Enkodery i silniki skokowe

Gdy liczy się precyzja
Enkodery są jednymi z najczęściej stosowanych elementów pomiarowych w automatyce. Zamieniają one ruch obrotowy na sygnały, które umożliwiają określenie dokładnego położenia kątowego, liczby obrotów czy prędkości obrotowej. Natomiast zadaniem silników skokowych jest przekształcenie ciągu impulsów sterujących w dyskretne ruchy mechaniczne.
Zarówno enkodery, jak i silniki skokowe można spotkać w ofercie wielu dostawców działających na polskim rynku. Na dodatek bardzo często w asortymencie jednego dostawcy znajdują się oba tytułowe produkty. Bogactwo rodzajów oraz różnorodność ich wykonania pod kątem mechanicznym są tak duże, że każdy klient poszukujący odpowiedniego rozwiązania do swojej aplikacji bez wątpienia znajdzie urządzenie dostosowane do swoich potrzeb.
Ranking popularności enkoderów
Przekrój oferty enkoderów na polskim rynku jest bardzo szeroki. Od najprostszych, tanich enkoderów, do bardziej zaawansowanych, o bardzo dobrej jakości wykonania i optymalnych parametrach mechanicznych. Zdaniem Pawła Naglika, dyrektora w firmie Kubler, nadal najbardziej popularne są enkodery inkrementalne (inaczej przyrostowe), które zazwyczaj stosuje się do pomiarów prędkości obrotowej (np. montowane bezpośrednio na napędach). Mogą być one używane również do pomiarów pozycji, pośrednio przesunięcia itd. Cechuje je jednak brak możliwości „pamiętania” pomiaru po wyłączeniu zasilania. – Z tego też względu coraz bardziej popularne są enkodery absolutne, których główna funkcja to pomiar pozycji kątowej, pozycjonowanie itp. W tych enkoderach obserwujemy największy rozwój, który wiąże się z wykonaniami z różnymi interfejsami sieciowymi, z coraz większymi rozdzielczościami – mówi Paweł Naglik.
Obecnie różnica pomiędzy ilością dostarczanych enkoderów inkrementalnych i absolutnych co roku bardzo szybko się zmniejsza. Mimo wszystko jednak klienci najczęściej decydują się na zakup enkoderów inkrementalnych.
– Wpływ na decyzje klientów o wyborze tego rodzaju enkoderów ma niewątpliwie dostępność i stosunkowo niska cena oraz łatwość wbudowania w większe systemy – twierdzi Tomasz Witek, doradca ds. techniczno-handlowych w firmieMultiprojekt.
Oba typy enkoderów różnią się wytwarzanym na wyjściu sygnałem oraz możliwością pamiętania mierzonej wielkości. Najważniejszym parametrem określającym enkoder inkrementalny jest liczba impulsów generowanych na jeden pełen obrót jego osi, przy czym rozdzielczość enkodera decyduje o tym, ile impulsów wyjściowych odpowiada danemu przesunięciu. Ma to wpływ na dokładność pomiaru wielkości przesunięcia kątowego, ponieważ wzrost rozdzielczości sprawia, że możliwe jest zmierzenie mniejszego przesunięcia kątowego. Ale enkodery inkrementalne nie pamiętają aktualnego położenia. Generują jedynie impulsy, które są zliczane za pomocą odpowiedniego licznika znajdującego się w układzie sterującym maszyną, przekazując w rezultacie informację o wykonanym przez układ napędowy przesunięciu lub o aktualnym położeniu. Możliwością zapamiętywania aktualnej pozycji nawet po wyłączeniu zasilania cechują się enkodery absolutne, które na wyjściu generują sygnały kodowe (każdemu kątowi obrotu odpowiada konkretna wartość kodowa na wyjściu). Enkodery absolutne mogą być jedno- lub wieloobrotowe. Pierwsze z nich rozróżniają pozycję jedynie w ramach jednego obrotu wału. W związku z tym efektem obrotu wału o kąt 360° jest zawsze taki sam sygnał na wyjściu. W przypadku enkoderów wieloobrotowych generowany jest sygnał wyjściowy informujący nie tylko o pozycji kątowej, lecz także o liczbie wykonanych obrotów.
Jak wynika z danych zebranych w wyniku ankiety przeprowadzonej przez redakcję magazynu Control Engineering Polska wśród dostawców i użytkowników, większość respondentów jest zdania, że obecnie największym zainteresowaniem cieszą się enkodery inkrementalne, czyli przetworniki obrotowo-impulsowe (wykres 1). Z kolei enkodery absolutne (przetworniki obrotowo-kodowe) mimo wielu niezaprzeczalnych zalet są nadal dużo mniej popularne.
