Przetworniki położenia i silniki krokowe

Prezentowany raport należy do serii publikacji pojawiających się regularnie na łamach APA. Opracowania poświęcone przetwornikom położenia i silnikom krokowym publikujemy typowo co dwa lata, trafiają one również do serwisu www.automatykaB2B.pl. Jako że w dotychczasowych raportach oraz w różnych artykułach technicznych omawialiśmy już budowę i zasady działania tytułowych komponentów, w bieżącym opracowaniu skupiamy się na przedstawieniu samego rynku, jego uczestników oraz trendów kształtujących branżę.

Skutki pandemii widoczne w łańcuchach dostaw

Rozpocznijmy od retrospekcji i spojrzenia na zmiany od czasu publikacji poprzedniego raportu. Miało to miejsce w połowie 2020 roku, a więc w początkowych miesiącach pandemii koronawirusa, gdy większość branż doświadczała problemów związanych z wstrzymywaniem oraz opóźnieniem inwestycji. Wydarzenia te wpływały pośrednio również na omawiane w raporcie sektory przemysłu, aczkolwiek był to raczej wpływ niewielki. Nawet jeżeli wiosną 2020 zmiany były negatywne, to zdaniem większości respondentów później zostały one zrekompensowane wzrostami przychodów w kolejnych okresach. "Początkowo występowały spadki, bo ludzie nie wiedzieli, czego się spodziewać. Ostatecznie jednak stawianie na automatyzację spowodowało tendencję wzrostową", "na początku pandemii wartość obrotów spadła, ale widzimy mocny trend wzrostowy" – komentowali ankietowani przez nas dostawcy. Obecnie oceny koniunktury na rynku są bardzo pozytywne, co w postaci statystyk dla całej dekady przedstawiamy na rysunku 1 (przetworniki położenia) i 2 (silniki krokowe).

Rys. 1. Zmiany ocen koniunktury w branży dystrybucji przetworników położenia

Rys. 2. Zmiany ocen koniunktury w branży dystrybucji silników skokowych

Tym, co z dzisiejszej perspektywy jest dla dostawców ważniejsze, są braki komponentów i surowców, które wpływają na podaż i dostępność oferowanych produktów. "Cały czas jest odczuwalny problem z dostępnością podzespołów elektronicznych, co rzutuje na terminy realizacji oraz ceny tych produktów. Wzrosty sprzedaży odnotowuje ta firma, która ma towar i może go szybko dostarczyć" – stwierdza jeden z respondentów. Na zagadnienia te, w tym tendencję do tworzenia magazynów części, zwracają również uwagę inni dostawcy. "Problemy z dostawami, wydłużony czas oczekiwania na produkty", "dostępność produktu ma kluczowe znaczenie, cena schodzi na drugi plan", "nadal brak komponentów" – to kolejne komentarze. Podobne problemy daje się odczuć na obydwu rynkach, przy czym w branży silników dochodzą problemy związane z dostępnością i cenami zakupu metali ziem rzadkich. Można sądzić, zarówno po komentarzach dostawców, jak też po opiniach różnorodnych dystrybutorów katalogowych zbieranych przez redakcję, że omawiana sytuacja potrwa przynajmniej do końca tego roku, a prawdopodobnie nawet dłużej.

Zastosowania przetworników i silników

Aplikacje omawianych w tym miesiącu podzespołów są różnorodne, aczkolwiek, co do zasady, większość z nich stosowana jest w maszynach, urządzeniach oraz różnego rodzaju systemach zautomatyzowanych. Statystykę z tym powiązaną przedstawiono na rysunku 3 i widać tu liczne podobieństwa w porównaniu z rezultatami analogicznych badań z poprzednich lat. Enkodery, rewolwery, inklinometry i inne przetworniki położenia używane są jako elementy pomiarowe służące do pomiarów kąta oraz odległości, liczby obrotów czy prędkości obrotowej. Z kolei silniki krokowe (skokowe) używane są tam, gdzie istnieje konieczność wykonywania precyzyjnych ruchów obrotowych lub liniowych.

Rys. 3. Najpopularniejsze zastosowania przetworników położenia i silników skokowych

Warto zauważyć, że o ile obszarami zastosowań przetworników położenia są przede wszystkim aplikacje profesjonalne (np. w windach, maszynach obróbczych, pakujących, robotach, itd.), o tyle zakres aplikacyjny silników często wykracza poza typowy przemysł. Podzespoły te wykorzystywane są m.in. w automatyce budynkowej, w elektronice konsumenckiej, urządzeniach biurowych, samochodach i wielu innych zastosowaniach.

