Nowa, wręcz wyrafinowana, technologia liniowych napędów elektrycznych, pozwala na wyeliminowanie wszystkich dodatkowych układów mechanicznych, łożysk itp., które przekładają ruch obrotowy silnika na ruch postępowy (liniowy). Umożliwia także uzyskanie jak najlepszej dynamiki ruchu w coraz szerszym spektrum aplikacji.
W porównaniu z klasycznymi napędami liniowymi napędy bezpośrednie DDL (Direct Driver Linear) mają wiele wartościowych zalet. Zapewniają: znacznie lepsze przyspieszenia, większe prędkości, wysoką dokładność pozycjonowania przyłożonego obciążenia, dużą dynamikę reakcji na zmiany parametrów (kierunku, przyspieszenia) i wiele innych.
Kluczowym elementem systemu napędowego DDL jest silnik. W najprostszej postaci składa się z elementu głównego i dodatkowego, które odpowiadają wirnikowi i stojanowi w klasycznym silniku obrotowym, poruszającym płaszczyzną przez przekładnię. Element główny (ślizgowy) porusza się liniowo w stosunku do elementu dodatkowego, odseparowany szczeliną powietrzną. Na rynku dostępnych jest wiele rodzajów silników do liniowych napędów bezpośrednich DDL. Różnią się szczegółami rozwiązań technicznych, przy zachowaniu wspomnianej, ogólnej zasady działania.
Dojrzały, a wciąż rozwija się
Przedstawiciele działu napędów elektrycznych Bosch Rexroth uważają systemy napędowe DDL za w pełni już dojrzałą technologię napędową. Taką jednak, w której wciąż dokonują się olbrzymie postępy w zakresie funkcjonalności, dokładności itd. Rozmówcy Control Engineering powołują się na przykłady, jak chociażby ulepszenia w projektowaniu osłon chłodzących silniki. Minimalizują one różnicę temperatur między stojanem a podłożem mocującym maszynę, do poziomu mniej niż 2 K, optymalizują kształt pola magnetycznego, redukując naprężenia i drgania. Warte wspomnienia są także specjalne obudowy ze stali nierdzewnej, które chronią ścieżki torów pól magnetycznych w stojanie oraz ułatwiają bezpieczny montaż napędów w różnych aplikacjach.
? Silniki do napędów DDL to wyrafinowane maszyny, które łączą w sobie duże szybkości i przyspieszenia z wysoką dokładnością działania, przy stosunkowo prostej budowie całego mechanizmu ? podkreśla Karl Rapp, kierownik sekcji przemysłowej w Oddziale Automatyki i Mechaniki Bosch Rexroth. ? Pozwala to konstruktorom maszyn na opracowywanie całkowicie nowych koncepcji i projektów układów napędowych, które były dotychczas trudne lub wręcz niemożliwe.
Na przykład zastosowanie napędu DDL w procesie przemysłowym cięcia szkła zmniejszyło czas trwania tej operacji o około 20% w stosunku do używanego wcześniej serwomechanizmu z przekładniami zębatymi.
Zmodyfikowana w ten sposób maszyna Galactic (niemieckiej firmy Hegla) do cięcia płyt szklanych osiąga szybkość 3,5 m/s przesuwu w osiach x-y i przyspieszenie 12 m/s2. Wszystko przy zachowaniu tolerancji błędu cięcia na poziomie ?0,05 mm dla płyt o powierzchni ponad 20 m2. W maszynie zamontowano silniki liniowe bezpośrednie IndraDyn firmy Bosch Rexroth.
W układzie dotychczasowym dokładność wymiarów ciętych płyt utrzymywała się na poziomie ?0,2 mm.
