Przetworniki położenia i silniki krokowe

Pomiary prędkości obrotowej oraz pozycji elementów wykonawczych, a także wykonywanie ruchów obrotowych o określony kąt i z daną prędkością - zadania te są niezbędne w przypadku wielu maszyn, urządzeń oraz instalacji technologicznych. Aby je realizować, wykorzystywane są różnorodne przetworniki położenia oraz silniki krokowe - obydwie grupy produktów omawiamy w bieżącej analizie.

Bieżące opracowanie należy do serii publikacji regularnie pojawiających się na łamach IRA. Stąd też prezentujemy w nim jedynie część zakresu związanego z tytułową tematyką - m.in. dotyczącego kwestii technicznych oraz wymogów odbiorców. Informacje na temat zastosowań, rynków, a przede wszystkim dostawców przetworników położenia i silników krokowych znaleźć można w analizie opublikowanej w poprzednim wydaniu informatora (IRA 2019).

Przetworniki przemieszczenia

 

Najpopularniejsze zastosowania przetworników położenia i silników

Do tej grupy należą elementy liniowe oraz - znacznie bardziej rozpowszechnione na rynku - wersje obrotowe, czyli przede wszystkim enkodery. W ich przypadku dalsza kategoryzacja dotyczy wydzielenia elementów inkrementalnych, które służą do pomiarów przemieszczeń kątowych, określania prędkości kątowej i kierunku ruchu, oraz podzespołów absolutnych. Te ostatnie umożliwiają określanie bieżącej pozycji osi, a nie tylko jej względnego kąta obrotu. Kolejny podział przebiega w grupie enkoderów absolutnych i dotyczy wersji jedno- oraz wieloobrotowych.

Innym z typowych sposobów kategoryzacji jest ten bazujący na zasadzie działania przetworników. Większość ze stosowanych dzisiaj enkoderów to wersje optyczne, w przypadku których pomiar bazuje na zliczaniu kresek lub odczycie kodu z obracającej się wewnątrz tarczy.

 

Popularne w kraju marki przetworników położenia – zestawienie nie odzwierciedla udziałów firm w rynku

Zapewniają one duże rozdzielczości, choć nie są pozbawione wad - podatności na narażenia wynikające z trudnych warunków pracy, wibracji czy wpływu zabrudzeń.

Drugą, popularyzującą się w ostatnich latach grupę przetworników stanowią wersje magnetyczne. Dawniej cechowały się one ograniczonymi rozdzielczościami i wysokimi cenami - obecnie czynniki te straciły częściowo na znaczeniu, a elementy magnetyczne coraz częściej traktowane są jako alternatywa dla tradycyjnych wersji optycznych.

 

Dostawcy przetworników położenia i silników skokowych oraz oferowane marki produktów

Jakie nowości związane z przetwornikami przemieszczenia wskazywali w ostatnim badaniu ich lokalni dostawcy? Takimi trendami technicznymi są przede wszystkim (kolejność jest zgodna z liczbą wskazań):

• wzrost możliwości komunikacyjnych - przetworniki położenia dostępne są z interfejsami umożliwiającymi ich podłączanie do sieci komunikacyjnych (najczęściej wymieniane tu były: Ethernet, IO-Link, Profibus, Profinet oraz CANopen);
• możliwość programowania - zapewnia ona uniwersalność i łatwość dopasowania do aplikacji dzięki możliwości doboru liczby kroków na obrót (typowo od jednego do kilku, kilkudziesięciu tysięcy);
• miniaturyzacja - w szczególności w zakresie średnic enkoderów,
• dostępność wersji specjalnych - popularyzacja enkoderów do pracy w strefach zagrożonych wybuchem oraz wykonań heavy duty;
• dalsze zwiększanie rozdzielczości i wytrzymałości;
• postępująca popularyzacja enkoderów magnetycznych;
• rozwój liniałów - m.in. absolutnych, wersji o dużej prędkości przesuwu oraz liniałów magnetycznych;
• zastosowanie taśmy metalowej zamiast linki w enkoderach linkowych;
• dostępność wersji dedykowanych do konkretnych branż.

Silniki krokowe

Druga z tytułowych grup produktów - silniki krokowe (skokowe) - to komponenty stosowane w urządzeniach i różnorodnych systemach już od wielu lat. Ich typowymi zadaniami są: wykonywanie obrotów z określoną prędkością oraz o dany kąt, realizacja posuwów, a także innych zadań związanych z precyzyjnymi ruchami.

