Serwonapęd czy silnik krokowy? Jak dobrać napęd do precyzyjnej osi ruchu

Wybór odpowiedniego napędu do precyzyjnych osi ruchu to często kluczowy etap w projektowaniu systemów automatyki, maszyn CNC czy urządzeń pomiarowych. Najczęściej rozważane są dwie technologie: serwonapęd i silnik krokowy. Jeśli zależy Ci na wysokiej precyzji, dynamicznej odpowiedzi i niezawodności — serwonapęd może być właściwym wyborem. Z kolei w prostszych aplikacjach, gdzie liczy się ekonomia i niewielkie wymagania ruchowe, warto rozważyć silnik krokowy.

 

Serwonapęd: precyzja i wydajność w jednym

Budowa i zasada działania serwonapędu

Serwonapęd to układ składający się z silnika (najczęściej AC), enkodera oraz specjalistycznego sterownika. Enkoder na bieżąco śledzi pozycję wału i przekazuje informacje zwrotne do sterownika, który reguluje pracę silnika w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego.

Dzięki tej kombinacji serwonapęd potrafi precyzyjnie i dynamicznie reagować na zmienne obciążenia, błyskawicznie korygując odchyłki od zadanej pozycji. Jest w stanie dokładnie odwzorować trajektorię ruchu, co czyni go idealnym wyborem w aplikacjach wymagających niezawodnej kontroli prędkości, pozycji i momentu.

 

Kluczowe zalety w zastosowaniach przemysłowych

Serwonapędy (https://www.amgautomatyka.pl/kategorie/serwonapedy/) wyróżniają się szeregiem korzyści, które przekładają się na ich rosnącą popularność w przemyśle:

• dokładność pozycjonowania rzędu setnych części milimetra,
• dynamiczna praca nawet przy zmiennych obciążeniach i wysokich prędkościach,
• zamknięta pętla sterowania, która eliminuje błędy pozycji i umożliwia natychmiastową korektę,
• efektywność energetyczna, ponieważ system zużywa tylko tyle energii, ile rzeczywiście potrzebuje,
• kompaktowy rozmiar przy dużej mocy i momencie obrotowym.

Dzięki temu serwonapędy doskonale sprawdzają się w maszynach pakujących, systemach zrobotyzowanych, obrabiarkach i liniach produkcyjnych.

 

Silnik krokowy: prostota i niezawodność

Budowa i zasada działania silnika krokowego

Silnik krokowy działa w oparciu o zasadę wykonywania skoków (kroków) między kolejnymi pozycjami. Każdy impuls elektryczny przesyła wirnik o określony kąt, bez konieczności stosowania sprzężenia zwrotnego. Istnieją dwa podstawowe typy: unipolarne i bipolarne, najczęściej sterowane mikrokrokowo dla zwiększenia dokładności ruchu.

Ich największą zaletą jest prostota: nie wymagają skomplikowanego sterowania ani czujników pozycji. Są łatwe w integracji i obsłudze, przez co doskonale sprawdzają się w aplikacjach o przewidywalnym obciążeniu i umiarkowanych wymaganiach ruchowych.

 

Największe atuty w prostych układach

Silniki krokowe (https://www.amgautomatyka.pl/kategorie/silniki-krokowe/) oferują wiele korzyści, szczególnie w zastosowaniach o niskiej lub średniej złożoności:

• niski koszt zakupu i eksploatacji,
• brak potrzeby stosowania enkodera — pozycja jest „domyślnie” znana,
• łatwe sterowanie za pomocą prostych impulsów z kontrolera,
• wysoka niezawodność mechaniczna — brak szczotek, niska awaryjność,
• możliwość utrzymania pozycji bez zużycia energii (przy napędzie bez sprzężenia).

Silniki krokowe są popularne m.in. w drukarkach, maszynach biurowych, automatach vendingowych, prostych stołach XY lub układach dozowania.

 

Serwonapęd czy silnik krokowy? Kluczowe różnice

Dokładność i powtarzalność ruchu

Serwonapęd oferuje wyższą dokładność i powtarzalność, dzięki zastosowaniu enkodera i kontroli w zamkniętej pętli. Działa niezależnie od zmian obciążenia, a pozycja jest stale monitorowana. Błąd pozycji jest korygowany w czasie rzeczywistym, co eliminuje ryzyko utraty kroku i zapewnia powtarzalność nawet w najbardziej wymagających aplikacjach.

