Czas serwonapędów

Układy serwonapędowe umożliwiają wykonywanie dynamicznych ruchów, precyzyjne pozycjonowanie elementów oraz kontrolę prędkości i kąta obrotu. Dodatkowo charakteryzują się zdolnością do pracy z dużymi momentami, w tym przy niskich prędkościach obrotowych. Stąd też zakres ich zastosowań w różnego rodzaju maszynach jest bardzo rozległy. Zanim przejdziemy dalej, warto również zaznaczyć, że termin "układy serwonapędowe" odnosi się do systemów sterowania ruchem oraz ich składników, które obejmują sterowniki ruchu, serwowzmacniacze (często zintegrowane), serwosilniki (specjalistyczne silniki prądu przemiennego z wbudowanymi przetwornikami pozycji), serwoprzekładnie, a także wszelkie dodatkowe elementy, łącznie z oprogramowaniem.

Pięć trendów branżowych

Zacznijmy nietypowo, bowiem od omówienia trenów. Serwonapędy stanowią dziś kluczowe elementy wielu nowoczesnych maszyn oraz systemów i o ich postrzeganie zapytaliśmy przedstawicieli rodzimej branży przemysłowej. Poniżej synteza najczęstszych odpowiedzi wraz z cytatami respondentów.

1. Ogólny trend wzrostowy i rosnąca popularność

Wiele odpowiedzi potwierdzało stopniowy, ciągły wzrost popularności serwonapędów. Widoczne jest to zarówno w perspektywie kosztowej, gdzie relatywnie niższe niż jeszcze kilka lat temu ceny przyczyniają się do coraz powszechniejszego zastosowania tych urządzeń, jak też poprzez wzrost zapotrzebowania na precyzyjne, elastyczne systemy napędowe do maszyn. "Popularność serwonapędów cały czas rośnie. Wielokrotnie ich cena jest na tyle niska, że opłaca się zastosować serwonapęd w miejsce standardowego falownika. Dzięki zastosowaniu serwonapędów zyskujemy precyzyjną kontrolę np. nad prędkością lub momentem, co znacznie podnosi elastyczność i funkcjonalność budowanego rozwiązania".

2. Przyrost liczby prostszych zastosowań

Rynek serwonapędów przechodzi przez fazę dynamicznego rozwoju, w której serwonapędy zaczynają w niektórych aplikacjach wypierać przemienniki częstotliwości AC. Ciekawym aspektem jest tu zauważalny wzrost ich zastosowań nawet w niewielkich urządzeniach i maszynach. "Aktualnie serwonapędy są coraz bardziej popularne i znajdują zastosowanie nawet w prostych maszynach. Polski rynek jest mocno rozwinięty pod względem wykorzystania serwonapędów i sterowników Motion. Serwonapędy wypierają falowniki z niektórych aplikacji. Trend ten będzie narastał w najbliższym czasie. Spodziewamy się znacznego przyrostu prostych aplikacji na serwonapędach".

3. Wielotorowy rozwój technologiczny

Odpowiedzi dostawców odnoszące się do trendów technologicznych wskazują m.in. takie ważkie aspekty jak: rosnąca integracja serwonapędów, rozwój możliwości w zakresie komunikacyjnym oraz miniaturyzacja urządzeń. Respondenci zwracali również uwagę na wzrost możliwości programowania, a także zwiększoną dostępność serwonapędów, szczególnie dla małych mocy. "Następuje gwałtowny rozwój serwonapędów, a one stają się z całą pewnością dostępniejsze nie tylko pod względem cenowym, ale również ich programowanie jest coraz bardziej przystępne dla zwykłego śmiertelnika".

