Print

Evoluce krokových motorů

-- 21.06.07

Jednoduché ovládání, miniaturní rozměry motorů a řídicích jednotek a vyšší hustota točivého momentu krokových systémů znamenají životaschopnou alternativu k servopohonům v určitých aplikacích pro nízký výkon.

Jde o jedinou metodu polohování, která může běžet v otevřené smyčce bez nutnosti zpětné vazby. Proto jsou systémy založené na krokových motorech jednodušší než servopohonové systémy, přičemž k atraktivitě krokových motorů přispívá také jejich nižší cena. Krokové systémy, které jsou navíc doplněny o další vyspělá designová vylepšení, jako je miniaturizace hardwaru a vyšší hustota točivého momentu, jsou konkurenceschopné pro mnoho polohovacích aplikací, které vyžadují relativně malou rychlost a přesnost polohy.

Krokové polohovací systémy mohou mít ekvivalentní výkon až 0,75 kW (1 k), ale většina aplikací běží s mnohem menším výkonem. Na trh je dodává mnoho výrobců.

Jde o velikost a jednoduchost

Společnost Parker Hannifin Corp. vidí velikost a jednoduchost jako nespornou výhodu krokových systémů ve srovnání se servopohony, přičemž také klesá jejich cena. „Krokové systémy jsou nyní běžně dostupné v miniaturních velikostech, a to bez jakéhokoli navýšení ceny,“ říká produktový manažer Marc Feyh. „Existují i některé miniaturní servosystémy, ty ale nejsou tak malé a bývají dražší, protože musí být miniaturizováno více součástí.“ Dalším přínosem je jednoduchost práce v otevřené smyčce. Avšak konkurování na poli cena/výkon je těžší.

Stále pokračují práce na inovaci v oblasti zmenšení velikosti a zachování výkonu za „rozumnou cenu“. Společnost Parker tento trend odlišuje od drahých špičkových krokových systémů, které levnějším servosystémům nekonkurují tak dobře. Společnost Parker’s Electromechanical Automation Div. vychází vstříc požadavkům na velikost a cenu a představila svůj pohon/automat Prostep – kompaktní mikrokrokovou jednotku s plně programovatelným automatem a zabudovanými I/O prvky.

Jednotka velikosti dlaně (28 × 38 × 102 mm) se instaluje k lineárním aktuátorům Promech Series společnosti Parker a tvoří miniaturní krokový polohovací systém. Rotační krokové motory Parker jsou ve velikostech NEMA 11, 14 a 17, což znamená 1,1, 1,4 a 1,7 palce (28, 36 a 43 mm) podle bočního rozměru, respektive plochy průřezu motoru.

Podle společnosti Shinano Kenshi Corp. (SKC) patří menší velikosti motorů, vyšší točivý moment a nižší hluk/vibrace k výhodám, díky kterým je polohování s použitím krokových motorů relevantní. Společnost SKC nabízí zlepšení ve všech těchto oblastech při zachování (nebo snížení) ceny svých krokových motorů. Nové, vylepšené rotorové a statorové plechy zlepšily vnitřní prostor a konstrukci krokových motorů NEMA 17 a 23.

Vylepšené krokové motory dodávají o 20 až 30 % více pracovního točivého momentu než předchozí model SKC, při stejném příkonu a použití standardních levných magnetických materiálů, vysvětluje Rex Bergsma, prezident společnosti SKC (USA). Zlepšení je dáno umístěním zvláštního magnetického materiálu do rotoru. Při zachování celkového prostoru to vyžadovalo uvolnit určitý prostor statoru, kde se nacházejí fázová vinutí. Nově navržené plechy také zlepšily tvar profilu jednotlivých zubů statoru a rotoru u nových krokových motorů SKC STP-43D. Výsledkem je silnější, koncentrovanější pole magnetického toku, což se odráží ve snížení slyšitelného hluku (viz diagram) a „zkrácení doby ustálení (nebo tlumení) téměř na polovinu v porovnání s předchozími modely,“ říká Rex Bergsma.

