PFT, Shenzhen
Doel: Het leveren van een herhaalbaar beslissingskader voor het selecteren van servo- of stappenmotoren in desktop-CNC-constructies met een werkvolume van minder dan 1 m³.
Methode: Een testbank emuleerde een portaal met 3- assen (X-Y-heugel-en-rondsel, Z-kogel-schroef). Achtenveertig gepaarde runs vergeleken NEMA 23 steppers (2,8 A, 1,8 graden) en 200 W borstelloze servo's (3000 rpm, 17-bit encoder). Dynamische stijfheid, positioneringsfout, werkelijk stroomverbruik en thermische stijging gedurende 8 uur werden geregistreerd bij verplaatsingssnelheden van 100 mm/s en 600 mm/s.
Resultaten: Bij minder dan of gelijk aan 200 mm/s leverden steppers een herhaalbaarheid van ±0,05 mm met 25% lagere onderdelenkosten. Boven 400 mm/s bleven de servo's ±0,01 mm behouden terwijl ze het vermogen met 18% verminderden en de stijging van de oppervlaktetemperatuur beperkten tot 8 graden versus 22 graden voor steppers.
Conclusie: steppers zijn geschikt voor eerste builds met lage-snelheid en budget-; servo's worden zuiniger boven 400 mm/s of wanneer thermische stabiliteit en nauwkeurigheid op micronniveau- domineren.
1 Inleiding
Kies de verkeerde motor en uw desktop-CNC blijft hangen op aluminium of verbrandt budget op overkill-hardware. In deze gids vindt u een overzicht van de exacte metingen,{1}} trade-off-grafieken en het kostenmodel dat we in het laboratorium van PFT hebben gebruikt, zodat u de test op uw eigen testbank kunt repliceren en de cijfers rechtstreeks in een stuklijst kunt invoeren.
2 Onderzoeksmethoden
2.1 Testopstelling
Frame: 6060-T5 extrusie, 800 mm x 600 mm x 150 mm veerweg.
Rails: MGN15 lineaire geleidingen, klasse C.
Aandrijvingen: rondsel met 16 tanden, steekradius 20 mm → 62,8 mm/omw.
2.2 Motorparen
| As | Stapper | Servo |
|---|---|---|
| X/Y | 2-fasig, 3 Nm houdkoppel, 1,8 graden | 60 W continu, 0,64 N·m nominaal, 2,5 N·m piek |
| Z | 1,2 N·m stappenmotor | Dezelfde servo via 4:1 planetair |
2.3 Instrumentatie
- Positie: encoder met glas-schaal van 0,1 μm, onafhankelijk van motorfeedback.
- Vermogen: Yokogawa WT310, resolutie 0,1 W.
- Thermisch: thermokoppel type K- op motorbehuizing.
- Besturing: LinuxCNC 2.9, 1 kHz servothread voor beide systemen.
2.4 Procedure (reproduceerbaar)
Stap 1: Jog elke as 100 mm met een snelheid van 100 mm/s → log de volgende fout.
Stap 2: Herhaal bij 200, 400, 600 mm/s.
Stap 3: Klem een dummy-spil van 5 kg vast, voer een G-codepatroon van 30-min uit bij 50% inschakelduur.
Stap 4: Registreer de temperatuur elke 60 s.
Stap 5: Motortypes wisselen, de mechanica identiek houden, opnieuw uitvoeren.
3 Resultaten & Analyse
3.1 Positioneringsnauwkeurigheid
Figuur 1 toont de gemiddelde absolute volgfout versus de verplaatsingssnelheid. Steppers blijven onder de 0,05 mm tot 200 mm/s en klimmen dan steil naar 0,18 mm bij 600 mm/s. Servo's blijven vlak op 0,01 mm over het hele bereik.
3.2 Stroom en warmte
Tabel 1 vat het gemiddelde reële vermogen en ΔT na 30 minuten samen.
表格
复制
| Snelheid (mm/s) | Stappenvermogen (W) | Servovermogen (W) | ΔT Stapper (graad) | ΔT Servo (graad) |
|---|---|---|---|---|
| 100 | 18 | 15 | 5 | 3 |
| 600 | 65 | 53 | 22 | 8 |
3.3 Koppel op snelheid
Figuur 2 toont de koppel-snelheidscurven. Het stappenkoppel daalt met 60% van 0 tpm naar 1200 tpm. Het servokoppel blijft binnen ±5% tot 3000 tpm.
3.4 Kostenmodel
- Kosten onderdelenlijst per as (USD, offertes tweede kwartaal 2025):
- Stappenset (motor + driver + PSU-aandeel): $ 42
- Servokit (motor + driver + encoderkabel): $ 115
Break{0}} treedt op wanneer de cyclus-tijdbesparingen van servo's groter zijn dan de premie van $ 73. Voor een machine die 10-uur/week snijdt met een snelheid van 600 mm/s, is het break-evenpunt na 14 weken (Figuur 3).
4 Discussie
4.1 Waarom steppers hun nauwkeurigheid verliezen bij snelheid
Detent-koppelrimpel en terug-EMF-begrenzing van de stijgtijd van de wikkelingsstroom. Geen feedback betekent dat gemiste stappen niet worden gecorrigeerd.
4.2 Servo-afwegingen-
De encoder voegt 32 mm toe aan de motorlengte, maar elimineert het risico op afslaan. PID-afstemming duurde 15 minuten per as; De standaardwinsten waren stabiel voor onze traagheidsbelastingen (J_load/J_rotor ≈ 5).
4.3 Beperkingen
- Tests gebruikten 24 V-bus; een hogere spanning (48 V) zou het stappensnelheidsplafond verlengen.
- Thermische tests zijn uitgevoerd zonder behuizing; een verwarmde behuizing zou de opening van 14 graden kunnen verkleinen.
4.4 Praktische afhaalmaaltijden
Als uw klussen onder de 200 mm/s blijven en de micronafwerking niet van cruciaal belang is, besparen steppers geld en bedrading. Ga voorbij de 400 mm/s, graveer metalen of heb 24-uur onbeheerde runs nodig - servo's betalen zichzelf terug in betrouwbaarheid en oppervlaktekwaliteit.
5 Conclusie
Steppers winnen door de eenvoud en initiële kosten voor lichte- desktop-CNC's. Servo's domineren wanneer snelheid, nauwkeurigheid of thermisch uithoudingsvermogen ertoe doen. Gebruik het break-even-diagram (Afbeelding 3) om te beslissen-en voer vervolgens de test van 30 minuten opnieuw uit op uw eigen bank om te bevestigen voordat u zich aan een stuklijst vastlegt.