Hochfunktional und durch Siliziumkarbid besonders energieeffizient

Das Multiachs-Servosystem AX8000 von Beckhoff zeichnet sich durch seine hohe Funktionalität aus und wurde zudem um ein Achsmodul mit Siliziumkarbid (SiC)-Halbleitern anstelle der herkömmlichen IGBTs erweitert. Solche SiC-Halbleiter setzen neue Maßstäbe hinsichtlich Schaltspannung und -geschwindigkeit, Schaltverluste sowie Baugröße. Die Vorteile für den AX8000 liegen klar 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. Im Umkehrschluss bedeutet dies 55 % mehr Leistung bei gleicher Baugröße der Achsscheibe.

Das Multiachs-Servosystem 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 bzw. 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 z. B. für Spritzgieß- oder Blasform-Maschinen. Auf dem DC-Bus stehen weitere 20 kW z. B. für die X-, Y-, Z, A- und B-Achsen zur Verfügung. Das Schnellverbindungssystem AX-Bridge vereinfacht die Montage im Schaltschrank zu einem einfachen, werkzeuglosen 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

Bereits 2011 hat Beckhoff die Einkabeltechnik in der Antriebstechnik zur Marktreife entwickelt. Heute werden über 90 % aller Beckhoff-Motoren mit dieser One Cable Technology (OCT) ausgeliefert. Selbst Safe Motion, also die sichere Antriebstechnik, ist über OCT mit nur einem Kabel realisierbar. In den Motoren ist wahlweise ein Hiperface-DSL- oder EnDat-3-Safety-Encoder eingebaut, mit dem Safety-Funktionalität bis SIL 3 oder PL e möglich ist. Die Encoder bieten Auflösungen bis zu 24 Bit, sodass sich hohe Genauigkeit, guter Gleichlauf und hohe Dynamik erreichen lassen. Die Encoder stehen wahlweise als Singleturn oder Multiturn ohne Batteriepufferung zur Verfügung – und ohne Gefahr des Verlusts der Referenzposition.

Das Multiachs-Servosystem AX8000 ist wahlweise mit TwinSAFE STO/SS1 oder mit TwinSAFE Safe Motion verfügbar. Bei beiden Optionen ist die TwinSAFE Logic zur Kommunikation und Modularisierung der Sicherheitsapplikation direkt integriert. Die Funktionalität kann dabei entweder über eine sichere FSoE-Kommunikation, 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

Beckhoff Komponenten, welche die eXtreme Fast Control Technology (XFC) bieten, erfüllen folgende Anforderungen:

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

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, wie z.B. 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.

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 Energieverbrauch pro produziertem Bauteil kann mit TwinCAT Analytics regelmäßig in Reports dokumentiert und mithilfe einer Langzeitspeicherung bei Bedarf sogar über Jahre hinweg verglichen werden.

Servomotoren Made in Germany

Die Herstellung der hochdynamischen und qualitativ hochwertigen Servomotoren von Beckhoff begann im Jahr 2011 mit der Baureihe AM8000 und der innovativen One Cable Technology. In den folgenden Jahren sind daraus zahlreiche ergänzende Motorvarianten entstanden: mit erhöhtem Rotorträgheitsmoment, mit leistungssteigernder aktiver Fremdkühlung, mit eloxiertem Gehäuse, mit Edelstahlgehäuse für anspruchsvolle Umgebungsbedingungen sowie Linearaktuatoren und eisenbehaftete Linearmotoren. Motoren mit integriertem Servoverstärker für Niederspannung (24 oder 48 V DC) und Hochvolttechnologie. Die Motorbaureihe AM8000 deckt den kompletten Spannungsbereich von 24 bis 480 V ab.