Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter (SiC) setzen neue Maßstäbe hinsichtlich Schaltspannung und -geschwindigkeit, Schaltverluste sowie Baugröße. Die Vorteile für das Multiachs-Servosystem liegen auf der Hand: Durch die geringere Verlustleistung kann nun für 28 A Nennstrom das gleiche Gehäuse wie für das 18-A-IGBT-Gerät verwendet werden. Das AX8000 deckt einen Leistungsbereich von 0,5 bis 20 kW Motorleistung ab. Die kombinierten Einspeise- und Achsmodule mit 40 kW Einspeiseleistung haben je einen Wechselrichter mit 12,5 beziehungsweise 20 kW direkt im Gehäuse integriert. Damit lassen sich sowohl Hochfrequenz-Spindelantriebe für CNC-Maschinen mit bis zu 72.000 min-1 Drehzahl betreiben als auch große Motoren beispielsweise für Spritzgieß- oder Blasform-Maschinen. Auf dem DC-Bus stehen weitere 20 kW zum Beispiel für die X-, Y-, Z, A- und B-Achsen zur Verfügung. Das Schnellverbindungssystem AX-Bridge vereinfacht die Montage im Schaltschrank durch ein einfaches, werkzeugloses Zusammenstecken. Dennoch lässt sich später jedes einzelne Modul aus dem Verbund entnehmen, ohne die anderen Geräte zu verschieben oder zu demontieren.

One Cable Technology und sichere Antriebstechnik

Screenshot des intuitiven Inbetriebnahmetools ‚Twincat 3 Drive Manager‘. © Beckhoff

Das Multiachs-Servosystem AX8000 ist wahlweise mit ‚Twinsafe STO/SS1‘ oder mit ‚Twinsafe Safe Motion‘ verfügbar. Bei beiden Optionen ist die ‚Twi-Safe Logic‘ zur Kommunikation und Modularisierung der Sicherheitsapplikation direkt integriert. Die Funktionalität kann dabei entweder über eine sichere FSoE-Kommunikation (FailSafe over Ethercat), mit direkter Verdrahtung oder mithilfe der integrierten ‚Twinsafe Logic‘ lokal im Servoverstärker realisiert werden. Somit ist die Grundlage für eine flexible Realisierung der sicheren Antriebsfunktionen gegeben. Insgesamt stehen 17 verschiedene Funktionen zur Verfügung – bei Nutzung eines Motors mit zugelassenem Safety-Encoder.

Servosystem mit XFC-Funktionalität

Komponenten, welche die ‚Extreme Fast Control Technology‘, kurz XFC, bieten, erfüllen folgende Anforderungen:

• Ethercat-Zykluszeit ≤10 µs,
• Unterstützung der ‚Distributed Clocks‘ von Ethercat,
• äußerst schnelle digitale Eingänge,
• Integration der Oversampling-Technologie.

Mit einer minimalen Ethercat-Zykluszeit von 62,5 µs zählt das Multiachs-Servosystem AX8000 zu den schnellsten Busteilnehmern am Markt. Dies genügt auch für Anwendungen mit hohen Leistungsanforderungen, bei der sich die Sollwerte äußerst schnell verändern. Durch die Distributed Clocks erfolgt die Synchronisierung aller Achsen im Nanosekunden-Bereich. Jedes Achsmodul beziehungsweise jede Achse verfügt über zwei sehr schnelle digitale Eingänge, deren Signale automatisch mit der aktuellen Position und einem Zeitstempel versehen werden. Mit dem Oversampling können sogar bei langsameren Buszyklen Sollwerte exakt und hochdynamisch im Stromreglerzyklus übertragen werden.

Software für Konfiguration, Inbetriebnahme und Instandhaltung

Um für eine konkrete Applikation aus den vielfältigen möglichen Varianten an Motoren, Getrieben, Leitungen und Servoverstärkern die optimale Kombination zu ermitteln, bietet sich der ‚Twincat 3 Motion Designer‘ an: Grundlage für eine optimale Komponentenwahl ist die Angabe der zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung. Aus einer Reihe vordefinierter Lastfälle kann dann die entsprechende Mechanik gewählt und das gewünschte Bewegungsprofil zur Berechnung herangezogen werden. Als Resultat schlägt der Motion Designer passende Getriebe, Motoren und Servoverstärker vor. Hinzu kommen die passenden Anschlussleitungen sowie geeignetes Zubehör, zum Beispiel Bremswiderstand, Rückspeisemodul oder Netzdrossel, und schon erhält man die Stückliste für die komplette Antriebstechnik – und zwar nicht nur für eine Achse, sondern für die gesamte Maschine. Selbst die voraussichtliche Verlustleistung aller Komponenten wird ermittelt, sodass daraus abgeleitet einfach die Schaltschrank-Klimatisierung dimensioniert werden kann.

Der ‚Twincat 3 Drive Manager 2‘ ist ein intuitives Inbetriebnahmetool: Diese Software unterstützt und führt den Anwender bei der Konfiguration und Inbetriebnahme der Servoachsen. Der Drive Manager scannt das Ethercat-Netzwerk nach allen angeschlossenen Servoverstärkern und Motoren, legt automatisch abhängig von der Versorgungsspannung die richtigen Parameter fest, liest die elektronischen Typenschilder der Motoren aus. Weiterhin wird die Cogging-Kompensation aktiviert und ein grafisches Charting auf Basis von ‚Twincat Scope‘ zur Verfügung gestellt, um die Motorbewegung beobachten und tunen zu können. Als neue Funktion ist zusätzlich ein Autotuning integriert, das basierend auf einem Bode-Diagramms schnell und automatisch die Regelungsparameter und erforderliche Filter einstellt.

Der Autor: Christian Mische ist Senior Produktmanager Antriebstechnik bei Beckhoff Automation. © Beckhoff

Beim Maschinenbetrieb entstehen immer Reibung sowie Verschleiß, der nach einer gewissen Zeit auch erste Einflüsse auf die Regelung bewirkt: Unbemerkt steigt der Stromverbrauch oder der Schleppfehler vergrößert sich. Um diese Einflüsse sichtbar zu machen, eignet sich die Software ‚Twincat Analytics‘. Denn die Servoverstärker stellen eine Vielzahl von Messgrößen zur Verfügung, die mit Twincat Analytics aufgezeichnet und verarbeitet werden können. Dazu zählen Temperatur, Strom, Spannung, Drehmoment oder Bremsleistung, die sich im Millisekunden-Raster analysieren lassen. Es können Hüllkurven um die Kennlinien gelegt sowie bei deren Verletzung Warnungen und Alarme ausgegeben werden. Selbst der Energiebedarf pro produziertem Bauteil kann mit der Software regelmäßig in Reports dokumentiert und mithilfe einer Langzeitspeicherung bei Bedarf sogar über Jahre hinweg verglichen werden.