We współczesnych tzw. inteligentnych napędach cyfrowych zaleca się ich łączenie z rozwiązaniami technologicznymi silników DDL. Celem jest osiągnięcie precyzyjnego sterowania w szybkich pętlach sprzężeń zwrotnych już na poziomie układów sterowania napędami, a nieobsługujących je specjalizowanych sterowników. Wysoka precyzja i dynamika działania napędów bezpośrednich oraz sztywność pozycjonowania możliwe są do uzyskania dzięki takim funkcjom, jak: kompensacja drgań elementu przesuwnego, interpolacja manometryczna czy ultrawysoka rozdzielczość sprzężenia sinusoidalnego.
? Z kolei funkcje automatycznej komutacji pozwalają na wyeliminowanie tzw. sprzężeń absolutnych lub elementów Halla, choć rozwiązania te mają oczywiście zapewnione odpowiednie wsparcie ? wyjaśnia Karl Rapp.
W opinii przedstawicieli firmy Yaskawa Electric ważne jest, by systemy z silnikami bezpośrednimi stawały się coraz bardziej proste w obsłudze i doborze parametrów pracy. Wprowadzony przez tę firmę nowy wzmacniacz dla serwomechanizmów Sigma-5 ma m.in. nową funkcję tuning-less (bez strojenia), która ułatwia wspomniane czynności. Jak podkreśla Paul Zajac, inżynier produktów w Yaskawa Electric America (YEA), funkcja ta ? w połączeniu z zaawansowanymi narzędziami autostrojenia ? upraszcza proces uruchomienia napędu i dostosowania jego nastaw do warunków pracy w konkretnej aplikacji oraz uzyskania przez nią jak największej wydajności. Kolejne udogodnienie to tłumienie wibracji, które redukuje zjawisko rezonansu, związanego zarówno z drganiami maszyny, jak też obciążenia.
? Funkcja ta automatycznie wykrywa i tłumi oscylacje o częstotliwościach poniżej 1 kHz ? wyjaśnia Paul Zajac. ? Możliwe jest również skonfigurowanie filtra pasmowo-przepustowego, który powoduje reakcję układu na częstotliwości w paśmie 1 kHz i wyższe.
Z kolei inżynierowie Parker i Hannifin skupili się na połączeniu doskonałych osiągów i redukcji błędów funkcjonowania liniowych napędów bezpośrednich, w opracowywanych współcześnie sterownikach.
? Nasze sterowniki zwiększają osiągi napędów poprzez eliminację większości ich błędów parametrycznych związanych z przeliczeniami pierwszej i drugiej pochodnej prędkości (przyspieszenie i przyspieszenie drugiego stopnia), powodowanych zwykle przez tarcie dynamiczne i spoczynkowe oraz inne, powtarzające się zaburzenia i czynniki zewnętrzne ? stwierdza Jay W. Schultz, menadżer produktów w firmie Parker. ? Eliminacja błędów i poprawa osiągów mają szczególne znaczenie w systemach napędów DDL, ponieważ obciążenie maszyny jest w ich przypadku przyłożone bezpośrednio do poruszającego się silnika, a więc do elementu generującego sprzężenie zwrotne do sterowania.
Przedstawiciele Siemens Energy & Automation zgodnie przyznają, że o dokonującym się widocznym wzroście popularności napędów bezpośrednich decyduje przede wszystkim wciąż postępujący ich rozwój technologiczny i funkcjonalny. Dowodem może być nowa, szósta generacja silników liniowych wprowadzona przez firmę na początku 2008 roku.
? Nasz nowy silnik 1FN6 ? samochłodzący, bezszczotkowy i synchroniczny ? wyposażony został w dodatkowy element ? bezmagnesowy stojan ? który ułatwia montaż napędu ? wyjaśnia Jeff Gerlach z Siemensa. ? Takie rozwiązanie doskonale sprawdza się w aplikacjach z długim przesuwem liniowym, a dzięki eliminacji konieczności chłodzenia wodą ułatwia i zmniejsza koszty instalacji.