Jeżeli chodzi o przyszłość i najbardziej perspektywiczne obszary rynku, dostawcy branżowi wskazywali tu przede wszystkim przemysł maszynowy i szeroko rozumianą automatykę. W dalszej kolejności pojawiały się m.in.: automatyka budynkowa, sektor wojskowy, przemysł spożywczy, zastosowania windowe oraz związane z motoryzacją, maszynami pakującymi i urządzeniami medycznymi. Odpowiednie zestawienie prezentujemy na rysunku 4.

Rys. 4. Najbardziej perspektywiczne zastosowania przetworników położenia

Przetworniki przemieszczenia – nowości

Do grupy przetworników przemieszczenia zaliczają się elementy liniowe oraz przetworniki obrotowe, czyli głównie enkodery. Występują one w wersjach inkrementalnych, które służą do pomiarów przemieszczeń / prędkości kątowej oraz kierunku ruchu, a także absolutnych, umożliwiających określanie bieżącej pozycji osi. Dalszy podział przebiega względem wersji jedno- i wieloobrotowych oraz budowy enkoderów. Najwięcej ze stosowanych dzisiaj przetworników to wersje optyczne, w przypadku których pomiar bazuje na zliczaniu kresek lub odczycie kodów z obracającej się wewnątrz tarczy. Inną, popularyzującą się w ostatnich latach grupę tworzą enkodery magnetyczne. Warto też dodać, że na rynku dostępna jest bardzo szeroka gama przetworników, również jeżeli chodzi o wersje nietypowe i wykonania specjalne. Większość dostawców proponuje wraz z nimi również inne elementy, które umożliwiają tworzenie systemów pomiarowych.

Jakie są, zdaniem respondentów redakcyjnej ankiety, zmiany i trendy technologiczne w odniesieniu do przetworników położenia? Takimi są przede wszystkim (kolejność zgodna z liczbą wskazań):

Dalsze zwiększanie możliwości komunikacyjnych – przetworniki dostępne są z interfejsami umożliwiającymi ich podłączanie do sieci komunikacyjnych i zdalną parametryzację; respondenci w szczególności wskazywali tu standard IO-Link;
Rozwój w zakresie bezpieczeństwa funkcjonalnego, w tym w połączeniu z możliwościami komunikacyjnymi (np. sieci Profisafe);
Możliwości łatwego programowania – zapewniają uniwersalność, skalowalność i łatwość dopasowania do aplikacji;
Dalsza miniaturyzacja, zwiększanie rozdzielczości i precyzji działania;
Dalszy rozwój technologii enkoderów absolutnych.

Arkadiusz Sulenta

Elmark Automatyka

Gdzie stosowane są silniki krokowe? Jakie ich aplikacje są u nas popularne?

Silniki krokowe, ze względu na dokładne pozycjonowanie i prostotę sterowania, są głównie w kręgu zainteresowania producentów maszyn. Takimi są przede wszystkim maszyny pakujące, etykietujące, wycinarki laserowe czy plotery frezujące – w tych przykładach szczególnie docenia się wysoką dynamikę i łatwość synchronizacji ruchu.

Rozwój protokołów przemysłowych i możliwość pracy w zamkniętej pętli pozwolił na stosowanie silników krokowych w znacznie większych systemach napędowych, gdzie zaczynają konkurować z serwonapędami. Zainteresowani są szczególnie integratorzy systemów automatyki – linie produkcyjne / montażowe, branża tekstylna, producenci elektroniki.

Napędy krokowe reprezentują szeroką gamę urządzeń, gdzie najprostsze modele znajdują zastosowanie u klientów końcowych, którzy wykorzystują je do obrabiarek materiałów miękkich i drukarek 3D, w których nie potrzebujemy wyśrubowanych parametrów.

Jakie są trendy technologiczne w omawianym zakresie?

Silniki krokowe w coraz mniejszym stopniu ustępują serwonapędom. Zmiany nastąpiły szczególnie w sterownikach silników krokowych, gdzie zaimplementowano nowoczesne protokoły przemysłowe, jak np. EtherCAT, CAN, Ethernet, dzięki czemu napędy krokowe bez problemu mogą stać się częścią większego systemu sterowania. Rozwój algorytmów sterowania pozwolił na zminimalizowanie strat momentu przy sterowaniu mikrokrokowym i pracę w zamkniętej pętli. Eliminuje to powszechny problem z gubieniem kroku, wpływa na poprawę wydajność całego układu (dostosowanie prądu pracy do obciążenia) i umożliwiło sterowanie momentem silnika. Dodatkowo pojawiły się modele pozwalające na regulację prędkości w trybie pracy ciągłej – wykorzystywane w przenośnikach taśmowych.

