Choć serwonapędy nie są nowym rozwiązaniem, to jednak cały czas technologia ta ewoluuje i podbija nowe obszary. Według badania firmy analitycznej Markets and Markets z 2017 r. globalny rynek serwonapędów i silników wzrośnie z nieco ponad 10 mld dolarów to prawie 16 miliardów w 2022 r. Oznacza to średnioroczny wzrost na poziomie ok. 6,25%.

Serwomechanizmy coraz popularniejsze

Dalszy tak dynamiczny rozwój technologii serwonapędów przełoży się nie tylko na wzrost wartości tej branży, ale również na poszerzenie potencjalnej grupy odbiorców, gdyż serwomechanizmy są wykorzystywane w coraz to nowszych aplikacjach przemysłowych związanych z automatyzacją produkcji, zwłaszcza tam, gdzie wymagane jest zwiększenie szybkości oraz precyzji pracy maszyn. Niebawem serwomechanizmy mogą stać się podstawowym napędem w maszynach i urządzeniach wykorzystywanych w przemyśle motoryzacyjnym oraz opakowaniowym. Już dziś technologia ta jest stosowana na szeroką skalę, m.in. we wtryskarkach tworzyw sztucznych, obrabiarkach, w tym obrabiarkach CNC, do procesów wiercenia, frezowania, cięcia czy sterowania stołem obrotowym, robotach przemysłowych czy też maszynach drukarskich. Dużą grupą maszyn korzystających z serwonapędów są maszyny wykorzystywane w procesach przenoszenia i układania produktów oraz ich pakowania – zwłaszcza produktów żywnościowych – gdzie wykonuje się takie czynności jak rozwijanie i zwijanie materiałów, napełnianie pojemników i ich zamykanie, porcjowanie produktów, dokręcanie pokrywek z określoną siłą, krojenie żywnościowych produktów czy przesuwanie opakowań oraz ich etykietowanie. Coraz częściej też serwomechanizmy można spotkać w całych liniach produkcyjnych czy montażowych.

Ważna rola enkodera

W dużym uproszczeniu serwonapęd można zdefiniować jako zamknięty układ wykonawczy pracujący w zamkniętej pętli ze sprzężeniem zwrotnym, wykorzystywany do sterowania ruchem obrotowym (rzadziej liniowym) głównie w takich urządzeniach i maszynach, w których wymagana jest duża precyzja przemieszczania się danego elementu bądź sterowanie przy bardzo małych prędkościach.

Serwonapędy składają się z trzech głównych elementów: silnika, układu sterującego oraz enkodera, który jest odpowiedzialny za sprzężenie zwrotne. I choć wydawać by się mogło, że najmniej istotna jest tu rola enkodera, to jednak bez tego urządzenia nie byłaby możliwa dokładna praca maszyn, a tym samym wiele procesów nie mogłoby być wykonywanych. Enkoder jest rodzajem czujnika, którego zadaniem jest zamiana ruchu obrotowego na sygnały elektryczne i dostarczanie informacji zwrotnej do układu sterowania o realnym stanie napędu (określenie dokładnej pozycji kątowej, przesunięcia oraz liczby obrotów) i porównanie jej z danymi o sygnale polecenie ze sterowników. To właśnie dzięki temu sprzężeniu zwrotnemu serwowzmacniacz wraz ze sterownikiem mogą wprowadzić odpowiednią korektę do układu sterowania silnikiem (obrót wału silnika o dany kąt, wykonanie odpowiedniej liczby obrotów, przesunięcie liniowe czy też zmianę prędkości obrotowej o określoną wartość). Im większa jest rozdzielczość enkodera, tym dokładniej określane jest położenie wirnika silnika, przez co mniejsze jest ryzyko utraty synchronizacji silnika.

Różne typy enkoderów

Warto pamiętać, że stosuje się różne rodzaje enkoderów, które mogą się różnić budową czy techniką dokonywania pomiarów. Ze względu właśnie na rodzaj pomiaru enkodery dzielimy na inkrementalne, czyli przyrostowe (przetworniki obrotowo-impulsowe) i absolutne (przetworniki obrotowo-kodowe). Enkoder inkrementalny generuje na wyjściu impulsy, które odpowiadają jednemu pełnemu obrotowi osi enkodera, dzięki którym istnieje możliwość zmierzenia względnej pozycji kątowej. Każdemu obrotowi odpowiada konkretna liczba impulsów, zwana rozdzielczością enkodera – im większa jest ta rozdzielczość, tym większa liczba impulsów przypada na jeden obrót i tym większa jest dokładność pomiaru. Najbardziej zaawansowane obecnie enkodery na rynku oferują rozdzielczość nawet 10 000 impulsów na obrót. Każde uruchomienie urządzenia bądź ponowne włączenie zasilania wymaga ustawienie pozycji bazowej. Oznacza to, że nawet chwilowy brak napięcia powoduje, że położenie obliczane jest od początku. Enkodery inkrementalne są prostsze i tańsze.

W odróżnieniu od enkodera inkrementalnego w enkoderze absolutnym generowany sygnał wyjściowy ma postać kodu cyfrowego, który jest odczytywany z tarczy enkodera. Zaletą tego typu enkodera jest zapamiętywanie aktualnej pozycji nawet po odłączeniu zasilania. Jest to możliwe dzięki skanowaniu pozycji tarczy kodowej i nawet zmiana położenia pozycji osi enkodera przy wyłączonym zasilaniu nie wymusza każdorazowego zerowania pozycji po ponownym włączeniu urządzenia pozwalając dokonać pomiaru dokładnej pozycji. Enkodery absolutne mogą wprawdzie określać swoją pozycję przy włączaniu, ale są bardziej skomplikowane i droższe.

