Vervanging van single-axis door multi-axis EtherCAT-servoaandrijvingen: niet alleen ruimtebesparend, maar ook deze prestatieverbeteringen

Uiterst nauwkeurige synchronisatie voor bewegingsbesturing van een 4-assige CNC-draaibank

Sub-microseconden-jitter en uitlijning van de gedistribueerde klok in multi-assige EtherCAT-systemen

EtherCAT-servoaandrijvingen voor meerdere assen synchroniseren op opmerkelijke wijze dankzij distributietechnologie voor klokken die alles uitlijnt op één hoofdklok met een zeer geringe jitter van minder dan één microseconde. Deze opstelling voorkomt dat vervelende tijdfouten zich opstapelen tussen verschillende assen, wat bijzonder belangrijk wordt bij het bewerken van complexe vormen. Alleen al een afwijking van 5 microseconden kan de oppervlaktekwaliteit van onderdelen verstoren. Traditionele pulsbaserde systemen kunnen eenvoudigweg niet concurreren met wat EtherCAT bereikt via zijn hardwaretijdstempels. Deze leveren een synchronisatie van ongeveer plus of min 50 nanoseconden, ongeacht het aantal betrokken assen, waardoor gereedschappen perfect uitgelijnd blijven tijdens snelle draaiende sneden. Het hele systeem werkt ook fundamenteel anders: het verwerkt positieopdrachten allemaal tegelijk, in plaats van te wachten op elke opdracht één voor één. Dit betekent dat machines met buitengewone precisie – tot op nanometernauwkeurigheid – kunnen overschakelen tussen snijpaden. Praktijkresultaten bevestigen dit ook. Volgens het Machining Dynamics-rapport van vorig jaar zien bedrijven die deze systemen gebruiken een daling van ongeveer 37 procent in het aantal afgewezen onderdelen als gevolg van trillingen tijdens het sneldraadbuigen.

Real-time interpolatie over alle assen: maakt vloeiende, hoogwaardige contourbewerking mogelijk op CNC-draaibanken met 4 assen

Bij 4-assige CNC-draaibanken maakt gecoördineerde as-interpolatie echt het verschil, omdat hierbij de gereedschapsbanen tegelijkertijd over alle motorassen worden berekend. De oude methode met segmentale interpolatie laat kleine onderbrekingen tussen elk segment achter, wat zich vertaalt in die vervelende aansluitingsmarkeringen op gebogen onderdelen. Daarom zijn EtherCAT-systemen een doorslaggevende innovatie: zij hebben cyclusstijden van minder dan 5 microseconden, waardoor positie, snelheid en versnelling voortdurend opnieuw worden berekend. Dit stelt de machine in staat tot zogenaamde echte spline-interpolatie, waarbij alle assen soepel en zonder sprongen samen bewegen. Bij voedingssnelheden van meer dan 20 meter per minuut behouden deze machines een richtingsconsistentie tot op 0,02 micrometer. En er is nog een ander voordeel: de rekenkracht van het systeem maakt het mogelijk om tijdens het bewerken van contouren zowel thermische uitzetting als mechanische speling te compenseren. Hierdoor verbetert de profielnauwkeurigheid met ongeveer 80% ten opzichte van wat traditionele puls-aandrijfsystemen kunnen bereiken.

Wanneer nauwkeurigere synchronisatie niet voldoende is: Waarom de kwaliteit van nokkenasbewerking afhangt van gecoördineerde koppelvoorschakeling – en niet alleen van de timing

Perfecte timing bereiken is niet voldoende om lobevervorming te voorkomen bij het bewerken van nokkenassen, omdat die ongelijkmatige snedekrachten torsie-gebaseerde vervormingen veroorzaken. Daar komen meervoudige asservo-aandrijvingen van pas. Zij maken gebruik van zogeheten gecoördineerde torsie-vooringang (coordinated torque feedforward). In feite kijken deze aandrijfregelaars vooruit naar hoeveel de belasting zal veranderen en passen het stroomoutput aan voordat er al enige positieproblemen optreden. Het systeem houdt rekening met factoren zoals de manier waarop de frees in het materiaal ingrijpt en de snelheid waarmee materiaal onder verschillende hoeken wordt verwijderd. Vervolgens worden correctieve torsiesignalen uitgezonden ongeveer 100 microseconden nadat krachten zijn gedetecteerd. Dit zorgt ervoor dat alle onderdelen correct blijven gepositioneerd, zelfs wanneer de belasting voortdurend varieert. Volgens het Journal of Advanced Manufacturing van vorig jaar tonen tests aan dat dit de profielafwijkingen bij geharde staal krukaslagers bijna halveert. Als fabrikanten dit soort dynamische compensatie overslaan, is al hun geavanceerde nanoseconde-nauwkeurige synchronisatie toch weinig waard, aangezien oppervlakteproblemen door trillingen (chatter) toch blijven optreden.