4. Serwo zamiast tradycyjnych przemienników częstotliwości

Respondenci zwracali uwagę na "rywalizację" pomiędzy serwonapędami a tradycyjnymi przemiennikami częstotliwości AC. Wprawdzie obydwa typy urządzeń są w systemach automatyki i napędowych często wykorzystywane wspólnie, jednak ogólne dążenie do zwiększania precyzji oraz kontroli ruchów maszyn sprawia, że właśnie serwonapędy coraz częściej trafiają do miejsc i aplikacji zarezerwowanych dotychczas dla przemienników. "Obydwa typy napędów mają swoje miejsce na rynku, w zależności od wymagań dotyczących precyzji i dynamiki ruchu. Można jednak powiedzieć, że serwonapędy są dzisiaj równie popularne, co przemienniki częstotliwości kilka lat temu".

5. Koszty jako czynnik ograniczający tempo rozwoju

Pomimo rosnącej popularności serwonapędów, część respondentów przyznała, że koszty zakupu są nadal istotnym czynnikiem ograniczającym ich powszechne użycie. Systemy serwo są ciągle droższe w porównaniu do przemienników częstotliwości, a wybór technologii jest, zdaniem niektórych, ciągle silnie zależny od zastosowania. "Serwonapędom jeszcze trochę brakuje do osiągnięcia popularności przemienników częstotliwości. Wykorzystuje się je raczej w zaawansowanych maszynach, podczas gdy przemienniki AC mają bardziej uniwersalne zastosowania. Jednak z roku na rok zauważamy większe zapotrzebowanie u naszych klientów na dynamiczny i precyzyjny ruch, jaki zapewniają serwonapędy".

Stanisław Zysnarski

DYNAMOTION

Jakie są najczęstsze zastosowania serwonapędów?

Serwonapędy stosowane są w wielu rodzajach maszyn, przy czym w niektórych z nich stanowią nieodłączną część. Należą do nich różnego rodzaju maszyny pakujące, plotery, frezarki, roboty kartezjańskie, roboty delta i wieloosiowe. Serwa stosuje się wszędzie tam, gdzie potrzebujemy precyzji oraz dynamiki pracy. Jeżeli chodzi o branże, to serwonapędy najczęściej stosowane są w branży FMCG, papierniczej czy farmaceutycznej, gdzie wolumeny produktów są bardzo duże.

Dlaczego lokalni odbiorcy, w szczególności producenci maszyn, sięgają po serwonapędy?

oZe względu na prostotę konfiguracji i synchronizację osi serwonapędy są często jedynym wyborem. Zastąpiły one krzywki mechaniczne i mają nad nimi oczywistą przewagę – możliwość wprowadzania szybkich zmian w parametrach pracy. Jednocześnie w przypadku aplikacji, w których potrzebujemy synchronicznej pracy wielu jednostek, serwonapędy są niezastąpione. Przykładem może być zakręcanie butelek z napojami czy pakowanie słodyczy. Wydajność maszyny zakręcającej nasze ulubione soki to wartość rzędu 36 tys. butelek na godzinę, czyli 10 butelek na sekundę!

Jakie są cechy charakterystyczne serwonapędów? Co zmienia się w ich technologiach urządzeń?

Serwonapędy są znane od lat i powiązana z nimi technologia jest mocno ugruntowana, sprawdzona. Choć ciężko wyobrazić sobie rewolucję w branży serwonapędowej, zdarzają się tu nowe i ciekawe rozwiązania – jak choćby wspólna szyna zasilająca, która umożliwia odzysk energii w przypadku hamowania serw. Omawiane urządzenia doczekały się też nowej generacji napędów zrywających z paradygmatem ruchu obrotowego. Ponieważ w wielu maszynach ruch obrotowy zamieniany jest na inne rodzaje ruchu, producenci zaczęli wprowadzać nowy rodzaj napędów: napędy liniowe (silnik elektryczny z rozwiniętym stojanem) oraz najnowsze rozwiązanie: napędy magnetyczne, czyli karetki lewitujące nad stołem roboczym.

Jakie były ostatnie lata w branży serwonapędowej?

Wydarzenie na świecie sprawiły, że wiele komponentów automatyki (w tym serwonapędy) było trudno dostępnych. Od około pół roku możemy jednak mówić o zakończeniu problemów z dostępnością oraz o regularnych, szybkich dostawach.

