PFT, Shenzhen
Syfte: Leverera ett repeterbart beslutsramverk för val av servo- eller stegmotorer i stationära CNC-byggen under 1 m³ arbetsvolym.
Metod: En testbänk emulerade en 3-axlig portal (X-Y-stång-och-drev, Z-kula-skruv). Fyrtioåtta parade körningar jämförde NEMA 23 steppers (2,8 A, 1,8 grader) och 200 W borstlösa servon (3000 rpm, 17-bitars kodare). Dynamisk styvhet, positioneringsfel, verkligt effektförbrukning och 8-timmars termisk ökning loggades vid 100 mm/s och 600 mm/s travershastigheter.
Resultat: Vid mindre än eller lika med 200 mm/s levererade steppers ±0,05 mm repeterbarhet med 25 % lägre kostnad för delar. Över 400 mm/s bibehöll servon ±0,01 mm samtidigt som skäreffekten 18 % och begränsade yttemperaturökningen till 8 grader kontra 22 grader för stegmaskiner.
Slutsats: Steppers passar låg-hastighet, budget-första byggen; servon blir ekonomiska över 400 mm/s eller när termisk stabilitet och mikron-nivånoggrannhet dominerar.
1 Introduktion
Välj fel motor och din stationära CNC stannar antingen på aluminium eller förbränner budgeten på överdriven hårdvara. Den här guiden går igenom de exakta mått,-avvägningstabeller och kostnadsmodeller som vi använde i PFT:s labb så att du kan replikera testet på din egen bänk och koppla in siffror direkt i en stycklista.
2 Forskningsmetoder
2.1 Testrigg
Ram: 6060-T5 extrudering, 800 mm × 600 mm × 150 mm slaglängd.
Skenor: MGN15 linjära styrningar, klass C.
Drivningar: 16-kuggdrev, 20 mm stigningsradie → 62,8 mm/varv.
2.2 Motorpar
| Axel | Stepper | Servo |
|---|---|---|
| X/Y | 2-fas, 3 N·m hållmoment, 1,8 grader | 60 W kontinuerlig, 0,64 N·m nominell, 2,5 N·m topp |
| Z | 1,2 N·m stepper | Samma servo via 4:1 planetarisk |
2.3 Instrumentering
- Position: 0,1 μm glas-skalkodare, oberoende av motoråterkoppling.
- Effekt: Yokogawa WT310, 0,1 W upplösning.
- Termiskt: K-termoelement på motorhölje.
- Styrning: LinuxCNC 2.9, 1 kHz servogänga för båda systemen.
2.4 Procedur (reproducerbar)
Steg 1: Jogga varje axel 100 mm med 100 mm/s → logga följande fel.
Steg 2: Upprepa vid 200, 400, 600 mm/s.
Steg 3: Kläm fast en 5 kg dummyspindel, kör ett 30-min G-kodmönster vid 50 % drift.
Steg 4: Spela in temperaturen var 60:e s.
Steg 5: Byt motortyp, håll mekaniken identisk, kör om.
3 Resultat & analys
3.1 Positioneringsnoggrannhet
Figur 1 plottar det genomsnittliga absoluta följande felet mot travershastigheten. Stegmaskiner håller sig under 0,05 mm upp till 200 mm/s och klättrar sedan brant till 0,18 mm vid 600 mm/s. Servon förblir plana vid 0,01 mm över hela området.
3.2 Kraft & Värme
Tabell 1 sammanfattar genomsnittlig verklig effekt och ΔT efter 30 min.
表格
复制
| Hastighet (mm/s) | Stegeffekt (W) | Servoeffekt (W) | ΔT Stepper ( grad ) | ΔT Servo (grad) |
|---|---|---|---|---|
| 100 | 18 | 15 | 5 | 3 |
| 600 | 65 | 53 | 22 | 8 |
3.3 Vridmoment vid hastighet
Figur 2 visar vridmoment-hastighetskurvor. Stegvridmomentet sjunker med 60 % från 0 rpm till 1200 rpm. Servo vridmoment håller inom ±5 % upp till 3000 rpm.
3.4 Kostnadsmodell
- Reservdelslista kostnad per axel (USD, 2025 Q2 offerter):
- Stegsats (motor + drivrutin + PSU-andel): $42
- Servosats (motor + drivrutin + kodarkabel): $115
Avbrott-även inträffar när cykelns-tidsbesparingar för servon uppväger premien på 73 USD. För en 10-timmars/vecka maskinskärning med 600 mm/s landar break-even vid 14 veckor (Figur 3).
4 Diskussion
4.1 Varför steppers förlorar precision i hastighet
Spärrmomentrippel och bakåt-EMF begränsar lindningsströmmens stigtid. Ingen feedback betyder att missade steg inte korrigeras.
4.2 Servoavvägningar-
Encodern lägger till 32 mm till motorlängden men eliminerar risken för stopp. PID-inställning tog 15 minuter per axel; standardförstärkningarna var stabila för våra tröghetsbelastningar (J_load/J_rotor ≈ 5).
4.3 Begränsningar
- Tester använde 24 V-buss; högre spänning (48 V) skulle utöka steghastighetstaket.
- Termiska tester kördes utan inneslutning; ett uppvärmt hölje kan minska gapet på 14 grader.
4.4 Praktisk takeaway
Om dina jobb håller sig under 200 mm/s och mikronfinishen inte är kritisk, sparar steppers pengar och kablage. Tryck förbi 400 mm/s, gravera metaller eller behöver 24-timmars obevakade körningar – servon betalar för sig i tillförlitlighet och ytkvalitet.
5 Slutsats
Steppers vinner på enkelhet och förhandskostnad för lätt-dator CNC. Servon dominerar när hastighet, noggrannhet eller termisk uthållighet spelar roll. Använd brytdiagrammet-jämnt (Figur 3) för att bestämma-och kör sedan om 30-minuterstestet på din egen bänk för att bekräfta innan du förbinder dig till en stycklista.