Nejen rotační

Kromě tradičních rotačních krokových motorů existuje také významná podskupina lineárních krokových motorů. Společnost Baldor Electric Co. zaznamenává zvýšený zájem aplikačních a projektových techniků o tyto lineární polohovací produkty. Jmenuje jejich výhody v porovnání s rotačními krokovými motory (a servomotory), jako je nižší počet součástí, téměř žádné opotřebení ani nutnost údržby a snadná integrace do strojů. „Lineární krokové motory se dobře hodí do aplikací s lehčím zatížením a poskytují skvělý výkon v otevřené smyčce v ostatních aplikacích, kde mají vyšší akceleraci a rychlost než rotační krokové motory,“ říká John Mazurkiewicz, produktový manažer společnosti Baldor.

Společnost Baldor vyrábí řadu lineárních krokových motorů, včetně jedno- a dvouosých (x-y) jednotek, víceosových jednotek portálového typu a zakázkových provedení. Programovatelné automaty této společnosti řady NextMove poskytují vhodné výstupy pro provozování lineárních a rotačních krokových motorů (stejně jako servomotorů). Nejnovějším produktem společnosti NextMove jsou polohovací automaty pracující v reálném čase (viz fotografie).

Společnost Oriental Motor Co. (OM) popisuje vývoj nových systémů krokového motoru a řídicích jednotek jako proces „vylaďování výkonnostních atributů a integrování komponent“.

V tomto procesu lze pozorovat určité trendy.

  • Vyšší hustota točivého výkonu
    Točivý výkon motoru se podařilo zvýšit díky pravidelnému vylepšování se silnějšími magnety ze slitin prvků vzácných zemin (neodymželezo- bor – Nd-Fe-B) a konstrukčním změnám, jako je větší průměr rotoru. K vylepšením produktů společnosti OM dále patří hybridní krokové motory (2fázové) s vysokým točivým momentem řady PV a PK-HT a 5fázové motory řady CRK.
  • Vyšší přesnost úhlu kroku a hladší chod pohonu
    Pro vyšší přesnost kroků s využitím stávajícího řízení se využívá pokročilá metoda mikrokroků. Například řada RK společnosti Oriental, tvořená 5fázovými mikrokrokovými pohony, je kombinací speciálního obvodu ASIC (integrovaný obvod pro konkrétní aplikaci), chráněného softwaru a proudového čidla pro řízení proudu v širokém rozsahu rychlostí. Proudové čidlo a řídicí software dále poskytují funkci „hladkého chodu“, která omezuje vibrace a hluk při provozu, nezávisle na vstupní frekvenci pohonu, vysvětluje Nick Johantgen, technický manažer společnosti Oriental Motor USA. Nižší vibrace typické pro 5fázové krokové motory, v porovnání s 2fázovými, mají také příznivý vliv na chod. Příkladem produktů s „hladkým chodem“ jsou 5fázové krokové pohony řady RK a CRK.
  • Ještě větší miniaturizace
    „Obecným trendem u krokových motorů a souvisejících pohonů pro otevřenou smyčku je zmenšování jejich rozměrů“, říká Nick Johantgen. „Mnoho nových aplikací v přenosných lékařských a průmyslových přístrojích vyžaduje použití menších motorů.“ Společnost OM těmto nárokům vyšla vstříc a vyvinula 5fázové motory řady CRK velikosti 8 a 1 a 2fázové krokové motory řady PK velikosti 11 a 14 (35 mm). Nová kompaktní mikrokroková řídicí jednotka CRK má rozměry pouze 25 × 45 × 65 mm a řídí motory CRK v provedení s hodnotou až 1,4 A na fázi.

 

Systémové a tržní hledisko

Dalším trendem u společnosti Oriental Motor je spojování různých komponent krokových motorů a řídicích jednotek do koordinovaného systémového řešení. To zahrnuje montážní desku, pružnou spojku, tlumič, sadu přívodních kabelů a kontrolér. „Sdružování jednotlivých komponent do kompletních systémů snižuje celkovou cenu,“ dodává Johantgen. Pomáhá také zvyšovat konkurenceschopnost vůči servopohonům.