Na polskim rynku serwonapędów królują firmy europejskie oraz japońskie, gdyż dostarczają one najpewniejsze rozwiązania ugruntowanych w branży marek, które dodatkowo z łatwością można łączyć z innymi sprawdzonymi systemami automatyki. Niemniej jednak z racji na ujednolicanie środowisk programistycznych pojawia się liczna dalekowschodnia konkurencja, choć cały czas jest ona jednak domeną prostszych rozwiązań.

Zastosowania serwonapędów

Kluczowymi odbiorcami serwonapędów i serwosilników są przedsiębiorstwa zajmujące się produkcją maszyn oraz urządzeń – wynika z danych pozyskanych podczas najnowszego badania rynku (rys. 1). Kolejnymi istotnymi grupami odbiorców są: klienci końcowi (zakłady produkcyjne), integratorzy systemów oraz dystrybutorzy. Obserwowana sytuacja jest zgodna z wcześniejszymi raportami, choć oczywiście występują pomiędzy nimi różnice procentowe. W przypadku tegorocznej statystyki taką jest przede wszystkim wzrost istotności grupy "producenci maszyn".

Rys. 1. Główni krajowi odbiorcy serwonapędów

Jeżeli chodzi o aplikacje serwonapędów, to najczęściej są one związane z różnorodnymi maszynami, w szczególności wykonującymi dynamiczne, współzależne ruchy. Zdaniem ankietowanych są to przede wszystkim: synchronizacja osi (zdecydowana część głosów), pozycjonowanie oraz krzywka elektroniczna. Do tego dochodzi cięcie w locie (synchronizacja pracy elementu odcinającego z napędem odpowiedzialnym za liniowy przesuw materiału) oraz aplikacje w robotach i manipulatorach, a także pozostałe zastosowania w maszynach CNC (rys. 2).

Rys. 2

Ogólna statystyka dotycząca najczęstszych zastosowań serwonapędów (rys. 3) obejmuje przede wszystkim maszyny wieloosiowe, czyli takie, gdzie istnieje potrzeba synchronizacji prędkości i pracy wielu elementów. Do tego zasadniczo zaliczyć można również roboty przemysłowe. Serwonapędy znajdują jednocześnie coraz szersze zastosowanie w różnych systemach automatyki (w liniach technologicznych), a także w prostszych, mniej złożonych maszynach, o czym wspomniano w poprzednim rozdziale.

Rys. 3. Najczęstsze typy aplikacji serwonapędów

dr inż. Marek Łęc

Lenze Polska

Jakie są powody, dla których odbiorcy, w szczególności producenci maszyn, sięgają po serwonapędy?

Od kilku dekad, wraz z rozwojem tranzystorowych elementów energoelektronicznych, obserwujemy równolegle proces rozwoju przemienników częstotliwości. Wersje oparte na nowoczesnych komponentach zainicjowały proces wypierania starszych konstrukcji – tyrystorowych układów regulacji silników prądu stałego. Równolegle następował rozwój układów mikroelektronicznych umożliwiających praktyczną realizację bardziej zawansowanych metod sterowania silnikami elektrycznymi. W efekcie na rynku zaczęły pojawiać się przemienniki częstotliwości przeznaczone do współpracy z silnikami serwo. Początkowo koszt takich rozwiązań był dużo wyższy niż powszechnie stosowanych wersji standardowych. Dalszy rozwój tej gałęzi doprowadził do obniżania ceny, a co tym idzie różnica pomiędzy "zwykłym" przemiennikiem częstotliwości, a wersją serwo zaczęła maleć.

