Заміна одновісних сервоприводів на багатовісні сервоприводи EtherCAT: це не лише економія простору, а й такі прориви в продуктивності

Ультраточна синхронізація для керування рухом 4-вісного токарного верстата з ЧПУ

Джиттер менше мікронаносекунди та вирівнювання за розподіленим годинниковим сигналом у багатовісних системах EtherCAT

Сервоприводи EtherCAT для багатоосьових систем забезпечують високий рівень синхронізації завдяки технології розподілених годинників, яка узгоджує всі компоненти з єдиним головним годинником із надзвичайно малим джиттером — менше одного мікросекунди. Така конфігурація запобігає накопиченню неприємних часових помилок між окремими осями, що має критичне значення під час обробки складних контурів. Відхилення всього на 5 мікросекунд може погіршити якість поверхні виготовлених деталей. Традиційні імпульсні системи просто не здатні досягти такого рівня синхронізації, як це робить EtherCAT за допомогою апаратних міток часу. Останні забезпечують точність синхронізації близько ±50 наносекунд незалежно від кількості задіяних осей, що гарантує ідеальну узгодженість інструментів під час високошвидкісного фрезерування. Уся система також працює інакше: вона обробляє команди на позиціонування одночасно, а не по черзі, очікуючи завершення кожної попередньої. Це дозволяє верстатам перемикатися між траєкторіями різання з надзвичайною точністю — до нанометра. Практичні результати підтверджують це: згідно зі звітом Machining Dynamics минулого року, підприємства, що використовують такі системи, спостерігають приблизно на 37 % зниження кількості бракованих деталей, спричинених вібраціями під час високошвидкісного нарізання різьби.

Інтерполяція в реальному часі за всіма осями: забезпечує плавне контурне фрезерування з високою точністю на 4-вісних токарних верстатах з ЧПК

Коли йдеться про токарні верстати з ЧПУ з 4 осями, координована інтерполяція осей справді має вирішальне значення, оскільки вона одночасно розраховує траєкторії руху інструменту по всіх моторних осях. Старий підхід із сегментованою інтерполяцією залишає незначні паузи між окремими сегментами, що проявляється у вигляді тих неприємних слідів на криволінійних деталях. Саме тому системи EtherCAT є революційним рішенням: їхні циклові часи становлять менше 5 мікросекунд, що забезпечує постійне перерахування положення, швидкості та прискорення. Це дозволяє верстату виконувати так звану справжню сплайн-інтерполяцію, при якій усі осі рухаються плавно й узгоджено, без будь-яких стрибків. При подачах понад 20 метрів на хвилину ці верстати зберігають стабільність напрямку руху з точністю до 0,02 мікрометра. І є ще одна перевага: обчислювальна потужність дозволяє системі компенсувати як теплове розширення, так і механічний люфт під час фрезерування контурів. У результаті точність профілю покращується приблизно на 80 % порівняно з традиційними системами керування за імпульсами.

Коли більш точна синхронізація недостатня: чому якість обробки розподільного валу залежить від узгодженого заздалегідь керування крутним моментом, а не лише від точності тактування

Досягнення ідеального синхронізації — цього недостатньо, щоб запобігти спотворенню кулачків під час обробки розподільних валів, оскільки нерівномірні сили різання викликають деформації, зумовлені крутним моментом. Саме тут на допомогу приходять багатовісні сервоприводи. Вони використовують так зване координоване передавання крутного моменту за принципом «заздалегідь». По суті, ці контролери приводів «зазирають наперед», щоб визначити, наскільки зміниться навантаження, і коригують вихідний струм до того, як виникнуть будь-які проблеми з позиціонуванням. Система аналізує такі параметри, як характер зачеплення інструменту з матеріалом та швидкість видалення матеріалу з різних кутів. Після виявлення сил система відправляє коригувальні сигнали крутного моменту приблизно через 100 мікросекунд. Це забезпечує точне позиціонування всіх елементів навіть за умов постійно змінного навантаження. Згідно з даними, опублікованими минулого року в журналі «Journal of Advanced Manufacturing», випробування показали, що цей підхід зменшує відхилення профілю майже вдвічі для шийок жорстких сталевих колінчастих валів. Якщо виробники не застосовують таку динамічну компенсацію, усі їхні складні системи синхронізації з точністю до наносекунд усе одно не матимуть особливого значення, оскільки поверхневі дефекти, спричинені вібраціями («чаттером»), все одно виникатимуть.