Są to elementy bezszczotkowe, które mogą pracować w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego, przy czym do ich użycia konieczne jest stosowanie odpowiedniego elektronicznego układu sterowania. Ograniczeniami omawianych silników są niewielkie zakresy osiąganych prędkości obrotowych, stosunkowo niskie moce oraz momenty obrotowe, a także występujące kwestie związane z grzaniem się i możliwymi wibracjami podczas pracy.

Stąd też w aplikacjach, gdzie wymagane są większe obciążenia, stosuje się albo napędy hybrydowe, albo rozwiązania serwonapędowe. Te ostatnie pozwalają na osiąganie znacznie większych prędkości i momentów obrotowych, przez co "serwa" wykorzystywane są w większych maszynach - w tym takich, gdzie wymagane jest precyzyjne pozycjonowanie oraz synchronizacja osi.

Podobnie jak dostawców przetworników położenia, tak też oferentów silników krokowych zapytaliśmy o najważniejsze ich zdaniem zmiany technologiczne. W poprzednich analizach najczęściej wymieniana była integracja, która dotyczyła zarówno łączenia sterowników z silnikami, jak też ich montażu wspólnie z enkoderami i innymi komponentami mechanicznymi.

Tym razem odpowiedź ta również pojawiła się parę razy, aczkolwiek było też kilka innych. Większość wskazań dotyczyła wykorzystania sieci komunikacyjnych (głównie EtherCAT), pojawiły się: dalsza miniaturyzacja oraz wzrost momentów osiąganych w małych silnikach dzięki stosowaniu nowych materiałów i rozwiązań konstrukcyjnych.

Wymogi klientów: standardowe czy nietypowe?

 

Oceny konkurencji na rynku krajowym

Odbiorcy przetworników położenia i silników skokowych mają, w pierwszym przybliżeniu, dosyć podobne do siebie wymogi względem samych produktów oraz ich dostawców. Niezmiennie kluczowe są 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 urządzeniach elektronicznych, jak też w aparaturze naukowej czy sprzęcie wojskowym, zróżnicowanie to widać tym razem bardzo wyraźnie.

 

Dostawcy silników skokowych (krokowych)

Powyższy obraz jest dosyć ogólny, tymczasem w omawianych obszarach istnieje 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 wspomnianą customizację, czyli produkcję enkoderów na zamówienie. W tym przypadku najczęściej dobierane są parametry techniczne (wymiary, liczba kroków, itp.) oraz interfejsy komunikacyjne. Usługi tego typu są szczególnie cenione przez klientów związanych z serwisem i utrzymaniem ruchu.

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. Trudno podać tu regułę dotyczącą "typowego zakupu", bowiem zamówienie zależy od potrzeb klienta i cech tworzonej aplikacji.

Warto podkreślić, że w omawianej branży działają dostawcy o dużej specjalizacji w zakresie produktów. Przykładowo część oferuje silniki krokowe z wbudowanymi enkoderami (pozwalają one na pracę z dużą dynamiką przy zniesieniu problemu z błędami pozycji), inni dostarczają również wersje miniaturowe. Te ostatnie ma w ofercie m.in. Faulhaber i na takie produkty jest niewątpliwie popyt w przypadku aplikacji specjalizowanych.

 

Najbardziej perspektywiczne zastosowania przetworników położenia – opinia polskich dostawców

Na koniec kilka słów na temat sytuacji na rynku. Obecnie klimat biznesowy na rynku jest korzystny, aczkolwiek respondenci zwracali też uwagę m.in. na dużą konkurencję, pojawianie się nowych firm i rywalizację cenową. W przypadku obydwu sektorów połowa uczestników badania uznała, że stopień nasilenia walki konkurencyjnej wśród dostawców jest duży, druga połowa stwierdziła, że jest on standardowy (taki jak w innych sektorach rynku) lub po prostu niewielki.

W przypadku przetworników położenia jest to sytuacja podobna do tej sprzed dwóch lat, zaś dla silników krokowych mamy do czynienia ze wzrostem dla odpowiedzi "silna" (patrz: publikowany wykres). Należy przy tym założyć, że na ten wynik istotny wpływ może mieć niewielka próba badawcza.