Součástí nabídky systémů jsou také tři převodové hlavy pro krokové motory CRK. Levnější typ s frézovaným ozubením má vůli 10–35 úhlových minut (podle převodového poměru), planetový převod má široké odstupňování převodů a vůli 3 úhlové minuty a harmonický převod v zásadě odstraňuje jakoukoli vůli. Celková velikost trhu s krokovými motory, včetně komerčního a automobilového sektoru je poměrně značná. Podle nejnovější tržní studie společnosti Motion Tech Trends (MTT), základní průmyslový sektor, výrobní automatizace, představuje podstatně menší trh o hodnotě zhruba 156 milionů USD, pokud jde o krokové motory a řídicí prvky pořízené v Severní Americe v roce 2006. Trh výrobní automatizace zahrnuje obráběcí stroje, robotické systémy, výrobní stroje OEM jakéhokoli druhu (včetně výroby polovodičů, tisku, textilu, plastů atd.). Podle hrubých odhadů společnosti MTT je trh pro krokové motory v Japonsku a v Evropě o 15 % a 50 % vyšší než v USA. Studie, kterou vedl analytik společnosti MTT Muhammad Mubeen, naznačuje, že v aplikacích výrobní automatizace převažují dvoukroková provedení motorů (viz diagram „Trh“). Jde o sériově vyráběné typy „tin-can“ (zvané „plechovka“ – can-stack) a hybridní krokové motory s permanentními magnety. Další typ – reluktanční krokový motor (variable- reluctance stepper) se v této oblasti téměř vytratil.

„Reluktanční krokové motory už v nových aplikacích téměř nevidíme, zejména s ohledem na nové cenové úrovně konkurujících hybridních krokových motorů z Číny,“ říká Muhammad Mubeen. Jednou výjimkou pro reluktanční krokové motory jsou aplikace s velmi vysokými teplotami, ale ne v části trhu vyžadující nejvyšší výkon. Studie společnosti MTT „Severoamerický trh krokových motorů a řídicích prvků (2001–2006)“ je k dispozici v informačním produktovém centru na adrese MotionInfo.com.

Společnost Berger Lahr Motion Technology Inc. (dceřinná společnost Schneider Electric) považuje kompaktní rozměry, jednoduchost a schopnost práce v síti za klíčové trendy u krokových systémů. „Zmenšující se rozměry řídicích jednotek a motorů pomáhá redukovat velikost skříní a strojů, přičemž nastavení systému lze provést pomocí přepínačů DIP a otočných voličů za méně než jednu hodinu,“ vysvětluje Sam Bandy, projektový manažer pro polohování. Krokový motor nepotřebuje pro uvedení do provozu žádný software. „Některé krokové systémy se zabudovanými funkcemi však potřebují pro zadávání dat konfigurační software s obrazovkou,“ říká Sam Bandy.

Schopnost krokových řídicích jednotek pracovat v síti typu CAN-open, Profibus, Ethernet apod. pomáhá při víceosovém řízení, komunikaci s automaty vyšší úrovně a shromažďování dat o stavu systému.

Konkurování servopohonům

Sam Bandy zdůrazňuje, že na rozdíl od servopohonů nevyžaduje kombinace pohonu a motoru u krokových systémů žádné seřizování. „Odstraňuje nutnost uvedení do provozu odborníkem a zkracuje dobu potřebnou pro nastavení,“ říká Sam Bandy. Další výhodou krokových systémů je krátká reakční doba. U servo technologie je opravná akce založena na velikosti chyby, která je rozdílem mezi zamýšlenou akcí a skutečným stavem – podle pravidel řízení PID s uzavřenou smyčkou. „Tato reaktivní metoda sledování odchylky pro získání referenčních údajů o poloze je pomalá pro některé aplikace, jako jsou tiskové a štítkovací stroje,“ říká Sam Bandy. „U krokových systému ke sledování odchylky nedochází. Aktivní zásahy nezávisí na skutečném stavu a lze je provést pouze na základě řídicího prvku.“

Rex Bergsma ze společnosti SKC se domnívá, že krokové polohovací systémy a servosystémy jsou vázány na ceny motorů. „Servomotory stále nemohou cenou soupeřit s krokovými motory. Vzhledem k tomu, že ceny krokových motorů nadále klesají, zřejmě je již nedoženou,“ dodává. Kromě toho se krokové motory vyrábějí ve velkých sériích, a tím je dána i jejich nižší jednotková cena. „Nabízejí vyšší komerční hodnotu než servomotory,“ pokračuje Rex Bergsma.