Stosowanie zamkniętej pętli sterowania wymusiło też zmiany w konstrukcji silników krokowych. Na rynku są obecne silniki hybrydowe łączące najlepsze cechy silnika krokowego i serwonapędu. Coraz częściej spotyka się silniki krokowe z wbudowanymi enkoderami lub zintegrowane rozwiązania, czyli połączenie silnika i sterownika krokowego w jednym urządzeniu. Również do wymagających aplikacji znajdziemy silniki z IP65 i sterowniki z STO/SIL3.

Silniki krokowe – cechy i technologie

Jeżeli chodzi o drugą z tytułowych grup produktów, a więc silniki krokowe, są to komponenty wykorzystywane w urządzeniach i różnorodnych systemach już od wielu lat. Ich typowymi zastosowaniami są: wykonywanie obrotów z określoną prędkością oraz o dany kąt, realizacja posuwów oraz różnych zadań związanych z precyzyjnymi ruchami. Tego typu silniki wymagają stosowania odpowiedniego układu sterowania i są to elementy bezszczotkowe, które mogą pracować w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego. Ich ograniczeniami są niewielkie zakresy osiąganych prędkości obrotowych oraz stosunkowo niskie moce / momenty obrotowe (w porównaniu do serwonapędów), a także kwestie związane z grzaniem się i możliwymi wibracjami podczas pracy.

Podobnie jak w przypadku dostawców przetworników położenia, tak też oferentów silników krokowych zapytaliśmy o najważniejsze ich zdaniem zmiany technologiczne w branży. Pojawiały się tu odpowiedzi takie jak: miniaturyzacja, zwiększanie stopnia integracji silników (np. wersje ze śrubą kulową, z wbudowanym enkoderem, ze sterownikiem), zwiększanie gęstości mocy i generalnie dalsze polepszanie parametrów silników. Zdaniem respondentów następuje też rozwój sterowników silników, w tym w zakresie możliwości komunikacyjnych – wymieniane tu były m.in. wersje z sieciami EtherCAT/Ethernet.

Popularne na rynku produkty

Omawiane w raporcie wyroby są produktami popularnymi, cechującymi się dużą podażą i różnorodnością dostępnych marek. Są one oferowane na naszym rynku zarówno bezpośrednio, tj. poprzez oddziały producentów zagranicznych, jak też przez licznych dystrybutorów specjalistycznych oraz katalogowych. W ofertach handlowych tych firm znaleźć można często setki różnych modeli wyrobów, co szczególnie dotyczy przetworników położenia. Wśród tych wyrobów niezmiennie najczęściej wybieraną marką jest Kübler, którego produkty oferowane są przez lokalny oddział oraz dystrybutorów. Druga pod względem popularności jest w omawianym zakresie firma Sick, następne to m.in. Balluff, Lika, Leine Linde, Posital Fraba, Turck, Renishaw, Heidenhain, MTS i inne. Zestawienie w postaci chmury prezentujemy na rysunku 5, przy czym warto w tym miejscu zauważyć, że krajowi odbiorcy przetworników położenia wybierają typowo produkty markowe, najczęściej od producentów zachodnioeuropejskich.

Rys. 5. Najpopularniejsze w Polsce marki przetworników położenia – zestawienie nie odzwierciedla udziału wymienionych firm w rynku

Rys. 6. Najpopularniejsze w Polsce marki silników skokowych – zestawienie nie odzwierciedla udziału wymienionych firm w rynku

Silniki krokowe dostarczają u nas przede wszystkim dystrybutorzy wyrobów zagranicznych, na polskim rynku działa bezpośrednio też kilku producentów. Najpopularniejszą w kraju marką jest w omawianym zakresie Sanyo Denki – firma ta praktycznie we wszystkich raportach pojawiała się w czołówce publikowanych statystyk. Dwie kolejne marki to Nanotec oraz FAULHABER, ważne są też m.in. WObit, Siemens, Fulling, Crouzet, Oriental Motor oraz Leadshine (rys. 6). Na rynku występuje też spora podaż silników niemarkowych, czyli wyrobów produkowanych na Dalekim Wschodzie, które część dostawców określa po prostu mianem "no-name".

