Wie unterstützen Servomotoren und Antriebe die Koordination mehrerer Achsen?

In der modernen industriellen Automatisierung stellt die Fähigkeit, mehrere Bewegungsachsen gleichzeitig zu koordinieren, eine der anspruchsvollsten Herausforderungen dar, mit denen Ingenieure konfrontiert sind. Ob es sich bei der Anwendung um einen sechsachsigen Roboterarm, ein CNC-Bearbeitungszentrum oder eine Hochgeschwindigkeitsverpackungsanlage handelt – die erforderliche Präzision und Synchronisation über jede einzelne Achse muss fehlerfrei sein. Im Kern dieser Fähigkeit stehen servomotoren und Antriebe servomotoren und Antriebe, die die geschlossene Regelung, Echtzeit-Reaktionsfähigkeit und Kommunikationsintelligenz bereitstellen, die notwendig sind, um die Koordination mehrerer Achsen nicht nur möglich, sondern auch zuverlässig und reproduzierbar im Produktionsmaßstab zu machen.

Um zu verstehen, wie Servomotoren und -antriebe die Koordination mehrerer Achsen unterstützen, muss man über die Leistung einzelner Achsen hinausblicken. Es geht darum, zu untersuchen, wie jeder Antrieb mit einer zentralen Steuerung kommuniziert, wie Positions- und Geschwindigkeitsrückmeldungen zwischen den Achsen synchronisiert werden und wie die Systemarchitektur eine präzise Interpolation zwischen Bewegungen ermöglicht. Dieser Artikel erläutert die zugrundeliegenden Mechanismen, Kommunikationsprotokolle und ingenieurtechnischen Prinzipien, die es Servomotoren und -antrieben ermöglichen, als ein einheitliches, koordiniertes Bewegungssystem – und nicht als Sammlung unabhängiger Aktuatoren – zu funktionieren.

Die Rolle der geschlossenen Regelung in Mehrachsen-Systemen

Warum Rückmeldung die Grundlage der Koordination ist

Die Mehrachs-Koordination hängt vollständig davon ab, dass jede Achse zu jedem Zeitpunkt genau weiß, wo sie sich befindet. Servomotoren und Antriebe erreichen dies durch eine geschlossene Regelung (Closed-Loop-Steuerung), bei der ein hochauflösender Encoder kontinuierlich die tatsächliche Position des Motors an den Antrieb zurückmeldet. Der Antrieb vergleicht diese Rückmeldung mit der vorgegebenen Sollposition und nimmt in Echtzeit Korrekturen vor, um jeglichen Fehler zu eliminieren. Ohne diese Rückkopplungsschleife würden selbst kleine Abweichungen einer Achse sich im gesamten System aufsummieren, was dazu führen würde, dass der koordinierte Bewegungsablauf driftet und das endgültige Ergebnis ungenau wird.

In einer Mehrachsen-Umgebung betreibt jeder Servoantrieb seine eigene geschlossene Regelung unabhängig, während er gleichzeitig synchronisierte Befehle von einer Mastersteuerung empfängt. Diese doppelte Aufgabe – lokale Korrektur und globale Synchronisation – macht Servomotoren und -antriebe besonders geeignet für koordinierte Bewegungen. Ein Schrittmotor hingegen arbeitet im offenen Regelkreis und kann seine tatsächliche Position nicht bestätigen, weshalb er für Anwendungen ungeeignet ist, bei denen Achsen mit einer Genauigkeit im Submillimeterbereich miteinander synchron laufen müssen.

Die Auflösung des Encoders spielt hier eine entscheidende Rolle. Hochauflösende Encoder, wie beispielsweise 23-Bit-Optoencoder, liefern über acht Millionen Impulse pro Umdrehung und geben dem Antrieb damit ein äußerst feingranulares Bild der Motorposition. Diese Feinheit ermöglicht es dem Antrieb, selbst kleinste Positionsabweichungen zu erkennen und zu korrigieren, bevor sie sich auf den koordinierten Bewegungsablauf auswirken – was unverzichtbar ist, wenn mehrere Achsen gemeinsam eine komplexe Trajektorie verfolgen müssen.

