Zastąpienie sterowników jednoosiowych wieloosiowymi sterownikami serwonapędowymi EtherCAT: nie tylko oszczędność miejsca, ale także te przełomowe osiągi

Ultra-dokładna synchronizacja sterowania ruchem tokarki CNC czteroośowej

Drgania (jitter) poniżej jednego mikrosekundy oraz wyrównanie rozproszonego zegara w wieloosiowych systemach EtherCAT

Serwosilniki EtherCAT do wielu osi synchronizują się na wyjątkowym poziomie dzięki technologii zegarów rozproszonych, która dopasowuje wszystkie elementy do jednego zegara głównego z bardzo małym dryfem (jitter) poniżej jednego mikrosekundy. Takie rozwiązanie zapobiega gromadzeniu się uciążliwych błędów czasowych pomiędzy różnymi osiami – co staje się szczególnie istotne przy obróbce skomplikowanych kształtów. Odchylenie rzędu zaledwie 5 mikrosekund może pogorszyć jakość powierzchni wykonywanych części. Tradycyjne systemy oparte na impulsach nie są w stanie dorównać możliwościom EtherCAT w zakresie synchronizacji za pomocą znaczników czasowych sprzętowych. Osiągają one dokładność synchronizacji rzędu ±50 nanosekund niezależnie od liczby sterowanych osi, zapewniając doskonałe współosiowość narzędzi podczas szybkich obrotów tnących. Cały system działa również inaczej – przetwarza polecenia pozycji jednocześnie, a nie sekwencyjnie, jedno po drugim. Oznacza to, że maszyny mogą przełączać się między ścieżkami cięcia z niespotykaną precyzją, na poziomie nanometrów. Wyniki z praktyki potwierdzają te zalety: zgodnie z raportem Machining Dynamics z ubiegłego roku warsztaty stosujące te systemy odnotowały spadek liczby odrzuconych części o około 37% w przypadku wibracji występujących podczas gwintowania w wysokich prędkościach.

Interpolacja w czasie rzeczywistym we wszystkich osiach: umożliwia gładkie i wysokiej wierności konturowanie na tokarkach CNC czteroosiowych

W przypadku tokarek CNC o 4 osiach współrzędna interpolacja osi rzeczywiście stanowi istotną różnicę, ponieważ oblicza ścieżki narzędzia jednocześnie we wszystkich osiach napędowych. Stara metoda wykorzystująca interpolację segmentową pozostawia drobne przerwy między poszczególnymi segmentami, które ujawniają się jako te irytujące ślady widocznościowe na elementach krzywoliniowych. Dlatego też systemy EtherCAT są przełomowe – charakteryzują się czasami cyklu krótszymi niż 5 mikrosekund, co umożliwia ciągłe przeliczanie położenia, prędkości i przyspieszenia. Dzięki temu maszyna jest w stanie wykonywać tzw. prawdziwą interpolację krzywych sklejanych (spline), w której wszystkie osie poruszają się płynnie i zsynchronizowanie, bez żadnych skoków. Przy prędkościach posuwu przekraczających 20 metrów na minutę maszyny te zapewniają spójność kierunku z dokładnością do 0,02 mikrometra. Istnieje także kolejna zaleta: duża moc obliczeniowa pozwala systemowi na kompensację zarówno rozszerzalności cieplnej, jak i luzów mechanicznych podczas frezowania konturów. W rezultacie dokładność profilu poprawia się o około 80% w porównaniu do tego, czego mogą dokonać tradycyjne systemy sterowania impulsowego.

Gdy dokładniejsza synchronizacja nie wystarcza: Dlaczego jakość frezowania wałka rozrządu zależy od skoordynowanego wstępnego sterowania momentem obrotowym – a nie tylko od synchronizacji

Uzyskanie idealnego momentu nie wystarcza do zapobiegania odkształceniom kuli w czasie frezowania wałów rozrządu, ponieważ nieregularne siły cięcia powodują odkształcenia zależne od momentu obrotowego. Właśnie wtedy przydatne stają się wieloosiowe napędy serwo. Wykorzystują one tzw. współdziałające wyprzedzenie momentu obrotowego. Zasadniczo sterowniki tych napędów przewidują zmiany obciążenia i dostosowują wyjściowy prąd zanim wystąpią jakiekolwiek problemy z pozycjonowaniem. System analizuje m.in. sposób, w jaki frez wprowadza się w materiał oraz szybkość usuwania materiału z różnych kątów. Następnie wysyła sygnały korekcyjne momentu obrotowego już po około 100 mikrosekundach od wykrycia działających sił. Dzięki temu pozycja wszystkich elementów pozostaje prawidłowa nawet przy ciągle zmieniającym się obciążeniu. Badania pokazują, że metoda ta zmniejsza odchylenia profilu o niemal połowę w przypadku twardych stali stosowanych na journali wałów korbowych – według danych opublikowanych w „Journal of Advanced Manufacturing” z ubiegłego roku. Jeśli producenci pomijają tego typu dynamiczną kompensację, nawet najbardziej zaawansowane synchronizacje z dokładnością do nanosekund nie będą miały większego znaczenia, ponieważ problemy powierzchniowe związane z drganiem (chatter) nadal będą występować.

