Komponenty mechatroniczne - coraz mniejsze, inteligentniejsze i łatwiejsze w integracji

Takie rozwiązania dostępne są nie tylko dla systemów dużej mocy, ale także dla małych aplikacji stosowanych w sprzęcie AGD, medycynie, sprzęcie laboratoryjnym itp. Podobne zjawiska można dostrzec w silnikach krokowych, silnikach bezszczotkowych wykorzystywanych do napędu pomp, wentylatorów i siłowników, które bez wsparcia elektroniki zdecydowanie miałyby gorszą funkcjonalność, a ich integracja w docelowej aplikacji byłaby wielokrotnie trudniejsza. Także w motoryzacji mechatronikę tworzy się przez integrację elektroniki sterującej w trójwymiarowej przestrzeni obudowy, traktując ścianki jako obwód drukowany.

Zelektronizujemy i skomputeryzujemy co się da

Cechą współczesnych układów mechatronicznych jest oparcie konstrukcji na komputerze. Jest on jednostką centralną dla całości systemu i nadzoruje pracę wszystkich elementów, przez co wiele rozwiązań dopasowanych jest do sterowania cyfrowego oraz kontroli stanu (pozycji, szybkości działania) poprzez interfejs cyfrowy.

Elektronicy coraz częściej spotykają się dzisiaj w pracy z układami mechanicznymi i tworzą systemy mechatroniki do aplikacji przemysłowych, automatyki czy robotyki. Praca ludzka jest coraz droższa, o wykwalifikowany personel jest coraz trudniej, dlatego, co się da, jest uwalniane od wpływu czynnika ludzkiego.

Tak samo jak do budowy układów elektronicznych potrzebne są podzespoły elektroniczne, tak samo do tworzenia mechatroniki niezbędne są elementy mechaniczne. Ponieważ coraz częściej element mechaniczny jest połączony w całość z kawałkiem układu elektronicznego, światy elektroniki i mechaniki zazębiają się dzisiaj znacznie bardziej niż kiedyś. Powstanie terminu "mechatronika" jest symbolem takich przemian.

Praca konstruktora staje się coraz łatwiejsza, gdyż w handlu dostępne są liczne subkomponenty uwalniające projektanta od każdorazowego drążenia tematu wykorzystania mechaniki od zera. Specjalizowany kontroler silnika krokowego, siłownik zintegrowany ze sterownikiem w jednej obudowie, enkoder zamontowany w napędzie itp. Takie złożone komponenty są prostsze w użyciu, chętniej wykorzystywane, bo zapewniają większą funkcjonalność.

Silniki, siłowniki, enkodery i podobne komponenty można znaleźć w ofertach wielu firm związanych z elektroniką i automatyką przemysłową, ale nie da się powiedzieć, że jest to grupa asortymentowa o dużym potencjale. Jest to raczej dodatek, uzupełnienie, fragment kompletacji, który z czasem może się rozwinąć w większy fragment biznesu. Tą drogą rozwoju podąża w kraju wielu dystrybutorów, badających potencjał rynku i utrzymujących się w gotowości do obsługi, gdy otwarcie rynku stanie się szersze i wyraźniejsze.

Hobbysta wychodzi z podziemia

Tabela 1. Przegląd ofert krajowych dostawców komponentów mechatronicznych

Przez wiele lat konstrukcje amatorskie i nierzadko cała działalność hobbystyczna w obszarze elektroniki był uważany za coś mało wartościowego. Hobbysta przeszkadzał wielkiemu biznesowi, bo kupował niewiele, rzadko, ale za to miał zawsze wiele wątpliwości oraz zadawał wiele pytań. Duże firmy handlowe nie były w stanie poświęcić mu tyle samo czasu, co normalnym klientom biznesowym, co prowadziło we współpracy do niechęci tych pierwszych i rozczarowań u tych drugich.

Amatorskie konstrukcje mechaniczne też były rzadkością, bo kupno komponentów z tego obszaru w ilościach detalicznych było niełatwe lub często nawet niemożliwe. Ta widoczna przez lata polaryzacja rynku zmienia się w oczach na skutek globalnych zmian w zakresie dystrybucji, a dokładniej dzięki rosnącej ofercie i potencjałowi dystrybutorów katalogowych.

Także tego, że sam biznes dystrybucyjny staje coraz bardziej specjalistyczny, małoseryjny i unikalny. Firmy katalogowe mają szerokie oferty i obsługują odbiorców detalicznych. Ich działania wydają się w dużej mierze przyczyną odrodzenia działalności amatorskiej i półprofesjonalnej, co widać chyba najbardziej w robotyce, małej automatyce, a nieco mniej w zakresie inteligentnego domu lub oświetlenia LED.

Kolejnym impulsem do odrodzenia się hobbystów, coraz częściej nazywanych już makerami (twórcami), są komputerki jednopłytkowe takie jak Raspberry Pi i pokrewne oraz cały projekt pod nazwą Arduino. Dopełniły one kompletu niezbędnej infrastruktury i stały się zalążkiem wielu pomysłów, które wielki biznes dostrzegł i docenił.