Oba enkodery należą do grupy urządzeń optycznych, w których ważną rolę odgrywa wspomniany układ składający się ze źródła światła, tarczy oraz odbiornika sygnału, który następnie jest przekształcany przy użyciu przetworników w odpowiedni impuls elektryczny i wysyłany na zewnątrz. Obecnie coraz większą rolę w procesach produkcyjnych zaczynają odgrywać enkodery magnetyczne. W tego typu urządzeniach mamy do czynienia z trwałym magnesem przymocowanym do wału enkodera oraz tzw. czujnikiem Halla, który wykrywa przemieszczenie kątowe wału enkodera i pozwala ustalić jego położenie. Działające w tym układzie pole magnetyczne wywołane przez trwały magnes oddziałuje na wspomniany czujnik i wytwarza napięcie, które następnie przetwarzane jest w cyfrowy sygnał wysyłany na zewnątrz enkodera.

Zaletą enkoderów optycznych jest przede wszystkim większa dokładność pomiaru, za to enkodery magnetyczne odznaczają się większą odpornością na wszelkiego rodzaju zabrudzenia, które mogłyby przedostać się do wnętrza urządzenia. Tym samym lepiej sprawują się w trudnych warunkach środowiskowych pracy. Są też tańszymi urządzeniami.

Specyficznym rodzajem enkodera jest enkoder liniowy (inkrementalny bądź absolutny), którego zasada działania jest zbliżona do enkoderów obrotowych. Mierzona wielkość (w tym przypadku jednak nie jest ona związana z obrotem wału, a z przesunięciem liniowym) również przetwarzana jest na elektryczny sygnał cyfrowy bądź analogowy. Ten typ enkodera jest stosowany m.in. są w układach pomiarowych obrabiarek CNC i maszynach współrzędnościowych do kontroli poprawności wykonywanych zadań.

Przykłady rynkowe

Konieczność zapewnienia jak największej precyzji pomiaru wymusza na producentach wprowadzania stałych ulepszeń w oferowanych na rynku enkoderach. W sprzedaży dostępna jest szeroka gama tego typu urządzeń do zastosowań z wykorzystaniem serwonapędów. Firma Omron np. oferuje nową grupę serwonapędów 1S dostępnych w zakresie mocy od 100 W do 3 kW. Wszystkie modele standardowo wyposażono w 23-bitowy enkoder absolutny z krótkim czasem cyklu sieciowego wynoszącym 125µs o wysokiej rozdzielczości, niewymagający zasilania bateryjnego. Pozwala to osiągnąć wyższe prędkości napędu maszyn bez pogorszenia dokładności czy powtarzalności.

Z kolei w ofercie firmy WObit znajdziemy serwonapędy o rozmiarach kołnierza od 40 do 180 mm i o znamionowym momencie obrotowym od 0,64 Nm do 48 Nm. Wszystkie serwosilniki mają wbudowany enkoder inkrementalny o rozdzielczości 2500 imp./obr. Nowością natomiast jest seria silników wyposażona w enkoder absolutny jednoobrotowy lub wieloobrotowy (zapewnia pamięć zarówno kąta obrotu jak i liczby obrotów). Jest ona stosowana wszędzie tam, gdzie wyłączenie zasilania byłoby szkodliwe dla układu.

Serwosilniki serii MR-E Super koncernu Mitsubishi Electric o mocy od 100 W do 2 kW wyposażone są w przyrostowy enkoder położenia i oferują wysoki poziom wewnętrznego zabezpieczenia. Do zalet tej serii należy duża dokładność pozycjonowania oraz wysoka dynamika, a także niewielkie wymiary. Wśród dostępnych funkcji znajduje się także m.in. zabezpieczenie przed błędem enkodera.

Firma BoschRexroth oferuje natomiast serwonapędy serii IndraDrive. Jednostki sterujące tej rodziny napędów umożliwiają kontrolę silników 3-fazowych: silników synchronicznych, silników asynchronicznych, a także silników reluktancyjnych. Aby zapewnić uniwersalne i elastyczne możliwości wykorzystywania, skonfigurowano komunikację z prawie wszystkimi dostępnymi typami enkoderów, tj. analogowymi, cyfrowymi oraz łączonymi.

Synchroniczny silnik serwo serii CM firmy SEW Eurodrive wykorzystywany jest do aplikacji wymagających wysokiej dynamiki. Charakteryzuje się wysokim momentem obrotowym, a wśród opcji dostępny jest enkoder typu Hiperface, który jest kombinacją enkodera inkrementalnego i absolutnego i łączy zalety obu tych rodzajów enkoderów. Dzięki zastosowaniu wysoce liniowych sygnałów sinusoidalnych i kosinusoidalnych, wysoka rozdzielczość niezbędna do regulacji prędkości obrotowej jest uzyskiwana poprzez interpolację w regulatorze napędu.

W przyszłości enkodery będą najprawdopodobniej zmierzać w kierunku dalszej dokładności wykonywanych pomiarów (24-bitowość, nawet ponad 15 milionów impulsów na jeden obrót), razem z całymi serwonapędami będą zapewne podlegać dalszej miniaturyzacji oraz zwiększaniu wydajności, co powinno poszerzyć obszar zastosowań o nowe pola, których jeszcze do niedawna nikt się nie spodziewał.