Dominujące typy silników
Silniki stosowane w układach liniowych napędów bezpośrednich można podzielić na dwie podstawowe grupy: silniki bezszczotkowe synchroniczne PM (z magnesami trwałymi) oraz typu LIM (linear induction motors) ? liniowe silniki indukcyjne.
Dominującym rozwiązaniem są silniki z pierwszej z wymienionych grup. Eksperci wymieniają kilka przyczyn takiego stanu rzeczy:
- większy moment obrotowy i wydajność,
- szybszą odpowiedź silnika ze względu na istniejące w nim pole magnetyczne,
- mniejsze straty ciepła przenoszące się na całą strukturę maszyny,
- mniejsze wymiary zewnętrzne.
Pierwsze silniki do napędów bezpośrednich produkowane przez firmę Siemens & Energy były urządzeniami typu LIM. Jednak postęp technologiczny niejako wymusił konieczność konstruowania silników bezszczotkowych synchronicznych z magnesami trwałymi. Podstawowe korzyści wiązały się ze zwiększeniem momentu obrotowego oraz mniejszym zużyciem energii.
? Przykładowo, nasz stary synchroniczny silnik typu LIM wytwarzał moment stanowiący jedynie około 30% momentu obrotowego nowego silnika serii 1FN6 ? wyjaśnia Jeff Gerlach.
Na przewagę silników bezszczotkowych zwracają uwagę również przedstawiciele firmy Rockwell Automation, którzy podkreślają znacznie niższy koszt, jaki przypada na generowaną w nich moc i siłę mechaniczną. Steve Feketa, menadżer produktów Rockwella zaznacza, że typowy silnik synchroniczny PM, który wytwarza maksymalną siłę 2 356 N, ma objętość uzwojenia na poziomie 1 816 cm3 (1,30 N/cm3). Tymczasem silnik typu LIM, wytwarzający maksymalną siłę 2 224 N, potrzebuje do tego uzwojeń o objętości aż 25 659 cm3 (0,08 N/cm3). Dla silników bezszczotkowych PM dostępna jest również znacznie większa gama sterowników i wzmacniaczy.
Firma Yaskawa ma w ofercie kilka silników synchronicznych z magnesami trwałymi:
- bezrdzeniowe typu GW ? przeznaczone do napędów z minimalnymi drganiami i wahaniami momentu siły;
- z rdzeniem żelaznym typu FW ? z ruchomym rdzeniem i jednostronnym stacjonarnym torem magnetycznym, uzyskujący większą siłę na wyjściu, zwiększoną sztywność układu mechanicznego, ulepszony proces hamowania czas ustalania;
- z rdzeniem żelaznym typu TW ? z magnesami po obu stronach ruchomego uzwojenia dla uzyskania maksymalnych sił przyciągania powstających między biegunami magnesów i uzwojeniami;
- bez rdzenia żelaznego, cylindryczne typu CW, które stanowią podstawę bezkontaktowych, bezobsługowych napędów liniowych.
Silniki indukcyjne typu LIM znajdują jeszcze zastosowanie głównie w aplikacjach transportowych, w magazynach oraz niektórych zastosowaniach w rozrywce (np. karuzele itp.). Jednak większość dostawców i producentów automatyki oferuje przede wszystkim napędy liniowe, bezszczotkowe, synchroniczne z magnesami trwałymi.
Najważniejsze elementy pętli sprzężeń zwrotnych
Specjaliści z Rockwell Automation, którzy obserwują postęp i zmiany w rozwoju elementów niezbędnych w pętlach sprzężeń zwrotnych, dostrzegają kolejne wyzwanie technologiczne dla napędów DLL. Dotychczas enkodery optyczne ze skalą szklaną były jedynymi, które stosowano w praktyce w układach napędów DDL. Jednak ich koszt i wysoka czułość ograniczała zastosowania tych napędów do aplikacji elektronicznych z najwyższej półki. Takich, które działają w krystalicznie czystych środowiskach. (Wyjątek stanowią niektóre aplikacje mechaniczne, gdzie z powodzeniem stosowano sprzężenia optyczne z enkoderami ze skalą metalową).