W zakresie małej mechatroniki znaczenie tego amatorskiego i półprofesjonalnego segmentu rynku jest większe niż w innych sektorach techniki, bo wiele takich projektów ma unikalny charakter i jest tworzonych w sposób podobny do działalności firm zajmujących się integracją systemów. Wydaje się, że w niedalekiej przyszłości dzięki internetowym społecznościom o zasięgu światowym projekty i działalność półprofesjonalna i amatorska będzie coraz ważniejszym stymulatorem tego obszaru rynku.

Silniki podstawą ofert handlowych

Patrząc na oferty dostawców komponentów systemów mechatroniki (w zakresie rozwiązań o mniejszej mocy), widzi się, że najpopularniejszym produktem i podstawą ofert są różnego rodzaju silniki. Wersje szczotkowe z magnesem trwałym w roli stojana są bazą najmniejszych aplikacji i służą do napędzania prostych elementów wykonawczych.

Zapewniają one umiarkowane parametry napędowe i mają ograniczoną trwałość, ale z reguły są w wyborze najtańsze. Ponieważ do wielu zastosowań ich prędkość wirowania jest dość duża, w handlu można znaleźć wersje z wbudowaną przekładnią wykonaną na kołach zębatych lub planetarną. Spotyka się też rozwiązania z enkoderem dostarczającym informacji o pozycji wału.

Oddzielną grupę komponentów stanowią mikrosilniki, a więc wersje o mocy do około 1 wata, które wykorzystuje się do regulacji systemów optycznych, w precyzyjnej aparaturze laboratoryjnej. Trudno ocenić ich potencjał rynkowy, z pewnością są one wąską niszą dla świata nauki i innowacji. Warto zauważyć, że takie miniatury bazują często na unikalnych technologiach (np. napęd piezoelektryczny).

Drugą grupę silników stanowią wersje bezszczotkowe na napięcie stałe typu BLDC (Brushless Direct Current) opierające się na wirniku zawierającym magnesy stałe i ze stojanem z cewkami elektromagnesów. Zamiast szczotek silnik taki ma elektrycznie sterowany komutator, przez co zapewniono wyższą trwałość i niezawodność wynikającą z wyeliminowania z konstrukcji szczotek, będących najczęstszą przyczyną awarii oraz najszybciej zużywającym się elementem mechanicznym "zwykłych" silników.

Eliminacja szczotek zapewnia też cichszą pracę silnika oraz wyższą sprawność, co w świetle coraz bardziej restrykcyjnych przepisów jest zaletą coraz bardziej zyskującą na znaczeniu. Dodatkowo konstrukcja silników BLDC umożliwia zastosowanie szczelniejszych obudów, gdyż ciepło z cewek może być odprowadzane bezpośrednio poprzez obudowę, co eliminuje konieczność zapewnienia cyrkulacji powietrza.

Kolejną zaletą silników BLDC jest możliwość kontroli prędkości obrotowej prawie niezależnie od momentu silnika. Główną wadą silników bezszczotkowych jest konieczność zastosowania sterownika elektronicznego, ale jak wspomniano wcześniej, na rynku jest coraz więcej gotowych rozwiązań. Takie silniki mogą mieć wbudowany sterownik lub zawierają czujniki umożliwiające realizację elektronicznego komutatora. Dostępne wersje pokrywają dość szeroki zakres mocy, od małych do średnich, co sprzyja popularności.

Silniki krokowe

Silnik krokowy (skokowy) to rozwiązanie, w którym wirnik nie obraca się ruchem ciągłym, lecz wykonuje za każdym razem ruch obrotowy o ściśle ustalony kąt. Dzięki temu położenie wirnika można kontrolować zależności od liczby dostarczonych impulsów prądowych. Kąt obrotu wirnika pod wpływem działania jednego impulsu może mieć różną wartość, zależnie od budowy silnika - jest to zwykle wartość od ułamka stopnia do kilkudziesięciu stopni w zależności od tego, ile faz ruchu mają uzwojenia. Silniki krokowe, zależnie od przeznaczenia, są przystosowane do wykonywania od ułamków obrotu na minutę do kilkuset obrotów na minutę.

Są trzy podstawowe typy silników krokowych pod względem budowy: z magnesem trwałym, o zmiennej reluktancji i wersje hybrydowe. Inny podział wyróżnia silniki bipolarne (4 wyprowadzenia) i unipolarne (5 lub 6 wyprowadzeń). Silniki krokowe są stosowane wszędzie tam, gdzie kluczowe znaczenie ma możliwość precyzyjnego sterowania ruchem: pozycjonowania, regulacji itd.

Silniki krokowe mają wiele zalet, między innymi precyzję działania i powtarzalność. Działają szybko, zapewniają duży moment i są trwałe. Z tej przyczyny są one bardzo popularne na rynku, a wraz z coraz większą dostępnością sterowników ich aplikowanie przestało być trudne.