Kamil Niemyjski

igus

Do jakich branż trafiają silniki krokowe, w szczególności gdzie używa się ich w przemyśle? Jakich produktów szukają odbiorcy? Jakich parametrów oczekują?

Producenci maszyn są nadal ich głównym odbiorcą, ale coraz więcej klientów końcowych (szczególnie małych firm) samodzielnie buduje proste urządzenia i maszyny na własny użytek, dlatego również kupują te produkty. Silniki skokowe i enkodery są teraz stosowane w wielu branżach: od przemysłu spożywczego, przez przemysł meblowy, po przemysł pakujący. Najczęstsze zastosowania to napędy liniowe, automatyzujące różne procesy i układy do regulacji pozycji przy przezbrajaniu linii produkcyjnych.

Klienci przeważnie szukają gotowych zestawów, takich jak napęd liniowy z silnikiem, enkoderem i sterownikiem silnika, rzadziej pojedynczych produktów. O wyborze konkretnego produktu decydują m.in. parametry techniczne, takie jak moment trzymający silnika. Coraz więcej odbiorców szuka bardziej zaawansowanych i droższych wersji, takich jak silnik skokowy z wbudowanym enkoderem czy hamulcem, a rzadziej wybierane są te podstawowe i tańsze wersje. Kluczowe znaczenie ma też dostępność i wsparcie techniczne przy doborze.

Jak na branżę wpłynęła pandemia, w tym w zakresie później występujących niedoborów surowców i komponentów?

Niedobór surowców był i nadal jest dużym problemem, zaś firmy muszą szukać alternatywnych źródeł podzespołów. Ci, którym się to udało, mogli pozyskać wielu nowych klientów. Jest to szczególnie widoczne w przypadku sterowników do silników, których ciągle brakuje. Klienci poszukujący sterowników kupują często silnik i enkoder od tego dostawcy, który może zaproponować komplet.

Czego poszukują klienci?

Odbiorcy przetworników położenia i silników skokowych mają, w pierwszym przybliżeniu, dosyć podobne do siebie wymogi względem samych produktów i ich dostawców. Przedstawiono je na rysunku 7 i niezmiennie na topie znajdują się tu parametry techniczne (czyli de facto dopasowanie do wymogów aplikacji), jakość, która wiąże się z niezawodnością i pewnością działania, oraz cena zakupu. Istotność dwóch ostatnich jest ze sobą odwrotnie skorelowana, tj. im bardziej idziemy w stronę aplikacji specjalistycznych, tym bardziej krytyczna staje się jakość kosztem ceny. Jest to proces występujący na wielu rynkach, aczkolwiek ponieważ przetworniki położenia oraz silniki krokowe znajdziemy zarówno w popularnych urządzenia elektronicznych, jak też w aparaturze naukowej czy sprzęcie wojskowym, zróżnicowanie to ujawnia się bardzo wyraźnie.

Rys. 7

Patrząc na wyniki podobnych analiz z poprzednich lat, można stwierdzić, że omawiany stan rzeczy na rynku jest relatywnie stały. Również tym razem musimy jednak zaznaczyć, że w odniesieniu do omawianych obszarów występuje sporo niuansów, zaś liczba istotnych dla klientów elementów ofert czy parametrów znacznie wykracza poza te podstawowe. Przykładowo odbiorcy przetworników położenia korzystają z osprzętu enkoderów – podzespołów służących do redukcji drgań i naprężeń, w pakiecie kupują też liczniki tablicowe, które pozwalają na tworzenie prostych systemów pomiarowo-kontrolnych. Takie kompletacje oferuje wielu dostawców, dodatkowo część firm proponuje nawet produkcję enkoderów na zamówienie (np. z określonymi interfejsami). W przypadku silników krokowych różnorodność poszukiwanych modeli w zakresie parametrów mechanicznych i elektrycznych jest również dosyć duża, dodatkowo liczy się też możliwość dostarczenia przez firmę kompleksowego systemu. Składać się na niego może, oprócz samego silnika, również przekładnia, enkoder, elementy mechaniczne oraz sterownik. Wszystko to zależy od potrzeb klienta i tworzonej aplikacji.

Łukasz Matuszewski

Kubler

Jak rozwija się w kraju rynek przetworników położenia? Do jakich branż trafiają tytułowe produkty?

W parze z dużym rozwojem automatyzacji w Polsce idzie rozwój przetworników położenia takich jak enkodery czy inklinometry. Potrzeby w tym względzie są ogromne – od linii produkcyjnych, po pojazdy AGV czy urządzenia dźwigowe. Automatyzacja wkracza we wszystkie dziedziny życia, więc każdą branżę należy traktować jako potencjalny rynek sprzedaży.