Klienci najczęściej decydują się na enkodery z osią – mają one wał, który może być sprzęgnięty np. za pomocą sprzęgła z wałem silnika lub innego elementu mierzonego. Enkodery te zostały uznane za najchętniej kupowane przez 86% użytkowników oraz 83% dostawców. Pozostała część ankietowanych wskazała na enkodery z otworem, które mogą być bezpośrednio osadzane np. na wale silnika.
Jeżeli chodzi o ranking popularności enkoderów ze względu na sygnały wyjściowe, to – zgodnie z typowaniami dwóch ankietowanych grup – na pierwszym miejscu uplasowały się enkodery inkrementalne z wyjściem podwójnym. Na dwóch kolejnych miejscach znalazły się enkodery absolutne z wyjściem szeregowym (cyfrowym) oraz enkodery inkrementalne z wyjściem pojedynczym. Za dużo mniej interesujące rozwiązania zostały uznane enkodery absolutne z wyjściem równoległym oraz enkodery absolutne z wyjściem analogowym.
Biorąc pod uwagę takie parametry, jak budowa i sposób pomiaru, najpopularniejsze okazały się enkodery optoelektroniczne, w których określenie pozycji czy liczby obrotów realizowane jest za pomocą tarczy z nacięciami oraz układu optycznego. Zostały one wskazane przez 92% dostawców i 76% użytkowników. Reszta ankietowanych osób wybrała enkodery magnetyczne, w których pozycja określana jest na podstawie pola magnetycznego pochodzącego z magnesu i odczytywanego przez dedykowany układ elektroniczny.
Najczęściej kupowane silniki skokowe
Silniki skokowe można podzielić ze względu na rodzaj ruchu – na silniki wirujące i liniowe. Jak pokazuje wykres 2, silniki wirujące cieszą się dużo większym zainteresowaniem. Według ankietowanych użytkowników najbardziej popularnymi pod względem budowy rodzajami silników skokowych są: silniki z magnesem trwałym (76%), silniki hybrydowe (19%) oraz silniki o zmiennej reluktancji (5%). Typowania te różnią się od opinii sondowanych dostawców, którzy na pierwszej pozycji umiejscowili silniki hybrydowe (64%), a na kolejnych – silniki z magnesem trwałym (27%) i silniki o zmiennej reluktancji (9%).
Silniki hybrydowe są obecnie najnowocześniejszym typem silników krokowych. Wprawdzie są droższe niż silniki z magnesami, ale za to mają dużo lepszą rozdzielczość i szybkość. Silnik hybrydowy łączy w sobie zalety silnika ze zmienną reluktancją i silnika z magnesem stałym. Rotor silnika ma wiele zębów oraz osiowo namagnesowane magnesy, umiejscowione koncentrycznie wokół osi. Zęby rotora polepszają przepływ magnetyczny, poprawiając charakterystyki momentu spoczynkowego i dynamicznego w porównaniu z silnikami z magnesem stałym i reluktancyjnym.
Zalety i wady silników skokowych
Silniki skokowe mają bez wątpienia wiele atutów. Lista zalet tych produktów jest dość długa, ale zdaniem ankietowanych na uwagę zasługują głównie takie ich walory, jak: precyzyjne pozycjonowanie i powtarzalność ruchu, możliwość dokładnego sterowania w pętli otwartej (dzięki czemu można wyeliminować konieczność zastosowania urządzeń sprzężenia zwrotnego, takich jak enkodery optoelektroniczne) oraz łatwość w sterowaniu dzięki zależności obrotów silnika od impulsów dyskretnych. Ponadto respondenci doceniają inne przymioty silników skokowych, m.in. możliwość bardzo szybkiego rozbiegu, hamowania i zmiany kierunku oraz pracy silnika z pełnym momentem w stanie spoczynku, szeroki zakres prędkości obrotowej, łatwość konfiguracji i uruchomienia, a także niezawodność (wykres 3).
Silniki skokowe nie są jednak pozbawione wad. Zdaniem ankietowanych największymi utrudnieniami w ich użytkowaniu są przede wszystkim: zjawisko gubienia kroków, trudności w pracy z bardzo dużymi prędkościami, pojawianie się rezonansów mechanicznych przy niewłaściwym sterowaniu.
Jeśli chodzi o zgubienie kroku, to – zdaniem Tomasza Haliniaka, szefa zespołu handlowego w firmie Eldar – jeśli do tego dojdzie, nie jesteśmy tego nawet świadomi, że zadana pozycja nie została osiągnięta. Oczywiście konstruktorzy maszyn bronią się przed tym, dobierając silniki z dużym zapasem momentu (nawet 4050%) lub stosując enkodery pomiarowe w pętli sprzężenia zwrotnego. Takie zabiegi nie rozwiązują jednak kolejnego ważnego problemu: drgań i wibracji, które są przyczyną głośnej pracy i rezonansów mechanicznych występujących w pewnych zakresach prędkości obrotowej. Tu sprawa jest trudniejsza, ponieważ takie kłopoty wynikają z podstawowej cechy silników krokowych, tj. pracy krokowej. Nawet praca z podziałem na mikrokroki często rozwiązuje sprawę tylko częściowo. Duża popularność silników krokowych pokazuje jednak, że mają one ciągle sporą grupę zwolenników. Istnieją bowiem aplikacje, w których wymienione problemy są akceptowalne.