Pomocą jest też to, że asortyment tych produktów jest bardzo szeroki. Istnieje wiele wersji o różnych wymiarach (średnicy) i mocy, także z wbudowaną przekładnią, uszczelnione itd. Od strony elektrycznej są dostępne wersje klasyczne 2-fazowe oraz bardziej złożone 3- i 5-fazowe, które kosztem komplikacji sterownika zapewniają większą precyzję działania. Zakres zastosowania tych elementów jest bardzo szeroki, bo elementy te trafiają do większości sektorów techniki.

Tomasz Haliniak

Eldar

Jak wyglądają preferencje klientów w zakresie produktów dla mechatroniki?

Klienci chętniej wybierają dostawców, którzy są w stanie zapewnić im kompleksową dostawę. Rozwiązanie takie daje im poczucie bezpieczeństwa, ponieważ pozwala uniknąć problemów wynikających z ewentualnego braku kompatybilności. W przypadku napędów często bywa tak, że dostawcy wręcz nie zalecają stosowania silników i sterowników od różnych producentów.

Jest to tym bardziej uzasadnione, kiedy mówimy o napędach zintegrowanych z elementami mechaniki precyzyjnej jak przekładnie, stoły obrotowe, krzyżowe, cylindry elektryczne, itp. Kupowanie napędów w komplecie jest zatem zupełnie naturalne. Wyjątkiem są sytuacje, kiedy poszukiwane jest rozwiązanie bardzo proste, np. konwencjonalny silnik krokowy pracujący w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego. Wtedy można sobie pozwolić, aby silnik i sterownik pochodziły od różnych dostawców. W przypadku bardziej zaawansowanych napędów takie rozwiązanie nie ma racji bytu, ponieważ silnik i sterownik stanowią nierozerwalną parę.

Jaka jest rola wsparcia technicznego w sprzedaży silników, napędów i enkoderów?

W dzisiejszych czasach sprzedaż jakichkolwiek podzespołów automatyki bez zapewnienia odpowiedniego wsparcia technicznego jest bardzo trudna. Takie są realia rynku i tego oczekują klienci. Napędy są coraz bardziej zaawansowane technologicznie, nieustannie dochodzą nowe funkcje. Na rynku pojawiają się też nowi dostawcy.

Klientom trudno jest nadążać za tymi wszystkimi nowinkami. Szczególnie, że w zaawansowanych napędach, czy innym sprzęcie pewne szczegóły nie zawsze są oczywiste, jest sporo niuansów. Oczywiście można to wszystko doczytać w szczegółowej dokumentacji technicznej, ale dużo prościej poprosić o pomoc doradcę technicznego, która w takiej sytuacji jest bardzo przydatna.

Duża konkurencja powoduje, że również sami dostawcy dokładają starań, aby swoim klientom zapewnić jak najwięcej w ramach tzw. wartości dodanej. Zdarza się, że to już nie jest tylko pomoc w doborze podzespołów, posprzedażowe wsparcie techniczne, czy sprawnie działający serwis. Czasami dostawcy uczestniczą w realizacji projektu, wdrożeniu i wreszcie w uruchomieniu.

Taki model współpracy powoduje, że z jednej strony odbiorca może liczyć na kompleksowe wsparcie na wszystkich etapach realizacji projektu, a z drugiej strony dostawca zaskarbia sobie lojalność kontrahenta przy kolejnych projektach. Krótko mówiąc: bez dobrego wsparcia technicznego nie ma dobrej sprzedaży.

Enkodery, przekładnie, czyli osprzęt

Tabela 2. Dane kontaktowe do krajowych dostawców komponentów mechatronicznych

Dostawcy rozwiązań napędowych w znakomitej większości mają w ofertach także dodatki pozwalające na budowę kompletnych rozwiązań. Od strony mechanicznej są to różnego rodzaju przekładnie, sprzęgła, hamulce i elementy montażowe dopasowane konstrukcyjnie do montażu z silnikiem lub enkodery różnych typów, dostarczające informacji o pozycji wirnika i pozwalające przekształcić zwykły silnik w precyzyjny serwomechanizm.

Rzadziej pojawiają się elementy wykonawcze, jak zawory, elektromagnesy, siłowniki i pompy. W tym obszarze oferta zwykle wynika ze współpracy z konkretnym producentem i jest najczęściej wiernym odbiciem tego, co on wytwarza. Ale podobnie jak w wielu innych sektorach techniki, zarówno producenci, jak i dystrybutorzy rozwijają się, poszerzając portfolio w stronę kompleksowości ofert i takie drobiazgi udaje się kupić razem z całą resztą.

Elementy wykonawcze, takie jak pompy różnych typów, zawory dozujące, siłowniki i podobne produkty, są na tyle uniwersalne, że nierzadko stają się zalążkiem aplikacji tworzonych przez firmy elektroniczne nie tylko dla odbiorców z przemysłu, ale także świata nauki, chemii, motoryzacji i podobnych. Można nawet pokusić się o twierdzenie, że z jednej strony to dobrze, ponieważ front sprzedaży jest szeroki, z drugiej strony trudno wskazać konkretnego odbiorcę lub nawet dominującą grupę, do której można adresować przekaz i pod nią się specjalizować.