Wyższa gęstość mocy i szybsza odpowiedź dynamiczna w architekturach napędów wieloosiowych

o 2,3 raza większa moc wyjściowa przypadająca na jednostkę objętości w porównaniu z oddzielnymi napędami jednoosiowymi (według standardu IEC 61800-3)

W przypadku systemów wieloosiowych elektronika mocy oraz chłodzenie są połączone w jeden zwarty moduł zamiast składać się na wiele dodatkowych elementów charakterystycznych dla rozdzielonych układów jednoosiowych. Zgodnie ze standardami testowymi, takimi jak IEC 61800-3, te zintegrowane systemy pozwalają zwiększyć gęstość mocy o około 2,5 raza przy tej samej objętości. Takie rozwiązanie przynosi również istotne korzyści przy modernizacji tokarek CNC czteroosiowych: wymagane szafy stają się mniej więcej o 60 % mniejsze, bez utraty jakichkolwiek osiągów momentu obrotowego – co ma szczególne znaczenie w warunkach ograniczonej powierzchni posadzki fabrycznej. Kolejną zaletą jest zastosowanie wspólnego szyny DC, które redukuje straty energii o około 18 % w porównaniu do tradycyjnych układów z osobnymi napędami. Potwierdziliśmy skuteczność tego rozwiązania podczas długotrwałych operacji frezowania, gdzie wydajność odgrywa kluczową rolę.

czas ustalania się o 40 % krótszy przy współdziałającej obróbce konturowej na 4 osiach — dzięki zoptymalizowanemu wspólnemu obwodowi prądowemu

Gdy obwody prądowe są zsynchronizowane na wszystkich osiach, eliminuje to uciążliwe opóźnienia komunikacyjne charakterystyczne dla tradycyjnych, rozdzielonych systemów. W przypadku złożonych konturów, takich jak ścieżki narzędzia hiperboliczne, takie rozwiązanie pozwala maszynom na osiągnięcie stanu ustalonego o 40 % szybciej przy zachowaniu progu dokładności wynoszącego zaledwie 0,01 mm. System działa poprzez optymalizację rzeczywistego sprzężenia momentu obrotowego między różnymi osiami. Zasadniczo, gdy jeden silnik generuje nadmiar energii w trakcie pracy, ta energia natychmiast jest przekazywana do wspierania innych silników wymagających dodatkowego przyspieszenia. Co to oznacza w praktycznej obróbce? Dynamiczne przekazywanie energii skraca okresy drgań o około 22 milisekundy podczas operacji wykańczających, co ma widoczną wpływ na gładkość powierzchni po frezowaniu.

Uproszczone integracja i zwiększenie produktywności dzięki technologii jednego kabla

Eliminacja cykli zatrzymań i ponownego uruchamiania: ciągła kontrola ruchu poprzez zsynchronizowane wstępne sterowanie momentem/łożyskiem

Technologia jednego kabla, zwana potocznie OCT, znacznie upraszcza sprawy, umieszczając zarówno energię, jak i dane w jednym tylko kablu zamiast w wielu osobnych. Zgodnie z testami zmniejsza to skomplikowany bałagan przewodów o około 60%. Co jednak najważniejsze, to sposób działania systemu w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych. System zapewnia jednoczesny przepływ informacji o momencie obrotowym i położeniu na każdej osi, dzięki czemu nie występują uciążliwe zatrzymania i ponowne uruchomienia podczas przemieszczania się pomiędzy różnymi fragmentami ścieżki narzędzia. Maszyny pozostają w stałym ruchu, co oznacza lepszy kontakt z przedmiotem obrabianym oraz bardziej spójne ciśnienie tnące na całej długości obróbki. Jeden z producentów odnotował prawie dwukrotne skrócenie czasu przygotowania maszyny po przejściu na technologię OCT w ciasnych przestrzeniach, gdzie tradycyjna instalacja zajmowałaby bardzo dużo czasu.

zmniejszenie czasu cyklu o 18% przy toczeniu wysokiej precyzji – potwierdzone w warunkach produkcyjnych na tokarkach CNC z 4 osiami

Testy przeprowadzone na liniach produkcyjnych wskazują, że integracja technologii OCT w systemach wieloosiowych skraca czasy cyklu operacji toczenia precyzyjnego o około 18%. Dlaczego? Centralizowana synchronizacja zmniejsza opóźnienia sygnałów między różnymi napędami, co oznacza, że poszczególne komponenty współpracują znacznie lepiej podczas obróbki złożonych konturów. Jeden z głównych producentów odnotował również bardzo imponujące wyniki: po przejściu na jednokablową konfigurację EtherCAT liczba awarii kabli zmniejszyła się o około 30%. Jest to całkowicie zrozumiałe, ponieważ mniejsza liczba punktów połączenia naturalnie przekłada się na większą niezawodność działania – szczególnie istotną w środowiskach, w których maszyny są stale narażone na intensywne drgania.