Technika serwonapędowa

Układy serwonapędowe umożliwiają wykonywanie dynamicznych ruchów, zapewniają pozycjonowanie elementów, a także pozwalają na precyzyjną kontrolę prędkości i kąta obrotu. Ich dodatkową cechą jest możliwość pracy z dużymi momentami obrotowymi przy niewielkich prędkościach. W efekcie tego zakres aplikacyjny w maszynach jest bardzo szeroki. Należy przy tym zaznaczyć, że określenie "układy serwonapędowe" dotyczy systemów sterowania ruchem oraz ich elementów składowych. Do tych ostatnich należą m.in. sterowniki ruchu oraz serwowzmacniacze (często zintegrowane ze sobą), serwosilniki (specjalistyczne silniki prądu przemiennego z wbudowanymi przetwornikami pozycji) oraz serwoprzekładnie, a także elementy dodatkowe, z oprogramowaniem włącznie.

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

Rozwój rynku krajowego

Sektor związany z dystrybucją rozwiązań serwonapędowych należy do rozwijających się branż, zaś koniunktura na nim panująca postrzegana jest zdecydowanie pozytywnie. Na początku 2020 roku blisko 100% respondentów oceniło ją jako dobrą lub bardzo dobrą. Należy przy tym zauważyć, że w porównaniu do poprzednich badań publikowanych w APA oraz IRA zmalał odsetek odpowiedzi "bardzo dobra" (np. w 2018 roku wynosił on 24%, dwa lata wcześniej aż 28%). Nie zmienia to jednak faktu, że rynek jest na długoterminowej ścieżce wzrostowej i przez wielu dostawców oceniany jest jako bardziej atrakcyjny niż branża klasycznych silników oraz napędów elektrycznych.

Dominik Turczyński

Multiprojekt Automatyka

W jakich maszynach i aplikacjach stosowane są napędy liniowe?

Spektrum aplikacji jest ogromne, klienci często nas zaskakują. Można to podsumować zdaniem – wszędzie tam, gdzie priorytetem jest wydajność i precyzja. Coraz częściej bezpośredni napęd liniowy jest pierwszym wyborem, zwłaszcza u tych klientów, którzy stosują go po raz kolejny. Jest to również alternatywa dla pneumatyki, a nawet i hydrauliki.

Jakie wersje są najpopularniejsze? Jak wygląda ich dobór do aplikacji maszynowych i innych?

Oprócz bardzo popularnych silników liniowych coraz większe uznanie zdobywają silniki liniowo-obrotowe, gdzie jedno urządzenie umożliwia ruch głowicy w dwóch osiach. Dobór napędów liniowych zawsze jest mocno indywidualny. Nie obędzie się bez szerokiej znajomości możliwości produktów z naszej strony i wiedzy o tym, jak wygląda proces od strony klienta.

Jakie są nowości techniczne?

Nasi dostawcy bacznie obserwują rynek i wprowadzają coraz nowsze modele silników, a wzmacniacze serwo obsługują kolejne protokoły komunikacji. Nowości pozwalają znaleźć zastosowania w coraz to nowych branżach: moduły ze stali nierdzewnej, iskrobezpieczne. Z drugiej strony oferta jest poszerzana w kierunku zwiększania wydajności i niezawodności rozwiązań już istniejących.

Główni krajowi odbiorcy serwonapędów

Wartość krajowego sektora serwonapędów, serwosilników i pokrewnych produktów szacowana była przez respondentów na kwoty od około 50 do 200 mln zł rocznie. Średnia dla tego zestawu danych to około 100 mln zł, a więc więcej niż w poprzednich badaniach. Cztery lata temu podawaliśmy wartość 50 mln zł, natomiast w 2018 – wartości 80‒90 mln zł. O ile wszystkie te liczby bazują na oszacowaniach i relatywnie małych próbach, o tyle ewidentnie widać tu trend wzrostowy.

Kim są najważniejsi odbiorcy serwonapędów? W poprzednio publikowanej analizie głównymi aplikacjami były te związane z maszynami dla branży metalowej, natomiast obecnie na pierwszym miejscu listy odpowiedzi znalazły się te dotyczące branży motoryzacyjnej, a tuż za nimi poligraficznej. Na wysokich miejscach sklasyfikowane zostały zastosowania związane z sektorem opakowaniowym, spożywczym, branżą metalową oraz obrabiarkową. Statystyka dotyczy, co należy zaznaczyć, perspektywy działających w kraju dostawców, a więc nie obejmuje wykorzystania serwonapędów w maszynach importowanych.

