PFT, Shenzhen
Formål: Levere en gentagelig beslutningsramme til valg af servo- eller stepmotorer i stationære CNC-bygninger under 1 m³ arbejdsvolumen.
Metode: En testbænk emulerede en 3-akse portal (X-Y tandstang-og-pinion, Z-kugle-skrue). 48 parrede kørsler sammenlignede NEMA 23 steppere (2,8 A, 1,8 grader) og 200 W børsteløse servoer (3000 rpm, 17-bit encoder). Dynamisk stivhed, positioneringsfejl, reelt strømforbrug og 8-timers termisk stigning blev registreret ved 100 mm/s og 600 mm/s travershastigheder.
Resultater: Ved mindre end eller lig med 200 mm/s leverede stepmaskiner ±0,05 mm repeterbarhed med 25 % lavere deleomkostninger. Over 400 mm/s bibeholdt servoer ±0,01 mm, mens skæreeffekten 18 % og begrænsede overfladetemperaturstigning til 8 grader versus 22 grader for stepmaskiner.
Konklusion: Steppers passer til lav-hastighed, budget-første builds; Servoer bliver økonomiske over 400 mm/s, eller når termisk stabilitet og mikron-nøjagtighed dominerer.
1 Indledning
Vælg den forkerte motor, og din stationære CNC går enten i stå på aluminium eller brænder budgettet på overkill hardware. Denne vejledning gennemgår de nøjagtige mål,-afregningsdiagrammer og omkostningsmodeller, vi brugte i PFT's laboratorium, så du kan replikere testen på din egen bænk og sætte tal direkte ind i en stykliste.
2 Forskningsmetoder
2.1 Testrig
Ramme: 6060-T5 ekstrudering, 800 mm × 600 mm × 150 mm vandring.
Skinner: MGN15 lineære føringer, klasse C.
Drev: 16-tands tandhjul, 20 mm stigningsradius → 62,8 mm/omdr.
2.2 Motorpar
| Akse | Stepper | Servo |
|---|---|---|
| X/Y | 2-faset, 3 N·m holdemoment, 1,8 grader | 60 W kontinuerlig, 0,64 N·m nominel, 2,5 N·m top |
| Z | 1,2 N·m stepper | Samme servo via 4:1 planetarisk |
2.3 Instrumentering
- Position: 0,1 μm glas-skala-koder, uafhængig af motorfeedback.
- Effekt: Yokogawa WT310, 0,1 W opløsning.
- Termisk: K-termoelement på motorhuset.
- Styring: LinuxCNC 2.9, 1 kHz servo gevind til begge systemer.
2.4 Procedure (reproducerbar)
Trin 1: Jog hver akse 100 mm ved 100 mm/s → log følgende fejl.
Trin 2: Gentag ved 200, 400, 600 mm/s.
Trin 3: Spænd en 5 kg dummy-spindel, kør et 30-min G-kodemønster ved 50 % drift.
Trin 4: Registrer temperaturen hver 60 s.
Trin 5: Skift motortyper, hold mekanikken identisk, kør igen.
3 Resultater & Analyse
3.1 Positioneringsnøjagtighed
Figur 1 plotter den gennemsnitlige absolutte følgefejl i forhold til travershastighed. Stepmaskiner holder sig under 0,05 mm op til 200 mm/s og stiger derefter stejlt til 0,18 mm ved 600 mm/s. Servoer forbliver flade ved 0,01 mm over hele området.
3.2 Strøm og varme
Tabel 1 opsummerer den gennemsnitlige reelle effekt og ΔT efter 30 min.
表格
复制
| Hastighed (mm/s) | Steppereffekt (W) | Servoeffekt (W) | ΔT stepper (grad) | ΔT Servo (grad) |
|---|---|---|---|---|
| 100 | 18 | 15 | 5 | 3 |
| 600 | 65 | 53 | 22 | 8 |
3.3 Moment ved hastighed
Figur 2 overlejrer drejningsmoment-hastighedskurver. Steppernes drejningsmoment falder 60 % fra 0 rpm til 1200 rpm. Servo-drejningsmomentet holder inden for ±5 % op til 3000 rpm.
3.4 Omkostningsmodel
- Pris for reservedelsliste pr. akse (USD, 2025 Q2 tilbud):
- Stepsæt (motor + driver + PSU-andel): $42
- Servosæt (motor + driver + encoderkabel): $115
Break-selv opstår, når cyklus-tidsbesparelserne for servoer opvejer præmien på $73. For en 10-timers maskinskæring om ugen ved 600 mm/s lander break-even ved 14 uger (figur 3).
4 Diskussion
4.1 Hvorfor steppere mister nøjagtighed ved hastighed
Spærremomentrippel og tilbage-EMF begrænser viklingsstrømmens stigetid. Ingen feedback betyder, at mistede trin ikke korrigeres.
4.2 Servo-afvejninger-
Encoderen tilføjer 32 mm til motorlængden, men eliminerer risikoen for stalling. PID-tuning tog 15 minutter pr. akse; standardforstærkninger var stabile for vores inertibelastninger (J_load/J_rotor ≈ 5).
4.3 Begrænsninger
- Test brugt 24 V bus; højere spænding (48 V) ville udvide stepperhastighedsloftet.
- Termiske test kørte uden indkapsling; et opvarmet kabinet kunne indsnævre afstanden på 14 grader.
4.4 Praktisk takeaway
Hvis dine opgaver forbliver under 200 mm/s, og mikronfinishen ikke er kritisk, sparer stepmaskiner penge og ledninger. Skub forbi 400 mm/s, graver metaller, eller har brug for 24-timers uovervågede løb - servoer betaler sig selv i pålidelighed og overfladekvalitet.
5 Konklusion
Steppers vinder på enkelhed og forhåndsomkostninger for let-computer CNC. Servoer dominerer, når hastighed, nøjagtighed eller termisk udholdenhed betyder noget. Brug break-even-diagrammet (figur 3) til at beslutte-og kør derefter 30-minutters testen på din egen bænk for at bekræfte, før du forpligter dig til en stykliste.