Z drugiej strony rynek maszynowy przeżywa ogromny rozwój, następuje nieustanne zwiększanie wydajności maszyn z naciskiem na zachowanie dokładności produkcyjnych. Rozwój ten jest motywowany oczekiwaniami odbiorców co do wydajności i precyzji działania systemów technologicznych. Takie wymagania powodują, że do budowy maszyn nie da się już korzystać z prostych rozwiązań – konieczne staje się stosowanie układów napędowych o dużej wydajności, przeciążalności i dokładności pracy, a zatem systemów opartych na przemiennikach serwo. Wymagania te powodują również, że producenci maszyn coraz powszechnej stosują nie tylko pojedyncze przemienniki serwo, ale całe grupy przemienników serwo.

Przykładem dzisiejszego zaawansowanego rozwiązania jest w pełni programowalny, zintegrowany ze sterownikiem PLC przemiennik serwo Lenze i950. Dzięki zastosowaniu tego innowacyjnego podejścia producenci maszyn zyskali uniwersalne rozwiązanie, a produkowane przez nich maszyny – niespotykaną dotąd elastyczność w zakresie asortymentu, który może być produkowany na jednej i tej samej maszynie.

Jakie są cechy charakterystyczne serwonapędów? Co zmienia się w technologiach tych urządzeń?

Przez ostatnią dekadę mogliśmy obserwować szybki rozwój przemienników serwo. Było to możliwe dzięki wspomnianej ewolucji techniki mikroprocesorowej, która pozwoliła na implementowanie coraz bardziej zawansowanego sterowania silnikami serwo. Zwiększanie wydajności obliczeniowej pozwoliło konstruktorom na skracanie czasów obróbki istniejących w każdym przemienniku serwo zamkniętych pętli regulacji prądu, prędkości oraz pozycji. Została również zwiększona rozdzielczość sygnałów. We współczesnym przemienniku wszystkie sygnału są 32-bitowe, zaś pętle regulacji pracują na poziome kilkudziesięciu mikrosekund.

Możliwa stała się również rozbudowa przemienników do tego stopnia, że współczesne urządzenie poza częścią napędową zawiera w sobie również sterownik swobodnie programowalny. Przy takim podejściu możliwości serwonapędów stały się praktycznie nieograniczone. Mając do dyspozycji PLC w przemienniku, możliwe stało się korzystanie z niego jako gotowego "klocka" w większych systemach napędowych. Wychodząc naprzeciw oczekiwaniom odbiorców, zostały opracowane i wdrożone gotowe bloki technologiczne funkcjonalne pod skróconą nazwą FAST. Biblioteka zawiera między innymi bloki wału elektrycznego, nawijaka, latającej piły, rejestru, ucinacza, pozycjonowania tabelarycznego i inne. Dzięki niej producenci maszyn mogą zaoszczędzić nawet 80% czasu potrzebnego na prace inżynierskie!

Omawiane bloki technologiczne zostały zaimplementowane chociażby we wspomnianych przemiennikach częstotliwości z serii i950. Dzięki takiemu zabiegowi zyskały one "inteligencję" funkcjonalną, gdzie każdy przemiennik częstotliwości realizuje określoną blokiem technologicznym funkcję napędową, jednocześnie bazując na tej samej platformie systemowej.

Sytuacja na rynku

Sektor związany z dystrybucją urządzeń serwonapędowych rozwija się dynamicznie, zaś koniunktura na nim panująca postrzegana jest pozytywnie. Na początku 2024 roku ponad 90% respondentów oceniło ją jako dobrą lub bardzo dobrą, co potwierdza korzystne warunki rynkowe (rys. 4). Pomimo zmniejszenia odsetka odpowiedzi "bardzo dobra" w stosunku do poprzednich badań, rynek serwonapędów w Polsce niewątpliwie utrzymuje się na długoterminowej ścieżce wzrostowej.