Підвищена потужність на одиницю об’єму та динамічна реакція в багатовісних системах керування

на 2,3× більша вихідна потужність на одиницю об’єму порівняно з дискретними одновісними приводами (згідно зі стандартом IEC 61800-3)

При розгляді багатовісних систем вони інтегрують силову електроніку та систему охолодження в один компактний модуль замість того, щоб використовувати всі додаткові компоненти, необхідні для окремих одновісних систем. Згідно з тестувальними стандартами, такими як IEC 61800-3, ці інтегровані системи можуть збільшити щільність потужності приблизно в 2,5 раза в межах того самого об’єму. Цей підхід також значно покращує модернізацію чотиривісних ЧПК-токарних верстатів: розміри шаф зменшуються приблизно на 60 % без будь-якої втрати крутяного моменту — що має велике значення, коли обмежено площа виробничого цеху. Ще одне перевага — спільна постійна шина живлення, яка знижує втрати енергії приблизно на 18 % порівняно з традиційними системами з окремими приводами. Ми спостерігали ефективну роботу цього рішення під час тривалих процесів механічної обробки, де ефективність має особливе значення.

на 40 % швидший час затухання при координованому контурному обробленні з чотирма осями — завдяки оптимізації спільного струмового контуру

Коли струмові контури синхронізуються по всіх осях, це усуває ті неприємні затримки у зв’язку, які характерні для традиційних дискретних систем. Для складних контурів, наприклад гіперболічних траєкторій інструменту, така конфігурація дозволяє верстатам досягати стану сталого режиму на 40 % швидше, зберігаючи при цьому точність на рівні всього 0,01 мм. Система працює за рахунок оптимізації взаємодії моментів круття між різними осями в реальному часі. Простими словами: коли один двигун генерує надлишкову енергію під час роботи, ця енергія одразу ж спрямовується на підтримку сусідніх двигунів, яким потрібне додаткове прискорення. Що це означає на практиці? Такі динамічні перетворення енергії скорочують тривалість коливань при остаточній обробці приблизно на 22 мс, що помітно впливає на гладкість поверхонь після різання.

Спрощена інтеграція та підвищення продуктивності завдяки технології «один кабель»

Усунення циклів «стоп-і-йди»: безперервне керування рухом за допомогою синхронізованого зовнішнього завдання крутного моменту/положення

Технологія «один кабель» (OCT) значно спрощує процес, об’єднуючи живлення та передачу даних у єдиному кабелі замість кількох окремих. Згідно з тестами, це скорочує обсяг складного кабельного монтажу приблизно на 60 %. Проте справжнє значення технології проявляється під час реального використання. Система забезпечує одночасну передачу інформації про крутний момент і положення по всіх осях, тому під час переміщення між різними ділянками траєкторії інструменту не виникає неприємних зупинок і стартів. Верстати працюють у постійному русі, що забезпечує кращий контакт з заготовкою та більш стабільний тиск різання протягом усього процесу. Один із виробників фактично скоротив час наладки майже вдвічі після переходу на OCT у стиснених просторах, де традиційна установка займає надто багато часу.

зменшення тривалості циклу на 18 % при високоточному точінні — підтверджено на виробничих 4-вісних ЧПК-токарних верстатах

Тести на виробничих лініях показують, що при інтеграції технології OCT у багатовісні системи циклові часи для операцій точного токарного оброблення скорочуються приблизно на 18 %. Чому? Централізована синхронізація зменшує затримку сигналів між різними приводами, що означає, що компоненти працюють набагато ефективніше під час обробки складних контурів. Один із провідних виробників також зафіксував досить вражаючі результати: після переходу на одно-кабельну конфігурацію EtherCAT кількість відмов кабелів зменшилася приблизно на 30 %. Це цілком логічно, адже менша кількість точок підключення природним чином забезпечує більш надійну роботу, особливо важливо в умовах, де обладнання постійно піддається високорівневим вібраціям.