? Osiągnięcia technologiczne w dziedzinie materiałów magnetycznych pozwoliły na opracowanie niedrogich enkoderów magnetycznych, które zaczęto stosować w układach napędów DDL ? wyjaśnia Steve Feketa z Rockwell Automation.
Wynikają z tego dwie główne korzyści, które umożliwiły popularyzację napędów DDL w szerszym spektrum aplikacji. Przede wszystkim enkodery te są bardziej odporne na niekorzystne czynniki środowiska przemysłowego (mniej czułe na zapylenie, bród i opiłki niż enkodery optyczne). Ponadto zastosowana w nich technologia magnetyczna jest znacznie tańsza od rozwiązań optycznych. Dla pomiarów przesunięć na odcinku jednego metra enkoder optyczny ze skalą szklaną kosztuje około 2 000 USD. Jego odpowiednik magnetyczny jest dziesięciokrotnie tańszy.
? Oczywiście, enkodery optyczne są bardziej precyzyjne, jednak użytkownicy przemysłowi napędów DDL stwierdzają, że oferowana przez enkodery magnetyczne rozdzielczość pomiaru rzędu 1 i 5 mikronów zwykle okazuje się dla nich wystarczająca ? podkreśla Feketa.
Kolejną olbrzymią zmianą dostrzeganą przez inżynierów Rockwell Automation jest rozwój zaawansowanych algorytmów i procedur, które redukują szarpnięcia i wstrząsy w napędach. Dzięki temu ich użytkownicy mogą stawiać napędom bardzo wysokie wymagania w zakresie precyzji i dynamiki działania. Jednocześnie zachowują długą żywotność zarówno napędów, jak i całych, obsługiwanych przez nie aplikacji mechanicznych.
Systemy napędowe oferowane przez Yaskawę wyposażone są w różne rodzaje enkoderów liniowych ? optycznych i magnetycznych.
? Najpowszechniej używanymi enkoderami są układy optyczne, głównie ze względu na większą dokładność ? mówi Paul Zajac.
Silniki liniowe Yaskawa są również kompatybilne z liniowymi enkoderami absolutnymi, które wykorzystują zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Są odporne na zanieczyszczenia olejowe i wodne (IP65). Oferują rozdzielczość pomiarową na poziomie 0,1 lub 0,5 mikrona, przy długościach pomiarowych do 6 m.
? Technologia bezkontaktowa to rozwiązanie optymalne do napędów uzyskujących wysokie prędkości i duże przyspieszenia ? dodaje Paul Zajac. ? Zastosowanie enkoderów absolutnych eliminuje potrzebę dokładnego obudowywania układu napędowego oraz detekcji pól magnetycznych.
Pracownicy Parker Hannifin podkreślają znaczący udział magnetycznych enkoderów liniowych w aplikacjach przemysłowych.
? Enkodery te są tanie w porównaniu z enkoderami optycznymi, prostsze w instalacji, przy zachowaniu wystarczającej rozdzielczości i precyzji pomiaru pozycji napędu oraz charakteryzują się dużą odpornością na zanieczyszczenia występujące zwykle w tym środowisku ? stwierdza Jay W. Schultz.
Ogólne koszty zakupu i utrzymania
Wstępne koszty zakupu i instalacji liniowego bezpośredniego systemu napędowego DDL (głównie silnika) mogą okazać się wyższe od rozwiązań alternatywnych. Jednakże wielu dostawców przyznaje, że dobrze zaprojektowany, dopasowany i zaaplikowany układ wpływa na obniżenie kosztów ogólnych użytkowania całej aplikacji. Przyczyniają się do tego: prostsza konstrukcja systemu napędowego, zredukowane czasy instalacji i doboru nastaw oraz lepsze osiągi i parametry funkcjonowania zainstalowanego napędu, które wpływają na jakość produktów finalnych.
