PFT, Shenzhen
Objetivo: Fornecer uma estrutura de decisão repetível para a seleção de servomotores ou motores de passo em construções CNC de mesa com volume de trabalho inferior a 1 m³.
Método: uma bancada de testes emulou um pórtico de 3-eixos (cremalheira X-Y-e-pinhão, parafuso-de esfera-Z). Quarenta e oito execuções emparelhadas compararam steppers NEMA 23 (2,8 A, 1,8 graus) e servos sem escova de 200 W (3000 rpm, codificador de 17 bits). Rigidez dinâmica, erro de posicionamento, consumo de energia real e aumento térmico de 8 horas foram registrados em velocidades transversais de 100 mm/s e 600 mm/s.
Resultados: Em velocidades inferiores ou iguais a 200 mm/s, os steppers forneceram repetibilidade de ±0,05 mm com custo de peças 25% menor. Acima de 400 mm/s, os servos mantiveram ±0,01 mm enquanto cortavam a potência em 18% e limitavam o aumento da temperatura da superfície a 8 graus versus 22 graus para motores de passo.
Conclusão: Steppers são adequados para versões iniciais de baixa-velocidade e orçamento-; os servos tornam-se econômicos acima de 400 mm/s ou quando a estabilidade térmica e a precisão do nível de mícron-dominam.
1 Introdução
Escolha o motor errado e seu CNC de mesa travará no alumínio ou queimará o orçamento com hardware exagerado. Este guia aborda as medidas exatas, os gráficos{1}}de compensação e o modelo de custo que usamos no laboratório da PFT para que você possa replicar o teste em sua própria bancada e inserir os números diretamente em uma lista técnica.
2 Métodos de Pesquisa
2.1 Equipamento de teste
Estrutura: extrusão 6060-T5, curso de 800 mm × 600 mm × 150 mm.
Trilhos: Guias lineares MGN15, classe C.
Acionamentos: pinhão de 16 dentes, raio de passo de 20 mm → 62,8 mm/rot.
2.2 Pares de Motores
| Eixo | Passo a passo | Servo |
|---|---|---|
| X/Y | Torque de retenção bifásico, 3 N·m, 1,8 graus | 60 W contínuo, classificação de 0,64 N·m, pico de 2,5 N·m |
| Z | Passo a passo de 1,2 N·m | Mesmo servo via planetário 4:1 |
2.3 Instrumentação
- Posição: codificador de escala-de vidro de 0,1 μm, independente do feedback do motor.
- Potência: Yokogawa WT310, resolução de 0,1 W.
- Térmico: Termopar tipo K-na carcaça do motor.
- Controle: LinuxCNC 2.9, rosca servo de 1 kHz para ambos os sistemas.
2.4 Procedimento (Reproduzível)
Passo 1: Jog cada eixo 100 mm a 100 mm/s → log seguinte erro.
Etapa 2: Repita a 200, 400, 600 mm/s.
Etapa 3: Fixe um fuso fictício de 5 kg, execute um padrão de código G de 30-minutos com 50% de serviço.
Etapa 4: registre a temperatura a cada 60 s.
Etapa 5: Troque os tipos de motor, mantenha a mecânica idêntica e execute novamente.
3 Resultados e Análise
3.1 Precisão de Posicionamento
A Figura 1 representa o erro médio absoluto de seguimento versus velocidade transversal. Os steppers permanecem abaixo de 0,05 mm até 200 mm/s, depois sobem abruptamente até 0,18 mm a 600 mm/s. Os servos permanecem planos em 0,01 mm em toda a faixa.
3.2 Energia e Calor
A Tabela 1 resume a potência real média e ΔT após 30 min.
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| Velocidade (mm/s) | Potência de passo (W) | Potência Servo (W) | ΔT Stepper (grau) | ΔT Servo (grau) |
|---|---|---|---|---|
| 100 | 18 | 15 | 5 | 3 |
| 600 | 65 | 53 | 22 | 8 |
3.3 Torque em Velocidade
A Figura 2 sobrepõe curvas torque-velocidade. O torque do passo cai 60% de 0 rpm a 1200 rpm. O servo torque é mantido em ±5% até 3.000 rpm.
3.4 Modelo de Custo
- Custo da lista de peças por eixo (USD, cotações do segundo trimestre de 2025):
- Kit de passo (motor + driver + compartilhamento de PSU): $ 42
- Kit servo (motor + driver + cabo codificador): $ 115
O ponto de equilíbrio-ocorre quando a economia-de tempo de ciclo dos servos supera o prêmio de US$ 73. Para uma máquina de corte de 10-horas/semana a 600 mm/s, o ponto de equilíbrio chega em 14 semanas (Figura 3).
4 Discussão
4.1 Por que os Steppers perdem precisão na velocidade
Ondulação de torque de retenção e retorno-EMF limitam o tempo de aumento da corrente do enrolamento. Nenhum feedback significa que as etapas perdidas não serão corrigidas.
4.2 Compensações-do servo
O codificador acrescenta 32 mm ao comprimento do motor, mas elimina o risco de travamento. A sintonia do PID levou 15 minutos por eixo; os ganhos padrão foram estáveis para nossas cargas inerciais (J_load/J_rotor ≈ 5).
4.3 Limitações
- Os testes utilizaram barramento de 24 V; uma tensão mais alta (48 V) estenderia o teto da velocidade de passo.
- Os testes térmicos foram executados sem gabinete; um gabinete aquecido poderia diminuir a diferença de 14 graus.
4.4 Conclusão prática
Se seus trabalhos permanecerem abaixo de 200 mm/s e o acabamento em mícron não for crítico, os steppers economizam dinheiro e fiação. Ultrapasse 400 mm/s, grave metais ou precise de 24{4}}horas de funcionamento autônomo. Os servos se pagam em confiabilidade e qualidade de superfície.
5 Conclusão
Os steppers ganham em simplicidade e custo inicial para CNC de desktop-para serviços leves. Os servos dominam quando a velocidade, a precisão ou a resistência térmica são importantes. Use o gráfico-de ponto de equilíbrio (Figura 3) para decidir-e, em seguida, execute novamente o teste de 30 minutos em sua própria bancada para confirmar antes de se comprometer com uma BOM.