Geschwindigkeits- und Drehmomentregelschleifen zur Unterstützung der Positions­genauigkeit

Servomotoren und -antriebe arbeiten üblicherweise mit drei ineinander geschachtelten Regelkreisen: einem äußeren Positionsregelkreis, einem mittleren Geschwindigkeitsregelkreis und einem inneren Drehmomentregelkreis. Jeder Regelkreis wird mit einer anderen Aktualisierungsrate ausgeführt, wobei der Drehmomentregelkreis am schnellsten arbeitet – häufig bei mehreren zehn Kilohertz –, um sicherzustellen, dass der Motor unverzüglich auf Laständerungen reagiert. Aufgrund dieser kaskadierten Struktur kompensiert der Antrieb Störungen durch plötzliche Laständerungen an einer Achse innerhalb von Mikrosekunden, wodurch verhindert wird, dass diese Störung den koordinierten Bewegungsablauf beeinträchtigt.

Bei Mehrachs-Anwendungen ist diese schnelle Drehmomentreaktion insbesondere während Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen von besonderer Bedeutung, da Trägheitsunterschiede zwischen den Achsen dazu führen können, dass eine Achse hinter einer anderen zurückbleibt. Gut abgestimmte Servomotoren und -antriebe bewältigen diese Übergänge reibungslos, indem sie die Drehmomentausgabe dynamisch anpassen und alle Achsen selbst bei anspruchsvollsten Bewegungsprofilen exakt auf ihren vorgegebenen Trajektorien halten.

Kommunikationsprotokolle, die eine Echtzeitsynchronisation ermöglichen

EtherCAT und deterministische Netzwerkzeitsteuerung

Die Synchronisation mehrerer Servomotoren und Antriebe über eine Maschine hinweg hängt stark vom Kommunikationsprotokoll ab, das sie mit der Bewegungssteuerung verbindet. EtherCAT hat sich zu einem der am weitesten verbreiteten Protokolle für diesen Zweck entwickelt, da es deterministische, zykluszeitkonstante Kommunikation mit Aktualisierungsraten von bis zu 250 Mikrosekunden bietet. In einem Mehrachsen-System erhält jeder Antrieb innerhalb jedes Kommunikationszyklus genau im selben Moment sein Positions-Sollwertsignal, wodurch sichergestellt wird, dass alle Achsen ihre Bewegungsaktualisierungen gleichzeitig beginnen.

Diese Deterministik unterscheidet industrielle Feldbus-Protokolle von Standard-Ethernet. In einem herkömmlichen Netzwerk variieren die Paketzustellzeiten unvorhersehbar, wodurch verschiedene Achsen ihre Befehle leicht versetzt erhalten würden. Selbst eine Jitter-Streuung von nur wenigen Mikrosekunden zwischen den Achsen kann bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen zu sichtbaren Bahnfehlern führen. EtherCAT beseitigt dieses Problem durch die Verwendung einer Ringtopologie, bei der jeder Antrieb seine Daten beim Durchlaufen des Frames liest und schreibt, wobei der gesamte Zyklus in einem festen, reproduzierbaren Zeitfenster abgeschlossen wird.

Servomotoren und Antriebe, die für die EtherCAT-Integration konzipiert sind, umfassen Hardware-Synchronisationsfunktionen wie verteilte Uhren, die die internen Timer aller Antriebe im Netzwerk auf wenige Nanosekunden zueinander ausrichten. Diese Uhr-Synchronisation stellt sicher, dass alle Antriebe ihre Bewegungsaktualisierungen – selbst bei Latenz innerhalb des Kommunikationszyklus – zum exakt gleichen physikalischen Zeitpunkt ausführen und so während der gesamten Bewegungssequenz eine präzise Synchronisation zwischen den Achsen gewährleisten.

Weitere Feldbus-Optionen und deren Kompromisse

Während EtherCAT eine führende Wahl für leistungsstarke Mehrachs-Systeme ist, sind Servomotoren und -antriebe auch mit Unterstützung anderer industrieller Protokolle wie PROFINET, CANopen und MECHATROLINK erhältlich. Jedes Protokoll bietet unterschiedliche Kompromisse hinsichtlich Zykluszeit, Netzwerktopologie und Kompatibilität mit der Steuerung. CANopen beispielsweise ist in einfacheren Mehrachs-Anwendungen gut etabliert, bei denen Aktualisierungsraten im Bereich einiger Millisekunden akzeptabel sind, während PROFINET IRT deterministische Leistung bietet, die sich für Koordinationsaufgaben mittlerer Geschwindigkeit eignet.

