Serwomotory kontra silniki krokowe do frezarek CNC

Silniki serwo vs silniki krokowe do frezarek CNC do użytku domowego
PFT, Shenzhen

Aby porównać charakterystyki wydajności systemów silników serwo i krokowych w frezarkach CNC do użytku domowego w typowych warunkach hobbystycznych i lekkiego przemysłu.
Metody: Dwie identycznie skonfigurowane frezarki CNC do użytku domowego zostały wyposażone odpowiednio w zestaw serwo z pętlą zamkniętą (2 kW, 3000 obr./min, 12 Nm momentu obrotowego szczytowego) i system krokowy NEMA 23 (1,26 A, kąt kroku 0,9°). Reakcję na posuw, dokładność pozycjonowania, spójność momentu obrotowego i zachowanie termiczne mierzono za pomocą laserowych czujników przemieszczenia (± 0,005 mm) i przetworników momentu obrotowego (± 0,1 Nm). Cięcia testowe na aluminium 6061-T6 i MDF symulowały typowe zadania związane z obróbką drewna i metalu. Parametry sterowania i schematy okablowania są dostarczone w celu zapewnienia powtarzalności.
Wyniki: Systemy serwo osiągnęły średni błąd pozycjonowania 0,02 mm w porównaniu do 0,08 mm dla silników krokowych, z amplitudami wibracji o 25% niższymi przy wysokich prędkościach posuwu. Moment obrotowy spadł o 5% pod obciążeniem dla serw w porównaniu do 20% dla silników krokowych. Temperatura silnika krokowego wzrosła o 30°C po godzinie pracy, podczas gdy serwa wzrosły o 12°C.
Wniosek: Napędy serwo zapewniają wyższą dokładność, płynniejszy ruch i lepszą wydajność termiczną przy wyższych kosztach i złożoności. Silniki krokowe pozostają opłacalne w przypadku zastosowań o niskim zapotrzebowaniu.

1 Wprowadzenie

W 2025 roku frezarki CNC do użytku domowego stały się dostępne dla twórców, nauczycieli i producentów małoseryjnych. Wybór silnika krytycznie wpływa na jakość cięcia, czas cyklu i niezawodność systemu. Silniki krokowe oferują prostotę i niski koszt początkowy, podczas gdy systemy serwo obiecują wyższą prędkość, spójność momentu obrotowego i dokładność w pętli zamkniętej. Obiektywne porównanie w równoważnych warunkach mechanicznych jest wymagane do podejmowania decyzji zakupowych.

2 Metody badawcze

2.1 Konfiguracja eksperymentalna

• Podstawa maszyny: Frezarka z aluminiową bramą 400 × 400 mm z identycznymi osiami śrub kulowych
• Konfiguracje silników:

                     A. Serwo: zestaw wrzeciona bezszczotkowego 2 kW, 3000 obr./min, 12 Nm

                     B. Krokowe: NEMA 23, kąt kroku 0,9°, 1,26 A/faza

• Elektronika sterująca: Pasujące sterowniki (napęd serwo i sterownik krokowy), to samo oprogramowanie układowe sterownika CNC (GRBL v1.2), równoważne procedury strojenia PID.
• Narzędzia pomiarowe: Czujnik laserowy (rozdzielczość 0,005 mm), przetwornik momentu obrotowego (dokładność 0,1 Nm), kamera termowizyjna na podczerwień.

2.2 Szczegóły dotyczące powtarzalności

• Schematy okablowania i parametry sterowania są podane w załączniku A.
• Fragmenty kodu G testu (prędkości posuwu 500–3000 mm/min) są wymienione w załączniku B.
• Warunki środowiskowe: 22 ± 1 °C, wilgotność 45%.

3 Wyniki i analiza

3.1 Dokładność pozycjonowania

3.2 Spójność momentu obrotowego

Moment obrotowy pod obciążeniem 5 Nm spadł o 5% dla serw i o 20% dla silników krokowych (rysunek 2). Zdarzenia utraty kroku wystąpiły w testach silników krokowych powyżej przyspieszenia 1000 mm/min.

3.3 Zachowanie termiczne

Po godzinie ciągłego frezowania:

• Temperatura uzwojenia silnika krokowego: 65 °C (otoczenie 22 °C)
• Temperatura silnika serwo: 34 °C

Wyższy pobór prądu prowadzi do większego nagrzewania się cewek silnika krokowego, zwiększając ryzyko wyłączenia termicznego.

4 Dyskusja

4.1 Czynniki wydajności

Sprzężenie zwrotne w pętli zamkniętej serwo koryguje pominięte kroki i utrzymuje moment obrotowy pod obciążeniem, co skutkuje węższą tolerancją i płynniejszym ruchem. Prosta konstrukcja silnika krokowego zmniejsza koszty, ale ogranicza wydajność dynamiczną i wprowadza dryf związany z ciepłem.

4.2 Ograniczenia

• Przetestowano tylko dwa modele silników; wyniki mogą się różnić w zależności od różnych marek lub rozmiarów.
• Nie oceniano długoterminowej niezawodności podczas ciągłej pracy.

4.3 Implikacje praktyczne

Frezarki wyposażone w serwo nadają się do precyzyjnego grawerowania, drobnych detali i frezowania aluminium, podczas gdy frezarki krokowe pozostają odpowiednie do obróbki drewna, tworzyw sztucznych i zastosowań edukacyjnych, gdzie przeważają ograniczenia budżetowe.

5 Wniosek

Silniki serwo przewyższają silniki krokowe pod względem dokładności, stabilności momentu obrotowego i zarządzania termicznego, uzasadniając wyższe inwestycje w wymagających zastosowaniach. Silniki krokowe nadal stanowią ekonomiczny wybór dla zadań o niskim obciążeniu. Przyszłe badania powinny obejmować testy cyklu życia i wpływ hybrydowych schematów sterowania.