Poptávka po tzv. „kompletních operačních systémech“ s využitím krokových nebo servomotorů je nízká. Tyto jedno- nebo dvoumotorové aplikace obvykle používají „černou skříňku“ – ovládací prvek / rozdělovač impulzů, který je někdy dodáván s příliš mnoha funkcemi a může být předražený. Naproti tomu „většina dnešních motorů je integrována do zakázkových a standardizovaných aplikací, které vyžadují značný počet motorů,“ říká Rex Bergsma.

Většina velkoobjemových polohovacích aplikací využívá krokové systémy. Tyto na cenu náročné systémy těží z mnohem nižších výrobních nákladů na krokové řídicí prvky využívající dostupné integrované obvody pro řídicí jednotky. „Servosystémy se stále vyskytují u OEM zařízení, ale pouze u nízkých až středně velkých objemů a pouze pro aplikace vyžadující zpětnou vazbu s uzavřenou smyčkou a zrychlení a zpomalení, které mohou poskytnout pouze servopohony,“ dodává Rex Bergsma.

Stále stejná písnička

Connie Chicková, ředitelka společnosti GE Fanuc pro řídicí systémy, hovoří o tradovaném názoru, že krokové systémy se hodí pro nenáročné polohovací aplikace, kde přesnost koncové polohy není tolik kritická. Krokové motory také dobře pracují v aplikacích s jednoduchým nastavením osy, jako jsou určité indexovací aplikace typu podávání na určitou délku, naváděcí lišty a koncové zarážky. „Servomotory mají mnohem vyšší hodnoty rychlosti a točivého momentu. Proto velmi rychlé stroje, vyžadující přesné polohování a/nebo vysoký točivý moment, nejsou pro krokové systémy vhodným prostředím,“ říká Connie Chicková.

Jedno ze zlepšení společnosti GE Fanuc se zaměřuje na mikrořízení a „inteligentní krokové motory“. Jde o zesilovač pro krokový motor zabudovaný do skříně motoru se zadáváním příkazů prostřednictvím jednoduché sítě. Systém tvoří malý automat VersaMax Micro 64 PLC společnosti GE Fanuc s vestavěným pulzním / směrovým řízením výkonu a inteligentním krokovým motorem MotorCube, který nezabírá místo na panelu. Tento systém, který je určen pro jednoduché indexovací aplikace s velmi nízkým rozpočtem, usiluje o udržení nákladů na řízení stroje včetně instalace pod 2 000 USD (na jednu pohybovou osu).

„Cena servořízení nadále klesá, ale stále existuje prostor pro jednoduché aplikace krokových systémů,“ říká Connie Chicková. Společnost GE Fanuc je dodavatelem krokových a vysoce výkonných servosystémů.

Společnost Portescap (dceřinná společnost Danaher Motion) obdobně vyzdvihuje schopnost krokových motorů polohování bez zpětné vazby – „odpovídají-li jejich parametry dané aplikaci“. Proti systémům se servomotory je to konkurenční výhoda. „Řízení s otevřenou smyčkou a konstrukční vylepšení motoru se odrážejí v nízké ceně systémů na bázi krokových motorů,“ říká produktový manažer Dave Beckstoffer.

Například společnost Portescap u nejnovějšího zástupce své řady hybridních krokových motorů h3 podstatně zvýšila výstupní točivý moment. Hliníkový kryt zlepšuje odvod tepla, a tím zpomaluje nárůst teploty motoru, který obvykle v průběhu času snižuje točivý moment, vysvětluje Beckstoffer. „Snižuje také spotřebu energie ve prospěch celkové energetické náročnosti systému na bázi krokových motorů.“

Neodymové magnety používané v novém krokovém motoru údajně zvyšují hustotu točivého momentu při zachování velikosti jednotky. Magnety ze slitin vzácných zemin Nd-Fe-B, které se po jistou dobu používaly v krokových motorech typu „can-stack“, jsou relativně nové pro optimalizaci hustoty točivého momentu u hybridních krokových motorů, říká Beckstoffer. Tyto inovace rovněž pomáhají snížit hlučnost motoru a omezit rezonance. „Ložiska krokových motorů h3 jsou zajištěna pojistným kroužkem a o-kroužkem, který zabraňuje vysouvání ložiska (osový pohyb při provozu), což je u krokových motorů obvyklým zdrojem hluku,“ dodává Beckstoffer. Větší ložiska ve srovnání se standardními hybridními krokovými motory nesou větší stranovou a radiální zátěž.