Die Wahl des Protokolls beeinflusst nicht nur die Synchronisationsqualität, sondern auch die Komplexität der Systemarchitektur. Ingenieure, die Servomotoren und Antriebe für eine neue Mehrachsenmaschine auswählen, müssen die native Protokollunterstützung der Steuerung, die Anzahl der zu koordinierenden Achsen, die erforderliche Aktualisierungsrate sowie die im Betrieb verfügbare Kabelinfrastruktur berücksichtigen. Eine korrekte Auswahl bereits in der Entwurfsphase vermeidet kostspielige Nachrüstungen später und stellt sicher, dass das System bei zukünftiger Erweiterung um zusätzliche Achsen skalierbar bleibt.

Interpolationsmodi und koordinierte Bahnabarbeitung

Lineare und kreisförmige Interpolation über Achsen hinweg

Die Mehrachs-Koordination besteht nicht einfach darin, jede Achse unabhängig auf eine Zielposition zu bewegen. In den meisten praktischen Anwendungen müssen die Achsen gemeinsam entlang einer definierten Bahn – einer Geraden, einem Kreisbogen oder einer komplexen Spline-Kurve – bewegt werden, wobei das Verhältnis der Bewegung zwischen den Achsen während der gesamten Bewegung kontinuierlich variiert. Dies wird als Interpolation bezeichnet und stellt eine der zentralen Funktionen dar, die Servomotoren und -antriebe unterstützen müssen, um eine echte Mehrachs-Koordination zu ermöglichen.

Bei der linearen Interpolation berechnet die Bewegungssteuerung das erforderliche Geschwindigkeitsverhältnis zwischen den Achsen, sodass alle Achsen gleichzeitig die Zielposition erreichen und dabei eine gerade Linie im gemeinsamen Bewegungsraum beschreiben. Bei einem Zweiachssystem, das ein Werkzeug diagonal bewegt, bedeutet dies, dass die X- und Y-Achse in einem genau abgestimmten Verhältnis beschleunigen, fahren und verzögern müssen. Servomotoren und -antriebe führen dies aus, indem sie Positions-Befehle empfangen, die bereits die interpolierte Bahn enthalten, und ihre Positionsziele in jedem Kommunikationszyklus aktualisieren, um dem Pfad präzise zu folgen.

Die kreisförmige Interpolation erweitert dieses Konzept auf Kreisbögen und Kreise und erfordert, dass die Steuerung kontinuierlich die Geschwindigkeitskomponenten für jede Achse neu berechnet, während sich die Fahrtrichtung ändert. Je schneller die Bewegung erfolgt und je enger der Bogen ist, desto anspruchsvoller wird die Interpolation. Hochleistungsservomotoren und -antriebe mit schnellen Kommunikationszyklen und geringer Latenz sind unter diesen Bedingungen unverzichtbar, um die Pfadgenauigkeit zu gewährleisten – insbesondere bei Anwendungen wie Laserschneiden oder Präzisionsschleifen, bei denen die Konturgenaugkeit unmittelbar die Produktqualität beeinflusst.

Elektronisches Getriebe und Kurvenprofile

Über die interpolierte Bahnverfolgung hinaus unterstützen Servomotoren und -antriebe die Mehrachs-Koordination mittels elektronischer Getriebe- und elektronischer Kurvengetriebe-Funktionen. Elektronische Getriebe ermöglichen es einer Achse, einer anderen Achse in einem definierten Verhältnis zu folgen und ersetzen dadurch effektiv ein mechanisches Getriebe durch eine softwarebasierte Beziehung. Diese Funktion wird häufig in Druck-, Konvertier- und Wickelanwendungen eingesetzt, bei denen eine Folgeachse einer Masterachse mit einem präzisen Geschwindigkeitsverhältnis folgen muss, das während des Betriebs – ohne Maschinenstillstand – dynamisch angepasst werden kann.

Elektronische Kurvenprofile gehen hier einen Schritt weiter, indem sie eine nichtlineare Beziehung zwischen der Position einer Masterachse und der Position einer Folgeachse definieren, die als Nachschlagetabelle oder mathematische Funktion innerhalb des Antriebs oder Controllers gespeichert ist. Während sich die Masterachse bewegt, führt die Folgeachse ein komplexes Bewegungsprofil aus, das mit einer mechanischen Kurvenscheibe nicht realisierbar wäre. Servomotoren und Antriebe mit ausreichender Rechenleistung und Speicherkapazität können diese Kurvenprofile in voller Geschwindigkeit ausführen, während sie gleichzeitig ihre eigene geschlossene Regelung der Positionsregelung aufrechterhalten – was hochflexible Maschinendesigns ermöglicht, die allein über Software umkonfiguriert werden können.

Systemarchitekturelle Überlegungen für Mehrachsenmaschinen

Zentralisierte versus dezentrale Steuerungsarchitekturen

Die Art und Weise, wie Servomotoren und Antriebe innerhalb der Steuerungsarchitektur einer Maschine organisiert sind, hat einen erheblichen Einfluss darauf, wie gut eine Mehrachs-Koordinierung erreicht werden kann. Bei einer zentralisierten Architektur übernimmt ein einziger Bewegungsregler sämtliche Interpolationsberechnungen und sendet Positions-Befehle an jeden Antrieb über ein Feldbus-Netzwerk. Dieser Ansatz gewährleistet dem Regler eine vollständige Übersicht über alle Achsen und erleichtert die Implementierung komplexer koordinierter Bewegungsprofile; gleichzeitig stellt er jedoch hohe Anforderungen an die Rechenleistung des Reglers und an die Übertragungsgeschwindigkeit des Netzwerks.

Bei einer verteilten Architektur wird mehr Intelligenz in die einzelnen Servomotoren und -antriebe selbst verlagert. Jeder Antrieb kann sein eigenes Interpolationssegment verarbeiten oder ein vorab geladenes Bewegungsprogramm ausführen, wobei der zentrale Controller lediglich hochrangige Koordinationssignale bereitstellt. Dadurch verringert sich die erforderliche Kommunikationsbandbreite, und die Fehlertoleranz kann verbessert werden, da ein Ausfall eines einzelnen Antriebs nicht zwangsläufig das gesamte System zum Stillstand bringt. Moderne Servomotoren und -antriebe unterstützen zunehmend beide Architekturen, sodass Maschinenbauer die Flexibilität erhalten, den Ansatz zu wählen, der am besten zu ihren Anwendungsanforderungen passt.

Abstimmung und Inbetriebnahme für koordinierte Leistung

Selbst die leistungsfähigsten Servomotoren und Antriebe liefern keine gute Mehrachsen-Koordination, wenn sie nicht ordnungsgemäß abgestimmt sind. Jede Achse weist eigene mechanische Eigenschaften auf – Trägheitsmoment, Reibung, Nachgiebigkeit und Resonanzfrequenzen –, die bei der Einstellung der Regelkreisparameter des Antriebs berücksichtigt werden müssen. Wird eine Achse zu aggressiv und eine andere zu konservativ abgestimmt, reagieren die Achsen unterschiedlich auf dasselbe Sollwertprofil, was zu Bahnfehlern sowie potenzieller mechanischer Belastung an den Gelenken oder Kupplungen zwischen den Achsen führen kann.

Moderne Servomotoren und -antriebe verfügen über Automatisierungsfunktionen zur Selbstabstimmung, die die mechanische Last messen und automatisch die ersten Regelkreisparameter berechnen. Diese Selbstabstimmungsroutinen verkürzen die Inbetriebnahmezeit bei Mehrachsenmaschinen erheblich; anschließend erfolgt jedoch in der Regel eine manuelle Feinabstimmung, um die Leistung für die spezifischen Bewegungsprofile zu optimieren, die die Maschine ausführen wird. Ingenieure sollten die Genauigkeit koordinierter Bahnen stets unter realen Produktionsbedingungen – und nicht nur bei statischen oder Langsamlauf-Tests – überprüfen, da dynamische Effekte erst bei voller Betriebsgeschwindigkeit sichtbar werden.