Hogere vermogensdichtheid en dynamische respons in multi-assen aandrijfarchitecturen

2,3× hoger vermogen per eenheid volume vergeleken met discrete single-assen aandrijvingen (gebaseerd op IEC 61800-3)

Bij multi-assen systemen worden elektronica voor vermogensomzetting en koeling gecombineerd in één compacte module, in plaats van de vele extra onderdelen die bij afzonderlijke single-assen opstellingen horen. Volgens testnormen zoals IEC 61800-3 kan deze geïntegreerde aanpak de vermogensdichtheid met ongeveer tweeëneenhalve keer verhogen binnen hetzelfde volume. Ook het upgraden van vier-assen CNC-draaibanken profiteert sterk van deze aanpak. De benodigde kasten worden ongeveer 60 procent kleiner, zonder enig verlies aan koppelprestaties — wat zeer belangrijk is wanneer de beschikbare vloerruimte in de fabriek beperkt is. Een ander voordeel is het gebruik van gedeelde gelijkstroombussen, waardoor energieverliezen met ongeveer 18% worden verminderd ten opzichte van traditionele opstellingen met afzonderlijke aandrijvingen. Dit is in de praktijk bewezen tijdens langdurige bewerkingsprocessen, waar efficiëntie echt van belang is.

40% snellere insteltijd bij gecoördineerde contourbewerking met 4 assen — mogelijk gemaakt door gedeelde optimalisatie van de stroomregelkring

Wanneer de stroomregelkringen op alle assen zijn gesynchroniseerd, worden die vervelende communicatievertragingen die traditionele discrete systemen parten spelen, geëlimineerd. Voor complexe contouren, zoals hyperbolische gereedschapsbanen, zorgt deze opstelling ervoor dat machines 40 procent sneller instabiel worden, terwijl een precisiegrens van slechts 0,01 mm wordt gehandhaafd. Het systeem werkt door de koppeling van het koppel tussen verschillende assen in real time te optimaliseren. Kort gezegd: wanneer één motor tijdens de werking overtollige energie genereert, wordt die energie onmiddellijk gebruikt om nabijgelegen motoren te ondersteunen die extra versnelling nodig hebben. Wat betekent dit voor de praktische bewerking? Deze dynamische energieoverdrachten verkorten de trillingstijden met ongeveer 22 milliseconden tijdens afwerkingsbewerkingen, wat een duidelijk verschil oplevert in de gladheid van de oppervlakken na het snijden.

Vereenvoudigde integratie en productiviteitswinsten dankzij One-Cable-technologie

Eliminatie van stop-and-go-cycli: continue bewegingsregeling via gesynchroniseerde koppel/positie-voorwaartse aansturing

One cable tech, of OCT voor kort, vereenvoudigt de zaken aanzienlijk door zowel stroom als data in één enkele kabel te integreren in plaats van meerdere kabels. Volgens tests wordt hierdoor de complexe bedrading met ongeveer 60% verminderd. Wat echter echt telt, is de werking tijdens daadwerkelijke bedrijfsomstandigheden. Het systeem kan koppel- en positie-informatie gelijktijdig over elke as blijven doorgeven, waardoor vervelende onderbrekingen en herstarten bij het bewegen tussen verschillende delen van het toolpad worden voorkomen. Machines blijven in constante beweging, wat betekent dat er een betere contactdruk op het werkstuk wordt gehandhaafd en een consistenter snijdruk gedurende het gehele proces. Een fabrikant constateerde daadwerkelijk een bijna 50% daling van de insteltijd nadat zij waren overgeschakeld op OCT in beperkte ruimtes, waar traditionele installaties extreem veel tijd zouden kosten.

18% vermindering van de cyclustijd bij hoogprecies draaien—geverifieerd op productie-CNC-draaimachines met 4 assen

Tests op productielijnen wijzen uit dat wanneer OCT-technologie wordt geïntegreerd in meervoudige assen-systemen, de cyclusduur voor precisiedraaibewerkingen met ongeveer 18% afneemt. De reden? Gecentraliseerde synchronisatie vermindert de signaalvertraging tussen verschillende aandrijvingen, wat betekent dat componenten veel beter samenwerken bij het bewerken van complexe contouren. Ook een grote fabrikant zag indrukwekkende resultaten: na de overstap naar de EtherCAT-oplossing met één kabel rapporteerde men ongeveer 30% minder storingen door kabelbreuk. Dat is logisch, want minder aansluitpunten leiden van nature tot betrouwbaardere prestaties, vooral belangrijk in omgevingen waar machines constant op hoge niveaus trillen.