Rys. 4. Aktualna sytuacja na omawianym rynku w porównaniu z ostatnimi latami

Krajowa branża serwonapędów, serwosilników i pokrewnych produktów jest szacowana wartościowo w przedziale od około 50 do 400 mln zł rocznie. Średnia wartości podawanych przez respondentów kształtuje się na poziomie około 160 mln zł, co wskazuje na wzrost w porównaniu z dotychczas publikowanymi wynikami. Dwa lata temu podawaliśmy tu uśrednienia wynoszące 110‒125 mln zł, cztery lata temu było to 100 mln, sześć lat – około 80‒90 mln zł. Dodajmy, że obecnie najważniejszymi odbiorcami serwonapędów są głównie branże: spożywcza (i opakowaniowa), maszynowa (w tym m.in. CNC), drzewna, następnie FMCG, motoryzacyjna. Statystykę z tym związaną zaprezentowano jako chmurę na rysunku 5.

Rys. 5. Kluczowe zastosowania serwonapędów oraz branże, do których trafiają maszyny z serwonapędami

Dostawcy serwonapędów

Omawiane produkty umożliwiają osiąganie wyższych marż w porównaniu do tradycyjnych przemienników częstotliwości o niskiej mocy. W tym samym czasie branża zajmująca się ich produkcją i dystrybucją jest oceniana jako rynek wysoce konkurencyjny. Blisko 2/3 ankietowanych było zdania, że konkurencja jest tu silna (rys. 6). Wprawdzie to mniej niż w badaniu sprzed dwóch lat (wtedy było to aż 78%), ale i tak sporo. Jednocześnie, podobnie jak wcześniej, nikt nie wybrał odpowiedzi "niewielka".

Rys. 6. Konkurencja na polskim rynku serwonapędów

W analizowanym sektorze działa wiele podmiotów rynkowych. Są tu obecne przedstawicielstwa producentów zagranicznych, dystrybutorzy oraz firmy integratorskie. W tabelach raportowych nie znalazły się natomiast hurtownie elektrotechniczne. Dokonując segmentacji rynku, można wyróżnić dwie główne grupy dostawców – producentów zachodnioeuropejskich oraz dalekowschodnich (szczególnie japońskich). W przypadku tej pierwszej najpopularniejszym u nas producentem jest Siemens (rys. 7). Ankietowani wymieniali tutaj również marki takie jak Beckhoff Automation, Bosch Rexroth, Lenze, SEW-Eurodrive i Schneider Electric. Z kolei najpopularniejszymi producentami japońskimi są Mitsubishi Electric, Omron Electronics, Panasonic, Yaskawa oraz Delta Electronics (ostatnia z firm jest przedsiębiorstwem tajwańskim). Firmy z Kraju Kwitnącej Wiśni mają długie tradycje w produkcji systemów automatyki i mechatronicznych, szczególnie do zastosowań precyzyjnych. Ważnym dostawcą spoza wymienionych obszarów jest Allen-Bradley, czyli de facto Rockwell Automation. Dodajmy, że prezentowane zestawienie jest zbliżone do tych publikowanych w dotychczasowych raportach.

Rys. 7. Najpopularniejsze w Polsce marki serwosilników i serwonapędów – zestawienie nie odzwierciedla udziału wymienionych firm w rynku, lecz jest przybliżoną informacją o ich popularności

Należy zauważyć że, podobnie jak specjalistyczny charakter samych serwonapędów, również ich dystrybucja wymaga specjalizacji po stronie dostawców. Firmy oferujące układy serwo muszą nie tylko zapewniać doradztwo i oferować kompatybilność (możliwość współpracy urządzeń w ramach różnych systemów), ale często też pogłębione wsparcie techniczne, w tym usługi projektowe. Jest to również cecha odróżniająca analizowany rynek od branży tradycyjnych przemienników częstotliwości, które są dosyć standardowymi i dobrze znanymi produktami w środowisku automatyków oraz innych projektantów.

Daniel Bonikowski

Panasonic Industry Poland

Jak wygląda krajowy rynek serwonapędów i rozwiązań Motion Control?

Polski rynek rozwija się dość dynamicznie, jeśli chodzi o produkcję maszyn, w których stosowane są serwonapędy. Maszyny te są usprawniane i optymalizowane, zaś klienci coraz częściej sięgają po serwa, zastępując nimi chociażby silniki krokowe. Rosnący nacisk kładzie się też na monitorowanie awaryjności i tzw. predictive maintenance.

