Nahradenie jednoosových viacoosovými servopohonnými systémami EtherCAT: nie len úspora priestoru, ale aj tieto prelomové výkonnostné výsledky

Ultra-presné synchronizácia pre pohybové riadenie 4-osového CNC sústruhu

Jitter pod mikrosekundu a zarovnanie distribuovaného hodinového signálu v viacoosových systémoch EtherCAT

Servo pohony EtherCAT pre viac osí sa synchronizujú na výnimočnej úrovni vďaka technológii distribuovaných hodín, ktorá všetko zarovnáva k jediným hlavným hodinám s veľmi malým rozptylom (jitterom) pod jedným mikrosekundou. Toto nastavenie zabraňuje hromadeniu tých otravných chýb v časovaní medzi jednotlivými osami – čo je mimoriadne dôležité pri spracovaní zložitých tvarov. Už odchýlka len o 5 mikrosekúnd môže poškodiť povrchovú kvalitu súčiastok. Tradičné systémy založené na impulzoch jednoducho nedokážu dosiahnuť to, čo EtherCAT poskytuje prostredníctvom hardvérových časových pečiatok. Tie zabezpečujú synchronizáciu s presnosťou približne ±50 nanosekúnd bez ohľadu na počet zapojených osí, čím sa zaručuje dokonalé zarovnanie nástrojov aj pri rýchlych otáčacích rezoch. Celý systém funguje inak – spracováva príkazy polohy naraz namiesto toho, aby čakal na každý postupne. To znamená, že stroje dokážu prepínať medzi reznými dráhami s neuveriteľnou presnosťou až na úrovni nanometra. Reálne výsledky to potvrdzujú: podľa správy Machining Dynamics z minulého roku sa v dielňach používajúcich tieto systémy znížil podiel neprijatých súčiastok spôsobených vibráciami počas vysokorýchlostného závitovania približne o 37 percent.

Interpolácia v reálnom čase cez všetky osi: umožňuje hladké a vysokokvalitné obrysové sústruženie na 4-osových CNC sústruhoch

Keď ide o sústruhy CNC so 4 osami, súradnicová interpolácia osí skutočne robí rozdiel, pretože vypočíta dráhu nástroja cez všetky osi pohonných motorov naraz. Starý spôsob segmentovanej interpolácie necháva medzi jednotlivými segmentmi malé prestávky, ktoré sa prejavujú ako tieto otravné stopy na zakrivených dieloch. Preto sú systémy EtherCAT revolúciou – majú cyklové časy pod 5 mikrosekúnd, ktoré neustále prepočítavajú polohu, rýchlosť a zrýchlenie. To umožňuje stroju vykonávať takzvanú pravú spline interpoláciu, pri ktorej sa všetky osi pohybujú hladko a súčasne bez akýchkoľvek skokov. Pri posuvných rýchlostiach nad 20 metrov za minútu tieto stroje udržiavajú smerovú konzistenciu až do 0,02 mikrometra. A je tu ešte jedna výhoda: výpočtový výkon umožňuje systému kompenzovať počas frézovania kontúr aj tepelné rozťažnosť, aj mechanický luft. Výsledkom je zlepšenie presnosti profilu približne o 80 % oproti tradičným systémom riadenia impulzmi.

Keď presnejšia synchronizácia nestačí: Prečo kvalita obrábania rozvodového hriadeľa závisí od koordinovanej predikčnej regulácie krútiaceho momentu – nie len od časovania

Dosiahnutie dokonalého časovania nestačí na zamedzenie deformácie výstupku pri obrábaní rozvodových hriadeľov, pretože tieto nerovnomerné rezné sily spôsobujú ohybové deformácie na základe krútiaceho momentu. Práve tu sa ukazujú užitočné viacoosové servopohony. Používajú niečo, čo sa nazýva koordinovaná predikcia krútiaceho momentu. V podstate tieto riadiče pohonov predvídajú, ako sa zmení zaťaženie, a upravujú výstupný prúd ešte predtým, než vzniknú akékoľvek problémy s polohou. Systém analyzuje napríklad spôsob, akým sa nástroj zapája do materiálu, a rýchlosť, akou sa materiál odstraňuje z rôznych uhlov. Potom po zaregistrovaní síl vysiela korekčné signály krútiaceho momentu približne 100 mikrosekúnd neskôr. Tým sa udržiava správna poloha všetkých komponentov aj v prípade, keď sa zaťaženie neustále mení. Podľa časopisu Journal of Advanced Manufacturing z minulého roka testy ukázali, že tento prístup zníži odchýlky profilu takmer o polovicu pri obrábaní kalených ocelejových čapov kľukových hriadeľov. Ak výrobcovia tento druh dynamického kompenzačného mechanizmu vynechajú, ani ich nádherná synchronizácia s presnosťou na nanosekundy nebude mať veľký význam, pretože povrchové problémy spôsobené vibračným rezaním (chatter) sa stále budú objavovať.