Cena ma znaczenie
Zdaniem użytkowników i dostawców głównym kryterium branym pod uwagę przy zakupie zarówno silników skokowych, jak i enkoderów jest przede wszystkim cena (wykresy 4 i 5). Innymi ważnymi czynnikami są dla użytkowników jakość i marka, natomiast dostawcy uznali za istotny np. termin dostawy. Około jedna trzecia użytkowników uważa, że również parametry techniczne mają duży wpływ na decyzję zakupową. W przypadku silników skokowych liczą się głównie takie parametry, jak: moment obrotowy, częstotliwość impulsowania, rozdzielczość i stabilność, natomiast w przypadku enkoderów – stopień ochrony, odporność na warunki zewnętrzne. Ważna jest także rozdzielczość/obrót – określa, jaki jest najmniejszy kąt obrotu, który potrafi zmierzyć enkoder.
Warto dodać, że użytkownicy w większości dobrze lub bardzo dobrze oceniają jakość usług i kompetencje dostawców silników skokowych i enkoderów (wykres 6). W ich opinii na uznanie zasługują: duża wiedza i zaangażowanie w pomoc techniczną, fachowe doradztwo, terminowość dostaw, dobry kontakt oraz solidność.
Zastosowanie
Wśród obu ankietowanych grup panuje jednomyślność w kwestii głównych obszarów zastosowań silników skokowych. Najważniejsze z nich to: układy automatyki a także komputery i urządzenia peryferyjne do nich (stacje dysków, czytniki, skanery, drukarki itd.). W dalszej kolejności pojawiły się: automatyka budynkowa, aparatura medyczna oraz urządzenia militarne i lotnicze.
Z przeprowadzonej ankiety wynika, że zarówno użytkownicy, jak i dostawcy prezentują podobny sposób myślenia co do najistotniejszych obszarów zastosowań enkoderów, którymi są: układy automatyki, maszyny.
Rynek widziany oczami dostawców
Według ankietowanych dostawców bieżąca koniunktura na polskim rynku silników skokowych jest dobra (50%) lub bardzo dobra (10%). Pozostałe 40% ma na ten temat zupełnie odmienne zdanie, twierdząc, że rozwój rynku blokuje brak świadomości i wiedzy elektroników oraz automatyków „starej daty”, a także rosnąca popularność serwonapędów, które coraz częściej zastępują silniki skokowe.
W przypadku enkoderów większość, bo aż 82% respondentów uważa, że bieżąca koniunktura jest dobra, na co – zdaniem dostawców – niewątpliwie mają wpływ takie czynniki, jak: zwiększające się wymagania systemów automatyki, częste modernizacje maszyn oraz linii produkcyjnych, jak również wiele korzyści wynikających ze stosowania enkoderów w stosunku do poniesionych kosztów. Pozostała część ankietowanych jest zdania, że obecna koniunktura zasługuje na miano złej.
Zdaniem Pawła Naglika z firmy Kubler rynek enkoderów rozwija się z roku na rok ze względu na szybko rosnące wymogi współczesnych systemów automatyki oraz zastosowanie enkoderów w nowych branżach, w których dotąd nie były one używane.
Dostawców biorących udział w sondażu poprosiliśmy także o porównanie sprzedaży sprzed ostatnich 6 miesięcy do okresu wcześniejszego. Okazuje się, że w przypadku silników skokowych sprzedaż wzrosła (50%), pozostała bez zmian (38%) bądź zmalała (12%). Jeśli chodzi o enkodery, to w ciągu ostatniego półrocza sprzedaż wzrosła (55%) lub pozostała bez zmian (45%).
Wymienianymi powodami polepszenia koniunktury są m.in. wzrost zapotrzebowania klientów na tego rodzaju silniki, coraz bogatsza oferta produktowa itd.
64% dostawców jest przekonanych, że najbliższy rok przyniesie korzystne zmiany w sprzedaży enkoderów, na co z pewnością wpłyną: wzrost ilości aplikacji, w których liczy się dokładna informacja o pozycji, zwiększenie liczy odbiorców zainteresowanych inwestowaniem w nowoczesne rozwiązania oraz pojawianie się coraz nowszych, ulepszonych wersji enkoderów. Warto dodać, że 27% dostawców uważa, że niestety nie ma co liczyć na większe zmiany, a pozostali (9%) kreślą pesymistyczną wizję spadku sprzedaży.