? Obniżenie kosztów użytkowania napędów bezpośrednich wiąże się głównie z niewielką liczbą ruchomych elementów, które wymagają korekty ustawień i serwisowania ? przyznaje Karl Rapp z Bosch Rexroth. ? Oczywiście napęd należy zaprojektować i dopasować od początku do każdej aplikacji.
Próby montażu napędów używanych w jednej aplikacji do innej, podobnej, wykazały zmniejszenie osiągów i precyzji wykonywania powierzonych im zadań. Wysokie osiągi maszyn napędowych oznaczają znaczne korzyści dla użytkowników, szczególnie w procesach produkcyjnych, gdzie jakość produktu finalnego zależy od precyzji działania kilku układów maszynowych na linii produkcyjnej.
Przekonanie o tym, że ogólne koszty utrzymania napędów DDL są mniejsze od innych, alternatywnych rozwiązań, zwłaszcza w perspektywie długookresowej, wyraża Jeff Gerlach z Siemensa.
? Zastosowanie śrub ślimakowych wymaga dodatkowych procedur, jak kontrola momentu obrotowego czy uwzględnienie wahań w obliczeniach sterowania ? wyjaśnia Jeff Gerlach. ? Dzięki zastosowaniu napędów bezpośrednich zmniejsza się liczba elementów potencjalnie generujących błędy. W praktyce ogranicza je do modułów sprzężeń zwrotnych oraz sekcji podstawowej napędu.
Analitycy Rockwell Automation skupiają się przede wszystkim na obniżeniu ogólnych kosztów zakupu i użytkowania napędów oraz jak najszybszym zwrocie kosztów inwestycyjnych związanych z ich zakupem i instalacją. W ten sposób oferta napędów bezpośrednich DDL staje się konkurencyjna w stosunku do innych rozwiązań już na etapie wstępnym (zakupu, montażu, uruchomienia). W ich opinii należy przede wszystkim uświadomić klientowi-użytkownikowi korzyści związane ze zwiększeniem wydajności maszyn napędzanych silnikami DDL, redukcją procedur serwisowych oraz mniejszą awaryjnością. A to oznacza ograniczenie przestojów produkcji.
Dobrym przykładem mogą być aplikacje w sektorze spożywczym, gdzie obowiązują bardzo rygorystyczne przepisy i wymagania, na przykład co do wagi konkretnych produktów. Aby zatem uniknąć niedoważenia porcji, jeden z producentów zdecydował się na zastosowanie bezpośrednich napędów liniowych w aplikacji precyzyjnego cięcia wytwarzanego produktu. Zastąpił w ten sposób powszechną praktykę pakowania porcji o nieco większej wadze, niż wymagana (dodatkowe straty produktu). Na skutek zaistniałych w ten sposób oszczędności produktu stwierdzono zwrot inwestycji w układy napędowe DDL po 18 miesiącach ich użytkowania.
Z kolei specjaliści Parker Hannifin podają przykład aplikacji transportowych korzystających z przekładni pasowych, które mogą być zastąpione napędami liniowymi DDL. Ma to przyczyniać się do zwiększenia ich precyzji nawet o rząd wielkości, przy zachowaniu prędkości pracy napędu. Co więcej, w dość prosty sposób można zaaplikować układy wielonapędowe, stosując kilka uzwojeń na wspólnym rdzeniu-ścieżce ruchu.
? W ten sposób zwiększa się elastyczność, a koszty napędu na pojedynczą oś ruchu ulegają redukcji ? wyjaśnia Jay W. Schultz. ? To owocuje zwiększoną przepustowością i oszczędnością miejsca zajmowanego przez maszynę.
Zdaniem przedstawiciela firmy Parker Hannifin kolejne potencjalne źródło oszczędności to postępujący rozwój elementów niezbędnych do realizacji pętli sprzężeń zwrotnych w tych układach.