Vyššia výkonová hustota a dynamická odozva v architektúrach viacosiachových pohonných systémov

2,3-násobne vyšší výstup na jednotku objemu v porovnaní s diskrétnymi jednoosiakovými pohonnými systémami (podľa referenčných testovacích noriem IEC 61800-3)

Pri viacosiachových systémoch sa elektronika výkonových zariadení a chladenie integrujú do jedného kompaktného modulu namiesto toho, aby boli použité všetky tie dodatočné komponenty, ktoré sú typické pre samostatné jednoosiakové nastavenia. Podľa testovacích noriem, ako je napríklad IEC 61800-3, tieto integrované systémy môžu zvýšiť výkonovú hustotu približne o 2,5-násobok v rámci rovnakého objemu. Tento prístup veľmi prospeje aj pri modernizácii štvorosiachových CNC sústruhov. Rozmery potrebných rozvádzačov sa tak zmenšia približne o 60 % bez akéhokoľvek zníženia výkonu v oblasti krútiaceho momentu – čo je mimoriadne dôležité v prípadoch, keď je na výrobnej ploche obmedzené miesto. Ďalšou výhodou je koncept zdieľanej striedavovej zbernice (DC bus), ktorý zníži straty energie približne o 18 % v porovnaní s tradičnými nastaveniami s individuálnymi pohonnými systémami. Tento efekt sme pozorovali najmä počas dlhodobých obrábacích operácií, kde je účinnosť skutočne rozhodujúca.

o 40 % kratší čas ustálenia pri súradnicovej konturovacej obrábaní so štyrmi osami – umožnené optimalizáciou zdieľaného prúdového regulátora

Keď sú prúdové slučky synchronizované cez všetky osi, odstraňujú sa tým otravné komunikačné oneskorenia, ktoré trápia tradičné diskrétne systémy. Pri zložitých kontúrach, ako sú hyperbolické nástrojové dráhy, tento nastavenie umožňuje strojom dosiahnuť ustálenie o 40 percent rýchlejšie pri zachovaní presnostnej hranice len 0,01 mm. Systém funguje optimalizáciou reálneho časového krútiaceho momentu medzi jednotlivými osami. V podstate, keď jeden motor počas prevádzky vygeneruje nadbytok energie, táto energia sa okamžite prenáša na podporu susedných motorov, ktoré potrebujú ďalšie zrýchlenie. Čo to znamená pre skutočné obrábanie? Tieto dynamické prenosy energie skracujú dobu kmitania približne o 22 milisekúnd počas dokončovacieho obrábania, čo má zreteľný vplyv na hladkosť povrchov po rezaní.

Zjednodušená integrácia a zvýšenie produktivity vďaka technológii jedného kábla

Eliminácia cyklov zastavenia a spustenia: Kontinuálna regulácia pohybu prostredníctvom synchronizovanej predovzdávanej hodnoty krútiaceho momentu/polohy

Technológia jedného kábla, skrátene OCT, výrazne zjednodušuje veci tým, že do jediného kábla integruje nielen napájanie, ale aj prenos dát – namiesto viacerých káblov. Podľa testov sa takto zníži zložitosť káblovej inštalácie približne o 60 %. Avšak rozhodujúce je, ako systém funguje počas reálnej prevádzky. Systém dokáže súčasne prenášať informácie o krútiacom momente a polohe cez všetky osi, čo vylučuje neprijemné zastavenia a opätovné spustenia pri prechode medzi jednotlivými úsekmi dráhy nástroja. Stroje sa pohybujú neustále, čo znamená lepší kontakt s obrobkom a rovnomernejší rezný tlak po celú dobu obrábania. Výrobca skutočne dosiahol takmer polovičné zníženie času nastavovania po prechode na technológiu OCT v tesných priestoroch, kde by tradičná inštalácia trvala veľmi dlho.

zníženie času cyklu o 18 % pri vysokopresnom sústružení – overené na výrobných 4-osových CNC sústruhoch

Testy na výrobných linkách ukazujú, že keď sa technológia OCT integruje do viacoosových systémov, cyklové časy pri presných sústružníckych operáciách sa skrátia približne o 18 %. Prečo? Centrálna synchronizácia zníži oneskorenie signálov medzi jednotlivými pohonnými jednotkami, čo znamená, že komponenty lepšie spolupracujú pri spracovaní zložitých kontúr. Jeden z hlavných výrobcov tiež zaznamenal niečo veľmi pôsobivé: po prechode na jednokáblové nastavenie EtherCAT uviedol približne o 30 % menej porúch káblov. To dáva zmysel, pretože menší počet pripojovacích bodov prirodzene vedie k vyššej spoľahlivosti, čo je obzvlášť dôležité v prostrediach, kde stroje neustále vibrujú na vysokých úrovniach.