Sądzę, że rozwiązania serwonapędowe będą rozwijane przede wszystkim w obszarze maszyn CNC, w branży spożywczej, opakowaniowej, a także motoryzacji. Są to sektory przemysłu, które ewoluują, potrzebując coraz sprawniejszych produktów i rozwiązań.

Można ponadto zauważyć, że w branży dostarczanych jest wiele urządzeń z rynków dalekowschodnich. Jednakże wielu ich producentów otwiera się na europejskie standardy, uwzględniając w ten sposób oczekiwania klientów. Przejawia się to na przykład w postaci zapewniania określonych obudów, okablowania, ale też odpowiedniego zaawansowania produktów.

Jakie są najczęstsze zastosowania serwonapędów i powody korzystania z tych rozwiązań?

Serwonapędy znajdują zastosowanie w wielu branżach i aplikacjach – począwszy od maszyn pakujących, różnego rodzaju przewijarek, po maszyny CNC, odpowiadające za cięcie, frezowanie i obróbkę detali. Również zespoły maszyn w liniach produkcyjnych, gdzie produkt przechodzi z etapu na kolejny etap, obejmują zastosowania serwonapędów. Te ostatnie odpowiadają wtedy za odpowiednią synchronizację systemów. Dodam, że decyzja o ich zastosowaniu zapada zazwyczaj jeszcze na etapie projektowania.

Omawiane rozwiązania zyskują na popularności ze względu na potrzebę precyzyjnej kontroli ruchu. Coraz bardziej złożone aplikacje wymagają dokładniejszej kontroli, pozycja przejazdu napędu musi być bardzo dokładna, bowiem wpływa na cały proces. Optymalizacja produkcji to także sytuacja, kiedy powinno się pomyśleć o serwo. Oprócz tego, że jesteśmy w stanie uzyskać lepsze wyniki, możemy też monitorować parametry, czyli dbać o serwis i zmniejszać awaryjność maszyny czy urządzenia.

Co zmienia się w technologiach serwonapędów? Jakie są ich cechy i czego oczekują odbiorcy?

Charakterystycznymi cechami serwonapędów są ich precyzja, dokładność pozycjonowania, a także kwestia zapewniania informacji zwrotnej dotyczącej położenia. Jednocześnie taki napęd może utrzymać stały moment w całym zakresie swojego ruchu – nie zmienia się on wraz z prędkością. Z kolei nowe funkcjonalności to np. coraz bardziej zaawansowane sposoby tuningu serwonapędów, zdolności do kompensacji automatycznej błędu położenia czy wprowadzenie wprost do napędu sygnałów z czujników do ich synchronizacji.

Finalnie dodam, że dla klientów niezbędne jest ich wsparcie. Ważne jest wytłumaczenie kilku prostych kroków, tuningowanie i uruchomienie napędu, omówienie sposobów sterowania. Do tego nie zapominałbym o wsparciu podczas doboru serwa do aplikacji – jest ono niezwykle istotne!

Jakich urządzeń szukają polscy odbiorcy?

Chcąc odpowiedzieć na postawione pytanie, opracowaliśmy kilka rozbudowanych pytań ankietowych. Pierwsza z uzyskanych statystyk dotyczy najważniejszych cech serwonapędów i obejmuje oceny dotyczące parametrów, kosztów, istotności marki oraz innych potencjalnie ważnych aspektów (rys. 8). Podobnie jak w poprzednich raportach rynkowych, tak też tym razem kluczowym czynnikiem okazał się koszt zakupu. Drugie na liście są interfejsy komunikacyjne, kolejne to m.in.: parametry techniczne i możliwości kompletacji systemu (dostępność komponentów od jednego dostawcy). Zestawienie zaprezentowane na rysunku 8 jest zasadniczo podobne do tych dawniej publikowanych, zaś zmiany procentowe są niewielkie.

Rys. 8. Najważniejsze dla lokalnych klientów cechy serwonapędów

Druga ze statystyk dotyczy najważniejszych trendów technologicznych. Dostawców zapytaliśmy o nowości na rynku, cechy wyróżniające ich produkty oraz o to, co ich zdaniem jest najważniejsze dla odbiorców. Informacje przedstawione na rysunku 9 pozwalają ocenić rozkład tych ocen w badanej grupie. Widać, że najbardziej pożądane są: funkcje bezpieczeństwa oraz komunikacyjne, możliwość pracy z różnymi silnikami (kompatybilność), a także funkcje sterowania (zaawansowane algorytmy). Cechy takie jak kompaktowość, łatwa parametryzacja znalazły się na kolejnych miejscach zestawienia.

Rys. 9. Cechy serwonapędów – odpowiedzi na pytania o to, co jest nowego, wyróżniającego (10 punktów), a co jest już standardem lub cechą powszechną (1 punkt)

Finalnie trzecie pytanie i trzecia statystyka, które dotyczą popularności interfejsów komunikacyjnych stosowanych w serwonapędach (rys. 10). W pierwszej piątce znalazły się: EtherCAT, Profinet, EtherNET/IP, następnie CANopen oraz interfejsy szeregowe. Pierwszeństwo EtherCAT, wspieranego m.in. przez firmy Beckhoff i Omron Electronics, utrzymuje się od lat, co czyni go liderem zestawienia. Dodatkowo, analizując omawianą statystykę, można zauważyć, że wiele wymienionych standardów komunikacyjnych związanych jest z konkretnymi firmami lub organizacjami je promującymi. W efekcie wybór producenta urządzeń napędowych niejednokrotnie determinuje rodzaj sieci komunikacyjnej w systemie. To z kolei prowadzi do dużej liczby różnych standardów, zwłaszcza w układach bazujących na Ethernecie przemysłowym. Warto także zaznaczyć, że komunikacja analogowa (impulsowe sterowanie układami serwo) stosowana jest coraz rzadziej i ustępuje miejsca standardom cyfrowym.

Rys. 10. Popularne standardy komunikacji sieciowej w systemach serwonapędowych; kategoria "cyfrowe" dotyczy wszystkich innych sieci cyfrowych poza wymienionymi na wykresie

Michał Osiecki

Omron Electronics

Gdzie wykorzystywane są serwonapędy? Jakie są ich cechy charakterystyczne?

Serwonapędy są najczęściej używane do precyzyjnego pozycjonowania detali i synchronizacji elektronicznej w maszynach etykietujących, drukarskich, pakujących typu Flow Pack oraz maszynach CNC. Ich głównymi odbiorcami są producenci maszyn i integratorzy systemów, zaś wybór konkretnego rozwiązania zależy przede wszystkim od wymagań aplikacji, takich jak precyzja, prędkość i moment obrotowy.

Serwosystemy, szczególnie serwomotory, cechują się niską awaryjnością i długą żywotnością. Ich istotne cechy to: precyzja, duża dynamika ruchów, kompaktowe rozmiary i efektywność energetyczna. Główne wyzwania eksploatacyjne dotyczą z kolei okablowania, szczególnie kiedy kable poruszają się za napędem, oraz ochrony enkodera przed uszkodzeniami mechanicznymi. Dla klientów, jak sądzę, kluczowe są ponadto niezawodność i wsparcie techniczne, które zapewniają ciągłość pracy oraz efektywność procesów.

Jakie są powody konstrukcyjne i inne, dla których odbiorcy sięgają po rozwiązania serwonapędowe?

Lokalni producenci maszyn wybierają serwonapędy przede wszystkim z powodu możliwości ich dynamicznej pracy i precyzyjnego sterowania – zarówno w przypadku wersji pojedynczych, jak i systemów wielonapędowych. Dzięki pracy w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego, serwonapędy pozwalają na kontrolę pozycji, prędkości i momentu obrotowego. Dodatkowo sterowniki serwonapędów współpracujące z sterownikami ruchu umożliwiają programowanie zaawansowanych ruchów, co dotyczy nawet bardzo zaawansowanych aplikacji.