Enkodery używane są większości aplikacji przemysłowych. Coraz częściej oferujemy je z interfejsami (Ethernet, Profinet, Profidrive, CANopen). Dzięki przekazywaniu operatorowi informacji w czasie rzeczywistym, zapewniają one prawidłowe nadzorowanie procesu produkcyjnego oraz uniknięcie awarii. Odbiorcami są zarówno producenci maszyn i urządzeń, jak też działy UR w całym przemyśle.

Co decyduje o wyborze konkretnego produktu przez klienta? Jak istotne są dla klientów wersje specjalne?

Naszymi klientami są zarówno ogromne zakłady przemysłowe, jak i małe firmy projektowe. Obecnie dla klientów najważniejsza jest jakość oraz dostępność produktów. Większość sprzedaży bazuje na standardowych wersjach enkoderów, ale często wykonujemy wersje specjalne dedykowane do danej aplikacji. Nasz klient może liczyć na nasze wsparcie przy doborze, uruchomieniu i użytkowaniu urządzeń. Kładziemy bardzo duży nacisk na długofalową współpracę z kontrahentami.

Jakie są cechy charakterystyczne wymienionych urządzeń? Jakie zmiany można tu obserwować?

Dzięki bardzo prostej implementacji i możliwości diagnostyki enkodery absolutne z interfejsami sieciowymi z roku na rok zyskują coraz większe uznanie wśród odbiorców. Wprowadzone do naszej oferty enkodery z genialnie prostym interfejsem IO-link tylko przyśpieszyły ten proces. Obserwujemy również bardzo wyraźny trend przesuwania się uwagi klientów w kierunku rozwiązań bezpiecznych typu Profisafe i podobnych, na które już dziś jesteśmy gotowi.

Jak wygląda dzisiaj, podsumowując, sytuacja na rynku?

Tendencja do tworzenia przez klientów magazynów zapasowych jest niewątpliwie widocznym skutkiem zawirowań na rynku komponentów. Szczególnie dotyczy to firm, które jeszcze przed pandemią korzystały głównie z dostaw bieżących a w nagłych przypadkach z zamówień ekspresowych. Jest to nowa rzeczywistość, do której musimy się dostosować.

Podsumowanie: rynek w liczbach

Koniunktura w omawianych branżach, jak informowaliśmy na początku raportu, jest po okresie pandemii bardzo dobra. Zdaniem respondentów sytuacja raczej się poprawia, ewentualnie nie zmienia w stosunku do ostatnich miesięcy (rys. 8). Nieco inaczej było z ocenami konkurencji. O ile w poprzednich latach była oceniana jako silna (tak ją określał średnio co drugi respondent), o tyle tym razem około 30% osób przyznało, że mamy do czynienia z takim stanem rzeczy. Zdaniem reszty konkurencja w branżach jest standardowa, analoprzemysłowegiczna do innych obszarów rynku automatyki (rys. 9).

Rys. 8. Najważniejsze dla polskich klientów cechy omawianych produktów

Rys. 9

Bieżące opracowanie kończymy spojrzeniem na omawiane sektory pod kątem zmian ich wartości. O oszacowanie rocznej sprzedaży w kraju tradycyjnie poprosiliśmy respondentów ankiety. W przypadku przetworników położenia typowe szacunki zawierały się w zakresie od 7 do 45 mln zł rocznie, co po uśrednieniu dało około 21‒25 mln zł. Jest to kwota nieznacznie niższa od tej, jaką podawaliśmy w poprzednio publikowanym badaniu. W przypadku silników krokowych wszystkie szacunki zawierały się w przedziale od 3 do 10 mln zł rocznie, co po uśrednieniu dało 7,5‒8,5 mln zł. Wartość ta jest analogiczna jak dwa lata temu. Jednocześnie wszystkie podane oszacowania są nieco większe niż w raportach sprzed czterech i sześciu lat, co prowadzi do wniosku, że obydwa rynki stanowią branże dojrzałe, stabilne i jednocześnie cechujące się niskimi stopami wzrostu.

Źródłem wszystkich danych przedstawionych w tabelach oraz na wykresach są wyniki uzyskane w badaniu ankietowym przeprowadzonym wśród firm działających w polskich branżach związanych z dystrybucją przemysłowych przetworników położenia oraz silników skokowych.