In Servomotoren und -antrieben integrierte Schwingungsdämpfungsfilter sind ein weiteres wichtiges Abstimmungswerkzeug für Mehrachsen-Systeme. Mechanische Resonanzen in der Maschinenstruktur können dazu führen, dass eine Achse schwingt, wodurch benachbarte Achsen über gemeinsame strukturelle Komponenten gestört werden. Tiefpassfilter und Notch-Filter innerhalb des Antriebs können diese Resonanzen unterdrücken, ohne die Bandbreite der Positionsregelschleife signifikant zu verringern; dadurch kann das System sowohl hohe Steifigkeit als auch eine gleichmäßige, koordinierte Bewegung erreichen.

Häufig gestellte Fragen

Was macht Servomotoren und -antriebe im Vergleich zu Schrittmotoren für die Koordination mehrerer Achsen besser?

Servomotoren und -antriebe verwenden eine geschlossene Regelung mit Rückkopplung, um kontinuierlich Position zu überprüfen und ggf. zu korrigieren – dies ist entscheidend, wenn mehrere Achsen exakt synchron zueinander gefahren werden müssen. Schrittmotoren arbeiten im offenen Regelkreis und können ihre tatsächliche Position nicht bestätigen, wodurch sie unter Last dazu neigen, Schritte zu verlieren. Bei Mehrachs-Anwendungen kann bereits ein einziger verpasster Schritt auf einer Achse dazu führen, dass der gesamte koordinierte Bewegungsablauf von der Sollbahn abweicht; daher sind Servomotoren und -antriebe die Standardwahl für anspruchsvolle Koordinationsaufgaben.

Wie verbessert EtherCAT die Synchronisation bei Mehrachs-Anwendungen im Vergleich zu älteren Protokollen?

EtherCAT bietet deterministische Kommunikation mit Zykluszeiten von bis zu 250 Mikrosekunden sowie eine verteilte Taktsynchronisation mit einer Genauigkeit im Nanosekundenbereich. Dadurch erhalten alle Servomotoren und Antriebe im Netzwerk ihre Positions-Befehle und führen ihre Bewegungsaktualisierungen exakt zum gleichen Zeitpunkt aus, wodurch die Zeitjitter-Effekte eliminiert werden, die ältere Protokolle verursachen. Das Ergebnis ist eine präzisere Synchronisation zwischen den Achsen und eine verbesserte Bahn-Genauigkeit – insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten, wo bereits geringfügige Zeitunterschiede sichtbare Konturfehler erzeugen.

Können Servomotoren und Antriebe in einem Mehrachsen-System sowohl Positions- als auch Drehmomentregelung übernehmen?

Ja. Servomotoren und -antriebe unterstützen in der Regel mehrere Steuerungsmodi – Position, Geschwindigkeit und Drehmoment – und können dynamisch zwischen diesen Modi wechseln, basierend auf Befehlen des Motion-Controllers. In Mehrachsen-Systemen können einige Achsen im Positionsmodus betrieben werden, während andere im Drehmomentmodus arbeiten, je nach Anwendungsfall. Beispielsweise arbeitet bei einer Zugkraftregelungsanwendung eine Aufwickelachse im Drehmomentmodus, während eine Zuführachse im Positionsmodus arbeitet; die Servomotoren und -antriebe koordinieren dabei ihre Ausgänge, um während des gesamten Prozesses eine konstante Materialspannung aufrechtzuerhalten.

Wie viele Achsen können Servomotoren und -antriebe gleichzeitig koordinieren?

Die Anzahl der Achsen, die Servomotoren und Antriebe gleichzeitig koordinieren können, hängt von der Verarbeitungskapazität des Motion-Controllers und der Bandbreite des Kommunikationsnetzwerks ab. Moderne EtherCAT-basierte Systeme koordinieren routinemäßig 16, 32 oder sogar noch mehr Achsen in einem einzigen synchronisierten Netzwerk, wobei alle Achsen innerhalb desselben Kommunikationszyklus Befehle erhalten. Die praktische Grenze wird üblicherweise durch die Komplexität der Bewegungsprofile und die Interpolationsfähigkeit des Controllers bestimmt – nicht durch die Servomotoren und Antriebe selbst, die für eine Skalierung mit der Systemarchitektur ausgelegt sind.