Serwomotory są kompaktowe, mniejsze od standardowych silników AC, i wyposażone w fabrycznie wbudowane enkodery o wysokiej rozdzielczości – zarówno przyrostowe, jak i absolutne. Występują też w wersjach z opcjonalnymi hamulcami. Dostępność licznych przekładni bezluzowych oraz układów przeniesienia ruchu obrotowego na liniowy (jak śruby kulowe czy paski zębate) umożliwia dopasowanie serwomotorów do konkretnych zastosowań. Ponadto charakteryzują się one większą sprawnością niż silniki AC, co przekłada się na mniejsze zużycie energii. Możliwość wykorzystania silników obrotowych i magnetycznych silników liniowych również stanowi atut.

Wybrane trendy technologiczne

Na zakończenie kilka dodatkowych spostrzeżeń dotyczących trendów technologicznych i nowości w omawianym obszarze. Ostatnie lata przyniosły tu kolejne innowacje, choć co do zasady są one w dużej części kontynuacją wcześniejszego rozwoju tej tematyki.

Pierwszym wyróżniającym się trendem jest integracja funkcji bezpieczeństwa w urządzeniach serwonapędowych. Obejmuje to możliwości monitorowania prędkości, bezpiecznego zatrzymania i inne dotyczące zintegrowanego bezpieczeństwa. Do przesyłania informacji związanych z bezpieczeństwem coraz częściej wykorzystywane są również różnorodne sieci i protokoły cyfrowe – np. Safety over EtherCAT.

Drugim istotnym obszarem jest rozwój komunikacji pozwalającej na efektywną kontrolę ruchu w złożonych systemach automatyki. Obejmuje to przede wszystkim wykorzystanie różnorodnych sieci Ethernetu przemysłowego (w szczególności czasu rzeczywistego), które umożliwiają szybką i wysoce niezawodną transmisję danych. Z kolei innowacyjne rozwiązania łączeniowe pozwalają na użycie jednego połączenia kablowego do przesyłania energii (zasilania), sygnałów sterujących oraz zwrotnych z serwosilników.

Współczesne serwonapędy charakteryzują się możliwością wykorzystywania czujników wirtualnych, które zapewniają monitorowanie pracy układów. Ponadto popularyzują się technologie energooszczędne, które obejmują inteligentne algorytmy zarządzania energią. Rozszerzane są również funkcje predykcyjne pozwalające na efektywniejszą diagnozę i planowanie serwisów. To z kolei przyczynia się do całościowego zwiększania niezawodności systemów serwonapędowych.

Trendy rynkowe obejmują ponadto zwiększanie możliwości w zakresie integracji, ułatwiając łączenie różnych komponentów w ramach złożonych systemów. Nowe generacje napędów charakteryzują się rosnącą dynamiką pracy, ułatwieniami w zakresie tworzenia układów wieloosiowych oraz zaawansowanymi funkcjami. Takie są przykładowo "inteligentne" algorytmy autotuningu czy kompensacji drgań.

Respondenci wskazywali również na integrację serwonapędów ze sterownikami oraz dostarczanie przez firmy kompleksowych systemów mechatronicznych. Taka integracja ułatwia tworzenie rozwiązań serwo, co przekłada się na redukcję nakładów na prace inżynierskie. Finalnie warto zwrócić uwagę na rozwój i użycie algorytmów sztucznej inteligencji, które dodatkowo podnoszą funkcjonalność systemów oraz intuicyjność ich tworzenia i obsługi.

Zbigniew Piątek

Źródłem wszystkich danych przedstawionych w tabelach oraz na wykresach są wyniki uzyskane w badaniu ankietowym przeprowadzonym wśród firm działających w polskich branżach związanych z produkcją i dystrybucją serwosilników i serwonapędów.