Leszek Szkudlarek

B&R Automatyka Przemysłowa

Oprócz standardowych serwonapędów na rynku pojawiają się również napędy liniowe, w tym z możliwością tworzenia swobodnie projektowanych torów jezdnych – jakie są tego powody? Gdzie są stosowane takie rozwiązania?

Konieczność wytwarzania coraz krótszych serii i mnogość różnych wariantów produktów wymusza poszukiwanie rozwiązań technicznych zapewniających jak największą elastyczność maszyn oraz linii produkcyjnych. Do tego dochodzą wymogi dotyczące minimalnych czasów przezbrojeń przy zachowaniu maksymalnej wydajności oraz jakości.

Technologia track bazująca na silnikach liniowych o specjalnej konstrukcji umożliwia niezależne sterowanie każdym z dowolnej liczby wózków transportujących produkt wzdłuż toru – i to precyzyjnie oraz przy ruchu z dużymi prędkościami. Dzięki modułowości oraz specjalnej konstrukcji niektóre z tych inteligentnych systemów pozwalają na projektowanie torów ruchu praktyczne dowolnego kształtu. Przepływy produktów można grupować oraz rozdzielać przy pełnej prędkości, jak również wysyłać je na różne stanowiska przetwarzania, a następnie znowu scalać. Procesy będące wąskimi gardłami mogą być przyspieszane dzięki ich zrównoleglaniu, dzięki czemu całkowite czasy cyklu są skracane, a produktywność maszyn i linii wzrasta.

Istotnym elementem jest również łatwość serwisowania oraz minimalizacja przestoju maszyn wyposażonych w taki system. W przypadku wymiany wózka transportującego produkt można go skierować na tor boczny, nie zatrzymując reszty linii, a następnie dosłownie w kilka sekund wymienić go na nowy. Nie bez znaczenia jest również dostępność bardzo zaawansowanych narzędzi projektowych i programowych, takich jak zaawansowana symulacja czy cyfrowy bliźniak. Pozwalają one na przeprowadzenie testów wykonalności na początkowym etapie projektu i ostatecznie znacząco skracają czas wdrożenia.

Wszystko to powoduje, że rozwiązania tego typu są coraz bardziej pożądane przez firmy produkcyjne, a ich uniwersalność sprawia, że implementowane są w bardzo różnych maszynach.

Pożądane cechy serwonapędów

Najważniejsze dla lokalnych klientów cechy serwonapędów

Jakich serwonapędów poszukują odbiorcy krajowi? Chcąc odpowiedzieć na to pytanie, stworzyliśmy dla respondentów kilka dosyć rozbudowanych pytań ankietowych. Pierwsza ze statystyk dotyczy najważniejszych dla lokalnych klientów cech serwonapędów. Obejmuje ona wskazania w zakresie parametrów, kosztów, marek i innych cech. Podobnie jak w poprzednich analizach rynkowych, tak też tym razem na topie znalazł się czynnik kosztowy, natomiast drugim były "interfejsy komunikacyjne" (poprzednio czwarte miejsce). Respondenci uważają, że ważną cechą produktów serwonapędowych jest ich marka, liczą się też możliwości kompletacji systemu (dostępność komponentów od jednego dostawcy) oraz naturalnie parametry techniczne. Lista wymogów jest dosyć długa i trudno tu wskazać te rzeczywiście dominujące.

Adam Depta

Lenze

Jakie są powody wykorzystywania serwonapędów?

Powodem stosowania napędów serwo jest ich coraz większa dostępność, malejąca cena, rosnące wymagania klientów w zakresie możliwości układów napędowych. Lenze proponuje rozwiązania do wszystkich zadań napędowych od prostych, jednoosiowych po złożone układy wieloosiowe z najwyższą dynamiką i wyrafinowanymi algorytmami sterowania.