Silnik krokowy, mimo dobrej teoretycznej dokładności (0,9–1,8 stopnia na krok), nie posiada informacji zwrotnej o aktualnej pozycji. Oznacza to, że w przypadku przeciążenia lub zakłóceń może się rozregulować bez ostrzeżenia. Dlatego jego zastosowanie ogranicza się zwykle do układów o mniejszym znaczeniu precyzji.

 

Dynamika, prędkość i reakcja na obciążenie

Serwonapęd radzi sobie doskonale w aplikacjach wymagających szybkiej zmiany prędkości i pracy z nieregularnym obciążeniem. Moment obrotowy utrzymuje się na wysokim poziomie w szerokim zakresie prędkości. Wysoka inercja nie jest tu problemem — serwonapęd dynamicznie dostosowuje się do zmieniających się warunków.

Z kolei silnik krokowy działa najlepiej przy niższych prędkościach — jego moment spada drastycznie przy wzroście obrotów. Dodatkowo w sytuacjach przeciążenia nie ma systemu kompensacyjnego, co może prowadzić do nieprawidłowego działania układu.

 

Koszty zakupu i eksploatacji

Silniki krokowe są zdecydowanie tańsze w zakupie — zarówno sam silnik, jak i sterownik kosztują zazwyczaj kilkukrotnie mniej niż ich serwonapędowy odpowiednik. Są też prostsze w integracji, co dodatkowo obniża koszty wdrożenia.

Serwonapędy to wyższa inwestycja początkowa, ale często opłacalna już w średnim okresie użytkowania ze względu na mniejszą awaryjność, lepszą kontrolę energetyczną i wyższą efektywność produkcyjną. Koszty cyklu życia warto uwzględnić w analizie ROI.

 

Integracja z systemem sterowania

Serwonapędy wymagają bardziej zaawansowanego sterownika oraz często rozbudowanego systemu komunikacji (np. EtherCAT, Profinet). Integracja wymaga wiedzy z zakresu programowania PLC i konfiguracji sieci przemysłowych. W zamian użytkownik otrzymuje możliwość kompleksowego monitorowania i diagnostyki.

Silniki krokowe można łatwo zaimplementować nawet w prostych układach, często przy użyciu gotowych sterowników z sygnałem STEP/DIR. Idealne tam, gdzie nie ma potrzeby zaawansowanej kontroli czy komunikacji z innymi urządzeniami.

 

Kryteria wyboru idealnego napędu

Określenie momentu obrotowego i obciążeń

Kluczowym czynnikiem przy wyborze napędu jest określenie maksymalnych i minimalnych obciążeń, jakie będzie musiała przenieść oś ruchu. Należy wziąć pod uwagę zarówno masę własną napędu, jak i dodatkowe siły działające na układ (grawitacja, bezwładność, tarcie).

Serwonapęd jest optymalny tam, gdzie wymagane są duże momenty dynamiczne przy wysokich prędkościach. W mniej wymagających układach, gdzie moment i obciążenie są stałe, silnik krokowy będzie wystarczający.

 

Wpływ warunków pracy i środowiska

Temperatura, wilgotność, obecność pyłu lub substancji agresywnych chemicznie — wszystko to ma wpływ na trwałość i efektywność napędu. Serwonapędy często posiadają wyższy stopień ochrony (np. IP65), lepiej znosząc trudne warunki przemysłowe.

Silniki krokowe są bardziej podatne na przegrzewanie i mniej odporne na warunki środowiskowe. Wymagają odpowiedniego chłodzenia i zabezpieczeń, szczególnie przy dłuższej pracy pod obciążeniem.

 

Budżet i optymalizacja kosztów cyklu życia

W projektach z napiętym budżetem naturalnym wyborem jest silnik krokowy, jednak nie zawsze jest to rozwiązanie najbardziej ekonomiczne w perspektywie długoterminowej. Koszty przestojów, błędów pozycjonowania i konserwacji mogą szybko zniweczyć oszczędności początkowe.