? Aktualnie spodziewany jest 10-12-procentowy wzrost rynku aplikacji systemów napędowych typu DDL w przemyśle, przy jednoczesnym prognozowanym wzroście ogólnym zastosowań napędów na poziomie około 6% ? stwierdza John Good z Rockwell Automation.
Niewielki stosunkowo segment związany z napędami DDL stanowi już w skali światowej rynek wart 725 milionów USD. Spodziewany jego wzrost wynika głównie z coraz większej popularności i otwarcia przemysłu na aplikacje takich napędów w maszynach produkcyjnych i nie tylko. Z pomocą przychodzi tu rozwój nowszych, tańszych enkoderów magnetycznych dla pętli sprzężeń i coraz niższe ceny materiałów magnetycznych, które stanowią znaczącą część kosztów silników liniowych bezpośrednich.
? Producenci i konstruktorzy maszyn osiągnęli już granicę możliwości technologicznych w klasycznych układach serwomechanizmów dla zastosowań w układach napędów liniowych i rozpoczęli poszukiwania nowych rozwiązań, które pozwalają na zwiększenie osiągów i precyzji działania budowanych maszyn napędowych ? podsumowuje John Good.
Przedstawiciele Siemensa odnotowują postępujący wzrost wymagań użytkowników i konstruktorów układów napędowych w zakresie funkcjonalności i osiągów napędów typu DDL.
? Zauważamy również zwiększone zainteresowanie użytkowników wymianą układów napędowych liniowych i obrotowych w istniejących już maszynach, na napędy bezpośrednie DDL ? mówi Jeff Gerlach. ? Wydaje się, że kolejnym krokiem będzie zamiana serwomechanizmów ze śrubami ślimakowymi oraz innymi elementami mechanicznymi, na napędy liniowe z odpowiednio zaprojektowanymi elementami podstawowymi i ruchomymi dodatkowymi, które zapewniają odpowiedni ruch w osiach obsługiwanego układu mechanicznego. Rezultatem będzie mniejsza liczba elementów, krótszy czas instalacji napędów oraz ich lepsza wydajność.
W ostatnim czasie Yaskawa odnotowała aż 10-krotny wzrost sprzedaży napędów DDL. Szczególnie dla sektora przemysłu półprzewodnikowego oraz paneli słonecznych. Jednak według Jaya Schultza z Parker Hannifin wzrost rynku napędów liniowych DDL jest niejednolity.
? Na niektórych rynkach spodziewany jest nawet 15-procentowy poziom wzrostu przez kilka najbliższych lat, podczas gdy na innych znacznie mniejszy ? mówi Schultz. ? Niemniej Parker w stałym tempie zwiększa swoje możliwości produkcyjne, w celu zaspokojenia rosnącego zapotrzebowania na liniowe napędy DDL. Robimy to pomimo dzisiejszej, niestabilnej sytuacji w gospodarce.
Rozwój rynku napędów liniowych DDL związany jest także z dużymi nakładami ponoszonymi w celu uproszczenia ich budowy oraz ułatwienia procesu instalacji i uruchomienia. Przedstawiciele Parkera utrzymują, że oferowane przez nich napędy są najłatwiejsze w integracji z aplikacjami użytkowymi. W ich opinii napędy te mogą być poprawnie zainstalowane i uruchomione przy użyciu powszechnie stosowanych narządzi, nawet przez niezbyt wykwalifikowane osoby.
Analizując przytoczone w artykule informacje można zaryzykować stwierdzenie, że systemy liniowych napędów bezpośrednich DDL to technologia wprawdzie w pełni dojrzała, jednak wciąż rozwijająca się i otwarta na innowacyjne rozwiązania w przyszłości.
Frank J. Bartos
Artykuł pod redakcją dra inż. Andrzeja Ożadowicza