Kolejną ze statystyk jest ta dotycząca najważniejszych trendów technologicznych. Dostawców zapytaliśmy o to, co jest na rynku nowością, czym wyróżniają się ich produkty lub po prostu jak bardzo wymienione cechy są istotne dla odbiorców. Najbardziej pożądanymi dzisiaj cechami są funkcje sterowania (zaawansowane algorytmy), komunikacji, możliwości pracy z różnymi silnikami, a także: kompaktowość, skalowalność i bezpieczeństwo pracy. Na pozycjach niższych niż w poprzednich badaniach znalazły się m.in.: dynamika, łatwość podłączania (prostota okablowania), łatwość parametryzacji. Owe "gorsze" wskazania można jednak interpretować jako "cechy powszechne" i jednocześnie warunki, które przez urządzenia serwonapędowe muszą być spełniane a priori.

Nowoczesne napędy liniowe

Napędy liniowe mają wiele zastosowań w przemyśle, w transporcie, w zastosowaniach w sprzęcie ciężkim, medycznym czy nawet w meblach. W kompendium "Napędy liniowe – po prostej i po krzywej", opublikowanym na stronie www.automatykab2b.pl, przedstawiliśmy ich liczne przykłady – od typowych siłowników po modułowe, rekonfigurowane systemy transportowe.

Uzupełniającym pytaniem było to o popularność interfejsów komunikacyjnych stosowanych w serwonapędach. W zestawieniu w pierwszej piątce odpowiedzi znalazły się sieci EtherCAT, Profinet, CANopen, Ethernet/IP oraz interfejsy szeregowe. Prymat pierwszej z sieci, której rozwój jest wspierany m.in. przez firmy Beckhoff, Omron Electronics i innych dostawców serwonapędów, to niewątpliwie trend występujący już od lat, a ona sama jest ewidentnym liderem bieżącego zestawienia.

Komentując powyższą statystykę, można zauważyć, że wiele z wymienionych na wykresie standardów komunikacji przemysłowej jest powiązanych albo z konkretnymi firmami, albo z organizacjami je promującymi. Stąd też wybór producenta urządzeń napędowych często determinuje rodzaj sieci komunikacyjnej wykorzystywanej w systemie (choć nie jest to absolutną regułą). Skutkiem jest duża liczba różnych stosowanych na rynku standardów, co w szczególności dotyczy technologii bazujących na Ethernecie przemysłowym. Warto również odnieść się do faktu, że komunikacja analogowa (impulsowe sterowanie pracą układów serwo) jest stosowana coraz rzadziej i można mówić o jej wypieraniu przez standardy cyfrowe.

Sebastian Aszklar

Beckhoff Automation

Gdzie stosowane są serwonapędy? Jakie są rozwijające się obszary?

Rosnące zainteresowanie serwonapędami wynika głównie ze zwiększenia wymagań w zakresie wydajności i uniwersalności maszyn. W nowoczesnych maszynach mamy do czynienia najczęściej z kilkoma i większą liczbą serwonapędów. Dlatego dobrze sprawdzają się systemy wieloosiowe takie jak AX8000 oraz compact motion – EL7211. Dodatkowo zwiększyła się wiedza i świadomość użytkowników w tym zakresie. Z chęcią stosują serwonapędy w miejscach, gdzie wcześniej sprawdzały się siłowniki pneumatyczne czy silniki krokowe.

Jakie są nowości? Czy należy do nich rozwiązanie jednokablowe?

Rozwiązanie jednokablowe One Cable Technology – integrujące zasilanie silnika, sygnał zwrotny oraz sterowanie luzownikiem – stosujemy już od ponad pięciu lat. Aktualnie praktycznie wszystkie napędy sprzedajemy w takiej właśnie konfiguracji. Coraz częściej widzimy również potrzebę wyposażenia silnika w bezpieczne sprzężenie zwrotne (safety feedback), co ułatwia zaimplementowanie zaawansowanych funkcji bezpieczeństwa.

Co jest istotne we współpracy z klientami?

Na pewno kluczowym elementem jest wsparcie techniczne dla systemów napędowych – zarówno na etapie doboru optymalnego rozwiązania, szkoleń, jak też uruchamiania w maszynie. Kompleksowa obsługa w tym zakresie pozwala na pełne wykorzystanie olbrzymich możliwości serwonapędów, jakie dają w przemyśle maszynowym.

Komentarze dostawców

W trakcie badania zadaliśmy jego respondentom pytanie związane z postrzeganą przez nich popularnością serwonapędów. Dokładniej dotyczyło ono tego, czy omawiane urządzenia stają się (lub już się stały) tak popularne, jak kilka lat temu przemienniki częstotliwości. Zdania były podzielone, aczkolwiek ze znaczną przewagą na korzyść wzrostu rynku serwonapędów. Poniżej przedstawiamy wybrane komentarze.