Serwonapęd, mimo wyższego progu wejścia, często w dłuższej perspektywie oferuje lepszy wskaźnik kosztów całkowitych (TCO) dzięki większej wydajności i niezawodności.

 

 

Studium przypadku: wybór napędu w praktyce

Przykład 1: zintegrowany serwonapęd w maszynie do wiercenia prowadnic rolet

Producent maszyn do obróbki profili aluminiowych zwrócił się do AMG Automatyka z projektem wiertnicy do prowadnic rolet zewnętrznych. Zadanie na pierwszy rzut oka wydawało się proste – należało nawiercić otwory w odpowiednich miejscach – ale kluczowym wyzwaniem była zmienna długość profili. Maszyna miała automatycznie rozpoznawać długość prowadnicy, a następnie dobrać liczbę i rozstaw otworów tak, aby w każdym cyklu zachować tę samą jakość mocowania. Dodatkowo urządzenie miało pracować w trybie wielozmianowym i zostać w pełni zintegrowane z istniejącym sterownikiem PLC, bez dokładania złożonej logiki po stronie użytkownika.

W takiej aplikacji szybko okazało się, że klasyczny silnik krokowy byłby zbyt dużym kompromisem. Zmienna długość profilu, różne prędkości przesuwu oraz konieczność szybkich dojazdów i hamowań sprawiają, że układ napędowy musi dobrze radzić sobie z bezwładnością i zmianami obciążenia. Inżynierowie AMG Automatyka zaproponowali zintegrowany serwonapęd – silnik z wbudowaną elektroniką, pracujący w zamkniętej pętli z enkoderem i komunikacją sieciową do PLC. Taki napęd umożliwił precyzyjne pozycjonowanie przy każdej długości prowadnicy, płynne ruchy nawet przy agresywnych profilach przyspieszeń oraz prostą diagnostykę z poziomu systemu nadrzędnego. W efekcie otwory są wiercone dokładnie tam, gdzie trzeba, czasy cyklu zostały skrócone, a operator nie musi już „dostrajać” programu przy każdej zmianie asortymentu. To klasyczny przykład projektu, w którym serwonapęd – odpowiednio dobrany i wdrożony przez AMG Automatyka – wygrywa wszędzie tam, gdzie liczy się dynamika, zmienne obciążenie i wysoka powtarzalność pozycjonowania.

 

Przykład 2: zintegrowane silniki krokowe w maszynie do produkcji sera feta

W innym projekcie do AMG Automatyka zgłosił się producent urządzeń dla przemysłu spożywczego, rozwijający linię do produkcji sera feta. W maszynie kilka osi ruchu odpowiadało za podawanie folii i papieru, dozowanie soli oraz transport kontenerów między kolejnymi etapami procesu. Ruch był powtarzalny, z góry zdefiniowany, a liczba pozycji na każdej osi ograniczała się do kilku stałych punktów. Klientowi zależało przede wszystkim na niezawodności, łatwej obsłudze z poziomu popularnego sterownika PLC oraz rozsądnym koszcie całego systemu, bo liczba osi była na tyle duża, że każdy „dodatkowy” koszt w napędzie przekładał się bezpośrednio na budżet projektu.

Po analizie aplikacji zespół AMG Automatyka ocenił, że stosowanie serwonapędów byłoby w tym przypadku przerostem formy nad treścią. Zastosowano zintegrowane silniki krokowe, które zapewniły wystarczającą dokładność pozycjonowania, a jednocześnie uprościły okablowanie i montaż. Każdy napęd miał wbudowany sterownik, komunikował się bezpośrednio z PLC i realizował powtarzalne sekwencje ruchu w kilku stałych pozycjach roboczych. Nie było potrzeby kompensowania dużych zmian obciążenia ani realizacji wyjątkowo dynamicznych profili ruchu, a liczba formatów pracy była dobrze zdefiniowana. W takiej konfiguracji silnik krokowy okazał się rozwiązaniem optymalnym – zapewnił stabilną pracę, powtarzalne cykle i bardzo dobrą relację ceny do funkcjonalności przy kilku osiach pracujących równolegle. To przykład, w którym dobrze dobrane krokowce, zaproponowane przez AMG Automatyka, pozwoliły zbudować efektywną, ekonomiczną oś ruchu bez nadmiernego komplikowania systemu napędowego.