Zdaniem Bogusława Krasuskiego, Marketing Managera z firmy Omron Electronics, silniki krokowe, wybierane głównie ze względu na niską cenę, są coraz częściej wypierane przez serwo, bardziej stabilne i wydajniejsze. Wzrost popytu na wszelkiego rodzaju systemy pozycjonujące powoduje wzrost sprzedaży np. serwonapędów, w których enkodery są już zainstalowane fabrycznie. W opinii przedstawiciela firmy Omron Electronics na polskim rynku, gdzie enkodery sprzedaje się głównie jako oddzielny produkt, nie można raczej spodziewać się znaczącego wzrostu zapotrzebowania.
Trendy
Jeśli chodzi o enkodery, to – jak zauważa Szymon Gumółka, Marketing Manager z firmy Balluff, przyszłość pomiarów przy ich użyciu będzie oparta na wysokich parametrach, najnowszej technologii oraz miniaturyzacji. – Choć enkodery obecne są na rynku automatyki od wielu lat i przechodziły liczne technologiczne modernizacje, to ich temat nadal nie został wyczerpany. Warto wspomnieć o zaprezentowanym w zeszłym roku absolutnym enkoderze magnetycznym BML S1H, który jest obecnie prawdopodobnie najmniejszym na świecie projektem tego typu.
W opinii Mateusza Wądzyńskiego, inżyniera wsparcia technicznego z firmy Simex, dzięki współczesnej technologii miniaturyzacja nie wiąże się ze spadkiem rozdzielczości, jak miało to miejsce jeszcze parę lat wstecz. Co więcej, w niewielkich obudowach znaleźć można również wieloobrotowe enkodery absolutne.
Ponadto enkodery coraz częściej są wyposażone w interfejsy do popularnych sieci przemysłowych, niezbędne do komunikacji urządzenia z całym systemem kontrolnym, pomiarowym. Nie sposób tutaj pominąć najpopularniejszego standardu komunikacyjnego w sieciach lokalnych, jakim jest nadal Ethernet. Dużym zainteresowaniem cieszą się także takie interfejsy, jak: SSI (Synchronus Serial Interface), Profibus, CANopen (Controller Area Network), DeviceNet, Interbus itd. Dzięki temu, że enkodery mogą mieć wbudowane wszystkie wymienione interfejsy komunikacyjne, są one bardzo uniwersalnymi i wszechstronnymi produktami wykorzystywanymi w wielu branżach.
Coraz bardziej popularne są enkodery z większą rozdzielczością, a także enkodery heavy-duty, dedykowane do pracy w ciężkich warunkach przemysłowych. Dużym zainteresowaniem cieszą się również enkodery z certyfikacją SIL (Safety Integrity Level), która określa poziom nienaruszalności bezpieczeństwa. Certyfikacja SIL gwarantuje, że dany produkt, w tym przypadku enkoder, jest niezawodny. Tego rodzaju enkodery stosowane są m.in. w systemach przenośników oraz we wszelkiego typu systemach automatyki, które wymagają podwyższonego bezpieczeństwa.
Również w przypadku silników skokowych można zauważyć trend do m.in. miniaturyzacji tych urządzeń, zwiększania ich stopnia ochrony oraz uproszczeń w konfiguracji.
Ciekawymi rozwiązaniami są dostępne na polskim rynku napędy serwokrokowe składające się z silnika krokowego z wbudowanym enkoderem oraz drivera, w którym zapisano model matematyczny silnika. – Praca w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego umożliwiła wyeliminowanie problemu gubienia kroków nawet przy pracy z maksymalną prędkością 3 tys. obr./min. Dodatkowo nie ma potrzeby dobierania silnika z tak dużym zapasem momentu, ponieważ enkoder gwarantuje, że nawet chwilowe przeciążenie nie powoduje utraty synchronizacji. Ciągły pomiar parametrów wektora prądu w połączeniu z kontrolą pozycji wirnika zapewnia uzyskanie niespotykanej w układach krokowych płynności ruchu obrotowego wału silnika już przy prędkości 0,2 obr./min (również przy małych rozdzielczościach, np. 500 kroków/obr.) – wyjaśnia Tomasz Haliniak. Przedstawiciel firmy Eldar dodaje, że dzięki bardzo korzystnemu stosunkowi ceny do możliwości popularność napędów serwokrokowych w Polsce nieustannie rośnie. Coraz bardziej przystępne ceny takich rozwiązań dodatkowo powiększają grono zadowolonych użytkowników.
Raport powstałw oparciu o dane uzyskane z ankiety przeprowadzonej w lipcu 2013 r. wśród czytelników miesięcznika Control Engineering Polska. Oprócz tego przy tworzeniu raportu bazowano na informacjach pochodzących od dostawców enkoderów i silników skokowych. Raport nie odzwierciedla pełnego obrazu rynku.
CE