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

Zacznijmy od opinii potwierdzających, że mamy do czynienia z szybkim rozwojem branży i dużą popularnością produktów serwo. "Obecnie rynek serwonapędów w Polsce rozwija się dynamicznie i jego wzrost jest większy w porównaniu do rynku przemienników częstotliwości, tendencja ta prawdopodobnie utrzyma się", "serwonapędy są bardziej popularne niż kilka lat temu przemienniki częstotliwości i można powiedzieć że rynek serwonapędów w Polsce jest już dojrzały z tendencją do dalszego rozwoju" – to dwa z takich komentarzy. Szerszej wypowiedzi udzielił Marcin Sroczyński z Mitsubishi Electric: "Serwonapędy są popularne i stają się standardem w dynamicznych aplikacjach czy też krótkoseryjnych produktach charakteryzujących się dużą wydajnością przy jednoczesnym zachowaniu elastyczności. Stąd też napędy serwo są aktualnie równie popularne, jak kilka lat temu przemienniki częstotliwości AC. Co więcej – serwonapędy, ze względu na jakość sterowania, dostępne funkcjonalności, łatwość obsługi (autotuning itd.), kompaktowe gabaryty, coraz atrakcyjniejsze ceny czy możliwość oszczędzania energii zastępują napędy falownikowe w przemyśle OEM".

Cechy serwonapędów – odpowiedzi na pytania o to, co jest nowego, wyróżniającego (10 punktów), a co jest już standardem lub cechą powszechną (1 punkt); dla każdej z kategorii podano średnią wartość odpowiedzi

Popularność omawianych urządzeń rośnie wraz ze wzrostem ich możliwości. Dzisiaj mają one coraz częściej wbudowywane dodatkowe sterowniki (integracja z PLC), zapewniają też możliwości programowania za pomocą standardowych funkcji – np. PLCopen Motion Control. "Istotne są standardy, które przychodzą z zagranicy. PLC nadal stanowi główny element układu sterowania i ważne jest dopasowanie się pod względem komunikacji – np. do sterownika firmy Siemens czy Allen-Bradley. Coraz częściej klienci oczekują też dostawy całości: PLC, serwo, przekładnia. Rynek nie jest tak duży, jak w przypadku przemienników częstotliwości, ale rośnie dwukrotnie szybciej" – mówił Marek Bukieda z Yaskawa Polska. Owe wzrosty dotyczą szczególnie aplikacji najbardziej zaawansowanych. "Wzrost popularności wymuszony jest dużą konkurencją wśród czołowych producentów maszyn – np. obrabiarek CNC" – komentował inny z respondentów. "Serwonapędy stały się dużo bardziej popularne, ponieważ tworzone rozwiązania są coraz bardziej inteligentne i precyzyjne. Jesteśmy na etapie ciągłego wzrostu ich popularności, istnieje też ogromna liczba miejsc, gdzie znajdą one zastosowanie. Aczkolwiek jest to również wczesny etap rozwoju tego rynku" – mówił na ten temat Łukasz Tomaszek, który jest doradcą techniczno-handlowym w firmie Multiprojekt.

Wreszcie część respondentów była bardziej umiarkowana w ocenach. Twierdzili oni, że o ile głównymi czynnikami wzrostu popularności serwonapędów są rosnące wymagania klientów, o tyle obecnie urządzenia te nie są jeszcze tak popularne jak falowniki. "Na obecnym etapie jeszcze popular- ność serwonapędów ustępuje miejsca rozwiązaniom opartym na typowych przemiennikach częstotliwości. Głównym powodem jest cena i jej stosunek do osiąganych korzyści. Ale tendencja jest jasna – serwonapędy będą stosowane coraz powszechniej" – mówił Maciej Petela z firmy Hydac. "W części zastosowań serwonapędy wypierają przemienniki częstotliwości z uwagi na większą funkcjonalność i niewiele większe koszty. Natomiast w zastosowaniach, gdzie nie ma potrzeby precyzyjnego pozycjonowania (np. pompy mieszalniki), lub w systemach dużej mocy przemienniki częstotliwości pozostaną podstawowym rozwiązaniem" – stwierdził inny z komentujących.