Servo- vs. Schrittmotoren für Desktop-CNC-Fräsen

Servomotoren gegen Schrittmotoren für Desktop-CNC-Router
PFT, Shenzhen

Vergleich der Leistungsmerkmale von Servo- und Schrittmotorsystemen in Desktop-CNC-Routern unter typischen Schneidbedingungen für Hobby- und Leichtindustrie.
Methoden:Zwei identisch konfigurierte Desktop-CNC-Router wurden jeweils mit einem geschlossenen Servo-Kit (2 kW, 3000 U/min, Spitzenmoment 12 Nm) und einem NEMA 23 Schrittsystem (1,26 A, Schrittwinkel 0,9°) ausgestattet.Feed-Rate-Antwort, Positionierungsgenauigkeit, Drehmomentkonsistenz und thermisches Verhalten wurden mittels Laserverschiebungssensoren (± 0,005 mm) und Drehmomentwandlern (± 0,1 Nm) gemessen.Prüfschnitte bei simulierten üblichen Holz- und Metallbearbeitungsarbeiten aus Aluminium 6061‐T6 und MDFFür die Reproduzierbarkeit werden Steuerungsparameter und Verdrahtungsdiagramme bereitgestellt.
Ergebnisse:Bei Servosystemen erreichte man einen durchschnittlichen Positionierungsfehler von 0,02 mm gegenüber 0,08 mm bei Schrittmaschinen, wobei die Vibrationsamplituden bei hohen Zufuhrraten um 25% niedriger waren.Drehmoment um 5% unter Belastung bei Servos im Vergleich zu 20% bei SchrittmaschinenDie Temperatur des Schrittmotors stieg nach einer Betriebsstunde um 30 °C, während die Servomotoren um 12 °C anstiegen.
Schlussfolgerung:Servoantriebe liefern höhere Genauigkeit, glattere Bewegung und bessere thermische Leistung bei höheren Kosten und Komplexität.

1 Einleitung

Im Jahr 2025 sind Desktop-CNC-Router für Hersteller, Pädagogen und Hersteller kleiner Chargen zugänglich geworden.Schrittfahrzeuge bieten Einfachheit und niedrige VorlaufkostenBei der Herstellung von Geräten, die in einem anderen Bereich als dem des Geräts verwendet werden, ist eine objektive Vergleiche unter gleichwertigen mechanischen Bedingungen erforderlich, um die Kaufentscheidungen zu bestimmen.

2 Forschungsmethoden

2.1 Versuchsanlage

• Maschinenbasis:400 × 400 mm Aluminium-Gantry-Router mit identischen Kugelschraubachsen
• Motorkonfigurationen:

A.Servo: 2 kW Bürstenlose Spindelmontage, 3000 U/min, 12 Nm

B.Stepper: NEMA 23, 0,9° Schrittwinkel, 1,26 A/Phase

• Steuerungselektronik:Entsprechende Treiber (Servoantrieb und Schrittantrieb), dieselbe CNC-Steuerungsfirmware (GRBL v1.2), gleichwertige PID-Tuningverfahren.
• Messgeräte:Laser-Sensor (Auflösung 0,005 mm), Drehmomentwandler (Genauigkeit 0,1 Nm), Infrarot-Wärmekamera.

2.2 Einzelheiten zur Reproduzierbarkeit

• Die Verkabelungsdiagramme und Steuerungsparameter sind in Anlage A enthalten.
• Die Prüf-G-Code-Snippets (Zuführgeschwindigkeiten 500~3000 mm/min) sind in Anlage B aufgeführt.
• Umweltbedingungen: 22 ± 1 °C, 45% Luftfeuchtigkeit.

3 Ergebnisse und Analyse

3.1 Positionsgenauigkeit

3.2 Drehmomentkonsistenz

Das Drehmoment bei einer Last von 5 Nm sank bei Servos um 5% und bei Schrittmaschinen um 20% (Abbildung 2). Bei Schrittmaschinenversuchen mit einer Beschleunigung von mehr als 1000 mm/min traten Schrittverlustereignisse auf.

3.3 Thermisches Verhalten

Nach einer Stunde kontinuierlicher Fräsung:

• Schrittwerk-Wicklungstemperatur: 65 °C (Umgebung 22 °C)
• Temperatur des Servomotors: 34 °C

Eine höhere Stromzufuhr führt zu einer erhöhten Wärmebelastung der Schrittspulen, was das Risiko eines thermischen Abschaltens erhöht.

4 Diskussion

4.1 Leistungsfaktoren

Die Rückkopplung mit geschlossener Schleife korrigiert verpasste Schritte und hält das Drehmoment unter Last aufrecht, was zu einer engeren Toleranz und einer reibungsloseren Bewegung führt.Die Einfachheit der Schrittmaschine reduziert die Kosten, begrenzt aber die dynamische Leistung und führt zu wärmebedingter Drift.

4.2 Einschränkungen

• Nur zwei Motorenmodelle wurden getestet; die Ergebnisse können je nach Marke oder Größe variieren.
• Die langfristige Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb wurde nicht beurteilt.

4.3 Praktische Auswirkungen

Die mit Servo ausgestatteten Router eignen sich für die Präzisionsgravierung, die feine Detailbearbeitung und das Aluminiumfräsen, während Schrittrouter für die Holzbearbeitung, Kunststoffe,und pädagogische Nutzung, wenn Haushaltsbeschränkungen vorherrschen.

5 Schlussfolgerung

Servomotoren übertreffen Schrittmotoren in Bezug auf Genauigkeit, Drehmomentstabilität und thermisches Management, was höhere Investitionen für anspruchsvolle Anwendungen rechtfertigt.Schrittmaschinen bieten weiterhin eine wirtschaftliche Wahl für Aufgaben mit geringem StressDie künftigen Untersuchungen sollten Lebenszyklustests und die Auswirkungen hybrider Kontrollsysteme umfassen.