PFT, Shenzhen
Cel: Zapewnienie powtarzalnych ram decyzyjnych dotyczących wyboru serwomotorów lub silników krokowych w stacjonarnych konstrukcjach CNC o objętości roboczej poniżej 1 m3.
Metoda: Stanowisko testowe emulowało 3-suwnicę osiową (zębatka X-Y-i-zębnik, śruba Z-kulką-. W czterdziestu ośmiu sparowanych seriach porównano steppery NEMA 23 (2,8 A, 1,8 stopnia) i bezszczotkowe serwa o mocy 200 W (3000 obr./min, 17-bitowy koder). Rejestrowano sztywność dynamiczną, błąd pozycjonowania, rzeczywisty pobór mocy i 8-godzinny wzrost temperatury przy prędkościach przesuwu 100 mm/s i 600 mm/s.
Wyniki: Przy prędkości mniejszej lub równej 200 mm/s steppery zapewniały powtarzalność ±0,05 mm przy kosztach części niższych o 25%. Powyżej 400 mm/s serwa utrzymywały ±0,01 mm przy mocy cięcia 18% i ograniczaniu wzrostu temperatury powierzchni do 8 stopni w porównaniu do 22 stopni w przypadku stepperów.
Wniosek: steppery nadają się do pierwszych-szybkich i budżetowych-kompilacji; serwa stają się ekonomiczne przy prędkościach powyżej 400 mm/s lub gdy dominuje stabilność termiczna i dokładność na poziomie mikronów-.
1 Wprowadzenie
Wybierz niewłaściwy silnik, a komputerowy system CNC albo zatrzyma się na aluminium, albo spali budżet na przesadnym sprzęcie. W tym przewodniku omówiono dokładne pomiary,-tabele kompromisów i model kosztów stosowany w laboratorium PFT, dzięki czemu można powtórzyć test na własnym stanowisku i wprowadzić liczby bezpośrednio do zestawienia komponentów.
2 Metody badawcze
2.1 Stanowisko testowe
Rama: profil 6060-T5, skok 800 mm × 600 mm × 150 mm.
Szyny: prowadnice liniowe MGN15, klasa C.
Napędy: zębnik 16-zębowy, promień podziałowy 20 mm → 62,8 mm/obr.
2.2 Pary silników
| Oś | Steper | Serwo |
|---|---|---|
| X/Y | 2-fazowe, moment trzymający 3 N·m, 1,8 stopnia | 60 W ciągła, znamionowa 0,64 Nm, szczytowa 2,5 Nm |
| Z | Krokowy 1,2 N·m | To samo serwo poprzez przekładnię planetarną 4:1 |
2.3 Oprzyrządowanie
- Pozycja: Enkoder ze szklaną-skalą 0,1 μm, niezależny od sprzężenia zwrotnego silnika.
- Moc: Yokogawa WT310, rozdzielczość 0,1 W.
- Termiczna: termopara typu K-na obudowie silnika.
- Sterowanie: LinuxCNC 2.9, gwint serwa 1 kHz dla obu systemów.
2.4 Procedura (powtarzalna)
Krok 1: Jog każdej osi o 100 mm z szybkością 100 mm/s → zarejestruj następujący błąd.
Krok 2: Powtórz przy 200, 400, 600 mm/s.
Krok 3: Zamocuj atrapę wrzeciona o masie 5 kg i uruchom 30-minowy wzór kodu G przy 50% obciążeniu.
Krok 4: Rejestruj temperaturę co 60 sekund.
Krok 5: Zamień typ silnika, zachowaj identyczną mechanikę, uruchom ponownie.
3 Wyniki i analiza
3.1 Dokładność pozycjonowania
Rysunek 1 przedstawia średni bezwzględny błąd podążania w funkcji prędkości przesuwu. Steppery utrzymują się poniżej 0,05 mm do 200 mm/s, a następnie gwałtownie wznoszą się do 0,18 mm przy 600 mm/s. Serwa pozostają płaskie z dokładnością do 0,01 mm w całym zakresie.
3.2 Moc i ciepło
Tabela 1 podsumowuje średnią moc rzeczywistą i ΔT po 30 minutach.
表格
复制
| Prędkość (mm/s) | Moc krokowa (W) | Moc serwa (W) | ΔT Krokowy (stopień) | Serwo ΔT (stopień) |
|---|---|---|---|---|
| 100 | 18 | 15 | 5 | 3 |
| 600 | 65 | 53 | 22 | 8 |
3.3 Moment obrotowy przy prędkości
Rysunek 2 nakłada krzywe momentu obrotowego i prędkości. Moment obrotowy silnika krokowego spada o 60% od 0 obr./min do 1200 obr./min. Moment obrotowy serwa utrzymuje się w zakresie ±5% do 3000 obr./min.
3.4 Model kosztów
- Koszt listy części na oś (USD, wyceny z II kwartału 2025 r.):
- Zestaw krokowy (silnik + sterownik + część zasilacza): 42 USD
- Zestaw serwo (silnik + sterownik + kabel enkodera): 115 USD
Próg rentowności występuje, gdy oszczędność czasu-cyklu serwomechanizmów przewyższa premię w wysokości 73 USD. W przypadku maszyny tnącej przez 10-godzin tygodniowo z szybkością 600 mm/s próg rentowności osiąga po 14 tygodniach (rysunek 3).
4 Dyskusja
4.1 Dlaczego steppery tracą dokładność przy dużej prędkości
Blokada tętnienia momentu obrotowego i powrót-Ograniczenie pola elektromagnetycznego, czasu narastania prądu uzwojenia. Brak informacji zwrotnej oznacza, że pominięte kroki nie zostaną skorygowane.
4.2 Kompromis-serwo
Enkoder dodaje 32 mm do długości silnika, ale eliminuje ryzyko utknięcia. Strojenie PID trwało 15 minut na oś; domyślne wzmocnienia były stabilne dla naszych obciążeń inercyjnych (J_load/J_rotor ≈ 5).
4.3 Ograniczenia
- Do testów wykorzystano magistralę 24 V; wyższe napięcie (48 V) spowodowałoby wydłużenie maksymalnej prędkości krokowej.
- Testy termiczne przeprowadzono bez obudowy; ogrzewana obudowa może zawęzić szczelinę o 14 stopni.
4.4 Praktyczne dania na wynos
Jeśli prędkość pracy utrzymuje się poniżej 200 mm/s, a wykończenie w mikronach nie jest krytyczne, steppery oszczędzają pieniądze i okablowanie. Przekraczaj prędkość 400 mm/s, graweruj metale lub potrzebujesz 24-godzin pracy bez nadzoru – serwa zwracają się w postaci niezawodności i jakości powierzchni.
5 Wniosek
Stepery wygrywają prostotą i początkowymi kosztami w przypadku lekkich komputerów stacjonarnych CNC. Serwa dominują, gdy liczy się szybkość, dokładność lub wytrzymałość termiczna. Skorzystaj z wykresu progu rentowności (rysunek 3), aby podjąć decyzję,-następnie przeprowadź ponownie 30-minutowy test na własnym stanowisku, aby potwierdzić, zanim zaangażujesz się w BOM.