemi che richiedono bassa latenza, come le complesse piattaforme cinematiche parallele utilizzate nella produzione avanzata, raggiungono ora una precisione angolare fino a valori nell’ordine dei microradianti, un obiettivo quasi impossibile da conseguire in precedenza con metodi di controllo obsoleti distribuiti su più componenti.

Semplificazione architettonica: sostituzione di diversi tipi di servoazionamenti ad asse singolo ad alta precisione con un unico azionamento integrato

riduzione del cablaggio del 70% ed eliminazione dei gateway master-slave

Quando le aziende integrano diversi servomotori ad asse singolo di alta precisione in un unico sistema di azionamento multiasse, riducono la complessità dei cablaggi di circa il 70% ed eliminano completamente quegli ingombranti gateway master-slave. Il vecchio approccio prevedeva la duplicazione delle linee di alimentazione, dei collegamenti di feedback e dei cablaggi di controllo per ciascun asse individuale, generando svariati problemi, come grovigli di cavi disordinati e un numero eccessivo di punti di terminazione. Gli azionamenti multiasse funzionano invece in modo diverso: condividono un’unica alimentazione in corrente continua (DC) e necessitano di una sola linea principale di connessione EtherCAT che attraversa l’armadio, rendendo l’intero sistema molto più ordinato e semplice da installare. L’eliminazione di quei box gateway contribuisce ulteriormente a rimuovere i fastidiosi ritardi di comunicazione che si verificano quando i segnali devono attraversare più stadi. Secondo una recente ricerca sull’automazione industriale condotta lo scorso anno, le fabbriche che adottano questo approccio registrano tipicamente un miglioramento del 40% circa nella velocità di esecuzione delle installazioni, mentre le spese per i materiali diminuiscono di circa il 25%. Non sorprende quindi che sempre più produttori stiano effettuando questa transizione in questi ultimi tempi.

Conformità nativa allo standard CIA 402 su tutti gli assi — modalità CSP, CSV e CST completamente supportate senza sovraccarico di configurazione

I sistemi di azionamento multiasse funzionano immediatamente in modo perfettamente integrato poiché rispettano lo standard CIA 402 per l’automazione CAN. Questi sistemi gestiscono il controllo di posizione (CSP), il controllo di velocità (CSV) e il controllo di coppia (CST) su ogni asse senza richiedere una configurazione separata per ciascun dispositivo. Le configurazioni tradizionali basate su azionamenti monosso possono risultare complesse, poiché ogni dispositivo richiede regolazioni e impostazioni di parametri specifiche. Con questi nuovi azionamenti, invece, tutti i componenti operano in sinergia fin dal primo giorno grazie al loro design unificato. Per i team di ingegneria, ciò significa minor tempo dedicato alla configurazione dei singoli componenti e maggiore concentrazione sul completamento efficiente dei progetti.

• Sincronizzazione istantanea degli assi in modalità CSP per applicazioni di movimento coordinato
• Transizioni fluide di velocità in modalità CSV per sistemi a nastro trasportatore o per la gestione di nastri continui
• Controllo diretto della coppia in modalità CST per applicazioni critiche in termini di tensione, come avvolgimento o stampa
  I test di validazione mostrano un avviamento del 90% più rapido rispetto alle reti servo tradizionali (Motion Control Journal, 2024), poiché i set di parametri si propagano automaticamente su tutti gli assi tramite la mappatura standardizzata del dizionario oggetti.

Maggiore densità di potenza ed efficienza termica: vantaggi ingegneristici rispetto ai tipi servo ad alta precisione monosso

Per quanto riguarda le prestazioni, gli azionamenti servo EtherCAT multi-asse hanno chiaramente superato i corrispondenti modelli mono-asse grazie ad alcune straordinarie innovazioni nel campo dei semiconduttori. Il vero "trucco" sta nella tecnologia dei transistor a effetto di campo (MOSFET) in carburo di silicio (SiC), che consente di integrare circa il 40% di potenza in più nello stesso spazio occupato dagli azionamenti tradizionali basati sul silicio. Quali sono le implicazioni pratiche? Le macchine possono generare una coppia maggiore occupando meno spazio negli armadi di controllo. Inoltre, i componenti in SiC generano molto meno calore grazie alle loro proprietà di banda proibita più ampia, riducendo le perdite per conduzione di circa il 35%. Meno calore significa una maggiore durata dei componenti e la possibilità, per i produttori, di rinunciare a quegli ingombranti sistemi di raffreddamento esterni applicati alle macchine: un vantaggio decisivo in settori industriali dove le attrezzature funzionano ininterrottamente, come nei laboratori di lavorazione CNC. Tutti questi miglioramenti si traducono in una maggiore precisione operativa anche sotto carico, in soluzioni compatte che risparmiano spazio sul pavimento della fabbrica e, in definitiva, in costi ridotti nel tempo per i responsabili degli impianti, attenti a ogni singolo centesimo.