Kde je akce?

Krokové polohovací systémy rovnocenně soupeří se servosystémy u aplikací s otevřenou smyčkou bez potřeby zpětné vazby kodéru, jako jsou balení, manipulace s materiálem a montáž, a tam, kde není kritická vysoká rychlost nebo zrychlení/zpomalení, uvádí společnost SKC. „Servosystémy fungují nejlépe v náročných aplikacích s uzavřenou smyčkou,“ dodává Rex Bergsma.

Lineární krokové motory soupeří na poli aplikací, jako je mj. výroba polovodičů a vláknové optiky, stroje na přivařování vodičů, laserové řezačky, stroje na testování plátků a lékařská zařízení, uvádí společnost Baldor Electric. Lineární krokové systémy jsou často oceňovány pro svou nenáročnost na údržbu ve srovnání s alternativními řešeními.

„Jakákoli aplikace typu point-to-point v řízeném prostředí, kde není důležitá přesná koordinace mezi osami, je vynikající příležitostí pro levnější krokové řešení,“ dodává Marc Feyh ze společnosti Parker. Jmenuje nespočet takových aplikací v oblasti „life science“, lékařských přístrojů a dalších stolních zařízení.

Společnost MTT uvádí příklady krokových motorů typu „tin-can“ v aplikacích výrobní automatizace, jako jsou roboty typu „uchop a polož“, dopravníky a relativně malé stroje pro manipulaci s materiálem a balením.

Společnost Portescap považuje krokové motory za preferovanou technologii pro výrobu textilu, montáž elektroniky, lineární linky a lékařské analyzéry. Mnoho krokových motorů se používá také v automobilových aplikacích, ale obvykle jde o větší a výkonnější modely.

Jako cílové aplikace pro krokové systémy společnost Berger Lahr/Schneider Electric uvádí aplikace s velmi malými nároky na údržbu a OEM systémy vyžadující levné polohovací řešení. Protože k uvedení krokového systému do provozu stačí méně kvalifikovaní pracovníci, vývozci strojů jim často dávají přednost před servosystémy.

Celkově lze říci, že se krokovým polohovacím systémům daří velmi dobře. Vylepšení se nevyhýbají celému rozsahu nabízených výkonů, ale nejvíce jsou vidět u kompaktních a méně výkonných krokových polohovacích systémů.

Frank J. Bartos, P.E., je konzultant vydavatele časopisu Control Engineering. Kontaktujte jej na adrese braunbart@sbcglobal.net.

Pro více informací navštivte:
www.baldor.com
www.bergerlahrmotion.com
www.controleng.com
www.gefanuc.com
www.mttusa.com
www.orientalmotor.com
www.parkermotion.com
www.portescap.com
www.shinano.com


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Trendy v robotizaci 2020
2020-01-28 - 2020-01-30
Místo: Best Western Premier / Avanti, Brno
DIAGO 2020
2020-01-28 - 2020-01-29
Místo: Orea Resort Devět Skal ***, Sněžné - Milovy
Trendy automobilové logistiky 2020
2020-02-20 - 2020-02-20
Místo: Parkhotel Plzeň
Úspory v průmyslu
2020-03-03 - 2020-03-03
Místo: Ostrava
AMPER TOUR 2020
2020-03-17 - 2020-03-19
Místo: Brno

Katalog

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

EWWH, s. r. o.
EWWH, s. r. o.
Hornoměcholupská 68
102 00 Praha 10
tel. 734 823 339

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 720 981 181

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Na internetu
V tištěných médiích
Na veletrzích a výstavách
Jinde

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   
Copyright © 2007-2019 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI